KR101707556B1 - 플라즈마 버너의 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 스위치를 적용하여 스위치의 손실을 최소화하고 회로의 부피와 무게, 그리고 제조원가를 줄일 수 있는 플라즈마 버너(plasma burner)의 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터에 관한 것이다.
본 발명의 인버터는, 입력전압(Vin)을 공급하는 직류전원; 상기 직류전원에 병렬로 연결된 다이오드; 상기 다이오드에 1차측 코일이 병렬연결되고 2차측 코일이 직렬연결되고 3차측 코일이 플라즈마 발생기로 연결되며 내부의 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압을 1차측 코일에서 2차측 코일 및 3차측 코일로 전달하는 고전압 트랜스포머; 상기 고전압 트랜스포머의 1차측 코일로 전류 흐름을 스위칭하는 스위치; 및 일측이 상기 다이오드와 2차측 코일의 중간점에 연결되고 타측이 상기 1차측 코일과 스위치의 중간점에 연결되는 커패시터를 포함한다.

Description

플라즈마 버너의 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터{Lossless Single-Switch Inverter for Plasma Burner Driver Application}

본 발명은 플라즈마 버터 구동 인버터에 관한 것으로서, 특히 단일 스위치를 적용하여 스위치의 손실을 최소화하고 회로의 부피와 무게, 그리고 제조원가를 줄일 수 있는 플라즈마 버너(plasma burner)의 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터에 관한 것이다.

최근 석유, 천연가스 같은 화석 연료를 사용하여 발생하는 환경문제를 해결하기 위해 여러 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다. 산업계에서는 화석 연료를 사용하여 발생하는 유해물질을 없애거나 줄이는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 배기가스 및 유해물질을 다량 함유하고 있는 자동차 매연을 줄일 수 있는 매연 저감 장치에 관심을 기울이고 있다.

최근 매연 저감 장치에서는 플라즈마 버너(Plasma Burner)를 사용하여 매연 배출을 최소화하고 있다. 이에, 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 버너의 구동을 위한 인버터에 대한 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 현재 전장용 플라즈마 버터의 구동 인버터는 풀브릿지 인버터 회로가 주로 사용되고 있다. 하지만. 이러한 풀브릿지 인버터는 스위치 4개를 사용하는 회로의 특성상 소자의 개수가 많으며 스위칭 손실이 커지기 때문에 효율이 감소되고 제작단가를 높이는 단점이 있고, 또한 5cm×5cm 이상의 부피를 가진 고전압 트랜스포머를 사용하여 회로 부피가 커지며 원가가 상승하는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에 스위치를 1개만 사용하여 스위칭 손실을 줄이고, 작은 크기의 고전압 트랜스포머를 사용하였으며, 히트싱크 크기를 최소화하여 제작단가를 낮출 수 있는 플라즈마 버터 구동용 회로가 제시되었다.

도 1은 종래의 플라즈마 버너 구동 인버터의 예시도이다. 이러한 인버터는 4개의 스위치(11~14)를 이용한 풀브릿지 회로(10)를 사용한다. 풀브릿지 회로의 출력을 고전압 트랜스포머(20)를 통해 고전압으로 변환하여 플라즈마 발생기(30)로 출력한다. 이는 다음과 같음 문제점을 가지고 있다.

첫째, 종래의 플라즈마 버너 구동 인버터는 풀브릿지 회로를 사용하고 있어 소자의 개수가 많아 원가상승 및 전체 회로 부피 증가의 문제가 있고, 구조가 복잡하여 회로 구현이 어려우며, 각 스위치로 인한 전력손실로 인해 히트싱크(heat sink)를 추가로 설치해야 하므로 시스템의 부피와 무게가 증가하고 원가를 상승시키는 문제점이 있다.

둘째, 큰 부피의 고전압 트랜스포머를 사용하여 회로의 부피가 상승하고 원가가 상승하는 단점이 있다. 이러한 회로는 낮은 주파수로 동작하고 플라즈마 발생을 위해 높은 전력을 요구하기 때문에 전류가 높아 5cm×5cm 이상의 고전압 트랜스포머를 사용한다.

셋째, 회로의 전력손실이 크다는 문제점이 있다. 종래의 단일 스위치 회로는 일반적인 RCD 스너버나 RC 스너버를 사용하는데, 이런 기존 스너버는 전력손실이 높아 전체 회로의 전력 손실이 높고 효율이 낮은 단점이 있다.

