KR100317827B1 - Apparatus for charging capacitor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고주파 인버터 및 고주파 소프트 스위칭 기술을 이용하여, 고전압 충전 커패시터의 수명 연장 및 충전반복시 주파수 특성을 향상시키는 한편, 고압 발생시 구동 주파수를 고주파 영역으로 확장하여, 안정된 직류 고전압이 발생되도록 하는 고주파 고압 충전장치에 관한 것으로, 상기 고주파 고압 충전장치는, 커패시터를 충전하는 장치에 있어서, 입력 전압을 고주파 소프트 스위칭에 의해 고주파 교류전압으로 변환하는 교류 변환수단; 상기 변환되는 교류전압을 고압의 직류전압으로 변환, 승압하여 외부의 커패시터에 인가하는 직류 변환수단; 및 상기 커패시터에 인가되는 전압에 의한 신호를 검출하여, 이에 따라 상기 교류 변환수단의 고주파 소프트 스위칭 동작을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되어, 고주파 직렬 공진형 인버터를 위상전이 펄스 폭 변조방식의 제어신호로 영(Zero)전압 소프트 스위칭시켜, 스위칭 효율을 향상시키고, 2차측이 복수개로 구성되는 전압 체배 방식의 변압기를 사용하여 2차측 각각의 승압비율을 낮추어 고압 변압기를 안정되게 동작시키고, 주파수에 독립되는 CR 분압기를 구성하여 리플전압을 감소시키고, 또한, 고주파 인버터 및 소형의 변압기를 사용하여 장치의 소형화가 이루어지도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.The present invention uses a high frequency inverter and a high frequency soft switching technology to improve the lifespan of the high voltage charging capacitor and improve the frequency characteristics at the time of the charging repetition, while extending the driving frequency to the high frequency region when a high voltage is generated, so that a stable DC high voltage is generated. A high voltage charging device, the high frequency high voltage charging device comprising: an AC conversion means for converting an input voltage into a high frequency AC voltage by high frequency soft switching; DC conversion means for converting and converting the converted AC voltage into a high-voltage DC voltage to apply to an external capacitor; And control means for detecting a signal caused by the voltage applied to the capacitor, and controlling the high frequency soft switching operation of the AC conversion means, thereby controlling the high frequency series resonant inverter using a phase shift pulse width modulation method. Zero voltage soft switching by signal improves the switching efficiency, and by using voltage multiplier transformer composed of plural secondary sides, it lowers the step-up ratio of each secondary side and operates high voltage transformer stably. It is a very useful invention to reduce the ripple voltage by configuring an independent CR voltage divider, and to miniaturize the device by using a high frequency inverter and a small transformer.
Description
본 본 발명은 고주파 고압 충전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파 인버터 및 고주파 소프트 스위칭 기술을 이용하여, 고전압 충전 커패시터의 수명 연장 및 충전반복시 주파수 특성을 향상시키는 한편, 구동 주파수를 고주파 영역으로 확장하여, 안정된 직류 고전압 발생 및 장치의 소형화가 이루어지도록 하는 고주파 고압 충전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high frequency high voltage charging device, and more particularly, by using a high frequency inverter and a high frequency soft switching technology, extending the lifespan of the high voltage charging capacitor and improving the frequency characteristics during charging repeat, while driving the driving frequency into the high frequency region. The present invention relates to a high-frequency high-voltage charging device for expanding and minimizing the generation of a stable direct current high voltage.
도 1은, 종래의 일반적인 고전압 전원장치를 도시한 것으로서, 상기 고전압 전원장치는, 60Hz의 주파수 범위를 갖는 단상(單相) 또는 3상의 입력 교류전압을 고전압으로 변압하는 변압기(1); 상기 변압된 고전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류기(2); 상기 변환된 직류전압에 포함된 노이즈 성분인 교류성분을 제거하는 필터용 커패시터(Cf); 상기 필터링(Filtering)된 직류전압을 선택적으로 차단 또는 출력하는 전력 스위칭소자(3); 상기 출력되는 직류전압과 설정된 기준전압을 비교 및 증폭하여 출력전압의 오류(Error)여부를 검출하는 비교/증폭기(4); 상기 비교결과에 따라 상기 전력 스위칭소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어기(5)를 포함하여 구성되는 데, 통상적으로 상기 전력용 스위칭소자(3)는, 전력용 트랜지스터(Power Transistor)가 사용된다.1 shows a conventional general high voltage power supply, which includes: a transformer (1) for transforming a single-phase or three-phase input AC voltage having a frequency range of 60 Hz to a high voltage; A rectifier (2) for rectifying the transformed high voltage into a DC voltage; A filter capacitor Cf for removing an AC component which is a noise component included in the converted DC voltage; A power switching element (3) for selectively blocking or outputting the filtered DC voltage; A comparison / amplifier 4 for comparing and amplifying the output DC voltage with a set reference voltage to detect whether an output voltage is in error; The controller 5 is configured to control the switching operation of the power switching device according to the comparison result. Typically, the power switching device 3 uses a power transistor.
