KR20230024801A - 컨버터 - Google Patents

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KR20230024801A
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김수산
정광순
정재엽
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 변환하는 컨버팅부, 상기 컨버팅부의 입력 전류를 센싱하는 전류 센싱부, 상기 컨버팅부의 출력 전압을 센싱하는 전압 센싱부, 및 상기 센싱한 입력 전류 및 상기 센싱한 출력 전압을 이용하여 상기 컨버팅부의 듀티를 가변하는 제어부를 포함한다.

Description

컨버터{converter}
본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 부하 변화에 따른 출력 전압강하를 적응적으로 보상하는 컨버터에 관한 발명이다.
풀 브릿지 컨버터(Full-bridge converter)는 4 개의 스위칭소자를 상보적으로 스위칭하여 변압기를 통해 전압을 전달하는 컨버터이다. 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 위상 천이 제어방식으로 동작하는 풀 브릿지 컨버터로, 스위치의 위상을 제어하여, 스위칭 시간이 겹치도록 하여, 2 차측으로 흐르는 전류의 크기를 크게하는 컨버터이다. 이를 통해, 영전압 스위칭(Zero voltage switching)이 가능하다.
컨버터의 출력측에 연결되는 부하가 급변하는 경우, 출력 전압도 영향을 받으며, 이를 보상하기 위해 듀티를 변경시키는데 시간이 소요되어, 급작스런 출력전압강하에 바로 반응하기 어렵다. 이러한 출력전압강하를 빠르게 보상할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 부하 변화에 따른 출력 전압강하를 적응적으로 보상하는 컨버터`를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 변환하는 컨버팅부; 상기 컨버팅부의 입력 전류를 센싱하는 전류 센싱부; 상기 컨버팅부의 출력 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및 상기 센싱한 입력 전류 및 상기 센싱한 출력 전압을 이용하여 상기 컨버팅부의 듀티를 가변하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 출력 전압의 크기에 따라 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 듀티가 반비례하여 증가할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 입력 전류를 센싱한 제1 센싱값 및 상기 출력 전압을 센싱한 제2 센싱값을 입력받아, 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 센싱값과 상기 제2 센싱값을 합산하여 기준값과 비교하여 상기 스위치를 오프할 수 있다.
또한, 상기 기준값은 부하 전류에 따라 설정될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 센싱값을 가중치를 적용하여 입력받을 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 피크 전류 모드로 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 피크 전류 모드 제어로 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 센싱한 출력 전압에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 디지털 기울기 보상을 이용하여 상기 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터는 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 출력 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력하는 변압기; 및 상기 변압기의 출력 신호를 정류하여 부하로 전달하는 출력측 회로부를 포함하고, 상기 출력측 회로부의 출력 전압의 크기에 따라 상기 복수의 상측 스위치 및 상기 복수의 하측 스위치 중 적어도 하나의 스위치가 온 상태를 유지하는 시간이 가변될 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는, 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고, 상기 출력측 회로부의 출력 전압의 크기에 따라 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온 상태를 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온 상태를 유지하는 시간이 반비례하여 증가할 수 있다.
또한, 상기 출력측 회로부의 출력 전압 및 상기 스위칭부의 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 상기 제1 상측 스위치, 상기 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치, 및 상기 제2 하측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 출력측 회로부의 출력 전압에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 부하의 변화에 따른 출력전압강하를 적응적으로 보상할 수 있다. 따라서, 컨버터의 출력전압을 설계전압 이상으로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 출력전압강하 보상 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전압강하 보상회로이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, 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 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)는 컨버팅부(110), 전류센싱부(120), 전압센싱부(130), 및 제어부(140)로 구성된다.
컨버팅부(110)는 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 변환한다.
보다 구체적으로, 입력된 전원에 따른 전압을 소정의 레벨의 전압으로 변환하여 출력한다. 컨버팅부(110)는 전압을 변환하기 위하여, 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있고, 스위칭부(111), 변압기(112), 및 출력측 회로부(113)를 포함할 수 있다.
