KR101230017B1

KR101230017B1 - 아이지비티를 이용한 자동 전압 조정기

Info

Publication number: KR101230017B1
Application number: KR1020120145922A
Authority: KR
Inventors: 조상호; 신기엽; 이동주
Original assignee: (주)테스; 국제통신공업 주식회사
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-02-05

Abstract

본 발명은 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기에 관한 것으로서, 두 개의 IGBT 스위칭 소자를 직렬 연결하여 하나의 스위칭부로서 하나의 렉에 설치하는 방식으로 3개의 스위칭부를 병렬 연결하여 3개의 렉에 설치하고, 첫번째 스위칭부와 두번째 스위칭부 사이에 스누프 콘덴서를 병렬 연결하며, 입력을 입력 리액터를 통해 상기 첫번째 스위칭부에 입력하며, 세번째 스위칭부의 출력을 출력 리액터 및 출력 양단에 연결된 콘덴서를 통해 출력하도록 구성하고, 상기 스위칭 소자들을 제어하기 위한 출력 제어기에 의해 출력 오차에 의해 듀티비 제어신호(Dcon)를 생성하여 펄스폭 변조제어방식으로 상기 각 스위칭 소자들의 스위칭을 제어하도록 구성함으로써, 기존 4개의 렉 구성을 3개의 렉구성으로 구현하고, 대용량 전해콘덴서 및 입력 변압기를 생략하여 부피 및 무게를 감소시켜 이동 설치가 용이하도록 한 것이다.

Description

아이지비티를 이용한 자동 전압 조정기{Automatic Voltage Regulator using IGBT}

본 발명은 자동 전압 조정기(AVR, Automatic Voltage Regulator)에 관한 것으로서, 기존에 변압기(직렬변압기 포함)를 사용하는 구조의 자동전압조정기와는 다른 구조를 가지는 자동전압조정기로서, DC 전해콘덴서 및 변압기를 사용하지 않는 스위칭 소자를 3렉(Leg) 구조로 구성하여 부피 및 무게를 줄인 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기에 관한 것이다.

자동 전압 조정기(AVR)은, 자동적으로 출력 전압을 일정치로 유지시키는 기기로서, 교류 발전기, 직류 발전기, 정전압 정류기 등에 종속적으로 사용되는 것과 독립 장치로 사용되는 것이 있다.

기존에는 자동전압조정기를 구성하기 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 변압기(1)의 탭(2)을 스위치(3)에 의해 선택하여, 출력전압을 일정하게 유지시키는 자동전압 조정기가 대부분이며, 변압기(1)의 탭(2)을 조정하기 위한 스위치(3)로서 SCR, 릴레이, 트라이악 소자를 사용한다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 직렬변압기를 사용하여 출력전압을 승압 또는 강압시키는 직렬변압기형 자동전압조정기가 있다.

직렬변압기형 단상 자동전압 조정기는 도 2에 도시된 바와 같이, 단상 입력선로중 어느 한 선로에 1차측이 연결된 직렬변압기(4)와, 직렬변압기(4)의 2차측 출력을 필터소자를 통해 입력받아 직류로 변환하는 정류부(5)와, 정류부(5)의 출력을 평활시키는 평활부(6)와, 상기 평활부(6)의 출력을 일정한 출력전압이 되게 안정화시켜 출력선로로 출력하는 인버터부(7)를 포함하여 구성된다.

그런데, 일반적으로 자동전압 조정기와 같은 장치에 사용되는 스위칭소자(예: IGBT)의 크기와 무게로 인하여 하나의 렉(REG)에 2개의 스위칭소자를 장착한 구조로 구성한다. 그러므로 도 2와 같은 구성의 종래 단상 자동전압 조정기는, 스위칭소자를 장착한 정류부(5) 2개 렉(LEG), 인버터부(7) 2개 렉(LEG)으로 4개의 렉(LEG)과 직렬변압기(4)로 구성된다. 즉, 하나의 직렬변압기와, 4개의 스위치 소자 렉(정류부 2개, 인버터부 2개)이 필요하고, 평활부(6)에 무게 및 사이즈가 큰 대용량 전해콘덴서를 사용하고 있어서 장비가 커지고, 부피 및 무게가 증가되는 문제점이 있다. 따라서 부피 및 무게가 커진다는 단점이 있어서 이동이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 변압기 대신 IGBT 소자를 이용하여 AC/DC변환을 하고, DC/AC 변환(Double Conversion)을 위해서 사용되는 대용량 전해콘덴서를 사용하지 않고 필터용 완충(SNUBBER) 콘덴서만을 이용하여 AC 전압을 출력하는 인버터를 구성하며, 인버터의 출력 파형은 교류 리액터를 설치하여 양질의 AC를 출력하도록 함으로써, 부피 및 무게를 줄여 이동이 용이하고, 이동을 하면서 작업 요하는 곳에 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 AC/DC, DC/AC 변환을 위하여 직렬 연결된 한쌍의 스위칭 소자를 하나의 렉에 설치하여 승압렉, 공통렉, 강압렉으로 3개의 렉으로 구성하고, 출력제어기에 의해 3쌍의 스위칭 소자의 스위칭 제어를 하여 승압. 강압 모드로 자동운전할 수 있도록 함으로써, 부피 및 무게를 줄일 수 있도록 한 자동전압 조정기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기는,

