KR100882208B1 - 용접형 전원 - Google Patents

Abstract

용접형 전력을 제공하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 전원은 광범위한 입력 전압 이상의 임의의 입력 전압을 수신할 수 있고, ac 입력을 dc 신호로 정류하는 입력 정류기를 포함한다. dc 전압 스테이지(stage)는 dc 신호를 원하는 dc 전압으로 변환하고, 인버터는 상기 dc 신호를 제 2 ac 신호로 인버팅(inverts)한다. 출력 변압기는 제 2 ac 신호를 수신하고, 용접, 절단 또는 유도 가열에 적합한 전류 크기를 갖는 제 3 ac 신호를 제공한다. 용접형 전류는 출력 인덕터 및 출력 정류기에 의해 정류되고 평활화될 수 있다. 제어기는 제어 신호를 인버터에 제공하고, 제어기 전원 장치는 임의의 범위의 입력 전압을 또한 수신할 수 있고, 제어 전력 신호를 제어기에 제공하며, 상기 입력 전압과 상관없는 전압을 제공한다.

Description

용접형 전원{A WELDING TYPE POWER SOURCE}

도 1은 본 발명에 따라 구성된 용접 전원 장치의 블록도.

도 2는 도 1의 프리레귤레이터의 일실시예에 대한 회로도.

도 3은 도 1의 출력 회로에 사용된 스위칭된 스너버를 갖는 인버터의 일실시예에 대한 회로도.

도 4는 도 1의 제어기의 제어기 전력 회로 및 부분에 대한 일실시예의 회로도.

도 5는 도 1의 보조 전력 회로 및 부분에 대한 일실시예의 회로도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 용접용 전원 101: 입력 회로

102: 프리레귤레이터 103: 출력 회로

104: 제어기 105: 제어기 전원 장치

본 발명은 일반적으로 전원(power source)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 용접, 절단 및 가열 응용 장치(application)에 사용되는 전원에 관한 것이다.

일반적으로, 전원은, 전력 입력을 특정한 응용 장치에 맞추어진 필요하거나 바람직한 전력 출력으로 변환한다. 용접용 응용 장치에서, 일반적으로, 전원은 고 교류 전압(VAC: Voltage Alternating Current) 신호를 수신하고, 고 전류 출력 용접 신호를 제공한다. 전세계적으로, 유틸리티 전원 장치(utility power supplies){사인 곡선의 선간 전압(sinusoidal line voltage)}는 200/208V, 230/240V, 380/415V, 460/480V, 500V 및 575V일 수 있다. 이들 전원 장치는 단상 또는 3상 중 하나, 및 50 또는 60Hz 중 하나일 수 있다. 광산 또는 지하철에서 이용가능한 전원 장치와 같은 다른 전원 장치는 dc일 수 있다. 더욱이, 그 전압 및 주파수, 또는 다른 전압 및 주파수, 또는 dc에서 전력을 제공하려고 하는 발전기로부터 전력이 제공될 수 있다.

용접용 전원은 그 입력을 수신하고, 약 10 내지 40 V dc의 고 전류 용접 출력을 발생시킨다. 금속을 용해시켜 용접물(weld)을 생성하는데 충분한 열을 발생시키는 용접 아크(arc)에 상당한 전력이 전달된다. 절단용 전원은 그 입력을 수신하고, 약 80 V dc의 고 전류 절단 출력을 발생시킨다. 유도 가열용 전원은 그 입력을 수신하고, 약 200 V ac의 고 전류 가열 출력을 발생시킨다. 용접, 가열 및 절단이 유사한 고 전력 출력을 필요로 하기 때문에, 본 명세서에 사용된 바와 같은 용접형 전원 또는 전원 장치는 용접, 플라즈마 및 유도 가열 전원 및 전원 장치를 포함한 다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 용접형 전력은 용접, 플라즈마 또는 가열 전력으로 언급된다.

다양한 유틸리티 및 발전기 전력 입력이 주어짐에 따라, 용접/플라즈마/가열 전원 장치가 임의의 광범위한 전력 입력을 수신할 수 있는 것이 바람직하다. 전원 장치가 다중 입력 전압을 수신하도록 하기 위해서는 몇몇 장애를 극복해야 한다. 첫째로, 전력 회로는 예상 전압 크기 및 주파수를 수신할 수 있어야 하고, 여전히 원하는 출력 전압을 제공할 수 있어야 한다. 둘째로, 입력 전압과는 상관없이, 원하는 제어 전압이 제공되어야 한다. 또한, 보조 전력(공구 등을 위한)이 제공되고 있을 때, 원하는 출력 전압 및 주파수(예컨대, 60Hz에서 110V ac)는 입력 전압 및 주파수와는 상관없이 제공되어야 한다.

변압기 상에 탭(taps)이 각 예상 전압에 대응하게 함으로써 초기 전원 장치는 이들 장애를 극복하였다. 사용자가 각 입력 전압용 전원 장치를 수동으로 "다시 링크(relinking)"시킴으로써, 탭이 선택된다. 이것은, 시간을 소비하게 되고, 사용자가 전원 장치를 개방하는 것을 필요로 하게 된다. 부적합하게 링크된 전원을 동작시킴으로써, 신체의 부상, 전원의 고장 또는 불충분한 전력을 초래할 수 있다.

수동 링크를 개선한 종래 기술의 용접용 전원은 자동 링키지(linkage)를 제공하였다. 예를 들어, 미국 특허(제 5, 319, 533호)에 기재되고, 참고용으로 본 명세서에 병합된 밀러 전기 오토링크(the Miller Electric Autolink)는, 먼저 턴 온(turned on)될 때 입력 전압을 시험하여, 감지된 그 입력 전압에 대해 적절한 링키지를 자동으로 설정하였다. 그 전원 장치는 병렬(예를 들어, 230V에 대해) 또는 직렬(예컨대, 460V에 대해)로 연결된 2개의 인버터를 포함한다. 일반적으로, 그러한 배열은 2가지 전압 연결 가능성을 허용한다. 그러나, 더 높은 전압은 더 낮은 전압의 두배가 되어야 한다. 따라서, 그러한 전원은, 230V 내지 460V로부터 380V 내지 415V로, 또는 575V의 범위를 갖는 전원 장치에 연결될 수 없다.

