KR100380862B1 - 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 4개의 스위칭 소자가 풀브리지 형태로 연결되고 각각의 스위칭소자에는 환류다이오드가 연결되어 이루어지는 공진형 인버터의 동작을 제어하기 위한 공진형 인버터의 스위칭 장치에 관한 것으로 특히, 제어대상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 피크(Im)를 검출하는 피크 검출부와, 피크 검출부의 출력신호를 입력받아 전압 출력구간(Td)을 결정하여 출력하는 제어부와, 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 위상 검출부의 출력신호에 따라 클럭 발생부에서 발생된 클럭신호를 카운트하여 그 값(tn)을 출력하는 카운터와, 위상 검출부의 출력신호에 따라 출력전류의 반주기 구간(Ts) 동안 카운터에서 카운트된 값을 일시 저장하는 래치부, 및 제어부와 카운터 및 래치부의 출력신호를 입력받아서 출력 전압이 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생되도록 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)을 결정하고 그에 따라 각 스위칭 소자를 동작시키기 위한 스위칭신호의 패턴을 출력하는 패턴 테이블을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공진형 인버터의 스위칭 장치를 제공하면 부하의 상태가 변하여도 부하의 공진주파수를 정확하게 추종할 수 있음과 동시에, 인버터 출력단의 기본파 역률을 항시 1로 운전시켜 공진형 인버터의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풀브리지 형태의 직렬 공진형 인버터의 효율을 향상시킬 수 있도록 역률을 항시 1로 운전시키는 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유도가열, 전자식 안정기, 초음파모터 구동전원 등 고주파 교류 전원이 필요한 요소에 공진형 인버터가 사용되고 있다. 이들 공진형 인버터의 경우에 출력주파수에 비례하는 스위칭 주파수로 스위칭을 행하기 때문에 스위칭 손실이 전체 시스템의 효율에 큰 영향을 미치고 있다.
따라서, 최근에는 시스템의 효율 향상과 스위칭 소자의 스트레스를 줄이기 위하여 영전압 스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)과 영전류 스위칭(ZCS : Zero Current Switching) 기법이 이용되고 있으며, 인버터 출력 전압의 고조파 발생을 줄이기 위하여 위상시프트(Phase Shift) 스위칭 기법이 적용되고 있다. 또한, 출력 전력을 제어하는데 있어서는 인버터 출력주파수를 조정하는 펄스주파수 변조(PFM : Pulse Frequency Modulation) 기법을 대부분 적용하고 있다.
상기와 같은 기법들은 J.M. Alonso, M.Rico, C.Blanco and E. Lopez, "A Novel Low-Loss Clamped-Mode LCC Resonant Inverter for HID Lamp Supply", IEEE-PESC Conf. Rec., pp. 736-742, 1995 (참고문헌 1), L. Grajales, J. A. Sabate and F. C. Lee, "Design of a 10kW, 500kHz Phase-Shifted Controlled Series-Resonant Inverter for Induction Heating", IEEE-IAS Conf. Rec., Vol 2, pp. 843-849, 1993 (참고문헌 2), S. Furuya et al,, Load-Adaptive Frequency Trancking Control Implementation of Two-Phase Resonant Inverter for Ultrasonic Motor", IEEE Trans. on Popwer Electronics, Vol. 7, No. 3, pp. 542-550, July 1992 (참고문헌 3), 권영섭 외, "유도 가열 시스템의 성능과 안정성 향상에 관한 연구", 대한전기학회 논문지 48-A권 8호, pp. 417-425 (참고문헌 4) 등에서 상세히 설명되고 있다.
한편, 공진형 인버터의 경우에 인버터 출력단은 공진을 위하여 삽입한 공진요소 및 부하로 이루어져 있으므로 부하의 상태에 따라 인버터 출력단의 등가 고유 공진 주파수는 변동을 하게 되기 때문에, 고유 공진 주파수가 변화하는 시스템의 전력을 주파수 조정으로써 제어하는 방법은 인버터 출력 주파수를 시스템의 고유 공진 주파수에 추종시키는 방법이 가장 효율적이다.
종래 기술에 의한 펄스주파수 변조(PFM)의 대부분의 경우에 있어서는 시스템의 유무효전력을 적절히 제어하는 것으로써 부하의 전력 제어를 수행하므로, 경우에 따라서는 매우 나쁜 역률로 시스템을 운전하는 경우도 발생하여 역률 저하에 따른 시스템 효율의 저하가 발생되는 문제점이 있다.
