JP2014054175A - インバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータ内部のスイッチのスイッチング回数を減らし、インバータのスイッチングロスを低減することにある。
【解決手段】本発明の一実施形態によるインバータ100は、スイッチS5を含み、直流電圧を半波整流されたサイン波形の電圧に変換するコンバータ120と、スイッチS1〜S4を含み、前記半波整流されたサイン波形の電圧をサイン波形の電圧に変換するスイッチング素子部130と、コンバータ120のスイッチS5及びスイッチング素子部130のスイッチS1〜S4のオン/オフを制御する制御部115とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、インバータに関し、より詳細には高効率のインバータに関する。
従来のインバータにおいては、入力部による入力電圧がDC/DCコンバータ(ブーストコンバータ又はバックコンバータ)により昇圧又は降圧されると、スイッチング素子部のPWM制御による4つのスイッチの高速スイッチングにより、昇圧又は降圧された入力電圧を交流電圧に変換する。その後、その変換された交流電圧は、フィルタのフィルタリングにより直流電圧に変換される。
しかし、従来のインバータにおいては、インバータ内部の全てのスイッチが高速スイッチングするため、スイッチングロスの発生が多いという問題があった。
本発明の目的は、インバータ内部のスイッチのスイッチング回数を減らし、インバータのスイッチングロスを低減することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態によるインバータは、スイッチを含み、直流電圧を半波整流されたサイン波形の電圧に変換するコンバータと、スイッチを含み、前記半波整流されたサイン波形の電圧をサイン波形の電圧に変換するスイッチング素子部と、前記コンバータのスイッチ及び前記スイッチング素子部のスイッチのオン/オフを制御する制御部とを含む。
上記目的を達成するために、本発明の他の実施形態によるインバータは、第1インダクタと、前記第1インダクタの一端に接続された一端を含む第1スイッチと、前記第1スイッチの一端に接続された一端を含む第1コンデンサと、前記第1コンデンサの他端に接続されたアノード及び前記第1スイッチの他端に接続されたカソードを含むダイオードと、2つの入力端及び2つの出力端を有するブリッジ形に接続された4つの第2スイッチと、制御部とを含み、前記2つの入力端が前記ダイオードの両端にそれぞれ接続される。
本発明によれば、インバータのスイッチングロスを低減し、インバータの効率を向上させることができる。
本発明の一実施形態によるインバータの回路図である。 本発明の一実施形態によるチュックコンバータ内部のスイッチのスイッチングデューティを示す図である。 本発明の一実施形態によるチュックコンバータの出力電圧の波形図である。 本発明の一実施形態によるスイッチング素子部の出力過程のフローチャートである。 本発明の一実施形態によるスイッチング素子部のスイッチのスイッチングデューティを示す図である。 本発明の一実施形態による出力電圧の波形図である。 本発明の他の実施形態によるインバータの回路図である。 本発明の他の実施形態によるフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ内部のスイッチのスイッチングデューティを示す図である。 本発明の他の実施形態によるフィルタ部分が除去されたチュックコンバータの出力電圧の波形図である。 本発明の他の実施形態によるスイッチング素子部のスイッチのスイッチングデューティを示す図である。 本発明の他の実施形態による出力電圧の波形図である。
以下、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明は、ここに説明する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実現することができる。なお、本発明をより明確に説明するために、図面において、説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号を付す。
明細書全体にわたって、ある部分がある構成要素を「含む」ということは、特に断らない限り、他の構成要素を排除するのではなく、他の構成要素をさらに含むこともあるということを意味する。
明細書全体にわたって、ある部分が他の部分に「連結」又は「接続」されているということは、「直接連結」又は「直接接続」される場合も含み、中間にさらに他の部分が存在する場合も含む。
本発明のインバータは、単独で使用して単相インバータで動作するようにしてもよく、例えば3つを連係して3相インバータで動作するようにしてもよい。また、本発明のインバータは、系統連係型、独立型、モータドライバ用など、インバータが用いられる装置に様々な用途で使用することができる。
以下、図1〜図6を参照して本発明の一実施形態によるインバータを説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるインバータの回路図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態によるインバータ100は、入力部110、制御部115、チュックコンバータ120、スイッチング素子部130及び出力部140を含む。
