KR102620903B1 - 피드백 회로를 포함하는 전력 변환 장치 - Google Patents

피드백 회로를 포함하는 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 피드백 신호에 기초하여 배터리로부터 입력받은 입력 전압을 기 설정된 크기의 출력 전압으로 변환하여 부하단으로 출력하는 컨버터부, 그리고 상기 입력 전압 및 출력 전압에 기초하여 상기 피드백 신호를 생성하는 피드백부를 포함하며, 상기 피드백부는, 상기 입력 전압에 기초하여 서로 다른 전압 크기를 가지는 복수의 구동 전압을 생성하고, 상기 입력 전압, 상기 복수의 구동 전압 및 상기 출력 전압을 통해 상기 피드백 신호를 생성한다.

Description

피드백 회로를 포함하는 전력 변환 장치{POWER REGULATOR INCLUDING FEEDBACK CIRCUIT}
실시 예는 피드백 회로를 포함하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 자동차의 구동 에너지를 화석 연료의 연소가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 배기가스가 전혀 없고, 소음이 매우 적어, 무공해 친환경적인 점이라는 이유로 관심이 높아지고 있다.
이러한 전기 자동차는 차량에 내장된 배터리를 통해 모터를 구동하게 된다. 이때, 배터리는 모터뿐만 아니라 전기자동차의 통신 컨트롤러(Communication Controller of Electric Vehicle, EVCC)에서 필요로 하는 전력 또한 공급하게 된다. 구체적으로, 전기 자동차는 배터리를 입력으로 하는 전원 장치(power supply)를 통해 EVCC에 전력을 공급한다.
전기 자동차 배터리의 출력 전압은 자동차의 종류, 예를 들어 소형차, 대형차에 따라 상이하다. 일반적으로 소형차의 경우 12V, 대형차의 경우 24V의 배터리를 사용하고 있으며, EVCC 역시 이에 맞추어 설계된다. 이에 따라, EVCC에 전력을 공급하는 전원 장치 역시 입력 전원을 12V 또는 24V에 맞추어 설계된다.
하지만, 이로 인해 소형차와 대형차에 설치되는 EVCC용 전원 장치는 서로 호환이 되지 않으며, 입력 전원의 크기에 따라 서로 다른 어플리케이션을 제조해야 하는 문제점이 발생한다.
다중 입력 레귤레이터(multi input regulator)로 전원 장치를 설계할 수도 있으나, 다중 입력을 받을 경우 반도체 소자의 손실이 크고 변압기의 설계가 복잡해지는 문제점이 존재한다.
따라서, 배터리가 출력하는 전압의 크기와 무관하게 전기자동차의 통신 컨트롤러에서 필요로 하는 안정적인 전압을 공급할 필요가 있다. 즉, 다중 입력을 가지는표준화된 멀티 입력 레귤레이터가 제안될 필요가 있다.
또한, 멀티 입력 레귤레이터의 입력단과 출력단을 절연시켜서 입력 전원이 불안정한 경우 발생되는 전원 노이즈의 영향을 최소화할 필요가 있다.
실시 예는 입력 전압의 크기에 따라 출력 전압을 가변시킬 수 있는 전력 변환 장치를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 피드백 신호에 기초하여 배터리로부터 입력받은 입력 전압을 기 설정된 크기의 출력 전압으로 변환하여 부하단으로 출력하는 컨버터부, 그리고 상기 입력 전압 및 출력 전압에 기초하여 상기 피드백 신호를 생성하는 피드백부를 포함하며, 상기 피드백부는, 상기 입력 전압에 기초하여 서로 다른 전압 크기를 가지는 복수의 구동 전압을 생성하고, 상기 입력 전압, 상기 복수의 구동 전압 및 상기 출력 전압을 통해 상기 피드백 신호를 생성한다.
상기 입력 전압은, 기 설정된 범위 내에서 어느 하나의 전압 크기를 가지는 직류 전압일 수 있다.
