KR20140018489A - Apparatus and method for estimating current of inductor in single dc/dc buck converter - Google Patents

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김장목
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박창환
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Abstract

The present invention relates to a device and a method for estimating an inductor current of a single phase DC/DC buck converter. The device for estimating an inductor current of a single phase DC/DC buck converter according to an aspect of the present invention comprises a single phase DC/DC buck converter being modeled to include a switch which has one end connected to input power and turns on/off according to pulse width modulation signals, a diode which has one end connected to the other end of the switch and the other end grounded, an inductor which has one end connected to the other end of the switch, a capacitor which has one end electrically connected to the other end of the inductor and the other end grounded, and load resistance connected to the capacitor in parallel; a voltage sensor unit for measuring an output voltage of the load resistance; a voltage sampling unit for setting a sampling section with a predetermined time range based on the pulse width modulation signal and acquiring a size of the output voltage of the load resistance regarding the sampling section; and an inductor current estimation unit for calculating an estimation value of a current flowing in the capacitor by multiplying capacitance of the capacitor with a size change of the output voltage of the load resistance calculated based on the size of the output voltage of the load resistance acquired in the voltage sampling unit regarding the predetermined time range, calculating an estimation value of a current flowing in the load resistance by dividing the size of the output voltage of the load resistance by a resistance value of the load resistance, and calculating an estimation value of a current flowing in the inductor by summing up the estimation value of the current flowing in the capacitor and the estimation value of the current flowing in the load resistance. [Reference numerals] (300) Voltage sampling unit; (400) Inductor current estimation unit; (AA) Pulse width modulation signal

Description

단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING CURRENT OF INDUCTOR IN SINGLE DC/DC BUCK CONVERTER}Apparatus and Method for Inductor Current Estimation of Single-Phase DC / DC Buck Converters {APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING CURRENT OF INDUCTOR IN SINGLE DC / DC BUCK CONVERTER}

본 발명은 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 단상 디씨/디씨 벅 컨버터에 있어서 인덕터 전류를 직접적으로 측정하는 센서 없이도 인덕터 전류를 추정할 수 있는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating inductor current of a single-phase DC / DC buck converter. More particularly, the present invention relates to a single-phase DC / DC buck converter in which the inductor current can be estimated without a sensor for directly measuring the inductor current. An apparatus and method for estimating inductor current of a DC / DC buck converter are disclosed.

단상 디씨/디씨 벅 컨버터(Single DC/DC Buck Converter)는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 전력 변환기이다. 단상 디씨/디씨 벅 컨버터는 입력 전압에 대한 출력 전압의 비에 해당하는 듀티(Duty) 값에 따라 입력전압에 대한 출력전압의 크기를 제어하게 된다. 단상 디씨/디씨 벅 컨버터는 듀티값이 0 부터 1 사이의 값을 가지며 출력전압이 입력전압보다 작은 강압형 컨버터이다.Single DC / DC Buck Converter (Single DC / DC Buck Converter) is a power converter that converts arbitrary DC power into DC power of the type required by the load. The single-phase DC / DC buck converter controls the magnitude of the output voltage to the input voltage according to the duty value corresponding to the ratio of the output voltage to the input voltage. Single-phase DC / DC buck converters are step-down converters whose duty value is between 0 and 1 and whose output voltage is less than the input voltage.

도 6은 전술한 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 회로도를 나타낸다. 이러한, 단상 디씨/디씨 벅 컨버터를 제어하기 위해서는 제어의 기준이 되는 레퍼런스 전류와 입력전압, 출력전압 그리고 인덕터 전류에 대한 정보가 필수적이다. 그러므로 입력전압을 측정하기 위한 전압센서, 인덕터 전류를 측정하기 위한 전류센서 그리고 출력전압을 측정하기 위한 전압센서 총 3개의 센서가 요구된다.6 shows a circuit diagram of the above-described single phase DC / DC buck converter. In order to control the single-phase DC / DC buck converter, information on the reference current, input voltage, output voltage, and inductor current, which are the basis of control, are essential. Therefore, three sensors, a voltage sensor for measuring input voltage, a current sensor for measuring inductor current, and a voltage sensor for measuring output voltage are required.

특히, 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 전류 제어를 위해서는 인덕터에 흐르는 전류정보를 알아야 하고, 이 전류정보는 인덕터 측에 설치한 전류센서로부터 획득한다. In particular, to control the current of the single-phase DC / DC buck converter, the current information flowing through the inductor must be known, and the current information is obtained from the current sensor installed on the inductor side.

하지만, 종래기술에 따르면, 인덕터 전류를 측정하기 위한 전류 센서가 없거나 센서가 오동작하는 경우 컨버터의 정상적인 제어가 불가능해진다는 문제가 있었다.However, according to the related art, there is a problem that normal control of the converter becomes impossible when there is no current sensor for measuring the inductor current or the sensor malfunctions.

