KR20080063447A

KR20080063447A - 반도체(igbt)를 응용한브릿지형pwm 정류기.

Info

Publication number: KR20080063447A
Application number: KR1020080042150A
Authority: KR
Inventors: 이병호
Original assignee: 이병호
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2008-07-04

Abstract

본 개발품은 병렬3상 PWM 정류기의 단순한 다이오드(DIODE) 정류기와 위상 제어 정류기를 이용하여 만든것 보다 역율이 다른 정류기 보다 좋으며 6 펄스(PULSE) SCR 정류기에 비해서 비슷한 성능를 보이며 제어 방법과 구조가 간단하여 반도체(IGBT)가 적게 들어가기 때문에 비용면 에서도 월씬 유리하다.

병렬 3상 정류기의 장점은 스위칭(SWITCHING) 주파수가 각각 PWM 정류기에서 스위칭주파수의 2배가되어 입력과 출력 파형의 잡음(RIPPLE)이 적으며 필터(FILER) 설계를 적게 할 수가 있다. 스위칭 주파수를 낮게 사용해도 입력측의 두 PWM 정류기의 스위칭 동기가 180도 위상 있기 때문에 하나의 PWM 정류기의 입력전류가 불연속 전류 구역에 있을때 다른 PWM 정류기에 전류가 흐러므로 항상 입력측에서 출력측으로 전류가 흐르게 되어 각 PWM 정류기에서는 펄스(PULSE) 파형이 입력전류가 연속전류가 된다.

이러한 연속전류를 가진 정류기는 전류의 고조파 성분을 최소화 시킴 으로서 고역율이 된다. 같은 용량의 출력을 낼 경우 두 개의 PWM 정류기가 동시에 동작 하며 스위칭 주파수를 하나의 PWM정류기에서 보다 절반이하로 사용할 수가 있다.

따라서 각정류기의 입력전류가 부담하는 최대 전류값을 절반 이하의 낮은정격 으로도 사용할 수가 있으며 스위칭 속도가 고속 스위칭 하므로서 성능향상 시겼으며 구조적으로 병렬 3상 PWM 정류기는 하나의 3상 PWM정류기 보다는 더 많은 반도체(IGBT)와 입력 리액턴스가 필요 하지만 스위칭 주파수를 내림으로서 값싸고 쉽 게 구할수 있는 반도체(IGBT)를 이용하여 병렬 3상 PWM정류기는 하나의 3상 정류기에 비해 더 이상적인 정현파 입력전류를 얻을수 있으며 그만큼 비용 부담을 덜게 됐다. 한편 싸리스터(SCR) 정류방식은 입력 측에 고조파 함유율이 많으므로 역율이 떨지는게 사실이다.

그래서 타 정밀한 기기에 영향을 줄뿐 아니라 전기적 손실 또한 효율 면에서도 떨어지는게 사실이다. 이 방식의 개발은 고역율 저비용을 생각한다면 반도체(IGBT)를 응용한 브릿지형 정류기의 발명으로 인하여 전력변환 장치에 있어서 고 비용에서 벗어났다 하겠다.

반도체(IGBT)를 응용해 역변환장치를 풀 브릿지(FULL BRIDGE) 방식 이나 하프 브릿지(HAULF BRIDGE) 방식이 있으나 이 방식은 온도나 써지 및 노이즈(NOISE) 에 약하고 이것을 보완하여 반도체(IGBT)를 사용하되 직류(DC)를 전류변환 스위칭(SWITCHING) 만하기 때문에 간단하고 쉽게 구동(DRIVING) 하며 반도체(IGBT) 인버터 방식보다 효율면이나 현장에 가장 적합한 방식이라 하겠다.

인버터 방식의 간단하게 에를 들면 인버터 플라즈마 절단기는 안정적인 출력을 얻고 또 출력전류를 쉽게 하기위하여 주파수를 변조 시켜 고주파 스위칭(SWITCHING) 하는 방식이며 교류전원을 정류 소자를 통해 정류하여 직류전원으로 만들며 이것을 다시교류전원으로 주파수를 높혀 PWM 으로 만들어 이것을 다시 정류시켜 플라즈마 주전원으로 사용하는 방식이다.

