KR102044304B1 - Hscd 및 이것을 이용한 hscd형 풀브릿지 dc/dc 컨버터와 분산형 전력최적화기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 하이 사이드 스위치를 구동하기 위한 하이 사이드 콘티뉴어스 드라이버(HSCD: High Side Continuous Driver)로서, 외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와; 상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN을 출력하는 입력부와; 상기 입력부의 입력 DV 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와; 상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 게이트 구동전압 안정화부를 구비한다. 또한, 본 발명은 HSCD를 이용한 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터와 전력최적화기를 제공한다. 따라서, 간단한 구성으로 컨버터나 전력최적화기의 오작동 없이 높은 전력효율을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 하이 사이드 콘티뉴어스 드라이버(HSCD: High Side Continuous Driver) 및 이것을 이용한 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터와 분산형 최대전력점 추적 (DMPPT:Distributed Maximum Power Point Tracking)을 위한 분산형 전력최적화기에 관한 것으로서, 특히 태양광 발전용 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨터버와 이 컨버터에 사용되는 HSCD 및 이 컨버터를 이용하는 분산형 전력최적화기에 관한 것이다.
벅 동작만을 사용하는 하프브릿지 컨버터에 비해 상대적 전력효율의 단점에도 불구하고 태양광 발전용 플브릿지 DC/DC 컨버터는 부스트 동작과 벅동작을 모두 사용함에 따라서 미세한 전압, 전류 변화에 더 효과적으로 대응할 수 있어 최대 전력점을 보다 세밀하게 추적할 수 있다는 점에서 태양광 발전분야의 최대전력점 추적 장치(이하 "전력최적화기"라함)에서 널리 사용되는 기술에 해당된다.
예를 들면, 특허공개 제10-2007-0023189호(2007년 2월 28일 공개)(제1특허문헌)의 경우는 태양광 발전용 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 전형적인 예를 보여준다. 도 7은 제1특허문헌에서 설명하는 풀브릿지 DC/DC 컨버터를 등가회로도로 표현한 것으로서, 4개의 FET를 H 브릿지 스위치(S1, S2, S3, S4)로 사용하며, 여기서 스위치 S1, S3는 하이 사이드 스위치이고, 스위치 S2, S4는 로우 사이드 스위치로 동작된다.
그런데, 제1특허문헌에서의 풀브릿지 DC/DC 컨버터에서 하이 사이드 스위치 S1, S3에 사용되는 FET 게이트 드라이버로서 전용 IC형 게이트 드라이버가 사용된다. 예를 들면, 도 8은 텍사스 인스트루먼트사 2017년 7월 발간 데이터시트, 간행번호:SLUSCZ8-JULY 2017, IC 모델 UCC27212A-Q1(비특허문헌1)에 개시된 IC형 부트스트랩 하이 사이드 게이트 드라이버(이하 High Side Gate Driver의 약자인 "HSGD"를 혼용함)의 일반적인 예를 보여준다. 비특허문헌 1의 구조를 갖는 HSGD는 게이트 전위를 소스전압 + 부트스트랩 전압으로 상승시키기 위해 부트스트랩 캐패시터(도 8에서 점선원 내 부호 "C20" 참조, 이하 "캡" 이라함)를 포함한다. 그런데, 캡 C20은 부스트 또는 벅 동작 중에 상대 로우 사이드 스위치가 항상 오프로 유지되기 때문에(부스트 모드에서 하이 사이드가 S1이 항상 온일 때는 로우 사이드 S2가 항상 오프, 벅모드일 때는 하이 사이드 S3가 항상 온일 때 상대 로우 사이드 S4가 항상 오프), 별도의 충전 동작이 없으면 캡 C20은 서서히 방전되어 결과적으로 하이 사이드 스위치 S1 또는 S3가 오프되는 문제가 발생된다. 즉, 벅 모드 동작 또는 부스트 모드 동작이 일정기간 요구되는 상황에서 중도에 캡 C20의 완전방전으로 인해 요구되는 일정기간을 채우지 못하고 스위치 S1 또는 스위치 S3가 오프로 전환되는 사태가 발생하게 된다.
벅 모드 동작을 예로 들어 이 부분을 보다 구체적으로 설명한다. 정상적이라면, 벅 모드 동작 중에, 하이 사이드 스위치 S3은 항상 온 상태이고, 로우 사이드 스위치 S4는 항상 오프이고, 상대측 하이 사이드 스위치 S1 및 로우 사이드 스위치 S2는 온/오프 동작을 반복해야 한다.
이를 위해 컨버터 입력단 IN(11)에 일정전압(도 8의 경우는 100V)이 입력되고, HSGD 측 VDD에도 일정한 전압(도 8의 경우 12V)이 각각 인가되고 나서, 예를 들면, 전력최적화기의 MCU(Micro Controller Unit)(미도시)를 통해 구동기(DRIVE HI) = 하이(High)가 되면, C20 = 10V(의 충전)가 된다. 이때, 스위치 S3 = 오프 (S3의 소스 = 0V, 게이트 = 0V)이고, S4 = 온이 된다. 이후, 컨버터 입력단 IN(11) = 100V, HSGD VDD = 12V가 각각 인가된 상태에서 MCU(미도시)의 명령을 통해 구동기(DRIVE HI)에 로우(LOW) 신호를 인가하면 게이트 전압 = 하이(HO) + 캡 20C 전압이 되어 결과적으로 스위치 S3 = 온 이고, S4 = 오프 상태가 된다. 즉, 이 때, 스위치 S3의 소스와 게이트 간 전압차가 10V(C20)가 되며, 그 결과 S3는 벅 모드 동작에서 정상적인 온 조건이 성립된다고 할 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래 HSGD로 구동되는 DC/DC 컨버터의 스위치 S3가 온이된 초기 상태에서는 정상적인 온 상태를 유지하지만, 시간이 지날수록 캡 C20이 서서히 방전되어 결국에는 스위치 S3의 게이트 전압과 소스 전압이 같아지게 되어(S3 게이트 = 소스), 벅모드 동작 중임에도 불구하고 하이사이드 스위치 S3가 오프 상태가 되는 오동작을 발생시킬 수 있다. 따라서, 태양광 패널을 통해 생성된 전압, 전류에 의한 전력이 스위치 S1 → L10 → 스위치 S3를 통해 출력단(OUT)으로 전달되는 벅모드 동작이 성립될 수 없게 되는 문제가 있다.
부스트 모드 동작의 경우에는 반대로 하이 사이드 스위치 S1이 항상 온 상태, 로우 사이드 스위치 S2가 항상 오프 상태가 되고, 스위치 S3 및 스위치 S4가 온/오프 동작을 듀티 사이클에 따라서 동작하게 되며, HSGD의 동작은 스위치의 위치만 달라질 뿐이고 동작과정은 벅모드 동작과정과 동일하여, 결과적으로 요구되는 부스트 모드 동작 시간을 채우지 못하고 캡 C20의 방전이 완료되는 문제가 역시 발생할 수 있다.
