KR101353981B1 - 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력되는 전압값을 측정하는 전압 센서(미도시)를 포함하여 이루어지는 전원 공급부(10)의 일단인 제 1 노드(21)와, 전원 공급부(10)로부터 전압을 공급받는 부하(20)의 일단인 제 2 노드(22)에 양단이 병렬로 연결되며, 부하(20)로 일정한 전압을 제공하는 직류용 무정전 전원 장치(100)에 있어서, 제 1 노드(21)와 제 2 노드(22) 사이의 제 3 노드(23)에 연결되며, 전원 공급부(10)에서 부하(20)로 제공되는 전압이 미리 결정된 허용 전압 범위를 벗어나는 경우에, 상기 부하(20)로 전압을 인가하는 배터리(110), 제 1 노드(21)와 제 3 노드(23) 사이에 연결 구비되며, 전원 공급부(10)의 출력 전압을 배터리(110)로 전달하여 배터리(110)를 충전시키는 배터리 충전부(120) 및 제 3 노드(23)와 제 2 노드(22) 사이에 연결 구비되며, 배터리(110)의 최대 출력 전압을 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하는 DC/DC 컨버터(130)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법{Device and control method for Direct current Uninterruptible Power Supply}
본 발명은 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원이 정상적인 상태에서 전력 변환 과정을 거치지 않아, 불필요한 에너지 손실을 막을 수 있는 직류 배전 방식의 무정전 전원 장치를 제공하며, 전압 운전 범위가 CBEMA에서 제시하는 서버의 안전운전 전압 영역의 범위를 유지할 수 있도록 하는 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
미국 EPRI(Electric Power Research Institute)에서는 전세계의 디지털 부하가 2000년도에는 10% 밖에 되지 않았으나, 2020년도에는 50%로 급증할 것으로 예상하고 있다. 또한, 2010년 KT의 예측에 의하면, 정보 사회의 중요한 하드웨어 요소인 데이터 센서에서 소비되는 전력량은 국가 규모로 약 12.6억 kWh로써, 이는 울산광역시(인구 약 111만명)에서 1년간 사용하는 전력 소비량에 육박한다.
더불어, 데이터 센서의 전력 소모량을 분석한 보고서에 따르면, 서버의 작동을 위해서 쓰이는 전력 소모량은 전체 전력 소모량의 약 40%에 불과하고, 약 45%는 시스템의 열기를 식히는데 사용되며, 나머지 약 15%는 전력 공급 시스템의 전력 변환 과정에서 손실로 날아감으로써, 불필요한 전력 낭비가 계속되고 있는 실정이다.
이에 따라, 전력 공급 시스템에서 불필요하게 손실되는 전력량을 5%로 낮추면, 데이터 센서 내의 열 발생은 10% 줄어들며, 통상적으로 50%의 효율을 갖는 쿨링 시스템의 용량을 20%로 줄이는 효과가 수반된다. 즉, 이는 전력 소모량이 약 20% 줄어드는 것을 의미한다고 볼 수 있다.
전압 사고가 발생할 경우, 주요한 디지털 부하를 보호하기 위해서 전력 저장 장치의 에너지를 사용하여, 무정전 전원(UPS, Uninterruptible Power Supply) 장치로 백업한다. 다시 말하자면, 통신, 방송, 병원 및 설비 등의 전원은 고도의 안정성과 신뢰성을 요구하고, 단시간의 정전도 허용하지 않는 경우가 대부분이다. 이것에 부응하기 위해서, 평상시에 상용 교류 전원으로부터, 전력 변환 장치, 왜곡 보정 회로 등을 거쳐 부하에 교류 전력을 공급하고 있으며, 또한, 정류 장치 출력에 축전지를 접속하여 동작시킴으로써, 정전시에는 축전지로부터 인버터를 거쳐 중단없이 전력을 공급할 수 있도록 하는 것이다.
