KR101793658B1 - 철도 차량용 보조 전원 장치 - Google Patents

철도 차량용 보조 전원 장치 Download PDF

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류준형
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 일정한 전원 전압을 갖는 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 제 1 부하 및 제 2 부하에 전달하기 위한 전원 장치는, 입력 코일 및 출력 코일을 가지며, 상기 입력 코일과 상기 출력 코일 사이에 전력의 교환이 이루어지는 변압기, 상기 입력 코일과 연결되며, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압기로 전달하는 1차측 회로 및 상기 출력 코일과 연결되며, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압기를 통해 전송받아 상기 제 1 부하에 전달하되, 상기 제 1 부하 양단 사이의 전압이 일정하게 유지되도록 하는 2차측 회로를 포함하고, 상기 1차측 회로는, 정전압 커패시터부, 제 1 내지 제 4 스위치, 플라잉 커패시터, 제 1 노드 및 제 2 노드를 포함하며, 상기 정전압 커패시터부는 상기 입력 코일의 양단 중 제 1 단의 전위를 기 설정된 값으로 유지하고, 상기 제 1 노드는 상기 제 1 스위치를 통해 상기 직류 전원의 고전압단에, 상기 제 2 스위치를 통해 상기 입력 코일의 양단 중 제 2 단에 각각 연결되며, 상기 제 2 노드는 상기 제 3 스위치를 통해 상기 직류 전원의 저전압단에, 상기 제 2 스위치를 통해 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결되고, 상기 플라잉 커패시터의 일단은 상기 제 1 노드에, 상기 플라잉 커패시터의 타단은 상기 제 2 노드에 각각 연결되며, 상기 제 2 부하는 상기 플라잉 커패시터에 병렬로 연결될 수 있다.

Description

철도 차량용 보조 전원 장치 {ASSISTANT POWER SUPPLYING APPARATUS FOR RAILWAY VEHICLE}
본 발명은 외부의 고전압 직류 전원으로부터 전달받은 전력을 교류 및 직류의 형태로 부하에 효율적으로 전달하기 위한, 철도 차량 등에 적용될 수 있는 보조 전원 장치에 관한 것이다.
전기 에너지를 이용하여 동작하는 철도 차량은, 팬터그래프(pantagraph)와 같은 집전 장치를 통해 차량의 외부에 위치한 고압의 직류 전원으로부터 전력을 공급받는다. 공급받은 전력은 차량 구동을 위한 모터 등의 추진 장치 외에도 제어 장치, 냉난방 장치, 축전지 충전기 등 차량 내의 다양한 보조 장치에 전달된다. 이 때, 각 보조 장치는 일반적으로 상기 직류 전원에 비해 저전압 조건에서 동작하며, 또한 각 보조 장치별로 동작 조건이 상이하다. 따라서 이러한 조건을 충족시키며 공급받은 전력을 보조 장치에 전달하기 위한 보조 전원 장치가 필요하다.
도 1은 철도 차량용전력 시스템을 간략히 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 철도 차량용 전력 시스템(1)은 고압의 가선 전압을 공급하는 외부의 직류 전원(2)으로부터 전력을 공급받아, 차량 구동을 위한 추진 장치(3) 및 보조 전원 장치(4)로 전력을 전달한다. 보조 전원 장치(4)는 직류 조건에서 동작하는 축전지 충전기 등의 직류 부하(5) 및 교류 조건에서 동작하는 냉난방 장치, 조명 장치, 제어 장치 등의 교류 부하(6)에 전달받은 전력을 공급한다.
다만, 이와 같은 보조 전원 장치(4)는 전술한 바와 같이 차량 내의 다양한 보조 장치에 요구되는 조건을 모두 만족시킬 필요가 있기 때문에, 그 구조가 매우 복잡해지기 쉽다. 이러한 복잡한 구조는 보조 전원 장치(4)의 크기를 증가시키고 에너지 변환 효율을 감소시키게 된다. 최근 철도 기술 분야에서도 에너지 절감 기술 등 환경 친화적 기술이 대세가 됨에 따라, 이러한 보조 전원 장치(4)의 소형화, 경량화 및 고효율화에 대한 연구 역시 활발히 이루어지고 있다.
도 2는 종래 기술에 의한 철도 차량용보조 전원 공급 시스템을 개념적으로 나타낸 도면이다. 보조 전원 장치(10)는 직류 전원(20)의 전압을 적절히 변환하여 출력함으로써, 직류 전원(20)으로부터의 전력을 인버터(30) 및 DC-DC 컨버터(40)로 각각 전달한다. 인버터(30)는 보조 전원 장치(10)가 출력하는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력한다. DC-DC 컨버터(40)는 보조 전원 장치(10)가 출력하는 직류 전압의 값을 적절히 변환하여, 축전지(50) 등 직류 전압을 필요로 하는 장치에 전력을 전달한다.
