KR100208060B1 - 무 정전 전원 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정전 전원 공급 장치로서 충전용 바테리와, 상기 충전용 바테리를 충전하는 정전압충전기와, 바테리의 직류전력을 교번전력으로 변환시켜 출력하는 직류-교류전력 변환부와, 입력 교류 전원의 상태를 체크하여 전원상태신호를 발생하는 입력감시부와, 입력 교류 전원의 파형을 분석하여 전원의 위상각에 대한 입력위상신호를 발생하는 입력위상검출부와, 입력감시부의 전원상태신호와 입력위상검출부의 입력위상신호를 받아서 상기 직류-교류 전력변환부와 밧테리를 연결 및 차단하고 상용 전력과 직류-교류 변환부의 교변전력을 출력으로 연결하고 차단하는 제1 내지 제4 제어스위치를 제어하여 입력 교류 전원에 이상이 발생되면 상기 바테리의 직류전력을 교번전력으로 변환하여 출력시키는 중앙제어부를 포함한다.

Description

무 정전 전원 공급 장치

제1도는 DC스위칭 형 무 정전 전원 공급 장치 블록도.

제2도는 부동형 무 정전 전원 공급 장치 블록도.

제3도는 본 발명의 전력 변환부의 일부 회로.

제4도는 입력감시부의 회로이다.

제5도는 입력위상검출부의 회로도이다.

제6도는 입력감시부의 동작 설명을 위한 파형도이다.

제7도는 입력위상검출부의 동작 설명을 위한 파형도이다.

제8도는 본 발명의 서어지제어회로의 회로도이다.

제9도 내지 제11도는 본 발명의 서어지제어회로의 회로 동작을 설명하기 위한 부분 회로도이다.

제12도는 인버터 트랜스의 전압 파형을 도시한 파형도이다.

제13도는 본 발명의 전체적인 동작 설명을 위한 플로우 챠트이다.

본 발명은 퍼스널 컴퓨터와 같은 부하에 사용하기 적합하도록 구성된 무 정전 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 특히 개인용 컴퓨터와 같이 크기가 작고 사용 전력량이 많지 아니한 컴퓨터나 단말기에, 내장하여 사용하기에 적당하도록 소형화된 무 정전 전원 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로 컴퓨터는 작업 중인 데이터를 RAM 에 저장하고 있으므로 작업 중에 전원 공급이 중단되면 작업 중에 있던 많은 데이터들이 사라져 버리며, 이들 데이터를 복원할 수 있는 방법이 없으므로 재 작업을 하여야 하는 불편이 있다.

그래서 대형 컴퓨터와 같이 중요한 작업을 하는 컴퓨터 시스템에서는 무 정전 전원 공급 장치(UPS)를 설치하여 전련 회사로부터의 전원이 공급 중단되는 경우가 발생되어도 컴퓨터에는 계속 전원이 공급될 수 있도록 하고 있다.

개인용 컴퓨터(PC)에서도 작업 도중 정전으로 인한 불의의 사고에 대처하기 위한 무 정전 전원 공급 장치(UPS)의 필요성은 동일하지만, 기존의 UPS는 가격기 비싸고, 부피가 커서 별도의 설치 공간이 필요하여, 쉽게 사용되지 못하고 있다.

지금까지 무 정전 전원 공급 장치로 제안된 기술 중에는 특허 공보 90-5423호(90.7.30자 공고), 93-432호(93.1.12자 공고), 94-3345호(94.4.20자 공고) 등이 공개되어 있다.

PC용 정전 대응 장치로서는 PC내부의 공간적인 제약으로 인하여, PC의 마더보드(MOTHER BOARD)상의 카드 슬롯(CARD SLOT)에 삽입하여 사용하도록 모듈화된 데이터 백업 장치도 있고, 또 디스크 드라이브 슬롯에 삽입하고 외부에서 별도의 전원을 공급하는 방법으로 RAM등의 메모리를 정전 시에 백업하거나 소프트웨어와 병행하여 자동으로 배치 파일을 생성시키는 소극적인 방법이 제안되었었다.

종래의 무 정전 전원 공급 장치에는 DC스위치형이 있는데, 이 DC 스위치형 무 정전 전원 공급 장치가 제1도에 개략적으로 도시되어 있다.

이 장치는 AC 전원이 제 1 AC 스위치(17)를 통하여 부하에 공급되는 통상의 교류 전원 공급 라인 이외에, 직렬로 접속된 AC-DC 컨버터(CONVERTER: 전력 정류기)(11)와 DC-AC 컨버터(전력 인버터)(12)가 통상의 교류 전원 공급 라인과 병렬로 접속되어 있고, 전지(13)는 상용 교류 전원이 오프인 경우에만 닫히는 DC 스위치(14)를 통하여 전력 인버터에 접속되고, 정전압 전지 충전기(15)가 상용 교류 전원 공급 라인과 전지간에 접속되어서 전지를 연속적으로 충전시키고 있다. 또한 전력은 상용 교류 전원이 정상일 때에도 전력 인버터로부터 AC 스위치(16)를 통해 공급된다.

종래의 무 정전 전원 공급 장치의 결점으로는 상용 교류 전원이 정상일 경우에도 전력 인버터는 항상 작동하고 있기 때문에 정류기 손실이 커서 전력 효율이 높지 않다는 점과, 전력 정류기와 전지 충전기가 같이 조합되어 있어 장치가 대형이고 코스트도 많이 든다는 점을 들 수 있다.

본 발명의 목적은 이러한 점을 개선하기 위하여 정전 시나 입력 전원에 이상이 발생되는 경우에 안정된 전원을 공급하여 데이터 보호는 물론 모니터도 사용 가능토록 하여 일정한 시간 동안 PC 작업을 수행할 수 있도록 하였고, 부피를 극소화하여 PC 내부에 장착하여 설치 공간에 제약이 없도록 한 무 정전 전원 공급 장치를 공급하려는 것이다.

