KR100443427B1 - 고효율 직류,교류 복합 출력 무정전 전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 고효율 직류·교류 복합출력 무정전 전원장치는, 상용전원을 직류로 변환하는 정류부와, 상용전원이 정상으로 상기 정류부에서 출력되는 전원을 배터리에 충전하는 동안 과충전 전압ㆍ전류를 방지하기 위한 충전 제어부와, 두 개로 분리 구성되며 상기 정류부에 의해 정류된 직류전원을 충전하는 배터리와, 상기 정류부의 전압과 상기 배터리의 전압과의 차이를 이용하여 상용전원의 정상 및 정전에 따라 UPS 출력단자로 출력되는 전원을 상기 정류부 또는 상기 배터리의 전원으로 무순단으로 자동 전환하는 다이오드와, 상용전원의 정전으로 상기 배터리의 전원을 UPS 출력단자로 방전하는 동안 배터리의 과방전을 방지하는 과방전 제어부로 구성되어 있다.

본 발명에 의하면, 고효율 직류·교류 복합출력 무정전 전원장치의 직류UPS는 전력변환회로를 사용하지 않아 배터리에 충전된 전력의 99% 이상의 전력을 부하에서 활용할 수 있고, 정전시 배터리 전원으로의 전환과 상용전원 회복시 상용전원으로 전환할 때 전원 끊김이 전혀 없고, 교류 전력 변환장치를 선택하여 교류UPS로 사용하더라도 98%이상의 전력 이용효율을 갖으며, 트랜스를 일체 사용하지 않아 무게가 가볍고, 저렴한 가격의 UPS생산을 실현할 수 있다.

Description

고효율 직류,교류 복합 출력 무정전 전원장치{Uninterruptible Power Supply Apparatus}

본 발명은 무정전으로 전원을 공급하는 고효율 직류ㆍ교류 복합 출력 무정전 전원장치(UPS)에 관한 것이다.

일반적으로 UPS(Uninterruptible Power Supply)는 전기를 필요로 하는 기기에 상용 전원이 예고 없이 정전되거나 사고로 인하여 과도한 전압 강하시 정상적인 전원을 공급하는 것을 목적으로 하는 무정전 전원공급장치이다.

현재 전세계적으로 상용화되는 대부분의 전자ㆍ전기제품들의 직류 전원공급장치는 전력 이용효율이 높고 소형화가 가능하며 무게가 가벼운 SMPS(Switched Mode Power Supply)를 채택하고 있는데, 이런 SMPS는 입력을 다이오드로 정류하여 직류로 바꾼 후 스위치소자를 이용하여 직류로 변환하여 이용하는 방법이기에 교류가 입력되든 직류가 입력되든 아무런 상관이 없다.

특히, 디지털화된 기기에 교류를 입력하면 많은 고조파 및 서지 전류가 흘러 오작동 현상을 초래하는 일이 많이 발생하고 있으며, 이러한 원인으로 인한 기업용 컴퓨터의 오작동은 엄청난 경제적 손실을 초래하므로 이러한 문제점이 없는 안정된 순수한 직류 전원공급장치가 꼭 필요한 시대이다.

기존기술의 무정전 전원장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 기존기술에 의한 무정전 전원장치의 구성을 설명하기 위한 블록도로서, 기존기술의 무정전 전원장치는, 상용 교류전력을 입력받아 배터리에 전기에너지를 충전하기 위하여 적절한 전압으로 낮추는 트랜스(11)와, 트랜스(11)에서 출력되는 교류를 직류로 변환하는 정류부(12)와, 정류부(12)에서 출력되는 직류를 충전하고 정전시 방전하는 배터리(13)와, 상용전원이 정전되었을 때 배터리 전원을 교류로 변환하고 승압하는 인버터(14)와, 상용전원이 정상일 때 UPS 출력단자를 상용전원에 연결하고, 상용전원이 정전시 인버터(14)의 출력을 UPS 출력단자에 연결하는 전환스위치(15)로 구성된다.

