KR20090084637A - 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공진형 직류 /직류 변환기 (2)의 스위치를 제어하기 위하여 적응되어지는 제어기 (3)에 관한 것으로, 상기 제어기 (3)는 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 출력 전압 (Vo)을 감지하고, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압 (Vo)에 따른 펄스 폭 변조 신호를 발생하기 위한 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31); 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32); 및, 상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 스위치를 구동하도록 적응되어지는 구동신호를 발생하기 위한 로직 합성 유닛 (33)을 포함한다.
Figure P1020080084841
공진형 직류 / 직류 변환기, 제어기

Description

공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기 { CONTROLLER FOR USE IN A RESONANT DIRECT CURRENT / DIRECT CURRENT CONVERTER }
본 발명은 제어기 (controller)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지기 위한 제어기에 관한 것이다.
도 1에 도시한 바에 따르면, 하프 브리지 (half bridge) LLC 공진형 (resonant) 직류 (direct current) 변환기 (converter) (11)는 통상적으로 주파수 변조 (modulation) 제어기 (controller) (12)에 의하여 제어되어지고, 이러한 주파수 변조 제어기는 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기 (11)의 출력 전압을 감지하고 이러한 운전 조건이 변화하고 있는 경우에 스위칭 제어 신호의 주파수를 변화시키고, 이에 의하여 상기 출력 전압을 요구되어지는 레벨로 유지하도록 한다. 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기 (11)는 두 개의 스위치 (미도시), 및 첫 번째 및 두 번째 구동 신호를 포함하는 상기 스위칭 제어 신호 (도 2에 도시한 바와 같은)를 포함한다.
그러나 상기 스위칭 제어 신호의 주파수는 상기 출력 전압에 따라 변화하기 때문에, 상기 변환기 (11)는 최적의 운전 지점으로부터 벗어나게 되는 것을 쉽게 하는 상기 스위칭 제어 신호의 변화의 범위를 가지게 되고, 따라서 이와 같은 변화에 의하여 야기되어지는 불확실성을 극복하기 위하여 설계 허용범위를 크게 가져가야 하는 결과를 낳는다. 게다가 상기 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기 (11)에 내재하는 변화 가능한 주파수 특성이 또한 제어의 복잡성을 증대하게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지도록 적응되어지는 제어기를 제공하는 것이고, 이에 의하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기는 다른 출력 부하 또는 입력 조건 하에서 최적의 운전 주파수, 즉 공진 주파수에서 운전되어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기의 스위치를 제어하기 위한 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지도록 적응되어지는 제어기가 제공되어진다. 상기 제어기는 펄스 (pulse) 폭 변조 (modulation) 제어 유닛 (unit), 고정 (fixed) 주파수 신호 발생 유닛, 및 로직 (logic) 합성 (synthesizing) 유닛을 포함한다.
상기 펄스 폭 변조 제어 유닛은 상기 공진형 직류 / 직류 변환기의 출력 전압을 감지하기 위하여, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압에 따른 펄스 폭 변조 신호를 발생하기 위하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기에 전기적으로 커플 되어지게 적응되어진다.
상기 고정 주파수 신호 발생 유닛은 고정 주파수 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛에 전기적으로 커플 되어진다.
상기 로직 합성 유닛은 상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기의 스위치를 구동하도록 적응되어지는 구 동신호를 발생하기 위하여 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 및 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛에 전기적으로 커플 되어진다.
본 발명에 따른 상기 제어기는, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기의 스위치의 제어가 상기 고정 주파수 신호 및 상기 펄스 폭 변조 신호를 이용함에 의하여 성취되어져, 구조 측면에서 상대적으로 단순하고, 이에 따라 상기 공진형 직류 / 직류 변환기는 모든 부하 조건들에서 상기 최적 운전 조건에서 운전되는 것이 확신되어진다. 단순한 구조를 가짐과 함께, 상기 제어기는 또한 상기 공진형 직류 / 직류 변환기의 상기 스위치의 스위칭 (switching)의 횟수를 줄이고, 이에 의하여 상기 스위치의 스트레스 (stress)를 줄이게 되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징과 장점은 아래의 첨부의 도면을 참고한 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 명확해 질 것이다.
