KR102456452B1 - 액티브 디커플링 동작을 수행하는 전력 변환 장치 - Google Patents

액티브 디커플링 동작을 수행하는 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액티브 디커플링 동작을 수행하면서도 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 입력 전류량 대비 출력 전류량을 조절하여 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지할 수 있는 전력 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후, 인터리브 방식으로 구현된 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈에 직류 전원을 충전시킨다. 그리고, 커플드 인덕터 모듈에 충전된 전력을 인버터로 공급하는 부스팅 동작을 수행해서 안정적으로 인버터 및 부하에 전력을 공급한다. 그리고 전력 변환 장치의 제어부는 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 입력 전류량을 검출하고 실시간으로 입력 전류량에 변화에 따라서 인버터의 출력 전류량을 조절함으로써, 출력단 커패시터의 리플 발생이 방지되도록 한다.

Description

액티브 디커플링 동작을 수행하는 전력 변환 장치{POWER CONVERTING DEVICE WITH ACTIVE POWER DECOUPLING OPERATION}
본 발명은 액티브 디커플링 동작을 수행하면서도 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 입력 전류량 대비 출력 전류량을 조절하여 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지할 수 있는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 입력 전원(또는, 상용 전원)의 전류 및 전압 등을 변환하고, 변환된 전원을 가전기기나 산업용 기기 등 전력을 이용하는 다양한 부하 기기들로 공급하는 장치이다. 이러한, 전력 변환 장치는 산업체나 수용가 내의 다양한 부하 기기들과 함께 구성되어, 외부의 입력 전원을 해당 부하 기기의 구동 전원으로 변환해서 공급하는 기능을 수행한다.
이를 위해, 전력 변환 장치는 부스트 컨버터나 인버터 등을 포함해서 구성되며, 이러한 전력 변환 장치는 전력 스위칭 소자들의 온오프 동작과 전력 충방전 동작을 통해 직류 및 교류 전력 특성을 변환한다.
전력 스위칭 소자는 온 상태 또는 오프 상태로 제어되어 전류 특성을 변조하므로 컨버터 내 전류 또는 전압은 급격히 변화하고, 이에 따라 노이즈가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 노이즈가 모터나 압축기 등의 부하로 전송되지 않도록 하기 위해 일반적으로 컨버터에는 디커플링 커패시터가 구비된다.
도 1은 종래 기술에 따른 부스트 컨버터의 동작을 설명하기 위한 구성 블록도이다. 이하, 도 1을 참조하여 종래의 부스트 컨버터에서 수행되는 디커플링 동작을 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 부스트 컨버터는 전력 스위칭 소자(S)를 턴 온 제어하여 인덕터(L)에 전력을 충전한 후(1), 전력 스위칭 소자(S)를 턴 오프 제어하여 인덕터(L)에 충전된 전력을 부하(R)로 제공한다(2). 이때, 전력 스위칭 소자(S)에서는 온오프 스위칭 동작에 의한 노이즈가 발생하며, 이러한 노이즈가 부하에 제공되는 것을 방지하기 위해, 종래의 부스트 컨버터에는 부하와 병렬로 연결되도록 디커플링 커패시터(C)를 형성했다.
이러한 디커플링 커패시터(C)는 패시브 디커플링 동작(Passive Decoupling Operation)을 수행한다. 구체적으로 디커플링 커패시터(C)는 부하에 제공되는 교류 성분의 전력을 그라운드로 흘려보냄으로써, 부하에 직류 성분의 안정적인 전력만이 공급되도록 기능한다.
이러한 기능을 위해서는 디커플링 커패시터(C)의 용량이 클 것이 요구되며, 이에 따라 디커플링 커패시터(C)로는 전해(electrolytic) 커패시터가 사용되어 왔다.
그러나, 최근에는 컨버터의 소형화, 전력 변환 효율 개선 및 수명 증가를 위해 전해 커패시터가 필름(film) 커패시터로 대체되고 있는데, 필름 커패시터의 경우 전해 커패시터에 비해 상대적으로 용량이 작아 전술한 패시브 디커플링 동작을 제대로 수행할 수 없다. 이에 따라, 커패시터의 용량에 기초한 패시브 디커플링 동작 대신에 액티브 디커플링 동작(Active Decoupling Operation)을 수행할 수 있는 컨버터가 요구되고 있다.
