KR101312372B1 - Ａｃ/ａｃ, ａｃ/ｄｃ 및 ｄｃ/ａｃ 겸용 단상 전력 변환기 - Google Patents

Ａｃ/ａｃ, ａｃ/ｄｃ 및 ｄｃ/ａｃ 겸용 단상 전력 변환기 Download PDF

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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 전력 변환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 전력 변환기 구성으로 벅 또는 부스트 AC/AC 컨버터 모드, 부스트 AC/DC 컨버터 모드 및 벅 DC/AC 컨버터 모드로 동작할 수 있는 AC/AC, AC/DC 및 DC/AC 겸용 단상 전력 변환기에 관한 것이다.

Description

ＡＣ/ＡＣ, ＡＣ/ＤＣ 및 ＤＣ/ＡＣ 겸용 단상 전력 변환기{Single phase inverter}
본 발명은 전력 변환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 전력 변환기 구성으로 벅 또는 부스트 AC/AC 컨버터 모드, 부스트 AC/DC 컨버터 모드 및 벅 DC/AC 컨버터 모드로 동작할 수 있는 AC/AC, AC/DC 및 DC/AC 겸용 단상 전력 변환기에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 단상 전력 변환기를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면 종래의 단상 전력 변환기(10)는 입력 필터부(11), 정류부(12), 스위칭부(13) 및 출력 필터부(14)를 포함하여 이루어진다.
상기 입력 필터부(11)는 입력 교류 전원의 고조파 성분을 제거하고, 상기 정류부(12)는 교류를 직류로 정류하며, 상기 스위칭부(13)는 주파수를 가변하며 전압의 크기를 조정하고, 상기 출력 필터부(14)는 상기 스위칭부(13)에서 스위칭된 전압의 출력 고조파를 제거하여 직류를 출력한다.
또한, 상기 입력 필터부(11)는 상기 정류부(12)가 풀 브릿지 다이오드(12a)로 구성될 경우에 120[Hz]의 펄스형 전류로 인한 고조파 전류 및 변압기 이용률을 개선하기 위해 사용되며, 저차 고조파 성분을 제거하기 위해서는 용량이 큰 L-C필터로 구성하여야 한다.
이러한 종래의 단상 전력 변환기(10)는 주파수 가변이 가능한 형태이기 때문에 출력주파수의 변화없이 입력 교류 전원의 크기 제어만 요구되는 시스템에 적용하기에는 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
한편, 교류 입력 전원을 제어하기 위해서는 일반적으로 PWM(Pulse Width Modulation) 또는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 제어 방식을 사용하나, 입력 교류 전원과 출력 전원의 주파수와 형상이 동일할 경우, 단순 시비율에 의해 출력전압을 제어할 수 있다.
그러나, 단순 시비율에 의해 제어되는 출력 전압은 스위칭 고조파 성분이 발생하며 이를 제거하기 위해 출력단에 L-C필터를 구비하여야 한다.
