KR0163412B1 - 공진 전력 전원장치 - Google Patents

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KR0163412B1
KR0163412B1 KR1019940700424A KR19940700424A KR0163412B1 KR 0163412 B1 KR0163412 B1 KR 0163412B1 KR 1019940700424 A KR1019940700424 A KR 1019940700424A KR 19940700424 A KR19940700424 A KR 19940700424A KR 0163412 B1 KR0163412 B1 KR 0163412B1
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KR1019940700424A
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죤 탤봇 보이즈
앤드류 윌리엄 그린
Original Assignee
존 에이 케르노한
오클랜드 유니서버시즈 리미티드
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Abstract

본 공진전력 전원장치는 공진인덕터(10b)로부터 주기적으로 변화하는 자기장을 발생한다. 2개의 능동스위치(18b,18b')는 공진캐패시터(13b)를 포함하는 공진회로(11b)를 외부에서 구동한다. 위상분할 변압기(14)는 비결합 인덕터(12b)를 경유하여 전원장치(15b)로 하나의 접속체를 제공한다; 복귀는 능동스위치를 통하여 이루어지며, 이는 공진전류(11b)를 유지하도록 제어기(19b)에 의하여 교호적으로 구동되거나 또는 오프로 된다. 적용물품들은 유도가열, 조리용 유도 홉, 및 유도적으로 전력이 부여되는 트랙(10d)에 인접한 유도적으로 전력이 부여되는 차량(또는 원격 유도전력 소비자)용의 전원을 포함한다.

Description

[발명의 명칭]
공진 전력 전원장치
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 공진전력 콘버터 또는 전원공급장치 및 그에 대한 응용장치에 관한 것이다.
이러한 콘버터는 특히 유도 가열목적등을 위하여, 또한 공간을 가로질러 전력을 유도전송하기 위한 전력의 공급에 특별히 적용될 수 있다. 여기에서 전력은 이동차량용의 원동력이거나, 또는 조명이나 전자장치와 같은 전원용의 전력; 또는 형광등, 초음파 발생기에서 사용하기 위한 전력, 또는 콤팩트 스위치 모드 전원장치, 우주항공용의 최소한의 변압기중량을 요구하는 응용물용의 전력일 수 있다.
[배경]
유도 가열의 원리는 주지된 것으로서; 유도과정은 도전물질내에서 에디(eddy) 전류를 발생하게 된다. 예를 들면 그것은 요리에 사용되며, 청결하고, 풍부하며 제어가능한 열량을 제공하도록 도전성 음식용기의 재료내에서 열을 발생하는 자기플러스를 1차 코일이 방출하게 된다. 현존하는 전원장치는 작동시에 다루기 힘든 레벨의 의사(疑似) 주파수를 방출하는 경향이 있으며 다소 특별한 파워 반도체장치를 필요로 한다. 요리기구에 특정하게 열을 가하는 기술이 예를 들면 불꽃보다는 바람직하고 효율적이어야 하지만, 상기의 기술은 가정용 요리에서 사용되는 바와 같이 범용적 사용을 위하여 가격이 저렴하고 경제적이다. 또한 유도 가열은 기어 톱니의 경화나, 정련과 같은 제조분야에서도 사용된다.
트랙 또는 규정된 경로를 따라서 원동력을 공급하기 위한 전기의 유도전송원리 또한 주지된 것이나, 이 분야의 발전은 적절한 전력 및 주파수의 교류전기를 발생하는 것 및 배전하는 것의 어려움에 의하여 정체되고 있다.
유도반송은 종래의 케이블 또는 코넥터가 적절하지 않은 상황; 예를 들면 극장에서의 발화에 의하여 발생될 수 있는 폭발위험, 또는 수중용도(풀장에서와 같은)에 있어서의 사람의 쇼크 위험, 또는 다수개의 전력인입선의 묶음이 바람직하지 않은 기타 장소에서의 상황을 위하여 종종 제안되었다.
[종래기술]
유도형 조리기용으로 특별히 사용되는 공진전력 전원장치는, 병렬-공진 유도 조리유니트를 개시하고 있는 스타이거월드의 미합중 특허 제4,426,564호(1984. 1. 17)와, 사이리스터 구동 조리기(사이리스터가 공진전류를 전송하는)를 개시하고 있는 피터스 2세의 미합중국 특허 제3,887,781호(1975. 1. 3) 및 공진전류를 전송하는 단일 스위치장치를 개시하고 있는 오기노 등의 미합중국 특허 제4,595,814호(1986. 6. 17) 등에서 전형화되어 있다. 런연의 미합중국 특허 제4,574,342호(1986. 3. 4)는 전기조명 디스플레이에 적절한 저전력 삼각파 발진기를 개시하고 있다.
[목적]
본 발명의 목적은 개선된 공진전력 전원장치, 또는 적어도 유용한 선택으로 대중에게 제공될 수 있는 공진전력 전원장치를 제공하는 것이다.
[발명의 개시]
본 발명은, 그의 가장 일반적인 실시형태에 있어서, 1차 인덕터 및 병렬로 배선된 캐패시터내로 공진전류가 흐르도록 유지되고, 그에 의하여 낮은 고조파 성분의 교류전력을 발생하는 것을 포함하는 공진전력 전원장치를 제공한다. 물론, 인덕터 및 캐패시터는 하나 또는 그 이상의 구별되는 물리적 성질로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 의하면, 전원의 제1단자에 중간단자가 접속되는 3-단자 공진유도 유니트와, 상기 유도 유니트의 대응하는 외부단자에 각 단자가 접속됨으로써 자연 공진주파수와 같거나 또는 자연 공진주파수에 가까운 작동주파수를 가지는 전기적 공진회로를 구성하는 2-단자 공진 캐패시터 유니트와, 전원의 제2단자와 공진회로의 해당 단자의 사이에 접속되며, 폐쇄상태 및 개방상태를 선택할 수 있는 한쌍의 제어가능한 스위칭 장치, 및 각 스위칭장치에 결합되고, 각 스위칭장치를 공진회로의 작동주파수에 대응하는 비율로 다른 스위칭 장치의 상태와는 반대의 위상으로 교대로 개방 및 폐쇄되도록 하는 제어수단을 포함하여 구성되며, 사용시에 공진전류가 스위칭장치의 작용에 의하여 강화되고 공진전류는 스위칭장치를 통하여 흐르지 않으며, 자기장이 유도 유니트로부터 방출되는 것을 특징으로 하는, 주기적으로 변화하는 자기장을 발생하는 공진전력 전원장치를 제공한다.
본 발명의 보다 바람직한 일실시예에 있어서는, 제1의 2-단자 공진유도 유니트와, 상기 유도 유니트의 대응하는 단자에 각 단자가 접속됨으로써, 자연 공진주파수 또는 자연 공진주파수에 가까운 작동주파수를 가지는 전기적 공진회로를 구성하는 2-단자 공진 캐패시터 유니트와, 2개의 외부단자 및 중간접점 단자를 가지며, 작동주파수에서 비교적 높은 리액턴스를 나타냄으로써 사용시에 공전전류가 통하지 않으며, 각 외부단자는 공진회로의 대응하는 단자에 접속되고, 중간접점 단자는 전원의 한 단자에 접속되는 제2의 3-단자 유도 유니트와, 전원의 제2단자와 공진회로의 대응하는 단자의 사이에 접속되며, 폐쇄상태 또는 개방상태로 될 수 있는 한쌍의 제어가능한 스위칭장치, 및 각 스위칭 장치에 결합되고, 각 스위칭장치를 공진회로의 작동주파수에 대응하는 비율로 다른 스위칭장치의 상태와 반대의 위상으로 교대로 개방 및 폐쇄하도록 하는 제어수단을 포함하여 구성되며, 사용시에 공진전류가 스위칭장치의 작용에 의하여 강화되고 공진전류는 스위칭장치를 통하여 흐르지 않으며, 자기장이 제1의 2단자 유도 유니트로부터 방출되는 것을 특징으로 하는, 주기적으로 변화하는 자기장을 발생하기에 적절한 공진전력 전원장치를 제공한다.
