KR20200092611A - 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치 - Google Patents

소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치는 제1 스위칭 소자 및 제1 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 제2 스위칭 소자를 구비하는 제1 부스트 컨버터, 제1 부스트 컨버터와 병렬로 연결되되, 제1 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 제3 스위칭 소자 및 제3 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 제4 스위칭 소자를 구비하는 제2 부스트 컨버터, 제1,2 부스트 컨버터에 걸리는 전압과 제1,2 부스트 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 센싱부 및 센싱부에서 센싱되는 전압과 전류를 기초로 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터가 동작하는 한 주기 동안 제2 스위칭 소자 또는 제4 스위칭 소자에 센싱부를 통해 생성된 적어도 하나의 게이트 신호를 공급하도록 제어한다.

Description

소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치{Device for controlling Synchronous rectifier of interleaved boost converter using soft-switching cell }
본 발명은 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 손실을 절감시키면서, 부하가 감소하여도 컨버터의 순환 전류를 최소화할 수 있는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치에 관한 것이다.
종래에는 스위칭 손실 저감을 위해 수동 소자로 이루어진 소프트 스위칭 셀 (Passive soft-switching cell)을 갖는 2상 인터리브드 부스트 컨버터를 사용하였다.
소프트 스위칭 셀은 짝수 상의 인터리브드 구조에 적용될 수 있으며, 스위치와 같은 추가적인 능동 소자 없이 수동 소자만으로 스위칭 손실을 저감하였다.
하지만, 종래의 소프트 스위칭 셀을 사용할 경우, 부하가 감소함에 따라 소프트 스위칭 셀에 순환하는 여분의 전류로 인해 도통 손실이 증가하여 컨버터 효율이 저감되었다.
즉, 종래의 소프트 스위칭 셀 (Passive soft-switching cell)을 갖는 2상 인터리브드 부스트 컨버터는 컨버터의 부하가 감소함에 따라 소프트 스위칭 셀을 통해 흐르는 큰 순환 전류가 발생하며 이에 따라 컨버터의 효율이 크게 감소하는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 본 발명은 스위칭 손실을 절감시키면서, 부하가 감소하여도 컨버터의 순환 전류를 최소화할 수 있는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치를 제안한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 스위칭 소자 및 제1 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 제2 스위칭 소자를 구비하는 제1 부스트 컨버터, 제1 부스트 컨버터와 병렬로 연결되되, 제1 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 제3 스위칭 소자 및 제3 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 제4 스위칭 소자를 구비하는 제2 부스트 컨버터, 제1,2 부스트 컨버터에 걸리는 전압과 제1,2 부스트 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 센싱부 및 센싱부에서 센싱되는 전압과 전류를 기초로 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터가 동작하는 한 주기 동안 제2 스위칭 소자 또는 제4 스위칭 소자에 센싱부를 통해 생성된 적어도 하나의 게이트 신호를 공급하도록 제어하는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치를 구비한다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 센싱부는 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류를 센싱하는 제1 센싱부, 제2 스위칭 소자의 양단 전압을 센싱하는 제2 센싱부, 제4 스위칭 소자에 흐르는 전류를 센싱하는 제3 센싱부 및 제4 스위칭 소자의 양단 전압을 센싱하는 제4 센싱부를 구비할 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제어부는 제1 센싱부와 제2 센싱부를 이용하여 제2 스위칭 소자의 턴 온 시점과 제2 스위칭 소자의 턴 오프 시점을 특정 시점에 동기화시킬 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제2 스위칭 소자의 턴 온 시점에 대한 특정 시점은 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 온 시점, 제3 스위칭 소자의 턴 온되는 시점 또는 제2 스위칭 소자의 양단 전압이 최소가 되는 시점 중 하나일 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 적어도 하나 이상의 게이트 신호는 제1 게이트 신호, 제2 게이트 신호 및 제3 게이트 신호를 포함하고, 제어부는 제1 게이트 신호의 턴 온 시점을 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 온 시점과 동기화시킬 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제어부는 제2 게이트 신호의 턴 온 시점을 제1 스위칭 소자의 턴 온 시점과 180도 위상차를 가지는 제3 스위칭 소자의 턴 온되는 시점과 동기화시킬 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제어부는 제3 게이트 신호의 턴 온 시점이 한 스위칭 주기 중 특정 구간에 포함되도록 제어하되, 상기 특정 구간 내에서 제2 스위칭 소자의 양단 전압이 최소가 되는 시점과 상기 제3 게이트 신호의 턴 온 시점에 동기화되도록 제어할 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제2 스위칭 소자의 턴 오프 시점에 대한 특정 시점은 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류가 0이 되는 시점 또는 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 오프 시점일 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제어부는 제1,2 게이트 신호의 턴 오프 시점을 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류가 0이 되는 시점과 동기화시킬 수 있다.
