KR102566565B1 - 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

제어 장치(3)는, 제 1∼제 N 교류 전압을 생성하는 교류 전압 발생기(12)와, 제 1∼제 N 교류 전압을 각각 제 1∼제 N 직류 전압으로 변환하는 직류 전압 발생기(13)와, 제 1∼제 N 직류 전압에 근거하여 스위치(1)를 온 및 오프시키는 드라이버(14)를 구비한다. 교류 전압 발생기(12)는, 제 1∼제 N 절연 트랜스(T1∼TN)를 포함한다. 제 n 및 제 (n+1)의 절연 트랜스의 1차 권선은 교류 전원 전압을 받고, 제 n∼제 1 절연 트랜스는 순차적으로 접속되고, 제 (n+1)∼제 N 절연 트랜스는 순차적으로 접속되고, 제 1∼제 N 절연 트랜스의 2차 권선은 각각 제 1∼제 N 교류 전압을 출력한다.

Description

제어 장치
이 발명은 제어 장치에 관한 것이고, 특히, 직렬 접속된 복수의 반도체 스위칭 소자를 포함하는 스위치를 제어하는 제어 장치에 관한 것이다.
예를 들어 일본 특허공개 소59-37733호 공보(특허문헌 1)에는, 직렬 접속된 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자를 포함하는 스위치를 제어하는 제어 장치가 개시되어 있다. 이 제어 장치는, 제 1∼제 N 교류 전압을 생성하는 교류 전압 발생기와, 제 1∼제 N 교류 전압을 각각 제 1∼제 N 직류 전압으로 변환하는 직류 전압 발생기와, 스위치를 도통시키는 경우에, 제 1∼제 N 직류 전압을 각각 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에 주는 드라이버를 구비한다.
교류 전압 발생기는, 제 1∼제 N 절연 트랜스를 포함한다. 제 1 절연 트랜스의 1차 권선은 교류 전원 전압을 받고, 제 1∼제 (N-1)의 절연 트랜스의 2차 권선은 각각 제 2∼제 N 절연 트랜스의 1차 권선에 접속되고, 제 1∼제 N 절연 트랜스의 2차 권선은 각각 제 1∼제 N 교류 전압을 출력한다.
일본 특허공개 소59-37733호 공보
특허문헌 1의 제어 장치에서는, 제 1∼제 N 절연 트랜스를 순차적으로 접속하므로, 각 절연 트랜스의 부하 용량을 당해 절연 트랜스보다도 하류측의 전체 절연 트랜스의 부하 용량의 총합으로 할 필요가 있다. 예를 들어 N=7로 하고, 제 7 절연 트랜스의 부하 용량을 P로 하면, 제 1∼제 7 절연 트랜스의 부하 용량은 각각 7P, 6P, 5P, …, 2P, P가 된다(도 6 참조). 이 때문에, 제 1∼제 N 절연 트랜스의 부하 용량의 총합이 커져, 장치가 대형이고 고비용이 된다는 문제가 있었다.
그 때문에, 이 발명의 주된 목적은, 소형이고 저비용의 제어 장치를 제공하는 것이다.
이 발명에 따른 제어 장치는, 직렬 접속된 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자를 포함하는 스위치를 제어하는 제어 장치로서, 제 1∼제 N 교류 전압을 생성하는 교류 전압 발생기와, 제 1∼제 N 교류 전압을 각각 제 1∼제 N 직류 전압으로 변환하는 직류 전압 발생기와, 스위치를 온시키는 경우에는, 제 1∼제 N 직류 전압을 각각 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에 주고, 스위치를 오프시키는 경우에는, 제 1∼제 N 직류 전압의 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에의 공급을 정지하는 드라이버를 구비한 것이다.
교류 전압 발생기는, 제 1∼제 N 절연 트랜스를 포함한다. 제 n 및 제 (n+1)의 절연 트랜스의 1차 권선은 교류 전원 전압을 받고, 제 1∼제 (n-1)의 절연 트랜스의 1차 권선은 각각 제 2∼제 n 절연 트랜스의 2차 권선에 접속되고, 제 (n+2)∼제 N 절연 트랜스의 1차 권선은 각각 제 (n+1)∼제 (N-1)의 절연 트랜스의 2차 권선에 접속되고, 제 1∼제 N 절연 트랜스의 2차 권선은 각각 제 1∼제 N 교류 전압을 출력한다. N은 2 이상의 자연수이고, n은 N보다도 작은 자연수이다.