이와 같이 구성된 기존의 무정전 전원장치의 동작을 설명하면, 상용전원이 정상일 때에는 상용전원이 전환 스위치(15)를 통하여 UPS 출력단자에 직접 연결됨과 동시에 트랜스(11)에 의해 전압 강하되고 정류부(12)를 통해 정류되어 배터리(13)에 충전되었다가, 상용전원이 정전되면 배터리(13)의 전원이 인버터(14)에 의해 교류로 변환되고 도시되지 않은 트랜스에 의해 승압되어 전환 스위치(15)를 통하여 UPS 출력단자에 연결된다.

이러한 기존의 무정전 전원장치는, 입력 트랜스(11)에서만 수 %의 전력손실을 초래하고, 배터리(13)에 충전하기 위하여 정류부(12)에서 정류하는 과정에서 다시 전력손실이 발생하며, 상용전원 정전시 배터리(13)에 충전된 직류전원을 교류로 변환하는 과정과 이것을 승압하는 트랜스 등으로 구성되는 인버터(14)에서 수∼십수%의 전력손실이 발생한다. 일반적인 UPS 내부에서 10∼15%의 전력이 손실된다.

또한, 상용전원이 정상일 때와 정전이 발생되었을 때 일반적으로 릴레이방식으로 전원을 전환하고 있어, UPS 출력단자에는 수십ms 내지 수백ms의 순간정전이 발생할 수밖에 없다.

그리고, 입력 트랜스(11)와 인버터(14) 내의 트랜스 등이 대단히 무거워 용량이 큰 UPS의 경우에는 트랜스의 무게만 해도 수백Kg, 혹은 그 이상일 때도 있다.

상기한 바와 같은 기존의 무정전 전원장치에서의 여러 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 비효율적인 전력효율을 획기적으로 개선하고, 상용전원에서 배터리 전원으로 전환할 때와 그 역으로 작용할 때 발생하는 순간정전을 없애면서도 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 고효율 직류ㆍ교류 복합 출력 무정전 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 무정전 전원장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 고효율 직류ㆍ교류 복합 출력 무정전 전원장치의 직류 UPS (Uninterruptible Power Supply)부분을 설명하기 위한 블록도이다.

도 3은 본 발명에서의 교류전력 변환장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 4는 데드 타임(Dead Time) 파형을 나타내는 도표이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

