KR20110029304A - 전력소자 손실 평형 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 및 그 제어 방법 - Google Patents

전력소자 손실 평형 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스너버 커패시터를 사용하는 추가적인 보조 회로 없이 스위칭 패턴 제어 및 열 평형 제어를 통해 전력소자의 손실 평형을 구현할 수 있는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터는 직류 전압을 발생하는 전압원; 제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 상기 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부; 상기 풀브릿지 회로로부터의 구형파 전압을 고전압으로 변압하는 변압부; 상기 변압부로부터의 고전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류부; 및 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 적어도 두 개의 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 소프트 스위칭하는 제어부를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 제1 패턴, 및 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 제2 패턴을 포함한다.

Description

전력소자 손실 평형 ＤＣ/ＤＣ 컨버터 및 그 제어 방법{DC/DC CONVERTER FOR POWER DEVICE LOSSES BALANCE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 플라즈마 환경 설비의 고압 전원 장치에 이용되는 풀브릿지 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 전력소자의 손실 평형을 구현할 수 있는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)란 기체 상태 물질의 온도를 높임으로써 생성되는 이온화된 기체를 말하는 것으로, 이온핵과 자유 전자로 이루어지며, 고체, 액체, 기체와 더불어 제4의 물질 상태라 불린다. 이러한 플라즈마는 높은 전기 전도성을 띄며, 전자기장에 대해 매우 큰 반응성을 가진다.
플라즈마는 방전 반응을 이용하여 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 그 중 플라즈마 환경 설비(environment facilities using plasma)의 일례가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 환경 설비는 고압 전원 장치(10), MPC(Magnetic Pulse Comprossor) 탱크(20), 및 플라즈마 반응기(30)를 포함하여 구성된다.
고압 전원 장치(10)는 부하 커패시터에 짧은 시간 내에 많은 에너지를 충전시키는 역할을 수행하고, MPC 탱크(20)는 고압 전원 장치(10)에서 발생된 고압 펄스를 압축하며, MPC 탱크(20)에 의해 압축된 펄스는 플라즈마 반응기(30)에 인가되어 플라즈마를 발생시킨다.
여기서, 고압 전원 장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같은 DC/DC 컨버터를 포함하여 고전압을 발생한다.
도 2를 참조하면, DC/DC 컨버터는 리딩 레그(Leading leg)(11)와 래깅 레그(Lagging leg)(12)를 포함하는 풀브릿지(Full-Bridge) 형태로 구성된다.
컨버터의 각 스위칭 소자들(S1 내지 S4)은 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)에 의해 도 3에 도시된 바와 같이 소프트 스위칭(Soft Swiching)된다.
도 3을 참조하면, 제2 스위칭 소자(S2)→제1 스위칭 소자(S1), 제3 스위칭 소자(S3)→제4 스위칭 소자(S4) 순으로 반복하여 지속적인 스위칭이 이루어짐을 알 수 있다.
한편, 일반적으로 반도체 스위치가 턴-오프될 때 스위치에 흐르는 전류(I)는 도 4a에 도시된 바와 같이 일정한 기울기를 가지고 하강하게 되며, 스위칭 양단 전압(V)은 전류가 하강하기 시작하여 90%의 지점에 이르렀을 때, 전압원의 첨두 전압만큼 상승하게 되어, 전류가 하강하는 나머지 구간에서는 과도 상태가 된다. 이 경우, 전류(I)와 전압(V)의 중첩 구간(a)이 발생하게 되며, 이 구간(a) 동안 전 류(I)와 전압(V)의 곱만큼 스위치 자체에 손실이 발생하게 된다.
이때, 도 3과 같은 스위칭 패턴으로 구동되는 컨버터에서는 일반적인 스위치 전류 곡선의 특징으로 인해 래깅 레그(12)의 스위칭 소자(S1, S4)보다, 먼저 턴-온된 후 턴-오프되는 리딩 레그(11)의 스위칭 소자(S2, S3)가 더 큰 전류값을 가지게 된다. 따라서, 리딩 레그(11)의 스위칭 소자(S2, S3)에서 발생되는 스위칭 손실과 전도 손실로 인해 전력소자의 손실에 불평형이 생길 수밖에 없고, 이로 인해 전력소자의 열화에도 불평형이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 래깅 레그(12)에 비해 큰 손실이 발생하는 리딩 레그(11)의 스위칭 소자(S2, S3) 양단에 스너버(snubber) 커패시터(13, 14)를 각각 부착하였다.