보다 상세하게는, 상술한 실시형태에서와 같은 본 발명은, 정전류 직류전원장치로부터, 공진루프내에 낮은 고조파 성분의 교류전력을 생성하기 위하여 공진중간접점단자를 가지는 제1인덕터 및 병렬로 배선된 캐패시터를 사용한 전기 에너지 콘버터 또는 전원장치를 제공한다. 전원전류는 바람직하게는 2-단자 비결합 유도 유니트(실질적으로 일정한 전류를 제공하기 위하여)를 통하여 공진 제1인덕터의 중간접점으로 급전되거나, 또는 중간접점을 가지며 작동 주파수에 대하여 비교적 높은 임피던스를 가지는 제2인덕터가 전력원으로 사용될 수 있다; 그에 의하여 제1인덕터는 2-단자 장치로 될 수 있으며 외부의, 배전선을 포함하여 구성될 수도 있다. 전원전류의 급전은, 인덕터의 각 끝단으로부터, 상보(相補)적인 명령으로 제어되는 2개의 스위칭장치의 어느 것인가를 통하여, 전원전류공급을 위한 복귀경로 취해진다.
본 발명의 특징은 인덕터/캐패시터 루프로의 높은 순환 공진전류의 제한을 포함한다; 순환전류는 제어 스위치를 가로지르지 못한다. 또한 그 전류는 제2의, 중간접점이 달린 인덕터를 가로지르지도 못한다. 스위치 장치 및 제2의 인덕터는 공급된 전류만을 전달한다.
바람직하게는 공급전력은 평활화되지 않고 반파 또는 전파 정류기로부터 얻어진 것과 같은 일정한 또는 균일하게 간헐적인 직류전류이다.
선택적으로, 스위치 장치가 역방향 전압에 견딜 수 있는 것을 포함하여 어떤 극성에서든 나타나는 레벨의 전압을 차단할 수 있고, 원하는 스위칭 속도로 작동할 수 있는 방식이어야 할 때, 공급전력은 교류로 될 수도 있다.
바람직하게는 작동주파수는 450Hz 내지 1MHz의 범위에 들어간다.
보다 바람직하게는 작동주파수는 1 내지 100KHz의 범위내에 있다.
작동주파수는 필요한 조건 및 이용가능한 기술에 관련된 다수의 요인의 근거하에 결정된다; 유도 가열의 경우에는 약 25KHz에서 작동하는 예를 선택하였으며, 반면에 차량을 움직이기 위한 배전용의 공진 전력전원을 위하여는 약 10KHz의 작동주파수를 사용하도록 선택하였다.
보조적인 실시형태에 있어서, 본 발명은 규정된 영역에서 급속하고도 일정하게 변화하는 자기 플럭스의 형태로 유니트 에너지가 방출되는 유도가열 유니트내에 상기 전기적 에너지의 콘버터를 결합하는 것을 포함한다. 이러한 실시형태에 있어서, 본 발명은 유도 가열장치 또는 조리기로서 사용하기에 적절하며, 적어도 유도된 2차 전류 또는 도전성 용기내의 에디 전류의 가열효과로 음식이나 담긴 재료가 가열된다.
선택적으로 하나 이상의 유도성 가열유니트가 단일의 밀폐구조내에 놓여질 수 있다.
관련된 실시형태에 있어서 본 발명에는 입력되는 주 전원의 정류에 의하여 얻어진 간헐적인 정류인 DC가 공급되나, DC의 연속적인 흐름을 필요로 하는 것은 아니며; 이는 1에 가까운 입력 역률(力率)의 제공을 허용한다.
제2의 보조적인 실시형태에서, 본 발명은 자기 플럭스 콘버터에 전기를 공급하고, 입력되는 전기적 에너지는 상술한 바와 같이 교류로 변환되고, 콘덕터의 수단에 의하여 전기가 공진전류를 전송함에 따라 규정된 영역 또는 트랙이나 경로를 따라서 급전된다. 관련된 장치들은 콘덕터로부터 방출된 자기 플럭스로부터 유도 전송수단에 의하여 전력을 수집하는 급전 네트웍으로부터의 전력을 소비하도록 채택된다.
상술한 바와 관련된 실시형태에 있어서, 주파수가 실질적으로 고정되어야 하는 적용분야가 있게 됨에 따라, 바람직하게는 스위치와 함께 캐패시터쌍을 사용하여 공진주파수를 전기적 및 수동으로 또는 자동적으로 동조하는 임의의 방법이 제공된다.
제3의 보조적인 실시형태에 있어서, 본 발명은 일반적으로 낮은(전형적으로는 50,60 또는 400Hz) 주파수를 가진 교류전원으로부터 상기 범위내의 주파수를 가지는 낮은 고조파 성분의 교류전력을 발생하기 위하여, 공진 인덕터 및 병렬로 배선된 캐패시터를 사용하여, AC/AC형, 또는 최종 정류단계를 가지는 AC/DC형의 전원장치 또는 전기적인 에너지 변환기를 제공한다. 콘버터로 얻을수 있는 주파수가 높을수록, 변압기의 코어재료가 적게 사용된다.
바람직하게는 콘버터에는, (a) 입력메인을 정류하고 전압을 내부 버스상의 높은 직류전압으로 승압함으로써, 입력메인 전원에 대하여 1에 가까운 전력률을 나타내는 것이 가능하도록 하고, (b) 전류 및 오류방지를 제공하며, 또한 (c) AC로 다시 변환하기 위하여 높은 전압의 직류를 낮은 전압으로 감소하기 위하여 적어도 한개의 전원모듈이 마련된다.
제4의 보조적인 실시형태에 있어서, 본 발명은 공진부로 공급된 직류의 전압을 승압, 강압 또는 정류 및 평활하는 중간 단계와 함께, 교류전원으로부터 낮은 고조파 성분의 전력을 발생하기 위하여 공진 인덕터 및 그와 병렬로 배선된 캐패시터를 사용한 전기적 에너지 콘버터 또는 전원장치를 제공한다.
관련된 실시형태에 있어서, 본 발명은 실질적으로 1과 동일한 입력 역률을 제공하는 중간단계와 함께, 교류전원으로부터 낮은 고조파 성분의 교류 전력의 발생을 위하여 공진 인덕터 및 병렬배선의 캐패시터를 사용한 전원장치 또는 전기적 에너지 콘버터를 제공한다.
제5의 보조적인 실시형태에 있어서, 본 발명은 트랙 또는 레일을 따라서 이동하는 저장 트롤리(trolley)와 같은 이동차량으로, 고정 콘덕터로부터의 전력을 유도결합하기에 적절한 저전압, 고전류의 AC를 발생하는 전기적인 에너지 콘버터를 제공한다.
다른 실시형태에 있어서, 본 발명은 형광램프에 에너지를 부여하는 등과 같이 전력조명용으로 최적화된 전력을 발생하기에 적절한 전기적 에너지 콘버터를 제공한다.
[도면의 간단한 설명]
이하는 예시적인 목적만을 위하여 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 형태에 관한 내용이다.
제1a,1b,1c 및 1d도는 출력에 따라서 변화하는 자기장을 가지는 공진전원장치를 포함하여 구성되는 전원장치의 단순화된 도면.
제1d 및 1f도는 회로의 공진주파수를 미조정하기 위한, 용량 및 유도수단을 나타낸다.
제2도는 유도결합된 레일궤도에 에너지를 공급하기 위한 레일에너지공급기로서 사용하도록 구성된 본 전원장치의 제2실시예의 도면(제2실시예).
제3도는 제2도의 부스트 제어기의 상세내용을 나타내는 도면(제2실시예).
제4도는 제2의 벅(buck) 제어기의 상세내용을 나타내는 도면(제2실시예).
제5도는 제1도 및 제2도의 공진 콘버터 제어기의 상세내용을 나타내는 도면(제2실시예).
제6도는 유도전력 요리판 또는 홉의 구성을 나타내는 도면(제1실시예).
제7도는 상당한 인덕턴스를 가진 유도결합된 트랙과 함께 공진전력 콘버터를 사용하는 구성을 나타내는 도면(제4실시예).
제8도는 앞의 도면의 실시예의 제2권선에 대한 강자성 코어의 구성을 나타내는 도면.
제9a 및 제9b도는 지나치게 높은 출력이 검출되었을 경우에 2차 코일을 결합으로부터 해제하기 위한 2가지 방법을 나타내는 도면(제4실시예).
제10도는 제어기 회로로부터 떨어져 있는 요리판 또는 홉의 다른 바람직한 실시예의 도면.
제11 및 11a 내지 11e도는 요리판 또는 홉용의 제어기용 회로를 나타내는 도면.