이 발명에 따른 제어 장치에서는, 제 n∼제 1 절연 트랜스를 순차적으로 접속함과 더불어, 제 (n+1)∼제 N 절연 트랜스를 순차적으로 접속한다. 예를 들어, N=7로 하고, n=4로 하고, 제 N 절연 트랜스의 부하 용량을 P로 하면, 제 1∼제 7 절연 트랜스의 부하 용량은 각각 P, 2P, 3P, 4P, 3P, 2P, P가 된다. 따라서, 제 1∼제 N 절연 트랜스의 부하 용량의 총합을 종래보다도 작게 할 수 있어, 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
도 1은 이 발명의 실시형태 1에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 제어 장치 중 스위치의 제어에 관련되는 부분의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 교류 전압 발생기의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 교류 전원의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 정류기 및 전환 회로의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 6은 실시형태 1의 비교예 1을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 7은 실시형태 1의 다른 비교예 2를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 8은 이 발명의 실시형태 2에 의한 무정전 전원 장치의 주요부를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 9는 이 발명의 실시형태 3에 의한 무정전 전원 장치의 주요부를 나타내는 회로 블럭도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 교류 전원의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
[실시형태 1]
도 1은, 이 발명의 실시형태 1에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 이 무정전 전원 장치는 삼상 교류 전력을 부하에 공급하는 것이지만, 도면 및 설명의 간단화를 위해, 도 1에서는 일상에 관련되는 부분만이 나타나 있다. 또, 이와 같은 무정전 전원 장치는 순저(瞬低) 보상 장치라고도 불린다.
도 1에 있어서, 이 무정전 전원 장치는, 교류 입력 단자 TI, 교류 출력 단자 TO, 배터리 단자 TB, 스위치(1), 전류 검출기 CT, 쌍방향 컨버터(2), 및 제어 장치(3)를 구비한다.
교류 입력 단자 TI는, 상용 교류 전원(4)으로부터 상용 주파수의 교류 전압 VI를 받는다. 교류 입력 전압 VI의 순시값은, 제어 장치(3)에 의해 검출된다. 제어 장치(3)는, 교류 입력 전압 VI의 순시값에 근거하여, 상용 교류 전원(4)으로부터 교류 전압 VI가 정상으로 공급되고 있는지 여부를 판별한다.
교류 출력 단자 TO는, 부하(5)에 접속된다. 부하(5)는, 무정전 전원 장치로부터 공급되는 교류 전력에 의해 구동된다. 교류 출력 단자 TO에 나타나는 교류 출력 전압 VO의 순시값은, 제어 장치(3)에 의해 검출된다.
배터리 단자 TB는, 배터리(6)에 접속된다. 배터리(6)는, 직류 전력을 축적한다. 배터리(6) 대신에 콘덴서가 접속되어 있어도 상관없다. 배터리(6)의 단자간 전압 VB의 순시값은, 제어 장치(3)에 의해 검출된다.
스위치(1)의 한쪽 단자(1a)는 교류 입력 단자 TI에 접속되고, 그의 다른 쪽 단자(1b)는 교류 출력 단자 TO에 접속된다. 스위치(1)는, 한쪽 단자(1a) 및 다른 쪽 단자(1b)간에 직렬 접속된 N개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) Q1∼QN과, N개의 다이오드 D1∼DN을 포함한다. N은, 2 이상의 자연수이고, 예를 들어 7이다. 다이오드 D1∼DN은, 각각 IGBT Q1∼QN에 역병렬로 접속되어 있다.
스위치(1)는, 제어 장치(3)에 의해 제어된다. 상용 교류 전원(4)으로부터 교류 전압 VI가 정상으로 공급되고 있는 경우(상용 교류 전원(4)의 건전 시)에는, 스위치(1)는 온 상태로 된다. 상용 교류 전원(4)으로부터 교류 전압 VI가 정상으로 공급되고 있지 않는 경우(상용 교류 전원(4)의 정전 시)에는, 스위치(1)는 오프된다.
전류 검출기 CT는, 스위치(1)의 다른 쪽 단자(1b)로부터 교류 출력 단자 TO에 흐르는 교류 전류(부하 전류) IO의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 제어 장치(3)에 준다.
쌍방향 컨버터(2)는, 스위치(1)의 다른 쪽 단자(1b)와 배터리 단자 TB의 사이에 접속되고, 제어 장치(3)에 의해 제어된다. 쌍방향 컨버터(2)는, 상용 교류 전원(4)의 건전 시에는, 상용 교류 전원(4)으로부터 스위치(1)를 통하여 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(6)에 축적한다. 이때 제어 장치(3)는, 배터리(6)의 단자간 전압 VB가 참조 전압 VBr이 되도록 쌍방향 컨버터(2)를 제어한다.
또, 쌍방향 컨버터(2)는, 상용 교류 전원(4)의 정전 시에는, 배터리(6)의 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환하여 부하(5)에 공급한다. 이때 제어 장치(3)는, 교류 출력 전압 VO 및 교류 출력 전류 IO에 근거하여, 교류 출력 전압 VO가 참조 전압 VOr이 되도록 쌍방향 컨버터(2)를 제어한다. 제어 장치(3)는, 배터리(6)의 단자간 전압 VB가 저하되어 하한 전압에 도달한 경우에는, 쌍방향 컨버터(2)의 운전을 정지시킨다.
다음에, 이 무정전 전원 장치의 동작에 대해 설명한다. 상용 교류 전원(4)의 건전 시에는, 스위치(1)가 온되고, 상용 교류 전원(4)으로부터 스위치(1)를 통하여 부하(5)에 교류 전력이 공급되어, 부하(5)가 운전된다. 또, 상용 교류 전원(4)으로부터 스위치(1)를 통하여 쌍방향 컨버터(2)에 교류 전력이 공급되고, 그 교류 전력이 직류 전력으로 변환되어 배터리(6)에 축적된다.