따라서, 이와 같은 문제를 해소하려면 벅모드 동작 또는 부스트 모드 동작중에서 캡 C20이 모두 방전되기 전에 그 방전 상태를 인지하는 기능과 그 방전 상태 인지에 따라서 캡 C20의 전압을 유지하기 위한 전용 스위칭 장치가 별도로 필요할 수 밖에 없어 장치가 복잡해지는 문제가 있다. 그러나, 더욱 큰 문제는 이러한 별도의 스위칭 장치의 스위칭 동작으로 인해 전력효율이 떨어진다는 점이다. 즉, 부스트-벅 기능을 가진 풀브릿지 DC/DC 컨버터는 전력효율의 개선을 위한 것인데 불가피하게 전력효율의 개선을 방해하는 스위칭 장치를 필연적으로 추가해야 하거나, 그렇지 않을 경우 부스트 동작이나 벅 동작의 장애로 인하여 결과적으로 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 전력효율 저하는 물론, 그 풀브릿지 DC/DC 컨버터를 사용하는 전력최적화기의 전력효율 저하도 역시 초래할 수 있다.
텍사스 인스트루먼트사 2017년 7월 발간 데이터시트, 간행번호:SLUSCZ8-JULY 2017, IC 모델 UCC27212A-Q1
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 일실시예는 풀브릿지 DC/DC 컨버터에서 부스트 동작 또는 벅 동작 중에 별도의 스위칭 동작 없이도 지속적으로 하이 사이드 스위치를 구동할 수 있는 하이 사이드 콘티뉴어스 드라이버(HSCD: High Side Continuous Driver)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는 HSCD를 적용한 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터를 이용하는 분산형 전력최적화기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 일실시예는 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 하이 사이드 스위치를 구동하기 위한 하이 사이드 콘티뉴어스 드라이버(HSCD: High Side Continuous Driver)로서, 외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와; 상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN을 출력하는 입력부와; 상기 입력부의 입력 DC 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와; 상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 게이트 구동전압 안정화부를; 구비한다.
바람직하게는, 상기 입력부는 상기 인에이블 신호를 게이트에 입력하는 NMOS-FET형 스위치 Q1과 상기 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 연결된 PMOS-FET형 스위치 Q2를 포함하고, 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 스위치 Q1 및 Q2의 활성화로 상기 스위치 Q2의 소스에 연결된 상기 입력 DC 전압 VIN이 상기 게이트 구동전압 생성부로 전달된다.
바람직하게는, 상기 게이트 구동전압 생성부는 상기 입력부로부터 전달되는 입력 DC 전압 VIN을 전달받는 리액턴스를 가지는 리액터 L1과, 정류 다이오드 D1과, 상기 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 병렬로 접속되는 스위칭 드라이버를 포함하고, 상기 스위치 드라이버의 구동에 의해 상기 리액터 L1의 승압기능과 상기 정류다이오드 D1의 정류기능을 수행하여 상기 게이트 구동전압을 생성한다.
바람직하게는, 상기 게이트 구동전압 안정화부는 상기 정류 다이오드 D1과 직렬로 연결되어 상기 게이트 구동전압을 유지하는 캐패시터 C1와, 상기 캐패시터 C1에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 인에이블 신호에 연결되어 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 캐패시터 C1을 활성화시키는 스위치 Q4를 포함한다.
바람직하게는, 상기 게이트 구동전압 생성부는 캐패시터와 다이오드를 포함하는 차지 펌프(Charge Pump)방식으로 구성된다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 다른 일실시예는, 제1 내지 제4 스위치와 이에 대응하는 2개의 하이 사이드 게이트 드라이버(HSGD) 및 2개의 로우 사이드 게이트 드라이버(LSGD)를 포함하는 HSCD(High Side Continuous Driver)형 풀브릿지 DC/DC 컨버터로서, 제1스위치 및 제3스위치는 하이 사이드 스위치이고, 제2스위치 및 제4스위치는 로우 사이드 스위치이며, 제1스위치에는 제1HSGD와 제1HSCD가 병렬로 연결되고, 제3스위치에는 제2HSGD와 제2HSCD가 병렬로 연결되며, 제2스위치에는 제1LSGD가 연결되고, 제4스위치에는 제2LSGD가 연결되며, 벅 모드 동작 중에는 제1HSGD와 제1LSGD는 제1스위치와 제2스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제2HSGD 및 제2LSGD는 항상 오프되고, 제2HSCD는 항상 온으로 동작하여 제3스위치는 항상 온으로 동작하고, 제4스위치는 항상 오프로 동작하며, 부스트 모드 동작 중에는 제2HSGD와 제2LSGD는 제3스위치와 제4스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제1HSGD 및 제1LSGD는 항상 오프되고, 제1HSCD는 항상 온으로 동작하여 제1스위치는 항상 온으로 동작하고, 제2스위치는 항상 오프로 동작하며, 상기 HSCD는 상기 벅 모드 동작 또는 상기 부스트 모드 동작 중에 HSCD의 입력전압를 활성화시키는 인에이블 신호와 동기하여 게이트 구동전압을 안정화시키도록 동작하는 캐패시터를 포함하는 구동전압 안정화부를 구비한다.
바람직하게는, 상기 HSCD형 풀브릿지 컨버터에서, 상기 HSCD는, 외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 상기 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와; 상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN 을 출력하는 입력부와; 상기 입력부의 입력 DC 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와; 상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 상기 게이트 구동전압 안정화부를; 구비한다.
바람직하게는, 상기 HSCD형 풀브릿지 컨버터에서, 상기 입력부는 상기 인에이블 신호를 게이트에 입력하는 NMOS-FET형 스위치 Q1과 상기 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 연결된 PMOS-FET형 스위치 Q2를 포함하고, 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 스위치 Q1 및 Q2의 활성화로 상기 스위치 Q2의 소스에 연결된 상기 입력 DC 전압 VIN이 상기 게이트 구동전압 생성부로 전달된다.
바람직하게는, 상기 HSCD형 풀브릿지 컨버터에서, 상기 게이트 구동전압 생성부는 상기 입력부로부터 전달되는 입력 DC 전압 VIN을 전달받는 리액턴스를 가지는 리액터 L1과, 정류 다이오드 D1과, 상기 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 병렬로 접속되는 스위칭 드라이버를 포함하고, 상기 스위치 드라이버의 구동에 의해 상기 리액터 L1의 승압기능과 상기 정류다이오드 D1의 정류기능을 수행하여 상기 게이트 구동전압을 생성한다.
바람직하게는, 상기 HSCD형 풀브릿지 컨버터에서, 상기 게이트 구동전압 안정화부는 상기 정류 다이오드 D1과 직렬로 연결되어 상기 게이트 구동전압을 유지하는 캐패시터 C1와, 상기 캐패시터 C1에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 인에이블 신호에 연결되어 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 캐패시터 C1을 활성화시키는 스위치 Q4를 포함한다.