入力部110は、入力電圧(Vi)をチュックコンバータ120に出力する。
本発明の一実施形態による入力部110は、コンデンサC1を含む。
本発明の一実施形態による入力部110内部のコンデンサC1は、一端がプラス端子に接続されており、他端がマイナス端子に接続されている。
制御部115は、スイッチング信号によりスイッチのオン/オフを制御する。
本発明の一実施形態による制御部115は、スイッチング信号を調整することにより、スイッチのスイッチングデューティを変更することができる。
チュックコンバータ120は、入力電圧(Vi)を受けて出力電圧(Vinv1)をスイッチング素子部130に出力する。
本発明の一実施形態によるチュックコンバータ120は、第1インダクタL1、第2インダクタL2、第1コンデンサC2、第2コンデンサC3、ダイオードD1及びスイッチS5を含む。
第1インダクタL1の一端はコンデンサC1の一端に接続されており、第1インダクタL1の他端は第1コンデンサC2の一端に接続されている。
チュックコンバータ120内部のスイッチS5の一端は第1インダクタL1と第1コンデンサC2の接点ノードに接続されており、チュックコンバータ120内部のスイッチS5の他端はマイナス端子に接続されている。
第1コンデンサC2の他端は第2インダクタL2の一端に接続されている。
第2インダクタL2の他端は第2コンデンサC3の一端に接続されている。
第2コンデンサC3の他端はマイナス端子に接続されている。
ダイオードD1のアノードは第1コンデンサC2と第2インダクタL2の接点ノードに接続されており、ダイオードD1のカソードはマイナス端子に接続されている。
入力電圧(Vi)に対するチュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)の比は、数式1のように定義される。
(数式1)
Figure 2014054175
(Vinv1:チュックコンバータ120の出力電圧、Vi:入力電圧、D:チュックコンバータ120内部のスイッチS5のスイッチングデューティ)
数式1によれば、チュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)は、スイッチングデューティを調整するとそれに対応して変更される。
本発明の一実施形態によれば、入力電圧(Vi)として一定のDC電圧が印加される場合、制御部115がチュックコンバータ120内部のスイッチS5のスイッチングデューティ(D)を変更すると、スイッチS5のスイッチングデューティ(D)の数値に対応して、チュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)が変更される。従って、スイッチS5のスイッチングデューティ(D)の数値を調整して使用者が希望するチュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)を得ることができる。本発明の一実施形態においては、制御部115がスイッチS5のスイッチングデューティ(D)を調整すると、本発明の一実施形態によるチュックコンバータ120は、入力電圧(Vi)を半波整流されたサイン波形の電圧に変換して出力する。
図2は、本発明の一実施形態によるチュックコンバータ内部のスイッチのスイッチングデューティを示す図であり、図3は、本発明の一実施形態によるチュックコンバータの出力電圧の波形図である。
本発明の一実施形態によれば、図2のように制御部115がチュックコンバータ120内部のスイッチS5のスイッチングデューティを任意に調整すると、チュックコンバータ120は、出力電圧(Vinv1)として、図3のような半波整流されたサイン波形の電圧を出力する。
スイッチング素子部130は、チュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)の入力を受けて出力電圧(Vout1)を出力する。
本発明の一実施形態によるスイッチング素子部130は、4つのスイッチS1、S2、S3、S4を含む。
本発明の一実施形態によるスイッチS1〜S4は、直列接続された第1、第2スイッチS1、S2及び直列接続された第3、第4スイッチS3、S4が、それぞれ第2コンデンサC3と並列に接続されている。
本発明の一実施形態によるスイッチS1〜S4は、制御部115のスイッチング信号により動作する。本発明の一実施形態によれば、制御部115は、スイッチング信号を調整することにより、1組の第1、第4スイッチ(第1組のスイッチ)S1、S4と他の1組の第2、第3スイッチ(第2組のスイッチ)S2、S3とを組別に交互にスイッチングする。
スイッチのスイッチング時点は、スイッチング素子部130の出力電圧が0(ゼロ)になる時点である。
図4は、本発明の一実施形態によるスイッチング素子部の出力過程のフローチャートである。
次に、図4を参照してスイッチング素子部130の出力過程を説明する。
制御部115は、スイッチング素子部130にチュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)が入力されることを感知する(S101)。本発明の一実施形態によれば、チュックコンバータ120の出力電圧(Vinv1)は、半波整流されたサイン波形を有する。