다른 실시형태에 있어서, 본 발명은 청소용 목적에 사용되는 바와 같은, 초음파 변압기에 최적인 전력을 발생하기에 적절한 전기적 에너지 콘버터를 제공한다.
다른 실시형태에 있어서, 본 발명은 일정한 변화율을 가지는 자기 플럭스의 사용이, 펄스화된 플럭스의 변화를 이용하는 방식에 대한 장점을 가지는 스위치-모드 전원장치의 한 방식을 제공한다.
[바람직한 실시예]
이하에서 기술되는 바람직한 실시예는 중간-주파수 공진전력 전원장치에 의하여 생성되는 교류에 관계된 것이며, 여기에서 중간 주파수라 함은 대부분의 국가에서 50 내지 60Hz인 전원메인의 주파수이상의 주파수를 말하며, 1MHz 이하이다. 바람직한 실시예는 본 발명의 전력 전원장치에 대한 새로운 적용분야, 새로운 환경적 제한 또는 개선된 구성부품의 이용가능성과 같은 경우가 발생되어, 다른 대역의 주파수가 도출될 여지가 있을 수는 있으나, 25KHz 및 10KHz의 작동주파수를 가진다.
공진전력 전원장치는 비교적 큰 전류의 공진전기가 흐를 수 있는 폐쇄된 루프를 형성하도록 접속된 인덕터 및 캐패시터로서 고려될 수도 있다; 이 전류는 정전기적 또는 자기적 에너지로서 일시적으로 교대로 저장된다. 공진 인덕터 자체는 본 발명의 대부분의 실시형태에 있어서 주기적으로 변화하는 자기적 에너지원으로서 채택된다; 그 이유는 공진전력 전원장치가 비교적 강한 전자계를 가진다는 장점을 가지고, 플러스의 변화율이 비교적 일정하기 때문이며, 공진전류는 삼각파형에 유사해진다. 삼각파형의 장점은, 동조된 2차 코일이 사용될 수 있다면 불필요한 고조파의 형태로 낭비되는 것이 적고 또는 표면효과의 손실이 적다는 점이며, 통신장치와의 간섭문제가 일어나는 경우에 비교적 적은 고조파 에너지가 방출된다는 점이다. 바람직한 대칭 구동기의 구성은 고조파를 감소시키는 경향도 있다.
사용시에, 적절한 순간에서의 각 스위치의 반주기 폐쇄상태-즉, 위상감지 스위칭-는, 그네에 매달린 어린이를 밀어주는 것처럼 코일의 어느 쪽을 통하여 공급전류가 흐르도록 함으로써 순환전류를 증가하도록 기능한다. 만약 양쪽이 동시에 턴온되면 스위치들이 순환전류를 차단한다. 공진의 진폭에 대한 제어는 스위칭장치의 만주기를 제한함으로써 행해질 수도 있으나, 바람직하게는 걸리는 전압이 0일 때만 스위치가 온 또는 오프로 되도록 각각 구성함으로써, 고조파 방출을 피한다.
바람직하게는 공진전류의 제어는, 스위칭장치의 반주기 에너지 공급을 유지한채로, 회로에 공급된 입력전력을 변화시킴으로써 행한다(전류제한 또는 전압제어에 의하는 것과 같다).
전류원을 제공하고 공진회로에 걸리는 전압이 제한없이 자유롭게 발진되도록 하기 위하여 공진회로를 가로질러(또는 일부를 형성하도록) 중간접점 인덕터사이에 비결합 인덕턴스가 마련된다.
다양한 스위치장치가 본 발명에서 사용될 수 있다. 제1a도는 종래의 스위치로서의 장치를 나타낸다; 그러나 솔리드-스테이트 스위치(또는 기타 진공관과 같은 능동소자)가 작동속도를 감당하기에 적합하다. 제1b도는 바이폴라 트랜지스터를 나타내며, 제1c도는 일방향보다는 AC 전원장치에 채택되는 트라이액을 나타내며, 제1d도는 바람직한 IGBT 파워트랜지스터를 나타낸다. 제11e도는 파워 MOSFET 트랜지스터를 나타낸다. 적절한 스위칭장치의 선택은 전류 및 전압 정격과, 필요한 스위칭 속도 및 양방향(AC 가능한) 스위치가 필요한가 아닌가에 달려 있으며, 특히 필요한 정방향 정격전압은 DC전압(또는 피이크 AC 전원)의 적어도 파이(3.142)배이다. 역방향 보호 다이오드는 제1도에는 나타내지 않았으나, 제10도에 나타내었다(1200V 어밸런쉬 다이오드로서).
그와 같은 회로의 작동주파수의 정밀한 제어가 필요하다면 제1e도 또는 제1f도와 같은 회로가 제공될 수 있다. 제1a 내지 1d도중의 어느 것의 중앙부로서 간주될 수 있는 제1e도에 있어서; 바람직하게는 2치 또는 유사한 값의 용량치를 가지는, 캐패시터(C10) 및 (C10'), (C11) 및 (C11')과 (C12) 및 (C12')의 쌍들이, 관련된 반도체스위치들을 도전성으로 되도록 함으로써 접속 또는 비접속된다. 이 제어방법은 자동으로, 리얼타임으로 미조정하기가 용이하다.
선택적으로, 제1d도의 상부단면의 복제부인 제1f도에서 나타낸 바와 같이, 인덕턴스는 미조정될 수 있으며, 특히 규정된 경로 또는 궤도 주위의 공진회로(11f)로부터 유도전력을 급전하기 위한 설비의 경우에 적용가능하다. 일단 방출 와이어(10f)가 제자리에 있으면, 그의 주위에 강자성 토로이드를 배치함으로써 인덕턴스를 설계치로 할 수 있다; 인덕턴스의 관점에서, 약 1미터의 리츠(Litz) 와이어에 상당하는 리츠 와이어 콘덕터(101)의 둘레에 각 토로이드가 놓인다. 공기갭(102a)은 투자율을 제한하기에 바람직한 것으로 알려져 있다. 바람직하게는 토로이드는(103,103')로서 표시된 전원장치에 인접한 각 콘덕터의 둘레에 대칭적으로 부가되며, 이들은 유기된 순시치에 대하여 전원장치를 보호하는 장치를 제공한다. 전류의 전송을 극대화하기 위하여 시스템 전체의 중심 주파수에 합당하도록 2차 픽업권선이 동조될 수 있는 설비에서는 매우 정밀한 발전주파수가 바람직하다.
유도가열용의 중간 주파수 전력을 공급하기 위한 공진회로의 사용은 전자 간섭의 발생을 최소화하는데, 그 이유는 출력의 고조파 성분이 적기 때문이다.
[실시예 1]
[유도 홉(HOB)]
본 실시예에 있어서, 제1a도 내지 1c도에서 개략적으로 나타내고, 제10, 11, 및 11a 내지 11e도에서 상세하게 나타낸 회로도에서의 전력 전원장치는, 유도가열 목적의 약 2Kw의 전력을 제공할 수 있는 25KHz 유니트를 포함하여 구성된다. 제10도의 제어기는 제11도에서 상세하게 나타내었다. 이 전력은 조리기, 홉 또는 스토브의 상부에서 비도전성면 아래에 놓인 도포된 동의 나선형 코일로부터 변화되는 자기장으로서 방출된다. 사용시에, 종래의 저항성 전기소자와는 다른, 가스조리기에 보다 유사하지만 가스화염에 의한 과열이 없는, 거의 연속적으로 변형가능한 열을 제공한다.
제1a도는 홉상의 음식의 용기를 유도적으로 가열하기 위하여 사용될 수 있는 기본적인 회로도를 나타낸다. 본 도면에 있어서, (10a)는 바람직하게는 홉의 바로 아래에 위치되고 제6도의 도전성 음식용기(61)의 재료로 에너지를 전달하는데 사용되는 반송코일을 나타낸다(바람직하게는 평평한 나선형의 형태로 꼬인 도포된 또는 절연된 동으로 만들어지며 제6도에서 나타낸 바와 같이 감겨짐). 음식용기는 바람직하게는 동 또는 알루미늄보다는 강철 스테인레스강으로 만들어진다. 용기내의 음식 또는 기타 재료의 온도는, 음식용기의 벽 및 특히 바닥내에서 유도된 에디 전류(동 또는 알루미늄)와 히스테리시스 손실, 기타(강자성물질)에 의하여 발생된 열의 수단에 의하여 증가된다. 2차적인 공진이 관련되어 있지 않으므로, 사용중에 정확한 주파수로 고정될 필요는 없다.
