KR200254286Y1

KR200254286Y1 - 강압형 교류 전력 제어 장치

Info

Publication number: KR200254286Y1
Application number: KR2020010023742U
Authority: KR
Inventors: 송영진
Original assignee: 송영진
Priority date: 2001-08-04
Filing date: 2001-08-04
Publication date: 2001-11-26

Abstract

본 고안은 고가의 전력용 스위칭소자의 수를 최대한으로 줄일 수 있는 강압형 교류 전력 제어 장치를 제공하고, 또한 부가적인 제어회로의 사용을 최소화할 수 있는 스너버수단을 포함하는 강압형 교류 전력 제어 장치를 제공함에 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 강압형 교류 전력 제어 장치는 교류전원을 교류출력으로 직접 변환하는 교류/교류 변환장치에 있어서, 교류전원 인입수단; 상기 교류전원의 위상반전에 무관하게 전류를 통과시킬 수 있도록 브릿지 다이오드와 하나의 스위칭 소자로 구성되어, 일단은 상기 교류전원 인입수단에, 타단은 부하측에는 접속된 양방향스위칭수단 - 여기서, 상기 스위칭소자는 상기 브릿지 다이오드의 사이에 접속됨 - ; 상기 스위칭 소자가 턴오프되는 경우 직렬연결된 제1스위칭소자부 및 제2스위칭소자부를 부하전류의 통로로 사용하기 위하여 일측은 상기 양방향스위칭수단의 상기 일단에, 타측은 부하측에 접속된 스너버 수단; 및 부하에 전기적으로 접속될 수 있는 부하단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강압형 교류 전력 제어 장치{Step-down AC Power Control Apparatus}

본 고안은 교류 전압 제어 장치에 관한 것으로 특히 단상 교류-교류 컨버터에 사용되는 강압형 장치에 관한 것이다.

산업 전반에 걸쳐 에너지의 효율적인 사용을 위하여 전력 반도체 소자를 사용한 절전형 단상 교류-교류 컨버터의 수요가 점차 늘고 있다. 종래에는 교류전압의 제어를 위하여 변압기를 사용하는 것이 하나의 방법으로 사용되었다. 이는 부가적인 제어가 필요 없어 현재에도 널리 사용되는 방법이기도 하지만 산업에의 응용에 있어서는 변압기의 무게와 크기로 인한 제약을 받아 그 사용이 자제되고 있는 실정이다. 또한 이 방법은 변압기의 구조상 한계로 인하여 효율의 상당한 저하를 발생시킨다.

다른 방법으로는 반도체 소자를 사용한 방법들이 있는데, 변압기를 사용한 방법에 비해 상대적으로 저전력 제어분야에 사용되어 왔다. 하지만 근래에 와서는 전력용 반도체 소자의 발달로 비교적 대전력 제어분야에도 적용이 늘고 있다. 전력용 반도체 소자를 사용한 방법은 작은 부피에 대용량의 전력 제어가 가능하여 많은 연구가 진행되어 왔고, 또한 적용범위가 확대되는 추세에 있다. 전력용 반도체 소자를 이용한 방법의 경우 효과적인 구성만 전제된다면 컨버터 자체의 전력 손실이 매우 적고 부피 또한 아주 작게 구성할 수가 있어 이상적인 방법이라 할 수 있다.

전력용 반도체 소자를 사용하여 교류입력을 교류출력으로 변환하는 것은 크게 두 가지의 방식에 따라 변환할 수 있다. 하나는, 컨버터(교류/직류 변환)를 사용하여 교류를 직류로 변환한 다음 이를 다시 인버터(직류/교류 변환)를 사용하여 원하는 크기의 교류로 변환하는 것이고, 다른 하나는 하나의 컨버팅 수단을 사용하여 직접 교류입력을 교류출력으로 변환하는 것이다. 전자의 경우 전력량과 공급 주파수의 가변이 자유롭다는 장점이 있으나, 교류를 직류로 변환하기 위하여 컨버터에 해당하는 정류회로를 필수적으로 구비해야 한다는 단점이 있다.

