KR101177635B1 - 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

부하의 정전 용량의 변화 또는 지령 주파수의 가변에 강인한 본 발명의 일 실시예에 따른 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치는 교류 전압으로부터 구형파 교류 전압을 출력하는 전원부; 상기 전원부로부터 출력되는 구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환시키는 필터; 상기 필터로부터 출력되는 정현파 교류 전압을 승압하여 용량성 부하에 공급하는 변압부; 및 상기 필터로부터 출력되는 상기 정현파 교류 전압이 목표 전압값이 되도록 하기 위한 전압 조절값을 생성하고, 상기 전압 조절값을 이용하여 상기 구형파 교류 전압 생성을 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 전원부로 인가하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부에 의해 생성된 상기 전압 조절값은 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄 시키기 위한 댐핑값이 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

용량성 부하를 위한 전원 공급 장치 및 그 제어 방법{Apparatus for Providing Power for Capacitive Load and Method for Controlling That Apparatus}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치에 관한 것이다.

용량성 부하의 일예로는 오존발생장치나 플라즈마 생성/유지 장치 등이 있다. 여기서, 오존발생장치는 오존의 살균효과를 이용하는 것으로 정수장 및 오폐수 처리 설비, 농수산물 살균처리설비, 대기오염방지시설 등에 적용되는 장치이다. 이러한 오존발생장치는 전원 공급 장치로부터 수 kV의 단상 교류 고전압을 인가 받아 그 내부에서 무성 방전을 일으켜 산소 분자를 활성산소 원자(O)로 분해시키고, 이를 주위의 산소(O₂)와 결합시킴으로써 오존(O₃)을 생성시키게 된다.

상기 오존발생장치와 같은 용량성 부하에 교류 전압을 인가하는 전원 공급 장치는 크게 인버터, 필터, 및 변압기로 구성되어 변압기에서 최종 출력되는 고전압을 상기 용량성 부하에 공급하게 된다.

이러한 전원 공급 장치는, 인버터의 출력 주파수 크기에 따라 중주파형(600Hz~1KHz)과 고주파형(1KHz 이상)으로 구분되고, 필터의 종류에 따라 부하 공진형 필터를 이용하는 타입과 저역통과필터를 이용하는 타입으로 구분된다.

부하 공진형 필터를 이용하는 전원 공급 장치의 경우, 공진 주파수 이외의 고조파는 불필요한 유전손실만을 발생시키며 역률도 함께 저하시키는 문제가 있기 때문에 효율성을 극대화 시키기 위해 입력 주파수가 전체 회로의 공진 주파수 대역에 맞춰 운전 된다.

이러한 부하 공진형 필터를 이용하는 전원 공급 장치는 출력전압파형의 고조파 성분을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 부하 공진형 필터를 이용하는 전원 공급 장치의 경우, 부하의 내부 정전용량이 변동하면 도 1에 도시된 바와 같이 공진 주파수 대역도 가변하게 되는데, 이때 고정된 주파수로 운전을 계속하게 되면 출력 전압이 현저히 감소하는 등 부하 변동에 민감한 단점이 있다. 또한, 부하의 일부가 파손되어 이를 분리시키게 되면, 이는 전기적으로 병렬로 연결된 커패시터 중 일부가 제거되는 것을 의미하는 것으로서 이로 인해 전체 회로의 공진 주파수가 변경되므로, 이를 해결하기 위해서는 필터 회로의 외부 결선 조작을 통해 필터의 인덕턴스와 커패시턴스의 값을 가변 해야 하는 단점이 있다.

