KR20040065534A - 다중 공진 회로를 이용한 가변 부하용 정합회로 - Google Patents

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Abstract

극심한 변화를 갖는 부하의 고효율 및 안정적인 동작을 위한 고주파 인버터 방식의 전력 전달 정합회로에 관한 것으로, 매칭 트랜스포머의 1차측 권선을 직렬 공진 회로의 경로로 사용하며, 자기장의 결합에 의해 매칭 트랜스포머의 1차측 권선과 연결된 매칭 트랜스포머의 2차측 권선을 직렬 혹은 병렬 공진 회로의 경로로 구성하여, 전원전압의 변동에 따른 부하의 출력 변화를 줄이고, 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 공진회로의 공진 주파수 선택계수를 조정하여 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 가변 부하용 정합회로로서 전력절감, 소형화 및 경량화, 동작의 안정성 등의 장점을 갖는다.

Description

다중 공진 회로를 이용한 가변 부하용 정합회로{Adaptive Coupling Circuits Using Multi Resonance Tanks}
본 발명은 부하의 특성 변동이 극심한 상황에서도 안정적으로 부하를 동작시키기 위한 고효율 고주파 전자식 전원 공급 장치의 전력 전달 정합회로에 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 전체성능 면에서 큰 효과를 볼 수 없다.
이에 관련된 기술로서, 대한민국 공개특허공보 1020010113187호를 보면, 인버터(Inverter)의 입력 조정(Input line regulation)이 가능하고 각 회로부품의 특성 변화에 의한 램프간 출력전류 불균형을 최소화 할 수 있는 장점을 갖는 회로에 관한 것으로 파워 효율을 최대로 하기 위한 CLASS E 파워 엠프와 펄스폭 변조기(PWM), 오차 증폭기, 절연 센싱 소자 등을 구비하고 2개의 부하를 구동하는 인버터에서 양쪽 출력전류의 불균형으로 인한 문제를 해소하기 위해 램프를 직렬(Series)로 연결하고 램프와 램프사이에 절연 센싱 소자를 연결하고 2개의 램프를 동일한 전류 루프로 구성하여 2개의 램프 전류를 같게 하고 절연 센싱 소자에 의해 얻어지는 출력신호를 사용하여 제어함으로써 입력전압이 넓은 범위에서 변화하여도 일정한 전압 전류를 얻을 수 있도록 하여 2등용 엘씨디(LCD) 백라이트(Backlight)를 구동하는 기술로 제시되어 있다. 그러나, 이 회로는 출력단으로부터 피드백 된 신호로써 구동 펄스의 폭을 가감하는 펄스폭 제어(pulse width modulation) 방식을 사용하므로, 완전 공진 시에 최대 전력을 전달하는 전력 회로에서 불완전 공진을 이용하게 되어 부하의 변동, 즉 임피던스 등이 급격히 변화하게 되면 허상 전력이 증가되어 불필요한 전력이 열로 발생하는 단점이 있으며, 피드백회로의 응답 속도에 의해 회로의 부하 적응력에 한계가 있다.
