KR102309852B1 - 부스트 컨버터가 포함된 전력 시스템 - Google Patents

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Abstract

부스트 컨버터를 포함한 고효율 전력 시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 전력 시스템은, 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부에 의해 생성되는 전력이 부하로 전달되는 전력 전달 경로를 선택하는 스위칭부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압하여 상기 부하에 전달하는 부스트 컨버터부; 및 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 선택하여 부하에 전력을 전달할 수 있다

Description

부스트 컨버터가 포함된 전력 시스템{Power System with Boost Converter}
본 발명은 스위칭 동작에 따라 부하에 전력이 전달되는 경로를 선택할 수 있는 전력 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전 시스템이라 함은 태양전지를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전력 시스템으로서, 지구 온난화 해소 및 화석 연료 고갈에 대한 대책으로서 개발이 적극적으로 이루어지고 있다.
태양전지 패널은 온도와 일사량에 따라 출력하는 전력이 변경된다. 따라서 전력 전달시 온도와 일사량의 변화에 따라 변경되는 I-V 곡선의 최대 전력 동작점을 추적하기 위해 태양전지 패널의 출력과 연결되는 부스트 컨버터의 입력측 전압을 가변하는 제어를 하면서, 최대 전력점을 추종하는 제어(MPPT;Maximum Power Point Tracking)를 사용한다. 이때, MPPT 제어를 통해 전력 전달시 60% 이상의 부하 조건에서는 약 95% 이상의 높은 전력 변환 효율을 갖지만 이보다 낮은 부하 조건에서는 전력 변환 효율이 낮아지는 단점이 있다.
본 발명은 전력 변환 효율을 극대화하기 위한 새로운 구조의 전력 시스템으로서, 전원부로부터 부하에 전달되는 전력의 전달 경로를 선택할 수 있는 전력 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력 시스템은, 전력을 생성하는 전원부; 상기 전원부에 의해 생성되는 전력이 부하로 전달되는 전력 전달 경로를 선택하는 스위칭부; 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압하여 상기 부하에 전달하는 부스트 컨버터부; 및 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 스위칭부는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 제1 스위칭 모드로 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부스트 컨버터부를 통하여 상기 부하로 전력이 전달되는 제1 전력 전달 경로를 형성하고, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 제2 스위칭 모드로 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부스트 컨버터부를 통하지 않고 상기 부하로 전력이 전달되는 제2 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제1 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제2 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산하며, 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제2 전력의 크기를 비교한 비교결과에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 스위칭부를 상기 제1 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하고, 상기 스위칭부를 상기 제2 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템에 있어서 상기 부스트 컨버터부는, 일단이 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 전원부에 연결되거나 차단되는 인덕터; 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 인덕터의 타단에 연결되거나 상기 전원부에 연결되는 컨버터 스위치; 및 상기 부하로부터 상기 인덕터 방향으로 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하는 역전류 방지 소자;를 포함할 수 있다.
이때 상기 제1 스위치는, 일단이 상기 전원부에 연결되고 타단은 상기 제어부에 의해 제어되는 스위칭 동작에 따라 상기 인덕터의 일단 또는 개방 단자에 연결되며, 상기 제2 스위치는, 일단이 상기 컨버터 스위치 및 상기 역전류 방지 소자에 연결되고 타단은 상기 제어부에 의해 제어되는 스위칭 동작에 따라 상기 전원부 또는 상기 인덕터의 타단에 연결될 수 있다.
또한 이때 상기 제어부는, 상기 제1 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제2 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산하며, 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제2 전력의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력이 상기 제2 전력보다 크거나 같은 경우, 상기 제1 스위치의 타단을 상기 인덕터의 일단에 연결하고, 상기 제2 스위치의 타단을 상기 인덕터의 타단에 연결하는 상기 제1 스위칭 모드로 제어할 수 있고, 상기 비교 결과, 상기 제1 전력이 상기 제2 전력보다 작은 경우, 상기 제1 스위치의 타단을 상기 개방단자에 연결하고, 상기 제2 스위치의 타단을 상기 전원부에 연결하는 상기 제2 스위칭 모드로 제어할 수 있다.
