KR20140078481A - Dc-dc컨버터의 전류제한 방법 - Google Patents

Dc-dc컨버터의 전류제한 방법 Download PDF

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Abstract

목표전압과 출력전압의 차이를 증폭하여 PWM IC의 레퍼런스 전압을 도출하는 도출단계; 목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하여 보정값을 도출하는 보정단계; 및 보정값을 목표전압에 더하여 목표전압을 수정하는 수정단계;를 포함하는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법이 소개된다.

Description

DC-DC컨버터의 전류제한 방법 {CURRENT LIMITING SYSTEM FOR DC-DC CONVERTER}
본 발명은 하드웨어로 구성된 전류제한 구조를 삭제하고 소프트웨어로 대체하여 동일한 효과를 얻고 전류제한시 제어특성 인자에 대한 자유도를 높일 수 있다는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에 관한 것이다.
종래의 하이브리드 및 전기자동차 등의 고용량 DC-DC 컨버터에 있어서, 냉각 시스템 등의 이상에 의한 과온이 발생하거나 차량의 중부하 조건 이상에서 전력소비가 높은 순시부하 동작에 따른 과전류 발생시 출력전류를 제한하는 로직을 적용하고 있다.
종래 기술의 경우에는, 전류제한을 위해 로직의 초기 동작 조건이 되는 전류나 온도의 정보를 받아 하드웨어로 구성된 제한회로에서 제어를 위한 임의의 전압을 출력하였다. 제한 회로는 과전류 검출회로, 과온 검출 회로 (상승 온도에 따른 전류 제한값 차등 적용) 등 전류제한을 해야 하는 상황에 따라 최종적으로 전압제어기(PWM IC)로 입력되는 전압 레벨을 제어하는 회로로 구성되어 있으며, 전류제한 상황이 동시에 발생하였을 경우에는 제한해야 하는 전류의 최소값으로 제어할 수 있도록 설계되었다.
도 1은 종래의 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 구현하는 시스템의 구성도로서, 전류 제한시 제어에 의한 전류 센싱값과 전류제한 조건(과온/과전류)이 요구하는 전류제한 값을 비교하여 요구하는 "전류 제한치 < 전류 센싱치"의 조건을 만족하는 경우 전류제한 레벨 선정회로에 의한 임의의 전압값이 스위치 온 되어 전압제어기에 반영되고, "전류 제한치= 전류 센싱치" 조건을 만족하는 경우 스위치가 오프되면서 정상적인 제어 (전류제한 모드 오프)를 수행하게 된다.
PWM IC에서는 마이컴에 의한 전압지령 값(Vcmd)와 전류제한 회로의 스위치 턴 온시 입력되는 임의의 전압값을 비교하여 제어를 수행하게 된다. 정상적인 제어조건에서는 스위치 턴 오프시 DC-DC컨버터의 출력단의 전압 센싱값이 인가되어 전압제어를 수행한다. PWM IC의 전압 제어기는 OP-AMP로 구성되어 있으며 피드백 루프의 R과 C값을 선정해줌으로써 PI 제어기를 구성할 수 있다. OP-AMP의 반전과 비반전 단자로 입력된 전?의 차는 PWM IC의 레퍼런스 전압이 되어 캐리어 파형과 비교하여 최종적으로 PWM 출력을 위한 Phase-shift 연산을 하게 된다. 즉, 이 경우에는 전류 제한 제어시 Phase-shift량을 줄여 출력전압을 저하시켜 전류를 제한하는 간접제어 방식을 사용하는 것이다.
그러나 종래의 경우 전류제한 기능 구현을 위해서는 전력변환을 위한 DC-DC 컨버터 내 FET의 게이팅 신호를 주는 PWM IC 에 입력신호를 인가하여 제어하는 방법을 사용하였고, 출력제한을 위한 입력신호는 아날로그 회로로 구성되어 있으며, 회로를 구성하는 부품 중 다수의 스위칭 소자 (BJT)는 온도에 따라 동작특성이 상이하여 자동차와 같이 저온 / 과온과 같은 온도환경에 항시 노출되어있는 시스템에 적용하는 경우 전류 제한의 편차가 발생하고 하드웨어로만 구성되어 있어 표준 부품값 사용에 따른 설계 자유도 저하 및 제어특성 인자의 튜닝이 용이하지 않은 단점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2011-0024323 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하드웨어로 구성된 전류제한 구조를 삭제하고 소프트웨어로 대체하여 동일한 효과를 얻고 전류제한시 제어특성 인자에 대한 자유도를 높일 수 있다는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법은, 목표전압과 출력전압의 차이를 증폭하여 PWM IC의 레퍼런스 전압을 도출하는 도출단계; 목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하여 보정값을 도출하는 보정단계; 및 보정값을 목표전압에 더하여 목표전압을 수정하는 수정단계;를 포함한다.
