KR102413856B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 스위칭부에 제1 MOSFET 및 제1 MOSFET과 역방향으로 연결되는 제2 MOSFET을 이용함으로써, 스위칭부에 MOSFET을 이용하여 전력을 변환할 수 있다. 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 스위칭부에 MOSFET을 이용하여 전력을 변환함으로써, 스위칭 동작에 따른 도통 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 직류 전력을 교류 전력으로 또는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸기 위한 전기적 장치이다. 그 중 인버터는 복수 개의 스위칭 소자, 다이오드 등을 이용하여 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 이와 같은 인버터는 제어부에 의하여 인버터에 포함된 스위칭 소자들이 온/오프 되며 동작한다.
이때 인버터에 포함된 스위칭 소자로 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)이 사용될 수 있다. 그러나 스위칭 소자로 MOSFET이 사용되면, MOSFET에 포함된 바디 다이오드의 역회복 특성이 좋지 않아서 스위칭 손실이 증가하게 된다.
이러한 문제를 극복하기 위해, 인버터에 포함된 스위칭 소자로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용될 수 있다. 그리고 IGBT와 병렬로 MOSFET에 포함된 바디 다이오드와 달리 역회복 특성이 좋은 다이오드가 연결된다. 즉, 인버터는 IGBT와 역회복 특성이 좋은 다이오드를 병렬로 연결한 스위칭부를 이용하여 구성될 수 있다. 그러나 이와 같이 스위칭 소자로 IGBT를 이용하면, 도통 손실이 적은 MOSFET의 특성은 이용될 수 없다.
이와 같이 MOSFET 또는 IGBT와 역회복 특성이 좋은 다이오드를 이용하여 인버터를 구성한 전력 변환 장치가 사용된 일 예가 미국등록특허 US 7,046,534에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 인버터에 포함된 스위칭부에 MOSFET을 이용하여 전력을 변환하는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 인버터의 출력 교류 전압에 따라 제어부를 통해 인버터의 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 다르게 하는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 정전 상태일 때 제어부를 통해 인버터의 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 정전 상태가 아닐 때와 다르게 하는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
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 발명에 따른 전력 변환 장치는 스위칭부에 제1 MOSFET 및 제1 MOSFET과 역방향으로 연결되는 제2 MOSFET을 이용함으로써, 스위칭부에 MOSFET을 이용하여 전력을 변환할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 제어부는 정전 상태가 아닐 때, 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이면, 제1 스위칭부 및 제4 스위칭부는 오프 되고, 제5 스위칭부는 온 되고, 제2 스위칭부 및 제3 스위칭부는 온 또는 오프 되고, 제6 스위칭부는 제2 스위칭부 및 제3 스위칭부와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어하고, 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이면, 제2 스위칭부 및 제3 스위칭부는 오프 되고, 제6 스위칭부는 온 되고, 제1 스위칭부 및 제4 스위칭부는 온 또는 오프 되고, 제5 스위칭부는 제1 스위칭부 및 제4 스위칭부와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어함으로써, 인버터의 출력 교류 전압에 따라 제어부를 통해 인버터의 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 다르게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 제어부는 제1 스위칭부 및 제4 스위칭부는 온 또는 오프 되고, 제2 스위칭부 및 제3 스위칭부는 제1 스위칭부 및 제4 스위칭부와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어함으로써, 정전 상태일 때 인버터의 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 정전 상태가 아닐 때와 다르게 할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치는 스위칭부에 MOSFET을 이용하여 전력을 변환함으로써, 스위칭 동작에 따른 도통 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 인버터의 출력 교류 전압에 따라 제어부를 통해 인버터의 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 다르게 함으로써, 부하단이 불평형 부하로 구성되더라도 불평형 부하에 인가되는 출력 교류 전압을 동일하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 정전 상태일 때 제어부를 통해 인버터의 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 정전 상태가 아닐 때와 다르게 함으로써, 정전 상태일 때 무효 전류가 제5 다이오드를 통해 흐르지 않도록 하여 제5 다이오드에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치와 그 주변 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터의 상세 구조가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터의 스위칭부에 제1 MOSFET 및 제1 MOSFET과 역방향으로 연결된 제2 MOSFET이 사용된 도면이다.
