KR100201173B1 - 단상전압원 인버터 회로 및 그 제어회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 6스텝 단펄스 PWM(Pulse Width Modulation, 인버터회로에 1개의 스위칭 소자만을 부가하여 제어함으로써 간단하게 구현된 12스텝 단상전압원 인버터 회로 및 그 제어회로에 관한 것으로 종래는 하나의 입력단으로 구성되었으나, 본 발명은 두 개의 입력단으로 구성되며, 이 두 개의 입력단을 직/병렬 상태로 연결하는 스위칭 소자를 부가하는 것을 특징으로 하여 종래에 비해 적은 수의 사용소자로써 저차 고조파 저감 효과가 종래의 단펄스 PWM 방법과 비교하여 매우 현저한 교류출력전압을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

단상전압원 인버터 회로 및 그 제어회로 (Single-Phase Inverter and Control Circuit Thereof)
제1도는 종래의 6스텝 인버터 회로를 도시한 도면.
제2도는 종래의 6스텝 인버터의 제어회로를 도시한 도면.
제3도는 종래의 6스텝 인버터 회로 2개를 병렬 연결하여 구성한 종래 12스텝 인버터 회로로서,
(a)는 회로도이고,
(b)는 출력 파형도.
제4도는 본 발명에 따른 12스텝 인버터 회로를 도시한 도면.
제5도는 본 발명에 따른 인버터 제어회로를 도시한 도면.
제6도는 본 발명에 따른 인버터 제어회로에서의 신호 파형도.
제7도는 본 발명에 따른 12스텝 인버터 회로의 출력 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 초퍼 D1, D2, Da, Db, Dc: 다이오드
DP1: 발광다이오드 CV1, CV2, C0~C5: 콘덴서
T : 트랜스포머 R0~R5, RG: 저항
S1~S4, SC: IGBT((Insu;ated Gate Biopolar Transistor)
IC1, IC3: 펄스발생소자 IC2, IC4: IGBT 구동소자
VR1~VR3: 가변저항기
본 발명은 단상전압원 인버터회로 및 그 제어회로에 관한 것으로 특히, 종래의 6스텝 단펄스 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터 회로에 1개의 스위칭소자만을 부가하여 제어함으로써 간단하게 구현된 12스텝 단산전압원 인버터 회로 및 그 제어회로에 관한 것이다.
직류 입력 전압을 원하는 크기와 주파수의 대칭 교류 출력전압으로 변환하는 기능을 하는 것을 인버터(inverter)라고 한다. 이상적인 인버터의 출력전압파형은 정현적이여야 한다. 그러나 실제 인버터의 파형은 비정현적이며, 특수한 고조파를 포함한다. 저전력과 중전력 응용에 대하여 구형파 또는 준 구형파 전압이 허용될 수 있으며 고전력 응용에 대해서 저왜곡정현파가 요구된다. 인버터는 크게 두가지 유형 즉, (1) 단상인버터와 (2) 3상인버터로 분류할 수 있다.
각 유형은 다이리스터 전류방식에 따라 네가지 범주 즉, (a) 펄스폭 변조 인버터, (b) 공진형 인버터, (c) 보조전류형 인버터, (d) 상보전류형 인버터로 나눌 수 있다.
인버터는 입력전압이 일정하게 유지되면 전압형 인버터라고 하고, 입력전류가 일정하게 유지되면 전류형 인버터라하며, 입력전압이 가제어이면 가변 DC 링크 인버터라 한다.
재1도는 종래의 6스텝 인버터 회로를 도시한 도면이다.
제1도에서 점선으로 표시된 것 (1)은 쵸퍼(chopper)이며 다이오드(D1내지 D4)는 궤환다이오드(feedback diode)이다.
제2도는 제1도에 도시된 인버터 회로를 제어하는 신호를 발생하는 회로를 도시한 도면이다.
제2도에서 점선으로 표시된 부분(23)은 파워 트랜지스터 구동회로이다. 상기한 파워 트랜지스터 구동회로의 출력 (B1, E1), (B2, E2), (B3, E3), (B4, E4)는 제1도에 도시된 트랜지스터(Q1내지 Q4)에 연결된다.
제3도는 종래 6스텝 인버터 2개를 병렬로 연결하여 구성한 종래의 12스텝 인버터 회로를 도시한 도면으로서, (a)는 회로도이고, (b)는 신호파형도이다.
