KR20050081051A - 3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템 - Google Patents

3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템에 관한 것으로, 특히 단상 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 정류기-인버터 구조에서 반도체 소자의 수를 줄여 시스템의 비용을 절감하고 역률과 효율을 개선한 3-레그(Leg) 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템은 입력전원과 동일한 주파수의 가변전압을 갖는 교류전원을 생성하여 부하에 공급하기 위한 펄스폭 변조 정류기-인버터 시스템에 있어서, 상기 입력전원과 동일한 주파수로 스위칭 작용을 하는 공통 레그와, 상기 공통 레그의 스위칭 작용과 함께 펄스폭 변조 방식으로 스위칭을 하여 입력전류를 제어하는 정류기 레그와, 상기 공통 레그의 스위칭 작용과 함께 펄스폭 변조 방식으로 스위칭을 하여 출력전압을 제어하는 인버터 레그를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템{THREE LEG TYPE PULSE WIDTH MODULATION CONVERTER-INVERTER SYSTEM}
본 발명은 3 레그(Leg) 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템에 관한 것으로, 특히 단상 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 정류기-인버터 구조에서 반도체 소자의 수를 줄여 시스템의 비용을 절감하고 역률과 효율을 개선한 3-레그(Leg) 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 단상 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 정류기-인버터 구조는 교류전압제어 및 무정전 전원공급장치 등의 많은 전력전자 응용분야에서 사용하고 있다. 도 1은 종래기술에 의한 4 레그 형태의 정류기-인버터 시스템의 회로 구성도로서, 일반적으로 단상 PWM 정류기(10)는 제 1도와 같은 2 레그 형태의 4개의 스위치 S1, ... ,S4 로 구성되며 마찬가지로 단상 PWM 인버터(20)는 2 레그 형태의 4개의 스위치 S5, ... ,S8 로 구성된다. 그리고, VS 및 iS 는 입력전압 및 전류를 나타내며 VO 및 i0 는 출력전압 및 전류를 나타낸다. 그리고, LS 는 입력전류 필터이며 L0 및 C0 는 출력전류 및 전압 필터이다.
이러한 종래의 4 레그 형태의 정류기-인버터는 앞단의 스위치 S1, ... ,S4 가 정류기의 역할을 담당하고, S5, ... ,S8 가 인버터의 역할을 담당하여 고정주파수와 고정전압의 입력전원을 가변주파수, 가변전압의 교류전원으로 바꿀 수 있다.
그러나, 종래의 4 레그 형태의 정류기-인버터 시스템은 다수개의 반도체(스위치) 소자를 사용하게 됨으로써 스위칭 손실(switching loss)과 도통 손실(conduction loss)이 커 시스템의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 시스템의 비용이 크게 소요된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 이러한 4 레그 형태의 정류기-인버터 시스템을 특정한 스위칭 방식을 통해 3 레그 형태의 구조로 구성하여 반도체 소자의 수를 줄임으로써 반도체 소자의 스위칭 손실과 도통 손실을 줄여 전체적인 시스템의 효율을 높이고 시스템의 비용을 크게 절감할 수 있도록 한 3 레그 형태의 정류기-인버터 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템은 입력전원과 동일한 주파수의 가변전압을 갖는 교류전원을 생성하여 부하에 공급하기 위한 펄스폭 변조 정류기-인버터 시스템에 있어서, 상기 입력전원과 동일한 주파수로 스위칭 작용을 하는 공통 레그와, 상기 공통 레그의 스위칭 작용과 함께 펄스폭 변조 방식으로 스위칭을 하여 입력전류를 제어하는 정류기 레그와, 상기 공통 레그의 스위칭 작용과 함께 펄스폭 변조 방식으로 스위칭을 하여 출력전압을 제어하는 인버터 레그를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 3 레그 형태의 정류기-인버터 시스템의 회로 구성도이다.
도시된 바와 같이, 3 레그(Leg) 형태의 정류기-인버터는 정류기 레그(30)와 인버터 레그(50) 및 정류기 레그(30)와 인버터 레그(50)의 가운데에 공통 레그(40)가 위치하여 정류기 레그(30)와 인버터 레그(50)에 공통으로 사용되어진다. 정류기 레그(30)는 2개의 스위치(T1, B1)로 구성되고, 인버터 레그(50)는 2개의 스위치(T3 , B3)로 구성되며, 공통 레그(40) 역시 (T2, B2)로 구성된다.
이러한 본 발명의 구성에서, 공통 레그(40)를 저주파수인 입력전원 VS 과 동일한 주파수로 스위칭을 하고 나머지 정류기 레그(30)와 인버터 레그(50)를 펄스폭 변조(PWM) 주파수인 고주파로 스위칭을 하면 고정주파수의 가변 교류전원을 얻을 수 있게 된다.
공통 레그(40)의 스위치들을 입력전원의 주파수로 스위칭을 하면 정류기 레그(30)과 인버터 레그(50)의 스위치들을 단극성(unipolar) 펄스폭 변조(PWM) 방식으로 스위칭할 수 있게 되며, 정류기 레그(30)과 인버터 레그(50)의 스위치들을 서로 독립적으로 제어할 수 있게 된다. 즉, 정류기 레그(30)는 입력전류를 제어하기 위한 방향으로 펄스폭 변조(PWM) 스위칭하며, 인버터 레그(50)는 출력전압을 제어하기 위한 방향으로 펄스폭 변조(PWM) 스위칭하게 된다.
