KR100689326B1 - 직류 전원 공급 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것으로, 종래에는 가변 폭이 큰 부하에 직류 전원을 공급할 때 요구되는 전압과 전류의 용량이 서로 다른 경우 부하에 적합한 직류 전원을 공급해야 하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 상용의 교류 전원을 전력 변환하여, 다수 출력 라인을 통해 N개의 상을 이루는 다수의 교류 전원을 출력하는 변압기;와, 상기 다수의 교류 전원 출력에 각각 독립적으로 연결되는 단상 인버터들이 구비되어, 상기 변압기의 교류 전원 출력을 정류, 평활하여 직류 전원으로 출력하는 다수의 전원 공급 셀; 및 상기 단상 인버터들의 상별 스위칭 소자쌍을 구성하는 M개의 스위치 소자가 각각 개폐되는 시간차인 알파(α) 위상차를 갖도록 위상 쉬프트(phase shifting) 구동제어를 수행하는 PWM 신호를 발생 및 인가하도록 상기 단상 인버터들에 연결되며, 부하의 요구에 따라 출력 전원의 소정 비율에 상응하는 전원을 출력하도록 스위칭 제어하는 주제어기;로 구성되며, 병렬 또는 직렬로 연결된 다수의 전원 공급 셀을 부하에서 요구하는 직류 전원의 속성에 맞게 병렬 운전 또는 직렬 운전을 강화함으로써 부하에 적합한 직류 전원을 공급하는 효과가 있다.

Description

직류 전원 공급 장치 및 방법{DC POWER SUPPLY APPARATUS AND METHOD}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치의 구성을 보인 블록도.
도 2는 도 1의 전원 공급 셀의 구성을 보인 블록도.
도 3은 도 2의 단상 인버터에 대한 스위칭 파형과 전압 파형을 보인도.
도 4는 도 3의 스위칭 파형에 따른 각 스위칭 소자와 다이오드의 실제 도통 순서를 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 직류 전원 셀에 대한 직/병렬 운전 조건에 따른 출력 파형을 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치의 전체 시스템 구성을 보인 예시도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 방법의 동작 흐름도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
61 : 교류 전원 62 : 변압기
63 : 전원 공급 셀 64 : 주제어기
본 발명은 직류 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 단상 인버터를 직렬 연결하여 직류 전압을 증대하고 직렬 연결된 인버터를 병렬 연결하여 전류를 증대할 수 있게 한 직류 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래 직류 전원 공급 장치는 상용의 교류 전원을 입력받아 직류 부하에 전원을 공급할 때 PWM(Pulse Width Modulation) 방법을 사용하여 스위치를 턴온 또는 턴오프시켜 직류 전원을 부하에 공급한다. 스위치가 턴온 또는 턴오프되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 되며 상기 구간 동안 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭의 전력손실이 발생하게 된다.
스위칭의 전력손실은 스위치가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하므로 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다. 따라서 소자의 스위칭 손실을 줄이면서 고주파의 스위칭을 가능하게 하려면 영전압 스위칭 방법과 영전류 스위칭 방법을 사용해야 한다. 영전압 스위칭 방법에서 스위칭 소자와 역병렬로 연결된 다이오드가 환류 전류에 의해 도통되어 스위칭 소자 양단의 전압이 영이 된 후 턴온하게 되면 스위치에 따른 전력 손실은 완전히 제거되지만, 스위칭 소자가 턴오프할 때는 하드 스위칭(Hard-Switching)의 경우와 같이 손실이 줄어들지 않는다.
영전류 스위칭 방법은 스위칭 소자에 흐르는 전류가 영일 때 스위칭 소자를 턴오프하게 되는데 이때 꼬리전류를 형성하는 축적된 소수 캐리어가 모두 사라진 뒤이므로 턴오프에 의한 전력 손실은 발생하지 않는다.
