KR20170126141A - 대용량 양방향 dc-dc 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치 및 방법 - Google Patents

대용량 양방향 dc-dc 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 따른 양방향 DC-DC 컨버터는, PWM 신호에 대응하여 입력되는 전압을 승압 또는 강압시켜 출력하는 컨버터, 상기 PWM 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러, 상기 PWM 컨트롤러와 연결되어 상기 컨버터가 입력 전압을 승압 또는 감압시키도록 하는 PWM 신호인 제어신호를 출력하는 CPU를 포함하고,
상기 CPU는 복수의 PWM 컨트롤러에서 순차적으로 소정 시간 단위로 각자의 PWM 컨트롤러에 동기하고, 상기 PWM 컨트롤러의 PWM 신호에 따라 위상차에 의해 각 스위치 소자들 간 스위칭 동작 스위칭 동작한다.

Description

대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for large-capacity bi-directional DC/DC converter multiphase interleaved control}
본 발명은 입력되는 직류 전압을 승압 또는 강압시켜 출력하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 방법에 관한 것이다.
DC-DC 컨버터는, 벅 컨버터와 부스트 컨버터가 결합한 것으로 직류 전압의 강압 또는 승압 변환이 선택적으로 가능한 컨버터이다. 벅 컨버터는, 입력되는 직류 전압을 강압시켜 출력하고, 부스트 컨버터는, 입력되는 직류 전압을 승압시켜 출력한다.
일반적으로 대용량 컨버터 설계 시 직렬로 연결한 복수의 PWM Controller를 동기화하여 Phase를 증가시켜 출력 용량을 키운다.
기존의 대용량 컨버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러가 필요하고, Phase 간 균형을 위해 마스터 PWM 컨트롤러에서 PWM 신호가 나오면 슬레이브 PWM 컨트롤러로 들어가 동기를 맞춘다.
하지만, 직렬로 연결된 다상의 컨트롤러에 의해 제어되고, 이때 컨버터에서 출력되는 전류의 리플노이즈가 크게 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하기 위하여, 하나의 CPU에 다수의 의해 병렬로 연결된 다수의 PWM 컨트롤러를 이용하여 복수의 인버터를 병렬 제어하는 방법이 제시되었다. PWM 컨트롤러의 동작을 수행할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터를 다상 인터리브드 방법으로 제공한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 대용량 양방향 DC-DC 컨버터는 PWM컨트롤러와 연결되어 상기 컨버터 입력 전압을 승압 또는 강압시키도록 하는 PWM 신호인 제어신호를 출력하는 하는 CPU와 상기 CPU의 제어신호에 따라 동기화하여 컨버터에 PWM 신호를 출력하는 PWM컨트롤러와 상기 컨트롤러의 PWM 신호에 대응하여 입력되는 전압을 승압 또는 강압시켜 출력하는 컨버터를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 방법은 CPU가 PWM 컨트롤러에 컨버터 입력 전압을 승압 또는 강압시키도록 하는 PWM 신호인 제어신호를 출력하는 단계, 상기 PWM 컨트롤러가 상기 컨버터에 PWM 신호를 출력하는 단계, 상기 컨버터가 상기 PWM 신호에 대응하여 입력되는 전압을 강압 또는 승압시켜 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치 및 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 기존의 양방향 DC-DC 컨버터와 달리 하나의 CPU가 다상의 PWM 컨트롤러를 제어하여 발생하는 리플노이즈를 줄일 수 있으며 더 많은 컨트롤러를 확장할 때도 오차율 감소, 안정성 향상을 제공할 수 있다.
본 발명의 적용가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 컨버터가 벅 컨버터로 동작하는 경우의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터 및 그 제어 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명에 일실시예에 따른 다상 인터리브드 방법의 대용량 양방향 DC-DC 컨버터는 PWM 신호를 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러, 상기 PWM 컨트롤러(200,300)와 연결되어 상기 컨버터 입력 전압을 승압 또는 강압시키도록 하는 PWM 신호인 제어신호를 출력하는 CPU(100)를 포함한다.
상기 CPU(100)는 복수의 PWM 컨트롤러(200,300)에서 순차적으로 소정 시간 단위로 각각의 PWM 컨트롤러에 동기 할 수 있다. 상기 CPU(100)에 의하여 출력된 M_PWM 신호는 마스터 PWM 컨트롤러(200)에 입력되고, S_PWM 신호는 슬레이브 PWM컨트롤러(300)에 입력된다. 복수의 PWM 컨트롤러에 의해 복수의 컨버터를 각각 제어할 수 있다.
도 2는 양방향 DC-DC 컨버터의 컨버터를 나타내는 회로도이다.
본 발명에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는, PWM 신호에 대응하여 입력되는 전압을 승압 또는 강압시켜 출력하는 컨버터로서, 상기 컨버터는, PWM 컨트롤러(200,300)에서 출력되는 PWM 신호에 대응하여, 벅 컨버터로 동작하여 입력되는 전압을 강압시켜서 출력하거나, 부스트 컨버터로 동작하여 입력되는 전압을 승압시켜서 출력한다.