한편, 저역통과필터를 이용하는 전원 공급 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 부하의 내부 정전용량 또는 지령 주파수의 변경으로 인해 저역통과필터의 공진 주파수가 전원 공급 장치의 동작 주파수에 근접하게 되는 경우, 저역통과필터의 공진 주파수에서 전류 이득이 급속도록 증가하게 되어 전압출력 특성이 불안정해지며, 고조파 성분이 많고 왜곡이 심하여 구현이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 부하의 정전 용량의 변화 또는 지령 주파수의 가변에 강인한 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 필터의 인덕턴스와 커패시턴스의 값을 가변하지 않고도 출력 전압을 안정적으로 제어할 수 있는 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 회로 소자의 추가 없이 저역통과필터의 공진 주파수에서 급증하는 전류 이득을 감쇄시킬 수 있는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치는 교류 전압으로부터 구형파 교류 전압을 출력하는 전원부; 상기 전원부로부터 출력되는 구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환시키는 필터; 상기 필터로부터 출력되는 정현파 교류 전압을 승압하여 용량성 부하에 공급하는 변압부; 및 상기 필터로부터 출력되는 상기 정현파 교류 전압이 목표 전압값이 되도록 하기 위한 전압 조절값을 생성하고, 상기 전압 조절값을 이용하여 상기 구형파 교류 전압 생성을 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 전원부로 인가하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부에 의해 생성된 상기 전압 조절값은 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄 시키기 위한 댐핑값이 포함되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치는 상기 용량성 부하로 공급되는 전압을 조절하기 위한 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환시키는 필터의 실제 출력 전압값, 상기 필터의 출력 전류값, 및 상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류 값을 획득하는 데이터 획득부; 상기 필터의 목표 출력 전압값과 상기 실제 출력 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값을 생성하는 PI 제어기; 및 상기 필터의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값 및 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄시키기 위한 댐핑값을 생성하고, 상기 제1 보상값, 제2 보상값, 및 댐핑값을 이용하여 상기 필터의 출력 전압이 상기 목표 출력 전압값이 되도록 하는 전압 조절값을 생성하는 필터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법은, 필터의 실제 출력 전압 값, 상기 필터의 출력 전류 값, 및 상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류 값을 획득하는 단계; 상기 필터의 목표 출력 전압값과 상기 실제 출력 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값을 생성하는 단계; 상기 필터의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값 및 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄시키기 위한 댐핑값을 생성하는 단계; 및 상기 제1 보상값, 제2 보상값, 및 댐핑값을 이용하여 상기 필터의 출력 전압이 목표 출력 전압값이 되도록 하는 전압 조절값을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 부하의 정전 용량 또는 지령 주파수가 변하더라도 출력 전압을 안정적으로 제어할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 필터의 인덕턴스와 커패시턴스의 값을 가변하지 않고도 출력 전압을 안정적으로 제어할 수 있기 때문에 전원 공급 장치의 구성을 단순화할 수 있음은 물론, 전원 공급 장치를 용이하게 운전 및 조작할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 댐핑저항소자와 같은 별도의 회로 소자의 추가 없이도 저역통과필터의 공진 주파수에서 급증하는 전류 이득을 감쇄시킬 수 있기 때문에, 회로 소자의 추가로 인한 전력 손실 없이 출력 전압에 포함된 고조파 성분을 제거하고 파형 왜곡이 적은 전압을 출력할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 부하 공진형 필터를 이용하는 전원 공급 장치에서 부하의 내부 정전 용량 변화에 따른 공진 주파수의 변동을 보여주는 그래프.
도 2는 저역통과필터를 이용하는 전원 공급 장치에서의 전류 이득을 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 개략적인 블럭도.
도 4는 도 3에 도시된 전원 공급 장치의 회로도.
도 5는 도 3에 도시된 제어부의 구성을 보여주는 블록도.
도 6은 도 4에 도시된 PI제어기의 구성을 보여주는 블록도.
도 7은 도 4에 도시된 필터 제어기의 구성을 보여주는 블록도.
도 8은 도 3에 도시된 전원 공급 장치에서의 전류 이득을 보여주는 그래프.
도 9는 도 3에 도시된 전원 공급 장치의 각 부분에서의 전압 및 전류 파형을 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법을 보여주는 플로우차트.