상기 복수의 구동 전압은, 제1 구동 전압, 제2 구동 전압 및 제3 구동 전압을 포함하며, 상기 제1 구동 전압은, 상기 제2 구동 전압보다 크기가 작고, 상기 제2 구동 전압은, 상기 입력 전압보다 크기가 작고, 상기 제3 구동 전압은, 상기 제1 구동 전압보다 크기가 작을 수 있다.
상기 피드백부는, 상기 출력 전압을 기 설정된 비율로 증폭한 전압에 상기 제1 구동 전압을 합산한 차동 출력 전압을 상기 제2 구동 전압 및 제3 구동 전압과 각각 비교하여 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호를 생성하고, 상기 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호에 기초하여 상기 피드백 신호를 생성할 수 있다.
상기 피드백부는, 상기 제1 비교 신호 및 상기 제2 비교 신호를 클록 신호와 조합하여 상기 피드백 신호를 생성할 수 있다.
상기 피드백부는, 상기 입력 전압 및 상기 제1 구동 전압에 기초하여 상기 차동 출력 전압을 생성하는 차동 증폭 유닛, 상기 차동 출력 전압 및 상기 제2 구동 전압에 기초하여 제1 비교 신호를 생성하는 제1 비교 유닛, 상기 차동 출력 전압 및 상기 제3 구동 전압에 기초하여 제2 비교 신호를 생성하는 제2 비교 유닛, 상기 제1 비교 신호, 상기 제2 비교 신호 및 상기 클록 신호에 기초하여 상기 피드백 신호를 생성하는 카운터 유닛, 그리고 상기 배터리로 인가되는 역전압을 차단하는 역전압 방지 유닛을 포함할 수 있다.
상기 차동 증폭 유닛은, 제1 증폭기 소자, 제1단이 상기 부하단의 제1단에 연결되고, 제2단이 상기 제1 증폭기 소자의 비반전 단자에 연결되는 제1 저항 소자, 제1단이 상기 제1 증폭기 소자의 비반전 단자에 연결되고, 제2단이 상기 제1 증폭기 소자의 출력 단자에 연결되는 제2 저항 소자, 제1단이 상기 부하단의 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 제1 증폭기 소자의 반전 단자에 연결되는 제3 저항 소자, 그리고 제1단이 상기 제1 증폭기 소자의 반전 단자에 연결되고, 제2단이 상기 제1 구동 전원에 연결되는 제4 저항 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 비교 유닛은, 반전 단자가 상기 제2 구동 전원에 연결되고, 비반전 단자가 상기 제1 증폭기 소자의 출력 단자에 연결되고, 출력 단자가 상기 카운터 유닛의 제1 입력 단자에 연결되는 제2 증폭기 소자를 포함할 수 있다.
상기 제2 비교 유닛은, 비반전 단자가 상기 제3 구동 전원에 연결되고, 반전 단자가 상기 제1 증폭기 소자의 출력 단자에 연결되고, 출력 단자가 상기 카운터 유닛의 제2 입력 단자에 연결되는 제3 증폭기 소자를 포함할 수 있다.
상기 역전압 방지 유닛은, 애노드 단자가 상기 배터리와 연결되고, 캐소드 단자가 상기 제1 내지 제3 증폭기 소자의 전원 공급 단자에 연결되는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 컨버터부는, 제1단이 상기 배터리에 연결되고, 제2단이 접지 전원에 연결되는 제1 캐패시터, 제1단이 상기 제1 캐패시터의 제1단에 연결되는 인덕터, 제1단이 상기 인덕터의 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 피드백부에 연결되며, 제3단이 상기 접지 전원에 연결되는 스위칭 소자, 제1단이 상기 인덕터의 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 부하단에 연결되는 제1 다이오드, 그리고 제1단이 상기 제1 다이오드는 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 접지 전원에 연결되는 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 입력 전압의 크기에 무관하게 필요한 출력 전압을 안정적으로 공급할 수 있다.
입력 전압의 크기에 비례하여 전압을 변환을 위한 프로세스를 구동하므로 부품의 발열을 최소화할 수 있다.
다중 입력이 가능하므로 부피를 최소화할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 이용한 EVCC 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터부의 회로도이다.
