KR101158455B1

KR101158455B1 - 무정전 전원 장치

Info

Publication number: KR101158455B1
Application number: KR1020107017831A
Authority: KR
Inventors: 카즈히데 에도와루도 사토; 마사히로 키노시타; 유신 야마모토; 타츠아키 암보
Original assignee: 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2012-06-19
Also published as: CA2722263A1; TW201041272A; US8482154B2; CN102150342A; CA2722263C; JP5248615B2; TWI422119B; US20110049991A1; KR20100111721A; WO2010100737A1; JPWO2010100737A1; CN102150342B

Abstract

무정전 전원 장치에서, 노드(N1 내지 N3)로부터 배터리(40)의 부유 용량(41)을 통해서 접지 전압(GND)의 라인으로 흐르는 커몬 모드 전류는 커몬 모드 리액터(34)에 의해 제한되고, 커몬 모드 리액터(34)를 통과한 저레벨 커몬 모드 전류는 커몬 모드 콘덴서(37)를 통해서 가상 뉴트럴 선(NL)으로 흐르게 된다. 그러므로, 커몬 모드 전류에 의해 발생된 노이즈의 레벨이 저감될 수 있다.

Description

무정전 전원 장치{UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY APPARATUS}

본 발명은 무정전 전원 장치에 관한 것이고, 특히 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터, PWM 인버터, 및 쌍방향 초퍼 회로를 포함하는 무정전 전원 장치에 관한 것이다.

종래, 무정전 전원 장치는 교류(AC) 전력을 컴퓨터 시스템 등의 중요 부하에 안정하게 공급하기 위한 전원 장치로서 폭넓게 사용되고 있다. 예컨대, 일본 특허 공개 07-298516호(특허문헌1)에 도시된 바와 같이, 무정전 전원 장치는 통상 상용 AC 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하는 컨버터, DC 전압을 AC 전압으로 변환해서 AC 전압을 부하에 공급하는 인버터, 및 상용 AC 전압이 공급되어 있을 경우 컨버터에 의해 발생된 DC 전압을 배터리에 공급하고 상용 AC 전압이 중단되어 있을 경우 배터리의 DC 전압을 인버터에 공급하는 쌍방향 초퍼 회로를 포함한다.

(특허문헌1): 일본 특허 공개 07-298516호

그러나, 종래의 무정전 전원 장치에서, 컨버터, 인버터, 및 쌍방향 초퍼 회로의 캐리어 주파수를 갖는 리플 전압은 DC 전압의 라인에 나타나고, 리플 전압에 의거한 커몬 모드 전류는 DC 전압의 라인으로부터 쌍방향 초퍼 회로 및 배터리의 부유 용량을 통하여 접지 전압의 라인으로 흐름으로써 노이즈가 발생된다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 저노이즈 무정전 전원 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 무정전 전원 장치는 제 1 AC 전압에 의거하여 DC 전압을 생성해서 제 1 및 제 2 노드 사이에 출력하는 PWM 컨버터, 상기 제 1 및 제 2 노드 사이에 접속된 제 1 콘덴서, 상기 DC 전압을 수신하여 제 2 AC 전압을 생성하는 PWM 인버터, 한쪽 단자가 배터리의 정전극 및 부전극에 각각 접속된 제 1 및 제 2 코일을 갖는 커몬 모드 리액터, 및 상기 제 1 및 제 2 노드에 접속되고 상기 제 1 및 제 2 코일의 다른 쪽 단자에 접속되어 상기 제 1 AC 전압이 공급되어 있을 경우 상기 제 1 콘덴서로부터 상기 커몬 모드 리액터를 통해서 상기 배터리로 DC 전력을 공급하고, 상기 제 1 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 상기 배터리로부터 상기 커몬 모드 리액터를 통해서 상기 제 1 콘덴서로 DC 전력을 공급하는 쌍방향 초퍼 회로를 포함한다.

또한, 본 발명에 의한 다른 무정전 전원 장치는 제 1 AC 전압에 의거하여 DC 전압을 생성해서 제 1 및 제 2 노드 사이에 출력하는 PWM 컨버터, 상기 제 1 및 제 2 노드 사이에 접속된 제 1 콘덴서, 상기 DC 전압을 수신하여 제 2 AC 전압을 생성하는 PWM 인버터, 상기 제 1 및 제 2 노드에 접속되어 상기 제 1 AC 전압이 공급되어 있을 경우 상기 제 1 콘덴서로부터 배터리로 DC 전력을 공급하고, 상기 제 1 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 상기 배터리로부터 상기 제 1 콘덴서로 DC 전력을 공급하는 쌍방향 초퍼 회로, 상기 배터리의 정전극과 가상 뉴트럴 선 사이에 접속된 제 2 콘덴서, 및 상기 배터리의 부전극과 상기 가상 뉴트럴 선 사이에 접속된 제 3 콘덴서를 포함한다.

본 발명에 의한 무정전 전원 장치에서, 커몬 모드 리액터는 쌍방향 초퍼 회로와 배터리 사이에 제공되고, 이것은 커몬 모드 전류가 쌍방향 초퍼 회로와 배터리 사이에서 흐르는 것을 억제할 수 있어 노이즈를 저감할 수 있다.

