KR100901882B1

KR100901882B1 - 전력 변환기용 게이트 전원장치

Info

Publication number: KR100901882B1
Application number: KR1020070075245A
Authority: KR
Inventors: 김길동; 이한민; 홍용기; 오세찬
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-06-09
Also published as: KR20090011553A

Abstract

본 발명은 전력 변환기용 게이트 전원장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 변환기의 게이트 회로 구성을 간단하게 하여 전력 변환기의 크기를 감소시키고 그 전력 변환기를 구성하기 위한 비용을 절감할 수 있는 전력 변환기용 게이트 전원장치에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 RCC(Ringing Choke Coil)방식으로 스위칭되는 RCC 스위칭 전원회로와, 상기 RCC 스위칭 전원회로의 스위칭시에 다수의 게이트 전압을 2차측으로 출력하는 게이트 전원용 밀 결합 변압기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 RCC 스위칭 전원회로에 게이트 전원용 밀 결합 변압기를 구비하여 다수의 게이트 전원을 출력하여 줌으로써 전력변환기의 게이트 회로를 간단하게 하여 전력변환기의 크기를 감소시키고 비용을 절감하는 효과가 있다.

전력 변환기, IPM, 게이트 전원

Description

전력 변환기용 게이트 전원장치 { Gate power circuiter for power inverter }

도 1은 본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 전원장치를 설명하기 위해 도시한 전체 회로 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 변압기를 도시한 상세 회로 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 RCC회로의 스위칭 트랜지스터가 온(ON)된 경우의 게이트 전원용 밀 결합 변압기의 동작원리를 설명하기 위해 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 RCC회로의 스위칭 트랜지스터가 오프(OFF)된 경우의 게이트 전원용 밀 결합 변압기의 동작원리를 설명하기 위해 도시한 도면.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100: RCC 스위칭 전원회로 110: 리셋회로부

120: RCC전원회로부 121: 스위칭 트랜지스터

130: RCC변압기 140: 제2정류회로부

150: 에러검출부 200: 게이트 전원용 밀 결합 변압기

220,220': 게이트 드라이브회로 221:제1정류회로부

300: 제어기 310: 파워 스위칭소자부

일반적으로 서보 드라이브 시스템은 서보모터에 전력을 공급하는 전력 변환기를 구비하게 된다.

이와 같은 전력 변환기는 파워디바이스의 특징에 따라 선택하여 사용할 수 있으며, 파워 트랜지스터, 파워 MOSFET, 스위칭 속도나 구동 전류값이 큰 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 IPM(Intelligent power module)등이 있으며, 이러한 디바이스로 전력 변환기를 구성하는 경우 취급가능한 출력과 스위칭 주파수는 서로 다른 특성을 가지게 된다.

이때, 상기 파워 트랜지스터는 상대적으로 대용량 저스위칭 주파수로 동작시키는데 주로 사용되고, 파워 MOSFET는 소용량 고스위칭 주파수로 동작시키는데 주 로 사용된다.

그리고, 상기 IGBT는 상기 파워 트랜지스터와 파워 MOSFET의 단점을 동시에 보완한 것으로 고용량 고스위칭 주파수로 동작시키는 것이 가능하며 전력소모가 상대적으로 적은 장점을 가지고 있다.

한편, 최근에는 IGBT 소자 내부에 보호회로까지 추가된 형태의 IPM이 사용되고 있는 실정이다.

그런데 이와 같은 일반적인 전력 변환기의 게이트(gate) 전원은 각각 절연된 전원으로 출력전압에 대한 충분한 절연내력을 가져야 하므로 각각의 게이트마다 별도의 전원장치를 두기도 하며, 상기 절연조건을 만족하는 다수개의 전원을 출력하는 별도의 전원장치를 사용하기도 한다.

따라서, 한 개의 PCB에 전원장치를 실장하는 경우, 제어회로의 전원도 경우에 따라서 다수의 전원이 필요하게 되며 여기에 다수개의 게이트 전원이 함께 추가되므로 전원장치를 매우 복잡하게 하는 단점을 가지고 있다.

또한, 한 개의 변압기만 사용하는 스위칭 전원 방식에 있어서는 변압기의 크기가 커져서 PCB에 실장면에서 제한이 있을 수 있고, 변압기 2차 권선의 개수가 변압기 보빈의 핀수에 의하여 제한되는 단점도 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 RCC방식 스위칭 전원장치를 사용시에 전력 변환기의 게이트 전원용 밀 변압기와 정류회로를 추가하여 다수개의 전원을 얻을 수 있는 전력 변환기용 게이트 전원장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 제어회로에 전력 변환기를 함께 실장할 수 있는 게이트용 전원장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전력 변환기용 게이트 전원장치에 관한 것으로; 직류전원(DC)을 초기화하기 위한 리셋회로부와, 직류전원(DC)을 공급받고 RCC(Ringing Choke Coil) 스위칭 전원회로를 온오프시키는 스위칭 트랜지스터로 이루어지는 RCC전원회로부와, 상기 직류전원(DC)을 제어기를 동작시키기 위한 전압으로 변압하는 RCC변압기로 구성되는 RCC 스위칭 전원회로와; 상기 RCC 스위칭 전원회로의 스위칭시에 다수의 게이트 전압을 2차측으로 출력하는 게이트 전원용 밀 결합 변압기로 구성되는 것을 그 기본적인 특징으로 한다.

