KR100377413B1 - 전기 기기의 전원 공급 장치 - Google Patents

전기 기기의 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 발명은 전기 기기의 전원 공급 장치에 관한 것으로, 교류 입력 전압의 크기에 따라 출력 전압을 조정하기 위한 출력전압 조정수단을 특징적으로 구비한다.
본 발명은 입력전압의 크기에 따라 승압수단의 출력전압을 조정하여 승압수단의 스위칭 회로에서 발생되는 스위칭 손실을 줄이고, 입력전압과 부하전압의 차이에 따라 기준전압을 변경 설정하여 승압수단의 출력전압을 조정함으로써 인버터부의 스위칭 회로에서 발생되는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 전원 공급 장치에 대한 전력변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전기 기기의 전원 공급 장치{POWER SUPPLY DEVICE OF ELECTRIC APPLIANCE }
본 발명은 전기 기기의 전원 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력 전압의 크기에 따라 인버터에 인가하는 출력 전압을 조정함으로써 스위칭 회로의 스위칭 손실을 줄일 수 있도록 한 전기 기기의 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기 기기에는 모터 등의 전기 부하를 사용하고 있으며, 이 전기 부하에서 필요로 하는 전원을 공급하는 전원 공급 장치가 마련되어 있다.
이러한 전원 공급 장치에서는 입력 전원을 스위칭하여 출력하는 스위칭 회로를 구비하며, 이 스위칭 회로는 주로 스위칭 소자의 온시간을 제어하는 방식으로 입력 전원을 스위칭한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 공급 장치의 구성도로서, 압축기 모터를 전기 부하로 사용하는 공기조화기에 전원 공급 장치를 채용하여 구현한 예이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 전원 공급 장치는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)의 직류 전압을 스위칭하는 스위칭 회로를 구비하고 그 스위칭 회로를 통해 승압된 전압을 출력하는 승압부(20)와, 상기 승압부(20)에서 승압된 직류 전압을 입력받아 PWM제어신호에 따라 스위칭하여 전기 부하인 압축기 모터(60)에 인가하는 인버터부(30) 그리고, 상기 압축기모터(60)에 인가되는 3상의 부하전압을 검출하는 부하전압 검출부(50)와, 상기 부하전압 검출부(50)에 의해 검출된 부하전압에 따라 상기 인버터부(30)의 스위칭소자를 제어하기 위한 PWM제어신호를 출력하는 주제어부(40)를 구비한다.
상기 정류부(10)는 브리지 다이오드(BD)를 사용하여 입력 전압을 전파정류한다.
상기 승압부(20)는 인덕터(L1), 다이오드(D1), 반도체 스위칭소자(Q1)로 구성된 DC-DC 컨버터 회로와, 전압조정기(22)와, 승산기(23)와, 전류조정기(24)로 구성된 역률보상부(21)를 구비한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 역률 보상을 하지 않은 경우 교류 입력 전류(IAC)는 전구간에서 사인파 형태를 취하지 않고 입력 전압(VAC)의 최대값 부근에서 급격히 상승한다. 이러한 전류 형태는 넓은 주파수 대역에 고조파 성분을 많이 포함하여 다른 전기기기에 악영향을 끼치므로 규제하고 있으며, 역률이 낮아져서 기기 및 전기 선로의 이용율을 떨어뜨린다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 역률 보상한 경우 도 3에 도시한 바와 같이 교류 입력 전류(IAC)는 입력 전압(VAC)와 같은 형태를 가짐에 따라 고조파 성분이 현격히 줄어들고 역률이 1에 근사된다.
상기 승압부(20)는 전기 기기를 사용하는 지역에 따라 입력 전원이 다른 것을 감안하여 설계되며, 허용된 입력전원의 최대 전압보다 크며 일정한 출력 전압을 인버터부(30)로 공급하게 된다. 즉, 승압부(30)가 입력 전압을 스위칭하여 일정한출력 전압을 공급하는 경우 도 4와 같이 입력전압에 대한 전력 변환 효율을 가지며, 도 5와 같이 입력 전압(AC 160∼264V)에 대하여 일정한 출력전압(DC 380V)을 공급한다.
이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 전원 공급 장치에서는 입력 전원의 최대 전압 이상으로 큰 출력 전압을 공급하도록 승압부의 스위칭 회로가 구성되기 때문에, 승압부의 출력 전압이 실제 요구되는 전압보다 월등히 높게 되면 그 만큼 승압부의 스위칭 회로에서 불필요한 스위칭 동작이 수반되기 때문에 스위칭 손실이 발생 하게 된다.