본 발명의 목적은, 인덕터 전류를 측정하기 위한 전류 센서 없이도 인덕터 전류의 추정이 가능하도록 하는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating inductor current of a single-phase DC / DC buck converter to enable the estimation of the inductor current without a current sensor for measuring the inductor current.

즉, 본 발명의 목적은 단상 디씨/디씨 벅 컨버터에 있어서, 인덕터 전류 측 센서의 동작이 정확하지 못하거나, 고장으로 인해 전압 정보를 정확히 파악할 수 없을 경우에 대비하여 센서를 사용하지 않고도 인덕터 전류를 알아낼 수 있는 방안을 제시하는데 있다. 또한, 센서의 수 증가는 가격의 증가뿐만 아니라 추가적인 회로 구현이 요구되므로 센서의 수를 감소시키기 위한 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.In other words, an object of the present invention is to provide an inductor current without using a sensor in case of inaccurate operation of the sensor of the inductor current side in case of single-phase DC / DC buck converter or inaccurate voltage information due to a failure. To suggest a way to find out. In addition, since the increase in the number of sensors requires not only an increase in price but also an additional circuit implementation, the present invention provides an apparatus and method for estimating inductor current of a single phase DC / DC buck converter to reduce the number of sensors.

본 발명의 다른 목적은, 펄스폭 변조(PULSE WIDTH MODULATION, PWM)의 듀티(Duty)를 고려하여 인덕터 전류의 폴링(Falling) 구간 중 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 샘플링 구간 동안 샘플링한 출력 전압값에 기초하여 인덕터 전류를 추정하는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention, in consideration of the duty (PULSE WIDTH MODULATION, PWM) of the duty (duty) to set the sampling period of the preset time range of the falling in the inductor current falling (Falling) period, sampling during the sampling period An apparatus and method for estimating inductor current of a single phase DC / DC buck converter for estimating inductor current based on an output voltage value are provided.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치는 입력 전원과 일단이 연결되며 펄스폭 변조 신호에 따라 온 및 오프되는 스위치와, 일단이 스위치의 타단에 연결되며 타단은 접지되는 다이오드와, 일단이 스위치의 타단에 연결되는 인덕터와, 일단이 인덕터의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지되는 커패시터와, 커패시터와 병렬로 접속되는 부하 저항으로 모델링되어 이루어지는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터와, 부하 저항의 출력 전압을 측정하는 전압 센서부와, 펄스폭 변조 신호에 기초하여 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 샘플링 구간에 있어서 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 전압 샘플링부와, 기설정된 시간 범위에 있어서 부하 저항의 출력 전압의 크기 변동분과 커패시터의 커패시턴스를 곱하여 커패시터에 흐르는 전류의 추정값을 계산하고, 부하 저항의 출력 전압의 크기를 부하 저항의 저항값으로 나누어 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 계산하며, 커패시터에 흐르는 전류의 추정값과 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 합하여 인덕터에 흐르는 전류의 추정값을 산출하는 인덕터 전류 추정부를 포함한다.In order to achieve the above object, an inductor current estimation device of a single-phase DC / DC buck converter according to an aspect of the present invention is a switch that is connected to the input power supply and one end is turned on and off according to the pulse width modulation signal, and one end of the switch It is modeled as a diode connected to the other end and grounded at the other end, an inductor connected at one end to the other end of the switch, a capacitor connected at the other end of the inductor to the other end and grounded at the other end, and a load resistor connected in parallel with the capacitor. A single-phase DC / DC buck converter, a voltage sensor unit for measuring the output voltage of the load resistor, and a sampling period of a predetermined time range are set based on the pulse width modulation signal. A voltage sampling section for acquiring the magnitude, and a magnitude change in the output voltage of the load resistor in a predetermined time range Calculate the estimated value of the current flowing through the capacitor by multiplying the capacitance by the minute and the capacitance of the capacitor, and calculating the estimated value of the current flowing through the load resistor by dividing the magnitude of the output voltage of the load resistor by the resistance value of the load resistor. And an inductor current estimator that adds an estimated value of the current flowing through the resistor to calculate an estimated value of the current flowing through the inductor.