또한 이때 상기 제어부는, 상기 스위칭부를 상기 제1 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT 제어하며, 상기 스위칭부를 상기 제2 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 컨버터 스위치를 오프로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템은, 상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 저장하는 입력측 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템은, 상기 부스트 컨버터부에 의해 승압된 입력 전압을 저장하는 출력측 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 시스템은 전력이 전달되는 경로에 스위칭 소자를 추가하여, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 실시간으로 선택할 수 있으므로 전력 전달 효율을 극대화할 수 있다.
도 1a는 태양광 발전 전력 시스템에 있어서, 온도 변화에 따른 전력-전압(P-V) 곡선을 나타낸 것이고, 도 1b는 일사량 변화에 따른 P-V 곡선을 나타낸 것이다.
도 2는 태양광 전력 시스템에서 사용되는 부스트 컨버터의, 부하율에 따른 효율을 나타낸 것이다.
도 3은 MPPT 제어를 하는 경우 및 MPPT 제어를 하지 않는 경우의 전력 전달량을 시뮬레이션을 통해 분석한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 전력 시스템의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각의 스위칭 모드에 따른 등가회로를 나타낸 것으로서 도 5a는 제1 스위칭 모드의 등가회로를, 도 5b는 제2 스위칭 모드의 등가회로를 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.
또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1a는 일사량이 1kW/m2일 때 온도 변화에 따른 전력-전압(P-V) 곡선을 나타내고, 도 1b는 온도가 25°C일 때 일사량 변화에 따른 P-V 곡선을 나타낸다.
태양광 패널은 온도와 일사량에 따라 출력하는 전력이 변경된다. 따라서, 온도와 일사량의 변화에 따라 변경되는 P-V 곡선의 최대 전력점을 추적하기 위해 태양광 패널의 출력과 연결되는 부스트 컨버터부의 입력측 전압을 가변하는 MPPT 제어를 한다.
여기서, MPPT제어란 태양광 발전의 효율을 극대화시키기 위한 제어로서, 시스템을 항상 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)에서 동작하게 하여 전력을 최대로 이용할 수 있는 최대 전력점 추종 제어이다.
이러한, 최대 전력점 추종 제어를 위한 방법으로 P&O(Perturbation and Obsevation, 섭동후 추정) 방법이 일반적으로 사용되고 있다. P&O방법은 태양광 패널로부터 출력되는 전압을 주기적으로 증가, 감소시키는 가변을 하고 이전의 출력 전력과 현재의 출력 전력을 비교하여 최대 전력점을 추종하는 방식의 MPPT 제어 방법이다.
다만 최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 방법으로는 상술한 P&O 방법 외에도 InCond(Incremental Conductance) 방법 등의 다양한 MPPT 알고리즘이 공지되어 있으며 본 발명에서 언급하는 MPPT 제어를 위해 이러한 다양한 MPPT 알고리즘 중 어느 하나가 사용될 수 있음은 분명하다.
도 1a 및 도 1b에서 확인할 수 있듯이 P&O 방법의 MPPT 제어시에는 온도 또는 일사량에 따라 변경되는 P-V 곡선에 맞게 점선을 따라서 최대 전력점을 추종하면서, 부스트 컨버터를 제어하여 부하로 전달되는 전압을 가변하는 방식으로 태양광 패널로부터 부하로 최대 전력이 전달되도록 한다.
이때, 부스트 컨버터는 다른 종류의 DC-DC 컨버터들에 비해 높은 효율을 갖는 회로이지만, DC-DC 컨버터의 특성상 수십에서 수백 Mhz까지의 스위칭 동작을 하며, 전력 전달 경로에 존재하는 능동, 수동 소자들의 도통 손실 및 코어 손실에 의한 손실이 발생하게 된다.
