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KR102810815B1 - Dc/dc 컨버터 및 상기 dc/dc 컨버터의 작동 방법 - Google Patents

Dc/dc 컨버터 및 상기 dc/dc 컨버터의 작동 방법 Download PDF

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KR102810815B1
KR102810815B1 KR1020227010023A KR20227010023A KR102810815B1 KR 102810815 B1 KR102810815 B1 KR 102810815B1 KR 1020227010023 A KR1020227010023 A KR 1020227010023A KR 20227010023 A KR20227010023 A KR 20227010023A KR 102810815 B1 KR102810815 B1 KR 102810815B1
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 DC/DC 컨버터의 제어에 관한 것으로, 상기 DC/DC 컨버터의 제어를 위한 제어 변수의 기울기(gradient)가 제한된다. 제어 변수의 기울기를 제한함으로써, 필요 시 DC/DC 컨버터의 위험한 작동 상태를 피하기 위해 DC/DC 컨버터의 최대 전류 변화를 제한할 수 있다.

Description

DC/DC 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터의 작동 방법
본 발명은 DC/DC 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터의 작동 방법에 관한 것이다.
공보 DE 102016219 740 A1호는 병렬로 연결된 복수의 DC/DC 컨버터 모듈을 가진 DC/DC 컨버터를 개시한다. 여기서는 모든 DC/DC 컨버터 모듈에 대해 하나의 공통 전압 제어기가 제공된다. 또한, DC/DC 컨버터 모듈마다 별도의 전류 제어가 제공된다.
DC/DC 컨버터는 입력 DC 전압을 출력 DC 전압으로 변환하기 위해 제공되며, 입력 DC 전압의 전압 레벨은 출력 DC 전압의 전압 레벨과 상이할 수 있다. 제어를 통해 DC/DC 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 미리 결정된 목표값에 따라 설정할 수 있다.
본 발명은 독립 청구항의 특징들을 가진 DC/DC 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터의 작동 방법을 개시한다. 그 외 바람직한 실시예들은 종속 청구항의 대상이다. 이에 따라, 제1 제어 장치, 제2 제어 장치, 조합 유닛(combining unit), 제3 제어 장치 및 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈을 포함하는 DC/DC 컨버터가 제공된다. 제1 제어 장치는 제1 제어 변수를 결정하도록 구성된다. 제1 제어 변수는 특히 현재 입력 전압의 값, 현재 입력 전류의 값 및 출력 전압의 목표값을 사용하여 결정될 수 있다. 제2 제어 장치는 제2 제어 변수를 결정하도록 구성된다. 제2 제어 변수는 특히 출력 전압의 목표값 및 현재 출력 전압의 값을 사용하여 결정될 수 있다. 조합 유닛은 제1 제어 변수와 제2 제어 변수를 조합하도록 구성된다. 제1 제어 변수와 제2 제어 변수의 조합이 목표 제어 변수로서 출력될 수 있다. 제3 제어 장치는, 목표값의 기울기(gradient), 즉, 제1 및 제2 제어 변수의 조합을 미리 결정된 최소값 및/또는 최대값으로 제한하도록 구성된다. 제3 제어 장치에 의해 제한된 목표 제어 변수가 출력 제어 변수로서 제공될 수 있다. 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈은, 출력 제어 변수를 사용하여 입력 DC 전압을 출력 DC 전압으로 변환하도록 구성된다.
또한, DC/DC 컨버터의 작동 방법이 제공된다. 이 방법은 현재 입력 전압의 값, 현재 입력 전류의 값 및 출력 전압의 목표값을 사용하여 제1 제어 변수를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 출력 전압의 목표값 및 현재 출력 전압의 값을 사용하여 제2 제어 변수를 결정하는 단계를 포함한다. 나아가 상기 방법은, 제1 제어 변수와 제2 제어 변수를 조합하여 목표 제어 변수를 형성하는 단계 및 상기 목표 제어 변수의 기울기를 제한하는 단계를 포함한다. 특히, 목표값 제어 변수는 미리 결정된 최소값 및/또는 미리 결정된 최대값으로 제한될 수 있다. 이렇게 제한된 목표 제어 변수가 출력 제어 변수로서 제공될 수 있다. 마지막으로, 상기 방법은 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈을 제어하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 DC/DC 컨버터 모듈은 출력 제어 변수를 사용하여 제어될 수 있다.
