KR20070097093A - 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순간 전압 변동을 억제하여 고정밀도의 원하는 직류 전력을 출력하는 것이 가능한 컨버터를 얻는 것을 목적으로 한다. 공급된 전력의 전력 변환을 행하는 전력 변환부(11)와; 전력 변환된 상기 전력을 평활화하는 평활 필터(12)와; 평활화된 전력의 전압을 검출하는 전압 검출기(8)와; 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 원하는 전압값으로 되도록, 전력 변환부(11)내의 스위칭 소자의 통류율을 제어하기 위한 펄스 신호를 출력하는 제어부(17)를 구비하고 있다. 제어부(17)는 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 원하는 전압값보다 지나치게 과전압으로 되지 않도록, 해당 출력 전압이 제 1 소정 전압까지 상승했을 때에, 전력 공급을 일시 정지하는 동시에, 전력 공급 정지 중에, 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 원하는 전압값보다 지나치게 저전압으로 되지 않도록, 해당 출력 전압이 제 2 소정 전압까지 저하했을 때에 전력 공급을 재개한다.

Description

컨버터{CONVERTER}
본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 특히 전력 변환을 일시적으로 정지ㆍ재개시킴으로써 출력 전압의 순간 전압 변동을 방지하여, 출력측에 원하는 직류 전압을 공급하는 DC/DC 컨버터 또는 AC/DC 컨버터에 관한 것이다.
종래의 전기 차량용 DC/DC 컨버터의 시스템 구성에 있어서는 마이크로 컴퓨터로부터 발생시킨 출력 전압 기준과 출력 전압 검출값을 비교하고, 출력 전압이 전압 기준에 일치하도록 스위칭 소자의 통류율(conduction ratio)을 제어하고 있다(예를 들어, 비특허 문헌 1 참조)
상기 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 국내용의 출력 전압 사양은 변동 범위가 ±10% 까지 허용되고 있다. 일반적으로, 해외의 사양에서는 전압 변동 범위가 ±1% 전후 밖에 안되서 국내 사양과 비교하면 고정밀도가 요구된다. 따라서, 해외 사양을 만족하는 고정밀도의 컨버터 장치를 실현하기 위해서는 순간 전압 변동에 대해, 스위칭 주파수를 올려 제어 응답을 빠르게 하거나, 평활 컨덴서의 용량을 크게 하거나, 과전압 방지용 하드웨어를 추가하는 등의 대응을 필요로 하였다.
비특허 문헌 1 : 츠노에이지 외 6명, 「IGBT를 이용한 고주파 링크 방식 DC/DC 컨버터 장치」, 평성 7년 전기학회 전국대회 강연 논문집, 1995년
종래의 방법에서는 순간 전압 변동에 대해, 스위칭 주파수를 올림으로써 제어 응답을 빠르게 하거나, 평활 컨덴서의 용량을 크게 하여 전압 변동의 영향을 완화하거나, 과전압 방지용 하드웨어를 추가함으로써, 고정밀도의 사양에 대응해야 해서 장치가 대형화하는 동시에, 비용이 비싸진다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 스위칭 주파수를 올리지 않고, 또 평활 컨덴서의 대용량화, 과전압 방지용 하드웨어의 추가에 의한 장치의 대형화 및 비용 상승도 없으며, 순간 전압 변동을 억제하여 고정밀의 원하는 직류 전력을 출력하는 것이 가능한 컨버터를 얻는 것을 목적으로 하고 있다
본 발명은 공급된 전력의 전력 변환을 스위칭 소자에 의해 행하는 전력 변환 수단과; 상기 전력 변환 수단에 의해 전력 변환된 상기 전력을 평활화하는 평활 필터와; 상기 평활 필터로부터 출력되는 상기 전력의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과; 상기 전압 검출 수단에 의해 검출된 출력 전압이 원하는 전압값으로 되도록, 상기 스위칭 소자에 있어서 공급 전력의 통류율을 제어하기 위한 펄스 신호를 출력하는 제어 수단을 구비하고, 상기 제어 수단은 상기 출력 전압이 상기 원하는 전압값보다 소정의 제 1 허용 범위를 초과한 과전압으로 되지 않도록, 상기 출력 전압이 미리 설정된 제 1 소정 전압까지 상승했을 때에 전력 공급을 정지하는 컨버터이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 전기 차량용의 DC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1 및 2에 관한 컨버터에 설치된 마이크로 컴퓨터의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 2에 관한 DC/DC 전력 변환부의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 3에 관한 AC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 구성도이다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1의 예는 본 발명의 컨버터를 전기 차량용 DC/DC 컨버터에 적용시킨 것이고, 도 2는 해당 컨버터에 설치된 마이크로 컴퓨터의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 1에 있어서, DC/DC 컨버터(18)는 전압 검출기(8), 전력 변환부(11), 평활 필터(12), 제어부(17)로 구성된다. DC/DC 컨버터(18)는 가선(1)으로부터 팬토그래프(pantograph)(2)를 통하여 얻은 직류 전력을 DC/DC 변환하여, 배터리 부하(9) 및 전기 부하(10)로 구성되는 부하부(13)에 직류 전력을 공급하는 것이다.