도 2는 태양광 전력 시스템에서 사용되는 부스트 컨버터의 부하율에 따른 전력 전달 효율을 나타낸 것이다. 60% 이상의 부하 조건에서 약 95% 이상의 높은 변환 효율을 갖지만, 60%보다 작은 부하 조건에서는 변환 효율이 높지 않다는 것을 알 수 있다.
한편, 일사량과 온도에 의해 변동되는 P-V 곡선에 따라 태양광 패널에서 출력하는 전력을 부스트 컨버터를 통하지 않고 MPPT 제어 없이 부하에 전달할 때 더 많은 전력이 전달되는 경우가 있다.
도 3은 일사량 1000W/m2, 온도 25˚C 그리고 일사량 1000W/m2, 온도 75˚C 일 때의 2가지 경우에 대해서 MPPT 제어를 하면서 부하에 전력을 전달하는 경우와 MPPT 제어를 하지 않고 부하에 전력을 전달하는 경우의 전력 전달량을 시뮬레이션을 통해 분석한 그래프이다.
도 3은, 상기 2가지 경우의 일사량과 온도 조건에서 P-V 곡선을 분석한 것으로서, MPPT 제어를 할 때보다 MPPT 제어를 하지 않고 부하에 전력을 전달할 때 더 많은 전력을 부하로 전달하는 경우만을 음영으로 표시하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, MPPT 제어를 사용하는 경우에는 태양광 패널에서 출력되는 전압과 상관없이 항상 최대 전력을 출력할 수 있는 동작점을 추종하여 전압을 가변하면서 부하에 전력을 전달한다. 따라서, 부하 전압이 240V~320V인 구간에서 부하 전압 또는 전원부 출력단에서 측정되는 개방 전압에 상관없이 항상 약 6750W, 5380W의 전력이 각각 전달된다.
반면에 MPPT 제어를 사용하지 않는 경우에는 일사량 1000W/m2, 온도 25˚C일 때 부하 전압이 270V~315V인 구간에서 최대 약 300W를 더 출력할 수 있다. 또한 일사량 1000W/m2, 온도 75˚C 일 때에는 최대 약 200W를 더 출력할 수 있다.
도 3에서는 상술한 일사량 1000W/m2, 온도 25˚C 그리고 일사량 1000W/m2, 온도 75˚C 일 때의 2가지 경우에 대해서만 전력 전달량을 비교하였으나, 광량과 온도는 하루 중 연속적으로 변화하는 값이고, 각각 약 0~1500 W/m2, -20~+80˚C 정도 범위에서 변화하므로 도 3에서 음영으로 표시한 부분 외에도 MPPT 제어를 하지 않는 경우에 더 많은 전력을 전달할 수 있는 포인트가 다양한 일사량, 온도, 전압 조건에서 다수 존재할 수 있다.
즉, 부하로의 전력 전달시 MPPT 제어되는 부스트 컨버터를 통하여 전력을 전달해야 유리한 경우가 있고, MPPT 제어를 사용하지 않고 부스트 컨버터를 통하지 않고 전력을 전달해야 유리한 경우가 있는 것이다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템(1000)은 전원부(100), 스위칭부(200), 부스트 컨버터부(300) 및 제어부(400)를 포함한다.
전원부(100)는 전력을 생성하는 구성으로서, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 패널일 수 있고, 이때 태양광 패널은 태양광을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있는 태양전지 모듈의 조합으로 구성될 수 있다. 상기 태양전지 모듈은 태양전지의 직렬 연결, 병렬 연결 또는 직병렬 연결의 조합으로 이루어질 수 있다.
스위칭부(200)는 전원부(100)에 의해 생성되는 전력이 부하(10)로 전달될 때의 전력 전달 경로를 선택할 수 있는 구성으로서 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 포함한다.
여기서, 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)는 전류가 흐르는 경로를 선택하여 전환하는 기능을 가지는 소자라면 어느 것이든 사용 가능하다.
또한, 도 4에는 부하(10)의 예시로서 직류 전원을 저장하기 위한 배터리가 도시되어 있으나 이에 한정되지는 않는다.