또한 본 발명의 다른(another) 측면에 따르면, 제어부는 제3 게이트 신호의 턴 오프 시점을 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 오프 시점과 동기화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스위칭 손실을 절감시키면서, 부하가 감소하여도 컨버터의 순환 전류를 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부하가 감소하여도 소프트 스위칭 셀을 통해 흐르는 순환 전류가 증가하지 않으며, 이에 따라 컨버터의 높은 효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부하가 감소함에 따라 컨버터의 입력 및 출력 전류의 리플을 저감시키기 때문에 부스트 컨버터의 입력 인덕터 및 출력 커패시터의 설계치를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부하가 감소함에 따라 컨버터의 입력 및 출력 전류의 리플을 저감시키기 때문에 전력 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 제어부를 설명하기 위한 도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치의 전체 동작 타이밍을 설명하기 위한 도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치의 부분 동작 타이밍을 설명하기 위한 도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 동기 정류기 제어를 적용했을 경우와 적용하지 않았을 경우 소프트 스위칭 셀을 사용한 2상 인터리브드 부스트 컨버터의 부하에 따른 주요 성능 비교하여 나타내 도이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다." 등의 용어는 실시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치를 설명하기 위한 도이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치는 부스트 컨버터, 센싱부(190a,190b) 및 제어부(200)를 구비할 수 있다.
부스트 컨버터는 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터를 포함할 수 있다.
제1 부스트 컨버터는 입력단(110), 입력단(110)과 전기적으로 연결되는 제1 충방전 소자(130a), 제1 충방전 소자(130a)와 전기적으로 연결되는 제1 스위칭 소자(150a), 제1 스위칭 소자(150a)와 전기적으로 연결되는 제2 스위칭 소자(170a) 그리고 제2 스위칭 소자(170a)와 전기적으로 연결되는 출력단(160)을 구비할 수 있다. 제1 스위칭 소자(150a)는 제1 주 스위칭 소자라 칭할 수 있다. 제2 스위칭 소자(170a)는 제1 동기 정류기라 칭할 수 있다.
제2 부스트 컨버터는 제1 부스트 컨버터와 병렬로 연결될 수 있다. 제2 부스트 컨버터는 입력단(110), 입력단(110) 및 제1 충방전 소자(130a)와 전기적으로 공통 연결되는 제2 충방전 소자(130b), 제2 충방전 소자(130b)와 전기적으로 연결되는 제3 스위칭 소자(150b), 제3 스위칭 소자(150b)와 전기적으로 연결되는 제4 스위칭 소자(170b) 그리고 제2 스위칭 소자(170a) 및 제4 스위칭 소자(170b)와 전기적으로 공통 연결되는 출력단(160)을 구비할 수 있다. 제3 스위칭 소자(150b)는 제2 주 스위칭 소자라 칭할 수 있다. 제4 스위칭 소자(170b)는 제2 동기 정류기라 칭할 수 있다.
제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터는 입력단(110), 출력단(160), 커플드 인덕터(Coupled inductor, 120) 및 DC-blocking 커패시터(140)를 공통적으로 구성할 수 있다. 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터는 커플드 인덕터(120)의 누설 인덕터를 이용하여 소프트 스위칭(Zero-voltage transition)함으로써, 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.
출력단(160)은 출력 신호를 안정적으로 출력시킬 수 있는 평활 커패시터(C0, 161)와 부하(R0, 162)를 포함할 수 있다.
센싱부(190a,190b)는 제1,2 부스트 컨버터에 걸리는 전압과 제1,2 부스트 컨버터에 흐르는 전류를 센싱할 수 있다. 센싱부(190a,190b)는 제1 센싱부(191a), 제2 센싱부(192a), 제3 센싱부(191b) 및 제4 센싱부(192b)를 구비할 수 있다.
제1 센싱부(191a)와 제2 센싱부(192a)는 제1 부스트 컨버터에 배치되는 제2 스위칭 소자(170a)의 전압과 전류를 센싱할 수 있다. 그리고 제3 센싱부(191b)와 제4 센싱부(192b)는 제2 부스트 컨버터에 배치되는 제4 스위칭 소자(170b)의 전압과 전류를 센싱할 수 있다. 제3 센싱부(191b)와 제4 센싱부(192b)는 제1 센싱부(191a) 및 제2 센싱부(192a)와 실질적으로 동일한 구성 그리고 기능을 가지므로, 본 발명에서는 제1 센싱부(191a)와 제2 센싱부(192a)를 중심으로 설명하기로 한다.