도 3에 도시되어진 바를 참고하면, 본 발명에 따른 제어기 (3)의 바람직한 실시예는 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)에 사용되어지도록 적응되어진다. 상기 제어기 (3)는 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 스위치를 제어하도록 적응되어지고, 이에 따라 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 출력 전압 (Vo)이 요구를 만족하도록 한다. 본 실시예에서, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)는 대칭형 하프 브리지 LLC 공진형 직류 / 직류 변환기이고, 이는 첫 번째 및 두 번째 스위치 (21, 22)를 포함한다. 그러므로 상기 제어기 (3)는 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 첫 번째 및 두 번째 스위치 (21, 22) 모두를 제어하도록 적응되어진다. 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)는 더욱이 축전기 (capacitor) (23), 공진 유도자 (inductor) (24), 트랜스 (transformer) (25) 및 두 개의 동기 정류기 (synchronous rectifier) (26, 27)를 더 포함한다. 상기 동기 정류기 (26, 27)는 상기 트랜스 (25)의 두 번째 코일에 전기적으로 커플 되어진다. 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)는 공지의 잘 알려진 기술이므로, 이에 대한 보다 상세한 기술은 명세서의 간결성을 위하여 여기에서는 생략하도록 한다. 본 발명의 상기 제어기 (3)는 또한, 비대칭형 LLC, 풀 (full) 브리지 LLC, 대칭형 하프 브리지 LC, 비대칭형 LC, 및 풀 브리지 LC 공진형 직류 / 직류 변환기와 같은 다른 형태의 공진형 직류/ 직류 변환기에 사용되어지기 위하여 적용 가능함을 명확히 하고자 한다.
상기 제어기 (3)는 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31), 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32), 및 로직 합성 유닛 (33)을 포함한다.
상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)은 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 출력 전압 (Vo)을 감지하기 위하여, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압 (Vo)에 따른 펄스 폭 변조 신호를 발생하기 위하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)에 전기적으로 커플 되어지게 적응되어진다. 상기 펄스 폭 변조 신호의 예시적인 파동 형태가 도 4 (I)에 도시되어진다.
상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)은 도 4 (II)에 도시되어진 예시적인 파동 형태와 같은 고정 주파수 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)에 전기적으로 커플 되어진다. 본 실시예에서, 상기 고정 주파수 신호 발 생 유닛 (32)은 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)으로부터 상기 펄스 폭 변조 신호를 수신하고, 상기 펄스 폭 변조 신호를 상기 고정 주파수 신호 발생을 위한 동기 신호 (synchronization signal)로 사용한다. 보다 구체적으로는, 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)은 상기 펄스 폭 변조 신호의 상승 에지 (rising edge)를 상기 고정 주파수 신호 발생을 위한 동기 신호로 사용한다.
상기 로직 합성 유닛 (33)은 상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 첫 번째 및 두 번째 스위치들 (21, 22)을 구동하도록 적응되어지는 구동 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31) 및 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)에 전기적으로 커플 되어진다.
아래에 기술되는 상세한 설명에서, 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)에 의하여 발생되어지는 상기 고정 주파수 신호는 첫 번째 고정 주파수 신호로 언급되어진다. 상기 로직 합성 유닛 (33)은 상기 첫 번째 고정 주파수 신호로부터 도 4 (III)에 도시되어진 바와 같은 두 번째 고정 주파수 신호를 발생한다. 상기 두 번째 고정 주파수 신호는 상기 첫 번째 고정 주파수 신호의 주파수와 동일한 주파수를 가지고, 상기 첫 번째 고정 주파수 신호의 위상과 역이 되는 위상을 가진다. 본 실시예에서, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 첫 번째 스위치 (21)를 구동하기 위한, 도 4 (IV)에 도시되어진 바와 같은 첫 번째 구동 신호로 언급되어지는 상기 구동 신호를 발생하기 위하여, 상기 로직 합성 유닛 (33)은 상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 첫 번째 고정 주파수 신호에 대하여 배가 합성 (multiplication synthesis)을 수행한다. 상기 로직 합성 유닛 (33)은 더욱이 상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 두 번째 고정 주파수 신호에 대하여 배가 합성 (multiplication synthesis)을 더 수행하여, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 두 번째 스위치 (22)를 구동하기 위한, 도 4 (V)에 도시되어진 바와 같은 두 번째 구동 신호를 발생하도록 한다.
