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KR101782497B1 - 부스트 pfc의 dcm 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

부스트 pfc의 dcm 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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KR101782497B1
KR101782497B1 KR1020130162516A KR20130162516A KR101782497B1 KR 101782497 B1 KR101782497 B1 KR 101782497B1 KR 1020130162516 A KR1020130162516 A KR 1020130162516A KR 20130162516 A KR20130162516 A KR 20130162516A KR 101782497 B1 KR101782497 B1 KR 101782497B1
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KR
South Korea
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current
voltage
duty value
boost pfc
value
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김영신
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주식회사 만도
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Publication date
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Abstract

본원 발명은 종래의 입력 전압의 순시치를 가지고 입력전류의 역률을 보정하는 문제점을 해결하기 위해 부스트(Boost) PFC를 DCM 영역에서 제어시 입력전압의 상승에 의하여 입력전류가 CCM 영역으로 변환되는 것을 억제하여 입력전류가 CCM모드로 동작함으로 인하여 발생하는 전기 회로의 손상 및 파손을 사전에 방지할 수 있는 제어 장치 및 제어 방법을 제공하고자 한다.
본원 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법에 따르면 DCM제어 Boost PFC에서 DCM과 CCM경계 영역 이상으로 입력전압이 증가할 지라도 입력 과전류가 발생하는 것을 사전에 방지하여 Boost PFC의 전기회로의 손상으로 인한 수명 감소 및 파손을 보호할 수 있는 효과가 있다.

Description

부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법 {DCM REGION INPUT VOLTAGE EXPANSION CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD}
본원 발명은 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Boost PFC(Power Factor Correction)를 DCM(Discontinuous Current Mode) 제어 시 입력전압의 상승에 의하여 입력전류가 CCM(Continuous Current Mode)로 변환되는 것을 억제하여 입력전류가 CCM모드로 동작함으로 인하여 발생하는 전기 회로의 손상 및 파손을 사전에 방지할 수 있는 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
부스트 컨버터(booster converter)란 입력 보다 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 A/D 컨버터를 말한다.
역률 정정 회로(Power Factor Correction, PFC) 회로는 파워 라인 상에서의 고조파를 감소시키는데 사용되고 그리고 특히 부속된 부하를 포함하여 회로가 실질적으로 순 저항성 부하로 보이도록 하는데 사용된다. 역률 정정 회로의 목적은 AC 전압 및 전류가 실질적으로 동상(in phase)이도록 하는 것이다. 이것은 효율(efficiency)을 개선하고 동시에 해로운 고조파의 발생을 제거한다.
예컨대, 역률 정정 회로는 수십 내지 수백 kHz 주파수 영역에서 동작하고, 입력 전원 공급 및 부하에서 상당한 범위의 변화를 가능케 하여, 고조파 왜곡을 대부분 억제할 수 있고 일정한(unity) 역률을 가질 수 있다.
도 1 은 종래의 OBC(On-Board Battery Charger)용 부스트 PFC(Power Factor Correction)의 여러 예를 보여주는 도면이다.
도 1a 는 Conventional Boost PFC의 일 실시예를 보여주는 것으로, PFC 파트는 220Vac, 60Hz 상용전원을 입력으로 하여 역률 규제를 만족시키기 위해 입력 전원의 전류를 정현파 형태로 제어하고, 직류출력을 만들기 위해 정현파인 전원을 정류하여 380Vdc 의 출력을 가지도록 하는 역할을 한다.
도 1a에 도시된 부스트 PFC의 가장 기본적인 형태이며 다이오드 브릿지, 하나의 MOSFET, 인덕터, 다이오드, 커패시터로 구성된다. 때문에 하나의 스위치를 드라이브 할 게이트 드라이버 회로만을 필요로 하게 된다. 또한 Conventional Boost PFC의 경우 입력 전류를 연속으로 제어할 수 있고, 입력전원 그라운드와 출력전원의 그라운드가 같은 노드를 공유하기 때문에 저주파수(LPF)가 존재하여 CM 노이즈에 영향을 적게 받는다.
도 1b 는 도 1a의 Conventional Boost PFC의 동작을 보여주는 도면이다.
도 1a의 I_L은 인덕터에 흐르는 전류, I_SW는 스위치에 흐르는 전류, I_D는 다이오드에 흐르는 전류, I_C는 커패시터에 흐르는 전류, I_O는 출력 전류를 나타낸다. 이때 Conventional Boost PFC의 동작은 도 1b와 같으며, 크게 입력전압이 양인 구간인 모드 1(a), 모드 2(b)와 입력 전압이 음인 모드 3(c), 모드 4(d)로 나누어 해석할 수 있다.
입력 전압이 양인 (a) 모드 1 인 구간에서는 계통으로부터 Conventional Boost PFC에 입력된 전원이 정류기-인덕터-스위치-정류기를 통한 경로를 통해 인덕터에 에너지를 저장한다. 이 구간 동안에는 이전모드에서 커패시터로 충전되었던 에너지가 방출되며 부하에 전압을 유지한다.
(b) 모드 2의 경우에서는 정류기-인덕터-부하-정류기를 통한 경로를 통해 인덕터에 저장된 에너지를 방출하며 부하에 전압을 유지한다. 이때 스위치와 다이오드에는 PFC 회로의 출력 전압의 크기와 같은 전압이 걸리며, 인덕터에는 정류기의 최대 출력 전압이 걸리게 된다.
