KR101164143B1 - 트랜스포머 리스 형 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트랜스포머를 전혀 사용치 않으며, EL 시트를 구동하기 위한 인버터의 구조를 극히 단순화함으로써 제조 단가, 인버터의 크기와 부피를 감소시키며, 구조의 단순함을 통해 고장율을 줄여 제품의 신뢰성을 향상시키는 트랜스포머 리스 형 인버터에 관한 것이다. 본 발명의 트랜스포머 리스 형 인버터는 상용 교류를 정류하여 각각 제1전압과 제2전압을 생성하는 제1정류부, 및 제2정류부, 제1전압과 제2전압을 각각 출력하는 제1출력포트와 제2출력포트, 제1출력포트와 제2출력포트 사이에 마련되는 저항, 제1출력포트와 제1전압의 출력단 사이에 마련되는 제1스위치, 제2출력포트와 제2전압의 출력단 사이에 마련되는 제2스위치, 및 제1스위치와 제2스위치를 교번되게 온-오프 시키는 스위칭 제어부를 포함하며, 스위칭 제어부는, 제1출력포트가 온(on) 상태일 때, 제1출력포트가 고전위가 되도록 하고, 제1출력포트가 오프(off) 상태일 때, 제2출력포트가 고전위가 되도록 함으로서 제1출력포트와 제2출력포트의 출력전압이 교류의 형태를 갖도록 한다.

트랜스포머, 인버터, 구조, 신뢰성

Description

트랜스포머 리스 형 인버터{Trnasformer-less type inverter}

본 발명은 EL 시트를 구동하는 인버터에 관한 것으로, 특히 통상의 인버터를 구성하는 트랜스포머를 사용하지 않고, 직류 출력단의 전위 레벨을 교대로 바꾸어 교류를 생성함으로써 인버터의 크기, 및 제조단가를 감소시키는 것은 물론 인버터의 복잡도를 낮추어 신뢰성을 증가시키는 트랜스포머 리스형 인버터에 관한 것이다.

통상적으로 많이 이용되는 EL 시트(또는 EL 와이어)는 형광체의 양 면에 위치하는 전극에 교류를 가하여 빛을 생성하고 있다. EL 시트는 상용 교류(220V, 60Hz)에서도 구동은 가능하나, 빛의 밝기가 매우 약하며 수명이 짧아지는 단점이 있다. 따라서, EL 시트는 상용 교류를 더 높은 주파수(400hz ~ 4Khz)의 교류로 변환하는 인버터에 연결되어 사용하는 것이 일반적이다. 상용 교류를 더 높은 주파수의 교류로 변환하는 장치를 통상 인버터라 하며, 정현파(sin wave)에 가까운 출력 특성을 가질수록 고급품에 속한다.

한편, 60hz의 주파수를 갖는 교류를 400hz ~ 4Khz의 고주파로 변환하기 위해서는 상용 교류를 감압하고, 이를 직류로 변환한 후, 이를 트랜스포머에 인가하며, 트랜스포머의 전류패스를 온-오프 교번되게 스위칭함으로써 고주파의 교류를 얻었다. 따라서, 지금까지의 인버터는 하나, 또는 두 개의 트랜스포머를 필요로 하였으며, 이는

1) 인버터의 제조단가의 상승,

2) 인버터의 크기 증가,

3) 인버터의 기판 크기, 및 트랜스포머의 실장에 의한 부품 배치의 복잡도 증가, 및

4) 복잡도 증가에 의한 고장율 증가, 및 신뢰성 저하의 문제점을 갖는다.

더욱이, 트랜스포머 자체가 고주파를 스위칭하면서 발생하는 전자계는 주변 부품이나 이웃하는 EL 시트에 영향을 끼치므로 인버터의 수명과 신뢰성에 영향을 끼치는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 EL 시트를 구동하는 인버터에 트랜스포머를 실장하지 않도록 함으로써 인버터의 제조단가, 크기, 및 트랜스포머의 실장에 의한 복잡도를 낮추는 트랜스포머 리스형 인버터를 제안함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 인버터를 구성하는 회로를 극히 단순화함으로써 인버터의 신뢰성을 향상시키는 트랜스포머 리스형 인버터를 제안함에 있다.