본 회로에 있어서, 공진인덕터(10a)로부터의 자기 플럭스의 방출은 이 전력전원장치의 출력으로 구성된다. 인덕터내의 공진전류는 또한 공진전류의 레벨에 따른 온도의 증가를 최소화하고 견딜 수 있는 여러개의 개별 캐패시터로 구성되는 공진캐패시터(13a)를 통하여 지나간다.
부호(18a) 및 (18a')로 나타낸 능동스위치에 의하여 공진회로의 한쪽 또는 다른 끝단에 선택적으로 접속된 전원(15a)으로부터의 전력에 의하여 전송된 에너지가 공간 또는 2차 부하로 공급된다. 제어기(19a)는 위상(0-크로싱으로서)과 순환하는 공진전류의 진폭을 검지하고, 전류를 증폭하기 위하여 반-주기 기간에 스위치중의 하나 또는 다른 것을 턴온한다. 통상의 사용시에는, 공진전류가 충분한 때와 같이 양 스위치가 오프되고, 또는 다른 스위치의 제어에 대한 상호보충적인 방식으로 그의 능동 극점에서 공진전류와 상을 같이하여 각 스위치가 턴온된다. 따라서 전류는 폐쇄된 회로(18a 또는 18a')를 통하여, 또한 공진회로의 반쪽을 통하여 흐르고 전원장치(15a)로 돌아온다. 바람직하게는 스위치들은 동시에 온되지는 않는데, 이는 그를 통하여 공진전류가 감소될 수가 있기 때문이다.
본 발명의 본 실시예의 변형례는 다음의 내용을 포함한다:
제1b도에 있어서, 공진전류에 대한 분리장치로서 작용하도록 제2의, 위상-분할 변압기(14)를 마련함으로써 공진회로의 어느 한쪽으로 비결합 인덕터를 통하여 전원장치(15b)로부터의 공급전류의 급전을 허용한다. 바람직하게는 전력전원장치는 정전류 전원장치이다. 이는, DC 전원장치(15b) 및 비결합 인덕터(12b)를 마련함으로써 달성된다. 유사한 비결합 인덕터(12c,12d)를 제1c도 및 제1d도에 나타내었으며, 제1a도에도 마련될 수 있다. 선택적으로 일정한 전류전원장치를 제공하는 다른 수단이 사용될 수 있다.
위상분할 변압기(14,14d)의 사용이 바람직한데, 인덕터(10a)(또는 제1a도)의 중간접점에 대한 정확한 위치는 그의 위에 놓여진 요리기의 위치 및 크기에 다소 의존한다. 만약 접점이 스위칭 장치상의 부하에 전기적으로 위치맞춤되지 않으면, 메인 전원장치로의 공진전류량이 변화될 수도 있다.
모든 경우에 있어서, 공진주파수의 전류가 일반메인 전원장치로 들어가는 것을 방지하기 위하여는 로우-패스 필터링이 유용하다. 필터링은 제10도에서 나타낸 바와 같다. 비결합 인덕터는 공진전류가 전원장치로 들어가는 것을 방지한다.
유도가열 홉 또는 '소자'는 바람직하게는 종래의 저항적인 가열소자에 의하여 사용되었던 공간내에 맞도록 설계된다. 공진전력 전원장치는 다소 콤팩트해졌으며, 냉각팬을 필요로 하지 않으며, 제어기(19a), (19b), 또는 (19c)가 거리를 두고 위치될 수 있다. 실제적인 방출 코일은 바람직하게는 경화유리와 같은 재료의 표면의 아래면에 놓이는 나선 동으로 구성되며, 바람직하게는 자성띠 또는 자성층이 나선위의 영역에 대한 자계를 제한하도록 일종의 코어로서 사용될 수 있다.
종래의 조리기로서, 전압계(제11도, 11a도 내지 제11e도의 전력제어기)와 같은 외부 제어기가 전력의 평균 전송률을 설정하도록 사용될 수 있다. 선택적으로, 제11도 및 제11c도의 기구 검출기와 같은 피드백 센서가 용기의 온도상태 또는 용기의 존재여를 검출하는데 사용될 수 있다. 기타 센서, 예를 들면 열센서(서어미스터의 쌍과 같은)가 사용될 수 있으며, 또는 음향센서가 끓어오르기의 강도나 시작을 검지하도록 사용될 수 있다. 조리면상에 놓인 무게에 감응하는 마이크로 스위치가 조리용기가 없을 때에 방출을 방지하도록 유용하게 사용될 수 있다. 제11c도에 나타낸 바람직한 기구센서는 전류드레쉬호울드치 모니터로서, 방출된 자기플럭스를 흡수하는지의 여부를 검지하기 위한 것이다.
장식적인 세라믹재료가 외부에 피복된 단조강철 또는 스테인레스강철재료로 구성되는 조리용기가 구성될 수 있다. 이는 종래의 후라이팬의 긴 손잡이를 필요로 하지 않는데, 왜냐하면, 전원으로부터 멀리 떨어져 있거나 또는 열원로부터 멀리 떨어져야 할 필요가 있는 열전달이 거의 없기 때문이다.
제6도는 제1a도 및 제10도와 관련되므로 이하에서 기술한다. 이는 유도적으로 에너지를 얻은 홉(60)의 예이며, 여기에서 부호(61)는 도시된 최소한의 손잡이(63)를 가지는 요리용기를 나타낸다. 부호(63)는 비-도전적인 재료의 지지층으로서, 바람직하게는 경화유리로 구성되며, 바람직하게는 사용자에게 에너지화된 영역을 규정하는 것을 도와주는 장식적인 패턴을 가지고 있다. 부호(64)는 전기에너지를 전송하는 절연된 매듭형 평면 용수철이다. 코넥터(65)도 도시되어 있으며, 중간접점(제1a도의 구성에 대하여)은 나타내지 않았다. 기판(66)상에는, 쿠커 또는 스토브의 재료에 대하여 아래쪽이 아니라 실질적으로 위쪽을 향하여 방출되도록 아래쪽으로의 플럭스를 연결시킴으로써 자계와 상호 작용하도록 4개의 강자성 띠(67)가 마련된다. 선택적으로 이 재료는 작동주파수에서 적절히 낮은 손실을 가지는 강자성체 또는 기타 재료의 판일 수 있다. 스페이서 및 지지구들은 이 확대도에는 포함되지 않았다.
제1a도 내지 제1d도를 참조하면, 발생된 전기에너지는 실질적으로 순수한 교류삼각파이며, 본 실시예에서는 캐패시터(13) 및 병렬로 접속된 코일(10), (14)에 의하여 형성되는 병렬공진 또는 탱크회로이다. 삼각파의 정교도는 공진회로의 부하, 실제로는 Q에 따른다. 교류의 3번째 고조파는 제10도에서 나타낸 실시예에서는 LC회로의 Q값이 3인 부하의 전형적인 조건하에서, 본파의 진폭의 대략 5%로 감소된 것이며, 5번째 고조파는 대략 2% 감소된 것이다.
코일(14) 또는 (14d)은 위상-분할 변압기로서 알려진 것이다. 이는 바람직하게는 강자성 코어상에 감겨진 것이며 전원장치의 전류를 전송하기 위하여 중간접점이 달린 것이다. 본 실시예인 공진전력 전원장치에 대한 3-단자 인덕터의 부가에 따른 장점은 공진전류의 아주 작은 부분만이 이 인덕터를 지나간다는 것이며 따라서 커질 이유가 없다는 것이다. 부하의 불균일이 유도가열 응용부에 발생하거나, 또는 급전목적의 수백미터의 연장된 루프를 형성할 때, 공진 인덕터 그 자체에 중간접점을 마련하는 것이 편리한 다수개의 응용장치가 있다. 제10도에서 나타낸 바와 같이, (L101)으로의 전원장치의 전류는, 브리지 정류기(BR101)에 의하여, 본 바람직한 실시예에서 구성된 DC 전원장치로부터 비결합 쵸크(L102)를 통과한다. (L102)은 전원을 전압원이라기 보다는 전류원으로 만든다. 이 정류기는 직류메인 전기가 공급될 수 있으며, 또는 전력은 낮거나 또는 높은 전압으로 임의의 수단에 의하여 변환될 수 있다. DC 전원장치는 미조정될 수도 있으나, 바람직하게는(경제적 이유를 위하여, 보다 특별하게는 기능적 공진전력 전원장치의 역률이 1에 근접하도록) 미조정되지 않은 것이다.
