KR20170059025A - 인터리브 pfc 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비를 동일하게 설정하는 단계; 설정된 듀티비에 따라 제1부스트컨버터만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제2출력전압을 도출하는 단계; 도출한 제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계; 및 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 다른 경우, 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일해지도록 제1부스트컨버터 또는 제2부스트컨버터의 듀티비를 조정하는 단계;를 포함하는 인터리브 PFC 제어방법이 소개된다.

Description

인터리브 PFC 제어방법 및 시스템{CONTROL MOTHOD AND SYSTEM OF INTERLEAVED PFC}
본 발명은 인터리브 PFC 내에 마련되는 부스트컨버터의 듀티비를 조절하여 각 부스트컨버터의 전류밸런싱 제어를 통해 PFC 출력전압의 리플을 저감시킬 수 있는 인터리브 PFC 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭모드의 전원공급장치(SMPS)를 설계할 때, 전파 정류를 위한 다이오드와 평활용 커패시터는 필수구성 요소가 되며, 이러한 경우 정류용 다이오드와 평활용 커패시터에서 발생하는 고조파 왜곡 및 피크 전류로 인해, 역률이 낮게 나타난다. 따라서 이러한 것을 방지하기 위해 전력역률보상회로(PFC, Power Factor Correction)가 내장된다.
역률보상회로는 이와 같은 낮은 역률을 개선하여 전원선에서 고조파 왜곡을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 입력전원으로부터 가능한 한 최대의 유효전력을 얻을 수 있게 된다. PFC는 순간적인 파워 누출이 우려되는 트랜스포머와 안정기 및 컨버터와 같은 구성부품으로 공급되는 전력을 조절하여 각 부품에 보다 안정된 전류를 공급하고, 불필요하게 낭비되는 전력소비를 방지할 수 있다.
한편, 인터리브 PFC 회로는 마스터 컨버터와 슬레이브 컨버터로 구성되며, 각 컨버터는 180도의 위상차를 가지고 교차로 스위칭되며 역률을 보상하게 된다. 이러한 인터리브 PFC의 제어 방법에 대해서는 공개특허공보 KR 2009-0058246 "인터리브 PFC 회로의 동작 방법 및 그 방법을 채용한 PFC 회로"에서도 인터리브 PFC 회로에서 발생될 수 있는 전류의 언밸런스 현상을 보상하여 인터리브 PFC 회로의 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 PFC 회로의 동작 제어 방법에 대하여 제시하고 있다.
그러나 이에 따르더라도 여전히 인터리브 PFC 회로에 존재하는 컨버터의 전류밸런스를 위해서는 각 컨버터마다 인덕터 전류를 감지할 수 있는 전류센서를 필요로 하며, 이에 따라 불필요하게 회로의 크기가 커질 뿐만 아니라 PFC 회로의 원가가 상승되는 문제점이 존재하였다.
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 2009-0058246 A
본 발명은 인터리브 PFC 내에 마련되는 두 개의 부스트컨버터의 듀티비를 인터리브 PFC 출력전압의 변화에 따라 조정하여 기존의 인터리브 PFC 회로보다 센서의 수를 줄일 수 있으면서 PFC 출력전압의 리플도 감소시킬 수 있는 인터리브 PFC 제어방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인터리브 PFC 제어방법은 인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비를 동일하게 설정하는 단계; 설정된 듀티비에 따라 제1부스트컨버터만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제2출력전압을 도출하는 단계; 도출한 제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계; 및 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 다른 경우, 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일해지도록 제1부스트컨버터 또는 제2부스트컨버터의 듀티비를 조정하는 단계;를 포함한다.
제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계 이후에, 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일한 경우, 제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비를 유지하는 단계;를 포함한다.