상용 교류 전원(4)의 정전 시에는, 스위치(1)가 순식간에 오프되어, 상용 교류 전원(4)과 부하(5)가 전기적으로 분리된다. 동시에, 배터리(6)의 직류 전력이 쌍방향 컨버터(2)에 의해 교류 전력으로 변환되어 부하(5)에 공급된다. 따라서, 정전이 발생한 경우에도, 배터리(6)에 직류 전력이 축적되어 있는 기간은, 부하(5)의 운전을 계속할 수 있다.
도 2는, 도 1에 나타낸 제어 장치(3) 중 스위치(1)의 제어에 관련되는 부분의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 도 2에 있어서, 제어 장치(3)는, 전압 검출기(10), 정전 검출기(11), 광섬유 FA1∼FAN, FB1∼FBN, 교류 전압 발생기(12), 직류 전압 발생기(13), 및 드라이버(14)를 포함한다.
전압 검출기(10)는, 상용 교류 전원(4)(도 1)으로부터 공급되는 교류 전압 VI의 순시값을 검출하고, 그 검출값을 나타내는 신호를 출력한다. 정전 검출기(11)(판정부)는, 전압 검출기(10)의 출력 신호에 근거하여 상용 교류 전원(4)이 정상인지 여부를 판별하고, 판별 결과를 나타내는 광신호 α1∼αN, β1∼βN을 출력한다. 교류 전압 VI는, 예를 들어 6.6kV이다.
교류 입력 전압 VI가 하한 전압보다도 높은 경우에는, 상용 교류 전원(4)은 정상이라고 판별되어, 광신호 α1∼αN이 출력되고, 광신호 β1∼βN의 출력은 정지된다. 교류 입력 전압 VI가 하한 전압보다도 낮은 경우에는, 상용 교류 전원(4)은 정상이 아니라고 판별되어, 광신호 α1∼αN의 출력이 정지되고, 광신호 β1∼βN이 출력된다.
광신호 α1∼αN은 각각 광섬유 FA1∼FAN을 통하여 드라이버(14)에 주어지고, 광신호 β1∼βN은 각각 광섬유 FB1∼FBN을 통하여 드라이버(14)에 주어진다.
교류 전압 발생기(12)는, N개의 교류 전압 VA1∼VAN을 출력한다. 교류 전압 VA1∼VAN의 크기(예를 들어 실효값)는 동일하고, 예를 들어 200V이다. 직류 전압 발생기(13)는, 교류 전압 VA1∼VAN을 각각 직류 전압 VD1∼VDN으로 변환한다. 직류 전압 VD1∼VDN의 크기는 동일하다.
직류 전압 발생기(13)는, N개의 정류기 R1∼RN을 포함한다. 정류기 R1∼RN은, 각각 교류 전압 VA1∼VAN을 받고, 각각 직류 전압 VD1∼VDN을 출력한다. 정류기 R1은, 교류 전압 VA1을 정류하여 직류 전압 VD1을 생성한다. 다른 정류기 R2∼RN의 각각은, 정류기 R1과 마찬가지이다.
드라이버(14)는, N개의 전환 회로 S1∼SN을 포함한다. 전환 회로 S1∼SN은, 각각 직류 전압 VD1∼VDN을 받음과 더불어, 각각 IGBT Q1∼QN의 게이트 및 에미터간에 접속된다. 전환 회로 S1∼SN은, 각각 광섬유 FA1∼FAN을 통하여 정전 검출기(11)에 접속됨과 더불어, 각각 광섬유 FB1∼FBN을 통하여 정전 검출기(11)에 접속된다.
전환 회로 S1은, 광섬유 FA1로부터의 광신호 α1에 응답하여, IGBT Q1의 게이트 및 에미터간에 직류 전압 VD1을 주어 IGBT Q1을 온시킨다. 또, 전환 회로 S1은, 광섬유 FB1로부터의 광신호 β1에 응답하여, IGBT Q1의 게이트 및 에미터간을 접속하여 IGBT Q1을 오프시킨다. 다른 전환 회로 S2∼SN의 각각은, 전환 회로 S1과 마찬가지이다.
따라서, 정전 검출기(11)로부터 광신호 α1∼αN이 출력되면 스위치(1)(IGBT Q1∼QN)이 온하고, 정전 검출기(11)로부터 광신호 β1∼βN이 출력되면 스위치(1)(IGBT Q1∼QN)가 오프한다.
도 3은, 도 2에 나타낸 교류 전압 발생기(12)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 도 3에 있어서, 교류 전압 발생기(12)는, 교류 전원(15) 및 N개의 절연 트랜스 T1∼TN을 포함한다. 교류 전원(15)은, 소정 주파수 f0의 교류 전원 전압 V0을 생성한다. 주파수 f0은, 비교적 소형의 절연 트랜스에 의해 전송하는 것이 가능한 주파수(예를 들어 10kHz)로 설정되어 있다.
교류 전원(15)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 직류 전원(21), 리액터(22), 스위치(23), 절연 트랜스 T0, 콘덴서(26), 및 제어부(27)를 구비한다. 스위치(23)는, 한 쌍의 사이리스터(24, 25)를 포함한다.
