KR101909789B1 - 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로 - Google Patents

직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로 Download PDF

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Abstract

직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로 및 그 동작 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로는 입력 전압을 유지하기 위한 제1 스위치부, 직렬 공진 전류를 이용하기 위한 제2 스위치부, 상기 제1 스위치부에 의해 유지된 입력 전압 및 상기 제2 스위치부에 의한 직렬 공진 전류를 이용하여 공진을 생성하기 위한 인덕터 및 캐패시터 및 상기 입력 전압을 출력 전압으로 승압하기 위한 변압기를 포함한다.

Description

직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로{Driving Circuit using the Series Resonance Method}
본 발명은 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기의 새로운 구동회로에 관한 것이다.
전력변환 효율이 높은 컨버터로서, 공진용 인덕터의 인덕턴스와 공진용 콘덴서의 커패시턴스의 직렬공진을 이용한 직렬 공진형 컨버터가 널리 사용되고 있다. 직렬 공진형 컨버터는 주로 공진용 콘덴서가 트랜스의 1차 권선 또는 2차 권선과 직렬로 연결되는 전류형 직렬공진 컨버터와, 공진용 콘덴서가 트랜스의 1차 권선 또는 2차 권선과 병렬로 연결되는 전압형 직렬공진 컨버터로 분류된다. 전류형 직렬공진 컨버터는, 예를 들면 일본 특허 공개2003-324956호 공보에 개시되었고, 전압형 직렬공진 컨버터는, 예를 들면 일본 특허 공개 2003-153532호 공보에 개시되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 캐패시터에 충전된 에너지를 인덕터와의 공진을 이용하여 전달 및 회수 하고, 양의 입력 전압(+Vs)만을 이용하여 하프브리지 타입을 구현함으로써 하드 스위칭에 의한 소비전력을 감소시키는 회로를 제공하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로는 입력 전압을 유지하기 위한 제1 스위치부, 직렬 공진 전류를 이용하기 위한 제2 스위치부, 상기 제1 스위치부에 의해 유지된 입력 전압 및 상기 제2 스위치부에 의한 직렬 공진 전류를 이용하여 공진을 생성하기 위한 인덕터 및 캐패시터 및 상기 입력 전압을 출력 전압으로 승압하기 위한 변압기를 포함한다.
상기 인덕터 및 캐패시터의 직렬 공진을 이용하여 출력 전압의 상승과 하강을 생성하고, 캐패시터에 충전된 전압을 변압기의 턴 비를 이용하여 승압한다.
제안하는 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로는 상기 인덕터 및 캐패시터에 의해 생성되는 역기전력으로부터 상기 제1 스위치부 및 상기 제2 스위치부를 보호하기 위한 환류 다이오드(Free-wheeling diode)를 더 포함할 수 있다.
제1 모드에서 출력 전압을 상승시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_up 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터 및 캐패시터를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 한다.
제2 모드에서 인덕터를 통해 캐패시터에 양의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시킨다.
제3 모드에서 출력 전압을 하강시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_dn 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터 및 캐패시터를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 한다.
제4 모드에서 인덕터를 통해 캐패시터에 음의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치를 턴 온 시킨다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로의 동작 방법은 제1 모드에서 출력 전압을 상승시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_up 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터 및 캐패시터를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 하는 단계, 제2 모드에서 인덕터를 통해 캐패시터에 양의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시키는 단계, 제3 모드에서 출력 전압을 하강시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_dn 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터 및 캐패시터를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 하는 단계 및 제4 모드에서 인덕터를 통해 캐패시터에 음의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치를 턴 온 시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 캐패시터에 충전된 에너지를 인덕터와의 공진을 이용하여 전달 및 회수 하고, 양의 입력 전압(+Vs)만을 이용하여 하프브리지 타입을 구현함으로써 하드 스위칭에 의한 소비전력을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 오존발생기 구동을 위한 하프 브리지 타입의 회로도이다.
도 2는 종래기술에 따른 오존발생기에 인가 되는 전압 및 전류 파형이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존발생기의 구동회로다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오존발생기의 구동회로의 스위칭 신호를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 별 오존발생기 구동회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압의 파형이다.
도 7은 오존발생기의 구동회로의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 오존발생기 구동을 위한 하프 브리지 타입의 회로도이다.
입력 전압(±Vs)을 이용하여 1차측(110) 전압을 생성하고, 생성된 1차측 전압을 변압기를 통해 2차측(120) 수 kV의 전압으로 승압시킨다. 승압된 2차측(120) 전압은 오존발생기(130) 구동을 위해 사용된다.
도 2는 종래기술에 따른 오존발생기에 인가 되는 전압 및 전류 파형이다.
도 1에서 설명한 것과 같이 승압된 2차측 전압은 오존발생기 구동을 위해 사용된다. 오존발생기는 캐패시터 부하 특성을 보이며 전압 인가 시 피크 전류가 발생한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존발생기의 구동회로이다.
제안하는 오존발생기의 구동회로는 제1 스위치부(310), 제2 스위치부(320), 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES), 변압기(330)를 포함한다. 또한, 상기 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)에 의해 생성되는 역기전력으로부터 상기 제1 스위치부(310) 및 상기 제2 스위치부(320)를 보호하기 위한 환류 다이오드(Free-wheeling diode)를 더 포함할 수 있다.