제3도에 도시된 바와 같이, 상술한 종래의 12스텝 인버터는 스위칭 소자가 8개나 필요하며, 따라서 매우 복잡한 제어회로가 요구된다.
따라서 본 발명은 종래의 12스텝 인버터 회로에 비해 많은 스위칭 소자를 사용하지 않으므로 간단하게 구현될 수 있고, 보다 저 정형파에 가까운 파형의 신호를 출력하는 12스텝의 인버터 회로 및 그 제어회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기위해 본 발명은, 직류 전압을 입력받아 스위칭 소자들을 이용한 스위칭에 의해 교류전압을 출력하는 인버터 회로에 있어서, 입력단에 병렬 연결된 두 개의 평활용 콘덴서와 그 평활용 콘덴서의 (+) 단자 사이 및(-) 단자 사이에 일측 연결 콘덴서에서 타측 콘덴서측 방향으로 각각 연결된 두 개의 다이오드와 일측 콘덴서의 (+)단자와 타측 콘덴서의 (-)단 자 사이에 연결되어 스위칭에 의해 직/병렬 연결을 스위칭하여 승압시키는 입력단 쵸퍼를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 인버터 제어회로는 외부 입력 전원을 일정한 전압으로 강압시키는 트랜스포머와, 그 태린스포머의 교류전원 출력의 위상을 지연시키는 위상지연회로와 그 위상 지연된 교류 전원신호를 구형파 신호로 변환하는 제1발생회로와 그 구형파 신호를 입력받아 인버터의 스위칭을 위한 주파수 펄스 신호를 발생시키는 제1펄스 발생신호와 그 제1 펄스 발생회로의 비반전 출력을 각각 입력받아 상기 인버터 회로의 제1스위치 및 제4스위치의 스위칭 제어신호를 각각 발생시키는 제1, 제4스위치 구동회로와, 상기 제1펄스 발생회로의 반전 출력을 각각 입력받아 상기 인버터 회로의 제2스위치 및 제3스위치의 스위칭 제어신호를 각각 발생시키는 제2, 제3 스위치 구동회로와 상기 트랜스포머의 출력을 구형파로 발생하는 제2구형파 발생회로와 ,그 제2 구형파 발생회로의 구형파신호를 입력받아 인버터 승압회로의 입력단 쵸퍼의 스위칭 제어를 위한 주파수 펄스를 발생하는 제2펄스 발생회로와, 그 제2주파수 펄스 발생회로의 출력신호를 입력받아 입력펄스에 대응된 상기 인버터 승압회로의 입력단 쵸퍼의 스위칭 제어신호를 발생하는 제5스위치 구동회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제4도는 본 발명에 다른 인버터 회로를 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 직류 전원을 입력받는 입력단의 (+)(-) 단자 사이에 병렬 연결되어 입력된 직류전압을 충방전시키는 두 개의 평활용 콘덴서(Cv1, Cv2)와 상기 두 개의 평활용 콘덴서(Cv1)(Cv2)의 (+)단자와 (+)단자 사이 및 (-) 단자와 (-) 단자 사이에 일측 콘덴서(Cv1)에서 타측 콘덴서 (Cv2)측으로 순방향 연결되어 역류방지 및 직/병렬 경로를 형성시키는 두 개의 다이오드(D1)(D2)와 상기 일측 평활용 콘덴서(Cv1)의 (+) 단자와 상기 타측 평활용 콘덴서(Cv2)의 (-)단자 사이에 연결되어 외부의 스위칭 제어신호에 의거하여 상기 두 개의 평활용 콘덴서(Cv1)(Cv2)의 직/병렬 연결을 스위칭하는 입력단 쵸퍼(Sc)와 상기 타측 평활용 콘덴서(Cv2)의 (+)단자와 상기 일측 평활용 콘덴서(Cv2)의 (-) 단자 사이에 직렬 연결되어 외부의 스위칭 제어신호에 의해 직류를 스위칭하여 교류로 변환하는 제1쵸퍼 및 제3쵸퍼와, 서로 직렬 연결되어 상기 제1, 제3 쵸퍼와 병렬 연결되고 외부의 스위칭 제어신호에 의해 직류 전원을 교류전원으로 스위칭하는 제2쵸퍼 및 제4쵸퍼와 그 제1, 제2쵸퍼의 직렬접속점과 상기 제3, 제4쵸퍼의 직렬 접속점을 교류 전압의 출력단으로 구성한다.