양방향 DC-DC 컨버터(400)가 부스트 모드로 동작하는 경우의 동작 모드를 설명한다. 부스트 컨버터의 동작이 필요한 경우, CPU(100)가 복수의 PWM 컨트롤러(200,300)로 연결된다. 이때 각각 PWM 컨트롤러에서 출력되는 PWM 신호가 컨버터(400)에 전달되면, 상기 컨버터(400)는 입력된 전압을 승압시켜서 출력한다.
상기 컨버터(400)가 부스트 모드로 동작을 하기 위해서는 마스터 PWM 컨트롤러(200)가 제어하는 M 1', M 2', M 3', M 4' 이 주 스위치로 사용되어 On/Off 제어가 되며, M 1, M 2, M 3, M 4 의 역병렬 다이오드는 환류다이오드로 동작한다.
또한 슬레이브 PWM 컨트롤러(300)가 제어하는 S 1', S 2', S 3', S4' 이 주 스위치로 사용되어 On/Off 제어가 되며, S 1, S 2, S 3, S 4의 역병렬 다이오드는 환류다이오드로 동작한다.
상기 M 1', M 2', M 3', M 4' 스위치가 On이 되면, LDC측의 충전된 전기 에너지가 스위치를 통해 인덕터에 자기에너지를 축적한다. M 1', M 2', M 3', M 4' 스위치 Off 시에는 LDC측의 전기 에너지와 인덕터에 축적된 에너지가 승압회로를 통해서 부하 측으로 전달되어 HDC 전압이 상승하고,
상기 S 1', S 2', S 3', S4' 스위치가 On이 되면, LDC측의 충전된 전기 에너지가 스위치를 통해 인덕터에 자기에너지를 축적한다. 상기 S 1’, S 2’, S 3’, S 4’ 스위치 Off 시에는 LDC측의 전기 에너지와 인덕터에 축적된 에너지가 승압회로를 통해서 부하 측으로 전달되어 HDC 전압이 상승한다.
이와 같이, 부스트 모드는 낮은 LDC 측의 전압을 HDC 측에서 요구하는 전압으로 승압시켜줌으로써 부하에 대한 안정적인 전압원이 될 수 있도록 전압을 유지시켜 준다. HDC 측의 경우 일정한 전압으로 유지되고 있기 때문에 필요한 전기 에너지를 LDC 로부터 지속적으로 공급받게 된다.
양방향 DC-DC 컨버터(400)가 벅 모드로 동작하는 경우의 동작 모드를 설명한다. 벅 컨버터의 동작이 필요한 경우, CPU(100)가 복수의 PWM 컨트롤러로 연결된다. 이때 PWM 컨트롤러에서 출력되는 PWM 신호가 컨버터(400)에 전달되면, 상기 컨버터(400)는 입력된 전압을 강압시켜서 출력한다.
상기 컨버터가 벅 모드로 동작하기 위해서는 마스터 PWM 컨트롤러가 제어하는 M 1, M 2, M 3, M 4 이 주 스위치로 사용되어 On/Off 제어가 되며, M 1’, M 2’, M 3’, M 4’ 의 역병렬 다이오드는 환류다이오드로 동작한다.
또한 슬레이브 PWM 컨트롤러가 제어하는 S 1, S 2, S 3, S4이 주 스위치로 사용되어 On/Off 제어가 되며, S 1’, S 2’, S 3’, S 4’의 역병렬 다이오드는 환류다이오드로 동작한다.
상기 M 1, M 2, M 3, M4 스위치가 On이 되어 HDC 측의 전기 에너지가 스위치와 인덕터를 거쳐 LDC 측으로 전달되어 저장된다. 상기 M1, M 2, M 3, M 4 스위치 Off 시에는 컨버터의 L 1, L 2, L 3, L4에 축적된 전기 에너지가 감압회로를 통해 환류되어 설계된 값만큼 전압이 강압되어 출력된다.
상기 S 1, S 2, S 3, S4 스위치가 On이 되어 HDC 측의 전기 에너지가 스위치와 인덕터를 거쳐 LDC 측으로 전달되어 저장된다. 상기 S 1, S 2, S 3, S 4 스위치 Off 시에는 컨버터의 L 5, L 6, L 7, L 8 에 축적된 전기 에너지가 감압회로를 통해 환류되어 설계된 값만큼 전압이 강압되어 출력된다.
도 3은 본 발명의 컨버터가 벅 컨버터로 동작하는 경우의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
다상 인터리브드 방법의 양방향 DC-DC 컨버터(400)는 각 위상이 360/N상의 위상차를 가지고 스위칭 동작을 수행한다. 본 실시예의 양방향 DC-DC 컨버터는 8상 인터브리드 방법으로 동작하므로, 스위칭 동작 사이의 위상차는 45도로 동작한다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터(400)는 4상 인터브리드 컨버터가 병렬로 연결된 것이므로, 상기 각각의 컨버터의 각 스위치 소자들 간 스위칭 동작 사이의 위상차는 90도로 동작한다. 이때 마스터 측 스위치 (M1~4)와 슬레이브 측 스위치(M5~8)에는 위상차가 존재하여, 상기 스위치들의 위상차는 45도 이다.
본 실시예의 양방향 DC-DC 컨버터(400)에서의 마스터 측 제1 스위치(M 1)의 턴 온(turn-on)시간과 슬레이브 측 제1 스위치(S 1)의 턴 온(turn-on) 시간이 존재한다. 상기 스위치의 온 시간에 의해 인덕터에 전류가 충전되는 구간과 상기 인덕터에 저장된 전류가 방전되는 구간으로 나누어지며, 각각의 스위치가 On 상태가 되는 시간에는 각 스위치와 연결된 인덕터 소자에 흐르는 전류는 감소하고 스위치가 Off 상태 시에는 전류가 증가한다.
이때 마스터 측 인덕터 전압(IL1~4)과 슬레이브 측 인덕터 전압(IL5~8)에는 위상차가 존재한다. 상기 인덕터에 의해 입력 전류가 위상차를 갖고 각 인덕터 소자에 분배되어 흐르므로 출력 전류(ILDC)는 인터브리드 동작에 의하여 전체 리플이 감소함을 보여주고 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: CPU
200: 마스터 PWM 컨트롤러
300: 슬레이브 PWM 컨트롤러
400: 양방향 DC-DC 컨버터

