KR101960610B1 - 직류 배전 시스템 안정화 장치 - Google Patents

직류 배전 시스템 안정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 스위치를 제어하여 인버터 회로 또는 전압 안정화 회로를 선택적으로 구성함으로써, 모터를 구동하거나 과도 구간에서 발생하는 직류 전압의 불안정을 완화하는 직류 배전 시스템 안정화 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 안정화 장치는 전원단에서 공급되는 직류 전압에 의해 충전되는 상단 커패시터 및 하단 커패시터를 포함하는 커패시터부, 두 쌍의 구동 스위칭 소자와 한 쌍의 공통 스위칭 소자를 이용하여 상기 커패시터부에 충전된 전압을 교류 전원으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부, 상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자를 포함하고, 충방전 신호에 따라 상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자를 제어하여 상기 전원단에서 공급되는 상기 직류 전압을 상기 커패시터부에 충전하거나 상기 커패시터부에 충전된 전압을 상기 전원단으로 방전하는 전압 안정화부, 복수의 스위치를 포함하고, 상기 스위치의 동작을 제어하여 상기 인버터부 및 상기 전압 안정화부를 선택적으로 동작시키는 스위치부 및 상기 전원단에서 공급되는 직류 전압과 기준 범위를 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 전압 안정화부에 상기 충방전 신호를 제공하는 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류 배전 시스템 안정화 장치{Apparatus for stabilizing DC distribution system}
본 발명은 복수의 스위치를 제어하여 인버터 회로 또는 전압 안정화 회로를 선택적으로 구성함으로써, 모터를 구동하거나 과도 구간에서 발생하는 직류 전압의 불안정을 완화하는 직류 배전 시스템 안정화 장치에 관한 것이다.
직류 배전 시스템은 리액턴스 성분이 없어 무효전력으로 인한 손실이 없고 주파수가 존재하지 않으므로 표피 효과(skin effect)가 없어, 교류 배전 시스템보다 배전 효율이 높은 장점이 있다.
이에 더불어, 최근에는 신재생에너지 발전이 상용화 되고 있으며, 고효율의 전력 변환 장치, DC 부하 등의 개발에 힘입어 직류 배전 시스템이 각광받고 있다.
직류 배전 시스템은 전원단, 배전단 및 부하단으로 구성될 수 있고, 전원단에서 공급되는 직류 전압(전원단 전압)은 배전단을 통해 부하단에 연결된 각 부하에 인가될 수 있다.
다만, 직류 배전 시스템에 다수의 부하가 연결된 경우, 부하에 포함된 전력 변환 장치 등의 상호작용으로 인해 전원단 전압에 불안정이 발생한다. 특히, 직류 배전 시스템에 부하가 투입되거나 부하가 제거될 때, 일정 시간의 과도 구간(transient region)에서 전원단 전압의 불안정이 발생한다.
도 1 및 도 2는 직류 배전에 부하가 투입되거나 제거된 직후 과도 구간에서 발생하는 전원단 전압의 파형을 도시한 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 직류 배전 시스템에 부하가 투입되면 순간적으로 전원단 전압(VBUS)이 감소하며, 감소된 전원단 전압(VBUS)은 일정 시간 동안의 오실레이션(ocillation)을 통해 과도 구간 이후 다시 정상 상태로 회복된다.
또한, 도 2를 참조하면, 직류 배전 시스템에서 부하가 제거되면 순간적으로 전원단 전압(VBUS)이 증가하며, 증가된 전원단 전압(VBUS)은 일정 시간 동안의 오실레이션을 통해 과도 구간 이후 다시 정상 상태로 회복한다.
과도 구간에서의 오실레이션은 전원단 전압에 주파수 성분을 생성하고, 생성된 주파수 성분은 직류 배전 시스템에 악영향을 미친다. 이에 따라, 과도 구간에서 전원단 전압을 안정화시키기 위한 장치(전압 안정화 장치)가 개발되고 있다.
그러나, 종래 전압 안정화 장치는 직류 배전 시스템에 연결된 부하와 별도로 구성됨에 따라, 동작 효율이 낮을 뿐만 아니라 생산 비용을 절감할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 DC 배전의 전원단에서 공급되는 직류 전원을 안정화시키는 직류 배전 시스템 안정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 부하 내부에 포함되어 동작 모드에 따라 모터를 구동하거나 과도 구간에서 발생하는 직류 전압의 불안정을 완화하는 직류 배전 시스템 안정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 전원단에서 공급되는 직류 전압과 기준 범위의 비교 결과에 따라 전원단에서 공급되는 직류 전압을 저장하거나, 미리 저장된 직류 전압을 전원단으로 출력함으로써, DC 배전의 전원단에서 공급되는 직류 전원을 안정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 스위치를 제어하여 장치 내부 회로를 인버터 회로 또는 전압 안정화 회로로 선택적으로 구성함으로써, 동작 모드에 따라 모터를 구동하거나 과도 구간에서 발생하는 직류 전압의 불안정을 완화할 수 있다.