이방식은 변환되는 과정이 많아 고장율 이 또한 손실과 효율 및 역율 면에서 떨어지므로 이 장치를 개발하여 구조가 간단하면서도 고역율인 기계라 하겠다.

이 플라즈마 전력창치를 개발 함므로 인하여 플라즈마 절단기의 획기적인 성과라 하겠다.

플라즈마 전력변환창치의 전력소자의 변천은 괄목할 만큼 발전해 왔지만 대전압 대전력 에서는 아직 구동(DRIVER) 방식면 이나 스위칭(SWITCHING) 방식면 에서는 대전력 에서는 개선해야 할점이 많다.

또한 첨단 장비나 기기를 우리 산업분야에 전반에 적용하는데 있어서 신중히 고려 해야할 점이 있다고 본다. 기기의 내구성 관리 사용장소 등의 적용에 따른 파급문제 등을총체적 관점에서 판단 해야 한다는 점이다 첨단이라고 해서 무조건 좋은것은 아니다 .

기기의 관리 면에서 효율면에서 또한 A/S면에서도 평가.검토를 해야 할것이다.

금번 이기기를 발명하므로 플라즈마 전력변환장치의 고효율 고역율 또한 고장이 잘나지 않는 전력변환장치 될것으로 기대해 본다.

반도체(IGBT)를 응용한 PWM 브릿지형 정류기의 문제점을 해결한점

1)기존 3상스위칭(SWITCHING) 방식 보다 고조파(HAMORNIC) 함유율이 적다 IGBT를 고속 스위칭(SWITCHING) 하므로서 입력측의 RIPPLE 을 현저히줄임.

2)복권 트랜스(ISORATION TRANS)의 단자(TAP)를 조정하여 고압전력 변환으로 만들 수 있다.

3)기존 SCR 스위칭(SWITCHING) 과정에서 발생하는 고조파(HAMORNIC)함유율 왜율(DISTORTION)을 줄일수 있다.

4)구조가 복잡한것을 간단하고 단순한 방식이며 A/S가 편리해 졌다.

5)IGBT 전단과 후단에 전류 감지기(CURRENT SENSING)를 부착하여 전류제한(CURRENT LIMMITING) 및정전류(CONSTANT CURRENT) 운전이 가능하다.

6)기존전원장치 보다 고역율 운전이 가능하다.

7)내부회로가 복잡하지 않고 간단하다.

8)용량 증설이 가능하고 (같은 전압 일때)추가로 부착할수 있도록 복합체(MODULE) 방식을 채택하였다.

9)출력측은 싸리스터(SCR)를 사용하여 토치시 전기적 손실(LOSS)를 최소화 하였다.

스위칭주파수.리액터.정류.정류기.복권트랜스.조절기.고조파.병렬.왜율.절체하다.잡음.단자.역변환기.복합체.전류제한.변환기. 전원 공급기.컨버터.싸리스터.전류감지기.출력전기적손실.정전류.고압전력변환.효율 .역율.후단.용량.회로.토치.인버터.

Description

반도체(IGBT)를 응용한브릿지형PWM 정류기.{IGBT BRIDGE TYPE PWM RECTIFIRE}

본 발명은 금속.기계.조선.전기.화학등 동력의 전원(POWER)를 공급하는 전원장치에 대해서 관심이 있는바 이장치를 개발하게 되었다. 이 플라즈마장치는 기존의 복잡하고 잦은고장을 방지하고 간단하여 비용(COST)면 에서도 월등하게 저렴므로 산업사회에 원동력이 되고 또한 질좋은 제품을 공급하고자 이 장치를 발명 하였다.이 장치는 전력변환장치로 주로 플라즈마 전원 뿐만 아니라 도금.용접.자동차.조선에 이러기까지 고전압 대전력을 사용하는 곳이면 어디든지 사용할 수가 있다.