바람직하게는, 상기 HSCD형 풀브릿지 컨버터에서, 상기 게이트 구동전압 생성부는 캐패시터와 다이오드를 포함하는 차지 펌프(Charge Pump)방식으로 구성된다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 태양광 발전 시스템의 집광패널군 중 일부 또는 하나에 연결되어 분산된 패널별로 최대전력점을 추적하여 인버터에 출력하는 분산형 전력최적화기로서, 입력단 센서부로부터 감지된 전압 및 전류와 출력단 센서로부터 감지된 전압 및 전류를 기초로 최대전력점을 추적하여 최대전력점 추적정보를 제공하는 MCU와, 상기 MCU로부터의 최대전력점 추적정보에서 제공하는 듀티와 벅 모드 동작 또는 부스트 모드 동작에 따라서 최대전력을 생성하는 풀브릿지 DC/DC 컨버터와, 입력단에서 출력단에 이르는 구성요소들 간의 통신을 담당하는 통신부를 구비하며, 상기 풀브릿지 DC/DC 컨버터는 제1 내지 제4 스위치와 이에 대응하는 2개의 하이 사이드 게이트 드라이버(HSGD) 및 2개의 로우 사이드 게이트 드라이버(LSGD)를 포함하는 HSCD(High Side Continuous Driver)형 풀브릿지 DC/DC 컨버터로서, 제1스위치 및 제3스위치는 하이 사이드 스위치이고, 제2스위치 및 제4스위치는 로우 사이드 스위치이며, 제1스위치에는 제1HSGD와 제1HSCD가 병렬로 연결되고, 제3스위치에는 제2HSGD와 제2HSCD가 병렬로 연결되며, 제2스위치에는 제1LSGD가 연결되고, 제4스위치에는 제2LSGD가 연결되며, 벅 모드 동작 중에는 제1HSGD와 제1LSGD는 제1스위치와 제2스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제2HSGD 및 제2LSGD는 항상 오프되고, 제2HSCD는 항상 온으로 동작하여 제3스위치는 항상 온으로 동작하고, 제4스위치는 항상 오프로 동작하며, 부스트 모드 동작 중에는 제2HSGD와 제2LSGD는 제3스위치와 제4스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제1HSGD 및 제1LSGD는 항상 오프되고, 제1HSCD는 항상 온으로 동작하여 제1스위치는 항상 온으로 동작하고, 제2스위치는 항상 오프로 동작하며, 상기 HSCD는 상기 벅 모드 동작 또는 상기 부스트 모드 동작 중에 HSCD의 입력전압를 활성화시키는 인에이블 신호와 동기하여 게이트 구동전압을 안정화시키도록 동작하는 캐패시터를 포함하는 구동전압 안정화부를 구비한다.
바람직하게는, 상기 분산형 전력최적화기에서, 상기 MCU는 최대전력점 추적 알고리즘으로서 P&O(PERTURB AND OBSERVE) 방식, IC(INCREMENTAL CONDUCTANCE) 방식 및 RCC(RIPPLE CORRELATION CONTROL) 방식 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 통신부는 PLC(Power Line Communication) 방식 또는 무선통신 방식의 통신을 사용한다.
바람직하게는, 상기 분산형 전력최적화기에서, 상기 HSCD는, 외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 상기 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와; 상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN 을 출력하는 입력부와; 상기 입력부의 입력 DC 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와; 상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 상기 게이트 구동전압 안정화부를; 구비한다.
바람직하게는, 상기 분산형 전력최적화기에서, 상기 입력부는 상기 인에이블 신호를 게이트에 입력하는 NMOS-FET형 스위치 Q1과 상기 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 연결된 PMOS-FET형 스위치 Q2를 포함하고, 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 스위치 Q1 및 Q2의 활성화로 상기 스위치 Q2의 소스에 연결된 상기 입력전압 VIN이 상기 게이트 구동전압 생성부로 전달된다.
바람직하게는, 상기 분산형 전력최적화기에서, 상기 게이트 구동전압 생성부는 상기 입력부로부터 전달되는 입력 DC 전압 VIN을 전달받는 리액턴스를 가지는 리액터 L1과, 정류 다이오드 D1과, 상기 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 병렬로 접속되는 스위칭 드라이버를 포함하고, 상기 스위치 드라이버의 구동에 의해 상기 리액터 L1의 승압기능과 상기 정류다이오드 D1의 정류기능을 수행하여 상기 게이트 구동전압을 생성한다.
바람직하게는, 상기 분산형 전력최적화기에서, 상기 게이트 구동전압 안정화부는 상기 정류 다이오드 D1과 직렬로 연결되어 상기 게이트 구동전압을 유지하는 캐패시터 C1와, 상기 캐패시터 C1에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 인에이블 신호에 연결되어 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 캐패시터 C1을 활성화시키는 스위치 Q4를 포함한다.
바람직하게는, 상기 분산형 전력최적화기에서, 상기 게이트 구동전압 생성부는 캐패시터와 다이오드를 포함하는 차지 펌프(Charge Pump)방식으로 구성된다.
이상과 같은 구성에 따라서, 본 발명은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 벅 모드 동작 또는 부스트 모드 동작 중에 항상 온 상태를 유지해야 하는 하이 사이드 스위치가 오프 상태가 되어 발생하는 오작동 문제를 방지할 수 있으며, 동작 모드를 시간적 제약 없이 연장할 수 있으므로, 동작모드의 시간적 제약에 따른 응용제한의 제거는 물론, HSCD를 사용하는 DC/DC 컨버터의 동작을 보다 정밀하고 다양하게 제어할 수 있다.
둘째, HSGD에서 전압 유지용 캐패시터의 스위칭을 위한 별도의 장치를 요하지 않기 때문에, 즉 단순히 HSCD의 입력단을 인에에블하는 신호를 동시에 게이트 구동전압 안정화부에 인가하기만 하면 일정한 게이트 구동전압을 유지할 수 있으므로, 게이트 구동전압의 저하를 방지하기 위한 스위칭 구조를 추가할 필요가 없어 구조의 단순화는 물론, 스위칭 기능 반복에 따른 DC/DC 컨버터 자체뿐만 아니라, DC/DC 컨버터를 이용하는 전력최적화기의 전력효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라서 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 개략 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실예에 따라서 HSCD의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2의 HSCD를 보다 구체적으로 구현한 회로도 및 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라서 도 3의 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터를 적용한 전력최적화기의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력최적화기가 설치된 태양광 발전 시스템의 집광패널 뒷면을 나타낸 사진도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력최적화기(DMPPT)와 종래 전력최적화기(MPPT)가 적용된 인버터에서의 최대전력점 추적 효율을 비교하기 위한 도면으로서, 도 6의 (A)는 삼단봉 하나의 그림자를 MPPT 패널과 DMPPT 집광패널에 비추는 모습을 나타낸 사진도이고, 도 6의 (B)는 삼단봉 두개의 그림자를 MPPT 패널과 DMPPT 집광패널에 비추는 모습을 나타낸 사진도이며, 도 6의 (C)는 (A)의 실험결과를 나타내는 비교 그래프도이고, 도 6의 (D)는 (B)의 실험결과를 나타내는 비교 그래프도이다.
도 7은 종래기술의 일예로서 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 개략 회로도이다.
도 8은 종래기술의 일예로서 HSGD의 구성 및 적용예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실예에 따라서 HSCD의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2의 HSCD를 보다 구체적으로 구현한 회로도 및 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라서 도 3의 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터를 적용한 전력최적화기의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력최적화기가 설치된 태양광 발전 시스템의 집광패널 뒷면을 나타낸 사진도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력최적화기(DMPPT)와 종래 전력최적화기(MPPT)가 적용된 인버터에서의 최대전력점 추적 효율을 비교하기 위한 도면으로서, 도 6의 (A)는 삼단봉 하나의 그림자를 MPPT 패널과 DMPPT 집광패널에 비추는 모습을 나타낸 사진도이고, 도 6의 (B)는 삼단봉 두개의 그림자를 MPPT 패널과 DMPPT 집광패널에 비추는 모습을 나타낸 사진도이며, 도 6의 (C)는 (A)의 실험결과를 나타내는 비교 그래프도이고, 도 6의 (D)는 (B)의 실험결과를 나타내는 비교 그래프도이다.
도 7은 종래기술의 일예로서 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 개략 회로도이다.