광범위한 전력을 수신하기 위한 전원의 능력에서 상당한 향상이 있었던 또 다른 종래 기술의 전원 장치는, 용접용 전원에서의 범용 입력 전압을 수신하기 위한 방법 및 장치라는 제목인, 1994년 11월 18일에 출원된 출원(제 08/342,378호)에 기초하여 1997년 2월 11일에 허여된 특허(제 5,601,741호)에 기재되고, 본 발명의 양수인에 의해 소유되었다. 특허(제 5,601,741호)에 기재된 전원 장치는 밀러 옴니라인(the Miller omniline) 전원 장치에서 상업적으로 구현된다.

특허(제 5,601,741호)의 용접/플라즈마/가열 전원 장치(참고용으로 본 명세서에 병합된)는 입력 스테이지(stage), 프리레귤레이터(preregulator) 스테이지, 및 출력 스테이지를 포함한다. 또한, 제어기(전원을 갖는)는 원하는 출력을 발생시키기 위해 전원 장치를 제어한다. 제어기용 전원 장치는 상기 특허에서 보조 전원 장치로 언급된다. 그러나, 본 발명은, 때때로 보조 전력 출력으로 언급되는 공구 등을 위한 전력 출력을 또한 포함한다. 따라서, 혼란을 피하기 위해, 공구용 전력 출력은 본 명세서에 보조 전력으로 언급될 것이고, 제어기용 전력은 본 명세서에 제어 전력으로 언급될 것이다.

일반적으로, 옴니라인 입력 스테이지는 ac 유틸리티 또는 발전기 전력을 수신하고, 제 1 dc 신호를 제공하기 위해 그 전력을 정류한다. 정류된 dc 신호는 부스트 변환기(boost converter)를 포함하는 프리레귤레이터에 제공된다. 부스트 변환기는 dc 버스를 생성하기 위해 그 정류된 신호를 부스트한다. 출력 스테이지는 인버터, 변압기, 및 용접, 절단, 또는 가열 전력(용접형 전력)을 버스로부터 생성시키는 정류기를 포함한다.

dc 버스가 생성된 후(부스트 변환기에 의해), 그 출력 전력을 생성하도록 인버팅되기 때문에, 그 출력 전력 전압 및 주파수는 입력 전압 및 주파수와 상관없게 된다. 이것은, 광범위한 입력 전압 및 입력 주파수가 사용되도록 하게 한다.

그러나, 제어기용 전력은 입력 전압을 변압시킴으로써 유도된다. 제어 전력 회로는 인입 전력의 크기를 결정하고, 원하는 제어 전력을 얻기 위해 변압기 상에서 탭을 구성한다. 필요한 제어 전력의 양이 상대적으로 적기 때문에, 제어 전력 변압기는 상대적으로 작아진다. 광범위한 입력 전력이 이에 따라 수용가능한 반면, 입력은, 선택된 탭에 대해 제어 전압이 수용가능할 정도로 충분해야 한다.

따라서, 옴니라인은, 입력 전압과 상관없는 크기를 갖는 dc 버스를 인버팅시킴으로써 원하는 출력 전압을 제공한다. 또한, 옴니라인은 변압기 상의 탭을 선택함으로써 제어 전력을 생성한다. 이것은, 광범위한 입력 전압이 사용되게 하지만, 제어 전압으로 변압되기 위해 적절한 크기를 갖는 입력 전압을 여전히 필요로 한다. 더욱이, 이러한 종래 기술은, 입력 전압 및 주파수와 상관없는 전압 및 주파수를 갖는 보조 전력(공구용)을 제공하지 않았다.

따라서, 임의의 공통 입력 전압 또는 주파수를 수신할 수 있는 용접용 전원이 바람직하다. 이것이, 용접용 전력 입력 및 제어 전력 입력을 위한 임의의 링키지를 필요로 하지 않고도 달성되는 것이 바람직하다. 더욱이, 입력 주파수 및 전압과 상관없는 주파수 및 전압을 갖는 보조 전력 및 용접 전력을 발생시키는 그 용접용 전원을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 1 양상에 따라, 용접형 전원은 110V ac 내지 250V ac의 범위의 입력 전압 및 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 수신할 수 있다. 용접형 전원은, 입력 회로, 프리레귤레이터, 출력 회로, 프리레귤레이터 제어기, 및 제어 전력 회로를 포함한다. 입력 회로는, 입력 주파수 및 입력 크기에서 입력 전력을 수신하고, 입력 크기에 응답하는 크기를 갖는 신호를 프리레귤레이터에 제공한다. 프리레귤레이터는, 입력 크기와 상관없는 프리레귤레이터 크기를 갖는 dc 신호를 출력 회로에 제공한다. 출력 회로는, 입력 주파수와 상관없는 출력 주파수, 및 입력 전압과 상관없는 출력 전압을 갖는 용접형 출력 전력 신호를 제공한다. 프리레귤레이터 제어기는 프리레귤레이터에 연결되고, 제어 전력 회로로부터 전력을 수신한다. 제어 전력 회로는 dc 신호로부터 전력을 유도하고, 제어 전력을 제어기에 제공하는데, 상기 제어기는 입력 크기와 상관없는 제어 전력 크기, 및 입력 주파수와 상관없는 제어 주파수를 갖는다.

입력 회로는 일실시예에서 정류기를 포함한다.

프리레귤레이터 크기는 제 1 크기를 초과하고, 프리레귤레이터는 여러 가지 대안에서 부스트 변환기를 포함한다. 부스트 변환기는, 저속 전압 스위칭된 스위치(slow voltage switched switch) 및 저속 전류 스위칭된 스위치를 포함한다.

출력 회로는, 다른 대안에서 스위칭된 스너버(snubber)를 포함할 수 있는 인버터를 포함한다.