21: 정류부 22 : 충전 제어부

23 : 과방전 제어부 24 : 배터리 1

25 : 배터리 2 26 : 다이오드

31 : 30,720Hz 인버터 32 : 256:1 주파수 분할부

33 : 60Hz 50% 듀티(Duty)회로부 34 : 데드 타임(Dead Time) 회로부

35 : 스위치소자 구동부 36 : 브리지 교류전력 변환부

37 : 전환스위치

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상용전원을 직류로 변환하는 정류부와, 상용전원이 정상으로 상기 정류부에서 출력되는 전원을 배터리에 충전하는 동안 과충전 전압ㆍ전류를 방지하기 위한 충전 제어부와, 두 개로 분리 구성되며 상기 정류부에 의해 정류된 직류전원을 충전하는 배터리와, 상기 정류부의 전압과 상기 배터리의 전압과의 차이를 이용하여 상용전원의 정상 및 정전에 따라 UPS 출력단자로 출력되는 전원을 상기 정류부 또는 상기 배터리의 전원으로 무순단으로 자동 전환하는 다이오드와, 상용전원의 정전으로 상기 배터리의 전원을 UPS 출력단자로 방전하는 동안 배터리의 과방전을 방지하는 과방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예로서는 교류전력 변환장치를 더 구비하되, 상기 교류전력 변환장치는, 30,720Hz의 펄스를 발생하고 브리지 교류전력 변환부의 스위칭소자를 구동하기 위한 3개의 독립된 12V전원을 만드는 30,720Hz 인버터와, 상기 30,720Hz 인버터의 30,720Hz를 256분의 1로 분할(Divide)하여 120Hz로 만드는 256:1 주파수 분할부와, 상기 256:1 주파수 분할부의 120Hz를 60Hz로 만듬과 동시에 50% 듀티 사이클(Duty Cycle)을 발생시키는 60Hz 50% 듀티 회로부와, 상기 브리지 교류전력 변환부의 각 스위칭소자를 보호하기 위한 데드타임(Dead time) 회로부와, 배터리의 직류전원을 교류전력으로 변환하는 브리지 교류전력 변환부의 스위칭소자의 구동을 제어하는 스위칭소자 구동부와, 상기 스위칭소자 구동부의 제어로 스위칭되는 다수개의 스위칭소자를 구비하며 배터리의 전원을 교류전력으로 변환하는 브리지 교류전력 변환부와, 상용전원과 상기 브리지 교류전력 변환부의 출력전원을 UPS 출력단자로 전환하는 전환스위치를 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 의한 고효율 직류·교류 복합출력 무정전 전원장치에 대해 예시도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 고효율 직류·교류복합출력 무정전 전원장치의 직류 UPS부분 구성을 설명하기 위한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 상용 교류 입력전원을 직류로 변환하여 출력하는 정류부(21)와, 정류부(21)에서 출력되는 직류를 적절한 전압과 전류로 제어하여 배터리(24)(25)에 충전하는 충전 제어부(22)와, 상용전원이 정전되었을 때 배터리(24)(25)의 수명에 치명적인 과방전을 방지하는 과방전 제어부(23)와, 상용전원이 정상일 때 전기에너지를 충전하는 배터리1,2(24)(25)와, 상용전원이 정상일 때 다이오드(26)를 통하여 UPS 출력단자에 전원을 공급하고 정전 시에는 배터리(24)(25) 전기에너지를 다이오드(26)를 통하여 UPS 출력단자에 공급하는 다이오드(26)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고효율 직류·교류복합출력 무정전 전원장치의 동작을 설명하면, 먼저 상용 교류전원이 정상일 때 정류부(21)에 의해 교류를 직류로 변환하고, 이 직류전원은 다이오드(26)를 통해 UPS 출력단자에 직접 공급된다. 또한, 정류부(21)로부터 출력되는 전기에너지를 배터리에 맞는 최적의 충전전압과 전류로 제어하는 충전 제어부(22)의 제어로 두 개의 배터리(24)(25)에 충전하게 된다.

상용전원의 정전 또는 이상이 발생되었을 때에는 배터리(24)(25)에 충전된 전기에너지가 다이오드(26)를 통하여 UPS 출력단자에 전원의 끊김 없이 즉시 공급되게 된다. 이때 과방전 제어부(23)는 배터리(24)(25)의 수명에 치명적인 과방전을 방지하기 위한 기능을 수행한다. 이때 과방전 제어부(23)에 연결된 도시되지 않은 릴레이는 항상 "온" 상태로 되어 있다가 배터리(24)(25)의 전압이 미리 설정된 전압이하로 방전되면 자동으로 "오프" 상태로 전환되어 더 이상의 방전을 차단한다.

위에서 배터리를 배터리(24)와 배터리(25)로 분리하는 것은 유지보수를 용이하게 할 수 있도록 할뿐더러 하나의 배터리(25)의 충전전원을 24V로 하여, 배터리(25)의 전원을 충전 제어부(22)와 과방전 제어부(23)의 구동전원으로 공급하기 위함이다.

위와 같은 본 발명에서 정류부(21)와, 다이오드(26), 배터리(24), 배터리(25)의 용량 선택만으로 UPS용량을 마음대로 설정할 수 있다.

그 일 예로서 110V용 UPS의 경우에는 배터리(25) 전압이 96V인 것을 장착하면 되고, 200V용 UPS의 경우에는 배터리(25)의 전압이 216V인 것을 장착하여 설계할 수 있다.

도 3은 발명에 의한 고효율 직류·교류 복합출력 무정전 전원장치에서의 교류전력 변환장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 교류전력 변환장치는, 30,720Hz의 펄스를 발생하고 브리지 교류전력 변환부(36)의 스위칭소자를 구동하기 위한 3개의 독립된 12V전원을 만드는 30,720Hz 인버터(31)와, 30,720Hz 인버터의 30,720Hz를 256분의 1로 분할(Divide)하여 120Hz로 만드는 256:1 주파수 분할부(32)와, 256:1 주파수 분할부(32)의 120Hz를 60Hz로 만듬과 동시에 50% 듀티 사이클(Duty Cycle)을 발생시키는 60Hz 50% 듀티 회로부(33)와, 브리지 교류전력 변환부(36)의 각 스위칭소자를 보호하기 위한 데드타임(Dead time) 회로부(34)와, 배터리의 직류전원을 교류전력으로 변환하는 브리지 교류전력 변환부(36)의 스위칭소자의 구동을 제어하는 스위칭소자 구동부(35)와, 스위칭소자 구동부(35)의 제어로 스위칭되는 다수개의 스위칭소자를 구비하며 배터리의 전원을 교류전력으로 변환하는 브리지 교류전력 변환부(36)와, 상용전원과 브리지 교류전력 변환부(36)의 출력전원을 UPS 출력단자로 전환하는 전환스위치(37)로 구성된다.

