KR20200093892A

KR20200093892A - 하이브리드 전류 모드 제어장치

Info

Publication number: KR20200093892A
Application number: KR1020190011170A
Authority: KR
Inventors: 김학원; 오승민
Original assignee: 한국교통대학교산학협력단
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-08-06

Abstract

본 발명은 기존의 기울기 보상방법에 비하여 응답특성이 개선되는 하이브리드방식의 전류 모드 제어장치를 제안하고 있다. 본 발명에 의하면, 비 반전단자(+)를 통해 컨버터에 구비된 인덕터(L)의 최소전류(Valley current)를 인가받고 반전단자(-)를 통해 상기 인덕터(L)의 현재 전류(I_L)를 인가받아 비교하는 제1 비교기와, 반전단자(-)를 통해 상기 인덕터(L)의 최대전류(Peak current)를 인가받고 비 반전단자(+)를 통해 상기 인덕터(L)의 현재 전류(I_L)를 인가받아 비교하는 제2 비교기를 구비한다. 그리고 상기 제1 비교기의 출력은 세트(set) 단자로 인가받고, 제2 비교기의 출력은 리셋(reset) 단자로 인가받아 PWM 신호를 출력하는 SR 래치를 포함하는 구성이다. 이러한 구성으로 인하여 최대전류와 운전조건에 따라 결정되는 최소전류를 인덕터의 현재 전류와 비교하여 제어하고 있기 때문에 저조파 발진의 발생을 방지할 수 있고, 또한 피크 전류 모드 제어(PCMC) 방식을 기반으로 구동되기 때문에 빠른 응답 특성이 가능한 이점이 있다..

Description

하이브리드 전류 모드 제어장치{A Hybrid Current Mode Controller Apparatus}

본 발명은 하이브리드 방식의 전류 모드 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인덕터(Inductor)의 최대전류 및 최소전류에 의해 제어되며, 컨버터 장치의 입력전압과 출력전압의 변경에 따라 전류 밴드 폭도 변경되게 하는 하이브리드 전류 모드 제어장치에 관한 것이다.

회생제동의 연구가 활발해지면서 전기에너지의 빠른 저장능력이 중요하게 되었고, 이에 일반적인 축전지보다 슈퍼 커패시터(Super capacitor)의 사용 및 응용이 증가하는 추세이다. 슈퍼 커패시터는 충전 및 방전 사이클이 많고 수명이 길다는 장점이 있다. 이러한 슈퍼 커패시터를 이용한 에너지 저장장치에는 슈퍼 커패시터의 충전 및 방전을 고속으로 수행하기 위하여 빠른 응답 특성을 제공하는 전압 제어기가 필요하였다.

그리고 전압 제어기에는 내부에 전류 제어기가 구비되어야 하는데, 이러한 전류 제어기 역시 빠른 응답특성이 요구된다. 종래 이러한 전류 제어기의 응답특성을 충족시키기 위하여 다양한 방법이 제안된 바 있다.

전류 제어기의 제어 방식으로 한국등록특허 10-1357758호에 기재된 피크 전류 모드 제어(Peak Current Mode Control) 방식이 있다. 이 방식은 제어 전원의 최대값을 제한함으로써 스위칭 소자의 최대전류를 직접 제어하는 방식이다. 그러나 피크 전류 모드 제어방식은 듀티(duty)가 0.5 이상일 때 저조파 발진(Sub-harmonic oscillation) 현상이 발생하는 문제가 있다. 이외에도 상기 피크 전류 모드 제어에 대해서는 여러 논문(선행논문 1, 선행논문 2)이 발표된 바 있다.

전류 제어방식의 다른 선행문헌을 살펴보면 상기 저조파 발진 문제를 해결할 수 있는 기울기 보상방법(선행논문 3)이나 전류제어방법(선행논문 4)을 들 수 있다. 그러나 선행문헌 3은 응답시간이 지연되는 문제, 선행문헌 4는 상부 삼각파와 비교하는 최대전류 및 하부 삼각파와 비교하는 최소 전류를 사용하지만 상단 및 하단 파형의 기울기가 입출력 전압의 영향을 받기 때문에 이러한 입출력 전압의 변경에 따라 하드웨어적으로 기울기를 변경해야 하는 문제가 있어 이 역시 빠른 응답특성에 대한 한계가 있었다.

