KR20150073680A - 최대 전력 추종 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치는 제 1 전력을 출력하는 전지, 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 제 2 전력으로 변환하는 스위칭부, 상기 제 1 전력에 기반하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하고, 상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하도록 구성되는 펄스 신호 생성부를 포함한다.
Description
최대 전력 추종 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC-DC 변환기의 변환 효율을 최대화하는 최대 전력 추종 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 신재생 에너지들 중 가장 많은 전력을 생성하는 태양 전지에 관한 다양한 개발들이 이뤄지고 있다. 그중에서도, 태양 에너지를 모아 전기 에너지로 변환하는 태양 전지에 관해 다양한 개발들이 이뤄지고 있다.
태양 전지는 태양광의 세기 또는 빛의 각도 등에 따라 생성되는 에너지량이 달라지는 특성을 가진다. 특히, 외부 환경 요소인 태양광의 세기는 인위적으로 바꿀 수 없다. 또한, 태양광의 빛의 각도는 태양 전지의 방향을 변환하여 조절이 가능하지만, 방향을 변환하는 과정에서 많은 전력이 소모된다.
또한, 태양 전지로부터 출력되는 출력 전력은 출력 전압에 기반하여 쉽게 조절이 가능하다. 즉, 출력 전압의 레벨을 조절함으로써, 태양 전지로부터 최대 전력이 추출될 수 있다.
본 발명의 목적은 태양전지로부터 출력된 전력을 부하에 대응하는 전력으로 변환하는 과정에서 발생되는 손실을 줄일 수 있는 최대 전력 추종 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치는 제 1 전력을 출력하는 전지, 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 제 2 전력으로 변환하는 스위칭부, 상기 제 1 전력에 기반하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하고, 상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하도록 구성되는 펄스 신호 생성부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 최대 전력 추종 장치는 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하는 펄스 제어 신호를 생성하는 펄스 제어부를 더 포함하되, 상기 펄스 제어부는 상기 제 1 전력에 따른 출력 전압의 레벨이 높아질 경우, 상기 메모리에 저장된 출력 전압에 대응하는 스위칭 제어 신호를 참조하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 감소시키는 상기 펄스 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 펄스 제어부는 상기 제 1 전력에 따른 출력 전압의 레벨이 낮아질 경우, 상기 메모리에 저장된 출력 전압에 대응하는 스위칭 제어 신호를 참조하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 증가시키는 상기 펄스 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 최대 전력 추종 장치는 상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하는 주파수 제어 신호를 생성하는 전압 제어부를 더 포함하되, 상기 전압 제어부는 상기 펄스 폭을 조절하는 상기 펄스 제어 신호 및 상기 제 1 전력을 수신하고, 상기 제 1 전력의 출력 전압에 응답하여 상기 주파수 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 전압 제어부는 상기 제 1 전력의 출력 전압이 레벨이 증가된 경우, 주파수가 높아지도록 상기 주파수 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 전압 제어부는 상기 제 1 전력의 출력 전압이 레벨이 감소된 경우, 주파수가 낮아지도록 상기 주파수 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 펄스 신호 생성부는 상기 펄스 제어 신호 및 상기 주파수 제어 신호에 응답하여 상기 스위칭 제어 신호를 생성하되,
상기 스위칭부는 상기 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 상기 제 2 전력으로 변환한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 전지는 태양 에너지를 수신하여 전기 에너지로 변환한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 전압 제어부는 MPPT 방식으로 구현된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최대 전력 추종 방법은 태양전지로부터 제 1 전력을 수신하는 단계, 메모리에 저장된 출력 전압에 응답하여, 상기 제 1 전력의 출력 전압에 따른 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하는 단계, 상기 제 1 전력의 출력 전압에 응답하여, 상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하는 단계, 상기 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 제 2 전력으로 변환하는 단계를 포함하는 최대 전력 추종 방법.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 최대 전력 추종 방법은 상기 제 1 전력의 출력 전압이 상기 메모리에 저장된 출력 전압 보다 높을 경우, 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 최대 전력 추종 방법은 상기 제 1 전력의 출력 전압이 상기 메모리에 저장된 출력 전압 보다 낮을 경우, 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 증가시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 최대 전력 추종 장치의 구동 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 태양전지로부터 출력되는 전력이 전류-전압 특성에 따라 최대가 되는 지점을 보여주는 그래프이다.