리액터(22)의 한쪽 단자는 직류 전원(21)의 양극(positive electrode)에 접속되고, 그의 다른 쪽 단자는 절연 트랜스 T0의 1차 권선 W1 및 콘덴서(26)를 통하여 직류 전원(21)의 음극(negative electrode)에 접속된다. 사이리스터(24)의 애노드는 리액터(22)의 다른 쪽 단자에 접속되고, 그의 캐소드는 직류 전원(21)의 음극에 접속되어 있다. 사이리스터(25)는, 사이리스터(24)에 역병렬로 접속되어 있다.
절연 트랜스 T0의 1차 권선 W1과 콘덴서(26)는, 소정의 공진 주파수를 갖는 LC 공진 회로를 구성한다. 제어부(27)는, 그 공진 주파수로 사이리스터(24, 25)를 교대로 온시킨다. 이에 의해, 절연 트랜스 T0의 1차 권선 W1에 교류 전압 VAS가 발생하고, 그 2차 권선 W2로부터 교류 전원 전압 VA0이 출력된다.
도 3으로 되돌아가, 절연 트랜스 Tn, T(n+1)의 1차 권선 W1은 교류 전원 전압 V0을 받는다. n은 N보다도 작은 자연수이다. 예를 들어, N=7, n=3이다. 절연 트랜스 T1∼T(n-1)의 1차 권선 W1은, 각각 절연 트랜스 T2∼Tn의 2차 권선 W2에 접속된다.
절연 트랜스 T(n+2)∼TN의 1차 권선 W1은, 각각 절연 트랜스 T(n+1)∼T(N-1)의 2차 권선 W2에 접속된다. 절연 트랜스 T1∼TN의 2차 권선 W2는, 각각 교류 전압 VA1∼VAN을 출력한다.
이 교류 전압 발생기(12)에서는, 절연 트랜스 Tn∼T1을 순차적으로 접속함과 더불어, 절연 트랜스 T(n+1)∼TN을 순차적으로 접속한다. 예를 들어, N=7로 하고, n=3으로 하고, 절연 트랜스 T7의 부하 용량을 P로 하면, 절연 트랜스 T1∼T7의 부하 용량은 각각 P, 2P, 3P, 4P, 3P, 2P, P가 되고, 부하 용량의 총합은 16P가 된다. 제조 효율을 고려하여, 절연 트랜스 T1∼T7의 각각으로서 부하 용량이 4P인 절연 트랜스를 사용하는 경우에도, 부하 용량의 총합은 28P가 된다.
한편, 절연 트랜스 T0∼TN의 각각에 있어서 2차 권선 W2의 권수와 1차 권선 W1의 권수의 비는 1이고, 절연 트랜스 T1∼T0의 각각의 변압비는 1이다. 따라서, 교류 전압 VAS, 교류 전원 전압 VA0, 및 교류 전압 VA1∼VAN의 크기는 동일하다. 단, 절연 트랜스 T0에 있어서는, 2차 권선 W2의 권수와 1차 권선 W1의 권수의 비는 반드시 1일 필요는 없다. 절연 트랜스 T0은, 교류 전압 VAS를 강압하여 교류 전원 전압 VA0을 출력해도 상관없다.
도 5는, 도 2에 나타낸 정류기 R1 및 전환 회로 S1의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 5에 있어서, 정류기 R1은, 입력 단자(30a, 30b), 출력 단자(30c, 30d), 콘덴서(31, 38), 저항 소자(32, 33), 및 다이오드(34∼37)를 포함하고, 전환 회로 S1은 광 트랜지스터(39, 40)를 포함한다.
정류기 R1의 입력 단자(30a, 30b)는, 대응하는 절연 트랜스 T1의 2차 권선 W2로부터 교류 전압 VA1을 받는다. 콘덴서(31)는, 매칭 콘덴서라고 불리고, 입력 단자(30a, 30b)간에 접속된다. 콘덴서(31)의 용량값은, 절연 트랜스 T1∼TN의 교류 출력 전압 VA1∼VAN의 크기가 동등해지도록 설정되어 있다.
저항 소자(32, 33)의 한쪽 단자는 각각 입력 단자(30a, 30b)에 접속되고, 그들의 다른 쪽 단자는 각각 다이오드(34, 35)의 애노드에 접속된다. 저항 소자(32, 33)는, 정류기 R1의 입력 전류를 조정한다.
다이오드(34, 35)의 캐소드는 모두 출력 단자(30c)에 접속된다. 다이오드(36, 37)의 애노드는 모두 출력 단자(30d)에 접속되고, 그들의 캐소드는 각각 다이오드(34, 35)의 애노드에 접속된다. 다이오드(34∼37)는, 전파(全波) 정류 회로를 구성하여, 교류 전압 VA1을 직류 전압 VD1로 변환한다. 콘덴서(38)는, 직류 전압 VD1을 평활화 및 안정화시킨다.
광 트랜지스터(39)의 컬렉터는 정류기 R1의 출력 단자(30c)에 접속되고, 그 에미터는 IGBT Q1의 게이트에 접속되고, 그 베이스는 광섬유 FA1의 출력단에 접속된다. 광 트랜지스터(39)는, 정전 검출기(11)(도 2)으로부터 광신호 α1이 출력되고 있는 경우(상용 교류 전원(4)의 건전 시)에 온하고, 광신호 α1의 출력이 정지된 경우(상용 교류 전원(4)의 정전 시)에 오프한다.