도 3은 종래 기술에 의한 철도 차량용 보조 전원 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 보조 전원 장치(10)는 1차측 회로(11), 2차측 회로(12) 및 변압기(13)를 포함하며, 1차측 회로(11)는 정전압 커패시터부(14)를 포함한다. 정전압 커패시터부(14)는 직류 전원(20)에 병렬로 연결되며, 상호 직렬로 연결된 두 개의 정전압 커패시터(CSA, CSB)를 포함한다. 두 개의 정전압 커패시터(CSA, CSB)는 보조 전원 장치(10)의 동작 내내 양단의 전압을 일정하게 유지시킬 수 있을 정도로 충분히 큰 커패시턴스(capacitance)을 가지며, 회로가 대칭적 구조를 갖도록 서로 같은 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 변압기(13)의 입력 코일(TIA)의 양단 중 정전압 커패시터부(14)에 연결된 제 1 단의 전위를 직류 전원(20)의 전압(VS)의 절반으로 유지시킬 수 있다.
변압기(13)의 입력 코일(TIA)의 양단 중, 정전압 커패시터부(14)에 연결되지 않은 제 2 단은 제 1 내지 제 4 스위치(MA, MB, MC, MD)에 의해 직류 전원(20)의 고전압단 혹은 저전압단에 번갈아 가며 연결될 수 있다. 이와 같이 변압기(13)의 입력 코일(TIA)의 제 2 단이 직류 전원(20)의 고전압단 혹은 저전압단에 연결될 경우, 입력 코일(TIA)의 양단에는 절댓값이 1/2·VS인 전압이 걸리게 되고, 이에 의해 변압기(13)를 통해 직류 전원(20)의 전력이 2차측 회로(12)로 전달될 수 있다.
2차측 회로(12)의 출력단에는, 양단의 전위차가 시간에 따라 실질적으로 일정하게 유지될 수 있을 정도로 커패시턴스가 충분히 큰 출력 커패시터(CA)가 연결되어 있다. 이러한 출력 커패시터(CA) 양단의 전압은 인버터(30) 혹은 DC-DC 컨버터(40)가 입력 전압으로 사용할 수 있을 정도의 값으로 조절되므로, 인버터(30)와 DC-DC 컨버터(40)는 모두 출력 커패시터(CA) 양단의 전압을 입력 전압으로서 사용하게 된다. 단, DC-DC 컨버터(40)는 인버터(30)와 전기적 절연이 요구되는 바, 별도의 변압기를 구비함으로써, 2차측 회로(12)의 출력단으로부터 공급받은 전력이 상기 별도의 변압기(미도시)를 경유하여 DC-DC 컨버터(40)의 출력단에 연결된 축전지(50)와 같은 직류 부하에 전달되도록 하고 있다.
하지만 이와 같은 종래 기술에 의한 보조 전원 장치(10)의 경우, 직류 전원(20)으로부터 축전지(50)와 같은 직류 부하에 전달되는 전력은, 그 전달 과정에서 보조 전원 장치(10)의 변압기(13)와 DC-DC 컨버터(40)에 마련된 별도의 변압기, 총 2개의 변압기를 거치게 된다. 현실의 변압기는 손실 없이 전력이 100% 전달되는 이상적인 변압기가 아니기 때문에, 일반적으로 변압기를 거칠 때마다 전력이 손실되는 바, 종래 기술에 의하면 2개의 변압기를 거쳐 전력이 전달됨에 따른 효율 저하가 문제될 수 있다. 또한, 보조 전원 장치(10) 내의 변압기를 통해 직류 부하와 교류 부하 모두가 전력을 전달받게 되므로, 변압기의 정격 용량이 그만큼 커야 하고, 이는 저항 혹은 커패시터 등과 달리 작게 제작하기 어려운 변압기의 크기가 더욱 커져야 하는 문제점을 야기한다. 따라서 종래 기술에 의한 보조 전원 장치(10)는 시스템의 소형화 및 경량화 측면에서도 불리할 수 있다.
대한민국 공개특허 제 10-2011-1032504호 (2011.12.08. 공개)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 회로의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있으면서도 다수의 변압기로 인한 효율 저감을 방지할 수 있는 보조 전원 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 일정한 전원 전압을 갖는 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 제 1 부하 및 제 2 부하에 전달하기 위한 전원 장치는, 입력 코일 및 출력 코일을 가지며, 상기 입력 코일과 상기 출력 코일 사이에 전력의 교환이 이루어지는 변압기, 상기 입력 코일과 연결되며, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압기로 전달하는 1차측 회로 및 상기 출력 코일과 연결되며, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압기를 통해 전송받아 상기 제 1 부하에 전달하되, 상기 제 1 부하 양단 사이의 전압이 일정하게 유지되도록 하는 2차측 회로를 포함하고, 상기 1차측 회로는, 정전압 커패시터부, 제 1 내지 제 4 스위치, 플라잉 커패시터, 제 1 노드 및 제 2 노드를 포함하며, 상기 정전압 커패시터부는 상기 입력 코일의 양단 중 제 1 단의 전위를 기 설정된 값으로 유지하고, 상기 제 1 노드는 상기 제 1 스위치를 통해 상기 직류 전원의 고전압단에, 상기 제 2 스위치를 통해 상기 입력 코일의 양단 중 제 2 단에 각각 연결되며, 상기 제 2 노드는 상기 제 3 스위치를 통해 상기 직류 전원의 저전압단에, 상기 제 2 스위치를 통해 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결되고, 상기 플라잉 커패시터의 일단은 상기 제 1 노드에, 상기 플라잉 커패시터의타단은 상기 제 2 노드에 각각 연결되며, 상기 제 2 부하는 상기 플라잉 커패시터에 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 기 설정된 값은 상기 전원 전압의 절반에 해당하는 값일 수 있다.