한국등록특허 10-1357758호

선행논문 1: Guohua Zhou, Jianping Xu, Jinping Wang and Qingbo Mu, 'Elimination of sub-harmonic oscillation of digital average current control buck converter' Fujian, 2008, pp1314-1318 선행논문 2: Y. Sugimoto, T. Sai, and M, Abe, 'Feedback Loop Analysis and Optimized Compensation Slope of the Current - Mode Buck DC-DC Converter in DCM,'IEEE Trans, Circuits syst. I, Reg. Papers, vol. pp 1-9, Oct, 2014 선행논문 3: Desing of slope compensation for a high-efficiency high-current DC-DC converter, 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, Hangzhou, 2016, pp.1306-1308 선행논문 4: Parameter-Insensitive Mixed-Signal Hysteresis-Band Current Control for Point-of-Load Converters With Fixed Frequency and Robust Stability, in, vol. 32, no.7, pp.5760-5770, July 2017

따라서 본 발명의 목적은 컨버터의 최대전류와 운전조건에 따라 결정된 최소전류를 함께 사용함으로써 종래보다 더 빠른 응답 특성을 제공할 수 있는 하이브리드 전류 모드 제어장치를 제공하는 것에 있다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 입력전압 및 출력전압의 변경에 따라 전류 밴드 폭도 대응되게 변경되게 하여, 항상 일정한 스위칭 주파수를 제공하는 것에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 비 반전단자(+)를 통해 컨버터에 구비된 인덕터(L)의 최소전류(Valley current)를 인가받고 반전단자(-)를 통해 상기 인덕터(L)의 현재 전류(I_L)를 인가받아 비교하는 제1 비교기; 반전단자(-)를 통해 상기 인덕터(L)의 최대전류(Peak current)를 인가받고 비 반전단자(+)를 통해 상기 인덕터(L)의 현재 전류(I_L)를 인가받아 비교하는 제2 비교기; 그리고 상기 제1 비교기의 출력은 세트(set) 단자로 인가받고, 제2 비교기의 출력은 리셋(reset) 단자로 인가받아 PWM 신호를 출력하는 SR 래치를 포함하여, 상기 최대전류와 운전조건에 따라 결정되는 상기 최소전류를 함께 사용하여 제어하고 있다.

그리고 상기 최소전류는 다음의 식

에 의해 구해지고, 상기 전류 밴드 폭(

)은 다음의 식

에 의해 구해진다.

여기서, m₁은 정상 상태에서의 인덕터 전류 파형의 상승 기울기, DT는 인덕터 전류가 상승하는 시간, f는 PWM 주파수, Vg는 입력전압, Vo는 출력전압, L은 인덕터 값.

는 전력변환장치에 구비된 전압제어기에서 도출되는 평균전류 값을 말한다.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 하이브리드 전류 모드 제어장치는 상기 컨버터의 입력전압 및 출력전압이 변경되면 상기 전류 밴드 폭(

)을 변경시켜서 스위칭 주파수가 고정되게 하고 있다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 인덕터의 최대전류와 최소전류 명령을 사용하기 때문에 기존의 기울기 보상방법에 비하여 응답특성이 개선되는 효과가 있다. 따라서 이처럼 시간 지연되는 문제를 해결할 수 있는 전류 모드 장치를 사용하면 전압 제어 역시 빠른 응답특성을 제공할 수 있을 것이다.

또한, 이러한 빠른 응답특성으로 인하여 에너지 저장장치에 사용되는 커패시터의 충전/방전을 고속으로 수행할 수 있다는 점에서, 전기 자동차나 전동차의 배터리팩용 양방향 DC-DC 컨버터에 사용할 경우 성능향상이 기대되는 효과가 있다.