이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 개략적인 블록도이고도 4는 도 3에 도시된 전원 공급 장치의 회로도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(300)는 전원부(310), 필터(320), 변압부(330), 제어부(350), 및 게이트 구동부(360)를 포함하는 것으로서, 이러한 전원 공급 장치(300)는 부하(340)에 교류 전압을 공급함으로써 부하(340)가 동작할 수 있도록 한다.

먼저, 전원부(310)는, 외부로부터 인가되는 교류 전압으로부터 구형파 교류 전압을 생성하는 것으로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 정류부(312), 평활부(314), 및 인버터(316)를 포함한다.

정류부(312)는 외부로부터 입력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다. 이때, 외부로부터 입력되는 교류 전압은 도 4에 도시된 바와 같이, 3상 60Hz, 400V의 상용 교류 전압일 수 있다.

평활부(314)는 정류부(312)로부터 출력되는 직류 전압에 포함된 리플을 감쇄시키는 역할을 수행한다.

인버터(316)는 평활부(314)로부터 출력되는 직류 전압을 복수개의 스위치의 스위칭을 통해 구형파 교류 전압으로 변환한다.

다음으로, 필터(320)는 인버터(316)로부터 출력되는 구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환하는 것으로서, 일 실시예에 있어서 이러한 필터(320)는 고조파 성분을 제거하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 인턱터와 커패시터가 병렬로 연결된 LC 저역통과필터로 구현될 수 있다.

다음으로, 변압부(330)는 필터(320)로부터 출력되는 정현파 교류 전압(이하, 설명의 편의를 위해 출력 전압(Vout)이라 함)을 승압하고, 승압된 출력 전압을 부하(340)로 공급한다.

다음으로 도 3에서 도시된 부하(340)는 상기 전원 공급 장치(300)로부터 전압을 인가 받아 구동되는 것으로서, 일 실시예에 있어서 이러한 부하(340)는 용량성 부하일 수 있다. 이러한 용량성 부하에는 오존발생장치, 플라즈마 생성 및 유지 장치 등이 있을 수 있다.

도 4는 부하(340)가 오존발생장치인 경우의 회로도를 도시한 것으로서, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 오존발생장치(340)는 절연체 정전용량(Cg)과 공극정전용량(Ca)의 직렬회로가, 공극 정전용량(Ca)과 방전 개시 전압을 나타내는 양방향 제너다이오드와 병렬 구성되는 등가회로로 도시되어 있다.

이러한 오존발생장치(340)의 방전개시전압은 변압부(330)로부터 고전압이 인가되어 오존발생장치(340) 내의 공극 사이의 절연이 파괴됨으로써 전류가 흐르게 될 때의 전압을 의미하며, 절연체 정전용량(Cg)이 공극 정전용량(Ca)보다 크므로 오존발생장치(340)의 방전 시 전제 정전 용량은 초기 전체 정전용량에 비해 증대된다.

다음으로, 제어부(350)는 상기 필터(320)로부터 출력되는 출력 전압값이 사용자로부터 입력되는 목표 출력 전압값(Vref)이 되도록 하기 위한 전압 조절값(Vout*)을 생성하고, 생성된 전압 조절값을 이용하여 인버터(316)의 스위칭을 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성한다.

일 실시예에 있어서, 제어부(350)는 전압 조절값을 생성함에 있어서, 상기 필터(320)의 공진 주파수에서 급증하는 전류 이득을 감쇄 시키기 위한 댐핑값을 포함시킴으로써, 필터(320)의 공진 주파수에서 전류 이득이 급증하지 않도록 한다.

이하에서는 이러한 제어부(350)를 도 5 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 구성을 보여주는 블록도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(350)는 데이터 획득부(400), A/D 변환부(410), 연산부(420), PI 제어기(430), 필터 제어기(440), 및 스위칭 신호 생성부(450)를 포함한다.

먼저, 데이터 획득부(400)는 상기 필터(320)의 실제 출력 전압값(Vout), 상기 필터(320)의 출력 전류값(I1), 및 상기 필터(320)를 구성하는 커패시터의 도통 전류값(I2)을 획득한다.