제1 센싱부(191a)는 제1 부스트 컨버터에 배치 또는 위치되는 제1 동기 정류기(170a)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제1 센싱부(191a)는 전류 센싱부 또는 전류 감지부라 칭할 수 있다.
제2 센싱부(192a)는 제1 부스트 컨버터에 배치 또는 위치되는 제1 동기 정류기(170a)의 양단 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 제2 센싱부(192a)는 전압 센싱부 또는 전압 감지부라 칭할 수 있다.
제어부(200)는 제1,2 부스트 컨버터 그리고 센싱부(190a,190b)와 전기적으로 연결되어 이들을 제어할 수 있다. 제어부는 센싱부(190a,190b)에서 센싱되는 전압과 전류를 기초로 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터를 제어할 수 있다.
제어부(200)는 제1 제어부(210)와 제2 제어부(220)를 구비할 수 있다.
제1 제어부(210)는 제1 센싱부(191a)로부터 측정 또는 감지된 전류를 공급받아, 제1 동기 정류기(170a)를 제어할 수 있다. 그리고 제1 제어부(210)는 제2 센싱부(192a)로부터 측정 또는 감지된 전압을 공급받아, 제1 동기 정류기(170a)를 제어할 수 있다.
즉, 제1 제어부(210)는 제1 센싱부(191a)와 제2 센싱부(192a)로부터 측정 또는 감지된 전압 그리고 전류를 기초로 제1 동기 정류기(170a)의 다수의 게이트 신호( G2_1, G2_2, G2_3)를 제어할 수 있다. 제1 제어부(210)는 제1 동기 정류기(170a)의 게이트 신호(G2_1, G2_2, G2_3)를 제어하여 출력시킬 수 있다. 제1 동기 정류기(170a)의 게이트 신호(G2_1, G2_2, G2_3)는 제1 게이트 신호(G2_1), 제2 게이트 신호(G2_2) 그리고 제3 게이트 신호(G2_3)를 포함할 수 있다. 제1 제어부(210)는 아날로그 로직 제어부라 칭할 수 있다.
제1 제어부(210)는 제1 부스트 컨버터와 제2 부스트 컨버터가 동작하는 한 주기 동안 제2 스위칭 소자(170a)에 센싱부(190a,190b)를 통해 생성된 제1 게이트 신호(G2_1), 제2 게이트 신호(G2_2) 그리고 제3 게이트 신호(G2_3)를 공급하도록 제어할 수 있다.
제2 제어부(220)는 마이크로 컨트롤러(DSP)라 칭할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(DSP)는 내장된 Pulse-Width-Modulator를 구비하여 제1 스위칭 소자(150a)의 게이트 신호(G1)와 보상 신호(G1_comp)를 출력하도록 제어할 수 있다.
제2 제어부(220)는 AD 컨버터(Analog to Digital Converter (ADC))를 포함할 수 있다. AD 컨버터(Analog to Digital Converter (ADC))는 한 스위칭 주기의 92% 이상 98% 되면, 밸리되는 VS2 전압을 측정하도록 제어할 수 있다. 그리고 제2 제어부(220)는 제1 동기 정류기(170a)의 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 온 시점을 알려 주는 감지 신호를 제어할 수 있다. 감지 신호는 후술할 밸리 감지부를 통해 생성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 제어부를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 2상 인터리브드 부스트 컨버터의 전체 동작 타이밍을 설명하기 위한 도이다. 그리고 도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 2상 인터리브드 부스트 컨버터의 부분 동작 타이밍을 설명하기 위한 도이다.
도 2 내지 도 8을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따른 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치는 부스트 컨버터에서 전부하 고효율 동작을 위해서 센싱부(190a,190b)를 통해 측정된 전압 또는 전류를 기초하여 제2 스위칭 소자(170a, S2) 및 제4 스위칭 소자(170b, S4)를 제어할 수 있다. 제2 스위칭 소자(170a, S2) 및 제4 스위칭 소자(170b, S4)는 제1, 2 동기 정류기(S2, S4)라 칭할 수 있다.