본장치는 싸리스터(SCR) 반도체 방식보다 쉽고 간단하여 기존의 복잡한 스위칭(SWITCHING) 방식을 해결하고 쉽고 간단하고 또한 출력은 양질을 공급하기 위해 개발 했다.입력은 전기적잡음(RIPPLE) 과 고조파(HAMORNICS)를 최소화 하기위해 리액터(REACTANCE)와 콘덴서(CONDENSER)로 회로를 구성하며 TNR과 ZNR으로도 다시 한번 2중회로를 구성했다.

입력은 3상(PHASE) 440V의 트랜스(TRANS)가 60KVA 복권트랜스(ISOLATION TRASFORMER) 2회로 구성이 필요하며 2차전압은 AC 200V가 된다. 2차 2회로는 3상브 릿지(PHASE BRIDGE) 회로를 구성하며 후단에는 반도체(IGBT) 2회로를 사용하여 PWM 스위칭(PULSE WIETH MODULATION)을 하게 되고 다시 브로킹 다이오드(BLOCKING DIODE)(SCR ON OFF 할때 REACTION CURRENT) 를 통하여 최종출력(LORDING)하게 되는 방식이다.(고전압.대전력)

1)기존 방식은 싸리스터(SCR) 스위칭(SWITCHING)방식이므로 전기적잡음(RIPPLE)과 고조파(HARMORNIC)성분이 많이 함유 하므로 정류방식을 다이오우드 브릿지 방식(RECTIFIRE DIODE BRIDGE TYPE)를 사용하여 고조파(HAMORNICS) 성분를 최소화 하였다.

2)대전압(HIGH OLTAGE) 대전력 부하(LOAD) 이며 출력(OUTPUT) 측에서 되돌아 오는 맴돌이 잡음(BACK RIPPLE)을 최소화 하였다.(복권 TRANS)

3)입력(INPUT)측의 고조파(HAMORNIC) 문제를 해결하기위하여L.C 회로와 TNR과ZNR 회로를 구성 보완 하였다.

4)반도체(IGBT)를 PWM 고속반도체 스위칭(SWITCHING)하여 효률을 증가 시켰으며 직류 전류센스(DC CT)를 사용하여 출력전류(OUTPUT CURRENT) 를 제어할수 있도록 설계 제작 하였다.

5)출력(OUTPUT) 측은 양질의 전원(POWER SOARECE) 얻을수 있도록 맥류 성분을 최대로 줄였다.(2중 평활회로)

6)급작스런 부하(LOAD) 변동을 막을수 있도록 수하특성을 보완하였다.

7)기존의 복잡한 회로 구성을 간편하게 설계 하였다.

8)최종 출력은 싸리스터(SCR)에 신호를(TRIG)가하여 출력측 대전력을 온-오프(ON OFF) 할수 있도록 설계하였다.

입력(INPUT)3상(PHASE)440V를 받아 입력(INPUT)측에는 고조파 필터(HARMONIC FILTER)가 달려있고 복권트랜스(ISOLAITION TRANS)으로 입력전압 3상(PHASE)440V를 200V로 DOWN시켜 3상(PHASE) 정류(FULL BRIDGE) 다음 후단을 반도체(IGBT)로 PWM 스위칭(SWITCHING) 하여 쵸퍼회로를 거치며 이것을 다시 직류 스위치(DC SWITCH:TRIAC)를 통하여 플라즈마 전원(POWER SOARCE)으로 쓰는 방식이다.

이 회로는 기존 싸리스터(SCR) 방식보다 고조파(HARMORNIC) 함유율이 적으며 전기적 잡음(BACK RIPPLE)을 복권(ISOLATION TRANSFOMER)으로 최소화 시켰으며 또한 구조가 간단하여 고장율이 적으며 A/S 하기가 간단하다. 이 장치는 복잡한 기존방식 고조파(HAMORNIC)나 전기적 잡음(ELECTRIC RIPPLE) 등 스위칭(SWITCHING)과정에서 일어날 수 있는 반도체(IGBT) 파손을 해소하고 간단하고 전기적으로 튼튼하며 잦은 고장을 방지하는데 또한 저 비용에 그 목적이 있다고 하겠다.

