KR101100000B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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마모루 츠루야
코우이치 모리타
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이오에스 코포레이션
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Abstract

본 발명은 3상 트랜스를 이용하여 코일에 흐르는 전류 주파수를 3배로 함으로써, 리플 전류가 줄어들게 되어 적정선의 리플 전류를 갖는 출력 전압 생산시 코일의 양을 1/3로 하여 제작 가능한 것으로서, 본 발명에 의하면, 쌍방향으로 동작하는 직류(DC)-직류(DC) 변환장치로서, 입/출력단에 각각 구비된 전원부; 120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터부; 상기 컨버터부의 각각의 코일 및 반도체 스위치가 직렬로 각각의 권선과 연결되어 3회로(回路) 병렬 접속되어 상기 코일로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스; 상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치를 통과하는 전류의 흐름을 제어하여 쌍방향으로 전력을 이동시키기 위한 스위치 제어부; 및 전류의 승압 및 강압을 변환하기 위한 승/강압 변환부를 포함하며, 상기 3상 트랜스의 권선과 상기 컨버터부의 코일이 각각 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치를 제공한다.

Description

전력 변환 장치{APPARATUS FOR CONVERTING ELECTRIC POWER}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 상세하게는 3상 트랜스를 이용하여 코일에 흐르는 전류 주파수를 3배로 함으로써, 리플 전류(ripple current)가 줄어들게 되어 적정선의 리플 전류를 갖는 출력 전압 생산시 코일의 양을 1/3로 하여 제작 가능한 소형화된 전력 변환 장치에 관한 것이다.
HEV(Hybrid Electric Vehicle) 등의 자동차의 인버터(inverter)를 구동하기 위한 직류 전원은 600V 이상의 전압이 필요하기 때문에, 사용되는 배터리의 전압을 승압할 필요가 있다.
사용되는 전력을 수십 KW로 크게 하고 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체를 이용하기 위해 주파수도 그만큼 높게 할 수 없어 권선이 대형으로 되는 결점이 있었다.
도 1은 종래의 전력 변환 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 취급하는 전력이 크기 때문에 3개의 컨버터를 병렬 접속하고, 각각 120도의 위상차로 동작시켜 리플 전류를 감소시키고 있다.
여기서 리플 전류는 맥동전류(Pulsating current) 즉, 맥류라고도 하며, 정류기에 의해서 정류된 반파정류전류(半波整流電流), 전파(全波)정류전류, 직류에 교류가 겹친 전류 등이 있는데, 정류전원 등에서, 남은 교류성분이 출력의 직류에 겹쳐 있는 맥동전류를 리플(ripple)이라고 한다.
즉, 교류를 다이오드로 정류하면 60Hz 주기의 사인파 굴곡(맥류)가 생기는데, 이 사인파 굴곡을 리플이라 하며, 여기에 전해콘덴서를 달면 전원의 산 부분에서 전해콘덴서에 충전하였다가 골 부분에서 방전하여 리플이 해소(평활)되는데, 각각의 전해콘덴서마다 허용가능한 충방전 전류를 리플 전류라 한다.