본 발명은, 특히 승압 모드(부스트 모드)에서 DC/DC 컨버터의 전류가 제어 거동에 따라 매우 가파르게 증가하거나 감소할 수 있다는 인식에 기초한다. 이처럼 DC/DC 컨버터 내 전류의 증가 또는 감소의 매우 급격한 변화는 경우에 따라 DC/DC 컨버터의 전기 부품에 상당한 부하를 줄 수 있다. 때로는 이로 인해 DC/DC 컨버터의 부품들이 파손될 수 있다.
따라서 본 발명의 사상은, 상기 인식을 고려하여, DC/DC 컨버터 내 전류가 과도하게 증가하거나 감소하는 작동 상태를 방지할 수 있는 DC/DC 컨버터의 제어를 제공하는 것이다. 이를 위해, DC/DC 컨버터의 제어를 위한 제어 변수의 기울기를 제한하는 구성이 제공된다. 예를 들어, 제어 변수는 DC/DC 컨버터에서 스위칭 소자를 제어하기 위한 듀티 사이클(duty cycle)일 수 있다. 따라서 제어 변수의 기울기의 제한을 통해 DC/DC 컨버터 내 전류의 최대 증가 또는 감소도 제한할 수 있다. 나아가, 전류의 증감에 대해 미리 결정된 제한의 준수하에 DC/DC 컨버터 내 부품들의 과부하의 제한을 초과하지 않으면서 원하는 목표 전압 또는 원하는 목표 전류를 가능한 한 신속하게 설정할 수 있다.
일 실시예에 따라, 제3 제어 장치는 현재 입력 전압의 값 및 현재 출력 전압의 값을 사용하여 목표 제어 변수의 기울기를 제한하도록 구성된다. 제3 제어 장치는 예를 들어 현재 작동 상태의 현재 입력 전압 및 현재 출력 전압에 대한 값을 토대로 특히 DC/DC 컨버터 모듈에 현재 설정된 제어 변수를 결정할 수 있다. 그에 상응하게, 현재 제어 변수와 미리 결정된 목표 제어 변수의 비교를 토대로 새로 설정될 제어 변수의 기울기를 결정할 수 있다. 이 기울기가 미리 결정된 한계를 초과하는 경우, 제3 제어 장치는 새로 설정될 제어 변수를 미리 결정된 한계에 따른 제어 변수로 한정할 수 있다.
일 실시예에 따라, 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈은 변압기를 포함한다. 변압기는 특히 DC/DC 컨버터 모듈의 입력 연결부와 출력 연결부 사이에 제공될 수 있다. 이 경우, 제3 제어 장치는, 변압기의 변환비를 사용하여 목표 제어 변수의 기울기를 제한하도록 구성될 수 있다. 변환비는 특히 변압기의 1차 코일과 2차 코일 간의 권선비(turns ratio)를 가리킬 수 있다. 상기 변환비는 현재 입력 전압 및 현재 출력 전압과 함께 DC/DC 컨버터의 현재 설정을 결정하는 데 이용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 제3 제어 장치는 DC/DC 컨버터 내 최대 전류 변화를 제한하도록 구성된다. 이 경우, 최대 전류 변화는 예를 들어 DC/DC 컨버터의 입력 전류 또는 출력 전류와 관련될 수 있다. DC/DC 컨버터에서 전류 변화의 제한 및 그에 따른 전류 기울기의 제한이 보장됨으로써, DC/DC 컨버터 내 부품들의 과부하를 방지할 수 있다.
일 실시예에 따라, DC/DC 컨버터의 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈이 부스트 컨버터 모드로 작동된다. 특히 부스트 컨버터 모드에서는 특정 제어 변수, 특히 특정 듀티 사이클에서부터 전류의 강한 변화 시 부품의 과부하가 발생할 수 있으며, 그러한 과부하는 부품의 손상까지도 야기할 수 있다. 제어 변수의 제한 및 그에 따른 전류의 변화를 통해, 그러한 유형의 위험한 작동 상태를 방지할 수 있다.