제10도의 공진전력 전원장치에서 사용된 능동 스위치장치의 쌍은 바람직하게는 반도체 스위치(Q101) 및 (A102)이다. 이들은 본 실시예에서는 파워 산화금속-실리콘 전계효과 트랜지스터 또는 MOSFET로서 도시되었으나, 이들은 바람직하게는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 또는 선택적으로는 GTO(Gate turn-off) 사이리스터, 또는 기타 적절한 반도체 스위치이다. 가능성의 범위는 마찬가지로 제1도에서 나타내었다. 몇몇 IGBT 장치가 본 구조에 있어서의 스위치에 대한 경제적인 방식을 제공한다. 스위치 장치는 공진 탱크 회로의 한쪽 다리를 통하여 교대로 전류를 스위칭하도록 할 수 있으며, 제10도에서 나타낸 바와 같이 제어 모듈하에서 도출된 게이트 신호에 의하여 다른 다리를 통하여도 스위칭할 수 있다. 제어기 회로의 상세한 내용은 제11도 및 제11a 내지 제11e도에서 상세하게 나타낸 블록 다이어그램에서 나타낸 바와 같다. 반도체 스위치들은 바람직하게는 완전히 온 또는 오프상태로 작동되며, 부분적인 도전상태는 없다. 제어펄스는 바람직하게는 고조파의 발생을 최소화하기 위하여 공진 2차 전류의 주기의 50%의 고정된 주기로써 발생된다.
출력제어의 수단으로서 또는 전류제한의 수단으로 출력 구동기가 사용될 수 없다면, 어떠한 반도체스위치도 턴온되지 않는다. 만약 양쪽 스위치가 동시에 온으로 되어야 한다면 동시에 공진전류는 이들을 통과하지 않는다.
본 실시예의 변환예에 있어서, 부가적인 스위치쌍들이 메인 스위칭 장치와 병렬로 접속된다; 각 부가적인 쌍의 각 스위치들은 매칭된 직렬의 평활캐패시터를 가지며, 이는 공진캐패시터보다는 작은 값을 가지는 것이다. 부가적인 스위칭의 각 쌍은 LC 회로에 부가적인 캐패시턴스를 접속하도록 함으로써 주파수를 조정하는 수단을 제공하도록 온 상태로 고정될 수 있다.
역방향 다이오드(D101), (D102)는 과도현상에 대한 보호책으로서 반도체스위치를 가로질러 놓인다. 이들은 어떤 방식의 스위치용으로는 스위치내에 일체로 결합될 수 있다. 본 실시예에서는 1200V의 어밸런쉬 다이오드이다.
공진주파수에서 제어펄스를 제공하는 제1도의 공진 제어기(19a),(19b),(19c)는 바람직하게는 공진코일과 제어 반도체사이의 링크의 각각으로부터 동기신호를 도출해낸다. 바람직하게는 제어기는 코일에 근접하여 놓인 조리용기의 부하를 감지할 수 있으며, 어떠한 용기도 근처에 없으면 출력이 억제된다. 바람직하게는, 제어는 가능하지만 비주기적인 비율로 AC 메인의 임의로 선택된 반주기용 게이트 제어펄스를 발생하지 않음으로써 열량을 제어를 하는 것도 가능하다. 조리시간의 설정 또는 시간을 미리 설정하기 위하여 스토브 또는 쿠커에서 일반적으로 사용되는 방식의 타이밍 클록이 마련될 수 있다. 선택적으로, 온도를 폐쇄루프 조정할 목적으로 음식온도의 열적 감지장치가 마련될 수 있다. 선택적으로, 끓음에 의하여 발생된 진동의 검지도 제어 입력으로 될 수 있다.
제10도, 제11a도, 11b도는 유도쿠커 또는 홉의 다른 실시예를 기술한다.
제10도는 제11a도 내지 제11e도에서 상세히 나타내었으나, 제어기는 블록으로 나타낸 전체 홉 회로를 도시한다. AC 메인 입력은 왼쪽이며, 용수철 코일은 오른쪽이다. 메인 전압은 브리지 정류기(BR101)를 통과하며 캐패시터 필터링이 없기 때문에 역률이 1에 가깝다. 1μF 캐패시터(C101)은 방출된 간섭을 최소화하며, 인덕터(L102)는 전압제어 파워 전원장치를 전류원으로 변환하며, 저항(L102)은 브리더(bleeder) 저항이다. 평활화되지 않은 DC가 인덕터(L101)의 w중간접점에 인가되며 0.1 오옴 전류-검지 저항(R102)을 통하여 전원장치로 복귀된다. 바람직한 반도체 스위치(Q101) 및 (Q92)는 1400V이며, (12A)는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이다. 공진회로는 인덕턴스(L100) 및 캐패시터(C102)(0.17μF)로 형성되며, 캐패시터(C103) 및 (C104)에 따른 어밸런쉬 다이오드(1200V(D101 및 D102)는 역방향 순시치를 바이패스하도록 마련된다.
제11도는 전력 전원장치의 유도 가열기 실시예를 위한 바람직한 제어기를 예시한다(제11a도 내지 e도는 회로의 상세를 도시한다). 제11도에 있어서, (1100)는 전체 제어기를 나타낸다. AC 메인은 신호로서 블록(1101)으로 공급되며, 이 블록은 신호의 존재를 검지하고, 신호를 순화(즉, 필터링)하며, 입력메인이 0인 순간을 검출하고, 신호를 다른 모듈로 공급한다.
비주기적인 전력제어기인 모듈(1102)은 하나의 입력으로서 메인-관련 펄스를 받아들이고, 사용자 제어기를 다른 입력으로서(1103)(여기에서는 전압계로 나타냄)을 설정한다. 이 모듈은 트랜지스터 구동기로 공급된 교류신호에 대한 불균일한 인터럽트를 발생하는데 사용되는 신호를 발생하며, 따라서 사용자의 원하는 열량 설정은 오프시간에 대한 온시간의 비례적인 양으로 해석된다. 다른 입력 모듈은 전류-검지 모듈(1105)로서, 조리용기의 적절한 형식의 존재 또는 부존재를 표시하는 전류레벨용으로, 또한 오류조건에 대한 공진회로로의 전원전류를 검사한다. 만약에 조리용기가 없거나, 또는 전류 드레인이 너무 높으면 억제신호를 발생한다. 이들 억제신호 및 모듈(102)로부터의 신호는 모듈(1104)로 공급되고, 이는 AC 메인 전원의 0-크로싱 모멘트에 억제신호를 링크하며, 따라서 억제상황은 입력 메인 전압의 정수주기 이상에서만 작동된다. 모듈(1106)은 다른 모듈로부터 AC OK 및 억제구동을 받아들이며, 따라서 IGBT 트랜지스터의 콜렉터에 인접한 위치로부터 공진회로의 각 측에서의 전압을 샘플링한다. 이 모듈은 어떠한 자연 공진전류가 존재하지 않는 경우에, 인공-펄스 발생기를 포함하며, 필요한 경우, 또한 억제가 활성이 아닌 경우에, (Gate 1) 또는 (Gate 2)로의 상호보충적인 출력을 동기하기 위하여 감지된 자연 공진전류를 사용하는 수단을 포함한다. 억제상태가 활성이라면, (Gate 1) 또는 (Gate 2)의 어느쪽도 구동펄스를 받지 않는다.
제11a도 내지 제11e도는 단일회로의 부분들로서, (X1) 또는 (X7)과 같은 부호로 도면사이에 연결된다. 이러한 회로는 물론 이러한 홉 응용물에 대한 바람직한 기능들의 단지 한개의 가능한 실시예일 뿐이다. 이는 기타 유사한 기능을 제공하는 다른 회로에 의하여 대체될 수 있으며, 바람직하게는 마이크로프로세서와 경제성을 위하여 적은 수의 구성부분을 가진다.