도 2는 종래의 전력 변환 장치 회로의 동작 파형을 나타낸 것으로서, (A)는 승압(통상) 동작시, (B)는 강압(회생) 동작시를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 병렬로 연결된 3개의 컨버터를 3상으로 동작시키고 있기 때문에, 입/출력 전류는 스위치 소자의 구동주파수의 3배로 되어 작아지나, 코일의 구동주파수는 스위치 소자와 동일하도록 10KHz 정도로 낮게 하기 위해 크게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 120도 위상차로 동작하는 세 개의 컨버터의 코일에 3상 트랜스를 직접 연결하여 코일에 흐르는 전류 주파수를 3배로 하여 리플 전류를 감소시킴으로써, 3상 트랜스가 없는 상태에서의 리플 전류를 갖는 출력 전류를 생산할 때, 코일 인덕턴스를 1/3로 하여 소형화 설계가 가능한 전력 변환 장치를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 목적은, 트랜스의 코아에 자기(磁氣)의 분로(分路)를 설치하여 발생하는 리케이지(leakage) 인덕턴스가 트랜스에 코일의 기능을 갖도록 함으로써, 더욱 소형화를 가능케 하는 전력 변환 장치를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 목적은, 강압(회생) 동작이 불필요한 경우 병렬로 연결된 3회로 내의 직렬로 연결된 반도체 스위치 대신 다이오드로 구성함으로써, 회로가 간소화됨에 따라 더욱 소형화되는 전력 변환 장치를 제공함에 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 쌍방향으로 동작하는 직류(DC)-직류(DC) 변환장치로서, 입/출력단에 각각 구비된 전원부; 120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터부; 상기 컨버터부의 각각의 코일 및 반도체 스위치가 직렬로 각각의 권선과 연결되어 3회로(回路) 병렬 접속되어 상기 코일로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스; 상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치를 통과하는 전류의 흐름을 제어하여 쌍방향으로 전력을 이동시키기 위한 스위치 제어부; 전류의 승압 및 강압을 변환하기 위한 승/강압 변환부; 및 상기 병렬 접속된 3개의 회로의 전류를 각각 검출하여 평형(平衡)시키기 위한 제 1 내지 제 3 전류 검출부를 포함하며, 상기 3상 트랜스의 권선과 상기 컨버터부의 코일이 각각 직접 연결되고, 상기 3상 트랜스는 4각 철심(leg) 구조 중에서 코일이 감기지 않는 철심(leg)에 갭을 조정함으로써 누설 인덕턴스의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치에 의해 달성된다.
삭제
또한 본 발명에 따르면, 상기 전력 변환 장치의 회로 연결은, 상기 3상 트랜스의 하나의 권선과 상기 컨버터부의 하나의 코일과 반도체 스위치를 직렬로 한 회로를 3회로 병렬 접속하고, 접속된 단자의 각각에 두 개의 전력부의 동극을 접속하고, 전력부의 다른 극의 단자를 접속하고, 반도체 스위치와 코일의 접속점과 전원부의 다른 극의 접속점에 반도체 스위치를 하나 더 접속하여, 상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치의 도통율을 제어함으로써, 쌍방향으로 전력을 이동시키는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기한 본 발명의 목적은 또한, 적어도 하나의 콘덴서와 저항을 포함하며, 승압 동작을 수행하는 직류(DC)-직류(DC) 변환장치로서, 직류전원을 공급하는 하나의 전원부; 각각 하나의 코일과 반도체 스위치 및 다이오드로 구성되어 120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터부; 상기 컨버터부의 각각의 코일 및 다이오드가 직렬로 각각의 권선과 연결되어 3회로 병렬 접속되어 상기 코일로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스; 상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치 및 다이오드를 통과하는 전류의 흐름을 제어하여 쌍방향으로 전력을 이동시키기 위한 스위치 제어부; 및 상기 병렬 접속된 3개의 회로의 전류를 각각 검출하여 평형(平衡)시키기 위한 제 1 내지 제 3 전류 검출부를 포함하며, 상기 3상 트랜스의 권선과 상기 컨버터부의 코일이 각각 직접 연결되고, 상기 3상 트랜스는 4각 철심(leg) 구조 중에서 코일이 감기지 않는 철심(leg)에 갭을 조정함으로써 누설 인덕턴스의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치에 의해서도 달성된다.
본 발명의 전력 변환 장치에 의하면, 120도 위상차로 동작하는 세 개의 컨버터의 코일에 3상 트랜스를 직접 연결하여 코일에 흐르는 전류 주파수를 3배로하여 리플 전류를 감소시킴으로써, 3상 트랜스가 없는 상태에서의 리플 전류를 갖는 출력 전류를 생산할 때, 코일 인덕턴스를 1/3로 하여 소형화 설계가 가능한 효과가 있다.
또한, 트랜스의 코아에 자기 분로를 설치하여 발생하는 리케이지 인덕턴스가 트랜스에 코일의 기능을 갖도록 함으로써, 더욱 소형화를 가능케 하는 효과가 있다.
