KR102629718B1 - 고전압출력 전원공급장치 및 그 장치의 동작방법 - Google Patents

고전압출력 전원공급장치 및 그 장치의 동작방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 전원공급장치는 입력전원부의 입력직류전압을 입력교류전압으로 변환하는 풀브릿지 인버터부, 풀브릿지 인버터에 연결되고, 입력교류전압을 증폭시켜서 출력교류전압을 생성하는 고압변압부, 고압변압부에 연결되어 출력교류전압의 피크전압값을 증폭하여 출력전압을 생성하기 위한 배압부, 및 풀브릿지 인버터부의 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하고, 제어신호는 입력직류전압의 크기 및 출력전압의 크기에 기초하여 생성되며, 제어신호의 제어주파수는 입력직류전압에 비례한다.

Description

고전압출력 전원공급장치 및 그 장치의 동작방법{APPARATUS FOR SUPPLYING POWER TO OUTPUT HIGH VOLTAGE}
본 개시는 고전압출력 전원공급장치 및 그 장치의 동작방법에 대한 것이다. 보다 구체적으로 하드 스위칭 (Hard Switching) 없이 영전압스위칭(ZVS) 동작의 고전압출력을 제공하기 위한 전원공급장치에 대한 것이다.
일반적으로 엑스레이 촬영기기는 물질에 따라 투과율이 달라지는 방사선(X-ray)을 이용하여 대상체 내부의 물질의 투과율 차이를 엑스레이 영상(대상체 내의 각종 구조가 필름 위에 투영된 그림자의 영상)으로 보여주는 것으로서 각종 장기나 폐 등의 진단과 더불어 구조물 내부의 결함을 밝혀내는 비파괴검사 등에 이용되고 있다.
그리고, 최근 들어서는 휴대가 가능한 소형 엑스레이 촬영기기가 개발되고 있으며, 이러한 소형 엑스레이 촬영기기는 상대적으로 낮은 70KV전압으로도 엑스레이 발생이 가능해져 소형화된 휴대용 촬영기기의 생산이 가능하게 되었다.
엑스레이촬영시, 사용자로부터 엑스레이 조사스위치가 눌려지면 제어부는 설정된 엑스레이 조사조건에 맞는 관전압 직류지령치 및 관전류 직류지령치 중 적어도 하나를 결정한다.
또한 제어부는 관전압 직류지령치 및 관전류 직류지령치 중 적어도 하나 및 검출된 출력전압 및 출력전류 중 적어도 하나를 입력받아서 스위칭 소자의 게이트에 입력시켜 고압변압부의 1차측 전압을 발생시킬 수 있다. 고압변압부의 2차측에 유기된 전압은 배압부에 의해 고압으로 승압되고 직류로 정류되어 소스튜브에 인가될 수 있다.
상기와 같은 전원공급장치는, 엑스레이의 조사 시 순간적으로 막대한 에너지를 사용하게 되며, 승압과정에서 다양한 손실이 발생하게 된다. 손실 에너지는 EMI(Electromagnetic Interference)로 방출되어 주변의 IC나 인체에 나쁜 영향을 줄 수 있으며, 열로 방출되어 전원공급장치의 온도를 크게 올릴 수도 있다. 따라서 전원공급장치의 손실을 줄이기 위한 방법이 다양하게 연구되고 있다. 손실을 줄이기 위한 방법으로 하드 스위칭 (Hard Switching)을 제거하는 것이 대표적인 방법이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치는 입력전원부의 입력직류전압을 입력교류전압으로 변환하는 풀브릿지 인버터부, 풀브릿지 인버터부에 연결되고, 입력교류전압을 증폭시켜서 출력교류전압을 생성하는 고압변압부, 고압변압부에 연결되어 출력교류전압의 피크전압값을 증폭하여 출력전압을 생성하기 위한 배압부, 및 풀브릿지 인버터부의 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하고, 제어신호는 입력직류전압의 크기 및 출력전압의 크기에 기초하여 생성되며, 제어신호의 제어주파수는 입력직류전압에 비례한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치는 풀브릿지 인버터부의 스위칭 소자들은 제 1 스위칭 소자, 제 2 스위칭 소자, 제 3 스위칭 소자, 및 제 4 스위칭 소자를 포함하고, 제어부는 제 1 스위칭 소자에 제 1 제어신호를 출력하고, 제 2 스위칭 소자에 제 2 제어신호를 출력하고, 제 3 스위칭 소자에 제 3 제어신호를 출력하고, 제 4 스위칭 소자에 제 4 제어신호를 출력하며, 제 1 제어신호와 제 2 제어신호의 위상은 180도 차이나며, 제 3 제어신호와 제 4 제어신호의 위상은 180도 차이나며, 제어부는 입력직류전압의 크기에 대한 목표전압의 크기가 클수록 제 1 제어신호의 위상과 제 3 제어신호의 위상차는 커지도록 제어한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 제 1 스위칭 소자의 일단은 입력전원부의 양극에 연결되고, 제 1 스위칭 소자의 타단은 고압변압부의 입력단의 양극에 연결되고, 제 2 스위칭 소자의 일단은 고압변압부의 입력단의 양극에 연결되고, 제 2 스위칭 소자의 타단은 입력전원부의 음극에 연결되고, 제 3 스위칭 소자의 일단은 입력전원부의 양극에 연결되고, 