프리레귤레이터 크기는 제어 전력 크기를 초과하고, 및/또는 제어 전력 회로는 추가 실시예에서 벅 변환기(buck converter)를 포함한다.

본 발명의 제 2 양상에 따라, 110V ac 내지 250V ac의 범위의 입력 전압 및 50Hz 또는 60Hz의 주파수로부터 용접형 전력을 제공하는 방법은, 입력 주파수 및 입력 크기를 갖는 입력 전력 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 입력 크기에 응답하는 크기를 갖는 제 1 신호가 제공된다. 제 1 신호는, 입력 크기와 상관없는 제 2 크기를 갖는 dc 제 2 입력 신호로 변환된다. 그 제 2 dc 신호로부터 유도된 용접형 전력 신호는 입력 주파수와 상관없는 출력 주파수를 갖고, 추가로 입력 전압과 상관없는 출력 전압을 갖는다. 제 2 dc 신호는, 입력 크기와 상관없는 제어 전력 크기를 갖는 제어 전력으로 변환된다.

입력 신호는 일실시예에서 정류된다.

제 2 크기는 제 1 크기를 초과하고, 제 1 신호를 제 2 dc 신호로 변환하는 것은 다른 실시예에서 제 1 신호에 대한 부스트 변환을 포함한다. 부스트 변환은 스위치에 대한 저속 전압 스위칭 및 저속 전류 스위칭을 포함할 수 있다.

출력 전력 신호는, 제 2 dc 신호를 인버팅시키고, 및/또는 여러 가지 대안에서 스위칭된 스너버를 사용함으로써 제공된다.

제 2 크기는 제어 전력 크기를 초과하고, 및/또는 제 2 dc 신호를 제어 전력으로 변환하는 것은, 추가 대안에서 제 2 dc 신호에 대한 벅 변환을 포함한다.

본 발명의 제 3 양상에 따라, 임의의 범위의 입력 전압 및 주파수를 수신할 수 있는 용접형 전원은 dc 버스를 포함한다. 출력 회로는 dc 버스를 수신하고, 용접형 출력 전력 신호를 제공한다. 출력 전력은 입력 전력과 상관없는 전압 및 주파수이다. 제어기는 출력 회로에 연결된다. 제어기용 전력은 제어 전력 회로를 통해 dc 버스에서 방출된다.

본 발명의 제 4 양상에 따라, 임의의 범위의 입력 전압 및 주파수로부터 용접형 전력을 제공하는 방법은, dc 버스를 수신하는 단계와, 그 버스 크기와 상관없지만 dc 버스로부터 유도되는 크기에서 용접형 전력을 제공하는 단계를 포함한다. dc 버스는, 그 크기가 dc 버스 크기와 상관없는 제어 전력으로 또한 변환된다.

본 발명의 제 5 양상에 따라, 임의의 범위의 입력 전압 및 주파수로부터 용접형 전력을 제공하는 단계를 제공하기 시작하는 방법은, 입력 전력 신호를 수신하는 단계와, 입력 크기에 응답하는 크기에서의 제 1 dc 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 그 크기가 제 1 dc 크기 미만인 제 2 dc 전압은 제 1 dc 크기로부터 유도된다. 제어 변환기가 제어 dc 전압을 발생시키도록, 제어 변환기는 제 2 dc 전압으로 제어된다. 출력 변환기는 출력 신호를 발생시키기 위해 제어 dc 전압으로 제어된다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예를 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명이, 본 발명의 응용에서 이후의 설명에 기술되거나 그 도면에 도시되는 소자의 구조 및 배열에 대한 세부 사항에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 있을 수 있거나, 여러 가지 방법으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 어구(phraseology) 및 용어(terminology)가 설명을 위한 것이어서 한정되는 것으로 간주될 수 없다는 것을 이해해야 한다. 동일한 참조 번호는 동일한 소자를 나타내도록 사용된다.

본 발명이, 특정한 소자를 갖고 특정 환경에 사용되는 특정 전원 장치에 관해 도시되는 한편, 본 발명은 다른 전원 장치, 소자로 또한 구현되고, 다른 환경에서 또한 사용될 수 있다는 것을 처음부터 이해해야 한다.

이제 도 1을 참조하면, 용접용 전원(100)은 입력 회로(101), 프리레귤레이터(102), 출력 회로(103), 제어기(104), 제어기 전원 장치(105), 및 보조 전원 장치(106)를 포함한다.

입력 회로(101)는 입력 유틸리티 또는 발전기 전력을 수신하고, 신호를 프리레귤레이터(102)에 제공한다. 그 입력은 ac이고, 입력 회로는 바람직한 실시예에서 정류기 및 커패시터 뱅크(bank)를 포함한다. 따라서, 입력 회로의 출력은, 입력 주파수의 2배인 주파수를 갖는 dc {단극(uni-polar)} 신호이다. 입력 회로(101)는 대안적인 실시예에서 다른 소자로 구성되어 있다.

프리레귤레이터(102)는 입력 회로(101)로부터 그 신호를 수신하고, 프리레귤레이팅된 신호를 제공한다. 프리레귤레이터(102)는 부스트 변환기를 포함하고, 바람직한 실시예에서 정류된 신호를 dc 버스(약 800Vdc)가 되도록 부스트시킨다. 그 입력과 상관없이, dc 버스 전압이 약 800V가 되도록 프리레귤레이터(102)가 제어된 다. 따라서, dc 버스 전압의 크기는 입력 크기와 상관없게 된다. (본 명세서에 사용된 바와 같이, 제 2 전압은, 제 2 전압의 크기가 제 1 전압에 비례하지 않는 값 또는 제 1 전압의 함수가 아닌 값이 되도록 제어될 때 제 1 전압과 상관없게 된다). 또한, dc 버스 주파수{실제로 0이지만, 리플(ripple)을 갖는}는 입력 주파수와 상관없게 된다. (본 명세서에 사용된 바와 같이, 제 2 전압은, 제 2 전압의 크기가 비례하지 않는 값 또는 제 1 전압의 함수가 되도록 제어될 때 제 1 전압과 상관없게 된다).