일반적으로 교류용 무정전 전원 장치는 온라인(On-line)방식과 오프라인(Off-line)방식으로 나눌 수 있으며, 상기 온라인 방식의 무정전 전원 장치는 정류 장치를 이용하여 축전지에 직류 에너지를 저장하는 동시에, 인버터를 이용하여 직류 전력을 교류 형태로 변환하여 부하로 전력을 공급한다. 부하로의 전력 공급에 문제가 발생하여 정류 장치가 동작을 하지 않더라도, 상기 직류 형태로 축전지에 저장되어 있던 직류 에너지를 인버터를 통하여 교류 형태로 바꾸어서 지속적으로 백업 운전을 하며, 이를 통해서, 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있다. 그러나, 이 경우 평상시에 이루어지는 2번의 전력 변환 과정에서 통상적으로 약 20~30%의 에너지 손실이 발생하게 되며, 상시 인버터가 개입하여 동작하는 상황이므로, 인버터의 고장에 따른 신뢰성에 추가적인 문제가 남는 단점이 있다.
더불어, 상기 오프라인 방식의 무정전 전원 장치는 교류 전원을 직접 부하에 공급하며, 병렬로 정류 장치를 구비하여 축전지에 직류 에너지를 저장한다. 교류 전원에 사고가 발생하면, 교류 전원이 부하로 전력을 공급하지 못하므로, 전원선을 차단시키고, 상기 축전지에 연결되어 있는 인버터로 절체하여 동작시킴으로서 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 백업 운전을 한다. 이를 통해서, 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있다. 이 때, 전원의 고장을 빠르고 정확하게 검출하여 부하로의 전력 공급원을 교류 전원으로부터 인버터 출력으로 절체 및 전환시키는 스위치의 동작이 필요하다. 이 경우 평상시에 전력 변환 과정이 생략되므로 운전 효율이 높아지지만 전력 공급원을 교류 전원으로부터 인버터 출력으로 절체 및 전환시키는 과정에서 고장이 잦아서 신뢰성이 현격히 떨어지는 문제가 있다.
한편, 일반적인 직류용 무정전 전원 장치는 단순히 전원측 전력선에 축전지를 병렬로 접속하여 구비함으로써, 평상시에는 전원측으로부터 부하와 축전지에 직류 전력을 각각 공급하다가, 전원측에 고장이 발생하는 경우 전력선에 연결되어 있던 축전지를 사용하여 지속적인 전력 공급을 할 수 있도록 되어 있어서 효율과 신뢰성이 현격이 상승한다. 그러나, 축전지인 배터리의 전압은 방전량에 따라서 저하되기 때문에, 직류용 무정전 전원 장치의 전압 운전 범위는 백업기간 중에 장시간에 거쳐서 저전압을 나타낼 수 있으며, 이러한 장시간 동안의 저전압은 컴퓨터 및 사무기기 사업 조합(CBEMA, Computer and Business Equipment Manufacturers Association)에서 제시하는 서버의 안전운전 전압 영역(ITI curve)의 범위를 벗어나게 되어 문제를 발생시킬 수 있다.
이에 따른, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치는, 직류 전력선에 축전지를 직접 연결하지 않고, 직류 전력선과 축전지 사이에 충전기 및 DC/DC 컨버터를 설치하여, 평상시에는 전원측 직류 전력을 직접 부하에 공급하는 것과 병행하여 충전기로 축전지에 충전을 하면서 직류 에너지를 저장할 수 있으며, 전원측에 고장이 발생하는 경우 축전지에 연결된 DC/DC 컨버터에 의하여 축전지의 전압과 부하 전압 사이의 전압 조절 역할을 하여, 부하에 안정적인 직류 전압을 지속적으로 공급할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터는 평상시에도 직류 전력선에 연결되어 있지만, 정상적인 직류전압을 추종하도록 제어되므로, 정상 조건에서는 에너지의 흐름이 발생하지 않는다. 또한, 전원측에 고장이 발생하는 경우 DC/DC 컨버터는 이전의 운전 모드로 지속적이고 안정된 운전을 계속하는 반면, 불안정해진 전원측 직류전원은 스위치 등의 방법으로 차단을 하여 전압의 충돌을 막음으로써 전력품질을 안정하게 유지할 수 있다. 이는 상기에 언급한 교류용 무정전 전원 장치의 온라인 방식 및 오프라인 방식의 장점을 모두 살리는 특징을 갖는다.