전류 센싱부(120)는 컨버팅부(110)의 입력 전류를 센싱하고, 전압 센싱부(130)는 컨버팅부(110)의 출력 전압을 센싱한다. 전류 센싱부(120)는 컨버팅부(110)의 입력부에 위치하여, 컨버팅부(110)로 입력되는 입력 전류를 센싱한다. 전압 센싱부(130)는 컨버팅부(110)의 출력부에 위치하여, 컨버팅부(110)에서 출력되는 출력 전압을 센싱한다.
제어부(140)는 상기 센싱한 입력 전류 및 상기 센싱한 출력 전압을 이용하여 컨버팅부(110)의 듀티를 가변한다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 컨버터의 컨버팅 동작을 위해, 컨버팅부(110)가 동작하는 듀티(Duty)를 제어한다. 이때, 제어부(140)는 전류 센싱부(120)가 센싱한 입력 전류 및 전압 센싱부(130)가 센싱한 출력 전압을 이용하여 출력 전압의 변화를 적응적으로 바로 반영하여 컨버팅부(110)의 듀티를 가변한다.
컨버팅부(110)는 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있고, 여기서, 컨버팅부(110)의 듀티는 컨버팅부(110)에 포함된 스위치가 온을 유지하는 시간을 의미한다. 컨버터의 듀티는 변압기의 1차측에서 2차측으로 에너지를 넘기는 주기 당 동작시간 비율을 의미하고, 스위치의 듀티는 스위치가 온인 주기당 비율을 의미할 수 있다.
컨버팅부(110)에 포함되는 스위치의 듀티는 출력 전압의 크기에 따라 반비례하여 증가할 수 있다. 컨버팅부(110)의 출력에 연결된 부하의 변화에 따라 출력 전압이 낮아지는 출력전압강하가 발생하면, 출력 전압의 크기가 낮아지는 것에 반비례하여 스위치의 듀티가 증가할 수 있다. 듀티가 증가하면 컨버팅부(110)에 포함된 스위치가 온을 유지하는 시간이 늘어나고, 그에 따라 입력받은 전압을 출력측에 더 많이 전달하여 출력전압이 커지게 되어, 부하의 변화에 따른 출력전압강하를 보상할 수 있다.
반대로, 부하가 갑자기 작아져 출력 전압이 커지는 경우, 출력 전압의 크기가 커지는 것에 반비례하여 스위치의 듀티가 감소할 수 있다. 듀티가 감소하면 컨버팅부(110)에 포함된 스위치가 온을 유지하는 시간이 줄어들고, 그에 따라 입력받은 전압을 출력측에 더 적게 전달하여 출력전압이 작아지게 되어, 부하의 변화에 따른 이상전압을 보상할 수 있다.
제어부()는 입력전류뿐만 아니라 출력전압 정보를 함께 이용함으로써 출력전압의 변화를 바로 듀티에 반영하여 듀티를 가변할 수 있다. 제어부()가 듀티를 가변하는 과정은 이후에 자세히 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터는 도 2와 같이, 스위칭부(111), 변압기(112), 및 출력측 회로부(113)로 구성되고, 제어부(140)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 도 1의 컨버팅부(110)는 도 2의 스위칭부(111), 변압기(112), 및 출력측 회로부(113)로 구성될 수 있다.
스위칭부(111)는 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작한다.
보다 구체적으로, 스위칭부(111)는 입력된 전원을 변압기(112)의 1차측으로 출력하되, 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치로 구성되어 위상천이 동작할 수 있다. 스위칭부(111)는 풀 브릿지를 구성하는 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치는 각각 하프 브릿지를 형성하고, 두 개의 하프 브릿지 회로는 풀 브릿지를 형성할 수 있다.
