KR20170037745A

KR20170037745A - 벅과 플라이백 컨버터를 결합한 직류전원장치

Info

Publication number: KR20170037745A
Application number: KR1020150136583A
Authority: KR
Inventors: 박성준; 황정구; 김선필; 박성미; 이상훈
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-04-05

Abstract

본 발명은 직류전원장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 벅과 플라이백 컨버터를 결합하여 높은 입력전압 범위를 갖고 적은 리플로 안정적인 출력을 낼 수 있으며, 부하 변화에도 출력이 빠르게 정상상태에 도달할 수 있는 직류전원장치에 관한 것이다.

Description

벅과 플라이백 컨버터를 결합한 직류전원장치{SMPS combining buck and fly back converter}

최근 화석연료의 고갈 및 환경문제에 대한 관심의 증가로 신재생에너지에 대한 이용 및 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 신재생에너지 발전은 전력변환기가 필수적이다. 전력변환기 중, 소형IC 소자 및 전자기기를 위한 DC전원공급용으로써 폭넓게 이용되고 있는 직류전원장치(SMPS:switched mode power supply)는 스위칭 주파수를 높여 소형 경량화 되고 있으며 변압기와 인덕터 등의 에너지 축적용 소자가 많이 이용되고 있다.

신재생에너지의 종류와 목적에 따라 SMPS의 입력전압범위가 다양해지며, 특히 DC 1000[V]이상의 직접적인 고압의 입력전압은 스위칭소자의 제약 때문에 SMPS의 제작에 어려움이 따르며, SMPS의 신뢰성을 위하여 스위칭 노이즈 및 서지에 대한 대책이 강구되어야 한다.

도 1은 일반적인 플라이백 컨버터를 보여주는 것으로 도 1을 참조하면, 일반적인 플라이백 컨버터(10)는 변압기와 하나의 스위치(S)로 구성할 수 있으므로 소자의 구성이 간단하여 저렴한 비용으로 절연형의 다 출력을 낼 수 있는 장점이 있다. 다만, 입력전압의 범위에 한계가 있고, 출력의 리플이 큰 단점이 있다.

또한, 일반적인 플라이백 컨버터(10)는 변압기의 전기적 절연을 무시하여 등가화할 경우 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터의 동작원리와 동일하며, 출력전압의 평균값은 아래의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

여기서, V_o는 출력전압, n₁은 변압기의 권선비(=N₁/N₂), D는 듀티(Duty), V_i는 입력전압이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 높은 입력전압의 범위를 갖고 다양한 입력에 대해 안정적인 출력전압을 낼 수 있는 직류전원장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력전원을 감압하여 출력하는 벅 컨버터(Buck converter); 상기 벅 컨버터의 출력전원(이하, '벅 출력전원'이라 함)을 소정의 변압비로 변압하여 출력전원(이하, '플라이백 출력전원;이라 함)으로 출력하며, 상기 벅 출력전원과 상기 플라이백 출력전원이 서로 절연되는 플라이백 컨버터(Flyback converter); 및 상기 벅 컨버터 및 상기 플라이백 컨버터의 스위칭을 제어하는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 상기 벅 컨버터 제어시에 상기 벅 컨버터의 지령치와 상기 벅 출력전원의 차이(이하, '오차값'이라 함)에 따라 듀티(duty)를 서로 달리하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치를 제공한다

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어기는 상기 벅 컨버터 제어시 상기 벅 출력전원이 상기 벅 컨버터의 지령치보다 클 경우, 상기 듀티를 '0'으로 제어한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어기는 상기 벅 컨버터 제어시 상기 벅 출력전원이 상기 벅 컨버터의 지령치보다 작을 경우, 상기 듀티를 상기 입력전원에 대한 상기 벅 컨버터의 지령치 비율값으로 제어한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 직류전원장치에 의하면, 벅과 플라이백 컨버터를 결합하여 높은 입력전원의 범위를 갖는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 직류전원장치에 의하면, 벅 컨버터의 듀티를 입력전압에 대한 출력전압의 지령치의 비로 계산하고, 피드포워드로 적용하여 PWM형태로 스위칭함으로써 출력전원의 서지를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 직류전원장치에 의하면, 출력 리플이 적은 안정화된 출력을 제공할 수 있으며, 부하 변동시 빠른시간 내에 정상상태로 도달하는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 플라이백 컨버터를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치의 벅 컨버터 제어방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치의 플라이백 컨버터 제어방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치의 벅 컨버터 각부 파형을 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치의 출력 파형과 일반적인 플라이백 컨버터의 출력파형을 비교하여 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치(100)는 벅 컨버터(110), 플라이백 컨버터(120) 및 제어기(130)를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 직류전원장치(100)는 다양한 크기의 직류전원을 입력받을 수 있는 DC-DC 컨버터이며, 태양광, 풍력 등을 이용하여 전력을 생산하는 신재생에너지 발전기의 출력을 배터리에 저장하거나 부하로 공급해주는 용도로 사용될 수 있다.