도 3는 도 2에 도시된 각 전력의 레벨에 따라 인덕터에 인가되는 전류 레벨을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 제 1 전력의 출력 전압이 높아질 경우에 따른 펄스 제어부의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 제 1 전력의 출력 전압이 낮아질 경우에 따른 펄스 제어부의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 전압 제어부의 동작 특성을 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치의 동작 방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 태양전지로부터 출력되는 전력이 전류-전압 특성에 따라 최대가 되는 지점을 보여주는 그래프이다.
도 3는 도 2에 도시된 각 전력의 레벨에 따라 인덕터에 인가되는 전류 레벨을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 제 1 전력의 출력 전압이 높아질 경우에 따른 펄스 제어부의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 제 1 전력의 출력 전압이 낮아질 경우에 따른 펄스 제어부의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 전압 제어부의 동작 특성을 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치의 동작 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 최대 전력 추종 장치(100)는 태양전지(110), 스위칭부(120), 펄스 제어부(130), 전압 제어부(140), 펄스 신호 생성부(150), 및 부하(160)를 포함한다.
실시 예에 있어서, 본 발명에 따른 최대 전력 추종 장치(100)는 펄스 주파수 변조(Pulse frequency modulation) 방식에 기반하여 동작될 수 있다.
자세하게, 태양전지(110)는 태양으로부터 태양 에너지를 수신하여, 전기 에너지의 형태로 변환한다. 즉, 태양전지(110)는 수신된 태양 에너지를 전기 에너지 형태인 제 1 전력(P1)으로써 변환한다. 태양전지(110)는 변환된 제 1 전력(P1)을 스위칭부(120), 펄스 제어부(130), 및 전압 제어부(140)로 각각 전달한다. 여기서, 제 1 전력(P1)은 출력 전압 및 출력 전류의 곱으로써 결정될 수 있다. 또한, 본 발명의 설명에 있어서, 출력 전압은 제 1 전력(P1)으로부터 출력되는 전압으로서 설명될 수 있다.
일반적으로, 태양 에너지의 크기는 인위적으로 바꿀 수 없는 요소이다. 단, 빛의 각도가 조절됨으로써 태양 에너지의 크기가 조절될 수 있지만, 이는 많은 전력이 소모된다. 따라서, 태양전지(110)의 출력 전압에 기반하여 출력 전류를 조절하는 방식을 통해, 출력 전력의 레벨을 조절하는 방식이 주로 사용된다.
스위칭부(120)는 태양전지(110)로부터 출력된 전력, 즉 제 1 전력(P1)을 수신하여, 부하(160)의 구동에 대응하는 제 2 전력(P2)으로 변환한다. 예를 들어, 스위칭부(120)는 DC-DC 변환을 통해 전력을 변환할 수 있다.
자세하게, 스위칭부(120)는 NMOS 트랜지스터(M1), PMOS 트랜지스터(M2), 및 인덕터(L)를 포함한다.
NMOS 및 PMOS 트랜지스터들(M1, M2)은 펄스 신호 생성부(150)로부터 출력된 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 의해 제어될 수 있다. 자세하게, NMOS 트랜지스터(M1)가 제 1 스위칭 제어 신호(S1)에 응답하여 턴-온(ON)이 될 때, PMOS 트랜지스터(M2)는 제 2 스위칭 제어 신호(S2)에 의해 턴-오프(OFF)가 된다. 이 때, 인덕터(L)에는 전류가 충전된다.
또한, NMOS 트랜지스터(M1)가 제 1 스위칭 제어 신호(S1)에 응답하여 턴-오프(OFF)가 될 때, PMOS 트랜지스터(M2)는 제 2 스위칭 제어 신호(S2)에 의해 턴온(ON)이 된다. 이 때, 인덕터(L)에 충전되었던 전류가 부하(160)에 전달된다.
즉, NMOS 및 PMOS 트랜지스터들(M1, M2)은 서로 상보적으로 동작될 수 있다. 또한, 스위칭부(120)는 DC-DC 부스트의 구성으로 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 벅 도는 벅-부스트와 같이 다양하게 구성될 수 있다.