제 3 스위칭 소자의 타단은 고압변압부의 입력단의 음극에 연결되고, 제 4 스위칭 소자의 일단은 고압변압부의 입력단의 음극에 연결되고, 제 4 스위칭 소자의 타단은 입력전원부의 음극에 연결된다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 제어주파수는 입력직류전압에 비례하고, 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 최대값은 동일하고, 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 각각의 (온타임시간)/(오프타임시간)은 1이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 제어부는 입력직류전압의 크기에 기초하여 제어신호의 제어주파수(Fsw)를 아래의 식에 기초하여 결정하고, Fsw = k*(Vin - Vin,min) + Fsw,min, k는 미리 결정된 제어상수이고, Vin은 입력직류전압의 크기이며, Vin,min은 미리 결정된 입력직류전압의 최소값이며, Fsw,min은 미리 결정된 제어주파수의 최소값이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 제어상수(k)는 (Fsw,max - Fsw,min)/(Vi,max-Vi,min)이고, Fsw,max는 미리 결정된 제어주파수의 최대값이고, Vi,max는 미리 결정된 입력직류전압의 최대값이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 제어부는 목표전압의 크기와 출력전압의 크기의 차분전압을 획득하고, 차분전압을 제어부에 포함된 제어신호생성부에 입력하여 기준전압을 획득하고, 제어주파수 및 기준전압에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 획득한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 제어부는 제어주파수 및 기준전압에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 획득할 때, 제어주파수를 가지는 기준삼각파를 생성하고, 기준전압과 기준삼각파를 비교하여 PWM신호를 생성하고, PWM신호에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 생성한다.
또한, 상술한 바와 같은 전원공급장치의 동작 방법을 구현하기 위한 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.
본 개시의 전원공급장치는 넓은 입력 전압 범위에서 Soft-Switching 동작을 하고, 가변가능한 고전압을 출력할 수 있다. 본 개시의 전원공급장치에 따르면, 입력직류전압은 260V이상 370V이하의 넓은 범위를 입력전압을 가질 수 있다. 또한, 전원공급장치는 입력직류전압을 100~430배 승압하여 고전압의 출력전압을 출력할 수 있다. 이 때, Soft-Switching에 의하여 ZVS(Zero Voltage Switching)을 만족하므로 스위칭 소자의 스위칭 의한 손실이 줄어들 수 있다. 즉, 스위칭 소자에 의한 EMI발생 및 온도상승이 크게 줄어들 수 있다. 또한, 본 개시의 전원공급장치에 따르면 하드웨어의 구성을 변경하지 않고 출력전압을 상대적으로 저전압에서 고전압까지 자유롭게 변경할 수 있다. 예를 들어, 전원공급장치는 사용자의 요청에 따라 50kV이상 110kV이하의 고전압의 출력전압을 자유롭게 공급할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부의 제어를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부가 출력하는 제어신호를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 개시에 일 실시예에 따른 전원공급장치의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면 "부"는 프로세서 및 메모리로 구현될 수 있다. 용어 "프로세서" 는 범용 프로세서, 중앙 처리 장치 (CPU), 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 제어기, 마이크로제어기, 상태 머신 등을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다. 몇몇 환경에서는, "프로세서" 는 주문형 반도체 (ASIC), 프로그램가능 로직 디바이스 (PLD), 필드 프로그램가능 게이트 어레이 (FPGA) 등을 지칭할 수도 있다. 용어 "프로세서" 는, 예를 들어, DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들의 조합, DSP 코어와 결합한 하나 이상의 마이크로프로세서들의 조합, 또는 임의의 다른 그러한 구성들의 조합과 같은 처리 디바이스들의 조합을 지칭할 수도 있다.