두 개의 IGBT 스위칭 소자를 직렬 연결하여 하나의 스위칭부로서 하나의 렉에 설치하는 방식으로 3개의 스위칭부를 병렬 연결하여 3개의 렉에 설치하고,

첫번째 스위칭부와 두번째 스위칭부 사이에 스누프 콘덴서를 병렬 연결하며,

입력을 입력 리액터를 통해 상기 첫번째 스위칭부에 입력하며, 세번째 스위칭부의 출력을 출력 리액터 및 출력 양단에 연결된 콘덴서를 통해 출력하도록 구성하고,

상기 스위칭 소자들을 제어하기 위한 출력 제어기에 의해 출력 오차에 의해 듀티비 제어신호(Dcon)를 생성하여 펄스폭 변조제어방식으로 상기 각 스위칭 소자들의 스위칭을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 IGBT를 이용한 단상 자동 전압 조정기의 실시 예로는,

제1 ~ 제6 스위칭소자(S1 - S6)를 각각 두 개씩 쌍을 이루어 직렬연결하고 3쌍을 병렬연결하여 승압 기능을 위한 제1스위칭부, 공통기능을 위한 제3스위칭부, 강압 기능을 위한 제3스위칭부를 구성하고, 제1스위칭부와 제2스위칭부 사이에 병렬로 필터용 스누퍼 콘덴서를 설치하며,

단상 일측 입력단을 입력 리액터를 통해 상기 제1스위칭부의 제1스위칭소자와 제2스위칭소자의 중간접속점에 연결하며, 상기 제2스위칭부의 제3스위칭소자와 제4스위칭 소자의 중간점속점을 단상 타측 입력단과 단상 타측 출력단에 공통 연결하며, 상기 제3스위칭부의 제5스위칭소자와 제6스위칭소자의 중간접속점을 출력리액터를 통해 일측 출력단에 연결함과 아울러 일측 및 타측 출력단 사이에 출력필터용 콘덴서를 연결하여 구성하고,

출력전압 제어기가 기준제어신호와 출력전압의 오차에 따른 제어전압을 발생시키며, 출력전압 오차에 따른 제어전압 파형과 입력전압 파형의 위상차를 검출하여 위상오차에 따른 보상전압을 발생시키며, 상기 제어전압에 상기 보상전압을 보상하여 상기 제1-제6스위칭 소자를 펄스폭변조 제어하여 출력전압을 설정된 전압으로 조정하여 출력을 제어하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 출력전압 제어기는,

미리 설정된 출력 기준전압과 출력전압의 오차를 검출하는 제1오차 검출기와;

상기 제1오차 검출기에서 검출된 오차신호를 입력받아 P제어신호와 I제어신호를 검출하여 합산된 PI제어신호를 출력하는 제1 PI제어기와;

상기 제1 PI제어기의 출력신호의 미리 설정된 상하한 필터링을 하여 에러에 따른 듀티 제어신호(Dn)을 출력하는 제1리미트와;

미리 설정된 출력 기준전압과 출력전압의 오차를 검출하는 제2오차 검출기와;

상기 제2오차 검출기에서 검출된 오차신호의 절대치에 가중치를 보상하여 에러보상치를 생성하고, 상기 제2오차검출기에서 검출된 오차신호에 상기 에러보상치를 승산하여 제어오차신호(Ew)를 생성하는 에러 보상부와;

상기 제어오차신호(Ew)에 출력기준신호 파형의 양/음에 따른 부호값을 승산하여 부호를 결정하는 부호설정부와;

상기 부호설정에 의해 양/음 부호가 설정된 제어오차신호의 P제어신호와 I제어신호를 생성하여 합산한 PI제어신호를 출력하는 제2 PI제어기와;