도 4는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상일 때, 유효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이고 정전 상태가 아닐 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만일 때, 유효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이고 정전 상태가 아닐 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이고 정전 상태일 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이고 정전 상태일 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터의 스위칭부 중 일부에 제1 MOSFET 및 제1 MOSFET과 역방향으로 연결된 제2 MOSFET이 사용된 도면이다.
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.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전력 변환 장치를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치와 그 주변 구성이 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)는 인버터(100) 및 제어부(200)를 포함한다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)는 전원부(300)로부터 공급받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 부하단(400)에 제공할 수 있다.
인버터(100)는 복수 개의 스위칭부 및 복수 개의 다이오드를 이용하여 구성될 수 있다. 인버터(100)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 동작한다. 즉, 인버터(100)에 포함된 복수 개의 스위칭부가 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 의해 온 또는 오프 되고, 이에 의해 인버터(100)에 인가되는 직류 전압은 교류 전압으로 변환된다.
인버터(100)의 보다 상세한 구조는 도 2를 참조하여, 설명될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터의 상세 구조가 도시된 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)는 제1 스위칭부(110), 제2 스위칭부(120), 제3 스위칭부(130), 제4 스위칭부(140), 제5 스위칭부(150), 제6 스위칭부(160), 제1 다이오드(171), 제2 다이오드(172), 제3 다이오드(173), 제4 다이오드(174) 및 제5 다이오드(175)를 포함한다.
제1 스위칭부(110)는 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 제1 스위칭부(110)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 온 또는 오프 되어 전류가 통과 또는 차단 되도록 한다.
제2 스위칭부(120)는 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 제2 스위칭부(120)는 제1 스위칭부(110)와 직렬로 연결되어, 제1 스위칭부(110)와 함께 인버터(100)에 포함된 제1 레그(A)를 형성한다. 제2 스위칭부(120)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 온 또는 오프 되어 전류가 통과 또는 차단 되도록 한다.
제3 스위칭부(130)는 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 제3 스위칭부(130)의 일단은 제1 스위칭부(110)와 연결된다. 제3 스위칭부(130)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 온 또는 오프 되어 전류가 통과 또는 차단 되도록 한다.
제4 스위칭부(140)는 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 제4 스위칭부(140)는 제3 스위칭부(130)와 직렬로 연결되어, 제3 스위칭부(130)과 함께 인버터(100)에 포함된 제2 레그(B)를 형성한다. 그리고 제2 레그(B)는 제1 레그(A)와 병렬로 연결된다. 즉, 제1 스위칭부(110) 및 제2 스위칭부(120)는 제3 스위칭부(130) 및 제4 스위칭부(140)와 병렬로 연결된다. 제4 스위칭부(140)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 온 또는 오프 되어 전류가 통과 또는 차단 되도록 한다.
제5 스위칭부(150)는 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 제5 스위칭부(150)의 일단은 제1 스위칭부(110)와 제2 스위칭부(120) 사이의 노드에 연결된다. 제5 스위칭부(150)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 온 또는 오프 되어 전류가 통과 또는 차단 되도록 한다.
제6 스위칭부(160)는 하나 이상의 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 제6 스위칭부(160)의 일단은 제5 스위칭부(150)의 타단과 연결되고, 제6 스위칭부(160)의 타단은 제3 스위칭부(130)와 제4 스위칭부(140) 사이의 노드에 연결된다. 제5 스위칭부(150)는 제6 스위칭부(160)와 함께 제3 레그(C)를 형성한다. 이때 제3 레그(C)는 제1 레그(A) 및 제2 레그(B)의 사이에 연결된다. 제6 스위칭부(160)는 제어부(200)에 의해 인가되는 스위칭 신호에 따라 온 또는 오프 되어 전류가 통과 또는 차단 되도록 한다.