제4도에 도시된 바와 같이, 종래의 인버터 회로에 다이오드(D1, D2) 평활용 콘덴서(Cv1)(Cv2) 및 입력단 쵸퍼인 전압제어용 스위치(Sc)를 부가하였다. 전압제어용 스위치(Sc)를 인버터 출력 전압 파형의 정(+)과 부(-)의 각각 반주기 동안에 고주파가 최소로 되도록 일정 시비율로 온/오프 함에 따라 Vs 전압은 2층 구조로 되고, 인버터 출력 전압(VL)은 12스텝화가 가능하다.
직류전압 V1과 V2는 스위치(Sc)의 동작에 따라 직/병렬 상태를 반복한다. 즉, 스위치(Sc)가 도통(ON)되면 다이오드(D1, D2)는 불통(OFF) 되며, 콘덴서(Cv1, Cv2)는 직렬로 연결된다.
반대로 스위치(Sc)가 불통이면 다이오드(D1, D2)는 도통이며, 콘덴서(Cv1, Cv2)는 병렬로 연결된다.
따라서 인버터 출력 전압(VL)의 최대치는 배전압으로 승압된다.
S1내지 S4, SC는 IGBT(Insulated Gate Biopolar Transistor)로서 TCA785를 사용하였다.
제5도는 본 발명에 따른 인버터 제어회로를 도시한 도면이다.
외부 입력 전원을 일정한 전압으로 강압시키는 트랜스포머(T)와, 그 트렌스포머(T)의 교류전원 출력의 위상을 콘덴서(C1) 및 저항(R1, VR1)을 통해 위상을 지연시키는 위상지연회로와, 그 위상지연신호를 역방향 병렬 연결된 다이오드(Da, Db) 및 콘덴서(C0)에 의해 구형파신호로 변환하는 구형파 신호로 제1변환회로와, 그 구형파 신호를 입력받아 인버터 회로의 스위칭을 위한 주파수 펄스 신호를 발생시키는 제1펄스 발생회로(IC1)와, 그 제 1펄스 발생회로 (IC1) (20)의 비반전 출력을 각각 입력받아 입력펄스에 대응하여 제어신호 출력소자(IC2)를 통해 상기 인버터 회로의 제1스위치 및 제4스위치의 스위칭 제어신호를 각각 발생시키는 제1스위칭회로(24) 및 제4스위칭 구동회로(제1스위칭회로와 동일구성)와, 상기 제1펄스 발생회로(20)의 반전 출력을 각각 입력받아 상기 인버터 회로의 제2스위치 및 제3스위치의 스위칭 제어신호를 각각 발생시키는 제2 제3스위치 구동회로와 상기 트랜스포머(T)의 출력을 저항을 통해 입력받아 역방향 병렬 연결된 다이오드(Da)(Db) 및 콘덴서(C0)를통해서 구형파로 발생하는 제2구형파 발생회로와, 그 제 2 구형파 발생회로의 구형파 신호를 입력받아 인버터 회로의 입력단 쵸퍼의 스위칭 제어를 위한 주파수 펄스를 발생하는 제2펄스 발생회로(IC3)와 그 제2주파수 펄스 발생회로 (IC3)의 출력신호를 입력받아 제어신호 출력소자(IC4)를 통해 입력펄스에 대응된 상기 인버터 회로의 입력단 쵸퍼의 스위칭 제어신호를 발생하는 제5스위칭 구동회로를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 인버터 제어회로는 전원라인(L1, L2)에 트랜스포머(T)를 접속하고 2차측 중성점을 접지시킨다. 그리고 트랜스포머(T)를 통하여 전압의 영점을 검출한다.
상기 트랜스포머(T)를 통하여 검출된 교류신호 중에서 일부는 제4도에 도시된 된 S1 내지 S4를 제어하기 위한 신호를 발생하기 위해 사용되며 다른 일부는 Sc를 제어하기 위한 신호를 발생하기 위하여 사용된다.
우선, S1 내지 S4를 제어하는 신호를 발생시키는 부분에 대해 설명한다.
상기 트랜스포머를 통해 검출된 교류신호의 일부는 C1과 VR1로 구성된 위상제어회로에 인가된다.
VR1의 증감에 따라 위상제어회로의 출력 전압은 전원전압과 위상과 0~180°의 위상차를 갖는다.
위상제어회로의 출력은 저항 R1를 거쳐 Da, Db, Co로 구성된 구형파 발생회로에 인가되어 구형파로 바뀌고, 펄스발생회로(IC1)에 입력된다.