스너버 커패시터(13, 14)는 스위칭 소자(S2, S3) 양단의 커패시턴스를 증가시켜, 전압 충전 시간을 지연시킴으로써, 도 4b에 도시된 바와 같이 스위칭 소자의 턴-오프 시 전류(I)와 전압(V)의 중첩 구간(b)이 도 4a에 비해 감소되도록 하여, 리딩 레그(11)가 비교적 손실이 적은 래깅 레그(12)와 손실 평형을 이룰 수 있도록 한다.
하지만, 이러한 종래의 손실 감소 기술은 파라미터의 변동에 취약한 문제가 있다. 즉, 스너버 커패시터(13, 14)를 이용한 보조 회로는 특정 파라미터를 기준으로 설계되어야 하는데, 주변 기생 성분의 영향으로 파라미터 자체가 일정하지 않을 뿐더러, 열 발생 등의 주변 환경 변화에도 파라미터가 쉽게 변화될 수 있다.
따라서, 종래에는 실질적으로 레그간 스위칭 손실 평형을 유지하기가 어렵 고, 이로 인해 각 스위칭 소자의 수명을 예측할 수 없게 된다. 또한, 애초에 스위칭 손실 저감 설계를 했다 하더라도, 파라미터의 변화로 인해 스위칭 손실이 오히려 증가할 수 있는 가능성이 있으며, 이 경우 스위칭 소자의 수명이 더욱 단축되어 전체 컨버터의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
뿐만 아니라, 종래와 같이 스너버 커패시터(13, 14)를 추가적으로 형성하는 경우, 이로 인해 제조 비용이 더욱 상승하게 되며, 스너버 커패시터(13, 14)의 부피에 따라 DC/DC 컨버터 크기 자체가 변경될 수밖에 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 스너버 커패시터를 사용하는 추가적인 보조 회로 없이 스위칭 패턴 제어 및 열 평형 제어를 통해 전력소자의 손실 평형을 구현할 수 있는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터는 직류 전압을 발생하는 전압원; 제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 상기 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부; 상기 풀브릿지 회로로부터의 구형파 전압을 고전압으로 변압하는 변압부; 상기 변압부로부터의 고전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류부; 및 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 적어도 두 개의 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 소프트 스위칭하는 제어부를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 제1 패턴, 및 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 제2 패턴을 포함한다.
상기 DC/DC 컨버터는 상기 리딩 레그 주변에 배치되어 상기 리딩 레그의 온 도를 감지하는 적어도 하나의 리딩 레그 온도 센서; 및 상기 래깅 레그 주변에 배치되어 상기 래깅 레그의 온도를 감지하는 적어도 하나의 래깅 레그 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 리딩 레그 온도 센서 및 상기 래깅 레그 온도 센서를 통해 감지된 온도값에 기반하여 상기 패턴의 변환을 제어한다.
상기 제어부는 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 상기 제1 패턴으로 구동 시 상기 리딩 레그의 온도가 상기 래깅 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제1 패턴을 상기 제2 패턴으로 변환하여 구동하고, 상기 제2 패턴으로 구동 시 상기 래깅 레그의 온도가 상기 리딩 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제2 패턴을 상기 제1 패턴으로 변환하여 구동한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법은 제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부를 포함하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법에 있어서, 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 적어도 두 개의 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 소프트 스위칭하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 제1 패턴, 및 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 제2 패턴을 포함한다.
상기 DC/DC 컨버터의 제어 방법은 상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그의 온도를 각각 감지하는 온도 감지 단계; 및 상기 온도 감지 단계에서 감지된 온도값에 기반하여 상기 패턴의 변환을 제어하는 구동 단계를 더 포함한다.