이 회로는 제11b도의 하부 우측으로부터 제10도의 2개의 반도체(Q101) 및 (Q102)로 억제될 수 있는 상보보충적인 게이트 구동기를 제공한다. 펄스의 올바른 타이밍을 결정하기 위하여 바람직하게는:
사용자의 가열 설정요구-제11e도와 중앙 바로 아래의 VR1,
현재의 주기 위상각-제11b도의 가운데 왼쪽의 입력(Vc1) 및 (Vc2)[(이들 신호는 제10도의 스위치장치(Q101) 및 (Q102)의 콜렉터 전압이다)],
전류검지-제11a도의 하부 왼쪽에서의 입력 I검지,
AC 라인 전압상태-제11a도의 정상 왼쪽에서의 Vac로서 넣어짐,
기구 탐지기-검지된 I에서 도출된 전류의 관점에서 검출되고 제11c도의 하부 좌측에서의 기준전압에 대하여 비교됨.
본 회로의 특정한 실시형태는 다음과 같다:
Vac(메인)입력 및 조건부여가 필요하며 따라서 장치는 메인구동 장치상의 부작용 또는 빛의 반복적인 반짝거림을 피하기 위하여 의사(擬似)-랜덤한 방식으로 또는 비주기적으로 메인의 반주기의 짝수에 대하여 IGBT 게이트 구동기을 작동하지 않음으로써(DC 부하를 피하기 위하여) 전력소비를 인터럽트할 수 있으며, 따라서 제11c도의 정상부에서의 메인 0-크로싱 검지기(IC1d),(IC10e)가 (IC1a),(IC1b) 및 (IC1c)를 경유하여 입력메인의 로우-패스 필터링된 형태로 공급된다.
또한 제11a도에서 (IC2a),(IC2b)로부터의 정류된 메인신호가 공급되는 메인존재 검지기가 마련됨으로써, OP 앰프(IC2c) 및 (IC10d)내에서 제11c도에서의 기준에 대하여 신호를 비교한다(후자는 아날로그신호를 디지탈신호로 바꾸기 위한 슈미트 트리거 회로이다).
모든 아날로그 제어입력은 제11c도의 꼭대기 우측에서 플립플롭(IC8b)내의 전원 AC 메인과 동기되므로, IGBT 구동기의 작동억제는 입력메인의 0크로싱에서만 작동한다.
제11e도의 중앙에서의 사용자가 접근가능한 전력제어부는, 작업에 대하여 요구되는 전체전력에 상당하는 평균 전체주기로 간헐적인 방식으로 IGBT 구동기가 작동되지 않도록 한다. 제11e도의 상반부에서의 의사-랜덤 2진 시퀀스 발생기는 비주기적인 억제펄스의 하드웨어 발생기이다. 이는 디지탈-아날로그 변환기(DAC)(IC14)에 연결된 2진 카운터(IC13)를 포함하여 구성된다. 논리게이트(IC11),(IC12) 및 (IC15)에 따른 임의의 비율에서 일어나는 DAC 출력은, (IC18a)내에서 아날로그제어된 전압과 비교되고 그 비교의 결과는 제어 동기기(IC6b)(플립플롭)내의 메인과 동기되고, 제어선(X10)을 통하여 IGBT 게이트를 억제하는데 사용된다.
보충될 전류가 없는 상태에서, 공진전류를 흐르도록 하기 위하여, 스타트업클록이 제11b도의 상부우측의 포스클록(Force Clock)내에 마련된다. 이 회로는 홉의 공진주파수 근방에서의 펄스를 발생한다; 반면에 (IC24b), (IC22a) 및 (IC22b)는 자연 공진입력이 적정성을 검지한다.
이러한 인위적인 시동은 전원전류가 평활되지 않았다면 메인의 각 반주기에 일어날 수 있다.
IGBT 구동기(제11b도의 하부)(IC17)는 바람직하게는 ICL 7667 집적회로이며, 특히 급속구동 용량성 부하용으로 제작된 것이다.
[실시예 2]
[이동차량을 위한 유도전송 전력]
본 실시예는 유도수단에 의하여 트랙을 따르는 이동차량에 원동력을 공급하는 트랙내의 콘덕터에 에너지를 부여할 수 있도록 한 것이다. 이는, 낮은 고조파 성분의 중간주파수 AC 전력의 생산을 위하여 제공된 것이며, 실질적으로 1에 가까운 역률을 AC 메인 전원장치에 제공한다. 중간주파수 AC는 콘덕터로부터 방출되고 각 이동차량하부 또는 내부에 위치된 픽업코일에 의하여 모아진다.
제2도(전체도)와 제3도, 제4도 및 제5도(제어기의 상세도)는 제1도의 회로에 대한 변형례를 나타낸다. 전체 전원장치는 공진 콘버터로 공급되는 DC 전력을 넘는 제어가 가능하도록 부스트(boost) 콘버터 및 버크(buck) 콘버터의 양 wk를 포함한다. 부스트 콘버터 출력은 고압, 바람직하게는 적어도 400V이며, 따라서 명목상의 230V의 AC 메인 입력은 실질적으로 1.0의 역률을 나타낼 수 있다. 기타 메인 전압은 상이한 버스 전압에 맞춘다. 버크 콘버터는 이러한 높은 버스전압을 바람직하게는 160V로 감소시키며, 이는 대부분 그에 걸린 π×Vin전압을 가지는 공진콘버터내의 트랜지스터의 전압제한에 의한 것이다. 버크 콘버터부분은 또는 전류제한을 제공하며, 이를 부스트 스테이지내에 제공하는 것은 비교적 어렵다.
제2도를 참조하면, 상부 왼쪽에는 단상 브리지 정류기(BR1)(36상 구성을 위하여 대형 시스템이 사용될 수 있다)로 순시치 억제기(MOV 201) 및 캐패시터(C201)를 통하여 AC 메인 전원이 도입된다. 정류기로부터의 DC는 콘버터 스테이지를 향하여 이동하고(부스트 제어기- 제3도 참조-관련된 소자는 Q201, Q202, L201, L202, D201, C202, C205), 버크 콘버터 스테이지로 상호접속점(Z1) 및 (Z2)를 통과한다(버크 제어기-제4도 참조-관련된 소자는 Q203, L203, D202, R204, C206 및 C207).
버크 제어기 회로의 수단에 의하여 급전된 콘덕터내에서 전력레벨을 제어하는 것이 가능하며, 보호 전류제한 기능을 제공하는 것이 가능하다. 전류제한을 위하여, (R202) 및 (R204)은 전류센서로서 기능한다.
마지막으로 DC 전원장치는 도면을 하부에서, 공진 콘버터로 공급된다. 공진콘버터는 공진제어기(제5도 참조), (T201)의 1차측 및 (C208)(공진회로), (Q204) 및 (Q205), 및 1차 중간접점으로의 (L204)로 구성된다. (T201)는 공진전력 전원장치에 의하여 발생된 자기 에너지가 발생 및 사용되는 영역으로 생각될 수 있다. (T201)의 2차측은, 실제로는 바람직하게는 두꺼운 강선의 적은 수의 권선으로 되어 있으며, 실시예에 있어서 1 또는 2Kw의 저전압, 중간주파수 삼각파를 접속부에 발생시킨다. 기타 실시예에 있어서는, (T201)의 1차 인덕터스는 실제로는 이동차량에 대하여 트랙 또는 경로를 따라서 놓인 강선이다. 그러나 한 영역을 통하여 급전되는 전기적으로 분리된 전원장치를 가지는 것이 바람직하며, 여기에서는 변압기의 분리가 바람직하다.
이는 전력-전송 콘덕터가 작동영역 전체에 걸쳐서 놓여진 적용물에 대한 전기적으로 분리된 출력형태이다. 반도체 장치는 삼각파형 출력에 대한 부분적인 도전상태 모드가 없는 순수한 스위치로서 구동되지만, 공진구조는 스위칭 손실을 최소화한다는 장점을 가진다. 전력레벨의 고조파는 무선 스펙트럼내의 전자기적 간섭을 제거하기에 충분하므로, 삼각파형 출력이 바람직하다. 작동주파수는 종래의 스위치 모드 전원장치의 작동주파수보다 높을 수 있는데, 왜냐하면 스위칭 손실이 낮기 때문이다: 무선-주파수 간섭이 적으며, 누설인덕턴스의 문제가 없다; 그러나 변압기 도전 손실은 낮은 손실의 와이어가 사용되지 않는 한 더 높은 경향이 있다. 유도전송의 효율은 높은 주파수로써 개선된다.
제3도는 약 3암페어 주위에서 작동하고, 300V AC피이크 파형(명목치; 230V 메인입력)을 약 400V로 변환하고, 입력에서 1의 역률을 제공하는 부스트 DC-DC 콘버터 제어기의 상세한 회로를 예시한다.
