KR101749826B1 - 커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 풀-브릿지 인버터 - Google Patents

커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 풀-브릿지 인버터 Download PDF

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Abstract

커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 풀-브릿지 인버터가 개시된다. 개시된 영전압 스위칭 인버터는 하나의 변압기를 포함하는 보조 공진 회로부; 및 상기 보조 공진 회로와 연결되며, 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부를 포함하는 메인 회로부;를 포함하되, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부 각각은 두개의 스위치가 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부는 병렬로 연결되고, 상기 변압기의 1차측 권선의 일단 및 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에는 상기 변압기의 극성을 나타내는 도트가 위치하고, 상기 변압기의 1차측 권선의 타단은 상기 제1 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제1 노드에 연결되고, 상기 변압기의 2차측 권선의 타단은 상기 제2 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제2 노드에 연결된다.

Description

커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 풀-브릿지 인버터{Zero voltage full-bridge inverter with additive coupled inductor}
본 발명의 실시예들은 영전압 스위칭 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위치 소자의 소프트 스위칭을 위해 사용되며, 커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 인버터에 관한 것이다.
최근 전력전자 기술을 이용한 전력변환 장치의 연구 방향은 고효율화를 추구하고 있다. 시스템의 고효율화를 위해서는 동작 시 발생하는 각종 손실을 줄여야 한다.
일반적으로 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)나 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력용 반도체 소자가 사용되는데 이러한 파워 스위치가 동작 시 발생하는 손실은 크게 도통 손실과 스위칭 손실로 나눌 수 있다.
도통 손실은 스위치 ON 시 스위치를 통해 흐르는 전류와 스위치 내부 고유 저항에 의해 결정되며, 스위칭 손실은 스위치 ON/OFF 시 스위치 양단 전압과 스위치를 통해 흐르는 전류가 중첩될 때 발생한다.
이러한 손실들은 전체 시스템의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 손실로 인한 열을 방열판과 팬(FAN)을 이용하여 방열해야 하므로 전체 시스템의 부피까지도 증가될 수 있다.
상기의 손실을 줄이기 위하여 고효율 소자를 사용하여 도통 손실을 줄일 수 있으며, 소프트 스위칭 토폴로지를 이용하여 스위치 온/오프(ON/OFF) 시 전압, 전류가 중첩되는 면적을 줄임으로써 스위칭 손실은 줄일 수 있다.
일반적인 소프트 스위칭 기법은 반도체 스위치가 온/오프 시 전압/전류의 상태에 따라 ZCS(Zero Current Switching) 방법과 ZVS(Zero Voltage Switching) 방법으로 나누어진다.
ZCS 방법은 스위치에 흐르는 전류를 스위치에 직렬 또는 병렬 연결한 보조 인덕터와 보조 캐패시터로 구성된 공진 회로를 이용하여 순간적으로 보조 회로에 흐르게 함으로써 스위치에 흐르는 전류를 "0[A]"으로 만들어 주어 스위치 턴-오프를 하는 방법이며, ZVS 방법은 스위치 양단에 걸리는 전압을 순간적으로 역병렬 다이오드나 스위치에 병렬로 연결된 공진 캐패시터를 이용하여 스위치 양단 전압을 "0[V]"로 만들어서 스위치가 켜지거나 꺼지게 만들어서 전압/전류 중첩 구간을 최소화하여 스위칭 손실을 줄이는 방법이다.
도 1은 종래의 소프트 스위칭을 위한 단상 하프-브릿지 인버터의 일례를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 단상 하프-브릿지 인버터는 커플드 인덕터의 특징을 이용하여 메인 스위치의 영전압 스위칭을 구현하였다.
도 1의 소프트 스위칭을 위한 하프-브릿지 인버터 회로를 이용하여 소프트 스위칭을 위한 풀-브릿지 인버터를 구현하게 되면 도 2와 같이 구현할 수 있다. 즉, 도 2는 도 1을 이용하여 종래의 소프트 스위칭을 위한 풀-브릿지 인버터의 일례를 도시한 도면이다.