또한, 종래의 단상 전력 변환기(10)는 정류부(12)에 평활용 콘덴서(12b)가 반드시 구비되어야 하므로 콘덴서의 수명에 의해 전력 변환기의 수명이 좌우되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 단상 전력 변환기(10)는 AC/AC, AC/DC 또는 DC/AC 변환용으로 각각 제작되므로 범용으로 활용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명자들은 전력 변환기의 수명을 연장할 수 있고, 단순 시비율에 의해 출력전압을 제어할 수 있으며, 다양한 모드로 동작하여 범용가능한 전력 변환장치를 개발하고자 연구노력한 결과, 벅 또는 부스트 AC/AC 컨버터 모드, 부스트 AC/DC 컨버터 모드 및 벅 DC/AC 컨버터 모드로 동작하여 범용성을 갖는 전력 변환기의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 풀 브릿지 다이오드와 평활용 콘덴서를 제거하여 수명을 증대시킨 전력 변환기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단순 시비율에 의해 출력 전압을 제어할 수 있는 전력 변환기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 벅 또는 부스트 AC/AC 컨버터 모드, 부스트 AC/DC 컨버터 모드 및 벅 DC/AC 컨버터 모드로 동작할 수 있어 범용성을 갖는 전력 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 교류전원 입력부; 일 측이 상기 교류전원 입력부의 일 측에 연결되어 전원을 충전 또는 방전하는 인덕터; 일 측은 상기 인덕터의 타 측과 연결되고, 타 측은 상기 교류전원 입력부의 타 측에 연결되며, 상기 인덕터에 정방향(+) 또는 부방향(-)으로 전원이 충전되게 하는 충전용 스위치; 일 측이 상기 인덕터의 타 측에 연결되고, 상기 인덕터에 충전된 전원을 정방향 또는 부방향으로 방전되게 하는 양방향 스위치; 및 상기 양방향 스위치의 타 측과 상기 충전용 스위치의 타 측에 연결되는 교류전원 출력부;를 포함하며, 상기 교류전원 입력부에서 공급되는 전원을 승압하여 상기 교류전원 출력부로 출력하는 부스트(Boost) AC/AC 컨버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 출력부의 전원이 상기 교류전원 입력부로 출력될 경우, 벅(buck) AC/AC 컨버터로 동작하고, 상기 양방향 스위치는 상기 인덕터에 정방향 또는 부방향으로 전원이 충전되게 하고, 상기 충전용 스위치는 상기 인덕터에 충전된 전원을 환류시켜 상기 교류전원 입력부로 출력되게 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 충전용 스위치는 서로 직결되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 양방향 스위치는 서로 직결되는 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 입력부의 전원이 상기 교류전원 출력부로 출력될 경우, 부스트(Boost) AC/AC 컨버터로 동작하고, 상기 제1 스위치는 상기 교류전원 입력부의 전원을 부방향으로 상기 인덕터에 충전하고, 상기 제2 스위치는 상기 교류전원 입력부의 전원을 정방향으로 상기 인덕터에 충전하며, 상기 제3 스위치는 상기 인덕터에 충전된 전원을 정방향으로 상기 교류전원 출력부로 출력하고, 상기 제4 스위치는 상기 인덕터에 충전된 전원을 부방향으로 상기 교류전원 출력부로 출력한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 입력부의 전원이 양의 반주기일 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 '오프'된 채, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 서로 번갈아 '온/오프'된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 출력부로 출력되는 전압의 크기는 상기 스위치들의 '온/오프' 시간 비인 시비율로 제어된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 입력부의 전원이 음의 반주기일 경우, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 '오프'된 채, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치가 서로 번갈아 '온/오프'된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 사이 단과 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 사이 단에 상기 교류전원 입력부의 전원을 직류로 출력하는 직류전원 출력부를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 출력부의 양단에 병렬로 연결되고, '오프'되었을 때, 상기 교류전원 입력부와 상기 교류전원 출력부 사이에서 전력변환이 이루어지게 하고, '온'되었을 때, 상기 교류전원 입력부와 상기 직류전원 출력부 사이에서 전력변환이 이루어지게 하는 모드 전환 스위치를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 모드 전환 스위치가 '온'될 경우, 상기 제1 내지 제4 스위치는 상기 인덕터와 상기 직류전원 출력부 사이에서 풀 브릿지 형태로 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류전원 입력부의 전원이 상기 직류전원 출력부로 출력될 경우, 부스트 AC/DC컨버터로 동작하고, 상기 직류전원 출력부의 전원이 상기 교류전원 입력부로 출력될 경우, 벅 DC/AC컨버터로 동작한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부스트 AC/DC컨버터로 동작할 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 또는 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 '온'하여 상기 인덕터에 전원을 충전하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치 또는 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 '온'하여 상기 인덕터에 충전된 전원과 상기 교류전원 입력부의 전원이 상기 직류전원 출력부로 출력되게 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 양극성(Bipolar) PWM 방식으로 스위칭할 경우, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 '온'하여 상기 인덕터에 전원을 충전한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 벅 DC/AC컨버터로 동작할 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 '온'하여 상기 직류전원 출력부의 전원이 풀 브릿지의 두 폴(pole)에 정방향으로 인가되게 하거나, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 '온'하여 상기 직류전원 출력부의 전원이 상기 두 폴에 역방향으로 인가되게 하거나, 상기 제1 내지 제4 스위치를 '오프'하여 상기 두 폴에 영전압이 인가되게 하여 상기 두 폴의 전압을 제어함으로써 상기 직류전원 출력부의 전압이 상기 교류전원 입력부로 출력되게 한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 전력 변환기에 의하면, 입력 교류 전원을 정류하기 위한 풀 브릿지 다이오드와 평활용 콘덴서를 제거하여 평활용 콘덴서의 수명과 관계없이 수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전력 변환기에 의하면, AC/AC변환시 PWM 또는 PAM 제어방법을 이용하지 않고, 단순 시비율에 의해 출력 전압을 제어할 수 있으므로 주파수 가변이 필요없이 전압 크기만을 제어할 수 있는 시스템에 적용시 매우 효과적인 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전력 변환기에 의하면, 벅 또는 부스트 AC/AC 컨버터 모드, 부스트 AC/DC 컨버터 모드 및 벅 DC/AC 컨버터 모드로 동작할 수 있어 하나의 전력 변환기로 다양한 종류의 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 단상 전력 변환기를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/AC 모드일 때의 등가회로를 보여주는 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 입력 교류 전원이 양의 반주기일 때 부스트 AC/AC 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 입력 교류 전원이 음의 반주기일 때 부스트 AC/AC 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기의 부스트 AC/AC 모드에서 스위칭 신호 및 입출력 파형을 보여주는 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 AC/DC 또는 DC/AC 모드로 동작할 때의 등가회로를 보여주는 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC 모드일 경우 등가회로를 보여주는 도면,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 가 부스트 AC/DC 모드로 동작할 때 각부 파형을 보여주는 도면,
도 12는 도 11의 파형 일부를 확대한 도면,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 AC/DC 모드로 동작할 때, 단극성 PWM 기법과 양극성 PWM 기법을 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC모드에서 단극성 PWM 기법을 이용하여 인덕터 전류를 증가시키는 것을 보여주는 도면,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC모드에서 양극성 PWM 기법을 이용하여 인덕터 전류를 증가시키는 것을 보여주는 도면,
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC모드에서 인덕터 전류를 감소시키는 것을 보여주는 도면,
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 벅 DC/AC 모드로 동작할 경우 등가회로를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기(100)는 교류전원 입력부(110), 인덕터(120), 충전용 스위치(130), 양방향 스위치(140) 및 교류전원 출력부(150)를 포함하여 이루어진다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기(100)는 종래의 전력 변환기(10)와 비교하여 풀 브릿지 다이오드(12a)와 평활용 콘덴서(12b)가 제거된 형태이다.
따라서 전해 콘덴서의 수명에 의해 전력 변환기의 수명이 결정되지 않으므로 전력 변환기의 수명 증대를 꾀할 수 있다.
또한, 상기 전력 변환기(100)는 상기 교류전원 입력부(110)를 입력으로 사용하고 상기 교류전원 출력부(150)를 출력으로 사용할 경우, 부스트(Boost) AC/AC 모드 즉, 승압형으로 동작하고, 상기 교류전원 출력부(150)를 입력으로 사용하고, 상기 교류전원 입력부(110)를 출력으로 사용할 경우 벅(Buck) AC/AC 모드 즉, 강압형으로 동작한다.
상기 교류전원 입력부(110)는 교류전원이 입력되는 입력단이며, 상기 인덕터(120)와 고조파 성분을 제거하기 위한 입력용 콘덴서(111)를 포함할 수 있다.
상기 인덕터(120)는 일 측이 상기 교류전원 입력부(110)의 플러스 단에 연결되며, 상기 교류전원 입력부(110)의 전원이 충전 또는 방전된다.
상기 충전용 스위치(130)는 일 측이 상기 인덕터(120)의 타 측에 연결되며, 상기 인덕터(120)에 정방향(+) 또는 부방향(-)으로 전원이 충전되게 한다.
또한, 상기 충전용 스위치(130)는 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 스위치 조합으로 구성될 수 있고, 본 발명에서는 제1 스위치(131)와 제2 스위치(132)를 서로 다른 방향으로 직결하여 구성하였다.
상기 양방향 스위치(140)는 일 측이 상기 충전용 스위치(130)의 일 측 및 상기 인덕터(120)의 타 측과 연결되고, 상기 인덕터(120)에 충전된 전원을 정방향 또는 부방향으로 방전되게 한다.
