KR20120035080A

KR20120035080A - 경계모드로 동작하는 그리드 연계용 병렬구동 플라이백 컨버터의 제어 방법

Info

Publication number: KR20120035080A
Application number: KR1020100096576A
Authority: KR
Inventors: 이규찬; 유창규
Original assignee: 주식회사 인터파워
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-04-13

Abstract

본 발명은 그리드 연계용 고주파 링크형 인버터 등과 같이 출력 전류가 크게 변화하는 응용에서 사용할 수 있는 병렬 플라이백 컨버터를 경계 모드 방식으로 구동할 때 모듈 간 전류 분배 방법에 관한 것으로, 컨버터가 높은 스위칭 주파수에서 동작하는 구간을 최대한 억제하여 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 복수의 플라이백 컨버터를 경계 모드(critical conduction mode)에서 구동하기 위한 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법은, 플라이백 컨버터의 스위칭 주파수의 범위를 고려하여 분배 기준값(DLV)을 설정하는 단계; 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 작은 경우에는 불필요한 스위칭으로 인한 손실 상승을 억제하기 위해 하나의 플라이백 컨버터 모듈만 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 공급하는 단계; 상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 큰 경우에는 두 개 이상의 플라이백 컨버터 모듈을 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 함께 공급하는 단계; 및 상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 다시 작아지는 경우에는 스위칭 손실 상승을 억제하기 위해 하나의 플라이백 컨버터 모듈만 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

경계모드로 동작하는 그리드 연계용 병렬구동 플라이백 컨버터의 제어 방법{Critical conduction mode control method of flyback converters in parallel for grid connection}

태양전지, 연료전지, 풍력, 소형 열병합, 축전지, PIEV(플러그 인 하이브리드) 발전 등과 같이 기간 전력망에 정합되는 분산 발전용 인버터는 그리드 연계 운전이 가능하도록 충분히 높은 개방 전압을 얻기 위한 승압형 컨버터와 정현파 전압, 전류를 만들어내기 위한 펄스폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation) 방식의 인버터로 구성되는 트랜스포머리스(Transformerless)형과 도 1과 같이 입출력을 절연할 수 있는 플라이백 컨버터와 그리드 주파수에 맞춰 단순 극성 절체를 위한 인버터(Pass-Through Type Inverter)로 구성되어 거의 대부분의 제어가 컨버터 쪽에서 이루어지는 고주파 링크(High Frequency Link)형으로 나눌 수 있다. 본 발명은 고주파 링크형 인버터용 2개 병렬 구성의 플라이백 컨버터에 관한 것으로서 효율을 높일 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.

DC-DC 전력 변환을 목적으로 사용하는 여러가지 토폴로지 중에 입출력 회로가 절연되면서 출력 전압 설정이 자유롭고 소용량 제품에 적합한 플라이백 컨버터가 있다. 변압기와 스위칭 소자(일반적으로 파워 MOS-FET 사용)와 다이오드로 구성되는 플라이백 컨버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 제어가 이루어진다. 용량이 큰 컨버터가 요구될 경우에는 도 2와 같이 2개 이상의 컨버터를 이용하여 부하를 분담할 수 있도록 병렬로 연결할 수 있다. 병렬 구성시에는 제어기를 하나만 사용하여 모듈간 스위칭이 동시에 이루어지도록 할 수도 있고, 정해진 위상차를 가지고 어긋나게 스위칭을 하는 인터리빙(interleaving) 구동을 하여 전체 전류 리플을 줄여 필터 설계를 최적화할 수도 있다. 컨버터가 100% 설계 용량의 부하에서 동작할 때에는 각 모듈이 부하를 같은 비율로 부담하여 동작하는 것이 일반적이다. 100% 미만의 부하에 대해서는 두 모듈을 사용하는 경우를 예로 들면 도 3과 같이 요구 부하의 크기와 상관없이 항상 50%씩 분담하는 방법 (좌측 그래프), 최대 부하의 50%까지는 하나의 모듈로 동작을 하고 그 이상이 되면 나머지 하나를 추가로 동작시키는 방법 (우측 그래프) 등 여러 가지가 있을 수 있다.