직류 전원 공급 장치에서 영전압-영전류 스위칭을 사용하여 스위칭 주파수를 상승시키면서 스위칭 손실을 줄일 수 있지만 고전압과 작은 전압 리플 또는 저전압과 대전류를 요구하는 부하에 전원을 공급할 때에는 공급 전원의 가변 폭이 커 소자의 스위칭에 의한 발열과 출력 전압의 리플을 최소화하는데 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 전원 공급 셀을 직병렬 운전하여 전압과 전류의 특성을 조절하여 스위칭 손실로 인한 발열 문제를 해결하고 출력 전압의 리플을 최소화할 수 있도록 한 직류 전원 공급 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직류 전원 공급 장치는,
상용의 교류 전원을 전력 변환하여, 다수 출력 라인을 통해 N개의 상을 이루는 다수의 교류 전원을 출력하는 변압기;와, 상기 다수의 교류 전원 출력에 각각 독립적으로 연결되는 단상 인버터들이 구비되어, 상기 변압기의 교류 전원 출력을 정류, 평활하여 직류 전원으로 출력하는 다수의 전원 공급 셀; 및 상기 단상 인버터들의 상별 스위칭 소자쌍을 구성하는 M개의 스위치 소자가 각각 개폐되는 시간차인 알파(α) 위상차를 갖도록 위상 쉬프트(phase shifting) 구동제어를 수행하는 PWM 신호를 발생 및 인가함으로써 부하의 요구에 따라 출력 전원의 소정 비율에 상응하는 전원을 출력하도록 스위칭 제어하는 주제어기;로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 단상 인버터들의 상별 스위칭 소자쌍이 순차적으로 턴온 (turn-on)되기 직전에 해당 다이오드 정류기가 턴온되어 각 스위치 소자의 턴온 동작이 영 전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)구동된다.
그리고, 본 발명에 따른 직류 전원 공급 방법은,
다수의 출력 라인을 갖는 변압기에 독립적으로 연결된 인버터들의 구동을 주제어기가 제어하여 직류전원을 출력시키는 방법에 있어서, 주제어기로부터 PWM 신호를 인가받아 구동되는 단상 인버터들에서 상별 스위칭 소자쌍을 이루는 M개의 스위치 소자는 일정한 위상차에 의해 각각 개폐되도록 위상 쉬프트(phase shifting) 구동제어를 수행하되, 이때 주제어기는 직병렬 연결된 전원 공급 셀의 구성 개수에 따라 요구된 부하 전압을 고려하여 각 전원 공급 셀의 출력 전압을 계산하여 해당 출력 전압에 대응한 알파 위상을 계산하는 단계;와, 각 전원 공급 셀의 위치 정보를 확인한 다음 각 위치에 따른 캐리어 위상을 쉬프트하여 상기 위상차에 대응하는 스위칭 펄스를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치의 구성을 보인 블록도이고, 도 2는 도 1의 전원 공급 셀의 구성을 보인 블록도이고, 도 3은 도 2의 전원공급 셀의 단상 인버터에 대한 스위칭 파형과 전압 파형을 보인도이다.
그리고, 도 4는 도 3의 스위칭 파형에 따른 각 스위칭 소자와 다이오드의 실제 도통 순서를 보인 예시도이고, 도 5는 본 발명의 전원 공급 셀에 대한 직/병렬 운전 조건에 따른 출력 파형을 보인 예시도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치의 전체 시스템 구성을 보인 예시도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 방법의 동작 흐름도이다.
본 발명의 실시예에서 직류 전원 공급 장치는 직병렬 연결된 전원 공급 셀의 스위칭 타이밍을 제어하여 상용의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 부하에 공급하는 장치 구성을 설명한다.
이하, 본 발명에 의한 것으로, 직류 전원 공급 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
상기 첨부된 도 1을 참조하여, 본 발명에 의한 직류 전원 공급 장치를 설명하면, 교류 전원(1)은 3상 교류 전원이고, 변압기(2)는 교류 전원(1)의 전압을 전원 공급 셀(3)에서 요구하는 전압으로 변환하고, 다수의 직병렬 연결된 전원 공급 셀(3)은 변압기(2)의 출력을 평활하여 직류 전원을 출력하는 구성이다.
상기와 같은 구성을 좀 더 상세히 설명하면, 교류 전원(1)은 일반적인 3상 교류 전원을 의미하고, 변압기(2)는 일반적인 절연 변압기로 9개의 출력을 갖고 출력 전압을 전원 공급 셀(3)에 공급하고, 9개의 전원 공급 셀(3)은 단상 풀 브리지(Full-Bridge) 인버터 구조를 갖고 있으며, 인버터 출력은 강압형 고주파 변압기와, 다이오드 정류 회로와, 전류 평활용 인덕터를 거쳐 출력되는 구성이다.
이하, 상기와 같은 구성에 의한 것으로, 본 발명에 의한 직류 전원 공급 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
직류 전원 공급 장치는 전원 공급 셀(3)을 3개 직렬로 연결하고 상기 직렬 연결 회로를 3개 병렬 운전하는 구조를 가진다. 다른 실시 예로 전원 공급 셀(3)의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수를 조정하여 직류 전원 공급 장치를 고전압과 작은 전압 리플을 요구하는 부하에, 고전압이 아닌 주로 용접용 전원 장치와 같은 저전압 대전류 부하에 응용이 가능하다.