광 트랜지스터(40)의 컬렉터는 IGBT Q1의 게이트에 접속되고, 그 에미터는 IGBT Q1의 에미터에 접속되고, 그 베이스는 광섬유 FB1의 출력단에 접속된다. 광 트랜지스터(40)는, 정전 검출기(11)(도 2)로부터 광신호 β1이 출력되고 있는 경우(상용 교류 전원(4)의 정전 시)에 온하고, 광신호 β1의 출력이 정지된 경우(상용 교류 전원(4)의 건전 시)에 오프한다. 다른 정류기 R2∼RN 및 전환 회로 S2∼SN은, 정류기 R1 및 전환 회로 S1과 마찬가지이다.
다음에, 도 2∼도 5에서 나타낸 제어 장치(3)의 동작에 대해 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 상용 교류 전원(4)으로부터 공급되는 교류 전압 VI의 순시값이 전압 검출기(10)에 의해 검출되고, 그 검출 결과에 근거하여, 정전 검출기(11)에 의해 상용 교류 전원(4)으로부터 교류 전압 VI가 정상으로 공급되고 있는지 여부가 판별된다.
상용 교류 전원(4)으로부터 교류 전압 VI가 정상으로 공급되고 있는 경우(상용 교류 전원(4)의 건전 시)에는, 정전 검출기(11)로부터 광신호 α1∼αN이 출력된다. 또, 상용 교류 전원(4)으로부터 교류 전압 VI가 정상으로 공급되고 있지 않는 경우(상용 교류 전원(4)의 정전 시)에는, 정전 검출기(11)로부터 광신호 β1∼βN이 출력된다.
또 도 3에 나타내는 바와 같이, 교류 전원(15)에 의해 교류 전원 전압 VA0이 생성되어 절연 트랜스 Tn, T(n+1)의 1차 권선 W1에 주어진다. 절연 트랜스 Tn∼T1은 순차적으로 접속되어 있고, 그들의 2차 권선 W2로부터 각각 교류 전압 VAn∼VA1이 출력된다. 또, 절연 트랜스 T(n+1)∼TN은 순차적으로 접속되어 있고, 그들의 2차 권선 W2로부터 각각 교류 전압 VA(n+1)∼VAN이 출력된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 절연 트랜스 T1∼TN의 교류 출력 전압 VA1∼VAN은, 각각 정류기 R1∼RN에 주어진다. 예를 들어 교류 전압 VA1은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 정류기 R1의 입력 단자(30a, 30b)간에 인가된다.
교류 전압 VA1이 양극성인 기간에는, 입력 단자(30a)로부터 저항 소자(32), 다이오드(34), 콘덴서(38), 다이오드(37), 및 저항 소자(33)를 통하여 입력 단자(30b)에 전류가 흘러, 콘덴서(38)가 충전된다.
교류 전압 VA1이 음극성인 기간에는, 입력 단자(30b)로부터 저항 소자(33), 다이오드(35), 콘덴서(38), 다이오드(36), 및 저항 소자(32)를 통하여 입력 단자(30a)에 전류가 흘러, 콘덴서(38)가 충전된다. 콘덴서(38)의 단자간에는, 직류 전압 VD1이 발생한다. 직류 전압 VD1은, 전환 회로 S1에 주어진다.
마찬가지로, 교류 전압 VA2∼VAN은, 정류기 R1∼RN에 의해 직류 전압 VD2∼VDN으로 변환되어 전환 회로 S2∼SN에 주어진다.
상용 교류 전원(4)(도 1)의 건전 시에는, 정전 검출기(11)(도 2)로부터 광신호 α1∼αN이 출력됨과 더불어 광신호 β1∼βN의 출력이 정지되고, 전환 회로 S1∼SN의 각각에 있어서, 광 트랜지스터(39)가 온함과 더불어 광 트랜지스터(40)가 오프한다. 이에 의해, 직류 전압 VD1∼VDN이 전환 회로 S1∼SN의 광 트랜지스터(39)를 통하여 IGBT Q1∼QN의 게이트 및 에미터간에 인가되어, IGBT Q1∼QN(즉 스위치(1))가 온한다.
상용 교류 전원(4)의 정전 시에는, 정전 검출기(11)(도 2)로부터 광신호 β1∼βN이 출력됨과 더불어 광신호 α1∼αN의 출력이 정지되고, 전환 회로 S1∼SN의 각각에 있어서, 광 트랜지스터(40)가 온함과 더불어 광 트랜지스터(39)가 오프한다. 이에 의해, IGBT Q1∼QN의 게이트 및 에미터간이 전환 회로 S1∼SN의 광 트랜지스터(40)에 의해 접속되고, IGBT Q1∼QN(즉 스위치(1))가 오프한다.
도 6은, 실시형태 1의 비교예 1을 나타내는 회로 블럭도이고, 도 3과 대비되는 도면이다. 도 6을 참조하면, 이 비교예 1이 실시형태 1과 상이한 점은, 교류 전압 발생기(12)가 교류 전압 발생기(41)로 치환되어 있는 점이다.