상기와 같이 구성되는 종래의 고전압 전원장치의 동작은, 우선 60Hz의 주파수 범위를 갖는 단상 또는 3상의 교류(AC)전압이 변압기(1)의 1차측에 인가되면, 상기 인가된 교류전압은, 변압기(1)의 1차측과 2차측간의 권수비에 의해 고전압으로 변압되고, 상기 변압된 고전압은 다시 정류기(Rectifier)(2)에 의해 정류되어 직류전압으로 출력된다.In the operation of the conventional high voltage power supply device configured as described above, first, when a single-phase or three-phase alternating current (AC) voltage having a frequency range of 60 Hz is applied to the primary side of the transformer 1, the applied alternating voltage is applied to the transformer. The voltage is converted to high voltage by the turn ratio between the primary side and the secondary side of (1), and the transformed high voltage is rectified by the rectifier 2 and output as a DC voltage.
한편, 상기 직류전압에 포함된 노이즈성분인 교류성분은, 상기 정류기(2)와 전력용 트랜지스터(3)사이에 구비된 DC 연결(Link) 커패시터인 필터용 커패시터(Cf)에 의해 제거되어, 교류성분이 제거된 직류전압이 상기 전력용 트랜지스터(3)에 인가됨으로서, 고압의 직류전압(Vo)이 출력되는 데, 상기 비교/증폭기(4)는, 상기 출력되는 직류전압(Vo)을 설정된 기준전압(Vo ref)과 비교하여, 상기 직류전압의 정상 또는 오류여부를 검출하고, 검출결과 즉, 검출신호를 일정범위의 전압 값으로 증폭하여 상기 제어기(5)로 출력하는 한편, 상기 제어기(5)는, 입력되는 검출신호에 따라 상기 전력용 트랜지스터(3)의 베이스(Base)를 온/오프 제어하여, 상기 전력용 트랜지스터(3)의 스위칭동작을 제어한다.On the other hand, the AC component which is a noise component included in the DC voltage is removed by the filter capacitor Cf, which is a DC link capacitor provided between the rectifier 2 and the power transistor 3, Since the DC voltage from which the component is removed is applied to the power transistor 3, a high-voltage DC voltage Vo is output, and the comparison / amplifier 4 sets a reference based on the output DC voltage Vo. Compared to the voltage (Vo ref), the detection of the normal or error of the DC voltage, and amplifies the detection result, that is, the detection signal to a voltage value of a predetermined range and outputs to the controller 5, the controller 5 ) Controls the switching operation of the power transistor 3 by turning on / off the base of the power transistor 3 according to the input detection signal.
따라서, 상기 전력용 트랜지스터(3)는, 정류기(2)에 의해 변환된 직류전압을 상기 비교 및 검출결과에 따라 선택적으로 차단 또는 출력함으로써, 고압의 직류전원이 안정되게 출력되도록 하는 것이다.Therefore, the power transistor 3 selectively blocks or outputs the DC voltage converted by the rectifier 2 according to the comparison and detection results, so that the high voltage DC power is stably output.
그러나, 이와 같은 종래의 일반적인 고전압 전원장치는, 입력 교류전원 및전원 임피던스의 변동으로 인하여, 일정하게 유지/출력되어야 하는 고압의 직류전압에 리플(Ripple)등과 같은 전압변동이 발생되는 문제점이 있으며, 또한 상용주파수 즉, 60Hz의 구동 주파수를 갖는 대형 변압기를 사용함으로써, 장치의 대형화를 초래하게 되어 결국, 전원장치의 속응성 향상 및 소형화에 극히 제한을 받게 되는 문제점이 있었다.However, such a conventional high voltage power supply device has a problem in that a voltage variation such as ripple occurs in a high voltage DC voltage that must be maintained / output constantly due to a change in an input AC power supply and a power supply impedance. In addition, by using a large transformer having a commercial frequency, that is, a driving frequency of 60 Hz, it causes a large size of the device, there is a problem that is extremely limited in the rapid response and miniaturization of the power supply.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 직렬 공진형 인버터를 위상전이 펄스 폭 변조방식의 제어신호로 영(Zero)전압 소프트 스위칭시켜, 스위칭 효율을 향상시키는 고주파 고압 충전장치를 제공하고자 하는 데, 그 목적이 있으며,Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the high-frequency high-voltage charging device to improve the switching efficiency by the zero voltage soft switching of the series resonant inverter to the control signal of the phase transition pulse width modulation method To provide a, for that purpose,
또한, 2차측이 복수개로 구성되는 전압 체배 방식의 고주파 변압기를 이용하여 2차측 각각의 승압비율을 낮추어 고압 변압기의 동작이 안정되도록 하는 고주파 고압 충전장치를 제공하는 데, 그 목적이 있으며,In addition, by using a high voltage transformer of the voltage multiplying system consisting of a plurality of secondary side to provide a high-frequency high-pressure charging device to stabilize the operation of the high-voltage transformer by lowering the step-up ratio of each of the secondary side,
또한, 주파수에 독립되는 CR 분압기를 이용하여 리플전압을 감소시키는 고주파 고압 충전장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a high-frequency high-voltage charging device that reduces the ripple voltage by using a frequency divider CR voltage divider.