스위칭 컨버터는 변압기나 인덕터에 충전되었던 에너지가 방전하여 방전 전류가 0이 되는 순간 다시 스위치를 켜는 동작을 반복하는 경계 모드(CRM, Cretical Conduction Mode)와 일정한 주파수로 전류가 0이 되기 전에 스위칭을 실시하는 연속 모드(CCM, Continues Conduction Mode) 또는 전류가 0이 된 이후에 스위치를 켜는 불연속 모드(DCM, Discontinues Conduction Mode) 중 한가지 모드로 동작한다. 경계 모드에서 동작하는 컨버터는 자연스럽게 스위칭 소자 양단 전압이 최소화되었을 때 스위치가 켜지는 영전위 스위칭 상태가 만들어지므로 스위칭 ON 손실과 노이즈 발생을 최대한 억제할 수 있는 장점이 있다. 경계 모드는 입/출력 전압, 전류 레벨 및 스위칭 조건 등에 따라 스위치 ON 시간과 OFF 시간이 계속 변화하여 스위칭 주파수가 가변되는 특징을 갖는다.

일정한 DC 전압값을 출력으로 갖는 일반적인 플라이백 컨버터와 달리 그리드 연계 고주파 링크형 인버터에서 플라이백 컨버터는 뒷단 회로인 인버터가 단순 극성 절체 역할만을 하기 때문에 플라이백 컨버터의 출력 전압이 그리드 전압을 전파 정류한 형태로 결정된다. 따라서, 출력 전압을 제어 할 수 없고 전류가 전압과 같은 모양이 되도록 제어를 하여야 한다. 이를 경계 모드의 PWM 방식 제어로 구현하면 도 4와 같이 전압 피크 부분에서는 스위칭 주파수가 최저로 되고 골 부분으로 갈수록 주파수가 급격히 상승하여 필요 이상의 스위칭 손실이 발생하여 효율이 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명은 그리드 연계용 고주파 링크형 인버터 등과 같이 출력 전류가 크게 변화하는 응용에서 사용할 수 있는 병렬 플라이백 컨버터를 경계 모드 방식으로 구동할 때 모듈 간 전류 분배 방법에 관한 것으로, 컨버터가 높은 스위칭 주파수에서 동작하는 구간을 최대한 억제하여 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법은, 플라이백 컨버터의 스위칭 주파수의 범위를 고려하여 분배 기준값(DLV)를 설정하는 단계; 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 작은 경우에는 불필요한 스위칭으로 인한 손실의 상승을 억제하기 위해 하나의 플라이백 컨버터 모듈만 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 공급하는 단계; 상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 큰 경우에는 두 개 이상의 플라이백 컨버터 모듈을 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 함께 공급하는 단계; 및 상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 다시 작아지는 경우에는 스위칭 손실 상승을 억제하기 위해 하나의 플라이백 컨버터 모듈만 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 작은 값을 가지는 소정의 기준값보다 작은 경우에는 경계 모드(critical conduction mode)에서 동작하지 않고 불연속 모드(discontinuous mode)로 동작할 수 있다.

하나의 플라이백 컨버터 모듈만 동작하다가 2개 이상의 모듈 동작으로 전환되는 경우 혹은 그 반대로 전환되는 경우, 전환에 따른 급격한 스위칭 주파수의 변동을 방지하기 위해 상기 불연속 모드의 스위칭 주기를 고정하지 않고 조절할 수 있다.

상기 불연속 모드에서 동작 시에 부하 전류의 왜곡을 방지하기 위해 기준 전류값을 연속 모드의 기준 전류값보다 크게 하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 플라이백 컨버터는 서로 일정한 위상차를 가지고 스위칭 소자가 온/오프되는 인터리빙(interleaving) 방식으로 제어될 수 있다.

상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 커서 복수의 플라이백 컨버터가 함께 부하 전류를 공급하는 경우 복수의 플라이백 컨버터는 부하 전류를 균등하게 공급하도록 설정될 수 있다.