제1 센싱부(191a)는 제1 동기 정류기(170a)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
제2 센싱부(192a)는 제1 동기 정류기(170a)의 양단에 배치되어, 제1 동기 정류기(170a)의 양단에 걸리는 전압을 측정할 수 있다.
아날로그 로직 제어부(210)는 저전류 감지부(19a), 엣지 감지부(19f), OR 게이트(19g), Not 게이트(19h), SR 래치(19e), 밸리 감지부(19i), 출력 OR 게이트(19j) 그리고 출력 And 게이트(19k)를 구비할 수 있다.
저전류 감지부(19a)는 제로 전류 감지 회로(19a, Zero Current Detection (ZCD) Circuit)라 칭할 수 있다.
제로 전류 감지 회로(19a)는 제1 동기 정류기(170a)의 복수의 게이트 신호(G2_1, G2_2, G2_3) 또는 제어 파형을 제어할 수 있다. 즉, 제로 전류 감지 회로(19a)는 제1 동기 정류기(170a)에 인가되는 제1 게이트 신호(G2_1), 제2 게이트 신호(G2_2) 그리고 제3 게이트 신호(G2_3) 중 제1 게이트 신호(G2_1) 및 제2 게이트 신호(G2_2) 의 턴 오프(turn off) 시점을 감지하도록 제어할 수 있다.
제로 전류 감지 회로(19a)는 측정부(19b), 증폭부(19c) 그리고 비교부(19d)를 구비할 수 있다.
측정부(19b)는 제2 스위칭 소자(170a)에 흐르는 전류의 크기에 비례하여 전압을 측정할 수 있다. 측정부(19b)는 전류 변류기(Current Transducer(CT))의 측정 저항(Measure Resistor, Rm)일 수 있다. 측정부(19b)는 측정 저항(Measure Resistor, Rm)을 통해 VRm 전압을 측정할 수 있다.
증폭부(19c)는 전류 변류기(CT)와 측정부(19b)를 통해 측정된 VRm 전압을 증폭시킬 수 있다. 증폭부(19c)는 비반전 증폭기(Non-inverting Amplifier)라 칭할 수 있다. 제로 전류 감지 회로(19a)는 제1 동기 정류기(170a)에 흐르는 전류가 0A가 되는 영전류 부분을 보다 정확히 검출하기 위해 측정부(19b)에서 측정된 VRm 전압을 증폭할 수 있다. 이에 증폭부(19c)에서 출력되는 출력 전압(VOP _Amp)은 도 4에 도시된 바와 같이, 증폭부(19c, OP AMP)의 전원(±VOP _ vcc)에 의해 클램핑될 수 있다. 클램핑은 파형의 최대 진폭을 어느 레벨로 유지시킬 수 있는 기능일 수 있다.
제로 전류 감지 회로(19a)는 제1 동기 정류기(170a)에 흐르는 전류의 영전류 부분을 측정하고, 측정된 영전류 부분을 증폭시킴으로써, 제로 전류 감지(Zero Current Detection(ZCD) 신호의 출력 과정에서 불필요한 부분이 측정되는 것을 방지할 수 있다. 이에 제로 전류 감지 회로(19a)의 증폭부(19c, Op amp)는 제1 게이트 신호(G2_1) 및 제2 게이트 신호(G2_2)를 생성할 때 발생하는 오차에 대한 확률을 낮출 수 있다
비교부(19d)는 증폭부(19c, OP AMP)의 출력 전압(VOP _Amp)의 제로 크로스 포인트(Zero Cross Point, ZCP)를 검출하기 위해 출력 전압(VOP _Amp)과 그라운드 전압(Ground)을 비교하여 제로 전류 감지 회로(19a)의 ZCD 신호(ZCD Signal)를 출력할 수 있다. 비교부(19d)는 출력되는 제로 전류 감지 회로(19a)의 ZCD 신호(ZCD Signal)가 ZCP 지점에서 하강 엣지로 출력되도록 부호를 설정할 수 있다. 즉, 제로 전류 감지 회로(19a)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 스위칭 소자(170a)의 전류(is2)가 0A에 도달하는 순간 하이 신호(High)에서 로우 신호(Low)로 하강하는 제로 전류 감지 회로(19a)의 ZCD 신호(ZCD Signal)를 발생할 수 있다. 이에 제로 전류 감지 회로(19a)는 제2 스위칭 소자(170a)에 공급되는 제1 게이트 신호(G2_1) 또는 제2 게이트 신호(G2_2)의 턴 오프(Turn Off) 신호를 생성할 수 있다.
