KR100764779B1 - 직류 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부하의 변화에 따른 부하의 요구 에너지를 증감함으로써, 입력 전원의 역률을 개선하는 직류 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 입력 전류량을 검출하고 그 입력 전류량에 대응되는 부하의 크기를 판단하여 출력하는 입력전류 검출부와; 상기 부하의 크기에 따라 스위치의 통전시간 및 통전 지연시간을 가변하는 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부와; 입력전류의 고조파를 저감시키고, 입력전압을 정류하는 필터/정류부와; 상기 스위칭 제어신호에 따라 충전된 에너지를 부하에 공급하는 역률 개선부와; 상기 정류된 교류전압을 직류전압으로 평활하는 평활부와; 부하의 구동을 위하여 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함하여 구성된다. 따라서, 본 발명은 부하가 커지더라도 역률 개선(PFC) 규격을 만족시키며, 저 용량의 리액터를 사용할 수 있게 함으로써 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

직류 전원 공급 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING DC POWER SOURCE}
도 1은 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치의 전류 파형도 이다.
도 3은 본 발명에 따른 직류 전원 공급 장치의 실시 예를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 역률 제어 시의 전류 파형도 이다.
도 5는 본 발명에 따른 직류 전원 공급 방법의 실시 예의 흐름도이다.
도 6(a) 및 (b)는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 저부하시 평활 커패시터의 전압 및 리액터의 전류 파형도 이다.
도 7(a) 및 (b)는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 고부하시 평활 커패시터의 전압 및 리액터의 전류 파형도 이다.
*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****
310 : 입력전류 검출부 320 : 스위칭 제어부
321 : 동기신호 생성부 322 : 온/오프 제어부
330 : 필터/정류부 331 : 스몰 리액터
332 : 다이오드 브릿지 회로 340 : 역률 개선부
최근의 공기 조화기는 그 압축기의 구동 전동기로서 3상 전동기를 사용한다. 상기 3상 전동기의 전원 공급 장치는 상용 전원의 교류를 직류로 변환한 후, 상기 변환된 직류를 인버터를 이용하여 교류로 재변환하여 상기 3상 전동기에 인가함으로써 상기 3상 전동기를 구동한다.
이하에서는 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치를 첨부한 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치를 도시한 도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치는, 액티브 필터(111)와 평활 커패시터(C)를 구비하여, 상용 전원으로부터 입력받은 교류전압을 직류전압으로 변환하는 컨버터(110)와; 상기 액티브 필터(111)를 제어하는 액티브 필터 제어부(120)로 구성된다.
상기 컨버터(110)는 상기 변환된 직류전압을 인버터(130)로 출력하고, 상기 인버터(130)는 상기 컨버터(110)로부터 입력된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 압축기 구동용 3상 전동기(140)에 공급한다.
상기 액티브 필터 제어부(120)는 상기 상용 전원으로부터 입력된 교류전압의 영 전압을 검출하여 동기신호를 발생하는 동기신호 발생부(121)와; 상기 동기신호 발생부(121)에서 발생된 동기 신호에 동기하여 상기 액티브 필터(111)의 전력 반도 체 소자들(Q1, Q2)을 구동하는 제어 신호를 발생하는 온/오프 제어부(122)로 구성된다.
상기 액티브 필터(111)는 리액터(L)와 전력 반도체 소자들(Q1, Q2)로 구성되어 입력 전류의 파형을 그 위상이 입력 전압의 위상과 거의 같은 정현파가 되도록 정형한다. 따라서, 상기 액티브 필터(111)는 입력 전류를 제어하여 고조파 제거와 역률 개선(PFC)을 실시할 수 있게 된다.
상기 평활 커패시터(C)는 상기 액티브 필터(111)의 출력 전압을 직류 전압이 되도록 평활하고, 상기 평활 된 직류 전압을 상기 인버터(130)에 공급한다.
도 2는 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치의 입력전류 파형도 이다.
도 2(a)에 도시한 바와 같이, 상기 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치는 상기 전력 반도체 소자들(Q1, Q2)을 교대로 반 주기에 일정시간 동안 1회 구동되므로, 상기 상용 전원의 교류 전압에 따른 상기 평활 커패시터로의 입력 전류의 파형은 전류의 피크 값이 크고, 통전 폭이 좁은 펄스 형상이 된다.