도 1은 종래의 일반적인 고전압 전원장치를 개략적으로 도시한 것이고,Figure 1 schematically shows a conventional general high voltage power supply,
도 2는 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치에 대한 전체 구성을 도시한 것이고,Figure 2 shows the overall configuration for a high frequency high pressure charging device according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치의 제어회로에 대한 구성을 도시한 것이고,Figure 3 shows the configuration of the control circuit of the high frequency high voltage charging device according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 변압기와 정류기에 대한 구성을 도시한 것이고,4 illustrates a configuration of a transformer and a rectifier according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 변압기의 등가회로를 도시한 것이고,5 shows an equivalent circuit of a transformer according to the invention,
도 6은 본 발명에 따른 CR 분압기의 등가회로를 도시한 것이고,6 shows an equivalent circuit of a CR voltage divider according to the present invention,
도 7은 본 발명에 따른 CR 분압기의 출력전압 파형도를 도시한 것이고,7 shows an output voltage waveform diagram of a CR voltage divider according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 또다른 CR 분압기 및 차단 주파수를 도시한 것이고,8 shows another CR voltage divider and cutoff frequency according to the present invention,
도 9는 본 발명에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 파형도를 도시한 것이고,9 illustrates a computer simulated waveform diagram in accordance with the present invention,
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 고주파 인버터의 최대 출력 및 최소 출력 파형도를 도시한 것이고10 and 11 illustrate the maximum output and minimum output waveform diagram of the high frequency inverter according to the present invention.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치의 출력전압 및 리플 전압의 파형도를 도시한 것이다.12 and 13 are waveform diagrams of the output voltage and the ripple voltage of the high-frequency high-voltage charging device according to the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing
11,14 : 정류기 12 : 인버터11,14 Rectifier 12: Inverter
13 : 변압기 15 : 분압기13: transformer 15: voltage divider
16 : 제어기 17 : 구동기16 controller 17 driver
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치는, 커패시터를 충전하는 장치에 있어서, 입력 전압을 고주파 소프트 스위칭에 의해 고주파 교류전압으로 변환하는 교류 변환수단; 상기 변환되는 교류전압을 고압의 직류전압으로 변환, 승압하여 외부의 커패시터에 인가하는 직류 변환수단; 및 상기 커패시터에 인가되는 전압에 의한 신호를 검출하여, 이에 따라 상기 교류 변환수단의 고주파 소프트 스위칭 동작을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a high frequency high voltage charging device according to the present invention comprises: an AC conversion means for converting an input voltage into a high frequency AC voltage by high frequency soft switching; DC conversion means for converting and converting the converted AC voltage into a high-voltage DC voltage to apply to an external capacitor; And control means for detecting a signal caused by the voltage applied to the capacitor and controlling the high frequency soft switching operation of the AC conversion means accordingly.
이하, 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the high-frequency high-pressure charging device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 고압 충전장치에 대한 구성을 도시한 것으로, 상기 고주파 고압 충전장치는, 입력 교류전압을 정류하여 직류전압으로 출력하는 1차 정류기(11); 상기 출력되는 직류전압에 포함된 노이즈 성분인 교류성분을 제거하는 필터용 커패시터(Cf); 상기 교류성분이 제거된 직류전압을 고주파 소프트 스위칭하여 고주파 교류전압으로 변환하는 인버터(12): 상기 변환된 고주파 교류전압을 충전 및 방전하는 공진용 커패시터(Cs); 상기 고주파 교류전압을 고주파 고전압으로 변압하는 변압기(13); 상기 변압된 고주파 고전압을 정류하여 부하(Load)인 고전압 충전용 커패시터에 고주파 직류전압으로 출력하는 2차 정류기(14); 상기 출력되는 고주파 직류전압을 분압하는 분압기(15); 상기 분압된 직류전압을 설정된 기준전압과 비교하여, 위상전이 펄스 폭 변조형태의 제어신호를 출력하는 제어기(16); 상기 제어신호에 따라 상기 인버터(12)의 고주파 소프트 스위칭동작을 구동시키는 구동기(17)를 포함하여 구성된다.First, Figure 2 shows a configuration for a high-frequency high-voltage charging device according to an embodiment of the present invention, the high-frequency high-voltage charging device, the primary rectifier 11 for rectifying the input AC voltage and outputting the DC voltage; A filter capacitor Cf for removing an AC component which is a noise component included in the output DC voltage; An inverter 12 for converting the DC voltage from which the AC component is removed to high frequency AC voltage to convert the DC voltage to a high frequency AC voltage: a resonance capacitor Cs for charging and discharging the converted high frequency AC voltage; A transformer (13) for transforming the high frequency AC voltage into a high frequency high voltage; A secondary rectifier (14) for rectifying the transformed high frequency high voltage and outputting the high frequency DC voltage to a high voltage charging capacitor as a load; A voltage divider 15 for dividing the output high frequency DC voltage; A controller (16) for comparing the divided DC voltage with a set reference voltage and outputting a control signal of a phase transition pulse width modulation type; And a driver 17 for driving the high frequency soft switching operation of the inverter 12 according to the control signal.
상기와 같이 구성되는, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 고압 직류 전원장치의 각 구성에 대한 상세 설명은 다음과 같다.Detailed description of each configuration of the high-frequency high-voltage DC power supply device according to an embodiment of the present invention, which is configured as described above is as follows.
