KR101341476B1 - 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접시스템의 용접 전원계통에서 인버터의 스위칭에 의한 스위칭 손실을 최소화하고, 용접 부하의 크기에 따른 대전류의 출력이 방지될 수 있도록 함으로써, 고주파수의 직류 전원 전압 출력에 대한 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 용접시스템의 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 전원 입력단의 양단 사이에 병렬 연결되어 전압 변환을 위한 스위칭을 수행하는 제1하프 브리지 인버터(Half Bridge Inverter), 상기 제1하프 브리지 인버터의 후단에서 상기 전원 입력단의 양단 사이에 병렬 연결되어 전압 변환을 위한 스위칭을 수행하는 제2하프 브리지 인버터, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터의 연결단 사이에 병렬 연결되어 전류 부하를 감소시키기 위한 블로킹(Blocking)을 수행하는 파워 블로킹 회로, 상기 파워 블로킹 회로의 출력단과 각 1차 코일의 연결 중심 지점이 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 각 출력단과 대응 연결되는 제1 및 제2전원 변압기, 상기 제1 및 제2전원 변압기의 2차 코일과 연결되어 교류 전압을 정류하는 정류 회로 및, 상기 정류 회로의 출력단에 일단이 연결되고, 타단이 전원 출력단에 연결되어, 직류 출력 전압의 전류 변화에 대해 리액턴스를 발생하는 파워 리액터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치{Phase Adjustable Inverter and Converter Apparatus}
본 발명은 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접시스템의 용접 전원장치에서 발생되는 전원 전압 및 전류에 대한 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에 관한 것이다.
일반적으로, TIG(Tungsten Inert Gas) 및 MIG(Meta Inert Gas)와 같은 아크 용접시스템은 용접 전원장치와 와이어 송급장치가 포함되어 있다.
용접시스템의 와이어 송급장치 일측에는 실제 용접작업을 수행하는 용접토치가 구비되어 있는데, 용접 전원장치는 와이어 송급장치를 거쳐 용접토치에 전원을 공급할 수 있도록 되어 있다.
이러한 용접시스템은 대부분 직류 전원전압에 의해 아크를 발생시키고 있는데, 용접 전원장치에서 발생되는 직류 전원 전압은 아크 형성과 용접을 위한 용접 와이어의 용융 형태에 따라서 적절한 위상의 전압 파형을 생성해 줄 필요가 있다.
관련 기술로는 국내공개특허 제2010-0083864호(자동 아크 용접장치의 전극 위치 자동 제어 시스템 및 방법)(2010.07.23)가 있다.
그러나, 이러한 종래 용접시스템의 경우에는 아크 형성과, 용접 와이어의 용융 형태에 따라 전압 파형의 위상을 적절히 조절하기가 어렵도록 되어 있으며, 인버터 기술을 바탕으로 용접시스템의 2차측에 임의 위상의 펄스 형태를 갖는 직류 전원전압을 발생하고자 하더라도, 인버터 내의 스위칭 소자에 의한 스위칭 손실이 초래되고, 용접 부하가 크게 되면 그로 인한 대전류가 흐르게 됨에 따라, 고주파수의 직류 전원전압을 원하는 위상으로 변환하는 것이 어렵게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 용접시스템의 용접 전원계통에서 인버터의 스위칭에 의한 스위칭 손실을 최소화하고, 용접 부하의 크기에 따른 대전류의 출력이 방지될 수 있도록 함으로써, 고주파수의 직류 전원 전압 출력에 대한 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치는, 전원 입력단의 양단 사이에 병렬 연결되어 전압 변환을 위한 스위칭을 수행하는 제1하프 브리지 인버터(Half Bridge Inverter), 상기 제1하프 브리지 인버터의 후단에서 상기 전원 입력단의 양단 사이에 병렬 연결되어 전압 변환을 위한 스위칭을 수행하는 제2하프 브리지 