KR20010066689A - 직류/교류 인버터 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류 전압을 교류 전압으로 교환하는 직류/교류 인버터 회로에 관한 것으로서,

직류 입력전압의 변동에 연동하는 스위칭구동회로로 인하여 스위칭 전환 시점에서의 상승시간 및 하강 시간을 단축시킬 수 있고, 초기 동작 전력이 평상 동작 전력보다 많이 필요할 경우에 초기 동작 전력 최고치를 높일 수있으므로 상기 스위칭구동회로는 모터, 램프, 트랜스, 솔레노이드, 릴레이, 스위치 등을 구동하는 제품에 응용할 수 있음은 물론이고; 상기 직류 입력전압의 변동에 따라 출력전압을 항상 일정하게 유지시키기 위한 별도의 전압고정회로 없고, 추가되는 소자없이도 입력전압의 변동에 상관없이 펄스폭변조 파형을 유지시킬 수 있어 소형/박형, 경량의 제품을 생산할 수 있는 동시에 고가의 부품들이 제거되어 가격이 인하될 수 있고, 부하가 요구하는 전력에 따라서 정전압단을 설계하는 기간이 단축될 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

직류/교류 인버터 회로{Direct current/alternating current inverter circuit}

본 발명은 직류 전압을 교류 전압으로 교환하는 직류/교류 인버터 회로에 관한 것으로서, 특히 입력전압의 변동에 대해 전압고정을 위한 별도의 회로가 필요 없어짐에 따라 모터, 램프, 트랜스, 솔레노이드, 릴레이, 스위치 등의 구동에 응용될 수 있는 직류/교류 인버터 회로에 관한 것이다.

점차 소형 및 박형화 되고 있는 전자 제품들의 추세에 따라서 각종 구동회로들의 소형화도 동시에 진행되고 있다. 특히, 직류/교류 인버터는 압전 변압기를 이용하여 전압을 일정 레벨까지 승압시키게 되는 전력 변환 장치의 일종으로 직류 전력을 교류 전력으로 교환하는 장치를 의미한다. 이러한, 직류/교류 인버터는 주로 노트북 컴퓨터에 적용되고 있다.

여기서, 상기 압전 변압기는 직육면체 형태로 형성되어 있으며, 그 입력측에는 일정한 구동주파수(f₀) 및 진폭을 갖는 입력전압(Vi)이 입력되게 되고, 그 출력측으로는 상기 입력전압과 동일한 구동주파수를 갖으면서 입력전압의 진폭보다 일정 레벨 상승된 진폭을 갖는 출력전압(Vo)이 출력되게 된다.

이때, 상기 압전 변압기의 입력측에는 그 구동주파수에 맞는 입력전압을 입력해야만 한다. 만약, 상기 압전 변압기의 구동주파수와 입력전압의 구동주파수가 서로 다르게 되면 압전 변압기는 변압기로서의 역할을 제대로 수행하지 못하게 되며, 상기 압전 변압기의 출력측에서는 시스템에서 원하는 승압비의 출력전압을 얻을 수 없게 된다. 그러므로, 상기 압전 변압기의 구동주파수는 항상 일정해야 하며, 입력전압이나 부하의 가변에 따라 그 구동주파수가 변동되지 않아야 한다.

상기와 같은 압전 변압기(1)를 이용한 직류/교류 인버터는 도 1에 도시된 바와 같이 시스템에 직류 입력전압(Vi)을 공급하는 전압공급부(2)와, 상기 전압공급부(2)에서 전달받은 직류 입력전압의 변동에 대해 항상 일정한 전압 레벨로 고정시키는 전압고정부(3)와, 압전 변압기(1)의 구동 여부를 결정하기 위해 스위칭소자(M2, M3)에서 스위칭 주파수를 생성하여 압전 변압기(1)에 전달하는 스위칭 구동부(4)와, 상기 스위칭 구동부(4)의 스위칭 주파수를 전달받아 직류 입력전압을 일정 레벨의 교류 출력전압으로 승압 변환시키는 압전 변압기(1)와, 상기 압전 변압기(1)를 통해 교류 출력전압이 전달되면 냉음극 강하(Cold Cathode Fall) 현상이 발생되어 빛을 방출하는 냉음극관 방전램프(5)와,

상기 냉음극관 방전램프(5)에서 출력되는 전압 또는 전류를 검출하여 시스템에서 정해진 기준전압과 비교하여 그 비교 결과를 시스템에 전달하는 비교기(6)와, 상기 비교기(6)의 비교 결과에 따라 직류 입력전압이 전압고정부(3)에서 일정 레벨로 고정되도록 펄스폭변조 신호의 듀티 사이클(duty cycle of Pulse Width Modulation)을 변경시키는 동시에 상기 압전 변압기(1)의 구동주파수에 맞게 스위칭 구동부(4)의 스위칭 주파수가 고정되도록 제반 제어 기능을 수행하는 펄스폭변조 집적회로(Pulse Width Modulation Integrated Circuit; 7)로 구성된다.