이와 같이 구성된 교류전력 변환장치를 설명하면, 상용전원이 정상일 때에는 전환스위치(37)의 작동(Energize)으로 상용전원이 출력단자로 출력되지만, 상용전원이 정전되었을 때에는 전환스위치(37)의 복귀(De-energize)로 24V의 배터리 전원이 30,720Hz 인버터(31)에 공급되어 작동됨과 동시에 각 회로에 구동전원을 공급하게 된다.

여기서, 배터리의 전원을 공급받은 30,720Hz 인버터(31)는 60Hz의 원천(Source)으로 이용하는 30,720Hz의 펄스를 발생하고, 24V 입력전원을 3개의 독립된 12V의 전원으로 변환하여 출력하게 되는데, 상기한 30,720Hz 인버터(31)에서 출력되는 3개의 12V의 전원은 브리지 교류전력 변환부(36)의 구동전원으로 사용된다.

위의 30,720Hz 인버터(31)에서 발생한 30,720Hz의 펄스는 8단의 1/2 주파수 분할기로 구성된 256:1 주파수 분할부(32)(Divider)를 거쳐 120Hz로 분할된다. 즉, 256분의 1로 분할한다.

일반적으로 교류전력만으로 작동하는 전기기기는 교류 1 주기(Cycle) 중 정주기와 역주기의 비율이 50%의 듀티(Duty) 주기를 갖는 교류전원을 필요로 한다. 이는 정주기와 역주기 때 흐르는 전류의 균형을 유지하기 위해서다.

그러나, 256:1 주파수 분할부(32)에서 출력되는 펄스주기는 50% 듀티의 펄스가 아니다. 그래서 2:1로 분할하는 에지 트리거 플립-플롭(Edge Trigger Flip-Flop)으로 구성되는 50% 듀티 회로부(33)를 구비함으로써 60Hz 50% 듀티를 갖는 구형파를 출력단자(Q)와 출력단자()로부터 얻을 수 있다. 여기서, 출력단자(Q)와 출력단자()의 위상은 완전 역상이다.

이렇게 60Hz 50% 듀티회로부(33)에 의해 주파수와 듀티비로 변환된 펄스를 이용하여 브리지 교류전력 변환부(36)를 직접 구동하면, 반도체소자인 스위칭소자가 파손될 우려가 있다.

이는 능동 반도체소자의 특성이 "온" 지연시간(On Delay Time)과 "오프" 지연시간(Off Delay Time)을 갖고 있는데, "온" 지연시간보다 "오프" 지연시간이훨씬 길다. 이런 특성 때문에 브리지 연결회로에서 대칭쪽 소자가 완전히 "오프"상태로 되기 전에 상대쪽 소자가 "온"상태로 전환되면서 단락현상을 일으켜 소자가 파손된다.

이러한 특성을 갖는 소자의 동작을 브리지 교류전력 변환부(36)를 기초로 하여 설명하면, 교류전원의 정주기 때 스위칭소자 A와 스위칭 소자 D가 "온" 상태로 되었다가 다음 주기 때에는 스위칭소자 A와 D가 "오프" 상태로 된 후 스위칭소자 B와 C 가 "온"상태로 되어야 한다. 그러나, 스위칭소자 A와 D의 "오프" 지연시간 동안에 스위칭소자 B와 C가 "온" 상태로 되어, 스위칭소자 A와 C 그리고 스위칭소자 B와 D의 "온" 상태가 서로 겹쳐 단락현상을 일으키고 반도체소자인 스위칭소자가 파손되게 된다.