또한, 본 발명의 시스템의 입력부와 출력부에는 각각 입력측 변압기(80)와 출력측 변압기(90)가 접속되어 있다. 다시 말해, 입력측 변압기(80)는 입력전원부와 정류기 레그(30)간을 절연하여 시스템 입력부로부터 발생하는 노이즈를 차단하여 시스템의 오동작을 방지하며, 출력측 변압기(90)는 인버터 레그(50)와 출력 부하(70)간을 절연하여 입력측이나 시스템 내부로부터 발생되는 노이즈를 차단하여 노이즈가 부하(70)에 인가되는 것을 막아주게 된다. 결국, 변압기를 시스템의 입,출력측 모두에 접속하여 사용함으로써 시스템 및 부하를 노이즈로부터 안전하게 보호할 수 있게 되는 것이다.
이러한 본 발명의 3 레그 형태의 펄스폭 변조 정류기-인버터의 동작 방법은 도 3 및 도 4에 나타나 있다. 구체적으로, 도 3a 내지 도 3d의 동작모드는 도 2의 입력전압이 양의 값을 갖는 반주기동안의 동작모드를 나타내며, 도 4a 내지 도 4d의 동작모드는 도 2의 입력전압이 음의 값을 갖는 반주기동안의 동작모드를 나타낸다. 여기서, 두꺼운 실선 표시는 각각의 모드에서 전류의 흐름 방향을 나타내는 것이다.
도시된 바와 같이, 공통 레그(40)는 입력전압과 같은 주파수로 스위칭하게 되는데 입력전압이 양의 값을 가지는 경우 공통 레그(40)의 아래쪽 스위치 B2는 도통되고 위쪽 스위치 T2는 소거된다. 반대로, 입력전압이 음의 값을 가지면 공통 레그(40)의 위쪽 스위치 T2는 도통되고 공통 레그(40)의 아래쪽 스위치 B2는 소거된다.
먼저, 도 3a, 3b에서는 정류기 레그(30)의 아래쪽 스위치 B1과 공통 레그(40)의 아래쪽 스위치 B2가 모두 도통되는데 이 때에는 인덕터의 전류 iS 가 양의 방향으로 증가하고 증가된 자기에너지는 인덕터 LS 에 저장된다.
이러한 도 3a, 3b에서의 동작모드는 인버터 레그(50)의 펄스폭변조에 의한 스위칭에 의해 결정된다. 인버터 레그(50)의 위쪽 스위치 T3이 온(On)되면 도 3a에서와 같이 직류전압 Vd가 인버터에서 나가고 전류 i0 가 부하(70)측으로 흐르게 되며, 인버터 레그(50)의 아래쪽 스위치 B3가 온되면 도 3b에서와 같이 역전압이 부하에 인가되어 출력전류는 스위치 B2와 B3를 통하여 흐르게 된다.
한편, 도 3a, 3b와의 스위치 동작과는 반대로 정류기 레그(30)의 스위치 B1이 소거되고 T1이 도통되는 도 3c, 3d의 동작모드에서는 인덕터 LS 에 저장된 자기에너지가 직류측으로 전달되며 직류콘덴서(60)가 입력전류 iS 에 의해 충전된다. 양의 전압인 Vd가 부하(70)에 인가되어 직류콘덴서(60)가 출력전류 i0 로 방전되므로 iS - i0 만큼의 전류가 직류콘덴서(60)를 충전 혹은 방전시키게 된다.
도 4의 동작모드는 입력전압이 음의 값을 갖는 경우로써 상술한 도 3에서 설명한 동작모드와 동일한 방식으로 동작하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 방식으로 스위칭을 하게 되면 공통 레그(40)를 통해서는 입력전류와 출력전류의 차이만큼의 전류만 흐르게 되며 종래기술과 비교하여 하나의 레그가 줄어들게 된다. 즉, 도통하는 스위치의 수가 줄어들게 되어 도통손실을 적어지게 됨으로써 시스템의 효율과 역률이 크게 향상되며 이와 더블어 시스템의 비용을 현저하게 줄일 수 있게 되는 것이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 4 레그 형태의 정류기-인버터 시스템을 특정한 스위칭 방식을 통해 3 레그 형태의 시스템으로 구성하여 반도체 소자의 수를 줄임으로써, 반도체 소자의 스위칭 손실과 도통 손실을 줄여 전체적인 시스템의 효율과 역률을 높이고 시스템의 비용을 크게 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 의한 4 레그 형태의 정류기-인버터 시스템의 회로 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 3 레그 형태의 정류기-인버터 시스템의 회로 구성도.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 입력전압이 양의 값을 갖는 반주기동안의 동작모드를 나타내는 도면.
도 4a 내지 도 4d는 도 2의 입력전압이 음의 값을 갖는 반주기동안의 동작모드를 나타내는 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
30 : 정류기 레그 40 : 공통 레그
50 : 인버터 레그 60 : 직류콘덴서
70 : 부하 80 : 입력 변압기
90 : 출력 변압기

Claims (2)

  1. 입력전원과 동일한 주파수의 가변전압을 갖는 교류전원을 생성하여 부하에 공급하기 위한 펄스폭 변조 정류기-인버터 시스템에 있어서,
    상기 입력전원과 동일한 주파수로 스위칭 작용을 하는 공통 레그와,
    상기 공통 레그의 스위칭 작용과 함께 펄스폭 변조 방식으로 스위칭을 하여 입력전류를 제어하는 정류기 레그와,
    상기 공통 레그의 스위칭 작용과 함께 펄스폭 변조 방식으로 스위칭을 하여 출력전압을 제어하는 인버터 레그를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력전원과 상기 정류기 레그간을 절연하여 상기 입력전원으로부터 발생하는 노이즈를 차단하여 시스템의 오동작을 방지하는 입력측 변압기와, 상기 인버터 레그와 출력측 부하간을 절연하여 상기 입력전원부와 시스템 내부로부터 발생되는 노이즈를 차단하여 부하를 보호하는 출력측 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3 레그 형태의 펄스폭변조 정류기-인버터 시스템.
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