기존 싸리스터(SCR) 방식은 3.5.7.고조파 함유율을 현저히 줄였으며 리액터(REACTANCE)와 콘덴서(CONDENSER)를 공진화시켜 고조파(HARMORNIC) 성분을 줄였으며 TNR ZNR 을 응용하여 전기적 잡음을 줄였음.(인쇄회로 기판으로 회로구성)복권 트랜스(ISOLATION TRANSFORMER)를 이용하여 입력(INPUT)으로 되돌아오는 맴돌이 전류(BACK RIPPLE)를 최소화 하였다.스위칭(SWITCHING) 할때의 전기적 잡음(ELECTRIC RIPPLE) 및 고조파(HAMORNICS)를 다이오드 정류(FULL BRIDGE DIODE) 방식으로 최소화 하였다.(L.C 공진회로 및 R.C 시정수 등으로 회로구성)

이 방식은 비용(COST)를 절약하기위해 반도체(IGBT)를 응용하여 출력전류 제어(OUTPUT CURRENT CONTROL)를 할수 있고 전압(VOLTAGE)은 복권 트랜스(ISOLATION TRANSFORMER)의 단자(TAP)를 이용하여 전압(VOLTAGE)도 제어할수 있다. 또한 고역율을 고효율을 만족하기 위해 3상 다이오드 정류(BRIDGE DIODE) 방식과 반도체(IGBT) 한 개를 응용하여 스위칭(SWITCHING)하는 PWM 브릿지형 정류방식(PWM BRIDGE RECTIFIRE TYPE)을 이용 하면 된다.

이것은 제어회로가 단순하다. 그러나 역율을 좋게 하기위해서는 입력전류(INPUT CURRENT)가 불연속(비선형)이 되도록 PWM 제어를 해야 한다.불연속(비선형) 전류는 파형(PULSE) 형태를 취하므로 회로에 사용되는 반도체(IGBT)즉 스위칭(SWITCHING)반도체와 전류정격을 높게 만들어 입력전류(INPUT CURRENT)의 불연속(비선형)에 의한 고조파(HAMORNICS)가 커지고 입력(INPUT) 의 L.C 공진회로가 커진다. 따라서 반도체(IGBT)의 고주파 스위칭(SWITCHING)을 하여 필터(FILTER)를 크게하는 요인을 해결 하였다.입력전류(INPUT CURRENT) 가 불연속(비선형)이 출력전류(OUTPUT CURRENT) 도 불연속(비선형)이 되며

따라서 출력전압 잡음(OUTPUT VOLTAGE RIPPLE)이 크게 발생하여 출력 필터(OUTPUT FILTER) 역시 주파수(FREQUENCY) 특성이 우수하고 용량이 큰것을 사용해야 한다.또한 이러한 단점을 보완하기 위하여 다이오드 정류기(DIODE BRIDGE) 2회로를 만들고 입출력(INPUT OUTPUT) 을 병렬(PARARELL) 로 했으며 제어는 IGBT 2개를 180 도 위상차를 주어 제어(CONTROL) 하는 2중으로 쓰는 PWM 제어방식을 채택 했다.

본 정류기(RECTIFIRE)의 개발은 병렬3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)는 각각의 정류기(RECTIFIRE)가 가지고 있는 입출력(INPUT OUTPUT) 불연속(비선형) 전류가(CURRENT)가 연속전류가 되기때문에 입력전류(INPUT CURRENT)의 고조파(HAMORNICS)성분을 최소화하여 시키고 고역률을 얻을수가 있다또한 한 개의 정류기(RECTIFIRE)보다 입출력(INPUT OUTPUT) 에서의 PWM 스위칭주파수(PWM SWITCHING FREQUENCY)가 2배가 되므로 제어시 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 낮게할수가 있어 스위칭 손실을(SWITCHING LOSS) 줄일 수가 있다.

그리고 온-오프(ON OFF) 시간(TIME)을 줄일수가 있어 즉 고속스위칭(HIGH SPEED SWITCHING)을 하지 않아도 된다. 그리고 이장치는 다중 병렬이 가능하며 고전압 대전류(HIGH VOLTAGE.HIGH CURRENT)에 많이 이용될 수가 있겠고.