또한, 상기 정전압 커패시터부는 제 1 정전압 커패시터 및 제 2 정전압 커패시터를 포함하며, 상기 제 1 정전압 커패시터의 일단은 상기 직류 전원의 고전압단에, 타단은 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결되고, 상기 제 2 정전압 커패시터의 일단은 상기 직류 전원의 저전압단에, 타단은 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 1 스위치는 상기 제 4 스위치와, 상기 제 2 스위치는 상기 제 3 스위치와 각각 교번(交番)하여 온(ON) 상태가 될 수 있다.
또한, 상기 제 1 내지 제 4 스위치 각각은, 트랜지스터(transistor)를 이용하여 구현되며, 상기 제 1 내지 제 4 스위치 각각에 전기 신호를 인가함으로써 상기 제 1 내지 제 4 스위치 각각의 ON 여부를 제어하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차측 회로는, 상기 제 1 부하에 병렬로 연결되어 상기 제 1 부하 양단 사이의 전압을 일정하게 유지하는 출력 커패시터를 포함하는 풀브리지 정류 회로일 수 있다.
또한, 상기 1차측 회로는 캐소드(cathode)가 상기 입력 코일의 제 2 단에, 애노드(anode)가 상기 제 1 노드에 각각 연결된 제 1 다이오드 및 캐소드가 상기 제 2 노드에, 애노드(anode)가 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결된 제 2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 교번은 일정한 주기를 갖고 되풀이되며, 상기 교번의 주기는 상기 제 1 내지 제 4 스위치 모두에 대하여 동일할 수 있다.
또한, 상기 교번의 한 주기 내에서, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 모두 ON 상태인 시간의 길이는 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치가 모두 ON 상태인 시간의 길이와 동일할 수 있다.
또한, 상기 제 1 부하 양단 사이의 전압은, 상기 교번의 한 주기 중, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 동시에 켜지는 시간이 차지하는 비율 및 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치가 동시에 켜지는 시간이 차지하는 비율에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 제 1 부하는, 상기 제 1 부하 양단 사이의 직류 전압을 교류로 변환하여 출력하는 인버터(inverter)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 부하는, 상기 플라잉 커패시터 양단 사이의 직류 전압의 크기를 변환하여 출력하되, 상기 인버터(inverter)와 전기적으로 절연(insulated)될 것이 요구되는 DC-DC 컨버터(DC-DC convertor)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 1차측 회로는, 제 1 내지 제 4 기생 커패시터 및 제 1 내지 제 4 내장 다이오드를 더 포함하고, 상기 제 1 내지 제 4 기생 커패시터는, 상기 제 1 내지 제 4 스위치와 각각 병렬로 연결되며, 상기 제 1 내지 제 4 내장 다이오드는, 상기 제 1 내지 제 4 스위치와 각각 병렬로 연결되되, 상기 제 1 내장 다이오드의 애노드 및 상기 제 2 내장 다이오드의 캐소드는 상기 제 1 노드에 연결되고, 상기 제 3 내장 다이오드의 애노드 및 상기 제 4 내장 다이오드의 캐소드는 상기 제 2 노드에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 1 내지 제 4 스위치 중 어느 하나에 대한 턴온은, 상기 턴온의 대상이 되는 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터의 방전이 완료된 후 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 직류 전원과 연결된 1차측 회로에 설치되며 정전압을 유지하는 플라잉 커패시터의 양단을 직류 부하를 위한 전압원으로 사용하는 보조 전원 장치를 구현할 수 있다. 이에 따라 회로의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있으며, 다수의 변압기로 인한 전력 소모를 줄여 보다 높은 전력 변환 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 철도 차량용 전력 시스템을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 의한 철도 차량용 보조 전원 공급 시스템을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술에 의한 철도 차량용 보조 전원 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 보조 전원 공급 시스템을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 보조 전원 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 보조 전원 장치의 시간에 따른 동작을 상세하게 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 보조 전원 공급 시스템을 개념적으로 나타낸 도면이다. 보조 전원 장치(100)는 직류 전원(200)의 전압을 적절히 변환하여 출력함으로써, 직류 전원(200)으로부터의 전력을 인버터(300) 및 DC-DC 컨버터(400)로 각각 전달할 수 있다. 이러한 직류 전원(200)은 실제로는 철도 차량용 가선 전압원일 수 있다. 인버터(300)는 보조 전원 장치(100)가 출력하는 직류 전압을 보조 전원 장치(100) 내의 변압기를 통해 전달받은 후, 이를 교류 전압으로 변환하여 교류 부하에 출력할 수 있다. 따라서, 직류 전원(200)으로부터 출력된 전력이 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 전원 장치(100)를 거쳐 인버터(300)에 전달되는 과정은 기본적으로 도 2를 통해 설명한 종래 기술과 실질적으로 동일하다.