엣지 디텍터(19f, Edge detector)는 제1 스위칭 소자(150a)의 보상 신호(G1_comp)를 센싱할 수 있다. 엣지 디텍터(19f)는 로우 패스 필터(Low Pass Filter(LPF)와 And 게이트(Gate)를 구비할 수 있다. 엣지 디텍터(19f)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭의 보상 신호(G1_comp)가 상승될 때 로우 패스 필터(LPF)와 And 게이트(Gate)를 이용하여 상승 엣지를 검출할 수 있다. 제1 스위칭 소자(150a)의 보상 신호(G1_comp)는 제2 제어부(220)에 의해 제어될 수 있다.
OR 게이트(19g, Gate)는 엣지 디텍터(19f) 그리고 제3 스위칭 소자(150b)와 전기적으로 연결될 수 있다. OR 게이트(19g, Gate)는 제1 입력단을 통해 엣지 디텍터(19f)의 출력 신호를 공급받고, 제2 입력단을 통해 제3 스위칭 소자(150b)의 게이트 신호(G3)를 공급받을 수 있다. 이때 제3 스위칭 소자(150b)는 제2 부스트 컨버터에 배치되는 즉, 반대측 인터리브드의 주 스위칭 소자일 수 있다.
Not 게이트(19h, Gate)는 OR 게이트(19g, Gate)와 전기적으로 연결될 수 있다. Not 게이트(19h, Gate)는 OR 게이트(19g, Gate)를 통해 출력된 신호를 반전시켜 SR 래치(19e, Latch)에 공급할 수 있다. Not 게이트(19h)는 SR 래치(19e)의 제2 입력단에 연결될 수 있다. SR 래치(19e)의 제2 입력단은 /S(S바) 입력단일 수 있다. 즉, SR 래치(19e)의 입력이 하강 엣지일 때 동작하는 /S(S바) 입력단이므로 이를 고려하여 SR 래치(19e)와 OR 게이트(19g) 사이에 Not 게이트(19h)를 배치시킬 수 있다. 이에 엣지 디텍터(19f)는 OR 게이트(19g, Gate)와 Not 게이트(19h, Gate)를 이용하여 제2 스위칭 소자(170a)에 공급되는 제1 게이트 신호(/G2_1)의 턴 온(Turn On) 신호를 생성할 수 있으며, 반대측 인터리브드의 주 스위치인 제3 스위칭 소자(S3) 신호인 게이트 신호(G3)와 OR 게이트(19g, Gate) 및 Not 게이트(19h, Gate)를 이용하여 제2 게이트 신호(/G2_2)를 생성할 수 있다. 제1 게이트 신호(/G2_1)의 턴 온(Turn On) 신호는 제1 게이트 턴 온 신호(/G2_1_On)라 칭할 수 있고, 제2 게이트 신호(/G2_2)의 턴 온(Turn On) 신호는 제2 게이트 턴 온 신호(/G2_2_On)라 칭할 수 있다.
상술한 바와 같이, 센싱부(190a,190b)는 엣지 디텍터(19f)를 사용하는 이유는 엣지 디텍터(19f)의 출력 신호와 제3 스위칭 소자(150b)의 게이트 신호(G3)가 OR 게이트(19g, Gate)에서 합이 이루어지는데, 이때 제3 스위칭 소자(S3) 신호인 게이트 신호(G3)의 상승 엣지가 제1 스위칭의 보상 신호(G1_comp)에 의해 무시되지 않도록 하기 위해서이다.
SR 래치(19e, Latch)는 생성된 제1 게이트 턴 온 신호(G2_1_On) 및 제2 게이트 턴 온 신호(G2_2_On)와 ZCD 신호를 입력 또는 공급받아 제2 스위칭 소자(170a)에 인가될 제1 게이트 신호(G2_1) 및 제2 게이트 신호(G2_2)를 생성할 수 있다. ZCD 신호는 제1 게이트 신호(G2_1) 또는 제2 게이트 신호(G2_2)의 턴 오프(Turn Off) 신호를 포함할 수 있다. 제1 게이트 신호(G2_1)의 턴 오프(Turn Off) 신호는 제1 게이트 오프 신호(G2_1_Off)라 칭할 수 있고, 제2 게이트 신호(G2_2)의 턴 오프(Turn Off) 신호는 제2 게이트 오프 신호(G2_2_Off)라 칭할 수 있다. 예를 들어, SR 래치(19e, Latch)는 도 5에 도시된 바와 같이, 생성된 제1 게이트 턴 온 신호(G2_1_On) 그리고 생성된 제1 게이트 오프 신호(G2_1_Off)를 입력받아 제2 스위칭 소자(170a)에 인가될 제1 게이트 신호(G2_1)를 완성할 수 있다. 그리고 SR 래치(19e, Latch)는 생성된 제2 게이트 턴 온 신호(G2_2_On) 그리고 생성된 제2 게이트 오프 신호(G2_2_Off)를 입력받아 제2 스위칭 소자(170a)에 인가될 제2 게이트 신호(G2_2)를 완성할 수 있다.