본 발명의 무 정전 전원 공급 장치는 상용 교류 전원이 정상인 경우는 부하 측으로 직접 상용 전원을 공급하게 하여 UPS 기능을 대기(STANDBY)상태로 유지하며, 상용 교류 전원이 정해진 범위 이상으로 변동(저 전압, 고전압, 또는 주파수 변동 등)될 때는, 즉각적으로 입력 교류 전원의 위상에 동기되어 인버터 회로가 구동되도록 하고, 부하의 상태를 감지하여 무부하시는 자동적으로 전원 공급을 차단하고, 과부하시는 경보 송출 및 경보 표시와 함께 자동 차단 기능을 구비하고, 전지의 충전은 정 전압 충전을 하되 규정값 이상이 DC 스위치를 차단하여 과충전을 방지하며, 상용 교류 입력이 있을 시는 항상 충전 가능 상태로 두고 정전 시에 UPS 동작중 발생되는 써-지를 이용하여 전지로 서-지 전력을 궤환시켜 전지 기능을 보강케 하여 그 수명을 연장할 수 있게 한 것이다.

본 발명의 무정전 전원 공급장치는 충전용 바테리와, 충전용 바테리에 충전 전력을 공급하기 위하여 입력되는 교류 입력 전원을 정류하여 충전 전력을 발생하는 정전압충전기와, 정전압충전기의 충전 전력을 상기 밧데리에 연결 또는 차단시키는 제1제어스위치와, 바테리의 직류 전원을 교번전력으로 변환시켜 출력하는 직류-교류 전력 변환부와, 바테리의 전력을 상기 인버터에 연결 또는 차단하는 제2제어스위치와, 인버터의 교번전력을 부하 측의 출력 선으로 연결 또는 차단하는 제3제어 스위치와, 상용 교류 입력 전력을 출력선으로 연결 또는 차단하되, 제3제어 스위치가 연결되면 차단되고, 3제어 스위치가 차단되면 연결되도록 동작되는 제4제어스위치와, 입력 교류 전원의 상태를 체크하여 전원 상태 신호를 발생하는 입력감시부와, 입력 교류 전원의 파형을 분석하여 전원의 위상각에 대한 입력 위상 신호를 발행하는 입력위상검출부와, 입력감시부의 전원 상태 신호와 입력위상검출부의 입력 위상 신호를 받아서 상기 직류-교류 전력변환부와 제1 내지 제4 제어스위치를 제어하여 입력 교류 전원에 이상이 발생되면 상기 바테리의 직류전력을 교번전력으로 변환하여 출력시키는 중앙제어부를 포함하여 이루어진다.

직류-교류 전력변환부는, 중앙제어부의 신호에 위상을 동기시키고, 상기 중앙제어부의 신호에 따라서 펄스 폭을 조절하여 펄스폭변조신호를 발생하는 펄스폭변조부와, 펄스폭변조신호를 수신하여 상기 제2제어스위치를 통하여 받는 상기 바테리의 직류전원을 교류전력으로 변환하여 상기 제3제어스위치에 연결하는 인버터와, 인버터가 출력하는 교번전력을 출력 상태를 체크하여 그 상태를 중앙제어부에 알리는 상태검출부와, 인버터에서 직류전력을 교번 전력으로 변환할 때에 발생되는 유기 전력을 제어하는 서어지제어회로를 포함해 구성된다.

본 발명의 서어지 제어 회로는 인덕턴스를 가진 전기 인덕터에 바테리의 전류를 단속시키셔 교전전력을 얻기 위한 회로이 있어서, 전류의 단속으로 인한 역기전력을 소멸시키기 위한 회로소서, 인덕터의 역기전력 발생 점에 다이오드를 통하여 연결되는 제1스위칭소자로 이루어지고 제1스위칭트랜지스터가 온 될 때 역기전력으로 바테리를 충전시키는 충전회로와, 바테리의 양극에서 제1다이오드, 충전용 컨덴서, 제2다이오드, 및 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제어펄스신호가 제어단자에 인가되는 제2스위칭소자를 차례대로 통하여 상기 충전용 컨덴서를 충전시키는 콘덴서 충전회로와 충전용 컨덴서에 충전된 전압이 일정치 이상이 되면 제3스위칭소자를 통하여 상기 제2스위칭소자에로 방전시킴과 동시에 상기 제1스위칭소자의 제어전극을 초기화 시키는 방전회로를 구비하고, 제어펄스신호가 하이로 될 때 상기 충전용 컨덴서를 충전시키기 시작하고, 일정한 전압으로 충전되면 방전회로가 동작되어 제1스위칭소자를 초기화시킨 후 제어펄스가 로우로 되어 역기전력이 발생되는 순간에 상기 제2 및 제3스위칭소자가 오프되고 충전용 컨덴서에 충전된 전압에 의하여 제1스위칭소자가 온 되어 역기전력이 바테리로 충전되도록 동작되는 서어지제어회로이다.

도면을 참조하면서 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 무 정전 전원 공급 장치는 제2도에서 보인 블록도와 같이, 충전용 바테리(140)가 충전전력을 공급하기 위하여 입력되는 교류 입력 전원을 정류하여 충전 전력을 발생하는 정전압충전기(130)에 제1제어스위치(91)(DC 스위치)을 통하여 연결되어, 입력되는 교류 전원이 정전압충전기에서 정류되어 바테리에 충전되고 있다.

이 바테리의 직류전력은 제2제어스위치(92)를 통하여 직류-교류전력 변환부(20)에 연결된다. 그래서 충전되고 있던 바테리의 직류전력이 제2제어스위치(92)가 연결되는 동안 직류-교류전력 변환부에서 교번전력으로 변환되어 출력된다.

전력변환부의 출력은 부하 측에 연결하기 위한 출력선으로 제3제어스위치(93)를 통하여 연결된다.

또 상용교류 입력 전력은 제4제어스위치(94)를 출력선으로 연결되는데, 이 제4제어스위치는 제3제어스위치가 연결되면 차단되고, 제3제어스위치가 차단되면 연결되도록 동작한다.