일반적인 소프트 스위칭을 위한 회로의 경우, 특수한 회로 구조로 인해 불연속형(discrete type) 반도체 소자를 집적화한 모듈형 반도체 소자의 적용이 어렵다는 단점을 지니며, 이에 따라 불연속형 반도체 소자를 이용하여 회로를 구현하는 것이 일반적이다. 이와 같이 불연속형 반도체 소자에 의해 소프트 스위칭(ZVS, ZCS)를 구현하는 경우에는 기생 성분(일례로, 기생 캐패시터, 기생 인덕터)의 값의 적절한 관리의 어려움으로 소프트 스위칭 인버터의 설계가 복잡해지고 가격이 상승하며, 구현 성능 또한 저감되는 문제점을 가진다.
도 2의 회로의 경우, 반도체 소자 위치를 적절하게 이동함으로써 2조의 단상 인버터용 모듈형 반도체 소자를 이용하여 구현이 가능하나, 단상 모듈형 반도체 소자의 경우 일반적으로 널리 사용되는 삼상 모듈형 반도체 소자에 비해 가격이 비싸므로 가격이 상승한다는 문제점과 더불어, 2조의 단상 모듈형 반도체 소자가 필수적으로 사용되어야 하므로 구성이 복잡하게 되어 인버터의 신뢰성이 하락할 수 있는 단점을 가진다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 스위치 소자의 소프트 스위칭을 위해 사용되며, 커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 풀-브릿지 인버터를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 메인 스위치의 스위치 손실을 저감할 뿐만 아니라, 기생 성분의 관리와 더불어 회로 구성의 비용을 저감할 수 있는 영전압 스위칭 풀-브릿지 인버터를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 영전압 스위칭 인버터에 있어서, 하나의 변압기를 포함하는 보조 공진 회로부; 및 상기 보조 공진 회로와 연결되며, 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부를 포함하는 메인 회로부;를 포함하되, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부 각각은 두개의 스위치가 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부는 병렬로 연결되고, 상기 변압기의 1차측 권선의 일단 및 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에는 상기 변압기의 극성을 나타내는 도트가 위치하고, 상기 변압기의 1차측 권선의 타단은 상기 제1 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제1 노드에 연결되고, 상기 변압기의 2차측 권선의 타단은 상기 제2 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제2 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터가 제공된다.
상기 변압기의 상기 변압기의 1차측 권선 및 상기 변압기의 2차측 권선은 도트의 방향이 동일한 가극성 변압기일 수 있다.
상기 보조 공진 회로부는, 제3 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부와 병렬 연결된 다이오드부를 더 포함하되, 상기 제3 스위칭부는 두개의 스위치가 직렬 연결되고, 상기 다이오드부는 두개의 다이오드가 직렬 연결되며, 상기 변압기의 1차측 권선의 일단은 상기 제3 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제3 노드에 연결되고, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단은 상기 다이오드부에 포함된 두개의 다이오드의 사이의 제4 노드에 연결될 수 있다.
상기 영전압 스위칭 인버터는 전원부;를 더 포함하되, 상기 제1 스위칭부는 제1-1 스위치 및 제1-2 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위칭부는 제2-1 스위치 및 제2-2 스위치를 포함하고, 상기 제3 스위칭부는 제3-1 스위치 및 제3-2 스위치를 포함하고, 상기 다이오드부는 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 포함하고, 상기 제1-1 스위치의 일단, 상기 제2-1 스위치의 일단, 상기 제3-1 스위치의 일단 및 상기 제1 다이오드의 출력단은 상기 전원부의 일단과 연결되고, 상기 제1-2 스위치의 타단, 상기 제2-2 스위치의 타단, 상기 제3-2 스위치의 타단 및 상기 제2 다이오드의 입력단은 상기 전원부의 타단과 연결되고, 상기 제1-1 스위치의 타단과 제1-2 스위치의 일단은 상기 제1 노드에서 연결되고, 상기 제2-1 스위치의 타단과 상기 제2-2 스위치의 일단은 상기 제2 노드에서 연결되고, 상기 제3-1 스위치의 타단과 상기 제3-2 스위치의 일단은 상기 제3 노드에서 연결되고, 상기 제1 다이오드의 입력단과 상기 제2 다이오드의 출력단은 상기 제4 노드에서 연결될 수 있다.
