KR20210122616A

KR20210122616A - 직류-직류 컨버터

Info

Publication number: KR20210122616A
Application number: KR1020200040003A
Authority: KR
Inventors: 김중휘; 유정모; 이용재; 황재호; 박주영; 박재현
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-10-12
Also published as: JP2021164399A; DE102020212692A1; US11356021B2; US20210313886A1; CN113497556A

Abstract

제1 커패시터; 상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치; 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 연결 노드와 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터; 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치의 연결 노드에 일단이 연결된 인덕터; 및 제1 검출 전압과 그에 대한 제1 전압 지령의 차이 및 제2 검출 전압과 그에 대한 제2 전압 지령의 차이에, 상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 검출 전류의 역수를 적용한 결과를 기반으로 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 직류-직류 컨버터가 개시된다. 여기에서, 상기 제1 검출 전압은 상기 제1 커패시터의 양단의 검출 전압 또는 상기 인덕터의 타단과 상기 제1 커패시터와 상기 제4 스위치의 연결 노드 사이의 검출 전압이고, 상기 제2 검출전압은 제2 커패시터 양단의 검출 전압이다.

Description

직류-직류 컨버터{DC-DC CONVERTER}

본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제어성을 향상시킬 수 있는 플라잉 커패시터를 구비한 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.

일반적으로, 직류-직류 컨버터는 입력된 직류 전압의 크기를 원하는 크기로 변환하는 장치로서 각종 전기 전력 분야에 널리 이용되고 있다.

종래의 직류-직류 컨버터로서 반도체 스위치의 온/오프 동작을 이용하여 인덕터의 에너지 축적과 에너지 방출의 양을 컨트롤해 직류에서 직류로의 전압 변환을 하는 기술이 알려져 있다. 이러한 종래의 직류-직류 컨버터는 적용된 인덕터의 사이즈가 크고 그 중량이 무거운 단점이 있다.

이러한 인덕터 사이즈 및 중량의 문제를 해소하기 위해 커패시터를 이용하여 커패시터의 충방전을 이용하여 인덕터에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 인덕터에 의해 제공되는 인덕턴스 값을 감소시킴으로써 인덕터를 소형화 및 경량화 하는 기술이 개발되었다.

이러한 기술 중 하나로서 복수의 스위치를 직렬 연결하고 그 중 일부 스위치 사이에 플라잉 커패시터를 구비하는 직류-직류 컨버터가 있다.

종래에 제안된 플라잉 커패시터를 구비하는 직류-직류 컨버터는 추가되는 플라잉 커패시터의 전압을 일정 수준으로 제어해야 한다는 점에서 제어 난이도가 높다. 만약 플라잉 커패시터의 전압이 일정 수준에서 크게 벗어나게 되면 스위치에 높은 전압이 걸리게 되어 스위치가 소손될 수 있다.

따라서, 당 기술 분야에서는 플라잉 커패시터에 인가되는 전압에 대한 제어성을 향상시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

US 7746041 B2 JP 6223609 B2

이에 본 발명은, 플라잉 커패시터에 인가되는 전압에 대한 제어성을 향상시킬 수 있는 플라잉 커패시터를 구비한 직류-직류 컨버터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

제1 커패시터;

상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치;

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 연결 노드와 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터;

상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치의 연결 노드에 일단이 연결된 인덕터; 및

제1 검출 전압과 그에 대한 제1 전압 지령의 차이 및 제2 검출 전압과 그에 대한 제2 전압 지령의 차이에, 상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 검출 전류의 역수를 적용한 결과를 기반으로 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러- 여기에서, 제1 검출 전압은 상기 제1 커패시터의 양단의 검출 전압 또는 상기 인덕터의 타단과 상기 제1 커패시터와 상기 제4 스위치의 연결 노드 사이의 검출 전압이고, 상기 제2 검출전압은 제2 커패시터 양단의 검출 전압임-;