그리고, 강압(회생) 동작이 불필요한 경우 병렬로 연결된 3회로 내의 직렬로 연결된 반도체 스위치 대신 다이오드로 구성함으로써, 회로가 간소화됨에 따라 더욱 소형화되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전력 변환 장치의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 전력 변환 장치 회로의 동작 파형을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 회로의 동작 파형을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 권선의 단순화 방법을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 구성을 나타낸 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 쌍방향으로 동작하는 직류(DC)-직류(DC) 변환장치로서, 입/출력단에 각각 구비된 전원부(Vdc1,Vdc2)와 120도 위상차로 동작하는 제 1 내지 제 3 컨버터부(10,20,30)와, 상기 컨버터부(10,20,30)의 각각의 코일(L1,L2,L3) 및 반도체 스위치(Q2,Q4,Q6)가 직렬로 각각의 권선(n1,n2,n3)과 연결되어 3회로(回路) 병렬 접속되어 상기 코일(L1,L2,L3)로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스(T1)와, 상기 전원부(Vdc1,Vdc2)의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치(Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6)를 통과하는 전류의 흐름을 제어하여 쌍방향으로 전력을 이동시키기 위한 스위치 제어부(40)와, 전류의 승압 및 강압을 변환하기 위한 승/강압 변환부(50)와, 상기 병렬 접속된 3개의 회로의 전류를 각각 검출하여 평형(平衡)시키기 위한 제 1 내지 제 3 전류 검출부(12,22,32)로 구성된다.
상기 구성에 따른 회로의 연결은 상기 3상 트랜스(T1)의 하나의 권선(n1)과 하나의 코일(L1)과 반도체 스위치(Q2)를 직렬로 한 회로를 3회로 병렬 접속하고, 접속된 단자의 각각에 두 개의 전원부(Vdc1,Vdc2)의 동극(同極)을 접속하고, 상기 반도체 스위치(Q2,Q4,Q6)와 코일(L1,L2,L3)의 접속점과 상기 전원부(Vdc1,Vdc2)의 다른 극의 접속점에 추가로 각각 반도체 스위치(Q1,Q3,Q5)를 추가로 접속하고, 승/강압 변환부(50)와 스위치 제어부(40)에 의해 각각의 반도체 스위치(Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6)의 도통율을 제어함으로써, 쌍방향으로 전력이 이동된다.
상기와 같은 회로 연결 상태에서의 동작 방법을 설명하도록 하며, 설명의 이해를 돕기 위해 6개의 반도체 스위치(Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6)를 제 1 내지 제 6 스위치로 지칭하여 설명하도록 한다.
상기와 같은 회로 연결 상태에서 동작시키기 위해 먼저 제 1 스위치(Q1)를 온(ON) 시킨다.
이때, 전류는 Vdc1(+) → T1n1 → L1 → Q1 → Vdc1(-)로 흐른다. 이 경우에 부하는 Vdc2에 병렬로 접속된다.
동시에 T1n2, T1n3에도 전압이 발생하며, T1n2 → L2 → Q4 → Vdc2(+), T1n3 → L3 → Q6 → Vdc2(+)로 전류가 흐른다. 제 1 스위치(Q1)는 제어회로의 명령에 의해 적당한 시간 후에 오프(OFF) 된다. 동시에 제 2 스위치(Q2)가 온 되어 L1에 축적된 에너지를 부하에 공급한다. 이후, 상반되게 제 1 스위치(Q1)가 온 되고 제 2 스위치(Q2)는 오프 된다.
다음으로, 120도 지연하여 제 3 스위치(Q3)가 온 되고, 마찬가지로 전류는 Vdc1(+) → T1n2 → L2 → Q3 → Vdc1(-)로 흐르며, 동시에 T1n1, T1n3에도 전압이 발생하며, T1n1 → L1 → Q2 → Vdc2(+), T1n3 → L3 → Q6 → Vdc2(+)로 전류가 흐른다. 제 3 스위치(Q3)는 제어회로의 명령에 의해 적당한 시간 후에 오프 되고, 동시에 제 4 스위치(Q4)가 온 되어 L2에 축적된 에너지를 부하에 공급한다.