전력용 반도체 소자를 사용하여 교류에서 다른 준위의 교류로 변환시키는 경우 변압기를 사용하지 않으므로 인한 비용 절감과 컨버터 자체에서 소비되는 전력이 거의 없으므로 인한 효율의 증대를 달성할 수 있다. 이 경우에도 여러 가지의 방법들이 제안되고 있는 바, 주파수와 전력을 동시에 제어할 수 있는 사이클로컨버터와 전력만을 제어하는 강압형 컨버터를 들 수 있다. 사이클로컨버터는 삼상 전력 분야에서 많은 연구가 행해지고 있으며, 강압형 컨버터는 단상 전력 분야에서 연구가 진행되고 있다. 본 발명은 단상 강압형 교류 전압 제어회로에 대한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 단상 강압형 교류 전압 제어 회로의 일실시예로서, 이는 국내특허공보 특0171178호에 개시되어 있다.

종래기술의 단상 강압형 교류 전력 제어 회로는 교류입력의 전원단(110)과, 출력전압을 제어하기 위한 출력전압제어부(120), 출력전압제어부를 거친 출력값을 필터링하기 위한 LC필터(130) 및 부하단(140)으로 구성되며, 출력전압제어부(120)는 4개의 전력용 스위칭 소자를 필요로 한다.

현재 신호용 스위칭 소자가 아닌 전력용 스위칭소자의 경우 고가이고 또한 전력용 스위칭소자를 제어하기 위한 부가적인 회로가 필요하다. 그리고 각각의 전력용 스위칭소자를 제어하기 위한 스위칭 제어회로와 각각의 스위칭소자를 제어하는 시퀀스 또한 복잡해진다. 그러므로 전력용 스위칭 소자의 사용이 많아지면 생산원가가 큰 폭으로 증가된다. 이러한 이유로 현재까지도 전력용 스위칭 소자를 줄일 수 있는 방법들이 많이 연구되고 있다.

한편, 스위칭소자를 사용하여 스위칭을 할 때 임의로 스위칭 소자를 개방할 경우 유도성 부하라면 연속적으로 전류를 흘리려고 하는 현상이 발생하게 되는데 이 때 스위칭 소자의 양단에 큰 전압이 걸리게 된다. 스위칭 소자의 양단간 전압이 스위칭 소자의 내압 이상이면 스위칭 소자가 파괴되는 현상이 발생할 수 있는데 이를 방지하기 위하여 전류가 계속적으로 흐를 수 있는 경로를 만들어 주는 것이 필요하며, 일반적으로 이런 회로를 스너버회로라고 한다.

상기 종래 기술에서는 반도체 스위칭 소자를 사용하여 인위적인 경로를 만들어 주는 스너버회로로서 두개의 단방향성 반도체 스위치를 사용하여 구성하고 있으나, 이 경우에는 일반적으로 구동 시퀀스를 별도로 구성하고, 이를 별도의 제어기를 구성하여야 하며, 시퀀스의 타이밍이 정확하지 않을 경우 전력선 전체가 단락되는 심각한 문제를 야기시킨다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 고안은 고가의 전력용 스위칭소자의 수를 최대한으로 줄일 수 있는 강압형 교류 전력 제어 장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 고안은 부가적인 제어회로의 사용을 최소화할 수 있는 스너버수단을 포함하는 강압형 교류 전력 제어 장치를 제공함에 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 단상 강압형 교류 전압 제어 회로의 일실시예,

도 2는 본 고안에 따른 단상 강압형 교류 전력 제어장치의 전체 구성도,

도 3은 본 고안에 따른 양방향 스위칭 수단의 상세 회로도,

도 4는 본 고안에 따른 단상 강압형 교류 전력 제어장치의 상세회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