그러므로 정상적인 교류 입력이 살아 있으면 제4제어스위치가 연결되어서 출력선으로 교류 입력을 전송하고, 만약 교류 입력이 정전이 되거나 이상 상태로 되면 제4제어스위치는 차단되고 제3제어스위치가 연결되어 전력변환부의 교번전력이 출력선으로 공급된다.

입력되는 상용 교류 전원의 상태를 체크하여 전원상태신호를 발생하는 입력감시부(30)와, 입력 교류 전원의 파형을 분석하여 전원의 위상각에 대한 입력위상신호를 발생하는 입력위상검출부(40)가 중앙제어부(100)에 연결된다.

중앙제어부는 입력감시부의 전원상태신호와 입력위상검출부의 입력위상신호를 받아서 직류-교류 전력변환부와 제1 내지 제4제어스위치를 제어하여 입력 교류 전원이 이상이 발생되면 바테리의 직류전력을 교번전력으로 변환하여 출력시키도록 전체 시스템을 제어하는 역할을 한다. 이 중앙제어부(100)는 마이크로컴퓨터칩이나 마이크로 프로세서를 이용하여 제작된다.

직류-교류 전력변환부는, 중앙제어부의 신호에 위상을 동기 시키고, 상기 중앙제어부의 신호에 따라서 펄스 폭을 조절하여서 펄스폭변조신호를 발생하는 펄스폭변조부(60)와, 펄스폭변조신호를 수신하여 제2제어스위치를 통하여 바테리의 직류진력을 교류전력으로 변환하여 제3제어스위치에 연결하는 인버터(10)와, 인버터의 출력 상태를 체크하여 그 상태를 상기 중앙제어부에 알리는 상태검출부(50)와, 인버터에서 직류전력을 교번전력으로 변환할 때 발생되는 유기전력을 제어하는 서어지제어회로(110)를 포함하여 구성된다.

제2도에서 보인 본 발명의 회로를 구체화하기 위하여 중앙제어부(100)는 일반적으로 시판되고 있는 마이크로 콘트롤러 유니트 칩이나 마이크로 프로세서 칩 등을 이용하고, 제1 내지 제4스위치는 여러 가지 반도체 스위치들을 사용하거나 릴레이를 사용하면 되고, 직류-교류 전력변환부의 펄스폭변조신호를 발생하는 펄스폭변조부는 상용되는 인버터용 펄스폭변조신호를 발생하는 IC인 KA3525AN 칩을 이용하면 된다. 그리고 표시부는 LED LCD 또는 컴퓨터 모니터를 이용하여 경보 신호를 표시하게 하면 되고, 충전용 바테리나 충전 전력을 공급하기 위한 정전압충전기는 공지의 회로를 이용하면 된다.

입력감시부, 입력위상검출부, 상태검출부와 서어지제어회로에 대하여는 제3도 이하의 도면에 그 실시예가 도시되어 있다.

제3도는 상태검출부(50), 인버터(70) 및 서어지제어회로(110)의 구체적인 회로의 예를 도시한 회로도이다.

펄스폭변조부에서는 중앙제어부의 제어신호를 받아서 펄스폭변조신호 PWM 신호 Q 및 /Q 신호를 발생한다. 이 펄스폭변조신호 PWM 신호 Q 및 /Q 신호는 동시에 하이가 되지 아니하고 최대 듀티비가 49 %를 초과하지 아니한다.

인버터(70)는 이 펄스폭변조신호 Q 및 /Q 신호를 받아서 바테리의 전류를 트랜스 T1의 일차 권선(72)에 흘리기 위하여, 일차 코일의 중앙 탭을 바테리의 + 전극에 연결하고 일차 코일의 양단에 모스 스위칭트랜지스터 M1과 M2의 일단을 각각 연결하고 M1 과 M2의 타단은 전류감지센서(저항)(71)을 통하여 바테리의 - 전극에 연결시킨다. 트랜스 T1의 이차 권선(73)의 양단은 교번전력이 발생되므로 출력선으로 연결되게 한다.

이렇게 구성된 인버터(70)는 펄스폭변조신호 Q 및 /Q 신호에 의하여 트랜지스터 M1과 M2가 교대로 턴온 및 턴오프 되어서 트랜스 T1의 일차 권선(72)에 직류전류를 교대로 흘려준다. 펄스폭변조신호 Q 및 /Q 신호는 듀티비가 최대로 49%를 초과하지 아니하므로 두 개의 트랜지스터가 동시에 턴온 되는 경우는 없다. 트랜스 T1의 일차 권선(72)에 직류전류가 교대로 서로 반대 방향으로 흐르기 때문에 트랜스 T1의 이차 권선(73)의 양단에는 교번전력이 발생된다. 그리하여 출력선으로 교번전력이 출력된다.

상태검출부(50)는 제1 내지 제4 비교기(51,52,53,64), 가변저항기(55), 분압저항기(56,57,58) 및 다이오드(59)를 포함하여 구성된다.

제1비교기(51)는 부하가 걸리고 있는지 부하가 없는 상태인지를 검출하기 위한 것으로서 트랜스의 일차 코일의 전류에 비례하는 전압을 전류감지센서(71)의 양단에서 얻어진 제1비교기의 - 입력에 연결하고, + 입력에는 기준전압 Vref에서 가변저항기(55)통하여 연결한다. 그래서 기준전압에서 일정하게 설정된 전압과 전류감지센서(71)의 양단 전압을 비교하여 트랜스 일차 코일에 전류가 흐르지 아니하거나 일정치 이하가 흐르면 전류감지센서(71)에 전압 강하가 작아져서 기준전압에서의 설정치 보다 낮아지므로 제1비교기의 출력을 하이로 만든다. 즉 무부하 상태가 되면 제1비교기의 출력이 하이가 되고 이 신호는 중앙제어부에 인가된다.

제2비교기(52)는 바테리의 전압을 체크하기 위한 것인데, 기준전압을 - 단자에 연결하고 바테리의 전압을 분압저항(56-1, 56-2)을 통하여 + 단자에 연결하여서 된 것이다. 그래서 밧테리전압이 일정치 이상 유지가 되고 있을 시는 제2비교기의 출력이 하이로 되어 있다가 밧테리전압이 일정치 이하로 하강하게 되면 제2비교기의 출력이 로우로 변한다. 이 출력 신호가 중앙제어부에 인가된다.