또한, 데이터 획득부(400)는 사용자로부터 상기 필터(320)의 목표 출력 전압값(Vref) 및 목표 주파수 값(Fref)을 입력 받는다.

A/D 변환부(410)는 상기 데이터 획득부(400)에 의해 획득된 실제 출력 전압값, 출력 전류값, 및 도통 전류값을 디지털 값으로 변환한다.

연산부(420)는 상기 A/D 변환부(410)에 의해 디지털 값으로 변환된 실제 출력 전압값, 출력 전류값, 및 도통 전류값을 DQ 변환을 통해 직류값으로 환산한다.

PI 제어기(430)는 상기 데이터 획득부(400)를 통해 입력된 목표 출력 전압값과 실제 출력 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값(Vpi)을 생성한다. 이러한 PI 제어기(430)는 6에 도시된 바와 같이, 목표 출력 전압값과 실제 출력 전압값의 차이값을 산출하고, 산출된 차이값이 적분 제어기(Ki)를 거쳐 생성된 결과값에서 산출된 차이값이 비례 제어기(Kp)를 거쳐 생성된 결과값을 감산함으로써 제1 보상값을 생성한다.

필터 제어기(440)는 데이터 획득부(400)를 통해 획득된 출력 전류값, 상기 도통 전류값, 및 제1 보상값을 이용하여 상기 전압 조절값(Vout*)을 생성하는 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 보상값 생성부(442), 댐핑값 생성부(444), 및 전압 조절값 생성부(446)를 포함한다.

제2 보상값 생성부(442)는, 데이터 획득부(400)를 통해 획득된 출력 전류값과 상기 필터(320)의 인덕턴스를 승산함으로써 상기 필터(320)에서 발생되는 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값을 생성한다.

댐핑값 생성부(444)는 데이터 획득부(400)를 통해 획득된 도통 전류값과 미리 정해진 감쇄 상수값(K)을 승산함으로써 댐핑값을 생성한다. 본 발명의 경우, 이러한 댐핑값 생성부(444)에 의해 생성되는 댐핑값을 통해, 상기 필터(320)의 공진 주파수에서 급증하는 전류 이득을 감쇄시킬 수 있게 된다.

일 실시예에 있어서, 댐핑값 생성부(444)는 상기 감쇄 상수값(K)의 크기를 조절함에 의해 댐핑값을 조절하고, 댐핑값의 조절을 통해 전류 이득의 감쇄 정도를 결정할 수 있다. 예컨대, 감쇄 상수값을 증가시키게 되면 필터(320)의 공진 주파수에서의 전류 이득의 감쇄량이 증가되고, 감쇄 상수 값을 감소시키면 필터(320)의 공진 주파수에서의 전류 이득의 감쇄량이 감소하게 된다.

그러나, 감쇄 상수값을 지나치게 증가시키게 되면 목표 출력 전압값과 실제 출력 전압값의 위상차이가 커지게 되어 부하(340)에 인가되는 최종 출력 전압의 위상이 지연되어 실시간 제어가 어렵게 되므로 이를 고려하여 감쇄 상수값을 결정하는 것이 바람직하다.

전압 조절값 생성부(446)는 상기 PI 제어기(430)에 의해 생성된 제1 보상값, 상기 제2 보상값 생성부(442)에 의해 생성된 제2 보상값, 및 상기 댐핑값 생성부(444)에 의해 생성된 댐핑값을 이용하여 전압 조절값을 생성한다.

구체적으로, 전압 조절값 생성부(446)는 제1 보상값과 제2 보상값을 가산한 결과값에서 상기 댐핑값을 감산함으로써 상기 전압 조절값을 생성한다.

이러한 필터 제어기(440)는 도 7에 도시된 바와 같이, 출력 전류값과 인덕턴스를 승산한 결과값(제2 보상값)과 제1 보상값을 가산한 결과값에서 도통 전류값과 감쇄 상수(K)의 곱을 감산함으로써 전압 조절값을 생성하게 됨을 알 수 있다.