도 1은 일반적으로 RLC로 등가화된 부하를 갖는 풀브리지 공진형 인버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, Req, Leq, Ceq로 등가화된 부하와, 직류전원(Vdc)이 구비되고, 4개의 스위칭 소자(S1,S2,S3,S4)가 풀브리지 형태로 연결되고, 각각의 스위칭소자(S1,S2,S3,S4)에는 환류다이오드(D1,D2,D3,D4)가 연결되어 이루어진다.
통상적으로, 유도가열의 경우에는 구동코일(Work-coil)의 인덕턴스와 등가 부하저항은 부하의 위치와 량 및 용융상태에 따라 가변되며, 방전등이나 초음파 전동기 등의 경우에 있어서도 등가 부하저항 및 커패시턴스의 크기가 방전등의 점등상태 혹은 전동기의 부하 및 온도에 따라서 가변된다. 이와 같이, 부하의 제 정수들이 시간에 따라서 변화하기 때문에 시스템의 공진 주파수 또한 변동하게 된다.
도 2는 도 1의 구성을 갖는 풀브리지 직렬 공진형 인버터에서 스위치 도통구간 및 출력전압과 출력전류의 파형도를 도시한 것이다.
공진형 인버터의 효율을 향상시키기 위해서는 도 2에서와 같이 출력 전압을 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생시켜야 한다. 이때, 전압과 전류의 관계는 출력 기본파 역률이 1로 유지가 되는 상태가 되고, 현재의 스위칭 주파수가 부하의 고유공진 주파수와 같은 상태가 된다.
도 2와 같이 스위칭을 행하게 되면, 스위치 S1 및 S3은 각각 이들과 역병렬로 접속된 환류 다이오드 D1 및 D3이 도통되다가 턴온 되므로 영전압 턴온을 이룰 수 있으며, 스위치 S2 및 S4는 이들 소자를 통하여 흐르는 전류의 극성이 절환되어 이들과 역병렬로 접속된 환류 다이오드 D2 및 D4를 통하여 흐르게 되므로 영전류 턴오프를 이루게 된다. 이에 따라 스위칭 손실의 발생이 억제된다.
도 2에서, 출력 전류의 반주기를 샘플링 구간 Ts라 하고, 듀티(duty)에 해당하는 반주기간의 전압 출력 구간을 Td라 하면 펄스폭변조(PWM)의 듀티 D는 하기의 수학식 1로 표시된다.
또한, 상기의 수학식 1을 사용하여 출력 전압 Vo의 기본파분 실효치 V1을 나타내면 하기의 수학식 2와 같다.
이때, V_dc는 인버터의 직류단 전압을 나타낸다.
한편, 도 2에서와 같이 출력 전류를 정현파로 가정하여 이의 최대치을 사용하여 인버터 출력단의 유효전력 P를 구하면 하기의 수학식 3과 같다.
상기의 수학식 3으로부터 출력 전류의 최대값에 따라서 듀티 D를 가변하면 부하의 출력 전력의 제어가 가능하게 된다. 이는 인버터 출력을 소정의 전력으로 제어하고자 하는 경우이며, 이 전력에 의하여 제어되는 시스템의 최종 제어대상이 전력이 아닐 경우에 있어서는 이 최종 제어대상을 제어하는 보상기의 출력으로써 듀티를 가변하면 소정의 제어 목표를 달성할 수 있다.
일례로 유도가열의 경우, 가열로의 온도를 제어하는 경우라면 온도 제어 보상기의 출력에 비례하는 듀티를 적용하면 이에 따라 인버터 출력 전력이 가감되어 가열로의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 초음파 전동기의 구동에 응용하는 경우라면, 전동기 속도 보상기의 출력으로써 듀티를 가변하면 이에 따라 전동기 입력단의 전압이 가감되어 전동기 속도 제어가 이루어 질 수 있다.
특히, 초음파 전동기의 경우 인버터의 스위칭 주파수와 초음파 전동기의 공진 주파수와의 오차가 수 퍼센트(%) 이내에서만 동작이 가능하며 초음파 전동기의 효율이 동작 주파수에 상당히 민감하기 때문에, 상기의 스위칭 방법을 적용하여 전압제어를 행하면 위상차 제어나 주파수 제어를 행하는 경우에 비하여 상당한 효율 향상이 이루어질 수 있다.
