KR20210081782A - Ccm 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템, 및 커패시터 전압 제어 시스템을 포함하는 ccm 공진형 컨버터 - Google Patents

Ccm 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템, 및 커패시터 전압 제어 시스템을 포함하는 ccm 공진형 컨버터 Download PDF

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Abstract

CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템은, 전압 측정부, 전압 제어부, 스위칭 주파수 변조부, 및 스위칭 주파수 선택부를 포함한다. 전압 측정부는 CCM 공진형 컨버터의 출력단에 연결된 커패시터의 전압을 측정하고, 전압 제어부는 측정된 커패시터의 전압을 이용하여 CCM 공진형 컨버터에 대한 충전 제어 신호를 생성하고, 스위칭 주파수 변조부는 충전 제어 신호에 따라 CCM 공진형 컨버터의 인버터에 포함된 스위치에서의 기본 스위칭 주파수를 생성하며, 스위칭 주파수 선택부는 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 작은 경우 기본 스위칭 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택하고, 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 큰 경우 미리 설정된 정밀 충전 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택한다.

Description

CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템, 및 커패시터 전압 제어 시스템을 포함하는 CCM 공진형 컨버터 {SYSTEM FOR CONTROLLING CAPACITOR VOLTAGE OF CCM RESONANCE TYPE CONVERTER, AND CCM RESONANCE TYPE CONVERTER COMPRISING CAPACITOR VOLTAGE CONTROL SYSTEM}
본 발명은 커패시터 전압 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CCM 공진형 컨버터를 이용하여 커패시터의 충전 전압을 정밀하게 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.
종래, 고정밀 커패시터의 충전전압 제어를 위해 기본적으로 사용되는 방식은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 대용량 충전기와 함께 소용량 고정밀 커패시터 충전기를 별도로 두는 방식이다. 도 1 및 도 2는 각각 직렬 구성 고정밀 충전 방식 및 병렬 구성 고정밀 충전 방식의 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
이러한 방식에서는, 커패시터 전압이 일정 충전전압 이상이 되면 대용량 충전기를 오프시키고 고정밀 충전기만을 통해서 충전을 진행하여 매번 충전할 때마다 충전 전압을 일정하게 유지한다.
하지만, 이와 같은 방식에서는 두 대의 충전기를 개별적으로 설계 및 제어해야 하기 때문에, 충전기의 부피, 가격, 신뢰성 등에 대한 문제가 발생한다. 보다 구체적으로, 도 1의 직렬구성방식에서는, 접지로부터 플로팅된 전원 설계 및 제어가 필요하며, 도 2의 병렬구성방식에서는, 두 충전기 모두 정격 충전 전압 이상의 내전압을 갖도록 설계가 필요하다.
한편, 대부분의 고전압, 대용량 커패시터 충전기는 고효율화를 위해 소프트 스위칭 기반의 공진형 컨버터 방식을 이용하고 있으며, 두 가지 대표적인 방식은 도 4 및 도 5와 같다.
도 3은 공진형 컨버터의 개념도이고, 도 4 및 도 5는 각각 DCM 공진형 컨버터 방식의 충전 방식과 CCM 공진형 컨버터 방식의 충전 방식에서의 공진 전류와 충전 전압을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, DCM 공진형 컨버터(Discontinuous Conduction Mode 공진형 컨버터)의 경우에는 공진탱크의 파라미터에 의해 결정되는 공진전류 모양에 의해 충전전압의 resolution이 결정되기 때문에 고정밀 충전기 구성이 별도로 필요하다.
하드스위칭 동작을 허용하여 충전전압의 정밀도를 높이는 방식이 고려될 수 있으나, 소자의 발열이 심해지고 효율이 떨어져 전원의 신뢰성에 문제가 될 수가 있다.
CCM 공진형 컨버터(Continuous Conduction Mode 공진형 컨버터) 역시 도 5에서와 같이 공진전류에 의해 충전전압의 resolution이 결정되지만, 스위칭 주파수 제어를 통해 정밀도를 향상시킬 수 있다. 다만, 소프트 스위칭을 유지하면서 고정밀 충전전압 제어가 가능한 제어기 설계가 필요하다.