다른 실시예에서, 프리레귤레이터(102)는 인버터, 직렬 공진 변환기 등과 같은 다른 유형의 변환기를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 변환기는 ac 또는 dc 신호를 수신하거나 제공하는 전력 회로를 포함하고, 그 신호를 ac 또는 dc 신호 중 다른 하나로, 또는 상이한 주파수로 변환한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 인버터는, ac 신호가 되도록 인버팅되는 dc 버스 신호를 수신하거나 제공하는 전력 회로를 포함한다.

dc 입력 신호가 수신되면, 입력 회로(101)는 dc 신호를 프리레귤레이터(102)에 간단히 통과시키거나, 전부 생략된다(omitted). dc 입력 신호가 충분한 크기이면, 프리레귤레이터(102)는 dc 버스로서 dc 입력을 제공하기 위해 간단히 통과시키거나, 전부 생략될 수 있다.

출력 회로(103)는 dc 버스를 수신하고, 용접/가열/절단에 적합한 출력을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 출력 회로(103)는, 변압기가 후속하고, 정류기 및 출력 인덕터가 변압기에 후속하는, 인버터를 포함한다. 출력 전력은 또한 dc 버스 및 입력 신호와 상관없는 주파수 및 전압이다. 출력 회로(103)는 다른 실시예에서 다른 소자로 구성되어 있고, ac 또는 dc 출력을 제공할 수 있다.

제어기(104)는 종래의 기술에서 알려진 회로와 유사한 제어 회로를 포함하고, 부스트 및 인버터 스위치로 하여금 피드백(feedback) 및 설정값(setpoint)(부스트 변환기에 대해 800V 및 출력 인버터에 대해 사용자 설정값과 같은)에 응답하여 스위칭하도록 하게 한다.

제어기 전원 장치(105)에 의해 제어 전력이 제어기에 공급된다. 바람직한 실시예에서, 제어기 전원 장치(105)는 프리레귤레이터(102)의 출력으로부터 전력을 유도한다. 제어기 전원 장치(105)는 800V에서 15V dc로 강압(step down)하는 벅 변환기를 포함한다. 제어기 전원 장치의 출력에 대한 크기 및 주파수는 이에 따라 dc 버스 및 입력 전력과 상관없게 된다. 일단 800V dc 버스가 제공되면, 제어 전력이 제어 전력 변압기보다 오히려 버스로부터 쉽게 유도되고, 임의의 입력 전압 및 주파수가 수용가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 더 이상 변압기 조정 탭과 같은 링킹(linking)이 수행될 필요가 없다.

프리레귤레이터(102), 출력 회로(103) 및 제어기 전원 장치(105)를 제어하는 회로는 공통 기능(제어) 때문에 집합적으로 제어기(104)라 불리게 된다. 그러나, 실제로, 이들은 각각 떨어져 위치한 회로를 형성할 수 있고, 회로를 공유할 수 있고, 공통 마이크로프로세서 또는 DSP에 상주할 수 있으며, 제어 신호 및 피드백을 공유할 수 있다.

시동(start up)에서의 하나의 잠재된 어려움은, 제어기(104)에 의해 제어되 는 제어기 전원 장치(105) 내의 벅 변환기의 스위칭에 대한 결과이다. 800V dc 버스는, 제어기가 부스트 변환기 스위치로 하여금 스위치 온 및 오프하도록 할 때 비로소 생성되지만, 제어기는 전력을 가질 때 비로소 그 스위치를 제어할 수 있고, 제어기용 전력은 dc 버스로부터 유도된다.

심지어 부스트 변환기가 800V dc 버스를 생성하도록 스위칭하기 시작하기 전조차, dc 버스가 일반적으로 적어도 110V rms인 정류된 입력 전압과 동일한 크기를 가질 것이기 때문에, 이러한 어려움은 바람직한 실시예에서 극복된다. 벅 변환기가 버스 전압을 15V dc로 강압하기 때문에, 상대적으로 낮은 크기의 입력 전압(예컨대 110V ac)조차 제어기 전력을 생성하는데 충분하다. 또한, 벅 변환기용 제어 전력은, 버스로부터 전류를 유입(bleeding)시킴으로써 플로팅(floating) 15V 전원 장치로부터 유도된다.

시동 시퀀스는 이후에 구체적으로 설명될 것이지만, 일반적으로 다음과 같다. 시동시, dc 버스는 전치 충전(precharge) 레지스터를 통해, 정류된 입력 전압으로 빠르게 상승한다. 전치 충전 레지스터는 그 버스가 충전된 후에 바이패스(bypassed)된다. 버스로부터 유입된 전류는, 전력을 벅 변환기 제어기에 제공하는 커패시터를 충전한다. 벅 변환기 제어기는, 벅 변환기로 하여금 모든 제어기(104)를 위해 15V dc 전력을 발생시키게 하도록 벅 변환기를 제어한다. 제어기(104)는, 정류된 입력을 승압(step up)하고 800V dc 버스를 발생시키도록 프리레귤레이터(102) 내의 부스트 변환기를 제어한다. 따라서, 800V dc 버스가 생성되어, 사용자가 용접하기 시작할 때 전력을 출력 회로(103)에 제공할 수 있다.

더욱이, 보조 전원 장치(106)는 인버터를 포함하고, 합성 보조 전력 즉, 원하는 출력 주파수(예컨대, 60Hz에서의 110V ac)에서의 원하는 출력 전압을 발생시킨다. 제어기(104)는 보조 전원 장치(106)를 또한 제어한다.

입력 회로(101), 프리레귤레이터(102), 출력 회로(103), 및 이것들을 제어하는 제어기(104)의 부분은, 일실시예에서 특허(제 5,601,741호)에 도시된 회로를 이용하여 구현된다{또한 이 회로들은 상기 명세서의 도면의 유사한 번호로 매겨진 요소(features)에 해당한다}. 그러나, 광범위하게 다양한 회로는 본 발명의 이러한 부분, 및 본 명세서에 구체적으로 설명되지 않을 세부 사항을 구현하는데 사용될 수 있다.