듀티비를 조정하는 단계는, 제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
제2부스트컨버터의 듀티비 증가량은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.
d=(V1-V2)×a
d: 듀티비 증가량, V1: 제1출력전압, V2: 제2출력전압, a: 변환계수
듀티비를 조정하는 단계는, 제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
제2부스트컨버터의 듀티비 감소량은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.
d=(V2-V1)×a
d: 듀티비 증가량, V1: 제1출력전압, V2: 제2출력전압, a: 변환계수
제1출력전압과 제2출력전압을 도출하는 단계는, 제1부스트컨버터만이 온 된 경우, 인터리브 PFC의 최대출력전압을 제1출력전압으로 도출하고, 제2부스트컨버터만이 온 된 경우, 인터리브 PFC의 최대출력전압을 제2출력전압으로 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인터리브 PFC 시스템은 인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터; 인터리브 PFC 내부에 마련되어 제1부스트컨버터와 병렬로 연결되는 제2부스트컨버터; 제1부스트컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 전류센서; 및 제1부스트컨버터만을 온했을 때의 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터만을 온했을 때의 출력전압인 제2출력전압의 크기를 비교하여 제2부스트컨버터의 듀티비를 조정하는 제어부;를 포함한다.
제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비는 동일한 것을 특징으로 한다.
제어부는, 제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
제어부는, 제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 기존의 인터리브 PFC 회로보다 인덕터전류를 감지하는 센서의 수를 감소시킬 수 있으므로 회로의 원가가 절감되는 효과가 있다.
둘째, 각 부스트컨버터의 듀티비 조절을 통하여 각 부스트컨버터의 인덕터 전류의 전류밸런싱 제어가 가능하게 되어 PFC의 출력전압 리플을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인터리브 PFC 제어방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인터리브 PFC 시스템의 구성도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
두 개의 부스트컨버터를 포함하는 인터리브 PFC는 한 개의 부스트컨버터만을 포함하는 단일형 PFC보다 손실이 적어 PFC의 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 180도의 위상차이를 가지고 교차하며 스위칭되는 각 컨버터를 정밀하게 제어하지 못하면 각부스트컨버터 인덕터 전류의 전류밸런싱 제어가 되지 않아 오히려 단일형 PFC보다 성능이 떨어지게 될 수 있다. 따라서 인터리브 PFC에서는 정밀한 부스트컨버터 스위칭 제어가 필수적인바, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 제어방법을 제시하고 있다.
본 발명에 따른 인터리브 PFC 제어방법은 도1에서 도시한 바와 같이 인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 동일하게 설정하는 단계(S100); 설정된 듀티비에 따라 제1부스트컨버터(100)만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터(200)만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제2출력전압을 도출하는 단계(S200); 도출한 제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계(S300); 및 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 다른 경우, 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일해지도록 제1부스트컨버터(100) 또는 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 조정하는 단계;를 포함한다.
여기서 듀티비란 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 흔히 사용되는 용어로써 PWM 신호의 한 주기 중 턴 온 되는 시간의 비율을 의미한다. 따라서 스위칭 회로를 포함하는 PFC에 있어서 듀티비를 조정한다는 것은 PFC 내부의 스위치의 온 시간을 조절하는 것과 동일한 의미를 가지므로 결국 PFC 전압과 전류의 값에 영향을 미치게 된다.
본 발명은 이러한 점에 착안하여 인터리브드 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 듀티비 조정을 통해 각 부스트컨버터에서 출력되는 출력전류의 전류밸런싱제어를 하는 방법을 제시하고 잇는 것이다.(본 설명에서의 전류밸런싱이랑 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 출력전류 크기 변화는 없는 상태로 위상차이만이 존재하는 것을 의미하며, 전류밸런싱의 효율이 이상적인 경우에는 출력전류의 최대크기는 동일하고 위상차이는 180°가 될 것이다.)
따라서, 본 발명의 실시를 위한 첫 단계는 앞서 언급한 바와 같이 듀티비 설정단계(S100)이다. 인터리브드 PFC의 동작 초기에는 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 출력전류의 전류밸런싱 제어가 이뤄지지 않은 상태이므로 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 어느 정도 조절해야 되는지에 대한 정보도 없는 상태이다. 그러므로 우선적으로 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 동일하게 설정하여 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)를 동작시킴으로써 듀티비 조절을 위한 정보값을 얻게 되는 것이다.
그리고 그 단계가 바로 도1에서 도시한 바와 같이 제1출력전압, 제2출력전압 도출단계(S200)이다. 제1출력전압은 제1부스트컨버터(100)만이 온 되고 제2부스트컨버터(200)는 오프되었을 때 인터리브 PFC의 출력전압을 의미하며, 제2출력전압은 제2부스트컨버터(200)만이 온되고 제1부스트컨버터(100)는 오프되었을 때 인터리브 PFC의 출력전압을 의미한다.