본 발명은 배전의 전원단에서 공급되는 직류 전원을 안정화시킴으로써, 직류 배전 시스템에 부하가 투입되거나 제거될 때 발생하는 전압 불안정으로 인한 시스템 효율 저하를 방지할 수 있고, 피크 전압의 감소에 따라 보다 낮은 정격 전압을 갖는 소자를 사용할 수 있어 장치의 호환성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 부하 내부에 포함되어 동작 모드에 따라 모터를 구동하거나 과도 구간에서 발생하는 직류 전압의 불안정을 완화함으로써, 장치를 용이하게 구현할 수 있을 뿐만 아니라 하나의 장치를 통해 두 가지의 기능을 수행할 수 있으므로 장치의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 직류 배전에 부하가 투입되거나 제거된 직후 과도 구간에서 발생하는 전원단 전압의 파형을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 안정화 장치가 DC 배전 및 모터와 연결된 모습을 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치의 제어 흐름을 도시한 도면.
도 5는 도 3에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치의 회로도.
도 6은 스위치의 동작 상태에 따라 도 5에 도시된 직류 배전 시스템이 인버터 회로로 구성되는 모습을 도시한 도면.
도 7은 스위치의 동작 상태에 따라 도 5에 도시된 직류 배전 시스템이 전압 안정화 회로로 구성되는 모습을 도시한 도면.
도 8 내지 도 11은 도 7에 도시된 전압 안정화 회로의 동작 과정을 순서에 따라 도시한 회로도.
도 12는 도 8 내지 도 11의 동작 과정에 따른 충방전 인덕터의 전류 및 상단 커패시터의 전압을 도시한 그래프.
도 13은 보조 전압 안정화 회로가 병렬로 연결된 직류 배전 시스템 안정화 장치의 회로도.
도 14 및 도 15는 본 발명의 적용에 따라 과도 구간에서 전원단 전압의 파형이 개선된 모습을 도시한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 발명의 직류 배전 시스템 안정화 장치는 직류(DC) 배전 시스템에 연결된 부하에 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 직류 배전 시스템 안정화 장치는 모터를 구동하기 위해 3선식 인버터를 사용하는 부하에 포함될 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 안정화 장치 및 이를 구성하는 각 구성요소를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 안정화 장치가 DC 배전 및 모터와 연결된 모습을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치의 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치의 회로도이다.
도 6은 스위치의 동작 상태에 따라 도 5에 도시된 직류 배전 시스템이 인버터 회로로 구성되는 모습을 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 스위치의 동작 상태에 따라 도 5에 도시된 직류 배전 시스템이 전압 안정화 회로로 구성되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)는 커패시터부(110), 인버터부(120), 전압 안정화부(130), 스위치부(150, 미도시), 스위칭 제어부(140) 및 보조 전압 안정화부(160)를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 커패시터부(110)는 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)에 의해 충전되는 상단 커패시터(CT, 111) 및 하단 커패시터(CB, 112)를 포함할 수 있다.
여기서 전원단은 직류 배전 시스템에 직류 전압(VBUS)을 공급하는 DC 배전(10)과 연결될 수 있다. DC 배전(10)은 직류 전원 또는 교류 전원과 연결되어 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)에 직류 전압(VBUS)을 공급할 수 있다.
예를 들어, DC 배전(10)은 직류 전압(VBUS)을 출력하는 직류 전원과 연결될 수도 있고, 교류 전원을 직류 전압(VBUS)으로 변환하는 컨버터의 출력단과 연결될 수도 있다.
다시 말해, 전원단은 직류 전압(VBUS)을 출력하는 직류 전원과 연결될 수 있고, 이와 달리, 교류 전원을 직류 전압(VBUS)으로 변환하는 컨버터의 출력단과 연결될 수도 있다.
커패시터부(110)는 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)을 저장하여 후술하는 인버터부(120)에 제공하는 DC 링크(DC-link) 커패시터일 수 있다.
커패시터부(110)를 구성하는 상단 커패시터(CT) 및 하단 커패시터(CB)는 각각의 커패시턴스(capacitance)에 따라, 일정 크기의 전압을 저장할 수 있다.
한편, 전원단이 교류 전원을 직류 전압(VBUS)으로 변환하는 컨버터의 출력단과 연결된 경우, 커패시터부(110)는 컨버터에서 출력되는 직류 전압(VBUS)을 평활화하여 후술하는 인버터부(120)에 제공할 수 있다.