상기 벅 컨버터(110)는 입력전원(V_i)을 감압하여 출력하며, 상기 입력전원(V_i)에 연결되어 상기 입력전원(V_i)을 스위칭하는 제1 스위치(S1), 상기 제1 스위치(S1)에 의해 에너지가 충전 또는 방전되는 인덕터(L), 상기 인덕터(L)와 접지를 연결하며, 상기 벅 컨버터(110)의 출력전원(V_c1)을 출력하는 제1 커패시터(C₁) 및 상기 제1 스위치(S1)와 상기 인덕터(L) 사이에 연결되고, 상기 제1 스위치(S1)가 오프되었을 때, 상기 인덕터(L)의 에너지가 상기 제1 커패시터(C₁)로 전달되게 하는 제1 다이오드(D1)를 포함한다.

즉, 본 발명의 직류전원장치(100)는 입력단으로 상기 벅 컨버터(110)를 이용하므로 고압의 입력전압을 입력받을 수 있는 토폴로지이다.

상기 플라이백 컨버터(120)는 상기 벅 컨버터(110)의 출력전원(이하, '벅 출력전원'이라 함)을 입력받아 원하는 전원으로 변압하여 출력(이하, '플라이백 출력전원'이라 함)한다.

즉, 상기 플라이백 컨버터(120)는 상기 벅 컨버터(110)와 직결된다.

또한, 상기 플라이백 컨버터(120)는 권선비 n₁의 변압기, 상기 변압기의 입력측 전류를 단속하는 제2 스위치(S2), 상기 변압기의 출력측 전류가 흐르게하는 제2 다이오드(D2) 및 부하(R)로 상기 플라이백 출력전원을 공급하기 위한 제2 커패시터(C₂)를 포함한다.

또한, 상기 플라이백 컨버터(120)는 상기 제2 스위치(S2)가 오프될 때, 상기 변압기의 입력측 자화 인덕턴스(L_M)에 의해 출력측에 전류가 흐르게된다.

또한, 상기 변압기는 소정의 변압비로 입력전원을 변압하는 동시에 입력과 출력을 절연하는 역할을 한다.

상기 제어기(130)는 상기 제1 스위치(S1)와 상기 제2 스위치(S2)를 스위칭하여 소정의 출력전원이 부하로 공급되게 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 제어기(130)가 하나의 제어기로 구성되는 것으로 도시하였으나, 상기 제어기는 상기 제1 스위치(S1)를 제어하기 위한 제어기와 상기 제2 스위치(S2)를 제어하기 위한 제어기를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 도 3은 상기 제어기(130)가 상기 제1 스위치(S1)를 제어하는 과정을 보여주는 제어 블록도로써, 도 3을 참조하면, 상기 제어기(130)는 상기 벅 출력전원(V_C1)과 지령치 벅 출력전원(v_{ref_buck})을 입력받아 그 차이값(이하, '오차값' 이라 함)를 계산하고(S1000), 상기 오차값의 크기에 따라 듀티(duty)를 서로 다르게 계산한다(S2000).

다음, 계산된 듀티로 상기 제1 스위치(130)의 스위칭 동작을 PWM방식으로 제어한다(S3000). 이 때, 상기 제1 스위치(130)는 전류연속모드 또는 불연속모드로 동작한다.

더욱 자세하게는 상기 듀티는 상기 제1 스위치(130)의 온 오프 비로써, 두 개의 모드로 제어된다.

먼저, 첫 번째 모드는 상기 오차값이 '0'미만일 경우, 다시 말해서, 상기 벅 출력전원이 상기 지령치 벅 출력전원보다 클 경우, 상기 듀티를 '0'으로 제어하는 모드이다. 즉, 상기 제1 스위치(130)는 오프된 상태로 유지된다(S2100).

다음, 두 번째 모드는 상기 오차값이 '0'이상일 경우, 즉, 상기 벅 출력전원이 상기 지령치 벅 출력전원보다 작을 경우에는 상기 듀티를 입력에 대한 출력비로 계산하여 PWM형태로 스위칭한다.

예를 들어, 실제 입력 전압이 200V이고 상기 지령치 벅 출력전원이 100V이며, 현재 벅 출력 전압이 100V 미만일 경우 상기 오차값이 '-' 값으로 '0'미만이 되고, 이 경우 상기 듀티는 두 번째 모드로 계산된다.