상술된 바와 같이, 스위칭부(120)는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 응답하여, 제 1 전력(P1)의 레벨을 제 2 전력(P2)의 레벨로 변환할 수 있다. 스위칭부(120)는 출력 전압의 레벨을 조절하는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)을 통해 최대 전력을 출력할 수 있다.
그러나, 스위칭부(120)가 제 1 전력(P1)을 제 2 전력(P2)으로 변환하는 과정에서 전력 손실이 발생될 수 있으며, 인덕터에 제공되는 전류의 레벨에 따라 전력 손실이 달라질 수 있다. 예를 들어, 환경적 요소에 따라, 태양전지(110)로부터 출력되는 제 1 전력(P1)의 레벨이 변동됨에 따라, 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 변화될 수 있다. 예를 들어, 태양전지(110)로부터 출력되는 출력 전압의 레벨이 높아짐에 따라, 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 높아진다. 이와 반대로, 일반적으로, 태양전지(110)로부터 출력되는 출력 전압의 레벨이 낮아짐에 따라, 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 낮아진다.
일반적으로, 스위칭부(120)는 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 특정 전류 레벨에서 최대의 변환효율을 가지도록 설계된다. 그러나, 제 1 전력(P1)의 레벨이 변동됨에 따라, 출력 전압의 레벨이 변화되어, 스위칭부(120)의 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 달라질 수 있다. 이로 인해, 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 특정 전류 레벨과 달라짐에 따라, 전력의 변환 효율이 떨어질 수 있다.
즉, 스위칭부(120)의 전력 변환 효율은 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 출력 전압에 대응하는 특정 전류 레벨을 가질 때, 스위칭부(120)의 전력 변환 효율이 최대가 될 수 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 최대 전력 추종 장치(100)는 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨을 조절함으로써, 스위칭부(120)에서 발생되는 전력 손실을 최소화할 수 있다. 상술된 바에 따라, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 조절됨으로써, 스위칭부(120)로부터 전력의 변환 효율이 높아질 수 있다. 펄스 제어부(130)는 태양전지(110)로부터 제 1 전력(P1)을 수신한다. 펄스 제어부(130)는 제 1 전력(P1)에 따른 출력 전압의 레벨에 기반하여, 펄스 신호 생성부(150)로부터 출력될 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 펄스 폭을 결정한다. 또한, 펄스 제어부(130)는 출력 전압에 기반하여, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 펄스 폭을 결정하는 펄스 제어 신호(Ps)를 생성할 수 있다.
예를 들어, 펄스 제어부(130)는 출력 전압의 레벨이 높아질 경우, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 펄스 폭이 작아지도록 펄스 제어 신호(Ps)를 생성할 수 있다. 이와 반대로, 펄스 제어부(130)는 출력 전압의 레벨이 낮아질 경우, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 펄스 폭이 커지도록 펄스 제어 신호(Ps)를 생성할 수 있다.
또한, 실시 예에 있어서, 펄스 제어부(130)는 메모리(131)를 포함할 수 있다. 메모리(131)에는 각 출력 전압에 대응하는 최적의 펄스 폭이 저장될 수 있다. 따라서, 펄스 제어부(130)는 메모리에 저장된 각 출력 전압에 대응하는 최적의 펄스 폭을 참조하여, 태양전지(110)로부터 수신된 출력 전압에 대응하는 펄스 제어 신호(Ps)를 생성할 수 있다.
펄스 제어부(130)는 상술된 바에 따라 펄스 제어 신호(Ps)를 생성하여, 전압 제어부(140) 및 펄스 신호 생성부(150)로 제공한다.
전압 제어부(140)는 태양전지(110)로부터 제 1 전력(P1) 및 펄스 제어부(130)로부터 펄스 제어 신호(Ps)를 수신한다. 전압 제어부(140)는 제 1 전력(P1)의 출력 전압 레벨에 기반하여, 펄스 신호 생성부(150)로부터 생성될 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 주파수를 결정할 수 있다.
자세하게, 전압 제어부(140)는 출력 전압에 기반하여, 펄스 제어 신호(Ps)에 따른 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 주파수를 결정한다. 전압 제어부(140)는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 주파수를 결정하는 주파수 제어 신호(fs)를 생성하고, 생성된 주파수 제어 신호(fs)를 펄스 신호 생성부(150)로 제공한다. 또한, 전압 제어부(140)로부터 주파수 제어 신호가 생성될 경우, 펄스 제어부(130)로부터 결정된 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 펄스 폭은 동일하게 유지된다. 즉, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 하이 레벨 구간의 펄스 폭은 변하지 않는다.