제3 및 제4비교기(53, 54))는 과부하가 걸리고 있는지를 검출하기 위한 것으로서, 트랜스의 일차 코일의 전류에 비례하는 전압을 전류감지센서(71)의 양단에서 얻어서 제3비교기의 - 입력에 연결하고, + 입력에는 기준전압 Vref에서 분압저항기(57-1,57-2)통하여 연결한다. 그래서 기준전압에서 일정하게 설정된 전압과 전류감지센서(71)의 양단전압을 비교하여 트랜스 일차 코일에 전류가 과도하게 흐르면 전류감지센서(71)에 전압 강하가 매우 커져서 기준전압에서의 설정치 보다 높아지므로 제3비교기의 출력을 로우로 만든다. 즉 과부하 상태가 되면 제3비교기의 출력이 로우로 변화하고, 이 신호는 중앙제어부에 인가된다. 또 제4비교기(54)에는 + 입력에 기준전압 Vref에서 분압저항기(58-1,58-2)통하여 연결고 - 입력단자에는 펄스폭변조신호의 Q 신호와 /Q 신호를 다이오드(59-1,59-2)를 각각 통하고 제너다이오드(59-3)를 통하여 연결한다. 그래서 기준전압에서 일정하게 설정된 전압에 의하여 제4비교기의 출력은 항상 하이 상태로 되어 있다가 펄스폭변조부의 출력이 비정상적으로 상승한다든지 펄스 폭이 지정된 값(대략 40 정도로 지정한다) 이상으로 커진다든지 하면 제너다이오드가 도통되어 제4비교기의 - 입력에 인가되고 이 전압은 기준전압에서의 설정 전압보다 커져서 제4비교기의 출력을 로우로 만든다. 제3 또는 제4비교기(53,54)의 출력이 로우가 되면 과부하로 인식하게 되며 이 신호가 중앙제어부에 인가된다.

다음에는 서어지제어회로에 대하여 설명한다.

서어지제어회로는 인버터부의 트랜스 일차 코일에 흐르던 직류전류가 갑자기 차단될 때 발생되는 높은 역기전력을 바테리 측으로 환류시켜서 바테리를 충전되게 하므로서 높은 역기전력으로 인한 부품들의 수명 단축을 방지함은 물론이고 바테리의 수명을 연장하기 위한 것이다.

일차 코일에서 발생되는 역기전력은 전류가 급격히 감소할 때 가장 크게 발생되는데, 개략적으로 도시하여 보면 제12도에서 보인 파형 들과 같이된다.

서어지제어회로는 인덕터(본 실시예에서는 트랜스의 일차 코일)의 역기전력 발생점(일차 코일의 양단부 즉 B 노드와 C 노드)에 다이오드(82, 84)를 통하여 연결되는 제1스위칭소자(Q3)로 이루어지고 제1스위칭트랜지스터가 온 될 때 역기전력으로 바테리를 충전시키는 충전회로와, 바테리의 양극에서 제1다이오드(D1), 충전용 컨덴서(C), 제2다이오드(D2), 및 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제어펄스신호(Q, /Q)가 제어단자(베이스 전극)에 인가되는 제2스위칭소자(Q1)를 차례대로 통하여 상기 충전용 컨덴서(C)를 충전시키는 콘덴서 충전회로와. 충전용 컨덴서(C)에 충전된 전압이 일정치 이상이 되면 제3스위칭소자(Q2)를 통하여 상기 제2스위칭소자(Q1)에로 방전시킴과 동시에 제1스위칭소자(Q3)의 제어전극(G)을 초기화시키는 방전회로를 구비한다.

충전회로의 제1스위칭소자(Q3)는 전계효과트랜지스터(FET)이고, 그 소오스(S)와 드레인(D) 단자를 바테리 전원(B+)과 다이오드(82, 84)에 연결되고, 충전회로의 제1다이오드(D1)와 충전용 컨덴서(C)의 접속접에서 상기 전계효과트랜지스터의 게이트전극(G)이 연결되고, 제2스위칭소자(Q1)는 바이폴라 트랜지스터이고, 그 베이스 전극에는 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제어펄스신호(Q, /Q)가 연결되고, 그 데이터는 접지(B-)에 연결되고, 방전회로의 제3스위칭소자(Q2)는 바이폴라 트랜지스터이고, 그 베이스 전극이 저항(R2)을 통하여 제2스위칭소자(Q1)의 콜렉터 전극에 연결되고, 그 에미터 전극은 바테리 전원(B+)에 연결되고 그 콜렉터 전극은 충전용 컨덴서와 제1스위칭소자의 게이트에 연결된다.

이렇게 구성되는 서어지제어회로는 제어펄스신호가 하이로 될 때 상기 충전용 컨덴서를 충전시키기 시작하고, 일정한 전압으로 충전되면 방전회로가 동작되어 제1스위칭소자를 초기화시킨 후 제어펄스가 로우로 되어 역기전력이 발생되는 순간에 제2 및 제3스위칭소자가 오프되고 상기 충전용 컨덴서에 충전된 전압에 의하여 제1스위칭소자가 온 되어 역기전력이 바테리로 충전되도록 동작한다.

인버터의 구동 신호인 PWM의 출력 Q와 /Q가 서로 하이 상태에서 오버랩 되지 아니하도록 출력되고, PWM의 출력 Q가 하이가 되면 M1 이 도통되어서 B+의 전압에 의하여 일차 코일의 중성점을 통하여 B 노드와 트랜지스터 M1 및 전류감지센서인 저항(71)을 통하여 바테리의 B-로 전류 I 가 흐른다. 이 전류 I는 도통되는 순간에는 코일의 인덕턴스에 의하여 작게 흐르기 시작하여 시간이 경과하면서 계속 증가되다가 Q 신호가 로우로 변하면 M1이 오프 되므로 급격하게 줄어서 결국 흐르지 못하게 된다.