이러한 현상을 방지하기 위하여 도 4에서와 같이 교류 각 주기사이에 데드타임(Dead Time)을 주어야 한다. 이 역할을 하는 것이 TTL IC와 RC회로로 구성된 데드타임 회로부(34)이다. 본 발명에서는 각 종류의 대전력 반도체 스위칭소자가 갖는 최대 "오프" 지연시간을 고려하여 약 47㎲의 데드 타임을 주었으며, 이 정도의 데드 타임은 일반전원을 사용하는 기기에 전혀 지장을 초래하지 않는다.

상기 데드타임 회로부(34)로부터 데드타임을 갖는 펄스를 입력받는 스위칭소자 구동부(35)는 브리지 교류전력 변환부(36)의 두 개의 스위칭 소자 쌍(Pair), 즉 A와 D 그리고 B와 C를 반주기씩 교차로 구동시키게 된다.

위에서 스위칭소자 C와 스위칭소자 D의 소스(Source)는 동위상이기 때문에 12V 전원을 공동으로 사용하고, 스위칭소자 A와 스위칭소자 B의 소스는 독립되어 있어야하기 때문에 독립된 각각의 12V 전원에 의해 구동된다. 스위칭소자 구동부(35)와 스위칭소자 A, 스위칭소자 B는 전기적으로 절연된 광결합소자(Photocoupler)로 구동신호를 전달하는 것이 바람직하다.

상기한 브리지 교류전력 변환부(36)의 스위칭소자로서는 MOS FET, IGBT, 트랜지스터 모듈(Transistor Module) 등을 사용할 수 있으며, UPS 용량에 따라 스위칭소자를 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 고효율 직류·교류 복합출력 무정전 전원장치의 직류UPS는 전력변환회로를 사용하지 않아 배터리에 충전된 전력의 99% 이상의 전력을 부하에서 활용할 수 있고, 정전시 배터리 전원으로의 전환과 상용전원 회복시 상용전원으로 전환할 때 전원 끊김이 전혀 없고, 교류 전력 변환장치를 선택하여 교류UPS로 사용하더라도 98%이상의 전력 이용효율을 갖으며, 트랜스를 일체 사용하지 않아 무게가 가볍고, 저렴한 가격의 UPS생산을 실현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 상용전원을 직류로 변환하는 정류부;

   상용전원이 정상으로 상기 정류부에서 출력되는 전원을 배터리에 충전하는 동안 과충전 전압ㆍ전류를 방지하기 위한 충전 제어부;

   두 개로 분리 구성되며 상기 정류부에 의해 정류된 직류전원을 충전하는 배터리;

   상기 정류부의 전압과 상기 배터리의 전압과의 차이를 이용하여 상용전원의 정상 및 정전에 따라 UPS 출력단자로 출력되는 전원을 상기 정류부 또는 상기 배터리의 전원으로 무순단으로 자동 전환하는 다이오드;

   상용전원의 정전으로 상기 배터리의 전원을 UPS 출력단자로 방전하는 동안 배터리의 과방전을 방지하는 과방전 제어부; 및

   교류전력 변환장치를 구성되되,

   상기 교류전력 변환장치는 30,720Hz의 펄스를 발생하고 브리지 교류전력 변환부의 스위칭소자를 구동하기 위한 3개의 독립된 12V전원을 만드는 30,720Hz 인버터;

   상기 30,720Hz 인버터의 30,720Hz를 256분의 1로 분할(Divide)하여 120Hz로 만드는 256:1 주파수 분할부;

   상기 256:1 주파수 분할부의 120Hz를 60Hz로 만듬과 동시에 50% 듀티 사이클(Duty Cycle)을 발생시키는 60Hz 50% 듀티 회로부;

   상기 브리지 교류전력 변환부의 각 스위칭소자를 보호하기 위한 데드타임(Dead time) 회로부;

   배터리의 직류전원을 교류전력으로 변환하는 브리지 교류전력 변환부의 스위칭소자의 구동을 제어하는 스위칭소자 구동부;

   상기 스위칭소자 구동부의 제어로 스위칭되는 다수개의 스위칭소자를 구비하며 배터리의 전원을 교류전력으로 변환하는 브리지 교류전력 변환부; 및

   상용전원과 상기 브리지 교류전력 변환부의 출력전원을 UPS 출력단자로 전환하는 전환스위치;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 직류·교류 복합출력 무정전 전원장치.
2. 삭제