KR20190052353A - 모듈들을 그룹별로 제어하는 컨버터시스템 및 방법 - Google Patents

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백종복
채수용
송유진
오세승
백승우
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한국에너지기술연구원
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Abstract

일 실시예는, 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈; 상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하는 제어기; 및 상기 복수의 컨버터그룹 각각에 대응하여 배치되고, 상기 컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하고, 상기 컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 복수의 모듈선택기를 포함하는 컨버터시스템을 제공한다.

Description

모듈들을 그룹별로 제어하는 컨버터시스템 및 방법{CONVERTER SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING MODULES BY GROUP}
본 실시예는 전력을 변환하는 컨버터시스템에 관한 것이다.
연료전지는 태양광이나 풍력과 달리 사용자 요구특성에 따른 출력 제어가 가능한 대표적 신재생 분산 에너지원으로 최근 무인항공기, 자동차, 잠수함 등 이동형 시스템의 전력 공급원으로 널리 사용되고 있다. 이러한 이동형 시스템에 적용되는 연료전지 스택의 소형화와 고출력화는 시스템의 무게 감소와 효율 향상에 매우 중요한 요소이다.
한편, 고출력 연료전지 스택의 효율적 전력변환을 위해 DC-DC 컨버터가 사용되고 있는데, 이러한 DC-DC 컨버터는 동일 용량 모듈을 인터리빙 방식으로 병렬 구성하면 처리 전력의 증가와 전류 리플의 감소가 비교적 손쉽게 가능한 특성을 보인다.
그런데, 이러한 병렬 구성방식은 신뢰성 향상과 전력처리 용량 증가에 매우 유리한 구조이지만 병렬 모듈간 전력처리 불균형이 발생하기 쉽고 전체 부하 운전구간에서 고효율 동작이 어려운 단점이 있다. 특히, 이동형 시스템에서는 제한된 연료의 양을 가지고 최대한 장시간 운전하는 것이 필요하며 이를 위해 DC-DC 컨버터의 고효율화를 통한 손실 저감은 매우 중요한 요소이다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 병렬 운전되는 복수의 컨버터모듈들이 전체 부하 운전구간에서 고효율 동작하는 컨버터시스템 및 그 제어방법에 관한 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈; 상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하는 제어기; 및 상기 복수의 컨버터그룹 각각에 대응하여 배치되고, 상기 컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하고, 상기 컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 복수의 모듈선택기를 포함하는 컨버터시스템을 제공한다.
다른 실시예는, 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈을 제어하는 방법에 있어서, 상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하는 단계; 상기 컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하는 단계; 상기 컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하는 단계; 및 상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 단계를 포함하는 제어방법을 제공한다.
또 다른 실시예는, 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈; 상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하고, 상기 복수의 컨버터그룹 중 일부를 가변컨버터그룹으로 선택하는 제어기; 및 복수의 상기 가변컨버터그룹 각각에 대응하여 배치되고, 상기 가변컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 가변컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하고, 상기 가변컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 가변컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 복수의 모듈선택기를 포함하는 컨버터시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 병렬 운전되는 복수의 컨버터모듈들이 전체 부하 운전구간에서 고효율로 동작하는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 컨버터시스템의 구성도이다.
도 2는 컨버터모듈의 일 예시 효율 곡선 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 컨버터그룹 및 모듈선택기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 효율맵의 일 예시 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 모듈선택기의 구성도를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 컨버터시스템을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 7은 효율맵을 다르게 설정하는 일 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 그룹핑과 효율맵을 변경하는 일 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제어기가 가변컨버터그룹을 설정하여 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 인에이블 신호의 파형도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 컨버터시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 컨버터시스템(100)은 복수의 컨버터모듈(140), 제어기(110) 및 복수의 모듈선택기(120) 등을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터모듈(140)은 입력노드(Ni) 및 출력노드(No)를 공유하며 서로 병렬로 연결될 수 있다.
복수의 컨버터모듈(140)은 복수의 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)으로 그룹핑될 수 있다.
각각의 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에는 적어도 하나의 컨버터모듈(140)이 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1컨버터그룹(130a)에는 i(i는 자연수)개의 컨버터모듈(140)이 포함될 수 있고, 제2컨버터그룹(130b)에는 j(j는 자연수)개의 컨버터모듈(140)이 포함될 수 있으며, 제n컨버터그룹(130n)에는 n(n은 자연수)개의 컨버터모듈(140)이 포함될 수 있다.