위상 천이 동작하지 않는 경우, 제1 상측 스위치와 제2 하측 스위치가 함께 온오프되고, 제2 상측 스위치와 제1 하측 스위치가 함께 온오프되나, 위상 천이 제어를 통해, 제1 상측 스위치와 제2 상측 스위치가 함께 켜지거나, 제1 하측 스위치와 제2 하측 스위치가 함께 켜지는 구간을 만들어, 1차측 전류가 2차측으로 더 많이 넘어가도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 위상천이 풀브릿지 컨버터일 수 있다.
스위칭부(111)는 부하에 흐르는 전류에 따라 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간이 달라질 수 있다. 복수의 상측 스위치 및 하측 스위치를 포함하는 경우, 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간이 듀티이다. 컨버터의 듀티, 즉, 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간인 듀티는 부하에 제공되어야 하는 전류에 따라 설정된다.
변압기(112)는 스위칭부(111)의 출력 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력한다.
보다 구체적으로, 스위칭부(111)로부터 출력되는 전압을 1차측으로 입력받고, 1차측 코일과 2차측 권선비에 따른 레벨의 전압으로 2차측으로 출력한다. 변압기(112)는 3차측 코일을 더 포함하여, 1차측 전압을 2차측 및 3차측으로 전달할 수 있다. 2차측과 3차측은 권선비가 다르거나 같을 수 있다.
출력측 회로부(113)는 변압기(112)의 출력 신호를 정류하여 부하로 전달한다.
보다 구체적으로, 출력측 회로부(113)는 변압기(112) 2차측으로 출력되는 신호를 정류하여 부하로 전달한다. 출력측 회로부(113)는 브릿지 회로로 구성될 수 있고, 복수의 다이오드 또는 스위치로 구성될 수 있다. 복수의 다이오드 또는 스위치를 통해 흐르는 전류는 합쳐져 인덕터를 통해 부하로 전달된다. 이때, 부하측에는 인덕터와 정류 필터를 형성하는 출력 캐패시터가 연결될 수 있다.
제어부(140)는 센싱된 입력 전류 및 출력 전압을 입력받아 스위칭부(111)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 전류 센싱부(120) 및 전압 센싱부(130)로 각각 스위칭부(111)로 입력되는 입력 전류 및 출력측 회로부(113)에서 출력되는 출력 전압을 입력받아, 스위칭부(111)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이때, 제어부(140)는 스위칭부(111)를 피크 전류 모드(Peak Current Mode, PCM)로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 PWM(Pulse width modulation)을 통해 스위칭부(111)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 피크 전류 모드를 통해, 부하전류에 따라, 부하에 필요한 전류를 출력하기 위하여, 스위치의 듀티를 설정하고, 해당 듀티를 구현하도록 스위치의 펄스폭을 가변하여 스위칭부(111)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
도 3과 같이, 제어부(140)인 MCU는 부하전류에 따른 듀티를 구현하기 위한 PWM 제어를 위하여 제어신호를 출력한다. 일정한 부하전류에 따라 제어부(140)가 제어신호를 출력하는 도중, 부하가 급변하여 부하전류가 상승하는 경우, 그에 따라 제어부(140)가 변하는 부하전류에 따라 듀티를 변경해야 하는데, 이때, 부하전류를 센싱하고, 듀티를 변경할 연산을 수행하는데 시간이 필요하다. 이때, 제어부(140)인 MCU는 클락(clock) 주기에 따라 2 주기의 딜레이(delay)가 생길 수 있다. 제어부(140)의 성능에 따라 센싱주기와 연산주기를 1/2 주기씩 처리한다고 하더라도 적어도 1 주기의 딜레이가 생기게 된다. 즉, 부하가 급변하기 시작한 시점과 제어부(140)인 MCU 제어 반응시점에 시간 차이가 존재하기 때문에, MCU의 듀티 제어를 수행하기 전에 부하 전류가 갑자기 많아지면 그 사이에 출력전압이 떨어지는 출력전압강하가 발생할 수 있다. 출력전압강하가 발생하는 경우, 출력전압이 유지해야 하는 설계(spec) 상 기준출력전압 이하로 떨어질 수 있어, 설계전압을 만족시킬 수 없고, 그에 따라 부하에 필요한 전류를 충분히 제공하지 못하는 문제가 있다.