용어 "메모리" 는 전자 정보를 저장 가능한 임의의 전자 컴포넌트를 포함하도록 넓게 해석되어야 한다. 용어 메모리는 임의 액세스 메모리 (RAM), 판독-전용 메모리 (ROM), 비-휘발성 임의 액세스 메모리 (NVRAM), 프로그램가능 판독-전용 메모리 (PROM), 소거-프로그램가능 판독 전용 메모리 (EPROM), 전기적으로 소거가능 PROM (EEPROM), 플래쉬 메모리, 자기 또는 광학 데이터 저장장치, 레지스터들 등과 같은 프로세서-판독가능 매체의 다양한 유형들을 지칭할 수도 있다. 프로세서가 메모리로부터 정보를 판독하고/하거나 메모리에 정보를 기록할 수 있다면 메모리는 프로세서와 전자 통신 상태에 있다고 불린다. 프로세서에 집적된 메모리는 프로세서와 전자 통신 상태에 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치를 나타낸 도면이다.
전원공급장치(100)는 입력전원부(110)를 포함할 수 있다. 입력전원부(110)는 입력전압을 수신할 수 있다. 입력전압은 교류일 수 있으며, 입력전압의 실효값은 110V이상 370V이하일 수 있다. 입력전원부(110)는 입력전압을 입력직류전압으로 변환할 수 있다. 입력직류전압의 크기는 110V 이상 370V이하일 수 있다. 또한, 입력직류전압의 크기는 260V이상 370V이하일 수 있다. 입력직류전압의 범위는 입력전압의 교류 계통 전원의 평활 전압범위일 수 있다. 도 1에서 입력직류전압은 입력전원부(110)의 양단에 걸리는 전압을 의미할 수 있다.
전원공급장치(100)는 입력전원부(110)의 입력직류전압을 입력교류전압으로 변환하는 풀브릿지 인버터부(120)를 포함할 수 있다. 풀브릿지 인버터부(120)는 복수의 스위칭 소자들을 포함할 수 있다. 복수의 스위칭 소자들은 제어부로부터의 제어신호에 기초하여 스위칭될 수 있다. 입력교류전압은 지점(121)과 지점(122)의 사이에 결리는 전압을 의미할 수 있다.
풀브릿지 인버터부(120)의 스위칭 소자들은 제 1 스위칭 소자(151), 제 2 스위칭 소자(152), 제 3 스위칭 소자(153), 및 제 4 스위칭 소자(154)를 포함할 수 있다. 제 1 스위칭 소자(151), 제 2 스위칭 소자(152), 제 3 스위칭 소자(153), 및 제 4 스위칭 소자(154)는 MOSFET, IGBT, 및 BJT 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
제 1 스위칭 소자(151)의 일단은 입력전원부(110)의 양극에 연결되고, 제 1 스위칭 소자의 타단은 고압변압부(130)의 입력단의 양극에 연결될 수 있다. 여기서 제 1 스위칭 소자(151)의 일단은 드레인이고, 제 1 스위칭 소자(151)의 타단은 소스일 수 있다.
제 2 스위칭 소자(152)의 일단은 고압변압부(130)의 입력단의 양극에 연결되고, 제 2 스위칭 소자(152)의 타단은 입력전원부(110)의 음극에 연결될 수 있다. 제 2 스위칭 소자(152)의 일단은 드레인이고, 제 2 스위칭 소자(152)의 타단은 소스일 수 있다.
제 3 스위칭 소자(153)의 일단은 입력전원부(110)의 양극에 연결되고, 제 3 스위칭 소자(153)의 타단은 고압변압부(130)의 입력단의 음극에 연결될 수 있다. 제 3 스위칭 소자(153)의 일단은 드레인이고, 제 3 스위칭 소자(153)의 타단은 소스일 수 있다.
제 4 스위칭 소자(154)의 일단은 고압변압부(130)의 입력단의 음극에 연결되고, 제 4 스위칭 소자(154)의 타단은 입력전원부(110)의 음극에 연결될 수 있다. 제 4 스위칭 소자(154)의 일단은 드레인이고, 제 4 스위칭 소자(154)의 타단은 소스일 수 있다.
전원공급장치(100)는 풀브릿지 인버터부(120)에 연결되고, 입력교류전압을 증폭시켜서 출력교류전압을 생성하는 고압변압부(130)를 포함할 수 있다. 고압변압부(130)는 1차코일(161) 및 2차코일(162)을 포함할 수 있다. 고압변압부(130)는 1차코일(161)의 회전수 및 2차코일(162)의 회전수에 기초하여 입력교류전압을 출력교류전압으로 변환할 수 있다. 출력교류전압은 지점(131) 및 지점(132)의 사이에 걸리는 전압을 의미할 수 있다.