인버터, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터의 연결단 사이에 병렬 연결되어 전류 부하를 감소시키기 위한 블로킹(Blocking)을 수행하는 파워 블로킹 회로, 상기 파워 블로킹 회로의 출력단과 각 1차 코일의 연결 중심 지점이 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 각 출력단과 대응 연결되는 제1 및 제2전원 변압기, 상기 제1 및 제2전원 변압기의 2차 코일과 연결되어 교류 전압을 정류하는 정류 회로 및, 상기 정류 회로의 출력단에 일단이 연결되고, 타단이 전원 출력단에 연결되어, 직류 출력 전압의 전류 변화에 대해 리액턴스를 발생하는 파워 리액터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 파워 블로킹 회로는 2개의 제1 및 제2블로킹 커패시터가 서로 직렬 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2블로킹 커패시터의 직렬 연결 지점 사이가 상기 제1 및 제2전원 변압기의 각 1차코일측 연결 중심 지점과 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제1전원 변압기의 연결단 사이에는, 작은 부하 전류에서 상기 제1하프 브리지 인버터가 ZVT(Zero Voltage Transition) 상태를 확보할 수 있도록 공진 동작하는 보조 인덕터가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제2하프 브리지 인버터와 상기 제2전원 변압기의 연결단 사이에는, 상기 제1 및 제2전원 변압기의 1차 코일에 대한 자화 전류의 동적 상수 요소 증가를 보상하는 평형 커패시터가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 및 제2전원 변압기의 2차 코일측과 상기 파워 리액터의 사이에는, 상기 정류 회로의 정류 소자들에 대해 소프트 스위칭이 이루어지도록 하고, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 스위칭 소자에 대한 충격 손실(Impact Loss)의 수준을 감소시키는 완충 인덕터가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터와, 상기 파워 블로킹 회로, 상기 제1 및 제2전원 변압기, 상기 정류 회로를 모두 포함하는 단일화된 파워 모듈이 상기 전원 입력단에 대해 적어도 2개 이상 연결되고, 상기 파워 리액터가 상기 파워 모듈의 연결 갯수에 대응하는 갯수로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 용접시스템의 용접 전원장치에 있어서, 각각의 리딩(Reading) 및 드리븐(Driven) 하프 브리지 인버터의 스위칭 과정에서 발생하는 내부 기생용량과 기생 인덕턴스를 제거할 수 있도록 인버터용 스위칭 트랜지스터가 전압 값이 제로에 가까워 졌을때 스위칭될 수 있도록 하고, 파워 블로킹 커패시터를 통해 용접 부하가 커지더라도 대전류의 발생을 방지할 수 있도록 함에 따라, 인버터의 스위칭 손실을 최소화하고 용접 부하의 크기에 따른 대전류 발생이 방지되어 내부 전력 손실을 최소화시킬 수 있도록 함으로써, 고주파수의 직류 전원 전압 출력에 대한 변환 효율이 대폭 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에 대한 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에서 도 1의 회로 구성을 갖는 파워 모듈이 복수개로 연결되어 있는 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에 대한 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치는, 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)의 양단에 연결되어 있는 파워 모듈(Power Module)(10)과, 상기 파워 모듈(10)의 출력단과 연결되고, 그 출력단이 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)에 연결되어 있는 파워 리액터(Power Reactor)(30)를 포함한다.