상기 보조 공진 회로는 제1 인덕터를 더 포함하되, 상기 제1 인덕터의 일단은 상기 변압기의 1차측 권선의 일단과 연결되고, 상기 제1 인덕터의 타단은 상기 변압기의 1차측 권선의 타단과 연결될 수 있다.
상기 보조 공진 회로는 제2 인덕터 및 제3 인덕터를 더 포함하되, 상기 제2 인덕터는 상기 변압기의 1차측 권선과 상기 제1 노드 사이에 연결되고, 상기 제3 인덕터는 상기 변압기의 2차측 권선과 상기 제2 노드 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부에 포함되는 스위치 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터, 다이오드 및 캐패시터를 포함하고, 상기 제3 스위칭부에 포함되는 스위치 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터 및 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제1-1 스위치와 상기 제2-2 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제1-2 스위치와 상기 제2-1 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제3-1 스위치와 상기 제3-2 스위치는 동시에 온되지 않고, 상기 제3-1 스위치가 온된 후 상기 제1-1 스위치 및 상기 제2-2 스위치가 함께 온되고, 상기 제3-2 스위치가 온된 후 상기 제1-2 스위치 및 상기 제2-1 스위치가 함께 온되며, 상기 제3-1 스위치는 상기 제1-1 스위치/상기 제2-2 스위치가 온되는 시간 내에 오프되며, 상기 제3-2 스위치는 상기 제1-2 스위치/상기 제2-1 스위치가 온되는 시간 내에 오프될 수 있다.
상기 인버터와 연결된 부하의 전류가 양의 방향인 경우, 상기 제1-1 스위치와 상기 제2-2 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제1-2 스위치와 상기 제2-1 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제3-2 스위치는 항상 오프되며, 상기 제3-1 스위치가 온된 후 상기 제1-1 스위치 및 상기 제2-2 스위치가 함께 온되고, 상기 제3-1 스위치는 상기 제1-1 스위치/상기 제2-2 스위치가 온되는 시간 내에 오프될 수 있다.
상기 인버터와 연결된 부하의 전류가 음의 방향인 경우, 상기 제1-1 스위치와 상기 제2-2 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제1-2 스위치와 상기 제2-1 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제3-1 스위치는 항상 오프되며, 상기 제3-2 스위치가 온된 후 상기 제1-2 스위치 및 상기 제2-1 스위치가 함께 온되며, 상기 제3-2 스위치는 상기 제1-2 스위치/상기 제2-1 스위치가 온되는 시간 내에 오프될 수 있다.
본 발명에 따른 영전압 스위칭 인버터는 메인 스위치의 스위치 손실을 저감할 뿐만 아니라, 삼상 인버터용 모듈형 반도체 소자를 적용함으로써 기생 성분의 관리와 더불어 회로 구성의 비용을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 소프트 스위칭을 위한 단상 하프-브릿지 인버터의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1은 종래의 소프트 스위칭을 위한 풀-브릿지 인버터의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 스위치의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 영전압 스위칭 인버터의 정상 상태에서 10개의 동작 모드의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다수의 스위치의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따라 삼상 인버터용 모듈형 반도체 소자에 의한 단상 영전압 스위칭 인버터의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 삼상 영전압 스위칭 인버터의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(300)는 영전압 스위칭 펄스폭 변조 단상 풀-브릿지 인버터로서, 전원부(310), 보조 공진 회로부(Auxiliary Resonant Circuit)(320) 및 메인 회로부(330)를 포함한다.
전원부(310)는 영전압 스위칭 인버터의 구동 전원을 공급한다.