이 교류 전압 발생기(41)에서는, 교류 전원(15)의 교류 출력 전압 VA0이 절연 트랜스 T1의 1차 권선 W1에 주어지고, 절연 트랜스 T1∼T(N-1)의 2차 권선 W2가 각각 절연 트랜스 T2∼TN의 1차 권선 W1에 접속되고, 절연 트랜스 T1∼TN의 2차 권선 W2로부터 교류 전압 VA1∼VAN이 출력된다.
이 비교예 1에서는, 절연 트랜스 T1∼TN을 순차적으로 접속하므로, 절연 트랜스 T1∼TN의 부하 용량의 합이 커진다. 예를 들어 N=7의 경우에는, 절연 트랜스 T7의 부하 용량을 P로 하면, 절연 트랜스 T1∼T7의 부하 용량은 각각 7P, 6P, 5P, 4P, 3P, 2P, P가 되고, 부하 용량의 총합은 28P가 된다. 제조 효율을 고려하여, 절연 트랜스 T1∼T7의 각각으로서 부하 용량이 7P인 절연 트랜스를 사용하면, 부하 용량의 총합은 49P가 된다.
이에 비해서 실시형태 1의 교류 전압 발생기(12)에서는, 도 3을 이용하여 설명한 바와 같이, N=7, n=3의 경우에는, 절연 트랜스 T1∼TN의 부하 용량은 각각 P, 2P, 3P, 4P, 3P, 2P, P가 되고, 부하 용량의 총합은 16P가 된다. 제조 효율을 고려하여, 절연 트랜스 T1∼T7의 각각으로서 4P의 절연 트랜스를 사용한 경우에도, 부하 용량의 총합은 28P가 된다.
일반적으로, 부하 용량의 큰 절연 트랜스는, 부하 용량의 작은 절연 트랜스와 비교하여, 대형이고 고비용이 된다. 따라서, 본 실시형태 1에 의하면, 비교예 1보다도 절연 트랜스 T1∼TN의 부하 용량의 총합을 작게 할 수 있어, 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
도 7은, 실시형태 1의 다른 비교예 2를 나타내는 회로 블럭도이고, 도 3과 대비되는 도면이다. 도 6을 참조하여, 이 비교예 2가 실시형태 1과 상이한 점은, 교류 전압 발생기(12)가 교류 전압 발생기(42)로 치환되어 있는 점이다. 이 교류 전압 발생기(42)에서는, 교류 전원(15)의 교류 출력 전압 VA0이 절연 트랜스 T1∼TN의 1차 권선 W1에 주어지고, 절연 트랜스 T1∼TN의 2차 권선 W2로부터 교류 전압 VA1∼VAN이 출력된다.
이 비교예 2에서는, 절연 트랜스 T1∼TN을 병렬 접속하므로, 절연 트랜스 T1∼TN의 부하 용량의 합이 작아진다. 예를 들어 N=7의 경우에는, 절연 트랜스 T7의 부하 용량을 P로 하면, 절연 트랜스 T1∼T7의 부하 용량은 전부 P가 되고, 부하 용량의 총합은 7P가 된다. 그러나, 이 비교예 2에서는, 고내압의 절연 트랜스 T1∼TN을 사용할 필요가 있다.
즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 스위치(1)의 한쪽 단자(1a)의 전압을 V1로 하고, IGBT Q1∼QN의 에미터의 전압을 각각 V2∼V(N+1)로 한다. 예를 들어 N=7로 하면, IGBT Q1∼Q7의 에미터의 전압은 각각 V2∼V8이 된다. 스위치(1)의 단자(1a, 1b)간의 전압을 7kV로 하면, IGBT Q1∼Q7의 각각의 컬렉터 및 에미터간의 전압은 1kV가 된다.
또, 도 5에 나타내는 바와 같이, IGBT Q1의 에미터의 전압 V2는, 다이오드(36, 37) 및 저항 소자(32, 33)를 통하여 대응하는 절연 트랜스 T1의 2차 권선 W2에 인가된다. 마찬가지로, IGBT Q7의 에미터의 전압 V8은, 절연 트랜스 T7의 2차 권선 W2에 인가된다.
도 7로 되돌아가, 절연 트랜스 T1과 절연 트랜스 TN(여기에서는 T7)의 2차 권선 W2간에 V8-V2=6kV가 인가된다. 절연 트랜스의 구조상, 2개의 절연 트랜스 T1, T7에서 6kV를 균등하게 분압하는 것은 어려우므로, 절연 트랜스 T1, T7의 각각으로서 6kV에 견디는 것이 가능한 고내압의 절연 트랜스, 즉 고가격의 절연 트랜스를 사용할 필요가 있다.
이에 비해서 본 실시형태 1의 교류 전압 발생기(12)(도 3)에서는, 절연 트랜스 T1의 2차 권선 W2 및 1차 권선 W1에 각각 V2, V3이 인가되므로, 절연 트랜스 T1로서 1kV에 견디는 것이 가능한 저내압의 절연 트랜스, 즉 저가격의 절연 트랜스를 사용하면 충분하다. 다른 절연 트랜스 T2∼T7도 마찬가지이다.