또한, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 상기 종래 기술에 따른 직류 전원 공급장치에 스몰 리액터(small reactor)가 사용된 경우, 입력전류의 파형은 부하 변동에 따른 입력 전류량이 충분하지 않으므로, 스몰 리액터를 사용하지 않은 종래기술에 따른 도 2(a)의 파형보다 더욱 심하게 왜곡되어 있음을 보여 준다.
그러나, 상기 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치는 부하 변동에 대한 고려 없이 상기 액티브 필터(300)를 구동하기 때문에, 부하가 커질 경우 역률 개선(PFC) 규격을 만족하기가 어려운 문제가 있었다.
또한, 상기 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치는 부하가 작을 경우 역률 개선 동작으로 인한 전력 반도체 소자의 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 상기 종래 기술에 따른 직류 전원 공급 장치는 고조파 제거 및 역률 개선(PFC)을 위해 상기 리액터(L)로서 용량이 큰 것을 사용해야 하기 때문에 재료비가 증가하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 부하의 변화에 따른 입력 전류량을 검출하여 부하의 크기를 판단하고, 상기 판단된 부하의 크기에 따른 역률 제어를 통하여 부하에 공급되는 전류량을 가변함으로써, 입력 전원의 역률을 개선하고, 저 용량의 리액터를 사용할 수 있게 함으로써 제조 비용을 절감하는 목적을 이루도록 한 직류 전원 공급 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력 전원의 역률을 개선하는 직류 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 입력 전류량을 검출하고 그 입력 전류량에 대응되는 부하의 크기를 판단하여 출력하는 입력전류 검출부와; 상기 부하의 크기에 따라 스위치의 통전시간 및 통전 지연시간을 가변하는 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부와; 입력전류의 고조파를 저감시키고, 입력전압을 정류하는 필터/정류부와; 상기 스위칭 제어신호에 따라 충전된 에너지를 부하에 공급하는 역률 개선부와; 상기 정류된 교류전압을 직류전압으로 평활하는 평활부와; 부하의 구동을 위하여 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함하여 구성된다.
삭제
이하, 본 발명에 따른 직류 전원 공급 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 전원 공급 장치(300)는 입력 전류량을 검출하여 부하의 크기를 판단 및 출력하는 입력전류 검출부(310)와; 상기 부하의 크기에 따라 스위치의 통전시간 및 통전 지연시간을 가변하는 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부(320)와; 입력전류의 고조파를 저감시키고, 입력전압을 정류하는 필터/정류부(330)와; 상기 스위칭 제어신호에 따라 충전된 에너지를 부하에 공급하는 역률 개선부(340)와; 상기 정류된 교류전압을 직류전압으로 평활하는 평활부(350)와; 부하의 구동을 위하여 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터(360)를 포함하여 구성된다.
상기 입력전류 검출부(310)는 실험에 의한 입력 전류량과 이에 대응되는 부하 크기에 관한 데이터 테이블이 저장된 메모리를 더 포함하며, 상기 데이터 테이블을 이용하여 검출된 입력 전류량을 기초로 부하의 크기를 판단한다.
또한, 상기 입력전류 검출부(310)는 직류 링크(DC-Link) 전류를 검출하여 부하의 크기를 판단하는 것이 가능하다.
상기 스위칭 제어부(320)는 입력 전원의 제로-크로싱 시점을 검출하고, 그 검출된 제로-크로싱 시점을 기초로 동기신호를 생성하는 동기신호 생성부(321)와; 상기 판단된 부하의 크기에 따라, 스위치(S1)를 제어하는 스위칭 제어신호를 출력하는 온/오프 제어부(322)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 스위칭 제어신호는 상기 동기신호에 동기된다.
상기 동기신호 생성부(321)는 입력 전원이 영 전압으로 되는 시점, 즉 제로 크로싱 시점을 검출하며, 그 검출된 제로 크로싱 시점에 기초한 동기신호를 생성하여 상기 온/오프 제어부(322)로 출력하게 되는데, 이때, 상기 동기신호는 입력 전원의 + 반주기 또는 - 반주기의 시작 시점에 동기된다.
상기 온/오프 제어부(322)는 부하의 크기에 따라 스위치(S1)의 통전시간(Ton) 및 통전 지연시간(Td)을 가변하며, 부하의 크기가 커짐에 따라, 스위치(S1)의 통전 시간(Ton)을 증가한다.