본 발명의 다른 면에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 방법은 입력 전원과 일단이 연결되며 펄스폭 변조 신호에 따라 온 및 오프되는 스위치와, 일단이 스위치의 타단에 연결되며 타단은 접지되는 다이오드와, 일단이 스위치의 타단에 연결되는 인덕터와, 일단이 인덕터의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지되는 커패시터와, 커패시터와 병렬로 접속되는 부하 저항으로 모델링되어 이루어지는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 부하 저항의 출력 전압을 전압 센서를 통해 측정하는 단계와, 펄스폭 변조 신호에 기초하여 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 샘플링 구간에 있어서 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 단계와, 기설정된 시간 범위에 있어서 부하 저항의 출력 전압의 크기 변동분과 커패시터의 커패시턴스를 곱하여 커패시터에 흐르는 전류의 추정값을 계산하고, 부하 저항의 출력 전압의 크기를 부하 저항의 저항값으로 나누어 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 계산하며, 커패시터에 흐르는 전류의 추정값과 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 합하여 인덕터에 흐르는 전류의 추정값을 산출하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of estimating inductor current of a single-phase DC / DC buck converter includes a switch connected to an input power supply and connected on and off according to a pulse width modulated signal, and connected to the other end of the switch and the other end to ground. A single-phase DC / DC buck converter modeled by a diode, an inductor connected to the other end of the switch, a capacitor connected to the other end of the inductor and grounded at the other end, and a load resistor connected in parallel with the capacitor. Measuring the output voltage of the load resistance through the voltage sensor, setting a sampling interval of a predetermined time range based on the pulse width modulated signal, and acquiring the magnitude of the output voltage of the load resistance in the sampling interval; , The variation of the magnitude of the output voltage of the load resistor and the capacitance of the capacitor over a preset time range Calculate the estimated value of the current flowing through the capacitor by multiplying it, divide the magnitude of the output voltage of the load resistor by the resistance value of the load resistor, and calculate the estimated value of the current flowing through the load resistor. Calculating an estimated value of the current flowing through the inductor by adding the estimated values of.

본 발명에 따르면, 단상 디씨/디씨 벅 컨버터에 있어서, 인덕터 전류를 측정하기 위한 전류 센서 없이도 인덕터 전류의 추정이 가능하다는 장점이 있다.According to the present invention, in the single-phase DC / DC buck converter, there is an advantage that the inductor current can be estimated without a current sensor for measuring the inductor current.

따라서, 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 동작을 위한 회로를 구현하는데 있어서, 필요한 소자수를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 종래 회로 대비 전력 소모가 감소될 수 있다.Therefore, in implementing a circuit for the operation of the single-phase DC / DC buck converter, it is possible to reduce the number of elements required, thereby reducing the power consumption compared to the conventional circuit.

또한, 본 발명에 따르면, 인덕터 전류의 측정을 위한 전류 센서를 포함하는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터에 적용되는 경우에 있어서 전류 센서에 고장이 발생되는 경우에도 본 발명의 실시예들에 따라 정상적으로 컨버터를 동작시킬 수 있다는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, when applied to a single-phase DC / DC buck converter including a current sensor for measuring the inductor current, even if a failure occurs in the current sensor according to the embodiments of the present invention normally It has the advantage of being able to operate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치에 있어서, 인덕터 전류 추정부를 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 방법을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 있어서, 인덕터에 흐르는 전류값과 펄스폭 변조 신호를 나타내는 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 의해 추정된 인덕터 전류의 추정값과 종래기술에 따라 인덕터 전류를 측정하는 전류 센서에 의해 측정된 값을 비교한 그래프.
도 6은 종래 기술에 따른 인덕터 전류를 측정하기 위한 전류 센서를 포함하는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터를 설명하기 위한 도면.
1 is a view for explaining an inductor current estimation device of a single-phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram illustrating an inductor current estimating unit in the inductor current estimating apparatus of a single phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of estimating inductor current of a single phase DC / DC buck converter according to another embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram illustrating a current value and a pulse width modulated signal flowing through an inductor in the apparatus and method for estimating inductor current of a single-phase DC / DC buck converter according to embodiments of the present invention.
5 is an estimate of inductor current estimated by an inductor current estimation apparatus and method of a single-phase DC / DC buck converter according to embodiments of the present invention, and a value measured by a current sensor measuring inductor current according to the prior art. Graph compared.
FIG. 6 illustrates a single phase DC / DC buck converter including a current sensor for measuring inductor current according to the prior art. FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various different forms, and these embodiments are not intended to be exhaustive or to limit the scope of the present invention to the precise form disclosed, It is provided to inform the person completely of the scope of the invention. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

단상 DC/DC Buck 컨버터가 매우 이상적일 경우 출력전압이 일정하고, 커패시터(C)의 용량이 매우 크다면 커패시터 전압은 일정전압으로 가정할 수 있고, 따라서, 커패시터 전류(iC)는 0이 되고, 부하에 흐르는 전류는 iR=iL로 표현 할 수 있다. 하지만 실제의 회로에서의 출력전압은 일정하지 않고, 리플성분을 포함한다. 출력전압에 리플성분이 포함될 경우 커패시터의 전류(iC)는 0이 아니고 iC=iL-iR로 표현되고, 출력전압의 리플성분 값이 작아 출력전압의 변동이 매우 미미하다고 가정 한다면, 커패시터 전류 iC는 iC=iL-iR=iL-VC/R=iL-IL로 표현 할 수 있다.If the single-phase DC / DC Buck converter is very ideal, the output voltage is constant, and if the capacitor C is very large, the capacitor voltage can be assumed to be a constant voltage, thus the capacitor current i C is zero. , The current flowing through the load can be expressed as i R = i L. However, the actual output voltage in the circuit is not constant and includes a ripple component. If the output voltage includes a ripple component, the current (i C ) of the capacitor is represented by i C = i L -i R instead of 0, and it is assumed that the variation of the output voltage is very small because the ripple component value of the output voltage is small. The capacitor current i C can be expressed as i C = i L -i R = i L -V C / R = i L -I L.