등록특허 제0651079호

이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 단일 스위치를 사용하여 전력손실이 적고 무게와 부피가 적으며 제조단가를 줄일 수 있는 플라즈마 버터 구동용 무손실 단일 스위치 인버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터는, 입력전압(Vin)을 공급하는 직류전원; 상기 직류전원에 병렬로 연결된 다이오드; 상기 다이오드에 1차측 코일이 병렬연결되고 2차측 코일이 직렬연결되고 3차측 코일이 플라즈마 발생기로 연결되며 내부의 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압을 1차측 코일에서 2차측 코일 및 3차측 코일로 전달하는 고전압 트랜스포머; 상기 고전압 트랜스포머의 1차측 코일로 전류 흐름을 스위칭하는 스위치; 및 일측이 상기 다이오드와 2차측 코일의 중간점에 연결되고 타측이 상기 1차측 코일과 스위치의 중간점에 연결되는 커패시터를 포함한다.

본 발명에서, 상기 다이오드는 상기 직류전원에 의한 전류방향에 역방향으로 배치된다.

본 발명에서, 상기 고전압 트랜스포머의 1차측, 2차측 및 3차측 코일은 1:1:n(n>1인 정수)의 권선비를 갖는다.

본 발명에서, 상기 스위치가 온(on)되면 상기 입력전압(Vin)에 의한 전류가 상기 고전압 트랜스포머의 1차측 코일과 스위치를 통해 흐르게 되고 상기 고전압 트랜스포머의 자화인덕터(Lm)에 전압을 충전하고 상기 1차측 코일에서 3차측 코일에 전달되는 고전압(+nVin)이 상기 플라즈마 발생기로 입력된다.

이때, 상기 스위치가 오프(off)되면 상기 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압에 의해 상기 1차측 코일에 전류를 인가하고 상기 2차측 코일로 전달되는 전압에 의해 상기 커패시터를 통해 상기 1차측 코일로 전류가 인가되고 상기 1차측 코일의 전류에 의해 3차측 코일에 전달된 고전압(-nVin)이 상기 플라즈마 발생기로 입력된다.

여기서, 상기와 같이 스위치가 오프(off)된 상태에서 상기 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압만 방전하여 상기 3차측 코일에 전달되는 고전압(-nVin)이 상기 플라즈마 발생기로 입력된다.
여기서, 상기 3차측 코일에 전달되는 상기 고전압(+nVin,-nVin)의 방향은 상기 1차측 코일과 상기 3차측 코일의 권선방향에 따라 결정된다.

본 발명에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터는 인버터 출력 전압이 발생하므로 플라즈마 발생이 용이하고, 소형의 고전압 트랜스포머를 사용할 수 있기 때문에 전체 시스템의 부피와 무게가 줄고 원가가 감소하는 장점을 가지고 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터는 무손실 스너버를 적용한 단일 스위치 인버터 회로를 구현하였기 때문에, 스위치의 전압 스트레스를 최소화하고 스위칭 전력손실을 최소화하여 발열량이 감소하므로, 이를 통해 히트싱크를 최소화하고 효율 또한 우수하다.

나아가, 본 발명에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터는 플라즈마 발생 회로에 매우 적합할 뿐만 아니라, 고압 발생 전력 변환 회로가 적용되는 다른 전자 제품에도 적용이 가능하다.

도 1은 종래의 플라즈마 버너용 인버터 구동회로의 예시도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 인버터 회로의 제1동작모드에서의 출력 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 인버터 회로의 제2동작모드에서의 출력 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 인버터 회로의 제3동작모드에서의 출력 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 인버터 회로의 주요 동작 파형도,

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터의 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 버너 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터(이하, 인버터라 함)(100)는 입력전압(Vin)을 공급하는 직류전원(110), 직류전원(110)에 병렬로 연결된 다이오드(120), 다이오드(120)에 1차측 코일(131)이 병렬로 연결되고 2차측 코일(132)이 직렬로 연결되고 3차측 코일(133)이 플라즈마(plasma)를 발생하는 플라즈마 발생기(160)로 연결되며 내부의 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압을 1차측 코일(131)에서 2차측 코일(132) 및 3차측 코일(133)로 전달하는 고전압 트랜스포머(130), 고전압 트랜스포머(130)의 1차측 코일(131)로의 전류흐름을 스위칭하는 스위치(140), 일측이 다이오드(120)와 2차측 코일(132)의 중간점(N1)에 연결되고 타단이 1차측 코일(131)과 스위치(140)의 중간점(N2)에 연결되는 커패시터(150)를 포함한다.