상기 제2 PI제어기의 출력신호를 미리 설정된 상하한 필터링을 하여 부호 설정된 제어오차신호(Dc)를 출력하는 제2 리미터와;

상기 제1리미터의 오차 듀티제어신호(Dn)와 상기 제2리미터의 제어오차신호(Dc)를 합산하여 듀티비 제어신호(Dcon)를 생성하는 듀티비 제어신호생성부와;

상기 듀티비 제어신호(Dcon)에 의거하여 승압모드와 강압모드를 판단하고, 승압모드와 강압모드에 따른 S1 - S6의 스위칭소자에 대한 펄스폭변조 제어신호를 생성하여 출력하는 펄스폭변조제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 펄스폭변조제어기는,

듀티비 제어신호(Dcon)가 기준치 이상인 경우 승압모드로, 기준치 미만이면 강압모드로 제어하는 모드 판단과정(S10)과;

상기 모드 판단에 따라 승압모드인 경우, 출력기준전압파형(Vo.ref)이 제로값 이상이면 후술되는 제1승압제어모드를, 제로값 미만이면 후술되는 제2승압제어모드를 설정하는 승압제어모드 설정과정(S20)과;

상기 승압제어모드 설정과정(S20)에서 제1승압제어모드로 판단되면, Ds1 = 1-Dcon, Ds2 = Dcon, Ds3 = Ds6 = 0, Ds4 = Ds5 = 1로 제어하는 제1승압제어모드(S30)와;

상기 승압제어모드 설정과정(S20)에서 제2승압제어모드로 판단되면, Ds1 = Dcon, Ds2 = 1 - Dcon, Ds3 = Ds6 = 1, Ds4 = Ds5 = 0로 제어하는 제2승압제어모드(S40)와;

상기 모드 판단에 따라 강압모드인 경우, 출력기준전압파형(Vo.ref)이 제로값 이상이면 후술되는 제1강압제어모드를, 제로값 미만이면 후술되는 제2강압제어모드를 설정하는 강압제어모드 설정과정(S50)과;

상기 강압제어모드 설정과정(S50)에서 제1강압제어모드로 판단되면, Ds1 = Ds4 = 1, Ds2 = Ds3 = 0, Ds5 = 1 + Dcon, Ds6 = - Dcon로 제어하는 제1강압제어모드(S60)과;

상기 강압제어모드 설정과정(S50)에서 제2강압제어모드로 판단되면, Ds1 = Ds4 = 0, Ds2 = Ds3 = 1, Ds5 = -Dcon, Ds6 = 1 + Dcon로 제어하는 제1강압제어모드(S70)를 수행하되,

상기 Dcon은, 출력기준전압파형(Vo.ref)과 출력전압(Vo)의 오차에 따라 생성되는 듀티비 제어신호이고, 상기 Ds1 ~ Ds6는 제1 ~ 제6스위치소자(S1 ~ S6)의 게이트에 출력하는 제어신호를 의미하며, '1'은 턴온, '0'은 턴오프, Dcon, 1 - Dcon, 1 + Dcon은 Dcon 값에 의해 결정된 비율(%)의 이득으로 스위칭을 위한 케리어주파수에 의해 제어되는 제어신호값을 의미하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제안하는 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기는, AC/DC - 평활 콘덴서- DC/AC 구조의 더블 컨버젼형 UPS와 같은 구조를 가지며, 대용량 전해콘덴서를 사용하지 않고 필터용 스너버 콘덴서만을 가지는 구조이고, 기존의 4-렉 스위칭 소자 대신에 3-렉 스위치 소자를 가지며, AC 전압을 출력하기 위해, 변압기를 사용하지 않고 IGBT 스위칭 소자와 리액터를 이용하여 구성하므로 기존의 자동 전압 조정기보다 부피 및 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 기존의 변압기 탭 절환 방식 및 직렬변압기를 사용한 자동전압 조정기가 가지고 있는 변압기의 무게 및 부피를 줄이고, 대용량 전해 콘덴서가 없어도 AC 전압을 출력할 수 있으므로 부품의 수를 줄임으로써 이동이 가능하다. 또한 고속 스위칭을 부분적으로 실시함으로써 고효율의 IGBT를 이용한 자동전압 조정기를 구성한다.

