KR20050091437A - 능동 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터 - Google Patents

능동 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료전지, 배터리 등의 직류전원을 상용의 교류전원으로 변환하기 위한 인버터의 구성에 있어서, 능동형 입력 필터를 포함하는 고주파 링크 전류원 방식으로 구현하여 인버터의 소형화와, 연료전지 또는 배터리의 보호 및 수명연장 효과를 얻는 기술에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 직류전원(Vdc)으로부터 주 회로 인덕터(Ls)에 의해 소정의 펄스전류를 흐르게 하는 풀 브릿지 인버터(11)와; 상기 풀 브릿지 인버터(11)에서 발생되는 펄스전류를 출력회로로 전달하는 고주파 변압기(T1); 상기 변압기의 출력 펄스전류를 전류의 방향에 따라 온, 오프 작동을 하는 양방향 스위치(S1, S2); 상기 양방향 스위치를 통과한 전류를 평활시키는 출력 캐패시터(Ca, Cb); 상기 캐패시터 양단의 출력전압(Vo)이 기준전압(Vref)을 추종하도록 모스 트랜지스터(M1-M4)와 양방향 스위치(S1, S2)의 온, 오프 동작을 제어하는 인버터 콘트롤러(12); 직류전원(Vdc)에서 발생하는 맥동전류를 평활시키는 능동 입력필터 회로(13) 및; 필터 인덕터(Lf)의 전류가 맥동전류를 추종하여 직류전원(Vdc)에서 발생하는 맥동전류를 제거하도록 모스 트랜지스터(M5, M6)의 온, 오프 동작을 제어하는 필터 콘트롤러(14)를 구비하여 구성된다.

Description

능동 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터{HIGH FREQUENCY LINK CURRENT-FED INVERTER WITH ACTIVE INPUT FILTER}
본 발명은, 연료전지, 배터리 등의 직류전원을 상용의 교류전원으로 변환하는 인버터에 관한 것으로, 특히 인버터의 소형화와, 연료전지 또는 배터리의 보호 및 수명연장 효과를 얻을 수 있는 능동형 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터에 관한 것이다.
한편, 연료전지, 배터리 등의 직류전원으로부터 상용의 교류전원을 얻기 위해서는 전력용 반도체 소자와 변압기 등을 이용하여 직류전원을 상용의 교류전원으로 변환하는 전력변환장치가 필요하다. 참고로 이러한 장치를 인버터라고 한다. 상기 목적의 인버터는, 직류전원으로부터의 낮은 입력전압을 승압시키는 직류/직류 변환기와, 승압된 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 직류/교류 변환장치로 구성된다.
또한, 연료전지 또는 배터리의 전압은, 인버터에 공급되는 입력전류의 변화에 매우 민감하며, 큰 맥동전류가 흐를 경우 연료전지 또는 배터리의 성능과 수명이 현저히 저하된다. 따라서, 상기 목적에 사용되는 인버터의 입력 측에는 맥동전류를 평활시킬 수 있는 입력필터가 부가되어야 한다.
도 1은, 종래 기술에 의한 인버터의 구성 회로도이다. 이와 같은 종래의 인버터는, 직류전원(Vdc)에서 공급되는 전류를 평활시키는 입력필터(1)와, 직류전원의 낮은 전압을 승압하는 직류/직류 변환기(2) 및, 상기 직류/직류 변환장치의 출력전압을 교류전압으로 변환시키는 직류/교류 변환기(3)로 구성된다. 이하, 이러한 인버터의 작용·동작에 대해 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 직류전원(Vdc)과 직접 연결된 입력필터(1)는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성됨과 더불어, 이의 전자기적 작용에 의해 직류전원(Vdc)으로부터 공급되는 입력전류를 평활시키는 작용을 한다.
상기 입력필터(1)의 출력전압은 직류/직류 변환기(2)에서 모스 트랜지스터(M1-M4)의 온, 오프 동작에 의해 고주파 교류 펄스로 변환되어 변압기(T1)의 1차측에 유기되며 소정의 권선비(Turns Ratio)에 따라 승압되어 2차측으로 전달된다.
이와 같이, 변압기(T1) 2차측에 승압되어 유기된 펄스전압은 다이오드 정류기에서 정류되고, 직류링크(DC Link) 캐패시터(CL)에서 평활되어 높은 값의 직류전압으로 변환된다. 참고로, 이와 같은 방법으로 직류링크 캐패시터(CL)에 형성된 직류전압을 직류링크 전압이라고 한다.