본 실시 예에 따른 인버터(100)에서 다이오드(120)는 직류전원(110)에 의한 전류의 방향과 반대방향으로 설치된다. 또한, 고전압 트랜스포머(130)의 1차측, 2차측, 3차측 코일의 권선비는 1:1:n(n>1, 정수)이다. 이때, 3차측 코일에 유기되는 출력전압(Vo)은 예컨대 고전압이 출력되도록 권선비를 결정한다. 예컨대, 본 실시 예에 따른 인버터(100)의 경우, 입력전압(Vin)은 24V로 하고 3차측 코일(133)에 유도되는 출력전압(Vo)은 4000V가 되도록 한다. 물론, 이러한 출력전압(Vo)은 권선비와 후단의 플라즈마 발생기(160)의 특성에 따라 당연히 변경될 수 있다.

본 실시 예에서 스위치는 MOSFET과 같은 반도체스위치를 사용할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 인버터(100)의 동작모드는 3가지로 구분된다. 이를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 인버터 회로의 제1동작모드에서의 출력을 나타내고, 도 4는 본 발명에 따른 인버터 회로의 제2동작모드에서의 출력을 나타내고, 도 5는 본 발명에 따른 인버터 회로의 제3동작모드에서의 출력을 나타낸다.

도 3에 도시된 제1동작모드에서 스위치(140)이 온(on)되면 입력전압(Vin)에 의해 전류(Iin)가 고전압 트랜스포머(130)의 1차측 코일(131)과 스위치(140)를 통해 흘러 고전압 트랜스포머(130)의 내부 자화인덕터(Lm)에 에너지를 충전하고 1차측 코일(131)의 전류에 의해 1:n의 권선비에 따라 3차측 코일(133)에 출력되는 고전압의 출력전압(+nVin)이 후단의 플라즈마 발생기(160)로 입력된다. 이로써, 플라즈마 발생기(160)는 고압의 전압을 인가받아 플라즈마를 발생하도록 한다.

다음으로, 도 4에 도시된 제2동작모드에서 스위치(140)가 오프(off)되면 상기한 바와 같이 고전압 트랜스포머(130)의 내부 자화인덕터(Lm)에 충전된 에너지에 의해 1차측 코일(131)에 전류를 인가하고, 이러한 전류에 의해 2차측 코일(132)로 전달되는 전압에 의해 커패시터(150)와 다이오드(120)를 통해 역방향의 전류가 흐르게 되며, 1차측 코일(131)의 전류에 의해 1:n의 권선비에 따라 3차측 코일(133)에 출력되는 고전압의 출력전압(-nVin)이 플라즈마 발생기(160)로 입력된다. 따라서, 제2동작모드에서는 입력전류는 제1동작모드에서의 입력전류와 반대방향이 되고 3차측 코일(133)에 출력되는 출력전압도 반대방향이 된다.

도 5에 도시된 제3동작모드에서는 스위치(140)가 오프(off)된 상태에서 고전압 트랜스포머(130)의 내부 자화인덕터(Lm)에 충전된 에너지만 방전하는 모드로서, 자화인덕터(Lm)에 충전된 에너지에 의해 3차측 코일(133)로 출력되는 고전압의 출력전압(-nVin)이 플라즈마 발생기(160)로 입력된다. 이때, 자화인덕터(Lm)에 충전된 에너지를 3차측 코일(133)로 방전하면서 출력전압(-nVin)은 시간이 경과함에 따라 0으로 상승한다. 이때, 3차측 코일(133)에서의 각 출력전압(+nVin,-nVin)의 방향은 고전압 트랜스포머(130) 내 1차측 코일(131)과 3차측 코일(133)의 권선방향에 따라 결정된다.

이와 같이 본 발명에 따른 인버터(100)에서는 단일 스위치로 동작함으로써 무손실 회로 동작이 가능하고, 이로써 회로의 손실을 최소화하여 효율을 높인다. 또한, 종래의 풀브릿지 인버터 회로에 비해 소자의 개수가 저감되며, 기존의 고전압 트랜스포머보다 부피가 작은 사용할 수 있다. 따라서 고압 출력전압발생이 가능하며 제조원가가 절감된다.