예를 들어, 전압 제어부(140)는 출력 전압의 레벨이 높아질 경우, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 주파수가 높아지도록 제어할 수 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 하이 레벨 구간의 펄스 폭은 변하지 않으나, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 로우 구간의 폭이 감소될 수 있다. 즉, 출력 전류의 레벨이 높아짐에 따라, 출력 전압의 레벨이 낮아질 수 있다.
이와 반대로, 전압 제어부(140)는 출력 전압의 레벨이 낮아질 경우, 주파수가 낮아지도록 제어할 수 있다. 이 경우, 마찬가지로 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 하이 레벨 구간의 펄스 폭은 변하지 않으나, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호(S1, S2)의 로우 구간의 폭이 증가될 수 있다. 즉, 출력 전류의 레벨이 낮아짐에 따라, 출력 전압의 레벨이 높아질 수 있다.
또한, 실시 예에 있어서, 전압 제어부(140)는 MPPT(Maximum power pont tracking) 방식으로 구현될 수 있다.
펄스 신호 생성부(150)는 펄스 제어부(130)로부터 펄스 제어 신호(Ps) 및 전압 제어부(140)로부터 주파수 제어 신호(fs)를 수신한다. 펄스 신호 생성부(150)는 펄스 제어 신호(Ps) 및 주파수 제어 신호(fs)에 응답하여, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)을 생성한다. 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 응답하여, NMOS 및 PMOS 트랜지스터들(M1, M2)이 동작될 수 있다.
도 2는 태양 전지로부터 출력되는 전력이 전류-전압 특성에 따라 최대가 되는 지점을 보여주는 그래프이다. x 축은 출력 전류의 레벨을 나타내며, y 축은 출력 전압의 레벨을 나타낸다.
일반적으로, 외부의 환경적 요소로 인해 태양전지(110, 도1 참조)로부터 출력되는 전력의 레벨이 달라질 수 있다. 예시적으로, 태양의 제 1 내지 제3 세기들에 따라, 도 2에 도시된 제 1 내지 제 3 전력들(Pa, Pb, Pc)이 각각 출력될 수 있다. 자세하게, 태양의 제 1 세기에 따라 제 1 전력(Pa)이 출력되며, 제 2 세기에 따라 제 2 전력(Pb)이 출력되며, 제 3 세기에 따라 제 3 전력(Pc)이 출력된다. 여기서, 각 태양의 세기는 일정한 크기로 고정된 것으로 가정한다.
일 예로, 태양의 제 1 세기에 응답하여 태양전지(110)로부터 출력된 제 1 전력(Pa)은 제 1 출력 전압(Va) 및 제 1 출력 전류(Ia)에 기반하여 최대 전력을 가질 수 있다. 여기서, 제 1 출력 전압(Va) 및 제 1 출력 전류(Ia)는 제 1 전력(Pa)의 레벨이 최대 전력이 되도록 하는 전압 및 전류일 수 있다.
일 예로, 태양의 제 2 세기에 응답하여 태양전지(110)로부터 출력된 제 2 전력(Pb)은 제 2 출력 전압(Vb) 및 제 2 출력 전류(Ib)에 기반하여 최대 전력을 가질 수 있다. 여기서, 제 2 출력 전압(Vb) 및 제 2 출력 전류(Ib)는 제 2 전력(Pb)의 레벨이 최대 전력이 되도록 하는 전압 및 전류일 수 있다.
일 예로, 태양의 제 3 세기에 응답하여 태양전지(110)로부터 출력된 제 3 전력(Pc)은 제 3 출력 전압(Vc) 및 제 3 출력 전류(Ic)에 기반하여 최대 전력을 가질 수 있다. 여기서, 제 3 출력 전압(Vc) 및 제 3 출력 전류(Ic)는 제 3 전력(Pc)의 레벨이 최대 전력이 되도록 하는 전압 및 전류일 수 있다.
