KR100561322B1 - 다상전압형변환기 - Google Patents

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Abstract

(과제) 출력 전압을 영으로 출력할 수 있게 함과 동시에 초기 충전 회로를 불필요로 한다.
(해결수단) 전원(6)과 다이오드 브릿지(3)의 입력부 간에 교류 스위치(2)를 설치하고 다이오드 브릿지(3)의 입력부에는 성형 결선된 리액터(1)를 접속하고, 리액터(1)의 전류가 불연속이 되며 교류 스위치(2)를 온, 오프하는 것에 의해 종래보다 낮은 직류 전압으로도 입력 전류를 정현파형으로 할 수 있게 한다. 평활 콘덴서(4)가 교류 스위치(2)를 거쳐서 전원(6)과 접속되고 있으므로, 그 초기 충전 회로도 불필요하게 된다.

Description

다상 전압형 변환기
본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 또한 교류 입력 전류를 고역율의 정현파 형태의 파형으로 하는, 소위 고역률 정현파 변환기 장치에 관한 것이다.
도 9에 이 종류의 종래예를 도시한다. 이하의 설명에서는 다상 회로로서 3상 회로를 예로서 설명한다.
도 9의 회로는 1석 승압 변환기라고 말해지는 것으로 다이오드 브릿지(3)의 입력에 리액터(51)를 접속하고, 반도체 스위치와 다이오드로 이루어지는 승압 쵸퍼(52)를 접속하여 구성된다. 이 변환기에서는, 반도체 스위치를 온으로 하면, 리액터(51)를 통해서 전원(6)을 단락하는 것에 의해 입력 전류의 파형을 형성한다.
그 동작 파형은 후술하겠지만, 다이오드 브릿지(3)의 입력에 접속된 리액터(51)의 전류가 불연속이 되도록 스위치를 제어함으로써, 교류에서 직류를 얻는 동시에 입력 전류를 정현파형으로 제어하는 것이다.
종래의 회로에서는 스위치 오프시의 전류가 입력 전압에 비례하지 않기 때문에, 출력 전압을 전원 전압의 최대값의 2-3배로 하지 않고서는, 입력 전류가 정현파형으로 되지 않는다는 문제가 있다. 또, 이 때문에 스위치 소자나 다이오드 브릿지에 고내압인 것이 필요하게 되며, 비용상승의 원인으로도 되고 있다. 또한, 출력 전압은 600-900V 정도로 되며, 낮은 출력 전압을 필요로 하는 용도에는 적용할 수 없다. 덧붙여서, 기동시에는 평활 콘덴서(4)에 전압이 축적되고 있지 않기 때문에 돌입 전류의 발생에 대비해서 초기 충전 회로를 필요로 한다는 등의 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 과제는, 간단하고 저가인 구성으로 전원 전류를 고역율의 정현파형으로 하는데 있다.
이 같은 과제를 해결하도록, 본 발명에서는 다이오드 브릿지의 입력부와 전원간에 교류 스위치를 접속하고, 다이오드 브릿지의 입력에 성형 결선한 리액터를 접속하도록 하고 있다.
즉, 전원 단락에 의해서 리액터에 저장한 에너지를 방출할 때, 전원을 통하지 않는 구성으로 한다. 즉, 교류 스위치를 온하면 전원전압은 리액터를 거쳐서 단락되며 리액터에 에너지가 저장된다. 리액터에 저장한 에너지는, 교류 스위치를 오프함으로써 다이오드 브릿지를 통해서 부하로 공급된다. 이때, 전류가 전원을 통과하지 않으므로, 전원 전류는 스위치의 단락시에 흐르는 전원 전압에 비례하는 전류만으로 이루어지며, 출력 전압에 관계없이 정현파 전류가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 1의 회로는 에너지 축적 리액터(1)와, 교류 스위치군(2)과, 다이오드 브릿지(3)와, 평활 콘덴서(4)와, 직류 부하(5)와, 3상 전압원(6)과, 고주파 필터(7)로 구성된다. 또한, 고주파 필터(7)는 반드시 필요한 것은 아니고 경우에 따라서는 생략되는 수도 있다. 또, 교류 스위치는 반도체 스위치를 조합한 것으로 구성된다.
즉, 3상 전압원(6)에 고주파 필터(7)를 거쳐서 교류 스위치군(2)을 접속하고, 교류 스위치군(2)의 타단에 다이오드 브릿지(3)의 입력부를 접속한다. 또, 다이오드 브릿지(3)의 입력부에는 성형 결선한 리액터(1)를 접속한다. 다이오드 정류 회로(3)의 출력에는 평활 콘덴서(4)를 접속하고, 평활 콘덴서(4)와 병렬로 직류 부하(5)를 접속한다.
교류 스위치군(2)의 3개의 스위치는 동일 펄스로서 리액터(1)의 전류가 불연속이 되도록 제어된다. 3개의 스위치가 모두 온인 때는 전원 전압은 리액터(1)에 의해서 단락된다. 이때, 교류 스위치군(2)의 입력 전류(필터 7의 출력 전류) iu', iv', 및 iw'는, 전원 전압을 vu, vv, vw, 리액터(1)의 인덕턴스를 L, 스위치가 온인 시간을 Ton으로 하면,
이 되며, 전원 전압에 비례하는 기울기로 각 상의 입력 전류는 증가한다. 한편, 스위치가 오프되면, 리액터(1)에 저장된 에너지는 다이오드 브릿지(3)를 통해서 부하로 방출된다. 이때, 전류가 전원(6)을 통과하지 않기 때문에, 전원에 흐르는 전류는 결국 수학식 1로 표시되며, 고주파 필터(7)에 의해 평활화되면 전원과 동기한 정현파형의 전류가 된다.
여기에서, 전원 전류 iu, iv 및 iw와 다이오드 브릿지(3)의 입력 전류(필터(7)의 출력 전류) iu', iv' 및 iw' 등의 관계에 대해서, 본 발명의 경우와 도 9에 도시하는 종래예의 경우에 대해서 비교, 검토한다.
도 2a는 종래예의 경우의 U상 전류 파형예를 도시한다. 즉, 필터(7)의 출력 전류 iu'는 고주파 필터(7)에 의해서 iu와 같은 연속 전류로 된다. 즉, iu는 iu'의 평균값이 된다.