その後、制御部115は、スイッチング信号をスイッチS1〜S4に送り、第1組のスイッチS1、S4をオフし、第2組のスイッチS2、S3をオンする(S103)。
第1組のスイッチS1、S4がオフされ、第2組のスイッチS2、S3がオンされると、スイッチング素子部130は、入力をそのまま出力する。本発明の一実施形態によれば、スイッチング素子部130は、半波整流されたサイン波形をそのまま出力する(S105)。すなわち、スイッチング素子部130は、サイン波形の正の部分を出力する。
その後、スイッチング素子部130の出力が0になれば、制御部115は、スイッチング信号をスイッチS1〜S4に送り、第2組のスイッチS2、S3をオフし、第1組のスイッチS1、S4をオンする(S109)。もし、スイッチング素子部130の出力が0にならなければ、制御部115は、スイッチング信号を送らず、スイッチング素子部130が入力をそのまま出力する状態を維持する(S107)。
制御部115がスイッチング信号をスイッチS1〜S4に送り、第2組のスイッチS2、S3がオフされ、第1組のスイッチS1、S4がオンされると、スイッチング素子部130は、入力を反転させて出力する(S111)。すなわち、スイッチング素子部130は、サイン波形の負の部分を出力する。
その後、再びスイッチング素子部130の出力が0になれば、制御部115は、再びスイッチング信号をスイッチS1〜S4に送り、第1組のスイッチS1、S4をオフし、第2組のスイッチS2、S3をオンする。次いで、再び前記ステップS103〜S113を繰り返す。もし、スイッチング素子部130の出力が0にならなければ、制御部115は、スイッチング信号を送らず、スイッチング素子部130が入力を反転させて出力し続ける(S113)。
本発明の一実施形態によれば、前記ステップS101〜S113により、スイッチング素子部130は、半波整流されたサイン波形の入力をサイン波形に変換して出力する。
本発明の一実施形態によれば、まず、制御部115がスイッチング信号により第2組のスイッチをオンして第1組のスイッチをオフした場合、スイッチング素子部130は、出力としてサイン波形を出力する。その後、スイッチング素子部130がサイン波形の正の部分を全部出力すると、制御部115は、スイッチング信号により第2組のスイッチをオフして第1組のスイッチをオンする。このとき、スイッチング素子部130は、入力を反転させて出力する。すなわち、スイッチング素子部130は、サイン波形の負の部分を出力する。また、前記過程を繰り返してサイン波形の電圧を生成することができる。
従って、スイッチング素子部130内部のスイッチS2、S3を閉じてスイッチS1、S4を開いた場合、サイン波形の正の方向が出力され、スイッチング素子部130内部のスイッチS1、S4を閉じてスイッチS2、S3を開いた場合、サイン波形の負の方向が出力される。
本発明の一実施形態によれば、制御部115は、スイッチS5のスイッチングデューティを時間的に変化させてチュックコンバータ120の出力端に半波整流されたサイン波形の電圧がかかるようにし、4つのスイッチS1〜S4を制御してインバータ100の出力端がサイン波形の電圧を出力するようにする。
図5は、本発明の一実施形態によるスイッチング素子部のスイッチのスイッチングデューティを示す図である。
図5から分かるように、スイッチング素子部130内部のスイッチS1〜S4は、チュックコンバータ120内部のスイッチS5よりスイッチングが少ない。
このような方式により、スイッチング素子部130内部のスイッチS1〜S4は、従来とは異なり、半波整流されたサイン波形の出力をサイン波形に変換する役割を果たすだけで、高速スイッチングによるPWM制御には関与しないため、従来と比較してスイッチングロスが低減される。
出力部140は、スイッチング素子部130から出力された値(Vout1)を出力する。
本発明の一実施形態による出力部140は、図1から分かるように、スイッチング素子部130内部のスイッチのうちスイッチS1、S2の接点ノードとスイッチS3、S4の接点ノード間の電圧を出力する。
図6は、本発明の一実施形態による出力電圧の波形図である。
図6から分かるように、本発明の一実施形態による出力電圧(Vout1)は、サイン波形を有する。
以下、図7〜図11を参照して本発明の他の実施形態によるインバータを説明する。
図7は、本発明の他の実施形態によるインバータの回路図である。
図7に示すように、本発明の他の実施形態によるインバータ200は、入力部210、制御部115、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220、スイッチング素子部230、フィルタ部240及び出力部250を含む。
フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220は、入力電圧(Vi)を受けて出力電圧(Vinv2)をスイッチング素子部230に出力する。
本発明の他の実施形態によるフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220は、インダクタL3、コンデンサC4、ダイオードD2及びスイッチS10を含む。