보조 공진 회로부(320)는 전원부(310)와 연결되며, 2개의 보조 스위치(321-1, 321-2), 2개의 다이오드(322-1, 322-2), 하나의 커플드 인덕터 즉, 하나의 변압기(323), 제1 인덕터(324), 제2 인덕터(325) 및 제3 인덕터(326)를 포함한다.
메인 회로부(330)는 보조 공진 회로(330)와 연결되며, 4개의 메인 스위치(331-1, 331-2, 332-1, 332-2)를 포함한다.
보다 상세하게, 메인 회로부(330)의 경우, 4개의 메인 스위치 중 2개의 메인 스위치(331-1, 331-2)가 직렬로 연결되어 제1 스위칭부(331)를 구성하고, 4개의 메인 스위치 중 다른 2개의 메인 스위치(332-1, 332-2)가 직렬로 연결되어 제2 스위칭부(332)를 구성하며, 제1 스위칭부(331)와 제2 스위칭부(332)는 병렬 연결된다. 또한, 4개의 메인 스위치(331-1, 331-2, 332-1, 332-2) 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터, 다이오드 및 캐패시터를 포함한다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 스위칭부(331)에 포함되는 2개의 메인 스위치(331-1, 331-2)를 "제1-1 스위치(331-1) 및 제1-2 스위치(331-2)"로, 제2 스위칭부(332)에 포함되는 2개의 메인 스위치(332-1, 332-2)를 "제2-1 스위치(332-1) 및 제2-2 스위치(332-2)"로 호칭하기로 한다.
이 때, 제1-1 스위치(331-1) 및 제2-2 스위치(332-2)가 하나의 쌍으로 동작하고(즉, 제1-1 스위치(331-1)와 제2-2 스위치(332-2)는 함께 온/오프됨), 제1-2 스위치(331-2) 및 제2-1 스위치(332-1)가 하나의 쌍으로 동작할 수 있다(즉, 제1-2 스위치(331-2)와 제2-1 스위치(332-1)가 함께 온/오프됨).
보조 공진 회로부(320)의 경우, 2개의 보조 스위치(321-1, 321-2)는 직렬로 연결되어 제3 스위칭부(321)를 구성하고, 2개의 다이오드(322-1, 322-2)는 직렬로 연결되어 다이오드부(322)를 구성하며, 제3 스위칭부(321)와 다이오드부(322)는 전원부(310)와 병렬 연결된다. 또한, 2개의 보조 스위치(321-1, 321-2) 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터 및 다이오드를 포함한다. 이하, 설명의 편의를 위해 2개의 보조 스위치(321-1, 321-2)를 "제3-1 스위치(321-1) 및 제3-2 스위치(321-2)"로, 2개의 다이오드(322-1, 322-2)를 "제1 다이오드(322-1) 및 제2 다이오드(322-2)"로 호칭하기로 한다.
즉, 전원부(310)의 일단은 제1-1 스위치(331-1)의 일단, 제2-1 스위치(332-1)의 일단, 제3-1 스위치(321-1)의 일단 및 제1 다이오드(322-1)의 출력단과 일단과 연결되고, 전원부(310)의 타단은 제1-2 스위치(331-2)의 타단, 제2-2 스위치(332-2)의 타단, 제3-2 스위치(321-2)의 타단 및 제2 다이오드(322-2)의 입력단과 연결된다.
그리고, 하나의 변압기(323)는 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함한다.
세부적으로, 변압기(323)의 1차측 권선의 일단은 제3 스위칭부(321)에 포함된 두개의 스위치(321-1, 321-2)의 사이의 노드 즉, 제3-1 스위치(321-1)의 타단과 제3-2 스위치(321-2)의 일단이 연결된 제3 노드(node 3)에서 연결되고, 변압기(323)의 2차측 권선의 일단은 다이오드부(322)에 포함된 두개의 다이오드(322-1, 322-2)의 사이의 노드 즉, 제1 다이오드(322-1)의 타단과 제2 다이오드(322-2)의 일단이 연결된 제4 노드(node 4)에서 연결되며, 1차측 권선의 일단 및 변압기의 2차측 권선의 일단에는 변압기(323)의 극성을 나타내는 도트가 위치한다. 즉, 변압기(323)는 1차측 권선의 도트 및 2차측 권선의 도트 방향이 동일한 가극성 변압기이다.