대한민국 공개특허공보 1019980011571호는 입력전압이 인가되는 제어부와, 상기 제어부의 양단에 직렬로 연결되어 상기 제어부에 의하여 제어되는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 출력에 직렬로 연결되어 공진하는 공진부와, 상기 공진부의 출력전압을 1차측에서 2차측으로 유기시키는 변압부와, 상긴 변압부에서 유기되는 전압을 입력으로 하여 제어되고 구동되는 출력부로 구성된 냉음극관 구동용 인버터 회로를 제시하고 있으나, 이 기술에서는 일정한 범위내의 임피던스를 갖는 부하를 전제로 단순한 임피던스 정합 및 피드백 제어만을 제시하고 있어, 급격한 부하의 변동이나 부하의 이상 발생시는 인버터의 파괴를 야기하는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 1020000060883호는 고정전압, 고정주파수의 상용 교류전원을 직류전원으로 변환한 후 이를 다시 가변전압, 가변주파수의 교류전원으로 변환시키는 인버터부와, 상기 인버터부에서 제공하는 교류전원에 의해 가변속 구동되는 전동기로 구성된 시스템에 있어서, 상기 인버터부 출력단에 연결하여, 인버터부 출력단에서의 임피던스 정합에 의해 전동기 입력단에서 발생할 수 있는 과전압을 억제하도록 하는 과전압 억제부를 더 구비하여, 과전압을 억제하도록 한 인버터 구동 전동기의 과전압 억제장치에 관한 기술이다. 그러나, 이 기술은 인버터 출력단에 선로의 특성 임피던스와 동일한 값의 임피던스 회로를 연결하여 인버터 출력단에서의 반사계수를 0으로 만드는 것에 의해 인버터 출력단에서의 전압반사를 제거하여 전동기 입력단에서의 과전압을 억제하도록 한 것이므로, 부하의 특성에 따라 출력단에 연결되는 임피던스 회로가 달리 설계되어야 하며, 부하의 임피던스 특성이 넓은 범위에 걸쳐 급격하게 변하는 경우, 선로의 특성 임피던스와 동일한 값으로 출력단에 연결되는 임피던스 회로에서 에너지를 소모할 수밖에 없으므로 결국 발열 현상 등을 피할 수 없고 급격한 부하의 변동이나 부하의 이상 발생시는 출력단에 연결되는 출력단에 연결되는 임피던스 회로가 파괴되므로 이를 견디기 위해서는 부하와 동일한 용량의 대형 임피던스 회로를 요구하는 등의 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 1020010104006호는 마그네트론(magnetrons) 및 마이크로파 튜브(microwave tubes) 등을 구동하는데 사용되는 스위치 인버터 변조기(switched-inverter modulators)에 관한 것으로서, 출력 전압 펄스가 예를 들어, 연속파 마그네트론 발진기(continuous wave magnetron oscillator)에 직접 제공되는 동안, 동기 펄스 발생기는 펄스폭 타이밍 및 동기 진폭 커맨드를 고전압 스위치 전원으로 제공하며, 전원은 마그네트론 아크 반사(magnetron arc reflections)의 분열을 차단하기 위해 파워 저항과 분리되고, 스위치 인버터 변조기는 펄스폭, 펄스 반복 주파수 및 진폭 출력을 변경할 수 있도록 하는 등의 사항을 요지로 하고 있다. 그러나, 이 기술 역시 일정한 범위내의 임피던스를 갖는 마그네트론을 전제로 단순한 임피던스 정합 및 피드백 제어만을 제시하고 있어, 급격한 부하의 변동이나 부하의 이상 발생시는 대비될 수 없는 단점을 갖고 있다.
대한민국 공개특허공보 1019980077020호는 안정기 없는 형광등 구동회로에 의한 소방 설비용 유도등 구동회로에 관한 것으로서, 전원부, 정류부, 충·방전부, 충·방전 감지부, 전원 전환부, 수신신호 스위치부, 발진부 그리고, 점등부로 구성하여, 안정기를 사용하지 않고 발진변압기의 2차측에 유도된 교류전압으로 예열하여 형광등내의 전자방출이 용이하도록 하는 기술이나. 이 기술 역시 형광등 필라멘트로 구성되는 일정한 범위내의 임피던스를 갖는 부하를 전제로 단순한 임피던스 정합 및 피드백 제어만을 제시하고 있어, 급격한 부하의 변동이나 부하의 이상 발생시는 인버터의 파괴를 야기하는 단점이 있다.
매칭 트랜스포머의 1차측 권선을 직렬 공진 회로의 경로로 사용하며 자기장의 결합에 의해 매칭 트랜스포머의 1차측 권선과 연결된 매칭 트랜스포머의 2차측 권선을 직렬 혹은 병렬 공진 회로의 경로로 사용하여, 직렬 공진 회로와 병렬 공진 회로의 공진 주파수 선택계수의 값들의 일부 또는 전부에 의해 정합특성이 결정되어, 전원 전압의 변동에 따른 부하의 출력 변화를 줄이고, 부하의 특성 즉 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 가변 부하용 정합회로를 구현하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.