우선, 상기 1차 정류하는 정류기(11)는, 상기 60Hz의 상용 주파수를 갖는 380V의 3상 교류(AC)전압을 3상 풀 브리지(Full Bridge)방식으로 정류하여, 직류(DC)전압으로 변환하는 한편, 상기 변환된 직류전압을, 돌입전류를 방지하기 위한 인덕터(Inductor)를 통하여 DC 연결(DC-Link) 커패시터인 필터용 커패시터(Cf)와 연결되도록 구성하고, 상기 인버터(12)는, 단상(單相) 풀 브리지(Full Bridge)로 구성된 20KHz급의 고주파 직렬 공진형 인버터(Series Resonant Inverter)를 사용하는 데, 후단에는 공진(Resonant)을 위한 LC를 삽입하여 변압기(13)의 기생성분과 함께 직렬공진 형태로 동작되도록 함으로써, 인버터(12)의 각 스위치들이 영(Zero)전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)에 의해 소프트 스위칭되도록 한다.First, the primary rectifier rectifier 11 rectifies a 380V three-phase alternating current (AC) voltage having a commercial frequency of 60 Hz by a three-phase full bridge method, and converts it into a direct current (DC) voltage. Meanwhile, the converted DC voltage is configured to be connected to a filter capacitor Cf, which is a DC-Link capacitor, through an inductor for preventing inrush current, and the inverter 12 includes: A 20KHz high frequency series resonant inverter consisting of a single-phase full bridge is used. A parasitic component of the transformer 13 is inserted at the rear end by inserting a LC for resonant. In addition, by operating in a series resonant form, each switch of the inverter 12 is to be soft-switched by Zero Voltage Switching (ZVS).
그리고, 상기 변압기(13)는, 고주파 대역에서 동작되는 고주파 고압 변압기(High Frequency High Voltage Transformer)(13)를 사용하는 데, 2차측이 복수개로 구성되는 전압 체배방식의 변압기를 사용하여, 각각 승압된 출력전압의 결합에 의해 전체 출력전압이 발생되도록 함으로써, 단일 변압기를 사용하는 종래의 방식에 비해 변압기(Transformer)의 승압 비율을 낮출 수 있게 하여 안정된 고전압이 발생되도록 한다.In addition, the transformer 13 uses a high frequency high voltage transformer 13 that operates in a high frequency band, and boosts the voltage using a voltage multiplying system having a plurality of secondary sides. By generating the total output voltage by the combination of the output voltage, it is possible to lower the step-up ratio of the transformer (transformer) compared to the conventional method using a single transformer to generate a stable high voltage.
또한, 상기 분압기(15)는, CR 분압기(Voltage Divider)를 사용하여 상기 고주파 고압 직류전압을 약 10,000 : 1로 전압 강하하고, 강하된 전압을 상기 제어기(16)로 궤환(Feedback) 출력하여, 상기 제어기(16)가 약 1/10,000로 강하된 출력전압에 따라 인버터(12)의 고속 스위칭 동작을 제어할 수 있게 한다.In addition, the voltage divider 15 voltage drops the high frequency high voltage DC voltage to about 10,000: 1 using a CR voltage divider, and outputs the voltage drop back to the controller 16. The controller 16 can control the high speed switching operation of the inverter 12 according to the output voltage dropped to about 1 / 10,000.
이하, 상기 제어기(13)의 고주파 고속 스위칭 제어동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the high frequency high speed switching control operation of the controller 13 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 고압 충전장치의 제어회로에 대한 구성을 도시한 것으로서, 전술한 바 있는, 상기 1차 정류기(11)와 필터용 커패시터(Cf)에 의해 교류성분이 제거된 직류전압을 영 전압 스위칭(ZVS)동작에 의해 20KHz급의 고주파 교류전압으로 변환하는 직렬 공진형 인버터(23): 상기 변환된 고주파 교류전압을, 전압 체배방식을 사용하여 고주파 고전압으로 변압 발생시키는 고압 발생기(24); 상기 고주파 고전압을 충전하는 고압 충전 커패시터(25); 상기 발생되는 고주파 고전압을 분압하여 약 1/10,000으로 전압 강하하는 CR 분압기(26); 상기 강하된 전압을 전원전압 또는 온도변화에 의한 영향으로부터 안정되게 증폭 출력하는 차동(Difference) 증폭기(27); 상기 증폭 출력되는 전압을 절연하여 다시 증폭하는 절연(Isolation) 증폭기(28); 상기 절연 증폭된 전압(kVp)을 설정된 기준전압(kVref)과 비교하여 그 차 전압값을 출력하는 감산기(20); 상기 차 전압값을 보상 출력하는 전압 보상기(21); 상기 보상 출력되는 차 전압값에 상응하여, 상기 직렬 공진형 인버터(23)의 스위칭(ZVS)동작을 제어하는 제어신호의 펄스 폭을 변조 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation)발생기(22)를 도시하고 있다.3 is a block diagram of a control circuit of a high frequency high voltage charging device according to an exemplary embodiment of the present invention, in which an AC component is formed by the primary rectifier 11 and the filter capacitor Cf. A series resonant inverter 23 for converting the removed DC voltage to a high frequency AC voltage of 20 KHz by zero voltage switching (ZVS) operation: transforming the converted high frequency AC voltage into a high frequency high voltage using a voltage multiplication method. High pressure generator 24; A high voltage charge capacitor 25 charging the high frequency high voltage; A CR voltage divider 26 for dividing the generated high frequency high voltage to drop the voltage to about 1 / 10,000; A differential amplifier 27 which amplifies and outputs the dropped voltage stably from the influence of a power supply voltage or a temperature change; An isolation amplifier 28 for isolating and amplifying the amplified output voltage again; A subtractor 20 for comparing the insulation amplified voltage kVp with a predetermined reference voltage kVref and outputting a difference voltage value; A voltage compensator (21) for compensating and outputting the difference voltage value; A pulse width modulation (PWM) generator 22 modulating and outputting a pulse width of a control signal for controlling a switching (ZVS) operation of the series resonant inverter 23 in correspondence with the compensated output difference voltage value. have.