또한, 변압기(323)의 1차측 권선의 타단은 제1 스위칭부(331)에 포함된 두개의 스위치(331-1, 331-2)의 사이의 노드 즉, 제1-1 스위치(331-1)의 타단과 제1-2 스위치(331-2)의 일단이 연결된 제1 노드(node 1)에서 연결되고, 변압기(323)의 2차측 권선의 타단은 제2 스위칭부(332)에 포함된 두개의 스위치(332-1, 332-2)의 사이의 노드 즉, 제2-1 스위치(332-1)의 타단과 제2-2 스위치(332-2)의 일단이 연결된 제2 노드(node 2)에서 연결된다.
그리고, 제1 인덕터(324)의 일단은 변압기(323)의 1차측 권선의 일단과 연결되고, 제1 인덕터(324)의 타단은 변압기(323)의 1차측 권선의 타단과 연결된다. 또한, 제2 인덕터(325)는 변압기(323)의 1차측 권선과 제1 노드(node 1) 사이에 연결되고, 제3 인덕터(326)는 변압기(323)의 2차측 권선과 제2 노드(node 2) 사이에 연결된다.
요컨대, 도 3와 같이 가극성을 갖는 하나의 커플드 인덕터 즉, 가극성을 갖는 하나의 변압기(323)를 이용하여 영전압 스위칭을 위한 풀-브릿지 인버터(300)를 구현하는 경우, 필요한 소자 개수도 줄어들게 되는 장점이 있다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 영전압 스위칭 인버터(300)에 포함되는 다수의 스위치(321-1, 321-2, 312-1, 331-2, 331-2, 332-1, 332-2)의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 스위치(321-1, 321-2, 331-1, 331-2, 332-1, 332-2)의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 영전압 스위칭 인버터(300)는 정상상태에서 10개의 동작 모드(t1, t0, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8, t9)를 가진다. 메인 스위치인 제1-1 스위치(331-1), 제1-2 스위치(331-2), 제2-1 스위치(332-1) 및 제2-2 스위치(332-2)가 온(turn on) 되기 전에 보조 스위치인 제3-1 스위치(321-1) 및 제3-2 스위치(321-2)가 일정시간 먼저 온 되어 보조 공진 회로부(320)에 전류를 흘려준 뒤, 보조 공진 회로부(320) 내의 제2 인덕터(325) 및 제3 인덕터(326)의 전류가 부하 전류보다 커지는 시점에서, 메인 스위치인 제1-1 스위치(331-1), 제1-2 스위치(331-2), 제2-1 스위치(332-1) 및 제2-2 스위치(332-2)를 오프(turn off)하면 보조 공진 회로부(320)에서 공진 회로가 형성되며, 이에 따라 메인 스위치인 제1-1 스위치(331-1), 제1-2 스위치(331-2), 제2-1 스위치(332-1) 및 제2-2 스위치(332-2)가 온 되기 전에 스위치 양단에 걸리는 전압을 영으로 만들어 영전압 스위칭을 구현한다.
도 5 및 도 6은 영전압 스위칭 인버터(300)는 정상 상태에서 10개의 동작 모드(t1, t0, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8, t9)의 전류 흐름을 도시하고 있다.
다수의 스위치(321-1, 321-2, 331-1, 331-2, 332-1, 332-2)의 제어 동작을 보다 상세하게 살펴보면, 제1-1 스위치(331-1)와 제2-2 스위치(332-2)는 함께 온/오프되고, 제1-2 스위치(331-2)와 제2-1 스위치(332-1)는 함께 온/오프되고, 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2)와 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1)는 동시에 온되지 않는다.