또한, 상기 양방향 스위치(140) 역시 양방향으로 전류가 흐르게 할 수 있는 다양한 스위치 조합으로 구현될 수 있으나 본 발명에서는 제3 스위치(141)와 제4 스위치(142)를 서로 다른 방향으로 직결하여 구성하였다.
상기 교류 전원 출력부(150)는 교류전원을 출력할 수 있는 단자로써 상기 양방향 스위치(140)의 타 측과 상기 충전용 스위치(130)의 타 측 즉, 접지 단에 연결된다.
또한, 상기 교류 전원 출력부(150)는 출력전원의 고조파를 제거하기 위한 출력용 콘덴서(151)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기(100)는 AC/DC, DC/AC모드로 전환하기 위한 모드 전환스위치(161) 및 직류 전원을 출력하기 위한 직류전원 출력부(160)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 모드 전환스위치(161)는 상기 교류전원 출력부(150)의 양단에 병렬로 연결되고, '오프'되었을 때, 상기 교류전원 입력부(110)와 상기 교류전원 출력부(150) 사이에서 벅 또는 부스트 AC/AC 모드로 전력변환이 이루어지게 하고, '온'되었을 때, 상기 교류전원 입력부(110)와 상기 직류전원 출력부(160) 사이에서 부스트 AC/DC 모드 또는 벅 DC/AC 모드로 전력변환이 이루어지게 한다.
또한, 상기 출력 전원부(160)는 직류 전원을 출력하기 위한 단자로써 상기 제1 스위치(131) 및 상기 제2 스위치(132)의 사이단과 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)의 사이 단에 구비된다.
이하에서는 상기 전력 변환기(100)가 부스트 AC/AC 모드로 동작하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/AC 모드일 때의 등가회로를 보여주는 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 입력 교류 전원이 양의 반주기일 때 부스트 AC/AC 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기(100)가 부스트 AC/AC 모드일 때는 상기 교류전원 입력부(110)를 입력단으로 사용하고 상기 교류전원 출력부(150)를 출력단으로 사용한다.
또한, 상기 모드 전환 스위치(161)는 '오프'된 상태이다. 즉, 상기 인덕터(120)가 입력측에 구비되므로 부스트 모드로 동작하게 된다.
더욱 자세하게는 도 4를 참조하면, 상기 교류전원 입력부(110)의 전원이 정주기(양의 반주기)일 때, 먼저, 상기 제1 스위치(131), 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)는 '오프'되고 상기 제2 스위치(132)는 '온'되어 상기 인덕터(120)에 정방향으로 에너지가 충전되게 한다. 다음, 상기 제2 스위치(132)가 '오프'되고 상기 제3 스위치(141)이 '온'되어 상기 인덕터(120)에 충전된 전원이 상기 교류전원 출력부(150)로 출력되게 한다. 이때, 상기 출력용 콘덴서(151)의 전원과 더해져 승압된 전원이 출력된다.
즉, 입력 교류가 정주기일 때는, 상기 제1 스위치(131) 및 상기 제4 스위치(142)는 '오프'상태를 유지한 채, 상기 제2 스위치(132) 및 상기 제3 스위치(141)가 서로 번갈아 '온/오프'하여 입력 교류 전원을 승압하여 출력한다.
또한, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 입력 교류 전원이 음의 반주기일 때 부스트 AC/AC 모드로 동작하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 전력 변환기(100)가 입력 교류 전원의 음의 반주기일 때, 상기 제2 스위치(132)와 상기 3 스위치(141)는 '오프'상태를 유지한 채, 상기 제1 스위치(131) 및 상기 제4 스위치(142)를 서로 번갈아 '온/오프'함으로써 입력 교류 전원이 부방향으로 승압되어 출력되게 한다.
또한, 상기 전력 변환기(100)는 입력 교류 전원이 음의 반주기일 경우, 전류가 역방향으로 흐르게 하는 점을 제외하고는 실질적으로 양의 반주기일 경우와 동작과정을 동일하다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기(100)는 AC/AC 변환시 교류쵸퍼 모드로 동작한다.
