KR20160062136A - 예측적 불연속 차지 모드 제어를 위한 방법 및 전력 컨버터 - Google Patents

예측적 불연속 차지 모드 제어를 위한 방법 및 전력 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위칭 가능 전력 스테이지를 제어하는 제어 법에 따라 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하도록 구성된 전력 컨버터의 전력 스테이지를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은, 펄스 폭의 제곱이 기준 전압과 출력 전압 사이의 차이로부터 유도된 전압 에러 제어 신호의 함수이도록, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭을 가변시킴으로써 전력 스테이지를 스위칭하기 위한 펄스화된 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 이것은 차지 모드 제어의 예측적 방법이다. 방법은 불연속 전도 모드 동안 보상을 요구하지 않는 변조 방식에 대한 것이다.

Description

예측적 불연속 차지 모드 제어를 위한 방법 및 전력 컨버터{METHOD AND POWER CONVERTER FOR PREDICTIVE DISCONTINUOUS CHARGE MODE CONTROL}
본 발명은 예측적 차지(charge) 모드 제어를 위한 방법 및 전력 컨버터에 관한 것이다.
스위칭되는 DC-DC 컨버터들은 스위칭 가능 전력 스테이지를 포함하고, 여기서 출력 전압은 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 생성된다. 스위칭 신호는 출력 전압을 기준 전압에 적응시키는 제어 회로에서 생성된다. 벅(buck) 컨버터는 도 1에 도시된다. 스위칭되는 전력 스테이지(11)는 하이-측(high-side) 전계 효과 트랜지스터(FET)(12) 및 로우-측(low-side) FET(13), 인덕터(14) 및 캐패시터(15)로 이루어진 듀얼 스위치를 포함한다. 차지(charge) 단계 동안, 스위칭 신호에 의해 캐패시터(15)를 차지하기 위해 하이-측 FET(12)는 턴 온되고 로우-측 FET(13)는 턴 오프된다. 디스차지(discharge) 단계 동안, 평균 인덕터 전류를 부하 전류에 매칭하기 위하여 하이-측 FET(12)는 턴 오프되고 로우-측 FET(13)는 턴 온된다. 스위칭 신호는 제어기(16)에 의한 제어 법(control law)에 의해 결정된 듀티 사이클을 사용하여 디지털 펄스 폭 변조 신호로서 생성된다.
전력 컨버터는 연속 전도 모드(CCM) 또는 불연속 전도 모드 어느 하나에서 동작될 수 있다. (CCM)은, 전류가 포지티브에서 네거티브 전류로 또는 네거티브에서 포지티브 전류로 천이하는 동안 잠시 제로를 통하여 지나갈 수 있지만, 에너지 전달 인덕터 내에서의 전류가 실질적으로 결코 스위칭 사이클들 사이에서 제로로 진행하지 않는 것을 의미한다. DCM에서, 전류는 스위칭 사이클의 대부분 동안 제로로 진행한다. 도 1에 도시된 바와 같은 벅 유도 컨버터들에서 주된 효과는, CCM에서 DCM으로 변화할 때, 하나의 제어 법으로부터 다른 제어 법으로 진행한다는 것이다. 부스트(boost) 및 벅-부스트 유도 시스템들에서, DCM에 존재하지 않는 우측-반쪽-평면 제로가 CCM에 존재한다. 이것은 우수한 동적 응답으로 이들 컨버터들을 안정화하는 것을 더욱 어렵게 한다.
그러므로 DCM 조절은 통상적으로 CCM과 상이한 보상을 요구한다. 따라서, 불연속 전도 모드로부터 연속 전도 모드로의 천이는 보상시 빠른 제어된 변화를 요구한다.
본 발명의 목적은 불연속 전도 모드로부터 연속 전도 모드로 및 그 반대로의 천이를 개선하는 전력 컨버터의 전력 스테이지에 대한 제어 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 독립 방법 청구항에 따른 전력 스테이지를 제어하기 위한 방법 및 독립 장치 청구항에 따른 전력 컨버터로 달성된다. 종속항들은 본 발명의 추가 양상들에 관한 것이다.
본 발명은 스위칭 가능 전력 스테이지를 제어하는 제어 법에 따라 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하도록 구성된 전력 컨버터의 전력 스테이지를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭의 제곱이 전압 에러에 따라 하나의 사이클에서 전달될 차지(charge)를 생성하도록, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭을 가변시킴으로써 전력 스테이지를 스위칭하기 위한 펄스화된 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하고, 여기서 하나의 사이클에서 전달된 차지는 전압 에러 및 펄스 폭의 제곱에 따른다.