본 발명에 의한 다른 무정전 전원 장치에서, 콘덴서는 배터리의 전극과 가상 뉴트럴 선 사이에 접속되고, 커몬 모드 전류는 가상 뉴트럴 선으로 흐르게 되어 이것은 노이즈를 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 회로 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 쌍방향 초퍼 회로의 배터리 충전 모드를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 쌍방향 초퍼 회로의 배터리 방전 모드를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 노드(N1 내지 N3)에서 생성된 리플 전압을 나타내는 파형도이다.
도 5는 커몬 모드 리액터 및 커몬 모드 콘덴서가 제공되지 않을 경우의 커몬 모드 전류를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시된 케이스에서의 배터리 충전 동안 입력 단자 및 출력 단자에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 7은 도 5에 도시된 케이스에서의 배터리 충전 동안 배터리의 부전극에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 8은 도 5에 도시된 케이스에서의 배터리 방전 동안 입력 단자 및 출력 단자에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 9는 도 5에 도시된 케이스에서의 배터리 방전 동안 배터리의 부전극에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 10은 커몬 모드 리액터가 제공되는 경우의 커몬 모드 전류를 나타내는 회로도이다.
도 11은 도 10에 도시된 케이스에서의 배터리 충전 동안 입력 단자 및 출력 단자에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 12는 도 10에 도시된 케이스에서의 배터리 충전 동안 배터리의 부전극에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 13은 도 10에 도시된 케이스에서의 배터리 방전 동안 입력 단자 및 출력 단자에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 14는 도 10에 도시된 케이스에서의 배터리 방전 동안 배터리의 부전극에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 15는 커몬 모드 리액터 및 커몬 모드 콘덴서가 제공되는 경우의 커몬 모드 전류를 나타내는 회로도이다.
도 16은 도 15에 도시된 케이스에서의 배터리 충전 동안 입력 단자 및 출력 단자에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 17은 도 15에 도시된 케이스에서의 배터리 충전 동안 배터리의 부전극에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 18은 도 15에 도시된 케이스에서의 배터리 방전 동안 입력 단자 및 출력 단자에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 19는 도 15에 도시된 케이스에서의 배터리 방전 동안 배터리의 부전극에서의 전압을 나타내는 파형도이다.
도 20은 제 1 실시형태의 변형을 나타내는 회로도이다.
도 21은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블록도이다.

[제 1 실시형태]

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블록도이다. 도 1에서, 무정전 전원 장치는 입력 단자(T1), AC 입력 필터(1), PWM 컨버터(4), 콘덴서(7 및 8), PWM 인버터(9), AC 출력 필터(12), 출력 단자(T2), 쌍방향 초퍼 회로(20), 커몬 모드 리액터(34), 커몬 모드 콘덴서(37), 및 배터리(40)를 포함한다. 입력 단자(T1)는 AC 전압을 상용 AC 전원(71)으로부터 수신한다.

AC 입력 필터(1)는 콘덴서(2) 및 리액터(3)를 포함한다. 콘덴서(2)는 입력 단자(T1)에 접속된 한쪽 전극, 및 가상 뉴트럴 선(NL)에 접속된 다른 쪽 전극을 갖는다. 리액터(3)는 입력 단자(T1)에 접속된 한쪽 단자, 및 PWM 컨버터(4)의 입력 단자에 접속된 다른 쪽 단자를 갖는다.

AC 입력 필터(1)는 AC 전압의 주파수(예컨대, 60Hz)의 신호를 통과시키고, PWM 컨버터(4)에서 발생하는 캐리어 주파수(예컨대, 10kHz)의 신호를 차단하는 저역 통과 필터이다. 따라서, AC 전압은 상용 AC 전원(71)으로부터 AC 입력 필터(1)를 통해서 PWM 컨버터(4)로 전달되고, PWM 컨버터(4)에서 발생한 캐피어 주파수의 전압은 AC 입력 필터(1)에 의해 차단된다. 이것은 상용 AC 전원(71)이 PWM 컨버터(4)에서 발생한 캐리어 주파수의 전압에 의해 영향을 받게 되는 것을 방지한다.

PWM 컨버터(4)는 복수 세트의 다이오드(5) 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자(6)를 포함하는 공지의 것이고, AC 입력 필터(1)를 통해서 상용 AC 전원(71)으로부터 공급된 AC 전압에 의거하여 정전압, 중성점 전압, 및 부전압을 발생시킨다. PWM 컨버터(4) 내의 복수의 IGBT 소자(6) 각각은 캐리어 주파수로 PWM 제어되고, 입력 전류를 사인파 형태로 유지하고 입력 역률을 1로 유지하면서 정전압, 중성점 전압, 및 부전압 상수 각각을 유지한다. 상술한 캐리어 주파수를 갖는 전압은 복수의 IGBT 소자(6)의 스위칭에 따라 PWM 컨버터(4)의 입력 단자에서 발생한다.

PWM 컨버터(4)에서 발생한 정전압, 중성점 전압, 및 부전압은 각각 노드(N1 내지 N3)에 공급된다. 콘덴서(7)는 노드(N1 및 N2) 사이에 접속되고, 정전압과 중성점 전압 사이의 차이를 나타내는 전압으로 충전된다. 콘덴서(8)는 노드(N2 및 N3) 사이에 접속되고, 중성점 전압과 부전압 사이의 차이를 나타내는 전압으로 충전된다.