또한, 제3-1 스위치(321-1)와 제3-2 스위치(321-2)는 동시에 온되지 않고, 제3-1 스위치(321-1)가 온된 후 제1-1 스위치(331-1) 및 제2-2 스위치(332-2)가 함께 온되고, 제3-2 스위치(321-2)가 온된 후 제1-2 스위치(331-2) 및 제2-1 스위치(332-1)가 함께 온된다. 일례로, 제3-1 스위치(321-1), 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2), 제3-2 스위치, 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1) 순서로 스위치가 온된다.
그리고, 제3-1 스위치(321-1)는 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2)가 온되는 시간 내에 오프되며, 제3-2 스위치(321-2)는 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1)가 온되는 시간 내에 오프된다. 일례로, 제3-1 스위치(321-1), 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2), 제3-2 스위치, 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1) 순서로 스위치가 오프된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다수의 스위치(321-1, 321-2, 331-1, 331-2, 332-1, 332-2)의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 부하 전류(ILoad)의 방향에 따라 영전압 스위칭 인버터(300)가 각각 다른 방식으로 동작한다. 이 때, 제3-1 스위치(321-1) 및 제3-2 스위치(321-2) 중 어느 하나만 동작하게 된다.
먼저, 도 7은 영전압 스위칭 인버터(300)와 연결된 부하 전류(ILoad)가 양의 방향인 경우의 다수의 스위치(321-1, 321-2, 331-1, 331-2, 332-1, 332-2)의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 부하 전류(ILoad)가 양의 방향인 경우, 제3-2 스위치(321-2)는 항상 오프되며, 제3-1 스위치(321-1) 만이 동작한다.
보다 상세하게, 메인 스위치인 제1-1 스위치(331-1) 및 제2-2 스위치(332-2)가 온 되기 전에 보조 스위치인 제3-1 스위치(321-1) 만이 일정시간 먼저 온 된다. 여기서, 제3-1 스위치(321-1), 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2), 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1) 순서로 스위치가 온되며, 제3-1 스위치(321-1)는 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2)가 온되는 시간 내에 오프되며, 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2)는 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1)가 온 되기 전에 오프된다.
이에 따라, t0 내지 t4 시점에서의 영전압 스위칭 인버터(300)의 동작은 도 4와 동일하지만, t5 내지 t9 시점에서의 경우, 제2 인덕터(325) 및 제3 인덕터(326)의 전류가 흐르지 않고, 제3-1 스위치(321-1)가 온되면, 부하 전류(ILoad)와 메인 스위치들(331-1, 331-2, 332-1, 332-2)에 따라 제2 인덕터(325)와 제3 인덕터(326)에 공진 전류가 발생하게 되어 흐르는 전류가 증가 후 작아지게 된다. 이 때, 전류가 0이 되었을 때 스위칭을 함으로써 메인 스위치들(331-1, 331-2, 332-1, 332-2)에 대한 영전압 스위칭이 가능하게 된다. 이에 따라, 스위칭 손실을 제거할 수 있게 된다.
다음으로, 도 8은 영전압 스위칭 인버터(300)와 연결된 부하 전류(ILoad)가 음의 방향인 경우의 다수의 스위치(321-1, 321-2, 331-1, 331-2, 332-1, 332-2)의 제어 동작 및 주요한 파형의 타이밍 차트를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 부하 전류(ILoad)가 음의 방향인 경우, 제3-1 스위치(321-1)는 항상 오프되며, 제3-2 스위치(321-2) 만이 동작한다.
보다 상세하게, 메인 스위치인 제1-2 스위치(331-2) 및 제2-1 스위치(331-2)가 온 되기 전에 보조 스위치인 제3-2 스위치(321-2) 만이 일정시간 먼저 온 된다. 여기서, 제3-2 스위치(321-2), 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1), 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2) 순서로 스위치가 온되며, 제3-2 스위치(321-2)는 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1)가 온되는 시간 내에 오프되며, 제1-2 스위치(331-2)/제2-1 스위치(332-1)는 제1-1 스위치(331-1)/제2-2 스위치(332-2)가 온 되기 전에 오프된다.