그리고 본 발명은 종래의 최대 및 최소전류를 사용하는 히스테리시스 제어기(Hysteresis controller)에서 초래되는 일정하지 않은 스위칭 주파수 문제를 해결할 수 있다. 즉 종래 히스테리시스 제어기는 입력전압 및 출력전압이 변화할 때 전류 밴드 폭(

)이 변화하지 않고 고정되어 스위칭 주파수가 가변적이었지만, 본 발명은 컨버터의 입출력 전압이 변화되더라도 전류 밴드 폭(

)을 이와 대응되게 변화시킬 수 있어 스위칭 주파수가 고정되기 때문이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 전류 모드 제어장치가 포함된 DC-DC 컨버터 구성도
도 2는 도 1의 DC-DC 컨버터에 구성된 인덕터의 정상 상태에서의 전류 파형도
도 3 내지 도 8은 본 발명과 종래기술의 응답특성을 설명하기 위하여 도시한 도면들로서,
도 3과 도 4는 본 발명과 종래기술의 시뮬레이션 결과에 따른 응답특성을 나타낸 전압 파형도
도 5a 및 도 5b는 컨버터의 출력전압의 하강 및 상승에 따른 인덕터 전류 파형에 대한 각각의 모의 해석결과의 파형도
도 6a 및 도 6b는 컨버터의 출력전압의 하강 및 상승에 따른 인덕터 전류 파형에 대한 각각의 실제 실험 결과의 파형도
도 7은 컨버터의 출력전압이 상승 및 하강 전의 인덕터 전류의 전류 파형
도 8은 컨버터의 출력전압이 상승 및 하강 후의 인덕터 전류의 전류 파형

본 발명은 인덕터의 최대전류 및 최소전류를 사용하여 빠른 응답특성을 제공하는 개선된 하이브리드 방식의 전류모드 제어장치를 제안하는 것이고, 이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 전력변환장치인 DC/DC 컨버터(10)는 입력 DC전원(Vin)과, 상기 DC 전원(Vin)을 스위칭하여 펄스신호로 변환하는 스위칭부(20), 상기 스위칭부(20)를 통해 인가되는 에너지를 충전하여 DC 전원을 출력하는 출력 커패시터(Co)를 포함하는 구성이다.

상기 스위칭부(20)는 인덕터(L)와 스위칭소자(S) 및 다이오드(D)로 이루어져 있으며, 상기 스위칭소자(S)와 다이오드(D)는 대부분 반도체 소자로 구성된다. 그리고 스위칭소자(S)의 동작에 따르면 그 스위칭소자(S)가 온(on) 되는 구간에서는, 인덕터(L)를 통해 흐르는 DC 전류(i_L)가 선형적으로 증가하고 아울러 스위칭소자(S)를 통해 흐르는 전류(i_S)도 선형적으로 증가하게 된다. 반대로 상기 스위칭소자(S)가 오프(off) 되는 구간에서는, 인덕터(L)를 통해 흐르는 DC 전류(i_L)가 선형적으로 감소하고 다이오드(D)를 통해 흐르는 전류(i_D)도 선형적으로 감소하도록 구동된다.

그리고 본 발명에 따른 전류 모드 제어장치(100)는 DC/DC 컨버터(10)에 구비된 상기 인덕터(L)의 최대 및 최소 전류값을 이용하는 것이다. 이를 위하여 인덕터(L)에 흐르는 전류(I_L)를 최대전류(I_peak _{_ref}) 및 최소전류(I_Valley _{_ref})와 각각 비교하기 위한 제1 비교기(100a), 제2 비교기(100b)가 구비된다. 제1 비교기(100a)는 인덕터의 최소전류(I_Valley _{_ref})와 현재 전류(I_L)를 비교하기 위한 것으로, 비 반전단자(+)로 최소전류(I_Valley _{_ref})를 입력받고 반전단자(-)로 현재 전류를 입력받는다. 제2 비교기(100b)는 인덕터의 최대전류(I_peak _{_ref})와 현재 전류(I_L)를 비교하기 위한 것으로, 비 반전단자(+)로 현재 전류를 입력받고 반전단자(-)로 최대 전류(I_peak _{_ref})를 입력받는다.

여기서 상기 최대전류(I_peak _{_ref})는, 미리 설정된 기준전압과 DC/DC 컨버터(10)의 출력전압(V_o _{_ref})을 감산하는 감산기(110), 감산기(110)의 출력전압 값을 제어하는 전압 제어기(112), 전압 제어기(112)의 출력전압 값과 인덕터 전류의 리플 값(

)을 가산하는 가산기(114)에 의하여 얻어진다. 여기서 전압 제어기(112)는

에 의해 출력 값을 제어하게 될 것이다.