본 발명은 상용 교류를 정류하여 각각 제1전압과 제2전압을 생성하는 제1정류부, 및 제2정류부; 상기 제1전압과 상기 제2전압을 각각 출력하는 제1출력포트와 제2출력포트; 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트 사이에 마련되는 저항; 상기 제1출력포트와 상기 제1전압의 출력단 사이에 마련되는 제1스위치; 상기 제2출력포트와 상기 제2전압의 출력단 사이에 마련되는 제2스위치; 및 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 교번되게 온-오프 시키는 스위칭 제어부;를 포함하며,
상기 스위칭 제어부는, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 교대로 턴-온시켜 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트에서 교대로 출력전압이 나타나도록 함으로서 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트의 출력전압이 교류의 형태를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터에 의해 구현된다.

본 발명은 상용 교류를 정류하여 직류를 생성하고, 생성된 직류를 입력으로 하는 제1스위치, 및 제2스위치를 구비하며, 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 교번되게 온-오프하여 상호 역상의 펄스 형태를 갖는 제1전압과 제2전압을 생성하는 듀얼 출력부; 상기 제1전압과 상기 제2전압을 각각 출력하는 제1출력포트와 제2출력포트; 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트 사이에 마련되는 저항; 및 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 교대로 턴-온하는 스위칭 제어부;를 포함하며, 상기 듀얼 출력부는, 상기 제2출력포트에 상기 제2전압이 하이(HIGH) 상태일 때, 상기 제2출력포트가 고전위가 되도록 하고, 상기 제2출력포트가 로우(LOW) 상태일 때, 상기 제1출력포트가 고전위가 되도록 함으로서 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트의 출력전압이 교류의 형태를 갖도록 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터에 의해 구현된다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 EL 시트를 구동하는 인버터가 트랜스포머를 전혀 필요로 하지 않는다.

따라서, 인버터에 트랜스포머를 실장할 때 발생하는 문제점(인버터의 부피와 무게를 증가시키는 문제점)이 발생하지 않으며, 트랜스포머에 의해 전자계가 발생하지 않는다.

본 발명은 직류전압의 전위차를 교번되게 스위칭하여 유사 교류를 생성하므로 인버터의 구조가 극히 단순하다. 따라서, 인버터의 제조단가가 작고 신뢰성이 증가되는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 트랜스포머 리스형 인버터의 구성을 도시한다.

본 실시예에 따른 인버터는, EMI 필터(110), 제1정류부(121), 제2정류부(122), 스위칭 제어부(140), 제1스위치(160), 제2스위치(190), 및 저항(170)을 구비한다.

EMI 필터(110)는 상용 교류(AC)의 입력단에 연결되며, 상용 교류(AC)가 인가되는 외부의 노이즈, 및 본 실시예에 따른 인버터에서 상용 교류 방향으로 향하는 노이즈를 필터링한다.

정류부(120)는 상용 교류를 정류하여 두 개의 직류 전압(V1, V2)을 생성한다. 본 실시예에서 정류부(120)는 제1정류부(121)와 제2정류부(122)로 구성되며, 제1정류부(121)와 제2정류부(122)는 EMI 필터(110)를 통과한 상용 교류를 정류하여 각각 100V ~ 150V 사이의 직류를 생성한다.

제1정류부(121)와 제2정류부(122)의 구조는 동일하다. 제1정류부(121)의 구조는 도 2를 함께 참조하도록 한다.

도 2는 도 1에 도시된 제1정류부(121)의 구조를 도시한다.

도시된 제1정류부(121)는 다이오드 정류부(121a), 및 트라이액(triac) 제어부(121b)를 구비한다.

다이오드 정류부(121a)는 브릿지 결합되는 4개의 정류 다이오드(122 ~ 125), 및 평활 커패시터(126)를 구비하며 상용 교류를 직류로 변환한다. 트라이액 제어 부(121b)는 다이오드 정류부(121a)에서 정류된 직류를 온-오프 스위칭하기 위한 트라이액(127), 및 평활 커패시터(128)를 구비한다. 본 실시예에서, 제1정류부(121)의 출력 전압(V1)과 제2정류부(122)의 출력전압(V2)은 각각 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)로 인가된다. 따라서, 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)의 출력전압이 곧 교류 출력전압의 양(+) 방향 전압과 음(-) 방향 전압에 해당한다.