도 4 및 도 5는 컨버터부의 스위칭 상태에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 이용한 EVCC 시스템을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(200)를 포함하는 전기 자동차 통신 컨트롤러(Communication Controller of Electric Vehicle, 이하 EVCC라고 함) 시스템은 전기 자동차(Electric Vehicle; EV)에 배치될 수 있다. EVCC 시스템은 배터리(100), 전력 변환 장치(200) 및 EVCC(300)를 포함할 수 있다.
배터리(100)는 전기 자동차에 구비될 수 있으며, 전기 자동차의 모터 구동뿐만 아니라 EVCC와 같은 전기 자동차 운행에 필요한 전력을 공급한다. 배터리(100)가 공급하는 전압은 6[V] 내지 36[V]의 범위에서 결정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 설계 변경이 가능하다.
한편, 배터리(100)는 전기 자동차에 구비되어 전기 자동차 충전 설비 (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)로부터 충전될 수 있다. 배터리(100)의 충전을 위해, 전기 자동차 충전 설비에 연결된 충전 케이블이 전기 자동차의 주입구에 연결될 수 있다. 전기 자동차가 충전을 위하여 전기 자동차 충전 설비와 연결되는 경우, 전기 자동차가 포함하는 EVCC(300)를 통하여 배터리(100)에 전기에너지를 충전하게 된다. 여기서, 전기 자동차 충전 설비는 AC 또는 DC를 공급하는 설비이며, 충전소에 배치되거나, 가정 내에 배치될 수 있으며, 휴대 가능하도록 구현될 수도 있다.
그리고, 배터리(100)는 배터리(100) 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 포함하는 것을 의미할 수 있다. 이때, 배터리(100) 관리 시스템은 마이크로 컨트롤러 유닛과 연결되어 전기 자동차 충전 설비로부터 전달되는 전원을 배터리(100)에 연결하고, 충전을 컨트롤할 수 있다. 또는, 배터리(100) 관리 시스템은 배터리(100)의 충전 개시 여부를 판단하거나, 마이크로 컨트롤러 유닛에게 배터리(100)의 소모량을 전송할 수도 있다.
한편, 본 명세서에서는 설명의 편의상 배터리(100)라고 표현하였으나, 배터리(100)는 배터리(100) 이외에도 전원을 공급할 수 있는 장치를 포함하는 의미로 해석되는 것이 바람직하다.
전력 변환 장치(200)는 배터리(100)로부터 인가받은 입력 전압을 출력 전압으로 변환한다. 출력 전압은 EVCC에 인가된다. 이때, 입력 전압은 복수의 전압 크기 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 입력 전압은 12[V]일 수 있으며, 24[V]일 수도 있다. 즉, 종래 어느 하나의 크기만을 가지는 입력 전압이 입력되는 전력 변환 장치(200)와 달리, 다양한 크기의 입력 전압이 인가될 수 있다.
이는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(200)의 특성에서 기인된다. 구체적으로, 전력 변환 장치(200)는 배터리(100)로부터 인가되는 입력 전압과 EVCC에 인가되는 출력 전압에 기초하여 입력 전압을 출력 전압으로 변환하므로, 다양한 크기의 입력 전압이 인가되더라도 균일한 출력 전압을 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 출력 전압을 안정화 시킬 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 아래에서 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다.
EVCC(300)는 LDO 레귤레이터(low dropout regulator)와 다수의 구성 장치를 포함할 수 있다.
우선, LDO 레귤레이터는 다수의 구성 장치 각각에 대응하여 복수로 구성되거나 다중 출력이 가능한 하나로 구성될 수 있다. 즉, 복수의 LDO 레귤레이터 또는 멀티 출력 LDO 레귤레이터로 구현될 수 있다. LDO 레귤레이터는 전기적으로 연결된 각각의 구성 장치에 대응하여 출력을 형성한다. 예를 들어, LDO 레귤레이터는 5[V], 3.3[V], 1.3[V] 크기의 전압을 생성하여 출력할 수 있다.