제1 스위칭부(110) 내지 제6 스위칭부(160)에 포함된 하나 이상의 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 등 일 수 있다. 이때 MOSFET은 자체적으로 바디 다이오드를 포함하는 구조이다. 제1 스위칭부(110) 내지 제6 스위칭부(160)의 상세한 구조에 관하여는 도 3 및 도 10을 참조하여 후술하도록 한다.
제1 다이오드(171)는 제2 스위칭부(120)와 병렬로 연결된다. 이때 제1 다이오드(171)의 음극이 제1 스위칭부(110)와 제2 스위칭부(120) 사이의 노드에 연결된다. 제1 다이오드(171)는 제2 스위칭부(120)가 오프 된 상황에서 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다.
제2 다이오드(172)는 제4 스위칭부(140)와 병렬로 연결된다. 이때 제2 다이오드(172)의 음극이 제3 스위칭부(130)와 제4 스위칭부(140) 사이의 노드에 연결된다. 제2 다이오드(172)는 제4 스위칭부(140)가 오프 된 상황에서 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다.
제3 다이오드(173)는 제5 스위칭부(150)와 병렬로 연결된다. 이때 제3 다이오드(173)의 양극이 제1 스위칭부(110)와 제2 스위칭부(120) 사이의 노드에 연결된다. 제3 다이오드(173)는 제5 스위칭부(150)가 오프 된 상황에서 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다.
제4 다이오드(174)는 제6 스위칭부(160)와 병렬로 연결된다. 이때 제4 다이오드(174)의 양극이 제3 스위칭부(130)와 제4 스위칭부(140) 사이의 노드에 연결된다. 제4 다이오드(174)는 제6 스위칭부(160)가 오프 된 상황에서 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다.
제5 다이오드(175)의 일단은 제5 스위칭부(150)와 제6 스위칭부(160) 사이의 노드에 연결되고, 제5 다이오드(175)의 타단은 제1 스위칭부(110)와 제3 스위칭부(130) 사이의 노드에 연결될 수 있다. 이때 제5 다이오드(175)의 양극이 제5 스위칭부(150)와 제6 스위칭부(160) 사이의 노드에 연결된다. 제5 다이오드(175)는 상용 전원으로부터 전원 공급이 중단되는 정전 상태가 아닐 때, 무효 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다.
제1 다이오드(171) 내지 제5 다이오드(175)는 빠른 역회복 특성을 가진 SiC(Silicon Carbide) 다이오드로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1로 돌아와서, 제어부(200)는 인버터(100)에 포함된 제1 스위칭부(110) 내지 제6 스위칭부(160)에 인가되는 스위칭 신호를 조절한다. 제어부(200)는 상용 전원으로부터 전원 공급이 중단되는 정전 상태인지에 따라 스위칭 신호를 조절한다. 또한 제어부(200)는 인버터(100)의 출력 교류 전압에 따라 스위칭 신호를 조절한다.
제어부(200)는 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태가 아니면, 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 오프 되고, 제5 스위칭부(150)는 온 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제6 스위칭부(160)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다.
제어부(200)는 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전상태가 아니면, 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 오프 되고, 제6 스위칭부(160)는 온 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제5 스위칭부(150)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다.
제어부(200)는 정전 상태이면, 제5 스위칭부(150) 및 제6 스위칭부(160)는 오프 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다.
제어부(200)는 위와 같이 제1 스위칭부(110) 내지 제6 스위칭부(160)에 인가되는 스위칭 신호를 조절함으로써, 인버터(100)에 전류가 흐르는 경로를 설정할 수 있다. 그리고 제어부(200)의 스위칭 신호에 따라 설정된 인버터(100)의 경로를 따라 전류가 흐름으로써, 인버터(100)는 전원부(300)로부터 인가된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력한다.
이와 같은 제어부(200)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors)중 적어도 하나를 포함하는 물리적인 요소를 포함하여 구현될 수 있다.