상기 수정단계는 목표전압의 수정시 목표전압의 변동률이 일정크기 이하로 제한되도록 수정할 수 있다.
상기 보정단계는 목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하고 LPF를 거쳐 보정값을 도출할 수 있다.
상기 보정단계는 소프트스타트 구간에서는 LPF를 거치지 않은 보정값을 도출할 수 있다.
상기 보정단계는 소프트스타트가 종료되는 시점부터 LPF를 거친 보정값을 도출할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에 따르면, 하드웨어로 구성된 전류제한 구조를 삭제하고 소프트웨어로 대체하여 동일한 효과를 얻고 전류제한시 제어특성 인자에 대한 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 종래의 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 구현하는 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 구현하는 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법의 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에서 필터링의 효과를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에서 소프트스타트시 필터링을 하지 않을 경우에 관한 효과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 구현하는 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법의 블록도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명은 하드웨어로 구성된 전류제한 구조를 삭제하고 소프트웨어로 대체하여 동일한 효과를 얻고 전류제한시 제어특성 인자에 대한 자유도를 높일 수 있다는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에 관한 것으로서, 이를 위한 본 발명에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법은, 목표전압과 출력전압의 차이를 증폭하여 PWM IC의 레퍼런스 전압을 도출하는 도출단계; 목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하여 보정값을 도출하는 보정단계; 및 보정값을 목표전압에 더하여 목표전압을 수정하는 수정단계;를 포함한다.
본 발명은 전류 제한 제어시 기존 아날로그 회로로 구성된 복잡한 구조를 삭제하고 PWM IC 내 OP-AMP 비반전 단자에 인가되는 마이컴 출력 전압 지령인 목표전압를 이용하여 전류 제한 제어를 하는 방식이다. 이는 하드웨어로 구성된 기능 구조를 삭제하고 소프트웨어로 대체하여 동일한 효과를 얻고 전류 제한시 제어특성 인자에 대한 자유도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
전압제어기를 사용하는 DC-DC 컨버터의 전류 제한 제어는 전압제어기의 입력단의 전압차 즉, 실제 목표전압과 피드백 전압(출력전압)과의 차를 증폭하여 최종적으로 Phase-shift량을 감소시킴으로써 간접적으로 전류를 제한하는 방식이다.
따라서, 커패시턴스가 크므로 응답성이 느린 12V 배터리에 의한 출력전압이 일정하게 보이는 상황에서, 12V 배터리 전압은 전압제어기를 구성하는 OP-AMP 반전단자의 입력이 된다. 비반전 단의 목표전압를 상대적으로 낮추게 되면 제어기의 입장에서는 전압제어 피드백 값이 실제 목표전압보다 높으므로 phase량을 줄이려고 한다.
phase량이 줄어들면, 출력전류가 요구하는 목표전류 제한치만큼 감소하게 되고, 요구하는 목표전류의 제한치 만큼에 도달하면 다시 정상상태의 목표전압을 쫓아간다. 정상상태의 목표전압을 쫓으면 다시 출력전류가 상승하고 목표전류 제한치 이상이 센싱되면 다시 전류제한을 위한 신규 목표전압 지령이 생성되고 전류 제한을 수행하는 동안은 전류제한전압 -> 정상전압 -> 전류제한전압을 반복하여 전류제한 기능을 수행한다.
이때 전류제한을 위한 전압은 목표전류값(Io_lmt)과 실제 출력전류(Io_act)의 차이를 일정한 게인 Kp (A/V)을 적용하여 생성한다. 전류 제한시 총 차량부하에 비해 DC-DC컨버터가 출력하는 전류를 제외한 부족분에 대해서는 보조배터리에서 감당을 하게 된다. 따라서, 보조배터리와의 충방전 밸런싱에 의한 제어를 하게 되는데 이때 Kp 값이 너무 작으면 보조배터리 전압만큼으로 Phase-shift되어 결정된 전압이 낮아지지 않으므로 목표전류 대비 (+) 오차가 발생하게 되고, 너무 높은 경우는 수정된 목표전압과 수정전 목표전압을 반복하여 전압변동 상승률이 커지므로 출력리플이 증가한다. 즉, 상기 보정단계는 목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하고 LPF를 거쳐 보정값을 도출할 수 있다.