또한, 상기 온/오프 제어부(322)는 상기 부하의 크기에 비례하여 상기 입력 전류량 제어신호 및 역률 제어신호의 PWM Duty 비를 결정한다.
상기 필터/정류부(330)는 입력전류의 고조파를 저감시키고 돌입전류의 유입 을 방지하는 스몰 리액터(331)와; 입력 교류전압을 정류하는 다이오드 브릿지 회로(332)를 포함하여 구성된다.
즉, 상기 스몰 리액터(331)는 입력 전류의 고조파를 저감시키며, 이와 아울러 돌입전류의 유입을 방지하고, 입력전류의 파형을 입력전압의 파형에 근접하도록 정형하며, 상기 다이오드 브릿지 회로(332)는 상용전원이 공급하는 교류전압을 전파정류한다.
상기 역률 개선부(340)는 에너지를 충전 및 방전하는 제1,2 커패시터(Cr1,Cr2)와; 에너지의 충/방전 경로를 형성하는 제1,2,3,4 다이오드(D1,D2,D3,D4)와; 부하로 에너지를 공급하는 경로를 단속하는 스위치(S1)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 역률 개선부(340)는 상기 스위칭 제어신호에 따라, 교번으로 에너지를 충전 및 방전하여 입력 전원의 역률을 개선한다.
보다 상세하게, 상기 역률 개선부(340)는 스위치(S1)의 온(On) 시, 입력 전원의 + 반주기의 시작 시점에서, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 온(On) 되고, 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)는 오프(Off) 되어, 제1 커패시터(Cr1)는 에너지를 충전하고 제2 커패시터(Cr2)는 에너지를 방전하며, 입력 전원의 - 반주기의 시작 시점에서, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 오프(Off) 되고, 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)는 온(On)되어, 제1 커패시터(Cr1) 에너지를 방전하고 제2 커패시터(Cr2)는 에너지를 충전한다.
여기서, 상기 역률 개선부(340)를 구성하고 있는 커패시터 Cr1 및 Cr2는 실험에 의하여 적절한 용량으로 구성된다. 상기 커패시터 Cr1,Cr2의 크기가 적정용량 보다 크면 오히려 입력전류의 파형을 더욱 왜곡시키게 되고, 적정 용량보다 작으면 입력전류의 파형을 개선하지 못한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 전원 공급 방법은 입력 전류량을 검출하여 부하의 크기를 판단 및 출력하는 과정(S510)과; 상기 판단된 부하의 크기에 따라, 입력 전원의 역률 개선을 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 과정(S531)과; 입력전류의 고조파를 저감시키고, 입력전압을 정류하는 과정(S530, S540))과; 상기 스위칭 제어신호에 따라 충전된 에너지를 부하에 공급하는 과정(S532)과; 상기 정류된 교류전압을 직류전압으로 평활하는 과정(S550))과; 부하의 구동을 위하여 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 과정(S560)을 수행한다.
상기 부하의 크기를 판단 및 출력하는 과정(S520)은 입력 전류량에 대응되는 부하의 크기를 저장한 데이터 테이블이 이용하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 부하의 크기를 판단 및 출력하는 과정(S520)은 직류 링크(DC-Link)의 전류를 검출하여 부하의 크기를 판단하는 단계를 포함한다.
상기 스위칭 제어신호를 출력하는 과정(S531)은 입력 전원의 제로-크로싱을 검출하여 그 검출된 제로-크로싱 시점에 따라, 동기신호를 생성하는 단계와; 상기 판단된 부하의 크기에 따라, 역률 개선을 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 스위칭 제어신호는 상기 동기신호에 동기되어 생성되는 것이 바람직하다.
상기 스위칭 제어신호를 출력하는 과정(S531)은 부하의 크기에 따라 스위치(S1)의 통전시간(Ton) 및 통전 지연시간(Td)을 가변하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 스위칭 제어신호를 출력하는 과정(S531)은 상기 판단된 부하의 크기에 비례하여 상기 스위칭 제어신호의 PWM Duty 비를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 입력전류의 고조파를 저감시키고, 입력전압을 정류하는 과정(S530, S540)은 입력전류의 고조파를 저감시키고 돌입전류의 유입을 방지하는 단계와; 입력 교류전압을 정류하는 단계를 포함한다.