PWM의 출력 /Q가 하이가 되면 M2가 도통되어서 B+의 전압에 의하여 일차 코일의 중성점을 통하여 C 노드와 트랜지스터 M2 및 전류감지센서인 저항(71)을 통하여 바테리의 B-로 전류 /I 가 흐른다. 이 전류 /I도 도통되는 순간에는 코일의 인덕턴스에 의하여 작게 흐르기 시작하여 시간이 경과하면서 계속 증가되다가 /Q 신호가 로우로 변하면 M2가 오프 되므로 급격하게 줄어서 결국 흐르지 못하게 된다.

인버터의 구동 신호인 PWM의 출력 Q와 /Q에 따른 B 노드와 C노드의 전위는 제12도에서 보인 파형 B C와 같이 된다.

먼저 C 노드의 전위는 제12도에서 보인 파형 C로 보인 바와 같이, 바테리의 B+ 전압이 유지되고 있다가 PWM의 출력 /Q가 하이가 되면 M2 이 도통되어서 전류감지센서(71)를 통하여 바테리의 B-로 하강되고 /Q가 로우로 변하면 M2가 턴오프되면 전류 /I의 급격한 감소로 인하여 높은 역기전력이 발생되며 이 역기전력으로 인한 전압은 PWM의 출력 Q가 하이가 될 때까지 지속되다가 Q 신호가 하이로 되면 B+ 전위로 변한다.

B 노드의 전위는 12도에서 보인 파형 B로 보인 바와 같이, 바테리의 B+ 전압이 유지되고 있다가 PWM의 출력 Q가 하이가 되면 M1가 도통되어서 전류감지센서(71)을 통하여 바테리의 B-로 하강되어 있다가, Q 신호가 로우로 변하면 M1이 턴오프 되면 전류 /I의 급력한 감소로 인하여 높은 역기전력이 발생되고 역시 /Q가 온 되면 B+로 된다.

이 때 발생되는 역기전력들은 도면에서 P로 가리키는 파형과 같이 된다.

이 역기전력은 PWM의 출력 Q와 /Q 신호가 하이로 되는 되지 아니하는 기간동안 유지되는 것으로 이 기간의 역기전력을 소멸시키는 회로가 서어지제어회로이다.

파형도 D는 FET Q3의 D 노드에 인가되는 역기전력을 보인 것으로서, 노드 B와 C에 연결된 다이오드(82,81)를 통하여 인가되는 역기전력이 합하여진 것이다.

서-지 제어회로의 회로의 A노드에는 PWM의 출력 Q와 /Q 신호가 각각 다이오드를 통하여 인가되도록 회로가 구성되어 있어서 PWM의 출력 Q와 /Q 신호의 하이 구간 펄스가 인가되고 있다.

A 노드에 하이 펄스가 인가되면, 제9도에서 도시된 바와 같이, 트랜지스터 Q1이 온 되어서 바테리의 B+ - D1 - C - D2 - Q1 - B- 로 충전 통로가 마련이 되고 그래서 충전용 컨덴서 C 에 도시된 바와 같은 부호의 전하가 충전된다. 이 때는 Q3은 오프 상태로 된다.

충전용 컨덴서 C에 저하가 저장이 되면 제 10도에서 도시된 바와 같이 충전용 컨덴서 C에 충전된 전압에 의하여 트랜지스터 Q2가 턴온 되어, 충전용 컨덴서C의 충전 전하가 반전됨과 동시에 전계효과트랜지스터인 FET Q3 게이트와 소오스 S 사이에 충전되어 있던 전하도 방전이 되어서 FET Q3 게이트와 소오스 S가 동전위로 된다. 이 때오 Q3은 오프 상태로 있게 된다.

다음에는 Q 또는 /Q펄스가 하강하고 이 하강 에지 순간에 Q1 과 Q2가 오프 되고, FET Q3의 게이트에는 Vg = B+ + Vc (충전용 컨덴서 C에 충전된 전압) 이 되어서 FET Q3을 턴온 시킨다. 이와 동시에(Q 또는 /Q가 하강하여 역기전력이 발생되고 이 역기전력은 다이오드(82, 84)를 통하여 바테리의 B+ 전원 측으로 전류를 흘려서 결국 바테리를 충전시키는 작용을 한다.

즉 Q가 하강하는 경우에는 역기전력이 B노드에 연결된 다이오드(82)를 통하여 바테리의 B+ 전원 측으로 전류를 흘려서 바테리를 충전시키고, /Q가 하강하는 경우의 역기전력은 C 노드에 연결된 다이오드(84)를 통하여 바테리의 B+ 전원 측으로 전류를 흘려서 바테리를 충전시킨다.

제4도는 입력감시부(30) 회로이다.

상용 교류 입력 전원을 정류하는 브리지 정류기의 출력노드 A와 접지 사이의 분압저항들 Ra, Rb, Rc가 직렬로 연결된다.

브리지 정류기의 출력은 저항 R1을 통하여 컨덴서 C1과 제너다이오드 D2에 연결되면 포토카플러(33)의 발광 부에 연결되고 저항 R2를 통하여 제1 및 제2 비교기의 +입력에 연결됨과 동시에 제너다이오드 D1에 인가된다.

분압저항 Ra 와 Rb의 접속점 RF1에 나타나는 전압이 제1비교기(31)의 - 입력에 연결되고, 분압저항 Rb 및 Rc 사이의 접속점 노드 RF2에 나타나는 전압이 제2비교기(32)의 - 입력에 인가된다.

제1비교기와 제2비교기의 출력 사이에 포토카플러의 발광부(발광다이오드)가 연결되고 포토카플러의 수광부(트랜지스터)가 전원과 접지 사이에 저항 R7을 통하여 접속된다.

이 회로의 동작은 제6도에 도시된 파형도를 참조하며 살펴보면, 상용 교류 입력 전원이 브리지 정류기에서 정류되어 노드 A에 파형도 VA 표시된 바와 같은 파형으로 인가된다.