또한, 디커플링 커패시터(C)의 용량이 액티브 디커플링 동작에 필요한 용량보다 부족할 경우에는 디커플링 커패시터(C)의 DC 링크 출력 전압에 리플이 발생하게 된다. 이 경우, 과도한 전압 상승으로 전력 스위칭 소자나 디커플링 커패시터 등에 소손이 발생할 수 있다.
본 발명은 인터리브 방식으로 구현된 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈을 통해 액티브 디커플링 동작이 수행되도록 함과 아울러, 리플 발생을 방지하여 안정적으로 전력을 출력할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈이 액티브 디커플링 동작 및 부스팅 동작을 수행함으로써, 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 용량을 줄일 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 입력 전류량을 검출하여 실시간으로 입력 전류량 대비 출력 전류량을 조절함으로써, 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지할 수 있는 전력 변환 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 발명에 따른 전력 변환 장치는 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후, 인터리브 방식으로 구현된 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈에 직류 전원을 충전시킨다. 그리고, 커플드 인덕터 모듈에 충전된 전력을 인버터로 공급하는 부스팅 동작을 수행해서 안정적으로 인버터 및 부하에 전력을 공급한다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈에 충전된 전력을 디커플링 회로에 구성된 디커플링 커패시터에 공급하거나, 디커플링 커패시터에 저장된 전력이 복수의 커플드 인덕터 모듈로 전송되도록 한다. 이와 같이, 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈과 디커플링 커패시터의 전력 교환이 이루어지도록 해서 액티브 디커플링 동작이 수행되도록 하고, 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터가 필름 커패시터로 대체되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 제어부는 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 입력 전류량을 검출하고 실시간으로 입력 전류량에 변화에 따라서 인버터의 출력 전류량을 조절함으로써, 출력단 커패시터의 리플 발생이 방지되도록 한다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈을 통해 액티브 디커플링 동작이 수행되도록 함과 아울러, 리플 발생을 방지하여 부하가 요구하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 전력 변환 장치는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈이 액티브 디커플링 동작 및 부스팅 동작을 수행하도록 구현하여 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단하고, 출력단 커패시터의 용량을 줄여 필름 타입으로 적용되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 출력단 커패시터의 입력 전류량을 검출하여 실시간으로 입력 전류량 대비 출력 전류량을 조절함으로써, 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지하고 수명 또한 증가시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 기술에 따른 부스트 컨버터의 동작을 설명하기 위한 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 회로와 인덕터 회로부 및 출력단 회로의 입출력 전류 변화를 나타낸 파형도이다.
도 4는 도 2에 도시된 인버터의 출력 전류량을 조절 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 출력단 회로 및 인버터의 출력 전류 및 전압 변화를 나타낸 파형도이다.
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 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 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.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 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.
압축기, 팬(Fan), 전동기 등의 부하 기기들을 사용하는 공기 조화기나 냉장고 등은 상용 전원 입력단으로 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환해서 정격 전원을 출력하는 전력 변환 장치를 포함한다.
본 발명에서의 전력 변환 장치는 공기 조화기와 냉장고 외에도 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등의 가전기기, 및 사무기기와 산업용 기기 등에도 다양하게 적용 가능하다.
본 발명에서는 액티브 디커플링 동작을 수행하면서도 출력단 커패시터(또는, DC 링크 커패시터)의 입력 전류량 대비 출력 전류량을 조절하여 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지할 수 있는 전력 변환 장치에 관해 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 전력 변환 회로(110), 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈(Coupled-inductor module, DS)과 디커플링 회로(Cb)를 구비하여 전력 변환 회로(110)와 출력단 회로(160)를 전기적으로 연결시키는 인덕터 회로부(150), 인버터(140), 및 제어부(130)를 포함한다.