KR 101385979 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공진형 컨버터의 소프트 스위칭을 유지하면서도, 신속하고 정확하게 커패시터의 충전 상태를 제어할 수 있도록 해 주는 공진형 컨버터의 전압 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템은, 전압 측정부, 전압 제어부, 스위칭 주파수 변조부, 및 스위칭 주파수 선택부를 포함한다.
전압 측정부는 CCM 공진형 컨버터의 출력단 커패시터의 전압을 측정하고, 전압 제어부는 측정된 커패시터의 전압을 이용하여 CCM 공진형 컨버터에 대한 충전 제어 신호를 생성하고, 스위칭 주파수 변조부는 충전 제어 신호에 따라 CCM 공진형 컨버터의 인버터에 포함된 스위치에서의 기본 스위칭 주파수를 생성하며, 스위칭 주파수 선택부는 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 작은 경우 기본 스위칭 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택하고, 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 큰 경우 미리 설정된 정밀 충전 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택한다.
이와 같은 구성에 의하면, 커패시터의 충전 정도에 따라 CCM 공진형 컨버터에 서로 다른 스위칭 주파수를 적용함으로써, 공진형 컨버터의 소프트 스위칭을 유지하면서도, 신속하고 정확하게 커패시터의 충전 상태를 제어할 수 있게 된다.
이때, 정밀 충전 주파수는 스위치의 최대 스위칭 주파수일 수 있다.
또한, 정밀 충전 기준 전압은 미리 설정된 제어 기준 전압에 미리 설정된 정밀 충전 계수를 적용하여 설정될 수 있다.
또한, 측정된 커패시터 전압에 따라 스위칭 주파수 선택부에 충전 종료 신호를 출력하는 충전 종료 신호 출력부를 더 포함할 수 있다.
이때, 충전 종료 신호 출력부는 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 제어 기준 전압에 도달하는 경우 충전 종료 신호를 출력할 수 있다.
또한, 충전 종료 신호 출력부는 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 충전 재개 기준 전압에 도달하는 경우 충전 종료 신호의 출력을 중단할 수 있다.
또한, 정밀 재개 기준 전압은 제어 기준 전압에 미리 설정된 충전 재개 계수를 적용하여 설정될 수 있다.
또한, 스위칭 주파수 선택부는 충전 종료 신호가 출력되는 경우 기본 스위칭 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 CCM 공진형 컨버터는 커패시터 전압 제어 시스템을 포함한다. 커패시터 전압 제어 시스템은 CCM 공진형 컨버터의 출력단 커패시터의 전압을 측정하는 전압 측정부, 측정된 커패시터의 전압을 이용하여 CCM 공진형 컨버터에 대한 충전 제어 신호를 생성하는 전압 제어부, 충전 제어 신호에 따라 CCM 공진형 컨버터의 인버터에 포함된 스위치에서의 기본 스위칭 주파수를 생성하는 스위칭 주파수 변조부, 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 작은 경우 기본 스위칭 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택하고, 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 큰 경우 미리 설정된 정밀 충전 주파수를 스위치의 스위칭 주파수로 선택하는 스위칭 주파수 선택부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 커패시터의 충전 정도에 따라 CCM 공진형 컨버터에 서로 다른 스위칭 주파수를 적용함으로써, 공진형 컨버터의 소프트 스위칭을 유지하면서도, 신속하고 정확하게 커패시터의 충전 상태를 제어할 수 있게 된다.
도 1 및 도 2는 각각 직렬 구성 고정밀 충전 방식 및 병렬 구성 고정밀 충전 방식의 개념을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 공진형 컨버터의 개념도.
도 4 및 도 5는 각각 DCM 공진형 컨버터 방식의 충전 방식과 CCM 공진형 컨버터 방식의 충전 방식에서의 공진 전류와 충전 전압을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CCM 공진형 컨버터의 개략적인 블록도.