전술한 실시예들 및 개선예들은, 유의미하다면, 서로 임의로 조합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예들, 개선예들 및 구현예들은 전술한 또는 하기에서 실시예들과 관련하여 기술되는 본 발명의 특징들의 명시되지 않은 조합들도 포함한다. 특히, 통상의 기술자는 개별 양태를 개선 사항 또는 보완 사항으로서 본 발명의 각각의 기본 형태에 부가하기도 할 것이다.
하기에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 특징 및 장점을 더 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 블록선도의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 제어 장치에 기반하는 블록선도의 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 작동 방법에 기반하는 흐름도의 개략도이다.
도 1은 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(1)에 기반하는 계통도의 개략도이다. DC/DC 컨버터(1)는 입력 DC 전압(U_in)을 출력 전압(U_out)으로 변환하는 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈(50)을 포함할 수 있다. 도 1에는 단일 DC/DC 컨버터 모듈(50)만이 도시되어 있지만, 원칙적으로는 복수의 DC/DC 컨버터 모듈(50)을 병렬로 작동하는 것도 가능하다. 이 경우, 출력 전압(U_out) 및/또는 출력 전류는 상응하는 제어에 의해 설정될 수 있다. DC/DC 컨버터(1)의 출력에는 부하, 예를 들어 커패시터(C)가 연결될 수 있다.
DC/DC 컨버터(1), 특히 DC/DC 컨버터 모듈(50)을 제어하기 위해 예를 들어 제1 제어 장치(10)가 제공될 수 있다. 상기 제1 제어 장치(10)는 예를 들어 파일럿 제어의 범주에서 제1 제어 변수(R1)를 결정할 수 있다. 상기 제1 제어 변수(R1)는 예를 들어 DC/DC 컨버터의 입력 전압(U_in)과, 출력 전압의 원하는 목표값(U_des)에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, DC/DC 컨버터의 전류, 특히 DC/DC 컨버터 모듈(50)의 입력에서의 전류(I_in)도 제1 제어 변수(R1)를 결정하기 위해 고려될 수 있다. 또한, 경우에 따라 DC/DC 컨버터 모듈(50)의 변압기의 변환비(N)도 제1 제어 변수(R1)를 결정하기 위해 고려될 수 있다.
또한, 제2 제어 장치(20)에 의해 전압 제어의 범주에서 제2 제어 변수(R2)가 결정될 수 있다. 제2 제어 변수(R2)는 특히 DC/DC 컨버터(1)의 출력 전압의 목표값(U_des) 및 DC/DC 컨버터(1)의 출력에서의 실제 현재값(U_out)을 고려하여 결정될 수 있다.
제1 제어 장치(10)로부터의 제1 제어 변수(R1)와 제2 제어 장치(20)로부터의 제2 제어 변수(R2)는 조합 장치(40)에서 합쳐질 수 있고, 예컨대 합산될 수 있다. 제1 제어 변수(R1)와 제2 제어 변수(R2)의 조합이 목표 제어 변수(R3)로서 조합 장치(40)로부터 출력될 수 있다. 따라서 상기 목표 제어 변수(R3)는, 원하는 출력 전압(U_des)을 달성하기 위해 현재 출력 전압(U_out)과, 예컨대 입력 전압(U_in), 입력 전류(I_in) 등과 같은 여타의 경계 조건(boundary condition)을 고려하여 설정되어야 하는 제어 변수를 나타낸다. 제어 변수는 예를 들어 DC/DC 컨버터 모듈(50)에서 스위칭 소자를 제어하기 위한 듀티 사이클의 사전 설정치일 수 있다.