일반적으로, 태양전지(110)로부터 출력되는 전력의 레벨이 높을수록, 부하(160, 도1 참조)에 더 많은 전력이 제공될 수 있다. 또한, 태양전지(110)로부터 출력되는 전력의 레벨이 높을수록, 대응하는 출력 전압의 레벨도 높아진다. 그리고 출력 전압에 대응하여 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨 또한 높아진다.
따라서, 제 1 전력(Pa)의 레벨이 2 전력(Pa)의 레벨보다 높음에 따라, 제 1 출력 전압(Va)의 레벨이 제 2 출력 전압(Vb)의 레벨 보다 높다. 제 2 전력(Pb)의 레벨이 3 전력(Pc)의 레벨보다 높음에 따라, 제 2 출력 전압(Vb)의 레벨이 제 3 출력 전압(Vc)의 레벨 보다 높다.
도 3은 도 2에 도시된 각 전력의 레벨에 따라 인덕터에 인가되는 전류 레벨을 보여주는 그래프이다. x 축은 시간을 나타내며, y 축은 인덕터에 인가되는 전류의 레벨을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 제 1 내지 제 3 전력들(Pa, Pb, Pc)에 따라 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 보여준다.
제 1 전력(Pa)에 기반한 제 1 전류(IL1)의 레벨은 제 2 전력(Pb)에 기반한 제 2 전류(IL2)의 레벨보다 높다. 여기서, 제 1 전력(Pa)의 제 1 출력 전압(Va)은 제 2 전력(Pb)의 제 2 출력 전압(Vb)보다 높다. 또한, 제 2 전력(Pb)에 기반한 제 2 전류(IL2)의 레벨은 제 3 전력(Pc)에 기반한 제 3 전류(IL3)의 레벨보다 높다. 여기서, 제 2 전력(Pb)의 제 2 출력 전압(Vb)은 제 3 전력(Pc)의 제 3 출력 전압(Vc)보다 높다.
상술된 바와 같이, 각 전력에 따른 출력 전압이 높을수록 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 높아질 수 있다. 즉, 출력 전압의 레벨이 변동됨에 따라, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 변동될 수 있다.
그러나, 스위칭부(140, 도1 참조)는 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨이 특정 전류 레벨을 가질 경우, 최대 변환 효율을 가질 수 있다. 이로 인해, 인덕터에(L)에 인가되는 전류 레벨이 변동될 경우, 스위칭부(120)의 변환 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 최대 전력 추종 장치(100)는 출력 전압에 대응하여, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 특정 전류 레벨을 유지하도록 설정한다.
또한, 일반적으로, 전압 제어부(140)의 주파수 조절을 통해, 태양전지(110)의 출력 전류는 일정하게 유지된다. 즉, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨의 변화는 출력 전류의 평균값에 영향을 미치지 않아, 태양전지(110)로부터 출력되는 전력 값에 영향을 미치지 않는 것으로 가정한다. 다만, 본 발명의 실시 예에 따른 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨은 스위칭부(120)가 제 1 전력(P1)을 제 2 전력(P2)으로 변환하는 데 있어서, 최대 변환 효율을 가질 수 있도록 설정된다.
예를 들어, 본 발명에 따른 최대 전력 추종 장치(100)는 출력 전압이 높아질 경우, 펄스 폭 조절을 통해 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 감소시킬 수 있다. 이와 반대로, 최대 전력 추종 장치(100)는 출력 전압이 낮아질 경우, 펄스 폭 조절을 통해 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 증가시킬 수 있다. 즉, 최대 전력 추종 장치(100)는 스위칭부(120, 도1 참조)의 전력 변환 효율이 최대가 되도록, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 조절한다.
도 4는 도 2에 도시된 제 1 전력의 출력 전압이 높아질 경우에 따른 펄스 제어부의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 먼저, 펄스 신호(Pulse signal)를 보여주는 그래프에서, x 축은 시간을 나타내며, y축은 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 신호 레벨을 보여준다. 또한, 전류 레벨을 보여주는 그래프에서, x 축은 시간(t)을 나타내며, y 축은 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 펄스 폭에 따라 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨(Current)을 보여준다.
기존의 경우, 펄스 제어부(130)는 태양전지(110)로부터 최대 전력을 생성하기 위해, 출력 전압에 기반하여 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)이 제 1 펄스 폭(F1)을 갖도록 설정한다. 그 결과, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 1 펄스 폭(F1)에 따라, 제 1 전류(IL1a)의 레벨이 인덕터(L)에 인가된다.