도 1c 는 Interleaved Boost PFC 의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
Interleaved Boost PFC 는 기존의 Conventional Boost PFC 에서 인덕터, 스위치, 다이오드를 추가해 기존의 인덕터, 스위치, 다이오드 경로에 병렬로 연결한 형태의 토폴로지다. Interleaved Boost PFC는 기본적으로 기존의 Conventional Boost PFC를 병렬로 연결한 구조이기 때문에 각각의 스위치에 입력전류의 절반에 해당하는 전류가 흐로게 되고, Interleaving 제어를 하기 때문에 인덕터의 전류 리플을 Conventional Boost Converter 대비 절반 이하로 줄일 수 있는 장점을 가지고 있으며, 출력 커패시터의 용량 또한 줄일 수 있다. 도 1c 는 Interleaved Boost PFC의 회로도를 나타내며 I_L1은 인덕터 1 에 흐르는 전류, I_L2는 인덕터 2 에 흐르는 전류, SW1는 스위치 1 에 흐르는 전류, SW2 는 스위치 2에 흐르는 전류, D1은 다이오드 1 에 흐르는 전류, D2 는 다이오드 2 에 흐르는 전류를 나타내고, I_C는 커패시터로 흐르는 전류, I_O 는 부하로 흐르는 전류를 나타낸다.
이러한 Interleaved Boost PFC의 경우 도 1d와 같은 동작모드를 가지고 동작한다. Interleaved Boost PFC의 동작은 기본적으로는 Conventional Boost PFC의 동작과 유사하지만 각각의 스위치를 스위칭 할 때 180도의 위상차를 두어 인덕터 1 과 인덕터 2 로 흐르는 전류리플의 위상이 최대점과 최소점이 같은 시점에 존재하도록 하여 입력전류의 리플 및 커패시터의 전류리플을 반이 될 수 있도록 제어한다. 동작 중에 Interleaved Boost PFC의 스위치 및 다이오드에는 각각 출력전압만큼의 전압 스트레스가 가해진다.
도 1e 는 Semi-bridgeless Boost PFC 의 예를 보여주는 도면이다.
Semi-bridgeless Boost PFC 는 기존의 Bridgeless PFC의 단점인 LFP의 부제를 보완하기 위해 입력측의 그라운드와 출력측의 그라운드 사이에 다이오드를 추가시킨 형태로 도 1e와 같은 구조로 구성된다. 이는 Interleaved Boost PFC와 비교하면 입력측에 2개의 다이오드가 기존의 Interleaved Boost PFC에서 정류기를 대체하는 모습이기 때문에 반도체 소자의 손실이 줄어들게 된다. 이러한 Semi-bridgeless Boost PFC는 도 1f와 같은 동작 모드를 가진다. 입력전원이 양의 구간인 모드 1 과 모드 2 중 모드 1 에서는 계통 - 인덕터 1 - 스위치 1 - 스위치 2 & 다이오드 1 을 통해 다시 계통으로 흐르게 된다. 이때 스위치의 역병렬 다이오드와 다이오드 1 을 통해 흐르는 구간에서 전체의 전류가 병렬의 경로를 가지고 흐르기 때문에 Convetntional Boost PFC에 비해 손실이 적어지는 장점을 가진다. 모드 2 의 경우 이전 모드인 모드 1 에서 인덕터에 저장되었던 에너지를 방출하여 부하에 공급함으로써 출력전압을 유지한다. 이후 입력전원이 음인 구간에서는 모드 1 과 모드 2 의 동작과 유사하게 모드 3 과 모드 4 동작을 수행한다.
DC/DC 컨버터의 기본 회로 구조는 인덕터 및 능동 스위치의 상대 위치들에 따른 6 개의 기본 타입, 즉, 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터, 척(Cuk) 컨버터, SEPIC 컨버터, 및 Zeta 컨버터로 분류될 수 있다. 부스트 및 벅-부스트 회로 구조물들은 PFC를 실행하기에 적절하다.
인덕터는 연속 전류 모드(CCM: continuous conduction mode) 또는 불연속 전류 모드(DCM: discontinuous current mode)에서 동작해도 상관없어서 높은 역률 정정이 이루어질 수 있다. 동일한 출력파워에 있어서, DCM에서 동작하는 인덕터는 CCM에서 동작하는 인덕터보다 더 큰 피크(peak) 전류를 가진다. 파워가 더 높고, 피크 전류가 더 높아지고, 이에 따라서 회로의 스위칭 손실은 증가한다.
그러므로, CCM은 높은 파워 출력에 적절하다. 그러나, 인덕터가 CCM에서 동작할 시, 제어 회로는 실시간으로 입력 전압, 인덕터 전류 및 출력 전압 사이의 관계를 검출해야 해서, 이로써 회로는 복잡하다. 추가적으로, 스위칭 주파수 및 스위치의 듀티값(Duty ratio)는 입력 전압 주기마다 일정하게 변화되어야만 한다.
PFC 회로 및 제 2-스테이지 컨버터가 단일-스테이지 구조로 집적화되어야 할 필요가 있는 경우, PFC 회로의 스위치 소자들 및 제 2-스테이지 컨버터는 동일한 스위칭 주파수 및 듀티 비를 가져야 한다.
그러므로, PFC 회로가 CCM에서 동작할 시, PFC 회로는 제2 스테이지 컨버터로 집적화되기에 적절하지 않다. 이와 달리, 벅-부스트 PFC 컨버터에 있어서, 스위칭 주파수 및 스위치 소자의 듀티 비가 입력 전원 공급 주기 마다 일정하게 유지되는 경우, 인덕터가 DCM에서 동작할 시 PFC 기능은 손쉽게 이루어질 수 있다.