따라서, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭의 제곱은 하나의 사이클에서 전달될 차지를 증가 또는 감소시키도록 전압 에러에 따라 가변한다. 전압 에러는 기준 전압과 출력 전압 사이의 차이로부터 유도된다. 펄스 제어 신호는 사이클적 주기적일 수 있다.
이것은 차지 모드 제어의 예측 방법이다.
차지 제어의 지난 시도들은 차지가 전달되었을 때 차지를 측정하도록 노력하였다. 펄스는, 측정된 차지가 요구된 값과 동일할 때 종료될 것이다. 본 발명에서, 전달될 차지는 시스템 파라미터들 및 프로그래밍된 펄스 폭에 의해 예측된다. 이것은 차지가 측정될 필요가 없고 이 기술에 의해 예측된 바와 같이 펄스를 종료하기 위한 선험적 판정을 제외하고 펄스를 종료하는 것에 관하여 어떠한 빠른 판정들도 이루어질 필요가 없기 때문에 프로세스를 간소화한다.
방법은 불연속 전도 모드 동안 보상을 요구하지 않는 변조 방식에 대한 것이다.
따라서 불연속 전도 모드가 보상을 요구하지 않는다는 점에서 보상에 있어서 빠른 제어된 변화 요건이 완화된다.
구체적으로, 방법은 하나의 사이클에서 결과적인 차지(Q), 즉 전달될 차지가
Figure pct00001
에 의해 제공되도록, 펄스화된 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 Vin은 입력 전압이고, Vout은 출력 전압이고, L은 스위칭 가능 전력 스테이지의 인덕턴스이고 그리고 tp는 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭이다.
당업자는, 상기 방정식이 이상화되고 더 높은 차수의 효과들 및 기생 엘리먼트들을 설명하도록 확장될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
정상 펄스 폭(tss)이 다르게 결정될 때, 방법은, 하나의 사이클에서 추가 차지(Qd)가
Figure pct00002
에 의해 제공되도록, 추가적인 온-시간(td)까지 정상 상태 펄스 폭(tss)을 증가시킴으로써 펄스 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 펄스 제어 신호를 생성하기 전에 정상 상태 펄스 폭(tss)을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 추가로 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하도록 구성되는 스위칭되는 전력 스테이지를 포함하고 제어기에 의해 구현된 제어 법에 의해 제어되는 전력 컨버터에 관한 것이고, 여기서 제어기는, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭의 제곱이 전압 에러에 따라 하나의 사이클에서 전달될 차지를 생성하도록, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭을 가변시킴으로써 전력 스테이지를 스위칭하기 위한 펄스화된 제어 신호를 생성하도록 구성되고, 사이클에서 전달될 차지는 전압 에러 및 펄스 폭의 제곱에 따른다.
첨부 도면들에 대해 참조가 이루어질 것이다.
도 1은 종래 기술 스위칭 벅 컨버터를 도시한다.
도 2는 DCM에서 동작되는 스위칭 가능 전력 스테이지의 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 신호 및 인덕터 전류를 도시하는 다이어그램을 도시한다.
도 3은 정상 상태 듀티 사이클이 다르게 결정될 때 DCM에서 동작되는 스위칭 가능 전력 스테이지의 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 신호 및 인덕터 전류를 도시하는 다이어그램을 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같은 전력 컨버터는 DCM에서 동작된다. 차지 모드 제어의 예측적 방법으로서, 제어기(16)는 스위칭 가능 전력 스테이지를 스위칭하기 위한 PWM 제어 신호를 생성하고, 여기서 펄스 제어 신호는 하이-측 FET(12)로 포워딩되고 제어 신호의 보완 신호(complement)는 로우 측 FET(13)으로 포워딩된다. 제어기(16)는, PWM 신호의 하나의 사이클에서 캐패시터(15)의 결과적인 차지(Q)가
Figure pct00003
에 의해 제공되도록, 펄스화된 제어 신호를 생성하고, 여기서 PWM 신호의 펄스 폭(tp)은 도 2의 결과적인 인덕터 전류에 대조하여 도시된다.
도 3은, 정상 상태 펄스 폭(tss)이 다르게 결정될 때 도 1에 도시된 바와 같은 전력 컨버터의 동작에 관한 것이다. 제어기는, 하나의 사이클에서 추가적인 차지(Qd)가
Figure pct00004
에 의해 제공되도록, 점선에 의해 표시된 바와 같은 추가적인 온-시간(td) 만큼 PWM 신호의 정상 상태 펄스 폭(tss)을 증가시킨다. 인덕터 전류에 대한 효과는 또한 도 3에 도시된다. 차지가 그 사이클에서, 인덕터 전류의 점선 및 실선에 의해 경계진 영역에 비례하는 크기로 증가하는 것이 관찰될 수 있다.
DCM에서 어떠한 보상도 필요하지 않기 때문에, 본 발명은 보상하기 위해 필요한 시간 및 노력을 감소시킨다. 이는 DCM으로부터 CCM으로의 천이를 개선하고 따라서 보다 강건한 전력 컨버터를 초래한다.