상기와 같이 구성되는, 고주파 고압 충전장치의 제어회로는, 우선 상기 직렬 공진형 인버터(23)에 의해 변환된 20KHz급 고주파 교류전압이 상기 고압 발생기(24)에 인가되면, 상기 고압 발생기(24)는, 2차측이 복수개로 구성된 전압체배 방식의 고주파 고압 변압기를 이용하여 2차측 각각의 승압비율이, 하나의 2차측을 사용하는 통상의 변압기 보다 낮게 되도록 하여 안정된 고전압을 발생시키는 한편, 도 2를 참조로 전술한 바 있는 정류기(14)는, 상기 출력되는 고주파 고전압을 다시 정류하여 고주파 직류전압으로 변환 출력한다.The control circuit of the high frequency high voltage charging device configured as described above, when the 20KHz high frequency AC voltage converted by the series resonant inverter 23 is first applied to the high voltage generator 24, the high voltage generator 24. By using a high voltage high voltage transformer of a voltage multiplying system composed of a plurality of secondary sides, the step-up ratio of each secondary side is lower than that of a conventional transformer using one secondary side, thereby generating a stable high voltage. The rectifier 14, which has been described above for reference, rectifies the output high frequency high voltage again and converts it into a high frequency DC voltage.
이후, 상기 변환된 고주파 직류전압은, 부하(Load)인 고전압 충전 커패시터 (25)에 충전되는 데, 상기와 같이 고전압 충전 커패시터(26)에 충전되는 전압의 크기는, 상기 CR 분압기(26)에 의해 약 1/10,000으로 전압 강하된 후, 상기 차동 증폭기(27) 및 절연 증폭기(28)에 의해 전원전압 또는 온도변화에 의한 영향으로부터 안정되게 절연 증폭되고, 상기 절연 증폭되는 전압(kVp)은, 출력전압의 오류(Error)여부를 검출하는 검출전압(kVp)값으로, 상기 감산기(20)에 입력된다.Thereafter, the converted high frequency DC voltage is charged in the high voltage charging capacitor 25 which is a load, and the magnitude of the voltage charged in the high voltage charging capacitor 26 is equal to the CR voltage divider 26. After the voltage drop to about 1 / 10,000, the differential amplifier 27 and the isolation amplifier 28 are isolated and amplified stably from the influence of the power supply voltage or the temperature change, and the voltage (kVp) is amplified. A detection voltage (kVp) value for detecting whether an error of an output voltage is inputted to the subtractor 20.
상기 감산기(20)는 상기 입력되는 검출전압 값을 설정된 기준전압(kVref)과 비교/감산하여 그 차 전압 값을 전압 보상기(21)로 출력하고, 상기 전압 보상기(21)는 상기 차 전압 값이 장치 및 외부의 불안정 요소에 의해 왜곡되는 것을 보상하여 PWM 발생기(22)로 출력하는 한편, 상기 PWM 발생기(22)는, 상기 입력되는 차 전압 값에 따라, 상기 직렬 공진형 인버터(23)의 영 전압 스위칭(ZVS)동작을 제어하는 PWM 제어신호의 펄스 폭을 가변 출력하게 된다.The subtractor 20 compares / subtracts the input detection voltage value with a set reference voltage kVref and outputs the difference voltage value to the voltage compensator 21. The voltage compensator 21 is configured to set the difference voltage value. Compensating for the distortion caused by the device and the external unstable elements to output to the PWM generator 22, the PWM generator 22, according to the input difference voltage value, the zero of the series resonant inverter 23 The pulse width of the PWM control signal for controlling the voltage switching (ZVS) operation is outputted variably.
이에 따라, 상기 직렬 공진형 인버터(23)의 스위칭 소자인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)들의 스위칭동작이 가변 제어되어, 상기 인버터(23)로부터 출력되는 교류전압의 진폭(Amplitude)이 조절된다.Accordingly, the switching operation of the insulated gate bipolar transistors (IGBTs), which are switching elements of the series resonant inverter 23, is variably controlled, so that an amplitude of the AC voltage output from the inverter 23 is controlled. This is regulated.
즉, 상기 차 전압 값에 따라 인버터(23)의 스위칭 동작에 의해 변환 출력되는 교류전압의 진폭이 가변 조절되어, 상기 고전압 충전 커패시터(25)에 인가되는 직류전압의 레벨이 일정레벨이 되도록 조절할 수 있게 된다.That is, the amplitude of the AC voltage converted and output by the switching operation of the inverter 23 is variably adjusted according to the difference voltage value, so that the level of the DC voltage applied to the high voltage charging capacitor 25 becomes a constant level. Will be.