출력 파형 VA 같은 전압이 저항 R1을 통하여 연결된 콘덴서 C1과 제너다이오드 D2에 의하여 일정한 전압이 포토카플러의 발광부와 제1 및 제2 비교기에 인가된다. 제1 및 제2 비교기의 +입력에는 저항 R2와 제너다이오드 D1에 의하여 일정한 기준 전압이 제6도의 VZD1과 같이 인가되게 된다.

또한 노드 A에 인가된 전압은 분압저항들 Ra, Rb, Rc에 의하여 분할되어 노드 RF1, RF2에 제6도의 파형 VRF1, VRF2 등과 같이 나타난다.

분압저항 Ra 및 Rb의 접속점 노드 RF1과 분압저항 Rb 및 Rc 사이의 접속점 노드 RF2에 나타나는 전압은 검출하고자 하는 입력전압의 이상(FAILURE) 여부를 검출하기 위한 것인데, 이는 제너다이오드 D1의 전압을 기준으로 산출한다.

정상적인 교류전압이 인가되는 경우에는 제6도의 정상 구간에서 보인 파형과 같이 되는데, 분압저항 Ra 와 Rb의 접속점 RF1에 나타나는 전압 VRF1이 제너다이오드 VZD1의 전압보다 낮은 동안에는 제1비교기(31)의 출력은 하이가 되어 있다가 이 전압이 VZD1 보다 높아지면 제1비교기의 출력은 파형도 CO1 와 같이 로우로 변한다. 제1비교기의 출력이 로우로 변하면 포토카플러의 발광부에 전류가 흘러서 발광되고 수광부의 트랜지스터가 온 되어서 출력노드의 전압은 파형도 B에서 보인 바와 같이 로우로 변한다.

이어서 접속점 RF1에 나타나는 전압이 VZD1의 전압보다 다시 낮아지면 제1비교기(31)의 출력은 하이로 변하여 포토카플러의 발광부에 전류 흐름이 정지되므로 발광되지 못하고 따라서 수광부의 트랜지스터가 오프 되어서 출력노드의 전압은 파형도 B에서 보인 바와 같이 하이로 변한다.

정상적인 전압 상태에서는 분압저항 Ra 와 Rb 사이의 노드 RF2의 전압 VRF2 가 VZD1 보다 높아지지 아니하므로 제2비교기의 출력은 항상 파형도 의 CO2 와 같이 하이 상태를 유지한다.

CPU는 이 출력 파형 B를 분석하여 펄스 간격이 기준치 보다 길거나 짧으면 전원 전압으로 이상으로 판단한다.

정상치 보다 높은 과전압 VA' 이 입력되는 경우에는, 제6도의 과전압 구간에서 보인 바와 같은 파형으로 되는데, 분압저항 Ra 및 Rb의 접속점 노드 RF1의 전압 VRF1'이 VZD1 보다 높아지면 제1비교기의 출력은 로우로 변하여 파형도 CO1' 와 같이 되고, 포토카플러의 발광부가 발광하므로 출력노드의 전압이 로우로 되지만, 잠시 후에는 분압저항 Rb 및 Rc 사이의 접속점 노드 RF2에 나타나는 전압 VRF2'가 VZD1 보다 높아져서 제2비교기(32)의 출력이 파형도 CO2' 와 같이 로우로 변한다. 따라서 제2비교기(32)의 출력에 따라 포토카플러의 발광부에 전류 흐름이 차단되고 수광부의 트랜지스터가 오프 상태로 변화하므로 출력노드의 전압은 파형도 B'에서 보인 바와 같이 변하여 펄스 간격이 정상 치보다 매우 짧아지게 된다. 그리고 전압 VRF1'이 VZD1 보다 높은 상태에서 전압 VRF2'가 VZD1 보다 낮아지게 되면 제2비교기(32)의 출력이 파형도 CO2' 와 같이 로우로 변한다. 따라서 제2비교기(32)의 출력이 파형도 CO2' 와 같이 하이로 되어서 포토카플러의 발광부에 전류가 다시 흐르게 되어서 출력노드의 전압은 파형도 B'에서 보인 바와 같이 된다.

그래서 출력 펄스 간격이 정상 치보다 매우 짧아지게 되고, CPU는 이 출력 파형을 분석하여 펄스 간격이 기준치 보다 짧기 때문에 과전압이라고 판단한다.

다음에는 정상치 보다 낮은 저 전압 VA 이 입력되는 경우에는, 제6도의 저전압 구간에서 보인 바와 같이 파형으로 되는데, 분압저항 Ra 및 Rb의 접속점 노드 RF1의 전압 VRF1이 VZD1 보다 높아지면 제1비교기의 출력은 로우로 변하여 파형도 CO1 와 같이 되고, 포토카플러의 발광부가 발광하므로 출력노드의 전압이 로우로 되고, 분압저항 Rb 및 Rc 사이의 접속점 노드 RF2에 나타나는 전압 VRF2가 VZD1 보다 높아지지 아니하여 제2비교기(32)의 출력이 파형도 CO2 와 같이 계속 하이 상태로 있게 된다. 따라서 정상 상태의 동작과 유사한 파형으로 되지만 출력노드의 전압은 파형도 B'에서 보인 바와 같이 변하여 펄스 간격이 정상 치보다 짧아져서, CPU는 저전압상태라고 판단한다.

제너다이오드의 전압을 조정하면 펄스 간격을 조절할 수가 있고, CPU는 이 펄스를 분석하여 저전압이나 과전압을 검출할 수 있고 정정시는 먼저 저전압으로 되므로 이도 또한 저전압으로 검출된다.

CPU는 정전이나 과전압 발생시 둘다 상용 교류 입력 전원의 이상으로 간주하고 본 장치를 작동시켜 안정된 출력전압을 부하에 공급한다.

입력위상검출부(40)는 제5도에 도시된 회로와 같은데, 저항 R11과 콘덴서 C11의 직렬로 연결한 적분 회로를 전원 측에 연결된 반파 정류 회로(41)의 출력 단에 저항 R11을 통하여 연결하고, 콘덴서 C11의 저항 R11의 접속점을 클램핑 역할을 하는 다이오드 D11을 통하여 전원에 연결하고, 저항 R11과 콘덴서 C11의 접속점에서 출력 신호를 내보내도록 구성된다.