삭제

여기서, 상기 RCC 스위칭 전원회로는 직류전원(DC)을 초기화하기 위한 리셋회로부와, 직류전원(DC)을 공급받고 RCC 스위칭 전원회로를 온오프시키는 스위칭 트랜지스터로 이루어지는 RCC전원회로부와, 상기 직류전원(DC)을 제어기를 동작시키기 위한 전압으로 변압하는 RCC변압기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 게이트 전원용 밀 결합 변압기의 2차 측에는 다수의 게이트 드라이브회로가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 게이트 드라이브회로의 전단에는 다수의 제1정류회로부가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 게이트 드라이브회로는 파워 스위칭 소자부에 게이트 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 파워 스위칭 소자부는 IPM(Intelligent power module)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 RCC변압기의 2차측에는 상기 제어기로 직류전원을 공급하기 위한 제2정류회로부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 전원장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 전원장치를 설명하기 위해 도시한 전체 회로 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 변압기를 도시한 상세 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 RCC회로의 스위칭 트랜지스터가 온(ON)된 경우의 게이트 전원용 밀 결합 변압기의 동작원리를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 RCC회로의 스위칭 트랜지스터가 오프(OFF)된 경우의 게이트 전원용 밀 결합 변압기의 동작원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2에 의하면, 본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 전원장치는 스위칭 트랜지스터가 온(ON)/오프(OFF)됨에 따라 RCC(Ringing Choke Coil)방식으로 스위칭(Switching)되는 RCC 스위칭 전원회로(100)와, 상기 RCC 스위칭 전원회로(100)의 스위칭시에 다수의 전력변환기의 게이트 전압을 2차측으로 출력하는 게 이트 전원용 밀 결합 변압기(200)로 이루어진다.

이하, 각각의 구성요소들을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 RCC 스위칭 전원회로(100)는 직류전원(DC)이 투입되는 경우 이를 초기화하기 위한 리셋회로부(110)와, 직류전원(DC)을 공급받고 RCC 스위칭 전원회로(100)를 스위칭시키는 RCC전원회로부(120)와, 상기 직류전원(DC)을 제어기(300)를 동작시키기 위한 전압으로 변압하기 위한 RCC변압기(130)로 구성된다.

한편, 상기 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)는 하나의 1차 권선에 대해 다수의 2차 권선을 가지는 변압기로 1차측 입력전압을 다수의 2차 전압으로 분배하여 출력시켜 주게 된다.

이와 같은 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차 측에는 다수의 게이트 드라이브회로(220,220')가 구비된다.

이때, 상기 게이트 드라이브회로(220,220') 각각에는 제1정류회로부(221)가 더 구비되어 안정적으로 전력 변환기의 게이트에 전원을 공급할 수 있게 된다.

상기 제1정류회로부(221)는 좀 더 구체적으로는 상기 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차측에 연결되는 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)로 이루어져 게이트 드라이브회로(220,220')로 동작 전원을 공급하게 된다.

이때, 상기 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차측에 구비되는 게이트 드라이브회로(220,220')는 파워 스위칭소자부(310)를 구성하는 IPM(Intelligent power module)의 게이트에 공급된다.

따라서, 다수의 게이트 드라이브회로(220,220')의 구동을 위한 게이트 전압 을 출력하기 위해 하나의 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)만을 이용하여 게이트 전원장치를 구성할 수 있어 제어기(300)의 회로구성이 간단해지고 제어기 PCB에 회로를 실장시 그 PCB의 크기 등에 대한 제약이 줄어드는 장점을 가지게 된다.

이와 같은 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 1차측은 상기 RCC 스위칭 전원회로(100)를 구성하는 RCC변압기(130)의 1차측과 노드(node) 연결되어 상기 RCC 스위칭 전원회로(100)의 스위칭 작동에 따라 종속되어 작동된다.

한편, 상기 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차측 전원은 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)로 이루어지는 제1정류회로부(221)를 거쳐 파워 스위칭소자부(310)의 게이트로 동작전원을 공급하게 된다.

또한, 상기 RCC변압기(130)의 2차측에는 제2정류회로부(140)가 구비되어 안정적인 직류전원을 상기 제어기(300)에 공급하게 된다. 이때, 상기 제2정류회로부(140)는 다이오드(D2)와 콘덴서(C2)로 이루어지게 된다.