특히, 상기 전압고정부(3)는 상기 직류 입력전압의 범위가 넓을 경우에는 스위칭소자를 구동하기 위해 입력전압에 따라서 스위칭 출력 값이 변하는 경우가 발생하게 된다. 이 경우, 상기 스위칭소자의 출력값이 변화면 열화로 인해 주변 회로의 소손, 저 효율화, 부하의 소손과 같은 문제점을 해소하기 위해 적용되고 있다.

따라서, 상기 전압고정부(3)는 8∼30V의 직류 입력전압의 변동에 대해 직류 출력전압이 7V로 고정되도록 벅-컨버터(Buck-Converter) 원리를 이용하여 고정된 전압을 얻기 위해 제1 게이트 절연 전계효과 트랜지스터(MOSFET; M1)와, 제1 인덕터(L1)와, 제1 다이오드(D1), 제1 캐패시터(C1)로 이루어진다. 따라서, 상기 전압고정부(3) 및 펄스폭변조 집적회로(7)는 직류 입력전압(Vi)의 변동에 대하여 제1 트랜지스터(Q1)로 제어하는 펄스폭변조 신호의 듀티 사이클을 조정하여 출력전압이 항상 일정하게 유지되도록 한다.

또한, 상기 스위칭 구동부(4)는 제2 및 제3 저항(R2, R3)과 스위칭소자인 제2 및 제3 MOSFET(M2, N3)을 구동하기 위한 제2 및 제3 트랜지스터(Q2, Q3)로 이루어져 있는데, 상기 제2 및 제3 트랜지스터(Q2, Q3)는 실제로 상당히 복잡한 회로 구성을 갖게 된다.

상기와 같이 구성된 종래 직류/교류 인버터의 동작은, 전압공급부(2)를 통해 직류 입력전압(Vi)이 전압고정부(3)에 전달되면 상기 전압고정부에서는 입력전압의 변동에 대해 일정한 전압이 항상 출력될 수 있도록 전압 레벨을 고정시킨 후에 이를 펄스폭변조 집적회로(7)와 스위칭 구동부(4)에 전달하게 된다.

그러면, 상기 펄스폭변조 집적회로(7)에서는 제1 트랜지스터(Q1)로 제어하는 펄스폭변조 신호의 듀티 사이클을 변경시키는 동시에 압전 변압기(1)의 구동주파수에 맞게 제2 및 제3 MOSFET(M2, M3)의 스위칭 주파수가 고정되도록 제어 기능을 수행하게 된다.

그리고, 상기 스위칭 구동부(4)는 상기 펄스폭변조 집적회로(7)의 제어에 따라 제2 및 제3 MOSFET(M2, M3)를 구동시키게 된다. 또한, 상기 제2 및 제3 MOSFET(M2, M3)은 상기 펄스폭변조 집적회로(7) 및 스위칭 구동부(4)에 의한 펄스폭변조 제어와 스위칭 주파수에 맞게 스위칭 동작을 수행하면서 압전 변압기(1)로 전압을 공급하게 된다.

따라서, 상기 압전 변압기(1)는 직류 입력전압을 일정 레벨의 교류 출력전압으로 승압 변환시키는 기능을 수행하게 되고, 상기 압전 변압기(1)를 통해 전달되는 교류 출력전압에 의해 냉음극관 방전램프(5)는 냉음극 강하(Cold Cathode Fall) 현상이 발생되어 빛을 방출하게 된다.

이때, 상기 비교기(6)는 압전 변압기(1)의 구동주파수를 읽어 변화하는 주파수를 보정하는 기능이 수행되도록 하는데, 상기 냉음극관 형광램프(5)에서 출력되는 전압 또는 전류를 기준 전압과 비교하여 그 비교결과를 펄스폭변조 집적회로(7)에 전달함으로써 자동 주파수 제어가 수행되도록 한다.