PWM 인버터(9)는 복수 세트의 IGBT 소자(10)와 다이오드(11)를 포함하는 공지의 것이고, 정전압, 중성점 전압, 및 부전압에 의거하여 AC 전압을 노드(N1 내지 N3)에서 발생시킨다. PWM 인버터(9) 내의 복수의 IGBT 소자(10) 각각은 AC 전압의 주파수(예컨대, 60Hz)보다 높은 캐리어 주파수(예컨대, 10kHz)에 의해 PWM 제어되고, 일정한 사인파 전압이 되는 출력 전압을 유지한다. 또한, PWM 인버터(9)에서, 캐리어 주파수를 갖는 전압은 복수의 IGBT 소자(10)의 스위칭에 따라 PWM 인버터(9)의 출력 단자에서 발생된다.

AC 출력 필터(12)는 리액터(13) 및 콘덴서(14)를 포함한다. 리액터(13)는 PWM 인버터(9)의 출력 단자에 접속된 한쪽 단자, 및 출력 단자(T2)에 접속된 다른 쪽 단자를 갖는다. 출력 단자(T2)는 부하 회로(예컨대, 컴퓨터 시스템)(72)에 접속된다. 콘덴서(14)는 출력 단자(T2)에 접속된 한쪽 전극, 및 가상 뉴트럴 선(NL)에 접속된 다른 쪽 전극을 갖는다.

AC 출력 필터(12)는 AC 전압의 주파수를 갖는 신호를 통과시키고 PWM 인버터(9)에서 발생한 캐리어 주파수를 갖는 신호를 차단시키는 저역 통과 필터이다. 따라서, AC 전압은 PWM 인버터(9)로부터 AC 출력 필터(12)를 통해서 부하 회로(72)로 송신되고, PWM 인버터(9)에서 발생한 캐피러 주파수를 갖는 전압은 AC 출력 필터(12)에 의해 차단된다. 이것은 부하 회로(72)가 PWM 인버터(9)에서 발생한 캐리어 주파수를 갖는 전압에 의해 영향을 받게 되는 것을 방지한다.

쌍방향 초퍼 회로(20)는 AC 전압이 상용 AC 전원(71)으로부터 공급되어 있을 경우 콘덴서(7 및 8)로부터 배터리(40)로 DC 전력을 공급하고, 상용 AC 전원(71)으로부터의 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우, 즉 전력 차단이 발생하는 경우 배터리(40)로부터 콘덴서(7 및 8)로 DC 전력을 공급한다.

특히, 쌍방향 초퍼 회로(20)는 콘덴서(21 및 22), IGBT 소자(23 내지 26), 다이오드(27 내지 30), 및 노멀 모드 리액터(DC 리액터)(31)를 포함한다. 콘덴서(21 및 22)는 각각 콘덴서(7 및 8)와 병렬 접속된다. IGBT 소자(23 및 24)는 노드(N1 및 N2) 사이에 직렬 접속되고, IGBT 소자(25 및 26)는 노드(N2 및 N3) 사이에 직렬 접속된다. 다이오드(27 내지 30)는 각각 IGBT 소자(23 내지 26)와 역병렬로 접속된다.

노멀 모드 리액터(31)는 노드(N6)와 IGBT 소자(23 및 24) 간의 노드(N4) 사이에 접속된 코일(32), 및 노드(N7)와 IGBT 소자(25 및 26) 간의 노드(N5) 사이에 접속된 코일(33)을 포함한다. 노멀 모드 리액터(31)는 노멀 모드 전류에 대한 리액터로서 작용하지만 커몬 모드 전류에 대한 리액터로서 작용하지 않는 리액터이다.

노멀 모드 전류는 반대 방향으로 코일(32 및 33)을 통해 흐르는 전류[예컨대, 노드(N4)로부터 코일(32)을 통해 노드(N6)로 흐르고 노드(N7)로부터 코일(33)을 통해 노드(N5)로 흐르는 전류)를 언급한다. 커몬 모드 전류는 동일 방향으로 코일(32 및 33)을 통해 흐르는 전류[예컨대, 노드(N4)로부터 코일(32)을 통해 노드(N6)로 흐르고 노드(N5)로부터 코일(33)을 통해 노드(N7)로 흐르는 전류]를 언급한다.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 AC 전압이 상용 AC 전원(71)으로부터 공급되는 경우 쌍방향 초퍼 회로(20)의 동작을 나타내는 회로도이다. 커몬 모드 리액터(34) 및 커몬 모드 콘덴서(37)가 도시되지 않는 것이 주목되어야 한다.

AC 전압이 상용 AC 전원(71)으로부터 공급되는 경우 DC 전력이 콘덴서(21 및 22)로부터 배터리(40)로 공급되어 배터리(40)가 충전된다. 이 경우에 IGBT 소자(24 및 25)는 비도통 상태로 고정되고, IGBT 소자(23 및 26)는 교대로 도통 상태로 된다.

특히, 배터리 충전 모드 1에서는, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(24 내지 26)가 비도통되고 IGBT 소자(23)가 도통된다. 이에 따라, 노멀 모드 전류가 노드(N1)로부터 IGBT 소자(23), 코일(32), 배터리(40), 코일(33), 및 다이오드(29)를 통해 노드(N2)로 흐르고, 콘덴서(21)가 방전되어 배터리(40)가 충전된다.

또한, 배터리 충전 모드 2에서는, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(24 및 25)가 비도통되고 IGBT 소자(23 및 26)가 도통된다. 이에 따라, 노멀 모드 전류가 노드(N1)로부터 IGBT 소자(23), 코일(32), 배터리(40), 코일(33), 및 IGBT 소자(26)를 통해 노드(N3)로 흐르고, 콘덴서(21 및 22)가 방전되어 배터리(40)가 충전된다.