트라이액(127)은 통상 교류를 위상 제어하여 교류의 실효값(Root Mean Square)을 낮추는 방법으로 교류 전압을 낮춘다. 마찬가지로 트라이액(127)을 직류에 적용하면 트라이액(127)이 교번되게 온-오프 할 때마다 정류된 직류가 펄스 형태로 잘려나가게 되며, 펄스 형태의 직류를 평활 커패시터(128)로 평탄화함으로써 출력되는 전압을 낮출 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 제1정류부(121)와 제2정류부(122)의 구조는 동일하므로 제1정류부(121)와 제2정류부(122)에서 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)로 출력되는 전압은 각각 교류의 양(+) 전압과 음(-)전압에 해당한다.

도면에서, 제1정류부(121)의 출력단과 제1출력포트(181) 사이, 및 제2정류부(122)의 출력단과 제2출력포트(182) 사이에는 각각 제1스위치(160)와 제2스위치(190)가 배치된다. 제1스위치(160)와 제2스위치(190)는 트랜지스터, 또는 트라이액 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 제1스위치(160)와 제2스위치(190)는 스위칭 제어부(140)에서 인가되는 펄스에 의해 제어되어 교대로 온-오프된다.

스위칭 제어부(140)는 제1정류부(121)의 출력전압을 미리 정해진 주기에 따라 펄스 형태로 바꾼다. 바람직하게는, 스위칭 제어부(140)는 400hz ~ 4khz의 주파 수를 갖는 펄스를 제1스위치(160)와 제2스위치(190)에 인가하여 한 쌍의 스위치(160, 190)가 EL 시트에 적합한 주파수에 맞추어 직류를 출력할 수 있도록 한다.

제1출력포트(181)와 제2출력포트(182) 사이에는 저항(170)이 배치된다. 저항에 의해 노드 a와 노드 b는 전류 패스를 형성하며, 상대편 노드를 기준점으로 하여 교류를 출력할 수 있다.

제1정류부(121)의 출력전압은 제1출력포트(181)로 향하고, 제2정류부(122)의 출력전압은 제2출력포트(182)로 향한다.

스위칭 제어부(140)는 제1스위치(160)와 제2스위치(190)에 펄스를 인가하여 온-오프 시키며, 이때, 제1스위치(160)와 제2스위치(190)에 인가하는 펄스의 위상을 반대로 함으로써 제1스위치(160)와 제2스위치(190)가 교대로 온-오프 되도록 한다. 예를들어, 스위칭 제어부(140)가 제1스위치(160)에 양(+) 펄스를 가할 때, 제2스위치(190)는 오프(OFF) 시키며, 제1스위치(160)를 오프 시킬때는 제2스위치(190)에 양(+) 펄스를 가하여 온(ON) 시킨다. 이와 같이 스위칭 제어부(140)는 제1스위치(160)와 제2스위치(190)를 교대로 온(ON) 시킴으로써 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)에서 출력되는 전압의 전위차를 펄스의 주기에 맞추어 교대로 바꾼다.

예를들어, 제1출력포트(181)에서 100V의 전압이 출력될 때, 제2출력포트(182)는 오프 상태가 되고,

제2출력포트(182)에서 100V의 전압이 출력될 때, 제1출력포트(181)가 오프 상태가 된다. 따라서, 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)이 교대로 고전위 상태를 갖게 되며, 이는 교류의 출력파형과 유사하다. 여기서, 도 1의 정류부(121)와 제2정류부(122)는 그 구조가 동일함을 언급한 바 있다. 따라서, 제1정류부(121)와 제2정류부(122)는 전압 출력을 위한 접지단을 각각 구비하며, 공통으로 연결될 수 있다.

한편, 스위칭 제어부(140)는 제1출력포트(181)의 전압을 피드백받고, 피드백된 전압을 참조하여 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)에서 출력되는 전압을 가감한다. 이는 도 3을 함께 참조하도록 한다.