또한, 기기 운전중 전기 부하에서 일시적으로 부하변동이 발생하여 정상 운전에 비하여 작은 부하전압이 요구되는 경우 인버터에서는 이미 높은 출력 전압을 공급받기 때문에 큰 강압비로 스위칭함에 따라 스위칭 손실이 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 입력 전원을 스위칭하는 스위칭 회로의 스위칭 손실을 줄임으로써 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 한 전기 기기의 전원 공급 장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 공급 장치의 구성도,
도 2는 역률 보상하지 않은 입력 전류와 전압의 신호 파형도,
도 3은 역률 보상한 입력 전류와 전압의 신호 파형도,
도 4는 종래의 입력 전압에 대한 전력 변환 효율을 나타낸 그래프,
도 5는 종래의 입력 전압에 대한 출력 전압과 전력 변환 효율을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 전기 기기의 전원 공급 장치의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 반전증폭기의 출력전압과 승압부의 출력 전압을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 입력전압에 대한 승압부의 출력 전압과 전력 변환 효율을 나타낸 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 정류수단 200 : 승압수단
300 : 인버터부 400 : 주제어부
500 : 부하전압검출부 600 : 압축기 모터
700 : 출력전압조정수단 710 : 기준전압설정부
720 : 입력전압검출부 730 : 분압부
740 : 제어전압출력부
상기와 같은 본 발명은 전기 부하에 전원을 공급하기 위한 전기 기기의 전원 공급 장치에 있어서, 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류수단; 상기 직류 전압을 승압하여 출력하고, 그 출력 전압의 역률을 보상하는 승압수단; 및 상기 교류 입력 전압의 크기에 따라 상기 승압수단의 출력 전압을 조정하는 출력전압 조정수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 출력전압 조정수단은 상기 교류 입력전압의 크기에 상응하는 정류된 직류 전압의 최대값과 미리 설정된 기준전압을 비교하고 그 비교결과에 따라 상기 승압수단의 출력전압을 조정하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 출력전압 조정수단은 상기 교류 입력 전압이 클수록 상기 출력전압이 높아지도록 조정하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 출력전압 조정수단은 소정 기준전압을 설정하는 기준전압 설정부; 상기 정류수단에 의해 정류된 입력전압의 최대값을 검출하는 입력전압검출부; 상기 입력전압검출부에 의해 검출된 최대 전압을 분압하는 분압부; 상기 기준전압 설정부의 기준전압과 상기 분압부의 분압 전압의 차이에 따라 상기 승압수단의 출력전압을 조정하기 위한 제어전압을 출력하는 제어전압출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 승압수단의 출력 전압을 스위칭하여 상기 전기 부하에 부하전압을 출력하는 인버터부; 상기 인버터부에서 출력하는 부하전압을 검출하는 부하전압 검출부; 상기 검출된 부하전압과 상기 교류 입력 전압의 차이에 따라 상기 기준전압 설정부에 설정된 기준 전압을 변경시키는 주제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 주제어부는 상기 부하전압보다 상기 교류 입력전압에 비하여 작으면 상기 승압수단의 출력전압이 커지도록 기준 전압을 변경하고, 상기 부하전압보다 상기 교류 입력 전압이 크면 상기 승압수단의 출력전압이 작아지도록 상기 기준전압을 변경하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 전기 기기의 전원 공급 장치의 구성도로서, 입력 전압에 따라 출력 전압을 조정하기 위한 출력전압 조정수단을 추가로 구비한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 정류수단(100)와, 승압수단(200), 인버터부(300), 부하전압 검출부(500) 그리고 주제어부(400)를 구비한다.
또한, 본 발명은 입력 전압의 크기에 따라 상기 승압수단(200)에서 출력하는 출력 전압을 조정하기 위한 출력전압조정수단(700)을 특징적으로 구비한다.
상기 정류수단(100)은 상용 교류 전원(AC)을 전파정류하는 브리지 다이오드(BD)를 사용하며, 일예로 AC 160∼264V의 입력 전원을 공급받는다.
상기 승압수단(200)은 인덕터(L1), 다이오드(D1), 반도체 스위칭소자(Q1)로 구성된 DC-DC 컨버터 회로와, 스위칭소자(Q1)의 스위칭 동작을 조절하여 역률을 보상하는 역률보상부(210)를 구비한다, 또, 사인파 입력전압(Vi)을 역률보상부(210)로 공급하기 위한 캐패시터(C1)와 입력 저항(R1,R2) 그리고, 출력전압을 평활하기 위한 평활용 캐패시터(C2)와, 출력전압을 분압하여 역률보상부(21)로 피드백시키기 위한 분압저항(R3,R4)을 구비한다.
