KR20180078772A - Ｐｆｃ 부스트 컨버터 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PFC 부스트 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로는 센싱 회로의 구성을 간소화함과 아울러, 스위칭 소자의 제어 알고리즘을 간소화시킨 PFC 부스트 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 복수의 인덕터와 각 인덕터에 대응하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 회로부와, 복수의 인덕터 중 어느 하나의 인덕터 전류를 센싱하는 센싱부 및 회로부의 입력전압, 출력링크 전압 및 센싱부로부터 센싱된 전류값을 이용하여 복수의 스위칭 소자를 모두 제어하는 제어부를 구비하므로, 제어부의 제어 알고리즘이 간소화되고 제어 요소가 줄어든다.

Description

ＰＦＣ 부스트 컨버터 및 그 제어방법{PFC boost converter and control method thereof}
본 발명은 PFC 부스트 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로는 센싱 회로의 구성을 간소화함과 아울러, 스위칭 소자의 제어 알고리즘을 간소화한 PFC 부스트 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 역률 개선을 위한 용도로 사용되는 2상 인터리빙 방식의 PFC(Power factor correction) 부스트 컨버터에는 2개의 센싱 회로가 마련되어, 각 상의 인덕터 전류를 측정하도록 구성되어 있다.
즉, 종래의 PFC 부스트 컨버터는 각 상에 인덕터와 스위칭 소자가 구비되어 있고, 마이크로컨트롤러가 각 상의 센싱 회로에서 측정되는 인덕터 전류에 따라 각 상의 스위칭 소자를 개별적으로 제어함으로써, 입력전압과 인덕터 전류가 동상이 되게 하는 전류 제어를 수행하게 된다.
한편, 종래의 PFC 부스트 컨버터에는 각 상의 인덕터 전류를 측정하기 위한 2개의 센싱 회로가 필수적으로 요구됨에 따라, 제조 원가를 최소화하기 매우 곤란한 문제점이 있다.
그리고, 종래의 PFC 부스트 컨버터의 마이크로컨트롤러에는 수학적인 모델링을 통해 구현된 제어 알고리즘이 탑재되게 되는데, 그 제어 알고리즘은 각 상별로 전류 제어를 수행함과 동시에 출력링크 전압을 제어할 수 있도록 구현되어야 하고 목표 역률을 만족시킬 수 있어야 했다.
즉, 종래의 PFC 부스트 컨버터의 마이크로컨트롤러에는 각 상의 인덕터 전류를 기초로 2개의 스위칭 소자를 각각 제어할 수 있도록 제어 알고리즘이 구현되어야 하므로, 그 제어 알고리즘이 복잡해지고 그 설계 과정이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 센싱 회로를 간소화할 수 있는 PFC 부스트 컨버터 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전류 제어 및 전압 제어를 위한 제어 알고리즘을 간소화할 수 있는 PFC 부스트 컨버터 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 직류 전원이 입력되며 상호 병렬인 복수의 인덕터와, 각 인덕터에 대응하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 회로부; 상기 복수의 인덕터 중 어느 하나의 인덕터 전류를 센싱하는 센싱부; 및 상기 회로부의 출력링크 전압 및 상기 센싱부로부터 센싱된 전류값을 이용하여, 상기 복수의 스위칭 소자를 모두 제어하는 제어부;를 포함하는 PFC 부스트 컨버터를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 회로부의 출력링크 전압에 기반하여 전류 기준값을 계산하고, 상기 센싱부에서 측정된 전류값과 전류 기준값 간의 오차에 따라 상기 복수의 스위칭 소자 중 상기 센싱부가 센싱한 상의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 듀티를 계산하여 출력한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 계산된 PWM 듀티로부터 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 출력하여, 상기 복수의 스위칭 소자 중 다른 하나의 스위칭 소자를 제어한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 회로부는, 상기 복수의 인덕터 중 어느 하나인 제 1인덕터가 1상에 위치하고, 상기 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나인 제 1스위칭 소자와 제 1다이오드가 상기 제 1인덕터에 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 회로부는, 상기 복수의 인덕터 중 다른 하나인 제 2인덕터가 2상에 위치하고, 상기 복수의 스위칭 소자 중 다른 하나인 제 2스위칭 소자와 제 2다이오드가 상기 제 2인덕터에 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 센싱부는 1상 또는 2상의 전류를 센싱하는 전류 센서이다.