전원부(300)는 전력 변환 장치(10)에 포함된 인버터(100)에 직류 전압을 공급한다. 전원부(300)는 상용 전원으로부터 전원 공급이 중단되는 정전 상태가 아니면 상용 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 인버터(100)에 공급할 수 있다. 전원부(300)에는 상용 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하기 위해 정류 회로가 포함될 수 있다.
전원부(300)는 PCS(Power Conditioning System)로부터 공급된 직류 전압을 인버터(100)에 공급할 수 있다. 이때 전원부(300)는 정전 상태인지 여부에 관계없이 PCS로부터 직류 전압을 공급받을 수 있다. 따라서 전원부(300)는 정전 상태가 아니면 상용 전원으로부터 공급된 전압과 PCS로부터 공급된 전압을 인버터(100)에 공급할 수 있고, 정전 상태이면 PCS로부터 공급된 전압만을 인버터(100)에 공급할 수 있다.
이때 도 2에 도시된 바와 같이 제1 커패시터(310) 및 제2 커패시터(320)가 전원부(300)와 인버터(100) 사이에 연결될 수 있다. 이와 같이 제1 커패시터(310) 및 제2 커패시터(320)가 연결하여 전원부(300)로부터 인버터(100)에 공급되는 직류 전압에 포함된 리플을 감소시킬 수 있다.
부하단(400)에는 부하로서 제1 저항(410) 및 제2 저항(440)이 포함될 수 있다. 그리고 부하단(400)에 인가되는 전압을 안정화 하기 위해, 제3 커패시터(420), 제4 커패시터(450), 제1 인덕터(430) 및 제2 인덕터(460)과 같은 수동 소자들이 사용될 수 있다.
이때 부하단(400)에 포함된 부하인, 제1 저항(410)과 제2 저항(440)의 크기가 같으면 평형 부하라고 한다. 그리고 제1 저항(410)과 제2 저항(440)의 크기가 다르면 불평형 부하라고 한다.
본 발명은 제어부(200)가 위와 같이 스위칭 신호를 제어함으로써, 부하단이 불평형 부하로 구성되더라도 불평형 부하에 인가되는 출력 교류 전압을 동일하게 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터의 스위칭부에 제1 MOSFET 및 제1 MOSFET과 역방향으로 연결된 제2 MOSFET이 사용된 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 스위칭부(110)은 제1 MOSFET(111) 및 제2 MOSFET(112)을 포함하도록 구성될 수 있다.
이때 제1 스위칭부(110)의 제1 MOSFET(111)은 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(112)과 역방향으로 연결될 수 있다. 즉, 제1 스위칭부(110)의 제1 MOSFET(111)의 소스와 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(112)의 소스가 연결되도록 배치할 수 있다. 또한 제1 스위칭부(110)의 제1 MOSFET(111)의 드레인과 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(112)의 드레인이 연결되도록 배치할 수 있다. 이와 같이 제1 스위칭부(110)의 제1 MOSFET(111)과 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(112)를 역방향으로 연결함으로써, 제1 스위칭부(110)를 통해 전류가 양방향으로 흐를 수 있게 된다.
이때 제1 스위칭부(110)의 제1 MOSFET(111)은 출력 전압보다 높은 내압을 가진 MOSFET일 수 있다. 또한 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(112)은 수십 볼트 정도의 낮은 내압을 가진 MOSFET일 수 있다.
이때 내압은 MOSFET의 소자 특성이 유지되는 상태로 견딜 수 있는 한계 전압을 의미한다. 즉, MOSFET의 내압이 높으면 높은 전압을 견딜 수 있다. 그러나 일반적으로 높은 내압을 가진 MOSFET의 바디 다이오드는 좋지 않은 역회복 특성을 가지므로, 이와 같은 바디 다이오드에 전류가 흐르면 쉽게 손상될 수 있다. 반면 낮은 내압을 가진 MOSFET의 바디 다이오드는 좋은 역회복 특성을 가지므로, 전류를 잘 흐르게 한다. 따라서 적절한 크기의 내압을 가지는 MOSFET을 선정할 필요가 있다.