상기 파워 모듈(10)은, 상기 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)의 양단 사이에 제1 및 제2파워 트랜지스터(TR1, TR2)와, 제1 및 제2공진 커패시터(C1, C2)로 이루어진 리딩(Reading) 기능의 제1하프 브리지 인버터(Half Bridge Inverter)와, 제3 및 제4파워 트랜지스터(TR3, TR4)와, 제3 및 제4공진 커패시터(C3, C4)로 이루어진 드리븐(Driven) 기능의 제2하프 브리지 인버터, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터의 사이에 연결되어 있는 파워 블로킹(Power Blocking) 회로(20), 상기 제1하프 브리지 인버터의 출력단와 상기 파워 블로킹 회로(20)의 출력단이 양단에 각각 연결되어 있는 제1전원 변압기(14)와, 상기 제2하프 브리지 인버터의 출력단와 상기 파워 블로킹 회로(20)의 출력단이 양단에 각각 연결되어 있는 제2전원 변압기(12), 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)를 구성하는 변압기 쌍의 제2출력측 2차 코일(T2-1, T2-2)과 연결되어 있는 제1 및 제2정류 다이오드(D1, D2)로 이루어진 정류 회로(Rectifier), 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)를 구성하는 변압기 쌍의 제2출력측 2차 코일(T2-1, T2-2)과 연결되어, 상기 제1 및 제2정류 다이오드(D1, D2)들에 대해 소프트 스위칭이 이루어지도록 하고, 각 파워 트랜지스터(TR1, TR2, TR3, TR4)에 대한 충격 손실(Impact Loss)의 수준을 감소시키며, 전체적인 노이즈 레벨을 감소시키기 위한 완충 인덕터(FT1, FT2) 및 스무딩(Smoothing) 인덕터(18)를 포함한다.
상기 파워 리액터(30)는 입력측에 상기 파워 모듈(10)을 구성하는 정류 회로의 출력단과 상기 완충 인덕터(18)의 출력단이 각각 연결되어 있고, 그 출력측에 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)이 연결되어 있는 상태에서, 상기 파워 모듈(10)로부터의 직류 출력 전압에 포함된 교류전류 또는 전류의 급격한 변화에 대해 큰 유도성 리액턴스를 발생한다.
여기서, 상기 파워 리액터(30)는 상기 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)에 대해 공통의 1코어(Core)를 사용하여 전압 파형을 스무딩(Soothing)시킴에 의해 노이즈를 감소시켜주는 역할을 수행하는 것이다. 따라서, 상기 파워 리액터(30)는 상기 스무딩 인덕터(18)와 동일한 역할을 수행하기 때문에, 해당 스무딩 인덕터(18)를 본 발명의 장치 회로에서 제거하여도 무방하다.
상기 파워 모듈(10)에서, 상기 제1하프 브리지 인버터는 제1파워 트랜지스터(TR1)와 제2파워 트랜지스터(TR2)가 서로 직렬로 연결되어 있는 상태에서, 상기 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)의 양단에 대해 병렬로 연결되어 있는데, 상기 제1파워 트랜지스터(TR1)와 제2파워 트랜지스터(TR2)는 전원 전극에 각각 제1공진 커패시터(C1)와 제2공진 커패시터(C2)가 병렬로 연결되어 있다.
상기 제2하프 브리지 인버터는 제3파워 트랜지스터(TR3)와 제4파워 트랜지스터(TR4)가 서로 직렬로 연결되어 있는 상태에서, 상기 전압 입력단(+V1, -V1)의 양단에 대해 병렬로 연결되어 있는데, 상기 제3파워 트랜지스터(TR3)와 제4파워 트랜지스터(TR4)는 전원 전극에 각각 제3공진 커패시터(C3)와 제4공진 커패시터(C4)가 병렬로 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터는 각각 "리딩"과 "드리븐"으로 구분되어 있는데, 이러한 구분은 각 인버터를 구성하는 파워 트랜지스터의 스위칭 동작에 따른 위상 순서에 의해 결정된다.
상기 파워 블로킹 회로(20)는 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터의 사이에서 제1블로킹 커패시터(C5)와 제2블로킹 커패시터(C6)가 서로 직렬로 연결되어 있는 상태에서, 상기 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)의 양단에 대해 병렬로 연결되어 있다.
상기 제1전원 변압기(14)는 상기 제1하프 브리지 인버터의 제1파워 트랜지스터(TR1)와 제2파워 트랜지스터(TR2)의 직렬 연결 지점에 해당하는 출력단에 1차 코일(T1-2)의 일단이 연결되고, 그 타단이 상기 파워 블로킹 회로(20)의 상기 제1블로킹 커패시터(C5)와 상기 제2블로킹 커패시터(C6)의 직렬 연결 지점 사이에 연결되어 있다.