다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법은 평상시에 축전지에 충전 전압을 유지할 정도의 작은 전력만 추가적으로 소모되므로 운전 효율이 높으며, 전원 사고가 발생할 경우, 절체 및 전환스위치를 사용하지 않고 부하 전압을 안정하게 유지함으로써 컴퓨터 및 사무기기 사업 조합(CBEMA, Computer and Business Equipment Manufacturers Associasion)에서 제시하는 서버의 안전운전 전압 영역(ITI curve)의 범위를 만족하게 된다.
더불어, 한국 공개 특허 2008-0078410호("무정전 전원 장치 및 그 제어 방법", 이하 선행기술 1)에서는 무정전 전원 장치의 인버터에서 과전류 발생시 출력 기준 전압을 가변하여 인버터 스위치의 시비율(Duty ratio)을 제어함으로써 과전류가 흐르는 것을 제한하고, 이로써 인버터 또는 부하에 과전류로 인한 고장 또는 파괴를 미연에 방지할 수 있는 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법에 대한 구조를 개시하고 있다. 하지만, 상기한 바와 같이, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 과정과 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 과정을 통해서 발생하는 추가적인 에너지 손실에 대한 대책은 이루어지지 않고 있는 불편함이 있다.
한국공개특허 제0078410호 (공개일자 2008.08.27.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 정상적인 전원 조건에서 전력 변환 과정을 거치지 않아, 불필요한 에너지 손실을 막을 수 있는 직류용 무정전 전원 장치를 제공함에 있다. 또한, 상시접속되어 있는 DC/DC 컨버터를 사용하여 전압 운전 범위가 CBEMA에서 제시하는 서버의 안전운전 전압 영역의 범위에 있도록 하는 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치는, 출력되는 전압값을 측정하는 전압 센서(미도시)를 포함하여 이루어지는 전원 공급부(10)의 일단인 제 1 노드(21)와, 상기 전원 공급부(10)로부터 전압을 공급받는 부하(20)의 일단인 제 2 노드(22)에 양단이 병렬로 연결되며, 상기 부하(20)로 일정한 전압을 제공하는 직류용 무정전 전원 장치(100)에 있어서, 상기 제 1 노드(21)와 제 2 노드(22) 사이의 제 3 노드(23)에 연결되며, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 미리 결정된 허용 전압 범위를 벗어나는 경우에, 상기 부하(20)로 전압을 인가하는 배터리(110), 상기 제 1 노드(21)와 제 3 노드(23) 사이에 연결 구비되며, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 배터리(110)로 전달하여 상기 배터리(110)를 충전시키는 배터리 충전부(120) 및 상기 제 3 노드(23)와 제 2 노드(22) 사이에 연결 구비되며, 상기 배터리(110)의 최대 출력 전압을 상기 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하는 DC/DC 컨버터(130)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최대값을 초과하면, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값보다 낮게 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 DC/DC 컨버터(130)와 직렬로 연결되며, 상기 부하(20)에서 상기 DC/DC 컨버터(130)로의 역전류를 방지하는 다이오드(140)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 전원 공급부(10)와 부하(20) 사이에 개재 구비되는 메인 스위치(150)를 더 포함하여 구성되며, 상기 메인 스위치(150)는 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위를 벗어난 경우 오프(Off)되며, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위로 회복된 후, 일정 시간이 지난 뒤, 동작이 온(On)되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위인 경우, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 동작을 제어하는 서브 스위치(160), 상기 부하(20)에 역병렬로 연결되며, 상기 부하(20)의 역기전력 발생을 방지하는 회생 다이오드(170)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치의 제어 방법은, 전압 센서(미도시)를 통해서, 전원 공급부(10)에서 출력되는 전압값을 측정하는 전압 측정 단계(S100), 상기 전압 측정 단계(S100)에서 측정된 전압값을 이용하여, 상기 전원 공급부(10)를 통해서 부하(20)로 제공되는 전압이 미리 결정된 허용 전압 범위인지 판단하는 전압 판단 단계(S200) 및 상기 전압 판단 단계(S200)의 판단 결과값에 따라서, 상기 전원 공급부(10)를 통해서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 상기 허용 전압 범위를 벗어난 경우, 상기 부하(20)에 직류용 무정전 전원 장치(100)의 배터리(110)를 통해서 전압을 제공하는 전압 공급 단계(S300)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 직류용 무정전 전원 장치의 제어 방법은 상기 전압 공급 단계(S300) 이전에, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 배터리 충전부(120)를 통해서 배터리(110)를 충전하는 배터리 충전 단계(S310) 및 상기 배터리 충전 단계(S310)를 통해서 충전된 상기 배터리(110)의 최대 출력 전압을 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 DC/DC 컨버터(130)을 이용하여, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하는 출력값 제어 단계(S320)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 직류용 무정전 전원 장치는 직류 배전 방식의 무정전 전원 장치를 이용함으로써, 정상적인 전원 조건에서 전력 변환 과정을 거치지 아니하여 불필요한 에너지 손실을 