지금, 도 9에서 승압 쵸퍼(52)의 반도체 스위치를 스위치를 온하면, 전원은 리액터(51)을 거쳐서 단락되며, 리액터(51)에 에너지가 주입된다. 이때, 예컨대, U상 전류 iu는 수학식 1과 마찬가지로,
로 나타내며, 1회의 스위칭에 의한 전류의 피크 값은 전원 전압에 비례한다. 따라서, 도 2a의 A1 부분의 면적은
이 되며, Ton을 일정하게 하면 전원 전압에 비례한다.
이것에 대해서, 도 9에서 승압 쵸퍼(52)의 반도체 스위치가 오프되었을 때의 전류는, 출력 전압을 Vdc, 전류가 영이 될 때까지의 시간을 Td로 하면
이 되며, 이것을 Td에 대해서 풀면,
가 된다. 따라서 도 2a의 A2 부분의 면적은,
가 된다. 이 경우, A2의 면적은 Vdc에 의존하며, vu에는 비례하지 않는다. 따라서, 종래예에서는 Vdc를 크게함으로써 A2의 면적을 A1에 대해서 충분히 작게 하고, 전류의 정현파화를 도모하고 있었다.
한편, 도 1의 본 발명에서는, 전원과 직렬로 교류 스위치군(2)를 접속하는 것에 의해, 스위치를 오프했을 때의 전류가 전원을 통과하지 않게 했다. 이것에 의해, 도 2b와 같이 iu'는 A1 부분만으로 되며, 필터(7)의 입력 전류, 즉, 전원 전류 iu는 Vdc가 작아도 정현파가 된다. 스위치가 오프인 때 U상에서 부하에 출력되는 전류 iL는 도 2c와 같이 되며, A2의 부분이 리액터(1)에서 직접 다이오드 정류기(3)를 통해서 부하에 공급된다.
도 3은 도 1에서의 직류 전압의 제어 방식을 도시하는 개념도이다.
즉, 검출되는 직류 전압 Vdc을 그 지령값 Vdc*와 비교하고, 그 차를 전압 조절기(AVR)에 입력한다. 그 출력과 3각파를 비교해서, 펄스폭 변조(PWM) 펄스를 얻는다. 또한, 3개의 스위치의 온, 오프의 타이밍은 3개 모두 동시여도 좋다. 또, PWM 펄스는 3각파 대신에 사다리꼴파 등을 써서도 얻을 수 있고 펄스폭 변조 방식 대신에 다른 방식을 써도 좋다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 4로부터 분명하듯이, 도 1에 도시하는 교류 스위치군(2) 대신에, 2개의 스위치로 이루어지는 교류 스위치군(8)을 사용한 점이 특징이다. 즉, 3상 3선식의 회로에서 2상을 제어하면, 다른 1상은 2상의 합성에 의해 결정된다는 원리에 의거하는 것으로서, 기타의 점은 도 1과 같다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
여기에서는, 교류 스위치를 쓰지 않고 다이오드와 반도체 스위치로 이루어지는 반도체 스위치군(9)을 설치한 점이 특징이다. 이 경우, 사용하는 반도체 스위치는 각 상 1개여도 좋다. 또한, 제어 방법은 도 1과 마찬가지이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시 형태를 도시하는 회로도이다. 이것은 도 5의 반도체 스위치군(9) 대신에 반도체 스위치군(10)을 쓴 것으로서, 도 5에 비해 반도체 스위치를 1개 절약할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시 형태를 도시하는 회로도이다. 이것은 도 1의 교류 스위치군(2) 대신에 반도체 스위치군(20)으로 구성한 점이 특징이다. 즉, 반도체 스위치군(20)의 각 소자의 스위칭의 타이밍을 같다고 하면, 모든 소자가 오프인 때는 전원 전류는 흐르지 않으며, 또, 모든 소자가 온인 때는 어느 상의 전류도 임의의 방향으로 흐르는 것이 가능하므로, 반도체 스위치군(20)의 각 소자는 교류 스위치군(2)과 등가라고 할 수 있다. 또한, 각 소자의 방향은 전원측을 이미터로 해도, 다이오드 브릿지(3)의 입력측을 이미터로 해도 좋다.
도 8은 본 발명의 제 6 실시 형태를 도시한다. 이것은 도 4에 도시하는 것에 대해서 콘덴서(11, 12)의 직렬 회로를 설치하고, 그 중점에 리액터(1)의 타단을 접속함으로써, 스위치(8)를 오프했을 때 리액터(1)의 에너지가 반파정류에 의해서 콘덴서(11, 12)에 저장되므로, 도 4의 경우에 비해서 효율의 향상을 기대할 수 있다.
본 발명에 의하면 스위치 온 시에는 전원 리액터를 거쳐서 단락하고, 오프시에는 전원을 거치는 일없고 리액터의 에너지를 부하로 공급하게 했으므로, 종래보다 낮은 직류 전압으로도 입력 전류를 정현파형으로 할 수 있다. 제어도 각 스위치의 온, 오프의 타이밍은 동시여도 좋고 매우 간단하다. 이상에서 저가로 출력 전압 범위가 넓은 고입력 역률 변환기를 제공할 수 있다른 이점이 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 경우의 전류 파형예를 종래의 경우와 대비해서 설명하는 설명도.
도 3은 본 발명의 제어 방식예를 도시하는 개념도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 6은 본 발명의 제 4 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 7은 본 발명의 제 5 의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 8은 본 발명의 제 6 의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 9는 종래예를 도시하는 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 리액터 2, 8 : 교류 스위치군
3 : 다이오드 브릿지 4 : 평활 콘덴서
5 : 직류 부하 6 : 3상 전압원
7 : 고주파 필터 9, 10, 20 : 반도체 스위치군
11, 12 : 콘덴서