제1 스위칭부(110)는 보호 커패시터(113)를 더 포함할 수 있다. 보호 커패시터(113)는 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(111)과 병렬로 연결될 수 있다. 이때 보호 커패시터(113)는 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(111)에 과전압이 걸리는 것을 방지한다. 이는 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(111)으로 낮은 내압을 가진 MOSFET을 이용할 수 있기 때문이다. 제1 스위칭부(110)의 제2 MOSFET(111)는 매우 작은 용량의 커패시터일 수 있고, MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)일 수 있다.
MLCC는 크기가 소형이므로, 제1 스위칭부(110)는 보호 커패시터(113)로 MLCC를 사용함으로써 제품의 크기를 줄일 수 있다.
제2 스위칭부(120)은 제1 MOSFET(121) 및 제2 MOSFET(122)을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 제2 스위칭부(120)는 제2 스위칭부(120)의 제2 MOSFET(122)과 병렬로 연결된 보호 커패시터(123)를 더 포함할 수 있다.
제3 스위칭부(130)은 제1 MOSFET(131) 및 제2 MOSFET(132)을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 제3 스위칭부(130)는 제3 스위칭부(130)의 제2 MOSFET(132)과 병렬로 연결된 보호 커패시터(133)를 더 포함할 수 있다.
제4 스위칭부(140)은 제1 MOSFET(141) 및 제2 MOSFET(142)을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 제4 스위칭부(140)는 제4 스위칭부(140)의 제2 MOSFET(142)과 병렬로 연결된 보호 커패시터(143)를 더 포함할 수 있다.
제5 스위칭부(150)은 제1 MOSFET(151) 및 제2 MOSFET(152)을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 제5 스위칭부(150)는 제5 스위칭부(150)의 제2 MOSFET(152)과 병렬로 연결된 보호 커패시터(153)를 더 포함할 수 있다.
제6 스위칭부(160)은 제1 MOSFET(161) 및 제6 MOSFET(162)을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 제6 스위칭부(160)는 제6 스위칭부(160)의 제2 MOSFET(162)과 병렬로 연결된 보호 커패시터(163)를 더 포함할 수 있다.
이때 제2 스위칭부(120) 내지 제6 스위칭부(160)에 포함된 MOSFET 및 보호 커패시터의 연결 방법 및 선택과 그에 따른 효과는 제1 스위칭부(110)에 포함된 MOSFET 및 보호 커패시터와 동일한 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
이와 같이 제1 스위칭부(110) 내지 제6 스위칭부(160)를 MOSFET을 이용하여 구성함으로써, 인버터(100)를 통해 스위칭 동작이 이루어지면서 직류 전압이 교류 전압으로 변환 될 때 발생하는 도통 손실을 줄일 수 있다.
도 4는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상일 때, 유효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태가 아닐 때의 유효 전류의 흐름을 확인할 수 있다. 이때 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 오프 되고, 제5 스위칭부(150)는 온 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제6 스위칭부(160)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다. 이때 유효 전류는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)를 통해 흐른다.
보다 상세히, 우선 유효 전류는 인버터(100)의 도면 상 상단의 노드를 통해 인가된다. 이때 인가된 유효 전류는 제3 스위칭부(130)가 온 되면 제3 스위칭부(130)를 따라 흘러간다.
그리고 제3 스위칭부(130)를 통과한 유효 전류는 부하단(400)을 통과한다. 그리고 부하단(400)을 통과한 유효 전류는 제2 스위칭부(120)가 온 되면 제2 스위칭부(120)를 따라 흘러간다. 마지막으로 제2 스위칭부(120)를 통과한 유효 전류는 인버터(100)의 도면 상 하단의 노드를 통해 빠져나온다.
도 5는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이고 정전 상태가 아닐 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태가 아닐 때의 무효 전류의 흐름을 확인할 수 있다. 이때 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 오프 되고, 제5 스위칭부(150)는 온 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 온 또는 오프 되고, 제6 스위칭부(160)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다. 이때 무효 전류는 제2 다이오드(172), 제3 다이오드(173) 및 제5 다이오드(175)를 통해 흐른다.