또한, 전압제어기와의 응답성 매칭도 중요한 요소이다. 따라서 전류제한을 위한 목표전압을 생성하여 전류제한 기능을 수행하도록 할 경우 수정된 목표전압이 전압 제어기로 입력되는 응답성을 튜닝할 수 있는 인자가 필요한데, 이것은 소프트웨어 필터를 적용하거나 수정된 목표전압의 변동률에 rate limit을 적용함으로써 (ex. 20mV/ms) 응답성을 제어하여 최적화할 수 있다.
즉, 상기 수정단계는 목표전압의 수정시 목표전압의 변동률이 일정크기 이하로 제한되도록 수정할 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에서 필터링의 효과를 나타낸 그래프로서, (a)와 (b)는 목표전압 수정의 응답성을 제어한 결과이다. (a)는 도 3에서의 LPF(100)가 없을 때로서 전류리플이 과도하게 나타나는 특성이며, (b)는 LPF의 값을 튜닝하여 성능을 개선했을 때의 전류리플 파형이다. 필터 적용에 따라 목표전압의 수정에 의한 전압제어기로의 입력이 느려지므로(응답성이 느려지므로) 출력특성이 (b)와 같이 나타난다.
한편, DC-DC컨버터의 기동시 소프트스타트를 위해 목표전압의 전압상승률을 제어하게 되는데, 기동과 동시에 과전류가 발생하는 등의 출력전류제한 상황이 발생할 시에는 정상상태에서의 목표전압 상승률 대비 수정된 목표전압의 전압상승률이 낮은 경우 전류제한 기능이 제대로 수행되지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 현상을 방지하기 위해 소프트스타트를 수행하는 구간에서는 필터를 적용하지 않은 수정된 목표전압을 적용하여 전류제한 기능을 수행하고, 소프트스타트가 끝나는 시점에서는 필터를 적용한 수정된 목표전압을 적용하여 제어함으로써 이를 해결할 수 있는 것이다.
즉, 상기 보정단계는 소프트스타트 구간에서는 LPF를 거치지 않은 보정값을 도출할 수 있고, 또한 상기 보정단계는 소프트스타트가 종료되는 시점부터 LPF를 거친 보정값을 도출할 수 있다.
이는 타이머를 적용하여 소프트스타트와 필터(LPF, 100)의 시지연을 고려한 시점을 정하여 전압지령의 절환 시점을 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에서 소프트스타트시 필터링을 하지 않을 경우에 관한 효과를 나타낸 그래프로서, (a)파형은 DC-DC 컨버터 기동시 과전류와 같은 전류제한 상황이 동시 발생하였을 경우 모드 절환 기능을 추가하지 않았을 경우이고, (b)는 추가하였을 경우를 나타내는 파형이다. 정상상태에서 소프트스타트 시의 목표전압 변동률이 수정된 목표전압의 변동률보다 높게 되면 전류제한이 일정구간 제대로 수행되지 않으므로 오버슛이 발생하게 된다. 따라서 이 현상을 방지하기 위해 소프트스타트가 끝나는 시점에서 필터를 적용하여 수정된 목표전압을 적용함으로써 모드 절환을 하는 것이고, 그에 따라 초기 기동시의 동작 안정성을 확보하도록 하는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 DC-DC컨버터의 전류제한 방법에 따르면, 하드웨어로 구성된 전류제한 구조를 삭제하고 소프트웨어로 대체하여 동일한 효과를 얻고 전류제한시 제어특성 인자에 대한 자유도를 높일 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (5)

  1. 목표전압과 출력전압의 차이를 증폭하여 PWM IC의 레퍼런스 전압을 도출하는 도출단계;
    목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하여 보정값을 도출하는 보정단계; 및
    보정값을 목표전압에 더하여 목표전압을 수정하는 수정단계;를 포함하는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수정단계는 목표전압의 수정시 목표전압의 변동률이 일정크기 이하로 제한되도록 수정하는 것을 특징으로 하는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보정단계는 목표전류와 컨버터 출력전류의 차이값에 게인을 곱하고 LPF를 거쳐 보정값을 도출하는 것을 특징으로 하는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보정단계는 소프트스타트 구간에서는 LPF를 거치지 않은 보정값을 도출하는 것을 특징으로 하는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 보정단계는 소프트스타트가 종료되는 시점부터 LPF를 거친 보정값을 도출하는 것을 특징으로 하는 DC-DC컨버터의 전류제한 방법.
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