각 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)을 구성하는 컨버터모듈(140)의 개수는 동일할 수도 있으나 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 제1컨버터그룹(130a)을 구성하는 컨버터모듈(140)의 개수 i와 제2컨버터그룹(130b)을 구성하는 컨버터모듈(140)의 개수 j는 서로 다를 수 있다.
각각의 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에서 컨버터모듈(140)은 서로 인터리빙(interleaving)될 수 있다. 인터리빙이란 PWM(Pulse Width Modulation) 등에서 듀티(duty)의 페이즈(phase)가 서로 엇갈리면서 제어되는 것으로, 이러한 인터리빙에 의하면 리플이 감소하고 소자의 크기가 작아지는 효과가 있다.
컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)은 물리적인 배치나 연결에 제한되지 않는, 제어적인 측면의 그룹일 수 있다. 이러한 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)은 제어기(110)에 의해 정의될 수 있다. 제어기(110)는 복수의 컨버터모듈(140)을 복수의 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)으로 그룹핑할 수 있다.
컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)을 구성하는 컨버터모듈(140)은 제어기(110)에 의해 주기적으로 혹은 비주기적으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 제어기(110)는 일정한 주기마다 컨버터모듈(140)이나 컨버터시스템(100)의 상태를 파악하고, 파악된 상태에 따라 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)을 구성하는 컨버터모듈(140)을 변경할 수 있다.
각 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에 대응하여 복수의 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)가 배치될 수 있다. 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)는 하드웨어적으로 별도의 기기로 구성될 수도 있으나, 하나의 기기로 구성되고, 소프트웨어적으로 복수의 블록으로 구분될 수 있다. 또는, 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)는 하드웨어적으로 제어기(110)와 하나의 기기에 속할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 제어기(110)는 생성하는 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에 따라 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)를 생성할 수 있으며 또한, 제거하는 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에 따라 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)를 제거할 수 있다.
모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)는 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n) 내의 컨버터모듈(140)의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장할 수 있다. 그리고, 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)는 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 제1변수값을 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n) 내에서 제2변수값에 해당되는 수의 컨버터모듈(140)을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신할 수 있다.
컨버터모듈은 처리하는 전력량에 따라 효율이 달라질 수 있는데, 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)는 각각의 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에서 각 컨버터모듈(140)이 최적의 효율로 작동될 수 있도록 각 컨버터모듈(140)의 처리전력량을 조절할 수 있는데, 이때, 모듈선택기(120a, 120b, ..., 120n)는 각각의 컨버터그룹(130a, 130b, ..., 130n)에서 인에이블되는 컨버터모듈(140)의 개수를 조절함으로써 각 컨버터모듈(140)의 처리전력량을 조절할 수 있다.
도 2는 컨버터모듈의 일 예시 효율 곡선 그래프이다.
도 2를 참조하면, 컨버터모듈이 90W의 전력을 처리하는 경우, 컨버터모듈의 효율은 97%가 되고, 컨버터모듈이 45W의 전력을 처리하는 경우, 컨버터모듈의 효율은 94%가 된다.
컨버터그룹이 이러한 효율 특성을 가지는 2개의 컨버터모듈을 병렬 운전한다고 가정해 보자.
이러한 컨버터그룹이 90W의 전력을 2개의 컨버터모듈로 병렬 처리하는 경우, 각각의 컨버터모듈은 45W의 전력을 처리하게 되어, 컨버터그룹의 효율은 94%가 된다.
반면에, 컨버터그룹이 90W의 전력을 하나의 컨버터모듈만을 이용하여 처리하는 경우, 해당 컨버터모듈은 90W의 전력을 처리하게 되고, 컨버터그룹의 효율은 97%가 된다.
이에 따르면, 컨버터그룹은 90W의 전력을 하나의 컨버터모듈로 처리하는 것이 효율 측면에서 더 유리하다.
본 실시예에 따른 컨버터그룹은 전체 부하 운전구간에서 고효율로 동작하기 위해 전력처리량에 따라 최적의 효율이 되는 컨버터모듈의 개수만큼만 동작시킨다.
예를 들어, 전술한 설명에서 컨버터모듈은 90W의 전력을 처리하기 위해 2개의 컨버터모듈을 모두 구동하지 않고 하나의 컨버터모듈만 동작시킨다.