일반적으로 부스트 PFC 역률 제어를 위하여 전압의 위상정보를 획득하여 전류 Reference값으로 전류를 제어하는 CCM제어 기법과는 달리 DCM제어 기법의 경우 입력전류의 순시 제어가 어렵기 때문에 입력전압정보 및 전류의 RMS값만을 이용하여 듀티값(duty ratio)를 제어하게 된다.
이 경우 입력전압의 크기가 증가하여 DCM 제어영역 범위를 벗어난 입력전압이 인가 될 경우 입력전류가 CCM영역으로 동작하여 순간적인 입력 과전류가 발생하게 되고 이 때 발생한 입력 과전류는 전기회로에 지속적인 손상을 주어 전기회로의 수명을 낮추거나 전기회로를 직접적으로 파손시킨다. 이러한 입력 과전류 현상은 상용 AC 전원을 입력으로 사용하는 모든 DCM boost PFC converter에서 일어날 수 있다.
일반적인 DCM제어 Boost PFC의 경우 입력전압의 순시치를 이용하여 입력전류의 역률을 보정한다. 그러나 일정한 Sampling Point에서 실제 전류의 순시치를 획득하기가 불가능하기 때문에 전류의 순시 제어는 불가능하고 전류의 RMS제어만 가능하다. 전류를 RMS제어를 하면서 발생하는 문제점은 RMS필터의 특성 상 제어기의 속도가 느려져 DCM에서 CCM으로 전환되는 순간 발생하는 입력 과전류를 제어하지 못하는 단점이 있다.
본원 발명은 종래의 입력 전압의 순시치를 가지고 입력전류의 역률을 보정하는 문제점을 해결하기 위해 부스트(Boost) PFC를 DCM 영역에서 제어시 입력전압의 상승에 의하여 입력전류가 CCM 영역으로 변환되는 것을 억제하여 입력전류가 CCM모드로 동작함으로 인하여 발생하는 전기 회로의 손상 및 파손을 사전에 방지할 수 있는 제어 장치 및 제어 방법을 제공하고자 한다.
일 측면에 따라, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치는
DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하기 위한 부스트 PFC(Power Factor Correction)의 최대 전류와 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 입력 전류의 차이를 기초로 전류 듀티값(duty ratio)을 출력하는 전류 듀티값 출력부; 및
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 차이를 기초로 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력부; 및
상기 전류 듀티값와 상기 전압 듀티값을 고려하여 보정 듀티값을 출력하고, 상기 보정 듀티값을 기초로 상기 부스트 PFC의 스위치를 제어하는 보정 듀티값 출력부;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값 출력부는
상기 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출부;
상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출부; 및
상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 제 1 PI 제어기;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값 출력부는
상기 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 1 리미터;를 더 포함한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값 출력부는
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출부; 및
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력하는 제 2 PI 제어기;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값 출력부는
상기 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 2 리미터;를 더 포함한다.
바람직하게는,
상기 보정 듀티값 출력부는
상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출부; 및
상기 입력 전류에 상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier);를 포함한다.
바람직하게는,
상기 최대 전류는 상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC의 입력 전압의 크기를 기초로 획득되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 제 1 PI 제어기는 배율기로서 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 가지며, 상기 게인은 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 상기 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 제 1 리미터의 제한 범위는 0.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 제 2 리미터의 제한 범위는 상기 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
일 측면에 따라, 부스트 PFC는
적어도 하나 이상의 인덕터, 적어도 하나 이상의 스위치 및 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함하여 교류 신호를 직류 신호로 승압하여 출력하는 부스트 PFC(Boost Power Factor Correction)에 있어서,
상기 부스트 PFC의 출력 전압과 목표 전압에 의해 결정되는 전압 듀티값(Duty ratio)을 상기 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작할 수 있게 하는 최대 전류와 상기 인덕터에 흐르는 입력 전류와 비교하여 산출되는 전류 듀티값으로 보정하여 보정 듀티값을 획득하고, 상기 보정 듀티값으로 상기 스위치를 제어하는 제어부;를 더 포함한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값을 출력하는 전류 듀티값 출력부는
상기 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출부;
상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출부;
상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 제 1 PI 제어기;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값 출력부는
상기 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 1 리미터;를 더 포함한다.
바람직하게는,
상기 제 1 리미터의 제한 범위는 0.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 제 1 PI 제어기는 배율기로서 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 가지며, 상기 게인은 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 상기 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력부는
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출부;
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력하는 제 2 PI 제어기;를 포함하는 것을 특징을 한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값 출력부는
상기 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 2 리미터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 제 2 리미터의 제한 범위는 상기 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 보정 듀티값을 출력하는 보정 듀티값 출력부는
상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출부;
상기 입력 전류에 상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier);를 포함한다.
바람직하게는,
상기 최대 전류는 상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC의 입력 전압의 크기를 기초로 획득되는 것을 특징으로 한다.
