KR101452146B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

이 전력 변환 장치는, 직류 전원(1)으로부터의 직류 전압을 안정화시키는 직류 안정화 회로(2)와, 직류 안정화 회로(2)에 의해 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(3)를 구비한다. 직류 안정화 회로(2)는, 직류 전압을 평활화하는 알루미늄 전해 콘덴서(4)와, 직류 안정화 회로(2)가 발진하는 것을 방지하는 가포화 리액터(5)와, 인버터(3)에 리플 전류를 공급하는 필름 콘덴서(6)를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{ELECTRIC POWER CONVERTER}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치는, 직류 전원으로부터의 직류 전압을 안정화시키는 콘덴서와, 콘덴서로 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터를 구비하고 있다. 또한, 인버터에서는, 반도체 스위칭 소자의 스위칭 동작에 수반하여, 리플 전류가 발생한다. 인버터에서 발생한 리플 전류는 콘덴서에 흡수된다(예를 들면, 일본국 특개2006-87212호 공보(특허 문헌 1) 참조).
특허 문헌 1 : 일본국 특개2006-87212호 공보
이와 같은 전력 변환 장치에서는, 일반적으로, 콘덴서로서 알루미늄 전해 콘덴서가 사용되고 있다. 이 알루미늄 전해 콘덴서에는, 용량치가 크다는 장점이 있는 한편, 리플 전류의 공급 능력(흡수 능력)이 낮다는 단점이 있다. 이 때문에, 인버터가 필요로 하는 리플 전류를 공급하려면, 복수의 알루미늄 전해 콘덴서를 병렬 접속하여 사용할 필요가 있어서, 장치가 대형화, 고비용이 된다는 문제가 있다.
또한, 리플 전류는 고주파의 교류 전류이기 때문에, 인버터에서 발생한 리플 전류는 콘덴서에 흡수된다는 것과, 콘덴서로부터 인버터에 리플 전류가 공급된다는 것은, 같은 의미(同意)이다.
또한, 이와 같은 전력 변환 장치에서는, 콘덴서로부터 인버터에 리플 전류를 공급하기 위해, 콘덴서와 인버터를 근접하여 배치하고, 콘덴서와 인버터의 사이의 배선의 인덕턴스 성분을 작게 할 필요가 있다. 이 때문에, 장치 설계의 자유도가 작다는 문제도 있다.
그러므로, 본 발명의 주된 목적은, 장치의 소형화, 저비용화가 가능하고, 설계의 자유도가 큰 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서, 직류 전원으로부터의 직류 전압을 안정화시키는 직류 안정화 회로와, 직류 안정화 회로에 의해 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터를 구비한 것이다. 직류 안정화 회로는, 직류 전원으로부터의 직류 전압을 받는 입력 단자와, 인버터에 접속되는 직류 출력 단자와, 입력 단자에 접속되고, 입력 단자의 직류 전압을 평활화하는 축전장치(蓄電裝置)와, 일방 단자가 입력 단자에 접속되고, 다른 쪽 단자가 출력 단자에 접속되고, 직류 안정화 회로가 발진하는 것을 방지하는 리액터와, 출력 단자에 접속되고, 인버터에 리플 전류를 공급하는 필름 콘덴서를 포함한다.
바람직하게는, 축전장치는 전해 콘덴서이다.
또한 바람직하게는, 축전장치는 전기 이중층 콘덴서이다.
또한 바람직하게는, 축전장치는 전지이다.
또한 바람직하게는, 리액터는 가포화(可飽和) 리액터이다.
또한 바람직하게는, 직류 안정화 회로는, 또한, 입력 단자와 리액터의 일방 단자와의 사이에 개삽(介揷)된 퓨즈를 포함한다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치에서는, 축전장치에 의해 직류 전압을 평활화하고, 필름 콘덴서에 의해 리플 전류를 공급하고, 리액터에 의해 발진을 방지한다. 따라서 축전장치는 리플 전류를 공급할 필요가 없기 때문에, 소형으로 저가격의 것으로 족한다. 또한, 필름 콘덴서만을 인버터에 근접 배치하고, 축전장치는 인버터로부터 이간시켜서 배치할 수 있기 때문에, 설계의 자유도가 커지고, 인버터 부분의 소형화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도.
도 2는 도 1에 도시한 가포화 리액터의 효과를 설명하기 위한 회로도.
도 3은 실시의 형태의 변경례를 도시하는 회로도.
본 발명의 한 실시의 형태에 의한 전력 변환 장치는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 직류 전원(1)으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치로서, 직류 안정화 회로(2) 및 인버터(3)를 구비한다.
직류 전원(1)은, 직류 전력을 공급한 장치이고, 예를 들면, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터이다. 또한, 직류 전원(1)은, 교류 전압을 정류하는 정류 회로라도 좋고, 직류 전력을 축적한 배터리라도 좋고, 직류 전력을 발생하는 태양전지, 연료 전지라도 좋다.