Claims (17)

  1. n(2이상의 정수)상 교류 전압원을 전원으로 하고, 다이오드 브릿지를 통해 직류 전압으로 변환하는 다상 전압형 변환기에 있어서,
    상기 전원과 다이오드 브릿지의 입력 사이에는 n개의 교류 스위치로 이루어진 교류 스위치군을 설치함과 함께, 다이오드 브릿지의 입력에는 성형(星形) 결선으로 이루어진 리액터를 접속하고, 상기 교류 스위치군을 제어하는 것에 의해, 각 상의 입력 전류를 정현파형으로 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 n개의 교류 스위치군을 (n-1)개의 교류 스위치군으로 치환하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  3. n(2이상의 정수)상 교류 전압원을 전원으로 하고, 이것을 직류 전압으로 변환하는 다상 전압형 변환기에 있어서,
    다이오드를 4개 직렬로 접속한 제 1 다이오드군과, 2개의 다이오드의 직렬 회로로 이루어지고, 상기 제 1 다이오드군의 제 2번째와 제 3번째의 다이오드에 병렬로 접속되는 제 2 다이오드군과, 이 제 2 다이오드군과 병렬로 접속되는 반도체 스위칭 소자로 이루어진 아암군을 전원의 상수 n과 동일 수만큼 갖는 반도체 스위치군을 설치하고, 상기 제 1 다이오드군의 중점(中点)을 전원의 일단에, 상기 제 2 다이오드군의 중점을 리액터의 일단에 각각 접속하고, 리액터의 타단은 공통으로 접속하고, 상기 반도체 스위칭 소자를 제어하는 것에 의해, 각 상의 입력 전류를 정현파형으로 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 아암군을 전원의 상수 n에 대해 (n-1)개로 구성하고, 나머지 1 상을 2개의 다이오드의 직렬 회로로 하고, 그 중점을 전원과 리액터에 각각 접속한 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 스위치군을 반도체 스위칭 소자와 이것에 병렬 접속된 다이오드로 이루어진 스위치군으로 치환하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  6. 제 1 항, 또는 제 2 항, 또는 제 5 항에 있어서, 상기 리액터의 중성점을, 직류 출력부에 설치한 직렬 콘덴서의 중점에 접속한 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  7. 제 1 항, 또는 제 2 항, 또는 제 5 항에 있어서, 상기 리액터의 전류가 불연속이 되도록, 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  8. 제 1 항, 또는 제 2 항, 또는 제 5 항에 있어서, 상기 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자의 온, 오프의 타이밍을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  9. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 리액터의 중성점을, 직류 출력부에 설치한 직렬 콘덴서의 중점에 접속한 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 리액터의 전류가 불연속이 되도록, 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  11. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자의 온, 오프의 타이밍을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 리액터의 전류가 불연속이 되도록, 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자의 온, 오프의 타이밍을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 리액터의 전류가 불연속이 되도록, 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자의 온, 오프의 타이밍을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  16. 제 7 항에 있어서, 상기 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자의 온, 오프의 타이밍을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 교류 스위치 또는 반도체 스위칭 소자의 온, 오프의 타이밍을 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 다상 전압형 변환기.
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