고압변압부(130)는 캐패시터성분(Cr)을 포함할 수 있다. 캐패시터성분(Cr)은 1차코일(161)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한 캐패시터성분(Cr)은 제 1 인덕터 성분(Lm)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 고압변압부(130)는 제 1 인덕터 성분(Lm)을 포함할 수 있다. 제 1 인덕터 성분(Lm)은 1차코일(161)과 병렬로 연결될 수 있다. 고압변압부(130)는 제 2 인덕터 성분(Lr)을 포함할 수 있다. 제 2 인덕터 성분(Lr)은 1차코일(161)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한 제 2 인덕터 성분(Lr)은 제 1 인덕터 성분(Lm)과 직렬로 연결될 수 있다.
고압변압부(130)의 권선비는 0.04이상 0.07일 수 있다. 보다 구체적으로 고압변압부(130)의 권선비는 0.065일 수 있다.
전원공급장치(100)는 배압부(140)를 포함할 수 있다. 배압부(140)는 고압변압부(130)에 연결되어 출력교류전압의 피크전압값을 증폭하여 출력전압을 생성할 수 있다. 배압부(140)는 출력교류전압의 실효값을 증폭하여 출력전압을 생성할 수 있다. 출력전압은 부하(150)에 걸리는 전압을 의미할 수 있다. 부하(150)는 엑스레이장치의 소스일 수 있다. 배압부(140)는 출력교류전압의 피크전압값 및 실효값 중 적어도 하나를 5배이상 15배이하로 증폭하여 출력전압을 생성하는 회로일 수 있다. 예를 들어, 배압부(140)는 출력교류전압의 피크전압값 및 실효값 중 적어도 하나를 12배로 증폭하여 출력전압을 생성하는 회로일 수 있다. 배압부(140)는 다이오드 및 캐패시터를 포함할 수 있다.
도 1에는 도시되어 있지 않으나, 전원공급장치(100)는 제어부(200)를 포함할 수 있다. 제어부(200)는 도 2와 함께 설명한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
제어부(200)는 풀브릿지 인버터부(120)의 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 이미 설명한 바와 같이 풀브릿지 인버터부(120)의 스위칭 소자들은 제 1 스위칭 소자(151), 제 2 스위칭 소자(152), 제 3 스위칭 소자(153), 및 제 4 스위칭 소자(154)를 포함할 수 있다. 제 1 스위칭 소자(151), 제 2 스위칭 소자(152), 제 3 스위칭 소자(153), 및 제 4 스위칭 소자(154)는 MOSFET, IGBT, BJT 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 제어부(200)의 제어신호는 제 1 스위칭 소자(151), 제 2 스위칭 소자(152), 제 3 스위칭 소자(153), 및 제 4 스위칭 소자(154)의 게이트에 입력될 수 있다.
제어부(200)는 프로세서(210) 및 메모리(220)를 포함할 수 있다. 프로세서(210)는 메모리(220)에 저장된 명령어들을 수행할 수 있다. 제어부(200)는 메모리(220)에 저장되어 있는 명령어에 기초하여, 제 2 인버터(240)를 제어할 수 있다. 제어부(200)는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 제어부(200)는 해당 기능을 수행하기 위한 하드웨어만으로 구현될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 제어부(200)는 범용 프로세서(210)로 구현되고, 제어부(200)의 범용 프로세서(210)가 메모리(220)에 저장된 프로그램을 수행하도록 구현될 수 있다.
제어부(200)는 입력직류전압의 크기 및 출력전압의 크기에 기초하여 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(200)는 제어신호의 제어주파수가 입력직류전압에 비례하도록 생성할 수 있다.
제어부(200)는 제 1 스위칭 소자(151)에 제 1 제어신호를 출력할 수 있다. 제 1 제어신호는 제 1 스위칭 소자(151)의 게이트에 입력될 수 있다. 또한, 제어부(200)는 제 2 스위칭 소자(152)에 제 2 제어신호를 출력할 수 있다. 제 2 제어신호는 제 2 스위칭 소자(152)의 게이트에 입력될 수 있다. 또한, 제어부(200)는 제 3 스위칭 소자(153)에 제 3 제어신호를 출력할 수 있다. 제 3 제어신호는 제 3 스위칭 소자(153)의 게이트에 입력될 수 있다. 또한, 제어부(200)는 제 4 스위칭 소자(154)에 제 4 제어신호를 출력할 수 있다. 제 4 제어신호는 제 4 스위칭 소자(154)의 게이트에 입력될 수 있다.
제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호, 및 제 4 제어신호는 제 1 스위칭 소자(151), 제 2 스위칭 소자(152), 제 3 스위칭 소자(153), 및 제 4 스위칭 소자(154)를 켜거나 끄는 신호일 수 있다. 즉, 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호, 및 제 4 제어신호는 온(on)타임 및 오프(off)타임을 가질 수 있다. 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호, 및 제 4 제어신호의 진폭은 동일할 수 있다. 예를 들어 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호, 및 제 4 제어신호는 온타임에 1V이상을 가질 수 있고, 오프타임에 0V를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호, 및 제 4 제어신호의 온타임과 오프타임의 길이는 일정할 수 있다.