상기 직류/직류 변환기에서 승압된 직류전압은 직류/교류 변환기(3)에서 펄스폭 변조방식으로 제어되는 파워 트랜지스터(Q1-Q4)의 온, 오프 동작에 의해 정현파 성분을 가진 교류 펄스전압으로 변환된다. 이러한 과정으로 발생된 교류 펄스전압은 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)로 구성된 출력필터 회로에서 평활되고, 깨끗한 정현파 전압으로 변환되어 부하(ZL)에 공급된다.
도 1과 같은 종래의 인버터는, 직류/직류 변환기(2)와 직류/교류 변환기(3)로 구성된 2단의 전력변환 과정을 거치게 되므로, 구성회로가 복잡하고, 효율이 낮으며, 직류/직류 변환기의 출력단에 매우 큰 직류링크 캐패시터(CL)가 필요하다는 단점이 있다.
또한, 직류전원을 인버터를 이용하여 교류전원으로 변환하여 사용할 경우, 인버터의 입력단에 맥동전류가 발생 하는데, 이에 대해 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터에서 60Hz의 정현파 교류전압이 출력될 경우 순시전력(Ps)은 120Hz 주파수의 맥동을 가지며, 인버터의 입력전류(is)에서도 동일한 주파수의 맥동전류(ir)가 발생한다. 종래의 인버터에서는 120Hz 주파수를 가진 맥동전류(ir)에 대해 적절한 평활효과를 얻으려면 매우 큰 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)가 필요하게 되어 소형으로 구현이 불가능 했다.
이와 같이 종래 기술에 의한 인버터에서는 2단의 전력변환 단계를 거치게 되어 회로가 복잡하고, 효율이 낮으며, 직류/직류 변환기의 직류링크 캐패시터(CL)의 크기가 매우 커서 소형화가 어렵다는 결함이 있었다.
또한, 입력필터(1)의 구성에 있어서, 적절한 평활효과를 얻으려면 매우 큰 크기의 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)가 필요하여 실용화가 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 종래의 직류/직류 변환기와 직류/교류 변환기로 구성된 인버터를 직류링크 캐패시터 없이 직류/교류 변환기만을 사용하여 1단으로 구성하고, 종래의 큰 크기의 인덕터와 캐패시터로 구성된 수동형 입력필터 대신 모스 트랜지스터와 캐패시터를 사용하는 능동 입력필터를 사용함으로써, 종래의 인버터에 비해 회로 구성이 간단하여 저가로 구현이 가능하고, 효율이 높으며, 소형화가 가능한 인버터를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 능동형 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터는, 직류전원으로부터 주 회로 인덕터에 의해 소정의 펄스전류를 흐르게 함과 더불어, 다수의 모스 트랜지스터로 이루어진 풀 브릿지 인버터 회로와; 풀 브릿지 인버터에서 발생되는 펄스전류를 출력회로로 전달하는 고주파 변압기; 변압기의 출력 펄스전류를 캐패시터에 적절히 충전하기 위한 양방향 스위치; 양방향 스위치를 통과한 전류를 충전하여 정현파 전압을 발생시키는 캐패시터; 캐패시터 양단의 출력전압이 기준전압을 추종하도록 모스 트랜지스터와 양방향 스위치의 온, 오프 동작을 제어하는 인버터 콘트롤러; 직류전원에서 발생하는 맥동전류를 평활시키는 능동 입력필터 및; 필터 인덕터의 전류가 맥동전류를 추종하여 직류전원에서 발생하는 맥동전류를 제거하도록 모스 트랜지스터의 온, 오프 동작을 제어하는 필터 콘트롤러를 구비하여 구성된 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 회로구성이 간단하여 저가로 구현할 수 있고, 효율이 높으며, 능동 입력필터를 포함하더라도 소형화 할 수 있어 연료전지 또는 배터리의 보호 및 수명 연장이 가능하다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도3은, 본 발명에 따른 능동 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 인버터는 주 회로 인덕터(Ls) 및 풀 브릿지 인버터(11)와; 상기 풀 브릿지 인버터 회로에서 발생되는 펄스전류를 출력회로로 전달하는 고주파 변압기(T1); 상기 변압기의 출력 펄스전류를 캐패시터에 적절히 충전하기 위한 양방향 스위치(S1, S2); 상기 양방향 스위치를 통과한 전류를 충전하여 정현파 전압을 발생 시키는 캐패시터(Ca, Cb); 상기 캐패시터 양단의 출력전압(Vo)과 주 인덕터(Ls)의 전류를 제어하는 인버터 콘트롤러(12); 직류전원(Vdc)에서 발생되는 전류맥동을 평활시키는 능동 입력필터 회로(13) 및; 상기 능동 입력필터를 제어하는 필터 콘트롤러(14)에 의해 구성된다.