경계모드로 동작하는 그리드 연계용 인버터의 플라이백 컨버터를 병렬 구동 방식으로 운전하면 그리드 전압에 따라 필요 이상으로 스위칭 주파수가 높은 구간이 반복적으로 생기므로 스위칭 손실에 따른 효율 저하가 발생한다. 본 발명의 각 모듈별 전류 분배 방법을 사용하면 별다른 부가 회로 없이도 스위칭 빈도를 최소한으로 억제할 수 있어 효율 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 그리드 연계 응용에서뿐만 아니라 플라이백 컨버트를 병렬로 구동하여 전류 변화 범위가 큰 부하에 전력을 공급할 경우에 전류가 작은 구간에서의 스위칭 주파수의 상승을 억제할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 플라이백 컨버터와 단순 극성 절체형 인버터로 구성된 고주파 링크형 인버터 구성도이다.
도 2는 종래의 2개의 플라이백 컨버터를 병렬 연결한 구성도이다.
도 3은 병렬 구동 시의 통상적인 모듈간 전류 분배 방식이다.
도 4는 그리드 연계형 플라이백 컨버터가 경계 모드에서 동작하는 경우의 출력전압과 스위칭 주파수의 관계도이다.
도 5는 본 발명에 따른 병렬 플라이백 컨버터와 그 제어장치의 구성도이다.
도 6은 도 5의 병렬 플라이백 컨버터의 경계 모드 동작에 따른 타이밍도이다.
도 7은 본 발명에 따른 2개 모듈의 전류 분배 예시도이다.
도 8은 부하 전류가 점차 증가하는 경우의 분배 기준값(DLV)과 1개 모듈의 기준 전류값(IREF1)의 관계도이다.
도 9는 하나의 플라이백 컨버터만 불연속 모드로 동작 시에 전류의 왜곡을 피하도록 기준 전류값(IREF1)을 경계 모드 동작 시에 비해 크게 설정한 예시도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 혼란스럽게 하지 않도록 생략될 것이다.

본 발명의 제어 회로는 도 5와 같다. 변압기 T1, 변압기 T1 1차측에 붙은 스위칭 소자 Q1, 변압기 2차측에 붙은 다이오드 D1을 포함하여 구성된 플라이백 컨버터 모듈 1과 변압기 T2, 변압기 T2 1차측에 붙은 스위칭 소자 Q2, 변압기 2차측에 붙은 다이오드 D2을 포함하여 구성된 플라이백 컨버터 모듈 2 및 전체 제어를 총괄하는 디지털 제어부와 전류모드 PWM 신호 발생부로 나누어진다.

디지털 제어부는 도 5에서와 같이 스위칭 소자와 변압기 1차측 연결 부위의 전압을 바로 검출하거나 변압기 1차측에 추가로 삽입할 수 있는 보조턴 신호를 ZCDx 입력을 통해 받는다. 그리고 디지털 출력 신호인 턴온 지시 신호 STx, 게이트 구동 신호를 디지털 제어부로 피드백하는 신호인 CLx, 및 아날로그 신호인 기준 전류값 IREFx를 출력한다. 컨버터 두개를 병렬 운전하여야 하므로 이 신호들은 모듈 1을 위한 신호와 모듈 2를 위한 신호로 각각 구분되어진다(x는 1 또는 2).

디지털 제어부는 디지털 시그널 프로세서, 보조 로직 소자 그리고 아날로그 기준 전류값 IREFx를 만드는 A/D 변환기로 구성될 수 있다. 디지털 시그널 프로세서는 범용 마이크로프로세서와 추가 논리 소자로 대체할 수 있다.

전류모드 PWM 발생부는 컨버터를 피크 전류모드 PWM 방식으로 제어하기 위한 RS 플립플롭과 비교기로 구성될 수 있으며, 두 모듈의 플라이백 컨버터를 독립적으로 구동하기 위해 전류모드 PWM 발생부 1과 전류모드 PWM 발생부 2로 나누어진다.

전류모드 PWM 발생부는 디지털 제어부로부터 디지털 입력 신호인 턴온 지시 신호 STx를 받고 게이트 구동 피드백 신호인 CLx를 출력하며, 아날로그 기준 전류값 IREFx를 입력받는다. 컨버터의 스위칭 소자를 켜거나 끄기 위한 게이트 구동 신호 GDx를 출력하고, 스위칭 소자에 직렬로 붙은 변류기 CTx 또는 전류 검출 저항을 통해 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출한 전류 검출 신호 CSx를 입력받는다.

도 5의 회로는 2개의 병렬 컨버터 구조를 나타내고 있으나 3개의 병렬, 4개의 병렬 등의 구조로 확장도 가능하다. 또한, 인터리빙 구동을 위해 모듈 각각을 독립적으로 제어하기 위한 신호를 2조 가지고 있으나 스위칭을 모듈 구분 없이 동시에 진행하는 경우에는 1조의 제어 신호만으로도 구성 가능하다.