제1 스위치부(310)는 입력전압을 변압기를 통해 승압하기 위해 스위칭되는 인버터 회로이고, 직렬 공진전류를 이용하는 스위칭 회로이고, Vs_up 스위치와 Vs_dn 스위치를 포함한다.
제2 스위치부(320)는 직렬 공진 전류를 이용하기 위한 스위칭 회로이고, Res_up 스위치와 Res_dn 스위치를 포함한다. 오존발생기의 구동회로를 동작 시키기 위한 제1 스위치부(310) 및 제2 스위치부(320)의 스위칭 신호를 도 4에 도시하였다.
인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)는 상기 제1 스위치부(310)에 의해 유지된 입력 전압과 상기 제2 스위치부(320)에 의한 직렬 공진 전류를 이용하여 공진을 생성한다.
변압기(330)는 상기 입력 전압을 요구되는 출력 전압으로 승압하기 위한 것이다.
제안하는 오존발생기의 구동회로는 상기 입력 전압의 상승과 하강을 상기 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)를 통한 공진 생성에 이용하고, 캐패시터(CRES)에 충전된 전압을 변압기(330)의 턴 비를 이용하여 승압한다.
제안하는 오존발생기의 구동회로는 캐패시터(CRES)에 충전된 에너지를 인덕터(LRES)와의 공진을 이용하여 전달 및 회수 하고, 입력 전압(+Vs)의 전원만을 이용하여 하프브리지 타입을 구현함으로써 하드 스위칭에 의한 소비전력을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오존발생기의 구동회로의 스위칭 신호를 나타내는 도면이다.
제2 스위치부의 Res_up 스위치의 스위칭 신호(410), 제1 스위치부의 Vs_up 스위치의 스위칭 신호(420), 제2 스위치부의 Res_dn 스위치의 스위칭 신호(430) 및 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치의 스위칭 신호(440)를 나타내었다.
도 4에 나타낸 스위칭 신호에 따른 모드 별 오존발생기 구동회로의 동작을 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 별 오존발생기 구동회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 제1 모드에서의 오존발생기 구동회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제1 모드에서 출력 전압을 상승시키기 위해 제2 스위치부의 Res_up 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 한다. 이때, 전류의 흐름은 도 5a의 화살표와 같다.
도 5b는 제2 모드에서의 오존발생기 구동회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제2 모드에서 인덕터(LRES)를 통해 캐패시터(CRES)에 양의 입력 전압(+Vs)을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시킨다. 다시 말해, 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시켜서 캐패시터(CRES)에 양의 입력 전압(+Vs)을 인가한다. 동시에 인덕터(LRES)를 통해 캐패시터(CRES)에 양의 입력 전압(+Vs)을 충전한다. 이때, 전류의 흐름은 도 5b의 화살표와 같다.
도 5c는 제3 모드에서의 오존발생기 구동회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제3 모드에서 출력 전압을 하강시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_dn 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 한다. 다시 말해, Res_dn 스위치를 턴 온 시키면 인덕터(LRES)와 캐패시터(CRES)를 통해 공진전류가 흐르고 양의 입력 전압(+Vs)에서 음의 입력 전압(-Vs)까지 하강한다. 이때, 전류의 흐름은 도 5c의 화살표와 같다.
도 5d는 제4 모드에서의 오존발생기 구동회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제4 모드에서 인덕터(LRES)를 통해 캐패시터(CRES)에 음의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치를 턴 온 시킨다. 다시 말해, Vs_dn 스위치를 턴 온 시켜서 캐패시터(CRES)에 음의 입력 전압(-Vs)을 인가한다. 이때, 전류의 흐름은 도 5d의 화살표와 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압의 파형이다.
도 3에서 오존발생기의 구동회로의 구성은 직렬 공진을 이용하기 위한 Res_up 및 Res_dn 스위치와 인가 전압을 유지하기 위한 Vs_up 및 Vs_dn 스위치를 포함하며 필요에 따라 각 노드에 환류 다이오드(Free-wheeling diode)를 배치할 수 있다. 공진을 위한 L, C와 출력파형으로 승압하기 위한 변압기로 구성되어 있다.
스위치 동작에 대한 타이밍도는 도 6과 같다. 출력 전압의 상승과 하강을 위해 인덕터(LRES)와 캐패시터(CRES)의 직렬 공진을 이용한다. 상승 및 하강 전압은 인가 전압 Vs의 2배이며 전압 파형의 상승 및 하강 시간은
Figure 112016115058449-pat00001
로 설정된다.
캐패시터(CRES)에 충전된 전압을 변압기의 턴 비를 이용하여 승압하고, 이를 오존발생기 전극에 인가한다.
도 7은 오존발생기의 구동회로의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
오존발생기의 구동회로의 동작 방법은 제2 스위치부의 Res_up 스위치를 턴 온 시키는 단계(710), 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시키는 단계(720), 제2 스위치부의 Res_dn 스위치를 턴 온 시키는 단계(730), 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치를 턴 온 시키는 단계(740)를 포함한다.
제1 모드(단계(710))에서 오존발생기 구동회로는 출력 전압을 상승시키기 위해 제2 스위치부의 Res_up 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 한다.
제2 모드(단계(720))에서 오존발생기 구동회로는 인덕터(LRES)를 통해 캐패시터(CRES)에 양의 입력 전압(+Vs)을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시킨다. 다시 말해, 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시켜서 캐패시터(CRES)에 양의 입력 전압(+Vs)을 인가한다. 동시에 인덕터(LRES)를 통해 캐패시터(CRES)에 양의 입력 전압(+Vs)을 충전한다.
제3 모드(단계(730))에서 오존발생기 구동회로는 출력 전압을 하강시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_dn 스위치를 턴 온 시킴으로써 인덕터(LRES) 및 캐패시터(CRES)를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 한다. 다시 말해, Res_dn 스위치를 턴 온 시키면 인덕터(LRES)와 캐패시터(CRES)를 통해 공진전류가 흐르고 양의 입력 전압(+Vs)에서 음의 입력 전압(-Vs)까지 하강한다.
제4 모드(단계(740))에서 오존발생기 구동회로는 인덕터(LRES)를 통해 캐패시터(CRES)에 음의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치를 턴 온 시킨다. 다시 말해, Vs_dn 스위치를 턴 온 시켜서 캐패시터(CRES)에 음의 입력 전압(-Vs)을 인가한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 캐패시터에 충전된 에너지를 인덕터와의 공진을 이용하여 전달 및 회수 하고, 양의 입력 전압(+Vs)만을 이용하여 하프브리지 타입을 구현함으로써 하드 스위칭에 의한 소비전력을 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (7)