410: 전원단 420: 양방향 스위칭 수단

430: 스너버 수단 440: 필터링수단

450: 부하단

바람직하게는, 본 고안의 강압형 교류 전력 제어 장치는 상기 양방향스위칭수단으로부터의 출력을 필터링하기 위하여 리액터는 상기 양방향스위칭수단에 직렬로 접속되고, 커패시터는 상기 부하측출력수단에 병렬로 접속된 LC필터링수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 고안의 강압형 교류 전력 제어 장치의 상기 스너버 수단은, 역병렬접속된 두개의 포토다이오드가 상기 교류전원 인입수단에 병렬로 접속되어 상기 두개의 포토다이오드와 포트커플러를 형성하는 각각의 포토트랜지스터를 교호로 턴온시키고, 상기 포토트랜지스터의 출력신호를 제어신호로 사용하여 상기 제1스위칭소자부 혹은 상기 제2스위칭소자부를 턴온시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 고안의 강압형 교류 전력 제어 장치의 상기 양방향스위칭수단내 스위칭소자는, 상기 스위칭소자의 양단간에 걸리는 전압의 방향에 무관하게 전류의 단속을 제어함이 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 고안의 강압형 교류 전력 제어 장치의 상기 스위칭소자는,바이폴라트랜지스터, 전계효과트랜지스터 및 IGBT 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 강압형 교류 전력 제어 장치는 교류전원을 인입하여 교류출력으로 직접 변환하는 교류/교류 변환장치에 있어서, 상기 교류전원의 위상에 따라 역병렬접속된 두개의 포토다이오드가 상기 두개의 포토다이오드와 포트커플러를 형성하는 각각의 포토트랜지스터를 교호로 턴온시키고, 상기 포토트랜지스터의 출력신호를 제어신호로 사용하여 직렬연결된 제1스위칭소자부 및 제2스위칭소자부내 스위칭 제어소자를 교호로 턴온시키는 스너버회로 - 상기 제1스위칭소자부 및 상기 제2스위칭소자부는 각각 상기 스위칭 제어소자와 다이오드가 역병렬로 접속됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 고안이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 고안을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 고안에 따른 단상 강압형 교류 전력 제어회로의 전체 구성도이다.

본 고안의 단상 강압형 교류 전력 제어회로는 교류전원 인입수단(210), 교류 전력을 제어하기 위한 양방향 스위칭 수단(220), 양방향 스위칭 수단의 단속으로 인한 양방향 스위칭 수단 양단에 발생하는 과전압을 방지하기 위한 스너버수단(230), LC 필터링수단(240) 및 부하단(250)으로 구성된다. 이하에서 각구성들에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 고안에 따른 양방향 스위칭 수단(220)의 상세 회로도이다. 양방향 스위칭 수단(220)은 4개로 구성된 브릿지 다이오드 사이에 하나의 스위칭 소자가 연결된다. 즉, 제1노드와 제4노드 사이에 다이오드 D1이 접속되고, 제4노드와 제2노드 사이에 다이오드 D3이 접속되며, 제1노드와 제3노드 사이에 다이오드 D2가 접속되고, 제3노드와 제2노드 사이에 다이오드 D4가 접속되며, 제4노드와 제3노드 사이에 스위칭 소자 Q1이 접속된다. 이 회로는 다음과 같이 동작한다.

교류전원 전압의 극성에 따라 제1노드가 양이고, 제2노드가 음인 경우, 전류는 제1노드->D1->Q1->D4->제2노드의 방향으로 흐르고, 제2노드가 양이고, 제2노드가 음인 경우, 전류는 제2노드->D3->Q1->D2->제1노드의 방향으로 흐른다. 즉, 입력 전압의 극성에 무관하게 전류는 항상 Q1을 통하여 흐르게 된다. 그러므로 스위칭 소자(Q1)의 턴온 시간을 조절함으로 부하에 흐르는 전류의 양을 제어할 수 있다. 이 때 사용될 수 있는 스위칭 소자는 전계효과트랜지스터(FET), 바이폴라트랜지스터(BJT), IGBT 등 스위칭 소자의 양단간에 걸리는 전압의 극성에 상관하지 않고 부하에 흐르는 전류를 임의로 온/오프할 수 있는 전력용 반도체 소자이면 가능하고, 어느 것에 한정될 필요는 없다.