를 포함하는 직류-직류 컨버터를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 검출 전압과 상기 제2 전압 지령의 차이에 사전 설정된 비례 제어 상수를 적용한 값에 상기 검출 전류의 역수를 승산한 결과에 기반하여 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 사전 설정된 상수값으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 상기 사전 설정된 범위에서 선형적으로 변경되는 사전 설정된 값으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 검출 전압과 제1 전압 지령의 차이에 기반하여 상기 인덕터에 흐르는 전류에 대한 전류 지령을 생성하는 전압 제어부; 상기 전류 지령과 상기 검출 전류의 차이에 기반하여 제1 제어 전압 지령을 생성하는 전류 제어부; 및 상기 제2 검출 전압과 상기 제2 전압 지령의 차이 및 상기 검출 전류의 역수에 기반하여 제2 제어 전압 지령을 생성하는 플라잉 커패시터 전압 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 플라잉 커패시터 전압 제어부는, 상기 제2 검출 전압과 상기 제2 전압 지령의 차이를 연산하는 감산기; 상기 감산기의 연산 결과에 비례 제어값을 적용하여 출력하는 비례 제어기; 상기 검출 전류의 역수를 연산하는 역수 연산기; 상기 비례 제어기의 출력에 상기 역수 연산기의 연산 결과를 승산하여 상기 제2 제어 전압 지령으로 출력하는 승산기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 역수 연산기는, 상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 사전 설정된 상수값으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 역수 연산기는, 상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 상기 사전 설정된 범위에서 선형적으로 변경되는 사전 설정된 값으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 제어 전압 지령과 상기 제2 제어 전압 지령을 합산하여 제1 듀티 지령을 생성하는 제1 합산기; 상기 제1 검출 전압에 상기 제1 제어 전압 지령을 감산하는 감산기; 상기 제2 제어 전압 지령에 상기 감산기의 감산 결과를 합산하여 제2 듀티 지령을 생성하는 제2 합산기; 상기 제1 듀티 지령과 사전 설정된 주파수를 갖는 삼각파를 비교한 결과에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 결정하는 제1 스위칭 제어부; 및 상기 제2 듀티 지령과 상기 삼각파를 비교한 결과에 따라 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온/오프 상태를 결정하는 제2 스위칭 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 직류-직류 컨버터에 따르면, 플라잉 커패시터에 인가되는 전압에 대한 제어성을 향상시킴으로써 플라잉 커패시터의 전압을 바람직한 크기로 용이하게 유지시켜 스위치의 과전압에 의한 소손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 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 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 컨트롤러를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 전기적 흐름의 상태를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 제어에 적용되는 인덕터 전류의 역수에 대한 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 제1 입출력 단자(T11)과 제2 입출력 단자(T12) 사이에 인가된 직류 전압을 승압하여 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에 제공하거나, 그 반대로 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에 인가된 직류 전압을 강압하여 제1 입출력 단자(T11)과 제2 입출력 단자(T12) 사이에 제공하는 직류-직류 컨버터이다. 도 1에 도시된 예는, 제1 입출력 단자(T11)과 제2 입출력 단자(T12) 사이에 배터리(BAT)가 구비되어 배터리(BAT) 전압을 승압하여 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에 제공하는 컨버터가 될 수 있다. 예를 들어, 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에는 부하가 연결될 수 있다.

이하에서는 주로 배터리(BAT) 전압을 승압하여 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에 제공하는 예를 설명할 수 있으나, 이하의 설명을 통해 그 반대의 전력 흐름, 즉 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에 인가된 전압을 강압하여 제1 입출력 단자(T11)과 제2 입출력 단자(T12) 사이에 제공하는 예를 당업자라면 용이하게 구현할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22)에 양단이 각각 연결되는 제1 커패시터(C_DC)와, 제1 커패시터(C_DC)의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위치(S₁), 제2 스위치(S₂), 제3 스위치(S₃) 및 제4 스위치(S₄)와, 제1 스위치(S₁) 및 제2 스위치(S₂)의 연결 노드와 제3 스위치(S₃) 및 제4 스위치(S₄)의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터(C_FC)와, 제2 스위치(S₂)와 제3 스위치(S₃)의 연결 노드에 일단이 연결된 인덕터(L) 및 제1 내지 제4 스위치(S₁ 내지 S₄)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(10)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 커패시터(C_DC)는 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이에 연결되는 일종의 평활 커패시터이다. 도 1에는 도시되지 않으나, 제1 입출력 단자(T11)와 제2 입출력 단자(T12) 사이에도 추가의 평활 커패시터가 연결될 수도 있다.