도 3은 공진형 인버터를 유도가열의 정출력 제어에 적용하는 경우의 시스템 구성을 나타내는 제어 블록도로서, 도 3을 참조하면, 참조번호 10은 제어를 행하기 위한 직렬공진 부하를 나타내고, 11은 입력되는 스위칭신호에 따라 상기 직렬공진 부하(10)로 교류전원을 공급하는 PWM 인버터를 나타내고, 12는 상기 PWM 인버터(11)로 직류전원을 공급하는 직류전원부를 나타내고, 13은 상기 직렬공진 부하(10)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부를 나타내고, 14는 상기 전류 검출부(13)의 출력신호에 따라 스위칭신호를 발생시켜 게이트 구동부(15)를 통해 상기 PWM 인버터(11)로 제공하는 스위칭부를 나타내고, 16은 사용자에 의한 외부 제어신호를 입력받아 상기 스위칭부(14)로 제어신호를 출력하는 지령제어부를 나타낸다.
한편 상기 스위칭부(14)의 구성을 살펴보면, 참조번호 31은 상기 전류 검출부(13)의 출력신호를 입력받아 전류의 크기를 판단하는 크기 판단부를 나타내고, 참조번호 32는 상기 크기 판단부(31)에서 판단된 전류의 크기에 따라 제어대상물(10)로 인가할 전압의 크기를 결정하는 인가전압 크기 결정부를 나타내고, 참조번호 33은 상기 전류 검출부(13)의 출력신호를 입력받아 파형의 반주기를 판단하는 반주기 판단부를 나타내고, 참조번호 34는 상기 전류 검출부(13)의 출력신호를 입력받아 현재의 위상을 판단하는 현 위상 판단부를 나타내고, 35는 상기 인가전압 크기 결정부(32)와 반주기 판단부(33) 및 현 위상 판단부(34)의 출력신호를 입력받아 PWM 인버터(11)의 스위칭시점을 판단하는 스위칭시점 판단부를 나타내고, 36은 상기 스위칭시점 판단부(35)의 출력신호에 따라 스위칭신호를 발생시키는 스위칭신호 발생부를 나타낸다.
상기와 같은 구성을 갖는 시스템에서 도 2에 도시된 바와 같은 스위칭을 행하기 위하여는, 출력 전압의 듀티 뿐만이 아니라 출력 전류의 주기, 위상 및 크기에 대한 검출이 필수적이다. 따라서, 상기 전류 검출부(13)에서 출력전류를 검출하고, 이로부터 상기 인가전압 크기 결정부(32)와 반주기 판단부(33) 및 현위상 판단부(34)에서 출력전류의 크기, 주기 및 위상을 판단하고, 상기 지령제어부(16)에서 입력된 제어입력의 크기에 따라서 출력 전압의 듀티를 결정한 다음 상기 PWM 인버터(11)에 포함된 각 스위칭 소자의 온/오프 시점을 결정하여 스위칭부(14)에서 스위칭신호를 발생한다.
상기와 같은 종래 기술은 비교기와 선형 연산회로를 이용하여서도 그 구현이 가능하나, 출력 주파수가 높을 경우 스위칭 소자의 온오프 지연 시간이나 연산시간 지연 등을 보상할 수 없게 되는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 시간 보상의 문제점을 해결하기 위하여 프로세서를 사용하면 되나, 출력 주파수가 수십 KHz 이상일 경우에는 DSP급의 고속 프로세서가 소요되기 때문에 제품의 가격을 상승시키게 되는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 인버터 출력전압을출력전류에 동기시켜 인버터의 스위칭 주파수가 변화하는 시스템의 고유 공진 주파수를 추종하며 운전이 되도록 함으로써, 인버터 출력단의 기본파 역률을 부하의 상태에 관계 없이 항시 1로 운전시켜 공진형 인버터의 효율을 향상시킬 수 있는 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 직렬 공진의 공진형 인버터의 출력단 전압을 항시 공진 전류의 중앙에서 발생시킴과 동시에 출력 전압의 펄스폭 변조(PWM)에 의하여 출력 전력을 제어할 수 있는 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전류 영점을 검출하는 부분에 선형 비교기를 사용하고, 그 이외의 요소는 모두 카운터 등의 디스크리트 디지털 하드웨어를 사용하여 구현함으로써, 고속의 프로세서 등이 필요 없도록 하여 제품의 가격을 낮출 수 있도록 하는 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적으로 RLC로 등가화된 부하를 갖는 풀브리지 공진형 인버터의 회로도.