부하의 변화에 따른 출력전압강하를 빠르게 보상하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 컨버터는 컨버팅부(110)의 출력 전압의 변화를 적응적으로 듀티에 반영하여 가변할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터는 도 4와 같이 구현될 수 있다. 제어부(140)는 Microcontroller 즉, MCU로 구현될 수 있다. 스위칭부(111), 변압기(112), 출력측 회로부(113)로 구성되는 컨버팅부(110)에 있어서, 제어부(140)는 출력 측에 형성되는 전압 센싱부(130)를 통해 출력 전압을 측정하고, 입력 측에 형성되는 전류 센싱부(120)를 통해 입력 전류를 측정한다. 제어부(140)는 출력 전압과 입력 전류를 이용하여 스위칭부(111)를 피크 전류 모드로 제어한다.
제어부(140)는 설정된 듀티에 따라 도 5와 같이, 슬로프를 설정하고, 스위치를 턴온시킨 후 입력되어 센싱되는 입력전류가 슬로프보다 커지면 스위치를 턴 오프시켜 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 도 5(A)와 같이, 입력 전류가 슬로프와 늦게 만나면 듀티가 커지고, 도 5(B)와 같이, 입력 전류가 슬로프와 빨리 만나면 듀티가 작아진다. 듀티가 클수록 입력측 전류가 출력측으로 많이 넘어간다. 한 주기당 듀티만큼 스위치를 턴온시키는 제어신호가 스위치에 입력된다. 여기서, 스위치는 FET일 수 있고, 제어부(140)는 스위치의 게이트에 듀티에 따른 PWM 신호를 인가할 수 있다.
PWM 신호 즉, 듀티비는 도 6과 같이 결정될 수 있다. 도 6(A)는 아날로그 IC 방식이고, 도 6(B)는 디지털 IC 방식으로 두 방식의 결과는 동일하다.
먼저, 아날로그 IC 방식은, 스위치는 스위칭 주기마다 온되고, 전류에 슬로프가 적용된 전류+슬로프(current+slopeComp)가 기준값(V_ref_i)보다 커지면 오프된다. 스위치가 온되고 오프될 때까지 PWM 신호를 생성한다. 스위치는 전류+슬로프(current+slopeComp)가 기준값(V_ref_i)이 될 때 오프되는바, 듀티는 스위치기 오프되는 전류+슬로프(current+slopeComp)가 기준값(V_ref_i)이 되는 시점에 형성된다.
디지털 IC 방식은, 각 스위치는 매 스위칭 주기마다 온되고, 전류(current)가 기준 값에 슬로프가 적용된 기준값-슬로프(V_ref_i-slopeComp)보다 커지면 오프된다. 스위치가 온되고 오프될 때까지 PWM 신호를 생성한다. 스위치는 전류(current)가 기준값-슬로프(V_ref_i-slopeComp)가 될 때 오프되는바, 듀티는 스위치기 오프되는 전류(current)가 기준값-슬로프(V_ref_i-slopeComp)이 되는 시점에 형성된다. 제어부(140)는 디지털 IC 방식(디지털 기울기 보상)을 통해 피크 전류 모드로 스위칭부(111)를 제어할 수 있다. 또는, 아날로그 IC 방식을 이용할 수도 있다.
도 7과 같이, 스위칭부(111)는 제1 상측 스위치(Q1), 제1 하측 스위치(Q2), 제2 상측 스위치(Q3), 및 제2 하측 스위치(Q4)로 구성될 수 있다. 이와 같이 형성되는 풀브릿지 회로에서 듀티는 Q1과 Q4가 동시에 온되어 있는 시간 또는 Q2과 Q3가 동시에 온되어 있는 시간을 의미한다. 듀티 시간동안 변압기(112) 1차측에서 2차측으로 에너지가 전달된다. 제어부(140)는 피크 전류 제어, 즉 입력 전류가 슬로프보다 커지면 Q2 또는 Q1을 턴 오프시켜 듀티를 구현한다.