이 회로의 동작을 제7도를 참조하면서 살펴보면, P1 노드의 파형은 정류기(41)에 의해 반파정류된 파형르로서 제7도의 P1 으로 표시된 파형과 같이 되고, 이 파형이 적분 회로와 클램프회로에서 적분되고 클램프되어 P2노드에서는 제7도의 P2로 보인 바와 같은 파형의 신호로 출력된다.

CPU는 자체 타이머로서 16.66msec (60Hz)의 파형을 만들고 P2 점의 위상 검출부 출력과 항상 비교하여 입력 전원의 주파수 변동을 감지할 수 있고, 두 위상을 비교한 오차(ERROR)를 위상 비교 기준 값으로 펄스폭변조부의 위상 비교 회로에 공급한다.

이렇게 구성된 무 정전 전원 공급장치는 제13도에 보인 플로우챠트에서 보인 바와 같이 동작하는데, 먼저 전원이 인가되면 중앙제어부(100)는 입력되는 전원의 이상 유무를 입력감시부(30)의 전원상태신호를 체크한다(210단계).

여기서 입력 전원에 이상이 있으면(정전 상태가 되거나 전압 또는 주파수에 이상이 발생되면) 무정전전원공급장치의 전체 시스템을 동작되도록 다음 단계의 동작으로 이행하고, 만약 전원 상태가 정상적인 상태가 되면 210단계의 전원 체크 동작을 계속 반복한다.

다음 단계는 중앙제어부의 제어 하에 바테리의 전력을 교번전력으로 변환하여 출력선으로 교번전력이 출력되도록 제1 내지 제4스위치와 직류-교류전력 변환부를 동작시킨다. 즉 UPS를 동작시킨다 (215단계). 그리고 밧데리상태가 로우 상태인지를 체크한다(220단계).

바테리가 로우 상태라고 판단되면 경고음을 발생과 더불어 경고 시그널을 표시하고 일정한 시간(예로서 1분 정도)이 경과한 후 UPS 시스템의 동작을 스톱시키고(270단계), 바테리가 정상 전압을 유지하고 있으면, 다음 단계로 이행하여 부하 측의 오버 로드 여부를 체크한다(230단계).

출력선에 연결된 부하가 오버로드라고 판단되면 역시 경고음과 경고 표시를 하고 일정한 시간(예로서 5초정도)이 경과하면 UPS 시스템의 동작을 스톱시키며(280단계), 부하 상태가 오버로드라고 판단되지 아니하면, 다음 동작으로 이어져서 부하가 노로드상태인지를 체크한다(240단계).

만약 노로드(예로서 부하가 연결되지 아니한 상태 즉 조작자가 긴급조치를 끝내고 컴퓨터를 오프 시킨 경우)라고 판단되면 일정한 시간(예로서 10 초정도)이 경과된 후에 UPS 시스템의 동작을 스톱시킨다(290단계).

아직 노로드상태가 아니면 다시 입력 전원의 이상 유무를 체크한다(250 단계).

입력 전원이 정상 상태가 되면 일정 시간(예 약 10초)이 경과한 후에 UPS 시스템의 동작을 중지시키고 정상적인 입력 전원이 출력선에 연결되도록 스위치를 연결하고 제200 단계로 가서 전원상태신호를 점검한다(260단계).

만약 250 단계에서 전원이 계속 이상 상태로 판단되면 제 215단계로 가서 상기 동작들을 반복하여 수행한다.

이렇게 하여 입력되는 교류 상용 전력에 이상이 발견되면 즉시 UPS 시스템을 동작시켜 교번전력을 출력선에 연결하므로서 컴퓨터의 정전상태를 방지한다.

이상에서 설명한 본 발명의 구체적인 실시예에서는 전계효과트랜지스터와 제너다이오드 바이폴라 트랜지스터 등을 이용하여 회로를 구성하였지만 동일한 기능을 가진 전자 회로 소자들을 이용하여 구성요소들을 대치하여 또다른 실시예를 얼마든지 만들어 낼 수도 있다.