또한, 배터리 충전 모드 3에서는, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(23 내지 25)가 비도통되고 IGBT 소자(26)가 도통된다. 이에 따라, 노멀 모드 전류가 노드(N2)로부터 다이오드(28), 코일(32), 배터리(40), 코일(33), 및 IGBT 소자(26)를 통해 노드(N3)로 흐르고, 콘덴서(22)가 방전되어 배터리(40)가 충전된다.

배터리 충전 모드 1 및 3이 교대로 행해진다. 배터리 충전 모드 1 및 3 사이의 기간에서는 노멀 모드 전류가 노드(N2)로부터 다이오드(28), 코일(32), 배터리(40), 코일(33), 및 다이오드(29)를 통해 노드(N2)로 흐른다. 배터리 충전 모드 2는 배터리 충전 모드 1 및 3이 겹쳐 있는 모드이다.

도 3(a) 내지 도 3(c)는 상용 AC 전원(71)으로부터의 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우에 있어서의 쌍방향 초퍼 회로(20)의 동작을 나타내는 회로도이다. 커몬 모드 리액터(34) 및 커몬 모드 콘덴서(37)가 도시되지 않은 것이 주목되어야 한다.

상용 AC 전원(71)으로부터의 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 DC 전력이 배터리(40)로부터 콘덴서(21 및 22)로 공급되어 콘덴서(21 및 22)가 충전된다. 이 경우에 IGBT 소자(23 및 26)가 비도통 상태로 고정되고, IGBT 소자(24 및 25)가 교대로 도통 상태로 된다.

특히, 배터리 방전 모드 1에서는, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(23, 25, 및 26)가 비도통되고 IGBT 소자(24)가 도통된다. 이에 따라, 노멀 모드 전류가 배터리(40)의 정전극으로부터 코일(32), IGBT 소자(24), 콘덴서(22), 다이오드(30), 및 코일(33)을 통해 배터리(40)의 부전극으로 흐르고, 배터리(40)가 방전되어 콘덴서(22)가 충전된다.

또한, 배터리 방전 모드 2에서는, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(23 내지 26)가 비도통된다. 이에 따라, 노멀 모드 전류가 배터리(40)의 정전극으로부터 코일(32), 다이오드(27), 콘덴서(21 및 22), 다이오드(30), 및 코일(33)을 통해 배터리(40)의 부전극으로 흐르고, 배터리(40)가 방전되어 콘덴서(21 및 22)가 충전된다.

또한, 배터리 방전 모드 3에서는, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(23, 24, 및 26)가 비도통되고 IGBT 소자(25)가 도통된다. 이에 따라, 노멀 모드 전류가 배터리(40)의 정전극으로부터 코일(32), 다이오드(27), 콘덴서(21), IGBT 소자(25), 및 코일(33)을 통해 배터리(40)의 부전극으로 흐르고, 배터리(40)가 방전되어 콘덴서(21)가 충전된다.

배터리 방전 모드 1 및 3이 교대로 행해진다. 배터리 방전 모드 1 및 3 사이의 기간에 있어서 노드(N1 및 N3) 사이의 전압이 배터리(40)의 전압보다 낮을 경우 배터리 방전 모드 2가 행해진다.

도 4(a) 내지 도 4(c)는 각각 노드(N1 내지 N3)에서의 전압(VN1 내지 VN3)을 나타내는 파형도이다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 노드(N1)에서의 전압(VN1)은 PWM 컨버터(4), PWM 인버터(9), 및 쌍방향 초퍼 회로(20)에서 발생한 캐리어 주파수를 갖는 리플 전압이 정전압에 겹쳐지는 전압이다. 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 노드(N2)에서의 전압(VN2)은 상술한 리플 전압이 중성점 전압에 겹쳐지는 전압이다. 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 노드(N3)에서의 전압(VN3)은 상술한 리플 전압이 부전압에 겹쳐지는 전압이다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 부유 용량(41)은 배터리(40)의 정전극 및 부전극 각각과 접지 전압(GND)의 라인 사이에 존재한다. 그러므로, 커몬 모드 리액터(34) 및 커몬 모드 콘덴서(37)가 제공되지 않을 경우 리플 전압에 의거한 커몬 모드 전류는 노드(N1 내지 N3)로부터 다이오드(27 내지 30), 노멀 모드 리액터(31), 배터리(40), 및 부유 용량(41)을 통해 접지 전압(GND)의 라인으로 흐른다. 그러므로, 노이즈는 커몬 모드 전류가 흐르는 라인으로부터 발생한다.

또한, 접지 전압(GND)의 라인으로 유입된 커몬 모드 전류는 도 1에 도시된 무정전 전원 장치의 도처에 존재하는 부유 용량을 통해 노드(N1 내지 N3)로 리턴된다. 그러므로, 큰 리플 전압이 입력 단자(T1), 출력 단자(T2), 및 배터리(40)의 전극에서 발생되고, 이 리플 전압은 상용 AC 전원(71), 부하 회로(72), 및 배터리(40)에 악영향을 준다.

도 6(a) 및 도 6(b)는 배터리 충전 동안 각각 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1) 및 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)을 나타내는 파형도이고, 도 7은 배터리 충전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)을 나타내는 파형도이다. 또한, 도 8(a) 및 도 8(b)는 배터리 방전 동안 각각 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1) 및 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)을 나타내는 파형도이고, 도 9는 배터리 방전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)을 나타내는 파형도이다.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 배터리 충전 동안 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1)은 리플 전압이 상용 AC 전원(71)으로부터 공급되는 AC 전압에 겹쳐지는 전압이다. 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 배터리 충전 동안 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)은 리플 전압이 PWM 인버터(9)에서 발생한 AC 전압에 겹쳐지는 전압이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 충전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압[VB(V)]은 리플 전압이 0V에 겹쳐지는 전압이다.