도 2는 도 1의 공진형 인버터에서 스위치 도통구간 및 출력전압과 출력전류의 이상적인 경우를 나타내는 파형도.
도 3은 공진형 인버터를 유도가열의 정출력 제어에 적용하는 경우의 시스템 구성을 나타내는 제어 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 공진형 인버터의 스위칭 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 5는 스위칭신호 발생 타이밍도.
도 6은 도 4에 도시되어 있는 실시예에서 플립플롭을 사용하지 않는 경우의 블록 구성 예시도.
도 7a와 도 7b는 도 6의 블록도에 나타낸 블록구성을 적용한 실제 하드웨어 회로 구성 예시도.
도 8은 도 7a와 도 7b의 회로를 사용하여 실시한 실험에서의 기동 및 출력변화시의 출력전류 파형도.
도 9는 40W 출력시의 출력전압(), 출력전류() 및 공진 커패시터의 전압() 파형 예시도.
도 10은 200W 출력시의 출력전압(), 출력전류() 및 공진 커패시터의 전압() 파형 예시도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
40 : 전류 검출부 41 : 피크 검출부
42 : 제어부 43 : 위상 검출부
44 : 클럭 발생부 45 : 카운터
46 : 래치부 47 : 패턴 테이블
48 : 플립플롭 49 : 구동회로부
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 4개의 스위칭 소자가 풀브리지 형태로 연결되고 각각의 스위칭소자에는 환류다이오드가 연결되어 이루어지는 공진형 인버터의 동작을 제어하기 위한 공진형 인버터의 스위칭 장치에 있어서, 제어대상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 피크(Im)를 검출하는 피크 검출부와, 상기 피크 검출부의 출력신호를 입력받아 전압 출력구간(Td)을 결정하여 출력하는 제어부와, 상기 전류 검출부에서검출된 전류신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 특정 주파수의 클럭신호를 발생시키는 클럭 발생부와, 상기 클럭 발생부에서 발생된 클럭신호를 카운트하여 그 값(tn)을 출력하는 카운터와, 상기 카운터에서 카운트된 값을 일시 저장하고 출력전류의 반주기 구간(Ts)을 출력하는 래치부와, 상기 제어부와 카운터 및 래치부의 출력신호를 입력받아서 출력 전압이 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생되도록 전압출력의 시작 시점(Ton) 및 종료 시점(Toff)을 결정하여 출력하는 패턴 테이블, 및 상기 위상 검출부 및 패턴 테이블의 출력신호를 입력받아서 상기 각 스위칭 소자를 동작시키기 위한 스위칭신호를 발생시키는 플립플롭을 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, 4개의 스위칭 소자가 풀브리지 형태로 연결되고 각각의 스위칭소자에는 환류다이오드가 연결되어 이루어지는 공진형 인버터의 동작을 제어하기 위한 공진형 인버터의 스위칭 장치에 있어서, 제어대상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 피크(Im)를 검출하는 피크 검출부와, 상기 피크 검출부의 출력신호를 입력받아 전압 출력구간(Td)을 결정하여 출력하는 제어부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 특정 주파수의 클럭신호를 발생시키는 클럭 발생부와, 상기 위상 검출부의 출력신호에 따라 상기 클럭 발생부에서 발생된 클럭신호를 카운트하여 그 값(tn)을 출력하는 카운터와, 상기 위상 검출부의 출력신호에 따라 출력전류의 반주기 구간(Ts) 동안 상기 카운터에서 카운트된 값을 일시 저장하는 래치부, 및 상기 제어부와 카운터 및 래치부의 출력신호를 입력받아서 출력 전압이 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생되도록 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)을 결정하고 그에 따라 상기 각 스위칭 소자를 동작시키기 위한 스위칭신호의 패턴을 출력하는 패턴 테이블을 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징은, 