일반적으로, 고내압의 절연 트랜스는, 저내압의 절연 트랜스와 비교하여, 상당히 대형이고 고비용이 된다. 따라서, 본 실시형태 1에 의하면, 비교예 2보다도 저내압의 절연 트랜스를 사용할 수 있어, 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
[실시형태 2]
도 8은, 이 발명의 실시형태 2에 의한 무정전 전원 장치의 주요부를 나타내는 회로 블럭도이고, 도 3과 대비되는 도면이다. 도 8을 참조하면, 실시형태 2가 실시형태 1과 상이한 점은, 교류 전압 발생기(12)가 교류 전압 발생기(45)로 치환되어 있는 점이다. 교류 전압 발생기(45)는, 교류 전압 발생기(12)와 마찬가지로, 교류 전원(15) 및 절연 트랜스 T1∼TN을 포함한다.
절연 트랜스 Tn의 1차 권선 W1은 교류 전원 전압 V0을 받는다. 이 실시형태 2에 있어서, N은 3 이상의 자연수이고, n은 N보다도 작은 자연수이다. 예를 들어, N=7, n=4이다. 절연 트랜스 T1∼T(n-1)의 1차 권선 W1은, 각각 절연 트랜스 T2∼Tn의 2차 권선 W2에 접속된다.
절연 트랜스 T(n+1)∼TN의 1차 권선 W1은, 각각 절연 트랜스 Tn∼T(N-1)의 2차 권선 W2에 접속된다. 절연 트랜스 T1∼TN의 2차 권선 W2는, 각각 교류 전압 VA1∼VAN을 출력한다. 다른 구성 및 동작은, 실시형태 1과 동일하므로, 그 설명은 반복하지 않는다.
이 교류 전압 발생기(12)에서는, 절연 트랜스 Tn∼T1을 순차적으로 접속함과 더불어, 절연 트랜스 Tn∼TN을 순차적으로 접속한다. 예를 들어, N=7로 하고, n=4로 하고, 절연 트랜스 T7의 부하 용량을 P로 하면, 절연 트랜스 T1∼T7의 부하 용량은 각각 P, 2P, 3P, 7P, 3P, 2P, P가 되고, 부하 용량의 총합은 19P가 된다. 제조 효율을 고려하여 절연 트랜스 T1∼T3, T5∼T7의 각각을 3P의 절연 트랜스를 사용하는 경우에도, 부하 용량의 총합은 25P가 된다.
따라서, 비교예 1보다도 부하 용량이 작은 절연 트랜스를 사용할 수 있다. 또, 비교예 2와 같이 고내압의 절연 트랜스를 사용할 필요도 없다. 따라서, 비교예 1, 2보다도 장치의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
[실시형태 3]
도 9는, 이 발명의 실시형태 3에 의한 무정전 전원 장치의 주요부를 나타내는 회로 블럭도이고, 도 8과 대비되는 도면이다. 도 9를 참조하면, 실시형태 3이 실시형태 2와 상이한 점은, 교류 전압 발생기(45)가 교류 전압 발생기(50)로 치환되어 있는 점이다.
교류 전압 발생기(50)는, 교류 전압 발생기(45)의 교류 전원(15) 및 절연 트랜스 Tn을 교류 전원(51)으로 치환한 것이다. 교류 전원(51)은, 소정 주파수 f0의 교류 전압 VAn을 생성한다. 주파수 f0은, 비교적 소형의 절연 트랜스에 의해 전송하는 것이 가능한 주파수(예를 들어 10kHz)로 설정되어 있다.
도 10은, 도 9에 나타낸 교류 전원(51)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이고, 도 4와 대비되는 도면이다. 도 10을 참조하면, 교류 전원(51)은, 교류 전원(15)의 절연 트랜스 T0을 절연 트랜스 Tn로 치환한 것이다. 절연 트랜스 Tn의 1차 권선 W1의 한쪽 단자는 리액터(22)를 통하여 직류 전원(21)의 양극에 접속되고, 그의 다른 쪽 단자는 콘덴서(26)를 통하여 직류 전원(21)의 음극에 접속된다.
절연 트랜스 Tn의 1차 권선 W1과 콘덴서(26)는, 소정의 공진 주파수를 갖는 LC 공진 회로를 구성한다. 제어부(27)는, 그 공진 주파수로 사이리스터(24, 25)를 교대로 온시킨다. 이에 의해, 절연 트랜스 T0의 1차 권선 W1에 교류 전원 전압 VA0이 발생하고, 그 2차 권선 W2로부터 교류 전압 VAn이 출력된다.
이 실시형태 3에서는, 절연 트랜스 Tn을 교류 전원(50) 내에 마련했으므로, 실시형태 2보다도 절연 트랜스의 수를 줄일 수 있어, 장치의 소형화 및 저가격화를 도모할 수 있다.