이를 위해서 본 발명은 첫째, 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 고주파의 교류로 변환하는 인버터 (스위칭 주파수f 0)에 있어서, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬 공진 회로를 구성하며, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)은 저항 (R 2), 코일 (L 3), 콘덴서 (C 6), 부하와 직렬로 연결되어 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
둘째, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)과 2차 권선 (L 2)은 전기적으로는 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
셋째, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
넷째, 상기의 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 3)의 인덕턴스, 저항 (R 2), 콘덴서 (C 6)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2)가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
다섯째, 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2) 값들의 일부 또는 전부에 의해 정합특성이 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
여섯째, 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 고주파의 교류로 변환하는 인버터 (스위칭 주파수f 0)에 있어서, 매칭 트랜스포머(22)의 1차권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬 공진 회로를 구성하며, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선(L 2)은, 병렬로 연결된 저항 (R 3), 코일 (L 4), 콘덴서 (C 7), 부하와 병렬로 연결되어 제2 병렬 공진 회로를 구성하는 가변부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
일곱째, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)과 2차 권선 (L 2)은 전기적으로 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
여덟째, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
아홉째, 상기의 제2 병렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 4)의 인덕턴스, 저항 (R 3), 콘덴서 (C 7)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p), 주파수 대역폭 (BW p )과 주파수 선택계수 (Q p )가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
열째, 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p), 주파수 대역폭 (BW p)과 주파수 선택계수(Q p) 값들의 일부또는 전부에 의해 정합특성이 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
제1도는 일반적인R-L-C직렬 회로.
제2도는 직렬 공진 회로의 주파수와 리액턴스의 특성 곡선.
제3도는 직렬 공진 회로의 주파수와 총 임피던스의 특성 곡선.
제4도는 직렬 공진 회로의 주파수와 전류의 특성 곡선.
제5도는 일반적인R-L-C병렬 회로
제6도는 병렬 공진 회로의 주파수와 임피던스 특성 곡선
제7도는 정합회로의 제1 실시예.
제8도는 실시예의 등가회로
제9도는 정합회로의 주파수와 전류 특성 곡선
제10도는 정합회로의 제2 실시예
제11도는 정합회로의 주파수와 전압 특성 곡선
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 전압원 2E22 : 매칭 트랜스포머
C 1-C 7: 콘덴서L 1,L 2,L 3,L 4: 코일
D 1,D 2: 다이오드S 1,S 2: MOSFET
R 1,R 2,R 3: 저항
제 1도에 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 주파수 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 2도에 예시된 직렬R-L-C회로의 총 임피던스와 주파수의 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
여기에서Z T (f)는 주파수의 함수로 총 임피던스를 의미한다.
제 3도는Z 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 4도는 인가 전압E에 대해서 전류I=E/Z T 와 주파수의 관계를 도시한 선택곡선으로서, 최대 전류의 0.707에 해당하는 주파수를f S 1과f S 2로 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 감소할 경우에는 커다란 대역폭과 작은 선택성을 가지며,Q s 가 증가할 경우에는 작은 대역폭과 커다란 선택성을 갖는다.
코일과 직렬로 연결된 코일의 내부 저항R l 을 고려한R-L-C병렬 공진 회로는 제 5-(a)도에 보인 바와 같이 전류원의 내부 저항R s 을 포함하는 기본 형태를 갖고 있다. 여기서R p =(R l 2 +X L 2 )/R l , X Lp = (R l 2 +X L 2 )/X L , R=R s ∥R p 이며 R p 는 주파수에 따라 변한다. 따라서 제 5-(b)도의R-L-C병렬 공진 회로의 총 어드미턴스Y T 는 다음의 식으로 표시되며, 주파수에 따른 총 임피던스는 제 6도에 도시된 특성 곡선을 갖는다.
역률이 1일 경우에는,1/X C = 1/X Lp 이며 병렬 공진 주파수f s 는 다음과 같이 표현된다.
병렬 공진 회로의 주파수 선택 계수Q p 는 실효 전력과 무효 전력의 비율에 의해서 결정되므로 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
이상적인 전류원(R s =∞Ω)이나R s 가R p 에 비하여 충분히 클 경우R=R s ∥R p R p 이므로 병렬 공진 회로의 주파수 선택 계수Q p 는 다음과 같이 나타낼 수있다.
병렬 공진 주파수 대역폭은 병렬 공진 주파수나 선택 계수에 따라서 다음과 같이 결정된다.
