KR20040052939A - 다중 공진 회로를 이용한 가변 부하용 전자식 전원 공급장치 - Google Patents

다중 공진 회로를 이용한 가변 부하용 전자식 전원 공급장치 Download PDF

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KR20040052939A
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Abstract

극심한 변화를 갖는 부하의 고효율 및 안정적인 동작을 위한 고주파 전자식 전원 공급 장치에 관한 것으로 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터를 이용하여 스위칭 손실 및 전자파 장애를 줄이고, 매칭 트랜스포머의 권선을 직렬 공진 회로의 경로로 사용하여 전원전압의 변동에 따른 부하의 출력 변화를 줄이고, 부하의 특성 즉 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 공진회로의 공진 주파수 선택계수를 조정하여 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 고효율 전자식 대전력 전원 공급 장치로서 전력절감, 소형화 및 경량화, 동작의 안정성 등의 장점을 갖는다.

Description

다중 공진 회로를 이용한 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치{Adaptive High Frequency Power Supply Using Multi-Resonance}
본 발명은 부하의 특성 변동이 극심한 상황에서도 안정적으로 부하를 동작시키기 위한 고효율 고주파 전자식 전원 공급 장치에 관한 것이다. 종래의 전자식 전원 공급 장치는 불완전한 제어 및 스위칭 손실에 의한 전력효율의 저하 등 문제점이 내재되어 있다. 고주파 전자식 전원 공급 장치에서는 인버터를 사용하여 상용 전원 전압을 수십 KHz의 구동 전압으로 전환하는데 있어서 강제 스위칭의 펄스폭 변조 방식을 사용할 경우 주파수에 비례하여 손실이 증가하고 전자파 장애가 발생하므로 전체 성능 면에서 큰 효과를 볼 수 없다.
본 발명에서는 영전압 스위칭 방식의 인버터를 이용하여 스위칭 손실 및 전자파 장애를 줄이고, 매칭 트랜스포머의 권선을 직렬 공진 회로의 경로로 사용하여 전원전압의 변동에 따른 부하의 출력 변화를 줄이고, 부하의 변동이 극심한 악조건에서도 정상동작을 하는 고주파 전자식 전원 공급 장치를 구현한다.
제1도는 본 발명에서 제안된 전자식 전원 공급 장치의 개략적 구성도.
제2도는 일반적인R-L-C직렬 회로.
제3도는 주파수와 리액턴스의 특성 곡선.
제4도는 주파수와 총 임피던스의 특성 곡선.
제5도는 주파수와 전류의 특성 곡선.
제6도는 본 발명의 전자식 전원 공급 장치의 실시예.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 전압원 2E 22 : 매칭 트랜스포머
C 1-C 6: 콘덴서L 1,L 2,L 3: 코일
D 1,D 2: 다이오드S 1,S 2: MOSFET
R 1,R 2: 저항
본 발명의 개략적인 구성은 제1도에 보인 바와 같이 상용 교류 전압은 입력단자들 사이 또는 입력단자와 접지사이에 발생하는 노이즈를 제거하며 고주파로 스위칭할 때 발생되는 노이즈를 억제하는 기능의 라인필터를 거쳐 입력된다. 상기의 라인필터를 거처 노이즈가 억제 혹은 제거된 교류 전압은 브릿지 다이오드 및 콘덴서를 사용하여 직류전원으로 정류하고 평활함은 공지의 것이다. 또한 본 발명에서는 상용 전원 주파수로부터 수십 KHz의 구동 전압으로 전환하는 인버터로는 스위칭 손실 및 전자파 장애의 발생을 최소화 할 수 있는 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터로 구성하며, 제어 및 구동회로는 자려식 발진 방식을 사용한다. 부하의 조건에 적합한 전류 및 전압을 상기의 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터로부터 부하로 전달함과 동시에 부하의 급격한 변동에도 상기의 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터가 정상동작을 할 수 있도록 매칭 트랜스포머를 구성한다. 또한 부하의 특성에 맞추어 별도의 공진 회로를 구성하여 상기의 매칭 트랜스포머로부터 전달된 전류 전압을 최적의 조건으로 부하에 전달한다.
제 2도에 보인 일반적인R-L-C직렬 공진 회로는 유도성 소자(L)와 용량성 소자(C)그리고 전원의 저항 인덕터의 내부 저항 및 부가된 저항으로 구성되어 있으며 (R=R s +R l +R d ), 어떤 주파수에서 이 회로의 총 임피던스는 다음과 같이 정해진다.
이때X L 은 코일에 의한 리액턴스이고X C 는 콘덴서에 의한 리액턴스이다.
공진조건은 상기의 총 임피던스에서 리액티브 성분이 영이 되어야 하며,
X L =X C , 공진 주파수는이다.
공진 조건에서는 ZT가 최소값이므로 전류는 입력전압과 동위상이면서 회로에 최대전류가 흐른다.
공진조건에서는 콘덴서와 코일에 흐르는 전류가 같기 때문에 콘덴서와 코일에 인가되는 전압의 크기는 같고 위상은 180 차이가 난다.
직렬 공진 회로의 선택 계수Q s 는 공진에서 저항의 평균 전력에 대한 코일이나 콘덴서의 무효 전력비로서 정의되며 소비된 전력과 비교하여 저장된 전력 (한 리액티브 소자에서 또 다른 리액티브 소자로 이동하는 전력)을 표시한다.
제 3도에 예시된 직렬R-L-C회로의 총 임피던스와 주파수의 관계는 다음식으로 나타낼 수 있다.
여기에서Z T (f)는 주파수의 함수로 총 임피던스를 의미한다.