또한, 본 발명은 PFC 부스트 컨버터에서 수행되는 PFC 부스트 컨버터의 제어방법으로서, (1) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 출력링크 전압에 기반하여 전류 기준값을 계산하는 단계; (2) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 1상 또는 2상의 전류를 측정하는 단계; 및 (3) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 상기 측정된 전류값과 전류 기준값 간의 오차에 따라 복수의 스위칭 소자 중 상기 센싱된 상의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 듀티를 계산하여 출력하는 단계;를 포함하는 PFC 부스트 컨버터의 제어방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, (4) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 상기 계산된 PWM 듀티로부터 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 출력하여 상기 복수의 스위칭 소자 중 다른 하나의 스위칭 소자를 제어하는 단계;를 더 포함한다.
전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 복수의 인덕터와 각 인덕터에 대응하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 회로부와, 복수의 인덕터 중 어느 하나의 인덕터 전류를 센싱하는 센싱부 및 회로부의 입력전압, 출력링크 전압 및 센싱부로부터 센싱된 전류값을 이용하여 복수의 스위칭 소자를 모두 제어하는 제어부를 구비하므로, 센싱 회로를 간소화할 수 있고 제조 원가도 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 제어부는 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나의 제어를 위한 PWM 듀티만을 계산하도록 구비되므로, 해당 제어부의 제어 알고리즘 및 제어 요소가 간소화되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터를 설명하기 위한 도면.
도 2는 PFC 부스트 컨버터의 제어부에서 수행되는 제어 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터의 제어방법을 설명하기 위한 도면.
하기의 설명에서 본 발명의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 PFC 부스트 컨버터의 제어부에서 수행되는 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터는, 회로부(110), 센싱부(120) 및 제어부(130)를 포함하여 구성된다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터의 입력단에는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 정류기(10)가 구비될 수 있다. 그리고, 후술할 회로부(110)의 입력단과 출력단에는 각각 커패시터(20) 및 링크 커패시터(30)가 병렬로 연결될 수 있다.
상기 회로부(110)는 역률 개선을 위한 것으로, 정류기(10)의 출력단에 연결되고 직류 전원이 입력되며, 복수의 인덕터(111a, 111b), 복수의 스위칭 소자(112a, 112b) 및 복수의 다이오드(113a, 113b)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 회로부(110)에는 n개의 상이 구비될 수 있다.
상기 복수의 인덕터(111a, 111b)는 상호 병렬로 연결되는 제 1인덕터(111a) 및 제 2인덕터(111b)를 포함한다. 다만, 상기 복수의 인덕터(111a, 111b)는 상의 개수에 따라 증감될 수 있다.
그리고, 2개의 상이 존재할 경우, 상기 제 1인덕터(111a)는 1상에 위치하고 정류기(10)의 출력단에 직렬로 연결되며, 상기 제 2인덕터(111b)는 2상에 위치하고 정류기(10)의 출력단 및 상기 제 1인덕터(111a)의 입력단 사이에 연결될 수 있다.
상기 복수의 스위칭 소자(112a, 112b)는 각각의 인덕터에 대응하는 제 1스위칭 소자(112a) 및 제 2스위칭 소자(112b)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제 1스위칭 소자(112a)는 상기 제 1인덕터(111a)의 출력단에 연결되고, 상기 제 2스위칭 소자(112b)는 상기 제 2인덕터(111b)의 출력단에 연결된다. 그리고, 상기 제 1스위칭 소자(112a) 및 상기 제 2스위칭 소자(112b)는 후술할 제어부(130)의 제어하에, 턴온 또는 턴오프되도록 구비될 수 있다.
상기 복수의 다이오드(113a, 113b)는 제 1다이오드(113a) 및 제 2다이오드(113b)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제 1다이오드(113a)는 상기 제 1인덕터(111a)의 출력단에 직렬로 연결되고, 상기 제 2다이오드(113b)는 상기 제 2인덕터(111b)의 출력단에 직렬로 연결될 수 있다.