제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4)는 제1 커패시터(C_DC)의 일단에서 타단을 향해 순차적으로 직렬 연결될 수 있다. 제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4) 각각은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구현될 수 있으며, IGBT의 게이트로 컨트롤러(10)의 온/오프 제어신호가 입력됨에 따라 온/오프 상태가 제어될 수 있다. 물론, 제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4)는 IGBT를 대체할 수 있는 당 기술분야에 알려진 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다.

제2 커패시터는 플라잉 커패시터로서 제1 스위치(S₁)와 제2 스위치(S₂)의 연결노드와 제3 스위치(S₃)와 제4 스위치(S₄)의 연결노드에 각각 양단이 연결될 수 있다.

도시하지는 않았지만, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터는, 컨트롤러(10)가 스위치(S1 내지 S4)의 온/오프 제어하기 위한 연산을 위해 필요한 회로 내 정보를 검출하기 위한 여러 센서가 구비될 수 있다. 먼저, 제1 입출력 단자(T11)와 제2 입출력 단자(T12) 사이의 전압 또는 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이의 전압(V_FC)을 검출하기 위한 전압 센서가 구비될 수 있으며, 제2 커패시터(C_FC)의 전압(V_FC)을 검출하기 위한 전압 센서가 구비될 수 있고, 인덕터(L)에 흐르는 전류의 크기를 검출하기 위한 전류 센서가 구비될 수 있다. 이러한 전압 센서 및 전류 센서에서 검출된 검출 전압 및 검출 전류는 컨트롤러(10)로 제공될 수 있다.

컨트롤러(10)는 제1 커패시터(C_DC)의 양단 또는 인덕터(L)의 타단과 제1 커패시터(C_DC)와 제4 스위치(S₄)의 연결 노드 사이의 전압을 검출한 제1 검출 전압을 입력 받을 수 있다. 여기서 제1 검출 전압은 직류-직류 컨버터가 일정 전압을 승압 또는 강압하여 출력한 출력 전압에 해당하는 것으로, 승압의 경우 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이의 전압(즉, 제1 커패시터(C_DC)의 전압)을 검출한 값(V_DC)이되고, 강압의 경우 제1 입출력 단자(T11)와 제2 입출력 단자(T12) 사이의 전압을 검출한 값이 될 수 있다.

또한, 컨트롤러(10)는 제1 검출 전압(V_DC)과 그에 대한 제1 전압 지령을 비교하여 그 오차를 연산할 수 있다. 여기서, 제1 전압 지령은 상위 제어기 등에 의해 설정된 직류-직류 컨버터가 출력하고자 하는 전압값이 될 수 있다.

또한, 컨트롤러(10)는 플라잉 커패시터인 제2 커패시터(C_FC)에 인가되는 전압을 검출한 검출 전압(V_FC)을 입력 받고 사전 설정된 제2 전압 지령과 비교하여 그 오차를 연산할 수 있다. 여기서, 제2 전압 지령은 상위 제어기 등에 의해 사전 설정된 값으로 대략 제1 커패시터(C_DC)의 전압의 1/2에 해당하는 값이 될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(10)는 제2 커패시터(C_FC)에 인가되는 전압을 검출한 검출 전압(V_FC)과 제2 전압 지령과의 오차에 인덕터(L)에 흐르는 전류를 검출한 검출 전류를 승산한 결과를 기반으로 스위치(S₁ 내지 S₄)의 온/오프 상태를 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 컨트롤러를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 컨트롤러(10)는 전압 제어부(11)와, 전류 제어부(12) 및 플라잉 커패시터 전압 제어부(13)를 포함할 수 있다.