제 4도는Z T (f)를 도시한 것으로, 공진 조건은 두 곡선의 교차점, 즉X L = X C 인 점이다.f s 보다 작은 주파수에서 회로는 용량성 (X C ＞X L )이고, 공진 조건 이상의 주파수에서는X L ＞X C 이며 회로는 유도성이다. 최소의 임피던스는 공진 주파수에서 발생하며 저항R과 같다.
제 5도는 인가 전압E에 대해서 전류I = E/Z T 와 주파수의 관계를 도시한선택곡선으로서, 최대 전류의 0.707에 해당하는 주파수를f S1 과f S2 로 표시하였으며, 대주파수 (band frequencies), 차단 주파수 (cutoff frequencies)나 반전력 주파수(half-power frequencies)라 부른다. 그 둘 사이의 주파수 범위는 공진 회로의 대역폭 (band -width :BW)으로 간주된다. 반전력 주파수일 때의 전력은 공진 주파수에서 구한 값의 1/2이다.
혹은
만약 인덕턴스와 커패시턴스의 값이 고정되고 저항의 값이 작아진다면 대역폭은 감소하며 선택성은 증가하게 되고, 유사하게 저항의 값이 고정되고L/C의 비율이 증가한다면 대역폭은 감소하며 선택성은 증가하게 된다. 따라서R이 같은X L 에 비하여 더 큰 경우는 식 4에 의해Q S 는 더 작게 된다. 그러므로Q S 가 작을 경우에는 커다란 대역폭과 작은 선택성을 가지며,Q S 가 클 경우에는 작은 대역폭과 커다란 선택성을 갖는다.
본 발명의 실시 예로서 제6도에 보인 회로가 본 발명에서 제안된 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터, 매칭 트랜스포머(22) 및 별도의 공진회로로 이루어진 실시예이다. 전압원2E(21)는 상용 교류 전원을 라인필터 및 고역률 평활 회로를 사용하여 얻어지며,C 1 ,C 2 는 입력필터용 콘덴서로서 입력전압2E(21)를 나누어서전압원으로 사용할 수 있는 기능을 하며 또한 제1L-C직렬 공진 회로를 구성한다.
수십 KHz의 고주파 (주파수f 0)로 스위칭하는 소자로는 MOSFET (S 1,S 2)를 사용하며, MOSFET와 역병렬로 다이오드(D 1,D 2)가 있어 양방향으로 동작한다. 다이오드(D 1,D 2)와 병렬로 연결된 콘덴서(C 4,C 5)는 스위칭을 하는 순간에만 공진하여 영전압 스위칭의 조건을 만드는 공진용 콘덴서이다. MOSFETS 1과S 2는 하프 브릿지의 구조를 이루면서 교대로 온(On), 오프(Off)를 한다. MOSFETS 1,S 2의 스위칭은 스위치 양단의 전압이 영인 상태에서 이루어지며, 스위칭의 한 주기 중 온(On) 구간이 차지하는 비에 따라 부하로 전달되는 전력을 제어할 수 있다. 저항(R 1)과 콘덴서(C 3)로 구성된 스너버 회로를 거친 고주파의 구형파 전압이 매칭 트랜스포머 (22)의 1차 권선 (L 1)에 인가되어 교류 전류(I 1)가 흘러 콘덴서C 1,C 2에 의해, 상기의 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터로부터의 스위칭 주파수f 0와는 다른 주파수인, 공진 주파수f 1을 갖는 제1L-C직렬 공진 회로가 형성된다. 이때, 상기의 매칭 트랜스포머의 1차 권선L 1과 2차 권선L 2는 자기장에 의해 연결된 회로이므로 부하의 특성 및 용도에 따라 전력을 최대한 부하에 전달함과 동시에 공진 주파수f 1에서 공진하여 상기의 스위칭 주파수f 0에서는 상기의 식 6 또는 식 7에 따른 소정의 주파수 대역폭 및 선택성을 갖도록 상호 인덕턴스(M)를 고려하여 권선비 및 인덕턴스값을 조정한다. 따라서 주파수 선택계수(Q 1)를 조정하여 제1L-C직렬 공진 회로의 매칭 트랜스포머의 1차 권선L 1에 인가된 전압I 1 X L1을 제2R-L-C직렬 공진 회로의 2차 권선L 2로 최대 혹은 최적의 조건으로 전달할 수 있다.
상기의 매칭 트랜스포머의 2차 권선 (L 2)은 저항(R 2), 쵸크코일(L 3), 콘덴서(C 6)와 부하에 직결로 연결되어 제2R-L-C직렬 공진 회로를 구성한다. 상기의 제1L-C직렬 공진 회로에서 소정의 주파수 선택계수(Q 1)에 의하여 전달되는 전력의 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터로부터 스위칭 주파수f 0와 상기의 제2R-L-C직렬 공진 회로의 공진 주파수f 2가 같은 경우에는 공진이 발생하여 인가된 전압과 전류의 위상이 같아져서 상기의 제2R-L-C직렬 공진 회로의 임피던스는 최소가 되어 최대의 전류(I 2)가 흐르며, 콘덴서와 코일에 의한 무효전력이 존재하지 않으며 총피상 전력은 저항성분에 의해 소비된 평균 전력과 같아지므로 제2R-L-C직렬 공진 회로의 역률은 1이 된다. 또한, 부하의 특성에 따라서 상기의 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터로부터 스위칭 주파수f 0와는 다른 주파수 선택계수(Q 2)와 대역폭을 얻기 위해서는 상기의 식 6 또는 식 7에 따라서 상기의 제2R-L-C직렬 공진 회로의 쵸크코일(L 3), 콘덴서(C 6)와 저항(R 2)의 값을 조절하여 상기의 제2R-L-C직렬 공진 회로의 공진 주파수f 2를 변화시킬 수 있다. 따라서 상기의 제2R-L-C직렬 공진 회로의 주파수 선택계수(Q 2)를 조절함으로써 부하의 특성 및 용도에 맞추어 최적의 조건으로 전력(I 2 2 Z T 2(f 2), 여기서Z T 2(f 2)는 상기의 제2R-L-C직렬 공진 회로의 주파수f 2에 의한 총 임피던스)을 전달할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 부하의 특성 즉 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 고효율 전자식 전원 공급장치로서 전력절감, 소형화 및 경량화, 동작의 안정성 등의 장점을 갖는다.