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 전압 출력구간(Td)을 결정하는 제1과정과, 제어대상에 흐르는 전류를 검출하여 전류신호의 영점(zero point)을 판단하고 출력전류의 반주기 구간(Ts) 동안 특정 주파수의 클럭신호를 카운트하여 그 카운트된 값을 래치하는 제2과정과, 상기 제1과정에서 결정된 전압 출력구간(Td)과, 상기 제2과정에서 래치된 카운트 값을 이용하여 출력 전압이 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생되도록 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)에 대한 카운트 값을 결정하는 제3과정 및 전류신호의 영점(zero point)으로부터 클럭신호를 카운트하면서 현재의 카운트 값을 상기 제3과정에서 결정된 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)에 대한 카운트 값과 비교하여 동일한 값이 되면 그에 따른 스위칭신호를 발생시키는 제4과정을 포함하는 데 있다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 공진형 인버터 스위칭 장치의 구성을 나타내는 블록도로서, 도 4를 참조하면 참조번호 40은 제어대상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부를 나타내고, 41은 상기 전류 검출부(40)에서 검출된 전류신호의 피크(Im)를 검출하는 피크 검출부를 나타내고, 42는 상기 피크 검출부(41)의 출력신호를 입력받아 전압 출력구간(Td)을 결정하여 출력하는 제어부를 나타내고, 43은 상기 전류 검출부(40)에서 검출된 전류신호의 위상을 검출하여 전압출력의 시작시점(Ton)을 출력하는 위상 검출부를 나타내고, 44는 특정 주파수의 클럭신호를 발생시키는 클럭 발생부를 나타낸다.
또한, 참조번호 45는 상기 클럭발생부에서 발생된 클럭신호를 카운트하여 그 값(tn)을 출력하는 카운터를 나타내고, 46은 상기 카운터(45)에서 카운트된 값을 일시 저장하고 출력전류의 반주기 구간(Ts)을 출력하는 래치부를 나타내고, 47은 상기 제어부(42)와 카운터(45) 및 래치부(46)의 출력신호를 입력받아서 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)을 출력하는 패턴 테이블을 나타내고, 48은 상기 위상 검출부(43) 및 패턴 테이블(47)의 출력신호를 입력받아서 스위칭신호를 발생 시키는 플립플롭을 나타내고, 49는 상기 플립플롭(48)에서 발생된 스위칭신호를 각각의 스위칭소자(도 1의 S1,S2,S3,S4)로 출력시키는 구동회로부를 나타낸다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작을 첨부한 도 5의 스위칭신호 발생 타이밍도를 참조하여 설명하고자 한다. 이때, 모든 상황을 이상적인 것으로 가정하며, 스위치 S1,S2의 스위칭신호를 발생하는 과정과 스위칭 S3,S4의 스위칭신호를 발생하는 과정이 동일하므로 스위치 S1,S2의 스위칭신호를 발생하는 과정을 예로들어 설명한다.
1) 스위치 S1의 턴온 시점 ton_s1 의 결정
스위치 S1은 전류 검출기(40)의 출력전류가 양으로 절환되는 시점에서 턴온되어야 하므로 영점 비교기로 구성되는 위상 검출부(43)의 신호에 동기시켜 스위치 S1의 스위칭 신호용 플립플롭을 세트시킨다.
2) 스위치 S2의 턴온 시점 ton_s2 의 결정
매 반주기마다 리세트되는 카운트(45)의 최대값을 래치하여 상기 래치부(46)에서 반주기 Ts를 구하고, 상기 제어부(42)로부터 결정된 출력 전압의 온 듀티에 해당하는 기간 Td로부터 스위치 S2의 턴온 시점 ton_s2를 하기의 수학식 4를 이용하여 계산한다.
상기 수학식 4에 의해 구해진 시점을 오프라인으로 계산하여 상기 패턴 테이블(47)에 기록하고, 이 패턴 테이블(47)을 현 전류의 위상에 해당하는 카운터(45)의 값으로 읽어 tn=ton_s2인 시점에서 스위치 S2의 스위칭 신호용 플립플롭을 세트시킨다.
3) 스위치 S1의 턴오프 시점 toff_s1 의 결정
스위치 S2의 턴온 시점 ton_s2 의 결정과 동일한 방법으로 하기의 수학식 5를 이용하여 tn = toff_s1인 시점에서 스위치 S1의 스위칭 신호용 플립플롭을 리세트시킨다.