여기서
본 발명의 실시 예로서 제 7도에 보인 회로가 본 발명에서 제안된 영 전압 스위칭 방식의 공진형 인버터, 제1 직렬 공진 회로와 제 2 직렬 공진 회로로 이루어진 실시예이다. 전압원2E(21)는 상용 교류 전원을 라인필터 및 고역률 평활 회로를 사용하여 얻어지며,C 1,C 2는 콘덴서로서 입력전압2E(21)를 나누어서 전압원으로 사용할 수 있는 기능을 하며, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬 공진 회로를 구성한다.
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 따라서도 부하로 전달되는 전력을 제어할 수 있다. 저항 (R 1)과 콘덴서 (C 3)로 구성된 스너버 회로를 거친 고주파의 구형파 전압이 상기의 매칭 트랜스포머 (22)의 1차권선 (L 1)에 인가되어 교류 전류 (I 1)가 흘러 상기의 콘덴서C 1,C 2에 의해, 상기의 제1 직렬 공진 회로에는 공진 주파수f 1 S 가 형성된다.
상기의 매칭 트랜스포머의 2차 권선 (L 2)은 저항 (R 2), 코일 (L 3), 콘덴서(C 6), 부하와 직렬로 연결되어 공진 주파수f 2 S 를 갖는 제2 직렬 공진 회로를 구성한다. 이때, 상기의 매칭 트랜스포머의 1차 권선L 1과 2차 권선L 2는 전기적으로는 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되는 회로로서, 상호 인덕턴스와 자기장 결합계수에 의해 상기의 제1 직렬 공진 회로의L 1에 인가된 전압I 1 X L 1을 상기의 제2 직렬 공진 회로의L 2로 전달한다.
제 8-(a)도는 상기의 인버터 회로와 상기의 제1 직렬 공진 회로의 간략도로서, 제 8-(c)도와 같이 전압원E 1 eq , 인버터의 내부저항과 인덕터의 권선 저항을 포함하는 저항R 1 eq , 콘덴서C 1 eq , 그리고 인덕터L 1 eq 로 구성되는 등가회로로 나타낼 수 있다. 제 8-(b)도는 상기의 제2 직렬 공진 회로로서, 제 8-(d)도와 같이 전압원E 2 eq , 인덕터의 자기 저항과 권선 저항을 포함하는 저항R 2 eq , 콘덴서C 2 eq , 인덕터L 2 eq , 그리고 부하로 구성되는 등가회로로 나타낼 수 있다. 제 7-(c)도와 제 7-(d)도의 등가회로에 의한 상기의 제1 직렬 공진 회로와 상기의 제2 직렬 공진 회로의 주파수에 의한 전류 특성 곡선은 제 9도에 도시하였다.L eq /C eq 의 비율이 증가함에 따라 주파수 선택계수 (Q)는 증가하고 주파수 대역폭 (BW)은 감소하며, 소정의 인버터 스위칭 주파수f 0에 있어서L eq /C eq 의 비율이 증가함에 따라 전류량은 감소한다.
상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 결정된 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)에 의해 제2 직렬 공진 회로로 전달되는 전력의 인버터 스위칭 주파수f 0와 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수f 2 S 가 같은 경우에는 공진이 발생하여 인가된 전압과 전류의 위상이 같아져서 상기의 제2 직렬 공진 회로의 임피던스는 최소가 되어 최대의 전류가 흐르며, 콘덴서와 코일에 의한 무효전력이 존재하지 않으며총 피상 전력은 저항성분에 의해 소비된 평균 전력과 같아지므로 제2 직렬 공진 회로의 역률은 1이 된다. 또한, 상기의 인버터 스위칭 주파수f 0가 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수f 2 S 와 상이한 경우에는 상기의 제2 직렬 공진 회로의 임피던스Z T 2(f 2 S )가 증가하여 전류 (I 2)가 감소한다. 따라서 상기의 제2 직렬 공진회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 3)의 인덕턴스, 저항 (R 2), 콘덴서 (C 6)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수(Q 2)가 결정되어 부하에 흐르는 전류 (I 2)를 조절할 수 있다.