일 측면에 따라, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법은
적어도 하나 이상의 인덕터, 적어도 하나 이상의 스위치 및 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함하여 교류 신호를 직류 신호로 승압하여 출력하는 부스트 PFC(Boost Power Factor Correction)를 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하도록 제어하는 방법 있어서,
상기 부스트 PFC의 출력 전압과 목표 전압의 편차를 기초로 전압 듀티값(Duty ratio)을 산출하는 전압 듀티값 산출 단계;
상기 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작할 수 있게 하는 최대 전류와 상기 인덕터에 흐르는 입력 전류의 편차를 기초로 전류 듀티값을 산출하는 전류 듀티값 산출 단계;
상기 전압 듀티값 및 상기 전류 듀티값을 기초로 보정 듀티값을 산출하는 보정 듀티값 산출 단계;
상기 보정 듀티값을 기초로 상기 스위치를 제어하여 상기 부스트 PFC가 DCM 영역에서 동작하도록 제어하는 제어 단계;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값을 산출하는 단계는
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출 단계; 및
상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력 단계;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값을 산출하는 단계는
상기 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출 단계;
상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출 단계; 및
상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 전류 듀티값 출력 단계;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 보정 듀티값을 산출하는 단계는
상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출단계;
상기 입력 전류에 상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier) 실행 단계;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값을 산출하는 단계는
상기 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 전압 듀티값 범위 제한 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는,
상기 전압 듀티값의 제한 범위는 상기 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값을 산출하는 단계는
상기 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 전류 듀티값 범위 제한 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값의 범위는 O.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 전류 듀티값 출력 단계는 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 갖는 배율기에 의해 실행되며, 상기 게인은 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 상기 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 최대 전류는 상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC의 입력 전압의 크기를 기초로 획득되는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법에 따르면 DCM제어 Boost PFC에서 DCM과 CCM경계 영역 이상으로 입력전압이 증가할 지라도 입력 과전류가 발생하는 것을 사전에 방지하여 Boost PFC의 전기회로의 손상으로 인한 수명 감소 및 파손을 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 OBC(On-Board Battery Charger)용 부스트 PFC(Power Factor Correction)의 여러 예를 보여주는 도면이다.
도 2 는 Interleaved Boost PFC의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 3 은 종래의 부스트 PFC의 DCM에서 CCM으로 천이시 입력 과전류 현상을 보여주는 결과이다.
도 4 는 종래의 DCM 제어 부스트 PFC의 제어 블록도를 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치의 개괄적인 구성도를 보여주는 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치의 전류 듀티값 출력부의 블록도를 보여주는 도면이다.
도 7 은 본 발명에 따른 DCM 제어 부스트 PFC 블록도를 보여주는 도면이다.
도 8 은 본 발명에 따른 전류 듀티값 출력 프로세스를 보여주는 흐름도이다.
도 9 는 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 방법의 전체 흐름도를 보여주는 도면이다.
도 10 은 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법을 이용하여 얻은 정상 범위내의 입력 전류 파형을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 당업계에 공지 및 주지된 기능이나 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 기술 용어들은 본 발명에서의 기능 등을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 당업자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸쳐 기재된 내용을 기초로 판단되어야 할 것이다.
본 발명에서는 입력전압 PI제어 이후 발생한 듀티 목표값에 입력전류의 값을 Feed-forward하여 입력전류가 DCM에서 CCM으로 천이되는 순간에 발생하는 듀티값에 보상 듀티값을 직접 빼주어 입력전류가 순간적으로 상승하는 것을 방지한다. 따라서 본 알고리즘을 이용할 경우 DCM제어 Boost PFC에서 DCM과 CCM경계 영역 이상으로 입력전압이 증가할 지라도 입력 과전류가 발생하는 것을 사전에 방지하여 Boost PFC의 전기회로의 손상으로 인한 수명 감소 및 파손을 보호할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법이 채용될 수 있는 Interleaved Boost PFC의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 2 의 Interleaved Boost PFC 는 AC 전원(Vac)과 정류기(201)의 중간에 필터부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 필터부(미도시)는 필터 인덕터 및 필터 커패시터에 의해 형성되고, 그리고 컨버터의 입력 전류의 고-주파수 구성요소를 제거하기 위해 사용될 수 있어서, 입력 전류가 저-주파수의 형태로 되는데, 그 이유는 입력 전압과 동일한 위상을 가진 파(wave) 때문이다.
정류기(201)는 적어도 하나의 정류기에 의해 형성되고, 예컨대 4개의 다이오드들에 의해 형성된 풀-브릿지(full-bridge) 정류 회로일 수 있다. 물론, 다른 형태의 정류 회로들도 사용될 수 있다. 다이오드들뿐 만 아니라, 정류부(30)는 BJT들, MOSFET들 및 SCR들 등의 소자들에 의해 형성될 수도 있다.
도 2 의 Interleaved Boost PFC의 동작은 도 1c 및 도 1d를 통하여 상세하게 설명되었는바, 여기서는 생략하며, 이하는 Interleaved Boost PFC에서 사용되는 전압, 전류 및 여러 수치값을 정리요약한다.
Figure 112013118403005-pat00001
: 정류된 계통 입력 전압으로서 정류기의 출력 전압 또는 PFC의 입력 전압을 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00002
: 정류된 계통 입력 전류로서 정류기의 출력 전류 또는 PFC의 입력 전류를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00003
: 직류 링크 단 전압 지령치로서 PFC출력단의 직류 전압 목표치를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00004
: 측정된 직류 링크 단 전압으로서 실제 측정되는 PFC출력단의 직류 전압치를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00005
: DCM으로 동작하는 최대 계통 입력 전류로서 DCM 으로 동작하는 범위내의 최대 PFC 입력 전류를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00006
: 한 스위칭 구간 동안의 인덕터에 흐르는 평균 전류를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00007
: 스위칭 주파수를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00008
: 부스트 인덕턴스를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00009
: PI 제어기 출력 duty로서
Figure 112013118403005-pat00010
와
Figure 112013118403005-pat00011
, 두 전압의 차이를 출력하는 편차 회로의 출력값을 비례 적분하는 PI 제어기에 의해 얻은 듀티값을 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00012
: 제한된 PI제어기 출력 duty로서 리미터(limit)에 의해 일정 범위내로 제한되는 듀티값이다.