전압 제어부(11)는 제1 입출력 단자(T11)와 제2 입출력 단자(T12) 사이의 전압 또는 제3 입출력 단자(T21)와 제4 입출력 단자(T22) 사이의 전압을 검출한 검출 전압(V_DC)을 사전 설정된 제1 전압 지령(V_DC ^*)과 비교하여 오차를 연산하는 감산기(111)와 감산기(111)에서 연산된 오차를 감소시킬 수 있도록 비례 적분 제어하는 PI 제어기(112)를 포함할 수 있다. PI 제어기(112)는 비례 적분 제어를 통해 감산기(111)에서 연산된 오차를 감소시킬 수 있는 인덕터(L)의 전류의 전류 지령(I_L ^*)을 출력할 수 있다.

전류 제어부(12)는 전압 제어부(11)에서 제공되는 인덕터 전류 지령(I_L ^*)과 인덕터(L)에 흐르는 전류를 검출한 검출 전류(I_L)의 오차를 연산하는 감산기(121)와 비례 적분 제어를 통해 감산기(121)의 출력을 감소시킬 수 있는 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)을 생성하는 PI 제어기(122)를 포함할 수 있다. 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)은 스위치(S₁-S₄)의 온/오프 듀티를 결정하는데 사용될 수 있다.

도 2에 도시된 전압 제어부(11)와 전류 제어부(12)는 비례 적분 제어를 수행하는 예를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며 당 기술 분야에 알려진 다양한 제어 기법이 적용될 수 있다.

플라잉 커패시터 전압 제어부(13)는, 제2 커패시터(C_FC)에 인가되는 전압을 검출한 검출 전압(V_FC)을 입력 받고 사전 설정된 제2 전압 지령(V_FC ^*)과 비교하여 그 오차를 연산하는 감산기(131)와, 비례 제어를 통해 감산기(131)의 출력을 감소시킬 수 있는 제어 지령을 출력하는 비례 제어기(132)와, 인덕터(L)의 전류를 검출한 검출 전류(I_L)의 역수를 연산하는 역수 연산기(133)와, 비례 제어기(132)의 출력에 역수 연산기(133)의 연산 결과를 승산하여 제2 제어 전압 지령(V_CM ^*)으로 출력하는 승산기(134)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 컨트롤러는, 전류 제어부(12)에서 출력되는 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)과 플라잉 커패시터 전압 제어부(13)에서 출력되는 제2 제어 전압 지령(V_CM ^*)을 합산하여 제1 듀티 지령(V₁ ^*)을 생성하는 합산기(141)와, 입출력단의 전압을 검출한 검출 전압(V_DC)에 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)을 감산하는 감산기(142)와, 제2 제어 전압 지령(V_CM ^*)에 감산기(142)의 감산 결과를 합산하여 제2 듀티 지령(V₂ ^*)을 생성하는 제2 합산기(143)와, 제1 듀티 지령(V₁ ^*)과 삼각파 발생기(146)에서 발생된 사전 설정된 주파수를 갖는 삼각파를 비교한 결과에 따라 제1 스위치(S₁) 및 제4 스위치(S₄)의 온/오프 상태를 결정하는 제1 스위칭 제어부(144)와, 제2 듀티 지령(V₂ ^*)과 삼각파 발생기(146)에서 발생된 사전 설정된 주파수를 갖는 삼각파를 비교한 결과에 따라 제2 스위치(S₂) 및 제3 스위치(S₃)의 온/오프 상태를 결정하는 제2 스위칭 제어부(145)를 더 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 것과 같은 구성에 의하면, 제1 듀티 지령(V₁ ^*)과 제2 듀티 지령(V₂ ^*)은 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)과 제2 제어 전압 지령(V_CM ^*)을 이용하여 다음과 같이 표현될 수 있다.