도 2에 도시된 전력 변환 장치(100)의 구조는 일 실시예에 따른 구성을 나타낸 것이며, 그 구성 요소들이 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 일부 구성 요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
전력 변환 회로(110)는 외부 전원 입력단으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환해서 인덕터 회로부(150)의 커플드 인덕터 모듈(DS)로 공급한다. 일 예로, 전력 변환 회로(110)는 계통(예를 들어, 상용 교류 전원)과 연결될 수 있고, 계통으로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
보다 구체적으로, 전력 변환 회로(110)는 외부 전원 입력단으로부터 입력되는 교류 전류를 이용하여 교류 또는 직류 전압을 출력할 수 있다. 이를 위해 전력 변환 회로(110)는 다양한 회로 소자를 포함하여 구현될 수 있다. 일 예에서, 전력 변환 회로(110)는 단일의 다이오드를 포함하는 하프 브리지(half-bridge) 정류 회로로 구현될 수도 있다. 이때, 단일의 다이오드는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류 중에서 양의 교류 전류만을 출력단으로 제공함으로써, 교류 전원을 반파 정류(half-wave rectification)할 수 있다.
다른 예에서, 전력 변환 회로(110)는 풀 브리지(full-bridge) 정류 회로로 구현될 수 있다. 즉, 전력 변환 회로(110)의 입력단에는 교류 전원의 평활화(smoothing)를 위한 적어도 하나씩의 인덕턴스 회로가 구비될 수 있다. 그리고, 인덕턴스 회로를 통해 형성된 두 레그(leg)에 두 개씩 각각 연결된 제1 내지 제4 다이오드가 포함된 풀 브리지 정류 회로를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제4 다이오드는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류 중에서 양의 교류 전류만을 출력단으로 제공하고, 제2 및 제3 다이오드 다이오드는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류 중에서 음의 전류를 반전시켜 출력단으로 제공함으로써, 교류 전원을 전파 정류(full-wave rectification)할 수 있다.
본 발명에서는 전력 변환 회로(110)가 다이오드를 포함하는 것으로 설명하였으나, 각 도면에 도시된 다이오드는 전력 스위칭 소자로 대체될 수 있다. 이때, 각 전력 스위칭 소자는 후술하는 제어부(130)의 제어에 따라 온오프될 수 있고, 전력 스위칭 소자의 제어 방법은 당해 기술분야에서 이용되는 임의의 방법에 따를 수 있다. 한편, 전력 변환 회로(110)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 다양한 회로로 구현될 수 있음은 당연하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 변환 회로(110)의 출력단과 출력단 회로(160)의 입력단은 인덕터 회로부(150)를 통해 전기적으로 연결된다. 인덕터 회로부(150)는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈(DS) 및 적어도 하나의 디커플링 커패시터로 이루어진 디커플링 회로(Cb)를 포함해서 구성된다. 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈(DS)은 부스팅 동작 및 디커플링 동작에 모두 이용된다.
일 예로, 인덕터 회로부(150)는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈(DS) 외에도 적어도 하나의 제1 디커플링 스위치, 및 적어도 하나의 제2 디커플링 스위치를 더 포함하고, 적어도 하나의 디커플링 커패시터로 이루어진 디커플링 회로(Cb)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서, 디커플링 커패시터는 네거티브 및 포지티브 노드(+.-) 간에 구성되어 적어도 하나의 제2 디커플링 스위치를 통해 입력되는 부스팅 전압을 충방전시킨다.
적어도 하나의 제1 디커플링 스위치는 커플드 인덕터 모듈과 각각 대응되도록 구성되어, 제어부(130)로부터의 제1 스위칭 신호에 응답해서 디커플링 커패시터의 방전 동작을 제어한다. 적어도 하나의 제2 디커플링 스위치는 네거티브 및 포지티브 노드 간에 디커플링 커패시터와는 직렬로 구성되어, 제어부(130)로부터의 제2 스위칭 신호에 응답해서 디커플링 커패시터를 충전시키는 동작을 수행한다. 각각의 제1 디커플링 스위치 및 적어도 하나의 제2 디커플링 스위치는 IGBT(Insulated/Isolated Gate bi-polar Transistor) 등의 전력 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 이와 같이 구성된 인덕터 회로부(150)는 전력 변환 회로(110)에 구성된 다이오드와 전력 스위칭 소자에서 발생하는 노이즈, 및 각 커플드 인덕터 모듈(DS)의 스위칭 동작에 의해 발생하는 노이즈를 능동적으로 제거할 수 있다. 그리고, 커플드 인덕터 모듈(DS)에 의해 충방전 동작을 수행하는 디커플링 커패시터는 방전시에 액티브 디커플링 동작을 수행하게 된다.