이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명은 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
TI: 교류 입력 단자, TO: 교류 출력 단자, TB: 배터리 단자, 1, 23: 스위치, CT: 전류 검출기, 2: 쌍방향 컨버터, 3: 제어 장치, 4: 상용 교류 전원, 5: 부하, 6: 배터리, Q1∼QN: IGBT, D1∼DN, 34∼37: 다이오드, 10: 전압 검출기, 11: 정전 검출기, FA1∼FAN, FB1∼FBN: 광섬유, 12, 41, 42, 45, 50: 교류 전압 발생기, 13: 직류 전압 발생기, 14: 드라이버, R1∼RN: 정류기, S1∼SN: 전환 회로, 15, 51: 교류 전원, T0∼TN: 절연 트랜스, W1: 1차 권선, W2: 2차 권선, 21: 직류 전원, 22: 리액터, 24, 25: 사이리스터, 26, 31, 38: 콘덴서, 27: 제어부, 32, 33: 저항 소자, 39, 40: 광 트랜지스터.

Claims (9)

  1. 직렬 접속된 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자를 포함하는 스위치를 제어하는 제어 장치로서,
    제 1∼제 N 교류 전압을 생성하는 교류 전압 발생기와,
    상기 제 1∼제 N 교류 전압을 각각 제 1∼제 N 직류 전압으로 변환하는 직류 전압 발생기와,
    상기 스위치를 온시키는 경우에는, 상기 제 1∼제 N 직류 전압을 각각 상기 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에 주고, 상기 스위치를 오프시키는 경우에는, 상기 제 1∼제 N 직류 전압의 상기 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에의 공급을 정지하는 드라이버를 구비하고,
    상기 교류 전압 발생기는, 제 1∼제 N 절연 트랜스를 포함하고,
    제 n 및 제 (n+1)의 절연 트랜스의 1차 권선은 교류 전원 전압을 받고,
    제 1∼제 (n-1)의 절연 트랜스의 1차 권선은 각각 제 2∼제 n 절연 트랜스의 2차 권선에 접속되고,
    제 (n+2)∼제 N 절연 트랜스의 1차 권선은 각각 제 (n+1)∼제 (N-1)의 절연 트랜스의 2차 권선에 접속되고,
    제 1∼제 N 절연 트랜스의 2차 권선은 각각 제 1∼제 N 교류 전압을 출력하고,
    N은 2 이상의 자연수이고, n은 N보다도 작은 자연수인, 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자는 각각 제 1∼제 N 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터인, 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위치는, 각각 상기 제 1∼제 N 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터에 역병렬로 접속된 제 1∼제 N 다이오드를 더 포함하는, 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상용 교류 전원이 정상인지 여부를 판정하는 판정부를 더 구비하고,
    상기 스위치는 상기 상용 교류 전원과 부하의 사이에 접속되고,
    상기 드라이버는, 상기 판정부의 판정 결과에 근거하여 동작하여, 상기 상용 교류 전원이 정상인 경우에는 상기 스위치를 온시키고, 상기 상용 교류 전원이 정상이 아닌 경우에는 상기 스위치를 오프시키는, 제어 장치.
  5. 직렬 접속된 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자를 포함하는 스위치를 제어하는 제어 장치로서,
    제 1∼제 N 교류 전압을 생성하는 교류 전압 발생기와,
    상기 제 1∼제 N 교류 전압을 각각 제 1∼제 N 직류 전압으로 변환하는 직류 전압 발생기와,
    상기 스위치를 온시키는 경우에는, 상기 제 1∼제 N 직류 전압을 각각 상기 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에 주고, 상기 스위치를 오프시키는 경우에는, 상기 제 1∼제 N 직류 전압의 상기 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자의 게이트에의 공급을 정지하는 드라이버를 구비하고,
    상기 교류 전압 발생기는, 제 1∼제 N 절연 트랜스를 포함하고,
    제 n 절연 트랜스의 1차 권선은 교류 전원 전압을 받고,
    제 1∼제 (n-1)의 절연 트랜스의 1차 권선은 각각 제 2∼제 n 절연 트랜스의 2차 권선에 접속되고,
    제 (n+1)∼제 N 절연 트랜스의 1차 권선은 각각 제 n∼제 (N-1)의 절연 트랜스의 2차 권선에 접속되고,
    제 1∼제 N 절연 트랜스의 2차 권선은 각각 제 1∼제 N 교류 전압을 출력하고,
    N은 3 이상의 자연수이고, n은 N보다도 작은 자연수인, 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교류 전압 발생기는, 상기 교류 전원 전압을 생성하는 교류 전원을 더 포함하고,
    상기 제 n 절연 트랜스는 상기 교류 전원 내에 마련되어 있는, 제어 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1∼제 N 반도체 스위칭 소자는 각각 제 1∼제 N 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터인, 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위치는, 각각 상기 제 1∼제 N 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터에 역병렬로 접속된 제 1∼제 N 다이오드를 더 포함하는, 제어 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상용 교류 전원이 정상인지 여부를 판정하는 판정부를 더 구비하고,
    상기 스위치는 상기 상용 교류 전원과 부하의 사이에 접속되고,
    상기 드라이버는, 상기 판정부의 판정 결과에 근거하여 동작하여, 상기 상용 교류 전원이 정상인 경우에는 상기 스위치를 온시키고, 상기 상용 교류 전원이 정상이 아닌 경우에는 상기 스위치를 오프시키는, 제어 장치.
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