다음으로, 스위칭 신호 생성부(450)는 필터 제어기(440)에 의해 생성된 전압 조절값을 교류값으로 변환하고, 교류값으로 변환된 전압 조절값을 이용하여 스위칭 신호를 생성한다.

일 실시예에 있어서, 스위칭 신호 생성부(450)는 상기 데이터 획득부(400)를 통해 입력된 목표 주파수 값(Fref)과 상기 필터 제어기(440)에 의해 생성된 전압 조절값을 이용하여 상기 전압 조절값을 교류값으로 변환할 수 있다.

구체적으로, 스위칭 신호 생성부(450)는 상기 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전압 조절값을 교류값으로 변환할 수 있다.

여기서,

는 Vout*의 크기를 나타내며, Fref는 사용자에 의해 입력된 목표 주파수값을 나타낸다.

한편, 스위칭 신호 생성부(450)는 교류값으로 변환된 전압 조절값과 미리 정해진 스위칭 주파수값을 이용하여 상기 스위칭 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스위칭 신호 생성부(450)는 삼각파 비교 방식 또는 공간 변조 PWM 방식을 이용하여 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

예컨대, 스위칭 신호 생성부(450)가 삼각파 비교 방식을 이용하여 스위칭 신호를 생성하는 경우, 상기 스위칭 주파수값에 따른 삼각파와 상기 교류값으로 변환된 전압 조절값을 서로 비교함으로써 상기 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

스위칭 신호 생성부(450)는 이러한 스위칭 신호를 상기 인버터(316)로 인가함으로써 상기 인버터(316)가 상기 스위칭 신호에 따라 스위칭 되어 구형파 교류 전압을 발생시킬 수 있도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 경우, 필터(320)의 공진 주파수에서 전류 이득을 감쇄시키기 위해 제어부(350)가 전압 조절값 생성시 댐핑값을 추가하기 때문에, 결과적으로 필터(320)의 전달함수는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 댐핑값을 나타내고, Lf는 필터의 인덕턴스를 나타내며, Cf는 필터의 커패시턴스를 나타내고, Wn은 필터의 공진 주파수를 나타낸다.

다시 도 3을 참조하면, 게이트 구동부(360)는 제어부(350)에 의해 생성된 스위칭 신호를 증폭하여 인버터(316)로 제공한다.

이하에서는, 부하(340)가 오존발생장치인 경우 본 발명에 따른 전원 공급 장치(300)를 이용하여 부하(340)에 전압을 공급할 때, 필터(320)의 공진 주파수에서 전류 이득이 감쇄하게 되는 것을 예를 들어 설명한다.

변압부(330)의 변압비를 1:50이라 하고, 오존발생장치의 절연체 정전용량의 가변 범위를 최소 1nF에서 최대 8nF라 하며, 필터(320)는 LC 병렬구성이고, 필터(320)를 구성하는 인덕턴스는 240uH이고, 커패시턴스는 12uF이며, 필터(320)의 공진 주파수는 3KHz라고 가정하는 경우, 필터(320)의 공진 주파수에서의 전류 이득은 도 8에 도시된 바와 같게 됨을 알 수 있다. 도 8의 경우 도 2와 비교할 때 필터(320)의 공진 주파수에서 전류 이득이 현격하게 감쇄되었다는 것을 알 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명에 따른 전원 공급 장치(300)의 각 부분에서의 전압 및 전류 파형을 보여준다.

도 9(a)는 필터(320)의 실제 출력 전압(Vout, 변압부(330)의 1차측 전압)과 목표 출력 전압(Vref)의 파형을 보여준다. 도시된 바와 같이, 목표 출력 전압(Vref) 파형에 실제 출력 전압(Vout) 파형이 추종하게 됨을 알 수 있다.