도 8은 종래기술의 일예로서 HSGD의 구성 및 적용예를 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따라서 HSCD(High Side Continuous Driver)를 적용한 풀브릿지 DC/DC 컨버터(20)의 구성을 나타낸 개략 회로도이다. HSCD를 적용한 풀브릿지 DC/DC 컨버터(20)를 간단히 줄여서 "HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터(20)" 또는 "HSCD형 컨버터(20)"로 칭하거나 혼용한다.
본 발명의 일실시예에 따른 HSCD형 컨버터(20)는 일반적으로 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 하이 사이드 스위치 S1, S3에 연결되는 HSGD(High Side Gate Driver)(200)(도 7 참조)를 그 스위치 S1, S3의 FET 게이트에 각각 접속하고, LSGD(Low Side Gate Driver)(300)(도 8 참조)를 스위치 S2, S4의 FET 게이트에 각각 접속하는 외에도 하이 사이드 스위치 S1, S3에 HSGD(200)와 병렬로 HSCD(100)를 더 접속하고 있다는 점에서 종래 기술과 상이하다. 이하에서는, HSGD와 LSGD는 종래 기술의 동작과 유사하므로 특별한 부분이 아니면 주로 본 발명의 특징을 나타내는 HSCD를 중심으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 HSCD(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 2를 참조하면, HSCD(100)는 예를 들면, 분산형 전력최적화기(1)의 MCU(Micro-Controller Unit)(60)의 명령에 따라서 또는 자체적으로 HSCD형 컨버터(10)의 부스트 모드 동작 또는 벅 모드 동작 표시 신호 등등과 같은 특정 신호를 인식하고 인에이블 신호를 생성하는 인에이블 제공부(110)와, 인에이블 신호에 따라서, 예를들면, 10V 입력전압(VIN)을 제공하는 입력부(120)와, 예를 들면, MCU(60)의 동작신호에 따른 스위칭 동작으로 상기 입력부(120)의 입력전압(VIN)과 함께 부스트 기능을 수행하는 게이트 구동전압 생성부(130)와, 입력부(120)에 전달되는 인에이블신호와 동기로 공급되는 인에이블 신호에 따라서 게이트 구동전압을 일정 수준이상으로 유지하는 기능을 담당하는 게이트 구동전압 안정화부(140)를 포함할 수 있다.
HSCD(100)의 구성을 HSCD형 컨버터(10)(도 1 참조)와 연계하여 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 3은 도 2의 HSCD(100)를 실질적으로 구현한 바람직한 일실시예로서 부스터 컨버터 방식으로 구현한 일실시예이다.
HSCD(100)는 하이 사이드 스위치 S1 및 S3의 FET 게이트(G)에 HSGD(200)와 함께 병렬로 접속된다. HSCD(100)의 인에이블 신호 제공기(110)는, HSCD형 컨버터(10)가 부스트 동작이나 벅 동작을 수행할 때 자동으로 인에이블 신호를 제공하도록 구성되며, 예를 들면, 그 인에이블 신호 제공 동작은 HSCD형 컨버터(10)를 포함하는 전력최적화기(1)(도 4 참조)의 MCU(60)로부터 제공하는 명령을 통해 수행할 수 있다. 인에이블 신호 제공기(110)가 제공하는 인에이블 신호는 동시에 입력부(120)와 게이트 구동전압 안정화부(140)에 함께 제공된다.
입력부(120)는 인에이블 신호 제공부(110)의 인에이블 신호에 의해 활성화되는 NMOS-FET형 스위치 Q1와, 이 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 접속되는 PMOS-FET형 스위치 Q2와, 스위치 Q1의 드레인과 스위치 Q2의 게이트에 공통으로 연결되는 저항 R1과, 스위치 Q2의 소스와 저항 R1에 공통으로 연결되는 입력단 VIN을 포함할 수 있다. 입력단 VIN에는, 예를 들면, 10V의 전압이 인가될 수 있다. 따라서, 인에이블 신호 제공부(110)의 인에이블 신호 EN에 따라서 스위치 Q1이 활성화되면, 스위치 Q2 역시 활성화되어 입력전압 VIN이 게이트 전압 생성부(130)로 흐를 수 있다.
게이트 구동전압 생성부(130)는 입력부(120)의 스위치 Q2를 통해 입력되는 전압을 부스트 동작을 통해 정류하여 직류성분을 하이 사이드 스위치 S1 또는 S3에 전달하는 기능을 하며, 이를 위해, 스위치 Q2로부터의 전압 VIN을 이용하여 승압기능을 수행하는 리액터 L1과, 리액터 L1과 직렬로 연결되어 정류기능을 담당하는 정류 다이오드 D1과, 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 접속되어 함께 게이트 구동전압 생성부(130)의 스위칭 기능을 담당하는 스위치 Q3와, 스위치 Q3를 주기적으로 스위칭하는 스위칭 드라이버(131)를 포함하여 구성될 수 있다.
게이트 구동전압 안정화부(140)는 정류 다이오드 D1과 스위치 S1 또는 스위치 S3의 게이트에 연결되어 전압을 일정하게 유지하는 기능을 담당하는 캐패시터 C1과, 인에이블 신호 제공부(110)에 게이트가 연결되고 입력부(120)의 동작이 활성화될 때마다 동시에 캐패시터 C1를 함께 활성화하는 스위치 Q4를 포함하여 구성될 수 있다.
다음에, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따라서 구성된 HSCD형 컨버터를 이용한 분산형 전력최적화기(이하 "분산형 전력최적화기" 또는 "전력최적화기"를 혼용함)의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 분산형 전력최적화기(1)는 태양광 발전 시스템(미도시)에서 태양광 집광 패널(미도시)들 각각에 하나씩 연결되어 집광 패널을 통해 생성된 각각의 패널마다의 전력의 최대점을 추적하여 인버터(미도시)에 전달하는 기능을 한다. 여기서 "분산형"이라는 의미는 본 발명에 따른 전력최적화기(1)가 태양광 발전 시스템에 속하는 집합 패널 전체에 대해 하나만 연결되는 방식이 아니라 패널 각자 또는 일부 패널군 마다 하나씩 분산하여 연결된다는 뜻이다. 따라서, 직렬형 태양광 발전 시스템에서는 한곳에서 전력최적화가 추적되기 때문에 전체 패널중 어느 하나에만 그림자가 발생해도 각 패널은 그림자가 발생한 특정패널이 출력하는 전류와 동일한 전류가 흐르게 되어 직렬로 연결된 모든 패널이 동일하게 전력이 저하되는 문제(소위 "크리스마스 트리 이펙트")가 발생한다. 이에 대해 패널마다 전력최적화기(또는 모듈)를 배치하는 본 발명의 분산형 전력최적화기(1)는 패널 별로 배치되고 패널 각각에 배치된 전력최적화기(1)는 직렬로 배치되어 특정 패널부분(그림자가 발생한 패널 부분)의 전력 약화만을 초래하기 때문에 "크리스마스 트리 이펙트"가 발생하지 않아 상대적으로 직렬형 태양광 발전 시스템에 비해 전체적으로 전력 생산성을 더 높일 수는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 HSCD형 컨버터를 내장한 분산형 전력최적화기(DMPPT)(1)가 집광 패널(5) 배면에 각각 한대씩 장착된 모습을 보여주는 사진도이다. 이와 같이, 분산형 전력최적화기(1)는 집광 패널(5)에 각각 한대씩 분산되어 배치되고 패널 각각에 배치된 전력최적화기(1)는 상호 직렬로 접속된다.