  1. 입력전압을 변압기를 통해 승압하기 위해 스위칭되는 인버터 회로이고, 직렬 공진전류를 이용하는 제1 스위치부;
    상기 직렬 공진 전류를 이용하기 위한 제2 스위치부;
    상기 제1 스위치부에 의해 전달된 입력 전압 및 상기 제2 스위치부에 의한 직렬 공진 전류를 이용하여 공진을 생성하기 위한 인덕터 및 캐패시터; 및
    상기 입력 전압을 출력 전압으로 승압하기 위한 변압기
    를 포함하고,
    상기 인덕터 및 캐패시터의 직렬 공진을 이용하여 출력 전압의 상승과 하강을 생성하고, 캐패시터에 충전된 전압을 변압기의 턴 비를 이용하여 승압하는
    오존발생기 구동회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터 및 캐패시터에 의해 생성되는 역기전력으로부터 상기 제1 스위치부 및 상기 제2 스위치부를 보호하기 위한 환류 다이오드(Free-wheeling diode)
    를 더 포함하는 오존발생기 구동회로.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 모드에서 출력 전압을 상승시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_up 스위치를 턴 온 시킴으로써 제2 스위치부의 Res_up 스위치와 Res_dn 스위치 사이에 한 단이 연결되고, Vs_up 스위치, Vs_dn 스위치 및 캐패시터에 다른 한 단이 연결된 인덕터 및 상기 캐패시터를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 하는
    오존발생기 구동회로.
  4. 제3항에 있어서,
    제2 모드에서 상기 인덕터를 통해 상기 캐패시터에 양의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_up 스위치를 턴 온 시키는
    오존발생기 구동회로.
  5. 제3항에 있어서,
    제3 모드에서 출력 전압을 하강시키기 위해 상기 제2 스위치부의 Res_dn 스위치를 턴 온 시킴으로써 상기 인덕터 및 상기 캐패시터를 통해 직렬 공진 전류가 흐르도록 하는
    오존발생기 구동회로.
  6. 제3항에 있어서,
    제4 모드에서 상기 인덕터를 통해 상기 캐패시터에 음의 입력 전압을 충전하기 위해 제1 스위치부의 Vs_dn 스위치를 턴 온 시키는
    오존발생기 구동회로.
  7. 삭제
KR1020160157251A 2016-11-24 2016-11-24 직렬 공진 방식을 이용한 오존발생기 구동회로 KR101909789B1 (ko)

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