도 9(b)는 변압부(330)의 2차측 전압(Vload)과 부하(340) 내의 공극 정전용량(Ca)의 양단에 걸리는 방전개시전압(Vdiv_1)의 파형을 보여준다. 도시된 바와 같이, 방전개시전압은 2.8Kv로 그 이상의 전압이 부하(340)에 인가된 경우 공극 정전용량(Ca)이 도통되어 방전개시전압은 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 이 경우, 변압부(330)의 2차측 전압은 절연체 정전용량(Cg)의 양단에만 인가되므로 부하의 내부정전용량의 변화에 의해 파형이 왜곡되는 구간이 발생하게 됨을 알 수 있다.

도 9(c)는 필터(320)의 출력 전류(I1)와 필터(320)를 구성하는 커패시터의 도통 전류(I2)의 파형을 보여준다. 이때 출력 전류 및 도통 전류는 제어부(350)로 피드백되어 각각 필터 제어기(440)의 입력으로 사용된다.

이와 같이, 본 발명은 필터(320)의 공진 주파수에서 전류 이득이 급증하지 않기 때문에 부하(340)의 내부 정전용량의 변화에 따라 필터(320)의 공진 주파수 대역이 전원 공급 장치(300)의 동작 주파수에 근접하더라도 출력 전압의 발진이 일어나지 않고 전원 공급 장치(300)를 안정적으로 제어할 수 있게 될 뿐만 아니라, 출력 전압에 포함된 고조파 성분을 제거할 수도 있다.

또한, 전원 공급 장치(300) 내에 필터(320)의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄시키기 위한 외부 저항의 추가가 필요 없기 때문에 외부 저항의 전류 도통에 의한 전력 손실이 없고 부품 추가로 인해 낭비되는 비용을 절감할 수 있게 된다.

이하에서는 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법에 대해 설명한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법을 보여주는 플로우차트이다.

먼저, 전원 공급 장치(300)의 제어부(350)는 사용자로부터 필터(320)의 목표 출력 전압값(Vref) 및 목표 주파수 값(Fref)을 입력 받는다(S1000).

이후, 제어부(350)는 필터(320)의 실제 출력 전압값(Vout), 필터(320)의 출력 전류값(I1), 및 필터(320)를 구성하는 커패시터의 도통 전류값(I2)를 획득한다(S1010).

상술한 실시예에 있어서는, 제어부(350)가 상기 S1000을 수행한 후 S1010을 수행하는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서 S1000 및 S1010를 동시에 수행하거나, S1010을 먼저 수행한 후 S1000을 수행할 수도 있다.

다음으로, 제어부(350)는 상기 출력 전압값, 출력 전류값, 및 도통 전류값을 디지털 값으로 변환하고(S1020), 디지털 값으로 변환된 상기 출력 전압값, 출력 전류값, 및 도통 전류값을 DQ 변환을 통해 직류값으로 변환한다(S1030).

다음으로, 제어부(350)는 상기 S1000에서 입력된 목표 출력 전압값과 상기 직류 값으로 변환된 실제 출력 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값을 생성한다(S1040). 일 실시예에 있어서, 이러한 제1 보상값은 PI 제어기를 통해 생성할 수 있다.

구체적으로, 목표 출력 전압값과 실제 출력 전압값의 차이값을 산출하고, 산출된 차이값이 PI 제어기(430)를 구성하는 적분 제어기(Ki)를 거쳐 생성된 결과값에서 산출된 차이값이 PI 제어기(430)를 구성하는 비례 제어기(Kp)를 거쳐 생성된 결과값을 감산함으로써 제1 보상값을 생성한다.

다음으로, 제어부(350)는 필터(320)의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값 및 필터(320)의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄시키기 위한 댐핑값을 생성한다(S1050).

일 실시예에 있어서, 필터(320)의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값은, 필터(320)의 인덕턴스와 상기 필터(320)의 출력 전류값을 승산함으로써 산출할 수 있다. 또한, 상기 댐핑값은 상기 도통 전류값과 미리 정해진 감쇄 상수값(K)을 승산함으로써 산출할 수 있다.