또한, 상기 제2전원 변압기(12)는 상기 제2하프 브리지 인버터의 제3파워 트랜지스터(TR3)와 제4파워 트랜지스터(TR4)의 직렬 연결 지점에 해당하는 출력단에 1차 코일(T1-1)의 일단이 연결되고, 그 타단이 상기 파워 블로킹 회로(20)의 상기 제1블로킹 커패시터(C5)와 상기 제2블로킹 커패시터(C6)의 직렬 연결 지점 사이에 연결되어 있다.
즉, 상기 파워 블로킹 회로(20)의 제1블로킹 커패시터(C5)와 상기 제2블로킹 커패시터(C6)의 직렬 연결 지점은 상기 상기 제1전원 변압기(14)와 상기 제2전원 변압기(12)의 각 1차 코일(T1-2, T1-1)과 공통 연결되어 있는 것이다.
한편, 상기 제1하프 브리지 인버터의 출력단과, 상기 제1전원 변압기(14)의 1차 코일(T1-2)의 일단 사이에는 보조 인덕터(16)가 연결되어 있고, 상기 제2하프 브리지 인버터의 출력단과 제2전원 변압기(12)의 1차 코일(T1-1)의 사이에는 평형 커패시터(Balancing Capacitor)(C7)가 연결되어 있다.
상기 제1전원 변압기(14)와 상기 제2전원 변압기(12)로 이루어진 변압기 쌍의 제1출력측 2차 코일(T2-3, T2-4)와 제2출력측 2차 코일(T2-1, T2-2)은, 각각 2개씩의 하프 코일(Half Coil) 형태를 지니고 있고, 상기 제1전원 변압기(14)의 각 하프 코일(즉, 제1출력측 2차 코일(T2-3, T2-4))은 순서에 따라 상기 제2전원 변압기(12)의 각각 상응하는 하프 코일(제2출력측 2차 코일(T2-1, T2-2))과 순서대로 연결되어 있다. 즉, 하나의 하프 코일의 도입부와 다른 하프 코일의 말단부가 함께 연결되어 있는 것이다.
상기 정류 회로를 구성하는 제1 및 제2정류 다이오드(D1, D2)는 상기 제1출력측 2차 코일(T2-3, T2-4)의 코일 도입부로부터 상기 제2출력측 2차 코일(T2-1, T2-2)의 코일 말단부까지 공통적으로 연결되어 있다.
상기 제1 및 제2정류 다이오드(D1, D2)의 공통 연결 지점은 상기 파워 리액터(30)를 매개하여 제1전원 출력단(+V2)과 연결되고, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 출력측 2차 코일과 연결되어 있는 완충 인덕터(18)는 상기 파워 리액터(30)를 매개하여 제2전원 출력단(-V2)과 연결된다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에 대한 동작을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)을 통해 인가되는 교류 전원을 변환하기 위해서는, 상기 제1하프 브리지 인버터를 구성하는 제1 및 제2파워 트랜지스터(TR1, TR2)가 먼저 스위칭되고, 상기 제2하프 브리지 인버터를 구성하는 제3 및 제4파워 트랜지스터(TR3, TR4)가 후속적으로 스위칭됨으로써, 제1전원 변압기(14)의 1차 코일(T1-2)의 도입부와 제2전원 변압기(12)의 1차 코일(T1-1)의 말단에 각 하프 브리지 인버터로부터의 출력 교류 전압이 각각 걸리게 된다. 이 때, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일에 각각 걸리는 전압의 형태는 메안더 파(Meander Wave)와 유사한 파형을 갖는다.
그 상태에서, 상기 파워 블로킹 회로(20)를 구성하는 제1블로킹 커패시터(C5)와 제2블로킹 커패시터(C6)의 연결 지점과 연결되어 있는 상기 제 1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일의 결합 중심점에 걸리는 전압은 상기 출력 교류 전압의 1/2에 해당되는 전압값을 갖는다. 즉, 상기 출력 교류 전압의 1/2에 해당되는 전압값은 입력 교류 전압에 대해 0.5×V1과 같이 되고, 해당 전압 위상의 진폭은 ±0.5V1이 되는 것이다.