또한, 상기 제1 내지 제4 스위치(131,132,141,142)를 FET 스위치로 구성할 경우 '오프'상태에서 다이오드로 전류가 흐르므로 영전압에서 '온'할 수 있어 스위치의 '온'손실을 저감할 수 있다.
그러나 상기 제1 내지 제4 스위치(131,132,141,142)는 IGBT 스위치로 대체될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기의 부스트 AC/AC 모드에서 스위칭 신호 및 입출력 파형을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 8의 파형(a)는 입력 교류 전원을 보여주는 것이고, 파형(b)는 출력 교류 전원을 보여주는 것이고, 파형(c) 및 파형(d)는 스위칭 신호를 보여주는 것이다.
도 8을 참조하면, 입력 교류 전원이 양의 반주기일 경우, 상기 제2 스위치(132,Q2)와 상기 제3 스위치(131,Q1)가 서로 번갈아 '온/오프'되며, 음의 반주기일 경우, 상기 제1 스위치(131,Q1)와 상기 제4 스위치(142,Q4)가 서로 번갈아 '온/오프'됨을 알 수 있다.
또한, 출력 교류 전원의 크기는 각 스위치의 '온/오프' 시간 비인 시비율(d)에 의해 제어됨을 알 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나 상기 전력 변환기(100)는 상기 교류전원 출력부(150)를 입력으로 하고 상기 교류전원 입력부(110)를 출력으로 할 경우, 벅 AC/AC 모드로 동작하고, 이 경우, 상기 양방향 스위치(140)는 상기 인덕터(120)에 전원을 충전하는 충전용 스위치로 사용되고, 상기 충전용 스위치(130)는 상기 양방향 스위치(140)가 '오프'되었을 때, 환류 패스를 형성하여 상기 인덕터(120)에 충전된 전원이 상기 교류전원 입력부(110)로 출력되게 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 AC/DC 또는 DC/AC 모드로 동작할 때의 등가회로를 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 전력 변환기(100)는 상기 모드 전환 스위치(161)가 '온'될 경우, 상기 교류전원 입력부(110)와 상기 직류전원 출력부(160) 간에 전력변환을 수행한다.
또한, 상기 전력변환기(100)는 상기 교류전원 입력부(110)를 입력단으로 사용하고 상기 직류전원 출력부(160)를 출력단으로 사용할 경우, 부스트 AC/DC 모드로 동작하게 되고, 상기 직류전원 출력부(160)를 입력단으로 사용하고 상기 교류전원 입력부(110)를 출력단으로 사용할 경우, 벅 DC/AC 모드로 동작하게 된다.
또한, 상기 제1 내지 제4 스위치(131,132,141,142)는 상기 교류전원 입력부(110) 및 상기 직류전원 출력부(160) 사이에서 풀 브릿지 형태로 연결된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC 모드일 경우 등가회로를 보여주는 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 가 부스트 AC/DC 모드로 동작할 때 각부 파형을 보여주는 도면이고, 도 12는 도 11의 파형 일부를 확대한 도면이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 상기 전력 변환기(100)가 부스트 AC/DC 모드로 동작할 경우, PWM 컨버터 모드와 동일하고 인덕터 전류(iL)은 증가 감소를 반복하며 상기 직류전원 출력부(160)에 직류전원(Vout)이 출력되게 한다.
또한, 상기 PWM 컨버터 모드는 상기 인덕터 전류(iL)는 증가하고 풀 브릿지의 두 폴 전압(Vs)(제1 스위치 및 제3 스위치의 사이단과 제2 스위치 및 제4 스위치의 사이단 간의 전압)이 '0'인 제1 구간(Ⅰ)과 상기 인덕터 전류(iL)는 감소하고 풀 브릿지의 두 폴 전압(Vs)이 'Vout'인 제2 구간(Ⅱ)을 포함한다.