다만, 내부에 변압기(미도시)를 포함하는 DC-DC 컨버터(400)는, 보조 전원 장치(100) 내의 변압기를 거치지 않고, 변압기 앞단에서 분기되는 별도의 경로를 통해 전력을 공급받아 축전지(500) 등의 직류 부하에 전달할 수 있다. 이와 같은 특징을 통해, 직류 부하는 한 개의 변압기, 즉 DC-DC 컨버터(400) 내의 변압기만을 거쳐 전력을 전달받을 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 직류 부하에 전력이 전달될 때 두 개의 변압기를 거쳐야 하는 종래 기술에 비해, 전력의 손실을 줄여 효율의 상승을 달성할 수 있다. 또한, 보조 전원 장치(100) 내의 변압기는 직류 부하에 전달되는 전력을 취급할 필요 없이 교류 부하에 전달되는 전력만을 전달하면 되므로, 변압기의 정격 용량을 그만큼 줄일 수 있다. 이는 변압기의 크기가 대폭 감소될 수 있음을 의미하는 바, 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래 기술에 비해 장치의 소형화 및 경량화를 보다 쉽게 달성할 수 있게 된다. 이와 같은 특징을 달성하기 위해서는, 도 3의 출력 커패시터(CA)와 같이 정전압이 출력되는 부분이 보조 전원 장치(100) 내의 변압기 앞단에 구비될 필요가 있다. 이에 대한 구체적인 사항은 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 보조 전원 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5의 보조 전원 장치(100)는 직류 전원(200)에 연결된 1차측 회로(110), 인버터(300)에 연결된 2차측 회로(120) 및 변압기(130)를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 보조 전원 장치(100)의 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과하므로, 도 5에 의해 본 발명의 기술적 사상이 제한 해석되는 것은 아니다.
우선, 1차측 회로(110)는 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4)를 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4) 각각은 다양한 방법을 통해 구현될 수 있지만, 바람직하게는 트랜지스터, 그 중에서도 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor)로 구현될 수 있다. 이 경우, 각 스위치를 구성하는 전계효과 트랜지스터는 소스(source)-드레인(drain) 사이의 채널과 병렬로 연결된 기생 커패시터(CM1, CM2, CM3, CM4)와 내장 다이오드(DM1, DM2, DM3, DM4)를 포함할 수 있다. 이러한 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4)의 조작을 위해, 1차측 회로(110)는 각 스위치에 구동 신호를 인가하여 각 스위치를 제어하기 위한 제어 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스위치가 전계효과 트랜지스터인 경우, 이러한 구동 신호는 각 스위치의 게이트(gate)에 연결될 수 있다.
또한, 1차측 회로(110)는 상기 1차측 회로는, 정전압 커패시터부(111), 제 1 및 제 2 다이오드(D1, D2), 플라잉 커패시터(Ca)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 정전압 커패시터부(111)는 제 1 및 제 2 정전압 커패시터(CS1, CS2)로 구성될 수 있다.
2차측 회로(120)는 기본적으로 인버터(300)에 병렬로 연결되어, 인버터(300)양단 사이의 전압을 일정하게 유지하기 위한 풀브리지 정류 회로로서 구현될 수 있다. 이러한 2차측 회로(120)는 인버터(300)와 병렬로 연결된 출력 커패시터(CO), 출력 인덕터(LO), 제 3 및 제 4 다이오드(D3, D4)를 포함할 수 있다. 변압기(130)는 입력 코일(TI)과 제 1 및 제 2 출력 코일(TO1, TO2)을 포함할 수 있으며, 입력 코일(TI)은 누설 인덕터 성분(LL)을 추가로 포함할 수 있다. 입력 코일(TI)과 제 1 출력 코일(TO1) 간의 권선비는“NP:NS1”로, 입력 코일(TI)과 제 2 출력 코일(TO2) 간의 권선비는“NP:NS2”로 각각 설정될 수 있다. 도 5와 같이 입력 코일(TI)은 1차측 회로(110)와, 제 1 및 제 2 출력 코일(TO1, TO2)은 2차측 회로(120)와 각각 연결될 수 있다.