한편, 제1 비교기(100a)에 인가되는 최소전류(I_Valley _{_ref})를 구하기 위해서는 전류 밴드 값(

)이 구해져야 한다. 전류 밴드 값(

)은 다음 [수학식 1]과 같이 인덕터 전류의 상승 기울기와 상승 시간의 곱으로 구할 수 있다.

여기서, m1은 정상 상태에서의 인덕터 전류 파형에서 인덕터 전류의 상승 기울기를 말하고, DT는 인덕터 전류가 상승하는 시간을 말한다. 그리고 f는 PWM 주파수, Vg는 입력전압, Vo는 출력전압, L은 인덕터 값을 나타낸다.

상기 최소 전류(I_Valley _{_ref})는 이와 같은 전류 밴드 값(

)에 의해 다음의 [수학식 2]와 같이 최대전류에서 전류 밴드 값(

)을 감산하여 구하게 된다.

여기서 상기

는 전력변환장치에 구비된 전압제어기에서 도출되는 평균전류 값이다.

그리고 제1 비교기(100a)의 출력 값은 세트(set) 단자로 인가받고, 제2 비교기(100b)의 출력 값은 리셋(reset) 단자로 인가받아, 세트신호와 리셋신호를 형성하는 SR 래치(120)가 구성된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 하이브리드 전류 모드 제어장치는 인덕터의 최대전류 값(I_peak _{_ref})과 DC/DC 컨버터(10)의 운전조건에 따라 결정되는 인덕터의 최소전류 값(I_Valley _{_ref})을 이용하기 때문에 응답특성을 충분히 개선할 수 있게 되며, 또한 입력전압과 출력전압이 변화더라도 상기 [수학식 1]에 의하여 전류 밴드 폭을 변화시키고 있어 스위칭 주파수를 고정할 수게 된다. 이러한 본 발명의 개선된 점은 아래에서 종래 기술과 비교하면서 상세하게 살펴보기로 한다.

본 발명과 비교되는 선행기술은 배경기술에서 언급한 바 있는 일정한 기울기 보상(slope compensation)을 갖는 피크 전류 모드 제어방식이다. 이러한 선행기술은 일반적인 피크 전류 모드 제어(Peak Current Mode Control)에서 발생하였던 저조파 발진 문제를 방지하기 위하여 최대전류에서 삼각파를 감산하여 입력전류와 비교하는 방식이지만 반면 응답 지연문제가 발생한다.

선행기술의 응답 지연은 다음과 같이 정리할 수 있다. 즉, [수학식 3]은 DC/DC 컨버터에서 인덕터 전류(I_L)의 상승 및 하강 기울기를 나타내는 것이다.

상기 m1은 인턱터 전류가 상승하는 기울기, m2는 인덕터 전류가 하강하는 기울기, Vg는 입력전압, Vo는 출력전압, L은 인덕터 값을 나타낸다.

여기서 저조파 발생을 방지하기 위해서는 전류 변동 계수의 크기가 1보다 작아야 하기 때문에, [수학식 4]를 이용하여 삼각파의 기울기 보상 값을 구하게 된다.

상기 m_a는 삼각파의 기울기를 의미한다.

상기 [수학식 4]를 살펴보면 출력전압이 변경되면 기울기 값도 동시에 변경해야 한다. 그러나 에너지 저장장치에 널리 사용되는 슈퍼 커패시터는 전압이 급격하게 변하기 때문에 실제 출력전압으로 기울기를 수시로 변경하는 것이 쉽지 않다. 그래서 기울기 보상값은 저조파 발진이 발생하지 않도록 최대 기울기로 사용하게 되는데, 이처럼 최대 기울기를 사용하기 때문에 응답시간이 지연될 수밖에 없는 것이다.

이와 같은 종래 선행기술과 본 발명과의 응답시간의 비교 결과는 다음의 시뮬레이션 및 실험결과를 통해 확인할 수 있다. 시뮬레이션을 위한 실험장비는 DC 파워보드, 제어보드로 구성되며 MCU 제어를 위해 TI(Texas Instruments)사의 'TMS320F28377D'를 이용하였고 시스템 파라미터는 다음 [표 1]과 같다.