일반적으로, 디커플링 동작을 수행하는 회로는 수동 소자인 인덕터, 커패시터, 및 적어도 하나의 스위치를 더 포함해서 구성된다. 그러나, 본 발명에서는 복수의 커플드 인덕터 모듈(DS)에 각각 포함된 커플드 인덕터를 부스팅 동작 외에도 디커플링 커패시터의 디커플링 동작까지 겸용으로 이용하는 것을 특징으로 한다.
복수의 커플드 인덕터 모듈(DS)에 구성된 인턱터를 디커플링 동작시에도 겸용해서 이용하기 위한 구성으로, 전력 변환 회로(110)의 출력단과 출력단 회로(160)의 입력단 사이에 복수의 커플드 인덕터 모듈(DS)이 인터리브 방식으로 배열 및 연결되도록 할 수 있다. 인터리브 방식으로 배열 및 연결된 복수의 커플드 인덕터 모듈(DS)은 인버터(140)가 연결된 출력단 회로(160)와 폐회로를 이루어 부스팅 전류 출력시 출력단 회로(160) 및 인버터(140)의 부하(170)로 부스팅 전류를 공급할 수 있다.
또한, 복수의 커플드 인덕터 모듈(DS)은 디커플링 커패시터 및 제2 디커플링 스위치와도 폐회로를 형성하게 되어, 제2 디커플링 스위치가 턴 온 상태일 때는 디커플링 커패시터로 부스팅 전류를 공급할 수 있다.
한편, 복수의 커플드 인덕터 모듈(DS)은 디커플링 회로(Cb)의 디커플링 커패시터 및 제1 디커플링 스위치와도 폐회로를 형성하게 되어, 제1 디커플링 스위치가 턴 온 상태일 때 디커플링 커패시터에 저장된 전류를 공급받아 디커플링 동작이 이루어지도록 한다.
출력단 회로(160)는 포지티브 및 네거티브 극성(+,-) 간에 구성된 적어도 하나의 출력단 커패시터(또는, 직류 링크 커패시터)를 포함하며, 인덕터 회로부(150)와 인버터(500) 간에 구성될 수 있다.
출력단 회로(160)의 출력단 커패시터는 인덕터 회로부(150)에서 출력되는 직류 전류를 충전 및 방전함으로써, 인버터(140)로 전송되는 직류 전류가 안정화 상태로 전송되도록 한다. 전술한 바와 같이, 인덕터 회로부(150)는 인버터(140)로 전송되는 전류량을 가변시켜 출력하기 때문에, 출력단 커패시터의 용량은 인버터(140)로 전송되는 직류 전압 크기나 전류량 변화에 따라 100㎌ 이하까지 최소화되도록 구성될 수도 있다. 출력단 커패시터의 용량을 최소화하게 되면 출력단 커패시터에 따른 전류 손실을 최소화함으로써 전류 제어 효율은 높일 수 있게 된다.
인버터(140)는 제어부(130)의 스위칭 제어에 따라 인덕터 회로부(150)에서 출력되는 직류 전류를 스위칭시킴으로써, 리플이 포함된 직류 전류를 3상의 교류 전류로 변환한다. 그리고 리플이 포함된 3상의 교류 전류 및 전압(예를 들어, u,v,w)을 부하 기기(170)로 전송한다.
인버터(140)는 리플이 포함된 인덕터 회로부(150)의 포지티브 및 네거티브 극성(+,-) 간 극성 변화에 따라 교류 전류 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환 가능한 양방향 회로 구조로 구성될 수도 있다. 이러한 인버터(140)의 입력단에는 포지티브 및 네거티브 극성(+,-)을 변환시켜 직류 전압을 입력받는 트랜스 회로(또는, 전환 스위칭 회로) 등이 더 구성될 수 있다.