즉 플라즈마 전원(POWER SOARECE) 이나 도금용 정류기 용접(RECTIFIRE WELDING)용등 우리나라 산업사회의 전원장치(POWER SUPPLY)에 요긴하게 쓸수가 있다. 또한 이 정류(RECTIFIRE)장치는 다중이 가능하므로 스위칭(SWITCHING) 반도체 즉 반도체(IGBT)의 용량을 줄일 수가 있다. 본 장치의 발명은 소비자가 저 비용(COST)에 이용 할수가 있으며 구조가 간단하고 A/S가 편리하며 저비용 고효율 적으로 사용할 수가 있으므로 정류장치 분야에 (고전압 대전력) 많은 도움이 되었으면 한다.

직류변환기에 있어서 앞으로의 과제는 역율이 나쁘나 이를 개선하기 위하여 우리나라에서 뿐만 아니라 다른나라 에서도 연구가 활발히 진행되고 있다.3상 (PHASE)반파를 전파로 3상(PHASE) 전파를 6상(PHASE)전파로 6상(PHASE) 전파를 12상(PHASE) 전파로 파형(WAVE)를 SCR을 이용하여 각도(ANGLE)를 주어 파형(WAVE)의 고조파(HAMORNICS)를 분해하여 FILTRING 하는 방법이 있지만 현재에는 능동형 필터(ACTIVE FILTER)(IGBT 반도체를 응용하여 입력파형을 고속 스위칭하여 고조파 파형(WAVE)을 제거 시키는 방식)로 역율을 거의 90％ 이상으로 만드는 방법을 많이 쓴다. (IGBT를 응용하여 만든 능동형 필터(ACTIVE FILTER) 로서 초고속 스위칭 하여 입력 파형을 정현파(SINE WAVE) 에 가깝도록 하는 방법) 그러나 플라즈마 전원장치(POWER SOARECE) 에는 고전압.대전류(HIGH VOLTAGE HIGH CURRENT) 이므로 이방식이 가장 적합하며 고 효율적 이라 하겠다.

3상(PHASE 정류(BRIDGE)식 정류기(RECTIFIRE)는 IGBT 반도체가 하나이며 제어(CONTROL) 회로가 단순하며 그러나 역율을 좋게 하기 위하여 입력전류(INPUT CURRENT)가 불연속이 되도록 PWM를 해야 되며 이불연속(비선형) 전류(CURRENT)는 파형(PULSE) 형태를 취하므로 반도체(IGBT)의 정격전류(CURRENT)를 높게 설계해야 된다. 입력전류(IPUT CURRENT) 의 불연속에 의한 입력(INPUT)의 고조파(HAMORNICS) 성분이 커져 입력(INPUT)측 L값과 C값이 커지므로 반도체(IGBT)의 스위칭 주파수(SWITCHING FREQENCY)를 높게 하여 이를 해결할 수가 있다.

입력 전류(INPUT CURRENT)가 불연속이 되면 출력전류(OUTPUT CURRENT) 도 불연속이 되는 단점이 있다. 따라서 출력전류(OUTPUT CURRENT) 의 잡음(RIPPLE)이 크게 되고 출력필터(OUTPUT FILTER) 역시 주파수(FREQUENCY) 특성이 우수한 CUT CORE나 몰딩 CORE를 사용하는 것이 좋다. 가장 큰 장점은 입출력(INPUT OUTPUT)을 병렬 로 연결이 가능하여 고전압 대전류(HIGH VOLTAGE.HIGH CURRENT) 용에 적합한 기계(플라즈마 전원장치)라 하겠다.

이 장치(SYSTEM)의 즉 반도체(IGBT)를 응용한 3상브릿지형정류기(PHASE BRIDGE TYPE RECTIFIRE)의 회로를 분석해 보면 입력은 고조파(HAMORNICS) 제거용 L.C 공진회로가 달려있어 입력의 고조파(HAMORNICS) 를 최소화 했고 또한 입력(INPUT) 의 이상전압. 돌입전류(SAG.INITIAL CURRENT) 등을 방지하는 기능을 하는 기판(인쇄회로 기판)이 전단에 위치해 있고.