제 1 제어신호와 제 2 제어신호의 위상은 180도 차이나며, 제 3 제어신호와 제 4 제어신호의 위상은 180도 차이날 수 있다. 또한 제어부(200)는 입력직류전압의 크기에 대한 목표전압의 크기가 클수록 제 1 제어신호의 위상과 제 3 제어신호의 위상차(DTs)는 커지도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 입력직류전압의 크기에 대한 목표전압의 크기가 작을수록 제 1 제어신호의 위상과 제 3 제어신호의 위상차(DTs)는 작아지도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(200)는 Phase Shift Full Bridge제어를 이용하여 제 1 제어신호의 위상과 제 3 제어신호의 위상차(DTs)에 기초하여 출력전압이 목표전압에 도달하도록 제어할 수 있다. 여기서 목표전압은 부하에 필요한 전압을 의미할 수 있다. 목표전압은 사용자의 입력 및 부하시스템의 요청 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 부하시스템은 예를 들어 엑스레이장치의 소스일 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 4와 함께, 제어부가 출력하는 제어신호에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부의 제어를 나타내는 블록도이다. 또한, 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부가 출력하는 제어신호를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면 제어부(200)는 주파수결정부(310), 제어신호생성부(320), 및 PWM신호생성부(330)를 포함할 수 있다. 주파수결정부(310), 제어신호생성부(320), 및 PWM신호생성부(330)는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
제어부(200)는 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 제어주파수를 입력직류전압에 비례하도록 제어할 수 있다. 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 주파수는 동일할 수 있다. 또한 제어부(200)는 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 크기의 최대값을 동일하게 제어할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 크기의 최소값을 동일하게 제어할 수 있다. 즉, 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 진폭은 동일할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 각각의 (온타임시간)/(오프타임시간)을 1로 제어할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제어부(200)의 주파수결정부(310)는 입력직류전압의 크기에 기초하여 제어신호의 제어주파수(Fsw)를 결정하는 단계(510)를 수행할 수 있다. 제어부(200)는 입력직류전압의 크기에 기초하여 제어신호의 제어주파수(Fsw)를 아래의 식에 기초하여 결정할 수 있다.
Fsw = k*(Vin - Vin,min) + Fsw,min ...(식 1)
식 1에 따르면, 제어주파수(Fsw)는 입력직류전압에 기초하여 변화할 수 있다. 제 1 제어신호 내지 제 4 제어신호의 주파수는 제어주파수(Fsw)에 기초하여 변화할 수 있다. 제어주파수(Fsw)는 제어주기마다 변경될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며 제어주파수(Fsw)는 제어주기보다 느리거나 빠른 주기로 변경될 수 있다. 제어주파수(Fsw)의 변화는 실시간으로 변경될 수 있다. 제어주파수(Fsw)의 변화 주기는 사용자의 입력에 기초하여 변경될 수 있다.
여기서 k는 미리 결정된 제어상수이고, Vin은 입력직류전압의 크기일 수 있다. 제어부는 센서에 의하여 Vin을 측정할 수 있다. Vin,min은 미리 결정된 입력직류전압의 최소값일 수 있다. 예를 들어, Vin,min는 260V일 수 있다. Fsw,min은 미리 결정된 제어주파수의 최소값일 수 있다. Vin,min 및 Fsw,min 중 적어도 하나는 사용자의 입력에 기초하여 변경될 수 있다.
또한, 제어상수(k)는 아래의 식에 의하여 결정될 수 있다.
k = (Fsw,max - Fsw,min)/(Vi,max - Vi,min) ...(식2)
여기서 Fsw,max는 미리 결정된 제어주파수의 최대값이고, Vi,max는 미리 결정된 입력직류전압의 최대값일 수 있다. 예를 들어, Vi,max는 370V일 수 있다. Fsw,max 및 Vi,max 중 적어도 하나는 사용자의 입력에 기초하여 수정될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면 제어부(200)는 목표전압의 크기(Vo_ref)와 출력전압의 크기(Vo)를 획득할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 목표전압의 크기(Vo_ref)와 출력전압의 크기(Vo)의 차분전압을 획득하는 단계(520)를 수행할 수 있다. 차분전압은 목표전압의 크기(Vo_ref)에서 출력전압의 크기(Vo)를 뺀 값일 수 있다. 차분전압은 정수 또는 실수일 수 있다.