또한, 상기 듀티는 상기 지령치 벅 출력전원 100V에서 상기 입력 전압 200V를 나눈 '0.5'가 된다.

따라서, 본 발명의 직류전원장치(100)는 단순한 온-오프 방식이 아닌 피드포둬드 형태로 벅 컨버터(110)의 스위치(S1)가 PWM스위칭되므로 출력전압의 서지(surge)가 감소되는 장점이 있다.

한편, 도 4는 상기 제어기(130)가 상기 제2 스위치(S2)를 제어하는 과정을 보여주는 제어 블록도로써, 도 4을 참조하면, 상기 제어기(130)는 플라이백 출력전원(v_o)과 지령치 플라이백 출력전원(v_{ref_flyback})을 입력받아 차이를 계산하고(S100), 전압 제어과정을 거쳐 지령치 전류(i_ref)를 계산한다(S200). 다음, 상기 지령치 전류(i_ref)와 플라이백 출력전류(i_o)를 서로 비교하여(S300), 전류 제어치를 계산하고(S400), 계산된 전류제어치가 출력되도록 상기 제2 스위치(S2)를 PWM방식으로 스위칭한다(S500).

즉, 상기 제어기(130)가 상기 제2 스위치(S2)를 제어하는 과정은 일반적인 전압-전류 제어기의 제어방법과 실질적으로 동일하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치(100)의 각부 파형을 보여주는 것으로 PSIM 시뮬레이션 결과이다.

또한, 도 5의 (a)는 상기 벅 컨버터(110)의 입력 전압(V_in), (b)는 상기 플라이백 컨버터(120)의 출력 전압(V_{out_flyback}), (c)는 상기 벅 컨버터(110)의 출력 전압(V_{out_buck}), (d)는 상기 인덕터(L) 전류(I_{_inductor}), (e)는 부하를 50[Ω]에서 4.5[Ω]으로 변화시키는 시점을 보여주는 파형이다.

또한, 도 5를 참조하면, 입력전압이 60[Hz]의 간격으로 100[V]에서 900[V]로 변화될 때, 상기 벅 컨버터(110)의 출력전압은 약 40[V]로 안정된 출력전압으로 제어되고 있으며 최종 출력인 상기 플라이백 컨버터(120)의 출력전압은 15[V]로 제어됨을 확인할 수 있다.

또한, 부하가 50[Ω]에서 4.5[Ω]으로 변화될 때 약 20[ms]이후에 정상상태에 도달함을 확인하였다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치(100)의 출력과 일반적인 플라이백 컨버터(10)의 출력을 서로 비교하기 위한 파형으로 도 5의 (a)는 부하가 1[kΩ] 및 200[Ω]일 경우, 일반적인 플라이백 컨버터(10)의 출력파형, (b)는 부하가 1[kΩ] 및 200[Ω]일 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류전원장치(100)의 출력파형을 보여주는 것이다.

도 6에서도 확인할 수 있듯이 기존의 일반적인 플라이백 컨버터(10)의 경우 부하 200[Ω]에서 오실레이션하면서 감소하고 1[kΩ]에서 발진형태를 유지하며, 전압리플이 매우 큰 것을 알 수 있다.

그러나 본 발명의 직류전원장치(100)의 경우, 부하 변송시 100[ms] 이내에 정상상태로 안정적으로 도달하며 전압리플이 매우 작은 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:직류전원장치 110:벅 컨버터
120:플라이백 컨버터 130:제어기

Claims

입력전원을 감압하여 출력하는 벅 컨버터(Buck converter);
상기 벅 컨버터의 출력전원(이하, '벅 출력전원'이라 함)을 소정의 변압비로 변압하여 출력전원(이하, '플라이백 출력전원;이라 함)으로 출력하며, 상기 벅 출력전원과 상기 플라이백 출력전원이 서로 절연되는 플라이백 컨버터(Flyback converter); 및
상기 벅 컨버터 및 상기 플라이백 컨버터의 스위칭을 제어하는 제어기;를 포함하며,
상기 제어기는 상기 벅 컨버터 제어시에 상기 벅 컨버터의 지령치와 상기 벅 출력전원의 차이에 따라 듀티(duty)를 서로 달리하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 벅 컨버터 제어시 상기 벅 출력전원이 상기 벅 컨버터의 지령치보다 클 경우, 상기 듀티를 '0'으로 제어하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 벅 컨버터 제어시 상기 벅 출력전원이 상기 벅 컨버터의 지령치보다 작을 경우, 상기 듀티를 상기 입력전원에 대한 상기 벅 컨버터의 지령치 비율값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.