디지털 제어부가 기준 전류값 IREF1과 IREF2를 동일하게 출력한 경우, 전류 모드 PWM 발생부는 그 신호와 스위칭 소자 전류의 센싱 신호 CS1과 CS2를 비교기로 비교하여 스위칭 소자의 전류 피크치가 그 모양을 따라가도록 스위칭 소자의 ON 시간을 결정한다.

스위칭 소자가 OFF하면 변압기 2차측 다이오드 D1과 D2를 통해 전류가 방전되는데 이 전류가 0에 도달하는 순간 ZCD1과 ZCD2의 전압이 변화하게 되므로 디지털 제어부는 이를 검출하여 다음 스위칭을 위한 턴온 지시 신호 ST1과 ST2를 전류 모드 PWM 제어부에 출력하면 컨버터가 경계 모드로 동작할 수 있다.

디지털 제어부가 두 모듈 중 한 모듈의 스위칭 소자 ON 시점에 따라 나머지 하나의 ON 시점을 조절하여 180도 위상차를 가질 수 있게 제어하면 도 6과 같이 두 모듈이 경계 모드로 인터리빙 동작을 할 수 있다.

그리드 연계용 컨버터는 출력 전압이 그리드 전압을 전파 정류한 형태로 결정되므로 경계 모드에서 동작하면 도 4와 같이 전압 마루 부분에서는 스위칭 주파수가 최저로 되고 골짜기 부분으로 갈수록 주파수가 급격히 상승하는 특성을 갖는다.

출력 전압이 골짜기 부분으로 갈수록 출력 전류 순시치 또한 같이 떨어지게 되어 있으므로 이 부분은 마루 부분에 비해 전력 변환에 있어서 역할이 낮은 구간이라고 할 수 있다. 그러나 스위칭 빈도가 높은 구간이므로 필요 이상의 스위칭 손실 발생하게 되어 전체 효율을 떨어뜨리는 문제가 생긴다. 경계 모드로 동작하더라도 스위칭 ON시의 손실은 없지만 스위칭 OFF시 손실은 존재한다.

따라서 그리드 연계용 컨버터는 도 3과 같은 일반적인 전류 분배 방법으로 효율을 높이기에 한계가 있고 출력 전압 골짜기 부분에서 스위칭을 가능한 억제할 필요가 있다. 도 7은 이를 극복하기 위한 본 발명에 따른 전류 분배 방법을 예시한 것이다. 전압 마루 부분에서는 두 모듈이 전체 부하를 골고루 나눠 가질 수 있도록 기준 전류값 IREF1와 IREF2를 필요한 전체 크기의 반으로 설정한다. 전압 골짜기 부분에서는 두 모듈 중 한 모듈의 동작을 완전히 정지시키고 한 모듈만으로 전체 부하를 담당하게 하여 스위칭 손실을 줄인다.

한 모듈로 동작할지 두 모듈로 동작할지는 분배 기준값 DLV와 총 기준 전류값의 비교에 의해 결정된다. 분배 기준값 DLV는 입력 전압 E1, 출력 전압 Vout, 변압기 인덕턴스, 전류 레벨 등에 따라 결정되는 스위칭 주파수가 너무 높아지지 않는 범위에서 결정할 수 있다.

디지털 제어부는 도 8과 같이 기준 전류값이 분배 기준값 DLV보다 낮은 구간에서 기준 전류값을 IREF1에만 출력하여 한 모듈 운전이 되도록 하여 스위칭 손실을 줄이고, 높은 구간은 두 모듈 모두 운전할 수 있도록 기준 전류값을 IREF1와 IREF2로 분배하여 출력한다. 일 예로 전체 기준 전류값이 분배 기준값 DLV보다 큰 경우에는 2개 모듈의 전류 설정값 IREF1과 IREF2를 동일한 값으로 설정할 수도 있고, 서로 다른 값으로 설정할 수도 있다. 한주기 전체의 기준 전류값이 분배 기준값 DLV보다 낮을 때는 그 주기 전체가 한 모듈로만 운전될 수도 있다. 기준 전류값이 크면 클수록 한 주기 내에 두 모듈로 운전되는 기간이 늘어나게 된다.