도 1은 기존에 생산되는 변압기를 사용한 탭 절환 방식의 자동전압 조정기 구성도.
도 2는 종래 직렬변압기를 사용한 4-렉 자동전압 조정기 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 3-렉 구조의 자동 전압 조정기 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 출력 제어기의 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 펄스폭 변조제어기의 제어 흐름도.
도 6은 본 발명에 의한 승압 운전 모드의 제어 파형도.
도 7의 (가) 내지 (라)는 본 발명에 의한 승압 운전 모드의 제어회로 계통도.
도 8은 본 발명에 의한 강압 운전모드의 제어파형도.
도 9의 (가) 내지 (라)는 본 발명에 의한 강압 운전모드의 제어회로 계통도.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 단상 자동 전압 조정기의 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이,

제1 ~ 제6 스위칭소자(S1 - S6)가 각각 두 개씩(S1,S2),(S3,S4),(S5,S6) 직렬 연결되어 3쌍의 스위칭부를 이루고, 직렬 연결된 스위치소자 쌍이 병렬 연결된 제1,제2,제3스위칭부(11, 12, 13)와;

상기 제1스위칭부(11)와 상기 제2스위칭부(12) 사이에 병렬 연결된 완충(SNUBBER) 콘덴서(14)와;

단상 일측 입력단(IN1)을 상기 제1스위칭부(11)의 제1,제2스위칭소자(S1,S2)의 중간 접속점에 연결시키는 입력 리액터(21)와;

상기 제3스위칭부(13)의 제5,제6스위칭소자(S5,S6)의 중간 접속점을 단상 일측 출력단(OUT1)에 연결하는 출력리액터(23)와;

상기 제2스위칭부(12)의 제3,제4스위칭소자(S3,S4)의 중간접속점과 단상 타측 입력단(IN2)에 공통 연결된 단상 타측 출력단(OUT2)과, 상기 단상 일측출력단(OUT1) 사이에 연결된 출력 콘덴서(24)와;

상기 단상 일측 입력단(IN1)을 상기 단상 일측 출력단(OUT1)에 바이패스시키는 바이패스 스위치(22)와;

입력전압, 출력전압을 감지하여 승압모드인지 강압모드인지를 판단하고, 미리 설정된 출력전압에 대한 기준제어신호에 의해 승압모드와 강압모드에 따른 상기 제1-제6스위칭소자(S1 - S6)를 펄스폭변조 제어방식으로 제어하여 출력전압을 일정한 전압으로 조정하는 출력제어기(100)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명에 의한 자동 전압 조정기의 출력 제어기의 구성도이다.

본 발명에 의한 출력제어기(100)는,

미리 설정된 출력 기준전압(Vo.ref)과 검출되는 출력전압(Vo)의 오차를 검출하는 제1오차 검출기(110)와;

상기 제1오차 검출기(110)에서 검출된 오차신호를 입력받아 P제어기(121)를 통해 P제어신호를, I제어기(122)를 통해 I제어신호 검출하여 합산기(123)에서 합산된 PI제어신호를 출력하는 제1 PI제어기(120)와;

상기 제1 PI제어기(120)의 출력신호의 미리 설정된 상하한에 대해 필터링하여 출력오차에 따른 듀티 제어신호(Dn)을 출력하는 제1리미트(130)와;

미리 설정된 출력 기준전압(Vo.ref)과 출력전압(Vo)의 오차를 검출하는 제2오차 검출기(140)와;

상기 제2오차 검출기(140)에서 검출된 오차신호를 절대치부(151)를 통해 절대치를 구하고, 가중치부(152)를 통해 절대치에 따른 가중치를 산출하며, 합산기(153)를 통해 가중치와 '1'을 합산하며, 승산기(154)를 통해 상기 제2 오차 검출기(140)의 출력과 상기 합산기(153)의 출력을 승산하여 가중치를 보상한 제어오차신호(Ew)를 출력하는 에러 보상부(150)와;

상기 제어오차신호(Ew)에 출력기준신호 파형의 양/음에 따른 부호값을 승산하여 제어오차신호의 부호를 결정하는 부호설정부(160)와;

상기 부호설정에 의해 양/음 부호가 설정된 제어오차신호를 P제어기(171), I제어기(172) 및 합산기(173)를 통해서 P제어신호와 I제어신호를 생성하여 합산한 PI제어신호를 출력하는 제2 PI제어기(170)와;

상기 제2 PI제어기(170)의 출력신호를 미리 설정된 상하한 필터링을 하여 부호 설정된 제어오차신호(Dc)를 출력하는 제2 리미터(180)와;

상기 제1리미터(130)의 오차 듀티제어신호(Dn)와 상기 제2리미터(180)의 제어오차신호(Dc)를 합산하여 듀티비 제어신호(Dcon)를 생성하는 듀티비 제어신호생성부(190)와;

상기 듀티비 제어신호(Dcon)에 의거하여 승압모드와 강압모드를 판단하고, 승압모드와 강압모드에 따른 S1 - S6의 스위칭소자에 대한 펄스폭변조 제어신호를 생성하여 출력하는 펄스폭변조제어기(200)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명에 의한 자동 전압 조정기의 펄스폭 변조 제어기의 제어 흐름도이다.