출력전압에 리플성분이 존재하고 이 리플성분의 값이 미미하여 출력전압의 변동이 매우 작을 경우, 위의 식으로부터 인덕터 전류는 교류 성분과 직류 성분으로 나눌 수 있고, 이때 교류 성분은 커패시터의 전류, 직류 성분은 부하 저항(R)의 전류, 즉 출력 측 전류를 나타냄을 알 수가 있다.If there is a ripple component in the output voltage and the value of the ripple component is so small that the variation of the output voltage is very small, the inductor current can be divided into an AC component and a DC component from the above equation, where the AC component is a capacitor current or a direct current. It can be seen that the component represents the current of the load resistance R, that is, the output side current.

인덕터에 흐르는 전류를 전류 센서를 사용하지 않고 알아내기 위해서는 커패시터에 흐르는 전류(iC)와 부하 저항에 흐르는 전류(iR)의 값을 알아야 한다.To determine the current flowing through the inductor without using a current sensor, it is necessary to know the value of the current flowing through the capacitor (i C ) and the current flowing through the load resistor (i R ).

본 발명의 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에서는 커패시터에 흐르는 전류(iC)와 부하 저항에 흐르는 전류(iR)의 값을 계산하기 위하여, 펄스폭 변조(PULSE WIDTH MODULATION, PWM)의 듀티(Duty)를 고려하여 인덕터 전류의 폴링(Falling) 구간 중 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 샘플링 구간 동안 부하 저항 측의 출력 전압을 샘플링한 결과에 따른 출력 전압값에 기초하여 인덕터 전류를 추정한다.
In the apparatus and method for estimating inductor current of a single phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention, in order to calculate the value of the current i C flowing in the capacitor and the current i R flowing in the load resistance, In consideration of the duty of PULSE WIDTH MODULATION (PWM), the sampling period of the preset time range is set among the falling period of the inductor current, and the output according to the result of sampling the output voltage of the load resistance side during the sampling period. The inductor current is estimated based on the voltage value.

도 1 및 도 4를 참조하여 전술한 바에 기초한 본 발명의 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치에 있어서, 인덕터 전류 추정부를 나타내는 블록도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 방법을 나타내는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 있어서, 인덕터에 흐르는 전류값과 펄스폭 변조 신호를 나타내는 예시도이다.
An inductor current estimation apparatus and method for a single phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 4. 1 is a view illustrating an inductor current estimation apparatus of a single phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an inductor current estimation of a single phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention. In the apparatus, it is a block diagram showing an inductor current estimation unit, Figure 3 is a flow chart showing a method of estimating inductor current of a single-phase DC / DC buck converter according to another embodiment of the present invention, Figure 4 is an embodiment of the present invention In the inductor current estimation device and method of the single-phase DC / DC buck converter according to the present invention, it is an exemplary view showing a current value and a pulse width modulated signal flowing through the inductor.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치(10)는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터(100)와, 전압 센서부(200)와, 전압 샘플링부(300)와, 인덕터 전류 추정부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an inductor current estimating apparatus 10 of a single phase DC / DC buck converter according to an exemplary embodiment of the present invention may include a single phase DC / DC buck converter 100, a voltage sensor unit 200, and voltage sampling. The unit 300 includes an inductor current estimator 400.

단상 디씨/디씨 벅 컨버터(100)는 입력 전원(E)과 일단이 연결되며 펄스폭 변조 신호에 따라 온 및 오프되는 스위치(S)와, 일단이 스위치(S)의 타단에 연결되며 타단은 접지되는 다이오드(D)와, 일단이 스위치(S)의 타단에 연결되는 인덕터(L)와, 일단이 인덕터(L)의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지되는 커패시터(C)와, 커패시터(C)와 병렬로 접속되는 부하 저항(R)으로 모델링되어 이루어진다.Single phase DC / DC buck converter 100 is connected to the input power source (E) and the switch (S) is turned on and off according to the pulse width modulation signal, one end is connected to the other end of the switch (S) and the other end is grounded The diode D, the inductor L having one end connected to the other end of the switch S, the capacitor C having one end electrically connected to the other end of the inductor L and the other end being grounded, and the capacitor C Modeled as a load resistance (R) connected in parallel with

전압 센서부(200)는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터(100)의 부하 저항(R)와 병렬 접속되어 부하 저항(R)에서 출력되는 출력 전압을 측정한다.The voltage sensor unit 200 is connected in parallel with the load resistor R of the single phase DC / DC buck converter 100 to measure an output voltage output from the load resistor R.