직류 전원 공급 장치에서 교류 전원(1)은 3상 교류 전원으로 변압기(2)에 교류 전원을 공급하고, 변압기(2)는 교류 전원을 9개의 전원 공급 셀(3)에서 필요한 전원으로 변환하여 출력한다. 변압기(2)의 출력 전압은 전압 공급 셀(3)에서 필요한 전압과 3상 입력과 같은 주파수와 위상을 갖는다. 전압 공급 셀(3)은 직렬/병렬 운전에 의해 직류 전원을 출력 케이블(5)을 통해 부하(4)에 전달한다.
도 2는 도 1의 전원 공급 셀의 구성을 보인 블록도이다. 전원 공급 셀은 3상 교류 전압(10)을 정류하는 다이오드 브리지(11)와, 정류 전압을 평활하는 평활용 콘덴서(12)와, 직류 전압을 교류의 고주파 전압으로 변환하는 인버터(13)와, 고주파 전압을 변압하여 소정 전압을 출력하는 고주파 변압기(14)와, 고주파 변압기(14)의 출력을 정류하여 출력하는 다이오드 정류 회로(15)와, 정류된 신호를 전류 평활하여 출력하는 전류 평활용 인덕터(16)로 구성된다.
변압기(2)의 출력 전압은 다이오드 브리지(11)에 의해 정류되고 평활용 콘덴서(12)에 의해 평활되어 직류 전압이 된다. 상기 직류 전압은 인버터(13)에 의해 교류의 고주파 전압으로 변환되고 고주파 변압기(14)에 입력된다. 고주파 전압은 고주파 변압기(14)에 의해 소정 전압으로 변압되고 다이오드 정류 회로(15)에 의해 정류되고 전류 평활용 인덕터(16)에 의해 전류 평활되어 출력 단자(17)로 출력된 다.
도 3은 도 2의 단상 인버터에 대한 스위칭 파형과 전압 파형을 보인도이다.
인버터(13)에서 Q1,Q2와, Q3,Q4는 각각 스위치 소자 쌍(pair)을 이루는 것들이며, Q1과 Q3, Q2와 Q4는 각각 상보 관계이며, Q1~Q4의 모든 스위칭 소자는 항상 180도의 온/오프를 반복하도록 제어된다.
스위치 소자쌍을 이루는 스위치인 Q1,Q2 그리고, Q3,Q4간에는 각각 개폐(turn-on)되는 시간차인 알파(α) 위상차를 갖도록 위상 시프트(phase shifting) 구동제어되는데, 스위치 소자쌍은 일반적으로 가장 단순한 단상 인버터의 경우에 Q1과 Q2가 동시에 턴온되는 것이지만, 본 발명에서는 출력에 제로 벡터를 주기 위해 동시에 온되는 패턴과 함께 독립적으로 온(ON)되는 패턴 구간을 갖도록 제어하는 것이다.
이러한 알파 위상차는 주제어기(64)로부터 단상 인버터를 구동하기 위해 전원공급 셀로 인가되는 PWM 신호에 의해 이루어지며, PWM 신호에는 주제어기(64)가 통신에 의해 부하전압에 따른 각 셀 전압을 계산하여 각자의 위치에 따른 DLN상 변화된 캐리어와 알파 위상차를 계산한 값이 포함되어져 있다.
Q1, Q2의 스위칭 파형과, 인버터의 출력 파형(VAB)과, 고주파 변압기(14)의 출력 파형(VS)과 전류 파형(i)을 살펴보면 다음과 같다.
Q1과 Q2의 위상차가 알파 위상(α)이면 인버터(11)의 출력(VAB)은 알파 위상(α)만큼 지연된 계단 형태의 펄스를 나타내고 고주파 변압기(14)의 출력(VS)은 알 파 위상(α)에 세타 위상(θ)만큼 더해진 지연 위상을 갖는 계단 형태의 펄스를 나타내고, 고주파 변압기(14)의 전류(i)는 출력 전압의 변이점에 따라 상승과 하강 정도가 다른 펄스를 나타낸다.
상기 펄스 파형을 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 도 4는 도 3의 스위칭 파형에 따른 각 스위칭 소자와 다이오드의 실제 도통 순서를 보인 예시도이다. Q1과 Q2의 스위칭 파형은 알파 위상(α)만큼의 차를 두고 온/오프를 주기적으로 반복할 때 각 스위칭 소자와 다이오드의 실제 도통 순서를 살펴보면 다음과 같다.