インダクタL3の一端はコンデンサC1の一端に接続されており、インダクタL3の他端はコンデンサC4の一端に接続されている。
フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220内部のスイッチS10の一端はインダクタL3とコンデンサC4の接点ノードに接続されており、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220内部のスイッチS10の他端はマイナス端子に接続されている。
ダイオードD2のアノードはコンデンサC4の他端に接続されており、ダイオードD2のカソードはマイナス端子に接続されている。
入力電圧(Vi)に対するフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220の出力電圧(Vinv2)の比は、数式2のように定義される。
(数式2)
Figure 2014054175
(Vinv2:フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220の出力電圧、Vi:入力電圧、D:フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220内部のスイッチS10のスイッチングデューティ)
数式2によれば、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220の出力電圧(Vinv2)は、スイッチングデューティを調整するとそれに対応して変更される。
本発明の他の実施形態によれば、入力電圧(Vi)として一定のDC電圧が印加される場合、制御部115がフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220内部のスイッチS10のスイッチングデューティ(D)を変更すると、スイッチS10のスイッチングデューティ(D)の数値に対応して、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220の出力電圧(Vinv2)が変更される。
従って、スイッチS10のスイッチングデューティ(D)の数値を調整して使用者が希望するフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220の出力電圧(Vinv2)を得ることができる。本発明の他の実施形態においては、制御部115がスイッチS10のスイッチングデューティ(D)を調整すると、本発明の他の実施形態によるフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220は、入力電圧(Vi)を半波整流されたサイン波形のPWM制御電圧に変換して出力する。
図8は、本発明の他の実施形態によるフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ内部のスイッチのスイッチングデューティを示す図であり、図9は、本発明の他の実施形態によるフィルタ部分が除去されたチュックコンバータの出力電圧の波形図である。
本発明の他の実施形態によれば、図8のように制御部115がフィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220内部のスイッチS10のスイッチングデューティを任意に調整すると、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220は、出力電圧(Vinv2)として、図9のような半波整流されたサイン波形のPWM制御電圧を出力する。
スイッチング素子部230は、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220の出力電圧(Vinv2)の入力を受けて出力電圧(Vout2)を出力する。
本発明の他の実施形態によるスイッチング素子部230は、4つのスイッチS6、S7、S8、S9を含む。
本発明の他の実施形態によるスイッチS6〜S9は、直列接続された第1、第2スイッチS6、S7及び直列接続された第3、第4スイッチS8、S9が、それぞれダイオードD2と並列に接続されている。
本発明の他の実施形態によるスイッチS6〜S9は、制御部115のスイッチング信号により動作する。本発明の他の実施形態によれば、制御部115は、スイッチング信号を調整することにより、1組の第6、第9スイッチ(第1組のスイッチ)S6、S9と他の1組の第7、第8スイッチ(第2組のスイッチ)S7、S8とを組別に交互にスイッチングする。
スイッチのスイッチング時点は、スイッチング素子部230の出力電圧が0(ゼロ)になる時点である。
本発明の他の実施形態によるスイッチング素子部230の出力過程は、本発明の一実施形態のステップS103〜S113の過程に従う。ただし、スイッチS6〜S9は、それぞれスイッチS1〜S4に対応する。また、スイッチング素子部230の入力電圧は、半波整流されたサイン波形の電圧ではなく、半波整流されたサイン波形のPWM制御電圧である。
本発明の他の実施形態によれば、制御部115は、スイッチS10のスイッチングデューティを時間的に変化させてダイオードD2の両端に半波整流されたサイン波形のPWM制御電圧がかかるようにし、4つのスイッチS6〜S9を制御してインバータ200の出力端がサイン波形の電圧を出力するようにする。