도 3은 스위칭 제어부(140)의 구동 방식을 개념적으로 도시한다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 스위칭 제어부(140)는 내부 메모리(141), 또는 외부 메모리(도시되지 않음)에 마련되는 스위칭 주기 테이블을 이용하여 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)를 통해 출력되는 교류 형태의 전압의 크기를 가감한다.

스위칭 주기 테이블은 본 실시예에 따른 인버터를 생산하는 측에서 테스트에 의해 미리 트라이액(도 2의 참조부호 127 참조)의 스위칭 주기를 계산해 놓은 데이터를 구비한다. 스위칭 주기 테이블은 트라이액(127)을 교번되게 온-오프하는 펄스의 주기, 및 펄스의 주기에 따른 전압정보와, 제1출력포트(181)와 제2출력포트(182)를 통해 출력되는 전압과 기준전압(예를들어 100V, EL 시트를 구동하기 위한 전압)의 차값에 따라 트라이액(127)을 제어하기 위한 펄스의 주기값을 갖는다.

스위칭 제어부(140)는 제1출력포트(181)의 출력전압에 대해 메모리(141)(또는 외부 메모리)에 저장된 스위칭 주기 테이블을 참조하여 제1정류부(121)와 제2정류부(122)에 마련되는 트라이액(127)의 스위칭 주기를 산출하고, 산출된 스위칭 주기에 따라 제1정류부(121)와 제2정류부(122)에 마련되는 트라이액(127)을 교번되게 온-오프 하여 제1정류부(121)와 제2정류부(122)의 출력전압을 제어한다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 트랜스포머 리스형 인버터의 구성을 도 시한다.

도시된 실시예는 도 1을 통해 설명된 실시예와 유사하되, 다만 도 1의 제1정류부(121), 및 제2정류부(122)를 대신하여 듀얼 출력부(220)가 마련되며, 듀얼 출력부(220)를 제어하는 스위칭 제어부(240)의 제어방식에서 차별점을 갖는다. 따라서, 본 실시예에 도시된 EMI 필터(210), 및 저항(270)의 기능은 도 1의 참조부호 110, 및 170에 해당하므로 중복되는 설명은 피하도록 한다.

본 실시예의 듀얼 출력부(220)는 EMI 필터(210)를 통해 인가되는 상용 교류(AC)에서 두 개의 출력전압(V1, V2)을 생성한다. 생성되는 두 개의 출력전압(V1, V2)은 동일 전압이며, 도 1의 실시예에 비해 그 구조가 더욱 단순한 특징을 가진다.

듀얼 출력부(220)에서 출력되는 제1전압(V1)과 제2전압(V2)은 동일한 전압을 가지나, 위상은 정 반대인 펄스 형태를 갖는다. 듀얼출력부(220)에서 출력되는 제1전압(V1)이 고전위(예를들어 100V)일 때, 제2전압(V2)은 저전위(예를들어 0V)를 가지며, 마찬가지로 제1전압(V1)이 저위(예를들어 0V)일 때, 제2전압(V2)은 고전위(예를들어 100V)를 갖는다. 구조를 더욱 단순화시키면서 서로 다른 위상의 전압(V1, V2)을 출력하도록 하는 듀얼 출력부(220)의 구조는 도 5를 함께 참조하도록 한다.

도 5는 도 4에 도시된 듀얼 출력부(220)의 상세 구조를 도시한다.

도시된 듀얼 출력부(220)는 다이오드 정류부(221a), 및 트라이액 제어부(221b)를 구비한다.

다이오드 정류부(221a)는 브릿지 결합되는 4개의 정류 다이오드(222 ~ 225), 및 평활 커패시터(226)로 구성되며, 상용 교류(AC)를 직류로 변환한다. 트라이액 제어부(221b)는 두 개의 트라이액(227, 229), 및 두 개의 평활 커패시터(228a, 228b)로 구성된다. 두 개의 트라이액(227, 229)은 노드(N1)를 중심으로 분기하여 제1전압(V1)과 제2전압(V2)를 출력한다.