부하의 변화에 따라 출력전압강하가 발생하는 경우, 출력전압강하를 보상하기 위하여, 듀티를 변경해야 하는데, 앞서 설명한 바와 같이, 부하전류를 센싱하고, 센싱한 부하전류에 따라 피크 전류 제어를 위한 슬로프를 재설정하는데 시간이 소요되어, 출력전압강하를 빠르게 보상할 수 없고, 그에 따라 출력전압이 임계전압보다 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
제어부(140)는 출력전압강하가 발생하고, 슬로프를 재설정하는데 시간 사이에 출력전압강하를 보상하기 위하여, 출력 전압의 변화를 슬로프, 즉 슬로프의 기울기에 적응적으로 반영할 수 있다. 이하, 제어부(140)가 출력전압강하를 보상하는 과정을 구체적으로 설명하도록 한다.
제어부(140)는 전류 센싱부(120)가 상기 입력 전류를 센싱한 제1 센싱값 및 전압 센싱부(130)가 상기 출력 전압을 센싱한 제2 센싱값을 입력받아, 컨버팅부(110)에 포함되는 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이때, 제어부(140)는 상기 제1 센싱값과 상기 제2 센싱값을 합산하여 기준값과 비교하여 상기 스위치를 오프할 수 있다. 제어부(140)는 제1 센싱값이 기준값보다 커지는지를 비교함으로써 피크 전류 제어를 수행하는데, 상기 기준값은 부하 전류에 따라 제어부(140)가 센싱 및 연산을 통해 설정되며, 센싱 및 연산에 시간이 필요한바, 기준값은 부하 전류의 변화를 즉각적으로 반영하지 못한다. 즉, 기준값은 적어도 1 주기 이전의 부하 전류에 따라 설정되는 값일 수 있다. 또한, 제1 센싱값은 변압기의 1차측 전류로 부하 전류의 변화를 반영하지 못한다. 하지만, 제2 센싱값은 부하 전류의 변화에 따라 즉각적으로 영향을 받아 변하는 값으로, 제2 센싱값을 제1 센싱값에 반영하여 기준값과 비교함으로써 출력전압강하를 빠르게 보상할 수 있다.
제2 센싱값은 전류로 변환되어 제1 센싱값에 합산될 수 있다. 부하 전류가 안정적인 경우, 제2 센싱값은 일정한 값을 유지하고, 듀티는 제1 센싱값의 변화에 따라 결정된다. 하지만, 부하 전류가 급변하는 경우, 제2 센싱값도 변하게 되고, 듀티는 제1 센싱값 및 제2 센싱값의 변화에 따라 결정된다. 이때, 제어부(140)는, 상기 제2 센싱값을 가중치를 적용하여 입력받을 수 있다. 제2 센싱값을 얼마나 제1 센싱값에 반영할 지에 따라 가중치가 달라질 수 있다. 제2 센싱값의 반영 수준을 조절할 수 있다. 가중치는 사용자에 의해 미리 설정되거나, 입력 전류의 크기나 변압비에 따라 달라질 수 있다.
제어부(140)는 출력 전압에 따라 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 피크 전류 모드 제어시, 입력 전류가 슬로프보다 커지는 시점에 듀티가 형성되는데, 출력전압강하를 보상하기 위해 듀티를 크게 하기 위하여, 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다. 즉, 출력전압이 작아질수록 슬로프의 기울기를 작게하여 입력 전류가 슬로프와 만나는 시점을 늦춰 듀티를 증가시킬 수 있다. 도 6에서 슬로프(slopeComp)의 기울기 작게 가변하여 듀티를 증가시킬 수 있다.