이하에서는 전술한 소자들의 상세한 연결 관계를 설명하도록 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 1차측 회로(120)에는 소자의 연결 지점인 노드(node)로서 제 1 및 제 2 노드(n1, n2)가 구비될 수 있다. 제 1 스위치(M1)는 직류 전원(200)의 고전압단과 제 1 노드(n1) 사이에, 제 2 스위치(M2)는 제 1 노드(n1)와 입력 코일(TI)의 양단 중 제 1 단(e1) 사이에 각각 위치할 수 있다. 제 3 스위치(M3)는 입력 코일(TI)의 양단 중 제 2 단(e2)과 제 2 노드(n2) 사이에, 제 4 스위치(M4)는 제 2 노드(n2)와 직류 전원(200)의 저전압단 사이에 각각 위치할 수 있다. 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4) 각각은, 각 스위치가 n형 전계효과 트랜지스터임을 가정할 경우, 도 5를 기준으로 하여 채널의 소스 및 내장 다이오드의 캐소드(cathode)가 위쪽 방향을, 채널의 드레인 및 내장 다이오드의 애노드(anode)가 아래쪽 방향을 취하도록 장착될 수 있다.
또한, 제 1 다이오드(D1)는 제 1 노드(n1)와 입력 코일(TI)의 제 2 단(e2) 사이에, 제 2 다이오드(D2)는 입력 코일(TI)의 제 2 단(e2)과 제 2 노드(n2) 사이에 각각 위치할 수 있다. 제 1 다이오드(D1)의 캐소드는 제 1 노드(n1)에, 애노드는 입력 코일(TI)의 제 2 단(e2)에 각각 연결될 수 있다. 제 2 다이오드(D2)의 캐소드는 입력 코일(TI)의 제 2 단(e2)에, 애노드는 제 2 노드(n2)에 각각 연결될 수 있다.
한편, 제 1 정전압 커패시터(CS1)의 일단은 직류 전원(200)의 고전압단에, 타단은 입력 코일(T1I)의 제 2 단(e2)에 각각 연결될 수 있다. 제 2 정전압 커패시터(CS2)의 일단은 직류 전원(200)의 저전압단에, 타단은 입력 코일(T1I)의 제 2 단(e2)에 각각 연결될 수 있다. 이들 제 1 및 제 2 정전압 커패시터(CS1, CS2)의 커패시턴스는 양단의 전압을 일정하게 유지할 수 있도록 충분히 크며, 이에 따라 입력 코일(T1I)의 제 2 단(e2)의 전위를 일정하게 유지시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 구조를 갖는 1차측 회로(110)는 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4)를 적절히 켜고 끔으로써 인버터(300)에 전력을 전달할 수 있다(자세한 동작 양상에 대해서는 도 6을 참조하여 후술). 다만, 각 스위치의 영전압 스위칭(zero voltage switching, ZVS) 및 영전류 스위칭(zero current switching, ZCS)을 원활하게 만들기 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 제 1 노드(n1)와 제 2 노드(n2) 사이에 플라잉 커패시터(flying capacitor, Ca)를 삽입할 수 있다.
영전압 및 영전류 스위칭은, 스위칭 시, 보다 구체적으로는 OFF 상태에서 온ON 상태로 전환하는 동작인 턴온(turn-on) 시 혹은 ON 상태에서 OFF 상태로 전환하는 동작인 턴오프(turn-off) 시 손실되는 전력을 최소화하기 위한 동작 방법이다. 턴온 시에, 스위치 양단의 전압이 완전히 0이 되지 않은 상태에서 스위치가 턴온되어 전류가 흐르기 시작할 경우 전압과 전류의 곱이 0이 되지 않아 손실 전력이 발생하게 된다. 이와 유사하게, 턴오프 시에, 스위치 양단의 전류가 완전히 0이 되지 않은 상태에서 스위치가 턴오프되어 전압이 걸릴 경우에도 전압과 전류의 곱이 0이 되지 않아 손실 전력이 발생하게 된다. 이와 같은 영전압 및 영전류 스위칭이 잘 달성되게 하기 위해서는, 스위치에 연결된 기생 커패시터 성분에 대한 충전 및 방전이 신속히 이루어져야 할 필요가 있다. 이러한 측면에서, 커패시턴스가 충분히 큰 플라잉 커패시터(Ca)는 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4)의 턴온 혹은 턴오프 시 이들 각각의 기생 커패시터를 신속히 방전 혹은 충전시킬 수 있는 에너지를 제공할 수 있다.
이러한 플라잉 커패시터(Ca)는 커패시턴스가 충분히 크도록 설정된다는 것은 전술한 바와 같으며, 이에 따라 플라잉 커패시터(Ca) 양단 사이의 전압은 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 이 때, 제 1 및 제 2 정전압 커패시터(CS1, CS2)의 커패시턴스가 서로 동일하게 정해진다면, 1차측 회로(110)가 상하 대칭적 구조를 갖게 됨에 따라, 제 1 및 제 2 정전압 커패시터(CS1, CS2) 각각의 양단에 걸리는 전압은 직류 전원(200)이 출력하는 전압의 절반(1/2·VS)이 된다. 또한 이러한 대칭 구조에 따라, 플라잉 커패시터(Ca) 양단 사이의 전압 역시 1/2·VS가 된다.