직류 안정화 회로(2)는, 직류 전원(1)으로부터의 직류 전압을 안정화시키는 회로이고, 입력 단자(T1, T2), 직류 출력 단자(T3, T4), 알루미늄 전해 콘덴서(4), 가포화 리액터(5), 및 필름 콘덴서(6)를 포함한다.
입력 단자(T1, T2)는, 각각 직류 전원(1)의 정측 출력 단자(1a) 및 부측 출력 단자(1b)에 접속되고, 직류 전원(1)으로부터 출력된 직류 전압을 받는다. 알루미늄 전해 콘덴서(4)는, 입력 단자(T1, T2) 사이에 접속되어, 직류 전원(1)으로부터의 직류 전압에 충전된다. 직류 전원(1)으로부터 출력된 직류 전압은, 알루미늄 전해 콘덴서(4)에 의해 평활화된다. 상술한 바와 같이, 알루미늄 전해 콘덴서(4)에는, 용량치가 크다는 장점이 있는 한편, 리플 전류의 공급 능력(흡수 능력)이 낮다는 단점이 있다.
필름 콘덴서(6)는, 직류 출력 단자(T3과 T4)의 사이에 접속된다. 필름 콘덴서(6)는, 리플 전류의 공급 능력(흡수 능력)이 높고, 수명이 길다는 장점을 갖지만, 용량치가 작다는 단점을 갖는다. 필름 콘덴서(6)는, 용량치가 작기 때문에 직류 평활용 콘덴서에는 부적합하고, 또한 축적 에너지도 작기 때문에 순저시(瞬低時) 등의 백업용 콘덴서로서도 부적합하다. 또한, 큰 용량치를 얻기 위해서는, 복수의 콘덴서를 병렬 접속하여 사용할 필요가 있어서, 장치의 대형화, 고비용화를 초래한다는 문제가 있다.
그래서, 본원 발명에서는, 알루미늄 전해 콘덴서(4) 및 필름 콘덴서(6)의 양쪽을 사용하여, 한쪽의 단점을 다른쪽의 장점으로 보완한다. 단, 도 2에 도시하는 바와 같이, 알루미늄 전해 콘덴서(4)와 필름 콘덴서(6)를 단지 병렬 접속한 것만으로는, 그글 사이의 배선(7)의 인덕턴스 성분과 콘덴서(4, 6)에 의해 공진 회로가 형성된다. 그 공진 회로의 공진 주파수와 인버터(3)의 스위칭 주파수가 근접하면, 그 공진 회로에 공진 리플 전류가 흘러서, 콘덴서(4, 6)가 과열하여 버린다.
그래서, 본원 발명에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 필름 콘덴서(6)를 인버터(3)의 가장 가까이에 배치하고, 이 필름 콘덴서(6)와 알루미늄 전해 콘덴서(4)를 가포화 리액터(5)로 접속한다. 이에 의해, 콘덴서(4, 6) 사이의 고주파 임피던스를 높게할 수가 있어서, 공진 현상이 억제된다.
또한, 인버터(3)에의 고주파 리플 전류의 공급은 필름 콘덴서(6)만에서 행하고, 직류 전압의 평활화는 알루미늄 전해 콘덴서(4)로 행한 것이 가능해져서, 리플 전류 공급과 직류 평활화를 분리하여 설계하는 것이 가능해진다.
또한, 알루미늄 전해 콘덴서(4)에 흐르는 리플 전류가 작아지기 때문에, 내부 저항이 높은 염가의 알루미늄 전해 콘덴서(4)를 사용할 수 있다. 나아가서는, 필름 콘덴서(6)는 소형이기 때문에, 콘덴서(6) 및 인버터(3)를 포함하는 전력 변환부를 소형으로 하고, 알루미늄 전해 콘덴서(4)를 전력 변환부로부터 떨어진 위치에 배치하는 것이 가능하게 되어, 설계의 자유도가 늘어난다.
가포화 리액터(5)는, 전자(電磁) 결합된 2개의 코일(5a, 5b)을 포함한다. 코일(5a)의 일방 단자는 직류 출력 단자(T3)에 접속되고, 그 타방 단자는 입력 단자(T1)에 접속된다. 코일(5b)의 일방 단자는 입력 단자(T2)에 접속되고, 그 타방 단자는 직류 출력 단자(T4)에 접속된다.
가포화 리액터(5)의 리액턴스(L)는, 가포화 리액터(5)의 단자 사이에 인가되는 전압(V)과 시간(t)의 곱(V·t)에 의해 변화하고, V·t가 소정치보다도 낮은 경우는 일정한 값을 가지며, V·t가 소정치를 넘으면 급격하게 저하된다. 따라서 가포화 리액터(5)의 리액턴스(L)는, 고주파 전압에 대해서는 높은 값이 되고, 저주파 전압 및 직류 전압에 대해서는 낮은 값이 된다. 이 때문에, 알루미늄 전해 콘덴서(4)로 평활화된 직류 전압은, 가포화 리액터(5)를 통과하여 인버터(3)에 공급되지만, 인버터(3)의 스위칭 동작에 수반하여 발생하는 고주파의 리플 전압은, 가포화 리액터(5)를 통과하지 않는다.