파라미터	값
입력전압	10[V]
출력전압	50[V]
인덕터	0.5[mH]
커패시터	440[uF]
최대 기울기(Max Slope)	80k
스위칭 주파수	2o[kHz]

시뮬레이션 결과, 도 3과 같이 본 발명의 제어장치에 의한 응답시간(a)은 기울기 보상(slope compensation)을 갖는 피크 전류 모드 제어방식(b)에 의한 응답시간보다 더 빠르게 처리됨을 알 수 있다. 즉, 종래기술의 기울기 보상을 가지는 피크 전류 모드 제어방식은 원래의 보상 값보다 기울기를 더 많이 보상되기 때문에 응답시간이 지연될 수밖에 없는 것이고, 본원발명은 이러한 문제를 해결한 것임을 의미하다고 할 것이다.

그리고 이러한 응답시간의 시뮬레이션 결과와 같이 실질적인 실험결과에서도 도 4와 같이 기울기 보상을 가지는 피크 전류 모드 제어방식(b)보다 본 발명(a)이 지연 없이 더 빠르게 응답시간을 제공하는 특징을 확인할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 컨버터의 출력전압의 하강 및 상승에 따른 인덕터 전류 파형에 대한 각각의 모의 해석결과이고, 도 6a 및 도 6b는 실제 실험 결과의 파형도를 나타낸다. 이처럼 모의 해석 및 실제 실험을 통해서 보더라도 본 발명은 전류 밴드 폭을 상기 [수학식 1]로 변화시키고 있기 때문에, 출력전압이 변경되더라도 스위칭 주파수가 고정되어 있음을 알 수 있다. 이는 입력전압과 출력전압이 바뀔 때마다 주파수가 변하는 문제를 해결하게 됨을 의미한다고 할 것이다.

도 7은 출력전압이 상승 및 하강 전의 인덕터 전류의 전류 파형이고, 도 8은 출력전압이 상승 및 하강 후의 인덕터 전류의 전류 파형으로 모의 해석과 같이 스위칭 주파수가 고정되는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

즉 본 발명의 실시 예는 DC-DC 컨버터를 예를 들어 설명하고 있지만, 인덕터 전류의 최소값과 최대값을 검출할 수 있다면 모든 종류의 컨버터에 적용할 수 있을 것이다.

10: DC/DC 컨버터 20: 스위칭부
100: 전류 모드 제어장치
110: 감산기
112: 전압 제어기
114: 가산기
120: SR 래치

Claims

비 반전단자(+)를 통해 컨버터에 구비된 인덕터(L)의 최소전류(Valley current)를 인가받고 반전단자(-)를 통해 상기 인덕터(L)의 현재 전류(I_L)를 인가받아 비교하는 제1 비교기;
반전단자(-)를 통해 상기 인덕터(L)의 최대전류(Peak current)를 인가받고 비 반전단자(+)를 통해 상기 인덕터(L)의 현재 전류(I_L)를 인가받아 비교하는 제2 비교기; 그리고
상기 제1 비교기의 출력은 세트(set) 단자로 인가받고, 제2 비교기의 출력은 리셋(reset) 단자로 인가받아 PWM 신호를 출력하는 SR 래치를 포함하여, 상기 최대전류와 운전조건에 따라 결정되는 상기 최소전류를 함께 사용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전류 모드 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 최소전류는
에 의해 구해지고,
상기 전류 밴드 폭(
)은
에 의해 구해지는 하이브리드 전류 모드 제어장치.
여기서, m₁은 정상 상태에서의 인덕터 전류 파형의 상승 기울기, DT는 인덕터 전류가 상승하는 시간, f는 PWM 주파수, Vg는 입력전압, Vo는 출력전압, L은 인덕터 값.
는 전력변환장치에 구비된 전압제어기에서 도출되는 평균전류 값임
제 2 항에 있어서,
상기 컨버터의 입력전압 및 출력전압이 변경되면 상기 전류 밴드 폭(
)을 변경시켜서 스위칭 주파수가 고정되는 하이브리드 전류 모드 제어장치.