상기 펄스 폭 변조 신호는 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)에 의하여 감지되어진 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)의 전압 레벨에 대하여 역으로 변화하는 듀티 사이클 (duty cycle)을 가진다. 상기 펄스 폭 변조 신호는 고정된 주기를 가진다는 것이 여기에서 특별히 언급되어져야만 한다. 그러므로 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)의 상기 전압 레벨이 너무 낮다는 것을 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)이 감지하는 경우에, 상기 펄스 폭 변조 신호는 고정된 주기를 가지기 때문에, 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)은 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클을 증가하여, 상기 펄스 폭 변조 신호의 상기 낮은 신호 레벨의 시간 경과 (time duration)가 이에 따라서 감소되어지게 한다. 결론적으로, 상기 첫 번째 및 두 번째 스위치들 (21, 22)의 켜지는 시간 경과가 증가되면 이에 의하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)을 증가하게 된다. 반면에 이와는 반대로, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)의 상기 전압 레벨이 너무 크다는 것을 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)이 감지하는 경우에, 상기 펄스 폭 변조 신호는 고정된 주기를 가지기 때문에, 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)은 상기 펄스 폭 변조 신호 의 듀티 사이클을 감소하여, 상기 펄스 폭 변조 신호의 상기 낮은 신호 레벨의 시간 경과 (time duration)가 이에 따라서 증가되어지게 한다. 결론적으로, 상기 첫 번째 및 두 번째 스위치들 (21, 22)의 켜지는 시간 경과가 감소되면 이에 의하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)을 감소하게 된다. 이에 따른 결과로서, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)은 정상 (定常) 레벨로 유지되어진다.
상기 기술한 바로부터 알 수 있듯이, 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)은 단지 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)에 기초하여 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클을 제어한다. 더욱 바람직하게는, 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)은 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 공긴 전류를 더 감지하여, 상기 출력 전압 (Vo) 및 이에 의하여 감지되어진 상기 공진 전류에 따라서 상기 펄스 폭 변조 신호를 발생하도록 적응되어진다. 상기 공진 전류의 예시적인 파동 형태가 도 4 (Vi)에 도시되어진다. 예를 들면, 상기 공진 전류와 상기 출력 전압 (Vo) 사이의 변조 에러들이 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클을 제어하기 위한 이중 루프 제어 (double loop control)를 형성하기 위하여 비교되어질 수 있다.
상기 펄스 폭 변조 신호는 상기 고정 주파수 신호의 주파수보다 작은 주파수를 가진다는 것이 여기에서 특별히 언급되어져야만 한다. 특히, 상기 펄스 폭 변조 신호의 주파수는 상기 고정 주파수 신호의 주파수의 1/10 보다 크지 않다. 게다가, 상기 첫 번째 및 두 번째 구동 신호들은 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 첫 번째 및 두 번째 스위치들 (21, 22)을 구동하도록 적응되어질 뿐만 아니라, 상기 동기 정류기들 (26, 27)을 구동하도록 또한 적응되어질 수 있다.
더욱이, 상기 바람직한 실시예는 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 제어를 이룩하도록 하는 상기 첫 번째 및 두 번째 구동 신호를 발생하기 위하여, 상기 첫 번째 및 두 번째 고정 주파수 신호 및 상기 펄스 폭 변조 신호를 결합하기 때문에, 모든 부하 조건 하에서, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 최적 운전 지점 (즉, 실질적으로 고정된 공진 주파수를 가지는)에서의 운전이 확신되어질 수 있다. 게다가 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 첫 번째 및 두 번째 스위치들 (21, 22)을 제어하기 위하여 상기 첫 번째 및 두 번째 구동 신호를 이용함에 의하여, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)에 있는 상기 공진 유도자 (24) 및 상기 트랜스 (25)와 같은 자성 요소 (magnetic components)에 대한 최적 설계가 더욱 쉽게 얻어질 수 있게 된다.