또한, 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 배터리 방전 동안 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1)은 상용 AC 전원(71)으로부터의 AC 전압의 공급이 정지됨에 따라 0V로 고정된다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 배터리 방전 동안 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)은 리플 전압이 PWM 인버터(9)에서 발생한 AC 전압에 겹쳐지는 전압이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 방전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압[VB(V)]은 리플 전압이 0V에 겹쳐지는 전압이다.

상술한 바와 같이, 커몬 모드 리액터(34) 및 커몬 모드 콘덴서(37)가 제공되지 않는 경우 큰 리플 전압은 입력 단자(T1), 출력 단자(T2), 및 배터리(40)의 전극에서 발생되고, 이 리플 전압은 상용 AC 전원(71), 부하 회로(72), 및 배터리(40)에 악영향을 준다.

도 1로 돌아가면, 커몬 모드 리액터(34)는 노드(N6)와 배터리(40)의 정전극 사이에 접속된 코일(35), 및 노드(N7)와 배터리(40)의 부전극 사이에 접속된 코일(36)을 포함한다. 커몬 모드 리액터(34)는 커몬 모드 전류에 대한 리액터로서 작용하지만 노멀 모드 전류에 대한 리액터로서 작용하지 않는 리액터이다.

그러므로, 쌍방향 초퍼 회로(20)의 동작에 따라 흐르는 노멀 모드 전류의 레벨은 커몬 모드 리액터(34)에 의해 억제되지 않고, 노드(N1 내지 N3)에서 발생한 리플 전압에 의거하여 흐르는 커몬 모드 전류의 레벨은 커몬 모드 리액터(34)에 의해 억제된다.

또한, 커몬 모드 콘덴서(37)는 배터리(40)의 정전극과 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 접속된 콘덴서(38), 및 배터리(40)의 부전극과 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 접속된 콘덴서(39)를 포함한다. 커몬 모드 콘덴서(37)는 커몬 모드 리액터(34)에 의해 제한된 저레벨 커몬 모드 전류가 가상 뉴트럴 선(NL)으로 흐르게 한다. 그러므로, 배터리(40)의 부유 용량(41)을 통해 접지 전압(GND)의 라인으로 흐르는 커몬 모드 전류가 극저레벨로 억제될 수 있고, 노이즈 및 리플 전압의 레벨이 억제될 수 있다.

그 다음, 커몬 모드 리액터(34) 및 커몬 모드 콘덴서(37)의 효과는 도면을 사용하여 기술될 것이다. 우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 커몬 모드 리액터(34)만이 노멀 모드 리액터(31)와 배터리(40) 사이에 제공되고, 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1), 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2), 및 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)이 측정된다.

도 11(a) 및 도 11(b)는 배터리 충전 동안 각각 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1) 및 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)을 나타내는 파형도이고, 도 12는 배터리 충전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)을 나타내는 파형도이다. 또한, 도 13(a) 및 도 13(b)는 배터리 방전 동안 각각 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1) 및 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)을 나타내는 파형도이고, 도 14는 배터리 방전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)을 나타내는 파형도이다.

리플 전압의 고주파 성분이 도 6(a) 및 도 6(b) 내지 도 9와 비교될 때 저감되는 것이 도 11(a) 및 도 11(b) 내지 도 14로부터 알 수 있다. 이것은 커몬 모드 전류의 고주파 성분이 레벨이 커몬 모드 리액터(34)에 의해 억제되기 때문인 것으로 생각된다.

이어서, 도 15에 도시된 바와 같이, 커몬 모드 리액터(34) 및 커몬 모드 콘덴서(37)가 노멀 모드 리액터(31)와 배터리(40) 사이에 제공되고, 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1), 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2), 및 배터리(40)의 부전극의 전압(VB)이 측정된다.

도 16(a) 및 도 16(b)는 배터리 충전 동안 각각 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1) 및 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)을 나타내는 파형도이고, 도 17은 배터리 충전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)을 나타내는 파형도이다. 또한, 도 18(a) 및 도 18(b)는 배터리 방전 동안 각각 입력 단자(T1)에서의 전압(VT1) 및 출력 단자(T2)에서의 전압(VT2)을 나타내는 파형도이고, 도 19는 배터리 방전 동안 배터리(40)의 부전극에서의 전압(VB)을 나타내는 파형도이다.

리플 전압이 도 11(a) 및 도 11(b) 내지 도 14와 비교될 때 상당히 저감되는 것이 도 16(a) 및 도 16(b) 내지 도 19로부터 알 수 있다. 이것은 커몬 모드 리액터(34)를 통과하는 대부분의 커몬 모드 전류가 커몬 모드 콘덴서(37)를 통해 가상 뉴트럴 선(NL)으로 흐르기 때문인 것으로 생각된다.

제 1 실시형태에서는 노드(N1 내지 N3)로부터 배터리(40)의 부유 용량(41)을 통해 접지 전압(GND)의 라인으로 흐르는 커몬 모드 전류가 커몬 모드 리액터(34)에 의해 제한되므로 커몬 모드 전류에 의해 기인되는 노이즈의 레벨이 저감될 수 있다.