한편, 전술한 바와 같이 종래 기술에 의하면 축전지(500) 등 직류 부하에 전력을 공급하기 위한 DC-DC 컨버터(400)는 인버터(300)와 병렬로 연결되어 출력 커패시터(CO) 양단 사이의 전압을 인버터(300)와 함께 입력 전압으로서 사용한다. 이는 기본적으로 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4)의 동작을 적절히 조절함으로써 출력 커패시터(CO) 양단 사이의 전압을 인버터(300)와 DC-DC 컨버터(400)의 입력 전압으로 사용하기에 적절한 레벨의 전압으로 유지할 수 있기 때문이다. 하지만 이는 에너지 효율 및 장치의 소형화, 경량화 측면에서 불리할 수 있음을 앞서 말한 바 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제 1 및 제 2 정전압 커패시터(CS1, CS2) 혹은 플라잉 커패시터(Ca) 중 하나를 DC-DC 컨버터(400)를 위한 입력 전원으로서 사용할 수 있다. 이들 중, 제 1 및 제 2 정전압 커패시터(CS1, CS2)를 사용할 경우 물리적, 전기적 비대칭으로 인해 전류의 불균형 및 발열 등의 문제가 발생하여 시스템 안정성이 저하될 수 있다. 이에 반해, 도 5와 같이 플라잉 커패시터(Ca)를 DC-DC 컨버터(400)를 위한 입력 전원으로 활용할 경우에는 회로의 대칭성이 유지되므로 위와 같은 문제가 발생하지 않으면서도, 변압기(130)를 거치지 않고 DC-DC 컨버터(400)에 적절한 레벨의 직류 전압, 즉 직류 전원(200)에 의해 공급되는 일반적인 가선 전압의 절반 수준에 해당하는 적절한 레벨의 직류 전압을 공급하는 것이 가능해진다. 이로써 도 2 및 3을 통해 설명한 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 보조 전원 장치의 시간에 따른 동작을 상세하게 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 전원 장치(100)의 제 1 스위치(M1)는 제 4 스위치(M4)와, 제 2 스위치(M2)는 제 3 스위치(M3)와 각각 교번(交番)하여 온(ON) 상태가 된다는 것을 알 수 있다. 이는 다시 말해, 제 1 스위치(M1)는 제 4 스위치(M4)와 동시에 켜지지 않고, 제 4 스위치(M2)는 제 3 스위치(M3)와 동시에 켜지지 않는다는 것을 의미한다.
이러한 교번은 일정한 주기를 갖고 되풀이되며, 교번의 주기는 상기 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4) 모두에 대하여 동일하게 설정할 수 있다. 다만, 교번의 타이밍은 스위치들 간에 다소 어긋나게 할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 제 1 스위치(M1)를 턴오프하고 제 4 스위치(M4)를 턴온하는 시점을, 제 2 스위치(M2)를 턴오프하고 제 3 스위치(M3)를 턴온하는 시점과 달리 설정할 수 있다. 마찬가지로, 제 4 스위치(M4)를 턴오프하고 제 1 스위치(M1)를 턴온하는 시점을, 제 3 스위치(M3)를 턴오프하고 제 2 스위치(M2)를 턴온하는 시점과 달리 설정할 수 있다.
한편, 상기 교번의 한 주기 내에서, 제 1 스위치(M1)와 제 2 스위치(M2)가 ON 상태이고, 제 3 스위치(M3)와 제 4 스위치(M4)가 OFF 상태일 때(제 1 사이클)에는 변압기(130)를 통하여 1차측 회로(110)에서 2차측 회로(120) 쪽으로 전력이 전달되지만, 제 2 스위치(M2)와 제 4 스위치(M4)가 ON 상태이고, 제 1 스위치(M1)와 제 3 스위치(M3)가 OFF 상태일 때(제 2 사이클)에는 이러한 전력의 전달이 이루어지지 않는다. 또한, 제 3 스위치(M3)와 제 4 스위치(M4)가 ON 상태이고, 제 1 스위치(M1)와 제 2 스위치(M2)가 OFF 상태일 때(제 3 사이클)에도 변압기(130)를 통하여 1차측 회로(110)에서 2차측 회로(120) 쪽으로 전력이 전달되지만, 제 1 스위치(M1)와 제 3 스위치(M3)가 ON 상태이고, 제 2 스위치(M2)와 제 4 스위치(M4)가 OFF 상태일 때(제 4 사이클)에는 이러한 전력의 전달이 이루어지지 않는다.