그러나, 스위칭부(120)가 최대 변환 효율을 갖기 위해서는, 제 2 전류(IL1b)가 인덕터(L)에 인가되야 한다. 여기서, 제 2 전류(IL1b)는 스위칭부(120)가 최대 변환 효율을 갖기 위한 특정 전류일 수 있다. 이러한 제 2 전류(IL1b)는 제 1 출력 전압(Va)에 대응하여 생성된 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 2 펄스 폭(F2)에 따라 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
즉, 제 1 출력 전압(Va)에 대응하는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)이 제 2 펄스 폭(F2)을 가질 때, 제 2 전류(IL1b)의 레벨이 인덕터(L)에 인가될 수 있다. 그 결과, 스위칭부(120)는 최대 변환 효율로서 동작될 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 제어부(130)는 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨을 조절하기 위해, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 펄스 폭을 조절할 수 있다. 자세하게, 펄스 제어부(130)는 태양전지(110)로부터 제 1 출력 전압(Va) 보다 높은 출력 전압을 수신할 경우, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 높아질 수 있다. 따라서, 스위칭부(120)가 최대 변환 효율을 갖기 위해, 제 1 출력 전압(Va)에 대응하는 제 2 펄스 폭(F2)이 참조된 전류 레벨이 인덕터(L)에 인가될 수 있다. 여기서, 제 1 출력 전압(Va)에 기반한 제 2 펄스 폭(F2)은 메모리(131)로부터 참조될 수 있다.
예를 들어, 펄스 제어부(130)는 제 1 출력 전압(Va)보다 높은 출력 전압을 수신할 경우, 메모리(131)로부터 제 1 출력 전압(Va)에 대응하는 제 2 펄스 폭(F2)을 참조한다. 펄스 제어부(130)는 참조된 제 2 펄스 폭(F2)에 기반하여 펄스 제어 신호(Ps)를 생성한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 펄스 제어부(130)는 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 낮추기 위해, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 1 펄스 폭(F1)을 제 2 펄스 폭(F2)으로 W1의 시간만큼 줄인다.
따라서, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 2 펄스 폭(F2)에 응답하여, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 제 1 전류(IL1a)에서 제 2 전류(IL1b)로 낮아질 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 제 1 전력이 낮아질 경우에 따른 펄스 제어부의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 펄스 신호(Pulse signal)를 보여주는 그래프에서, x 축은 시간을 나타내며, y축은 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 신호 레벨을 보여준다. 또한, 전류 레벨을 보여주는 그래프에서, x 축은 시간(t)을 나타내며, y 축은 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 펄스 폭에 따라 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨(Current)을 보여준다.
기존의 경우, 펄스 제어부(130)는 태양전지(110)로부터 최대 전력을 생성하기 위해, 출력 전압에 기반하여 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)이 제 3 펄스 폭(F3)을 갖도록 설정한다. 그 결과, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 3 펄스 폭(F3)에 따라, 제 1 전류(IL2a)의 레벨이 인덕터(L)에 인가된다.
그러나, 스위칭부(120)가 최대 변환 효율을 갖기 위해서는, 제 2 전류(IL2b)가 인덕터(L)에 인가되야 한다. 여기서, 제 2 전류(IL2b)는 스위칭부(120)가 최대 변환 효율을 갖기 위한 특정 전류일 수 있다. 이러한 제 2 전류(IL2b)는 제 1 출력 전압(Va)에 대응하여 생성된 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 4 펄스 폭(F4)에 따라 인덕터(L)에 제공될 수 있다.
즉, 제 1 출력 전압(Va)에 대응하는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)이 제 4 펄스 폭(F4)을 가질 때, 제 2 전류(IL2b)의 레벨이 인덕터(L)에 인가될 수 있다. 그 결과, 스위칭부(120)는 최대 변환 효율로서 동작될 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 제어부(130)는 인덕터(L)에 인가되는 전류의 레벨을 조절하기 위해, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 펄스 폭을 조절할 수 있다. 자세하게, 펄스 제어부(130)는 태양전지(110)로부터 제 1 출력 전압(Va) 보다 낮은 출력 전압을 수신할 경우, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 낮아질 수 있다. 따라서, 스위칭부(120)가 최대 변환 효율을 갖기 위해, 제 1 출력 전압(Va)에 대응하는 제 4 펄스 폭(F4)이 참조된 전류 레벨이 인덕터(L)에 인가될 수 있다. 여기서, 제 1 출력 전압(Va)에 기반한 제 4 펄스 폭(F4)은 메모리(131)로부터 참조될 수 있다.