인버터부(120)는 3선식 인버터로서, 세 쌍의 스위칭 소자(S1 ~ S3, S1' ~ S3')를 포함할 수 있다. 세 쌍의 스위칭 소자(S1 ~ S3, S1' ~ S3')는 두 쌍의 구동 스위칭 소자(S2, S2', S3, S3')와 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')로 구성될 수 있다.
한편, 인버터부(120)에 포함된 스위칭 소자는 전력 스위칭 소자로서 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등을 포함할 수 있다.
인버터부(120)는 두 쌍의 구동 스위칭 소자(S2, S2', S3, S3') 및 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 이용하여 커패시터부(110)에 충전된 전압을 교류 전원으로 변환하여 모터(20)에 제공할 수 있다.
여기서, 구동 스위칭 소자는 특정 스위칭 소자가 아니고, 세 쌍의 스위칭 소자(S1 ~ S3, S1' ~ S3') 중 임의의 두 쌍의 스위칭 소자일 수 있다. 이에 따라, 공통 스위칭 소자는 세 쌍의 스위칭 소자(S1 ~ S3, S1' ~ S3') 중 구동 스위칭 소자를 제외한 나머지 한 쌍의 스위칭 소자일 수 있다.
전압 안정화부(130)는 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이 전술한 인버터부(120)와 전압 안정화부(130)는 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 공유할 수 있다. 다시 말해, 인버터부(120)를 구성하는 공통 스위칭 소자(S1, S1')는 전압 안정화부(130)에 포함될 수 있다.
전압 안정화부(130)는 충방전 신호(SC)에 따라 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 제어하여 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)을 커패시터부(110)에 충전하거나 커패시터부(110)에 충전된 전압을 전원단으로 방전할 수 있다.
전압 안정화부(130)는 일단이 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1') 사이의 노드와 연결되고 타단이 상단 커패시터(CT) 및 하단 커패시터(CB) 사이의 노드와 연결되는 충방전 인덕터(LC)를 포함할 수 있다.
전압 안정화부(130)는 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)을 충방전 인덕터(LC)를 통해 커패시터부(110)에 충전할 수 있고, 커패시터부(110)에 충전된 전압을 충방전 인덕터(LC)를 통해 전원단으로 방전할 수 있다. 이와 같은 전압 안정화부(130)의 구체적인 충방전 동작은 후술하도록 한다.
인버터부(120)가 모터(20)에 교류 전원을 제공하여 모터(20)를 구동하는 동작과, 전압 안정화부(130)가 커패시터부(110)를 충방전 함으로써 전원단의 전압을 안정화시키는 동작은 후술하는 스위치부(150)에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 스위치부(150)는 복수의 스위치(151 ~ 154)를 포함하고, 스위치의 동작을 제어하여 인버터부(120) 및 전압 안정화부(130)를 선택적으로 동작시킬 수 있다. 여기서 스위치부(150)에 포함되는 복수의 스위치(151 ~ 154)는 릴레이일 수 있다.
보다 구체적으로, 스위치부(150)는 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')와 두 쌍의 구동 스위칭 소자(S2, S2', S3, S3')를 연결하는 제1 스위치(151) 및 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1') 사이의 제1 노드(N1)와 모터(20)를 연결하는 제2 스위치(152)를 포함할 수 있다.
또한, 스위치부(150)는 상단 커패시터(CT)와 하단 커패시터(CB) 사이의 제2 노드(N2)와 제1 노드(N1)를 연결하는 제3 스위치(153) 및 상단 커패시터(CT)의 포지티브 단자(+)와 제2 노드(N2)를 전원단에 선택적으로 연결하는 제4 스위치(154)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 스위칭 제어부(140)는 복수의 스위치(151 ~ 154)의 턴 온 또는 턴 오프 동작을 제어하는 스위칭 신호를 스위치부(150)에 제공할 수 있다.
스위칭 신호는 동작 모드에 대응하여 미리 설정될 수 있다. 여기서 동작 모드는 운전 모드와 전압 안정화 모드를 포함할 수 있다.
이에 따라, 스위칭 신호는 동작 모드에 대응하는 제1 스위칭 신호 및 전압 안정화 모드에 대응하는 제2 스위칭 신호를 포함할 수 있다.
운전 모드는 전술한 인버터부(120)를 선택적으로 동작시키는 모드일 수 있고, 전압 안정화 모드는 전술한 전압 안정화부(130)를 선택적으로 동작시키는 모드일 수 있다.
보다 구체적으로, 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)는 에어컨과 같은 가전기기내에 포함될 수 있다. 에어컨은 사용자의 입력을 제공받는 인터페이스를 제공할 수 있고, 사용자는 해당 인터페이스를 통해 동작 모드를 입력할 수 있다.
