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KR101947858B1 - 컨버터 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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KR101947858B1
KR101947858B1 KR1020150166474A KR20150166474A KR101947858B1 KR 101947858 B1 KR101947858 B1 KR 101947858B1 KR 1020150166474 A KR1020150166474 A KR 1020150166474A KR 20150166474 A KR20150166474 A KR 20150166474A KR 101947858 B1 KR101947858 B1 KR 101947858B1
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Abstract

제어부에서 컨버터 2차측 스위치 온/오프 상태를 감지하는 단계; 제어부에서 컨버터의 전류지령을 도출하는 단계; 제어부에서 상기 전류지령을 상기 2차측 스위치 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하는 단계; 및 제어부에서 상기 전류지령을 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 단계;를 포함하는 컨버터 제어방법이 소개된다.

Description

컨버터 제어방법 및 시스템{CONTROL METHOD AND SYSTEM OF CONVERTER}
본 발명은 양방향 동작이 가능한 컨버터에 있어서, 컨버터 출력단의 부하가 저부하시에 발생할 수 있는 역파워링을 방지할 수 있는 컨버터 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 친환경적인 자동차의 일종으로 종래의 내연기관과 배터리를 병합하여 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차가 개발되고 있는데, 상기 하이브리드 자동차는 시동 및 출발시에는 전기모터에 의해, 그리고 일반 주행시에는 전기모터 및 내연기관에 의해 자동차를 동작시킨다. 이러한 하이브리드 자동차의 일반적인 구동시스템에서 전력변환장치의 입력측에는 대용량의 고전압배터리가 연결되고 출력측에는 모터 또는 보조배터리가 연결된다.
상기, 고전압 배터리와 보조배터리 사이에는 전력 전달의 매개체로써 보조배터리 충전을 위한 전압으로 변환시키는 DC-DC 컨버터가 존재하며, 이를 흔히 LDC(Low voltage DC-DC Converter)라고 부른다.
LDC의 종류에는 크게 다이오드 소자를 이용한 것과 스위치 소자(트랜지스터, MOSFET 등)를 이용한 것이 있는데 최근에는 스위치 소자를 이용한 컨버터가 양방향으로 승강압이 가능한 바 많이 활용되고 있다. 스위치 소자를 이용한 양방향 컨버터는 스위치 소자의 온/오프 제어에 따라 컨버터의 효율이 달라지므로 이에 대한 제어가 중요하다. 따라서 공개특허공보 2011-0072013 "양방향 컨버터 제어 방법"도 양방향 컨버터의 출력 용량이 증가하면 이와 대응되도록 스위치 소자의 동작 주기를 감소시켜 변압기의 동작 주파수를 증가시키고, 출력 용량이 감소하였다면, 스위치 소자의 동작 주기를 증가시켜 변압기의 동작 주파수를 감소시킴으로써 하나의 변압기를 이용하면서도 벅 모드와 부스트 모드 별로 컨버터의 효율을 최적화 시킬 수 있는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 이에 따르더라도 컨버터의 다이오드를 스위치 소자로 대체함으로써 발생할 수 있는 보조배터리에서 고전압배터리측으로 흐르는 역전류에 따른 컨버터의 효율저하 및 내구성 문제는 여전히 존재하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 2011-0072013 A
본 발명은 스위치 소자를 이용하는 컨버터에 있어서 저부하시에 발생하는 역파워링을 방지하여 컨버터의 효율과 컨버터 내부 소자의 내구성을 향상시킬 수 있는 컨버터 제어방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컨버터 제어방법은 제어부에서 컨버터 2차측 스위치 온/오프 상태를 감지하는 단계; 제어부에서 컨버터의 전류지령을 도출하는 단계; 제어부에서 상기 전류지령을 상기 2차측 스위치 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하는 단계; 및 제어부에서 상기 전류지령을 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 단계;를 포함한다.
상기 전류지령을 도출하는 단계는, 제어부에서 컨버터의 출력전압을 감지하는 단계; 제어부에서 상기 출력전압과 컨버터의 출력전압지령의 전압차이값을 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 전압차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터의 전류지령을 도출하는 단계;를 포함한다.
상기 전압제어기는 적분제어기인 것을 특징으로 한다.
상기 변경 또는 유지 단계는, 컨버터의 2차측 스위치가 온상태이고 도출한 컨버터의 전류지령이 기설정된 온전류기준값 미만인 경우에는, 제어부에서 상기 2차측 스위치의 온상태를 오프상태로 변경시키는 것을 특징으로 한다.