그러나, 종래 경우에는 전압고정부(3)로 벅(BUCK) 회로를 사용하고 있는데 벅 회로에 설치되는 제1 코일(L1)은 그 높이 및 크기로 인하여 박형화가 어렵다는 문제점이 있다. 게다가, 상기 벅 회로를 구형하기 위해서는 고가의 펄스폭변조 집적회로(7), 인덕터(L1, L2), MOSFET(M1, M2, M3)등을 사용하고 있어 그 제조비용이 상승되어 가격 경쟁률이 저하된다는 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 입력전압의 변동에 따라 출력전압을 항상 일정하게 유지시키기 위한 별도의 전압고정회로 없고, 추가되는 소자없이도 입력전압의 변동에 상관없이 펄스폭변조 파형을 유지시킬 수 있어 소형/박형, 경량의 제품을 생산할 수 있는 동시에 고가의 부품들이 제거되어 가격이 인하될 수 있고, 부하가 요구하는 전력에 따라서 정전압단을 설계하는 기간이 단축될 수 있는 직류/교류 인버터 회로를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 직류/교류 인버터 회로의 구성이 도시된 블록도,

도 2는 도 1의 회로도,

도 3은 본 발명에 따른 직류/교류 인버터 회로의 구성이 도시된 블록도,

도 4는 도 3의 일부 구성요소인 펄스폭변조 집적회로 및 스위칭구동회로가 도시된 회로도,

도 5는 도 3에 의한 직류 입력전압의 신호 파형이 도시된 도면,

도 6은 상기 직류 입력전압 변동에 따른 각 부의 신호 파형이 도시된 도면.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

11 : 전압공급부 12 : 펄스폭변조 집적회로

13 : 스위칭 구동회로 14 : 냉음극관 방전램프

15 : 비교기 T : 압전변압기

R1∼R6 : 저항 C1 : 캐패시터

M1 : MOSFET Q1∼Q3 : 트랜지스터

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 직류/교류 인버터 회로의 제1 특징에 따르면, 직류 입력전압을 시스템에 공급하는 전압공급부와, 일정한 구동주파수를 갖으면서 상기 전압공급부의 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환 출력시키는 변압부와; 상기 전압공급부에서 전달되는 직류 입력전압의 변동에 대해 출력전압이 일정 레벨로 고정되도록 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)를 통해 펄스신호를 발생하면서 상기 변압부의 구동주파수에 맞게 스위칭 주파수가 고정되도록 제반 제어 기능을 수행하는 펄스폭변조 회로부와; 상기 펄스폭변조 회로부의 제어에 따라 온/오프(ON/OFF) 동작되는 제1 및 제2 트랜지스터를 통해 상기 변압부에 직류 입력전압의 전달 여부를 결정하는 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 온/오프 동작이 결정되어 상기 직류 입력전압의 변동에 대해 연동되는 스위칭구동부와; 상기MOSFET의 온 동작에 따른 변압부의 직류/교류 전압 변환 동작에 의해 빛을 방출하는 냉음극관 방전램프와; 상기 냉음극관 방전램프에서 출력되는 전압 또는 전류를 전달받아 이를 기준전압과 비교하여 그 비교 결과를 상기 펄스폭변조 회로에 전달함으로써 주파수 보정 기능을 수행시키는 비교부를 포함한다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 상기 스위칭구동부는 직류 입력전압이 로우(Low) 상태일 경우에 제1 트랜지스터는 오프 동작되는 동시에 제2 트랜지스터가 온 동작되어 상기 MOSFET이 온 동작되고; 상기 직류 입력전압이 하이(High) 상태일 경우에 상기 제1 트랜지스터는 온 동작되는 동시에 제2 트랜지스터가 오프 동작되어 MOSFET이 오프 동작된다.

또한, 본 발명의 제3 특징에 따르면, 상기 스위칭구동부는 직류 입력전압에 따른 구형파를 유지하기 위해 파형 반전 시점에서 상기 MOSFET에 충전 전압을 인가하는 캐패시터를 포함한다.