일 예로, 인버터(140)의 포지티브 및 네거티브 극성(+,-) 단자 간에는 제1 및 제4 스위칭 소자가 직렬 연결되며, 제1 및 제4 스위칭 소자와는 병렬 구조로 제2 및 제5 스위칭 소자가 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 제2 및 제5 스위칭 소자와는 병렬 구조로 제3 및 제6 스위칭 소자가 직렬로 연결될 수 있다. 이러한, 인버터(140)의 구조는 제1 내지 제6 스위칭 소자의 직/병렬 조합 구조에 따라 다양한 구조의 브리지 회로 형태로 구성될 수 있다.
부하 기기(170)로는 압축기나 전동기 등 다양한 전력기기들이 적용될 수 있지만, 이하에서는 3상 입력 전압(예를 들어, u,v,w)에 의해 회전 동력을 발생시키는 전동기가 적용된 예로 설명하기로 한다. 일반적으로 전동기는 3상의 전압(u,v,w) 입력단 각각에 적어도 하나의 리액터와 적어도 하나의 저항 소자를 포함해서 구성된다.
제어부(130)는 인버터(140)의 제1 내지 제6 스위칭 소자 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성 및 공급함으로써, 제1 내지 제6 스위칭 소자가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
제어부(130)는 인덕터 회로부(150)에서 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 출력단 커패시터에서 인버터(140)로 입력되는 전류량을 실시간으로 검출한다. 그리고, 실시간으로 검출되는 전류량 변화에 따라 인버터(140)에서 출력되는 3상의 교류 전류량이나 전압(예를 들어, u,v,w) 크기를 가변시켜 조절한다.
일 예로, 제어부(130)는 인덕터 회로부(150)에서 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 출력단 커패시터에서 인버터(140)로 입력되는 전류량이 증가하면, 인버터(140)에서 출력되는 3상의 교류 전류량을 증가시키거나 3상 전압 출력을 높이도록 인버터(140)를 제어할 수 있다. 이 경우, 출력단 회로(160)에 구성된 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지할 수 있게 된다.
아울러, 제어부(130)는 인덕터 회로부(150)에서 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 출력단 커패시터에서 인버터(140)로 입력되는 전류량이 낮아지면, 인버터(140)에서 출력되는 3상의 교류 전류량을 감소시키거나 3상 전압 출력을 낮추도록 인버터(140)를 제어할 수 있다. 이 경우, 부하 기기(170)로 공급되는 출력단 커패시터 및 인버터(140)의 전류 출력량을 안정화시킬 수 있댜.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 회로와 인덕터 회로부 및 출력단 회로의 입출력 전류 변화를 나타낸 파형도이다.
도 3(a)는 전력 변환 회로(110)에서 출력되어 인덕터 회로부(150)로 입력되는 정류 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 전력 변환 회로(110)는 외부 전원 입력단으로부터 입력되는 교류 전원을 반파 또는 전파 정류하여 인덕터 회로부(150)로 공급한다.
도 3(b)은 인덕터 회로부(150)에서 부스팅 및 디커플링되어 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 부스팅 전압 및 전류 파형을 나타낸다.
인덕터 회로부(150)는 인터리브 방식으로 배열 및 연결된 복수의 커플드 인덕터 모듈(DS) 및 디커플링 회로(Cb)를 이용해서 부스팅 동작 및 디커플링 동작을 반복적으로 수행함으로써, 정류된 부스팅 전압 및 전류를 출력단 회로(160)로 공급한다.
도 3(c)는 출력단 회로(160)에서 출력되어 인버터(500)로 공급되는 직류 전압 및 전류 파형을 나타낸다.
출력단 회로(160)는 포지티브 및 네거티브 극성(+,-) 간에 구성된 적어도 하나의 출력단 커패시터(또는, 직류 링크 커패시터)를 이용하여, 인버터(140)로 전송되는 직류 전류가 안정화 상태로 전송되도록 한다.