특정한 스위칭 회로는 또 다른 실시예에서 프리레귤레이터에 사용되는데, 그 이유는, 효과적인 저속 전압 스위칭 및 저속 전류 스위칭을 제공하기 때문이다. 이러한 회로는, 저 손실 스위칭을 갖는 전력 변환기라는 제목으로 1998년 7월 9일에 출원되고, 본 발명의 소유자에 의해 소유하게 된 특허 출원(제 09/111,950호)에 기재되어 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 저속 전압/전류 천이 또는 스위칭(SVT 및 SCT)은, 전압 또는 전류가 느리게(0으로 고정되기보다는) 상승되는 한편, 스위치는 턴 오프 또는 턴 온되는 천이를 설명한다.

프리레귤레이터(102)를 구현하기 위해 바람직한 실시예에 사용되는 회로는 도 2에 도시된다{입력 회로(101) 및 전압원(109)과 함께}. 도 2의 실시예는 입력 전압(109)으로 90 내지 250V ac 전력선을 사용한다. 입력 회로(101)는 다이오드(D60, D70, D80, 및 D9)로 구성되어 있는데, 상기 다이오드는 단극 사인 곡선의 입력 전압을 제공하기 위해 입력 전압을 정류한다.

프리레귤레이터(102)의 역률(power factor) 정정 부분(이후에 설명됨)은, 또 다른 교류 입력일 수 있을지라도, 입력 전압이 사인 곡선일 때 최상의 기능을 한다. 따라서, 적은(10㎌) 커패시터(미도시)는, 입력 선간 전압을 평활화(smooth)하기 위해 일실시예에서의 입력 정류기 양단간에 제공된다.

정류된 입력 전압은, 부스트 변환기를 형성하기 위해 부스트 스위치(Z1)(바람직하게 IGBT)와 연결되는 부스트 인덕터(L10)(750μH)에 인가된다. 병렬 다이오드(D50)는 천이동안 스위치(Z1)를 보호하기 위해 스위치(Z1) 양단간에 연결된다. 무손실 스위칭을 제공하는 회로의 부분은, 하나의 스너버 인덕터(L2)(3.9μH), 한 쌍의 커패시터{C100(1μF) 및 C200(0.068μF)}, 및 다이오드(D10, D20, D30, 및 D40)를 포함한다. 스위치(Z1)는, 입력 전압이 무엇이든지 간에 프리레귤레이터(102)의 출력이 원하는 전압이 되도록, 알려진 방법으로 스위칭된다. 그 출력은, 안정한 전압원(바람직한 실시예에서 200V)을 다운스트림(downstream) 변환기에 제공하는 커패시터(C50)(2000㎌) 양단간에 제공된다. 또한, 커패시터(C50)는 그 전압을 위험할 정도로 높아지고 스위치(Z1)에 손상을 입히는 것으로부터 방지한다.

역률 정정을 제공하는 프리레귤레이터(102)의 부분은 역률 정정 회로(204)(도 2)이고, 일반적으로 입력 전압 파형을 감지하며, 그 전류 파형의 형태를 선간 전압 파형의 형태가 되게 한다. 이것은 1에 매우 근사한 역률, 바람직한 실시예에서는 0.99의 역률을 제공한다. 역률 정정 회로(204)는, UC3854 또는 ML4831과 같은 집적 회로를 사용하거나, 본 명세서에 참고용으로 병합된, 위에서 참조된 저 손실 스위칭을 갖는 전력 변환기에 도시된 것과 같은 분리된 소자로 구현될 수 있다.

역률 정정 회로(204)는 입력 회로(101)로부터 출력 전압을 입력으로서 수신하고, 프리레귤레이터(102)로부터 출력 전압을 수신하며, 프리레귤레이터(102)(CT를 사용하는)의 출력 전류를 수신한다. 프리레귤레이터(102)의 주파수(25Khz)가 라인의 주파수(60Hz)보다 훨씬 더 높기 때문에, 프리레귤레이터 전류는, 입력 전압의 형태를 감지하고 거기에 응답하여 입력 전류를 제어함으로써 입력 선간 전압 형태를 추적하도록 이루어질 수 있다.

출력 회로(103)는 특허(제 5,601,741호)에서와 같은 종래의 인버터, 출력 변압기, 출력 정류기, 및 출력 인덕터를 포함할 수 있다. 그러나, 일실시예에서, 인버터는 저 손실 스위칭을 갖는 전력 변환기에 기재되고, 도 3에 도시된 것과 같은 스위칭된 스너버이다.

스위칭된 스너버를 사용하여 구현된 인버터는, dc 전압원(1501), 한 쌍의 스위치(1502 및 1504), 한 쌍의 병렬 다이오드(1503 및 1505)를 사용하고, 한 쌍의 커패시터(1507 및 1508)(1410㎌), 변압기(1509), 커패시터(1512)(0.099㎌), 다이오드(1510 및 1511)를 포함하는 출력 정류기, 및 출력 인덕터(1513)를 포함한다.

커패시터(1512)는 스위치(1502 및 1504)에 의해 변압기(1509) 양단간에 스위칭된다. 스위치(1402 및 1403)는 스위치(1502 및 1504)를 소프트(soft) 스위칭하는데 사용된다. 스위치(1402 및 1403)는 더 이상 특정한 타이밍(timing)을 필요로 하지 않고, 효과적으로 50%의 듀티 사이클(duty cycle)에서 주 클록으로 동작한다. 예를 들어, 스위치(1502 및 1402)는 함께 턴 온되고, 스위치(1502)가 전류를 변압기(1509)로 전달하는 반면, 스위치(1402)는 어떠한 것도 하지 않는다. 스위치(1502)가 턴 오프될 때, 스위치(1402)는 온 상태로 남아있고, 전류는 스위치(1402) 및 다이오드(1405)를 통해 커패시터(1512)로 향하게 되어, 이에 따라 저속 전압 천이(SVT: Slow Voltage Transition) 턴 오프를 제공한다. 스위치(1402)는 천이 후에 턴 오프되고, 다이오드(1405)는 커패시터(1512)로부터 전류의 역류를 방지한다. 이것은, 스위치(1502 및 1402) 및 다이오드(1405)를 사용하는 보완적인 방법으로 발생된다. 따라서, 이러한 회로는, 전파 변압기 사용, PWM 제어, 어떠한 예비 회로도 사용하지 않는 완벽한 커패시터 평형 제어, 및 SVT를 사용하는 스위치의 효과적인 사용을 제공한다. 대안적인 실시예는 스너버의 전 브리지 버전(full bridge version)을 사용하는 단계를 포함한다.