그리고, 다시 120도 지연하여 제 5 스위치(Q5)가 온 되고, 마찬가지로 전류는 Vdc1(+) → T1n3 → L3 → Q5 → Vdc1(-)로 흐르며, 동시에 T1n1, T1n2에도 전압이 발생하며, T1n1 → L1 → Q2 → Vdc2(+), T1n2 → L2 → Q4 → Vdc2(+)로 전류가 흐른다. 제 5 스위치(Q5)는 제어회로의 명령에 의해 적당한 시간 후에 오프 되고, 동시에 제 6 스위치(Q6)가 온 되어 L3에 축적된 에너지를 부하에 공급한다.
이처럼, 120도 위상차로 동작하는 세 개의 컨버터(10,20,30)의 코일(L1,L2,L3)에 3상 트랜스(T1)를 직접 연결하여 코일(L1,L2,L3)에 흐르는 전류 주파수를 3배로 하여 리플 전류를 감소시킴으로써, 3상 트랜스(T1)가 없는 상태에서의 리플 전류를 갖는 출력 전류를 생산할 때, 코일(L1,L2,L3) 인덕턴스를 1/3하여 소형화 설계가 가능하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 회로의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 코일(L1,L2,L3)에 흐르는 전류는 3상 트랜스(T1)의 작용에 의해 주파수가 3배가 되고, 그에 따라 전류의 리플이 감소되고 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 권선의 단순화 방법을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 3개의 코일(L1,L2,L3)과 3상 트랜스(T1)로 구성된 권선방법을 4각(脚) 철심을 이용하여, 코일이 감기지 않는 1각에 갭(gap)을 삽입하여 자기 분로를 만든다.
이 경우, 3각에 권취된 권선에서 발생한 자속(磁束)의 일부는 자기 분로를 통하게 되므로, 각 권선 간에 결합이 약하여 리케이지(leakage) 인덕턴스를 갖게 된다.
상기 리케이지(누설) 인덕턴스는 자기 분로의 갭에 의해 결정되며, 갭을 크게 하면 작게 되어 조정이 가능하다. 즉, 본 발명에서는 4각 철심(leg) 구조 중에서 코일이 감기지 않는 철심(leg)에 갭을 조정함으로써 누설 인덕턴스의 크기를 변화시키는 것이다.
이상에 의해, 자기 분로를 구비한 3상 권선을 사용함으로써 전력 변환기의 권선을 소형화할 수 있다.
강압(회생) 동작의 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전류는 Vdc2 측으로부터 Vdc1로 흘러, 전류가 반전된다. 따라서, 전류 검출수단에 의해 동작을 파악할 수 있으며, 승/강압 전환회로로 동작을 전환할 수가 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 강압(회생) 동작이 불필요한 경우, 직류전원을 공급하는 전원부(Vdc1)와 120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터부(10,20,30)와, 상기 컨버터부(10,20,30)의 각각의 코일(L1,L2,L3) 및 다이오드(D1,D2,D3)가 직렬로 각각의 권선과 연결되어 3회로 병렬 접속되어 상기 코일(L1,L2,L3)로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스(T1)와, 콘덴서 및 저항의 구성으로 승압(통상) 동작을 수행하는 회로를 구성할 수 있다.
즉 본 실시예에 따르면, 도 3에서의 반도체 스위치인 Q2, Q4, Q6를 다이오드(D1,D2,D3)로 하여 승압 컨버터를 구성함으로써, 보다 소형화된 전력 변환 장치를 제작할 수 있다.
상기 회로의 동작원리는 도 4(A)의 승압 동작과 동일하므로 생략하도록 한다.