이러한 전압들은 필요한 레벨까지 변환되고 산술적으로 합산되는데, 순서대로 결합된 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 제1 및 제2출력측 2차 코일(T2-3, T2-4, T2-1, T2-2)의 하프 코일로서의 극성이 고려된다.
상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일에 걸리는 전압에 의해 각각의 제1출력측 2차 코일(T2-3, T2-4)과 제2출력측 2차 코일(T2-1, T2-2)에 인가되는 교류 전원은 상기 완충 인덕터(FT1, FT2)를 통해서 스무딩(Smoothing)이 이루어진 후에, 상기 제1 및 제2정류 다이오드(D1, D2)에 의해 정류되고, 상기 파워 리액터(30)를 거쳐서 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)에 직류 출력 전압(V2)이 얻어진다.
한편, 상기 직류 출력 전압(V2)은 상기 제1하프 브리지 인버터의 각 파워 트랜지스터(TR1, TR2)와 상기 제2하프 브리지 인버터의 각 파워 트랜지스터(TR3, TR4)의 스위칭에 의한 출력 전압 위상들 사이의 위상 이동 조절 각을 조정하는 방식으로 전압 위상이 조절된다.
이 때, 상기 제2하프 브리지 인버터에서의 출력 전압 위상은 상기 제1하프 브리지 인버터에서의 출력 전압 위상에 미치지 못하게 되는데, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터 사이의 위상 이동 조절 각이 제로(Zero)가 될때, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터로부터의 각각의 출력 전압은 동상(Inphase)이 되고, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 각 2차 코일(T2-3, T2-4, T2-1, T2-2)에서의 극성을 고려한 전압의 산술적 합계도 제로가 되기 때문에, 상기 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)으로 출력되는 직류 출력 전압(V2)은 제로가 된다.
또한, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터 사이의 출력 전압의 위상 이동 각이 작은 경우에는, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 각 출력측 2차 코일(T2-3, T2-4, T2-1, T2-2)에서의 극성을 고려하여 전압을 산술적으로 합산한 결과, 충격 계수(Impact Duty Ratio)가 작은 전압의 양극성 펄스가 나타나며, 상기 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)으로 출력되는 직류 출력 전압(V2)은 낮은 레벨을 나타낸다.
그 반면에, 상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터 사이의 출력 전압의 위상 이동 각이 증가하는 경우에는, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 각 출력측 2차 코일(T2-3, T2-4, T2-1, T2-2)에서의 펄스의 충격계수가 증가하고, 그에 따라 상기 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)으로 출력되는 직류 출력 전압(V2)도 증가한다.
그러나, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일(T1-2, T1-1)에 걸리는 전압의 진폭과 형태(진폭은 ±2.5V1, 형태는 메안더 파에 근접함)는 각 1차 코일의 연결 지점이 상기 파워 블로킹 회로(20)의 제1블로킹 커패시터(C5)와 제2블로킹 커패시터(C6)의 연결 지점과 연결되어 있기 때문에 위상 이동 조절 각과 상관 관계가 없게 된다.
이로 인해, 상기 1차 코일에는 직류 자화 전류가 흐르는데, 이는 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일의 자화 인덕터에 저장되면서, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 각 파워 트랜지스터(TR1, TR2, TR3, TR4)가 스위칭 되는 동안 각각의 공진 커패시터(C1, C2, C3, C4)를 재충전시키게 되고, 이를 통해 컨버터의 출력 전류가 제로 또는 최소일 때 ZVT(Zero Voltage Transition) 상태가 실현된다.
한편, 상기 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)으로의 출력 전류가 증가하면서 자화 인덕터에 저장된 에너지는 불충분하게 되지만, 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일(T1-2, T1-1)의 분산 인덕터에 축적된 에너지가 큰 역할을 하기 시작하여, 해당 파워 모듈(10)의 출력 전류가 크고 위상 이동 조절 각이 클 때 에너지가 각 공진 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 재충전 및 ZVT를 확보하기에 충분하게 된다.