하나의 모듈만으로 동작하는 구간일지라도 스위칭 주기가 너무 짧아 회로 동작상 문제가 생기거나 손실이 많이 발생할 수 있으므로 그런 구간에서는 경계 모드 스위칭을 포기하고 불연속 모드로 전환하는 방법을 도입할 수도 있다. 이를 위해서 디지털 제어부는 영전류 검출신호 ZCD의 입력을 받은 후 바로 스위칭 소자 턴온 지시 신호 ST를 ‘H'로 설정하지 않고 불연속 모드가 되도록 일정 시간 지연 후 턴온 지시 신호 ST를 ‘H'로 설정할 수 있다. 또한, 경계 모드로 동작할 때와 같은 기준 전류값을 가지고 불연속 모드로 동작하면 출력 전류 평균이 원하는 레벨보다 낮아지므로 불연속 모드로 구동할 때에는 도 9와 같이 스위칭 주기에 맞추어 전류 설정값(IREF1)을 높여줄 필요가 있다.

효율 면에서는 기준 전류값이 낮아질수록 불연속 모드의 스위칭 주파수를 느리게 하는 것이 유리하다. 그러나 한 모듈 운전에서 두 모듈 운전으로 상태가 바뀔 때 스위칭 주기가 너무 급격히 변화하는 것은 좋지 않으므로, 부하 전류값 IREF1이 분배 기준값 DLV에 근접하는 경우 디지털 제어부에서 불연속 모드의 스위칭 주기를 조절하여 모드 변환 시에 스위칭 주파수의 급격한 변화가 생기는 것을 방지할 수 있다. 이 경우 스위칭 주기 변경과 함께 기준 전류값을 함께 조절해주어야 출력 전류의 왜곡을 방지할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 전류 분배 원리는 2개의 병렬 구성뿐만 아니라 그 이상의 병렬 모듈을 가지고 경계 모드로 운전되는 그리드 연계용 컨버터에도 적용 가능하다.

T1, T2: 변압기
Q1, Q2: 스위칭 소자
D1, D2: 다이오드
ZCD1, ZCD2: 영전류검출신호
GD1, GD2: 게이트 구동신호
CL1, CL2: 게이트 구동신호의 디지털 제어부로의 피드백 신호
ST1, ST2: 턴온신호
IREF1, IREF2: 플라이백 컨버터의 기준 전류값
CS1, CS2: 플라이백 컨버터의 실제 전류 측정값
DLV: 1개 모듈로만 동작할지 2개 모듈을 사용할지 결정하는 분배 기준값

Claims

직류 전원을 승압시켜 전력 계통망인 그리드에 연계하기 위하여, 병렬 연결된 복수의 플라이백 컨버터를 경계 모드(critical conduction mode)에서 구동하기 위한 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법으로서,
플라이백 컨버터의 스위칭 주파수의 범위를 고려하여 분배 기준값(DLV)를 설정하는 단계;
부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 작은 경우에는 불필요한 스위칭으로 인한 손실의 상승을 억제하기 위해 하나의 플라이백 컨버터 모듈만 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 공급하는 단계;
상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 큰 경우에는 두 개 이상의 플라이백 컨버터 모듈을 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 함께 공급하는 단계; 및
상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 다시 작아지는 경우에는 스위칭 손실의 상승을 억제하기 위해 하나의 플라이백 컨버터 모듈만 경계 모드로 동작시켜 부하 전류를 공급하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 작은 값을 가지는 소정의 기준값보다 작은 경우에는 경계 모드(critical conduction mode)에서 동작하지 않고 불연속 모드(discontinuous mode)로 동작하는 것을 특징으로 하는 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법.
제2항에 있어서,
하나의 플라이백 컨버터 모듈만 동작하다가 2개 이상의 플라이백 컨버터 모듈 동작으로 전환되는 경우 혹은 그 반대로 전환되는 경우, 전환에 따른 급격한 스위칭 주파수의 변동을 방지하기 위해 상기 불연속 모드의 스위칭 주기를 조절하는 것을 특징으로 하는 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 불연속 모드에서 동작 시에 부하 전류의 왜곡을 방지하기 위해 상기 플라이백 컨버터의 기준 전류값을 상기 경계 모드에서의 기준 전류값보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 복수의 플라이백 컨버터는 서로 일정한 위상차를 가지고 스위칭 소자가 온/오프되는 인터리빙(interleaving) 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 부하 전류값이 상기 분배 기준값(DLV)보다 커서 복수의 플라이백 컨버터가 함께 부하 전류를 공급하는 경우, 상기 복수의 플라이백 컨버터는 부하 전류를 균등하게 공급하는 것을 특징으로 하는 그리드 연계형 병렬 연결 플라이백 컨버터의 제어 방법.