다음으로, EVCC에 포함된 다수의 구성 장치는 EVCC의 구동을 위한 회로 장치로서, 계측 제어기 통신망(Controller Area Network, CAN) 전송기, 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro controller unit; MCU) 및 QCA칩과 같은 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다.
한편, 도 1에서는 설명의 편의상 EVCC(300)로 표현하였으나, EVCC(300)는 전력 변환 장치(200)로부터 전원을 공급받아 작동하는 장치를 모두 포함하는 의미로 해석되는 것이 바람직하며, 이하에서는 부하단과 동일한 의미로 표현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(200)는 컨버터부(210)와 피드백부(220)를 포함한다.
컨버터부(210)는 배터리로부터 입력받은 입력 전압을 기 설정된 크기의 출력 전압으로 변환하여 부하단으로 출력한다. 이때, 입력 전압은 소정의 범위, 즉, 기 설정된 범위 내에서 어느 하나의 전압 크기를 가지는 직류 전압일 수 있다. 예를 들어, 입력 전압인 배터리의 전압은 6[V] 내지 36[V]의 범위 내의 전압 크기를 가지는 직류 전압일 수 있으며, 12[V] 의 직류 전압일 수 있고, 24[V] 의 직류 전압일 수도 있다. 즉, 컨버터부(210)는 고정된 크기의 직류 전압을 입력 전압으로 입력 받되, 입력 전압의 크기는 기 설정된 범위 내에 있음을 의미할 수 있다.
이와 같이, 입력 전압의 크기가 어느 하나로 결정되어 있지 않더라도, 컨버터부(210)는 피드백 신호를 통해 기 설정된 크기의 출력 전압을 출력할 수 있다. 구체적으로, 컨버터부(210)는 피드백 신호에 따른 스위칭 구동을 통해 입력 전압을 기 설정된 크기를 가지는 출력 전압으로 변환할 수 있다. 피드백 신호는 피드백부(220)를 통해 입력된다.
한편, 컨버터부(210)는 부스트 컨버터(boost converter)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
피드백부(220)는 입력 전압 및 출력 전압에 기초하여 피드백 신호를 생성한다. 구체적으로, 피드백부(220)는 입력 전압에 기초하여 서로 다른 전압 크기를 가지는 복수의 구동 전압을 생성하고, 입력 전압, 복수의 구동 전압 및 출력 전압을 통해 피드백 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 복수의 구동 전압은, 제1 구동 전압, 제2 구동 전압 및 제3 구동 전압을 포함할 수 있다. 제1 구동 전압은 제2 구동 전압보다 크기가 작고, 상기 제2 구동 전압은 입력 전압보다 크기가 작고, 제3 구동 전압은 제1 구동 전압보다 크기가 작을 수 있다. 예를 들어, 제1 구동 전압은 1/2*입력 전압이고, 제2 구동 전압은 2/3*입력 전압이고, 제3 구동 전압은 1/3*입력 전압일 수 있다. 즉, 복수의 구동 전압은 입력 전압을 일정한 비율로 감압한 전압 값을 가질 수 있다.
다시 구체적으로 살펴보면, 피드백부(220)는 출력 전압을 기 설정된 비율로 증폭한 전압에 상기 제1 구동 전압을 합산한 차동 출력 전압을 제2 구동 전압 및 제3 구동 전압과 각각 비교하여 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 피드백부(220)는 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호에 기초하여 피드백 신호를 생성한다. 이때, 피드백부(220)는 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호를 클록 신호와 조합하여 피드백 신호를 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터부의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터부(210)는 제1 캐패시터(C1), 제2 캐패시터(C2), 스위칭 소자(SW), 인덕터(L) 및 제1 다이오드(D1)를 포함한다.
우선, 제1 캐패시터(C1)는 제1단이 배터리와 연결되고 제2단이 접지 전원과 연결된다. 인덕터(L)는 제1단이 제1 캐패시터(C1)의 제1단과 연결된다. 따라서, 인덕터(L)의 제1단은 배터리에 연결될 수 있다.