4) 스위치 S2의 턴오프 시점 toff_s2의 결정
스위치 S1의 턴온 시점 ton_s1의 결정때와 동일한 방법으로, 전류의 극성이 양에서 음으로 바뀌는 순간 스위치 S2의 스위칭 신호용 플립플롭을 리세트시킨다.
한편, 음의 반주기에 있어서도 상기와 동일한 방법으로써 스위치 S3 및 S4의 스위칭신호를 얻어 낼 수 있다.
이상에서는 플립플롭을 적용하는 경우를 기술하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 6에 도시된 바와 같이 플립플롭을 사용하지 않고 모든 스위치들의 스위칭신호 자체를 패턴 테이블(47)에 저장을 해 두고, 이를 카운터(45)에 의하여 스캐닝하면 그대로를 신호로 사용할 수 있다.
상기 도 6의 블록도에 나타낸 알로리즘을 적용한 실제 하드웨어 회로의 일례가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다.
상기 도 7a 및 도 7b는 주기, 듀티, 현위상에 의하여 스위칭신호 패턴 테이블을 스캐닝할 수 있도록 설계 된 것으로서, 전체 제어회로의 타이밍을 제어하는 논리회로가 부가되어 있으며 이들의 지연 요소 및 스위칭 소자의 온오프 지연시간 등을 고려하여 패턴 테이블을 작성하면 이들을 보상할 수 있다.
상기 도 7a 및 도 7b는 8M ROM을 패턴 테이블로 이용한 것으로 카운터 IC와소용량의 PLD(Programmable Logic Device)를 이용하였으나 대용량의 PLD를 이용하면 스위칭 신호 발생부(36)의 전체 하드웨어는 비교기 1개와 PLD 소자 1개, 패턴 테이블용 메모리 1개로 더욱 간단하게 구현될 수 있으며 대량 생산시에는 모든 회로가 1개의 ASIC으로 제조될 수도 있다.
결국, 본 발명에서는 상기와 같은 구성으로 고속의 프로세서를 사용하지 않고도 간단하게 구현이 가능하게 된다. 즉, 고가의 프로세서가 필요없게 되어 제품의 가격을 낮출 수 있게 되는 것이다.
한편 도 7a와 도 7b에 도시한 회로를 사용한 실시예로서 40W 출력을 위한 기동 및 200W로의 출력 변화시의 실험결과가 도 8 내지 도 10에 도시되어 있다.
먼저, 도 8은 40W 출력을 위한 초기 기동 및 200W로의 출력 변화시의 과도 및 정상상태 출력 전류 파형을 보여 주는 것이다. 최초 기동시에는 전류가 흐르지 않고 있는 상태이므로 전류의 반주기 측정이 불가능하다. 따라서 최초에는 전류와 관계 없이 임의의 시점에서 시동을 하면, 시동시 인가된 전압 극성에 따라 전류가 흐르게 되므로 이때부터 전류의 반주기가 측정되어 제안한 방법에 의하여 운전이 가능함을 도 8로부터 알 수 있다. 이때 시동시 인가된 전압의 극성은 비교의 판단에 따라서 양(+)일 수도 있고 음(-)일 수도 있으며 어느 경우에서든 자연스러운 기동이 이루어질 수 있다.