상기 구동 단계에서 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 상기 제1 패턴으로 구동 시 상기 리딩 레그의 온도가 상기 래깅 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제1 패턴을 상기 제2 패턴으로 변환하여 구동하고, 상기 제2 패턴으로 구동 시 상기 래깅 레그의 온도가 상기 리딩 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제2 패턴을 상기 제1 패턴으로 변환하여 구동한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법은 제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부를 포함하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법에 있어서, 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 제1 패턴 - 상기 제1 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 패턴임 - 으로 소프트 스위칭하는 단계; 상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그의 온도를 각각 감지하는 온도 감지 단계; 상기 리딩 레그의 온도와 상기 래깅 레그의 온도차에 대한 절대값을 계산하는 단계; 계산된 상기 온도차에 대한 절대값을 기반으로, 상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그간 온도 평형을 이루기 위한 온도 평형 시정수를 통해 PI 제어기의 이득을 구하고, 상기 PI 제어기를 통해 온도 평형을 이루기 위한 보상 시간을 계산하는 단계; 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 구동 주기로, 계산된 상기 보상 시간을 나누어, 온도 평형을 이루기 위한 구동 주기의 개수를 계산하는 단계; 계산된 상기 구동 주기의 개수를 카운팅하고, 카운팅이 완료되면 상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그의 온도를 재감지하는 온도 재감지 단계; 및 온도 재감지 결과, 상기 래깅 레그의 온도가 상기 리딩 레그의 온도보다 높거나 같으면 상기 제1 패턴을 유지하고, 상기 리딩 레그의 온도가 상기 래깅 레그의 온도보다 높으면 상기 제1 패턴을 제2 패턴 - 상기 제2 패턴은 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 패턴임 - 으로 변환하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 스너버 커패시터를 사용하는 추가적인 보조 회로 없이 스위칭 패턴 제어 및 열 평형 제어를 통해 스위칭 소자간 손실 평형을 구현할 수 있기 때문에, 주변 기생 성분의 영향으로 인한 파라미터 변화에 관계없이 전력소자의 손실 평형을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 스위칭 패턴 변환을 통해 손실 평형을 이룰 수 있어, 전압 상승을 지연시키는 종래의 손실 저감 방식에 비해 빠른 스위칭이 가능하기 때문에 에너지 전달이 우수한 장점이 있다.
아울러, 종래에는 파라미터에 영향을 주는 기생 성분을 확인하기 위하여 컨버터의 스택 설계가 완료된 이후에 스너버 커패시터를 설계해야 하고, 설계된 이후 에도 파라미터의 변화로 인해 재설계가 필수적이었지만, 본 발명에서는 기생 성분과 관계없이 컨버터 스택 설계가 가능하고, 재설계가 불필요하여 효과적이다.
뿐만 아니라, 종래에는 스너버 커패시터 자체의 장기간 사용이 불가능하여, 컨버터의 수명이 짧았으나, 본 발명에서는 스너버 커패시터가 필요없어 컨버터의 수명이 길고, 각 스위칭 소자들이 일정한 손실을 유지하기 때문에 수명 예측이 용이하여 유지 보수가 쉬우며, 컨버터의 제조 비용 및 부피가 크게 감소한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도 5 내지 도 8b를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 환경 설비용 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터는 전압원(100), 풀브릿지(Full-bridge) 회로부(110), 제어부(120), 변압부(130), 정류부(140), 및 부하(150)를 포함한다.
전압원(100)은 풀브릿지 회로부(110)의 1차 측에 연결되어 컨버터에 직류(DC) 전압을 공급하며, 교류(AC) 전압이 사용되는 경우, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 과정을 거쳐 직류 전압을 공급하게 된다.
풀브릿지 회로부(110)는 2개의 스위칭 소자(S2, S3)가 연결된 리딩 레그(Leading leg)(111)와, 마찬가지로 2개의 스위칭 소자(S1, S4)가 연결되며, 래깅 레그(112)와 병렬로 연결된 래깅 레그(Lagging leg)(112)를 포함하여 구성된다. 한편, 각 스위칭 소자(S1 내지 S4)의 양단에는 역병렬 다이오드가 연결될 수 있다.
일 실시 예에서 풀브릿지 회로부(110)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)들을 포함하는 단상 풀브릿지로 구성될 수 있다.
또한, 풀브릿지 회로부(110)는 래깅 레그(112) 주변에 배치되어 래깅 레그(112)의 온도를 감지하는 적어도 하나의 리딩 레그 온도 센서(T1)와, 리딩 레그(111) 주변에 배치되어 리딩 레그(111)의 온도를 감지하는 적어도 하나의 래깅 레그 온도 센서(T2)를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 각각 하나의 리딩 레그 온도 센서(T1) 및 래깅 레그 온도 센서(T2)를 배치하여, 리딩 레그(111)와 래깅 레그(112)의 온도를 감지할 수 있고, 다른 실시 예에 따르면, 리딩 레그 온도 센서와 래깅 레그 온도 센서를 다수개씩 배치하고, 감지된 리딩 레그(111)의 온도 평균 및 래딩 레그(112)의 온도 평균을 각각 계산하여 적용할 수 있다.