스위칭 소자(SW)는 제1단이 인덕터(L)의 제2단과 연결되고, 제2단이 피드백부(220)와 연결되며, 제3단이 접지 전원과 연결된다. 여기서, 스위칭 소자(SW)는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor, MOSFET)이나 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)일 수 있다.
스위칭 소자(SW)가 MOSFET일 경우, 제1단은 드레인(drain) 단자 또는 소스(source) 단자일 수 있고, 제2단은 게이트(gate) 단자일 수 있으며, 제3단은 소스 단자 또는 드레인 단자일 수 있다. 스위칭 소자(SW)가 BJT일 경우, 제1단이 컬렉터(collector) 단자 또는 이미터(emitter) 단자일 수 있고, 제2단은 베이스(base) 단자일 수 있으며, 제3단은 이미터 단자 또는 컬렉터 단자일 수 있다.
제1 다이오드(D1)는 제1단이 인덕터(L)의 제2단에 연결되고, 제2단이 부하단에 연결될 수 있다. 따라서, 다이오드(D1)의 제1단은 스위칭 단자의 제1단에 연결될 수 있다. 이때, 다이오드(D1)의 제1단은 에노드(anode) 단자일 수 있고, 다이오드(D1)의 제2단은 캐소드(cathode) 단자일 수 있다.
제2 캐패시터(C2)는 제1단이 제1 다이오드(D1)의 제2단에 연결되고, 제2단이 접지 전원에 연결될 수 있다. 따라서, 제2 캐패시터(C2)의 제1단은 부하단에 연결될 수 있다.
도 4 및 도 5는 컨버터부의 스위칭 상태에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 컨버터부(210)의 스위칭 소자(SW)가 턴온(turn on) 된 경우 전류 흐름을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 피드백부(220)로부터 수신한 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자(SW)가 턴온된 경우, 배터리로부터 인가받은 직류 전압을 통해 생성된 전류는 스위칭 소자(SW) 쪽으로 흐르게 되며, 인덕터(L)에 전류가 충전된다. 이때, 제2 캐패시터(C2)에 충전된 전류는 전류는 다이오드(D1)에 의해 인덕터(L) 및 스위칭 소자(SW) 방향으로 흐르지 않는다.
도 5는 컨버터부(210)의 스위칭 소자(SW)가 턴오프(turn off) 된 경우 전류 흐름을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 피드백부(220)로부터 수신한 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자(SW)가 턴오프 된 경우, 인덕터(L)는 충전된 전류를 방전하면서 입력 전압보다 크기가 큰 출력 전압을 생성한다. 이때, 제2 캐패시터(C2)는 출력 전압 생성시 발생하는 고주파를 흡수함으로써 출력 전압을 안정화시킬 수 있다.
도 4 및 도 5를 통해 살펴본 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터부(210)는 스위칭 소자(SW)의 턴온 및 턴오프 동작을 반복하면서 인덕터(L)에 전류를 충전 및 방전시켜 입력 전압보다 크기가 큰 출력 전압을 생성할 수 있다. 이때, 출력 전압의 크기는 듀티비(duty ratio), 즉 듀티 사이클(duty cycle)에 따라 조정되는데, 이는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Vout는 출력 전압을 의미하고, Vin은 입력 전압을 의미하고, D는 듀티 비를 의미한다.
수학식 1에 나타난 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터부(210)는 입력 전압의 크기가 클수록 출력 전압의 크기가 커지고, 듀티비가 작을수록 출력 전압의 크기가 커질 수 있다.
따라서, 출력단에서 요구하는 출력 전압의 크기를 유지하기 위해서는 듀티 비와 입력 전압의 크기를 제어해야 한다. 하지만, 앞서 살펴본 것처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 컨버터부(210)에 입력되는 입력 전압의 크기는 일정 범위에 포함된 전압 값 중 어느 하나가 입력되므로, 출력단에서 요구하는 출력 전압의 크기를 유지시키기 위해서는 입력 전압의 크기와 출력 전압의 크기에 기초한 듀티 비를 제어해야 한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 피드백부(220)는 듀티 비를 제어하는 스위칭 신호를 입력 전압과 출력 전압에 기초하여 생성함으로써, 상기의 문제를 해결한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피드백부의 구성도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피드백부의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 피드백부는 차동 증폭 유닛(221), 제1 비교 유닛(222), 제2 비교 유닛(223), 카운터 유닛(224) 및 역전압 방지 유닛(225)을 포함한다.