부스트 컨버터부(300)는 전원부(100)로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 전달받아 승압하여 부하(10)에 전달할 수 있다. 보다 구체적으로, 부스트 컨버터부(300)는 인덕터(310), 컨버터 스위치(320) 및 역전류 방지 소자(330)를 포함한다.
이때, 인덕터(310)는 일단과 타단이 스위칭부(200)에 연결된다. 인덕터(310)의 일단은 스위칭부(200)의 스위칭 동작에 따라 전원부(100)에 연결되거나 차단되고, 인덕터(310)의 타단은 스위칭부(200)의 스위칭 동작에 따라 전원부(100)에 연결되거나 후술할 컨버터 스위치(320)에 연결된다.
컨버터 스위치(320)는 스위칭부(200)의 스위칭 동작에 따라 인덕터(310)의 타단에 연결되거나 전원부(100)에 연결되는데, 부스트 컨버터부(300)에 포함되는 컨버터 스위치(320)는 도통(온 상태) 또는 비도통(오프 상태)이 되어 전류를 흐르게 할지 여부를 결정하는 소자로서 예를 들어, 반도체 스위치인 모스펫(MOSFET)이 사용될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
역전류 방지 소자(330)는 상기 부하(10)로부터 인덕터(310) 방향으로 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 구성이다. 역전류 방지 소자(330)로는 다이오드, FET 등의 다양한 소자가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 전력 시스템에 있어서 스위칭부(200)의 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)가 연결되는 구체적인 회로 구조는 다음과 같다.
제1 스위치(210)는 일단이 전원부(100)에 연결되어 있고, 타단이 제1 스위치(210)의 스위칭 동작에 따라 인덕터(310)의 일단에 연결되거나 또는 개방단자에 연결되도록 마련된다.
여기서, 개방단자에 연결된다는 것의 의미는 제1 스위치(210)의 타단에 어떠한 회로 소자도 전기적으로 연결되지 않는 것을 의미한다.
제2 스위치(220)는 일단이 컨버터 스위치(320) 및 역전류 방지 소자(330)의 일단에 연결되고 타단이 스위칭 동작에 따라 전원부(100) 또는 인덕터(310)의 타단에 연결되도록 마련된다.
제어부(400)는 부스트 컨버터부(300)의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 및 스위칭부(200)의 스위칭 동작을 제어하는 구성이다. 보다 구체적으로, 제어부(400)는 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 제1 스위칭 모드로 제어하여 전원부(100)로부터 부스트 컨버터부(300)를 통하여 부하(10)로 전력이 전달되는 제1 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 부스트 컨버터부(300)를 통하여 전력이 전달된다는 의미는 전원부(100)로부터 부하(10)로 전력이 전달됨에 있어서, 전원부(100)에서 출력되는 전압이 부스트 컨버터부(300)에 의해 가변되는 과정을 거치게 된다는 의미이다.
또한 제어부는, 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 제2 스위칭 모드로 제어하여 부스트 컨버터부(300)를 통하지 않고 전원부(100)로부터 부하(10)로 전력이 전달되는 제2 전력 전달 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 부스트 컨버터부(300)를 통하지 않고 전력이 전달된다는 의미는 전원부(100)로부터 부하(10)로 전력이 전달됨에 있어서, 전원부(100)에서 출력되는 전압이 부스트 컨버터부(300)에 의해 가변되는 과정을 거치지 않는다는 의미이다.
또한, 제어부(400)는 상기 제1 전력 전달 경로로 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제2 전력 전달 경로로 부하(10)에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산한다. 이후, 제어부(400)는 연산된 제1 전력 및 제2 전력의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 스위칭부(200)의 스위칭 동작을 제어한다.
이때, 제어부(400)는, 상기 비교 결과가 제1 전력이 제2 전력보다 크기가 크거나 같은 경우라면, 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 제1 스위칭 모드로 제어하고, 상기 비교 결과가 제1 전력이 제2 전력보다 크기가 작은 경우라면, 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)를 제2 스위칭 모드로 제어한다.