제어기로의 입력은:상부좌측에서의 전력(Vdc+)(Vdc+는 검지목적용의 블록출력이다), Vrect(상부우측) 및 Isense(중앙하부)이며, 모두 접지되는 것이 바람직하다. 출력은, 스위칭장치(Q201)용의 비례적인 제어연산의 결과에 따라 에너지가 간헐적으로 부여되는 게이트제어(우측중앙), 및 소프트-스타트장치(Q202)용의 제2게이트(하부 우측모서리)이다.
상부좌측에서부터 시작하면, Vdc+는 사분지 일 LM324(IC301a)에 의하여 버퍼되고, 저항들을 통하여 분할된다. 신호는 정형 및 시간-종속 변형을 위하여 오른쪽으로 이동하고 오실레이터가 있는 중앙의 우측에서 사분지 일 LM339(IC302d)로 합산점을 통하여 취해진다. 여기에서 발생된 펄스의 주파수 주기는 Vdc+에 의존되며, 제어장치 게이트로 ICL7667 버퍼(IC303a)를 통과한다.
좌측아래쪽으로 통과하여 내려가는 신호열은 주로 시스템을 시작하기 위한 것으로서, 한류저항을 경유하여 소프트에서 트랜지스터(Q202)를 구동하는 이분지일 ICL7667, IC303b을 구동하는 시간-종속 비교기(IC302c)로 공급된 신호를 증폭하는 제어장치(Q202), (IC302b)를 제어하도록 소프트-스타트 구동기를 제공한다.
제4도는 버크 DC-DC 콘버터 제어기의 회로를 도시한다. 이 회로의 목적은 부스트 콘버터의 출력전압을 감소하고 전류를 제한함을 포함한다.
입력은:VCD+ 및 VDC-(상부좌측부에서), 접지, 및 Isense(양자 공히 중앙좌측 및 약간 위쪽과 중앙의 우측)이다. 우측중앙에 (Q203)으로 하나의 게이트 제어출력이 제공되며, 하부중앙에서 소프트-스타트 제어 출력이 또한 마련된다. 만약 부스트 제어기가 설치되었으면, 후자는 필요없다.
회로의 내부에는 여러개의 신호경로가 있어서, 차동증폭기로서의 LM324(IC401a)가 있는 좌측중앙에서 시작하여, 하부중앙의 2개의 LM339(C402a,IC402d) 장치상에서 나누어지고, 이들은 제어장치(Q203)의 게이트로 인가되도록 구동펄스를 발생 및 발진하며, ICL7667 버퍼(IC403a)에 의하여 증폭한다.
제5도는 공진콘버터 제어기의 상세한 회로를 나타낸다(이는 제11도에서 나타낸 것보다 단순한 구성이다: 예를 들면 양쪽 스위치가 오프로 되도록 하는 수단이 결여되어 있는데, 왜냐하면 전력제어를 제3도 및 제4도에서의 버크/부스트 제어기 스테이지가 대신하여 제공하기 때문이다). 이러한 회로의 목적은 그의 공진주파수에서 실질적으로 공진회로를 선택적으로 구동하는 2개의 반도체스위치(Q204) 및 (Q205)로 상호보충적인 구동펄스를 제공하는 것이다. 중앙좌측에서의 (VC1) 및 (VC2)는 입력으로서, 각 반도체의 콜렉터에서 뽑아진 것이다. 이분지 일 LM319 비교기(IC501)는 이들을 공진주파수에서 펄스로 변환하고; 구동기 장치(IC504)의 쌍에 공급되어야 하는 인위적인 펄스열 또는 (IC504)로부터의 자연클록을 선택하는 논리회로를 통과한다. 하나의 구동기는 40106형의 슈미트 인버터(IC505의 부분)의 앞에 있으며, 따라서 상호보충적인 펄스가 항상 발생된다. LM319의 다른 반쪽은 스타트업 기능을 한다; Vdc가 논리회로의 내에서 제1상태로 설정되기에 충분할 정도로 높을 때 상태가 변화되고 Vdc의 소수부분을 기준전압과 비교한다. 이것은, 제5도의 상부우측에서 논리소자 IC505(40106)와 IC506(4019)를 통하여 클록장치를 억제하며, IC503(4060)은 T201-C208내의 검출가능한 공진전류의 설정에 앞서 구동펄스열을 발생할 수 있다.
제6도는 제1실시예를 참조하여-유도적인 홉을 기술한다.
[실시예 3]
[이동용차량을 위한 유도전송 전력]
본 실시예는 현저하게 긴 트랙에 전력을 효과적으로 인가하기 위하여 바람직한 수단과 결합되었으며 앞의 실시예와 유사하다. 이 트랙은 높은 인덕턴스를 나타내며 따라서 필요한 전류를 발생하기 위하여 더 높은 전압을 필요로 한다. 본 실시예의 전체적인 구성은 제7도에서 나타내었으며, 여기에서 좌측의 변압기(T71)는 전력 콘버터용, 궁극적으로는 트랙의 전기적 분리를 제공하며, 파워 반도체스위치는 (Q71) 및 (Q72)로 나타내었고, 공진회로는 중간접점 인덕터(I741) 및 캐패시터(C71)로 구성된다. 실제의 트랙은 2개의 인덕턴스(I72) 및 (I73)로서 나타낸 것과 같으며, 이 특별한 실시예에서는 원격끝단에 캐패시터가 없으며, 트랙은 분리 및 격리된 2차 권선으로부터보다는 인덕터(171)의 각 끝단에 직접 접속된다. 하나의 예에서는 이러한 적용예는 약 440V의 RMS 전압을 제공한다. 다른 면에 있어서 제7도에 나타낸 시스템은 상술한 바와 같은 유도전력 전원장치의 제1실시예와 비교될 수 있다.
[실시예 4]
[이동차량용 픽업코일]
1차 콘덕터로부터의 에너지의 추출 및 결합을 개선하기 위하여는, 페로자성(ferromagnetic)물체, 바람직하게는 페라이트를 채택하는 것이 바람직한 것이 알려져 있다. 하나의 바람직한 실시예는 2개의 외부 가지를 자른 다수개의 'E'자 형상의 페라이트 블록을 채택하고, 그에 의하여 'T'자형 단면을 만들고, 이들을 'I'자의 형상으로 베이스에서 결합된 쌍으로 사용한다. 이러한 방식으로 만든 예시적인 픽업코일은 길이 240mm, 폭이 50mm, 또한 바람직하게는 'I'자형 몸체의 각 측부상에 대칭적으로 놓인 1차 콘덕터를 가진다.
제8도는 또다른 바람직한 픽업코일의 단면을 나타내며, 여기에서 (81) 및 (82)은 고정된 트랙(86)으로부터 도출된 케이블내에 장착된 외부 및 복귀 트랙 콘덕터(즉, 1차권선)를 나타낸다. 부호(82)는 베이스가 부호(88)로 나타낸 이동차량상에 볼트(85) 및 너트(85')로 장차된 2차 코일의 페라이트 코어다. 부호(84) 및 (84')는 2차코일의 권선을 통과하는 외부 및 복귀프로파일이다. 모든 콘덕터는 바람직하게는 리츠(Litz) 와이어이다. 바람직하게는 권선의 수는 코일의 자기 인덕턴스가 이하의 최적 인덕턴스식에 따르도록 설정된다:
여기에서 I=rms 트랙전류
R'=동조코일 캐패시터에 걸리는 부하저항
Vc=부하에 걸리는 rms 출력전압
M=코일과 트랙사이의 상호 인덕턴스
이 식이 사용될 때 픽업코일을 동조하기 위한 부가적인 인덕턴스가 전혀 필요치않다.
제9도는 회복되는 전압이 지나치게 큰 경우에 픽업코일 또는 2차코일을 공진상태로부터 멀어지도록 비동조하기 위한 바람직한 수단이 결합된 픽업코일의 2개의 예를 도시한다. 지나치게 큰 공진상태의 하나의 단점은 전류가 트랙 및 전원전류를 공유하는 다른 트롤리로부터 누설된다는 것이다. 이 바람직한 실시예는 다른 중간-주파수 전력전원장치 및 유도트랙 구성 실시예와 결합하여 사용될 수 있다.