이에, 인버터(140)는 제어부(130)의 스위칭 제어에 따라 인덕터 회로부(150)에서 출력되는 직류 전류를 스위칭시킴으로써, 리플이 포함된 직류 전류를 3상의 교류 전류로 변환한다. 그리고 리플이 포함된 3상의 교류 전류 및 전압(예를 들어, u,v,w)을 부하 기기(170)로 전송한다.
도 4는 도 2에 도시된 인버터의 출력 전류량을 조절 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 제어부(130)는 인덕터 회로부(150)에서 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량(idp,raw), 또는 출력단 커패시터에서 인버터(140)로 입력되는 전류량을 실시간으로 검출한다.
그리고, 실시간으로 검출되는 전류량 변화에 따라 인버터(140)에서 출력되는 3상의 교류 전류량이나 전압, 예를 들어 제1 및 제2 상 전류(idraw,iqraw)의 전류량을 가변시켜 조절한다.
인버터(140)에서 출력되는 3상의 교류 전류량 가변 정도는 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량(idp,raw), 또는 출력단 커패시터에서 인버터(140)로 입력되는 전류량 가변 정도와 대응되도록 가변시킬 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 출력단 회로 및 인버터의 출력 전류 및 전압 변화를 나타낸 파형도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(130)는 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량(5(i)) 및 전압 크기(5(a))가 증가하면, 인버터(140)에서 출력되는 제1 및 제2 상 전류(idraw,iqraw)의 전류량을 증가시키거나 3상 전압 출력을 높이도록 인버터(140)를 제어할 수 있다. 이때의 5(c)는 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터의 직류 링크 전압 파형을 나타낸다. 그리고, 5(b)는 인덕터 회로(150)의 출력단 디커플링 커패시터에서 출력되는 정류 전압 파형을 나타낸다. 이와 같이, 출력단 커패시터의 전압 크기 증가에 따라 인버터(140)의 3상 전압 출력을 높이는 경우에는 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지할 수 있게 된다.
아울러, 제어부(130)는 인덕터 회로부(150)에서 출력단 회로(160)의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량(idp,raw)이 낮아지면, 인버터(140)에서 출력되는 제1 및 제2 상 전류(idraw,iqraw)의 전류량을 감소시키거나 3상 전압 출력을 낮추도록 인버터(140)를 제어할 수 있다. 이와 같이, 출력단 커패시터의 전압 크기 감소에 따라 인버터(140)의 3상 전압 출력을 낮추는 경우에는 부하 기기(170)로 공급되는 출력단 커패시터 및 인버터(140)의 전류 출력량을 안정화시킬 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 액티브 디커플링 동작을 수행하는 전력 변환 장치(100)는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈(DS)을 통해 액티브 디커플링 동작이 수행되도록 함과 아울러, 리플 발생을 방지하여 부하가 요구하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치(100)는 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈(DS)이 액티브 디커플링 동작 및 부스팅 동작을 수행하도록 구현하여 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단하고, 출력단 커패시터의 용량을 줄여 필름 타입으로 적용되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 출력단 커패시터의 입력 전류량을 검출하여 실시간으로 입력 전류량 대비 출력 전류량을 조절함으로써, 출력단 커패시터의 리플 발생을 방지하고 수명 또한 증가시킬 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 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 전력 변환 장치
110: 전력 변환 회로
130: 제어부
140: 인버터
150: 인덕터 회로부
160: 출력단 회로
DS: 커플드 인덕터 모듈
Cb: 디커플링 회로

Claims (12)

  1. 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전력 변환 회로;
    적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈과 디커플링 회로를 이용해서 상기 전력 변환 회로의 직류 전원을 충방전시키는 인덕터 회로부;
    상기 디커플링 회로의 출력단에 연결되며 상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈로부터 전력을 충전 및 방전시키는 출력단 커패시터를 포함하는 출력단 회로;
    상기 출력단 회로로부터의 충방전 전류를 스위칭시킴으로써 교류 전류로 변환해서 부하 기기로 전송하는 인버터; 및