스위칭된 스너버를 제어하는데 사용되는 특정 회로는, 저 손실 스위칭을 갖는 전력 변환기에 기재된 회로와 같은 종래의 제어 회로일 수 있다.

제어기 전원 장치(105), 및 제어기 전원 장치(105)를 제어하는 제어기(104)의 부분을 구현하는데 사용되는 회로가 도시된다. 제어기 전원 장치(105)는 바람직한 실시예에서 벅 변환기를 포함하고, 스위치(401), 종래의 벅 장치에서 구성된 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)(403) 및 벅 인덕터(L1), 및 저항기(404)(0.5Ω)를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 벅 변환기(또는 레귤레이터)를 제어하는 회로는 도 4에 또한 도시되고, 제어기(104)의 일부이다. 제어 회로가, 프리레귤레이터(102) 및 출력 회로(103)를 제어하는 제어기(104)의 부분과 동일한 제어반 상에 위치할 수 있거나, 그 제어반, 예를 들어 제어기 전원 장치(105)용 PC 보드 상에서와 같이 제어반에서 멀리 떨어져 위치할 수 있다는 것을 당업자가 쉽게 인식할 것이다.

일반적으로, 시동시 전류가 커패시터를 충전하기 위해 dc 버스로부터 유입되고, 이에 따라 벅 스위치를 턴 온 및 오프하는데 충분한 전력을 제공할 수 있도록, 벅 변환기가 제어된다. 커패시터 양단간의 전압은 플로팅 전압이고, 벅 변환기 제어 회로를 동작시키는데 충분하다. 제어 회로는, 약 15V dc의 제어 전력을 발생시키기 위해 벅 스위치로 하여금 반복적으로 턴 온 및 턴 오프하게 한다. 그 후에, 15V dc는 나머지 제어 회로에 전력을 공급하도록 사용된다.

더 구체적으로, 전원 장치가 턴 온될 때, dc 버스는 입력 정류 신호의 피크 전압(예컨대, 140V rms를 갖는 입력에 대해 약 200V dc)과 동일한 전압을 가질 것이다. 전류는, 한 쌍의 커패시터{C5(0.1㎌) 및 C2(100㎌)}를 충전시키기 위해 한 쌍의 저항기{R5(150㏀) 및 R4(150㏀)}를 통해 버스로부터 유입된다. 커패시터(C2 및 C5) 양단간의 전압은 BUCK-COM 및 BUCK+15V라 불리고, 벅 변환기를 제어하는 회로를 위한 플로팅 전압 전원 장치이다. 저항기(R5 및 R4)(및 이후에 설명된 다른 소자)의 저항의 적절한 선택은, 벅 변환기 제어 회로를 동작시키기 위해 dc 버스 상에서 필요한 최소 전압을 결정한다. 바람직한 실시예에서, 최소 전압은 110V ac 전력을 정류시킴으로써 수용할 수 있는 전압보다 결코 높지 않다.

커패시터(C5 및 C2) 양단간의 전압이 약 11.7V에 도달할 때, 스위치(Q1)는 턴 온된다. 스위치(Q1)는 벅 변환기용 논리 회로 또는 제어 회로를 인에이블(또는 디스에이블)하는데 사용된다. 커패시터(C2 및 C5) 양단간의 전압이 약 11.7V 미만일 때, 스위치(Q1)는 오프되고, 논리 회로는 디스에이블된다. 저항기(R2)(10㏀), 저항기(R3)(100㏀) 및 제너 다이오드(D1)(11V)는 스위치(Q1)와 연관되고, 턴 온 전압을 생성한다. 따라서, 저항기(R3)의 저항은, 벅 제어기를 제어하는 회로를 동작시키는데 필요한 최소 전압을 또한 설정한다.

논리 회로는, 복수의 NAND 게이트(U4A, U4B, U4C 및 U4D), 및 연관된 회로 커패시터{C1(0.1㎌) 및 C3(0.001㎌)}, 저항기{R6(20㏀), R7(332㏀) 및 R8(20㏀)}를 포함한다. 이 회로는, 출력이 저항기(R12)(10Ω)를 통해 벅 스위치(401)의 베이스로 향하는 온/오프 신호인 복수의 병렬 NOT 게이트(U3)를 제어한다. 논리 회로용 전원 장치 전압은 플로팅 BUCK-COM/BUCK+15V 전압 전원 장치이다.

NOT 게이트(U3) 출력이 1일 때, 벅 스위치(401)는 온되고, NOT 게이트(U3) 출력이 0일 때, 벅 스위치(401)는 오프된다. NOT 게이트(U3)의 입력이 0일 때, NOT 게이트(U3) 출력은 1인데, 상기 0은 NAND 게이트(U4D)의 모든 입력이 1이 되는 것을 필요로 한다.

시동시, 버스가 BUCK-COM/BUCK+15V 전압 전원 장치를 11.7V로 충전시키기 전에, 스위치(Q1)는 오프된다. 따라서, NAND 게이트(U4A)로의 입력이 0이 되고, NAND 게이트(U4A)의 출력은 1이 된다. 이 출력은 다이오드(D3) 및 저항기(R6 및 R7)를 통해 NAND 게이트(U4B)의 입력 핀 2로 공급되고, NAND 게이트(U4B)의 출력은 이에 따라 0이 된다. NAND 게이트(U4B)의 출력은 NAND 게이트(U4A)의 입력 핀 2로 공급되어, 이에 따라 NAND 게이트(U4D)의 출력을 높게 유지할 수 있다{또한 스위치(401)를 오프 상태로 유지}. 또한, 시동시, NAND 게이트(U4C)의 출력은 1이 되는데, 그 이유는 NAND 게이트(U4B)로부터의 모든 입력이 0이기 때문이다.