제어부(140)는 디지털 기울기 보상을 이용하여 상기 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다. 제어부(140)는 도 8과 같이, ADC(141), 계산부(142), 전압보상부(143), 디지털 기울기 보상부(144), 비교부(145), PWM 제어부(146)로 구성될 수 있다. 센싱된 출력 전압(V_o_sen)을 받아, ADC(Analog-digital converter, 141)를 통해 디지털 값으로 변환하고, 기준 전압(V_ref)의 차를 산출하고, 그 결과(V_o_error)를 전압 보상부(143)로 입력하여, 그 결과에 따른 기준값(V_c)를 산출한다. 디지털 기울기 보상부(144)는 해당 값에 따라 PWM을 생성하는데 이용할 슬로프(V_slope)를 설정한다. 이후, 비교부(145)에서 측정된 전류(I_pri_sen)에 슬로프를 적용하여, 슬로프와 같아질 때까지 PWM 제어부(140)가 PWM 신호를 생성할 수 있다. PWM 신호는 PWM 게이트 구동부(150)를 통해 컨버팅부(110)의 스위치의 게이트에 인가되어 스위치를 온오프 제어한다. 즉, 부하측 전압(V_o_sen)와 기준 전압(V_ref)의 차에 기초하여 PWM 신호를 생성한다.
전류 센싱부(120) 및 전압 센싱부(130)는 도 9와 같이, 구현될 수 있다. 전류 센싱부(120)는 변압기, 저항, 다이오드로 구성되고, 필터(160)를 통해 입력전류신호(I_pri_sen)를 제어부(140)에 입력할 수 있다. 필터(160)는 제어부(140) 내 전류 제어 모듈로 구현될 수 있다. 전압 센싱부(130)는 저항 분배를 통해 전압을 센싱하고, 제어부(140) 내 전압 제어 모듈(170)을 통해 디지털 신호로 생성하고, 바로 반영될 수 있게 아날로그 신호로 변환(180)하여 피크 전류 제어를 위한 출력 전압 변화가 반영된 슬로프(V_slope)를 출력할 수 있다. 제어부(140) 내 PWM 생성 모듈은 입력전류신호(I_pri_sen) 및 출력 전압 변화가 반영된 슬로프(V_slope)를 이용하여 PWM 신호를 생성하여 PWM 게이트 구동부로 출력할 수 있다.
이와 같이, 출력전압의 변화를 슬로프에 바로 반영함으로써 제어부(140)의 센싱 및 연산에 따른 기준값 변경없이 바로 출력전압강하를 보상할 수 있다.
출력전압의 변화를 슬로프의 기울기 반영함으로써 도 10과 같이, 기준값 변경없이도 듀티를 증가시킬 수 있다. 부하가 급변하기 시작하는 시점에 출력 전압이 떨어지는바, 그에 따른 출력 전압의 제2 센싱값(V_o_sen)을 기준값과 비교하는 입력 전류의 제1 센싱값(I_pri_sen)에 합산하여 슬로프의 기울기를 가변하여, 듀티를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 이전 듀티인 60%를 90%로 증가시킬 수 있다. 제어부(140)의 센싱 및 연산에 따라 기준값이 재설정된 이후에는 부하의 변화가 없는바, 제2 센싱값도 유지되어, 제1 센싱값과 재설정된 기준값의 비교에 의해 듀티는 90%로 유지되어 안정적으로 동작할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력전압강하 보상회로이다. 부하 변화에 따른 출력전압강하를 보상하기 위하여, 입력 전류를 센싱한 입력전류신호에 출력 전압의 신호를 부가한 신호를 제어부인 MCU에 인가함으로써 출력전압강하를 딜레이없이 보상할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 출력전압강하 보상회로는 입력 전류를 센싱하는 변압기, 변압기 출력측에 병렬로 연결되는 리셋 저항(R_reset), 일단이 리셋 저항에 연결되고, 타단이 센싱 저항(R_sen)에 연결되는 다이오드, 다이오드의 타단에 연결되는 센싱 저항(R_sen)을 포함한다. 또한, 출력 전압을 센싱하기 위해 직렬로 연결되는 출력단에 연결되는 필터저항(R_filter) 및 필터 커패시터(C_filter), 필터 저항 및 ??터 커새시터 사이의 단자에 연결되고 일단이 센싱 저항과 연결되는 피드-포워드(feed-forward) 저항(R_FF)을 포함한다. 센싱 저항과 피드-포워드 저항 사이의 노드는 필터(160)를 통해 제어부인 MCU와 연결되어 출력전압 신호가 반영된 입력 전류 신호가 제어부로 입력된다. 출력전압 신호가 별도의 연산없이 입력 전류 신호에 반영되어 제어부로 인가되는바, 출력전압강하를 딜레이 없이 반영하여 듀티를 증가시킬 수 있다. 