Figure 112013118403005-pat00013
: wave-shaping duty는 입력 전류의 듀티값이다.
Figure 112013118403005-pat00014
: 전류 제한 알고리즘 출력 듀티값이다.
[표 1] DCM 범위 결정 요인
Figure 112013118403005-pat00015
표 1 에서의 Switching Frequency, 1st DC Link Voltage 및 Inductance는 Boost PFC 설계 시 DCM영역을 결정하는 내부적 요인이다. DCM영역을 결정하는 외부적 요인으로는 모든 수식에 공통적으로 기입되어있는
Figure 112013118403005-pat00016
(입력전압) 하나뿐이다. 따라서 입력전압이 증가할 경우 DCM영역에서 CCM영역으로의 천이가 발생하게 되고 이때 일반적인(본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법을 채용하지 않은) DCM제어의 경우 그림 3(a), 그림 3(b)와 같이 입력 과전류 현상이 발생하게 된다.
도 3 은 종래의 부스트 PFC의 DCM에서 CCM으로 천이시 입력 과전류 현상을 보여주는 결과이다.
도 3(a)는 입력 전압이 270V가 6.6KW 부스트 PFC에 적용된 경우의 DCM에서 CCM으로 천이시 입력 과전류 현상을 보여주는 실험결과 도면이다.
도 3(b)는 입력 전압이 260V가 6.6KW 부스트 PFC에 적용된 경우의 DCM에서 CCM으로 천이시 입력 과전류 현상을 보여주는 시뮬레이션 결과 도면이다.
도 3(a), 도 3(b)에서 확인할 수 있듯이 DCM 영역에서 CCM 영역으로 천이시 발생하는 입력 과전류의 크기는 통상적으로 설계의 범위를 초과하기 때문에 부스트 PFC 전기회로의 손상으로 인한 수명 감소 및 파손을 일으키게 된다.
도 4 는 종래의 DCM 제어 부스트 PFC의 제어 블록도를 보여주는 도면이다.
도 4 에서 PI제어기(420)는
Figure 112013118403005-pat00017
와
Figure 112013118403005-pat00018
, 두 전압의 차이를 출력하는 편차 회로(410)의 출력값을 비례 적분하여 출력된 듀티값으로 부스트 PFC의 스위치 즉 도 2의 제 1 스위치(205) 및 제 2 스위치(206)을 제어하게 된다.
도 4 에서의 곱셈기(430)는 PI제어기(420)의 출력 듀티값을 기초로 입력 전류를 선형변환하는 역할을 한다. 이는 입력 전압과 동일한 전류 파형을 만들어주기 위함이다.
플랜트(Plant)는 도 2에 도시된 부스트 PFC를 지칭하는 것으로 특별히 곱셈기(430)의 출력은 도 2의 제 1 스위치(205) 및 제 2 스위치(206)로 제공된다.
도 4 에서 확인할 수 있듯이 일반적인 DCM제어 Boost PFC의 경우 Plant(440)로 향하는 최종 단의 듀티값을 제어하기 위한 수단이 없기 때문에 입력전압의 증가로 인하여 DCM에서 CCM으로 천이시 입력 과전류를 발생시키는 원인인 듀티값을 제어하지 못한다.
도 5 는 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치의 개괄적인 구성도를 보여주는 도면이다.
본원 발명의 특징은 부스트 PFC로 향하는 최종 단에 입력 전류 정보를 이용한 듀티값 보상치를 피드 포워드(feed forward)하여 입력 전류가 증가하는 순간에 직접 제어하여 입력 과전류를 방지할 수 있는 것이다. 입력 전류 정보를 이용한 듀티값을 피드 포워드하는 방법이 입력 전류를 가장 빠르게 제한할 수 있는 방법이다.
피드 포워드되는 듀티값은 실제 입력 전류가 DCM으로 동작하는 최대 전류를 초과하게 되면 그 차이에 게인을 곱하여 최종 듀티값에 더해줌으로써 획득할 수 있다.
본원 발명의 일 실시예인 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치(500)은 전류 듀티값 출력부(520), 전압 듀티값 출력부(510) 및 보정 듀티값 출력부(530)을 포함한다.
전류 듀티값 출력부(520)는 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하기 위한 부스트 PFC(Power Factor Correction)의 최대 전류와 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 입력 전류의 차이를 기초로 전류 듀티값(duty ratio)을 획득한다.
전압 듀티값 출력부(530)는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 차이를 기초로 전압 듀티값을 출력한다.
보정 듀티값 출력부(530)는 전류 듀티값와 전압 듀티값을 고려하여 보정 듀티값을 출력하고, 보정 듀티값을 기초로 부스트 PFC의 스위치를 제어한다.
DCM영역에서 동작하기 위한 부스트 PFC의 최대 전류는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치(
Figure 112013118403005-pat00019
)와 부스트 PFC의 입력 전압의 크기(
Figure 112013118403005-pat00020
)를 기초로 획득될 수 있다.
전류 제한 알고리즘에서 DCM으로 동작하는 최대 전류는 다음과 같은 과정으로 계산된다.
한 스위칭 주기 동안 인덕터에 흐르는 최대 전류는 식 1과 같다
Figure 112013118403005-pat00021
(식 1)
여기서,
Figure 112013118403005-pat00022
: 정류된 계통 입력 전압이고,
Figure 112013118403005-pat00023
: 부스트 인덕턴스를 나타내며, : 제한된 PI제어기 출력 duty이며,
Figure 112013118403005-pat00025
는 입력 전류의 주기를 나타낸다.