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 전압 운전 범위가 CBEMA에서 제시하는 서버의 안전운전 전압 영역(ITI serve)의 범위 안에 있도록 하여, 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 대해 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 따른 운전 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 대해 간략하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 따른 운전 특성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 대해 간략하게 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 따른 운전 특성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 대해 간략하게 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 따른 운전 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치을 이용한 출력 전압 운전 범위의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치의 제어 방법에 대해 간략하게 나타낸 순서도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 직류용 무정전 전원 장치 및 그 제어 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)는 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생한 경우에, 부하(20)로 일정한 전압을 공급할 수 있는 직류용 무정전 전원 장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 대해 간략하게 도시한 도면이다. 도 1을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 대해서 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 배터리(Battery)(110), 배터리 충전부(Battery charger)(120) 및 DC/DC 컨버터(DC/DC converter)(130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 출력되는 전압값을 측정하는 전압 센서(미도시)를 포함하여 이루어 질 수 있는 전원 공급부(10)의 일단인 제 1 노드(21)와 상기 전원 공급부(10)로부터 전압을 공급받는 부하(20)의 일단인 제 2 노드(22)에 양단이 병렬로 연결될 수 있으며, 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생한 경우에, 상기 부하(20)로 일정한 전압을 제공할 수 있다.
이때, 전압 사고는 상기 부하(20)에 입력되는 전압에 대한 허용 전압 범위를 벗어나는 경우를 의미할 수 있으며, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전압은 공급하지만, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위보다 높은 전압, 또는 낮은 전압을 인가하거나, 전압 공급이 중단되는 경우를 의미할 수 있으며, 이 때, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위는 상기 부하(20)에 따라, 다르게 적용될 수 있다.
자세히 알아보자면, 상기 배터리(110)는 상기 제 1 노드(21)와 제 2 노드(22) 사이의 제 3 노드(23)에 연결되며, 상기 전압 센서를 통해서 측정되는 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 미리 결정된 상기 허용 전압 범위를 벗어나는 경우에, 상기 부하(20)로 상기 전원 공급부(10)를 대신하여, 전압을 인가할 수 있다.
이때, 상기 전원 공급부(10)가 상기 부하(20)로 상기 허용 전압 범위 내의 정상적인 전압을 공급하는 경우에, 상기 배터리 충전부(120)는 상기 전원 공급부(10)로부터 출력 전압을 상기 배터리(110)로 전달하여, 상기 배터리(110)를 충전할 수 있다. 더불어, 상기 배터리 충전부(120)는 상기 제 1 노드(21)와 제 3 노드(23) 사이에 연결 구비될 수 있다.
상기 DC/DC 컨버터(130)는 상기 제 3 노드(23)와 제 2 노드(22) 사이에 연결 구비될 수 있으며, 상기 배터리(110)의 출력 전압과 상기 부하(20)의 입력 전압 간에 버퍼 역할을 할 수 있다. 즉, 다시 말하자면, 상기 전원 공급부(10)가 상기 부하(20)로 상기 허용 전압 범위 내의 정상적인 전압을 공급하는 경우에는, 상기 DC/DC 컨버터(130)는 상기 배터리(110)의 출력 전압과 상기 부하(20)의 입력 전압을 같도록 제어함으로써, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100), 즉, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 DC/DC 컨버터(130)와 상기 부하(20)는 물리적으로는 연결되어 있으나, 전력의 흐름은 발생하지 않은 상태로 유지할 수 있다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)를 통해서 발생할 수 있는 에너지 손실은 상기 DC/DC 컨버터(130)의 유지 전력과 상기 배터리(110)를 충전시키는 상기 배터리 충전부(120)에서만 발생하게 되어, 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 동작 운전 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생한 경우에는,
즉, 상기 전원 공급부(10)에 문제가 발생하여 전력을 공급하지 못하는 경우에, 상기 전압 센서에서 측정되는 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압은 급강하하여 0이 될 수 있다. 이때, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 이하로 떨어지게 되면, 상기 무정전 전원 장치(100)의 상기 배터리(110)를 통해서 상기 부하(20)에 일정한 전압을 제공할 수 있으며, 이때, 상기 DC/DC 컨버터를 이용하여, 상기 배터리(110)의 최대 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하며, 상기 부하(20)에 안정적인 전압을 인가할 수 있다.