이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 우선, 제 1 사이클에서는 제 1 스위치(M1)와 제 2 스위치(M2)가 ON 상태로 됨에 따라, 변압기(130)의 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)이 직류 전원(200)의 고전압단과 도통된다. 따라서 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)의 전위는 VS가 되고, 앞서 말한 바와 같이 입력 코일(TI)의 제 2 단(e2)의 전위는 1/2·VS로 유지되는 바, 결과적으로 입력 코일(TI)에 1/2·VS의 전압이 걸리게 되어 변압기(130)를 통한 전력의 전달이 이루어진다. 이와 달리, 제 2 사이클에서는 제 2 스위치(M2)와 제 4 스위치(M4)가 ON 상태로 됨에 따라, 플라잉 커패시터(Ca)의 일단이 ON이 된 제 4 스위치(M4)를 통해 직류 전원(200)의 저전압단과 도통되어 전위가 0이 된다. 앞서 말한 바와 같이, 플라잉 커패시터(Ca) 양단 사이의 전압은 1/2·VS로 유지되므로, 플라잉 커패시터(Ca)의 타단의 전위는 1/2·VS 가 된다. 이에 따라 ON 상태의 제 2 스위치(M2)를 통해 이와 연결된 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)의 전위 역시 1/2·VS 가 되고, 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)과 제 2 단(e2)의 전위가 1/2·VS로 동일해진다. 결과적으로 입력 코일(TI)에는 전압이 걸리지 않게 되어 변압기(130)를 통한 전력의 전달이 이루어지지 않는다.
이와 유사하게, 제 3 사이클에서는 제 3 스위치(M3)와 제 4 스위치(M4)가 ON 상태로 됨에 따라, 변압기(130)의 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)이 직류 전원(200)의 저전압단과 도통된다. 따라서 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)의 전위는 0이 되고, 앞서 말한 바와 같이 입력 코일(TI)의 제 2 단(e2)의 전위는 1/2·VS로 유지되는 바, 결과적으로 입력 코일(TI)에 -1/2·VS의 전압이 걸리게 되어 변압기(130)를 통한 전력의 전달이 이루어진다. 이와 달리, 제 4 사이클에서는 제 1 스위치(M1)와 제 3 스위치(M3)가 ON 상태로 됨에 따라, 플라잉 커패시터(Ca)의 일단이 ON이 된 제 1 스위치(M1)를 통해 직류 전원(200)의 고전압단과 도통되어 전위가 VS가 된다. 앞서 말한 바와 같이, 플라잉 커패시터(Ca) 양단 사이의 전압은 1/2·VS로 유지되므로, 플라잉 커패시터(Ca)의 타단의 전위는 1/2·VS 가 된다. 이에 따라 ON 상태의 제 2 스위치(M2)를 통해 이와 연결된 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)의 전위 역시 1/2·VS 가 되고, 입력 코일(TI)의 제 1 단(e1)과 제 2 단(e2)의 전위가 1/2·VS로 동일해진다. 결과적으로 입력 코일(TI)에는 전압이 걸리지 않게 되어 변압기(130)를 통한 전력의 전달이 이루어지지 않는다.
따라서, 상기 교번의 한 주기 동안 전달되는 전력의 양 및 2차측 회로(120)의 출력 커패시터(CO) 양단 사이의 전압은, 교번의 한 주기 중에서 제 1 사이클 및 제 3 사이클이 차지하는 비율에 기초하여 결정될 수 있다. 결론적으로 상기 비율은 인버터(300)에 입력되는 전압의 크기 및 전달되는 전력의 양을 결정하게 된다. 또한, 제 1 사이클의 길이와 제 3 사이클의 길이는 회로의 대칭성의 견지에서 서로 동일한 값(예컨대, 도 6의 D의 값)으로 결정될 수 있다.