도 4는 본 고안에 따른 단상 강압형 교류 전력 제어회로의 상세회로도로서, 여기에서는 본 고안의 스너버수단(430)에 대하여 설명하기로 한다.

본 고안의 스너버수단(430)은 포토 다이오드(PD) 및 포토 트랜지스터(PT)로 이루어진 포토커플러 두개(PC1, PC2)를 적절히 사용함으로써 제어신호를 생성하기위한 별도의 제어회로가 필요하지 않는다. 스너버수단(430)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저 제1노드가 양전위, 제5노드가 음전위 그리고 Q1이 ON 상태인 경우, 부하(450)방향으로 제1노드->D1->Q1->D4->L1->C1->제5노드 혹은 제1노드->D1->Q1->D4->L1->부하->제5노드의 순서로 전류가 흐르게 되고, R2를 통하여 포토다이오드 PD2에 전원이 공급되어 포토다이오드 PD2를 도통시킨다. 이 때 Q1이 ON에서 OFF로 바뀌면 전류라인은 개방이 되고 제2노드가 급격히 음전위로 전환된다. 이 때 저항 R4 및 포토트랜지스터 PT2를 통하여 흐른 전류가 Q3을 턴온 시키게 되고, 이로 인하여 Q3->Q2의 다이오드->L1->부하 혹은 Q3->Q2의 다이오드->L1->C1을 통하는 전류경로가 형성되어 스위칭 소자(Q1)를 보호하게 된다. 이 동작은 제1노드와 제5노드의 전위가 바뀌지 않는 한 Q1이 ON-OFF 동작을 할 때 자동적으로 동작하게 된다. 이때 포토커플러 PC1은 개방상태가 됨으로 Q2의 트랜지스터 또한 개방 상태를 유지한다.

다음으로 제5노드가 양전위, 제1노드가 음전위 그리고 Q1이 ON 상태이면, 부하(450) 방향으로 제5노드->부하->L1->D3->Q1->D2->제1노드 혹은 제5노드->C1->L1->D3->Q1->D2->제1노드의 순서로 전류가 흐르게 되고, R1을 통하여 포토다이오드 PD1에 전원이 공급되어 포토다이오드 PD1을 도통시킨다. 이때 Q1이 ON에서 OFF로 바뀌면 전류라인은 개방이 되고 제2노드가 급격히 양전위로 전환된다. 이 때 저항 R3 및 포토트랜지스터 PT1을 통하여 흐른 전류가 Q2를 턴온시키고, 이로 인하여 Q2->Q3의 다이오드->C1->L1 혹은 Q2->Q3의 다이오드->부하->L1을 통하는 전류경로가 형성되어 스위칭 소자(Q1)를 보호하게 된다. 이 동작은 제1노드와 제5노드의 전위가 바뀌지 않는 한 스위칭 소자(Q1)가 ON-OFF 동작을 할 때 자동적으로 동작하게 된다. 이때 포트커플러 PC2는 개방상태가 됨으로 Q3의 트랜지스터 또한 개방 상태를 유지한다. 여기서, 저항 R1, R2, R3 및 R4는 보호저항으로 동작하고, 커패시터 C2 및 C3은 전류 충격을 완화시키는 역할을 한다. 그리고, 본 고안의 스너버 수단에서 사용되는 스위칭 소자는 바이폴라트랜지스터(BJT), IGBT, 전계효과트랜지스터(FET)등의 단방향성 스위칭 소자로서 보호 다이오드가 기본적으로 장착되어 있을 수도 있고 그러하지 아니할 수도 있는데, 보호 다이오드가 없는 경우에는 단방향성 스위칭 소자와 역방향으로 병렬 접속하면 된다.