본 발명은 소형이고 코스트가 낮으며 전력절환의 신뢰성이 높고, 상용 교류전원이 정상인 경우는 부하로 직접 바이패스시켜 UPS 기능을 대기(STANDBY)상태로 유지하며, 상용 교류전원이 정해진 범위 이상으로 변동될시(저전압, 고전압, 주파수변동등) UPS 가 즉각적으로 입력 교류 전원의 위상이 동기하여 인버터회로를 구동시키고, 부하의 이상 상태를 감지하여 무부하시는 자동 다운시키고 과부하시는 경보송출 및 표시와 함께 자동 다운(SHUTDOWN)시킨다. 또한 전지의 충전은 정전압 충전을 하되 규정값 이상시 DC 스위치를 차단하여 과충전을 방지하며, 상용교류입력이 있을 시는 항상 충전 가능 상태로 두고 정전 시에 UPS 동작중 생기는 써-지를 이용, 전지로 궤환시켜 전지 기능을 보강케 하여 그 수명을 연장할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 충전용 바테리와, 이 충전용 바테리에 충전 전려을 공급하는 정전압충전기와, 바테리의 직류전력을 교번전력으로 변환시켜 출력하는 직류-교류전력 변환부와, 입력 교류 전원의 상태를 체크하여 전원상태신호를 발생하는 입력감시부를 가지고 있는 무정전전원공급장치에 있어서, 상기 정전압충전기의 충전 전력을 상기 바테리에 연결 또는 차단시키는 제1제어스위치와, 바테리의 직류-교류전력변환부에 연결 또는 차단하는 제2제어스위치와, 상기 전력변환부의 교번전력을 부하 측의 출력선으로 연결 또는 차단하는 제3제어 스위치와, 상용 교류 입력 전력을 출력선으로 연결 또는 차단하되, 제3제어스위치가 연결되면 차단되고, 3제어스위치가 차단되면 연결되도록 동작되는 제4제어스위치와, 입력 교류 전원의 파형을 분석하여 전원의 위상각에 대한 입력위상검출부와, 상기 입력감시부의 전원상태신호와 입력위상검출부의 입력위상신호를 받아서 상기 직류-교류 전력변환부와 제1 내지 제4 제어스위치를 제어하여 입력 교류 전원에 이상이 발생되면 상기 바테리의 직류전력을 교번전력으로 변환하여 출력시키는 중앙제어부를 포함하여 이루어지고, 상기 직류-교류 전력변환부는, 상기 중앙제어부의 신호에 위상을 동기시키고, 상기 중앙제어부의 신호에 따라서 펄스폭을 조절하여서 펄스폭변조신호를 발생하는 펄스폭변조부와, 펄스폭변조신호를 수신하여 상기 제2제어스위치를 통하여 받는 상기 바테리의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 상기 제3제어스위치에 연결하는 인버터와, 상기 인버터가 출력하는 교번전력의 출력 상태를 체크하여 그 상태를 상기 중앙제어부에 알리는 상태검출부와, 상기 인버터에서 직류전력을 교번 전력으로 변환할 때 발생되는 유기전력을 제어하는 서어지제어회로를 포함하는 것이 특징인 무정전전원공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 입력감시부는, 교류 입력 전원을 정류하는 브리지 정류기의 출력과 접지 사이의 분압저항들 Ra, Rb, Rc가 직렬로 연결하고, 브리지 정류기의 출력은 저항 R1을 통하여 콘덴서 C1과 제너다이오드 D2를 연결하며, 또 포토카플러의 발광부에 연결되고, 저항 R2를 통하여 제1 및 제2 비교기의 +입력에 연결됨과 동시에 제너다이오드 D1에 인가되고, 분압저항 Ra 와 Rb의 접속점 RF1에 나타나는 전압이 제1비교기(31)의 - 입력에 연결되고, 분압저항 Rb 및 Rc 사이의 접속점 노드 RF2에 나타나는 전압이 제2비교기(32)의 - 입력에 인가되고, 제1비교기와 제2비교기의 출력 사이에 포토카플러의 발광부가 연결되고 포토카플러의 수광부가 전원과 접지 사이에 저항 R7을 통하여 접속되어서 구성된 것이 특징인 무정전전원공급장치.
3. 제1항에 있어서 입력위상검출부는, 저항과 콘덴서의 직렬로 연결한 적분 회로를 전원 측에 연결된 반파회로의 출력 단에 저항을 통하여 연결하고, 콘덴서와 저항의 접속점을 클램핑 역할을 하는 다이오드를 통하여 전원에 연결하고, 저항과 콘덴서의 접속점에서 출력신호를 내보내도록 구성된 것이 특징인 무정전전원장치.
4. 제2항에 있어서 상기 상태검출부는, 전류감지센서(71)의 양단에서 얻은 전압을 제1비교기의 - 입력에 연결하고, 제1비교기의 + 입력에는 기준전압을 연결하고, 제2비교기(52)는 바테리의 전압을 체크하기 위하여 기준전압을 - 단자에 연결하고 바테리의 전압을 + 단자에 연결하고, 제3 및 제4비교기는 과부하가 걸리고 있는지를 검출하기 위하여 전류감지센서(71)의 양단에서 얻은 전압을 제3비교기의 - 입력에 연결하고, + 입력에는 기준전압을 연결하여 구성하는 것이 특징인 무정전전원장치.
5. 인덕턴스를 가진 전기 인덕터에 바테리의 전류를 단속시키셔 교전 전력을 얻기 위한 회로이 있어서, 전류의 단속으로 인한 역기전력을 소멸시키기 위한 서어지제어회로가, 상기 인덕터의 역기전력 발생 점에 다이오드를 통하여 연결되는 제1스위칭소자로 이루어지고 제1스위칭트랜지스터가 온 될 때 역기전력으로 바테리를 충전시키는 충전회로와, 바테리의 양극에서 제1다이오드, 콘덴서, 제2다이오드, 및 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제어펄스신호가 제어단자에 인가되는 제2스위칭소자를 차례대로 통하여 상기 콘덴서를 충전시키는 콘덴서 충전회로와, 상기 콘덴서에 충전된 전압이 일정치 이상이 되면 제3스위칭소자를 통하여 상기 제2스위칭소자에로 방전시킴과 동시에 상기 제1스위칭소자의 제어전극을 초기화 시키는 방전회로를 구비하고, 상기 제어펄스신호가 하이로 될 때 상기 충전용 컨덴서를 충전시키기 시작하고, 일정한 전압으로 충전되면 방전회로가 동작되어 제1스위칭소자를 초기화시킨 후 제어펄스가 로우로 되어 역기전력이 발생되는 순간에 상기 제2 및 제3스위칭소자가 오프 되고 상기 콘덴서에 충전된 전압에 의하여 제1스위칭소자가 온 되어 역기전력이 바테리로 충전되도록 동작되는 것이 특징인 서어지제어회로.
6. 제5항에 있어서 상기 충전회로의 제1스위칭소자는 전계효과트랜지스터이고, 그 소오스와 드레인 단자는 바테리 전원과 상기 다이오드에 연결되고, 상기 충전회로의 제1다이오드와 콘덴서의 접속접에서 상기 전계효과트랜지스터의 게이트전극이 연결되고, 제2스위칭소자는 바이폴라 트랜지스터이고, 그 베이스 전극에 인덕터에 흐르는 전류를 제어하는 제어펄스신호가 연결되고, 그 데이터는 접지에 연결되고, 상기 방전회로의 제3스위칭소자는 바이폴라 트랜지스터이고, 그 베이스 전극이 저항을 통하여 제2스위칭소자의 콜렉터 전극에 연결되고, 그 에미터 전극은 바테리 전원에 연결되고 그 콜렉터 전극은 상기 콘덴서와 연결되는 것이 특징인 서어지 제어 회로.