차동 증폭 유닛(221)은 입력 전압 및 제1 구동 전압(Vd1)에 기초하여 차동 출력 전압을 생성한다. 도 7을 참조하면, 차동 출력 전압을 생성하기 위하여, 차동 증폭 유닛(221)은 제1 증폭기 소자(OPAMP1), 제1 저항 소자(R1), 제2 저항 소자(R2), 제3 저항 소자(R3) 및 제4 저항 소자(R4)를 포함한다.
차동 증폭 유닛(221)의 회로도를 살펴보면, 제1 증폭기 소자(OPAMP1)를 중심으로 복수의 저항 소자가 연결된다. 우선, 제1 저항 소자(R1)는 제1단이 부하단의 제1단에 연결되고, 제2단이 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 비반전 단자에 연결된다. 제2 저항 소자(R2)는 제1단이 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 비반전 단자에 연결되고, 제2단이 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 단자에 연결된다. 제3 저항 소자(R3)는 제1단이 부하단의 제2단에 연결되고, 제2단이 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 반전 단자에 연결된다. 제4 저항 소자(R4)는 제1단이 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 반전 단자에 연결되고, 제2단이 제1 구동 전원(Vd1)에 연결된다. 여기서, 제1 구동 전원(Vd1)은 입력 전압의 1/2크기의 전압을 공급할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 증폭기 소자(OPAMP1)는 출력 전압을 소정의 비율에 따라 증폭한다. 이때, 소정의 비율은 비반전 단자 및 반전 단자에 연결된 복수의 저항에 의해 결정될 수 있다. 제1 증폭기의 (+) 전원 공급 단자는 배터리로부터 입력 전압을 공급받으므로 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력은 배터리 전압에서 다이오드 문턱 전압(threshold voltage)을 뺀 크기의 전압보다 클 수 없다.
도 7을 참조하면, 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, R1과 R3의 저항 크기가 같고, R2와 R4의 저항 크기가 같으면, 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
즉, 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압은 R2/R1의 비율로 출력 전압을 증폭한 값에 제1 구동 전원(Vd1)의 값을 합산한 값일 수 있다.
제1 비교 유닛(222)은 차동 출력 전압 및 제2 구동 전압에 기초하여 제1 비교 신호를 생성한다. 도 7을 참조하면, 제1 비교 유닛(222)은 제2 증폭기 소자(OPAMP2)를 포함한다.
제1 비교 유닛(222)의 회로도를 살펴보면, 제2 증폭기 소자(OPAMP2)는 반전 단자가 제2 구동 전원(Vd2)에 연결되고, 비반전 단자가 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 단자에 연결되고, 출력 단자가 카운터 유닛(224)의 제1 입력 단자에 연결된다. 여기서, 제2 구동 전원(Vd2)은 입력 전압의 2/3 크기의 전압을 공급할 수 있다.
제2 증폭기 소자(OPAMP2)는 제1 참조 전압이 반전 단자에 인가되고 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압이 비반전 단자에 입력되므로, 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압이 제1 참조 전압보다 크면 배터리 전압에서 다이오드 문턱 전압을 뺀 크기의 전압을 출력할 수 있다.
제2 비교 유닛(223)은 차동 출력 전압 및 제3 구동 전압에 기초하여 제2 비교 신호를 생성한다. 도 7을 참조하면, 제2 비교 유닛(223)은 제3 증폭기 소자(OPAMP3)를 포함한다.
제2 비교 유닛(223)의 회로도를 살펴보면, 제3 증폭기 소자(OPAMP3)는 비반전 단자가 제3 구동 전원(Vd3)에 연결되고, 반전 단자가 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 단자에 연결되고, 출력 단자가 카운터 유닛(224)의 제2 입력 단자에 연결된다. 여기서, 제3 구동 전원(Vd3)은 입력 전압의 1/3 크기의 전압을 공급할 수 있다.