다시 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 분산형 전력최적화기(1)는 집광 패널(5)(도 5 및 도 6 참조) 측과 연결되는 입력단(20)과, 입력단(20)으로부터 입력되는 전압을 DC/DC 변환하는 HSCD형 컨버터(10)와, HSCD형 컨버터(10)로부터 출력되는 전력을 컨버터(7) 측으로 전달하는 출력단(30)과, 입력단(30)에서 출력되는 전압 및 전류를 감지하는 입력단 센서부(40)와, 출력단(30)에서 출력되는 전압 및 전류를 감지하는 출력단 센서부(50)와, 분산형 전력최적화기(1)의 전력최적화 동작을 전반적으로 제어하는 MCU(Micro Controller Unit)(60)와 출력단(30) 또는 출력단 센서부(50)와 MCU(60)는 물론 전력최적화기(1) 장치내 모든 구성요소간의 통신을 관장하는 통신부(70)를 포함할 수 있다. 통신부(70)의 통신 방식은, 예를 들면, PLC(Power Line Communication) 방식 또는 무선통신방식을 사용할 수 있다.
HSCD형 컨버터(10)는 도 1 내지 도 3에서도 확인하는 바와 같이 스위치 S1 - S4, 리액터 L10, 및 입력단(11) 및 출력단(12)을 포함하는 H 브릿지부(HB)와 게이트 드라이버(GD)를 포함하며, 게이트 드라이버(GD)는 도 1에서 확인하는 바와 같이 입력단(11) 및 출력단(12), 하이 사이드 스위치 S1 및 S3 각각에 상호 병렬 관계로 접속되는 HSCD(100) 및 HSGD(200), 로우 사이드 스위치 S2, S4에 각각 접속되는 LSGD(300)이며, HSCD(100)를 제외하고는 종래기술의 HSGD 및 LSGD를 적용할 수 있다.
입력단 센서부(40)는, 바람직하게는, 예를 들면, 한 개의 패널(5)로부터 들어오는 집광 패널(5)의 전력을 입력단(20)이 입력받아 HSCD형 컨버터(10)로 전달할 때, 입력전력의 전압을 감지하는 V 센서(41)와 전류를 감지하는 I 센서(42)를 포함할 수 있다. 그러나, 분산형 전력최적화기(1)는 2, 3개 등의 일군의 복수개의 패널을 조합한 패널 세트로부터 전력을 입력받을 수도 있다.
MCU(60)는, 예를 들면, 소위, P&O(Perturb and Observe), IC(INCREMENTAL CONDUCTANCE), RCC(RIPPLE CORRELATION CONTROL) 알고리즘을 프로그램으로 포함하여 입력단(20) 및 출력단(30)으로부터 입력단 센서부(40) 및 출력단 센서부(50)로부터 전달받은 신호를 기초로 최대전력점을 추적하여 그에 적합하게 HSCD형 컨버터(10)가 부스트 모드 동작 또는 벅 모드 동작을 수행하도록 게이트 드라이버(GD)에서 각각의 HSCD(100), HSGD(200) 및 LSGD(300)를 구동시킨다.
통신부(70)는, 예를 들면, PLC(Power Line Communication) 방식 또는 무선방식 모두 가능하며, 도면에는 MCU(60)와 출력단 센서부(50) 사이를 연결하는 것으로 표시되어 있지만, 통신이 가능한 부분이면 본 발명의 분산형 전력최적화기 내부 구성요소 어디에도 적용이 가능하다.
다음에, 본 발명의 일실시예를 나타내는 도 1 내지 6 및 필요에 따라서 종래 기술인 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 HSCD(100), HSCD형 컨버터(10) 및 HSCD형 컨버터를 내장한 분산형 전력최적화기(1)의 동작에 대해서 설명한다.
먼저, 집광패널(5)로부터 생성되는 전력이 전력최적화기(1)의 입력단(20)에 입력되면 입력단 센서부(40)의 V 센서(41)는 전압을 감지하여 전압값 신호를 생성하고, I 센서(42)는 전류를 감지하여 전류값 신호를 생성하여 MCU(60)로 각각 전달한다. MCU(60)는, 입력된 입력단측 전압값 및 전류값을 기초로, 예를 들면, P&O, IC, RCC 알고리즘을 이용하여 일차 최대전력점 추적 정보를 생성한다. 일차 최대전력점 추적 정보는 HSCD형 컨버터(10)가 최대 전력점을 추적할 수 있는 듀티정보, 최대전력점에 해당하는 추적 전압정보, 추적 전류정보를 포함할 수 있다. 또한, MCU(60)는 최대전력점 추적 정보를 기초로 P&O, IC, RCC 알고리즘을 이용하여 게이트 드라이버(GD)의 HSCD(100), HSGD(200) 및 LSGD(300)에 대해 드라이버 구동신호(또는 스위칭 신호)를 제공하며, 드라이버 구동신호는 HSCD형 컨버터(10)의 벅 모드 동작 명령, 부스트 모드 동작 명령, 듀티 신호를 포함할 수 있다. 즉, MCU(60)의 드라이버 구동신호에 따라서 HSCD형 컨버터(10)는 벅 모드 동작, 부스트 모드 동작 및 듀티 동작을 수행하게 된다.
MCU(60)로부터의 명령이, 예를 들면, 벅 모드 동작 신호를 포함할 경우, 하이 사이드 스위치 S1 측 게이트 드라이버인 HSGD(200)와 로우 사이드 스위치 S2측 게이트 드라이버인 LSGD(300)는 스위치 S1 및 S2가 온/오프를 반복하도록 구동되고, S1측 HSCD(100)는 오프가 되지만, 한편으로 다른 하이 사이드 스위치 S3측 게이트 드라이버인 HSGD(200)와 로우 사이드 스위치 S4측 게이트 드라이버인 LSGD(300)는 모두 오프가 되고, 스위치 S3측 HSCD(100)만 구동되어 결과적으로 스위치 S3는 항상 온으로 동작하고, 스위치 S4는 항상 오프로 동작하게 된다.
MCU(60)의 드라이버 구동신호가, 부스트 모드 동작 신호를 포함할 경우, 하이 사이드 스위치 S1측 게이트 드라이버인 HSGD(200) 및 로우 사이드 스위치 S2는 항상 오프가 되고, 하이 사이드 스위치 S1측 HSCD(100)는 항상 구동되어 결과적으로 스위치 S1은 항상 온 상태를 유지하고 스위치 S2는 항상 오프 상태를 유지하며, 반대로 다른 하이 사이드 스위치 S3측 게이트 드라이버인 HSGD(200)와 로우 사이드 스위치 S4측 게이트 드라이버인 LSGD(300)는 스위치 S3 및 S4가 온/오프를 반복하도록 구동된다.
먼저, 구체적인 드라이버 구동동작을 살펴보면, MCU(60)에서, HSGD(200)의 구동기(DRV) = 하이(도 8에서 HSGD의 "DRIVE HI" 참조), HSCD(100)의 인에이블 신호 제공부(100) = 하이(도 3에서 HSCD의 "EN" 참조)로 인가하는 것으로 벅 모드 동작일 때 스위치 S3의 HSGD = 오프 시키고, HSCD = 온으로 동작하도록 구동시키고, 부스트 모드일 때는 스위치 S1의 HSGD = 오프 시키고, HSCD = 온으로 동작하도록 구동시킨다.