전력 변환부(11)는 인버터(3), 트랜스(4) 및 정류기(5)로 구성된다. 인버터(3)의 스위칭 소자는 예를 들어 IGBT로 구성되고, 제어부(17)로부터의 게이트 펄스에 의해 제어되고, 가선(1)으로부터 주어지는 직류 전력을 팬토그래프(2)를 통하여 받아들여서 DC/AC 변환한다. 트랜스(transformer)(4)는 인버터(3)가 변환한 교 류 전력을 AC/AC 변환한다. 정류기(5)는 트랜스(4)가 변환한 교류 전력을 AC/DC 변환한다.
평활 필터(12)는 평활 리액터(6)와 평활 컨덴서(7)로 구성되고, 전력 변환부(11)에서 변환된 리플(ripple)이 많은 직류 전력을 평활화한다.
전압 검출기(8)는 출력 전압을 검출하여, 제어부(17)의 연산부(15)와 마이크로 컴퓨터(16)에 전압 검출값을 전달한다. 또한, 연산부(15)는 아날로그 회로 등으로 구성하도록 해도 되고, 또는 소프트웨어에 의해 구성하도록 해도 된다.
제어부(17)는 게이트 펄스 발생 회로(14), 연산부(15), 마이크로 컴퓨터(16)로 구성된다. 마이크로 컴퓨터(16)는 출력 전압이 원하는 전압으로 되도록 전압 기준을 출력한다. 연산부(15)는 전압 검출값과 전압 기준을 비교하고, 이 두 값이 일치하도록 전력 변환시키기 위한 스위칭 소자에 있어서 공급 전력의 통류율을 연산한다. 게이트 펄스 발생 회로(14)는 해당 통류율분의 게이트 펄스를 발생시킨다.
도 2의 플로우차트를 참조하면서, 마이크로 컴퓨터(16)의 동작에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 우선, 전압 검출기(8)로부터 출력되는 출력 전압(전압 검출값)의 값을 단계 S1에 있어서 읽어들인다. 다음으로, 단계 S2에 있어서 전압 기준의 출력 동작의 계속ㆍ정지 상태를 판단한다.
단계 S2에 있어서 전압 기준의 출력 동작이 계속 중이고, 단계 S3에 있어서 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 미리 설정된 제 1 소정값 미만이라고 판단되면, 단계 S4에 있어서 계속해서 전압 기준을 출력한다.
반대로, 단계 S2에 있어서 전압 기준의 출력 동작은 계속 중이지만, 단계 S3 에 있어서 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 상술한 제 1 소정값 이상이라고 판단되면, 단계 S5에 있어서 전압 기준의 출력 동작을 정지시켜 전력 공급을 정지시킨다. 이것은 즉, 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 원하는 전압값보다 지나치게 과전압으로 되지 않도록(즉, 소정의 허용 범위를 초과한 과전압으로 되지 않도록), 제 1 소정 전압까지 출력 전압이 상승했을 때에, 전력 공급을 일시적으로 정지시키기 위함이다.
또, 단계 S2에 있어서 전압 기준의 출력 동작이 정지 중이고, 단계 S6에 있어서 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 미리 설정된 제 2 소정값 이상이라고 판단되면 처리는 그대로 종료하고, 전압 기준의 출력 동작은 정지시킨 채로 된다.