상기 에너지를 부하에 공급하는 과정(S532)은 상기 스위칭 제어신호에 따라, 교번으로 에너지를 충전 및 방전하여 입력 전원의 역률을 개선한다.
보다 상세하게, 상기 에너지를 부하에 공급하는 과정(S532)은 스위치(S1)의 온(On) 시, 입력 전원의 + 반주기의 시작점에서 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 온(On) 되고, 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)는 오프(Off)되어, 제1 커패시터(Cr1)는 에너지를 충전하고 제2 커패시터(Cr2)는 충전된 에너지를 방전하는 단계와; 스위치(S1)의 온(On) 시, 입력 전원의 - 반주기의 시작 시점에서 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 오프(Off) 되고, 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)는 온(On)되어, 제1 커패시터(Cr1) 에너지를 방전하고 제2 커패시터(Cr2)는 에너지를 충전하는 단계를 포함한다.
즉, 에너지를 부하에 공급하는 과정(S532)은 상기 스위칭 제어신호에 따라, 입력 전원의 반주기에 맞추어 교번으로 에너지를 커패시터에 충전하고 부하로 방전 하여 입력 전압의 승압 및 입력 전원의 역률을 개선함과 동시에 입력 전류의 파형을 입력 전압의 파형인 정형파로 정형함으로써 입력 전류의 파형을 개선한다.
도 6(b) 및 도 7(b)는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 저부하시 스몰 리액터의 전류 파형도로써, 상기 도 2(a),(b)에서 보여진 종래기술에 의한 입력전류의 파형보다 이상적인 파형인 정현파에 더 근접하게 정형된 입력전류 파형임을 보인다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 검출된 입력 전류량을 기초로 부하의 크기를 판단하고, 그 판단된 부하의 크기에 따라, 역률 개선부의에너지 충/방전 동작을 제어하여 부하에 구동에 최적인 에너지를 공급함으로써, 부하의 변동이 있더라도 역률 개선 규격을 만족시킬 수 있고, 역률 개선 동작으로 인한 입력전원의 역률을 개선하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 저용량 리액터를 사용하더라도 역률 개선 동작을 수행하여 입력전류의 왜곡을 방지하므로, 저 용량의 리액터의 사용으로 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 입력 전류량을 검출하고 그 입력 전류량에 대응되는 부하의 크기를 판단하여 출력하는 입력전류 검출부와;
    상기 부하의 크기에 따라 스위치의 통전시간 및 통전 지연시간을 가변하는 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부와;
    입력전류의 고조파를 저감시키고, 입력전압을 정류하는 필터/정류부와;
    상기 스위칭 제어신호에 따라 충전된 에너지를 부하에 공급하는 역률 개선부와;
    상기 정류된 교류전압을 직류전압으로 평활하는 평활부와;
    부하의 구동을 위하여 상기 평활된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력전류 검출부는,
    상기 입력 전류량에 대응되는 부하의 크기에 관한 데이터 테이블이 저장된 메모리를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는,
    입력 전원의 제로-크로싱을 검출하여 그 검출된 제로-크로싱 시점에 따라, 동기신호를 생성하는 동기신호 생성부와;
    상기 판단된 부하의 크기에 따라 PWM Duty 비를 조정한 스위칭 제어신호를 출력하는 온/오프 제어부를 포함하는 직류 전원 공급 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 온/오프 제어부는,
    부하의 크기가 커짐에 따라 스위치의 통전시간을 증가하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 필터/정류부는,
    입력전류의 고조파를 저감시키고 돌입전류의 유입을 방지하는 스몰 리액터와;
    입력 교류전압을 정류하는 다이오드 브릿지 회로를 포함하는 직류 전원 공급장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 역률 개선부는,
    에너지를 충전 및 방전하는 제1,2 커패시터와;
    상기 제1,2 커패시터의 충/방전 경로를 형성하는 제1,2,3,4 다이오드와;
    부하로 에너지를 공급하는 경로를 단속하는 스위치를 포함하는 직류 전원 공급 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 역률 개선부는,
    스위칭 제어신호에 따라 교번으로 에너지를 충전 및 방전하는 적어도 하나의 커패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
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