[식 1]

V₁ ^* = V_CM ^* + V_DM ^*

V₂ ^* = V_CM ^* + (V_DC - V_DM ^*)

여기서, 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)은 직류-직류 컨버터의 출력 전압(V_DC)을 기반으로 생성된 값으로 출력에 영향을 미치는 값이고 제2 제어 전압 지령(V_CM ^*)은 플라잉 커패시터의 전압(V_FC)을 기반으로 생성된 값으로 플라잉 커패시터의 전압(V_FC)이나 출력 전압(V_DC)과 플라잉 커패시터의 전압(V_FC)의 차(V_DC-V_FC)에 영향을 미치게 된다. 즉, 제1 제어 전압 지령(V_DM ^*)은 출력 전류 제어에 이용하며, 제2 제어 전압 지령(V_CM ^*)은 플라잉 커패시터의 전압의 제어에 이용할 수 있다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 전기적 흐름의 상태를 도시한 도면이다.

도 3은 제1 스위치(S₁)와 제2 스위치(S₂)가 온이고 제3 스위치(S₃)와 제4 스위치(S₄)가 오프인 제1 상태를 도시한 것으로, 제1 상태는 인덕터(L)와 스위치(S₂ 또는 S₃)의 연결 노드에 커패시터(C_DC)의 전압(V_DC)이 모두 인가된 상태이다.

도 4는 제1 스위치(S₁)와 제3 스위치(S₃)가 온이고 제2 스위치(S₂)와 제4 스위치(S₄)가 오프인 제2 상태를 도시한 것으로, 제2 상태는 인덕터(L)와 스위치(S₂ 또는 S₃)의 연결 노드에 커패시터(C_DC)의 전압(V_DC)에 플라잉 커패시터(C_FC)의 전압(V_FC)을 차감한 값이 인가된 상태이다.

도 5는 제2 스위치(S₂)와 제4 스위치(S₄)가 온이고 제1 스위치(S₁)와 제3 스위치(S₃)가 오프인 제3 상태를 도시한 것으로, 제3 상태는 인덕터(L)와 스위치(S₂ 또는 S₃)의 연결 노드에 플라잉 커패시터(C_FC)의 전압(V_FC)이 모두 인가된 상태이다.

도 6은 제3 스위치(S₃)와 제4 스위치(S₄)가 온이고 제1 스위치(S₁)와 제2 스위치(S₂)가 오프인 제4 상태를 도시한 것으로, 제4 상태는 인덕터(L)와 스위치(S₂ 또는 S₃)의 연결 노드에 전압이 인가되지 않는 상태이다.

도 3 내지 도 6에 도시된 상태들 중, 플라잉 커패시터인 제2 커패시터(C_FC)에 전류가 도통하는 제2 상태 및 제3 상태 동안 플라잉 커패시터(C_FC)에 전압 변화가 발생하게 되며, 이 상태 동안 플라잉 커패시터(C_FC)에 충방전 되는 에너지는 제2 상태와 제3 상태의 비율 및 인덕터(L)에 흐르는 전류량에 영향을 받게 된다.

이를 수식화 하여 표현하면 다음과 같다.

[식 2]

상기 식 2에서 'D_CM'은 플라잉 커패시터(C_FC)에 전류가 흐르는 상태가 되는 듀티를 의미하는 것으로 플라잉 커패시터 전압 제어부(13)의 비례 제어에 의해 상기 식 2의 세번째 식과 같이 결정될 수 있다. 식 2의 세번째 식은 인덕터 전류(I_L)의 역수를 적용하지 않는 경우 결정되는 듀티이다. 또한, 상기 식 2에서 'K_P'는 비례 제어기(132)의 이득값이다.

상기 식 2를 정리하면 다음과 같은 식 3이 도출되며, 이를 토대로 전달함수를 연산하면 식 4가 도출될 수 있다.