제3 증폭기 소자(OPAMP3)는 제2 참조 전압이 비반전 단자에 인가되고 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압이 반전 단자에 입력되므로, 제2 참조 전압이 제1 증폭기 소자(OPAMP1)의 출력 전압보다 크면 배터리 전압에서 다이오드 문턱 전압을 뺀 크기의 전압을 출력한다.
제1 비교 유닛(222)과 제2 비교 유닛(223)을 함께 살펴보면, 차동 증폭 출력이 제2 구동 전원의 전압값보다 크거나 제3 구동 전원의 전압값보다 작은 경우에만 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호가 출력된다.
한편, 제1 내지 제3 증폭기 소자(OPAMP3)의 (+) 전원 단자에는 입력 전압에 다이오드 전압을 뺀 전압이 인가되므로, 각 증폭기 소자의 출력값의 크기는 입력 전압에 다이오드 전압을 뺀 전압값을 넘을 수 없다.
카운터 유닛(224)은 제1 비교 신호, 제2 비교 신호 및 클록 신호에 기초하여 피드백 신호를 생성한다.
카운터 소자는 제2 증폭기 소자(OPAMP2)의 출력 전압 및 제3 증폭기 소자(OPAMP3)의 출력 전압에 클럭 신호를 조합하여 제1 출력 신호(Va1)와 제2 출력 신호(Va2)를 생성한다. 제1 출력 신호(Va1)는 제1 비교 신호와 제2 비교 신호가 입력되면 클럭 신호에 따라 출력된다. 제2 출력 신호(Va2)는 제1 비교 신호와 제2 비교 신호가 입력되지 않으면 0값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 클럭 신호가 60Hz이고, 2초부터 5초사이에 제1 비교 신호 또는 제2 비교 신호가 입력되고, 5초부터 7초 사이에는 제1 비교 신호 또는 제2 비교 신호가 입력되지 않는다고 가정한다. 그러면 2초부터 5초 사이에는 클럭 신호에 따라 180번의 펄스를 가지는 제1 출력 신호(Va1)가 생성되고, 5초부터 7초 사이에는 0의 값을 가지는 제2 출력 신호(Va1)가 생성될 수 있다.
제1 출력 신호(Va1) 및 제2 출력 신호(Va2)는 컨버터부의 스위칭 소자에 입력되어 스위칭을 제어한다.
역전압 방지 유닛(225)은 배터리로 인가되는 역전압을 차단한다. 도 7을 참조하면, 역전압을 차단하기 위하여, 역전압 방지 유닛(225)은 제2 다이오드(D2)를 포함한다.
역전압 방지 유닛(225)의 회로도를 살펴보면, 제2 다이오드(D2)는 애노드 단자가 배터리와 연결되고, 캐소드 단자가 제1 내지 제3 증폭기 소자(OPAMP3)의 전원 공급 단자에 연결된다. 예를 들어, 배터리 극성이 반대로 연결됨으로써 피드백부에 역전압이 인가된 경우, 제2 다이오드(D2)는 전류 흐름을 차단하여 피드백부를 보호하는 역할을 한다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 : 전원 변환 장치
210 : 컨버터부
220 : 피드백부

Claims (11)

  1. 피드백 신호에 기초하여 배터리로부터 입력받은 입력 전압을 기 설정된 크기의 출력 전압으로 변환하여 부하단으로 출력하는 컨버터부, 그리고
    상기 입력 전압에 기초하여 서로 다른 전압 크기를 가지는 복수의 구동 전압을 생성하고, 상기 입력 전압, 상기 복수의 구동 전압 및 상기 출력 전압을 통해 피드백 신호를 생성하는 피드백부를 포함하며,
    상기 복수의 구동 전압은,
    제1 구동 전압, 제2 구동 전압 및 제3 구동 전압을 포함하며,
    상기 제1 구동 전압은, 상기 제2 구동 전압보다 크기가 작고,
    상기 제2 구동 전압은, 상기 입력 전압보다 크기가 작고,
    상기 제3 구동 전압은, 상기 제1 구동 전압보다 크기가 작으며,
    상기 피드백부는,
    상기 출력 전압을 기 설정된 비율로 증폭한 전압에 상기 제1 구동 전압을 합산한 차동 출력 전압을 상기 제2 구동 전압 및 제3 구동 전압과 각각 비교하여 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호를 생성하고, 상기 제1 비교 신호 및 제2 비교 신호에 기초하여 상기 피드백 신호를 생성하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 전압은,