SR 래치(19e)는 제1 입력단과 제2 입력단을 구비할 수 있다. SR 래치(19e)의 제1 입력단은 /R(R바) 입력단일 수 있다. 그리고 SR 래치(19e)의 제2 입력단은 /S(S바) 입력단일 수 있다. SR 래치(19e)는 /R(R바) 입력단 및 /S(S바) 입력단을 구비함으로써, 상승 엣지가 아닌 하강 엣지에서 동작할 수 있다.
즉, SR 래치(19e)는 다음과 같이 동작하여 제1 게이트 신호(G2_1)와 제2 게이트 신호(G2_2)를 생성할 수 있다.
SR 래치(19e)는 제1 게이트 턴 온 신호(G2_1_On) 그리고 제2 게이트 턴 온 신호(G2_2_On)가 하강 엣지일 때 출력단(Q)을 셋(Set)시켜 하이 레벨(High-Level)로 만들 수 있다. SR 래치(19e)는 ZCD 신호가 하강 엣지일 때 출력단(Q)를 리셋(Reset)시켜 로우 레벨(Low-Level)로 만들 수 있다. SR 래치(19e)는 두 입력단을 통해 입력되는 신호 중 하강 엣지 이외의 신호에 대해서 출력단(Q)를 이전 값을 그대로 유지시킬 수 있다.
밸리 디텍터(19i)는 제2 스위칭 소자(170a)의 양단에 연결된 제2 센싱부(192a)를 이용하여 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 온 신호를 감지 또는 검출할 수 있다. 밸리 디텍터(19i)는 밸리 감지부(19i)라 칭할 수 있다. 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 온 신호는 제3 게이트 턴 온 신호(G2_3_On)라 칭할 수 있다.
밸리 디텍터(19i)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 게이트 신호(G2_3)가 인가될 때 최소 스위칭 손실을 발생시키기 위해서 VS2 전압의 밸리(Valley) 지점을 검출할 수 있다. 즉, 밸리 디텍터(19i)는 제1 동기정류기(170a)의 양단 전압이 최소가 되는 지점과 동기화될 수 있다. 다시 말해, 제2 제어부(220)는 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 온 시점이 한 스위칭 주기(T) 중 특정 구간에 포함되도록 제어하되, 특정 구간 내에서 제2 스위칭 소자(170a)의 양단 전압이 최소가 되는 시점과 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 온 시점에 동기화되도록 제어할 수 있다. 특정 구간은 한 주기의 92% 이상 98% 이하인 구간일 수 있다.
밸리 디텍터(19i)는 제2 제어부(220)의 제어 하에 동작할 수 있다. 밸리 디텍터(19i)는 한 주기의 92% 이상 98% 되면, 제2 제어부(220)를 이용하여 전압 값을 측정하고, 측정된 전압 값을 저장 후, 이전 전압 값과 비교 또는 대조를 통해 밸리(Valley) 지점을 검출할 수 있다. 즉, 밸리 디텍터(19i)는 한 주기의 92% 이상 98% 되면, 밸리되는 VS2 전압에서 가장 낮은 VS2 전압을 검출하여 제3 게이트 턴 온 신호(G2_3_On)를 생성할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부는 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 오프 신호를 보상 신호(G1_comp)가 턴 오프되는 시점과 동기화시킬 수 있다. 제3 게이트 신호(G2_3)의 턴 오프 신호는 제3 게이트 턴 오프 신호(G2_3_Off)라 칭할 수 있다.
즉, 제어부는 제1 동기 정류기(170a)의 턴 오프 시점을 제1 동기 정류기(170a)에 흐르는 전류가 0[A]가 되는 시점(Zero Current Detection, ZCD)과 제1 스위칭 소자(150a)의 보상 신호(G1_comp)가 턴 오프되는 시점에 동기화시킬 수 있다.
출력 OR 게이트(19j, OR Gate)는 SR 래치(19e)와 전기적으로 연결되는 제1 입력단과 밸리 디텍터(19i)와 전기적으로 연결되는 제2 입력단을 구비할 수 있다.