DCM에서 FET가 오프(off)된 후 인덕터에 흐르는 전류가 0이 되는 듀티값은 식2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013118403005-pat00026
(식 2)
여기서,
Figure 112013118403005-pat00027
: DCM으로 동작하는 최대 계통 입력 전류이며,
Figure 112013118403005-pat00028
: 정류된 계통 입력 전압이고,
Figure 112013118403005-pat00029
: 측정된 직류 링크 단 전압,
Figure 112013118403005-pat00030
: 부스트 인덕턴스를 나타내며,
Figure 112013118403005-pat00031
: FET가 오프된 후 전류가 0이 되는 duty이며,
Figure 112013118403005-pat00032
는 입력 전류의 주기를 나타낸다.
Figure 112013118403005-pat00033
(식 3)
한 스위칭 주기 동안 인덕터에 흐르는 평균 전류는 식 4와 같다.
Figure 112013118403005-pat00034
(식4)
스위칭 주기 동안 흐르는 입력전류는 인덕터에 흐르는 전류의 합과 같기 때문에 DCM으로 동작하는 최대 입력 전류는 식 5와 같다
Figure 112013118403005-pat00035
(식-5)
도 6 은 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치의 전류 듀티값 출력부의 블록도를 보여주는 도면이다.
식 5 에서 계산된 DCM 최대 입력 전류를 지령치로 하는 제한 알고리즘의 제어 블록도는 도 6에 도시된다.
전류 듀티값 출력부(600)는 최대 DCM 전류 산출부(610), 전류 편차 추출부(620) 및 제 1 PI 제어기(630)를 포함할 수 있다.
최대 DCM 전류 산출부(610)는 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출한다.
전류 편차 추출부(620)는 최대 전류와 입력 전류의 편차를 획득한다.
제 1 PI 제어기(630)는 최대 전류와 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 전류 듀티값을 출력한다.
전류 듀티값 출력부는(600)는 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 1 리미터(640)를 더 포함할 수 있다.
제 1 PI 제어기(630)는 배율기로서 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 가지며, 게인은 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정된다.
배율기인 제 1 PI 제어기(630)의 게인은 식 6에 의해 구할 수 있다.
Figure 112013118403005-pat00036
(식 6)
제 1 리미터(640)의 제한 범위는 0.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 값이다.
도 7 은 본 발명에 따른 DCM 제어 부스트 PFC 블록도(700)를 보여주는 도면이다.
본원 발명의 적용 대상이 되는 부스트 PFC(770)는 도2에서와 같이 적어도 하나 이상의 인덕터, 적어도 하나 이상의 스위치 및 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함하여 교류 신호를 직류 신호로 승압하여 출력하는 AD 컨버터의 일종이다.
본원 발명에서의 제어부(도 500 또는 도 7에서의 770을 제외한 모든 구성요소)는 부스트 PFC(770)의 출력 전압과 목표 전압에 의해 결정되는 전압 듀티값(Duty ratio)을 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작할 수 있게 하는 최대 전류와 인덕터에 흐르는 입력 전류와 비교하여 산출되는 전류 듀티값으로 보정하여 보정 듀티값을 획득하고, 보정 듀티값으로 스위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
전류 듀티값을 출력하는 전류 듀티값 출력부(도 5의 520)는 최대 DCM 전류 산출부(790), 전류 편차 추출부(791) 및 제 1 PI 제어기(792)를 포함할 수 있다.
최대 DCM 전류 산출부(790)는 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출한다. 부스트 PFC의 최대 전류는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치(
Figure 112013118403005-pat00037
)와 부스트 PFC의 입력 전압의 크기(
Figure 112013118403005-pat00038
)를 기초로 획득될 수 있다.
전류 편차 추출부(791)는 최대 전류와 입력 전류의 편차를 획득한다.
제 1 PI 제어기(792)는 최대 전류와 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 전류 듀티값을 출력한다.
전류 듀티값 출력부는(도 5의 520)는 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 1 리미터(793)를 더 포함할 수 있다.
제 1 PI 제어기(792)는 배율기로서 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 가지며, 게인은 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정된다.
제 1 리미터(793)의 제한 범위는 0.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정된다.
전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력부(도 5의 510)는 전압 편차 추출부(720), 제 2 PI 제어기(730)를 포함한다.
전압 편차 추출부(720)는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치(
Figure 112013118403005-pat00039
)와 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치(
Figure 112013118403005-pat00040
)의 편차를 산출한다.
제 2 PI 제어기(730)는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력한다.
전압 듀티값 출력부(도 5의 510)는 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 2 리미터(740)를 더 포함할 수 있다. 제 2 리미터(740)의 제한 범위는 상기 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되며, 식 7 과 같다.
Figure 112013118403005-pat00041
(식 7)
보정 듀티값을 출력하는 보정 듀티값 출력부(도 5의 530)는 듀티값 편차 추출부(750) 및 멀티플라이어(mutiplier)(760)를 포함한다.
듀티값 편차 추출부(750)는 전류 듀티값과 전압 듀티값의 편차를 출력한다.
멀티플라이어(mutiplier)(760)는 입력 전류의 듀티값(
Figure 112017067656776-pat00064
)에 전류 듀티값과 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환한다. 멀티플라이어(760)의 출력 결과를 가지고 플랜트(plant)(770) 즉, 부스트 컨터버의 듀티값으로 제어한다.