스위칭 제어부(140)는 사용자에 의해 입력된 동작 모드가 운전 모드이면 운전 모드에 대응하는 제1 스위칭 신호를 스위치부(150)에 제공할 수 있다. 반면, 스위칭 제어부(140)는 사용자에 의해 입력된 동작 모드가 전압 안정화 모드이면 전압 안정화 모드에 대응하는 제2 스위칭 신호를 스위치부(150)에 제공할 수 있다.
먼저, 동작 모드가 운전 모드일 때 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
스위치부(150)에 제1 스위칭 신호가 제공된 경우, 스위치부(150)는 제1 스위치(151) 및 제2 스위치(152)를 턴 온 제어하고, 제3 스위치(153)를 턴 오프 제어할 수 있다. 또한, 스위치부(150)는 상단 커패시터(CT)의 포지티브 단자(+)와 전원단이 선택적으로 연결되도록 제4 스위치(154)를 제어하여 인버터부(120)를 선택적으로 동작시킬 수 있다.
이에 따라, 도 5에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)의 회로는 도 6과 같이, 인버터 회로로 구성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 전술한 스위치부(150)의 동작에 따라 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)는 인버터부(120)만을 선택적으로 동작시켜, 모터(20)를 구동하는 기능을 수행할 수 있다.
인버터부(120)는 세 쌍의 스위칭 소자(S1 ~ S3, S1' ~ S3')를 이용하여 커패시터부(110)에 충전된 전압을 임의의 위상차를 갖는 세 상의 구동 전류로 출력할 수 있다.
예를 들어, 인버터부(120)는 각 쌍의 스위칭 소자를 이용하여 서로 120도의 위상차를 갖는 3상 교류 전류를 출력할 수 있다. 또한, 인버터부(120)는 각 쌍의 스위칭 소자를 이용하여 서로 120도의 위상차를 갖는 3상 펄스 전류를 출력할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 전술한 인버터부(120)를 동작시키기 위해, 스위칭 제어부(140)는 두 쌍의 구동 스위칭 소자(S2, S2', S3, S3') 및 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')의 턴 온 또는 턴 오프 동작을 제어하는 구동 신호(Sd)를 인버터부(120)에 제공할 수 있다.
여기서 구동 신호(Sd)는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호일 수 있고, 일정한 펄스 폭을 갖는 특정 주파수의 신호일 수도 있다.
스위칭 제어부(140)는 구동 신호(Sd)에 포함된 펄스 신호를 생성하는 마이컴(MICOM)일 수 있다. 이에 따라, 인버터부(120)는 생성된 펄스 신호를 제공받고, 펄스 신호에 따라 세 쌍의 스위칭 소자(S1 ~ S3, S1' ~ S3')에 구동 전압을 제공하는 게이트 드라이버(gate driver)를 포함할 수 있다.
한편, 인버터부(120)와 연결되는 모터(20)는 유도 모터(induction motor), 브러시리스 DC 모터(Brushless DC moter; BLDC), 릴럭턴스 모터(reluctance motor)를 포함할 수 있으며, 모터(20)는 에어컨 등의 가전 제품 내부에 구비되는 모터일 수 있다.
다음으로, 동작 모드가 전압 안정화 모드일 때 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
스위치부(150)에 제2 스위칭 신호가 제공된 경우, 스위치부(150)는 제1 스위치(151) 및 제2 스위치(152)를 턴 오프 제어하고, 제3 스위치(153)를 턴 온 제어할 수 있다. 또한, 스위치부(150)는 제2 노드(N2)와 전원단이 선택적으로 연결되도록 제4 스위치(154)를 제어하여 전압 안정화부(130)를 선택적으로 동작시킬 수 있다.
이에 따라, 도 5에 도시된 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)의 회로는 도 7과 같이, 전압 안정화 회로로 구성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 전술한 스위치부(150)의 동작에 따라 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)는 전압 안정화부(130)만을 선택적으로 동작시켜, 전원단의 전압을 안정화시키는 기능을 수행할 수 있다.
전압 안정화부(130)에 포함된 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')는 스위칭 제어부(140)에서 제공된 충방전 신호(SC)에 따라 턴 온 또는 턴 오프 동작을 수행하여, 전원단의 전압을 안정화시키는 기능을 수행할 수 있다.
한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')의 스위칭 동작에 따라 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)은 커패시터부(110), 보다 구체적으로 상단 커패시터(CT)에 저장될 수 있다. 또한, 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')의 스위칭 동작에 따라 커패시터부(110), 보다 구체적으로 상단 커패시터(CT)에 충전된 전압은 전원단으로 방전될 수 있다.