따라서, 입력 교류전원의 변동 및 전원 임피던스에 의해 발생되는 출력 직류전압의 레벨 변동을 조절 및 억제시킬 수 있게 되어, 고전압 충전 커패시터(25)의 수명 연장 및 충전반복시 주파수 특성을 향상시키게 되는 것이다.Therefore, it is possible to adjust and suppress the level fluctuation of the output DC voltage generated by the fluctuation of the input AC power source and the power source impedance, thereby improving the lifespan of the high voltage charging capacitor 25 and improving the frequency characteristics during the charging repetition.
한편, 도 4는 도 2를 참조로 전술한 바 있는, 상기 고주파 고압 변압기(High Frequency High Voltage Transformer)(13)와 정류기(14)에 대한 실시예를 도시한 것이고, 도 5는 상기 고주파 고압 변압기(13)에 대한 등가회로를 도시한 것으로, 상기 고주파 고압 변압기의 권수 비에 대하여 설명하면 다음과 같다.On the other hand, Figure 4 shows an embodiment of the high frequency high voltage transformer (13) and the rectifier 14, as described above with reference to Figure 2, Figure 5 shows the high frequency high voltage transformer An equivalent circuit of (13) is shown, and the number of turns of the high frequency high voltage transformer will be described as follows.
우선, 상기 변압기(13)의 1차측과 2차측 단자가 서로 연결되었을 때, 발생되는 기생성분인 표유 용량(漂柳 容量)과 누설 자속(漏泄 磁束)은, 변압기의 고전압 출력 특성에 영향을 주기 때문에, 상기 표유 용량과 누설 자속이 적절한 값을 갖도록 변압기(13)의 권수 비를 설정해야 하는 데, 상기 고주파 고압 변압기(13)의 1차측 전압 강하율을 5%로 가정하는 경우, 상기 1차측의 권수(n1)는, 식 (1)과 같이 산출된다.First, stray capacitance and leakage magnetic flux, which are parasitic components generated when the primary and secondary terminals of the transformer 13 are connected to each other, affect the high voltage output characteristics of the transformer. Therefore, the turn ratio of the transformer 13 should be set so that the stray capacitance and the leakage magnetic flux have an appropriate value. When the primary voltage drop ratio of the high frequency high voltage transformer 13 is assumed to be 5%, The number of turns n 1 is calculated as in the formula (1).
---------------------- 식 (1) ---------------------- Formula (1)
: 포화 자속밀도(Gauss) Saturated magnetic flux density (Gauss)
: 코어 단면적 (cm2) : Core cross-sectional area (cm 2)
(cm2) (cm 2 )
: 계수 ,: 전력 () ,: 코어의 질량 / 권선의 질량 : Coefficient , : power ( ), : Mass of core / mass of winding
: 전류밀도 (A / mm2) : Current density (A / mm 2 )
한편, 상기 고주파 고압 변압기(13)의 2차측 전압 강하율은, 상기 1차측의 전압 강하율 5%와 동일하게 하여 산출하는 데, 상기 2차측의 권수(n2)는, 식(1)을 이용하여, 다음과 같은 식 (2)와 같이 산출한다.On the other hand, the voltage drop rate of the secondary side of the high frequency high voltage transformer 13 is calculated to be equal to 5% of the voltage drop rate of the primary side, and the number of turns n 2 on the secondary side is calculated using equation (1). , Is calculated as in the following equation (2).
---------------------------- 식 (2) ---------------------------- Formula (2)
이하, 도 3을 참조로 설명한 바 있는 CR 분압기(26)의 회로구성에 대하여 설명한다.Hereinafter, a circuit configuration of the CR voltage divider 26 described with reference to FIG. 3 will be described.
우선, 도 6은 CR 분압기(CR Voltage Divider)(26)에 대한 등가회로를 도시한 것이고, 도 7은 상기 CR 분압기(26)의 전압변화에 대한 파형도를 도시한 것으로, 상기 CR 분압기(26)의 전달함수는 식 (3)과 같다.First, FIG. 6 shows an equivalent circuit for a CR voltage divider 26, and FIG. 7 shows a waveform diagram of a voltage change of the CR voltage divider 26. The CR voltage divider 26 is shown in FIG. ), The transfer function is given by equation (3).
------------ 식 (3) ------------ Formula (3)
따라서, 상기 각각의 저항 값과 양단의 고주파 기생 커패시터 값을 시상수가 일치되도록 즉,가 되도록양단에 부가된 가변 커패시터,를 조절 설정하면, 상기 식 (3)은 주파수에 독립되는 식 (4)와 같이 된다.Accordingly, the resistance value and the high frequency parasitic capacitor values at both ends thereof correspond to time constants, To be Variable capacitors at both ends, Is adjusted and set, equation (3) becomes the same as equation (4) independent of frequency.
-------------------------------- 식 (4) -------------------------------- Formula (4)
상기의 값에 따라 가변시켜,가 되면, 분압되는 신호의 전압 파형은 도 7의 (b)와 같이 된다.remind Variable according to The voltage waveform of the divided signal becomes as shown in FIG.