예를 들어, 펄스 제어부(130)는 제 1 출력 전압(Va)보다 낮은 출력 전압을 수신할 경우, 메모리(131)로부터 제 1 출력 전압(Va)에 대응하는 제 4 펄스 폭(F4)을 참조한다. 펄스 제어부(130)는 참조된 제 4 펄스 폭(F4)에 기반하여 펄스 제어 신호(Ps)를 생성한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 펄스 제어부(130)는 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 높이기 위해, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 3 펄스 폭(F3)을 제 4 펄스 폭(F4)으로 W2의 시간만큼 증가시킨다.
따라서, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 제 4 펄스 폭(F4)에 응답하여, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 제 1 전류(IL2a)에서 제 2 전류(IL2b)로 높아질 수 있다.
도 4 및 도 5에서 상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 펄스 제어부(130)는 출력 전압에 대응하는 최적의 펄스 폭을 참조하여, 펄스 제어 신호(Ps)를 생성할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 전압 제어부의 동작 특성을 보여준다. x 축은 시간을 나타내며, y 축은 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 신호 레벨을 보여준다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 실시 예에 있어서, 본 발명에 따른 최대 전력 추종 장치(100)는 태양전지(110)로부터 출력되는 출력 전압에 기반하여, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 주파수가 조절될 수 있다. 자세하게, 전압 제어부(140)는 출력 전압의 레벨이 높게 설정된 경우, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 대응하는 주파수를 높게 설정할 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 응답하여, 출력 전류의 레벨이 높아질 수 있으며, 이에 따라 출력 전압의 레벨이 낮아질 수 있다.
이와 반대로, 전압 제어부(140)는 출력 전압의 레벨이 낮게 설정된 경우, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 대응하는 주파수를 낮게 설정할 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 응답하여, 출력 전류의 레벨이 낮아질 수 있으며, 이에 따라 출력 전압의 레벨이 높아질 수 있다.
자세하게, 제 1 주기(T1)를 갖는 펄스 신호는 태양전지(110)로부터 출력되는 출력 전압의 레벨이 커진 경우이고, 제 2 주기(T2)를 갖는 펄스 신호는 태양전지(110)로부터 출력되는 출력 전압의 레벨이 작아진 경우이다. 여기서, 펄스 신호는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)일 수 있다. 또한, 제 1 주기(T1)의 펄스 폭과 제 2 주기(T2)의 펄스 폭은 동일한 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 제 1 주기(T1)의 펄스 폭과 제 2 주기(T2)의 펄스 폭은 서로 다를 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 주기(T1)는 제 2 주기(T2)보다 짧을 수 있다. 즉, 전압 제어부(140)는 출력 전압의 레벨이 커진 경우, 출력 전압에 따른 펄스 제어 신호(Ps)를 참조하여, 제 1 주기(T1)에 대응하는 주파수 제어 신호(fs)를 생성한다. 또한, 전압 제어부(140)는 출력 전압의 레벨이 작아진 경우, 출력 전압에 따른 펄스 제어 신호(Ps)를 참조하여, 제 2 주기(T2)에 대응하는 주파수 제어 신호(fs)를 생성한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최대 전력 추종 장치의 동작 방법을 보여주는 순서도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, S110 단계에서, 펄스 제어부(130)는 태양전지(110)로부터 출력된 출력 전압에 응답하여, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)의 펄스 폭을 결정할 펄스 제어 신호(Ps)를 생성한다. 이 때, 펄스 제어부(130)는 메모리(131)에 저장된 스위칭부(120)의 전력 변환 효율을 최대로 하는 출력 전압의 펄스 폭을 참조한다.
S120 단계에서, 전압 제어부(140)는 출력 전압에 응답하여, 펄스 제어 신호(Ps)가 참조된 주파수 제어 신호(fs)를 생성한다.
S130 단계에서, 펄스 신호 생성부(150)는 펄스 제어 신호(Ps) 및 주파수 제어 신호(fs)에 응답하여, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)을 생성한다.