게다가, 상기 펄스 폭 변조 신호의 상기 상승 에지 (edge)는 본 실시예에서 상기 첫 번째 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 상기 동기 신호로 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)에 의하여 사용되어지기 때문에, 상기 첫 번째 고정된 주파수 신호에 대한 사이클의 펄스 폭이 상기 펄스 폭 변조 신호의 각 듀티 사이클에서 높은 신호 레벨에서 일정하게 유지되는 것이 확신되어지고, 이에 의하여 도 4 (VI)에 도시되어진 바와 같은 상기 공진 전류에 대한 일정한 활성 상태를 확신하게 된다. 상기 펄스 폭 변조 신호의 상기 상승 에지 (edge)는 상기 바람직한 실시예에서 상기 첫 번째 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 상기 동기 신호로 사용되어지 지만, 상기 펄스 폭 변조 신호의 상기 하강 에지 (falling edge)가 또한 본 발명의 다른 실시예에서 상기 첫 번째 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 상기 동기 신호로 사용되어질 수 있다. 따라서 본 발명은 이러한 측면에 제한되는 것은 아니다.
요컨대 본 발명에 따른 상기 제어기 (3)는, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 스위치들 (21, 22)의 제어가 상기 고정 주파수 신호 및 상기 펄스 폭 변조 신호를 이용함에 의하여 성취되어져, 구조 측면에서 상대적으로 단순하고, 이에 따라 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)는 모든 부하 조건들에서 상기 최적 운전 조건에서 운전되는 것이 확신되어진다. 단순한 구조를 가짐과 함께, 상기 제어기 (3)는 또한 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 스위치들 (21, 22)의 스위칭의 횟수를 줄이고, 이에 의하여 상기 스위치들 (21, 22)의 스트레스를 줄이게 된다. 결론적으로, 본 발명의 목적은 성취되어진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명, 실시예 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
도 1은 종래 기술에 있어서, 주파수 변조 제어기에 의하여 제어되어지는 하프 브리지 LLC 공진형 직류 변환기를 도시한 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 2는 종래 기술에 있어서, 스위칭 제어 도시한 파동 형태 다이어그램이다.
도 3은 공진형 직류 / 직류 변환기에 연결되어지도록 적응되어지는 본 발명에 따른 제어기의 바람직한 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
도 4 (I) 내지 도 4 (VI)는 상기 바람직한 실시예의 운전과 관련된 다수의 신호들을 각각 도시한 파동 형태 다이어그램이다.

Claims (8)

  1. 공진형 직류 /직류 변환기 (2)의 스위치를 제어하기 위하여 상기 공진형 직류 /직류 변환기 (2)에 사용되어지도록 적응되어지는 제어기 (3)로서,
    상기 제어기 (3)는
    상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 출력 전압 (Vo)을 감지하기 위하여, 또한 이에 의하여 감지된 상기 출력 전압 (Vo)에 따른 펄스 폭 변조 신호를 발생하기 위하여 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)에 전기적으로 커플 되어지게 적응되어지는 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31);
    고정 주파수 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)에 전기적으로 커플 되어지는 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32); 및
    상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 고정 주파수 신호를 합성하여, 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 스위치를 구동하도록 적응되어지는 구동신호를 발생하기 위하여, 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31) 및 상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)에 전기적으로 커플 되어지는 로직 합성 유닛 (33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)은 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)으로부터 상기 펄스 폭 변조 신호를 수신하고, 상기 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 동기 신호로서 상기 펄스 폭 변조 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정 주파수 신호 발생 유닛 (32)은 상기 고정 주파수 신호를 발생하기 위한 동기 신호로서 상기 펄스 폭 변조 신호의 상승 에지를 사용하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)은 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 공진 전류를 더 감지하도록 적응되어지고, 이에 의하여 감지되어진 상기 공진 전류 및 상기 출력 전압 (Vo)에 따라 상기 펄스 폭 변조 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 신호는 상기 고정 주파수 신호의 주파수보다 작은 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 신호의 상기 주파수는 상기 고정 주파수 신호의 주파수의 1/10보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 로직 합성 유닛 (33)은 상기 구동 신호를 발생하기 위하여 상기 펄스 폭 변조 신호 및 상기 첫 번째 고정 주파수 신호에 대하여 배가 합성 (multiplication synthesis)을 수행하는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 신호는 상기 펄스 폭 변조 제어 유닛 (31)에 의하여 감지되어진 상기 공진형 직류 / 직류 변환기 (2)의 상기 출력 전압 (Vo)의 전압 레벨에 대하여 역으로 변화하는 듀티 사이클 (duty cycle)을 가지는 것을 특징으로 하는 공진형 직류 / 직류 변환기에 사용되어지는 제어기.
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