보다 상세히, 우선 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 하단의 노드를 통해 인가된다. 이때 무효 전류는 제2 다이오드(172)를 따라 흘러간다. 그리고 제2 다이오드(172)를 통과한 무효 전류는 부하단(400)을 통과한다. 그리고 부하단(400)을 통과한 무효 전류는 제3 다이오드(173) 및 제5 다이오드(175)를 차례로 통과한다. 마지막으로 제5 다이오드(175)를 통과한 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 상단의 노드를 통해 빠져나온다.
도 6는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만일 때, 유효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전 상태가 아닐 때의 유효 전류의 흐름을 확인할 수 있다. 이때 제어부(200)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 오프 되고, 제6 스위칭부(160)는 온 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제5 스위칭부(150)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다. 이때 유효 전류는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)를 통해 흐른다.
보다 상세히, 우선 유효 전류는 인버터(100)의 도면 상 상단의 노드를 통해 인가된다. 이때 인가된 유효 전류는 제1 스위칭부(110)가 온 되면 제1 스위칭부(110)를 따라 흘러간다.
그리고 제1 스위칭부(110)를 통과한 유효 전류는 부하단(400)을 통과한다. 그리고 부하단(400)을 통과한 유효 전류는 제4 스위칭부(140)가 온 되면 제4 스위칭부(140)를 따라 흘러간다. 마지막으로 제4 스위칭부(140)를 통과한 유효 전류는 인버터(100)의 도면 상 하단의 노드를 통해 빠져나온다.
도 7는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이고 정전 상태가 아닐 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전 상태가 아닐 때의 무효 전류의 흐름을 확인할 수 있다. 이때 제어부(200)는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 오프 되고, 제6 스위칭부(160)는 온 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제5 스위칭부(150)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다. 이때 무효 전류는 제1 다이오드(171), 제4 다이오드(174) 및 제5 다이오드(175)를 통해 흐른다.
보다 상세히, 우선 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 하단의 노드를 통해 인가된다. 이때 무효 전류는 제1 다이오드(171)를 따라 흘러간다. 그리고 제1 다이오드(171)를 통과한 무효 전류는 부하단(400)을 통과한다. 그리고 부하단(400)을 통과한 무효 전류는 제4 다이오드(174) 및 제5 다이오드(175)를 차례로 통과한다. 마지막으로 제5 다이오드(175)를 통과한 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 상단의 노드를 통해 빠져나온다.
도 8는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이고 정전 상태일 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태일 때의 무효 전류의 흐름을 확인할 수 있다. 이때 제어부(200)는 제5 스위칭부(150) 및 제6 스위칭부(160)는 오프 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다. 이때 무효 전류는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)를 통해 흐른다.
보다 상세히, 우선 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 하단의 노드를 통해 인가된다. 이때 인가된 무효 전류는 제4 스위칭부(140)가 온 되면 제4 스위칭부(140)를 따라 흘러간다.
그리고 제4 스위칭부(140)를 통과한 무효 전류는 부하단(400)을 통과한다. 그리고 부하단(400)을 통과한 무효 전류는 제1 스위칭부(110)가 온 되면 제1 스위칭부(110)를 따라 흘러간다. 마지막으로 제1 스위칭부(110)를 통과한 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 상단의 노드를 통해 빠져나온다.
인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태일 때의 유효 전류의 흐름은 도 4를 통해 설명된 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태가 아닐 때의 유효 전류의 흐름과 동일하다. 따라서 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 9는 도 3과 같은 구성을 가진 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이고 정전 상태일 때, 무효 전류의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전 상태일 때의 무효 전류의 흐름을 확인할 수 있다. 이때 제어부(200)는 제5 스위칭부(150) 및 제6 스위칭부(160)는 오프 되도록 제어한다. 그리고 제어부(200)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)는 동시에 온 또는 오프 되고, 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)는 제1 스위칭부(110) 및 제4 스위칭부(140)와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어한다. 이때 무효 전류는 제2 스위칭부(120) 및 제3 스위칭부(130)를 통해 흐른다.