    기 설정된 범위 내에서 어느 하나의 전압 크기를 가지는 직류 전압인 전력 변환 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피드백부는,
    상기 제1 비교 신호 및 상기 제2 비교 신호를 클록 신호와 조합하여 상기 피드백 신호를 생성하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피드백부는,
    상기 입력 전압 및 상기 제1 구동 전압에 기초하여 상기 차동 출력 전압을 생성하는 차동 증폭 유닛,
    상기 차동 출력 전압 및 상기 제2 구동 전압에 기초하여 제1 비교 신호를 생성하는 제1 비교 유닛,
    상기 차동 출력 전압 및 상기 제3 구동 전압에 기초하여 제2 비교 신호를 생성하는 제2 비교 유닛,
    상기 제1 비교 신호, 상기 제2 비교 신호 및 상기 클록 신호에 기초하여 상기 피드백 신호를 생성하는 카운터 유닛, 그리고
    상기 배터리로 인가되는 역전압을 차단하는 역전압 방지 유닛을 포함하는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차동 증폭 유닛은,
    제1 증폭기 소자,
    제1단이 상기 부하단의 제1단에 연결되고, 제2단이 상기 제1 증폭기 소자의 비반전 단자에 연결되는 제1 저항 소자,
    제1단이 상기 제1 증폭기 소자의 비반전 단자에 연결되고, 제2단이 상기 제1 증폭기 소자의 출력 단자에 연결되는 제2 저항 소자,
    제1단이 상기 부하단의 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 제1 증폭기 소자의 반전 단자에 연결되는 제3 저항 소자, 그리고
    제1단이 상기 제1 증폭기 소자의 반전 단자에 연결되고, 제2단이 제1 구동 전원에 연결되는 제4 저항 소자를 포함하며,
    상기 제1 구동 전원은 접지와 상기 제4 저항 소자 사이에 배치되는 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 비교 유닛은,
    반전 단자가 제2 구동 전원에 연결되고, 비반전 단자가 상기 제1 증폭기 소자의 출력 단자에 연결되고, 출력 단자가 상기 카운터 유닛의 제1 입력 단자에 연결되는 제2 증폭기 소자를 포함하며,
    상기 제2 구동 전원은 상기 제1 비교 유닛과 접지 사이에 배치되는 전력 변환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 비교 유닛은,
    비반전 단자가 제3 구동 전원에 연결되고, 반전 단자가 상기 제1 증폭기 소자의 출력 단자에 연결되고, 출력 단자가 상기 카운터 유닛의 제2 입력 단자에 연결되는 제3 증폭기 소자를 포함하며,
    상기 제3 구동 전원은 상기 제2 비교 유닛과 접지 사이에 배치되는 전력 변환 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 역전압 방지 유닛은,
    애노드 단자가 상기 배터리와 연결되고, 캐소드 단자가 상기 제1 내지 제3 증폭기 소자의 전원 공급 단자에 연결되는 제2 다이오드를 포함하는 전력 변환 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    제1단이 상기 배터리에 연결되고, 제2단이 접지 전원에 연결되는 제1 캐패시터,
    제1단이 상기 제1 캐패시터의 제1단에 연결되는 인덕터,
    제1단이 상기 인덕터의 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 피드백부에 연결되며, 제3단이 상기 접지 전원에 연결되는 스위칭 소자,
    제1단이 상기 인덕터의 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 부하단에 연결되는 제1 다이오드, 그리고
    제1단이 상기 제1 다이오드는 제2단에 연결되고, 제2단이 상기 접지 전원에 연결되는 제2 캐패시터를 포함하는 전력 변환 장치.
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