다만, 제1부스트컨버터(100) 또는 제2부스트컨버터(200)만이 온 되었을 때의 PFC 출력전압도 시간의 변화에 따라 값이 달라지는바, 구체적으로 어느 지점을 PFC 출력전압으로 볼 것인가 문제된다. 따라서 본 발명에서는 이를 위한 구체적인 기준으로 제1부스트컨버터(100)만이 온 된 경우에는 인터리브 PFC의 최대출력전압을 제1출력전압으로 도출하고, 제2부스트컨버터(200)만이 온 된 경우에는 인터리브 PFC의 최대출력전압을 제2출력전압으로 도출하는 방법을 제시하고 있다.
앞서 언급한 방식에 따라 제1출력전압과 제2출력전압을 도출하였다면, 이를 바탕으로 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 전류밸런싱 제어가 되고 있는지를 판단하는 단계가 필요한데, 이 과정이 제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계(S300)이다. 여기서 전류밸런싱 제어를 위하여 각각 부스트컨버터의 전류를 보는 것이 아니라 인터리브 PFC 출력전압을 보는 이유는 부스트컨버터의 각각 전류를 보기 위해서는 각 부스트컨버터의 인덕터 출력단에 전류센서(300)를 추가하여야 할 필요가 있으나, 인터리브 PFC 출력전압의 경우에는 별도의 센서 추가 없이 기존의 센서를 활용할 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명에 따를 경우 기존의 두 개의 전류 센서를 이용한 인터리브드 PFC 제어와 달리 한 개의 전류 센서만을 이용하더라도 효율적인 제어가 가능하게 되므로 원가 절감 및 사이즈 축소의 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.
제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계(S300)에서 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일하다면, 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 전류밸런싱제어가 효율적으로 이루어지고 있는 상태이므로 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 조정해야 할 필요가 없게 된다. 따라서 이 경우에는 도1에서 도시한 바와 같이 듀티비 유지단계(S460)를 수행하게 된다.
문제는 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 상이하여 듀티비를 조정해야 하는 경우이다. 이 경우 있을 수 있는 인터리브드 PFC의 상태는 크게 두 가지이다. 하나는 제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우이고, 다른 하나는 제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우일 것이다. 본 발명에서는 각각의 경우에 대하여 제어방법을 제시하고 있는데 이를 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.
우선 제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우는 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 증가시키는 단계(S420)를 제시하고 있는데 이는 도1에서도 확인할 수 있다. 제1 출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 크다는 것은 제1부스트컨버터(100)의 턴온에 따른 전류량이 제2부스트컨버터(200)의 턴온에 따른 전류량보다 크다는 것을 의미하므로 이 경우에는 제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 동일하게 맞추어 주기 위해 제2부스트컨버터(200)의 턴온 비율인 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 증가시키는 것이다.
다만, 듀티비를 증가시키는 것도 제2출력전압과 제1출력전압이 동일하게 되는 정도까지만 증가시켜야 하므로 듀티비를 얼만큼 증가시킬 것인가 하는 부분도 중요한데, 이를 위하여 본 발명에서는 하기의 수식을 이용하여 제2부스트컨버터(200)의 듀티비 증가량을 도출하는 방법을 제시하고 있다.
d=(V1-V2)×a
d: 듀티비 증가량, V1: 제1출력전압, V2: 제2출력전압, a: 변환계수
여기서 변환계수는 출력전압의 단위를 듀티비 단위로 바꾸기 위한 변환계수로써 그 값은 부스트컨버터 및 인터리브드 PFC의 목적 및 특성에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.