하단 커패시터(CB)는 필터 커패시터의 역할을 수행하여 공통 스위칭 소자(S1, S1')의 스위칭 동작으로 인해 발생하는 리플(ripple)을 완화시킬 수 있다. 또한, 충방전 인덕터(LC)는 각각의 공통 스위칭 소자(S1, S1')가 짧은 데드 타임(dead time)을 가지면서 턴 온 또는 턴 오프 될 때, 전원단과 상단 커패시터(CT) 사이의 전류 흐름을 제한할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전술한 전압 안정화부(130)를 동작시키기 위해, 스위칭 제어부(140)는 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)과 기준 범위를 비교하고, 비교 결과에 따라 전압 안정화부(130)에 충방전 신호(SC)를 제공할 수 있다.
여기서, 충방전 신호(SC)는 각각의 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 턴 온 또는 턴 오프 제어하기 위한 펄스 신호로서, 충전 신호 및 방전 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
스위칭 제어부(140)는 충방전 신호(SC)를 구성하는 펄스 신호를 생성하는 마이컴일 수 있다. 이에 따라, 전압 안정화부(130)는 생성된 펄스 신호를 제공받고, 펄스 신호에 따라 공통 스위칭 소자(S1, S1')에 구동 전압을 제공하는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
스위칭 제어부(140)는 전압 센서(210)로부터 직류 전압(VBUS)의 측정값을 제공받고, 제공된 직류 전압(VBUS)의 측정값을 기준 범위와 비교할 수 있다.
전압 센서(210)는 전원단에 구비되어, DC 배전(10)으로부터 출력되는 직류 전압(VBUS)을 측정하여 스위칭 제어부(140)로 제공할 수 있다. 이를 위해, 전압 센서(210)는 데이터 통신이 가능한 디지털 센서일 수 있다.
한편, 도 4에서는 본 발명이 전압 센서(210)를 포함하지 않는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 전술한 전압 센서(210)를 포함하여 구성될 수도 있다.
스위칭 제어부(140)는 전원단의 직류 전압(VBUS)과 기준 범위를 비교하여 충전 신호 및 방전 신호 중 어느 하나의 신호를 생성할 수 있다.
여기서 기준 범위는 과도 구간(transient region)에서 허용할 수 있는 전압의 범위일 수 있고, 사용자의 설정에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, DC 배전(10)에서 출력되는 직류 전압(VBUS)이 10[V]로 미리 설정된 경우, 기준 범위는 미리 설정된 전압의
Figure 112017096421015-pat00001
의 범위로 설정될 수 있다. 즉, 기준 범위는 9[V] ~ 11[V]로 설정될 수 있다.
스위칭 제어부(140)는 측정된 직류 전압(VBUS)이 기준 범위를 초과(예를 들어, 11[V]를 초과)하면, 충전 신호를 생성하여 전압 안정화부(130)에 제공할 수 있다. 반면에, 스위칭 제어부(140)는 측정된 직류 전압(VBUS)이 기준 범위 미만(예를 들어, 9[V] 미만)이면, 방전 신호를 생성하여 전압 안정화부(130)에 제공할 수 있다.
전압 안정화부(130)는 스위칭 제어부(140)에서 제공된 충전 신호에 따라 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)을 상단 커패시터(CT)에 충전할 수 있다. 또한, 전압 안정화부(130)는 스위칭 제어부(140)에서 제공된 방전 신호에 따라 상단 커패시터(CT)에 충전된 전압을 전원단으로 방전할 수 있다.
보다 구체적으로, 전압 안정화부(130)는 충방전 신호(SC)에 따라 충방전 인덕터(LC)에 저장된 전류를 이용하여 상단 커패시터(CT)를 충전하거나, 상단 커패시터(CT)에 충전된 전압을 충방전 인덕터(LC)를 통해 전원단으로 방전할 수 있다.
도 8 내지 도 11은 도 7에 도시된 전압 안정화 회로의 동작 과정을 순서에 따라 도시한 회로도이고, 도 12는 도 8 내지 도 11의 동작 과정에 따른 충방전 인덕터의 전류 및 상단 커패시터의 전압을 도시한 그래프이다.
이하, 도 8 내지 도 12를 참조하여, 공통 스위칭 소자(S1, S1')의 스위칭 동작에 따라 상단 커패시터(CT)가 충전 또는 방전되는 과정을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7에 도시된 회로는, 한 쌍의 공통 스위칭 소자(S1, S1')의 스위칭 동작에 따라 순차적으로 도 8 내지 도 11에 도시된 회로(Mode 1 내지 Mode 4)와 같이 구성될 수 있다. 이 때, 시간에 따라 각 공통 스위칭 소자(S1, S1')에 인가되는 펄스 신호와 충방전 인덕터(LC)에 흐르는 전류(IL) 및 상단 커패시터(CT)에 저장되는 전압(VST)은 도 12에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로 도 8을 참조하면, 전압 안정화부(130)는 충전 신호에 응답하여 미리 설정된 시간 동안 하단 공통 스위칭 소자(S1')를 턴 온 제어하고, 상단 공통 스위칭 소자(S1)를 턴 오프 제어할 수 있다. 이에 따라, 충방전 인덕터(LC)에는 전원단으로부터 출력된 전류(IL)가 저장될 수 있다.