図10は、本発明の他の実施形態によるスイッチング素子部のスイッチのスイッチングデューティを示す図である。
図10から分かるように、スイッチング素子部230内部のスイッチS6〜S9は、フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ220内部のスイッチS10よりスイッチングが少ない。
このような方式により、スイッチング素子部230内部のスイッチS6〜S9は、従来とは異なり、半波整流されたサイン波形のPWM制御電圧をサイン波形のPWM制御電圧に変換する役割を果たすだけで、高速スイッチングによるPWM制御には関与しないため、従来と比較してスイッチングロスが低減される。
フィルタ部240は、スイッチング素子部230の出力をフィルタリングする。
本発明の他の実施形態によるフィルタ部240は、インダクタL4及びコンデンサC5を含む。
インダクタL4の一端はスイッチS6とスイッチS7の接点ノードに接続されており、インダクタL4の他端はコンデンサC5の一端に接続されている。
コンデンサC5の他端はスイッチS8とスイッチS9の接点ノードに接続されている。
出力部250は、フィルタ部240でフィルタリングされた値を出力する。
本発明の他の実施形態による出力部250は、図7に示すように、コンデンサC5両端の電圧(Vout2)を出力する。
図11は、本発明の他の実施形態による出力電圧の波形図である。
図11から分かるように、本発明の他の実施形態による出力電圧(Vout2)は、サイン波形を有する。
以上説明した本発明の実施形態は、装置及び方法によってのみ実現されるものではなく、本発明の実施形態の構成に対応する機能を実現するプログラム又はそのプログラムが記録された記録媒体により実現することもでき、このような実現は、前述した実施形態の記載から本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって容易である。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義される本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形や改良形態も本発明の権利範囲に含まれる。
100 インバータ
110 入力部
115 制御部
120 チュックコンバータ
130 スイッチング素子部
140 出力部
200 インバータ
210 入力部
220 フィルタ部分が除去されたチュックコンバータ
230 スイッチング素子部
240 フィルタ部
250 出力部

Claims (9)

  1. スイッチを含み、直流電圧を半波整流されたサイン波形の電圧に変換するコンバータと、
    スイッチを含み、前記半波整流されたサイン波形の電圧をサイン波形の電圧に変換するスイッチング素子部と、
    前記コンバータのスイッチ及び前記スイッチング素子部のスイッチのオン/オフを制御する制御部と
    を含む、インバータ。
  2. 前記コンバータがチュックコンバータである、請求項1に記載のインバータ。
  3. 前記コンバータがフィルタを含む、請求項1に記載のインバータ。
  4. 前記スイッチング素子部の出力端にフィルタが位置する、請求項1に記載のインバータ。
  5. 前記制御部は、前記チュックコンバータ内部のスイッチのスイッチングデューティを時間的に変化させて前記チュックコンバータの出力端に半波整流されたサイン波形の電圧がかかるようにし、前記スイッチング素子部のスイッチを制御して前記インバータの出力端がサイン波形の電圧を出力するようにする、請求項2〜4のいずれか一項に記載のインバータ。
  6. 第1インダクタと、
    前記第1インダクタの一端に接続された一端を含む第1スイッチと、
    前記第1スイッチの一端に接続された一端を含む第1コンデンサと、
    前記第1コンデンサの他端に接続されたアノード及び前記第1スイッチの他端に接続されたカソードを含むダイオードと、
    2つの入力端及び2つの出力端を有するブリッジ形に接続された4つの第2スイッチと、
    制御部とを含み、
    前記2つの入力端が前記ダイオードの両端にそれぞれ接続されている、インバータ。
  7. 前記制御部は、前記第1スイッチのスイッチングデューティを時間的に変化させて前記ダイオードの両端に半波整流されたサイン波形のPWM制御電圧がかかるようにし、前記4つの第2スイッチを制御して前記2つの出力端がサイン波形の電圧を出力するようにする、請求項6に記載のインバータ。
  8. 前記ダイオードのアノードに接続されたインダクタと、
    前記インダクタの他端及び前記ダイオードのカソードに接続されたコンデンサと
    をさらに含む、請求項7に記載のインバータ。
  9. 前記2つの出力端のいずれか一方に一端が接続されたインダクタと、
    前記2つの出力端の他方に一端が接続されたコンデンサとをさらに含み、
    前記インダクタの他端と前記コンデンサの他端とが接続されている、請求項7に記載のインバータ。
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