또한, 커몬 모드 리액터(34)를 통과하는 저레벨 커몬 모드 전류가 커몬 모드 콘덴서(37)를 통해 가상 뉴트럴 선(NL)으로 흐르게 되므로 입력 단자(T1), 출력 단자(T2), 배터리(40)의 전극 등에 나타나는 리플 전압의 레벨이 저감될 수 있다. 그러므로, 상용 AC 전원(71), 부하 회로(72), 배터리(40) 등에 미치는 리플 전압의 영향이 저감될 수 있다.

도 20에 도시된 바와 같이, 저항 소자(42 및 43)가 커몬 모드 콘덴서(37)에 추가될 수 있다. 콘덴서(38) 및 저항 소자(42)는 배터리(40)의 정전극과 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 직결 접속되고, 콘덴서(39) 및 저항 소자(43)는 배터리(40)의 부전극과 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 직렬 접속된다. 이 경우에, 가상 뉴트럴 선(NL)으로 유입되는 커몬 모드 전류가 적절한 값으로 조정될 수 있다.

[제 2 실시형태]

도 21은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블록도이고, 도 1과 비교된다. 도 21을 참조하면, 무정전 전원 장치는 PWM 컨버터(4), PWM 인버터(9), 및 쌍방향 초퍼 회로(20)가 각각 PWM 컨버터(50), PWM 인버터(51), 및 쌍방향 초퍼 회로(52)로 대체된다는 점에서 도 1의 무정전 전원 장치와 상이하다. 노드(N2)는 PWM 컨버터(50), PWM 인버터(51), 및 쌍방향 초퍼 회로(52)로부터 분리되어 있다.

PWM 컨버터(50)는 복수 세트의 다이오드(5) 및 IGBT 소자(6)를 포함하는 공지의 것이고, 상용 AC 전원(71)으로부터 AC 입력 필터(1)를 통해 공급되는 AC 전압에 의거하여 정전압 및 부전압을 발생시킨다. PWM 컨버터(50)에서 발생한 정전압 및 부전압은 각각 노드(N1 및 N3)에 공급된다. 콘덴서(7 및 8)는 하나의 콘덴서로 대체될 수 있다.

PWM 인버터(51)는 복수 세트의 IGBT 소자(10) 및 다이오드(11)를 포함하는 공지의 것이고, 노드(N1 및 N3)의 정전압 및 부전압에 의거하여 AC 전압을 발생시킨다. 쌍방향 초퍼 회로(52)는 AC 전압이 상용 AC 전원(71)으로부터 공급되는 경우 콘덴서(7 및 8)로부터 배터리(40)로 DC 전력을 공급하고, 상용 AC 전원(71)으로부터의 AC 전압의 공급이 정지되는 경우, 즉 전력 차단이 발생되는 경우 배터리(40)로부터 콘덴서(7 및 8)로 DC 전력을 공급한다.

쌍방향 초퍼 회로(52)는 IGBT 소자(25 및 26) 및 다이오드(29 및 30)를 도 1의 쌍방향 초퍼 회로(20)로부터 제거하고 그것에 다이오드(53 및 54)를 추가함으로써 구성된다. IGBT 소자(24)는 노드(N4 및 N3) 사이에 접속된다. 노드(N4)는 콘덴서(21 및 22) 사이의 노드로부터 분리된다. 다이오드(53)는 노드(N6 및 N1) 사이에 접속되고, 다이오드(54)는 노드(N7 및 N6) 사이에 접속된다.

배터리(40)를 충전하기 위해 IGBT 소자(23)는 소정의 주파수에서 도통 상태 및 비도통 상태(즉, 온/오프))로 된다. IGBT 소자(23)가 도통되면 전류가 노드(N1)로부터 IGBT 소자(23), 코일(32 및 35), 배터리(40), 및 코일(36 및 33)을 통해 노드(N3)로 흐르고, 전자 에너지가 코일(32, 33, 35, 및 36)에 축적되어 배터리(40)가 충전된다. IGBT 소자(23)가 비도통되면 전류가 코일(32 및 35), 배터리(40), 코일(36 및 33), 및 다이오드(28)를 포함하는 경로, 또는 코일(35), 배터리(40), 코일(36), 및 다이오드(54)를 포함하는 경로를 통해 흐르고, 코일(32, 33, 35, 및 36)의 전자 에너지가 방출되어 배터리(40)가 충전된다.

배터리(40)를 방전하기 위해 IGBT 소자(24)가 소정의 주파수에서 비도통 상태 및 도통 상태로 된다. IGBT 소자(24)가 도통되면 전류가 배터리(40)로부터 코일(35 및 32), IGBT 소자(24), 및 코일(33 및 36)을 포함하는 경로를 통해 흐르고, 전자 에너지가 코일(32, 33, 35, 및 36)에 축적된다. IGBT 소자(24)가 비도통되면 전류가 배터리(40)로부터 코일(35 및 32), 다이오드(27), 콘덴서(7 및 8)[및 콘덴서(21 및 22)], 및 코일(33 및 36)을 포함하는 경로를 통해서 흐르고, 코일(32, 33, 35, 및 36)의 전자 에너지가 방출되어 콘덴서(7 및 8)[및 콘덴서(21 및 22)]가 충전된다. 다른 구성과 동작은 제 1 실시형태의 것과 동일하므로 그 설명은 반복되지 않을 것이다.

제 2 실시형태에서, 제 1 실시형태의 것과 동일한 효과도 달성될 수 있다.

저항 소자(42 및 43)가 제 2 실시형태에서 도 20에 도시된 바와 같이 커몬 모드 콘덴서(37)에도 추가될 수 있는 것은 두말할 필요도 없다.