그리고, 상기 제2정류회로부(140)의 과전류 또는 과전압을 체크하여 상기 RCC전원회로부(120)에 제공하는 에러검출부(150)가 더 구비되어 제어기로 공급되는 전원의 에러유무를 검출하게 된다.

이하, 도 3 및 도 4를 참고로 본 발명에 따른 전력 변환기용 게이트 전원장치의 작동과정을 설명한다.

먼저, 도 3은 스위칭 트랜지스터(121)가 온(On)되는 경우를 도시한 도면으로, 직류전원(DC)이 RCC 스위칭 전원회로(100)의 RCC변압기(130)에 투입되는 상태 에서 RCC 스위칭 전원회로(100)의 스위칭 트랜지스터(121)가 온(ON)되면 RCC변압기(130)의 2차측에 구비되는 제2정류회로부(140)를 구성하는 다이오드(D2) 및 게이트 드라이브회로(220,220')에 전력을 제공하는 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차측에 구비되는 제1정류회로부(221)를 구성하는 다이오드(D1)는 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 극성에 의하여 역방향으로 전압이 인가되므로 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차측 정류회로(221)는 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 1차측에 아무런 영향을 주지 않는다.

이때, 공극이 없는 밀결합 구조로 이루어져 게이트 전원을 공급하는 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)는 여자전류가 매우 작으므로 이를 무시하면 공극을 갖고 있는 RCC변압기(130)만 인덕턴스(Inductance;L)로 작용하여 전류(i)가 시간(t)에 따라 다음과 같은 식 1과 같이 증가한다.

---------------------- 식(1)

이때, 상기 식 1의 'V'는 전원의 직류전압(DC)이고, 'L'은 RCC변압기(130)의 1차권선의 누설 인덕턴스이다. 따라서, 도 2의 스위칭 트랜지스터(121)가 온(ON)되는 동안 식 1에 의하여 RCC변압기(130)의 자기회로에 에너지가 축적된다.

한편, 도 4는 RCC 스위칭 전원회로의 스위칭 트랜지스터(121)가 오프(OFF)된 상태를 도시한 도면으로서, 좀 더 구체적으로는 RCC변압기(130)에 상기 식 1에 따 라 스위칭 트랜지스터(121)가 온(ON)되어 있던 시간에 축적된 에너지가 방전하는 상태이다.

따라서, 이와 같이 방전에 의해 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)에 분배되어 그 각각의 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차 권선에 연결된 제1 및 제2정류회로부(221,140)가 동작한다.

이때, 에너지의 분배는 부하(예를 들면, 제어기 또는 서보모터)의 크기에 따라 이루어지며 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 2차측 출력전압의 비율은 RCC변압기(130) 및 게이트 전원용 밀 결합 변압기(200)의 권수비(1:N)에 따라 달라지게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 RCC 스위칭 전원회로에 게이트 전원용 밀 결합된 변압기를 구비하여 다수의 게이트 전원을 출력하여 줌으로써 전력변환기의 게이트 회로를 간단하게 하여 전력변환기의 크기를 감소시키고 비용을 절감하는 효과가 있다.

아울러, 게이트 전원을 얻기 위해 밀 결합된 변압기를 추가하여 사용함으로써 보다 많은 다수개의 전원을 출력하게 할 수 있고 별도의 변압기를 사용함으로써 각 게이트 전원회로 간에 절연을 충실하게 하는 장점도 있다.

Claims

직류전원(DC)을 초기화하기 위한 리셋회로부와, 직류전원(DC)을 공급받고 RCC(Ringing Choke Coil) 스위칭 전원회로를 온오프시키는 스위칭 트랜지스터로 이루어지는 RCC전원회로부와, 상기 직류전원(DC)을 제어기를 동작시키기 위한 전압으로 변압하는 RCC변압기로 구성되는 RCC 스위칭 전원회로와; 상기 RCC 스위칭 전원회로의 스위칭시에 다수의 게이트 전압을 2차측으로 출력하는 게이트 전원용 밀 결합 변압기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기용 게이트 전원장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 게이트 전원용 밀 결합 변압기의 2차 측에는 다수의 게이트 드라이브회로가 구비되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기용 게이트 전원장치.
제 3항에 있어서,

상기 게이트 드라이브회로의 전단에는 다수의 제1정류회로부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기용 게이트 전원장치.
제3항에 있어서,

상기 게이트 드라이브회로는 파워 스위칭 소자부에 게이트 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기용 게이트 전원장치.
제 5항에 있어서,

상기 파워 스위칭 소자부는 IPM(Intelligent power module)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기용 게이트 전원장치.
제 1항에 있어서,

상기 RCC변압기의 2차측에는 상기 제어기로 직류전원을 공급하기 위한 제2정류회로부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기용 게이트 전원장치.