전압 샘플링부(300)는 펄스폭 변조 신호에 기초하여 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 샘플링 구간에 있어서 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득한다. The voltage sampling unit 300 sets a sampling period of a predetermined time range based on the pulse width modulation signal, and acquires the magnitude of the output voltage of the load resistor in the sampling period.

한편, 전압 샘플링부(300)는 펄스폭 변조 신호의 하강 엣지를 시작점으로하고 펄스폭 변조 신호의 상승 엣지를 종료점으로 하며 펄스폭 변조 신호의 크기가 기설정된 값 이하인 경우를 인덕터에 흐르는 전류의 폴링 구간으로 설정하고, 폴링 구간 중에서 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 샘플링 구간 동안 전압 센서부(200)로부터 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 것일 수 있다.On the other hand, the voltage sampling unit 300 is a falling edge of the pulse width modulated signal as the starting point, the rising edge of the pulse width modulated signal as the end point and polling of the current flowing through the inductor when the magnitude of the pulse width modulated signal is less than or equal to a predetermined value. It may be set to a section, a sampling section of a predetermined time range among the polling section, and to obtain the magnitude of the output voltage of the load resistance from the voltage sensor unit 200 during the sampling section.

예를 들어, 도 4와 같이 인덕터 전류와 펄스폭 변조 신호(PWM)가 출력되는 경우에 있어서, 펄스폭 변조 신호가 온이되면, 인덕터 전류은 상승(라이징 구간)하고 펄스폭 변조 신호가 오프가 되면, 인덕터 전류는 하강(폴링 구간)하는 것을 알 수 있다. 이 때, 전압 샘플링부(300)는 펄스폭 변조 신호의 크기가 기설정된 값 이하인 경우(예를 들어서, 0V), 즉, 오프가 되는 구간을 인덕터에 흐르는 전류의 폴링 구간으로 설정하고, 폴링 구간 중에서 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간(t)을 설정하며, 샘플링 구간(t) 동안 전압 센서부(200)로부터 부하 저항의 출력 전압(Vout)의 크기를 획득한다.For example, when the inductor current and the pulse width modulated signal PWM are output as shown in FIG. 4, when the pulse width modulated signal is turned on, the inductor current rises (rising period) and the pulse width modulated signal is turned off. , It can be seen that the inductor current falls (polling interval). In this case, when the magnitude of the pulse width modulation signal is equal to or less than a predetermined value (for example, 0 V), the voltage sampling unit 300 sets the off period as a polling period of current flowing through the inductor, and the polling period. The sampling period t of a preset time range is set, and the magnitude of the output voltage Vout of the load resistance is obtained from the voltage sensor unit 200 during the sampling period t.

샘플링 구간(t)에 있어서 출력 전압(Vout)의 샘플링은 스위치 On/Off 시간을 제어하는 펄스폭 변조 신호의 각 주기 지점마다 이루어 진다. 만약, 펄스폭 변조 신호에 의한 제어 주기가 100us일 경우, 도 4와 같이 펄스폭 변조 신호를 제어주기의 절반 지점에 대칭이 되게 인가 해준다면, 펄스폭 변조 신호의 한 주기시작 지점이 인덕터 전류 폴링 구간 직선의 중간지점이 된다. 따라서, 전압 샘플링부(300)는 펄스폭 변조 신호의 주기 시작지점에서 기설정된 시간 범위에 해당하는 샘플링 구간(t)의 출력 전압(Vout)을 샘플링하게 된다,In the sampling period t, sampling of the output voltage Vout is performed at each cycle point of the pulse width modulated signal for controlling the switch on / off time. If the control period of the pulse width modulated signal is 100us, if the pulse width modulated signal is symmetrically applied to half of the control period as shown in FIG. 4, one cycle start point of the pulse width modulated signal is the inductor current polling. It is the middle point of the section line. Therefore, the voltage sampling unit 300 samples the output voltage Vout of the sampling period t corresponding to the preset time range at the start point of the period of the pulse width modulation signal.

아래의 도 4와 같이 제어 주기의 절반값을 기준으로 대칭하여 펄스폭 변조 신호가 존재한다면, 제어 주기가 변하여 150us, 200us가 되어도 인덕터 전류의 폴링 구간의 중간점을 기준으로 기설정된 시간 범위에 해당하는 샘플링 구간(t)의 출력 전압(Vout)을 샘플링할 수 있다. If there is a pulse width modulation signal symmetrically based on the half value of the control period as shown in FIG. 4 below, even if the control period is changed to 150us and 200us, it corresponds to a preset time range based on the midpoint of the polling period of the inductor current. The output voltage Vout of the sampling period t may be sampled.