도 7은 E.O.C. 신호 발생부에서의 측정 전압에 따른 E.O.C. 신호의 히스테리시스 곡선을 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 도 6의 CCM 공진형 컨버터의 스위칭 주파수에 따른 공진전류 및 충전전압을 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 전압 제어 시스템을 포함하는 CCM 공진형 컨버터의 개략적인 블록도이다. 도 6에서, CCM 공진형 컨버터는 고주파 인버터(210), 공진 탱크(220), 변압기(230), 정류 회로(240), 출력단 커패시터(250), 및 커패시터 전압 제어 시스템(100)을 포함하고 있다.
고주파 인버터(High Frequency Inverter; 210)는 DC로부터 고주파 AC로 변환하기 위한 하프브릿지 혹은 풀브릿지 인버터로 구현된 구성이고, 공진 탱크(Resonant Tank; 220)는 공진회로 기반 소프트 스위칭을 위한 구성이며, 변압기(230)는 승압 및 강압을 위한 구성이고, 정류회로(240)는 고주파 AC를 다시 DC로 변환하여 커패시터(250)를 충전하기 위한 정류기의 구성이다.
도 6에서, 커패시터 전압 제어 시스템(100)은 다시 고정밀 센싱부(110), E.O.C. 신호 발생부(120), 스위칭 주파수 선택부(Switching Frequency Selection; 130), 전압 제어부(Voltage Controller; 140), 및 스위칭 주파수 변조부(Switching Frequency Modulation; 150)를 포함한다.
고정밀 센싱부(110)는 충전전압을 외부 환경(온도 및 습도 등)에 영향 없이 센싱하기 위한 회로이다. 도 6에서, Vreal은 센싱 전압, Vref는 충전 지령 전압, Voltage Controller는 충전전압 제어를 위한 제어기, Switching Frequency Modulation은 충전전압 제어를 위한 스위칭 주파수 변조 회로(Vcontrol 신호에 비례하는 스위칭 주파수 발생 회로)를 각각 의미한다.
E.O.C. 신호 발생부(120)는, 센싱된 충전전압이 지령치와 같아지면 high E.O.C. 신호를 발생시키며, 충전전압이 지령치보다 일정 전압 이하(M*Vref)로 떨어지는 경우 low E.O.C. 신호를 발생한다. 이때, 충전전압 지령치에 반영되는 계수 M은 사용자 등에 의해 미리 설정될 수 있다. 도 7은 E.O.C. 신호 발생부에서 측정 전압에 따른 E.O.C. 신호의 히스테리시스 곡선을 도시한 도면이다.
스위칭 주파수 선택부(Switching Frequency Selection; 130)는 최종적으로 인버터에 전달되는 스위칭 주파수를 결정하는 회로로서, E.O.C. 신호가 low이고 실제 충전 전압이 지령치의 일정전압 이하(K*Vref)인 경우, 빠른 고속 대용량 충전을 위해 fsw,control 주파수를 전달한다. 이때, 충전전압 지령치에 반영되는 계수 K 역시 사용자 등에 의해 미리 설정될 수 있다.
또한, 실제 충전 전압이 일정전압 이상인 경우 충전전압 고정밀 제어를 위해 fse,max를 전달한다. 또한, 충전을 완료하고 E.O.C. 신호가 high가 되는 충전전압 유지를 위해 다시 fsw,control 신호를 인버터로 전달한다.
Figure pat00001
또한, 스위칭 주파수 선택부(Switching Frequency Selection; 130)는, E.O.C. 신호가 high인 경우에는, 마찬가지로 충전전압 유지를 위해 fsw,control 신호를 인버터로 전달한다.
Figure pat00002
정리하면, 본 발명은 도 8 및 도 9에 도시된 CCM 공진형 컨버터 스위칭 주파수에 따른 공진전류 및 충전전압 그래프에서와 같이 높은 스위칭 주파수에서 매 스위칭시의 충전전압 상승 폭을 줄일 수 있는 특징을 이용한 것이다.
도 8 및 도 9는 도 6의 CCM 공진형 컨버터의 스위칭 주파수에 따른 공진전류 및 충전전압을 도시한 그래프이다. 도 8은 기본 스위칭 주파수, 도 9는 최대 스위칭 주파수에서의 공진형 컨버터의 CCM 모드를 각각 도시하고 있다.
실제 충전전압이 지령치보다 많이 낮은 경우 낮은 스위칭 주파수 동작을 통해 대용량 고속 충전을 수행하고, 실제 충전전압이 지령치와 가까워졌을 때 스위칭 주파수를 최대로 키워 고정밀 충전을 수행한다.
본 발명에 의하면, 하나의 장비로 고정밀 충전이 가능하며, 소프트 스위칭을 유지할 수 있기 때문에 고효율 동작 및 신뢰성 확보를 할 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
100: 커패시터 전압 제어 시스템
110: 고정밀 센싱부
120: E.O.C. 신호 발생부
130: 스위칭 주파수 선택부(Switching Frequency Selection)
140: 전압 제어부
150: 스위칭 주파수 변조부
210: 고주파 인버터
2200: 공진 탱크
230: 변압기
240: 정류 회로
250: 출력단 커패시터