특정 작동 조건, 특히 특정 듀티 사이클에서 제어 변수의 과도한 변화, 특히 듀티 사이클의 강한 변화는 전류의 큰 변화를 일으켜 높은 전류 기울기를 유발할 수 있다. DC/DC 컨버터(1), 특히 DC/DC 컨버터 모듈(50)의 구성요소의 손상을 방지하기 위해, 제어 변수(R3)의 기울기 및 이와 더불어 전류 기울기, 즉, DC/DC 컨버터(1)의 전류 변화가 제3 제어 장치(30)에 의해 제한될 수 있다. 조합 장치(40)로부터의 제어 변수(R3)의 기울기가 미리 결정된 최대값을 초과하거나 제어 변수(R3)의 (음의) 기울기가 최소값에 미달하는 경우, 조합 장치(40)로부터 출력되는 제어 변수(R3)가 제한될 수 있다. 이러한 방식으로, 제3 제어 장치(3)는 출력 제어 변수(R4)를 제공할 수 있으며, 이 출력 제어 변수의 기울기는 (양의) 최대값과 (음의) 최소값 사이의 미리 결정된 범위 내에서 움직인다. 이렇게 제한된 제어 변수(R4)는 이어서 DC/DC 컨버터 모듈(50)에 제공될 수 있다.
제3 제어 장치(30)는 예를 들어, 현재 입력 전압(U_in), DC/DC 컨버터 모듈(50) 내 변압기의 변환비(N) 및 현재 출력 전압(U_out)으로부터 현재 동작점(R_cur)을 다음과 같이 계산할 수 있다:
R_cur = 1 - (U_in × N/(2 × U_out))
목표 제어 변수(R3)가 현재 동작점(R_cur)보다 훨씬 더 크면, DC/DC 컨버터에서 너무 높은 전류를 유발할 수 있다. 그에 반해, 목표 제어 변수(R3)가 현재 동작점(R_cur)보다 훨씬 더 작으면, 전류가 흐르지 않는다.
DC/DC 컨버터 모듈(50) 내 변압기의 가능한 철심 포화(core saturation)를 방지하기 위해, 먼저 목표 제어 변수(R3)의 기울기가 양의 기울기(d_up)와 음의 기울기(d_down) 사이의 램프 함수 f()에 의해 제한될 수 있다.
또한, 전류 기울기는 예컨대 최대 10%로 제한될 수 있다:
-0.1 < R4 - R_cur < +0.1
이 방정식에 1.0을 더하고 현재 동작점에 대한 공식을 사용하면, 하위 기울기(d_min)와 상위 기울기(d_max) 사이의 일반 조건은 다음과 같다:
d_min < R4 + (U_in × N/(2 × U_out)) < d_max
이 경우, DC/DC 컨버터 모듈(50)의 제어 변수의 기울기는 램프 함수 f()를 사용하여 최대 기울기(d_slow)로 더 제한될 수 있다.
도 2에는 앞서 설명한 바와 같이 DC/DC 컨버터 모듈(50)의 제어 변수의 기울기를 제한하기 위한 제3 제어 장치(30)의 블록 선도의 개략도가 도시되어 있다.
도 2에서 확인할 수 있듯이, DC/DC 컨버터 모듈(50)의 제어를 위한 제어 변수(R4)의 기울기를 제한하기 위해, 목표 제어 변수(R3), 예를 들어 제1 제어 변수(R1)와 제2 제어 변수(R2)의 조합이 제한될 수 있다. 이를 위해, 입력 DC 전압(U_in), DC/DC 컨버터 모듈(50) 내 변압기의 변환비 및 출력 DC 전압(U_out)으로부터 현재 동작점을 결정할 수 있다. 이 동작점은 이어서 한계치(d_min, d_max) 및 최대 기울기(d_up, d_down 및 d_slow)의 사전 설정치에 상응하게 제한될 수 있다. 이어서 기울기가 제한된 제어 변수(R4)가 DC/DC 컨버터 모듈(50)의 제어를 위해 출력될 수 있다.
도 3에는 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(1)의 작동 방법에 기반하는 흐름도의 개략도가 도시되어 있다.
단계(S1)에서, 현재 입력 전압(U_in)의 값, 현재 입력 전류(I_in)의 값 및 출력 전압의 목표값(U_des)을 사용하여 제1 제어 변수를 결정한다.
단계(S2)에서, 출력 전압의 목표값(U_des) 및 현재 출력 전압(U_out)의 값을 사용하여 제2 제어 변수(R2)를 결정한다.
단계(S3)에서, 제1 제어 변수(R1)와 제2 제어 변수(R2)가 조합되어 목표 제어 변수(R3)를 형성한다.