일정 시간이 지난 뒤, 상기 전원 공급부(10)가 고장으로부터 회복된 경우, 즉, 상기 전압 센서에서 측정되는 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값을 넘어서게 되면, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 다시 물리적으로는 연결되어 있으나, 전력의 흐름은 발생하지 않는 상태로 되돌아갈 수 있다.
더불어, 상기 전원 공급부(10)에 문제가 발생하여 상기 부하(20)로 과전류가 흐르는 경우, 즉, 상기 전원 공급부(10)의 상기 전압 센서에서 측정한 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 최대값을 초과하는 경우에는, 상기 전원 공급부(10)의 내부 임피던스에 의하여, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 최소값 이하로 떨어지게 된다. 이에 따라, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)를 통해서, 상기 부하(20)로 상기 허용 전압 범위의 최소값의 안정적인 전압을 인가할 수 있다. 이를 통해서, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)를 통해서 상기 전원 공급부(10)의 과전류를 분담하여, 정격전류의 약 2배의 사고 전류에 대해서도 안정적인 운전이 가능할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 다이오드(140)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
자세히 알아보자면, 상기 다이오드(140)는 상기 DC/DC 컨버터와 직렬로 연결될 수 있으며, 상기 부하(20)에서 상기 DC/DC 컨버터(130)로 발생할 수 있는 역전류를 방지할 수 있다. 즉, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 입력 전압보다 낮을 경우에, 역전류가 흐르는 걸 방지할 수 있다. 이에 따른, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 DC/DC 컨버터(130)에서 상기 DC/DC 컨버터(130)의 출력 전압과 상기 부하(20)의 입력 전압이 같도록 제어하지 않더라도, 단지, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 출력 전압, 즉, 상기 DC/DC 컨버터(130)를 통해 제어하는 상기 배터리(110)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값과 같도록 제어함으로써, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 제어 설계가 간단해질 수 있는 효과가 있다.
즉, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 정상적으로 전력을 공급하는 경우에는, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 출력 전압보다 상기 부하(20)의 입력 전압이 높으므로, 상기 다이오드(140)가 역바이어스됨으로써, 상기 DC/DC 컨버터(130)는 회로적으로 상기 부하(20)와 분리할 수 있다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)와 마찬가지로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)를 통해서 발생할 수 있는 에너지 손실은 상기 DC/DC 컨버터(130)의 유지 전력과 상기 배터리(110)를 충전시키는 상기 배터리 충전부(120)에서만 발생하게 되어, 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 동작 운전 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이,
상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생하여, 상기 전압 센서를 통해서 측정된 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압값이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 최소값 이하인 경우에는, 상기 다이오드(140)가 순바이어스되어 상기 DC/DC 컨버터(130)의 제어에 따라서, 상기 배터리(110)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 유지되며 안정적인 전압 공급이 가능할 수 있다.
더불어, 상기 전원 공급부(10)가 고장으로부터 회복되면, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 내로 회복될 수 있으며, 이에 따라 상기 다이오드(140)는 다시 역 바이어스되어, 상기 DC/DC 컨버터(130)를 상기 부하(20)로부터 회로적으로 분리할 수 있다.
또한, 상기 전원 공급부(10)에 과전류가 흐르는 경우에도, 상기 전원 공급부(10)의 내부 임피던스에 의하여, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 최소값 이하로 떨어지게 되며, 이때, 상기 DC/DC 컨버터(130)는 상기 배터리(110)의 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 유지하고 있기 때문에, 상기 다이오드(140)는 순바이어스되어 상기 배터리(110)의 전압을 상기 부하(20)로 인가할 수 있다. 이를 통해서, 자연스럽게 상기 전원 공급부(10)의 과전류를 분담할 수 있다.