스위칭 소자 Q1과 Q2가 온되기 직전에 다이오드 D1과 D2는 온되어 있는 상태에서 턴온 신호가 스위칭 소자에 출력되고, 마찬가지로 스위칭 소자 Q3과 Q4가 온되기 직전에 다이오드 D3과 D4가 온되어 있는 상태에서 턴온 신호가 스위칭 소자에 출력되므로 각 스위칭 소자의 턴온 동작은 영전압 스위칭 방법에 의해 수행된다. 영전압 스위칭 방법으로 인해 스위칭 소자의 발열이 최소화된다.
도 5는 본 발명의 전원 공급 셀에 대한 직/병렬 운전 조건에 따른 출력 파형을 보인 예시도이다. 직병렬 연결된 전원 공급 셀은 서로 다른 캐리어 위상에 따라 출력 전압을 중첩하면서 출력 전압을 증가시키고 리플을 억제한다. 이하, 전원 공급 셀의 캐리어 위상과 각 전원 공급 셀의 출력 전압과 직렬 연결된 전원 공급 셀의 출력 합에 대한 파형을 설명하면 다음과 같다.
도 5의 (a)는 전원 공급 셀 A1, A2, A3의 캐리어 위상을 도시하고, 도 5의 (b)는 전원 공급 셀 A1, A2, A3의 각 출력 전압과 세 출력 전압의 산술 합을 도시하고, 이와 마찬가지로 도 5의 (c)는 전원 공급 셀 B1, B2, B3의 각 출력 전압과 세 출력 전압의 산술 합을 도시하고, 도 5의 (d)는 전원 공급 셀 C1, C2, C3의 각 출력 전압과 세 출력 전압의 산술 합을 도시한다. 여기서, 전원 공급 셀의 캐리어 위상은 PWM 변조에 따른 전원 공급 셀간 위상 차를 예시한다.
이와 같이 각 캐리어 위상에 따른 전원 공급 셀의 출력 전압은 중첩되어 출력된다. 따라서 직류 전원 공급 장치는 출력 전압을 증가시키고 출력 신호의 리플을 억제한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치의 전체 시스템 구성을 보인 예시도이다. 직류 전원 공급 장치의 주제어기(64)와 전원 공급 셀(63)은 통신 모듈을 통해 서로 전원 공급을 제어하는 정보를 송수신하는데 주제어기(64)는 전원 공급 셀(63)에 제어 정보를 전송하고 전원 공급 셀(63)은 제어 정보에 의해 출력 전압의 발생을 제어하여 요구된 소정 전압을 출력한다.
상기 직류 전원 공급 장치의 주제어기(64)는 전원 공급 셀(63)의 개수와 상 개수에 따른 위치 정보를 각 전원 공급 셀(63)과 통신하여 확인한 다음 각 전원 공급 셀(63)의 전압 지령을 통신 모듈을 통해 전원 공급 셀(63)로 출력한다. 예를 들어, 상당 3개의 전원 공급 셀(63)이 3상으로 구성되어 총 9개의 전원 공급 셀(63)로 구성된 경우 출력 전압의 1/3 전압이 각 전원 공급 셀(63)에서 출력될 수 있도록 주제어기(64)는 인버터 스위칭 타이밍의 알파 위상과 캐리어 위상을 각 전원 공급 셀(63)로 출력한다. 상기 실시 예의 경우 상당 위상각은 40도이고, 각 상에서의 위상각은 120도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직류 전원 공급 방법의 동작 흐름도이다. 직류 전원 공급 장치의 주제어기(64)는 초기화 상태 이후 통신에 의해 각 전원 공급 셀(63)의 위치 정보를 확인한 다음 요구되는 부하 전압에 따른 각 전원 공급 셀(63)의 전압을 계산한다. 주제어기(64)는 계산된 전압을 각 전원 공급 셀(63)에 송신하고, 각 전원 공급 셀(63)은 수신된 전압 값과 위치에 따라 변화된 캐리어 위상과 알파 위상을 계산하여 최종 단상 인버터를 구동할 수 있는 PWM을 발생시켜 스위칭 소자를 턴온/턴오프시킨다.