결국, 상기 주파수에 독립된 식 (4)을 이용하여 출력전압을 검출할 수 있도록를 설정하면, 상기 출력전압에 포함된 다양한 주파수 리플(Ripple)즉, 정류기(14)로부터 출력되는 직류전압에 존재하는 노이즈성분인 교류성분의 영향을 제거할 수 있게 되어, 출력전압에 유입되는 리플전압을 조절 억제할 수 있게 되는 것이다.As a result, the output voltage can be detected using equation (4) independent of the frequency. When R is set, it is possible to eliminate the influence of various frequency ripples included in the output voltage, that is, an AC component that is a noise component present in the DC voltage output from the rectifier 14. The voltage can be controlled and suppressed.
또한, 회로의 표류용량 특성상 시정수를 일치시키는 것이 곤란한 경우에는, 도 8과 같이 하나의 저항을 두 개의 단위 저항으로 구성하여 분압기의 대역 특성을 개선시킬 수 있다.In addition, when it is difficult to match the time constant due to the characteristics of the drift capacitance of the circuit, a single resistor as shown in FIG. Two unit resistance It can be configured to improve the band characteristics of the voltage divider.
도 8의 회로에서는 입력단의 두 저항에 기생하는 고주파에 대한 커패시턴스가 등가 커패시턴스로 대표되는 것으로, 이때의 전달함수는 식 (5)와 같이 되어, 차단주파수는로 되므로 (R1 = R2 로 가정), 통상의 분압기에서의 차단주파수인보다 33 % 정도 대역 특성이 개선된다.In the circuit of Figure 8 the two resistors of the input stage Equivalent capacitance for high frequency parasitic in In this case, the transfer function is as shown in Equation (5), and the cutoff frequency is (Assuming R1 = R2), the cutoff frequency The band characteristic is improved by more than 33%.
---------------------------- 식 (5) ---------------------------- Formula (5)
( 가정 :)( home : )
따라서, 출력전압, 즉 충전전압의 값에 따른 분압전압의 특성이 개선되므로,보다 적절한 출력전압의 조절이 가능해진다.Therefore, the characteristic of the divided voltage according to the value of the output voltage, that is, the charging voltage is improved, so that more appropriate adjustment of the output voltage is possible.
이하, 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치의 각 구성에 대한 출력특성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the output characteristics of each configuration of the high-frequency high-pressure charging device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 고압 충전장치의 특성을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 파형도로서, 도 9의 상단에 도시된 파형은, 이론적인 출력전압의 리플전압을 나타낸 것이고, 하단에 도시한 구형파는, 상기 고주파 인버터(12)의 출력 특성을 나타낸 것이고, 또한 상기 하단에 도시한 정현파는 상기 고주파 인버터(12)의 출력이 공진형 커패시터 및 인덕터를 거쳐 고압 변압기(13)의 1차측으로 입력되는 특성을 나타낸 것이다.First, Figure 9 is a computer simulation waveform diagram showing the characteristics of the high-frequency high-voltage charging device according to an embodiment of the present invention, the waveform shown at the top of Figure 9 shows the ripple voltage of the theoretical output voltage, shown at the bottom One square wave shows the output characteristics of the high frequency inverter 12, and the sine wave shown at the bottom shows that the output of the high frequency inverter 12 passes through the resonant capacitor and the inductor to the primary side of the high voltage transformer 13. It shows the input characteristics.
본 발명에서는, 상기 고압 변압기(13)의 1차측에 입력되는 고주파 인버터(12)의 출력을 정현파로 입력시킴으로써, 상기 고압 변압기(13)의 출력 왜형율을 구형파로 입력시키는 경우 보다 약 10∼30 % 정도 향상시키고, 상기 고압 변압기(13)의 절연간격으로 유지하기 위하여 발생되는 누설 손실 및 기생 손실을 유효전력으로 이용하여 에너지 효율을 향상시키게 되며, 또한 전자기 방해(EMI)노이즈도 구형파 방식보다 약 10 % 정도 감소시키게 된다.In the present invention, by inputting the output of the high-frequency inverter 12 input to the primary side of the high-voltage transformer 13 by a sine wave, the output distortion of the high-voltage transformer 13 is about 10 to 30 than when a square wave is input. Improve the energy efficiency by using the leakage loss and parasitic loss generated to maintain the insulation interval of the high-voltage transformer 13 by the effective power, and also electromagnetic interference (EMI) noise is weaker than the square wave method It will be reduced by 10%.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 고주파 인버터(12)의 최대 및 최소 출력 파형도를 각각 도시한 것으로, 도 10의 상단에 도시된 파형은, 상기 고주파 인버터(12)의 최대 출력을 나타낸 것이고, 도 10의 하단에 도시된 파형은, 상기 고주파 인버터(12)의 최대 출력이 공진용 커패시터 및 인덕터를 거쳐 고압변압기(13)의 1차측으로 인가되는 최대 출력을 나타낸 것이다.10 and 11 show the maximum and minimum output waveform diagrams of the high frequency inverter 12 according to the present invention, respectively, and the waveform shown at the top of FIG. 10 shows the maximum output of the high frequency inverter 12. 10 shows the maximum output of the maximum output of the high frequency inverter 12 to the primary side of the high voltage transformer 13 via the resonance capacitor and the inductor.
