KR200240965Y1 - 고속스위칭소자를이용한자동전압조정기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 안정적인 전원을 필요로 하는 통신기기, 사무용기기, 컴퓨터 및 정밀 계측기 등에 전압을 안정적으로 공급하기 위한 자동전압조절기(Automatic Voltage Regulator)에 관한 것으로, 특히 전압을 조정하는 소자인 고속 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자를 제어하기 위한 신호를 발생하는 제어기를 이용하여 전압을 연속적으로 안정되게 공급할 수 있는 자동전압조절기에 관한 것이다.

Description

고속스위칭 소자를 이용한 자동전압 조정기

본 고안은 통신기기, 사무용기기, 컴퓨터 및 정밀 계측기등 안정적인 전원을 필요로 하는 전기전자 기기에 전압을 안정적으로 공급하기 위한 자동전압 조정기(Automatic Voltage Regulator)에 관한 것으로, 특히 전압을 일정하게 제어하는 수단으로 고속 스위칭 소자를 이용하는 자동전압 조정기에 관한 것이다.

일반적으로 통신기기, 정밀계측기 및 컴퓨터 등은 안정적인 전압을 공급받음으로서 정상적으로 기기 본래의 기능을 수행할 수 있다.

그러나 현재 일반에 공급되고 있는 전원은 불안정한 상태를 나타내므로, 안정적인 전압 공급을 원하는 상기 기기들에 사용할 경우 작동중 오류가 발생하거나 출력물에 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 변압기의 트랜스 탭을 조정하여 전압을 조정하는 형태의 자동전압 조정기를 사용하였다.

도1은 상기 탭을 이용한 자동전압 조정기의 회로도를 나타낸 것으로서, 공급되는 전압이 변동되거나 부하기기로 인해 전압변동이 발생할 경우 이를 자동으로 감지하여 디지털 논리회로를 통해 전압 변동분을 검출하여 트랜스 탭(Trans Tap)을 전자스위치로 전환하여 일정한 출력전압을 공급하도록 한 자동전압 조정기의 회로도이다.

도1에 도시된 자동전압 조정기는 공급되는 전압이나 부하기기의 과부하로 인해 전압변동이 발생할 경우 T2의 권선 양측에 연결되어 있는 트랜스 탭(Tab1 내지 Tab8)과 저항(R1 내지 R8)에 의해 부하기기에 일정한 전압을 공급한다.

이때, V₀=AC 입력 전압+V_c이므로 탭의 수만큼 가변이 가능하게 된다.

그러나 상기 자동전압 조정기는 탭 수의 제한으로 인해 출력 전압이 연속적으로 제어되지 못하므로 전압 안정도가 어느 정도의 오차를 나타내어 항상 일정한 전압을 공급하지 못한다는 문제점이 있었다.

또한, 상기 자동전압 조정기에서는 8개의 탭과 8개의 저항이 사용되는 것과 같이 사용되는 소자의 수가 많아 소형화하기가 어렵다는 문제점이 있었다.

본 고안은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 탭을 대신하여 전압제어변압기의 일측 권선과 출력 변압기의 일측 권선 상에 제어스위치와 상기 제어스위치에 제어신호를 인가하는 제어기 그리고 상기 변압기간의 쇼트를 방지하기 위한 인덕터를 설치하여 변화되는 전압을 연속적으로 제어하여 항상 일정한 전압을 전기전자기기에 공급하는 것을 목적으로 한다.

또한, 여러개의 탭을 대신하여 고속 스위칭 소자만을 사용하므로 부품의 수를 줄여 자동전압 조정기의 소형화를 가능하게 하고 전압안정도를 개선하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 공급되는 입력 전압의 변화와 과부하에 의한 전압 변화를 자동으로 감지하여 항상 일정한 전압으로 제어하는 자동전압 조정기에 있어서, 전압제어 변압기의 일측 권선과 출력변압기의 일측 권선에 두 개의 제어 스위치와 상기 제어스위치에 제어신호를 인가하는 제어기 그리고 제어 변압기와 고속스위치의 온-오프(on-off)시 전류 흐름을 원활히 하기 위한 인덕턴스를 설치하여 부하에 공급되는 전압을 안정적이고 연속적으로 조정할 수 있는 자동전압 조정기인 것을 특징으로 한다.

도1은 종래의 자동전압 조정기의 회로도.

도2는 본 고안에 따른 고속스위칭 소자를 이용한 자동전압 조정기의 회로도.