필터는 일단이 센싱 저항과 피드-포워드 저항 사이의 노드와 연결되는 로우패스필터 저항(R_LPF), 로우패스필터 저항과 연결되는 로우패스필터 커패시터(C_LPF), 로우패스필터 저항과 로우패스필터 커패시터 사이의 노드에 각각 연결되는 두 개의 다이오드 및 하나의 저항(R_1), 상기 두 개의 다이오드 중 하나의 다이오드의 타단에 연결되는 전압원, 및 상기 하나의 저항과 필터의 출력단 사이의 노드에 연결되는 하나의 커패시터(C_1)로 구성될 수 있다. 예를 들어, R_reset은 10kΩ, R_sen은 3.3Ω, R_FF는 피드 포워드 수준에 따라 R_sen보다 크게 구현될 수 있고, 구체적으로 약 30 배인 100Ω, R_LPF는 R_sen보다 크게 구현될 수 있고, 구체적으로 약 10 배 이상인 4.7kΩ, C_LPF는 1nF, R_1은 470Ω, C_1는 1nF로 구현될 수 있다. 도 11의 구현회로는 출력 전압 신호를 입력 전류 신호에 반영하기 위한 하나의 예시로 이외에 다양한 회로로 구현될 수 있음은 당연하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터는 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 출력 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력하는 변압기, 및 상기 변압기의 출력 신호를 정류하여 부하로 전달하는 출력측 회로부를 포함하고, 상기 출력측 회로부의 출력 전압의 크기에 따라 상기 복수의 상측 스위치 및 상기 복수의 하측 스위치 중 적어도 하나의 스위치가 온 상태를 유지하는 시간이 가변될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11의 컨버터에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
상기 스위칭부는 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고, 상기 출력측 회로부의 출력 전압의 크기에 따라 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온 상태를 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온 상태를 유지하는 시간이 반비례하여 증가할 수 있다.
또한, 상기 출력측 회로부의 출력 전압 및 상기 스위칭부의 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 상기 제1 상측 스위치, 상기 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치, 및 상기 제2 하측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 출력측 회로부의 출력 전압에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 기울기를 가변할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터는 센서(230) 및 제어부(240)를 포함할 수 있고, 스위칭부(210)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 컨버터는 출력부(220)의 상태를 센싱하는 센서(230) 및 풀 브릿지 컨버터의 스위칭부(210)를 제어하는 제어부(240)를 포함하고, 제어부(240)는, Continuous Conduction Mode(CCM)에서, 출력부(220)의 상태가 제1 상태이면, 스위칭부(210)의 듀티를 제1 시간으로 제어하고, 출력부(220)의 상태가 제2 상태이면, 스위칭부(210)의 듀티를 제2 시간으로 제어한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11의 컨버터에 대한 상세한 설명에 대응되는 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
여기서, 스위칭부(210)는 풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하는 스위칭부일 수 있고, 상기 제1 상측 스위치 또는 상기 제1 하측 스위치일 수 있다.
컨버터는 스위치의 동작을 통해 입력받은 전압을 출력부(220)로 출력한다. 이때, 센서(230)가 출력부(220)의 상태를 센싱하고, 센서(230)가 센싱한 출력부(220)의 상태에 따라 제어부(240)가 스위칭부(210)의 듀티를 제어한다.