단계(S4)에서, 목표 제어 변수(R3)의 기울기가 미리 결정된 최대값 및/또는 미리 결정된 최소값으로 제한되고, 이렇게 제한된 목표 제어 변수(R3)가 출력 제어 변수(R4)로서 제공된다.
기울기가 제한된 제어 변수(R4)는 이어서 단계(S5)에서 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈(50)을 제어하는 데 이용될 수 있다.
요약하면, 본 발명은 DC/DC 컨버터의 제어에 관한 것이며, 상기 DC/DC 컨버터의 제어를 위한 제어 변수의 기울기가 제한된다. 제어 변수의 기울기를 제한함으로써, 필요 시 DC/DC 컨버터의 위험한 작동 상태를 피하기 위해 DC/DC 컨버터의 최대 전류 변화를 제한할 수 있다.

Claims (6)

  1. DC/DC 컨버터(1)로서,
    현재 입력 전압(U_in)의 값, 현재 입력 전류(I_in)의 값 및 출력 전압의 목표값(U_des)을 사용하여 제1 제어 변수(R1)를 결정하도록 구성된 제1 제어 장치(10),
    출력 전압의 목표값(U_des) 및 현재 출력 전압(U_out)의 값을 사용하여 제2 제어 변수(R2)를 결정하도록 구성된 제2 제어 장치(20),
    제1 제어 변수(R1)와 제2 제어 변수(R2)를 조합하여 목표 제어 변수(R3)로서 출력하도록 구성된 조합 유닛(40),
    목표 제어 변수(R3)를 미리 결정된 최대값 및/또는 미리 결정된 최소값으로 제한하고, 상기 제한된 목표 제어 변수(R3)를 출력 제어 변수(R4)로서 제공하도록 구성된 제3 제어 장치(30), 및
    출력 제어 변수(R4)를 사용하여 입력 DC 전압(U_in)을 출력 전압(U_out)으로 변환하도록 구성된 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈(50)을 포함하고,
    제3 제어 장치(30)는 현재 입력 전압(U_in)의 값 및 현재 출력 전압(U_out)의 값을 사용하여 목표 제어 변수(R3)의 기울기를 제한하도록 구성되는, DC/DC 컨버터(1).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈(50)은 각각 하나의 변압기를 포함하고, 상기 변압기는 입력 연결부와 출력 연결부 사이에 배치되며,
    제3 제어 장치(30)는, 변압기의 변환비(N)를 사용하여 목표 제어 변수(R3)의 기울기를 제한하도록 구성되는, DC/DC 컨버터(1).
  4. 제1항에 있어서, 제3 제어 장치(30)는 DC/DC 컨버터(1) 내 최대 전류 변화를 제한하도록 구성되는, DC/DC 컨버터(1).
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈(50)이 부스트 컨버터 모드로 작동되는, DC/DC 컨버터(1).
  6. DC/DC 컨버터(1)의 작동 방법으로서,
    현재 입력 전압(U_in)의 값, 현재 입력 전류(I_in)의 값 및 출력 전압(U_out)의 목표값을 사용하여 제1 제어 변수(R1)를 결정하는 단계(S1),
    출력 전압의 목표값(U_des) 및 현재 출력 전압(U_out)의 값을 사용하여 제2 제어 변수(R2)를 결정하는 단계(S2),
    제1 제어 변수(R1)와 제2 제어 변수(R2)를 조합하여 목표 제어 변수(R3)를 형성하는 단계(S3),
    목표 제어 변수(R3)를 미리 결정된 최대값 및/또는 미리 결정된 최소값으로 제한하고, 상기 제한된 목표 제어 변수(R3)를 출력 제어 변수(R4)로서 제공하는 단계(S4),
    출력 제어 변수(R4)를 사용하여 하나 이상의 DC/DC 컨버터 모듈(50)을 제어하는 단계(S5), 및
    현재 입력 전압(U_in)의 값 및 현재 출력 전압(U_out)의 값을 사용하여 목표 제어 변수(R3)의 기울기를 제한하는 단계(S6)
    를 포함하는, DC/DC 컨버터의 작동 방법.
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