Claims (9)

  1. CCM 공진형 컨버터의 출력단 커패시터의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    측정된 상기 커패시터의 전압을 이용하여 상기 CCM 공진형 컨버터에 대한 충전 제어 신호를 생성하는 전압 제어부;
    상기 충전 제어 신호에 따라 상기 CCM 공진형 컨버터의 인버터에 포함된 스위치에서의 기본 스위칭 주파수를 생성하는 스위칭 주파수 변조부; 및
    상기 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 작은 경우 상기 기본 스위칭 주파수를 상기 스위치의 스위칭 주파수로 선택하고, 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 큰 경우 미리 설정된 정밀 충전 주파수를 상기 스위치의 스위칭 주파수로 선택하는 스위칭 주파수 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정밀 충전 주파수는 상기 스위치의 최대 스위칭 주파수인 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정밀 충전 기준 전압은 미리 설정된 제어 기준 전압에 미리 설정된 정밀 충전 계수를 적용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정된 커패시터 전압에 따라 상기 스위칭 주파수 선택부에 충전 종료 신호를 출력하는 충전 종료 신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 충전 종료 신호 출력부는 상기 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 제어 기준 전압에 도달하는 경우 상기 충전 종료 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 충전 종료 신호 출력부는 상기 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 충전 재개 기준 전압에 도달하는 경우 상기 충전 종료 신호의 출력을 중단하는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 정밀 재개 기준 전압은 상기 제어 기준 전압에 미리 설정된 충전 재개 계수를 적용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 스위칭 주파수 선택부는 상기 충전 종료 신호가 출력되는 경우 상기 기본 스위칭 주파수를 상기 스위치의 스위칭 주파수로 선택하는 것을 특징으로 하는 CCM 공진형 컨버터의 커패시터 전압 제어 시스템.
  9. 커패시터 전압 제어 시스템을 포함하는 CCM 공진형 컨버터로서,
    상기 커패시터 전압 제어 시스템은,
    상기 CCM 공진형 컨버터의 출력단에 연결된 커패시터의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    측정된 상기 커패시터의 전압을 이용하여 상기 CCM 공진형 컨버터에 대한 충전 제어 신호를 생성하는 전압 제어부;
    상기 충전 제어 신호에 따라 상기 CCM 공진형 컨버터의 인버터에 포함된 스위치에서의 기본 스위칭 주파수를 생성하는 스위칭 주파수 변조부; 및
    상기 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 작은 경우 상기 기본 스위칭 주파수를 상기 스위치의 스위칭 주파수로 선택하고, 측정된 커패시터 전압이 미리 설정된 정밀 충전 기준 전압보다 큰 경우 미리 설정된 정밀 충전 주파수를 상기 스위치의 스위칭 주파수로 선택하는 스위칭 주파수 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터 전압 제어 시스템을 포함하는 CCM 공진형 컨버터.
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