제어부(200)는 차분전압을 제어부에 포함된 제어신호생성부(320)에 입력하여 기준전압(Ve)을 획득하는 단계(530)를 수행할 수 있다. 제어신호생성부(320)는 P(proportional), PI(Proportional Integral), PID(Proportional Integral Differential), 및 PD(Proportional Differential)제어 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 기준전압(Ve)은 제어주기마다 변화할 수 있다. 제어주기는 제어부(200)가 기준전압을 변화시키는 주기로써, 미리 결정될 수 있다. 제어주기는 사용자의 입력에 기초하여 변경될 수 있다. 기준전압(Ve)은 현재 제어주기 내에서 동일한 값을 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
제어주기는 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 주기(Ts)보다 클 수 있다. 제어주기는 1/Fsw보다 클 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 제어주기는 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 주기(Ts)보다 작거나 같을 수 있다.
제어부(200)는 제어주파수 및 기준전압에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 획득하는 단계를 수행할 수 있다. 보다 구체적으로 제어부(200)에 포함된 주파수결정부(310)는 제어주파수 및 기준전압에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 획득하기 위해 제어주파수(Fsw)를 가지는 기준삼각파를 생성하는 단계(540)를 수행할 수 있다. 제어부(200)에 포함된 PWM신호생성부(330)는 기준전압(Ve)과 기준삼각파를 비교하여 PWM신호를 생성하는 단계(550)를 수행할 수 있다. 예를 들어 기준전압(Ve)이 기준삼각파보다 큰 경우 PWM신호는 온상태로 제어되고, 기준전압(Ve)이 기준삼각파보다 작은 경우, PWM신호는 오프상태로 제어될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 기준전압(Ve)이 기준삼각파보다 큰 경우 PWM신호는 오프상태로 제어되고, 기준전압(Ve)이 기준삼각파보다 작은 경우, PWM신호는 온상태로 제어될 수 있다
제어부(200)는 PWM신호에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(200)는 Phase Shift Full Bridge제어를 이용하여 제 1 제어신호의 위상과 제 3 제어신호의 위상차에 기초하여 출력전압의 크기를 제어할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제어부(200)는 도 4에 도시된 바와 같은 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 생성할 수 있다. 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호의 주기(Ts)는 1/Fsw와 같을 수 있다. 여기서 제어주파수(Fsw)는 식 1에 기초하여 획득될 수 있다. 또한 위상차(DTs)는 Phase Shift Full Bridge제어를 이용하여 결정될 수 있다. 즉, 제어부(200)는 Phase Shift Full Bridge제어를 이용하여 제 1 제어신호의 위상과 제 3 제어신호의 위상차(DTs)를 제어하고, 출력전압이 목표전압에 도달하도록 제어할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1을 더 구체적으로 도시한 도면이다. 도 6은 는 주파수결정부(310), 제어신호생성부(320), 및 PWM신호생성부(330)를 하드웨어적으로 구현하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 6에 도시된 주파수결정부(310), 제어신호생성부(320), 및 PWM신호생성부(330)는 전력용 마이크로프로세서에 소프트웨어로 구현될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 개시에 일 실시예에 따른 전원공급장치의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 전원공급장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
본 개시의 전원공급장치(100)는 엑스레이소스에 사용될 수 있다. 또한, 엑스레이소스는 전원공급장치(100)의 출력전압을 공급받을 수 있다. 엑스레이소스는 가변하는 출력전압을 요구할 수 있다. 따라서 전원공급장치(100)는 가변하는 출력전압을 출력해야한다. 보다 구체적으로 입력 전압(Vin)이 260Vdc이상 370Vdc이하(AC 계통 전원 평활 전압 범위)에서 변화하더라도 전원공급장치(100)는 일정한 출력전압을 출력해야한다. 출력 전압(Vo)의 범위는 50kV이상 110kV이하일 수 있다. 출력전압은 사용자의 입력 또는 엑스레이소스의 요청정보에 따라 상기 범위 내에서 변화할 수 있다. 전원공급장치(100)의 출력 전력(Po)은 1kW이상 5KW일 수 있다.
도 7은 기존의 Phase-shift PWM을 이용하여 제어한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도 7의 (a)는 DTs가 0.5인 경우이다. 즉, 제 1 제어신호와 제 3 제어신호의 위상이 180도 차이나는 경우를 나타낸다. 제 1 제어신호의 주기 내지 제 4 제어신호의 주기는 Ts로 동일할 수 있다. DTs는 제 1 제어신호 내지 제 4 제어신호의 주기에 대한 제 1 제어신호 및 제 3 제어신호의 위상차의 비율을 나타낼 수 있다. 즉, DTs가 0.5인 것은 제 1 제어신호 및 제 3 제어신호의 위상차가 제 1 제어신호 내지 제 4 제어신호의 주기의 0.5만큼 차이난다는 것이다. 한 주기는 360도이므로, 360도에 0.5를 곱하여 제 1 제어신호 및 제 3 제어신호의 위상차를 구할 수 있다. 즉 제 1 제어신호 및 제 3 제어신호의 위상차는 180도일 수 있다. 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이 출력전압(Vo)은 목적전압인 100kV를 만족한다.