인덕터 전류 추정부(400)는 기설정된 시간 범위에 있어서 전압 샘플링부(300)에서 획득된 부하 저항의 출력 전압의 크기에 기초하여 계산되는 부하 저항(R)의 출력 전압의 크기 변동분(dVout/dt)과 커패시터의 커패시턴스를 곱하여 커패시터에 흐르는 전류의 추정값(IC)을 계산하고, 부하 저항(R)의 출력 전압(Vout)의 크기를 부하 저항의 저항값으로 나누어 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값(IR)을 계산하며, 커패시터에 흐르는 전류의 추정값과 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 합하여 인덕터에 흐르는 전류의 추정값(IL)을 산출한다.The inductor current estimator 400 changes the magnitude of the output voltage of the load resistor R calculated based on the magnitude of the output voltage of the load resistor acquired by the voltage sampling unit 300 in the preset time range (dVout / dt). ) Is calculated by multiplying the capacitance of the capacitor and calculating the estimated value (I C ) of the current flowing through the capacitor, and dividing the magnitude of the output voltage (Vout) of the load resistor (R) by the resistance value of the load resistance ( I R ) is calculated and the estimated value I L of the current flowing through the inductor is calculated by adding the estimated value of the current flowing through the capacitor and the estimated value of the current flowing through the load resistance.

즉, 인덕터 전류 추정부(400)는 하기의 수학식 1에 따라 인덕터에 흐르는 전류의 추정값(IL)을 산출할 수 있다.That is, the inductor current estimator 400 may calculate an estimated value I L of the current flowing through the inductor according to Equation 1 below.

(수학식 1)(1)

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, IL은 인덕터에 흐르는 전류의 추정값이고, R은 부하 저항의 저항값이며, C는 커패시터의 커패시턴스이고, t는 샘플링 구간에 대응되는 시간을 의미한다.Here, I L is an estimated value of the current flowing through the inductor, R is a resistance value of the load resistance, C is a capacitance of the capacitor, and t is a time corresponding to the sampling period.

한편, 인덕터 전류 추정부(400)는 도 3에 도시된 블록도와 같이 하나의 미분기, 2개의 곱셈기, 하나의 덧셈기의 조합으로 구성될 수 있다.
Meanwhile, the inductor current estimator 400 may be configured by a combination of one differentiator, two multipliers, and one adder as shown in the block diagram of FIG. 3.

이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치(10)에 의해 수행되는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 방법을 설명한다.Hereinafter, an inductor current estimating method of a single phase DC / DC buck converter performed by the inductor current estimating apparatus 10 of the single phase DC / DC buck converter according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 입력 전원과 일단이 연결되며 펄스폭 변조 신호에 따라 온 및 오프되는 스위치와, 일단이 스위치의 타단에 연결되며 타단은 접지되는 다이오드와, 일단이 스위치의 타단에 연결되는 인덕터와, 일단이 인덕터의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지되는 커패시터와, 커패시터와 병렬로 접속되는 부하 저항으로 모델링되어 이루어지는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 부하 저항의 출력 전압을 전압 센서를 통해 측정한다(S101).First, a switch connected to an input power source and switched on and off according to a pulse width modulation signal, a diode connected to the other end of the switch and grounded on the other end, an inductor connected to the other end of the switch, and The output voltage of the load resistance of the single-phase DC / DC buck converter, which is modeled as a capacitor electrically connected to the other end of the inductor and grounded at the other end and connected in parallel with the capacitor, is measured through a voltage sensor (S101).

이후, 펄스폭 변조 신호에 기초하여 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정한다(S103). 구체적으로, 펄스폭 변조 신호의 하강 엣지를 시작점으로하고 펄스폭 변조 신호의 상승 엣지를 종료점으로 하며 펄스폭 변조 신호의 크기가 기설정된 값 이하인 경우를 인덕터에 흐르는 전류의 폴링 구간으로 설정하고, 폴링 구간 중에서 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정한다(S103).Thereafter, a sampling period of a predetermined time range is set based on the pulse width modulation signal (S103). Specifically, the falling edge of the pulse width modulated signal as a starting point, the rising edge of the pulse width modulated signal as an end point, and the case where the magnitude of the pulse width modulated signal is less than or equal to a predetermined value is set as a polling period of current flowing through the inductor, and polling. A sampling section of a predetermined time range is set among the sections (S103).

이후, 설정된 샘플링 구간 동안 전압 센서부를 통해 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득한다(S105).Thereafter, the magnitude of the output voltage of the load resistor is obtained through the voltage sensor unit during the set sampling period (S105).