다시 말하자면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 상기 DC/DC 컨버터(130)는 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 정상적인 전압을 인가할 경우에는, 상기 배터리(110)의 출력 전압과 상기 부하(20)의 입력 전압이 같도록 제어할 수 있으며, 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생한 경우에는, 상기 배터리(110)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값과 같도록 제어할 수 있다.
더불어, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 다이오드(140)를 통해서, 상기 부하(20)에서 상기 DC/DC 컨버터(130)로 흐를 수 있는 역전류를 방지함으로써, 상기 DC/DC 컨버터(130)는 단지, 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생한 경우에, 상기 배터리(110)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값과 같도록 제어함으로써, 제어 설계가 간단해지는 효과가 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 메인 스위치(150)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
자세히 알아보자면, 상기 메인 스위치(150)는 상기 전원 공급부(10)와 부하(20) 사이에 개재 구비될 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)에 따른 상기 메인 스위치(150)는 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생하여, 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 허용 전압 범위를 벗어난 경우에는 오프(Off)될 수 있으며, 상기 전원 공급부(10)가 회복됨에 따라, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위인 경우에, 상기 전원 공급부(10)가 회복된 후, 일정 시간이 지난 후 온(On)될 수 있다.
즉, 상기 전원 공급부(10)가 전압 사고에서 회복된 후, 상기 부하(20)로 전압을 공급해주는 재투입 시간을 조정해줌으로써, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)의 잦은 절체 동작을 방지할 수 있다. 이를 통해서, 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고에 따른 회복될 시간을 충분히 줌으로써, 상기 부하(20)로 전압 공급에 있어서, 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 동작 운전 특성을 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이,
상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생하여, 상기 전압 센서를 통해서 측정된 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압값이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 최소값 이하인 경우에는, 상기 메인 스위치(150)를 오프할 수 있다. 이후, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 제어에 따라서, 상기 배터리(110)의 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 유지하면서, 상기 부하(20)로 안정적인 전압을 공급할 수 있다.
더불어, 상기 전원 공급부(10)가 고장으로부터 회복되어, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 내로 회복된 뒤에도, 일정 시간 상기 메인 스위치(150)를 오프(Off)함으로써 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생하였을 때와 마찬가지로, 상기 배터리(110)에서 상기 부하(20)로 전압을 공급할 수 있다. 즉, 일정 시간 동안, 상기 전원 공급부(10)가 고장으로부터 완전히 회복될 수 있는 시간을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전원 공급부(10)에 과전류가 흐르는 경우에도, 상기 전원 공급부(10)의 내부 임피던스에 의하여, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 최소값 이하로 떨어지게 되며, 상기 메인 스위치(150)를 오프할 수 있다. 이를 통해서, 상기 전원 공급부(10)의 과전류를 분담할 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 서브 스위치(160) 및 회생 다이오드(Freewheel Diode)(170)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
자세히 알아보자면, 상기 서브 스위치(160)는 상기 DC/DC 컨버터(130)의 출력단에 직렬로 연결될 수 있으며, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 정상적인 범위, 즉, 상기 허용 전압 범위 내의 전압을 전달하는 경우에, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 동작을 정지시킬 수 있으며, 이를 통해서, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)에서 나타날 수 있는 전력 손실을 최소화할 수 있다.
상기 회생 다이오드(170)는 상기 부하(20)에 역병렬로 연결될 수 있으며, 상기 부하(20)의 역기전력 발생을 방지할 수 있다.