이상의 구성을 토대로, 상기의 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2) 값들의 일부 또는 전부에 의해 상기의 제1 직렬 공진 회로와 상기의 제2 직렬 공진 회로로 구성된 정합회로의 특성을 용이하게 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예로서 제 10도에 보인 회로가 본 발명에서 제안된 영 전압 스위칭 방식의 공진형 인버터, 제1 직렬 공진 회로와 제 2 병렬 공진 회로로 이루어진 실시예이다. 전압원2E(21)는 상용 교류 전원을 라인필터 및 고역률 평활회로를 사용하여 얻어지며,C 1,C 2는 콘덴서로서 입력전압2E(21)를 나누어서 전압원으로 사용할 수 있는 기능을 하며, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬 공진 회로를 구성한다. 상기의 제 7도의 실시예에서와 같이, 영 전압 스위칭 방식의 인버터로부터의 고주파의 구형파 전압이 상기의 매칭 트랜스포머 (22)의 1차 권선 (L 1)에 인가되어 교류 전류 (I 1)가 흘러 상기의 콘덴서C 1,C 2에 의해, 상기의 제1 직렬 공진 회로에는 공진 주파수f 1 S 가 형성된다
상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)은, 병렬로 연결된 저항(R 3), 코일 (L 4), 콘덴서 (C 7), 부하와 병렬로 연결되어 공진 주파수f p 를 갖는 제2 병렬 공진 회로를 구성한다. 이때, 상기의 매칭 트랜스포머의 1차 권선L 1과 2차 권선L 2는 전기적으로는 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되는 회로로서, 상호 인덕턴스와 자기장 결합계수에 의해 상기의 제1 직렬공진 회로의L 1에 인가된 전압I 1 X L 1을 상기의 제2 병렬 공진 회로의L 2로 전달한다.
제 8-(c)도의 등가회로에 의한 상기의 제1 직렬 공진 회로와 제 5-(b)도의등가회로에 의한 상기의R-L-C병렬 공진 회로의 주파수에 의한 전압특성 곡선은 제 11도에 보인 바와 같이 제 9도의 전류 특성 곡선과 유사하다. 병렬 공진 회로에서R l ,L p 그리고C가 총 임피던스Z T 에 대한 효과는 직렬 공진 회로의 전류 특성 곡선에 미치는 효과와 매우 유사하며.L p /C의 비율이 증가함에 따라 주파수 선택계수 (Q P )는 증가하고 주파수 대역폭 (BW p )은 감소하며, 소정의 인버터 스위칭 주파수f 0에 있어서L P /C의 비율이 증가함에 따라 전류량은 감소한다. 또한 전류원의 전류I는Z T 나 주파수의 어떤 값에서나 일정하기 때문에 병렬 공진 회로에 인가되는 전압은 총 임피던스Z T 와 같은 모양을 갖게 된다.
상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 결정된 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)에 의해 제2 병렬 공진 회로로 전달되는 전력의 인버터 스위칭 주파수f 0와 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수f p가 같은 경우에는 공진이 발생하여 인가된 전압과 전류의 위상이 같아져서 상기의 제2 병렬 공진 회로의 임피던스는 최대가 되어 최대의 전압이 인가된다. 또한, 상기의 인버터 스위칭 주파수f 0가 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수f p 가 상이한 경우에는 상기의 제2 병렬 공진 회로의 임피던스가 감소하여 병렬 공진회로에 인가되는 전압 (V p )이 감소한다. 따라서 상기의 제2 병렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 4)의 인덕턴스, 저항 (R 3), 콘덴서 (C 7)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p ), 주파수 대역폭 (BW p )과 주파수 선택계수 (Q p )가 결정되어 부하에 인가되는 전압 (V p )을 조절할 수 있다.