제9a도에 있어서, 반도체스위치(Q90)은 부하장치에 의하여 사용시에 공진전류를 정류하는 다이오드(BR90)의 브리지 구성을 가로질러 위치된다. 단방향으로만 전류가 (Q90)을 통하게 된다. 비교기(O90)는 브리지 정류기(BR90)에 의한 정류 및 캐패시터(C90a)에 의한 필터링 후에 픽업코일(L90) 및 (C90)을 포함하여 구성되는 공진회로에서 출력전압을 샘플링한다. 비교기(O90)에 인가된 바와 같은 기준전압(Vref) 위로 출력전압(실제적으로는 그의 소수부분, 분압기에 의하여 결정됨)이 승압되어야 한다면, 스위치(Q90)는 턴온되고, 그에 의하여 공진전류를 쇼트하게 된다. 출력전압(Vo)은 그에 의하여 감소된다. 히스테리시스가 (R90h)의 사용에 의하여 제공되며, 바람직하게는 100mS의 개방 및 쇼트상태사이의 비교적 늦은 주기율이 제공된다. 이러한 과정이 반복되고 만약 부하가 적으면 좀더 빈번해진다. 이는 트랙으로부터 2차코일을 비결합한 바람직한 결과이다; 그렇지 않으면 가볍게 부하가 걸린 2차코일에 따른 높은 순환 공진전류가 트랙을 따라서 다른 사용자에 대한 전력의 전송을 침범하게 된다. 다이오드(D90)는 축적된 전하를 방지하며, 바람직하게는 파워 MOSFET 트랜지스터인 반도체(Q90)를 통과하여 지나가는 것을 방지한다.
제9b도는 두번째 2차코일이 쇼트되고, 따라서 메인 2차코일이 비결합된 선택예를 나타낸다. 제9b도에 있어서, 반도체 스위치(Q92)는 다이오드(BR92)의 브리지 구성을 가로질러 위치하고, 이는 단방향으로만 (Q91)를 통하여 전류가 흐르도록 한다. 비교기(O92)는 캐패시터(C91a)에 의하여 필터링되고 브리지 정류기(BR91)에 의하여 정류된 후에 메인 픽업코일(L91)로부터의 전압을 샘플링한다. 만약 그것이 기준전압 Vref 보다 높아야 할 것 같으면, 스위치(Q92)는 턴온되고 인덕터(L91)와 함께 페라이트상에 감겨진 2차 또는 보조 인덕터(Q92)가 쇼트된다. 이는 스위치(Q91)가 커팅 코일(L91)로부터의 플럭스를 방지하고 따라서 그에 대한 전력의 반송을 방지한다. 출력전압(Vo)이 그에 의하여 감소되고, 1차 트랙상의 순환전류의 효과가 실질적으로 감소된다.
마지막으로, 본 공진 전기에너지 콘버터 또는 공진전력 전원장치 및 관련된 적용물의 기타 무수한 구성은 당업자에게는 명백한 것임을 알 수 있다; 그러나 그러한 변화는 본 발명의 요지내에 포함되는 것이다. 예를 들면, 우리는 형광램프에 에너지를 부여하는 특별한 경우의 실시예에 관하여는 기술하지 않았으며, 실질적으로 수 킬로와트의 전기 모우터가 달린 레일 저장시스템에 에너지를 부여할 수 있는 실시예는 기술하지 않았다. 또한 우리는 높거나 또는 낮은 주파수율에까지 도달하는 실시예는 기술하지 않고 단지 400Hz 실시예(예를 들면)가 실제적이라고 고려하고 있다. 또한 우리는 개선된 신제품이 속속 출하되고 있는 반도체 스위치의 모든 공지된 변형물에 대하여는 테스트를 하지 않았다.

Claims (11)

  1. 전원(15a)의 제1단자에 중간단자가 접속되는 3-단자 공진유도 유니트(10a) 및, 상기 유도 유니트의 대응하는 외부단자에 각 단자가 접속됨으로써 자연 공진주파수와 같거나 또는 자연 공진주파수에 가까운 작동주파수를 가지는 전기적 공진회로(11a)를 구성하는 2-단자 공진 캐패시터 유니트(13a)로 구성되는, 주기적으로 변화하는 자기장을 발생하는 공진전력 전원장치에 있어서, 전원의 제2단자와 공진회로의 해당 단자의 사이에 접속되며, 폐쇄상태 및 개방상태를 선택할 수 있는 한쌍의 제어가능한 스위칭 장치(18a,18a') 및 각 스위칭장치에 결합되고, 각 스위칭장치를 공진회로의 작동주파수에 대응하는 비율로 다른 스위칭 장치의 상태와는 반대의 위상으로 교대로 개방 및 폐쇄되도록 하는 제어수단(19a)을 포함하여 구성되며, 사용시에 공진전류가 스위칭장치의 동작에 의하여 강화되고 공진전류는 스우칭장치를 통하여 흐르지 않으며, 자기장이 유도 유니트(10a)로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  2. 제1항에 있어서, 제어가능한 스위칭장치의 쌍은 교류전원(15c)으로부터의 전력을 받아들이도록 채택된 양방향 스위칭장치(18c,18c')인 공진전력 전원장치.
  3. 제1의 2-단자 공진유도 유니트(10b) 및 , 상기 유도 유니트의 대응하는 단자에 각 단자가 접속됨으로써, 자연 공진주파수 또는 자연 공진주파수에 가까운 작동주파수를 가지는 전기적 공진회로(11b)를 구성하는 2-단자 공진 캐패시터 유니트(13b)로 구성되는 주기적으로 변화하는 자기장을 발생하기에 적절한 공진전력 전원장치에 있어서, 2개의 외부단자 및 중간접점 단자를 가지며, 작동주파수에서 비교적 높은 리액턴스를 나타냄으로써 사용시에 공전전류가 통하지 않으며, 각 외부단자는 공진회로의 대응하는 단자에 접속되고, 중간접점 단자는 전원(15b)의 한 단자에 접속되는 제2의 3-단자 유도 유니트(14)와, 전원의 제2단자와 공진회로의 대응하는 단자의 사이에 접속되며, 폐쇄상태 또는 개방상태로 될 수 있는 한쌍의 제어가능한 스위칭장치(18b,18b'), 및 각 스위칭 장치에 결합되고, 각 스위칭장치를 공진회로의 작동주파수에 대응하는 비율로 다른 스위칭장치의 상태와 반대의 위상으로 교대로 개방 및 폐쇄하도록 하는 제어수단(19b)을 포함하여 구성되며, 사용시에 공진전류가 스위칭장치의 작용에 의하여 강화되고 공진전류는 스위칭장치를 통하여 흐르지 않으며, 자기장이 제1의 2단자 유도 유니트(10b)로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  4. 제3항에 있어서, 전원장치(15b)는 정전류 전원장치인 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 제어수단(19b)은 또한 공진회로에 공급되는 전력을 제어하기 위하여 양 스위치수단이 비주기적으로 동시에 스위치 오프되지만, 동시에 스위치 온되지 않는 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  6. 제5항에 있어서, 제어수단은 공진전류 내의 0-크로싱(crossing)에 응답하는 센서로 구성되는 검지수단을 포함하거나, 또는 그와 접속된 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  7. 제6항에 있어서, 작동주파수가 450헤르쯔 내지 1메가헤르쯔의 범위내인 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  8. 그의 내부에 또는 밀폐공간내에 적어도 하나의 전력전원에 접속된 유도적인 가열요소를 가지는 유도 가열기에 있어서, 상기 전력전원장치는 특허청구의 범위 제6항에서 청구된 바와 같은 공진전력 전원장치로 구성되며, 2-단자 공진유도 유니트는 유도 가열요소를 포함하며, 저손실 페로자성체(67)가 뒤쪽에 붙어있는 판형 용수철(64)로 구성되는 것을 특징으로 하는 유도 가열기.
  9. 제4항에 있어서, 2-단자 유도 유니트는 유도전력 급전시스템의 1차측을 형성하도록 채택된 도전체(10d)의 루프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  10. 제8항에 있어서, 작동주파수는 1킬로헤르쯔 내지 100킬로헤르쯔의 범위내인 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
  11. 제9항에 있어서, 기본 주파수는:(a) 공진 인덕터(103,103'), 또는 (b) 공진 캐패시터(C10,C10')중의 하나의 값을 수동적으로 또는 자동적으로 미세조정함으로써 정밀한 한도내에 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 공진전력 전원장치.
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