여기에 개시된 실시형태가 모든 점에 있어서 예시적이고 비제한적인 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 설명이라기 보다는 오히려 청구범위에 의해 정의되고, 청구범위와 등가인 범위 및 의미 내의 임의의 수정을 포함하는 것으로 의도된다.

1: AC 입력 필터 2, 7, 8, 14, 21, 22, 38, 39: 콘덴서
3, 13: 리액터 4, 50: PWM 컨버터
5, 11, 27-30, 53, 54: 다이오드 6, 10, 23-26: IGBT 소자
9, 51: PWM 인버터 12: AC 출력 필터
20, 52: 쌍방향 초퍼 회로 31: 노멀 모드 리액터
32, 33, 35, 36: 코일 34: 커몬 모드 리액터
37: 커몬 모드 콘덴서 40: 배터리
41: 부유 용량 42, 43: 저항 소자
71: 상용 AC 전원 72: 부하 회로
T1: 입력 단자 T2: 출력 단자

Claims

제 1 AC 전압에 의거하여 DC 전압을 생성해서 제 1 및 제 2 노드(N1,N3) 사이에 출력하는 PWM 컨버터(4,50);
상기 제 1 및 제 2 노드(N1,N3) 사이에 접속된 제 1 콘덴서(7,8);
상기 DC 전압을 수신하여 제 2 AC 전압을 생성하는 PWM 인버터(9,51);
한쪽 단자가 배터리(40)의 정전극 및 부전극에 각각 접속된 제 1 및 제 2 코일(35,36)을 갖는 커몬 모드 리액터(34); 및
상기 제 1 및 제 2 노드에 접속되고 상기 제 1 및 제 2 코일의 다른 쪽 단자에 접속되어 상기 제 1 AC 전압이 공급되어 있을 경우 상기 제 1 콘덴서(7,8)로부터 상기 커몬 모드 리액터(34)를 통해서 상기 배터리(40)로 DC 전력을 공급하고, 상기 제 1 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 상기 배터리(40)로부터 상기 커몬 모드 리액터(34)를 통해서 상기 제 1 콘덴서(7,8)로 DC 전력을 공급하는 쌍방향 초퍼 회로(20,52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 배터리(40)의 정전극과 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 접속된 제 2 콘덴서(38); 및
상기 배터리(40)의 부전극과 상기 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 접속된 제 3 콘덴서(39)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 배터리(40)의 정전극과 상기 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 상기 제 2 콘덴서(38)와 직렬 접속된 제 1 저항 소자(42); 및
상기 배터리(40)의 부전극과 상기 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 상기 제 3 콘덴서(39)와 직렬 접속된 제 2 저항 소자(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 가상 뉴트럴 선(NL)과 상기 제 1 AC 전압의 라인 사이에 접속된 제 4 콘덴서(2); 및
상기 가상 뉴트럴 선(NL)과 상기 제 2 AC 전압의 라인 사이에 접속된 제 5 콘덴서(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 콘덴서(7,8)는,
상기 제 1 노드(N1)와 제 3 노드(N2) 사이에 접속된 제 1 부콘덴서(7), 및
상기 제 2 노드(N3)와 상기 제 3 노드(N2) 사이에 접속된 제 2 부콘덴서(8)를 포함하고;
상기 PWM 컨버터(4)는 상기 제 1 AC 전압에 의거하여 정전압, 부전압, 및 중성점 전압을 생성해서 각각 상기 제 1 내지 제 3 노드(N1,N3,N2)에 출력하고;
상기 PWM 인버터(9)는 상기 정전압, 상기 부전압, 및 상기 중성점 전압을 수신하여 상기 제 2 AC 전압을 생성하고;
상기 쌍방향 초퍼 회로(20)는 상기 제 1 AC 전압이 공급되어 있을 경우 상기 제 1 및 제 2 부콘덴서(7,8)로부터 상기 배터리(40)로 DC 전력을 공급하고, 상기 제 1 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 상기 배터리(40)로부터 상기 제 1 및 제 2 부콘덴서(7,8)로 DC 전력을 공급하며;
상기 쌍방향 초퍼 회로(20)는,
상기 제 1 및 제 3 노드(N1,N2) 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24),
상기 제 3 및 제 2 노드(N2,N3) 사이에 직렬 접속된 제 3 및 제 4 IGBT 소자(25,26),
각각 상기 제 1 내지 제 4 IGBT 소자(23 내지 26)에 역병렬로 접속된 제 1 내지 제 4 다이오드(27 내지 30), 및
상기 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24) 사이의 제 4 노드(N4)와 상기 제 1 코일(35)의 다른 쪽 단자 사이에 접속된 제 3 코일(32), 및 상기 제 2 코일(36)의 다른 쪽 단자와 상기 제 3 및 제 4 IGBT 소자(25,26) 사이의 제 5 노드(N5) 사이에 접속된 제 4 코일(33)을 갖는 노멀 모드 리액터(31)를 포함하고;
상기 제 1 및 제 4 IGBT 소자(23,26)는 상기 배터리(40)의 충전시에 교대로 도통 상태로 되며, 상기 제 2 및 제 3 IGBT 소자(24,25)는 상기 배터리(40)의 방전시에 교대로 도통 상태로 되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 쌍방향 초퍼 회로(52)는,
상기 제 1 및 제 2 노드(N1,N3) 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24),
각각 상기 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24)에 역병렬로 접속된 제 1 및 제 2 다이오드(27,28), 및