이어서, 도 3을 참조하면, 스위치 S1 및 스위치 S3 모두의 HSCD(100)의 경우, 인에이블 신호 EN에 따라서 입력부(120)의 스위치 Q1 = 온, 스위치 Q2 = 온으로 되고, 그 결과 게이트 구동전압 생성부(130)의 스위칭 드라이버(131)의 스위칭 신호에 따라서 승압기(L1) 및 정류기(D1)를 통해 형성되는 전압을 하이 사이드 스위치 S1 또는 S3의 각 게이트에 공급한다. 이 경우, 인에이블 신호 EN은 입력부(120)뿐만 아니라 게이트 구동전압 안정화부(140)에도 동시에 공급된다. 또한, 여기서 HSCD형 컨버터(10)의 H 브릿지부(HB)(도 4 참조) 동작이 벅 모드 동작인 경우(즉 S3 = 온, S4 = 오프, S1 및 S2 = 온/오프 반복 모드인 경우), 스위치 S3의 게이트에는, 예를 들면, 대략 70V의 전압이 공급되어 스위치 S3 = 온(항상)으로 동작하고, 부스트 모드 동작인 경우(즉 S1 = 온, S2 = 오프, S3 및 S4 = 온/오프 반복), 스위치 S1의 게이트에는, 예를 들면, 대략 58V의 전압이 공급되어 스위치 S1 = 온(항상)으로 동작한다. 이와 같이, 벅 모드 동작 또는 부스트 모드 동작에서 스위치 S3 또는 스위치 S1이 항상 온으로 동작할 수 있는 것은 입력부(120)에 제공되는 인에이블 신호 EN이 동시에 게이트 구동전압 안정화부(140)의 스위치 Q4를 활성화시켜 캐패시터 C1이 요구 전압을 유지하도록 기능하기 때문이다.
한편, 게이트 구동전압 생성부(130)는 구조상 메인 스위치 Q3가 작동하지 않는 경우에도 정류 다이오드 D1을 통해 게이트 드라이버 공급 전압인 10V를 출력할 수 있다. HSCD(100)가 HSGD(200)와 병렬로 연결되기 때문에 별도의 입력 스위칭이 존재하지 않을 경우 HSGD(200)가 게이트 전압을 풀다운(pull-down)할 때 게이트 드라이버 구동전원을 GND로 쇼트 시키는 현상이 발생할 수 있다(도 9 참조). 입력부(120)의 스위치 Q1 및 스위치 Q2는 이러한 HSGD(200)의 풀다운 현상을 방지하도록 각각 NMOS형 PMOS형 FET으로 도 3과 같이 접속되었다.
또한, 게이트 구동전압 생성부(130)의 출력전압을 안정화하기 위하여 사용되는 캐패시터 C1은 입력부(120)에 제공되는 인에이블 신호 EN과 동시에 제공되는 스위치 Q4에 의해서만 활성화된다. 즉, HSCD(100)가 동작할 때만 활성화되기 때문에 HSCD(100)가 동작하는 동안에는(즉, 벅 모드 동작 동안이나 부스트 모드 동작 동안에는) 캐패시터 C1에 의한 스위칭 동작이 발생하지 않는다. 따라서, 게이트용 캐패시터의 스위칭 동작이 전혀 필요없어 스위칭 동작으로 인한 종래의 회로특성 저하(캐패시터 증가에 따른 스위칭 시간(rise/fall time) 증가와 그에 따른 스위칭 로스(loss)를 확실하게 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 HSCD(100)의 동작으로 HSCD형 컨버터(10)의 벅 모드 동작과 부스트 모드 동작을 오작동 없이 그리고 특별한 시간적 제약없이(하이 사이드 스위치 S1 또는 S3의 동작 시간에 제약이 없이) 효율성 있게 수행할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, HSCD형 컨버터(10)의 벅 모드 동작과 부스트 모드 동작을 통해 최대전력점 추적으로 산출된 전력은 출력단(30)을 통해 인버터(7)로 전달되며, 이때 출력단(30)을 통과하게 되는 전력의 전압값과 전류값은 출력단 센서부(50)의 V 센서(51) 및 I 센서(52)를 통해 각각 검출되어, 예를 들면, PLC 방식 또는 무선방식 통신부(70)를 통해 MCU(60)에 입력된다. MCU(60)는 P&O, IC, RCC 알고리즘에 따라서 입력단(20)측 전압전류정보와 출력단(30)측 전압전류정보를 비교하여 다시 최대전력 생산을 가능하게 하는 이차 최대전력점 추적정보를 생성한다. 즉, 출력단측 전압전류정보는 HSCD형 컨버터(10)의 출력효율과 인버터의 동작 영향을 받아서 이상적인 최대전력점과는 편차가 발생할 수 밖에 없다. 따라서, MCU(60)는 P&O, IC, RCC 알고리즘 중 적어도 하나를 이용하여 이러한 편차가 일차 최대전력점 추적정보와 연관하여 결과적으로 가장 바람직한 산출결과를 낳을 수 있도록 이차 최대전력점 추적정보를 생성한다. 이차 최대전력점 추적 정보도 일차 최대전력점 추적정보와 마찬가지로 HSCD형 컨버터(10)가 최대 전력점을 추적할 수 있는 듀티정보, 최대전력점에 해당하는 추적 전압정보, 추적 전류정보를 적어도 포함한다.
이와 같은 최대전력점 추적 프로세스를 통해 본 발명의 일실시예에 따른 HSCD형 컨버터(10)를 이용한 분산형 전력최적화기(1)의 산출결과(DMPPT)는 종래 최대전력점 추적방식의 산출결과(MPPT)와는 많은 차이가 나는 것을 실험을 통해 확인하였다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 분산 최대전력점 추적(DMMPT)과 종래 최대전력점 추적(MPPT)으로부터 산출된 인버터의 순간최대 전력점 비교를 나타낸 설명도이다.
도 6의 (A)는 HSCD형 컨버터(10)를 이용한 DMPPT와 종래 MPPT에 적용되는 집광 패널(2) 하나의 앞면(집광면)에 각각 한 개의 3단봉으로 그림자를 발생시킨 도면이고, 도 6의 (C)는 도 6의 (A) 상태에서 DMPPT와 MPPT를 적용한 경우의 각 인버터의 순간 최대전력점을 오후 3시부터 24분간 추적한 그래프도이다(이하 "실험예1"). 도 6의 (B)는 HSCD형 컨버터(10)를 이용한 DMPPT와 종래 MPPT에 적용되는 집광 패널(2) 하나의 앞면(집광면)에 각각 2개의 3단봉으로 그림자를 발생시킨 도면이고, 도 6의 (D)는 도 6의 (B) 상태에서 DMPPT와 MPPT를 적용한 경우의 각 인버터의 순간 최대전력점을 오후 3시부터 24분간 추적한 그래프도이다("실험예2").
실험예1의 경우, 순간최대전력점 추적 산출전력은 DMPPT 1844W - MPPT 1629W = 215W로 나타났으며, 그 결과, (215/1629) × 100 = 약 13.2%의 전력산출 개선효과를 보여주고 있다.
실험예2의 경우, 순간최대전력점 추적 산출전력은 DMPPT 1423W - MPPT 1250W = 218W로 나타났으며, 그 결과, (218/1250) × 100 = 약 18.1%의 전력산출 개선효과를 보여주고 있다.