도 3은 일 실시예에 따른 컨버터그룹 및 모듈선택기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 컨버터그룹(130)은 복수의 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)을 포함할 수 있다.
복수의 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 병렬로 연결되어 있는데, 각 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)의 입력단은 전력원과 연결되어 있고, 각 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)의 출력단은 부하와 연결되어 있다. 이러한 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 전력원으로부터 공급되는 전력을 변환하여 부하로 전달한다.
컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 전력원으로부터 공급되는 전력의 유형과 부하에서 소비되는 전력의 유형에 따라 서로 다른 형태가 될 수 있다. 예를 들어, 전력원이 교류 전력을 공급하고 부하가 직류 전력을 소비하는 경우, 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 AC-DC 컨버터의 형태가 될 수 있다. 또한, 전력원이 직류 전력을 공급하고 부하가 교류 전력을 소비하는 경우, 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 DC-AC 컨버터의 형태가 될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)가 DC-DC 컨버터의 형태가 되는 실시예에 대해 설명하나, 실시예들이 이로 제한되는 것은 아니다.
컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 제어방식에 따라 전압제어형 컨버터일 수 있고, 전류제어형 컨버터일 수 있다. 전압제어형 컨버터란 출력 전압을 제어하는 컨버터로 어댑터(Adapter) 장치가 전압제어형 컨버터의 대표적인 예시이다. 전류제어형 컨버터란 출력 전류를 제어하는 컨버터로 배터리 충전기가 전류제어형 컨버터의 대표적인 예시이다. 이하에서는 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)이 전류제어형 컨버터인 실시예에 대해 설명하나, 실시예들이 이로 제한되는 것은 아니다. 또한, 전류제어형 컨버터는 일반적으로 전압 피드백 루프를 통해 출력 전압을 제어하는 기능도 포함하고 있기 때문에 전류제어형 컨버터는 전압제어형 컨버터의 기능도 포함할 수 있는 것으로 이해해야한다.
컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 모듈선택기(120)에서 출력되는 인에이블 신호(Ena_1, Ena_2, ... Ena_n) 혹은 디스에이블 신호(미도시)에 의해 온오프(ON/OFF)가 제어될 수 있다. 그리고, 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 모듈선택기(120)에서 출력되는 전류기준값(Iref_1, Iref_2, ... Iref_n)에 따라 전류제어값을 변경할 수 있다.
모듈선택기(120)는 효율맵(310)에 따라 컨버터그룹(130)에서 가동되는 컨버터모듈의 개수를 결정할 수 있다.
도 4는 효율맵의 일 예시 그래프이다.
도 4에서, 가로축은 컨버터그룹이 처리하는 전력량을 나타낸다. 그리고, 세로축은 각각의 처리전력량에서 최적의 효율이 되는 컨버터모듈의 개수를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 컨버터그룹이 100W의 전력을 처리할 때, 최적의 효율이 되는 컨버터모듈의 개수는 1개가 된다. 그리고, 컨버터그룹이 200W의 전력을 처리할 때, 최적의 효율이 되는 컨버터모듈의 개수는 2개가 된다. 도 4의 그래프에서 경계가 되는 부분은 이전 상태의 값을 가지는 것으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 그래프에서 처리전력량이 300W가 되는 경우, 컨버터모듈의 개수가 2개가 될 수도 있고 3개가 될 수도 있는데, 이 경우, 컨버터그룹은 이전 상태에서 컨버터모듈의 개수가 2개였다면 계속해서 컨버터모듈의 개수를 2개로 유지한다. 반대로, 이전 상태에서 컨버터모듈의 개수가 3개였다면 컨버터그룹은 계속해서 컨버터모듈의 개수를 3개로 유지한다.
이러한 효율맵은 실험을 통해 획득될 수 있다. 예를 들어, 엔지니어는 처리전력량을 100W, 200W, ..., 800W 등으로 먼저 설정하고, 컨버터모듈의 개수를 변경시키면서 최대 효율이 되는 컨버터모듈의 개수를 찾아낼 수 있는데, 이러한 실험값에 따라 효율맵이 결정될 수 있다.
효율맵은 계산이나 모델링을 통해 획득될 수 있다. 예를 들어, 컨버터모듈의 손실 모델이 있는 경우, 이러한 손실 모델을 이용하여 각각의 처리전력량에서 최소의 손실이 발생하는 컨버터모듈의 개수를 찾아낼 수 있는데, 이러한 계산값에 따라 효율맵이 결정될 수 있다.