상기 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24) 사이의 제 4 노드(N4)와 상기 제 1 코일(35)의 다른 쪽 단자 사이에 접속된 제 3 코일(32), 및 상기 제 2 코일(36)의 다른 쪽 단자와 상기 제 2 노드(N3) 사이에 접속된 제 4 코일(33)을 갖는 노멀 모드 리액터(31)를 포함하고;
상기 제 1 IGBT 소자(23)는 상기 배터리(40)의 충전시에 소정 주파수에서 도통 및 비도통 상태로 되며, 상기 제 2 IGBT 소자(24)는 상기 배터리(40)의 방전시에 소정 주파수에서 도통 및 비도통 상태로 되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1 AC 전압에 의거하여 DC 전압을 생성해서 제 1 및 제 2 노드(N1,N3) 사이에 출력하는 PWM 컨버터(4,50);
상기 제 1 및 제 2 노드(N1,N3) 사이에 접속된 제 1 콘덴서(7,8);
상기 DC 전압을 수신하여 제 2 AC 전압을 생성하는 PWM 인버터(9,51);
상기 제 1 및 제 2 노드(N1,N3)에 접속되어 상기 제 1 AC 전압이 공급되어 있을 경우 상기 제 1 콘덴서(7,8)로부터 배터리(40)로 DC 전력을 공급하고, 상기 제 1 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 상기 배터리(40)로부터 상기 제 1 콘덴서(7,8)로 DC 전력을 공급하는 쌍방향 초퍼 회로(20,52);
상기 배터리(40)의 정전극과 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 접속된 제 2 콘덴서(38); 및
상기 배터리(40)의 부전극과 상기 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 접속된 제 3 콘덴서(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 배터리(40)의 정전극과 상기 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 상기 제 2 콘덴서(38)와 직렬 접속된 제 1 저항 소자(42); 및
상기 배터리(40)의 부전극과 상기 가상 뉴트럴 선(NL) 사이에 상기 제 3 콘덴서(39)와 직렬 접속된 제 2 저항 소자(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 가상 뉴트럴 선(NL)과 상기 제 1 AC 전압의 라인 사이에 접속된 제 4 콘덴서(2); 및
상기 가상 뉴트럴 선(NL)과 상기 제 2 AC 전압의 라인 사이에 접속된 제 5 콘덴서(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 콘덴서(7,8)는,
상기 제 1 노드(N1)와 제 3 노드(N2) 사이에 접속된 제 1 부콘덴서(7), 및
상기 제 2 노드(N3)와 상기 제 3 노드(N2) 사이에 접속된 제 2 부콘덴서(8)를 포함하고;
상기 PWM 컨버터(4)는 상기 제 1 AC 전압에 의거하여 정전압, 부전압, 및 중성점 전압을 생성해서 각각 상기 제 1～제 3 노드(N1,N3,N2)에 출력하고;
상기 PWM 인버터(9)는 상기 정전압, 상기 부전압, 및 상기 중성점 전압을 수신하여 상기 제 2 AC 전압을 생성하고;
상기 쌍방향 초퍼 회로(20)는 상기 제 1 AC 전압이 공급되어 있을 경우 상기 제 1 및 제 2 부콘덴서(7,8)로부터 상기 배터리(40)로 DC 전력을 공급하고, 상기 제 1 AC 전압의 공급이 정지되어 있을 경우 상기 배터리(40)로부터 상기 제 1 및 제 2 부콘덴서(7,8)로 DC 전력을 공급하며;
상기 쌍방향 초퍼 회로(20)는,
상기 제 1 및 제 3 노드(N1,N2) 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24),
상기 제 3 및 제 2 노드(N2,N3) 사이에 직렬 접속된 제 3 및 제 4 IGBT 소자(25,26),
각각 상기 제 1 내지 4 IGBT 소자(23～26)에 역병렬로 접속된 제 1 내지 제 4 다이오드(27～30), 및
상기 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24) 사이의 제 4 노드(N4)와 상기 배터리(40)의 정전극 사이에 접속된 제 3 코일(32), 및 상기 배터리(40)의 부전극과 상기 제 3 및 제 4 IGBT 소자(25,26) 사이의 제 5 노드(N5) 사이에 접속된 제 4 코일(33)을 갖는 노멀 모드 리액터(31)를 포함하고;
상기 제 1 및 제 4 IGBT 소자(23,26)는 상기 배터리(40)의 충전시에 교대로 도통 상태로 되며, 상기 제 2 및 제 3 IGBT 소자(24,25)는 상기 배터리(40)의 방전시에 교대로 도통 상태로 되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 쌍방향 초퍼 회로(52)는,
상기 제 1 및 제 2 노드(N1,N3) 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24),
각각 상기 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24)에 역병렬로 접속된 제 1 및 제 2 다이오드(27,28), 및
상기 제 1 및 제 2 IGBT 소자(23,24) 사이의 제 4 노드(N4)와 상기 배터리(40)의 정전극 사이에 접속된 제 3 코일(32), 및 상기 배터리(40)의 부전극과 상기 제 2 노드(N3) 사이에 접속된 제 4 코일(33)을 갖는 노멀 모드 리액터(31)를 포함하고;
상기 제 1 IGBT 소자(23)는 상기 배터리(40)의 충전시에 소정 주파수에서 도통 및 비도통 상태로 되며, 상기 제 2 IGBT 소자(24)는 상기 배터리(40)의 방전시에 소정 주파수에서 도통 및 비도통 상태로 되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.