[식 3]

[식 4]

따라서, 식 4의 전달함수를 1차 저역 통과 필터 형태의 폐루프로 제어하기 위해서는 다음의 식 5와 같은 관계가 성립하여야 한다.

[식 5]

상기 식 5에 따르면, 비례 제어를 위한 이득이 인덕터 전류에 반비례하는 특성을 가져야만 선형적인 제어 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시형태는, 플라잉 커패시터 전압 제어기(13)에 인덕터 전류(I_L)의 역수 구하는 역수 연산기(133)를 포함시켜 전체 전류에 대해서 안정적인 제어 특성을 얻고자 하는 것이다.

여기에서, 플라잉 커패시터 전압 제어부(13) 내 제어기를 비례 제어기(132)가 아닌 비례 적분(PI) 제어기로 구현할 수도 있으나, 비례 적분(PI) 제어기를 적용하는 경우 적분기에 쌓인 값이 전류 방향에 따라 큰 듀티 맥동을 발생시킬 수 있으므로 인덕터 전류(I_L)가 0 전류가 되는 부근에서 제어성이 크게 악화될 수 있으므로 비례 제어기를 적용하는 것이 바람직하다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 직류-직류 컨버터의 제어에 적용되는 인덕터 전류의 역수에 대한 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 것과 같이 인덕터의 전류(I_L)의 역수를 플라잉 커패시터 전압 제어에 적용하는 경우, 도 7에 나타난 것과 같이 인덕터 전류(I_L)가 0 전류 근처가 되면 인덕터 전류(I_L)의 역수가 정(+)의 방향 또는 부(-)의 방향으로 무한대로 발산하게 되므로 플라잉 커패시터 전압의 적절한 제어가 이루어질 수 없게 되거나, 인덕터 전류의 방향에 따라 출력되는 제2 제어 전압 지령(V_CM)의 부호가 크게 흔들리게 된다. 이러한 영향으로 인해 0전류 근처에서는 제어성이 하락하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 여러 실시형태에서는, 이러한 제어성 하락을 방지하기 위해 인덕터 전류를 제한하는 기법을 제공한다.

먼저, 도 8에 도시된 것과 같이, 플라잉 커패시터 전압 제어기(13)에 적용되는 역수 연산기(133)는 입력된 인덕터 전류(I_L)의 크기가 0 전류 인근의 사전 설정된 범위(A) 내인 경우 인덕터 전류(인덕터의 검출 전류)의 역수(1/I_L)의 값을 사전 설정된 상수 값인 ±INV_I_L_max로 제한할 수 있다. 이와 같이 인덕터 전류의 역수(1/I_L)의 값을 제한하는 경우 인덕터 전류가 0 전류 부근에서 이득값이 무한대로 발산하는 것을 차단할 수 있으므로 0 전류 부근에서의 동작성을 개선할 수 있다.

제어성 하락을 방지하기 위한 다른 방안으로, 본 발명의 일 실시형태는, 도 9에 도시된 것과 같이, 플라잉 커패시터 전압 제어기(13)에 적용되는 역수 연산기(133)가 입력된 인덕터 전류(I_L)의 크기가 0 전류 인근의 사전 설정된 범위(A) 내인 경우 인덕터 전류(인덕터의 검출 전류)의 역수(1/I_L)의 값을 선형적으로 변경되도록 설정된 값으로 결정할 수 있다. 이와 같이 인덕터 전류의 역수(1/I_L)의 값을 사전 설정된 값(±INV_I_L_max) 사이에서 선형적으로 변경되는 값으로 제한하는 경우에도 인덕터 전류가 0 전류 부근에서 이득값이 무한대로 발산하는 것을 차단할 수 있으므로 0 전류 부근에서의 동작성을 개선할 수 있다.