이어서 도 9를 참조하면, 미리 설정된 시간이 도과한 후 데드 타임(td) 동안에 전압 안정화부(130)는 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 모두 턴 오프 제어할 수 있다. 이에 따라, 충방전 인덕터(LC)에 저장된 전류는 도통된 상단 공통 스위칭 소자(S1)의 다이오드를 통해 상단 커패시터(CT)로 제공되고, 상단 커패시터(CT)는 해당 전류에 의해 충전될 수 있다.
데드 타임(td) 동안에 다이오드를 통한 전류의 경로를 형성함으로써, 이후 턴 온 되는 상단 공통 스위칭 소자(S1)는 영전압스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS) 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 다이오드를 통해 흐르는 전류는 점차 감소할 수 있다. 이에 따라, 해당 전류의 방향이 상단 공통 스위칭 소자(S1)의 양의 방향(다이오드의 영방향)으로 전환되기 전에 상단 공통 스위칭 소자(S1) 양단에 인가되는 전압은 0이 될 수 있다.
상단 공통 스위칭 소자(S1)는, 상단 공통 스위칭 소자(S1) 양단에 인가되는 전압이 0일 때 턴 온 됨으로써 영전압스위칭 동작을 수행할 수 있고, 이에 따라 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 전압 안정화부(130)는 방전 신호에 응답하여 미리 설정된 시간 동안 상단 공통 스위칭 소자(S1)를 턴 온 제어하고 하단 공통 스위칭 소자(S1')를 턴 오프 제어할 수 있다. 이에 따라, 상단 커패시터(CT)에 충전된 전압은 충방전 인덕터(LC)를 통해 전원단에 제공될 수 있다.
이어서 도 11을 참조하면, 미리 설정된 시간이 도과한 후 데드 타임(td) 동안에 전압 안정화부(130)는 공통 스위칭 소자(S1, S1')를 모두 턴 오프 제어할 수 있다. 이에 따라, 하단 공통 스위칭 소자(S1')의 다이오드가 도통되고, 충방전 인덕터(LC)를 통해 전원단으로 흐르는 전류는 감소할 수 있다. 다시 말해, 도면에 도시된 방향으로 흐르는 전류(IL)의 크기는 증가할 수 있다.
데드 타임(td) 동안에 다이오드를 통한 전류의 경로를 형성함으로써, 이후 턴 온 되는 하단 공통 스위칭 소자(S1')는 영전압스위칭 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 다이오드를 통해 흐르는 전류는 점차 감소할 수 있다. 이에 따라, 해당 전류의 방향이 하단 공통 스위칭 소자(S1')의 양의 방향(다이오드의 역방향)으로 전환되기 전에 하단 공통 스위칭 소자(S1') 양단에 인가되는 전압은 0이 될 수 있다.
하단 공통 스위칭 소자(S1')는, 하단 공통 스위칭 소자(S1') 양단에 인가되는 전압이 0일 때 턴 온 됨으로써 영전압스위칭 동작을 수행할 수 있고, 이에 따라 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 배전의 전원단에서 공급되는 직류 전원을 안정화시킴으로써, 직류 배전 시스템에 부하가 투입되거나 제거될 때 발생하는 전압 불안정으로 인한 시스템 효율 저하를 방지할 수 있고, 피크 전압의 감소에 따라 보다 낮은 정격 전압을 갖는 소자를 사용할 수 있어 장치의 호환성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 부하 내부에 포함되어 동작 모드에 따라 모터를 구동하거나 과도 구간에서 발생하는 직류 전압의 불안정을 완화함으로써, 장치를 용이하게 구현할 수 있을 뿐만 아니라 하나의 장치를 통해 두 가지의 기능을 수행할 수 있으므로 장치의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 13은 보조 전압 안정화 회로가 병렬로 연결된 직류 배전 시스템 안정화 장치의 회로도이다.
도 3 및 도 13을 참조하면 본 발명은 한 쌍의 보조 스위칭 소자(ST, SB), 필터 인덕터(LF), 충방전 커패시터(CST) 및 필터 커패시터(CF)를 포함하는 보조 전압 안정화부(160)를 더 포함할 수 있다.
여기서 필터 커패시터(CF)는 보조 스위칭 소자(ST, SB)의 스위칭 동작으로 인해 발생하는 리플을 완화시킬 수 있다. 한편, 필터 인덕터(LF)는 보조 스위칭 소자(ST, SB)가 짧은 데드 타임을 가지면서 턴 온 또는 턴 오프 동작을 수행할 때, 전원단과 충방전 커패시터(CST) 사이의 전류 흐름을 제한할 수 있다.