하지만, 해당 파워 모듈(10)의 출력 전류가 작아지거나 약 10 ∼ 30% 정도의 중간치인 경우에는, 위상 이동 조절 각이 0 ∼ 20%의 영역으로 존재하게 되고, 상기 제1 및 제2변압기(14, 12)의 자화 인덕터에는 에너지의 대부분이 동일 크기의 부하로 빠져 나가게 되기 때문에 축적 에너지가 부족하고, 부하도 크지 않아서 1차 코일의 전류도 아직 작기 때문에 분산 인덕터에 축적된 에너지도 부족하게 된다.
이는 상기 제1하프 브리지 인버터와 관련이 있는데, 내부의 제1 및 제2파워 트랜지스터(TR1, TR2)가 상기 제2하프 브리지 인버터에서보다 전류가 작을 때 지시된 조건에서 스위칭되기 때문이다.
이를 보상하기 위해, 추가적인 공진 인덕터로서 적용되는 보조 인덕터(16)는 축적되는 부가 에너지가 모든 부하 영역에서 상기 제1하프 브리지 인버터에서도 ZVT 상태에 도달하도록 돕는 역할을 한다.
상기 보조 인덕터(16)는 최고 및 최저 전류의 비율이 최적화될 수 있도록 하기 위해 포화된(Saturated) 상태로 제작될 수 있는데, 이는 작은 부하 전류에서 상기 제1하프 브리지 인버터가 ZVT 상태를 확보할 수 있도록 하고, 부하 전류가 중간일 때는 미약한 정도로 ZVT를 확보하며, 부하 전류가 클 때에는 거의 영향을 미치지 않는다.
한편, 상기 파워 블로킹 회로(20)의 각 제1 및 제2블로킹 커패시터(C5, C6)는 부하가 커진 경우에 대량의 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는데, 이는 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 동작에 따라 순서대로 켜져 있는 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일을 통해서만 전원 전류가 흐르기 때문이다. 이 때문에, 상기 제1 및 제2블로킹 커패시터(C5, C6)들은 용량이 크지 않아도 되고, 그 내부의 손실도 몇 배로 적어진다.
넓은 범위에서 부하가 빠르게 변화하는 조건에서 해당 파워 모듈(10)이 작동하는 경우, 파워 모듈(10)의 내부에는 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 자기회로(Magnetic Cores)가 비대칭 자화 상태로 될 가능성이 있고, 이로 인해 자화 전류가 급증하면서 자기회로 포화 및 하프 브리지 인버터의 파워 트랜지스터에 고장이 발생되거나 파워 트랜지스터의 보호 작용(Protection Operation)을 초래하게 되어 파워 모듈(10)의 작동 중단을 초래할 우려가 있다.
이를 해결하기 위해, 상기 평형 커패시터(C7)는 상기 제1 및 제2전원 변압기(14, 12)의 1차 코일에 대한 자화 전류의 동적 상수 요소 증가를 보상하기 때문에, 각 전원 변압기(14, 12)의 자기회로가 포화 상태로 전환되는 것을 방지할 수 있다.