상기 센싱부(120)는 상기 회로부(110)에 흐르는 전류를 측정하기 위한 것으로, 특히, 상기 복수의 인덕터(111a, 111b) 중 어느 하나의 인덕터 전류를 측정하고 상기 측정된 전류값을 후술할 제어부(130)로 출력하는 기능을 수행한다.
바람직하게, 상기 센싱부(120)는 전류 센서로 구비될 수 있고, 상기 회로부(110)의 1상과 2상에 모두 구비되는 것이 아니라 1상 또는 2상에만 구비되며, 상기 회로부(110)에 n개의 상이 존재하더라도 하나의 상에만 구비됨으로써, 센싱 회로를 간소화하고 제조 원가를 절감할 수 있다.
상기 제어부(130)는 상기 회로부(110)를 제어하기 위한 것으로, 특히, 상기 센싱부(120)에 구비된 제 1스위칭 소자(112a) 및 제 2스위칭 소자(112b)를 제어하는 기능을 수행한다.
특히, 상기 제어부(130)는 상기 회로부(110)의 입력전압 및 출력링크 전압과, 상기 센싱부(120)로부터 측정된 1상 또는 2상의 전류값을 이용하여 상기 제 1스위칭 소자(112a) 및 상기 제 2스위칭 소자(112b)를 모두 제어할 수 있다.
이를 위하여, 도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 제어부(130)는 전압제어기를 이용하여 출력링크 기준전압(VLINK _REF)과 상기 회로부(110)의 출력링크 전압(VLINK) 간의 오차에 따른 기준 전류의 크기를 계산하고, 입력 전압(VREC)을 입력 전압의 크기(VREC _PK)로 나누어 입력 전압(VREC)과 동상이며 크기가 1인 기준 전류의 위상을 계산한 다음, 기준전류의 크기와 위상을 곱하여 전체 기준 전류를 계산하며, 그 전체 기준 전류를 상의 개수로 나눠 각 상의 전류 기준값(IREF)을 계산할 수 있다.
그 다음, 상기 센싱부(120)에서 측정된 전류값(IL1)과 전류 기준값(IREF) 간의 오차에 따라 1상에 위치한 제 1스위칭 소자(112a)의 제어를 위한 PWM 듀티를 계산할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(130)는 상기 계산된 PWM 듀티를 제 1스위칭 소자(112a)로 출력하되, 제 2스위칭 소자(112b)에는 상기 계산된 PWM 듀티로부터 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 출력함으로써, 2개의 스위칭 소자를 모두 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(130)는 360°를 상의 개수로 나눠 상기 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 계산할 수 있다. 예컨대, 2개의 상이 존재하는 경우에는 180°의 위상 차이를 갖게 된다.
즉, 상기 제어부(130)는 n개의 상 중에서 하나의 상에 대한 전류값을 이용하여, n개의 상에 각각 위치한 스위칭 소자를 모두 제어할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터는 센싱부(120)를 간소화할 수 있음은 물론이고, 제어부(130)의 제어 알고리즘도 간소화되고 제어 요소가 줄어드는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터의 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터에서 수행되는 PFC 부스트 컨버터의 제어방법을 설명한다.
다만, 도 3에 도시된 PFC 부스트 컨버터의 제어방법에서 수행되는 기능은 모두 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 PFC 부스트 컨버터에서 수행되므로, 명시적인 설명이 없어도, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 모든 기능은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터의 제어방법에서 수행되고, 도 3을 참조하여 설명하는 모든 기능은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PFC 부스트 컨버터에서 그대로 수행됨을 주의해야 한다.
먼저, 제어부가 회로부의 출력링크 전압에 기반하여 전류 기준값을 계산한다(S110).
이때, 상기 제어부는 출력링크 기준전압과 상기 회로부의 출력링크 전압 간의 오차에 따른 기준 전류의 크기를 계산하고, 입력 전압을 입력 전압의 크기로 나누어 입력 전압과 동상이며 크기가 1인 기준 전류의 위상을 계산한 다음, 기준전류의 크기와 위상을 곱하여 전체 기준 전류를 계산하며, 그 전체 기준 전류를 상의 개수로 나눠 각 상의 전류 기준값을 계산할 수 있다.
다음, 센싱부가 1상 또는 2상의 전류를 측정한다(S120).