보조 전압 안정화부(160)는 전원단과 병렬로 연결되어 보조 충방전 신호(SC')에 따라 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)을 충방전 커패시터(CST)에 충전하거나, 충방전 커패시터(CST)에 충전된 전압을 전원단으로 방전할 수 있다.
보조 전압 안정화부(160)는 전술한 스위치부(150)의 동작과 관계없이 동작할 수 있다. 다시 말해, 스위치부(150)의 동작에 따라 직류 배전 시스템 안정화 장치(100)가 도 6과 같이 인버터 회로로 구성된 경우에도 보조 전압 안정화부(160)는 동작할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 전술한 보조 전압 안정화부(160)를 동작시키기 위해, 스위칭 제어부(140)는 전원단에서 공급되는 직류 전압(VBUS)과 기준 범위를 비교하고, 비교 결과에 따라 보조 전압 안정화부(160)에 보조 충방전 신호(SC')를 제공할 수 있다.
보조 충방전 신호(SC')는 전술한 충방전 신호(SC)와 동일하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
보조 전압 안정화부(160)는 필터 인덕터(LF)에 저장된 전류를 이용하여 충방전 커패시터(CST)를 충전하거나 충방전 커패시터(CST)에 충전된 전압을 필터 인덕터(LF)를 통해 전원단으로 방전할 수 있다.
도 13에 도시된 보조 스위칭 소자(ST, SB), 필터 인덕터(LF), 충방전 커패시터(CST) 및 필터 커패시터(CF)는 각각 도 7에 도시된 공통 스위칭 소자(S1, S1'), 충방전 인덕터(LC), 상단 커패시터(CT) 및 하단 커패시터(CB)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
이에 따라, 보조 전압 안정화부(160)의 동작 과정은 도 8 내지 도 12를 참조하여 설명한 전압 안정화부(130)의 동작 과정과 동일할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 모터(20)의 구동과 함께 전압 안정화 동작을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 모터(20)가 구동되지 않을 때에는 부하(예를 들어, 에어컨 등의 가전기기)내의 커패시터(CT, CB)를 활용하여 전압 안정화 동작을 더욱 효과적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 적용에 따라 과도 구간에서 전원단 전압의 파형이 개선된 모습을 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 부하가 투입된 후 과도 구간에서 발생하는 전압 불안정(전압 하강 및 오실레이션)은 전압 안정화부(130)의 방전 동작에 의해 완화될 수 있다. 다시 말해, 전압 안정화부(130)는 부하 투입에 따른 전압 하강 시 상단 커패시터(CT)에 저장된 전압을 방전하여 전원단의 전압 하강을 보상할 수 있다.
도 15를 참조하면, 부하가 제거된 후 과도 구간에서 발생하는 전압 불안정(전압 상승 및 오실레이션)은 전압 안정화부(130)의 충전 동작에 의해 완회될 수 있다. 다시 말해, 전압 안정화부(130)는 부하 제거에 따른 전압 상승 시 상승된 전압을 이용하여 상단 커패시터(CT)를 충전함으로써 전원단의 전압 상승을 보상할 수 있다.
이에 따라, 전원단 전압의 피크(peak) 및 오실레이션이 감소하고, 전원단에서 발생하는 최대 전압을 제한할 수 있으므로, 보다 낮은 정격 전압을 갖는 소자를 사용할 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 커패시터부 120: 인버터부
130: 전압 안정화부 140: 스위칭 제어부
150: 스위치부 160: 보조 전압 안정화부

Claims (16)

  1. 전원단에서 공급되는 직류 전압에 의해 충전되는 상단 커패시터 및 하단 커패시터를 포함하는 커패시터부;
    두 쌍의 구동 스위칭 소자와 한 쌍의 공통 스위칭 소자를 이용하여 상기 커패시터부에 충전된 전압을 교류 전원으로 변환하여 모터에 제공하는 인버터부;
    상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자를 포함하고, 충방전 신호에 따라 상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자를 제어하여 상기 전원단에서 공급되는 상기 직류 전압을 상기 커패시터부에 충전하거나 상기 커패시터부에 충전된 전압을 상기 전원단으로 방전하는 전압 안정화부;
    상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자와 상기 두 쌍의 구동 스위칭 소자를 연결하는 제1 스위치, 상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자 사이의 제1 노드와 상기 모터를 연결하는 제2 스위치, 상기 상단 커패시터 및 상기 하단 커패시터 사이의 제2 노드와 상기 제1 노드를 연결하는 제3 스위치 및 상기 상단 커패시터의 포지티브 단자 및 상기 제2 노드를 상기 전원단에 선택적으로 연결하는 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 스위치의 동작을 제어하여 상기 인버터부 및 상기 전압 안정화부를 선택적으로 동작시키는 스위치부; 및
    상기 전원단에서 공급되는 직류 전압과 기준 범위를 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 전압 안정화부에 상기 충방전 신호를 제공하는 스위칭 제어부를 포함하는
    직류 배전 시스템 안정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원단은