반대로, 단계 S2에 있어서 전압 기준의 출력 동작은 정지 중이지만, 단계 S6에 있어서 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압이 상술한 제 2 소정값 미만이라고 판단되면, 단계 S7에 있어서 전압 기준의 출력 동작을 재개시키고, 단계 S4에 있어서 전압 기준을 출력한다. 이것은 즉, 전압 기준의 발생 정지 중에, 출력 전압이 원하는 전압값보다 지나치게 저전압으로 되지 않도록(즉, 소정의 허용 범위를 초과한 저전압으로 되지 않도록), 제 2 소정 전압까지 출력 전압이 저하했을 때에 전력 공급을 재개시키기 위함이다.
또한, 제 1 소정값과 제 2 소정값의 관계는 제 2 소정값 < 제 1 소정값의 관계를 만족하고 있다. 또, 제 1 소정값 및 제 2 소정값은 원하는 전압값으로부터의 허용되는 변동 범위이기 때문에, 국내 사양이면 ±10% 의 범위에서 적절히 설정되고, 해외 사양이면 ±1% 의 범위에서 적절히 설정된다.
본 발명에 있어서는 전압 기준을 출력하지 않는 경우에, 즉 전압 기준이 0V인 경우에는 연산부(15)가 전압 검출기(8)로부터의 출력 전압과, (본래 원하는 전압을 출력시키는 값이어야 할) 전압 기준을 비교하면, 출력 전압이 원하는 전압값을 큰 폭으로 초과하고 있다고 판단하기 때문에, 공급 전력을 급격히 줄여가는 제어를 행하고, 낮은 전압을 인버터(3)가 전력 변환하도록 지령한다. 그러나, 실제의 출력 전압보다 연산부(15)가 전력 변환 지령한 전압이 낮은 경우는 전력 변환부(11)에서부터 평활 필터(12) 및 부하부(13)로의 전력 공급은 행하지 못하고 전력 공급을 정지하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 있어서는 전력 공급을 일시적으로 정지시킬 수 있으므로, 순간 전압 변동에 대한 억제 기능을 다할 수 있고, 고정밀도의 원하는 직류 전력을 공급할 수 있는 효과를 갖는다. 또, 본 발명에 있어서는 마이크로 컴퓨터의 동작에 의해 전력 공급의 제어를 실현할 수 있으므로, 스위칭 주파수를 올려 제어 응답을 올리거나, 하드웨어를 대형화하거나, 과전압 방지용 하드웨어의 추가를 위한 비용 상승 등의 필요가 없다고 하는 이점이 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(16)가 전압 기준의 출력을 재개시킬 수 있으므로, 전력 공급을 용이하게 재개할 수 있다. 따라서, 출력 전압이 지나치게 저하하는 것을 방지하여, 출력측에 고정밀도의 원하는 직류 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
실시 형태 2.
도 3에, 상술한 실시 형태 1에서 나타낸 전력 변환부(11)의 다른 구성도를 나타낸다. 본 실시 형태에 있어서 전력 변환부(11)는 도 1에 있어서 인버터(3)와 트랜스(4)와 정류기(5)로 하는 구성이 아니라, 도 3에 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자 GTO(26)과 다이오드(27)로 구성하는 초퍼(chopper)이다. 본 실시 형태에 있어서 전력 변환부(11)에 있어서도 실시 형태 1과 동일한 DC/DC 변환을 행할 수 있고, 마이크로 컴퓨터(16)의 동작은 도 3에 나타낸 본 실시 형태의 전력 변환부(11)에 대해서도 도 2와 동일한 제어 효과를 나타낸다.
실시 형태 3.
도 4는 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4의 예는 본 발명의 컨버터를 AC/DC 컨버터에 적용시킨 것으로, 해당 컨버터에 설치된 마이크로 컴퓨터의 동작을 나타내는 플로우차트는 도 2와 동일하기 때문에, 도 2를 참조하고자 한다. AC/DC 컨버터(31)는 전압 검출기(8), 전력 변환부(11), 평활 필터(12) 및 제어부(17)로 구성되고, 교류 전압원(28)으로부터 스위치(29)를 통하여 교류 전력을 받아들이고, AC/DC 변환하여 원하는 직류 전력을 출력하는 것이다.