보다 상세히, 우선 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 하단의 노드를 통해 인가된다. 이때 인가된 무효 전류는 제2 스위칭부(120)가 온 되면 제2 스위칭부(120)를 따라 흘러간다.
그리고 제2 스위칭부(120)를 통과한 무효 전류는 부하단(400)을 통과한다. 그리고 부하단(400)을 통과한 무효 전류는 제3 스위칭부(130)가 온 되면 제3 스위칭부(130)를 따라 흘러간다. 마지막으로 제3 스위칭부(130)를 통과한 무효 전류는 인버터(100)의 도면 상 상단의 노드를 통해 빠져나온다.
인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전 상태일 때의 유효 전류의 흐름은 도 6를 통해 설명된 인버터(100)의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전 상태가 아닐 때의 유효 전류의 흐름과 동일하다. 따라서 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 4 내지 도 9를 통해 설명된 바와 같이, 유효 전류 및 무효 전류는 출력 교류 전압 및 정전 상태 여부에 따라 제어부(200)에 의해 다르게 흐르게 된다. 제어부(200)는 정전 상태가 아니면 무효 전류가 제5 다이오드(175)를 통과하도록 제어한다. 그러나 제어부(200)는 정전 상태일 때, 무효 전류가 제5 다이오드(175)를 통과하지 않도록 제어한다. 따라서 제5 다이오드(175)를 통해 무효 전류가 항상 흐르지 않도록 제어함으로써, 제5 다이오드(175)에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터의 스위칭부 중 일부에 제1 MOSFET 및 제1 MOSFET과 역방향으로 연결된 제2 MOSFET이 사용된 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 스위칭부(110) 및 제3 스위칭부(130)는 제1 MOSFET(111, 131) 및 제1 MOSFET(111, 131)과 역방향으로 연결된 제2 MOSFET(112, 132)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이때 제1 스위칭부(110) 및 제3 스위칭부(130)는 보호 커패시터(113, 133)를 더 포함할 수 있다. 이는 도 3을 통해 설명된 제1 스위칭부(110) 및 제2 스위칭부(120)와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
제2 스위칭부(120)는 IGBT(124)로 구성될 수 있다. 또한 제4 스위칭부(140)는 IGBT(144)로 구성될 수 있다. 또한 제5 스위칭부(150)는 IGBT(154)로 구성될 수 있다. 또한 제6 스위칭부(160)는 IGBT(164)로 구성될 수 있다. 이때 제2 스위칭부(120), 제4 스위칭부(140), 제5 스위칭부(150) 및 제6 스위칭부(160)로 IGBT(124, 144, 154, 164)가 사용되는 예시로 하였지만, IGBT 대신 MOSFET과 같은 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
이와 같이 IGBT(124, 144, 154, 164)를 이용하여 구성하면, 제2 스위칭부(120)에 포함된 IGBT(124)와 제5 스위칭부(150)에 포함된 IGBT(154)를 하나의 모듈을 통해 구성하고, 제4 스위칭부(140)에 포함된 IGBT(144)와 제6 스위칭부(160)에 포함된 IGBT(164)를 하나의 모듈을 통해 제작할 수 있으므로, 전력 변환 장치(10)의 제작이 보다 용이해 질 수 있다. 또한 제1 스위칭부(110) 및 제3 스위칭부(130)는 MOSFET을 이용하여 구성되므로, 제1 스위칭부(110) 및 제3 스위칭부(130)에도 IGBT를 이용하여 구성하는 것에 비하여 도통 손실을 줄일 수 있다.