도 7의 (b)는 DTs가 0.125인 경우이다. 즉, 제 1 제어신호와 제 3 제어신호의 위상이 45도 차이나는 경우를 나타낸다. 도 7의 (b)에서 보는 바와 같이 출력전압(Vo)은 목적전압인 59kV를 만족한다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)를 참조하면, 제어부(200)는 출력전압을 59kV에서 100kV까지 사용자가 원하는 대로 출력할 수 있다. 하지만 도 7의 (c)와 같이 입력직류전압(Vi)이 충분히 높지 않은 경우, ZVS를 만족시키기 위해서는 출력전압(Vo)이 100kV에 도달하지 못한다. 입력직류전압(Vi)은 이상적인 경우, 일정한 값을 가지지만 실제로는 크게 변화하는 경우가 많다. 따라서 전원공급장치는 입력직류전압(Vi)이 크게 변화하는 경우가 많으며, 예상치 못하게 입력직류전압이 크게 떨어지는 경우, 전원공급장치는 출력전압(Vo)을 고전압의 목표전압에 도달시키지 못하는 것이다.
하지만, 도 10의 (c) 및 (d)를 참조하면, 본 개시의 제어방법에 따르는 전원공급장치(100)는 ZVS를 만족시키면서도 출력전압을 50kV에서 100kV까지 제어할 수 있음을 확인하였다.
도 8은 기존의 Phase-shift PWM을 이용하여 제어한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도 8의 (a)의 경우, 입력직류전압(Vi)이 370V일 때, DTs를 0.31로 하여 출력전압을 100kV로 제어하는 경우, 제 2 스위칭 소자(152)에서 하드 스위칭이 일어났다. 즉, 도 8의 (a)는 ZVS가 지켜지지 않았으므로 에너지 손실이 일어날 것이며, 발열이 크거나, EMI가 클 수 있다. 도 8의 (b)의 경우, 고압변압부(130)의 권선비를 낮추어 Vi가 낮더라도 출력전압을 100kV로 제어하는 경우를 나타낸다. 예를 들어 권선비는 0.047일 수 있다. 입력직류전압(Vi)이 260V일 때, DTs를 0.5로 하여 출력전압을 100kV로 제어하는 경우, 제 2 스위칭 소자(152)에서 하드 스위칭이 일어났다. 즉, 도 8의 (b)는 ZVS가 지켜지지 않았으므로 에너지 손실이 일어날 것이며, 발열이 크거나, EMI가 클 수 있다.
하지만, 도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 개시의 제어방법에 따르는 전원공급장치(100)는 ZVS를 만족시키면서도 출력전압을 50kV에서 100kV까지 제어할 수 있음을 확인하였다. 따라서 전원공급장치(100)는 EMI를 저감하면서 열이 많이 발생하지 않을 수 있다. 또한 전원공급장치(100)는 고압변압부(130)의 권선비가 0.04이상 0.07이하인 경우 ZVS를 만족시키면서도 출력전압을 50kV에서 100kV까지 제어할 수 있음을 확인하였다.
도 9는 기존의 LLC 공진형 컨버터(주파수 제어)를 이용하는 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도 9의 (a)와 같이 제어부(200)는 출력전압을 100kV이 되도록 제어할 수 있다. 하지만, 도 9의 (b)와 같이 제어부(200)는 출력전압을 66kV까지밖에 낮추지 못하였다. 즉, 출력전압의 범위가 66kV이상 100kV까지이므로, 목표전압이 50kV인 경우, 이를 만족시킬 수 없었다. 또한, 출력전압을 66kV까지 낮추기 위해서는 Fsw를 180Khz로 높여야 하므로 EMI가 나빠지는 현상이 있었다.
하지만, 도 10의 (c) 및 (d)를 참조하면, 본 개시의 제어방법에 따르는 전원공급장치(100)는 ZVS를 만족시키면서도 출력전압을 50kV에서 100kV까지 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한, Fsw를 크게 할 필요도 없었으므로 EMI도 낮게 유지되었다.
이제까지 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.