한편, 도 4에서 효율맵의 일 축은 처리전력량으로 표시되고, 다른 한 축은 컨버터모듈의 개수로 표시되었는데, 효율맵은 다른 값으로 표시될 수도 있다.
예를 들어, 효율맵의 일 축은 입력전력량으로 표시될 수 있다. 컨버터그룹의 처리전력량은 입력전력량에 비례하기 때문에 이러한 입력전력량은 처리전력량을 대체하는 지표로 사용될 수 있다.
결국 효율맵은 처리전력량에 대응되는 제1변수와 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 것으로 이해할 수 있다. 여기서 제1변수는 처리전력량이 될 수 있고, 입력전력량이 될 수도 있다. 또는 제1변수는 입력전류량이 될 수도 있다. 전압이 일정할 경우, 입력전류량에 따라 입력전력량이 결정되기 때문에 이러한 입력전류량을 처리전력량에 대응되는 지표로 사용할 수 있다.
모듈선택기는 이러한 효율맵을 이용하여 컨버터모듈들을 제어할 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 모듈선택기(120)는 처리전력량에 대응되는 제1변수값을 설정하기 위해 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값을 획득할 수 있다.
컨버터그룹(130)의 입력단에는 전력센서(352)가 위치할 수 있는데, 컨버터그룹(130)은 이러한 입력단의 전력센서(352)를 이용하여 입력전력(Pgi), 입력전류(Igi) 혹은 입력전압(Vgi) 등의 값을 획득할 수 있다.
또한, 컨버터그룹(130)의 출력단에도 전력센서(354)가 위치할 수 있는데, 컨버터그룹(130)은 이러한 출력단의 전력센서(354)를 이용하여 출력전력(Pgo), 출력전류(Igo) 혹은 출력전압(Vgo) 등의 값을 획득할 수 있다.
제1변수값이 입력전류인 경우 컨버터그룹(130)은 입력단 전력센서(352)로부터 획득되는 입력전류(Igi)값을 제1변수값으로 설정할 수 있다.
제1변수값이 출력전력인 경우 컨버터그룹(130)은 출력단 전력센서(354)로부터 획득되는 출력전류(Igo)값과 출력전압(Vgo)값을 곱하여 출력전력값을 계산하고 이러한 출력전력값을 제1변수값으로 설정할 수 있다.
제1변수값이 설정되면 모듈선택기(120)는 이러한 제1변수값을 효율맵에 대입시켜 제2변수값(예를 들어, 컨버터모듈 개수값)을 산출할 수 있다.
한편, 효율맵은 제1변수를 입력으로 하고 제2변수를 출력으로 하는 함수의 형태로 저장될 수 있는데, 이때, 모듈선택기(120)는 제1변수값을 함수에 대입시켜 제2변수값을 산출할 수 있다.
효율맵은 제1변수를 제1계열로 하고 제2변수를 제2계열로 하는 테이블의 형태로 저장될 수도 있는데, 이때, 모듈선택기(120)는 제1계열에 나열되지 않은 값에 대하여 보간법을 사용하여 제2변수값을 산출할 수 있다.
이렇게 제2변수값이 산출되면 모듈선택기(120)는 컨버터모듈들 중 제2변수값에 해당되는 수의 컨버터모듈을 작동시킬 수 있다.
모듈선택기(120)는 컨버터모듈들 중 제2변수값에 해당되는 수의 컨버터모듈을 선택하고 선택된 컨버터모듈로 인에이블 신호(Ena_1, Ena_2, ... Ena_n)를 송신할 수 있다. 또한, 선택되지 않은 컨버터모듈로는 디스에이블 신호(미도시)를 송신할 수 있다.
각각의 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 이러한 인에이블 신호(Ena_1, Ena_2, ... Ena_n) 혹은 디스에이블 신호(미도시)를 이용하여 전력변환을 수행하거나 혹은 전력변환을 수행하지 않을 수 있다.
한편, 각각의 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 전류제어형 컨버터일 수 있는데, 모듈선택기(120)는 이러한 전류제어형 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)로 전류기준값(Iref_1, Iref_2, ... Iref_n)을 송신할 수 있다. 이때, 각각의 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)은 수신되는 전류기준값(Iref_1, Iref_2, ... Iref_n)에 따라 전류제어를 수행한다.