상기 역률보상부(210)는 전압조정기(220)와, 승산기(230)와, 전류조정기(240)로 구성된다.
상기 출력전압조정수단(700)은 기준전압 설정부(710), 입력전압 검출부(720), 분압부(730), 제어전압출력부(740)로 이루어진다.
상기 기준전압 설정부(710)는 상기 주제어부(400)에 의해 설정된 기준전압을 상기 증폭부(740)로 출력하며, 상기 주제어부(400)의 기준전압 설정데이타를 상응하는 기준전압으로 변환하는 D/A변환기가 사용될 수 있다.
상기 입력전압검출부(720)는 정류용 다이오드(D2)와 충전용 캐패시터(C3)로 구성되며, 상기 정류수단(100)에 의해 전파 정류된 입력전압의 최대값을 검출한다. 이와 같이 입력 전압의 최대값을 검출하는 것은 전파 정류된 직류 전압이 평활되지 않아 그 전압값이 변화되므로 후술하는 제어전압출력부(740)의 제어전압(Vo2)이 역시 변회되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 분압부(730)는 상기 입력전압검출부(720)에 의해 검출된 최대 전압을 분압하는 분압 저항(R6,R7)으로 구성되며, 그 분압비는 분압저항(R6,R7)의 저항값에 의해 설정된다.
상기 제어전압출력부(740)는 분압된 입력전압을 유지하는 캐패시터(C4)와, 상기 기준전압설정부(710)에 의해 설정된 기준전압(Vcnt)와 분압된 전압의 차이에 상응하는 전압조정신호를 출력하는 반전증폭기(OP1) 그리고, 반전증폭기(OP1)의 출력측에 연결되어 전압조정신호의 전압을 설정하기 위한 저항(R8,R9)으로 구성되며, 상기 저항(R8, R9)에 의해 설정된 제어전압(Vo2)가 상기 역률보상부(210)로 입력된다.
입력 전원(AC)이 공급되면, 정류수단(100)에 의해 전파 정류된 직류 전압이승압수단(200)에 입력된다. 승압수단(200)의 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 및 스위칭소자(Q1)에 의해 승압된 출력 전압이 인버터부(300)로 공급되며, 상기 인버터부(300)는 주제어부(400)의 PWM제어신호에 따라 스위칭소자를 스위칭하여 압축기 모터(600)에 3상의 부하전압을 인가한다. 이에 따라 압축기 모터(600)가 구동하게 된다.
그리고, 상기 역률보상부(210)는 분압저항(R3,R4)에 의해 분압된 출력전압(Vo1)과 출력전압조정수단(700)에서 입력되는 전압(Vo2)에 따라 인버터부(300)에 공급되는 출력전압(VDC)이 입력 전원(AC)의 크기에 따라 변화하도록 출력전압(VDC)을 보상한다.
이를 구체적으로 설명한다. 상기 출력전압조정수단(700)에서는 입력 전압의 크기에 상응하는 출력전압(VDC)을 인버터부(300)에 공급하기 위한 제어전압(Vo2)를 출력한다.
즉, 다이오드(D2)와 캐패시터(C3)에 의해 입력전압의 최대값이 얻어지고 분압저항(R6,R7)에 의해 분압되고 캐패시터(C4)에 의해 유지되는 분압 전압이 반전증폭기(OP1)의 반전단자(+)에 입력된다. 반전증폭기(OP1)에서는 반전단자(+)에 입력되는 분압 전압과 비반전단자(-)에 입력되는 기준전압(Vcnt; 일예로 5V)의 오차에 대응하는 제어전압(Vo2)을 저항(R9)을 통해 전압조정기(210)로 출력한다. 이때, 반전증폭기(OP1)는 입력 전압이 크기에 반비례하는 제어전압(Vo2)을 출력한다. 즉 입력 전압이 크면 상대적으로 작은 제어전압(Vo2)을 출력하고 입력 전압이 작으면 상대적으로 큰 제어전압(Vo2)을 출력하게 된다.
상기 전압조정기(220)는 분압된 출력전압(Vo1)과 반전증폭기(OP1)의 제어전압(Vo2)을 입력받아 설정전압(Vref)과 비교하고 그 오차에 상응하는 전압오차신호(Ve)를 출력한다. 상기 승산기(230)는 전압오차신호(Ve)와 입력저항(R1,R2)을 통해 입력되는 사인파 전압(Vi)을 승산하여 상기 스위칭소자(Q1)의 온타임 시간(시비율)을 결정하기 위한 신호를 상기 전류조정기(240)로 출력한다.