이상 상당 3개의 전원 공급 셀과 3개 병렬 연결된 전원 공급 셀로 구성된 3*3 직류 전원 공급 장치 및 방법에 대한 실시 예를 제시하였으며 이와 같이 병렬 연결 개수와 상당 전원 공급 셀의 개수에 따른 전원 공급 셀의 출력 전압과, 캐리어 위상과, 단상 인버터의 알파 위상을 계산하여 각 전원 공급 셀을 제어함으로써 리플이 적은 소정 전압을 출력하는 직류 부하형 전원 공급 장치를 구현한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 용접용 전원 장치와 같은 대전류 저전압 부하에는 다수의 전원 공급 셀을 병렬 연결하여 운전함으로써 부하에 대전류 저전압의 직류 전원을 공급하고 고전압을 요구하는 부하에는 상당 다수의 전원 공급 셀을 직렬 연결하여 운전함으로써 부하에 고전압의 직류 전원을 공급하는 효과가 있다.
또한, 병렬 또는 직렬로 연결된 다수의 전원 공급 셀을 부하에서 요구하는 직류 전원의 속성에 맞게 병렬 운전 또는 직렬 운전을 강화함으로써 부하에 적합한 직류 전원을 공급하는 효과가 있다.
또한, 출력 전원의 리플을 줄이기 위해 병렬 운전을 증가시킴으로써 출력 전압의 리플을 줄여 잡음이 없는 안정된 출력을 부하에 공급하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 상용의 교류 전원을 전력 변환하여, 다수 출력 라인을 통해 N개의 상을 이루는 다수의 교류 전원을 출력하는 변압기;
    상기 다수의 교류 전원 출력에 각각 독립적으로 연결되는 단상 인버터들이 구비되어, 상기 변압기의 교류 전원 출력을 정류, 평활하여 직류 전원으로 출력하는 다수의 전원 공급 셀; 및
    상기 단상 인버터들의 상별 스위칭 소자쌍을 구성하는 M개의 스위치 소자가 각각 개폐되는 시간차인 알파(α) 위상차를 갖도록 위상 쉬프트(phase shifting) 구동제어를 수행하는 PWM 신호를 발생 및 인가하도록 상기 단상 인버터들에 연결되며, 부하의 요구에 따라 출력 전원의 소정 비율에 상응하는 전원을 출력하도록 스위칭 제어하는 주제어기;로 구성된 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단상 인버터들의 상별 스위칭 소자쌍이 순차적으로 턴온(turn-on)되기 직전에 해당 다이오드 정류기가 턴온되어 각 스위치 소자의 턴온 동작이 영 전압 스위칭(ZVS) 구동되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 전원 공급 셀은 대전류 저전압 부하에는 병렬 연결되고, 저전류 고전압 부하에는 직렬로 연결구비되어, 대전류 저전압 또는 저전류 고전압의 직류 전원을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  4. 상용의 3상 교류 전원을 전력 변환하며 다수의 출력 라인을 갖는 변압기와, 상기 변압기에 독립적으로 연결되고 각각 단상 인버터와 정류 및 평활 회로 부를 구비하는 다수의 전원공급 셀들과, 상기 전원공급 셀 내의 상기 단상 인버터의 구동을 제어하는 주제어기를 포함하는 직류 전원 공급장치를 이용하여, 부하에 직류전원을 공급하는 직류 전원 공급 방법에 있어서,
    상기 주제어기로부터 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 인가받아 구동되고 3상 교류의 상마다 서로 직렬 접속되는 다수의 상기 전원공급 셀의 단상 인버터 내의 스위칭 소자 쌍을 이루는 스위치 소자는 일정한 위상 차에 의해 각각 개폐되도록 위상 쉬프트(phase shifting) 구동제어되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 주제어기를 이용하여, 직병렬 연결된 상기 전원 공급 셀의 구성 개수와 상기 구성 개수에 따른 위치 정보와 요구된 부하 전압에 따라, 각 전원 공급 셀의 출력 전압과 상기 스위칭 소자 쌍을 이루는 스위치 소자의 개폐 위상 차(알파 위상)와 캐리어 위상을 계산하는 단계;
    상기 주제어기를 이용하여, 상기 각 전원 공급 셀의 출력 전압과 개폐 위상 차(알파 위상)와 캐리어 위상에 대응하는 상기 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 전원 공급 셀을 이용하여, 상기 PWM(펄스 폭 변조) 신호에 따라 상기 전원공급 셀의 단상 인버터 내의 스위치 소자를 개폐제어하여 얻는 교류전압을 다시 상기 전원공급 셀 내의 정류 및 평활 회로 부를 이용하여 직류로 변환하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 방법.
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