모듈선택기(120)는 이러한 전류기준값을 이용하여 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n)을 선택적으로 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 모듈선택기(120)는 컨버터모듈(140a, 140b, ..., 140n) 중 제2변수값에 해당되는 수의 컨버터모듈을 선택하고 선택되지 않은 컨버터모듈로 0A(Ampere)에 해당되는 전류기준값을 송신함으로써 해당 컨버터모듈을 작동시키지 않을 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 모듈선택기의 구성도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 모듈선택기(120)는 메모리(512), 선택부(514), 기준값생성부(516) 및 필터부(520) 등을 포함할 수 있다.
메모리(512)는 컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장할 수 있다.
선택부(514)는 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 제1변수값을 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출할 수 있다. 또한, 선택부(514)는 컨버터모듈들 중 제2변수값에 해당되는 수의 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 이러한 액티브 컨버터모듈로 인에이블 신호(Ena)를 송신할 수 있다.
기준값생성부(516)는 컨버터모듈들 중 일부 혹은 전부에 대한 전류기준값(Iref) 신호를 생성할 수 있다. 일 예로서, 기준값생성부(516)는 액티브 컨버터모듈에 대해서만 전류기준값(Iref) 신호를 생성할 수 있다.
필터부(520)는 아날로그필터이거나 디지털필터일 수 있는데, 필터부(520)가 아날로그필터인 경우, DAC(Digital-Analog Converter)를 거쳐 기준전류값(Iref)가 필터(420)로 전달될 수 있다. 이에 반해, 필터부(520)가 디지털필터인 경우, 필터부(520) 후단에 DAC(522)가 위치할 수 있다.
필터부(520)는 로우패스(lowpass) 필터일 수 있는데, 필터 대역은 컨버터모듈의 전류제어 컷오프주파수(cutoff frequency)보다 낮은 주파수 범위에 해당될 수 있다. 필터대역이 제어대역보다 낮은 주파수 범위에 해당될 수 있는데, 이에 따라 필터링된 전류기준값(Iref) 신호는 컨버터모듈의 제어대역보다 낮은 주파수 특성을 가진다. 전류기준값(Iref) 신호의 주파수 특성이 제어대역 안에 들어오게 되면 컨버터모듈의 출력 전류에서 오실레이션이 발생하지 않게 된다.
기준값생성부(516)는 수학식 1에 따라 각각의 컨버터모듈에 대한 전류기준값(Iref)을 생성할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, n은 시간, i는 컨버터모듈의 번호, α는 작동시킬 컨버터모듈 개수, Δir은 입력전류(Igi)와 출력전류(Igo)의 차이, r은 컨버터그룹 내 전체 컨버터모듈 개수를 의미한다. 그리고, ei(n)은 n의 시간에서 i번째 컨버터모듈의 ON/OFF 값으로 작동시킬 컨버터모듈에 대하여는 1의 값을 가지고 나머지 컨버터모듈에 대하여는 0의 값을 가진다.
수학식 1은 입력전력이 부하전력과 동일한 값이 될 때까지 적용되며, 효율맵에 따라 모듈 개수를 변환할 때 입력 전류의 급격한 변동을 억제하기 위해 현재의 동작모듈 개수와 이전의 동작모듈 개수를 비교하여 변환 시점에서의 전류기준 초기치를 결정하게 된다.
도 6은 일 실시예에 따른 컨버터시스템을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 제어기는 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑할 수 있다(S600). 그룹핑의 기준에 대한 세부 예시는 후술한다.
그룹핑 후에 각 컨버터그룹별로 효율맵이 저장될 수 있다(S602). 효율맵은 각 컨버터그룹별로 동일하게 설정될 수 있고, 서로 다르게 설정될 수 있다. 효율맵을 결정함에 있어서, 턴온되는 컨버터모듈의 개수 이외의 다른 변수가 고려되지 않는 경우, 효율맵은 각 컨버터그룹별로 동일하게 설정될 수 있다. 이에 반해, 효율맵을 결정함에 있어서, 턴온되는 컨버터모듈의 개수 이외에 다른 변수가 고려되는 경우, 효율맵은 각 컨버터그룹별로 상이하게 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1컨버터그룹을 구성하는 컨버터모듈의 에이징(aging) 상태와 제2컨버터그룹을 구성하는 컨버터모듈의 에이징 상태가 상이하고, 효율맵을 결정할 때, 각 컨버터모듈의 에이징정보가 반영되는 경우, 제1컨버터그룹과 제2컨버터그룹의 효율맵은 상이할 수 있다.