버스가 BUCK-COM/BUCK+15V 전압 전원 장치를 11.7V로 충전시킬 때, 스위치(Q1)는 턴 온되고, NAND 게이트(U4A)의 입력 핀 9는 높은 상태로 되어, 이에 따라 NAND 게이트(U4A)의 출력이 낮은 상태로 되게 하고, NAND 게이트(U4B)의 출력이 높은 상태로 되게 하며, NAND 게이트(U4D)의 출력이 스위치(401){게이트(U3)를 통해}를 턴 온하게 한다. 또한, NAND 게이트(U4A)의 출력이 0으로 될 때, 커패시터(C3)는 저항기(R7)(상대적으로 긴 RC 시간 상수를 가짐)를 통해 방전된다. 커패시터(C3)가 방전될 때, NAND 게이트(U4B)의 출력은, NAND 게이트(U4D)의 출력이 0으로 되게 하는 1로 되면서, 벅 스위치(401)를 턴 온시킨다.

연관된 회로는, 그 논리로 하여금 NAND 게이트(U4A)의 입력 핀 8이 0으로 될 때까지 래치하도록 하게 한다. 스위치(401)가 온될 때, 인덕터(L1)를 통하는 전류가 증가하면서, 한 쌍의 저항기{R11(2㏀) 및 R10(100㏀)} 및 커패시터(C4)(0.001㎌)를 통해 스위치(Q3)를 턴 온하기 때문에, 이것이 발생한다. 스위치(Q3)가 턴 온될 때, NAND 게이트(U4A)의 입력 핀 8은 0이 되고, NAND 게이트(U4D)의 출력이 1이 되면서, (결국) NAND 게이트(U4B)의 출력이 0이 되게 하고, NAND 게이트(U4C)의 출력이 1이 되게 하고, NAND 게이트(U4D)의 출력이 1이 되게 하여, 스위치(401)를 턴 오프시킨다.

스위치(401)를 턴 온 및 오프하는 과정은 반복되고, 필요한 15V dc 버스가 한 쌍의 출력(PRECOM 및 PRE+15V) 상에서 생성된 후에 제한된다. 인덕터(L1)를 통 하는 전류는 한 쌍의 커패시터(C13 및 C14)(2200㎌)를 충전시킨다. 출력(PRECOM 및 PRE+15V)은 커패시터(C13 및 C14) 양단간에 연결되고, 이에 따라, +15V로 충전될 때, 필요한 제어 전력이 제공된다. 제너 다이오드(D8)는 출력(PRECOM 및 PRE+15V) 양단간의 전압의 크기를 높은 상태에 이르지 못하게 한다.

저항기(R13)(1㏀), 한 쌍의 제너 다이오드(D5 및 D2)(6.8V), 광분리기(OC3), 및 저항기(R1)(1㏁)는, 출력(PRECOM 및 PRE+15V) 양단간의 전압이 15V에 도달할 때 벅 스위치(401)의 턴 온을 제한한다. 다이오드(D5 및 D2) 및 광분리기(OC3) 양단간의 전압 강하가 15V에 도달할 때, 광분리기(OC3)가 턴 온되면서, 그 입력을 NAND 게이트(U4B)로 풀 업(pulling up)함에 따라, 스위치(401)를 턴 오프시킨다.

보조 전원 장치(106), 및 보조 전원 장치(106)를 제어하는 제어기(104)의 부분을 구현하는데 사용되는 회로가 도 5에 도시된다. 그 제어 회로가, 프리레귤레이터(102) 및 출력 회로(103)를 제어하는 제어기(104)의 부분과 동일한 제어반 상에 위치할 수 있거나, 예를 들어 보조 전원 장치(106)용 PC 기판 상에서와 같이 제어반에서 멀리 떨어져 위치할 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 인식할 것이다.

보조 전원 장치(106)는 바람직한 실시예에서 하나의 인버터를 포함하고, 모터 구동 장치(motor drive), 또는 기존의 AC 인버터 회로{그 출력은 고(high), 0 및 음(negative), 0, 고, 0, ...의 패턴에 따른다}와 매우 유사하게 동작한다. 바람직한 실시예에서, 그 출력은 합성 AC, 60Hz, 575V 전원 장치(800V 버스의 크기에 따른)이다.

575V 전원 장치는 임의의 원하는 크기로 변환될 수 있다. 대안적으로, 그 크 기는, 상이한 버스 값을 가짐으로써, 또는 원하는 레벨로 그 버스 값을 버킹(bucking) 다운함으로써 더 적은 값으로 제어될 수 있다. 레귤레이팅된 레벨이 미리 설정될 수 있거나 사용자에 의해 선택될 수 있다. 또한, 주파수는 사용자에 의해 선택될 수 있거나(예컨대, 50 또는 60Hz) 미리 설정될 수 있다.

인버터는, 한 쌍의 출력(AC/2 및 AC/1) 상에서 ac 출력을 발생시키기 위해 턴 온 및 오프되는 4개의 스위치(501 내지 504)를 포함한다. 특히, 정상 상태에서 스위치(503 및 504)는 온되고, 프리휠링된다{출력(AC/1 및 AC/2) 양단 간에 어떠한 인가된 전압 차이가 없을 때}. AC/1은 스위치(502)를 턴 온시키고 스위치(504)를 턴 오프시킴으로써 높아지게 된다(또한 AC/2는 낮아짐). 따라서, 전도 경로는, 버스로부터, 스위치(502)를 통해, AC/1 및 부하(load)로 향한 후, AC/2로부터 스위치(503)를 통해 접지(PRECOM)로 향하는 것이다. 이와 반대로, AC/1은 스위치(501)를 턴 온하고 스위치(503)를 턴 오프시킴으로써 낮아진다(또한 AC/2는 높아짐). 따라서, 전도 경로는, 버스로부터 스위치(501)를 통해 AC/2 및 부하로 향한 후, AC/1로부터 스위치(504)를 통해 접지(PRECOM)로 향하는 것이다.