실험예1과 실험예2에서 보여주듯이 DMPPT와 MPPT를 사용할 경우 순간최대전력점 추적 산출전력량에서 상당한 차이점이 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 실험예1과 실험예2와의 상호 비교에서 알 수 있듯이, 태양빛이 적어질 수록, 즉 집광패널에 구름이나 그림자가 많이 발생할수록 DMPPT가 MPPT에 비하여 상대적으로 순간최대전력점 추적 산출전력량 효율이 더욱 높은 것을 알 수 있다.
또한, 실험예1과 실험예2에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 DMPPT 방식은 종래 MPPT 방식에 비하여 일정기간에 걸쳐 고르게 향상된 산출효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 당분야의 통상의 기술자에 의해 여러 가지 변경 및 변형이 가능하다. 예를 들면, HSCD(100)에서 리액터 L1과 정류 다이오드D1를 이용하여 부스트 컨버터 방식으로 게이트 드라이버 구동전압을 생성하고 있지만, 차지 펌프(Charge Pump) 방식으로도 게이트 드라이버 구동전압을 구현할 수 있다. 즉, 캐패시터와 다이오드를 이용하여 게이트 드라이버 구동전압을 구현할 수도 있으며, 이 경우에는 특히 요구전압이 낮을 때 유리한 방식이다.
따라서, 본 발명에 따른 HSCD, HSCD형 컨버터 및 HSCD형 컨버터를 이용한 분산형 전력최적화기는 다음의 특허청구범위를 일탈하지 않고도 당분야의 통상의 기술자에 의해 여러가지 변경 및 변형이 가능함을 알 수 있다.
1: HSCD형 컨버터를 이용하는 분산형 전력최적화기
5: 집광패널 7:인버터
10: HSCD형 (풀브릿지 DC/DC) 컨버터
11: 입력단(컨버터측) 12: 출력단(컨버터측)
20: 입력단(전력최적화기측) 30: 출력단(전력최적화기측)
40: 입력단 센서부(전력최적화기측) 41: V 센서(전력최적화기측)
42: I 센서(전력최적화기측) 50: 출력단(전력최적화기측) 센서부
51: V 센서(전력최적화기측) 52: I 센서(전력최적화기측)
70: 통신부(전력최적화기측) 100: HSCD
110: 인에이블 신호 제공부 120: 입력부
130: 게이트 구동전압 생성부 131: 스위칭 드라이버
140: 게이트 구동전압 안정화부 200: HSGD
300: LSGD C1: 캐패시터(HSCD측)
C20: 캐패시터(HSGD측) D1: 정류 다이오드(HSCD측)
GD: 게이트 드라이버(컨버터측) HB: H 브릿지부(컨버터측)
L1: 리액터(HSCD측) L10: 리액터(컨버터측)
MCU:마이크로 컨트롤러 유닛(분산형 전력최적화기측)
Q1 - Q4: 스위치(HSCD측) S1 - S4: 스위치(컨버터측)
VIN: 입력 (DC) 전압(HSCD측)
5: 집광패널 7:인버터
10: HSCD형 (풀브릿지 DC/DC) 컨버터
11: 입력단(컨버터측) 12: 출력단(컨버터측)
20: 입력단(전력최적화기측) 30: 출력단(전력최적화기측)
40: 입력단 센서부(전력최적화기측) 41: V 센서(전력최적화기측)
42: I 센서(전력최적화기측) 50: 출력단(전력최적화기측) 센서부
51: V 센서(전력최적화기측) 52: I 센서(전력최적화기측)
70: 통신부(전력최적화기측) 100: HSCD
110: 인에이블 신호 제공부 120: 입력부
130: 게이트 구동전압 생성부 131: 스위칭 드라이버
140: 게이트 구동전압 안정화부 200: HSGD
300: LSGD C1: 캐패시터(HSCD측)
C20: 캐패시터(HSGD측) D1: 정류 다이오드(HSCD측)
GD: 게이트 드라이버(컨버터측) HB: H 브릿지부(컨버터측)
L1: 리액터(HSCD측) L10: 리액터(컨버터측)
MCU:마이크로 컨트롤러 유닛(분산형 전력최적화기측)
Q1 - Q4: 스위치(HSCD측) S1 - S4: 스위치(컨버터측)
VIN: 입력 (DC) 전압(HSCD측)
Claims (18)
- 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 하이 사이드 스위치를 구동하기 위한 하이 사이드 콘티뉴어스 드라이버(HSCD: High Side Continuous Driver)로서,
외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와;
상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN을 출력하는 입력부와;
상기 입력부의 입력 DC 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와;
상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 게이트 구동전압 안정화부를;
구비하는 것을 특징으로 하는 HSCD.
- 제1항에 있어서,
상기 입력부는 상기 인에이블 신호를 게이트에 입력하는 NMOS-FET형 스위치 Q1과 상기 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 연결된 PMOS-FET형 스위치 Q2를 포함하고, 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 스위치 Q1 및 Q2의 활성화로 상기 스위치 Q2의 소스에 연결된 상기 입력 DC 전압 VIN이 상기 게이트 구동전압 생성부로 전달되는 것을 특징으로 하는 HSCD.
- 제2항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 생성부는 상기 입력부로부터 전달되는 입력 DC 전압 VIN을 전달받는 리액턴스를 가지는 리액터 L1과, 정류 다이오드 D1과, 상기 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 병렬로 접속되는 스위칭 드라이버를 포함하고, 상기 스위칭 드라이버의 구동에 의해 상기 리액터 L1의 승압기능과 상기 정류다이오드 D1의 정류기능을 수행하여 상기 게이트 구동전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 HSCD.
- 제3항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 안정화부는 상기 정류 다이오드 D1과 직렬로 연결되어 상기 게이트 구동전압을 유지하는 캐패시터 C1와, 상기 캐패시터 C1에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 인에이블 신호에 연결되어 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 캐패시터 C1을 활성화시키는 스위치 Q4를 포함하는 것을 특징으로 하는 HSCD.
- 제1항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 생성부는 캐패시터와 다이오드를 포함하는 차지 펌프(Charge Pump) 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 HSCD.
- 제1 내지 제4 스위치와 이에 대응하는 2개의 하이 사이드 게이트 드라이버(HSGD) 및 2개의 로우 사이드 게이트 드라이버(LSGD)를 포함하는 HSCD(High Side Continuous Driver)형 풀브릿지 DC/DC 컨버터로서,
제1스위치 및 제3스위치는 하이 사이드 스위치이고, 제2스위치 및 제4스위치는 로우 사이드 스위치이며, 제1스위치에는 제1HSGD와 제1HSCD가 병렬로 연결되고, 제3스위치에는 제2HSGD와 제2HSCD가 병렬로 연결되며, 제2스위치에는 제1LSGD가 연결되고, 제4스위치에는 제2LSGD가 연결되며,
벅 모드 동작 중에는 제1HSGD와 제1LSGD는 제1스위치와 제2스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제2HSGD 및 제2LSGD는 항상 오프되고, 제2HSCD는 항상 온으로 동작하여 제3스위치는 항상 온으로 동작하고, 제4스위치는 항상 오프로 동작하며,
부스트 모드 동작 중에는 제2HSGD와 제2LSGD는 제3스위치와 제4스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제1HSGD 및 제1LSGD는 항상 오프되고, 제1HSCD는 항상 온으로 동작하여 제1스위치는 항상 온으로 동작하고, 제2스위치는 항상 오프로 동작하며,
상기 HSCD는 상기 벅 모드 동작 또는 상기 부스트 모드 동작 중에 HSCD의 입력전압를 활성화시키는 인에이블 신호와 동기하여 게이트 구동전압을 안정화시키도록 동작하는 캐패시터를 포함하는 구동전압 안정화부를 구비하는 것을 특징으로 하는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터.