상기 펄스폭변조제어기(200)는,

이와 같이 구성된 본 발명은, 변압기를 사용하지 않고, 제1-제3스위칭부(11-13)가 교류전원을 입력받아 DC전원으로 변환하는 AC/DC 정류부와 교류 리플이 존재하는 DC 전원을 AC로 변환하는 인버터부의 기능을 수행하고, 대용량 전해콘덴서 대신에 리플 필터용 스누버 콘덴서(14)를 사용하여 구성한다.

AC 리플이 존재하는 DC 전원을 양질의 AC 전압을 발생시키기 위해서 도 3과 같은, 제1스위칭부(11)와 제2스위칭부(12)가 정류부로서, 제2스위칭부(2)와 제3스위칭부(13)가 인버터부의 기능을 수행하도록 구성된다.

그리고, 출력은 양호한 AC 전압파형을 만들기 위해서, 출력리액터(23)와 콘덴서(24)에 의해 리플을 제거한 양호한 AC전압 파형을 출력할 수 있게 된다. 이는 입력리액터(21)와 출력 리액터(24)가 각각 상대적으로 충전과 방전 기능을 수행하면서 AC전압 파형을 만들어 주면서 리플 제거에 따른 입출력 필터 기능을 한다.

또한 본 발명의 출력 제어기(100)는 스위칭 손실을 최소화 하기 위하여 고속 스위칭을 일부분씩 단계적으로 실시하므로서 고효율의 자동전압 조정기를 구성할 수 있었다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 상기 출력전압 제어기(100)의 펄스폭 변조 제어기(200)는 도 5의 제어 흐름도와 같이, 출력 기준전압과 출력전압의 오차에 의해 생성된 듀티비 제어신호(Dcon)을 판단하여 승압모드인지, 강압모드인지를 판단한다(S10). 만약 듀티비 제어신호(Dcon)이 "0" 이상인 경우, 승압모드를 수행하며, 반대인 경우 강압 모드를 수행한다.

승압모드에서는 현재 출력 기준전압(Vo.ref) 파형이 "0" 이상인지를 판단(S20)하고, 이상인 경우, 제1승압 제어모드(S30)를 수행하며, 출력 기준전압(Vo.ref) 파형이 "0" 미만이면, 제2승압제어모드(S40)를 수행한다.

도 6은 본 발명에 의한 승압 운전 모드의 제어파형도이고, 도 7의 (가) 내지 (라)는 승압 운전 모드의 제어회로 계통도로서, 이에 도시된 바와 같이,

입력전압이 도 6의 Vi와 같이 정형파 신호로 입력되고, 상기 펄스폭변조제어기(200)에 의해 승압모드로 판단 되었을때, 상기 정현파의 양의 구간에서는 제1승압제어모드(S30)를, 정현파의 음의 구간에서는 제2승압제어모드(S40)를 수행한다.

제1승압제어모드(S30)에서는, Ds1 = 1-Dcon, Ds2 = Dcon, Ds3 = Ds6 = 0, Ds4 = Ds5 = 1로 제어하므로, 도 6의 파형도와 같이, S4, S5는 하이펄스(='1')를, S3, S6은 로우 펄스(='0')에 의해 제어되고, S1, S2는 듀티비 제어신호(Dcon)에 의해 생성된 펄스폭변조제어신호에 의해 제어된다.

이에 따라 S4, S5가 턴온 상태가 되는 정현파의 양의 구간에서는 도 7의 (가)와 (나)와 같이 S4, S5가 턴온되어 경로가 형성되며, 듀티비 제어신호(Dcon)에 의해 S2가 온되면, 도 7의 (가)와 같은 경로가, S1이 온되면 도 7의 (나)와 같은 경로가 생성된다. 이때 S1은, Ds1 = 1-Dcon에 의해, S2는, Ds2 = Dcon에 의해 제어되는 것으로서, 서로 상보합 동작되며, 도 7의 (가)와 같이 S2가 온되는 구간에서는 입력리액터(21)가 충전기능을 하고, 도 7의 (나)와 같이 S1이 온되는 구간에서는 입력 리액터(21)가 방전기능을 수행하면서 스누프 콘덴서(14)에 Vcd 파형과 같이 반파 정류된 파형을 생성할 수 있게 된다.