이때, 상기 센싱부는 1상과 2상에 모두 구비되는 것이 아니라 1상 또는 2상에만 구비되는 간소화된 구조를 갖는다. 그리고, 상기 센싱부는 상기 회로부에 구성된 인덕터들 중에서 1상에 위치한 인덕터 전류를 측정하여 상기 제어부로 출력하게 된다.
그 다음, 상기 제어부가 상기 센싱부로부터 측정된 전류값과 전류 기준값 간의 오차에 따라 복수의 스위칭 소자 중 1상이 위치한 제 1스위칭 소자의 제어를 위한 PWM 듀티를 계산한다(S130).
그 다음에는, 상기 제어부가 상기 제 1스위칭 소자의 제어를 위한 PWM 듀티를 출력하면서, 상기 계산된 PWM 듀티로부터 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 2상에 위치한 제 2스위칭 소자로 출력한다(S140).
즉, 상기 제어부는 제 1스위칭 소자 및 제 2스위칭 소자를 모두 제어할 수 있음에도 불구하고, 그 계산 과정은 제 1스위칭 소자의 PWM 듀티 만을 계산하므로, 계산 과정이 간소화될 수 있는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
110 : 회로부
111a : 제 1인덕터
111b : 제 1인덕터
112a : 제 1스위칭 소자
112b : 제 2스위칭 소자
113a : 제 1다이오드
113b : 제 2다이오드
120 : 센싱부
130 : 제어부

Claims (8)

  1. 직류 전원이 입력되며 상호 병렬인 복수의 인덕터와, 각 인덕터에 대응하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 회로부;
    상기 복수의 인덕터 중 어느 하나의 인덕터 전류를 센싱하는 센싱부; 및
    상기 회로부의 출력링크 전압 및 상기 센싱부로부터 센싱된 전류값을 이용하여, 상기 복수의 스위칭 소자를 모두 제어하는 제어부;를 포함하는 PFC 부스트 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 회로부의 출력링크 전압에 기반하여 전류 기준값을 계산하고, 상기 센싱부에서 측정된 전류값과 전류 기준값 간의 오차에 따라 상기 복수의 스위칭 소자 중 상기 센싱부가 센싱한 상의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 듀티를 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 PFC 부스트 컨버터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 PWM 듀티로부터 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 출력하여, 상기 복수의 스위칭 소자 중 다른 하나의 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 PFC 부스트 컨버터.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로부는,
    상기 복수의 인덕터 중 어느 하나인 제 1인덕터가 1상에 위치하고, 상기 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나인 제 1스위칭 소자와 제 1다이오드가 상기 제 1인덕터에 연결되는 것을 특징으로 하는 PFC 부스트 컨버터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회로부는,
    상기 복수의 인덕터 중 다른 하나인 제 2인덕터가 2상에 위치하고, 상기 복수의 스위칭 소자 중 다른 하나인 제 2스위칭 소자와 제 2다이오드가 상기 제 2인덕터에 연결되는 것을 특징으로 하는 PFC 부스트 컨버터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 센싱부는 1상 또는 2상의 전류를 센싱하는 전류 센서인 것을 특징으로 하는 PFC 부스트 컨버터.
  7. PFC 부스트 컨버터에서 수행되는 PFC 부스트 컨버터의 제어방법으로서,
    (1) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 출력링크 전압에 기반하여 전류 기준값을 계산하는 단계;
    (2) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 1상 또는 2상의 전류를 측정하는 단계; 및
    (3) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 상기 측정된 전류값과 전류 기준값 간의 오차에 따라 복수의 스위칭 소자 중 상기 센싱된 상의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 듀티를 계산하여 출력하는 단계;를 포함하는 PFC 부스트 컨버터의 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    (4) 상기 PFC 부스트 컨버터가, 상기 계산된 PWM 듀티로부터 기설정된 위상 차이를 갖는 PWM 듀티를 출력하여 상기 복수의 스위칭 소자 중 다른 하나의 스위칭 소자를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징을 하는 PFC 부스트 컨버터의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024039126A1 (ko) * 2022-08-17 2024-02-22 삼성전자주식회사 유도가열장치 및 유도가열장치의 제어방법

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