여기서, 제1 전력은 제어부(400)가 부스트 컨버터부(300)를 MPPT 제어 하는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력이고 제2 전력은 제어부(400)가 부스트 컨버터부(300)를 MPPT 제어하지 않는 경우 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력의 크기이다.
상기 제1 전력은 MPPT 제어에 의해 부하(10)로 전달되는 전압의 값을 변환시키면서 추종하는 최대 전력이므로, 제어부(400)가 전원부(100) 출력단의 개방 전압(V1) 및 단락 전류(I1)의 값을 전달받아 MPPT 알고리즘을 이용하여 연산한다. 또한, 상기 제2 전력은 MPPT 제어를 하지 않는 경우 부하(10)에 전달될 전력이므로, 제어부(400)가 부하(10)의 현재 전압(V2)을 전달받아 부하(10)의 현재 전압(V2)이 전원부(100)에 적용될 때 전원부(100)에서 출력되는 전력의 값을 연산한다.
본 발명에 따르면, 제어부(400)가 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제2 전력의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제1 전력 전달 경로와 제2 전력 전달 경로 중 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 실시간으로 선택하도록 스위칭부(200)의 스위칭 동작을 제어할 수 있으므로 전력 전달 효율이 극대화될 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면 본 발명에 따른 전력 시스템(1000)은, 전원부(100)로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 저장하는 입력측 저장부(500)를 더 포함할 수 있다.
이때, 입력측 저장부(500)는 전원부(100)와 부스트 컨버터부(300) 사이에 연결된다.
입력측 저장부(500)는 전원부(100)로부터 출력되는 입력측 전압에 노이즈가 끼거나 전압이 흔들릴 때 안정된 직류 전압을 공급할 수 있게 해주는 역할을 하며, 입력측 저장부(500)로는 커패시터가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 시스템(1000)은, 부스트 컨버터부(300)에 의해 승압된 전압을 저장하는 출력측 저장부(600)를 더 포함할 수 있다.
이때, 출력측 저장부(600)는 부스트 컨버터부(300)와 부하(10) 사이에 연결된다.
출력측 저장부(600)는 부하(10)에 직류전압을 공급하도록 전압을 정류시켜주는 역할을 하며, 출력측 저장부(600)로는 커패시터가 사용될 수 있다.
이하에서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 보다 구체적으로 상기 제1 스위칭 모드 및 제2 스위칭 모드에 대해 설명한다.
도 5a는 제1 스위칭 모드의 등가회로를, 도 5b는 제2 스위칭 모드의 등가회로를 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 전원부(100)에서 생성되는 전력은 부스트 컨버터부(300)를 통하여 부하(10)에 전달되는 제1 전력 전달 경로로 전달된다. 제어부(400)는 부스트 컨버터부(300)를 MPPT 제어하면서 전원부(100)에서 출력되는 전압을 가변하여 부하(10)에 전달하는 방식으로 최대 전력을 추종한다.
상기 제1 전력 전달 경로를 형성하는 제1 스위칭 모드는, 제1 전력의 크기가 제2 전력의 크기보다 크거나 같은 경우에 제1 스위치(210)의 타단이 인덕터(310)의 일단에 연결되고, 제2 스위치(220)의 타단이 인덕터(310)의 타단에 연결된 모드이다.
제1 전력이 제2 전력보다 크거나 같다는 것은, 부스트 컨버터부(300)가 MPPT 제어될 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로 제어부(400)는 부스트 컨버터부(300)를 MPPT 제어한다. 따라서, 제어부(400)는 제1 스위치(210)의 타단을 인덕터(310)의 일단에 연결하여 전원부(100)에서 출력되는 전류가 인덕터(310)로 흘러 인덕터(310)를 충전시키도록 하고, 제2 스위치(220)의 타단을 인덕터(310)의 타단에 연결하여 인덕터(310)가 컨버터 스위치(320) 및 역전류 방지 소자(330)와 연결되도록 한다.
이때, 전원부(100)에서 출력되는 전압은, 제어부(400)의 MPPT 제어에 의해 부하(10)에 최대 전력을 전달할 수 있도록 가변되므로, 부하(10)에는 MPPT 제어에 의해 추종된 최대 전력이 전달될 수 있다.