반면에 제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우에는 도2에서 도시하고 있는 바와 같이 앞선 경우와 반대로 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 감소시키는 단계(S440)를 수행하게 되며, 본 발명에서는 제2부스트컨버터(200)의 듀티비 감소량을 도출하는 방법으로 하기의 수식을 제시하고 있다.
d=(V2-V1)×a
d: 듀티비 증가량, V1: 제1출력전압, V2: 제2출력전압, a: 변환계수
여기서의 변환계수값은 앞서 언급한 듀티비 증가량을 도출하는 수식에서의 변환계수와 동일한 값을 가진다. 왜냐하면 변환계수는 각부스트컨버터 및 인터리브드 PFC의 하드웨어적 특성에 의하여 결정되는 것이고 PWM 제어에 따른 인터리브드 PFC 동작에 의해 결정되는 것은 아니기 때문이다.
본 발명에 따른 인터리브 PFC 시스템은 인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터(100); 인터리브 PFC 내부에 마련되어 제1부스트컨버터(100)와 병렬로 연결되는 제2부스트컨버터(200); 제1부스트컨버터(100)의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 전류센서(300); 및 제1부스트컨버터(100)만을 온했을 때의 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터(200)만을 온했을 때의 출력전압인 제2출력전압의 크기를 비교하여 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 조정하는 제어부(400);를 포함할 수 있다.
앞서 살펴본 본 인터리브 PFC 시스템에 따른 제1부스트컨버터(100)와 제2부스트컨버터(200)의 듀티비는 동일하게 설정될 수 있으며, 제어부(400)는 제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우에는 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 증가시키는 제어를 수행하고, 제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우에는 제2부스트컨버터(200)의 듀티비를 감소시키는 제어를 수행하게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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.
S100: 듀티비 설정단계 S200: 제1출력전압, 제2출력전압 도출단계
S420: 제2부스트컨버터 듀티비 증가단계 S440: 제2부스트컨버터 듀티비 감소단계
S460: 듀티비 유지단계 100: 제1부스트컨버터
200: 제2부스트컨버터 300: 전류센서
400: 제어부

Claims (11)

  1. 인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비를 동일하게 설정하는 단계;
    설정된 듀티비에 따라 제1부스트컨버터만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터만이 온 된 경우 인터리브 PFC 출력전압인 제2출력전압을 도출하는 단계;
    도출한 제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계; 및
    제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 다른 경우, 제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일해지도록 제1부스트컨버터 또는 제2부스트컨버터의 듀티비를 조정하는 단계;를 포함하는 인터리브 PFC 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1출력전압과 제2출력전압의 크기를 비교하는 단계 이후에,
    제1출력전압과 제2출력전압의 크기가 동일한 경우, 제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비를 유지하는 단계;를 포함하는 인터리브 PFC 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    듀티비를 조정하는 단계는,
    제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제2부스트컨버터의 듀티비 증가량은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 제어방법.
    d=(V1-V2)×a
    d: 듀티비 증가량, V1: 제1출력전압, V2: 제2출력전압, a: 변환계수
  5. 청구항 1에 있어서,
    듀티비를 조정하는 단계는,
    제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제2부스트컨버터의 듀티비 감소량은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 제어방법.
    d=(V2-V1)×a
    d: 듀티비 증가량, V1: 제1출력전압, V2: 제2출력전압, a: 변환계수
  7. 청구항 1에 있어서,
    제1출력전압과 제2출력전압을 도출하는 단계는,
    제1부스트컨버터만이 온 된 경우, 인터리브 PFC의 최대출력전압을 제1출력전압으로 도출하고, 제2부스트컨버터만이 온 된 경우, 인터리브 PFC의 최대출력전압을 제2출력전압으로 도출하는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 제어방법.
  8. 인터리브 PFC 내부에 마련되는 제1부스트컨버터;
    인터리브 PFC 내부에 마련되어 제1부스트컨버터와 병렬로 연결되는 제2부스트컨버터;
    제1부스트컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 전류센서; 및
    제1부스트컨버터만을 온했을 때의 출력전압인 제1출력전압과 제2부스트컨버터만을 온했을 때의 출력전압인 제2출력전압의 크기를 비교하여 제2부스트컨버터의 듀티비를 조정하는 제어부;를 포함하는 인터리브 PFC 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제1부스트컨버터와 제2부스트컨버터의 듀티비는 동일한 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    제어부는,
    제1출력전압의 크기가 제2출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    제어부는,
    제2출력전압의 크기가 제1출력전압의 크기보다 큰 경우, 제2부스트컨버터의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 인터리브 PFC 시스템.
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