상기 전류조정기(240)는 승산기(230)의 출력신호를 PWM변조하여 스위칭소자(Q1)를 스위칭하기 위한 제어전압(Vd)를 출력하되, 저항(R5)으로 흐르는 선전류(ir)를 입력받고 그 선전류(ir)가 입력전압의 위상과 같아지도록 구동전압(Vd)을 출력한다.
이와 같이 상기 출력전압조정수단(700)에서 입력전압의 크기에 따라 제어전압(Vo2)을 변화시킴에 따라 승압수단(200)의 스위칭소자(Q1)의 온타임이 결정되어 인버터부(300)에 공급되는 출력전압은 변화하게 된다. 즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 입력전압이 낮을 수록 출력전압조정수단(700)에서 출력하는 제어전압(Vo2)이 커짐에 따라 승압수단(200)의 출력전압(VDC)은 작아지게 되며, 도 8에 도시한 바와 같이 입력전압에 상응하여 승압수단(200)의 출력전압(VDC)은 커지게 된다.
한편, 입력 전원(AC)이 매우 낮아서 승압수단(200)의 출력전압(VDC)이 인버터부(300)에서 출력하는 부하전압보다 상대적으로 작을 경우, 반전증폭기(OP1)의 제어전압(Vo2)이 커지도록 상기 주제어부(400)가 상기 기준전압설정부(710)의 기준전압을 낮게 설정하고 이에 따라 승압수단(200)의 출력전압이 높아진다. 또한,승압수단(200)의 출력전압(VDC)이 인버터부(300)에서 출력하는 부하전압보다 월등히 크면 반전증폭기(OP1)의 제어전압(Vo2)이 작아지도록 상기 주제어부(400)가 기준전압설정부(710)의 기준전압을 높게 설정함으로써 승압수단(200)의 출력전압을 낮추도록 한다.
이상과 같이 본 발명은 입력전압의 크기에 따라 인버터부에 공급되는 출력전압이 비례적으로 커지도록 조정하기 때문에 승압수단의 스위칭 회로에서 발생되는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 아울러, 입력전압과 부하전압의 차이에 따라 기준전압을 변경 설정하여 인버터부에 공급되는 출력전압을 조정함으로써 인버터부의 스위칭 회로에서 발생되는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명은 전기 기기의 전기 부하에 전원을 공급하는 전원 공급 장치에 대한 전력변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 전기 부하에 전원을 공급하기 위한 전기 기기의 전원 공급 장치에 있어서,
    교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류수단;
    상기 직류 전압을 승압하여 출력하고, 그 출력 전압의 역률을 보상하는 승압수단; 및
    상기 교류 입력전압의 크기에 상응하는 정류된 직류 전압의 최대값과 미리 설정된 기준전압을 비교하고 그 비교결과에 따라 상기 승압수단의 출력전압을 조정하되, 상기 교류 입력 전압이 클수록 상기 출력전압이 높아지도록 조정하는 출력전압 조정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 전원 공급 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 출력전압 조정수단은
    소정 기준전압을 설정하는 기준전압 설정부;
    상기 정류수단에 의해 정류된 입력전압의 최대값을 검출하는 입력전압검출부;
    상기 입력전압검출부에 의해 검출된 최대 전압을 분압하는 분압부;
    상기 기준전압 설정부의 기준전압과 상기 분압부의 분압 전압의 차이에 따라 상기 승압수단의 출력전압을 조정하기 위한 제어전압을 출력하는 제어전압출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 전원 공급 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 승압수단의 출력 전압을 스위칭하여 상기 전기 부하에 부하전압을 출력하는 인버터부;
    상기 인버터부에서 출력하는 부하전압을 검출하는 부하전압 검출부;
    상기 검출된 부하전압과 상기 교류 입력 전압의 차이에 따라 상기 기준전압 설정부에 설정된 기준 전압을 변경시키는 주제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 전원 공급 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 주제어부는
    상기 부하전압보다 상기 교류 입력전압에 비하여 작으면 상기 승압수단의 출력전압이 커지도록 기준 전압을 변경하고, 상기 부하전압보다 상기 교류 입력 전압이 크면 상기 승압수단의 출력전압이 작아지도록 상기 기준전압을 변경하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 전원 공급 장치.
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