이상의 구성을 토대로, 상기의 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p ), 주파수 대역폭(BW p )과 주파수 선택계수 (Q p ) 값들의 일부 또는 전부에 의해 상기의 제1 직렬 공진 회로와 상기의 제2 병렬 공진 회로로 구성된 정합회로의 특성을 용이하게 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 첫째, 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 고주파의 교류로 변환하는 인버터 (스위칭 주파수f 0)에 있어서, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬 공진 회로를 구성하며, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)은 저항 (R 2), 코일 (L 3), 콘덴서(C 6), 부하와 직렬로 연결되는 제2 직렬 공진 회로 등에 의해 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
둘째, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)과 2차 권선 (L 2)은 전기적으로는 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
셋째, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)가 결정되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
넷째, 상기의 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 3)의 인덕턴스, 저항 (R 2), 콘덴서 (C 6)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2)가 결정되어 부하의 임피던스, 정격전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
다섯째, 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2) 값들의 일부 또는 전부에 의해 정합특성이 결정되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
여섯째, 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 고주파의 교류로 변환하는 인버터 (스위칭 주파수f 0)에 있어서, 매칭 트랜스포머(22)의 1차권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬 공진 회로를 구성하며, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선(L 2)은, 병렬로 연결된 저항 (R 3), 코일 (L 4), 콘덴서 (C 7), 부하와 병렬로 연결되어 제2 병렬 공진 회로 등에 의해 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
일곱째, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)과 2차 권선 (L 2)은 전기적으로 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
여덟째, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)가 결정되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
아홉째, 상기의 제2 병렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 4)의 인덕턴스, 저항 (R 3), 콘덴서 (C 7)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p), 주파수대역폭 (BW p )과 주파수 선택계수 (Q p )가 결정되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
열째, 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p ), 주파수 대역폭 (BW p )과 주파수 선택계수(Q p ) 값들의 일부 또는 전부에 의해 정합특성이 결정되어 부하의 임피던스, 정격 전압, 정격 전류가 급격히 변화하는 악조건에서도 별도의 보호회로나 제어회로가 없이 안정적으로 부하를 구동시킬 수 있는 정합회로를 제공한다.
따라서 본 발명은 전력절감, 소형화 및 경량화, 동작의 안정성 등의 장점을 갖는다.

Claims (10)

  1. 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 고주파의 교류로 변환하는 인버터 (스위칭 주파수f 0)에 있어서, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬공진 회로를 구성하며, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)은 저항(R 2), 코일 (L 3), 콘덴서 (C 6), 부하와 직렬로 연결되어 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 가변 부하용 정합회로.
  2. 제1 항에 있어서, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)과 2차 권선 (L 2)은 전기적으로는 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  3. 제1 항에 있어서, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수선택계수 (Q 1)가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  4. 제1 항에 있어서, 상기의 제2 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 3)의 인덕턴스, 저항 (R 2), 콘덴서(C 6)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수(f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2)가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  5. 제1 항에 있어서 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진회로의 공진 주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 2 S ), 주파수 대역폭 (BW 2)과 주파수 선택계수 (Q 2) 값들의 일부 또는 전부에 의해 정합특성이 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  6. 상용 주파수의 교류전원을 직류로 변환하고, 고주파의 교류로 변환하는 인버터 (스위칭 주파수f 0)에 있어서, 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 한 단은 인버터의 고주파의 구형파 전압을 분배하는 콘덴서 (C 1,C 2)가 상호 접속된 한 단자와, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 다른 한 단은 인버터의 스위칭 소자가 상호 접속된 한 단자에 연결되어 제1 직렬공진 회로를 구성하며, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)은, 병렬로 연결된 저항 (R 3), 코일 (L 4), 콘덴서 (C 7), 부하와 병렬로 연결되어 제2 병렬 공진 회로를 구성하는 가변 부하용 정합회로.
  7. 제6 항에 있어서, 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)과 2차 권선 (L 2)은 전기적으로 절연되고 자기장의 결합에 의해서는 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  8. 제6 항에 있어서, 상기의 제1 직렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭 트랜스포머(22)의 1차 권선 (L 1)의 인덕턴스와 콘덴서 (C 1,C 2)의 커패시턴스 값에 의해서 상기의 제1 직렬 공진 회로의 공진 주파수 (f 1 S ), 주파수 대역 폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1)가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  9. 제6 항에 있어서, 상기의 제2 병렬 공진 회로를 구성하는 상기의 매칭트랜스포머(22)의 2차 권선 (L 2)과 코일 (L 4)의 인덕턴스, 저항 (R 3), 콘덴서(C 7)의 커패시턴스 값에 의하여 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수(f p ), 주파수 대역폭 (BW p )과 주파수 선택계수 (Q P )가 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
  10. 제6 항에 있어서 인버터의 스위칭 주파수 (f 0), 상기의 제1 직렬 공진회로의 공진 주파수 (f 1 S )와 주파수 대역폭 (BW 1)과 주파수 선택계수 (Q 1) 및, 상기의 제2 병렬 공진 회로의 공진 주파수 (f p ), 주파수 대역폭 (BW p )과 주파수 선택계수 (Q p ) 값들의 일부 또는 전부에 의해 정합특성이 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 부하용 정합회로.
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