다음으로, 제어부(350)는 상기 제1 보상값, 제2 보상값, 및 댐핑값을 이용하여 전압 조절값을 생성한다(S1060). 구체적으로, 제1 보상값과 제2 보상값을 가산한 결과값에서 상기 댐핑값을 감산함으로써 상기 전압 조절값을 생성한다.

다음으로, 제어부(350)는 상기 전압 조절값을 상기 S1000에서 입력된 목표 주파수 값을 이용하여 교류값으로 변환한다(S1070). 전압 조절값은 상술한 수학식 1을 이용하여 교류값으로 변환할 수 있다.

다음으로, 제어부(350)는 교류값으로 변환된 전압 조절값을 이용하여 인버터(316)의 스위칭을 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성한다(S1080). 일 실시예에 있어서, 스위칭 신호는 삼각파 비교 방식 또는 공간 변조 PWM 방식을 이용하여 생성될 수 있다.

예컨대, 삼각파 비교 방식을 이용하여 스위칭 신호를 생성하는 경우, 미리 정해진 스위칭 주파수값에 따른 삼각파와 상기 교류값으로 변환된 전압 조절값을 서로 비교함으로써 상기 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

다음으로, 제어부(350)는 상기 스위칭 신호를 게이트 구동부(360)를 통해 인버터(316)로 인가함으로써 인버터(316)에 의해 구형파의 교류 전압이 출력되도록 한다(S1090). 이후, 인버터(316)에 의해 생성된 구형파의 교류 전압은 필터(320)에 의해 정현파 교류 전압으로 변환된 후, 변압부(330)에 의해 승압되어 부하(340)에 공급된다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

300: 전원 공급 장치 310: 전원부
320: 필터 330: 변압부
340: 부하 350: 제어부
360: 게이트 구동부 400: 데이터 획득부
410: A/D변환부 420: 연산부
430: PI 제어기 440: 필터 제어기
450: 스위칭 신호 생성부

Claims (24)