또한, 상기 제1 구간(Ⅰ)에서 상기 인덕터 전류(iL)를 증가시키는 스위칭 기법은 단극성 PWM과 양극성 PWM 기법이 있는데, 도 13은 단극성 PWM과 양극성 PWM 기법을 설명하기 위한 도면으로써, 단극성 PWM의 경우, 상기 두 폴 전압(Vs1)에서 '0'과 '+Vout'이 번갈아 출력되게 하고, 양극성 PWM의 경우, 상기 두 폴 전압(Vs1)에서 '0'과 '-Vout'이 번갈아 출력되게 하여 인덕터 전류를 증가시킨다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC모드에서 단극성 PWM 기법을 이용하여 인덕터 전류를 증가시키는 것을 보여주는 도면이다.
도 14를 참조하면, 상기 교류전원 입력부(110)의 전원이 양의 반주기일 때, 상기 제1 스위치(131) 및 상기 제2 스위치(132)는 '온'하고, 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)는 '오프'하여, 교류전원-인덕터(120)-제1 스위치(131)의 다이오드-제2 스위치(132)로 전류가 흐르게 되어 상기 인덕터 전류가 증가한다.
또한, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC모드에서 양극성 PWM 기법을 이용하여 인덕터 전류를 증가시키는 것을 보여주는 도면으로써, 양극성 PWM 기법은 상기 제1 스위치(131)와 상기 제4 스위치(142)를 '온'하여 인덕터 전류를 증가시키는 경우인데 이 경우 인덕터에는 입력전원(Vi)와 출력전압(Vout)에 의해 전류가 증가한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 부스트 AC/DC모드에서 인덕터 전류를 감소시키는 것을 보여주는 도면이다.
도 16을 참조하면, 상기 제2 구간(Ⅱ)과 같이 인덕터 전류를 감소기키기 위해서는 상기 인덕터(120)에 인가되는 전압의 마이너스(-)가 되어야하므로, 상기 제1 스위치(131) 및 상기 제4 스위치(142)를 '온'하여, 교류전원-인덕터(120)-제1 스위치(131)의 다이오드-출력용 커패시터(151)-제4 스위치(142)의 다이오드로 전류가 흐르함으로써 상기 인덕터 전류를 감소시킨다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기가 벅 DC/AC 모드로 동작할 경우 등가회로를 보여주는 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환기(100)가 벅 DC/AC 모드로 동작할 경우, 일반적인 단상 풀브릿지 인버터와 동일한 형태이며, 상기 직류 전원 출력부(160)의 직류 전원(Vdc)을 교류 출력 전압(Vi)을 변환하여 부하에 공급하고, 교류 출력 전압의 파형은 상기 제1 내지 제4 스위치(131,132,141,142)의 스위칭 동작에 따라 결정된다.
또한, 교류 출력 전압의 크기는 두 폴(va,vb)의 전압 차와 같다.
또한, 교류 출력 전압은 'Vdc', '-Vdc', '0' 전압의 3레벨의 출력을 얻을 수 있으며, 'Vdc'를 얻기 위해서는 상기 제 스위치(131) 및 상기 제4 스위치(142)를 '온'하여 상기 직류전원 출력부(160)의 전압이 두 폴에 정방향으로 인가되게 하고, '-Vdc'를 얻기 위해서는 상기 제2 스위치(132) 및 상기 제3 스위치(141)를 '온'하여 상기 직류전원 출력부(160)의 전압이 두 폴에 역방향으로 인가되게 하고, '0'전압을 얻기 위해서는 상기 제1 내지 제4 스위치(131,132,141,142)를 모두 '오프'한다.