Claims (10)

  1. 스위칭 가능 전력 스테이지를 제어하는 제어 법에 따라 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하도록 구성된 전력 컨버터에 대한 제어 방법으로서,
    펄스화된 제어 신호의 펄스 폭의 제곱이 전압 에러에 따라 하나의 사이클에서 전달될 차지(charge)를 생성하도록, 상기 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭을 가변시킴으로써 상기 전력 스테이지를 스위칭하기 위한 상기 펄스화된 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하고,
    하나의 사이클에서 전달될 상기 차지는 상기 전압 에러 및 상기 펄스 폭의 제곱에 따르는,
    전력 컨버터에 대한 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스화된 제어 신호는 사이클(cyclic)적인,
    전력 컨버터에 대한 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 컨버터에 대한 제어 방법은, 상기 펄스화된 제어 신호의 하나의 사이클에서 상기 스위칭 가능 전력 스테이지의 캐패시턴스의 결과적인 차지(Q)가
    Figure pct00005
    에 의해 제공되도록, 상기 펄스화된 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하고,
    Vin은 입력 전압이고, Vout은 출력 전압이고, L은 스위칭 가능 전력 스테이지의 인덕턴스이고 그리고 tp는 상기 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭인,
    전력 컨버터에 대한 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 컨버터에 대한 제어 방법은, 정상 상태 펄스 폭(tss)이 다르게 결정될 때, 상기 펄스화된 제어 신호의 하나의 사이클에서 상기 스위칭 가능 전력 스테이지의 캐패시턴스의 추가 차지(Qd)가
    Figure pct00006
    에 의해 제공되도록, 추가적인 온-시간(td)까지 상기 정상 상태 펄스 폭(tss)을 증가시킴으로써 상기 펄스화된 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는,
    전력 컨버터에 대한 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력 컨버터에 대한 제어 방법은, 상기 펄스 제어 신호를 생성하기 전에 상기 정상 상태 펄스 폭(tss)을 결정하는 단계를 더 포함하는,
    전력 컨버터에 대한 제어 방법.
  6. 전력 컨버터로서,
    상기 전력 컨버터는 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하도록 구성된 스위칭되는 전력 스테이지를 포함하고 제어기에 의해 구현된 제어 법에 의해 제어되고, 상기 제어기는, 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭의 제곱이 전압 에러에 따라 하나의 사이클에서 전달될 차지를 생성하도록, 상기 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭을 가변시킴으로써 상기 전력 스테이지를 스위칭하기 위한 펄스화된 제어 신호를 생성하도록 구성되고, 하나의 사이클에서 전달될 차지는 상기 전압 에러 및 상기 펄스 폭의 제곱에 따르는,
    전력 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 펄스화된 제어 신호는 사이클적 펄스화된 제어 신호인,
    전력 컨버터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 펄스화된 제어 신호의 하나의 사이클에서 상기 스위칭 가능 전력 스테이지의 캐패시턴스의 결과적인 차지(Q)가
    Figure pct00007
    에 의해 제공되도록, 상기 펄스화된 제어 신호를 생성하도록 추가로 구성되고,
    Vin은 입력 전압이고, Vout은 출력 전압이고, L은 스위칭 가능 전력 스테이지의 인덕턴스이고 그리고 tp는 상기 펄스화된 제어 신호의 펄스 폭인,
    전력 컨버터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는, 정상 상태 펄스 폭(tss)이 다르게 결정될 때, 상기 펄스화된 제어 신호의 하나의 사이클에서 상기 스위칭 가능 전력 스테이지의 캐패시턴스의 추가 차지(Qd)가
    Figure pct00008
    에 의해 제공되도록, 추가적인 온-시간(td)까지 상기 정상 상태 펄스 폭(tss)을 증가시킴으로써 상기 펄스화된 제어 신호를 생성하도록 구성되는,
    전력 컨버터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 컨버터는, 상기 펄스 제어 신호를 생성하기 전에 상기 정상 상태 펄스 폭(tss)을 결정하기 위한 수단을 더 포함하는,
    전력 컨버터.
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