마찬가지로, 정현파의 음의 구간에서는, 제2승압제어모드(S40)를 수행하게 되는데, 도 5에 도시된 바와 같이 제2승압제어모드(S40)에서는, Ds1 = Dcon, Ds2 = 1 - Dcon, Ds3 = Ds6 = 1, Ds4 = Ds5 = 0로 제어된다.

따라서, S4,S5 는 오프 상태이고, S3, S6는 턴온상태로 경로를 형성하며, S1이 턴온되면, 도 7의 (다)와 같은 경로를, S2가 턴온되면 도 7의 (라)와 같은 경로를 형성한다. 이때 S1이 온되는 도 7의 (다)에서는 입력리액터(21)가 충전모드로, S2가 온되는 도 7의 (라)에서는 입력리액터(21)가 방전모드를 수행하여 스누프 콘덴서(14)에 반파 정류된 정현파를 생성시킨다.

결국, 승압모드에서는, 정현파의 양의 구간은 제1승압제어모드(S30)로 도 7의 (가) 및 (나)와 같이 제어되고, 정현파의 음의 구간에서는 제2승압제어모드(S40)로 도 7의 (다) 및 (라)와 같이 제어되며, 입력리액터(21)의 충방전 기능으로 인해 스누프 콘덴서(14)에 반파 정류된 파형을 생성시킬 수 있고, 듀티비 제어신호(Dcon)에 따라 제1스위칭부(11)의 S1과 S2의 스위칭 듀티비가 제어되어 승압 기능을 수행할 수 있다.

도 8은 본 발명에 의한 강압모드 제어 파형도이고, 도 9의 (가) 내지 (라)는 본 발명에 의한 강압모드 제어 계통도이다.

한편, 듀티비 제어신호(Dcon)이 제로 미만인 경우에는, 상기 모드 판단에 따라 강압모드로 판단하고, 강압제어모드 설정과정(S50)의 판단에 의거하여 출력기준전압파형(Vo.ref)이 제로값 이상이면 즉, 정현파의 양의 구간에서는 제1강압제어모드(S60)를, 제로값 미만이면 즉 정현파의 음의 구간에서는 제2강압제어모드(S70)를 수행한다.

제1강압제어모드(S60)에서는 Ds1 = Ds4 = 1, Ds2 = Ds3 = 0, Ds5 = 1 + Dcon, Ds6 = - Dcon로 제어한다. 이에 따라 S1, S4가 온되고, S2, S3가 오프되며, S5, S6이 듀티비 제어신호(Dcon)에 의해서 상보합 기능으로 제어된다. 즉, S5가 온되면 도 9의 (가)와 같이 경로가 형성되고 출력 리액터는 충전모드로 작동되며, S6가 온되면 도 9의 (나)와 같이 경로가 형성되고 출력 리액터는 방전모드로 작동된다. 이러한 출력 리액터의 충방전 작동과 아울러 출력 콘덴서에서 리플이 제거된 반파 정현파를 생성한다.

마찬가지로, 제2 강압제어모드(S70)에서는 Ds1 = Ds4 = 0, Ds2 = Ds3 = 1, Ds5 = -Dcon, Ds6 = 1 + Dcon로 제어된다. 이에 따라 S2, S3가 턴온되고, S1, S4는 오프상태를 유지하며, S5, S6가 듀티비 제어신호(Dcon)에 의해 상보합 제어된다. S5가 온 되면, 도 9의 (라)와 같은 경로로 출력 리액터는 방전기능으로, S6가 온되면 도 9의 (다)와 같은 경로로 출력 리액터는 충전 기능으로 작동되면서 출력 콘덴서에서 리플 제거된 반파 정현파를 생성한다.

따라서, 승압모드에서는 제1스위칭부의 S1, S2가, 강압모드에서는 제3스위칭부(13)의 S5, S6가 듀티비 제어신호(Dcon)에 의해 제어되고, 이때 입출력 리액터들에 의해 정현파를 생성시켜 AC 전압파형으로 생성하여 출력할 수 있게 된다.