특히, 본 고안의 스너버수단(430)에서 사용되는 스위칭 소자의 스위칭 속도는 본 고안의 양방향 스위칭 수단(420)에서 사용되는 스위칭 소자의 스위칭 속도에 비해 상대적으로 빠르지 않아도 되고, 따라서 비용의 감소를 가져올 수 있다.

여기서, 본 고안은 나트륨등, 수은등 등의 가로등용 전구의 조명제어와 형광등, 백열등 등의 가정용 및 공업용 전구의 조명제어 그리고, 단상교류모터 등에 적용할 수 있다.

한편, 부하단에서 필요로 하는 전력을 조절하기 위하여 양방향스위칭수단(420)의 스위칭 소자를 스위칭하는 방법은 일반적으로 많이 알려져 있는 펄스폭을 조절하는 PWM방식이나 주파수를 조정하는 PFM 방식이 있으며, 여기서 PWM 방식과 PFM 방식은 필터의 계수를 조정함으로 동일한 효과를 볼 수 있다.

이상에서 설명한 본 고안은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안은 단 하나의 스위칭 소자를 조작함으로 부하에 공급되는 전력의 량을 조절할 수 있고, 극히 간단하면서도 오동작의 우려가 없는 스너버회로의 제시함으로써 생산원가를 절감할 수 있다.

Claims

교류전원을 교류출력으로 직접 변환하는 교류/교류 변환장치에 있어서,

교류전원 인입수단;

상기 교류전원의 위상반전에 무관하게 전류를 통과시킬 수 있도록 브릿지 다이오드와 하나의 스위칭 소자로 구성되어, 일단은 상기 교류전원 인입수단에, 타단은 부하측에는 접속된 양방향스위칭수단 - 여기서, 상기 스위칭소자는 상기 브릿지 다이오드의 사이에 접속됨 - ;

상기 스위칭 소자가 턴오프되는 경우 직렬연결된 제1스위칭소자부 및 제2스위칭소자부를 부하전류의 통로로 사용하기 위하여 일측은 상기 양방향스위칭수단의 상기 일단에, 타측은 부하측에 접속된 스너버 수단; 및

부하에 전기적으로 접속될 수 있는 부하단

을 포함하는 것을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 양방향스위칭수단으로부터의 출력을 필터링하기 위하여 리액터는 상기 양방향스위칭수단에 직렬로 접속되고, 커패시터는 상기 부하단에 병렬로 접속된 LC필터링수단

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스너버 수단은,

역병렬접속된 두개의 포토다이오드가 상기 교류전원 인입수단에 병렬로 접속되어 상기 두개의 포토다이오드와 포트커플러를 형성하는 각각의 포토트랜지스터를 교호로 턴온시키고, 상기 포토트랜지스터의 출력신호를 제어신호로 사용하여 상기 제1스위칭소자부 혹은 상기 제2스위칭소자부를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 부하는 가로등용 전구임을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 부하는 전구임을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 부하는 단상교류모터임을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제3항에 있어서, 상기 양방향스위칭수단내 스위칭소자는,

상기 스위칭소자의 양단간에 걸리는 전압의 방향에 무관하게 전류의 단속을 제어함이 가능한 것을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
제7항에 있어서, 상기 스위칭소자는,

바이폴라트랜지스터, 전계효과트랜지스터 및 IGBT 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.
교류전원을 인입하여 교류출력으로 직접 변환하는 교류/교류 변환장치에 있어서,

상기 교류전원의 위상에 따라 역병렬접속된 두개의 포토다이오드가 상기 두개의 포토다이오드와 포트커플러를 형성하는 각각의 포토트랜지스터를 교호로 턴온시키고, 상기 포토트랜지스터의 출력신호를 제어신호로 사용하여 직렬연결된 제1스위칭소자부 및 제2스위칭소자부내 스위칭 제어소자를 교호로 턴온시키는 스너버회로 - 상기 제1스위칭소자부 및 상기 제2스위칭소자부는 각각 상기 스위칭 제어소자와 다이오드가 역병렬로 접속됨 -

를 포함하는 것을 특징으로 하는 강압형 교류 전력 제어 장치.