다음으로 도 5b를 참조하면, 전원부(100)에서 생성되는 전력은 역전류 방지 소자(330)만을 거쳐 부하(10)에 전달된다. 제어부(400)는 부스트 컨버터부(300)를 MPPT 제어를 하지 않고, 컨버터 스위치(320)를 오프시켜 전원부(100)에서 생성되는 전압이 가변되지 않고 부하(10)에 전달되도록 제어한다. 이때, 전원부(100)로부터 부하(10)로 전달되는 전력은 부스트 컨버터부(300)를 통하지 않고 제2 전력 전달 경로로 전달된다.
상기 제2 전력 전달 경로를 형성하는 제2 스위칭 모드는, 제1 전력의 크기가 제2 전력의 크기보다 작은 경우에 제1 스위치(210)의 타단이 개방단자에 연결되고, 제2 스위치(220)의 타단이 전원부(100)에 연결된 모드이다.
제1 전력이 제2 전력보다 작다는 것은, 부스트 컨버터부(300)가 MPPT 제어되지 않을 때 부하(10)에 더 많은 전력이 전달된다는 의미이므로 제어부(400)는 부스트 컨버터부(300)를 MPPT 제어하지 않는다. 따라서, 제어부(400)는 제1 스위치(210)의 타단을 개방단자에 연결하여 전원부(100)로부터 부스트 컨버터부(300)의 입력단에 위치한 인덕터(310)로 연결되는 회로라인을 차단시키고, 제2 스위치(220)의 타단을 전원부(100)에 연결하여 전원부(100)를 컨버터 스위치(320) 및 역전류 방지 소자(330)에 연결한다.
이때, 제어부(400)는 컨버터 스위치(320)를 오프시킨다. 컨버터 스위치(320)가 오프되면 현재의 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용된다.
여기서, 부하(10) 전압이 전원부(100)에 적용된다는 것은 부하(10) 전압과 역전류 방지 소자(330) 양단의 전압 차이만큼의 전압이 전원부(100)에 걸린다는 것을 의미하고 이때, 전원부(100)에서 출력되는 전류는 역전류 방지 소자(330)만을 거쳐 그대로 부하(10)에 전달된다.
역전류 방지 소자(330)로서 다이오드가 사용되는 경우, 애노드는 인덕터(310)의 타단 및 컨버터 스위치(320)에 연결되고 캐소드는 부하(10)에 연결되어 인덕터(310) 방향으로 역방향 전류가 흐르지 않는다. 다이오드의 전압 강하는 약 0.7V로서 매우 작은 값이므로 전원부(100)에 의해 생성되는 전력의 대부분(99% 이상)이 부하(10)에 전달될 수 있다.
또는, 역전류 방지 소자(330)로서 FET이 사용될 수도 있는데, FET이 사용되는 경우 제어부(400)에서 FET을 온오프 제어할 수 있고, FET의 온오프 제어에 의해 인덕터(310) 방향으로 역전류가 흐르는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라 다이오드는 적은 양이라도 전압강하가 존재하는 것에 비해 FET의 온 상태에서는 이론적으로 전압강하가 존재하지 않으므로 다이오드를 사용할 때보다 전력 전달 효율이 더 높아질 수 있다.
한편, 단순히 컨버터 스위치(320)를 오프 상태로 유지하는 것만으로도 MPPT 제어를 하지 않고 부하(10)로 전력을 전달할 수 있지만, 본 발명과 같이 스위칭부(200)를 추가하면 제2 스위칭 모드로 동작시 전원부(100)에서 출력되는 전류가 인덕터(310)를 거치지 않도록 바이패스 경로를 형성할 수 있으므로 인덕터(310) 소자에 의해 발생할 수도 있는 리플 현상을 미연에 방지할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 RLC 소자의 추가 없이 이극 스위치(two poles switch) 소자만을 추가하는 단순한 구조 변경에 의해, MPPT 제어가 이루어지는 경로와 MPPT 제어가 이루어지지 않는 경로 중 전력 전달 효율이 더 높은 경로를 선택하여 부하에 전력을 전달할 수 있다. 따라서, MPPT 제어만을 할 때보다 더 높은 효율로 부하에 전력이 전달될 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명의 설명을 위하여 예시로 든 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태로 조합이 가능하다. 따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 특징이 있다고 할 것이다.