    상기 직류 전압을 출력하는 직류 전원 또는 교류 전원을 상기 직류 전압으로 변환하는 컨버터와 연결되는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 온 제어하고, 상기 제3 스위치를 턴 오프 제어하고, 상기 상단 커패시터의 포지티브 단자와 상기 전원단이 선택적으로 연결되도록 상기 제4 스위치를 제어하여 상기 인버터부를 선택적으로 동작시키는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 오프 제어하고, 상기 제3 스위치를 턴 온 제어하고, 상기 제2 노드와 상기 전원단이 선택적으로 연결되도록 상기 제4 스위치를 제어하여 상기 전압 안정화부를 선택적으로 동작시키는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 복수의 스위치의 턴 온 또는 턴 오프 동작을 제어하는 스위칭 신호를 상기 스위치부에 제공하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전압 안정화부는
    일단이 상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자 사이의 제1 노드와 연결되고 타단이 상기 상단 커패시터 및 상기 하단 커패시터 사이의 제2 노드와 연결되는 충방전 인덕터를 포함하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전압 안정화부는
    상기 충방전 인덕터에 저장된 전류를 이용하여 상기 상단 커패시터를 충전하거나 상기 상단 커패시터에 충전된 전압을 상기 충방전 인덕터를 통해 상기 전원단으로 방전하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자는
    상기 충방전 신호에 따라 턴 온 또는 턴 오프 동작을 수행하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자는
    상기 충방전 신호에 따라 영전압스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS) 동작을 수행하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    전압 센서로부터 상기 직류 전압의 측정값을 제공받고, 상기 제공된 직류 전압의 측정값을 상기 기준 범위와 비교하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 직류 전압이 상기 기준 범위를 초과하면 상기 전압 안정화부에 충전 신호를 제공하고, 상기 직류 전압이 상기 기준 범위 미만이면 상기 전압 안정화부에 방전 신호를 제공하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 보조 스위칭 소자, 필터 인덕터, 충방전 커패시터 및 필터 커패시터를 포함하고, 상기 전원단과 병렬로 연결되어 보조 충방전 신호에 따라 상기 전원단에서 공급되는 상기 직류 전압을 상기 충방전 커패시터에 충전하거나 상기 충방전 커패시터에 충전된 전압을 상기 전원단으로 방전하는 보조 전압 안정화부를 더 포함하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 전원단에서 공급되는 직류 전압과 기준 범위를 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 보조 전압 안정화부에 상기 보조 충방전 신호를 제공하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 보조 전압 안정화부는
    상기 필터 인덕터에 저장된 전류를 이용하여 상기 충방전 커패시터를 충전하거나 상기 충방전 커패시터에 충전된 전압을 상기 필터 인덕터를 통해 상기 전원단으로 방전하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 두 쌍의 구동 스위칭 소자 및 상기 한 쌍의 공통 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프 동작을 제어하는 구동 신호를 상기 인버터부에 제공하는 직류 배전 시스템 안정화 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120077179A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 서울과학기술대학교 산학협력단 3상 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법
JP2014138477A (ja) * 2013-01-16 2014-07-28 Sumitomo Electric Ind Ltd 直流配電システム、システム管理装置、コンピュータプログラム及び電力需給の制御方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE505845T1 (de) * 2001-12-26 2011-04-15 Toyota Motor Co Ltd Elektrische lastvorrichtung, steuerverfahren für eine elektrische last und computerlesbares aufzeichnungsmedium mit einem aufgezeichneten programm, durch das ein computer eine elektrische last steuern kann
JP3842205B2 (ja) * 2002-11-19 2006-11-08 矢崎総業株式会社 パワーウインドの駆動装置
EP1615325B1 (en) * 2004-07-07 2015-04-22 Nissan Motor Co., Ltd. Power conversion and vehicle
JP6237671B2 (ja) * 2015-02-24 2017-11-29 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120077179A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 서울과학기술대학교 산학협력단 3상 간접전류제어 방식의 계통연계형 인버터의 제어방법
JP2014138477A (ja) * 2013-01-16 2014-07-28 Sumitomo Electric Ind Ltd 直流配電システム、システム管理装置、コンピュータプログラム及び電力需給の制御方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
곽봉걸 외 4명. 고효율 절연형 DC-DC 초퍼의 특성해석. 전력전자학술대회논문집, 2007.11, 115-117 (3 pages)* *

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