도 9 및 도 10은 각각 출력이 40W인 경우와 200W인 경우에 있어서의 인버터 출력 전압(), 전류 파형() 및 공진용 커패시터 양단의 전압()파형으로 출력전압 듀티의 변화에 의하여 출력전력이 용이하게 제어되고 있음과 출력전압()과 전류()가 동상이 됨으로써 출력 기본파 역률이 1로 유지되고, 이에 따라 부하의 공진주파수를 정확하게 추종하게 됨을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법은 인버터 출력전압을 출력전류에 동기시켜 부하 시스템의 변화에 따라 변동하는 부하 시스템의 고유 공진주파수를 추종하며 운전이 되도록함으로써, 인버터 출력단의 기본파 역률을 부하의 상태에 관계없이 항시 1로 운전시켜 동일 부하전력 공급시 최소 전류의 크기로 운전이 되기 때문에 전체 인버터시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 전류 영점을 검출하는 부분에 선형 비교기를 사용하고, 그 이외의 요소는 모드 카운터 등의 디지털 하드웨어를 사용함으로써 시스템 제어부의 안정성을 극대화할 수 있음과 동시에 고가의 프로세서를 사용하지 아니하고도 제어기를 구성할 수 있기 때문에 제품의 가격 또한 낮출 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 4개의 스위칭 소자가 풀브리지 형태로 연결되고 각각의 스위칭소자에는 환류다이오드가 연결되어 이루어지는 공진형 인버터의 동작을 제어하기 위한 공진형 인버터의 스위칭 장치에 있어서,제어대상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부;상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 피크(Im)를 검출하는 피크 검출부;상기 피크 검출부의 출력신호를 입력받아 전압 출력구간(Td)을 결정하여 출력하는 제어부;상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 위상을 검출하는 위상 검출부;특정 주파수의 클럭신호를 발생시키는 클럭 발생부;상기 클럭 발생부에서 발생된 클럭신호를 카운트하여 그 값(tn)을 출력하는 카운터;상기 카운터에서 카운트된 값을 일시 저장하고 출력전류의 반주기 구간(Ts)을 출력하는 래치부;상기 제어부와 카운터 및 래치부의 출력신호를 입력받아서 출력 전압이 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생되도록 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)을 결정하여 출력하는 패턴 테이블; 그리고상기 위상 검출부 및 패턴 테이블의 출력신호를 입력받아서 상기 각 스위칭 소자를 동작시키기 위한 스위칭신호를 발생시키는 플립플롭을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터의 스위칭 장치.
- 4개의 스위칭 소자가 풀브리지 형태로 연결되고 각각의 스위칭소자에는 환류다이오드가 연결되어 이루어지는 공진형 인버터의 동작을 제어하기 위한 공진형 인버터의 스위칭 장치에 있어서,제어대상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부;상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 피크(Im)를 검출하는 피크 검출부;상기 피크 검출부의 출력신호를 입력받아 전압 출력구간(Td)을 결정하여 출력하는 제어부;상기 전류 검출부에서 검출된 전류신호의 위상을 검출하는 위상 검출부;특정 주파수의 클럭신호를 발생시키는 클럭 발생부;상기 위상 검출부의 출력신호에 따라 상기 클럭 발생부에서 발생된 클럭신호를 카운트하여 그 값(tn)을 출력하는 카운터;상기 위상 검출부의 출력신호에 따라 출력전류의 반주기 구간(Ts) 동안 상기 카운터에서 카운트된 값을 일시 저장하는 래치부; 그리고상기 제어부와 카운터 및 래치부의 출력신호를 입력받아서 출력 전압이 공진 전류의 변화하는 주기의 정 중앙부에서 발생되도록 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)을 결정하고, 그에 따라 상기 각 스위칭 소자를 동작시키기 위한 스위칭신호의 패턴을 출력하는 패턴 테이블을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공진형 인버터의 스위칭 장치.
- 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 전압 출력구간(Td)을 결정하는 제1과정;제어대상에 흐르는 전류를 검출하여 전류신호의 영점(zero point)을 판단하고 출력전류의 반주기 구간(Ts)을 구하는 제2과정;상기 제1과정에서 결정된 전압 출력구간(Td)과, 상기 제2과정에서 구해진 출력전류의 반주기 구간(Ts)으로부터 출력 전압을 공진 전류의 정 중앙부에서 발생시키기 위하여 전압출력의 시작시점(Ton) 및 종료시점(Toff)을 결정하는 제 3과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터의 스위칭 방법.
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|---|---|---|---|
| KR10-2000-0026198A KR100380862B1 (ko) | 2000-05-16 | 2000-05-16 | 공진형 인버터의 스위칭 장치 및 그 스위칭 방법 |
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| KR20010104928A KR20010104928A (ko) | 2001-11-28 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Citations (2)
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| KR910002121A (ko) * | 1989-06-30 | 1991-01-31 | 김광호 | 주파수가변 가변 pwm신호 발생회로 |
| KR19980017940U (ko) * | 1996-09-25 | 1998-07-06 | 김정국 | 3상 병렬 공진형 인버터 장치의 라인전압 및 전류 제어장치 |
-
2000
- 2000-05-16 KR KR10-2000-0026198A patent/KR100380862B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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| KR19980017940U (ko) * | 1996-09-25 | 1998-07-06 | 김정국 | 3상 병렬 공진형 인버터 장치의 라인전압 및 전류 제어장치 |
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| Publication number | Publication date |
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