이하, 도 3을 참조하여 상기 본 발명에 따른 인버터의 작용·동작에 대해 상세히 설명한다.
우선, 인버터 콘트롤러(12)에서 생성된 펄스폭 변조신호에 따라 모스 트랜지스터(M1-M4)가 온, 오프 동작을 하고, 이로 인해 주 인덕터(Ls)에 소정의 전류가 흐르게 된다.
상기 전류는 모스 트랜지스터(M1-M4)의 동작에 따라 증가 또는 감소되거나 펄스전류로 변환되어 변압기(T1)에 의해 2차측으로 전달된다. 즉, 모스 트랜지스터 M1과 M3 또는 M2와 M4가 온 상태이면 주 인덕터(Ls) 전류는 증가하고, 모스 트랜지스터 모두가 오프 되면 전류는 감소한다. 참고로, 이때 전류는 클램핑 다이오드(Df)와 필터 캐패시터(Cf)를 통해서 흐른다.
상기 동작에 의해 제어된 주 인덕터(Ls) 전류는 모스 트랜지스터 M1과 M4 또는 M2와 M3가 온 상태일 때 변압기(T1)를 통해 2차측으로 전달된다. 참고로, 모스 트랜지스터 M1과 M4가 온 상태일 경우에는 정극성(+)의 전류가 2차측으로 전달되고, M2와 M3가 온 상태일 경우에는 부극성(-)의 전류가 2차측으로 전달된다.
이와 같이 2차측으로 전달된 전류는 양방향 스위치(S1, S2)의 온, 오프 동작에 따라 출력 캐패시터(Ca, Cb)에 충전되어 크기는 동일하면서 극성이 반대인 정현파 전압을 형성하고, 이 2개의 전압의 차가 출력 캐패시터(Ca, Cb) 양단에 병렬 접속된 부하(ZL)에 공급된다.
도 4는, 본 발명에 따른 인버터에 부가된 능동 입력필터(13)의 동작개념을 설명하기 위한 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 능동 입력필터(13)가 없을 경우, 입력전류(is)는 평균전류(ia)와 맥동전류(ir)의 합(is=ia+ir)으로 나타날 수 있다.
반면, 능동 입력필터(13)가 있을 경우, 능동 입력필터(13)에서 맥동전류(ir)와 동일한 필터전류(if)가 공급되므로, 입력전류(is)는 평균전류(ia)와 동일한 값을 가지게 되어 맥동전류(ir)가 제거되는 효과를 얻게 된다.
이하, 상기와 같은 효과를 얻기 위한 능동 입력필터(13)의 동작에 대해 상세히 설명한다.
맥동전류(ir)의 크기가 양일 경우에는, 모스 트랜지스터(M5), 다이오드(D6), 필터 인덕터(Lf)가 강압형(Buck) 컨버터 회로를 구성 하며, 필터 캐패시터(Cf)에 저장된 에너지가 모스 트랜지스터(M5)의 온, 오프 동작에 의해 인버터 회로에 공급된다.
반면, 입력전류의 맥동성분이 음일 경우에는, 모스 트랜지스터(M6), 다이오드(D5), 필터 인덕터(Lf)가 승압형(Boost) 컨버터 동작을 하며, 맥동성분과 같은 전류가 직류전원으로부터 필터 캐패시터에 충전된다.
상기 2가지의 동작에서 제공 또는 저장되는 전하량은 같기 때문에, 필터 캐패시터(Cf)의 전압은 안정적으로 유지되고, 그 값은 직류 입력전압(Vdc)보다 크다. 그리고, 필터 인덕터(Lf)에 흐르는 전류(if)의 크기는 맥동전류(ir)와 동일하도록 필터 콘트롤러(14)에서 제어된다.
본 발명에 따른 인버터의 출력전압(Vo)은 인버터 콘트롤러(12)에 의해 제어되며, 인버터 콘트롤러(12)의 동작에 대해 도 5를 참조하여 다음과 같이 설명할 수 있다.