펄스발생회로(IC1)에서는 위상차를 갖는 펄스가 발생되며, 이 펄스의 폭은 가변저항기(VR2)에 의해 제어된다.
펄스폭 제어에 따라 인버터 출력 전압의 크기가 가변된다.
IC1 은 삼각파 비교기를 내장한 것으로서, 가변저항(VR3)에 의해 최소 펄스폭이 조절된다.
R4와 R5는 가변저항기(VR2)가 영이 되어 인버터가 단락되는 것을 방지하기 위한 것이다.
펄스발생회로(IC1)의 출력(Q)은 정(+)의 반주기에 해당하는 펄스신호이고, 다른 출력(***)은 부(-)의 반주기에 해당하는 펄스신호이다.
이 신호들은 트랜지스터 증폭 회로에 인가되어 증폭된다.
저항(R6)은 트랜지스터의 베이스 전류 제한용이고, 저항(R7)은 바이어스 저항이다. 저항 (R8)은 IGBT 구동소자의 발광 다이오드의 전류를 제한하는 저항이다.
제5도에서 IC2와 IC4는 IGBT 구동소자로서, 파워 트랜지스터를 사용하는 것에 비해 회로 구성이 간단해지는 장점이 있다.
RG는 IGBT 게이트 전류 제한용 저항이다.
커패시터(C4, C5)는 구동신호의 전압 평활화를 위한 것이다.
또한 본 회로는 IGBT 소자를 보호하기 위해 콜렉터의 전압을 감시하여 과부하시에는 자동으로 단락(Off)되며, 발광 다이오드(DP1)가 점등된다.
다음에는 Sc를 제어하는 신호를 발생하는 부분에 대해 설명한다. Sc를 제어하는 신호를 발생하는 부분은 위상지연회로가 없다는 것을 제외하고는 S1 내지 S4를 제어하기 위한 신호를 발생하는 부분과 동일하다.
제6도는 제5도에 도시된 인버터 제어회로의 신호 파형도이다.
제6도에서 a는 주권선과의 위상차이고, b는 전압제어각이다.
A는 전원전압 위상검출신호, B는 위상천이신호, C와 C'는 구형파 신호, D는 정(+)의 반주기 펄스폭 제어신호, E는 부(-)의 반주기 펄스폭 제어신호, G는 게이트 구동신호(ON, OFF), F는 전압제어스위치(Sc) 제어용 펄스폭 제어신호, Gi는 전압제어 스위치(Sc)게이트 구동신호를 각각 나타낸다.
제7도는 본 발명 따른 인버터 회로와 그 제어회로에 의한 신호 파형도이다.
제5도에 도시된 제어회로에 의해 제4도에 도시된(S1, S4)와 (S2, S3)은 교대로 도통된다.
(S1, S4)가 도통인 상태이면 VL은 양(+)의 값을 갖으며, (S2, S3)가 도통인 상태이면 VL은 부(-)의 값을 갖는다.
상술한 바와 같이 Sc가 불통인 상태이면 제4도의 Cv1과 Cv2는 병렬상태이며, Sc가 도통의 상태이면 Cv1과 Cv2는 직렬상태가 되므로 병렬상태에 비해 VL은 2배의 값을 갖게 된다.
따라서 제7도에 도시된 바와 같은 출력 전압(VL)을 갖게 되는 것이다. 상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째 종래의 12스텝 회로에 비해 사용 소자수가 감소되었다.
둘째, 저차 고조파저감 효과가 종래의 단펄스 PWM 방법과 비교하여 매우 현저하였다.