이와 같이 제1 스위칭부(110) 내지 제6 스위칭부(160)를 구성하여, 인버터(100)를 구성하더라도 인버터(100)를 통해 흐르는 전류의 방향은 도 4 내지 도 9를 통해 설명한 바와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 전력 변환 장치(10)를 이용하면, 인버터(100)에 포함된 스위칭부의 스위칭 동작에 따른 도통 손실을 줄일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 전력 변환 장치(10)를 이용하면, 부하단(400)이 불평형 부하로 구성되더라도 불평형 부하에 인가되는 출력 교류 전압을 동일하게 제어할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 전력 변환 장치(10)를 이용하면, 정전 상태일 때 무효 전류가 제5 다이오드(175)를 통해 흐르지 않도록 하여 제5 다이오드(175)에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 전력 변환 장치 100: 인버터
110: 제1 스위칭부 120: 제2 스위칭부
130: 제3 스위칭부 140: 제4 스위칭부
150: 제5 스위칭부 160: 제6 스위칭부
171: 제1 다이오드 172: 제2 다이오드
173: 제3 다이오드 174: 제4 다이오드
175: 제5 다이오드

Claims (14)

  1. 제1 스위칭부;
    상기 제1 스위칭부와 직렬로 연결되는 제2 스위칭부;
    상기 제1 스위칭부와 일단이 연결되는 제3 스위칭부;
    상기 제3 스위칭부와 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위칭부와 함께 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부와 병렬로 연결되는 제4 스위칭부;
    상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부 사이의 노드에 일단이 연결되는 제5 스위칭부;
    상기 제5 스위칭부의 타단과 일단이 연결되고 상기 제3 스위칭부와 상기 제4 스위칭부 사이의 노드에 타단이 연결되는 제6 스위칭부;
    상기 제2 스위칭부와 병렬로 연결되는 제1 다이오드;
    상기 제4 스위칭부와 병렬로 연결되는 제2 다이오드;
    상기 제5 스위칭부와 병렬로 연결되는 제3 다이오드;
    상기 제6 스위칭부와 병렬로 연결되는 제4 다이오드; 및
    상기 제5 스위칭부와 상기 제6 스위칭부 사이의 노드에 일단이 연결되고 상기 제1 스위칭부와 상기 제3 스위칭부 사이의 노드에 타단이 연결되는 제5 다이오드를 포함하는 인버터; 및
    상용 전원으로부터 전원 공급이 중단되는 정전 상태인지에 따라 상기 인버터에 포함된 상기 제1 스위칭부 내지 상기 제6 스위칭부에 인가되는 스위칭 신호를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 인버터에 포함된 상기 제1 스위칭부 내지 상기 제6 스위칭부 각각은 제1 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), 상기 제1 MOSFET과 역방향으로 연결되는 제2 MOSFET 및 상기 제2 MOSFET과 병렬로 연결되는 보호 커패시터를 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이고, 정전 상태가 아니면,
    상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부는 오프 되고, 상기 제5 스위칭부는 온 되고, 상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부는 동시에 온 또는 오프 되고, 상기 제6 스위칭부는 상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어하는
    전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    유효 전류는 상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    무효 전류는 상기 제2 다이오드, 상기 제3 다이오드 및 상기 제5 다이오드를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이고, 정전 상태가 아니면,
    상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부는 오프 되고, 상기 제6 스위칭부는 온 되고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부는 동시에 온 또는 오프 되고, 상기 제5 스위칭부는 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어하는
    전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    유효 전류는 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    무효 전류는 상기 제1 다이오드, 상기 제4 다이오드 및 상기 제5 다이오드를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 정전 상태이면,
    상기 제5 스위칭부 및 상기 제6 스위칭부는 오프 되고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부는 동시에 온 또는 오프 되고, 상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부는 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부와 반대로 온 또는 오프 되도록 제어하는
    전력 변환 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이면, 유효 전류는 상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 인버터의 출력 교류 전압이 0V 이상이면, 무효 전류는 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이면, 유효 전류는 상기 제1 스위칭부 및 상기 제4 스위칭부를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 인버터의 출력 교류 전압이 0V 미만이면, 무효 전류는 상기 제2 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 통해 흐르는
    전력 변환 장치.
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