소정의 기준전압(Vref)과 측정된 출력전압(Vo)으로부터 계산된 오차전압을 근거로 비례적분(PI) 제어기(12A)에서 제어전압이 생성된다. 이러한 제어전압은 펄스폭 변조신호 발생기(12B)에서 풀 브릿지 인버터(11)의 모스 트랜지스터(M1-M4)와 2차측 양방향 스위치(S1, S2)의 온, 오프 동작을 제어하는 펄스신호로 변조된다. 상기 펄스 신호는 풀 브릿지 인버터(11)의 동작 모드를 결정하는 모드 선택기(12D)를 거쳐 출력되며, 이 신호에 의해서 인버터의 출력전압(Vo)과 주 인덕터(Ls) 전류(iL)가 제어된다.
모드 선택기(12D)는 인버터의 1차측 전류가 2차측으로 전달되지 않는 구간, 즉, 모스 트랜지스터 M1과 M3 또는 M2와 M4가 턴 온 되거나 모두가 턴 오프 되는 구간에서 주 인덕터 전류의 증가 또는 감소를 결정하는 것으로, 기준전류(iref)와 주 인덕터(Ls) 전류의 오차를 적분기(12C)를 사용하여 적분하면 풀 브릿지 인버터(11)의 모드 설정 신호를 얻을 수 있다.
상기의 적분기(12C) 출력값이, 정극성(+)이면 주 인덕터(Ls) 전류가 증가하도록 모스 트랜지스터 M1과 M3 또는 M2와 M4를 턴 온 시키고, 부극성(-)이면 전류가 감소하도록 모스 트랜지스터(M1-M4) 모두를 턴 오프 시킨다.
따라서, 이러한 동작에 의해 주 인덕터(Ls)의 전류는 기준전류(iref)값을 추종하도록 제어된다. 참고로, 상기 회로에서 적분기는 모드 선택 신호가 발생된 후 매번 리셋된다.
이하, 능동 입력필터를 제어하는 필터 콘트롤러(14)의 동작에 대해 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
출력전압(Vo)과 전류(io)를 이용하여 평균전류 계산기(14A)에서 한 주기 동안의 평균전류(ia)가 계산되며, 주 인덕터(Ls) 전류(iL)와 평균전류(ia)의 오차는 맥동전류(ir)를 나타낸다. 이러한 맥동전류(ir) 값과 필터 인덕터(Lf) 전류(if)로부터 계산된 오차전류를 근거로 비례적분 제어기(14B)에서 제어신호가 발생되며, 펄스폭 변조신호 발생기(14C)에서 펄스신호로 변조된다.
상기의 펄스신호는 모드 선택기(14D)를 거쳐 출력되며 모스 트랜지스터(M5, M6)의 온, 오프를 제어한다.
상기의 모드 선택기(14D)는 오차전류의 극성에 따라 동작되는데, 오차전류의 값이 정극성(+)을 가지면 모스 트랜지스터(M5)와 다이오드(D6)가 강압형 컨버터로 동작되고, 필터 캐패시터(Cf)로부터 인버터에 전류가 공급되도록 모스 트랜지스터(M5)가 온, 오프 제어된다.
만약, 제어신호가 부극성(-)을 가지면 모스 트랜지스터(M6)와 다이오드(D5)는 승압형 컨버터로 동작되고, 필터 인덕터(Lf) 전류가 필터 캐패시터(Cf)에 충전되도록 모스 트랜지스터(M6)가 온, 오프 제어된다.
상기의 각 동작 모드에서 모스 트랜지스터(M5, M6)의 온, 오프 시간은 펄스폭 변조신호 발생기에서 결정되며, 이에 따라 필터 인덕터(Lf)의 전류가 맥동전류(ir)를 추종하게 된다.
상기 기술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 단일 전력단을 가진 고주파 링크 전류원 방식의 새로운 인버터 회로 구성을 사용하고, 모스 트랜지스터와 캐패시터로 구성된 능동 입력필터를 부가함으로써, 회로구성이 간단하여 저가로 구현이 가능하고, 효율이 높으며, 능동 입력필터를 포함하더라도 소형화가 가능하여 연료전지 또는 배터리의 보호와 수명 연장이 가능한 인버터 장치를 용이하게 구현할 수 있다.