다른 예로서, 제어기가 제1컨버터그룹과 제2컨버터그룹에서 턴온되는 컨버터모듈의 개수를 정책적으로 다르게 설정하고자 할 때, 제어기는 제1컨버터그룹과 제2컨버터그룹의 효율맵을 상이하게 설정할 수 있다. 효율맵을 상이하게 설정하는 예시는 후술한다.
각 컨버터그룹을 제어하는 모듈선택기는 각 컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고(S604), 제1변수값을 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출할 수 있다(S606). 그리고, 모듈선택기는 제2변수값에 따라 턴온시킬 컨버터모듈의 개수를 결정할 수 있다(S608).
그리고, 모듈선택기는 턴온시킬 컨버터모듈의 개수에 따라 액티브 컨버터모듈을 각 컨버터그룹에서 선택할 수 있다(S610). 각 컨버터그룹에서 액티브 컨버터모듈은 순환되면서 선택될 수 있다. 특정 컨버터모듈만 계속해서 턴온되고 특정 컨버터모듈만 계속해서 턴오프되는 경우, 각 컨버터모듈에서 에이징 정도가 상이하게 나타날 수 있다. 이를 방지하기 위해, 모듈선택기는 각 컨버터그룹에서 액티브 컨버터모듈을 순환하면서 선택할 수 있다.
그리고, 모듈선택기는 선택된 액티브 컨버터모듈로 인에이블 신호를 송신할 수 있다.
도 7은 효율맵을 다르게 설정하는 일 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 제1효율맵(710)과 제2효율맵(720)을 비교하면 동일한 파워에 대하여 제1효율맵(710)은 더 많은 개수의 컨버터모듈이 턴온되도록 하는 효율맵이고, 제2효율맵(720)은 더 적은 개수의 컨버터모듈이 턴온되도록 하는 효율맵이다. 다른 측면에서, 동일한 파워에 대하여 제1효율맵(710)이 제2효율맵(720)보다 많거나 같은 개수의 컨버터모듈을 턴온시키도록 지시하고, 적어도 일부 파워 구간에 대하여 제1효율맵(710)이 제2효율맵(720)보다 많은 개수의 컨버터모듈을 턴온시키도록 지시한다.
제1효율맵(710)을 제1컨버터그룹에 적용하고 제2효율맵(720)을 제2컨버터그룹에 적용한다고 할 때, 제1컨버터그룹에서 턴온되는 컨버터모듈의 개수가 제2컨버터그룹에서 턴온되는 컨버터모듈의 개수보다 많을 수 있다. 예를 들어, 전체적으로 4P(W)의 처리전력량이 필요하다고 할 때, 제1효율맵(710)과 제2효율맵(720)에 의하면, 제1컨버터그룹은 3P(W)의 처리전력량을 3개의 컨버터모듈이 담당하게 되고, 제2컨버터그룹은 1P(W)의 처리전력량을 1개의 컨버터모듈이 담당하게 된다. 턴온되는 컨버터모듈은 모두 1P(W)로 균등하게 처리전력량을 분담하게 되지만, 턴온되는 컨버터모듈의 개수는 제1컨버터그룹이 제2컨버터그룹보다 많게 된다.
제어기는 그룹핑을 진행할 때, 에이징이 적게 된 컨버터모듈을 제1컨버터그룹에 배치하고 에이징이 많이 된 컨버터모듈을 제2컨버터그룹에 배치할 수 있다. 그리고, 제어기는 제1컨버터그룹과 제2컨버터그룹의 효율맵을 도 7에 도시된 것과 같이 서로 상이하게 설정할 수 있다.
그룹핑과 효율맵은 컨버터모듈의 에이징에 따라 변경될 수 있다.
도 8은 그룹핑과 효율맵을 변경하는 일 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 제어기는 컨버터모듈들에 대한 에이징정보를 획득할 수 있다(S800).
그리고, 제어기는 에이징정보에 따라 그룹핑을 변경할 수 있다(S802). 예를 들어, 초기 상태에서 모든 컨버터모듈의 에이징이 동일한 상태로 가정되고, 그룹핑이 이루어질 수 있다. 이후, 제어기는 각 컨버터모듈의 에이징정보를 획득하고, 에이징이 상대적으로 많이 진행된 컨버터모듈과 에이징이 상대적으로 적게 진행된 컨버터모듈을 서로 다른 컨버터그룹으로 이동시켜 그룹핑할 수 있다. 이러한 그룹핑에 따라 적어도 두 개의 컨버터그룹은 서로 다른 개수의 컨버터모듈로 구성될 수 있다.