이에 따라, t0 내지 t4 시점에서의 영전압 스위칭 인버터(300)의 동작은 도 4와 동일하지만, t5 내지 t9 - 시점에서의 경우, 제2 인덕터(325) 및 제3 인덕터(326)의 전류가 흐르지 않고, 제3-2 스위치(321-2)가 온되면, 부하 전류(ILoad)와 메인 스위치들(331-1, 331-2, 332-1, 332-2)의 상태에 따라 제2 인덕터(325)와 제3 인덕터(326)에 공진 전류가 발생하게 되어 흐르는 전류가 증가 후 작아지게 된다. 이때, 전류가 0이 되었을 때 스위칭을 함으로써 메인 스위치들(331-1, 331-2, 332-1, 332-2)에 대한 영전압 스위칭이 가능하게 된다. 이에 따라, 스위칭 손실을 제거할 수 있게 된다.
요컨대, 영전압 스위칭 인버터(300)는 스위칭시 발생하는 스위칭 손실을 제거함으로써 전체적인 효율을 증가시키고, 삼상 인버터용 모듈형 반도체 소자에 의한 단상 영전압 스위칭 인버터의 구현이 가능하므로 비용적인 이득과 수월한 회로 구현이 가능한 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(900)는 삼상 인버터용 모듈형 반도체 소자에 의한 단상 영전압 스위칭 인버터로서, 전원부(910), 보조 공진 회로부(920) 및 메인 회로부(930)를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(900)는 제3 스위칭부(933)의 위치가 보조 공진 회로부(920)가 아닌 메인 회로부(930)에 위치하고 있다는 점을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(300)와 동일하다. 즉, 메인 회로부(930)는 하나의 칩 내지 모듈형 반도체 소자로 제작될 수 있으므로, 메인 회로부(930) 내에 메인 스위치들(932, 933) 및 보조 스위치(931)를 모두 포함시켜 저가격의 단일 삼상 인버터용 모듈형 반도체 소자로 제작할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(1000)는 삼상을 위한 영전압 스위칭 인버터로서, 전원부(1010), 보조 공진 회로부(1020) 및 메인 회로부(1030)를 포함한다.
도 3에 따른 본 발명의 제1 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(300)와 비교할 때, 본 발명의 제3 실시예에 따른 영전압 스위칭 인버터(1000)는 하나의 가극성 변압기 및 인덕터들을 도면부호 (1021)와 같이 구성하여 3상을 구현할 수 있다.
한편, 도 3과 비교할 때, 보조 공진 회로부(1020)에는 또 하나의 다이오드부가 추가되어 있고, 메인 회로부(1030)에는 또 하나의 스위칭부가 추가되어 있으나, 이는 본 발명의 일례에 불과한 것으로서, 보조 공진 회로부(1020) 및 메인 회로부(1030)는 다양한 능동소자/수동소자의 연결 관계로 구성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 영전압 스위칭 인버터에 있어서,
    제1 스위칭부 및 제2 스위칭부를 포함하는 메인 회로부; 및
    상기 메인 회로부와 연결되며, 하나의 변압기, 제3 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부와 병렬 연결된 다이오드부를 포함하는 보조 공진 회로부;를 포함하되,
    상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부 각각은 두개의 스위치가 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부는 병렬로 연결되고, 상기 제3 스위칭부는 두개의 스위치가 직렬 연결되고, 상기 다이오드부는 두개의 다이오드가 직렬 연결되며,
    상기 변압기의 1차측 권선의 일단 및 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에는 상기 변압기의 극성을 나타내는 도트가 위치하고, 상기 변압기의 1차측 권선의 일단은 상기 제3 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제3 노드에 연결되고, 상기 변압기의 1차측 권선의 타단은 상기 제1 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제1 노드에 연결되고, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단은 상기 다이오드부에 포함된 두개의 다이오드의 사이의 제4 노드에 연결되고, 상기 변압기의 2차측 권선의 타단은 상기 제2 스위칭부에 포함된 두개의 스위치의 사이의 제2 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 상기 변압기의 1차측 권선 및 상기 변압기의 2차측 권선은 도트의 방향이 동일한 가극성 변압기인 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영전압 스위칭 인버터는 전원부;를 더 포함하되,