결국, 본 발명에 의한 자동전압 조정기는, 입력전원 및 출력 전원을 만들기 위해서 기존 4-렉방식을 3-렉방식으로 구성하여 1-렉의 스위칭 소자(제2스위칭부)를 공유함으로써 IGBT 스위칭 소자를 줄였으며, 대용량의 전해콘덴서를 사용하지 않고 전원 파형과 동조하여, 1-렉 만을 고속 스위칭을 함으로써 스위칭 손실을 최소화하였다.

11, 12, 13 : 제1 - 제3 스위칭부 14 : 스누프 콘덴서
21 : 입력 리액터 22 : 바이패스 스위치
23 : 출력 리액터 24 : 출력 콘덴서
100 : 출력 제어기 110 : 제1 오차 검출기
120 : 제1 PI 제어기 121 : P제어기
122 : I제어기 123 : 합산기
130 : 제1리미터 140 : 제2오차 검출기
150 : 에러 보상부 151 : 절대치부
152 : 가중치부 153 : 합산기
154 : 승산기 160 : 부호 설정부
170 : 제2 PI제어기 171 : P제어기
172 : I제어기 173 : 합산기
180 : 제2리미터 190 : 듀티비 제어신호 생성부(합산기)
200 : 펄스폭변조 제어기

Claims

자동 전압 조정기에 있어서,
두 개의 IGBT 스위칭 소자를 직렬 연결하여 하나의 스위칭부로서 하나의 렉에 설치하는 방식으로 3개의 스위칭부를 병렬 연결하여 3개의 렉에 설치하고,
첫번째 스위칭부와 두번째 스위칭부 사이에 스누프 콘덴서를 병렬 연결하며,
입력을 입력 리액터를 통해 상기 첫번째 스위칭부에 입력하며, 세번째 스위칭부의 출력을 출력 리액터 및 출력 양단에 연결된 콘덴서를 통해 출력하도록 구성하고,
상기 스위칭 소자들을 제어하기 위한 출력 제어기에 의해 출력 오차에 의해 듀티비 제어신호(Dcon)를 생성하여 펄스폭 변조제어방식으로 상기 각 스위칭 소자들의 스위칭을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기.
자동 전압 조정기에 있어서,
제1 ~ 제6 스위칭소자(S1 - S6)가 각각 두 개씩(S1,S2),(S3,S4),(S5,S6) 직렬 연결되어 3쌍의 스위칭부를 이루고, 직렬 연결된 스위치소자 쌍이 병렬 연결된 제1,제2,제3스위칭부(11, 12, 13)와;
상기 제1스위칭부(11)와 상기 제2스위칭부(12) 사이에 병렬 연결된 완충(SNUBBER) 콘덴서(14)와;
단상 일측 입력단(IN1)을 상기 제1스위칭부(11)의 제1,제2스위칭소자(S1,S2)의 중간 접속점에 연결시키는 입력 리액터(21)와;
상기 제3스위칭부(13)의 제5,제6스위칭소자(S5,S6)의 중간 접속점을 단상 일측 출력단(OUT1)에 연결하는 출력리액터(23)와;
상기 제2스위칭부(12)의 제3,제4스위칭소자(S3,S4)의 중간접속점과 단상 타측 입력단(IN2)에 공통 연결된 단상 타측 출력단(OUT2)과, 상기 단상 일측출력단(OUT1) 사이에 연결된 출력 콘덴서(24)와;
상기 단상 일측 입력단(IN1)을 상기 단상 일측 출력단(OUT1)에 바이패스시키는 바이패스 스위치(22)와;
입력전압, 출력전압을 감지하여 승압모드인지 강압모드인지를 판단하고, 미리 설정된 출력전압에 대한 기준제어신호에 의해 승압모드와 강압모드에 따른 상기 제1-제6스위칭소자(S1 - S6)를 펄스폭변조 제어방식으로 제어하여 출력전압을 일정한 전압으로 조정하는 출력제어기(100)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기.
제 2 항에 있어서,
상기 출력제어기(100)는,
미리 설정된 출력 기준전압(Vo.ref)과 검출되는 출력전압(Vo)의 오차를 검출하는 제1오차 검출기(110)와;
상기 제1오차 검출기(110)에서 검출된 오차신호를 입력받아 P제어기(121)를 통해 P제어신호를, I제어기(122)를 통해 I제어신호 검출하여 합산기(123)에서 합산된 PI제어신호를 출력하는 제1 PI제어기(120)와;