이후, 기설정된 시간 범위에 있어서 부하 저항의 출력 전압의 크기 변동분과 커패시터의 커패시턴스를 곱하여 커패시터에 흐르는 전류의 추정값을 계산하고, 부하 저항의 출력 전압의 크기를 부하 저항의 저항값으로 나누어 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 계산하며, 커패시터에 흐르는 전류의 추정값과 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 합하여 인덕터에 흐르는 전류의 추정값을 산출한다(S107).
Then, the estimated value of the current flowing through the capacitor is calculated by multiplying the magnitude change of the output voltage of the load resistor by the capacitance of the capacitor over a preset time range, and dividing the magnitude of the output voltage of the load resistor by the resistance value of the load resistor. The estimated value of the flowing current is calculated, and the estimated value of the current flowing through the inductor is calculated by adding the estimated value of the current flowing through the capacitor and the estimated value of the current flowing through the load resistance (S107).

전술한 바에 따른 본 발명의 실시예들에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 의하면, 도 5와 같이 종래 기술에 따른 전류 센서에 의해 측정된 값(501)과 극히 유사한 인덕터 전류의 추정값(503)을 산출할 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법에 의해 추정된 인덕터 전류의 추정값(503)과 종래기술에 따라 인덕터 전류를 측정하는 전류 센서에 의해 측정된 값(501)을 비교한 그래프이며, 가로축은 시간이고, 세로축은 전류의 크기를 나타낸다.According to the apparatus and method for estimating inductor current of a single-phase DC / DC buck converter according to the embodiments of the present invention as described above, the inductor is very similar to the value 501 measured by the current sensor according to the prior art as shown in FIG. 5. The estimated value 503 of the current can be calculated. 5 is measured by an estimated value 503 of the inductor current estimated by the apparatus and method for inductor current estimation of a single phase DC / DC buck converter according to embodiments of the present invention, and by a current sensor that measures the inductor current according to the prior art. The plotted values 501 are graphs, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing magnitude of current.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치 및 방법은 단상 디씨/디씨 벅 컨버터에 있어서, 출력 측에 전압센서를 사용하지 않더라도 컨버터의 제어가 가능할 수 있으며, 전압센서를 사용하지 않아 추가적 회로가 불필요하고 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
In addition, the apparatus and method for estimating inductor current of a single phase DC / DC buck converter according to embodiments of the present invention may control a converter without using a voltage sensor at an output side in a single phase DC / DC buck converter. The use of a voltage sensor eliminates the need for additional circuitry and reduces costs.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (4)