본 발명의 제4 특징에 따르면, 상기 스위칭구동부는 직류 입력전압의 변동에 의한 변화율이 최소화되도록 제2 트랜지스터의 바이어스 전압을 제어하는 제1 및 제2 저항을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명에 따른 직류/교류 인버터 회로의 구성에 관한 블록도가 도시되어 있고 도 4에는 도3의 일부 구성요소인 펄스폭변조 집적회로와 스위칭구동회로가 도시되어 있는데 이를 참고하면 본 발명은, 직류 입력전압을 시스템에 공급하는 전압공급부(11)와, 일정한 구동주파수를 갖으면서 상기 전압공급부(11)의 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환 출력시키는 압전변압기(T)와;

상기 전압공급부(11)에서 전달되는 직류 입력전압의 변동에 대해 출력전압이 일정 레벨로 고정되도록 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)를 통해 펄스신호가 제1 트랜지스터(Q1)에서 발생되고, 그 펄스신호의 듀티 사이클을 변경하면서 상기 압전변압기(T)의 구동주파수에 맞게 스위칭 주파수가 고정되도록 제반 제어 기능을 수행하는 펄스폭변조 집적회로(12)와;

상기 펄스폭변조 집적회로(12)의 제어에 따라 온/오프(ON/OFF) 동작되는 제2 및 제3 트랜지스터(Q2, Q3)를 통해 상기 압전변압기(T)에 직류 입력전압의 전달 여부를 결정하는 전계효과 트랜지스터(MOSFET; M1)의 온/오프 동작이 결정되어 상기 직류 입력전압의 변동에 대해 연동되는 스위칭구동회로(13)와;

상기 MOSFET(M1)의 온 동작에 따른 압전변압기(T)의 직류/교류 전압 변환 동작에 의해 빛을 방출하는 냉음극관 방전램프(14)와; 상기 압전변압기(T)의 변화하는 주파수를 보정하기 위해 냉음극관 방전램프(14)에서 출력되는 전압 또는 전류를 전달받아 이를 기준전압과 비교하여 그 비교 결과를 상기 펄스폭변조 집적회로(12)에 전달하는 비교기(15)로 구성된다.

특히, 상기 스위칭구동회로(13)는 전압 범위가 넓을 경우에 출력단에 구형파를 유지할 수 없는 일반적인 스위칭 회로와 달리 캐패시터(C1)에 충전된 충전 전압을 MOSFET(M1)의 게이트(gate)에 인가하여 구형파를 유지하고 있으며, 상기 제2 및제3 트랜지스터(Q2, Q3)의 반전 동작에 의해 파형의 찌그러짐을 방지하고 있다.

또한, 상기 스위칭구동회로(13)는 상기 직류 입력전압의 변동에 의한 변화율을 최소화하기 위해 제1 및 제2 저항(R1, R2)을 사용하여 제3 트랜지스터(Q3)의 바이어스 전압을 제어하도록 설계되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작은, 전압공급부(11)에서 직류 입력전압을 공급하게 되면 MOSFET(M1)의 온/오프 동작에 따라 압전변압기(T)에서 상기 직류 입력전압을 전달받아 교류 출력전압으로 변환 출력하게 되고, 냉음극관 방전램프(14)에서는 상기 교류 출력전압에 의해 냉음극 강하 현상이 발생되어 빛을 방출하게 된다.

이때, 펄스폭변조 집적회로(12)에서는 펄스폭변조 기능을 수행하여 펄스신호를 발생하게 되는 동시에 상기 펄스신호의 듀티 사이클을 변경하여 상기 압전변압기(T)의 구동주파수에 맞게 스위칭 주파수가 고정되도록 제반 제어 기능을 수행하게 된다.

한편, 스위칭구동회로(13)는 상기 직류 입력전압의 변동에 대해 출력전압이 고정되도록 하면서 상기 MOSFET(M1)을 구동시키기 위한 스위칭 주파수를 생성 출력시키킴과 아울러 상기 직류 입력전압에 상관없이 일정한 펄스폭 파형을 유지하도록 한다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이 구형파의 직류 입력전압이 전달되면 상기 직류 입력전압이 하이 상태일 경우에는 제1 트랜지스터(Q1)가 온 동작되어 제2 트랜지스터(Q2)는 오프 동작되는 동시에 제3 트랜지스터(Q3)의 이미터(Emitter)와컬렉터(Collector)가 도통되어 MOSFET(M1)이 온 동작된다. 따라서, 상기 MOSFET(M1)이 온 동작되면 직류 입력전압이 상기 압전변압기(T)에 전달되어 직류/교류 변환 기능이 수행되게 된다.