Claims (5)

  1. 직류 전원을 입력받는 입력단의 (+), (-) 단자 사이에 병렬 연결되어 입력된 직류전압을 충방전시키는 두 개의 평활용 콘덴서(Cv1), (Cv2)와, 상기 두 개의 평활용 콘덴서(Cv1)(Cv2)의 (+) 단자와 (+) 단자 사이 및 (-) 단자와 (-) 단자 사이에 일측 콘덴서(Cv1)에서 타측 콘덴서(Cv2)측으로 순방향 연결되어 역류방지 및 직/병렬 경로를 형성시키는 두 개의 다이오드(D1)(D2)와, 상기 일측 평활용 콘덴서(Cv1)의 (+) 단자와 상기 타측 평활용 콘덴서(Cv2)의 (-)단자 사이에 연결되어 외부의 스위칭 제어신호에 의거하여 상기 두 개의 평활용 콘덴서(Cv1)(Cv2)의 직/병렬 연결을 스위칭하는 입력단 쵸퍼(Sc)와, 상기 타측 평활용 콘덴서(Cv2)의 (+)단자와 상기 일측 평활용 콘덴서 (Cv2)의 (-) 단자 사이에 직렬 연결되어 외부의 스위칭 제어신호에 의해 직류를 스위칭하여 교류로 변환하는 제1쵸퍼 및 제3쵸퍼와, 서로 직렬 연결되어 상기 제1, 제3 쵸퍼와 병렬 연결되고 외부의 스위칭 제어신호에 의해 직류전원을 교류전원으로 스위칭하는 제2쵸퍼 및 제4쵸퍼와, 그 제1, 제2쵸퍼의 직렬접속점과 상기 제3, 제4쵸퍼의 직렬 접속점을 교류 전압의 출력단으로 구성된 것을 특징으로 하는 단상 전압원 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력단 쵸퍼, 제1 내지 제4쵸퍼는 (+) 단자가 컬렉터가, (-)단자에 에미터가 연결되고 베이스에 외부의 인버터 제어회로로부터 스위칭 제어신호를 입력받아 스위칭되는 트랜지스터와,
    그 트랜지스터의 컬렉터에 (-) 단자가, 에미터에 (+)단자가 연결된 다이오드를 포함하여 (+)단자와 (-) 단자 사이의 전류 경로를 스위칭하여 직류 전원을 교류전원으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 단상전압원 인버터 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위치용 트랜지스터가 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 것을 특징으로 하는 단상전압원 인버터 회로.
  4. 직류 전원 입력단에 두 개의 콘덴서와 두 개의 다이오드 및 하나의 입 력단 스위칭 수단을 연결하여 콘덴서의 직/병렬에 의해 승압시키고, 그 승압된 전원을 직류전원을 각각 직렬 연결된 제1, 제3스위칭 수단과, 제2, 제4 스위칭 수단을 통해 스위칭하여 직류를 교류로 변환시키는 인버터회로의 상기 스위칭 수단들을 제어하기 위한 인버터 제어회로에 있어서, 외부 입력 전원을 일정한 전압으로 강압시키는 트랜스포머(T)와, 그 트랜스포머(T)의 교류전원 출력의 위상을 콘덴서(C1) 및 저항(R1, VR1)을 통해 위상을 지연시키는 위상지연회로와, 그 위상 지연신호를 역방향 병렬 연결된 다이오드(Da, Db) 및 콘덴서 (CO)에 의해 구형파 신호로 변환하는 구형파 신호로 제1변환회로와, 그 구형파 신호를 입력받아 인버터 회로의 스위칭을 위한 주파수 펄스 신호를 발생시키는 제1펄스 발생회로(IC1)와, 그 제1펄스 발생회로(IC1)(20)의 비반전 출력을 각각 입력받아 입력펄스에 대응하여 제어신호 출력소자(IC2)를 통해 상기 인버터 회로의 제1, 제2 스위칭 수단의 스위칭 제어신호를 각각 발생시키는 제1스위칭회로(24) 및 제4스위칭 구동회로와,
    상기 제1펄스 발생회로(20)의 반전 출력을 각각 입력받아 상기 인버터 회로의 제2, 제3스위칭수단의 스위칭 제어신호를 각각 발생시키는 제2, 제3스위치 구동회로와, 상기 트랜스포머(T)의 출력을 저항을 통해 입력받아 역방향 병렬 연결된 다이오드(Da), (Db) 및 콘덴서(C0)를 통해서 구형파로 발생하는 제2 구형파 발생회로와, 그 제2 구형파 발생회로의 구형파 신호를 입력받아 인버터회로의 입력단 스위칭 수단의 스위칭 제어를 위한 주파수 펄스를 발생하는 제2펄스 발생회로(IC3)와, 그 제2주파수 펄스 발생회로(IC3)의 출력신호를 입력받아 제어신호 출력소자(IC4)를 통해 입력펄스에 대응된 상기 인버터회로의 스위칭 수단을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 발생하는 제5스위치 구동회로를 포함하여 구성된 단상전압원 인버터의 제어회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제 1 내지 제5 스위치 구동회로를 통해 출력되는 제어신호가 가동한 경우에 점등되는 발광되는 발광수단을 부가한 것을 특징으로 하는 단상전압원 인버터의 제어회로.
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