제어부(240)는 Continuous Conduction Mode(CCM)로 컨버터가 동작하도록 제어한다. 여기서, Continuous Conduction Mode(CCM)는 전류연속모드로 컨버터 내 전류가 계속 흐르도록 제어하는 모드이다. 제어부(240)는 Continuous Conduction Mode(CCM) 이외에 Discontinuous Conduction Mode(DCM)와 같이 다른 모드로 컨버터가 동작하도록 제어할 수도 있다.
제어부(240)는 출력부(220)의 상태가 부하전류 유지 상태를 포함하는 제1 상태인 경우, 스위칭부(210)의 듀티를 제1 시간으로 제어하고, 부하전류 가변 상태를 포함하는 제2 상태인 경우, 스위칭부(210)의 듀티를 제2 시간으로 제어할 수 있다. 상기 제1 시간은 상기 제2 시간보다 더 짧을 수 있다. 여기서, 제1 시간과 제2 시간은 고정된 시간이 아닌 상대적인 시간일 수 있다. 또는 고정된 시간일 수도 있다. 출력부(220)의 상태는 부하에 흐르는 전류를 센싱하거나, 전류를 추정할 수 있는 값을 센싱함으로써 감지할 수 있다. 제1 상태의 경우, 출력전압강하를 반영하지 않는 시간인 제1 시간으로 스위칭부(210)의 듀티를 제어하고, 제2 상태의 경우에는, 출력전압강하를 반영하여 제2 시간으로 스위칭부(210)의 듀티를 제어할 수 있다. 입력전류가 같은 조건에서 출력부(220)의 상태에 따라 듀티를 제1 시간 또는 제2 시간으로 제어할 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 컨버터
110: 컨버텅부
111: 스위칭부
112: 변압기
113: 출력측 회로부
120: 전류 측정부
130: 전압 측정부
140: 제어부

Claims (12)

  1. 입력받은 전압을 소정의 레벨의 전압으로 변환하는 컨버팅부;
    상기 컨버팅부의 입력 전류를 센싱하는 전류 센싱부;
    상기 컨버팅부의 출력 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및
    상기 센싱한 입력 전류 및 상기 센싱한 출력 전압을 이용하여 상기 컨버팅부의 듀티를 가변하는 제어부를 포함하는 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전압의 크기에 따라 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 듀티가 반비례하여 증가하는 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 입력 전류를 센싱한 제1 센싱값 및 상기 출력 전압을 센싱한 제2 센싱값을 입력받아, 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 센싱값과 상기 제2 센싱값을 합산하여 기준값과 비교하여 상기 스위치를 오프하는 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기준값은 부하 전류에 따라 설정되는 컨버터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 센싱값을 가중치를 적용하여 입력받는 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 피크 전류 모드 제어로 상기 컨버팅부에 포함되는 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센싱한 출력 전압에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 기울기를 가변하는 컨버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    디지털 기울기 보상을 이용하여 상기 슬로프의 기울기를 가변하는 컨버터.
  10. 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 출력 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력하는 변압기; 및
    상기 변압기의 출력 신호를 정류하여 부하로 전달하는 출력측 회로부를 포함하고,
    상기 출력측 회로부의 출력 전압의 크기에 따라 상기 복수의 상측 스위치 및 상기 복수의 하측 스위치 중 적어도 하나의 스위치가 온 상태를 유지하는 시간이 가변되는 컨버터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    풀 브릿지를 구성하는 서로 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 서로 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치를 포함하고,
    상기 출력측 회로부의 출력 전압의 크기에 따라 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온 상태를 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온 상태를 유지하는 시간이 반비례하여 증가하는 컨버터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 출력측 회로부의 출력 전압 및 상기 스위칭부의 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 상기 제1 상측 스위치, 상기 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치, 및 상기 제2 하측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 출력측 회로부의 출력 전압에 따라 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 기울기를 가변하는 컨버터.
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