- 제6항에 있어서,
상기 HSCD는,
외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 상기 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와;
상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN 을 출력하는 입력부와;
상기 입력부의 입력 DC 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와;
상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 상기 게이트 구동전압 안정화부를;
구비하는 것을 특징으로 하는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터.
- 제7항에 있어서,
상기 입력부는 상기 인에이블 신호를 게이트에 입력하는 NMOS-FET형 스위치 Q1과 상기 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 연결된 PMOS-FET형 스위치 Q2를 포함하고, 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 스위치 Q1 및 Q2의 활성화로 상기 스위치 Q2의 소스에 연결된 상기 입력 DC 전압 VIN이 상기 게이트 구동전압 생성부로 전달되는 것을 특징으로 하는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터.
- 제8항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 생성부는 상기 입력부로부터 전달되는 입력 DC 전압 VIN을 전달받는 리액턴스를 가지는 리액터 L1과, 정류 다이오드 D1과, 상기 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 병렬로 접속되는 스위칭 드라이버를 포함하고, 상기 스위칭 드라이버의 구동에 의해 상기 리액터 L1의 승압기능과 상기 정류다이오드 D1의 정류기능을 수행하여 상기 게이트 구동전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터.
- 제9항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 안정화부는 상기 정류 다이오드 D1과 직렬로 연결되어 상기 게이트 구동전압을 유지하는 캐패시터 C1와, 상기 캐패시터 C1에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 인에이블 신호에 연결되어 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 캐패시터 C1을 활성화시키는 스위치 Q4를 포함하는 것을 특징으로 하는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터.
- 제7항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 생성부는 캐패시터와 다이오드를 포함하는 차지 펌프(Charge Pump) 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 HSCD형 풀브릿지 DC/DC 컨버터.
- 태양광 발전 시스템의 집광패널군 중 일부 또는 하나에 연결되어 분산된 패널별로 최대전력점을 추적하여 인버터에 출력하는 분산형 전력최적화기에 있어서,
입력단 센서부로부터 감지된 전압 및 전류와 출력단 센서로부터 감지된 전압 및 전류를 기초로 최대전력점을 추적하여 최대전력점 추적정보를 제공하는 MCU와, 상기 MCU로부터의 최대전력점 추적정보에서 제공하는 듀티와 벅 모드 동작 또는 부스트 모드 동작에 따라서 최대전력을 생성하는 풀브릿지 DC/DC 컨버터와, 입력단에서 출력단에 이르는 구성요소들 간의 통신을 담당하는 통신부를 구비하며,
상기 풀브릿지 DC/DC 컨버터는 제1 내지 제4 스위치와 이에 대응하는 2개의 하이 사이드 게이트 드라이버(HSGD) 및 2개의 로우 사이드 게이트 드라이버(LSGD)를 포함하는 HSCD(High Side Continuous Driver)형 풀브릿지 DC/DC 컨버터로서,
제1스위치 및 제3스위치는 하이 사이드 스위치이고, 제2스위치 및 제4스위치는 로우 사이드 스위치이며, 제1스위치에는 제1HSGD와 제1HSCD가 병렬로 연결되고, 제3스위치에는 제2HSGD와 제2HSCD가 병렬로 연결되며, 제2스위치에는 제1LSGD가 연결되고, 제4스위치에는 제2LSGD가 연결되며,
벅 모드 동작 중에는 제1HSGD와 제1LSGD는 제1스위치와 제2스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제2HSGD 및 제2LSGD는 항상 오프되고, 제2HSCD는 항상 온으로 동작하여 제3스위치는 항상 온으로 동작하고, 제4스위치는 항상 오프로 동작하며,
부스트 모드 동작 중에는 제2HSGD와 제2LSGD는 제3스위치와 제4스위치를 반복하여 온/오프로 동작하도록 구동시키고, 제1HSGD 및 제1LSGD는 항상 오프되고, 제1HSCD는 항상 온으로 동작하여 제1스위치는 항상 온으로 동작하고, 제2스위치는 항상 오프로 동작하며,
상기 HSCD는 상기 벅 모드 동작 또는 상기 부스트 모드 동작 중에 HSCD의 입력전압를 활성화시키는 인에이블 신호와 동기하여 게이트 구동전압을 안정화시키도록 동작하는 캐패시터를 포함하는 구동전압 안정화부를 구비하는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기. - 제12항에 있어서,
상기 MCU는 최대전력점 추적 알고리즘으로서 P&O(PERTURB AND OBSERVE) 방식, IC(INCREMENTAL CONDUCTANCE) 방식 및 RCC(RIPPLE CORRELATION CONTROL) 방식 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 통신부는 PLC(Power Line Communication) 방식 또는 무선통신 방식의 통신을 사용하는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기. - 제13항에 있어서,
상기 HSCD는,
외부제어신호 또는 자체제어신호에 따라서 상기 인에이블 신호를 제공하는 인에이블 신호 제공부와;
상기 인에이블 신호를 입력하고, 입력된 상기 인에이블 신호에 따라서 입력 DC 전압 VIN 을 출력하는 입력부와;
상기 입력부의 입력 DC 전압 VIN을 승압하여 상기 하이 사이드 스위치의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동전압 생성부와;
상기 게이트 구동전압 생성부와 직렬로 연결되고, 상기 입력부에 입력되는 인에이블 신호와 동기하여 입력되는 인에이블 신호에 따라서 활성화되어 상기 게이트 구동전압 생성부로부터 생성되는 게이트 구동전압을 일정하게 유지하는 상기 게이트 구동전압 안정화부를;
구비하는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기. - 제14항에 있어서,
상기 입력부는 상기 인에이블 신호를 게이트에 입력하는 NMOS-FET형 스위치 Q1과 상기 스위치 Q1의 드레인에 게이트가 연결된 PMOS-FET형 스위치 Q2를 포함하고, 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 스위치 Q1 및 Q2의 활성화로 상기 스위치 Q2의 소스에 연결된 상기 입력 DC전압 VIN이 상기 게이트 구동전압 생성부로 전달되는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기. - 제15항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 생성부는 상기 입력부로부터 전달되는 입력 DC 전압 VIN을 전달받는 리액턴스를 가지는 리액터 L1과, 정류 다이오드 D1과, 상기 리액터 L1과 정류 다이오드 D1 사이에 병렬로 접속되는 스위칭 드라이버를 포함하고, 상기 스위칭 드라이버의 구동에 의해 상기 리액터 L1의 승압기능과 상기 정류다이오드 D1의 정류기능을 수행하여 상기 게이트 구동전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기. - 제16항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 안정화부는 상기 정류 다이오드 D1과 직렬로 연결되어 상기 게이트 구동전압을 유지하는 캐패시터 C1와, 상기 캐패시터 C1에 드레인이 연결되고 게이트가 상기 인에이블 신호에 연결되어 상기 인에이블 신호에 따라서 상기 캐패시터 C1을 활성화시키는 스위치 Q4를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기. - 제12항에 있어서,
상기 게이트 구동전압 생성부는 캐패시터와 다이오드를 포함하는 차지 펌프(Charge Pump) 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 분산형 전력최적화기.
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