출력 OR 게이트(19j, OR Gate)의 제1 입력단은 SR 래치(19e)로부터 제1 게이트 신호(G2_1)와 제2 게이트 신호(G2_2)를 공급받고, 출력 OR 게이트(19j, Gate)의 제2 입력단은 밸리 디텍터(19i)로부터 제3 게이트 신호(G2_3)를 공급받을 수 있다.
출력 And 게이트(19k, And Gate)는 출력 OR 게이트(19j, OR Gate)의 출력단과 전기적으로 연결되는 제1 입력단과 제2 제어부(220)와 전기적으로 연결되는 제2 입력단을 구비할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 출력 And 게이트(19k, And Gate)의 제1 입력단은 출력 OR 게이트(19j, OR Gate)의 출력단으로부터 하이 레벨(High-Level)의 제1 게이트 신호(G2_1) 내지 제3 게이트 신호(G2_3) 중 하나의 신호를 공급받고, 출력 And 게이트(19k, And Gate)의 제2 입력단은 제2 제어부(220)로부터 보상 신호(G1_comp)를 공급받을 수 있다. 출력 And 게이트(19k, And Gate)는 하이 레벨(High-Level)의 제3 게이트 신호(G2_3)로 인해 턴 온된 제2 스위칭 소자(170a)를 턴 오프 시켜 주기 위해 보상 신호(G1_comp)와 AND 곱을 취할 수 있다.
제2 제어부(220)는 마이크로 컨트롤러(DSP)라 칭할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(DSP)는 내장된 Pulse-Width-Modulator를 이용하여 제1 스위칭 소자(150a)의 게이트 신호(G1)와 보상 신호(G1_comp)를 출력할 수 있다. 제2 제어부(220)는 제1 스위칭 소자(150a)의 게이트 신호(G1)와 보상 신호(G1_comp)가 누락되지 않도록 설정할 수 있다. 제2 제어부(220)는 제1 스위칭 소자(150a)의 게이트 신호(G1)와 보상 신호(G1_comp) 그리고 제3 스위칭 소자(150b)와 보상 신호(G3_comp) 간의 데드 타임(dead time)을 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 센싱부(190a,190b)는 보상 신호(G1_comp)와 And 곱을 하는 출력 And 게이트(19k, And Gate)를 맨 마지막에 배치함으로써, 제1 게이트 신호(G2_1), 제2 게이트 신호(G2_2) 또는 제3 게이트 신호(G2_3)의 생성 과정에서 문제가 발생하더라도 DC/DC 컨버터의 암 단락(쇼트 상태)을 방지할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 동기 정류기 제어를 적용했을 경우와 적용하지 않았을 경우 소프트 스위칭 셀을 사용한 2상 인터리브드 부스트 컨버터의 부하에 따른 주요 성능 비교하여 나타내 도이다.
도 9를 살펴보면, 부하별 부스트 컨버터의 제1,2 충방전 소자(130a, 130b, 도 1 참조)에 흐르는 전류 리플 크기 비교를 나타낼 수 있다(제1,2 충방전 소자(130a, 130b, 도 1 참조)의 크기가 750[uH]인 경우).
종래의 동기 정류기는 부하에 따라 제1,2 충방전 소자(130a, 130b, 도 1 참조)에 인가되는 전압의 크기와 시간이 변하지 않기 때문에 일정한 크기의 제1,2 충방전 소자(130a, 130b, 도 1 참조)의 전류 리플을 가질 수 있다. 이에 반해, 본 발명은 부하가 감소함에 따라 제1,2 충방전 소자(130a, 130b, 도 1 참조)의 전류 리플의 크기도 감소될 수 있다.
따라서 본 발명은 종래의 2상 인터리브드 부스트 컨버터의 제1,2 충방전 소자(130a, 130b, 도 1 참조)의 설계치를 훨씬 낮게 가져갈 수 있으며 높은 전력 밀도를 가지는 제1,2 부스트 컨버터를 설계할 수 있다.
도 10을 살펴보면, 부하별 부스트 인버터의 출력단 전압 리플 크기 비교를 나타낼 수 있다(출력 커패시터 470[uF]일 경우). 종래의 동기 정류기는 각 상의 동기 정류기에 흐르는 전류 리플이 크기 때문에 출력 커패시터에 흐르는 전류 리플도 증가하여 비교적 큰 출력 전압 리플을 발생시킬 수 있다. 이에 반해, 본 발명의 동기 정류기는 음의 동기 정류기 전류를 일정 값 이하로 제한하고, 이에 따라 동기 정류기에 흐르는 총 전류 리플이 저감 될 수 있다.