1000: 전력 시스템
100: 전원부
200: 스위칭부
210: 제1 스위치
220: 제2 스위치
300: 부스트 컨버터부
310: 인덕터
320: 컨버터 스위치
330: 역전류 방지 소자
400: 제어부
500: 입력측 저장부
600: 출력측 저장부

Claims (9)

  1. 전력을 생성하는 전원부;
    상기 전원부에 의해 생성되는 전력이 부하로 전달되는 전력 전달 경로를 선택하는 스위칭부;
    상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 승압하여 상기 부하에 전달하는 부스트 컨버터부; 및
    상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 스위칭부는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 제1 스위칭 모드로 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부스트 컨버터부를 통하여 상기 부하로 전력이 전달되는 제1 전력 전달 경로를 형성하고, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 제2 스위칭 모드로 제어하여 상기 전원부로부터 상기 부스트 컨버터부를 통하지 않고 상기 부하로 전력이 전달되는 제2 전력 전달 경로를 형성하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제2 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산하며, 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제2 전력의 크기를 비교한 비교결과에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하며,
    상기 제어부는,
    상기 전원부 출력단의 개방전압 및 단락 전류의 값을 전달받아 MPPT 알고리즘을 이용해 상기 제1 전력을 연산하고,
    부하의 연산 시점에서의 전압을 전달받아 부하의 전압이 상기 전원부에 적용될 때 전원부에서 출력되는 전력인 상기 제2 전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부를 상기 제1 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하고,
    상기 스위칭부를 상기 제2 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터부는,
    일단이 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 전원부에 연결되거나 차단되는 인덕터;
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 인덕터의 타단에 연결되거나 상기 전원부에 연결되는 컨버터 스위치; 및
    상기 부하로부터 상기 인덕터 방향으로 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하는 역전류 방지 소자;를 포함하는 전력 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 스위치는, 일단이 상기 전원부에 연결되고 타단은 상기 제어부에 의해 제어되는 스위칭 동작에 따라 상기 인덕터의 일단 또는 개방 단자에 연결되며,
    상기 제2 스위치는, 일단이 상기 컨버터 스위치 및 상기 역전류 방지 소자에 연결되고 타단은 상기 제어부에 의해 제어되는 스위칭 동작에 따라 상기 전원부 또는 상기 인덕터의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제1 전력의 크기를 연산하고, 상기 제2 전력 전달 경로로 상기 부하에 전력을 전달하는 경우의 제2 전력의 크기를 연산하며, 상기 제1 전력의 크기 및 상기 제2 전력의 크기를 비교하고,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력이 상기 제2 전력보다 크거나 같은 경우, 상기 제1 스위치의 타단을 상기 인덕터의 일단에 연결하고, 상기 제2 스위치의 타단을 상기 인덕터의 타단에 연결하는 상기 제1 스위칭 모드로 제어하고,
    상기 비교 결과, 상기 제1 전력이 상기 제2 전력보다 작은 경우, 상기 제1 스위치의 타단을 상기 개방단자에 연결하고, 상기 제2 스위치의 타단을 상기 전원부에 연결하는 상기 제2 스위칭 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부를 상기 제1 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT 제어하며,
    상기 스위칭부를 상기 제2 스위칭 모드로 제어하는 경우, 상기 부스트 컨버터부를 MPPT 제어하지 않고 상기 컨버터 스위치를 오프로 동작시키는 것을 특징으로 하는 전력 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전원부로부터 생성되는 전력에 의한 입력 전압을 저장하는 입력측 저장부를 더 포함하는 전력 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터부에 의해 승압된 입력 전압을 저장하는 출력측 저장부를 더 포함하는 전력 시스템.

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