도 8 및 도 9를 통해 설명한 것과 같이, 인덕터 전류(인덕터의 검출 전류)의 역수(1/I_L)의 값을 0 전류 인근에서 제한하는 경우, 플라잉 커패시터 전압 제어부(13) 내에 적용되는 제어기는 비례 제어기 뿐만 아니라 비례 적분 제어기를 적용하는 경우에도 시스템이 안정적으로 동작하게 될 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 컨트롤러 11: 전압 제어부
111: 감산기 112: 비례 적분 제어기
12: 전류 제어부 121: 감산기
122: 비례 적분 제어기 13: 플라잉 커패시터 전압 제어부
131: 감산기 132: 비례 제어기
133: 역수 연산기 134: 승산기
141: 가산기 142: 감산기
143: 가산기 144: 제1 스위칭 제어부
145: 제2 스위칭 제어부 146: 삼각파 생성기

Claims

제1 커패시터;
상기 제1 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬 관계로 순차적으로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 연결 노드와 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 연결 노드에 각각 양단이 연결된 제2 커패시터;
상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치의 연결 노드에 일단이 연결된 인덕터; 및
제1 검출 전압과 그에 대한 제1 전압 지령의 차이 및 제2 검출 전압과 그에 대한 제2 전압 지령의 차이에, 상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출한 검출 전류의 역수를 적용한 결과를 기반으로 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러- 여기에서, 상기 제1 검출 전압은 상기 제1 커패시터의 양단의 검출 전압 또는 상기 인덕터의 타단과 상기 제1 커패시터와 상기 제4 스위치의 연결 노드 사이의 검출 전압이고, 상기 제2 검출전압은 제2 커패시터 양단의 검출 전압임-;
를 포함하는 직류-직류 컨버터.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제2 검출 전압과 상기 제2 전압 지령의 차이에 사전 설정된 비례 제어 상수를 적용한 값에 상기 검출 전류의 역수를 승산한 결과에 기반하여 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 사전 설정된 상수값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 상기 사전 설정된 범위에서 선형적으로 변경되는 사전 설정된 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 검출 전압과 제1 전압 지령의 차이에 기반하여 상기 인덕터에 흐르는 전류에 대한 전류 지령을 생성하는 전압 제어부;
상기 전류 지령과 상기 검출 전류의 차이에 기반하여 제1 제어 전압 지령을 생성하는 전류 제어부; 및
상기 제2 검출 전압과 상기 제2 전압 지령의 차이 및 상기 검출 전류의 역수에 기반하여 제2 제어 전압 지령을 생성하는 플라잉 커패시터 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 5에 있어서, 상기 플라잉 커패시터 전압 제어부는,
상기 제2 검출 전압과 상기 제2 전압 지령의 차이를 연산하는 감산기;
상기 감산기의 연산 결과에 비례 제어값을 적용하여 출력하는 비례 제어기;
상기 검출 전류의 역수를 연산하는 역수 연산기;
상기 비례 제어기의 출력에 상기 역수 연산기의 연산 결과를 승산하여 상기 제2 제어 전압 지령으로 출력하는 승산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 6에 있어서, 상기 역수 연산기는,
상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 사전 설정된 상수값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 6에 있어서, 상기 역수 연산기는,
상기 검출 전류의 크기가 0 인근의 사전 설정된 범위 내인 경우, 상기 검출 전류의 역수를 상기 사전 설정된 범위에서 선형적으로 변경되는 사전 설정된 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 제어 전압 지령과 상기 제2 제어 전압 지령을 합산하여 제1 듀티 지령을 생성하는 제1 합산기;
상기 제1 검출 전압에 상기 제1 제어 전압 지령을 감산하는 감산기;
상기 제2 제어 전압 지령에 상기 감산기의 감산 결과를 합산하여 제2 듀티 지령을 생성하는 제2 합산기;
상기 제1 듀티 지령과 사전 설정된 주파수를 갖는 삼각파를 비교한 결과에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치의 온/오프 상태를 결정하는 제1 스위칭 제어부; 및
상기 제2 듀티 지령과 상기 삼각파를 비교한 결과에 따라 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온/오프 상태를 결정하는 제2 스위칭 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.