Claims (9)

  1. PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러와 연결되어 상기 컨버터 입력 전압을 승압 또는 강압 시키도록 하는 PWM 신호인 제어신호를 출력하는 하는 CPU;
    상기 CPU의 제어신호에 따라 동기화하여 컨버터에 PWM 신호를 출력하는 PWM컨트롤러;
    상기 컨트롤러의 PWM 신호에 대응하여 입력되는 전압을 승압 또는 강압시켜 출력하는 컨버터;
    를 포함하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    CPU는 복수의 PWM 컨트롤러에서 순차적으로 소정 시간 단위로 각자의 PWM 컨트롤러에 동기화하는 것을 특징으로 하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    컨버터는 복수의 컨버터가 병렬로 연결되어 복수의 PWM 컨트롤러에 의해 각각 제어되는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    컨버터는 상기 PWM 컨트롤러의 신호에 따라 위상차에 의해 각 스위치가 스위칭 동작하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    스위치는 상기 PWM 컨트롤러의 PWM 신호에 따라 턴 온(turn-on)시간이 제어되는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 장치.
  6. CPU가 PWM 컨트롤러에 컨버터 입력 전압을 승압 또는 강압시키도록 하는 PWM 신호인 제어신호를 출력하는 단계;
    상기 PWM 컨트롤러가 상기 컨버터에 PWM 신호를 출력하는 단계;
    상기 컨버터가 상기 PWM 신호에 대응하여 입력되는 전압을 강압 또는 승압시켜 출력하는 단계;
    를 포함하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    제어신호를 출력하는 단계는
    복수의 PWM 컨트롤러에서 순차적으로 소정 시간 단위로 각자의 PWM 컨트롤러에 동기화하는 제어 신호를 각각 전송하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    전압을 강압 또는 승압하여 출력하는 단계는
    상기 PWM 컨트롤러의 PWM 신호에 따라 위상차에 의해 각 스위치 소자들 간 스위칭 동작 스위칭 동작하는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 스위치가 상기 PWM 컨트롤러의 신호에 따라 턴 온(turn-on)시간이 제어되는 대용량 양방향 DC-DC 컨버터 다상 인터리브드 제어 방법.
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