S140 단계에서, 스위칭부(120)는 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호들(S1, S2)에 응답하여, 태양전지(110)로부터 출력된 제 1 전력(P1)을 제 2 전력(P2)으로 DC-DC 변환한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 최대 전력 추종 장치(100)는 출력 전압의 레벨에 기반하여 주파수 및 펄스 폭을 조절함으로써, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨을 조절할 수 있다. 즉, 인덕터(L)에 인가되는 전류 레벨이 조절됨으로써, 스위칭부(120)가 전력을 변환하는 과정에서의 변환 효율 손실이 최소화될 수 있다. 따라서, 최대 전력 추종 장치의 전반적인 구동 성능이 향상될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 태양전지
120: 스위칭부
130: 펄스 제어부
140: 전압 제어부
150: 펄스 신호 생성부
160: 부하
120: 스위칭부
130: 펄스 제어부
140: 전압 제어부
150: 펄스 신호 생성부
160: 부하
Claims (13)
- 제 1 전력을 출력하는 전지;
스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 제 2 전력으로 변환하는 스위칭부;
상기 제 1 전력에 기반하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하고, 상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하도록 구성되는 펄스 신호 생성부를 포함하는 최대 전력 추종 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하는 펄스 제어 신호를 생성하는 펄스 제어부를 더 포함하되,
상기 펄스 제어부는 상기 제 1 전력에 따른 출력 전압의 레벨이 높아질 경우, 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 감소시키는 상기 펄스 제어 신호를 생성하는 최대 전력 추종 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 펄스 제어부는 상기 제 1 전력에 따른 출력 전압의 레벨이 낮아질 경우, 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 증가시키는 상기 펄스 제어 신호를 생성하는 최대 전력 추종 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 펄스 제어부는 상기 스위칭부의 전력 변환 효율을 최대로하는 상기 출력 전압에 대응하는 펄스 폭이 저장된 메모리를 포함하되,
상기 메모리에 저장된 펄스 폭을 참조하여, 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하는 최대 전력 추종 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하는 주파수 제어 신호를 생성하는 전압 제어부를 더 포함하되,
상기 전압 제어부는 상기 펄스 폭을 조절하는 상기 펄스 제어 신호 및 상기 제 1 전력을 수신하고, 상기 제 1 전력의 출력 전압에 응답하여 상기 주파수 제어 신호를 생성하는 최대 전력 추종 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 전압 제어부는 상기 제 1 전력의 출력 전압의 레벨이 증가된 경우, 주파수가 높아지도록 상기 주파수 제어 신호를 생성하는 최대 전력 추종 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 전압 제어부는 상기 제 1 전력의 출력 전압이 레벨이 감소된 경우, 주파수가 낮아지도록 상기 주파수 제어 신호를 생성하는 최대 전력 추종 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 펄스 신호 생성부는 상기 펄스 제어 신호 및 상기 주파수 제어 신호에 응답하여 상기 스위칭 제어 신호를 생성하되,
상기 스위칭부는 상기 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 상기 제 2 전력으로 변환하는 최대 전력 추종 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전지는 태양 에너지를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 최대 전력 추종 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전압 제어부는 MPPT 방식으로 구현되는 최대 전력 추종 장치. - 태양전지로부터 제 1 전력을 수신하는 단계;
메모리에 저장된 출력 전압에 응답하여, 상기 제 1 전력의 출력 전압에 따른 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 조절하는 단계;
상기 제 1 전력의 출력 전압에 응답하여, 상기 스위칭 제어 신호의 주파수를 조절하는 단계; 및
상기 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 전력을 제 2 전력으로 변환하는 단계를 포함하는 최대 전력 추종 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전력의 출력 전압이 상기 메모리에 저장된 출력 전압 보다 높을 경우, 상기 메모리에 저장된 출력 전압에 대응하는 스위칭 제어 신호를 참조하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 감소시키는 단계를 더 포함하는 최대 전력 추종 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전력의 출력 전압이 상기 메모리에 저장된 출력 전압 보다 낮을 경우, 상기 메모리에 저장된 출력 전압에 대응하는 스위칭 제어 신호를 참조하여 상기 스위칭 제어 신호의 펄스 폭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 최대 전력 추종 방법.
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