상기 변경 또는 유지 단계는, 컨버터의 2차측 스위치가 온상태이고 도출한 컨버터의 전류지령이 기설정된 온전류기준값 이상인 경우에는, 제어부에서 상기 2차측 스위치의 온상태를 유지시키는 것을 특징으로 한다.
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상기 온전류지준값은 컨버터의 부하를 입력으로 하고 온전류기준값을 출력으로 하는 맵데이터를 통하여 도출하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 컨버터 시스템은 내부에 마련되는 스위치 소자의 제어에 따라 양방향으로 전압변환이 가능한 컨버터; 상기 컨버터의 출력전압을 감지하는 감지부; 및 감지부로부터 상기 출력전압을 전달받아 컨버터의 출력전압지령과 차이값을 도출하고, 상기 차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터의 전류지령을 도출하며, 상기 전류지령을 컨버터의 2차측 스위치 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하여 상기 전류지령을 상기 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 제어부;를 포함한다.
상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 컨버터의 저부하시에 발생할 수 있는 역파워링 전류를 차단함으로써 컨버터의 에너지 효율을 향상시키고 컨버터 내 소자의 손상을 방지할 수 있다.
둘째, 컨버터의 전류지령만을 이용하여 제어가 가능하므로 제어를 위하여 별도의 추가 센서를 요하지 않으므로 원가 절감의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 내부 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 시스템의 구성도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명의 실시에 따른 컨버터(10) 제어방법은 도1에서 도시한 바와 같이 제어부(30)에서 컨버터(10) 2차측 스위치(40) 온/오프 상태를 감지하는 단계(S10); 제어부(30)에서 컨버터(10)의 출력전압을 감지하는 단계(S20); 제어부(30)에서 상기 출력전압과 컨버터(10)의 출력전압지령의 전압차이값을 도출하는 단계(S30); 제어부(30)에서 상기 전압차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터(10)의 전류지령을 도출하는 단계(S40); 제어부(30)에서 상기 전류지령을 상기 2차측 스위치(40) 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하는 단계(S50); 및 제어부(30)에서 상기 전류지령을 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치(40) 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 제어방법을 살펴보기에 앞서 도2에서 도시하고 있는 컨버터(10)의 내부 구성도를 살펴볼 필요가 있다. 도2를 살펴보면 변압기를 중심으로 풀브릿지의 형태로 구성되어 입력전원을 인가 받는 1차측과 변압기에 의하여 변환된 전압을 출력하는 2차측으로 구분할 수 있다. 컨버터(10)는 1차측과 2차측에 마련되는 정류회로는 다이오드 또는 스위치 소자를 이용하여 구성될 수 있는데, 최근에는 제어를 통하여 컨버터(10)의 전력손실을 최소화시킬 수 있는 스위치 소자를 많이 이용한다. 따라서 본 출원발명의 컨버터(10)도 1차측과 2차측의 정류회로 모두 스위치 소자를 이용하고 있으며, 구체적으로는 도2를 통해 확인할 수 있듯이 MOSFET 소자를 이용하여 정류회로를 구성하고 있다.
따라서 도2의 컨버터(10) 내부 구성을 참조하여 도1에서 제시하고 있는 순서도를 살펴보면 2차측 스위치(40) 온/오프 상태를 감지하는 단계(S10)에서의 2차측 스위치(40)는 도2의 컨버터(10)의 2차측 정류회로에 마련된 2개의 스위치 소자를 의미한다.
본 발명의 실시를 위한 첫 번째 단계에서 컨버터(10)의 2차측 스위치(40)의 온/오프 상태를 감지하는 것은 2차측 스위치(40)가 온상태인 경우 컨버터(10)의 역파워링이 발생할 가능성이 높기 때문이다.
여기에서 역파워링이란 컨버터(10)의 출력단에서 입력단으로 역전류가 흐르는 상태를 의미한다. 종래의 다이오드를 이용한 컨버터(10)는 다이오드가 역전류를 방지하므로 역파워링과 같은 문제가 발생하지 않았으나, 본 발명과 같이 스위치 소자를 이용한 컨버터(10)에 있어서는 스위치 소자가 역전류를 차단할 수 없으므로 역파워링의 문제가 발생하게 되는 것이다.
따라서 이러한 역파워링을 방지하기 위한 첫 번째 단계로써 2차측 스위치(40)의 온/오프 상태를 감지하는 것이다. 2차측 스위치(40)가 오프된 경우에는 역파워링에 의하여 컨버터(10)의 출력단측에서 입력단측으로 전류가 흐를 가능성이 높지 않기 때문에, 컨버터(10)의 2차측 스위치(40) 온/오프를 역파워링 유무에 대한 판단기준으로 제시하고 있는 것이다.