또한, 도 11의 상단에 도시된 파형은, 상기 고주파 인버터(12)의 최소 출력을 나타낸 것이고, 도 11의 하단에 도시된 파형은, 상기 고주파 인버터(12)의 최소 출력이 공진용 커패시터 및 인덕터를 거쳐 고압 변압기(13)의 1차측으로 인가되는 최소 출력을 나타낸 것으로, 본 발명에서는 도 9를 참조로 설명한 바와 같이, 고압 변압기(13)의 1차측에 인가되는 고주파 인버터(12)의 출력을 정현파로 인가시킨다.In addition, the waveform shown at the top of FIG. 11 shows the minimum output of the high frequency inverter 12, and the waveform shown at the bottom of FIG. 11 shows that the minimum output of the high frequency inverter 12 is a resonance capacitor and inductor. The minimum output is applied to the primary side of the high voltage transformer 13 through the present invention. In the present invention, as described with reference to FIG. 9, the output of the high frequency inverter 12 applied to the primary side of the high voltage transformer 13 is shown. It is applied by sine wave.
도 12 및 도 13은, 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치의 출력전압 및 리플전압의 파형도를 도시한 것으로, 도 12는 상기 고주파 충전장치의 직류 출력전압에 리플전압이 유입된 파형을 도시한 것이고, 도 13은 상기 리플전압을 확대한 파형을 도시하고 있는 데, 종래의 일반적인 상용 주파수(60Hz) 변압기를 사용하는 경우, 동일 부하조건에 약 60% 정도의 출력 리플전압이 발생되지만, 본 발명과 같이 20KHz 고주파 변압기를 사용하는 경우, 상기 출력 리플전압을 약 0.5%로 크게 낮출 수 있게 된다.12 and 13 are waveform diagrams of the output voltage and the ripple voltage of the high-frequency high-voltage charging device according to the present invention, Figure 12 is a waveform showing the ripple voltage flowed into the DC output voltage of the high-frequency charging device. 13 shows an enlarged waveform of the ripple voltage. When using a conventional general commercial frequency (60 Hz) transformer, an output ripple voltage of about 60% is generated under the same load condition. When using a 20KHz high frequency transformer as described above, the output ripple voltage can be significantly reduced to about 0.5%.
참고로, 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치가 적용되는 전원기기는, 전원기기의 전면에 설치되어 전압 및 전류를 가변 제한하는 볼륨(Volume)과, 주 전원을 자동 차단하는 차단기 및 제어기에 전원이 공급되도록 하는 전원버튼과, 출력전압의 온/오프를 선택하는 선택버튼을 구비하여 편리하게 사용할 수 있도록 제작하며, 또한 상기 전원기기의 이상여부를 표시하는 다수개의 LED를 전면에 설치하여, 기기의 상태를 확인할수 있도록 하고, 이상상태가 경미한 경우, 사용자가 수동으로 상기 이상상태를 해제시킬 수 있도록 하는 리셋버튼을 추가 설치한다. 또한 전원기기의 전후면이 분리되도록 하여 용이하게 수리할 수 있도록 제작하는 것이 바람직하다.For reference, the power device to which the high-frequency high-voltage charging device according to the present invention is applied includes a volume installed at the front of the power device to variably limit voltage and current, and a power supply to a circuit breaker and a controller that automatically cuts off the main power. Equipped with a power button to be supplied, and a selection button for selecting the on / off of the output voltage for convenient use, and by installing a plurality of LEDs indicating the abnormality of the power supply on the front, The reset button can be additionally installed so that the status can be checked and the user can manually cancel the abnormal condition when the abnormal condition is minor. In addition, it is preferable to make the front and rear surfaces of the power supply to be easily repaired.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 고주파 고압 충전장치는, 고주파 직렬 공진형 인버터를 위상전이 펄스 폭 변조방식의 제어신호로 영(Zero)전압 소프트 스위칭시켜, 스위칭 효율을 향상시키고, 2차측이 복수개로 구성되는 전압 체배 방식의 변압기를 사용하여 2차측 각각의 승압비율을 낮추어 고압 변압기를 안정되게 동작시키고, 주파수에 독립되는 CR 분압기를 구성하여 리플전압을 감소시키고, 또한, 고주파 인버터 및 소형의 변압기를 사용하여 장치의 소형화가 이루어지도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.In the high frequency high voltage charging device according to the present invention made as described above, the zero frequency soft switching of the high frequency series resonant inverter with the control signal of the phase transition pulse width modulation method, improves the switching efficiency, and the secondary side The voltage multiplying transformer is used to reduce the boost ratio of each of the secondary side to operate the high voltage transformer stably, and to configure the frequency divider CR divider to reduce the ripple voltage. It is a very useful invention for miniaturization of the device by using.
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Citations (3)
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| KR920022222U (en) * | 1991-05-27 | 1992-12-19 | 주식회사 태성엔지니어링 | Electronic automatic charging device for storage battery for forklift |
| JPH0646535A (en) * | 1992-05-22 | 1994-02-18 | Tamura Seisakusho Co Ltd | Charger |
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1999
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