인버터(3)는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트형 바이폴러 트랜지스터)(Q1 내지 Q6), 다이오드(D1 내지 D6), 및 교류 출력 단자(T5 내지 T7)를 포함한다.
IGBT(Q1 내지 Q3)의 컬렉터는 모두 직류 출력 단자(T3)에 접속되고, 그들의 이미터는 각각 교류 출력 단자(T5 내지 T7)에 접속된다. IGBT(Q4 내지 Q6)의 컬렉터는 각각 교류 출력 단자(T5 내지 T7)에 접속되고, 그들의 이미터는 모두 직류 출력 단자(T4)에 접속된다. 다이오드(D1 내지 D6)는, 각각 IGBT(Q1 내지 Q6)에 역병렬로 접속된다. 제어 회로(도시 생략)는, IGBT(Q1 내지 Q6)의 게이트의 각각에 제어 신호를 주어, IGBT(Q1 내지 Q6)의 각각을 소정의 타이밍에서 온/오프 시켜서, 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환한다.
예를 들면, 교류 출력 단자(T5 내지 T7)에 3상 부하(예를 들면, 3상 모터)를 접속하고, IGBT(Q1, Q6, Q2, Q4, Q3, Q5)의 순서로 60도씩 위상을 비켜놓아 120도씩 온 시킴에 의해, 3상 부하에 3상 교류 전력을 공급할 수 있다.
또한, 이 실시의 형태에서는, 직류 평활용, 에너지 축적용, 백업용의 콘덴서로서 알루미늄 전해 콘덴서(4)를 사용하였지만, 알루미늄 전해 콘덴서(4) 대신에 전기 이중층 콘덴서나 각종 전지를 사용하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 가포화 리액터(5) 대신에 통상의 리액터를 사용하여도 좋다. 통상의 리액터라도, 리액터의 임피던스는 주파수에 비례하여 증대하기 때문에, 리액터에 의해 고주파 리플 전류를 차단할 수 있고, 공진 현상의 발생을 억제할 수 있다.
도 3은, 이 실시의 형태의 변경례를 도시하는 회로도로서, 도 1과 대비되는 도면이다. 도 3에 있어서, 이 변경례에서는, 직류 안정화 회로(2)에 퓨즈(8)가 추가된다. 퓨즈(8)는, 입력 단자(T1)와 가포화 리액터(5)의 코일(5a)의 타방 단자와의 사이에 개삽된다. 이 변경례에서는, 인버터(3)의 IGBT가 고장나서 단락 상태가 되었을 때, 퓨즈(8)가 블로우되기 때문에, IGBT의 단락 고장의 영향을 완화할 수 있다. 또한, 퓨즈(8)를 가포화 리액터(5)의 알루미늄 전해 콘덴서(4)측에 마련하였기 때문에, 퓨즈(8)에 고주파 리플 전류가 흐르는 것을 고려하지 않고서, 퓨즈(8)를 용이하게 선정할 수 있다.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각하여야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 직류 전원
1a : 정측 출력 단자
1b : 부측 출력 단자
2 : 직류 안정화 회로
3 : 인버터
4 : 알루미늄 전해 콘덴서
5 : 가포화 리액터
5a, 5b : 코일
6 : 필름 콘덴서
7 : 배선
8 : 퓨즈
Q1 내지 Q6 : IGBT
D1 내지 D6 : 다이오드
T1, T2 : 입력 단자
T3, T4 : 직류 출력 단자
T5 내지 T7 : 교류 출력 단자

Claims (6)

  1. 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서,
    직류 전원으로부터의 직류 전압을 안정화시키는 직류 안정화 회로와,
    상기 직류 안정화 회로에 의해 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터를 구비하고,
    상기 직류 안정화 회로는,
    상기 직류 전원으로부터의 직류 전압을 받는 제 1 및 제 2의 입력 단자와,
    상기 인버터에 접속되는 제 1 및 제 2의 직류 출력 단자와,
    상기 제 1 및 제 2의 입력 단자 사이에 접속되고, 상기 제 1 및 제 2의 입력 단자 사이의 직류 전압을 평활화하는 축전장치와,
    일방 단자가 상기 제 1의 직류 출력 단자에 접속되고, 다른 쪽 단자가 상기 제 1의 입력 단자에 접속된 제 1의 리액터와, 일방 단자가 상기 제 2의 입력 단자에 접속되며, 다른 쪽 단자가 상기 제 2의 직류 출력 단자에 접속된 제 2의 리액터를 가지며, 상기 인버터에서 발생하는 고주파의 리플 전압을 차단하여 상기 직류 안정화 회로가 발진하는 것을 방지하는 가포화 리액터와,
    상기 제 1 및 제 2의 직류 출력 단자 사이에 접속되고, 상기 인버터에 리플 전류를 공급하는 필름 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전장치는 전해 콘덴서인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 축전장치는 전기 이중층 콘덴서인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 축전장치는 전지인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 직류 안정화 회로는, 또한, 상기 제 1의 입력 단자와 상기 제 1의 리액터의 다른 쪽 단자와의 사이에 개삽된 퓨즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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