상기와 같이, 120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터의 코일을 3상 트랜스를 이용하여 코일에 흐르는 전류 주파수를 3배로 함에 따라, 코일의 인덕턴스가 1/3로 되도록 하여 전류 주파수가 1배일 때의 리플 전류를 포함하는 출력 전류 생산시 코일의 양을 1/3로 하여 소형화시킬 수 있으며, 트랜스의 코아에 자기 분로를 형성시켜 리케이지 인덕턴스가 생기도록하여 트랜스에 코일의 기능을 갖도록 함으로써, 더욱 소형화가 가능하고, 승압만을 위한 회로 구성시 반도체 스위치를 다이오드로 대체 구성함으로써, 회로가 간소화되어 더욱 소형화가 가능해진다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 제 1 컨버터부 12 : 제 1 전류 검출부
20 : 제 2 컨버터부 22 : 제 2 전류 검출부
30 : 제 3 컨버터부 32 : 제 3 전류 검출부
40 : 스위치 제어부 50 : 승/강압 변환부
T1 : 3상 트랜스 n1,n2,n3 : 권선
L1,L2,L3 : 코일 Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6 : 반도체 스위치
Vdc1,Vdc2 : 전원부 Co : 콘덴서
D1,D2,D3 : 다이오드 RL : 저항

Claims (5)

  1. 쌍방향으로 동작하는 직류(DC)-직류(DC) 변환장치로서,
    입/출력단에 각각 구비된 전원부;
    120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터부;
    상기 컨버터부의 각각의 코일 및 반도체 스위치가 직렬로 각각의 권선과 연결되어 3회로(回路) 병렬 접속되어 상기 코일로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스;
    상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치를 통과하는 전류의 흐름을 제어하여 쌍방향으로 전력을 이동시키기 위한 스위치 제어부;
    전류의 승압 및 강압을 변환하기 위한 승/강압 변환부; 및
    상기 병렬 접속된 3개의 회로의 전류를 각각 검출하여 평형(平衡)시키기 위한 제 1 내지 제 3 전류 검출부를 포함하며,
    상기 3상 트랜스의 권선과 상기 컨버터부의 코일이 각각 직접 연결되고, 상기 3상 트랜스는 4각 철심(leg) 구조 중에서 코일이 감기지 않는 철심(leg)에 갭을 조정함으로써 누설 인덕턴스의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.


  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치의 회로 연결은,
    상기 3상 트랜스의 하나의 권선과 상기 컨버터부의 하나의 코일과 반도체 스위치를 직렬로 한 회로를 3회로 병렬 접속하고, 접속된 단자의 각각에 두 개의 전력부의 동극을 접속하고, 전력부의 다른 극의 단자를 접속하고, 반도체 스위치와 코일의 접속점과 전원부의 다른 극의 접속점에 반도체 스위치를 하나 더 접속하여, 상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치의 도통율을 제어함으로써, 쌍방향으로 전력을 이동시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 삭제
  5. 적어도 하나의 콘덴서와 저항을 포함하며, 승압 동작을 수행하는 직류(DC)-직류(DC) 변환장치로서,
    직류전원을 공급하는 하나의 전원부;
    각각 하나의 코일과 반도체 스위치 및 다이오드로 구성되어 120도 위상차로 동작하는 3개의 컨버터부;
    상기 컨버터부의 각각의 코일 및 다이오드가 직렬로 각각의 권선과 연결되어 3회로 병렬 접속되어 상기 코일로 흐르는 전류의 주파수를 3배로 하기 위한 3상 트랜스;
    상기 전원부의 상태에 의해 각각의 반도체 스위치 및 다이오드를 통과하는 전류의 흐름을 제어하여 쌍방향으로 전력을 이동시키기 위한 스위치 제어부; 및
    상기 병렬 접속된 3개의 회로의 전류를 각각 검출하여 평형(平衡)시키기 위한 제 1 내지 제 3 전류 검출부를 포함하며,
    상기 3상 트랜스의 권선과 상기 컨버터부의 코일이 각각 직접 연결되고, 상기 3상 트랜스는 4각 철심(leg) 구조 중에서 코일이 감기지 않는 철심(leg)에 갭을 조정함으로써 누설 인덕턴스의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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