멀티플라이어(760)에 입력되는 ws 는 입력 전류의 파형을 뜻하는 것으로
Figure 112013118403005-pat00042
는 입력 전압과 직류 링크 단 전압에 의해 식 8과 같다.
Figure 112013118403005-pat00043
(식 8)
도 8 은 본 발명에 따른 전류 듀티값 출력 프로세스를 보여주는 흐름도이다.
도 2와 부스트 PFC 제어를 위한 듀티값의 보정을 위해 전류 듀티값을 산출하는 단계는 최대 DCM 전류 산출 단계(S810), 전류 편차 추출 단계(S820) 및 전류 듀티값 출력 단계(S830)을 포함한다.
최대 DCM 전류 산출 단계(S810)는 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출한다.
부스트 PFC의 최대 전류는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치(
Figure 112013118403005-pat00044
)와 부스트 PFC의 입력 전압의 크기(
Figure 112013118403005-pat00045
)를 기초로 획득될 수 있다.
전류 편차 추출 단계(S820)는 최대 전류와 입력 전류의 편차를 획득한다.
전류 듀티값 출력 단계(S830)는 최대 전류와 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 전류 듀티값을 출력한다.
본원 발명의 전류 듀티값 산출 단계는 전류 듀티값을 일정 범위로 제한하는 단계(S840)를 더 포함할 수 있다.
도 9 는 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 방법의 전체 흐름도를 보여주는 도면이다.
부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 방법은 전압 듀티값 산출 단계(S910), 전류 듀티값 산출 단계(S920), 보정 듀티값 산출 단계(S930) 및 제어 단계(S940)을 포함한다.
전압 듀티값 산출 단계(S910)는 부스트 PFC의 출력 전압과 목표 전압의 편차를 기초로 전압 듀티값(Duty ratio)을 산출한다.
전류 듀티값 산출 단계(S920)는 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작할 수 있게 하는 최대 전류와 인덕터에 흐르는 입력 전류의 편차를 기초로 전류 듀티값을 산출한다.
보정 듀티값 산출 단계(S930)는 전압 듀티값 및 전류 듀티값을 기초로 보정 듀티값을 산출한다.
제어 단계(S940)는 보정 듀티값을 기초로 스위치를 제어하여 상기 부스트 PFC가 DCM 영역에서 동작하도록 제어한다.
전압 듀티값 산출 단계(S910)는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출 단계와 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력 단계를 포함한다.
전압 듀티값을 산출하는 단계(S910)는 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 전압 듀티값 범위 제한 단계를 더 포함할 수 있다. 전압 듀티값의 제한 범위는 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정된다.
전류 듀티값을 산출하는 단계(S920)는 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출 단계와 최대 전류와 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출 단계 그리고 최대 전류와 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 전류 듀티값 출력 단계를 포함한다.
부스트 PFC의 최대 전류는 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치(
Figure 112013118403005-pat00046
)와 부스트 PFC의 입력 전압의 크기(
Figure 112013118403005-pat00047
)를 기초로 획득된다.
전류 듀티값을 산출하는 단계(S920)는 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 전류 듀티값 범위 제한 단계를 더 포함할 수 있다.전류 듀티값의 범위는 O.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정된다.
그리고 전류 듀티값 출력 단계는 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 갖는 배율기에 의해 실행되며, 게인은 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정된다.
보정 듀티값을 산출하는 단계(S930)는 전류 듀티값과 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출단계와 입력 전류에 전류 듀티값과 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier) 실행 단계를 포함한다.
도 10 은 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치 및 제어 방법을 이용하여 얻은 정상 범위내의 입력 전류 파형을 보여주는 도면이다.
도 10 은 6.6 kw부스트 PFC에 270V 입력 전압을 적용한 경우에, 본 발명에 따른 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치를 활용하여 얻은 정상 범위내의 입력 전류 파형을 보여준다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자, 즉 당업자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (30)

  1. DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하기 위한 부스트 PFC(Power Factor Correction)의 최대 전류와 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 입력 전류의 차이를 기초로 전류 듀티값(duty ratio)을 출력하는 전류 듀티값 출력부; 및
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 차이를 기초로 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력부; 및
    상기 전류 듀티값와 상기 전압 듀티값을 고려하여 보정 듀티값을 출력하고, 상기 보정 듀티값을 기초로 상기 부스트 PFC의 스위치를 제어하는 보정 듀티값 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 전류 듀티값 출력부는
    상기 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출부;
    상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출부; 및
    상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 제 1 PI 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  3. 청구항 2 에 있어서,
    상기 전류 듀티값 출력부는
    상기 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 1 리미터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 전압 듀티값 출력부는
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출부; 및
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력하는 제 2 PI 제어기;를 포함하는 것을 특징을 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  5. 청구항 4 에 있어서,
    상기 전압 듀티값 출력부는
    상기 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 2 리미터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  6. 청구항 1 에 있어서,
    상기 보정 듀티값 출력부는
    상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출부; 및
    상기 입력 전류의 듀티값에 상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  7. 청구항 2 에 있어서,
    상기 최대 전류는 상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC의 입력 전압의 크기를 기초로 획득되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  8. 청구항 2 에 있어서,
    상기 제 1 PI 제어기는 배율기로서 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 가지며, 상기 게인은 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 상기 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  9. 청구항 3 에 있어서,
    상기 제 1 리미터의 제한 범위는 0.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  10. 청구항 5 에 있어서,
    상기 제 2 리미터의 제한 범위는 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 영역 입력 전압 확장 제어 장치.