2차측 스위치(40)의 온/오프 상태 감지단계(S10) 이후에는 컨버터(10)의 전류지령을 도출하게 되는데, 컨버터(10)의 전류지령을 도출하는 이유는 2차측 스위치(40)의 온/오프 제어를 위함이다. 컨버터(10)에서 역전류가 발생하는 경우는 빈번하지 않으므로 역전류가 발생하지 않은 경우에는 컨버터(10)의 효율 향상을 위하여 2차측 스위치(40)를 온시킬 필요가 있다. 따라서, 이 같은 제어를 위한 제어기준이 필요한데 본 발명에서는 전류지령을 이러한 제어기준으로 삼고 있는 것이다.
일반적인 컨버터(10)의 제어(컨버터(10)의 출력전압 또는 출력전류를 이용한 제어)와 달리 본 발명에서 전류지령을 이용하고 있는 것은 전류지령을 이용할 경우가 출력전압 또는 출력전류를 이용하는 종래의 기술보다 더 효율적이기 때문이다. 종래의 기술에 따라 출력전류를 이용하는 경우에는 양방향 전류센서를 필요로 하기 때문에 컨버터(10)의 원가가 상승하며, 센서의 추가로 인하여 지연이 생기고 오프셋이 발생하는 문제점이 생긴다. 또한 출력전압을 이용하는 경우에는 컨버터(10)의 구동중에는 출력전압과 보조배터리의 전압이 같아 출력전압의 정보를 이용한다고 하더라도 컨버터(10)의 역파워링을 감지할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 별도의 센서없이도 역파워링을 감지할 수 있는 방법으로 본 발명에서는 컨버터(10)의 전류지령을 이용하는 방법을 제시하고 있으며, 상기 전류지령을 도출하는 방법을 도1에서 도시하고 있는 것이다.
전류지령을 도출하기 위한 첫 번째 단계는, 컨버터(10)의 출력전압을 감지하는 단계(S20)이다. 앞서 말했듯이 컨버터(10)의 구동중에 컨버터(10)의 출력전압은 컨버터(10)의 출력단과 연결되는 보조배터리의 전압과 동일할 것이므로 이를 이용하여 용이하게 컨버터(10)의 출력전압을 감지할 수 있을 것이다.
컨버터(10)의 출력전압을 감지한 이후에는 제어부(30)에서 출력전압과 컨버터(10)의 출력전압지령의 전압차이값을 도출하는 단계(S30)를 수행하게 된다. 여기서의 출력전압지령은 사용자가 목표로 하는 컨버터(10)의 출력전압으로 이상상태의 컨버터(10) 출력전압이라고도 볼 수 있을 것이다. 또한 전압차이값을 도출하는 이유는 본 발명에서 전압차이를 최소화하는 제어를 통하여 컨버터(10)의 전류지령을 도출하고자 하기 때문이다.
따라서 상기 전압차이값 도출 단계(S30) 이후에는 제어부(30)에서 상기 전압차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터(10)의 전류지령을 도출하는 단계(S40)를 수행하게 된다. 여기서의 전압제어기는 전압차이값을 최소화시켜 컨버터(10)의 출력전압지령과 실제 출력전압이 동일하게 되도록 제어하는 역할을 하며 그 형태로는 적분제어기의 형태를 가지는 전압제어기를 고려해 볼 수 있다.
위의 과정을 통하여 본 발명에 있어서의 제어기준이 되는 전류지령을 도출하였다면, 제어부(30)에서 상기 전류지령을 상기 2차측 스위치(40) 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하는 단계(S50)를 수행하고 상기 전류지령을 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치(40) 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 단계를 수행하게 된다.
구체적으로 컨버터(10)의 2차측 스위치(40)가 온상태이고 도출한 컨버터(10)의 전류지령이 기설정된 온전류기준값 미만인 경우에는, 제어부(30)에서 상기 2차측 스위치(40)의 온상태를 오프상태로 변경(S62)시키도록 한다. 여기서 온전류기준값은 2차측 스위치(40)가 온 된 상태에서 역파워링이 발생할 수 있는 상태에서의 전류지령값을 의미한다.