그리고, 제어기는 컨버터그룹을 구성하는 컨버터모듈의 개수 및/혹은 컨버터모듈의 에이징정보에 따라 효율맵을 변경할 수 있다(S804). 앞서, 에이징에 따라 효율맵을 다르게 설정하는 예시를 설명하였는데, 컨버터그룹을 구성하는 컨버터모듈의 개수에 따라서도 효율맵이 다르게 설정될 수 있다.
예를 들어, 제어기는, 구성하는 컨버터모듈의 개수가 많은 컨버터그룹에 도 7에 도시된 제1효율맵을 적용하고, 구성하는 컨버터모듈의 개수가 적은 컨버터그룹에 도 7에 도시된 제2효율맵을 적용하여, 컨버터모듈의 개수가 많은 컨버터그룹에서 더 많은 컨버터모듈이 턴온되도록 제어할 수 있다.
한편, 제어기는 일부의 컨버터그룹만 인에이블 시키거나 가변시키고 다른 일부의 컨버터그룹은 디스에이블시킬 수 있다.
도 9는 제어기가 가변컨버터그룹을 설정하여 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 제어기는 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑할 수 있다(S900). 이때, 제어기는 복수의 컨버터모듈에 대한 에이징정보를 획득하고, 에이징 정도에 따라 컨버터모듈을 그룹핑시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기는 에이징이 진행된 정도의 순서에 따라 적정 개수를 그룹핑하여 복수의 컨버터그룹을 형성시킬 수 있다.
제어기는 복수의 컨버터그룹 중 일부를 가변컨버터그룹으로 선택할 수 있다(S902). 그리고, 나머지 컨버터그룹을 비가변컨버터그룹으로 결정할 수 있다.
제어기는 가변컨버터그룹 각각에 대하여 모듈선택기를 배치할 수 있다(S904). 그리고, 제어기는 비가변컨버터그룹에 대하여는 모듈선택기를 배치하지 않거나, 비가변컨버터그룹에 배치된 모듈선택기가 효율맵 제어를 수행하지 않고, 해당 컨버터그룹에 소속된 컨버터모듈을 모두 턴온시키거나 모두 턴오프시키도록 제어할 수 있다.
그리고, 가변컨버터그룹에 대응되는 모듈선택기는 효율맵 제어를 수행할 수 있다(S906). 여기서, 효율맵 제어란, 처리전력량에 따라 최적 효율을 수행할 수 있는 컨버터모듈의 개수를 결정하여 제어하는 것을 의미한다.
그리고, 제어기는 비가변컨버터그룹 중 일부를 디스에이블 시킬 수 있다(S908).
가변컨버터그룹 및 비가변컨버터그룹은 에이징정보에 따라 결정될 수 있다. 제어기는 복수의 컨버터모듈에 대한 에이징정보를 획득하고, 에이징이 많이 진행된 순서대로 N(N은 자연수)개의 컨버터모듈을 비가변컨버터그룹에 구성시킬 수 있다. 그리고, 제어기는 비가변컨버터그룹 중 에이징이 상대적으로 더 많이 진행된 적어도 하나의 컨버터그룹을 디스에이블 시킬 수 있다.
제어기는 그룹효율맵을 저장하고, 전체 컨버터시스템의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값을 그룹효율맵에 대입시키고, 그룹효율맵의 산출값에 따라, 복수의 컨버터그룹 중 일부의 컨버터그룹을 가변컨버터그룹으로 선택할 수 있다.
한편, 각 컨버터그룹에서 액티브 컨버터모듈은 서로 인터리빙될 수 있다.
이때, 각 액티브 컨버터모듈에서의 페이즈(phase)는 별도의 신호없이 인에이블 신호에 의해 결정될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 인에이블 신호의 파형도이다.
도 10을 참조하면, 인에이이블 신호는 페이즈를 달리하여 각 액티브 컨버터모듈로 전송될 수 있다. 구체적인 예로서, 인에이블 신호는 액티브 컨버터모듈을 지시하는 펄스 파형을 가질 수 있는데, 이러한 펄스 파형의 시간축 상의 위치가 페이즈를 지시할 수 있다. 펄스 파형이 포함되지 않은 인에이블 신호(Ena_4)는 액티브 컨버터모듈이 아님을 지시하는 신호일 수 있다.