Claims (7)

  1. 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 이를 인버터를 사용하여 고주파 (10 KHz - 100 KHz)의 교류로 변환하여, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선을 포함하는 제1 직렬 공진회로와 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선과 부하를 포함하는 제2 직렬 공진회로로 구성되는 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선과 2차 권선은 자기장의 결합에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선의 한 단은 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선의 인덕턴스와 콘덴서의 커패시턴스를 부하의 특성 및 용도에 따라서 조정하여 상기의 제 1 직렬공진회로의 공진 주파수 선택계수를 조정하는것을 특징으로 하는 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선은 공진용 콘덴서, 코일, 저항과 부하가 직렬로 연결되어 상기의 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기의 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선의 인덕턴스와 공진용 콘덴서의 커패시턴스를 부하의 특성 및 용도에 따라서 조정하여 상기의 제 2 직렬공진회로의 공진 주파수 선택계수를 조정하는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 전자식 전원 공급 장치.
  7. 제1 항에 있어서 인버터의 스위칭 주파수와 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 선택계수와 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 선택계수를 부하의 특성 및 용도에 따라서, 각각 혹은 동시에 조합하여 조정하는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 전자식 전원 공급 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006137607A1 (en) * 2005-06-22 2006-12-28 Leetronix Co., Ltd. Adaptive coupling circuits using multi resonance tanks
KR101483928B1 (ko) * 2013-08-28 2015-01-20 (주) 엘케이일레븐 임피던스 매칭 방법을 이용한 전자식 전력 효율 개선장치

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