트라이액(227)과 트라이액(229)는 교대로 턴-온 된다. 트라이액(227, 229)의 온-오프 제어는 스위칭 제어부(240)에서 인가되는 제어신호(ctrl1, ctrl2)에 의해 이루어지며, 제어신호(ctrl1, ctrl2)의 위상은 상호 역상이다.

따라서, 다이오드 정류부(221a)에서 출력되는 직류는 제1전압(V1)으로 출력되거나 제2전압(V2)로 출력되므로 직류의 손실이 발생하지 않는다. 트라이액(227)과 트라이액(229)가 교대로 작동하므로 출력포트(251)와 출력포트(252)는 교대로 고전위(예를들어 100V)를 가지므로 출력포트(251, 252)를 통해 출력되는 전압은 교류와 유사한 형태를 갖는다. 이를 EL 시트(또는 EL 와이어)로 인가하여 EL 시트(또는 EL 와이어)를 구동한다.

제1전압(V1)을 피드백 받아 듀얼 출력부(220)의 출력전압을 제어하는 방식은 제1실시예와 유사하나, 본 실시예에서 스위칭 제어부(240)는 듀얼 출력부(220)의 트라이액(227, 229)를 직접 제어하여 교대로 작동시키므로 펄스의 주기를 낮추어 전압을 낮출 경우 출력포트(251, 252)에서 출력되는 전압의 주파수가 낮아질 수 있다. 즉 전압과 주파수가 연동되어 증감하는 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 트랜스포머 리스형 인버터의 구성을 도시한다.

도 2는 도 1에 도시된 제1정류부의 구조를 도시한다.

도 3은 스위칭 제어부의 구동 방식을 개념적으로 도시한다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 트랜스포머 리스형 인버터의 구성을 도시한다.

도 5는 도 4에 도시된 듀얼 출력부의 상세 구조를 도시한다.

- 도면의 주요 구성에 대한 부호의 설명 -

EMI 필터: 110 제1정류부: 121

제2정류부: 122 스위칭 제어: 140

제1스위치: 160 제2스위치: 190

저항: 170 제1출력포트: 181

제2출력포트: 182

Claims (9)

1. 상용 교류를 정류하여 각각 제1전압과 제2전압을 생성하는 제1정류부, 및 제2정류부;

   상기 제1전압과 상기 제2전압을 각각 출력하는 제1출력포트와 제2출력포트;

   상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트 사이에 마련되는 저항;

   상기 제1출력포트와 상기 제1전압의 출력단 사이에 마련되는 제1스위치;

   상기 제2출력포트와 상기 제2전압의 출력단 사이에 마련되는 제2스위치; 및

   상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 교번되게 온-오프 시키는 스위칭 제어부;를 포함하며,

   상기 스위칭 제어부는,

   상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 교대로 턴-온시켜 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트에서 교대로 출력전압이 나타나도록 함으로서 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트의 출력전압이 교류의 형태를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1정류부와 상기 제2정류부는,

   동일 구조이며,

   상기 상용 교류를 정류하는 다이오드 정류부; 및

   상기 다이오드 정류부에 의해 정류된 전압과 상기 제1출력포트 사이에 마련되는 트라이액(triac) 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 스위칭 제어부는,

   미리 정해진 주기를 갖는 펄스를 생성하며,

   상기 펄스를 통해 상기 트라이액 제어부를 온-오프 제어하여 상기 제1전압, 및 상기 제2전압의 크기를 가감하고 이를 통해 상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트로 출력되는 교류의 전압을 가감하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 스위칭 제어부는,

   상기 제1출력포트와 상기 제2출력포트의 전압 중 어느 하나를 검출하며,

   상기 스위칭 제어부는 상기 펄스의 폭을 결정하는 펄스폭 데이터를 구비하 고,

   상기 검출된 전압이 미리 정해진 기준값을 벗어날 때, 상기 펄스폭 데이터를 참조하여 상기 펄스의 주기를 가감하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1, 및 상기 제2정류부의 입력단은 공동으로 접속되며,

   상기 상기 제1, 및 상기 제2정류부의 입력단과 상기 상용 교류 사이에 EMI 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스포머 리스(trnasformer-less)형 인버터.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images