제어부(120)는 리딩 레그 온도 센서(T1) 및 래깅 레그 온도 센서(T2)를 통해 감지된 온도값을 기반으로 풀브릿지 회로부(110) 내 각 스위칭 소자들(S1 내지 S4)의 스위칭을 제어하여 소정 패턴으로 소프트 스위칭(Soft switching)되도록 하며, 풀브릿지 회로부(110)로부터 소정 주파수를 가지는 구형파 전압을 발생시킨다.
제어부(120)를 통한 구체적인 스위칭 제어에 대해서는 이후에 별도로 설명하도록 한다.
변압부(130)는 풀브릿지 회로부(110)의 2차 측에 형성되어, 풀브릿지 회로부(110)에 의해 생성된 구형파의 저전압을 고전압으로 승압하며, 정류부(140)는 변압부(130)의 2차 측에 연결되어, 변압부(130)에 의해 발생된 고전압을 정류하여 부하(150)에 전달하는 역할을 한다.
한편, 풀브릿지 회로부(110)의 2차 측에 도시된 인덕터(L)는 변압부(130)의 누설 인덕턴스 및 외부 인덕턴스를 의미한다.
이하에서는, 제어부(120)를 통한 풀브릿지 회로부(110)의 스위칭 제어에 대해 설명하도록 한다.
기본적으로 제어부(120)는 풀브릿지 회로부(110)의 스위칭 소자들(S1 내지 S4)이 적어도 두 개의 패턴 중 어느 하나의 패턴 형태로 스위칭될 수 있도록 한다.
도 6a 및 도 6b에 두 가지 패턴의 실시 예가 도시되어 있다.
먼저 도 6a에 도시된 제1 패턴을 보면, 리딩 레그(111)의 스위칭 소자들(S2, S3)이 턴-온된 이후에 래깅 레그(112)의 스위칭 소자들(S1, S4)이 턴-온됨을 알 수 있다. 구체적으로, 제1 패턴은 제2 스위칭 소자(S2)의 턴-온 이후에 제1 스위칭 소자(S1)가 턴-온되고, 제3 스위칭 소자(S3)의 턴-온 이후에 제4 스위칭 소자(S4)가 턴-온되도록 하여, 제2 스위칭 소자(S2)→제1 스위칭 소자(S1)→제3 스위칭 소자(S3)→제4 스위칭 소자(S4) 순으로 반복되어 소프트 스위칭되는 패턴이다.
여기서, 각 스위칭 소자들(S1 내지 S4)의 턴-온 및 턴-오프 사이에는 의도적인 데드 타임(Dead time)(D)을 삽입함으로써, 스위칭 소자들(S1 내지 S4) 간의 단락이 방지될 수 있도록 한다.
다음으로 도 6b에 도시된 제2 패턴을 보면, 제1 패턴과는 반대로 래깅 레그(112)의 스위칭 소자들(S1, S4)이 먼저 턴-온되고, 리딩 레그(111)의 스위칭 소자들(S2, S3)이 턴-온된다. 즉, 제2 패턴은 제4 스위칭 소자(S4)의 턴-온 이후에 제3 스위칭 소자(S3)가 턴-온되고, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴-온 이후에 제2 스위칭 소자(S2)가 턴-온되도록 하여, 제4 스위칭 소자(S4)→제3 스위칭 소자(S3)→제1 스위칭 소자(S1)→제2 스위칭 소자(S2) 순으로 반복되어 소프트 스위칭되는 패턴이다.
제어부(120)는 이러한 제1 및 제2 패턴을 교번적으로 적용하여 리딩 레 그(111)와 래깅 레그(112) 중 어느 한쪽으로 스위칭 손실이 편중되지 않고 손실 평형을 이룰 수 있도록 한다.
이때, 스위칭 패턴의 선택은 상술한 온도 센서(T1, T2)를 통해 감지되는 온도값을 기반으로 하여 이루어진다. 즉, 리딩 레그(111) 및 래깅 레그(112)의 온도를 지속적으로 감지하여, 손실로 인한 열화가 발생한 레그를 검출하고, 비교적 열화 정도가 약한 레그의 스위칭 소자가 먼저 스위칭될 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 무조건적으로 제1 및 제2 패턴을 교번 사용하는 것이 아니라, 실제 열화의 정도를 감지하고 감지된 결과에 따라 적합한 패턴을 적용하여 각 레그의 스위칭 소자들을 구동하기 때문에, 실질적인 레그간 열 평형 구현이 가능하고, 이를 통해 손실 평형 제어가 가능하게 된다.