Claims (8)

  1. 입력전원부의 입력직류전압을 입력교류전압으로 변환하는 풀브릿지 인버터부;
    상기 풀브릿지 인버터부에 연결되고, 상기 입력교류전압을 증폭시켜서 출력교류전압을 생성하는 고압변압부;
    상기 고압변압부에 연결되어 상기 출력교류전압의 피크전압값을 증폭하여 출력전압을 생성하기 위한 배압부; 및
    상기 풀브릿지 인버터부의 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어신호는 상기 입력직류전압의 크기 및 출력전압의 크기에 기초하여 생성되며, 상기 제어신호의 제어주파수는 상기 입력직류전압에 비례하고,
    상기 풀브릿지 인버터부의 스위칭 소자들은 제 1 스위칭 소자, 제 2 스위칭 소자, 제 3 스위칭 소자, 및 제 4 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 스위칭 소자에 제 1 제어신호를 출력하고,
    상기 제 2 스위칭 소자에 제 2 제어신호를 출력하고,
    상기 제 3 스위칭 소자에 제 3 제어신호를 출력하고,
    상기 제 4 스위칭 소자에 제 4 제어신호를 출력하며,
    상기 제 1 제어신호와 상기 제 2 제어신호의 위상은 180도 차이나며, 상기 제 3 제어신호와 상기 제 4 제어신호의 위상은 180도 차이나며,
    상기 제어부는 상기 입력직류전압의 크기에 대한 목표전압의 크기가 클수록 상기 제 1 제어신호의 위상과 상기 제 3 제어신호의 위상차는 커지도록 제어하는 전원공급장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자의 일단은 상기 입력전원부의 양극에 연결되고, 상기 제 1 스위칭 소자의 타단은 상기 고압변압부의 입력단의 양극에 연결되고,
    상기 제 2 스위칭 소자의 일단은 상기 고압변압부의 상기 입력단의 상기 양극에 연결되고, 상기 제 2 스위칭 소자의 타단은 상기 입력전원부의 음극에 연결되고,
    상기 제 3 스위칭 소자의 일단은 상기 입력전원부의 상기 양극에 연결되고, 상기 제 3 스위칭 소자의 타단은 상기 고압변압부의 상기 입력단의 음극에 연결되고,
    상기 제 4 스위칭 소자의 일단은 상기 고압변압부의 상기 입력단의 상기 음극에 연결되고, 상기 제 4 스위칭 소자의 타단은 상기 입력전원부의 상기 음극에 연결되는 전원공급장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어신호, 상기 제 2 제어신호, 상기 제 3 제어신호 및 상기 제 4 제어신호의 제어주파수는 상기 입력직류전압에 비례하고,
    상기 제 1 제어신호, 상기 제 2 제어신호, 상기 제 3 제어신호 및 상기 제 4 제어신호의 최대값은 동일하고,
    상기 제 1 제어신호, 상기 제 2 제어신호, 상기 제 3 제어신호 및 상기 제 4 제어신호의 각각의 (온타임시간)/(오프타임시간)은 1인 전원공급장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 입력직류전압의 크기에 기초하여 상기 제어신호의 제어주파수(Fsw)를 아래의 식에 기초하여 결정하고,
    Fsw = k*(Vin - Vin,min) + Fsw,min
    상기 k는 미리 결정된 제어상수이고, 상기 Vin은 상기 입력직류전압의 크기이며, 상기 Vin,min은 미리 결정된 입력직류전압의 최소값이며, Fsw,min은 미리 결정된 제어주파수의 최소값인 전원공급장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어상수(k)는,
    (Fsw,max - Fsw,min)/(Vi,max-Vi,min)이고,
    상기 Fsw,max는 미리 결정된 제어주파수의 최대값이고, 상기 Vi,max는 미리 결정된 입력직류전압의 최대값인 전원공급장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    목표전압의 크기와 상기 출력전압의 크기의 차분전압을 획득하고,
    상기 차분전압을 상기 제어부에 포함된 제어신호생성부에 입력하여 기준전압을 획득하고,
    상기 제어주파수 및 상기 기준전압에 기초하여 제 1 제어신호, 제 2 제어신호, 제 3 제어신호 및 제 4 제어신호를 획득하는 전원공급장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제어주파수 및 상기 기준전압에 기초하여 상기 제 1 제어신호, 상기 제 2 제어신호, 상기 제 3 제어신호 및 상기 제 4 제어신호를 획득할 때, 상기 제어주파수를 가지는 기준삼각파를 생성하고,
    상기 기준전압과 상기 기준삼각파를 비교하여 PWM신호를 생성하고,
    상기 PWM신호에 기초하여 상기 제 1 제어신호, 상기 제 2 제어신호, 상기 제 3 제어신호 및 상기 제 4 제어신호를 생성하는 전원공급장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210010015A (ko) * 2019-07-19 2021-01-27 삼성전자주식회사 전자 장치 및 전원 공급 장치

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