    상기 제1 스위칭부는 제1-1 스위치 및 제1-2 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위칭부는 제2-1 스위치 및 제2-2 스위치를 포함하고, 상기 제3 스위칭부는 제3-1 스위치 및 제3-2 스위치를 포함하고, 상기 다이오드부는 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 포함하고,
    상기 제1-1 스위치의 일단, 상기 제2-1 스위치의 일단, 상기 제3-1 스위치의 일단 및 상기 제1 다이오드의 출력단은 상기 전원부의 일단과 연결되고, 상기 제1-2 스위치의 타단, 상기 제2-2 스위치의 타단, 상기 제3-2 스위치의 타단 및 상기 제2 다이오드의 입력단은 상기 전원부의 타단과 연결되고,
    상기 제1-1 스위치의 타단과 제1-2 스위치의 일단은 상기 제1 노드에서 연결되고, 상기 제2-1 스위치의 타단과 상기 제2-2 스위치의 일단은 상기 제2 노드에서 연결되고, 상기 제3-1 스위치의 타단과 상기 제3-2 스위치의 일단은 상기 제3 노드에서 연결되고, 상기 제1 다이오드의 입력단과 상기 제2 다이오드의 출력단은 상기 제4 노드에서 연결되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조 공진 회로는 제1 인덕터를 더 포함하되,
    상기 제1 인덕터의 일단은 상기 변압기의 1차측 권선의 일단과 연결되고, 상기 제1 인덕터의 타단은 상기 변압기의 1차측 권선의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보조 공진 회로는 제2 인덕터 및 제3 인덕터를 더 포함하되,
    상기 제2 인덕터는 상기 변압기의 1차측 권선과 상기 제1 노드 사이에 연결되고, 상기 제3 인덕터는 상기 변압기의 2차측 권선과 상기 제2 노드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부에 포함되는 스위치 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터, 다이오드 및 캐패시터를 포함하고,
    상기 제3 스위칭부에 포함되는 스위치 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터 및 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1-1 스위치와 상기 제2-2 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제1-2 스위치와 상기 제2-1 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제3-1 스위치와 상기 제3-2 스위치는 동시에 온되지 않고,
    상기 제3-1 스위치가 온된 후 상기 제1-1 스위치 및 상기 제2-2 스위치가 함께 온되고, 상기 제3-2 스위치가 온된 후 상기 제1-2 스위치 및 상기 제2-1 스위치가 함께 온되며,
    상기 제3-1 스위치는 상기 제1-1 스위치/상기 제2-2 스위치가 온되는 시간 내에 오프되며, 상기 제3-2 스위치는 상기 제1-2 스위치/상기 제2-1 스위치가 온되는 시간 내에 오프되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 인버터와 연결된 부하의 전류가 양의 방향인 경우,
    상기 제1-1 스위치와 상기 제2-2 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제1-2 스위치와 상기 제2-1 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제3-2 스위치는 항상 오프되며,
    상기 제3-1 스위치가 온된 후 상기 제1-1 스위치 및 상기 제2-2 스위치가 함께 온되고, 상기 제3-1 스위치는 상기 제1-1 스위치/상기 제2-2 스위치가 온되는 시간 내에 오프되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 인버터와 연결된 부하의 전류가 음의 방향인 경우,
    상기 제1-1 스위치와 상기 제2-2 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제1-2 스위치와 상기 제2-1 스위치는 함께 온/오프되고, 상기 제3-1 스위치는 항상 오프되며,
    상기 제3-2 스위치가 온된 후 상기 제1-2 스위치 및 상기 제2-1 스위치가 함께 온되며, 상기 제3-2 스위치는 상기 제1-2 스위치/상기 제2-1 스위치가 온되는 시간 내에 오프되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 인버터.
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