한편, 종래의 영전압을 이용한 손실 저감 방식에 상술한 바와 같은 데드 타임을 삽입하는 경우, 스너버 커패시터의 값에 따라 데드 타임의 재설계가 반드시 필요하지만, 본 발명은 영전압을 이용한 방식이 아니라 제어를 통해 손실 평형을 이루는 방식이기 때문에, 데드 타임의 설계 또한 용이한 장점이 있다.
도 7은 제어부(120)에 의한 열 평형 제어를 순차적으로 도식화한 블럭도로서, 도 7을 참조하여 열 평형 제어를 통한 전력소자 손실 평형 제어 방법에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 제어부(120)는 리딩 레그 온도 센서(T1) 및 래깅 레그 온도 센서(T2)를 통해 리딩 레그(111) 및 래깅 레그(112)의 온도가 감지되면, 레그간 온도차에 대한 절대값을 계산한다(210). 이후, 온도 평형 시정수를 통해 PI 제어기의 이득을 구하고, PI 제어기를 통해 온도 평형을 이루기 위한 보상 시간(T(s))을 도출하며(220), 설정된 주기(TP)로 보상 시간(T(s))을 나누어, 온도 평형이 예상되는 구동 주기의 개수(R(s))를 계산한다(230).
스위칭 소자의 구동에 따라, 사용 중인 패턴의 사용 주기가 카운터를 통해 카운팅되고(240), 계산된 주기의 개수(R(s))가 모두 카운팅되면, 패턴 제어기를 통해 패턴 제어가 이루어진다(250). 구체적으로, 카운팅이 완료된 상태에서 다시 리딩 레그 온도 센서(T1)와 래깅 레그 온도 센서(T2)로부터 감지된 온도값을 통해 패턴 변환 여부가 결정된다. 즉, 카운팅이 완료된 이후 열 평형이 이루어졌거나, 해당 패턴이 구현하고자 했던 손실이 많은 레그가 여전히 손실이 많아 온도가 높은 경우 최초의 패턴 상태를 그대로 유지한다. 반면, 다른 레그에서 비교적 높은 온도가 감지되는 경우에는 사용 패턴을 해당 레그를 위한 패턴으로 전환하게 된다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 열 평형 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 도 8a는 종래 손실 저감 방식에서 시간에 따른 리딩 레그(111) 및 래깅 레그(112)의 온도 변화를 나타내고, 도 8b는 본 발명에 따른 손실 평형 제어 방식에서의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 리딩 레그(111)와 래깅 레그(112) 간에 온도차가 발생하여, 손실 불평형에 따른 열 불평형이 발생함을 알 수 있다. 특히, 리딩 레그(111) 의 스위칭 소자를 선구동하는 종래 방식에서는 그래프에 나타나는 바와 같이 래깅 레그(112)에 비해 리딩 레그(111)에서 더 큰 손실이 발생하게 된다.
하지만, 도 8b를 참조하면, 리딩 레그(111)와 래깅 레그(112)의 온도가 균일하게 열 평형을 이룬 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 스위칭 손실 및 전도 손실이 열 변화로 나타나는 것을 이용하여, 리딩 레그(111)와 래깅 레그(112)의 구동 패턴을 변환하기 때문에, 열 평형을 통해 전력소자의 손실 평형을 구현할 수 있게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1은 플라즈마 환경 설비를 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 플라즈마 환경 설비에 사용되는 DC/DC 컨버터를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 소프트 스위칭 방식을 나타내는 도면,
도 4a는 일반적인 반도체 스위치의 턴-오프 특성을 나타내는 도면,
도 4b는 스너버 커패시터를 적용한 턴-오프 특성을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 환경 설비용 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터를 개략적으로 나타내는 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 패턴을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 열 평형 제어를 순차적으로 도식화한 블럭도,
도 8a는 종래 손실 저감 방식에서의 리딩 레그 및 래깅 레그의 온도 변화를 나타내는 도면, 및
도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 손실 평형 제어 방식에서의 리딩 레그 및 래깅 레그의 온도 변화를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10 : 고압 전원 장치 11, 111 : 리딩 레그
12, 112 : 래깅 레그 13, 14 : 스너버 커패시터
20 : MPC 탱크 30 : 플라즈마 반응기
100 : 전압원 110 : 풀브릿지 회로부
120 : 제어부 130 : 변압부
140 : 정류부 150 : 부하
S1 내지 S4 : 스위칭 소자 T1, T2 : 온도 센서

Claims (7)

  1. 직류 전압을 발생하는 전압원;
    제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 상기 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부;
    상기 풀브릿지 회로로부터의 구형파 전압을 고전압으로 변압하는 변압부;
    상기 변압부로부터의 고전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류부; 및