  11. 적어도 하나 이상의 인덕터, 적어도 하나 이상의 스위치 및 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함하여 교류 신호를 직류 신호로 승압하여 출력하는 부스트 PFC(Boost Power Factor Correction)에 있어서,
    상기 부스트 PFC의 출력 전압과 목표 전압에 의해 결정되는 전압 듀티값(Duty ratio)을 상기 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작할 수 있게 하는 최대 전류와 상기 인덕터에 흐르는 입력 전류와 비교하여 산출되는 전류 듀티값으로 보정하여 보정 듀티값을 획득하고, 상기 보정 듀티값으로 상기 스위치를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  12. 청구항 11 에 있어서,
    상기 전류 듀티값을 출력하는 전류 듀티값 출력부는
    상기 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출부;
    상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출부;
    상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 제 1 PI 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  13. 청구항 12 에 있어서,
    상기 전류 듀티값 출력부는
    상기 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 1 리미터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  14. 청구항 13 에 있어서,
    상기 제 1 리미터의 제한 범위는 0.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  15. 청구항 12 에 있어서,
    상기 제 1 PI 제어기는 배율기로서 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 가지며, 상기 게인은 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 상기 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  16. 청구항 11 에 있어서,
    상기 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력부는
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출부;
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력하는 제 2 PI 제어기;를 포함하는 것을 특징을 하는, 부스트 PFC.
  17. 청구항 16 에 있어서,
    상기 전압 듀티값 출력부는
    상기 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 제 2 리미터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  18. 청구항 17 에 있어서,
    상기 제 2 리미터의 제한 범위는 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  19. 청구항 11 에 있어서,
    상기 보정 듀티값을 출력하는 보정 듀티값 출력부는
    상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출부;
    상기 입력 전류의 듀티값에 상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  20. 청구항 11 에 있어서,
    상기 최대 전류는 상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC의 입력 전압의 크기를 기초로 획득되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC.
  21. 적어도 하나 이상의 인덕터, 적어도 하나 이상의 스위치 및 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함하여 교류 신호를 직류 신호로 승압하여 출력하는 부스트 PFC(Boost Power Factor Correction)를 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하도록 제어하는 방법 있어서,
    상기 부스트 PFC의 출력 전압과 목표 전압의 편차를 기초로 전압 듀티값(Duty ratio)을 산출하는 전압 듀티값 산출 단계;
    상기 부스트 PFC가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작할 수 있게 하는 최대 전류와 상기 인덕터에 흐르는 입력 전류의 편차를 기초로 전류 듀티값을 산출하는 전류 듀티값 산출 단계;
    상기 전압 듀티값 및 상기 전류 듀티값을 기초로 보정 듀티값을 산출하는 보정 듀티값 산출 단계;
    상기 보정 듀티값을 기초로 상기 스위치를 제어하여 상기 부스트 PFC가 DCM 영역에서 동작하도록 제어하는 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  22. 청구항 21 에 있어서,
    상기 전압 듀티값을 산출하는 단계는
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치의 편차를 산출하는 전압 편차 추출 단계; 및
    상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC 출력단에서 실제 측정되는 직류 전압치를 기초로 비례 적분하여 상기 전압 듀티값을 출력하는 전압 듀티값 출력 단계;를 포함하는 것을 특징을 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  23. 청구항 21 에 있어서,
    상기 전류 듀티값을 산출하는 단계는
    상기 부스트 PFC(Power Factor Correction)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 영역에서 동작하는 최대 전류를 산출하는 최대 DCM 전류 산출 단계;
    상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 획득하는 전류 편차 추출 단계; 및
    상기 최대 전류와 상기 입력 전류의 편차를 기초로 비례 적분하여 상기 전류 듀티값을 출력하는 전류 듀티값 출력 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  24. 청구항 21 에 있어서,
    상기 보정 듀티값을 산출하는 단계는
    상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 출력하는 듀티값 편차 추출단계;
    상기 입력 전류의 듀티값에 상기 전류 듀티값과 상기 전압 듀티값의 편차를 곱하여 선형 변환하는 멀티플라이어(mutiplier) 실행 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  25. 청구항 22 에 있어서,
    상기 전압 듀티값을 산출하는 단계는
    상기 전압 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 전압 듀티값 범위 제한 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  26. 청구항 25 에 있어서,
    상기 전압 듀티값의 제한 범위는 최대 입력 전류의 RMS 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  27. 청구항 23 에 있어서,
    상기 전류 듀티값을 산출하는 단계는
    상기 전류 듀티값을 일정 범위내로 제한하는 전류 듀티값 범위 제한 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  28. 청구항 27 에 있어서,
    상기 전류 듀티값의 범위는 O.1 내지 0.5의 범위에 이르며, 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  29. 청구항 23 에 있어서,
    상기 전류 듀티값 출력 단계는 0.1 내지 10 범위에 이르는 게인을 갖는 배율기에 의해 실행되며, 상기 게인은 상기 부스트 PFC내 인덕터에 흐르는 전류, 상기 부스트 PFC에 입력되는 전압의 크기 및 상기 부스트 PFC내 스위치의 스위칭 주파수를 기초로 실험적으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
  30. 청구항 21 에 있어서,
    상기 최대 전류는 상기 부스트 PFC 출력단에서의 직류 전압 목표치와 상기 부스트 PFC의 입력 전압의 크기를 기초로 획득되는 것을 특징으로 하는, 부스트 PFC의 DCM 동작 제어 방법.
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