즉, 벅 DC/AC 모드에스는 상기 두 폴의 전압(va,vb)을 제어하여 상기 직류전원 출력부(160)의 전원이 상기 교류전원 입력부(110)로 출력되게 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 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 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:전력 변환기 110:교류전원 입력부
111:입력용 콘덴서 120:인덕터
130:충전용 스위치 131:제1 스위치
132:제2 스위치 140:양방향 스위치
141:제3 스위치 142:제4 스위치
150:교류전원 출력부 151:출력용 콘덴서
160:직류전원 출력부 161:모드전환 스위치

Claims (14)

  1. 교류전원 입력부;
    일 측이 상기 교류전원 입력부의 일 측에 연결되어 전원을 충전 또는 방전하는 인덕터;
    일 측은 상기 인덕터의 타 측과 연결되고, 타 측은 상기 교류전원 입력부의 타 측에 연결되며, 서로 직결되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하여 상기 인덕터에 정방향(+) 또는 부방향(-)으로 전원이 충전되게 하는 충전용 스위치;
    일 측이 상기 인덕터의 타 측에 연결되고, 상기 인덕터에 충전된 전원을 정방향 또는 부방향으로 방전되게 하며, 서로 직결되는 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 양방향 스위치;
    상기 양방향 스위치의 타 측과 상기 충전용 스위치의 타 측에 연결되는 교류전원 출력부; 및
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 사이 단과 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 사이 단에 상기 교류전원 입력부의 전원을 직류로 출력하는 직류전원 출력부;를 포함하며,
    상기 교류전원 입력부에서 공급되는 전원을 승압하여 상기 교류전원 출력부로 출력하는 부스트(Boost) AC/AC 컨버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류전원 출력부의 전원이 상기 교류전원 입력부로 출력될 경우, 벅(buck) AC/AC 컨버터로 동작하고,
    상기 양방향 스위치는 상기 인덕터에 정방향 또는 부방향으로 전원이 충전되게 하고,
    상기 충전용 스위치는 상기 인덕터에 충전된 전원을 환류시켜 상기 교류전원 입력부로 출력되게 하는 전력 변환기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류전원 입력부의 전원이 상기 교류전원 출력부로 출력될 경우, 부스트(Boost) AC/AC 컨버터로 동작하고,
    상기 제1 스위치는 상기 교류전원 입력부의 전원을 부방향으로 상기 인덕터에 충전하고,
    상기 제2 스위치는 상기 교류전원 입력부의 전원을 정방향으로 상기 인덕터에 충전하며,
    상기 제3 스위치는 상기 인덕터에 충전된 전원을 정방향으로 상기 교류전원 출력부로 출력하고,
    상기 제4 스위치는 상기 인덕터에 충전된 전원을 부방향으로 상기 교류전원 출력부로 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 교류전원 입력부의 전원이 양의 반주기일 경우,
    상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 '오프'된 채, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치가 서로 번갈아 '온/오프'되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교류전원 입력부의 전원이 음의 반주기일 경우,
    상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 '오프'된 채, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치가 서로 번갈아 '온/오프'되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 교류전원 출력부로 출력되는 전압의 크기는 상기 제1 내지 제4 스위치의 '온/오프' 시간 비인 시비율로 제어되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류전원 출력부의 양단에 병렬로 연결되고, '오프'되었을 때, 상기 교류전원 입력부와 상기 교류전원 출력부 사이에서 전력변환이 이루어지게 하고, '온'되었을 때, 상기 교류전원 입력부와 상기 직류전원 출력부 사이에서 전력변환이 이루어지게 하는 모드 전환 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 모드 전환 스위치가 '온'될 경우, 상기 제1 내지 제4 스위치는 상기 인덕터와 상기 직류전원 출력부 사이에서 풀 브릿지 형태로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 교류전원 입력부의 전원이 상기 직류전원 출력부로 출력될 경우, 부스트 AC/DC컨버터로 동작하고, 상기 직류전원 출력부의 전원이 상기 교류전원 입력부로 출력될 경우, 벅 DC/AC컨버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 부스트 AC/DC컨버터로 동작할 경우,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 또는 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 '온'하여 상기 인덕터에 전원을 충전하고,
    상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치 또는 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 '온'하여 상기 인덕터에 충전된 전원과 상기 교류전원 입력부의 전원이 상기 직류전원 출력부로 출력되게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    양극성(Bipolar) PWM 방식으로 스위칭할 경우, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 '온'하여 상기 인덕터에 전원을 충전하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 벅 DC/AC컨버터로 동작할 경우,
    상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 '온'하여 상기 직류전원 출력부의 전원이 풀 브릿지의 두 폴(pole)에 정방향으로 인가되게 하거나,
    상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 '온'하여 상기 직류전원 출력부의 전원이 상기 두 폴에 역방향으로 인가되게 하거나,
    상기 제1 내지 제4 스위치를 '오프'하여 상기 두 폴에 영전압이 인가되게 하여 상기 두 폴의 전압을 제어함으로써 상기 직류전원 출력부의 전압이 상기 교류전원 입력부로 출력되게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
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