다시 말하자면, 도 8의 본 발명의 제 4 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 동작 운전 특성을 나타낸 그래프에 나타난 바와 같이,
상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생하여, 상기 전압 센서를 통해서 측정된 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압값이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값 이하인 경우에는, 상기 서브 스위치(160)를 온(On) 한 뒤, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 제어에 따라서, 상기 배터리(110)의 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하여 상기 부하(20)로 안정적인 전압을 공급할 수 있다. 이때, 상기 전원 공급부(10)의 고장 전압 검출과 상기 DC/DC 컨버터(130)가 가동하는 사이에 시간 지연이 발생할 수 있으며, 상기 부하(20)에 연속적인 전압 공급이 이루어지지 않을 수도 있다. 즉, 도 8의 ① 면적의 전압 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 부하(20)의 입력 전압도 도 8의 ② 면적의 전압 손실이 발생할 수 있다. 이러한 상기 부하(20)의 전압 손실은 상기 부하(20)가 유도성 부하일 경우에는, 미우 높은 역기전력을 발생시킬 수 있으므로 위험할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는 상기 부하(20)에 역병렬로 회생 다이오드(170)를 연결하여 구성하여, 상기 부하(20)의 입력 전류 손실에 따른 급격한 전류 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기 전원 공급부(10)가 고장에서 회복되어, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 내로 회복된 경우에는, 상기 부하(20)의 입력 전압은 상기 DC/DC 컨버터(130)를 통해서 입력되던 상기 배터리(110)의 출력 전압에서, 다시 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압으로 인가될 수 있으며, 일정한 시간동안 상기 전원 공급부(10)에서 전압 사고가 발생하지 않으면, 상기 서브 스위치(160)를 오프(Off)함으로써, 상기 DC/DC 컨버터(130)와 상기 부하(20)를 완전히 분리하고, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 동작을 정지시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)를 통해서 발생할 수 있는 에너지 손실은 상기 배터리(110)를 충전시키는 상기 배터리 충전부(120)에서만 발생하게 되어, 에너지 손실을 최소한으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)에 따른 출력 전압 운전 범위를 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)를 통해서, 출력 전압의 운전 범위를 CBEMA(Computer and Business Equipment Manufacturers Associasion)에서 제시하는 안전운전 전압 영역, 즉, ITI curve의 범위로 상기 부하(20)로 인가되는 입력 전압, 즉, 상기 배터리(110)의 출력 전압을 유지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)의 제어 방법에 대해 간략하게 나타낸 순서도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치(100)의 제어 방법은 전압 측정 단계(S100), 전압 판단 단계(S200) 및 전압 공급 단계(S300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 전압 측정 단계(S100)는 상기 전원 공급부(10)에 포함되어 구성될 수 있는 상기 전압 센서를 통해서, 상기 전원 공급부(10)에서 출력되는 전압값을 측정할 수 있다.
상기 전압 판단 단계(S200)는 상기 전압 측정 단계(S100)를 통해서, 상기 전압 센서에서 측정된 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압값이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위인지 판단할 수 있다. 이때, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위는 미리 설정될 수 있으며, 상기 부하(20)마다 다르게 적용될 수 있다.
상기 전압 공급 단계(S300)는 상기 전압 판단 단계(S200)의 판단 결과값에 따라서, 즉, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위보다 낮거나, 클 경우에 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 배터리(110)를 통해서 전압을 제공할 수 있다.
상기 전압 공급 단계(S300)를 수행하기 위해서는, 배터리 충전 단계(S310) 및 출력값 제어 단계(S320)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 배터리 충전 단계(S310)는 상기 전원 공급부(10)에서 출력되는 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위 내로서, 정상적으로 상기 부하(20)로 전압을 공급하는 경우에, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 배터리 충전부(120)로 전달할 수 있으며, 상기 배터리 충전부(120)는 이를 전달하여 상기 배터리(110)를 충전할 수 있다.
상기 출력값 제어 단계(S320)는 상기 배터리 충전부(120)를 통해서 충전된 상기 배터리(110)의 최대 출력 전압을 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 DC/DC 컨버터(130)를 이용하여, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 제어할 수 있다. 이를 통해서, 상기 전원 공급부(10)에 전압 사고가 발생하여 상기 부하(20)로 전압 공급이 원활하지 못한 경우에, 상기 배터리(110)의 출력 전압을 통해서, 상기 부하(20)로 일정한 전압을 원활하게 공급할 수 있다.