한편, 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4)는 누설 전력 저감의 차원에서 턴온 혹은 턴오프 시에 영전압 혹은 영전류 스위칭을 할 필요가 있음을 앞서 설명한 바 있다. 따라서, 제 1 내지 제 4 스위치(M1, M2, M3, M4) 중 어느 하나에 대한 턴온은, 상기 턴온의 대상이 되는 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터의 방전이 완료된 후 수행되도록 설정될 수 있다. 이러한 이유로, 한 스위치가 턴오프된 후, 그와 교번하여 ON되는 다른 스위치가 턴온할 때까지 약간의 시간 간격이 존재하는 것을 도 6을 통해 볼 수 있다. 이러한 기생 커패시터의 방전은 전술한 바와 같이 플라잉 커패시터(Ca)에 의해 더욱 신속하게 수행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 보조 전원 장치
110: 1차측 회로
120: 2차측 회로
130: 변압기
200: 직류 전원
300: 인버터
400: DC-DC 컨버터
500: 축전지

Claims (14)

  1. 일정한 전원 전압을 갖는 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 제 1 부하 및 제 2 부하에 전달하기 위한 전원 장치로서,
    입력 코일 및 출력 코일을 가지며, 상기 입력 코일과 상기 출력 코일 사이에 전력의 교환이 이루어지는 변압기;
    상기 입력 코일과 연결되며, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압기로 전달하는 1차측 회로; 및
    상기 출력 코일과 연결되며, 상기 직류 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압기를 통해 전송받아 상기 제 1 부하에 전달하되, 상기 제 1 부하 양단 사이의 전압이 일정하게 유지되도록 하는 2차측 회로를 포함하고,
    상기 1차측 회로는, 정전압 커패시터부, 제 1 내지 제 4 스위치, 플라잉 커패시터, 제 1 노드(node) 및 제 2 노드를 포함하며,
    상기 정전압 커패시터부는 상기 입력 코일의 양단 중 제 1 단의 전위를 기 설정된 값으로 유지하고, 상기 제 1 노드는 상기 제 1 스위치를 통해 상기 직류 전원의 고전압단에, 상기 제 2 스위치를 통해 상기 입력 코일의 양단 중 제 2 단에 각각 연결되며, 상기 제 2 노드는 상기 제 3 스위치를 통해 상기 직류 전원의 저전압단에, 상기 제 2 스위치를 통해 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결되고,
    상기 플라잉 커패시터의 일단은 상기 제 1 노드에, 상기 플라잉 커패시터의타단은 상기 제 2 노드에 각각 연결되며, 상기 제 2 부하는 상기 플라잉 커패시터에 병렬로 연결되는
    전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 값은 상기 전원 전압의 절반에 해당하는 값인
    전원 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정전압 커패시터부는 제 1 정전압 커패시터 및 제 2 정전압 커패시터를 포함하며,
    상기 제 1 정전압 커패시터의 일단은 상기 직류 전원의 고전압단에, 타단은 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결되고,
    상기 제 2 정전압 커패시터의 일단은 상기 직류 전원의 저전압단에, 타단은 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결되는
    전원 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 상기 제 4 스위치와, 상기 제 2 스위치는 상기 제 3 스위치와 각각 교번(交番)하여 온(ON) 상태가 되는
    전원 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 스위치 각각은, 트랜지스터(transistor)를 이용하여 구현되며,
    상기 제 1 내지 제 4 스위치 각각에 전기 신호를 인가함으로써 상기 제 1 내지 제 4 스위치 각각의 ON 여부를 제어하는 제어 회로를 더 포함하는
    전원 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차측 회로는, 상기 제 1 부하에 병렬로 연결되어 상기 제 1 부하 양단 사이의 전압을 일정하게 유지하는 출력 커패시터를 포함하는 풀브리지 정류 회로인
    전원 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차측 회로는 캐소드(cathode)가 상기 입력 코일의 제 2 단에, 애노드(anode)가 상기 제 1 노드에 각각 연결된 제 1 다이오드 및 캐소드가 상기 제 2 노드에, 애노드(anode)가 상기 입력 코일의 제 2 단에 각각 연결된 제 2 다이오드를 더 포함하는
    전원 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 교번은 일정한 주기를 갖고 되풀이되며, 상기 교번의 주기는 상기 제 1 내지 제 4 스위치 모두에 대하여 동일한
    전원 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 교번의 한 주기 내에서, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 모두 ON 상태인 시간의 길이는 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치가 모두 ON 상태인 시간의 길이와 동일한
    전원 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 부하 양단 사이의 전압은, 상기 교번의 한 주기 중, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 동시에 켜지는 시간이 차지하는 비율 및 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치가 동시에 켜지는 시간이 차지하는 비율에 기초하여 결정되는
    전원 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부하는, 상기 제 1 부하 양단 사이의 직류 전압을 교류로 변환하여 출력하는 인버터(inverter)를 포함하는
    전원 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 부하는, 상기 플라잉 커패시터 양단 사이의 직류 전압의 크기를 변환하여 출력하되, 상기 인버터(inverter)와 전기적으로 절연(insulated)될 것이 요구되는 DC-DC 컨버터(DC-DC convertor)를 포함하는
    전원 장치.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 1차측 회로는, 제 1 내지 제 4 기생 커패시터 및 제 1 내지 제 4 내장 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제 1 내지 제 4 기생 커패시터는, 상기 제 1 내지 제 4 스위치와 각각 병렬로 연결되며,
    상기 제 1 내지 제 4 내장 다이오드는, 상기 제 1 내지 제 4 스위치와 각각 병렬로 연결되되, 상기 제 1 내장 다이오드의 애노드 및 상기 제 2 내장 다이오드의 캐소드는 상기 제 1 노드에 연결되고, 상기 제 3 내장 다이오드의 애노드 및 상기 제 4 내장 다이오드의 캐소드는 상기 제 2 노드에 연결되는
    전원 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 스위치 중 어느 하나에 대한 턴온은, 상기 턴온의 대상이 되는 스위치에 병렬로 연결된 기생 커패시터의 방전이 완료된 후 수행되는
    전원 장치.
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