따라서 온전류기준값은 다양한 방식으로 도출이 가능한데, 일반적으로 컨버터(10) 출력단의 부하에 따라 그 값이 상이하기 때문에 온전류기준값을 설정함에 있어서 출력단의 부하값을 고려하여야 한다. 그러므로 본 발명에서는 온전류기준값을 도출하는 방법으로 컨버터(10)의 부하를 입력으로 하고 온전류기준값을 출력으로 하는 맵데이터를 이용하는 방법을 제시하고 있는 것이다. 이러한 방식으로 도출된 온전류기준값은 제어부(30)에 저장될 수 있고 또는 별도로 마련된 메모리부에 저장될 수도 있을 것이다.
위와 같은 방식으로 도출된 온전류기준값을 전류지령과 비교하였을 때 전류지령이 온전류기준값 미만인 경우에는 역파워링이 발생할 우려가 있는바, 제어부(30)에서 2차측 스위치(40)를 오프시켜 역파워링에 따른 역전류를 차단한다. 반면에 컨버터(10)의 2차측 스위치(40)가 온상태이고 도출한 컨버터(10)의 전류지령이 기설정된 온전류기준값 이상인 경우에는 앞선 경우와 다르게 역파워링의 우려가 없는 상태이므로 이 경우에는 2차측 스위치(40)의 온을 유지(S64)하여 컨버터(10)의 효율이 떨어지지 않도록 한다.
도 1에서, 단계(S50)에서 2차측 스위치가 오프된 것으로 판단된 경우 후속으로 수행되는 단계(S70, S72, S74)는 본 발명과 직접 관련이 없는 내용이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
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더불어 본 발명에 따른 컨버터(10) 시스템은 내부에 마련되는 스위치 소자의 제어에 따라 양방향으로 전압변환이 가능한 컨버터(10); 상기 컨버터(10)의 출력전압을 감지하는 감지부(20); 및 감지부(20)로부터 상기 출력전압을 전달받아 컨버터(10)의 출력전압지령과 차이값을 도출하고, 상기 차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터(10)의 전류지령을 도출하며, 상기 전류지령을 컨버터(10)의 2차측 스위치(40) 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하여 상기 전류지령을 상기 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치(40) 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 제어부(30);를 포함할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
S10: 2차측 스위치 온/오프 상태 감지 S20: 출력전압 감지
S30: 전압차이값 도출 S40: 전류지령 도출
10: 컨버터 20: 감지부
30: 제어부 40: 2차측 스위치

Claims (10)

  1. 제어부에서 컨버터 2차측 스위치 온/오프 상태를 감지하는 단계;
    제어부에서 컨버터의 전류지령을 도출하는 단계;
    제어부에서 상기 전류지령을 상기 2차측 스위치 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하는 단계; 및
    제어부에서 상기 전류지령을 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 단계;를 포함하는 컨버터 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류지령을 도출하는 단계는,
    제어부에서 컨버터의 출력전압을 감지하는 단계;
    제어부에서 상기 출력전압과 컨버터의 출력전압지령의 전압차이값을 도출하는 단계; 및
    제어부에서 상기 전압차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터의 전류지령을 도출하는 단계;를 포함하는 컨버터 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전압제어기는 적분제어기인 것을 특징으로 하는 컨버터 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 변경 또는 유지 단계는,
    컨버터의 2차측 스위치가 온상태이고 도출한 컨버터의 전류지령이 기설정된 온전류기준값 미만인 경우에는, 제어부에서 상기 2차측 스위치의 온상태를 오프상태로 변경시키는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 변경 또는 유지 단계는,
    컨버터의 2차측 스위치가 온상태이고 도출한 컨버터의 전류지령이 기설정된 온전류기준값 이상인 경우에는, 제어부에서 상기 2차측 스위치의 온상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 4 또는 5에 있어서,
    상기 온전류기준값은 컨버터의 부하를 입력으로 하고 온전류기준값을 출력으로 하는 맵데이터를 통하여 도출하는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어방법.
  9. 삭제
  10. 내부에 마련되는 스위치 소자의 제어에 따라 양방향으로 전압변환이 가능한 컨버터;
    상기 컨버터의 출력전압을 감지하는 감지부; 및
    감지부로부터 상기 출력전압을 전달받아 컨버터의 출력전압지령과 차이값을 도출하고, 상기 차이값을 전압제어기에 적용하여 컨버터의 전류지령을 도출하며, 상기 전류지령을 컨버터의 2차측 스위치 온/오프 상태에 따라 각각 마련된 기설정된 전류기준값과 비교하여 상기 전류지령을 상기 전류기준값과 비교한 결과에 따라 상기 2차측 스위치 온/오프 상태를 변경 또는 유지하는 제어부;를 포함하는 컨버터 시스템.
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