도 6은 본 발명에 따른 인버터 회로의 주요 동작 파형도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 인버터(100)에서 제1동작모드(t0~t1)에서는 스위치(140)가 온(on)되는 경우 도 3에 도시된 바와 같이 자화인덕터(Lm)로 전류가 흐르게 되는데, 이러한 자화인덕터(Lm)에 의해 입력전류(+Iin)는 시간에 따라 증가하고 자화인덕터(Lm)에는 전압(+Vin)이 충전된다. 이에 따라 1차측 코일(131)과 3차측 코일(133)의 코일 권선비가 1:n이므로 3차측 코일(133)에는 +nVin이 출력된다.

이후, 제2동작모드(t1~t2)에서는 스위치(140)가 오프(off)되면 도 4에서와 같이 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압에 의해 1차측 코일(131)에 전류를 공급한다. 이때, 전류의 방향은 제1동작모드와 비교할 때 반대방향이 된다. 또한, 1차측 코일(132)에 유도된 전압에 의해 다이오드(120)와 커패시터(150)를 통해 전류가 흐르게 되며, 이때 다이오드(120)를 통해 흐르는 전류는 직류전원(110)으로 흐르게 되어 입력전류는 제1동작모드에서의 입력전류와 그 전류흐름이 반대방향(-Iin)이 된다. 이와 같이 1차측 코일(131)에 반대방향의 전류가 흘러 3차측 코일(133)에서는 제1동작모드(t0~t1)와는 반대방향의 출력전압(-nVin)이 출력되며, 입력전류(-Iin)는 시간에 따라 0으로 상승하게 된다.

계속해서, 제3동작모드(t2~t3)에서는 스위치(140)가 오프(off)된 상태에서 도 5에서와 같이 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압(-Vin)만 방전하도록 함으로써 3차측 코일(133)에는 초기 출력전압 -nVin에서 시간이 경과함에 따라 0으로 상승한다. 이때, 다이오드(120)는 오픈되어 입력전류(Iin)은 0가 된다.

이와 같이, 단일 스위치(140)의 온/오프 주기에 따라 직류전압을 고전압의 교류전압으로 변환하여 플라즈마 발생기로 제공할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 직류전원 120 : 다이오드
130 : 고전압 트랜스포머 131 : 1차측 코일
132 : 2차측 코일 133 : 3차측 코일
140 : 스위치 150 : 커패시터

Claims (6)

1. 입력전압(Vin)을 공급하는 직류전원;
   상기 직류전원에 병렬로 연결된 다이오드;
   상기 다이오드에 1차측 코일이 병렬연결되고 2차측 코일이 직렬연결되고 3차측 코일이 플라즈마 발생기로 연결되며 내부의 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압을 1차측 코일에서 2차측 코일 및 3차측 코일로 전달하는 고전압 트랜스포머;
   상기 고전압 트랜스포머의 1차측 코일로 전류 흐름을 스위칭하는 스위치; 및
   일측이 상기 다이오드와 2차측 코일의 중간점에 연결되고 타측이 상기 1차측 코일과 스위치의 중간점에 연결되는 커패시터; 를 포함하고,
   상기 고전압 트랜스포머의 1차측, 2차측 및 3차측 코일은 1:1:n(n>1인 정수)의 권선비를 갖으며,
   상기 스위치가 온(on)되면 상기 입력전압(Vin)에 의한 전류가 상기 고전압 트랜스포머의 1차측 코일과 스위치를 통해 흐르게 되고 상기 고전압 트랜스포머의 자화인덕터(Lm)에 전압을 충전하고 상기 1차측 코일에서 3차측 코일에 전달되는 고전압(+nVin)이 상기 플라즈마 발생기로 입력되고,
   상기 스위치가 오프(off)되면 상기 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압에 의해 상기 1차측 코일에 전류를 인가하고 상기 2차측 코일로 전달되는 전압에 의해 상기 커패시터를 통해 상기 1차측 코일로 전류가 인가되고 상기 1차측 코일의 전류에 의해 3차측 코일에 전달되는 고전압(-nVin)이 상기 플라즈마 발생기로 입력되고,
   상기 스위치가 오프(off)된 상태에서 상기 자화인덕터(Lm)에 충전된 전압만 방전하여 상기 3차측 코일에 전달되는 고전압(-nVin)이 상기 플라즈마 발생기로 입력되며,
   상기 3차측 코일에 전달되는 상기 고전압(+nVin,-nVin)의 방향은 상기 1차측 코일과 상기 3차측 코일의 권선방향에 따라 결정되는 플라즈마 버너의 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다이오드는 상기 직류전원에 의한 전류방향에 역방향으로 배치되는 플라즈마 버너의 구동을 위한 무손실 단일 스위치 인버터.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images