1. 교류 전압으로부터 구형파 교류 전압을 출력하는 전원부;
   상기 전원부로부터 출력되는 구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환시키는 필터;
   상기 필터로부터 출력되는 정현파 교류 전압을 승압하여 용량성 부하에 공급하는 변압부; 및
   상기 필터로부터 출력되는 상기 정현파 교류 전압이 목표 전압값이 되도록 하기 위한 전압 조절값을 생성하고, 상기 전압 조절값을 이용하여 상기 구형파 교류 전압 생성을 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 전원부로 인가하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부에 의해 생성된 상기 전압 조절값은 상기 필터로부터 출력되는 상기 정현파 교류 전압의 실제 값과 상기 목표 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값, 상기 필터의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값, 및 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄 시키기 위한 댐핑값을 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전원부는,
   상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부;
   상기 직류 전압에 포함된 리플을 감쇄시키는 평활부; 및
   상기 스위칭 신호에 따라 스위칭 되어 상기 리플이 감쇄된 직류 전압을 상기 구형파 교류 전압으로 변환하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제1 보상값과 상기 제2 보상값을 가산한 값에서 상기 댐핑값을 감산함으로써 상기 전압 조절값을 생성하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 필터의 출력 전류값 및 상기 필터의 인덕턴스를 승산하여 상기 제2 보상값을 생성하고,
   상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류값과 미리 정해진 감쇄 상수를 승산함으로써 상기 댐핑값을 생성하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 필터로부터 출력되는 상기 정현파 교류 전압의 실제값, 상기 필터의 출력 전류값, 및 상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류값을 획득하여 디지털로 변환하고, 상기 디지털로 변환된 상기 정현파 교류 전압의 실제값, 상기 출력 전류값, 및 상기 도통 전류값을 DQ 변환을 통해 직류 값으로 환산하며,
   상기 직류값으로 변환된 상기 정현파 교류 전압의 실제값, 상기 출력 전류값, 및 상기 도통 전류값을 이용하여 상기 전압 조절값을 생성하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
8. 교류 전압으로부터 구형파 교류 전압을 출력하는 전원부;
   상기 전원부로부터 출력되는 구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환시키는 필터;
   상기 필터로부터 출력되는 정현파 교류 전압을 승압하여 용량성 부하에 공급하는 변압부; 및
   상기 필터로부터 출력되는 상기 정현파 교류 전압이 목표 전압값이 되도록 하기 위한 전압 조절값을 생성하고, 상기 전압 조절값을 이용하여 상기 구형파 교류 전압 생성을 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 전원부로 인가하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부에 의해 생성된 상기 전압 조절값은 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄 시키기 위한 댐핑값이 포함되고, 상기 댐핑값은 상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류값과 미리 정해진 감쇄 상수를 승산함으로써 산출되는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
9. 제1항 또는 제8항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 전압 조절값을 사용자로부터 입력되는 목표 주파수 값을 이용하여 교류값으로 변환하고, 상기 교류값으로 변환된 전압 조절값을 이용하여 상기 스위칭 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
10. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 용량성 부하는 상기 변압부에 의해 승압된 정현파 교류 전압이 인가되면, 무성 방전을 통해 오존을 발생시키는 오존 발생 장치인 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치에 있어서,
    상기 전원 공급 장치는 상기 용량성 부하로 공급되는 전압을 조절하기 위한 제어부를 포함하고 상기 제어부는,
    구형파 교류 전압을 정현파 교류 전압으로 변환시키는 필터의 실제 출력 전압값, 상기 필터의 출력 전류값, 및 상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류 값을 획득하는 데이터 획득부;
    상기 필터의 목표 출력 전압값과 상기 실제 출력 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값을 생성하는 PI 제어기; 및
    상기 필터의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값 및 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄시키기 위한 댐핑값을 생성하고, 상기 제1 보상값과 상기 제2 보상값을 가산한 값에서 상기 댐핑값을 감산함으로써 상기 필터의 출력 전압이 상기 목표 출력 전압값이 되도록 하는 전압 조절값을 생성하는 필터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 상기 필터 제어기는,
    상기 출력 전류값 및 상기 필터의 인덕턴스를 승산하여 상기 제2 보상값을 생성하는 제2 보상값 생성부;
    상기 도통 전류값과 미리 정해진 감쇄 상수를 승산함으로써 상기 댐핑값을 생성하는 댐핑값 생성부; 및
    상기 제1 보상값 및 상기 제2 보상값을 가산한 결과값에서 상기 댐핑값을 감산함으로써 상기 전압 조절값을 생성하는 전압 조절값 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하를 위한 전원 공급 장치.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 용량성 부하에 전압을 공급하기 위한 전원 공급 장치의 제어 방법으로서,
    필터의 실제 출력 전압 값, 상기 필터의 출력 전류 값, 및 상기 필터를 구성하는 커패시터의 도통 전류 값을 획득하는 단계;
    상기 필터의 목표 출력 전압값과 상기 실제 출력 전압값 간의 오차를 보상하기 위한 제1 보상값을 생성하는 단계;
    상기 필터의 전압 강하를 보상하기 위한 제2 보상값 및 상기 필터의 공진 주파수에서의 전류 이득을 감쇄시키기 위한 댐핑값을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 보상값, 제2 보상값, 및 댐핑값을 이용하여 상기 필터의 출력 전압이 목표 출력 전압값이 되도록 하는 전압 조절값을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 댐핑값은 상기 도통 전류 값과 미리 정해진 감쇄 상수 값을 승산함으로써 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치의 제어 방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 전압 조절값을 이용하여 구형파 교류 전압의 생성을 위한 스위칭 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 스위칭 신호를 상기 구형파 교류 전압을 생성하는 인버터로 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치의 제어 방법.
21. 삭제
22. 제19항에 있어서,
    상기 제2 보상값은, 상기 출력 전류값과 상기 필터의 인덕턴스의 값을 승산함으로써 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치의 제어 방법.
23. 삭제
24. 삭제

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