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 적어도 두 개의 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 소프트 스위칭하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 제1 패턴, 및 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 제2 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리딩 레그 주변에 배치되어 상기 리딩 레그의 온도를 감지하는 적어도 하나의 리딩 레그 온도 센서; 및
    상기 래깅 레그 주변에 배치되어 상기 래깅 레그의 온도를 감지하는 적어도 하나의 래깅 레그 온도 센서
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 리딩 레그 온도 센서 및 상기 래깅 레그 온도 센서를 통해 감지된 온도값에 기반하여 상기 패턴의 변환을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 상기 제1 패턴으로 구동 시 상기 리딩 레그의 온도가 상기 래깅 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제1 패턴을 상기 제2 패턴으로 변환하여 구동하고,
    상기 제2 패턴으로 구동 시 상기 래깅 레그의 온도가 상기 리딩 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제2 패턴을 상기 제1 패턴으로 변환하여 구동하는 것을 특징으로 하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터.
  4. 제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부를 포함하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 적어도 두 개의 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 소프트 스위칭하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 제1 패턴, 및 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 제2 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그의 온도를 각각 감지하는 온도 감지 단계; 및
    상기 온도 감지 단계에서 감지된 온도값에 기반하여 상기 패턴의 변환을 제어하는 구동 단계
    를 더 포함하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구동 단계에서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 상기 제1 패턴으로 구동 시 상기 리딩 레그의 온도가 상기 래깅 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제1 패턴을 상기 제2 패턴으로 변환하여 구동하고,
    상기 제2 패턴으로 구동 시 상기 래깅 레그의 온도가 상기 리딩 레그의 온도보다 높은 것으로 감지되면 상기 제2 패턴을 상기 제1 패턴으로 변환하여 구동하는 것을 특징으로 하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법.
  7. 제1 및 제4 스위칭 소자가 연결된 래깅 레그와 제2 및 제3 스위칭 소자가 연결된 리딩 레그가 병렬로 배치되어, 직류 전압을 고주파의 구형파 전압으로 변환하는 풀브릿지 회로부를 포함하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자를 제1 패턴 - 상기 제1 패턴은 상기 제2 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제1 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제3 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온시키는 패턴임 - 으로 소프트 스위칭하는 단계;
    상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그의 온도를 각각 감지하는 온도 감지 단계;
    상기 리딩 레그의 온도와 상기 래깅 레그의 온도차에 대한 절대값을 계산하는 단계;
    계산된 상기 온도차에 대한 절대값을 기반으로, 상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그간 온도 평형을 이루기 위한 온도 평형 시정수를 통해 PI 제어기의 이득을 구하고, 상기 PI 제어기를 통해 온도 평형을 이루기 위한 보상 시간을 계산하는 단계;
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자의 구동 주기로, 계산된 상기 보상 시간을 나누어, 온도 평형을 이루기 위한 구동 주기의 개수를 계산하는 단계;
    계산된 상기 구동 주기의 개수를 카운팅하고, 카운팅이 완료되면 상기 리딩 레그 및 상기 래깅 레그의 온도를 재감지하는 온도 재감지 단계; 및
    온도 재감지 결과, 상기 래깅 레그의 온도가 상기 리딩 레그의 온도보다 높거나 같으면 상기 제1 패턴을 유지하고, 상기 리딩 레그의 온도가 상기 래깅 레그의 온도보다 높으면 상기 제1 패턴을 제2 패턴 - 상기 제2 패턴은 상기 제4 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제3 스위칭 소자를 턴-온시키고, 상기 제1 스위칭 소자의 턴-온 이후에 상기 제2 스위칭 소자를 턴-온시키는 패턴임 - 으로 변환하는 단계
    를 포함하는 전력소자 손실 평형 DC/DC 컨버터의 제어 방법.
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KR20200036483A (ko) * 2018-09-28 2020-04-07 한국전력공사 Dc/dc 전력변환장치의 전압 평형 시스템

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