입력 전원과 일단이 연결되며 펄스폭 변조 신호에 따라 온 및 오프되는 스위치와, 일단이 상기 스위치의 타단에 연결되며 타단은 접지되는 다이오드와, 일단이 상기 스위치의 타단에 연결되는 인덕터와, 일단이 상기 인덕터의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지되는 커패시터와, 상기 커패시터와 병렬로 접속되는 부하 저항으로 모델링되어 이루어지는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터;
상기 부하 저항의 출력 전압을 측정하는 전압 센서부;
상기 펄스폭 변조 신호에 기초하여 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 상기 샘플링 구간에 있어서 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 전압 샘플링부; 및
상기 기설정된 시간 범위에 있어서 상기 전압 샘플링부에서 획득된 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기에 기초하여 계산되는 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기 변동분과 상기 커패시터의 커패시턴스를 곱하여 상기 커패시터에 흐르는 전류의 추정값을 계산하고, 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기를 상기 부하 저항의 저항값으로 나누어 상기 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 계산하며, 상기 커패시터에 흐르는 전류의 추정값과 상기 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 합하여 상기 인덕터에 흐르는 전류의 추정값을 산출하는 인덕터 전류 추정부;
를 포함하는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치.
A switch connected at one end to an input power source and turned on and off according to a pulse width modulation signal, a diode connected at one end to the other end of the switch and grounded at another end, an inductor connected at one end to the other end of the switch, and A single phase DC / DC buck converter modeled by a capacitor electrically connected to the other end of the inductor and grounded at the other end thereof, and a load resistor connected in parallel with the capacitor;
A voltage sensor unit measuring an output voltage of the load resistor;
A voltage sampling unit configured to set a sampling period of a predetermined time range based on the pulse width modulation signal, and obtain a magnitude of an output voltage of the load resistor in the sampling period; And
The estimated value of the current flowing in the capacitor by multiplying the magnitude change of the output voltage of the load resistor and the capacitance of the capacitor calculated on the basis of the magnitude of the output voltage of the load resistor acquired by the voltage sampling unit in the preset time range. Calculate an estimated value of the current flowing through the load resistor by dividing the magnitude of the output voltage of the load resistor by the resistance value of the load resistor, and calculating an estimated value of the current flowing through the capacitor and an estimated value of the current flowing through the load resistor. An inductor current estimator that adds and calculates an estimated value of the current flowing through the inductor;
Inductor current estimation device of a single-phase DC / DC buck converter comprising a.
제 1 항에 있어서, 상기 전압 샘플링부는,
상기 펄스폭 변조 신호의 하강 엣지를 시작점으로하고 상기 펄스폭 변조 신호의 상승 엣지를 종료점으로 하며 상기 펄스폭 변조 신호의 크기가 기설정된 값 이하인 경우를 상기 인덕터에 흐르는 전류의 폴링 구간으로 설정하고, 상기 폴링 구간 중에서 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 상기 샘플링 구간 동안 상기 전압 센서부로부터 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 것
인 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 장치.
The method of claim 1, wherein the voltage sampling unit,
Setting a falling edge of the pulse width modulated signal as a starting point, a rising edge of the pulse width modulated signal as an end point, and a case where the magnitude of the pulse width modulated signal is equal to or less than a predetermined value as a polling period of current flowing through the inductor, Setting a sampling period of a preset time range among the polling periods, and acquiring the magnitude of an output voltage of the load resistance from the voltage sensor unit during the sampling period;
Inductor current estimation device for single phase DC / DC buck converters.
입력 전원과 일단이 연결되며 펄스폭 변조 신호에 따라 온 및 오프되는 스위치와, 일단이 상기 스위치의 타단에 연결되며 타단은 접지되는 다이오드와, 일단이 상기 스위치의 타단에 연결되는 인덕터와, 일단이 상기 인덕터의 타단과 전기적으로 연결되며 타단이 접지되는 커패시터와, 상기 커패시터와 병렬로 접속되는 부하 저항으로 모델링되어 이루어지는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 상기 부하 저항의 출력 전압을 전압 센서를 통해 측정하는 단계;
상기 펄스폭 변조 신호에 기초하여 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 상기 샘플링 구간에 있어서 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 단계; 및
상기 기설정된 시간 범위에 있어서 상기 전압 샘플링부에서 획득된 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기에 기초하여 계산되는 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기 변동분과 상기 커패시터의 커패시턴스를 곱하여 상기 커패시터에 흐르는 전류의 추정값을 계산하고, 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기를 상기 부하 저항의 저항값으로 나누어 상기 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 계산하며, 상기 커패시터에 흐르는 전류의 추정값과 상기 부하 저항에 흐르는 전류의 추정값을 합하여 상기 인덕터에 흐르는 전류의 추정값을 산출하는 단계;
를 포함하는 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 방법.
A switch connected at one end to an input power source and turned on and off according to a pulse width modulation signal, a diode connected at one end to the other end of the switch and grounded at another end, an inductor connected at one end to the other end of the switch, and Measuring an output voltage of the load resistance of the single-phase DC / DC buck converter modeled by a capacitor electrically connected to the other end of the inductor and grounded at the other end, and a load resistor connected in parallel with the capacitor through a voltage sensor ;
Setting a sampling interval of a predetermined time range based on the pulse width modulation signal, and obtaining a magnitude of an output voltage of the load resistance in the sampling interval; And
The estimated value of the current flowing in the capacitor by multiplying the magnitude change of the output voltage of the load resistor and the capacitance of the capacitor calculated on the basis of the magnitude of the output voltage of the load resistor acquired by the voltage sampling unit in the preset time range. Calculate an estimated value of the current flowing through the load resistor by dividing the magnitude of the output voltage of the load resistor by the resistance value of the load resistor, and calculating an estimated value of the current flowing through the capacitor and an estimated value of the current flowing through the load resistor. Summing to calculate an estimate of the current flowing through the inductor;
Inductor current estimation method of a single-phase DC / DC buck converter comprising a.
제 3 항에 있어서, 상기 획득하는 단계는,
상기 펄스폭 변조 신호의 하강 엣지를 시작점으로하고 상기 펄스폭 변조 신호의 상승 엣지를 종료점으로 하며 상기 펄스폭 변조 신호의 크기가 기설정된 값 이하인 경우를 상기 인덕터에 흐르는 전류의 폴링 구간으로 설정하고, 상기 폴링 구간 중에서 기설정된 시간 범위의 샘플링 구간을 설정하며, 상기 샘플링 구간 동안 상기 전압 센서부로부터 상기 부하 저항의 출력 전압의 크기를 획득하는 단계인 것
인 단상 디씨/디씨 벅 컨버터의 인덕터 전류 추정 방법.
The method of claim 3, wherein the acquiring
Setting a falling edge of the pulse width modulated signal as a starting point, a rising edge of the pulse width modulated signal as an end point, and a case where the magnitude of the pulse width modulated signal is equal to or less than a predetermined value as a polling period of current flowing through the inductor, Setting a sampling period of a predetermined time range among the polling periods, and obtaining a magnitude of an output voltage of the load resistance from the voltage sensor unit during the sampling period;
Inductor current estimation method for single-phase DC / DC buck converters.
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