도 5 상의 나머지 회로는 제어 회로이고, PRECOM 및 PRE+15V에 의해 전력을 공급받는다. 그 회로는 종래의 방법으로 동작하고, 구동 회로, 레벨 쉬프터(level shifters), 전류 제한기 및 인에이블 회로를 포함한다.

스위치용 게이트 구동 장치는 종래의 방법으로 동작하고, 저항기{R16(10Ω), R17(5.11㏀), R18(1㏁), R19(22.1Ω), R20(10Ω), R21(1㏁), R22(5.11㏀), R23(22.1Ω), R24(2㏀), R25(2㏀), R26(2㏀), R27(2㏀), R28(20㏀), R29(20㏀), R30(20㏀), R31(20㏀)}, 커패시터{C6(100㎌), C7(0.1㎌), C10(100㎌), C11(0.1㎌)}, 스위치(Q6, Q7, Q8, Q9, Q10 및 Q11), 다이오드(D61 및 D7), 및 광분리기(OC1 및 OC2)를 포함한다.

래치 회로 전류는 각 사이클을 제한하고, 종래의 방법으로 동작한다. 래치 회로는, 레벨 쉬프터{U1A(40109)}, 게이트(U2A, U2B, U2C, U2D), 저항기{R32(22.1㏀), R33(22.1㏀), R34(20㏀), R35(20㏀), R36(3.01㏀), R37(5.11㏀), R38(16㏀), R39(1㏀), 및 R40(20㏀)}, 커패시터{C15(0.000㎌)}, 및 한 쌍의 스위치(Q12 및 Q13)를 포함한다. 한 쌍의 레벨 쉬프터{U1B 및 U1C(40109)}가 또한 제공된다.

인에이블 회로는 광분리기(OC4), 저항기{R41(1㏁) 및 R42(20㏀)}, 및 커패시터{C16(0.1㎌)}를 포함한다. 전압 레귤레이터 회로는, 전압 레귤레이터(VR1), 커패시터{C18(0.1㎌), C17(0.1㎌)}, 및 레귤레이터(VR1)를 포함하고, 벅 레귤레이터에 의해 생성된 +15V 전원으로부터 레귤레이팅된 +5V 전원을 발생시킨다.

타이밍 회로는 제어 회로용 클록 및 보조 주파수를 설정한다. 타이밍 회로는, 마이크로프로세서(MPU1), 커패시터{C19(22㎊)} 및 커패시터{C20(22㎊)}, 수정 발진기{Y1(4.096㎒)}, 및 레벨 쉬프터(U1D)를 포함한다.

이들 소자는 알려진 방법으로 서로 작용하여 원하는 575V ac, 60Hz 출력을 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 회로는, 사용자로 하여금 전압 크기 및/또는 주파수를 선택하게 하도록 변경될 수 있다.
본 발명의 의도된 범주 내에 여전히 포함되는 본 발명에 대해 다수의 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 전술한 목적 및 장점을 완전히 만족시키는 임의의 기존의 입력 전압 또는 주파수로부터 용접형 전력을 제공하기 위한 방법 및 장치가 본 발명에 따라 제공된다는 것은 명백할 수 있다. 본 발명이 특정 실시예와 함께 설명될 지라도, 다수의 대안, 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 것이라는 것이 분명하다. 따라서, 첨부된 청구항의 사상 및 폭넓은 범주 내에 있는 모든 그러한 대안, 변형 및 변경을 포함하려고 의도된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 전원(power source)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 용접, 절단 및 가열 응용 장치(application)에 사용되는 전원 등에 효과적이다.

Claims (9)

100V ac 내지 250V ac 또는 230V ac 내지 460V ac의 범위의 입력 전압 및 주파수를 수신할 수 있는 용접형 전원으로서,

입력 주파수 및 입력 크기를 갖는 입력 전력 신호를 수신하고, 상기 입력 크기에 응답하는 크기를 갖는 제 1 신호를 제공하도록 구성되는 입력 회로와,

상기 제 1 신호를 수신하고, 상기 입력 크기와 상관없는 프리레귤레이터(preregulator) 크기를 갖는 제 2 dc 신호를 제공하도록 구성되는 프리레귤레이터와,

상기 제 2 dc 신호를 수신하고, 상기 입력 주파수와 상관없는 출력 주파수 및 상기 입력 전압과 상관없는 출력 전압을 갖는 용접형 출력 전력 신호를 제공하도록 구성되는 출력 회로와,

상기 프리레귤레이터에 연결되고, 추가로 제어기 전력 입력을 갖는 프리레귤레이터 제어기와,

상기 제 2 dc 신호를 수신하고, 제어 전력 신호를 상기 제어기 전력 입력에 제공하도록 구성된 제어 전력 회로로서, 상기 제어기 전력 신호는 상기 입력 크기와 상관없는 제어 전력 크기, 및 상기 입력 주파수와 상관없는 제어 주파수를 갖는, 제어 전력 회로를

포함하는, 용접형 전원.

제 1항에 있어서, 상기 입력 회로는 정류기를 포함하는, 용접형 전원.

제 1항에 있어서, 상기 프리레귤레이터 크기는 제 1 크기를 초과하는, 용접형 전원.

제 3항에 있어서, 상기 프리레귤레이터는 부스트 변환기(boost converter)를 포함하는, 용접형 전원.

제 4항에 있어서, 상기 부스트 변환기는 저속 전압 스위칭된 스위치(slow voltage switched switch) 및 저속 전류 스위칭된 스위치를 포함하는, 용접형 전원.

제 3항에 있어서, 상기 출력 회로는 인버터를 포함하는, 용접형 전원.

제 3항에 있어서, 상기 출력 회로는 스위칭된 스너버(snubber)를 포함하는, 용접형 전원.

제 3항에 있어서, 상기 프리레귤레이터 크기는 상기 제어 전력 크기를 초과하는, 용접형 전원.

제 3항에 있어서, 상기 제어 전력 회로는 벅 변환기(buck converter)를 포함 하는, 용접형 전원.

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