따라서 본 발명은 출력 전압의 리플도 저감되는 효과를 얻을 수 있다. 이는 도 9에서 설명한 바와 같이, 낮은 커패시턴스 값으로 출력 전압 리플 설계치를 만족시킬 수 있어 높은 전력 밀도를 갖는 부스트 컨버터 설계에 유리할 수 있다.
도 11을 살펴보면, 부하별 컨버터의 효율을 나타낼 수 있다. 종래의 동기 정류기는 정격에서는 높은 효율을 가지지만, 부하가 저감됨에 따라 소프트 스위칭 셀을 통해 순환하는 여분의 전류가 증가하기 때문에 컨버터의 도통 손실 증가를 야기할 수 있다. 따라서 부하가 감소할수록 컨버터의 효율을 저감시킬 수 있다.
이에 반해, 본 발명의 동기 정류기는 부하가 저감되어도 동기 정류기 제어를 통해 소프트 스위칭 셀을 순환하는 전류를 최소화하여 도통 손실을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 부하에 상관없이 높은 효율을 유지할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
110: 입력단
130a, 130b: 제1,2 충방전 소자
150a, 150b: 제1,3 스위칭 소자
170a, 170b: 제2,4 스위칭 소자
190a, 190b: 센싱부

Claims (10)

  1. 제1 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 상기 제2 스위칭 소자를 구비하는 제1 부스트 컨버터;
    상기 제1 부스트 컨버터와 병렬로 연결되되, 상기 제1 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 제3 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 상기 제4 스위칭 소자를 구비하는 상기 제2 부스트 컨버터;
    상기 제1,2 부스트 컨버터에 걸리는 전압과 상기 제1,2 부스트 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 센싱부; 및
    상기 센싱부에서 센싱되는 상기 전압과 상기 전류를 기초로 상기 제1 부스트 컨버터와 상기 제2 부스트 컨버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 부스트 컨버터와 상기 제2 부스트 컨버터가 동작하는 한 주기 동안 상기 제2 스위칭 소자 또는 상기 제4 스위칭 소자에 상기 센싱부를 통해 생성된 적어도 하나의 게이트 신호를 공급하도록 제어하는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류를 센싱하는 제1 센싱부;
    상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압을 센싱하는 제2 센싱부;
    상기 제4 스위칭 소자에 흐르는 전류를 센싱하는 제3 센싱부; 및
    상기 제4 스위칭 소자의 양단 전압을 센싱하는 제4 센싱부;
    를 구비하는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 센싱부와 상기 제2 센싱부를 이용하여 상기 제2 스위칭 소자의 턴 온 시점과 상기 제2 스위칭 소자의 턴 오프 시점을 특정 시점에 동기화시키는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자의 턴 온 시점에 대한 상기 특정 시점은
    상기 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 온 시점, 상기 제3 스위칭 소자의 턴 온되는 시점 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압이 최소가 되는 시점 중 하나인 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 게이트 신호는
    제1 게이트 신호, 제2 게이트 신호 및 제3 게이트 신호를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 게이트 신호의 턴 온 시점을 상기 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 온 시점과 동기화시키는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제2 게이트 신호의 턴 온 시점을 상기 제1 스위칭 소자의 턴 온 시점과 180도 위상차를 가지는 상기 제3 스위칭 소자의 턴 온되는 시점과 동기화시키는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제3 게이트 신호의 턴 온 시점을 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압이 최소가 되는 시점과 동기화시키는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자의 턴 오프 시점에 대한 상기 특정 시점은
    상기 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류가 0이 되는 시점 또는 상기 제1 스위칭 소자에 공급되는 보상 신호의 턴 오프 시점인 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제1,2 게이트 신호의 턴 오프 시점을 상기 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류가 0이 되는 시점과 동기화시키는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제3 게이트 신호의 턴 오프 시점이 한 스위칭 주기 중 특정 구간에 포함되도록 제어하되, 상기 특정 구간 내에서 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압이 최소가 되는 시점과 상기 제3 게이트 신호의 턴 온 시점에 동기화되도록 제어하는 소프트 스위칭 셀을 사용한 인터리브드 부스트 컨버터의 동기 정류기 제어 장치.
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CN113067489A (zh) * 2021-04-01 2021-07-02 湖南大学 一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和系统

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