전력 변환부(11)는 스위칭 소자 MOSFET를 이용하는 정류기(30)만으로 구성된다. 해당 스위칭 소자는 제어부(17)에 의해 제어되고, 교류 전압원(28)으로부터 교류 전력을 받아들여 AC/DC 변환한다. 평활 필터(12), 전압 검출기(8) 및 제어부(17)의 구성 및 동작은 실시 형태 1과 동일하기 때문에 도 1을 참조하고, 여기서는 그 설명은 생략한다. 제어부(17)내에 설치되어 있는 마이크로 컴퓨터(16)(도 1 참조)의 동작은 도 4의 전압 변환부(11)에 대해서도 실시 형태 1과 동일한 제어 효과를 나타낸다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서도, 실시 형태 1과 동일하게, 전력 공급을 일시적으로 정지시킬 수 있으므로, 순간 전압 변동에 대한 억제 기능을 다할 수 있고, 고정밀도의 원하는 직류 전력을 공급할 수 있는 효과를 갖는다. 또, 본 발명에 있어서는 마이크로 컴퓨터의 동작에 의해 전력 공급의 제어를 실현할 수 있으므로, 스위칭 주파수를 올려 제어 응답을 올리거나, 하드웨어를 대형화하거나, 과전압 방지용 하드웨어의 추가를 위한 비용 상승 등의 필요가 없다고 하는 이점이 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(16)가 전압 기준의 출력을 재개시킬 수 있으므로, 전력 공급을 용이하게 재개할 수 있다. 따라서, 출력 전압이 지나치게 저하하는 것을 방지하여, 출력측에 고정밀도의 원하는 직류 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
실시 형태 4.
상기 실시 형태 1 및 2에서는 전기 차량용의 DC/DC 컨버터의 제어에 대하여 설명하였으나, 배터리 충전 기기용이어도 되고, 그 경우도 상기 실시 형태 1 및 2와 동일한 제어 효과를 나타낸다. 배터리 충전 기기용의 경우, 도 1 및 도 3에 있어서 전력 변환부(11)의 스위칭 소자가 MOSFET나 사이리스터(thyristor)나 트랜지스터이어도 동일한 효과를 나타낸다.
실시 형태 5.
실시 형태 3에서는 스위칭 소자로서 MOSFET를 이용하였으나, IGBT나 사이리스터나 트랜지스터이어도 동일한 제어 효과를 나타낸다.
본 발명에 의하면, 이상과 같이 구성됨으로써, 제어 수단에 의해 출력 전압이 원하는 전압값보다 지나치게 과전압으로 되지 않도록 일시적으로 전력 공급이 정지될 수 있으므로, 스위칭 주파수를 올려 제어 응답을 올리지 않고, 또 평활 컨덴서의 대용량화, 과전압 방지용 하드웨어의 추가에 의한 장치의 대형화도 없으며, 제어 수단의 동작에 의해 순간 전압 변동의 억제를 할 수 있고, 고정밀도의 원하는 직류 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 공급된 전력의 전력 변환을 스위칭 소자에 의해 행하는 전력 변환 수단과,
    상기 전력 변환 수단에 의해 전력 변환된 상기 전력을 평활화하는 평활 필터와,
    상기 평활 필터로부터 출력되는 상기 전력의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과,
    상기 전압 검출 수단에 의해 검출된 출력 전압이 원하는 전압값으로 되도록, 상기 스위칭 소자에 있어서 공급 전력의 통류율(conduction ratio)을 제어하기 위한 펄스 신호를 출력하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단은 상기 출력 전압이 상기 원하는 전압값보다 소정의 제 1 허용 범위를 초과한 과전압으로 되지 않도록, 상기 출력 전압이 미리 설정된 제 1 소정 전압까지 상승했을 때에 전력 공급을 정지하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 스위칭 소자에 있어서 공급 전력의 통류율을 제어하기 위한 전압 기준의 출력 정지 중에, 상기 출력 전압이 상기 원하는 전압값보다 소정의 제 2 허용 범위를 초과한 저전압으로 되지 않도록, 상기 출력 전압이 미리 설정된 제 2 소정 전압(<제 1 소정 전압)까지 저하했을 때에 전력 공급을 재개하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전력 변환 수단에 의한 상기 전력 변환은 DC/DC 변환인 것을 특징으로 하는 컨버터.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전력 변환 수단에 의한 상기 전력 변환은 AC/DC 변환인 것을 특징으로 하는 컨버터.
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