즉, 다시 말하자면, 상기 전원 공급부(10)에서 출력되는 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위를 벗어남에 따라서, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)를 이용하여 상기 부하(20)에 전압을 공급할 수 있으며, 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 출력 전압은 본 발명의 제 1, 2, 3 및 4 실시예에 따른 직류용 무정전 전원 장치에 따라서, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 일정한 전압을 안정적으로 공급할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 전원 공급부
20 : 부하
21 : 제 1 노드 22 : 제 2 노드
23 : 제 3 노드
100 : 직류용 무정전 전원 장치
110 : 배터리 120 : 배터리 충전부
130 : DC/DC 컨버터 140 : 다이오드
150 : 메인 스위치 160 : 서브 스위치
170 : 회생 다이오드

Claims (7)

  1. 출력되는 전압값을 측정하는 전압 센서(미도시)를 포함하여 이루어지는 전원 공급부(10)의 일단인 제 1 노드(21)와 상기 전원 공급부(10)로부터 전압을 공급받는 부하(20)의 일단인 제 2 노드(22)에 양단이 병렬로 연결되며, 상기 부하(20)로 일정한 전압을 제공하는 직류용 무정전 전원 장치(100)에 있어서,
    상기 제 1 노드(21)와 제 2 노드(22) 사이의 제 3 노드(23)에 연결되며, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 미리 결정된 허용 전압 범위의 최소값 미만일 경우, 상기 부하(20)로 전압을 인가하는 배터리(110);
    상기 제 1 노드(21)와 제 3 노드(23) 사이에 연결 구비되며, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 배터리(110)로 전달하여 상기 배터리(110)를 충전시키는 배터리 충전부(120);
    상기 제 3 노드(23)와 제 2 노드(22) 사이에 연결 구비되며, 상기 배터리(110)의 최대 출력 전압을 상기 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하는 DC/DC 컨버터(130);
    상기 전원 공급부(10)와 부하(20) 사이에 개재 구비되어,
    상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값 미만일 경우, 동작이 오프(Off)되고, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위로 회복된 후, 일정 시간이 지난 뒤, 동작이 온(On) 되는 메인 스위치(150); 및
    상기 DC/DC 컨버터(130)의 출력단에 직렬로 연결되어, 상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위일 경우, 상기 DC/DC 컨버터(130)의 동작을 제어하는 서브 스위치(160);
    를 포함하며,
    상기 전원 공급부(10)에서 상기 부하(20)로 전달되는 출력 전압이 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최대값을 초과할 경우,
    상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값보다 낮게 제어하는 것을 특징으로 하는 직류용 무정전 전원 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는
    상기 DC/DC 컨버터(130)와 직렬로 연결되며, 상기 부하(20)에서 상기 DC/DC 컨버터(130)로의 역전류를 방지하는 다이오드(140)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류용 무정전 전원 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 직류용 무정전 전원 장치(100)는
    상기 부하(20)에 역병렬로 연결되며, 상기 부하(20)의 역기전력 발생을 방지하는 회생 다이오드(170);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류용 무정전 전원 장치.
  6. 전압 센서(미도시)를 통해서, 전원 공급부(10)에서 출력되는 전압값을 측정하는 전압 측정 단계(S100);
    상기 전압 측정 단계(S100)에서 측정된 전압값을 이용하여, 상기 전원 공급부(10)를 통해서 부하(20)로 제공되는 전압이 미리 결정된 허용 전압 범위인지 판단하는 전압 판단 단계(S200); 및
    상기 전압 판단 단계(S200)의 판단 결과값에 따라서, 상기 전원 공급부(10)를 통해서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 상기 허용 전압 범위의 최소값 미만일 경우, 상기 부하(20)에 직류용 무정전 전원 장치(100)의 배터리(110)를 통해서 전압을 제공하며,
    상기 전원 공급부(10)를 통해서 상기 부하(20)로 제공되는 전압이 상기 허용 전압 범위의 최대값을 초과할 경우, 상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값보다 낮게 제어하여 전압을 제공하는 전압 공급 단계(S300);
    로 이루어지며,
    상기 전압 공급 단계(S300)을 수행하기 전에,
    상기 전원 공급부(10)의 출력 전압을 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 배터리 충전부(120)를 통해서 배터리(110)를 충전하는 배터리 충전 단계(S310)와,
    상기 배터리 충전 단계(S310)를 통해서 충전된 상기 배터리(110)의 최대 출력 전압을 상기 직류용 무정전 전원 장치(100)의 DC/DC 컨버터(!30)를 이용하여, 상기 부하(20)의 허용 전압 범위의 최소값으로 제어하는 출력값 제어 단계(S320)를 수행하는 것을 특징으로 하는 직류용 무정전 전원 장치의 제어 방법.
  7. 삭제
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