그 다음에, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치에서 도 1의 회로 구성을 갖는 파워 모듈이 복수개로 연결되어 있는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터와, 파워 블로킹 회로(20), 제1 및 제2전원 변압기(14, 12), 평형 커패시터(C7), 인덕터(16, 18), 제1 및 제2정류 다이오드(D1, D2)를 모두 포함하여 구성된 파워 모듈(10)은, 상기 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)에 대해 복수개를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2전원 입력단(+V1, -V1)에 대해 제1 내지 제3파워 모듈(10-1, 10-2, 10-3)이 각각 병렬로 연결될 수 있고, 각 파워 모듈(10-1, 10-2, 10-3)은 각각 별도의 제1 내지 제3파워 리액터(30-1, 30-2, 30-3)와 서로 대응적으로 연결된 상태에서 상기 제1 및 제2전원 출력단(+V2, -V2)에 직류 출력 전압을 출력하게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기 파워 모듈 및 파워 리액터의 연결 개수를 3개로 한정하여 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는 것으로서 그 적용 용도에 따라 4개 이상에서 수십개까지 연결하여 사용하는 것이 얼마든지 가능하다.,
또한, 본 발명에서는 상기 파워 모듈의 연결 개수에 따라 상기 파워 리액터가 그에 대응하는 개수로 연결되어 있는 것으로 설명하고 있지만, 각 파워 모듈과 파워 리액터의 전기적 결선 상의 연관성을 고려하여 최대 4개의 파워 모듈까지는 단일의 파워 리액터가 공통 연결되도록 하는 것이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10,10-1,10-2,10-3:파워 모듈 12,14:전원 변압기
16,18:인덕터 20:블로킹 회로
30:파워 리액터 TR1 ∼ TR4:파워 트랜지스터
C1 ∼ C4:공진 커패시터 C5,C6:블로킹 커패시터
C7:평형 커패시터 D1,D2:정류 다이오드

Claims (7)

  1. 전원 입력단의 양단 사이에 병렬 연결되어 전압 변환을 위한 스위칭을 수행하는 제1하프 브리지 인버터(Half Bridge Inverter);
    상기 제1하프 브리지 인버터의 후단에서 상기 전원 입력단의 양단 사이에 병렬 연결되어 전압 변환을 위한 스위칭을 수행하는 제2하프 브리지 인버터;
    상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제2하프 브리지 인버터의 연결단 사이에 병렬 연결되어 전류 부하를 감소시키기 위한 블로킹(Blocking)을 수행하는 파워 블로킹 회로;
    상기 파워 블로킹 회로의 출력단과 각 1차 코일의 연결 중심 지점이 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 각 출력단과 대응 연결되는 제1 및 제2전원 변압기;
    상기 제1 및 제2전원 변압기의 2차 코일과 연결되어 교류 전압을 정류하는 정류 회로; 및
    상기 정류 회로의 출력단에 일단이 연결되고, 타단이 전원 출력단에 연결되어, 직류 출력 전압의 전류 변화에 대해 리액턴스를 발생하는 파워 리액터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워 블로킹 회로는 2개의 제1 및 제2블로킹 커패시터가 서로 직렬 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2블로킹 커패시터의 직렬 연결 지점 사이가 상기 제1 및 제2전원 변압기의 각 1차코일측 연결 중심 지점과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1하프 브리지 인버터와 상기 제1전원 변압기의 연결단 사이에는, 작은 부하 전류에서 상기 제1하프 브리지 인버터가 ZVT(Zero Voltage Transition) 상태를 확보할 수 있도록 공진 동작하는 보조 인덕터가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2하프 브리지 인버터와 상기 제2전원 변압기의 연결단 사이에는, 상기 제1 및 제2전원 변압기의 1차 코일에 대한 자화 전류의 동적 상수 요소 증가를 보상하는 평형 커패시터가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2전원 변압기의 2차 코일측과 상기 파워 리액터의 사이에는, 상기 정류 회로의 정류 소자들에 대해 소프트 스위칭이 이루어지도록 하고, 상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터의 스위칭 소자에 대한 충격 손실(Impact Loss)의 수준을 감소시키는 완충 인덕터가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터와, 상기 파워 블로킹 회로, 상기 제1 및 제2전원 변압기, 상기 정류 회로를 모두 포함하는 단일화된 파워 모듈이 상기 전원 입력단에 대해 적어도 2개 이상 연결되고, 상기 파워 리액터가 상기 파워 모듈의 연결 갯수에 대응하는 갯수로 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2하프 브리지 인버터와, 상기 파워 블로킹 회로, 상기 제1 및 제2전원 변압기, 상기 정류 회로를 모두 포함하는 단일화된 파워 모듈이 상기 전원 입력단에 대해 다수개가 연결되고, 상기 파워 리액터는 상기 파워 모듈의 적어도 4개까지마다 단일 개수로 공통 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 조절이 가능한 인버터 및 컨버터 장치.
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