도3은 도2의 제어스위치를 나타낸 회로도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

T1, T2 : 변압기 Tab1 내지 Tab8 : 트랜스 탭

R1 내지 R8 : 저항 Tc : 전압제어변압기

To : 출력 변압기 S1, S2 : 제어스위치

L : 인덕턴스 D1 내지 D4 : 다이오드

S : MOSFET 또는 IGBT

이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 고안을 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 고안에 따른 고속스위칭 소자를 이용한 자동전압 조정기의 회로를 나타낸 것으로, AC 전원의 입력단과, 전압 제어 변압기(Tc), 출력 변압기(To)와 상기 전압제어변압기(Tc)와 출력 변압기(To)의 일측 권선에 연결되어 있는 전압조정 고속스위치인 제어스위치(S1, S2), 상기 제어 스위치(S1,S2)에 제어신호를 인가하는 제어기, 상기 변압기(Tc, To)들의 쇼트 방지 및 제어스위치(S1,S2)를 보호하고 전류를 평활하기 위한 인덕턴스(L)와 AC 출력단으로 구성된다. 좀더 상세히 설명하면 AC 출력단과 직렬로 상기 AC 출력단에 일측 권선이 연결되고, 타측 권선에는 제어스위치(S1, S2)와 인덕턴스가 연결되는 전압제어변압기(Tc)와, 상기 AC 입력단에 병렬로 일측 권선이 연결되고 타측 권선에 전압제어변압기(Tc)의 타측 권선에 연결되어 있는 제어스위치(S1,S2)와 인덕턴스(L)이 연결되어 있는 출력 변압기(To)와, 상기 변압기(Tc, To) 사이에 설치된 제어스위치(S1,S2)에 제어신호를 인가하는 제어기 및 상기 전압제어변압기(Tc)와는 직렬로 출력 변압기(To)와는 병렬로 연결되어 있는 출력단으로 구성된다.

이때 상기 전압조정고속스위치는 두 개의 제어 스위치와 하나의 인덕턴스로 구성되는데, 상기 제어스위치(S1,S2)는 도3에 도시된 바와 같이 4개의 다이오드(D1,D2,D3,D4)와 한 개의 MOSFET 또는 IGBT로 구성된다. 그 동작은 제어스위치에 입력되는 입력전압을 V_in이라 할 때 V_in>o 일 경우에는 D1→S→ D4를 통하여 a→a'로 전류가 흐르고, V_in<0 일 경우에는 D2←S←D3를 통하여 a'→a로 전류가 흘러 양방향으로 스위치 동작을 한다.

상기와 같이 구성된 자동전압 조정기의 동작을 설명하면, AC 입력전압(V_IN)이 기준전압(V_R)보다 ΔV 만큼 낮은 V_IN일 때 ΔV를 인가하여 출력전압(Vo)이 V_o=V_∈+ΔV 가 되게 하고 AC 입력이 기준 전압보다 ΔV 높을 때 전압제어 변압기에 -ΔV를 인가하여 V_o=V_∈-ΔV 가 되도록 동작한다. 이때, 사용하는 스위치는 양방향 스위치가 되어야 하고, ΔV의 제어는 진폭변조(PWM)를 통하여 구현한다.

좀더 자세히 설명하면, 제어전압을 V_C라 할 때,

V_o=V_∈+V_C

이므로, V_∈>V_R 이고, V_∈-V_R=ΔV 라 하면, V_O=V_R 이 되어야 함으로,

V_O=V_∈+V_C=ΔV+V_R+V_C

이 된다. 이때, ΔV=V_C 가 되면, 출력전압 Vo는 원하는 기준전압 VR 즉, V_O=V_R 이 된다. 이를 위하여 제어기는 제어스위치들(S1, S2)에 적절한 신호를 발생한다.

또한, 스위칭 시 전압제어변압기(Tc)와 출력 변압기(To)의 전압회로의 쇼트 방지 및 전류 평활을 위하여 인덕턴스(L)을 삽입하여 제어스위치를 보호한다.

본 고안에 따른 전압제어고속스위치를 이용한 자동전압 조정기는 제어기의 적절한 동작에 의하여 기존 방식과는 달리 고효율이면서 동시에 정밀한 전압제어가 가능하기 때문에, 종래의 자동전압 조정기 보다 나은 고도의 정밀도와 변압기의 탭 전환 방식의 고효율성을 동시에 만족하는 자동전압 조정기를 제공할 수 있으며, 부품의 수를 현저히 줄여 제품을 소형화할 수 있다.

Claims (2)

1. 공급되는 전압 변화를 자동으로 감지하여 항상 일정한 전압으로 제어하는 자동전압 조정기에 있어서,

   입력단에 직렬로 연결된 전압제어 변압기의 일측 권선과 입력단에 병렬로 연결된 출력변압기의 일측 권선에 설치되어 있는 두 개의 고속스위칭소자와, 상기 제어스위치에 제어신호를 인가하는 제어기와, 상기 변압기들의 쇼트 방지 및 전류 평활을 위해 상기 변압기들 사이에 설치되어 있는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속스위칭소자를 이용한 자동전압 조정기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 스위치는 4개의 다이오드와 MOSFET 또는 IGBT중 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고속스위칭소자를 이용한 자동전압 조정기.