액티브 컨버터모듈은 인에이블 신호에 포함된 펄스 파형의 시간축 상의 위치에 따라 PWM의 페이즈를 결정함으로써 별도의 부가 신호없이 컨버터그룹 내에서 인터리빙을 수행할 수 있다.
이상에서 일부의 실시예들을 설명하였는데, 이러한 실시예에 의하면, 병렬 운전되는 복수의 컨버터모듈들이 전체 부하 운전구간에서 고효율로 동작하는 효과가 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈;
    상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하는 제어기; 및
    상기 복수의 컨버터그룹 각각에 대응하여 배치되고, 상기 컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하고, 상기 컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 복수의 모듈선택기
    를 포함하는 컨버터시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 두 개의 상기 컨버터그룹은 서로 다른 개수의 상기 컨버터모듈로 구성되는 컨버터시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 복수의 컨버터모듈에 대한 에이징(aging)정보를 획득하고, 상기 에이징정보에 따라 그룹핑을 변경하는 컨버터시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 효율맵은,
    상기 컨버터그룹을 구성하는 상기 컨버터모듈의 개수 및 상기 컨버터모듈의 에이징정보에 따라 변경되는 컨버터시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    각 컨버터그룹에서 상기 액티브 컨버터모듈은 서로 인터리빙(interleaving)되는 컨버터시스템.
  6. 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하는 단계;
    상기 컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하는 단계;
    상기 컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하는 단계; 및
    상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 단계
    를 포함하는 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그룹핑하는 단계에서,
    적어도 두 개의 상기 컨버터그룹이 서로 다른 개수의 상기 컨버터모듈로 구성되도록 그룹핑하는 제어방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터모듈에 대한 에이징(aging)정보를 획득하고, 상기 에이징정보에 따라 그룹핑을 변경하는 단계를 더 포함하는 제어방법.
  9. 제6항에 있어서,
    각 컨버터그룹에서 상기 액티브 컨버터모듈은 서로 인터리빙(interleaving)되는 제어방법.
  10. 입력노드 및 출력노드를 공유하며 서로 병렬로 연결되는 복수의 컨버터모듈;
    상기 복수의 컨버터모듈을 복수의 컨버터그룹으로 그룹핑하고, 상기 복수의 컨버터그룹 중 일부를 가변컨버터그룹으로 선택하는 제어기; 및
    복수의 상기 가변컨버터그룹 각각에 대응하여 배치되고, 상기 가변컨버터그룹의 처리전력량에 대응되는 제1변수와 상기 처리전력량을 최적 효율로 처리할 수 있는 상기 가변컨버터그룹 내의 상기 컨버터모듈의 개수에 대응되는 제2변수를 매핑시킨 효율맵을 저장하고, 상기 가변컨버터그룹의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값에 따라 제1변수값을 설정하고 상기 제1변수값을 상기 효율맵에 대입시켜 제2변수값을 산출하며 상기 가변컨버터그룹 내에서 상기 제2변수값에 해당되는 수의 상기 컨버터모듈을 액티브 컨버터모듈로 선택하고 상기 액티브 컨버터모듈로 인에이블(Enable) 신호를 송신하는 복수의 모듈선택기
    를 포함하는 컨버터시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는,
    그룹효율맵을 저장하고, 전체 컨버터시스템의 입력전력 혹은 출력전력에 대한 센싱값을 상기 그룹효율맵에 대입시키고, 상기 그룹효율맵의 산출값에 따라, 상기 복수의 컨버터그룹 중 일부의 컨버터그룹을 상기 가변컨버터그룹으로 선택하는 컨버터시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 복수의 컨버터모듈에 대한 에이징(aging)정보를 획득하고, 에이징이 많이 진행된 순서대로 N(N은 자연수)개의 컨버터모듈을 비가변컨버터그룹에 구성시키는 컨버터시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 비가변컨버터그룹 중 에이징이 상대적으로 더 많이 진행된 적어도 하나의 컨버터그룹을 디스에이블(Disable)시키는 컨버터시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220072470A (ko) 2020-11-25 2022-06-02 주식회사 브이씨텍 Dc/dc 컨버터의 효율 향상을 위한 전력 할당 방법 및 장치
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WO2023172928A1 (en) * 2022-03-07 2023-09-14 Microchip Technology Incorporated Providing timing signals to gate drivers of a converter
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