도1은, 종래 기술에 따른 인버터의 구성예를 나타낸 회로도,
도2는, 직류전원을 이용한 인버터의 구성시 순시전력, 입력전류, 맥동전류를 나타낸 그래프,
도3은, 본 발명에 따른 능동 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터를 나타낸 회로도,
도4는, 본 발명에 따른 능동 입력필터의 동작을 나타낸 블럭도,
도5는, 도 3에 도시된 인버터 콘트롤러의 상세 블럭도,
도6은, 도 3에 도시된 필터 콘트롤러의 상세 블럭도이다.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
11 --- 풀 브릿지 인버터, 12 --- 인버터 콘트롤러,
13 --- 능동 입력필터, 14 --- 필터 콘트롤러,
12A, 14B --- 비례적분 제어기, 12B, 14C --- 펄스폭 변조신호 발생기,
12C --- 적분기, 12D, 14D --- 모드 선택기,
14A --- 평균전류 계산기.

Claims (6)

  1. 능동형 입력필터를 갖춘 고주파 링크 전류원 방식의 인버터에 있어서,
    직류전원(Vdc)으로부터 주 회로 인덕터(Ls)에 의해 소정의 펄스전류를 흐르게 함과 더불어, 다수의 모스 트랜지스터(M1-M4)로 이루어진 풀 브릿지 인버터 회로(11)와,
    상기 풀 브릿지 인버터(11)에서 발생되는 펄스전류를 출력회로로 전달하는 고주파 변압기(T1),
    상기 변압기의 출력 펄스전류를 캐패시터에 적절히 충전하기 위한 양방향 스위치(S1, S2),
    상기 양방향 스위치(S1, S2)를 통과한 전류를 충전하여 정현파 전압을 발생시키는 캐패시터(Ca, Cb),
    상기 캐패시터(Ca, Cb) 양단의 출력전압(Vo)이 기준전압(Vref)을 추종하도록 상기 모스 트랜지스터(M1-M4)와 양방향 스위치(S1, S2)의 온, 오프 동작을 제어하는 인버터 콘트롤러(12),
    상기 직류전원(Vdc)에서 발생하는 맥동전류를 평활시키는 능동 입력필터(13) 및,
    필터 인덕터(Lf)의 전류가 맥동전류를 추종하여 직류전원(Vdc)에서 발생하는 맥동전류를 제거하도록 모스 트랜지스터(M5, M6)의 온, 오프 동작을 제어하는 필터 콘트롤러(14)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인버터 콘트롤러(12)는, 출력전압(Vo)이 소정의 기준전압(Vref)을 추종하도록 기준전압(Vref)과 출력전압(Vo)의 오차를 근거로 제어전압을 발생하는 비례적분 제어기(12A)와, 모스 트랜지스터의 온, 오프 동작을 제어하는 펄스폭 변조신호 발생기(12B), 전류오차의 적분하는 적분기(12C) 및, 상기 적분 값을 근거로 인버터 회로(11)의 동작모드를 결정하는 모드 선택기(12D)로 구성된 것을 특징으로 하는 인버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 능동 입력필터(13)는, 입력전류에서 발생하는 맥동전류를 제거하도록 필터 인덕터(Lf)와, 모스 트랜지스터(M5, M6) 및 다이오드(D5, D6), 필터 캐패시터(Cf) 및, 클램핑 다이오드(Df)로 구성됨과 더불어, 입력단에 병렬로 접속된 것을 특징으로 하는 인버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 필터 콘트롤러(14)는, 출력전압(Vo)과 전류(io)로부터 평균전류(ia)를 계산하는 평균전류 계산기(14A)와, 필터 인덕터(Lf) 전류(if)가 맥동전류를 추종하도록 전류의 오차를 근거로 제어신호를 발생하는 비례적분 제어기(14B), 펄스폭 변조신호 발생기(14C) 및, 모드 선택기(14D)로 구성된 것을 특징으로 하는 인버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 풀 브릿지 인버터(11)를 구성하는 모스 트랜지스터(M1-M4)가 모두 턴 오프 될 경우, 주 회로 인덕터(Ls)에 저장된 에너지를 다이오드(Df)와 캐패시터(Cf)를 통해 회수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 인버터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 풀 브릿지 인버터(11)를 구성하는 모스 트랜지스터(M1-M4) 중 하나가 턴 오프 되는 순간에 높은 전압에 의해 모스 트랜지스터가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 다이오드(Df)와 캐패시터(Cf)로 클램핑 작용을 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 인버터.
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