반대로, 상기 직류 입력전압 로우 상태일 경우에는 제1 트랜지스터(Q1)가 오프 동작되면서 제2 트랜지스터(Q2)는 온 동작되고 제3 트랜지스터(Q3)는 오프 동작된다. 그리고, 상기 MOSFET(M1)은 그 게이트와 소스(Source)간 전위차(Vgs)가 발생하지 않아 MOSFET(M1)은 오프 동작되므로 상기 직류 입력전압이 상기 압전변압기(T)에 전달되지 않게 된다.

상기 전압공급부(11)에서 공급되는 직류 입력전압의 변동률에 따른 Vgs와 펄스폭변조 집적회로(12)에서 출력되는 출력 파형을 도 6을 참고하여 살펴보면 다음과 같다.

상기 직류 입력전압이 7V인 경우에는 상기 MOSFET(M1)의 Vgs와 펄스폭변조 집적회로(12)의 출력 파형은 도 6의 (a)와 같고, 상기 직류 입력전압이 30V인 경우에는 Vgs와 펄스폭변조 집적회로(12)의 출력 파형이 도 6의 (b)와 같이 된다.

따라서, 상기 직류 입력전압이 7V∼30V 범위와 그 이상의 범위에서 입력전압이 변동되어도 펄스폭변조 집적회로(12)의 펄스폭변조 파형이 유지되고 있으므로 주변 부품들의 최대 사용 전압 범위까지 상기 직류 입력전압을 사용해도 된다.

이렇게, 본 발명은 상기 직류 입력전압의 변동에 연동하는 스위칭구동회로(13)로 인하여 스위칭 전환 시점에서의 상승시간 및 하강 시간을 단축시킬 수 있고, 초기 동작 전력이 평상 동작 전력보다 많이 필요할 경우에 초기동작 전력 최고치를 높일 수도 있다. 그로 인해, 본 발명의 스위칭구동회로(13)는 모터, 램프, 트랜스, 솔레노이드, 릴레이, 스위치 등을 구동하는 제품에 응용할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 직류/교류 인버터 회로는 입력전압의 변동에 따라 출력전압을 항상 일정하게 유지시키기 위한 별도의 전압고정회로 없고, 추가되는 소자없이도 입력전압의 변동에 상관없이 펄스폭변조 파형을 유지시킬 수 있어 소형/박형, 경량의 제품을 생산할 수 있는 동시에 고가의 부품들이 제거되어 가격이 인하될 수 있고, 부하가 요구하는 전력에 따라서 정전압단을 설계하는 기간이 단축될 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 직류 입력전압을 시스템에 공급하는 전압공급부와, 일정한 구동주파수를 갖으면서 상기 전압공급부의 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환 출력시키는 변압부와; 상기 전압공급부에서 전달되는 직류 입력전압의 변동에 대해 출력전압이 일정 레벨로 고정되도록 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)를 통해 펄스신호를 발생하면서 상기 변압부의 구동주파수에 맞게 스위칭 주파수가 고정되도록 제반 제어 기능을 수행하는 펄스폭변조 회로부와; 상기 펄스폭변조 회로부의 제어에 따라 온/오프(ON/OFF) 동작되는 제1 및 제2 트랜지스터를 통해 상기 변압부에 직류 입력전압의 전달 여부를 결정하는 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 온/오프 동작이 결정되어 상기 직류 입력전압의 변동에 대해 연동되는 스위칭구동부와; 상기 MOSFET의 온 동작에 따른 변압부의 직류/교류 전압 변환 동작에 의해 빛을 방출하는 냉음극관 방전램프와; 상기 냉음극관 방전램프에서 출력되는 전압 또는 전류를 전달받아 이를 기준전압과 비교하여 그 비교 결과를 상기 펄스폭변조 회로에 전달함으로써 주파수 보정 기능을 수행시키는 비교부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위칭구동부는 직류 입력전압이 로우(Low) 상태일 경우에 제1 트랜지스터는 오프 동작되는 동시에 제2 트랜지스터가 온 동작되어 상기 MOSFET이 온 동작되고; 상기 직류 입력전압이 하이(High) 상태일 경우에 상기 제1 트랜지스터는 온 동작되는 동시에 제2 트랜지스터가 오프 동작되어 MOSFET이 오프 동작되는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위칭구동부는 직류 입력전압에 따른 구형파를 유지하기 위해 파형 반전 시점에서 상기 MOSFET에 충전 전압을 인가하는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위칭구동부는 직류 입력전압의 변동에 의한 변화율이 최소화되도록 제2 트랜지스터의 바이어스 전압을 제어하는 제1 및 제2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 회로.