상기 제1 PI제어기(120)의 출력신호의 미리 설정된 상하한에 대해 필터링하여 출력오차에 따른 듀티 제어신호(Dn)을 출력하는 제1리미트(130)와;
미리 설정된 출력 기준전압(Vo.ref)과 출력전압(Vo)의 오차를 검출하는 제2오차 검출기(140)와;
상기 제2오차 검출기(140)에서 검출된 오차신호를 절대치부(151)를 통해 절대치를 구하고, 가중치부(152)를 통해 절대치에 따른 가중치를 산출하며, 합산기(153)를 통해 가중치와 '1'을 합산하며, 승산기(154)를 통해 상기 제2 오차 검출기(140)의 출력과 상기 합산기(153)의 출력을 승산하여 가중치를 보상한 제어오차신호(Ew)를 출력하는 에러 보상부(150)와;
상기 제어오차신호(Ew)에 출력기준신호 파형의 양/음에 따른 부호값을 승산하여 제어오차신호의 부호를 결정하는 부호설정부(160)와;
상기 부호설정에 의해 양/음 부호가 설정된 제어오차신호를 P제어기(171), I제어기(172) 및 합산기(173)를 통해서 P제어신호와 I제어신호를 생성하여 합산한 PI제어신호를 출력하는 제2 PI제어기(170)와;
상기 제2 PI제어기(170)의 출력신호를 미리 설정된 상하한 필터링을 하여 부호 설정된 제어오차신호(Dc)를 출력하는 제2 리미터(180)와;
상기 제1리미터(130)의 오차 듀티제어신호(Dn)와 상기 제2리미터(180)의 제어오차신호(Dc)를 합산하여 듀티비 제어신호(Dcon)를 생성하는 듀티비 제어신호생성부(190)와;
상기 듀티비 제어신호(Dcon)에 의거하여 승압모드와 강압모드를 판단하고, 승압모드와 강압모드에 따른 S1 - S6의 스위칭소자에 대한 펄스폭변조 제어신호를 생성하여 출력하는 펄스폭변조제어기(200)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기.
제 3 항에 있어서,
상기 펄스폭변조제어기(200)는,
듀티비 제어신호(Dcon)가 기준치 이상인 경우 승압모드로, 기준치 미만이면 강압모드로 제어하는 모드 판단과정(S10)과;
상기 모드 판단에 따라 승압모드인 경우, 출력기준전압파형(Vo.ref)이 제로값 이상이면 후술되는 제1승압제어모드를, 제로값 미만이면 후술되는 제2승압제어모드를 설정하는 승압제어모드 설정과정(S20)과;
상기 승압제어모드 설정과정(S20)에서 제1승압제어모드로 판단되면, Ds1 = 1-Dcon, Ds2 = Dcon, Ds3 = Ds6 = 0, Ds4 = Ds5 = 1로 제어하는 제1승압제어모드(S30)와;
상기 승압제어모드 설정과정(S20)에서 제2승압제어모드로 판단되면, Ds1 = Dcon, Ds2 = 1 - Dcon, Ds3 = Ds6 = 1, Ds4 = Ds5 = 0로 제어하는 제2승압제어모드(S40)와;
상기 모드 판단에 따라 강압모드인 경우, 출력기준전압파형(Vo.ref)이 제로값 이상이면 후술되는 제1강압제어모드를, 제로값 미만이면 후술되는 제2강압제어모드를 설정하는 강압제어모드 설정과정(S50)과;
상기 강압제어모드 설정과정(S50)에서 제1강압제어모드로 판단되면, Ds1 = Ds4 = 1, Ds2 = Ds3 = 0, Ds5 = 1 + Dcon, Ds6 = - Dcon로 제어하는 제1강압제어모드(S60)과;
상기 강압제어모드 설정과정(S50)에서 제2강압제어모드로 판단되면, Ds1 = Ds4 = 0, Ds2 = Ds3 = 1, Ds5 = -Dcon, Ds6 = 1 + Dcon로 제어하는 제2강압제어모드(S70)를 수행하는 프로그램이 설치되되,
상기 Dcon은, 출력기준전압파형(Vo.ref)과 출력전압(Vo)의 오차에 따라 생성되는 듀티비 제어신호이고, 상기 Ds1 ~ Ds6는 제1 ~ 제6스위치소자(S1 ~ S6)의 게이트에 출력하는 제어신호를 의미하며, '1'은 턴온, '0'은 턴오프, Dcon, 1 - Dcon, 1 + Dcon은 Dcon 값에 의해 결정된 비율(%)의 이득으로 스위칭을 위한 케리어주파수에 의해 제어되는 제어신호값을 의미하는 것을 특징으로 하는 IGBT를 이용한 자동 전압 조정기.