    상기 인덕터 회로부에서 상기 출력단 회로로 입력되는 전류량, 또는 상기 출력단 회로에서 상기 인버터로 입력되는 전류량 변화에 따라 상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈 및 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 인버터에서 출력되는 전류량이나 전압 크기를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 인덕터 회로부에서 상기 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 상기 출력단 커패시터에서 상기 인버터로 입력되는 전류량이 증가하면, 상기 인버터에서 출력되는 3상의 교류 전류량을 증가시키거나 3상 전압 출력을 높이도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 인덕터 회로부에서 상기 출력단 회로의 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 상기 출력단 커패시터에서 인버터로 입력되는 전류량이 낮아지면, 상기 인버터에서 출력되는 3상의 교류 전류량을 감소시키거나 3상 전압 출력을 낮추도록 상기 인버터를 제어하는
    전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈에 충전된 전력이 상기 디커플링 회로로 공급되도록 하거나 상기 디커플링 회로에 저장된 전력이 상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈로 공급되도록 상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈과 상기 디커플링 회로를 제어하는
    전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인덕터 회로부는
    상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈에 각각 대응되도록 구성되어, 상기 제어부로부터의 제1 스위칭 신호에 응답해서 상기 디커플링 회로의 디커플링 커패시터를 방전시키는 적어도 하나의 제1 디커플링 스위치; 및
    상기 디커플링 커패시터와 직렬로 구성되어 상기 제어부로부터의 제2 스위칭 신호에 따라 상기 디커플링 커패시터를 충전시키는 적어도 하나의 제2 디커플링 스위치를 포함하는
    전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈은
    상기 전력 변환 회로의 출력단에 인터리브 구조로 연결되며, 상기 디커플링 회로의 디커플링 커패시터 및 상기 제2 디커플링 스위치와 폐회로를 형성하도록 구성됨으로써, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제2 디커플링 스위치가 턴 온된 상태일 때는 상기 디커플링 커패시터로 전력을 공급하는
    전력 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈은
    상기 전력 변환 회로의 출력단에 인터리브 구조로 연결되며, 상기 디커플링 회로의 디커플링 커패시터 및 상기 제1 디커플링 스위치와 폐회로를 형성하도록 구성됨으로써, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제1 디커플링 스위치가 턴 온 상태일 때는 상기 디커플링 커패시터로부터 상기 디커플링 커패시터에 저장된 전류를 공급받는
    전력 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 디커플링 회로는
    상기 제1 디커플링 스위치가 턴 온 상태일 때 상기 디커플링 커패시터에 저장된 전류를 상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈로 공급함으로써, 부스팅 동작에 이용되는 상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈에 각각 포함된 커플드 인턱터를 디커플링 동작시에도 겸용해서 이용하는
    전력 변환 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커플드 인덕터 모듈은
    상기 전력 변환 회로의 출력단에 인터리브 구조로 연결되며, 상기 인버터가 연결된 상기 출력단 회로와 폐회로를 형성하도록 구성됨으로써, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 제1 및 제2 디커플링 스위치가 모두 턴 오프 상태일 때는 상기 출력단 회로 및 인버터로 전력을 공급하는
    전력 변환 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인덕터 회로부에서 상기 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 상기 출력단 커패시터에서 상기 인버터로 입력되는 전류량을 실시간으로 검출하고,
    상기 실시간으로 검출되는 전류량 변화에 따라 상기 인버터에서 출력되는 3상의 교류 전류량 중 제1 및 제2 상 전류의 전류량을 가변시켜 조절하는
    전력 변환 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인덕터 회로부에서 상기 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 상기 출력단 커패시터에서 상기 인버터로 입력되는 전류량을 실시간으로 검출하여 상기 검출되는 전류량 변화에 따라 상기 인버터에서 출력되는 3상의 교류 전류량 중 제1 및 제2 상 전류의 전류량을 가변시키며,
    상기 인버터에서 출력되는 3상의 교류 전류량 가변 정도는 상기 출력단 커패시터로 입력되는 전류량, 또는 상기 출력단 커패시터에서 상기 인버터로 입력되는 전류량 가변 정도와 대응되도록 가변시키는
    전력 변환 장치.
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