다음은 입력(INPUT)측은 복권 트랜스(ISOLATION TRANSFORMER) 가있다. 이는 복권으로 되어 있으며 2차측에는 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)에서 발생하는 고주파 잡음(SWITCHING RIPPLE). 부하(LOAD)측 고전류(HIGH CURRENT) 를 온- 오프(ON OFF) 할때 발생하는 불연속 잡음(RIPPLE:비선형 잡음)등이 입력(INPUT) 측으로 넘어가지 못하게 막는 역할을 한다.또한 탭을 이용하여 출력전압(OUTPUT VOLTAGE) 를 조정한다. 복권 트랜스(ISOLATION TRANSFORMER) 후단에는 3상정류 다이오드(BRIDGE DIODE) 6개를 3상전파 정류를 하는(AC-DC)역활을 함. 다음은 맴돌이 잡음(BACK RIPPLE)을 방지하는 브로킹 다이오드(BLOKING DIODE:BACK DIODE)가 있다.

이것은 부하시 맥류성분(HAMORNIC)이 후단에서 전단으로 넘어가지 못하게 막는 역할을 한다. 반도체(IGBT)의 역할은 제어 기판(CONTROL PCB)에서 20KHZ 고속 스위칭(SWITCHING)을 하여 반도체(IGBT)의 에미터(EMITTER)와 게이트(GATE)간의 PWM 파형(PULSE)을 넣어 스위칭(SWITCHING) 한다. 다음 리액터(REACTANCE)와 콘덴 서(CONDENSER) 를 사용하여 평활 회로를 구성하여 맥류파를 잡음(RIPPLE) 없는 DC로 만든다. 이것은 최종 스위치(SWITCH)를 (SCR을 응용한 무순단 전자 스위치) 통하여 플라즈마 토치를 하게 된다. 이상은 간략한 하기 도면1의 설명과 부품의 역할의 효과에 대해서 기술했다.

동작원리

1)전류제어(CURRENT CONTROL) 를 하는 3상브릿지형 반도체(IGBT) 정류기(PHASE BRIDGE TYPE IGBT RECTIFIRE)는 입력(INPUT)측에는 리액터(REACTANCE) 3개 AC 콘덴서(CONDENSER) 3개를 이용하여 공진형 필터(L.C.회로)로 구성되어 있으며 그후단에는 TNR.ZNR.저항(RESISTANCE).다이오드(DIODE) 콘덴서(CONDENSER).등으로 구성되는 인쇄회로 기판(PCB)으로 구성 한다.이는 입력(INPUT)측의 이상전압(SAGGING) 맴돌이 잡음(BACK RIPPLE).등 전기적 잡음(RIPPLE)을 방지 하는 회로로 구성했다.

2)복권트랜스(ISOLATION TRANSFORMER)은 복권으로 감겨 있으며 입력(INPUT) 3상(PHASE) 440V 를 인가하여 출력(OUTPUT) 3 상(PHASE) 200V를 상하 10V 가변되는 단자(TAP)가 있는 2차 3상(PHASE) 2회로로 구성되며 2회로 병렬로 정류되는 600A용 정류기(RECTIFIRE)가 되겠다.

3)정류 다이오드(BRIDGE DIODE)는 300A 팩 다이오드(PEAK DIODE)를 사용하여 2회로 병렬로 사용 하였다.반도체(IGBT)는 2개 회로를 병렬로 하여 용량 증설이 가능 하도록 하였다. 스위칭 주파수(SWITCHING FREQUENCY)는 20KHZ 고속 스위칭 (SWITCHING) 하여 고역율 정류하도록 하여 플라즈마 전원(POWER SOARCE) 에 사용 할수 있도록 하였다.

4)브로킹 다이오드(BLOCKING DIODE)는 용량을 계산하여 설계하였다.

5)평활회로의 리액턴스는 자기 용량의 5-7％로 설계하였다.(L이 받아 들일수 있는 값)

6)DC 콘덴서(CONDENSER)는 내압이 높은 DC450V/4700UF(국내산) 를 병렬로 사용하여 맥류 성분(HAMORNIC)을 완전 제거 하였다.

7)출력은 싸리스터(SCR)을 응용하여 온-오프(ON OFF)하는데 무순단 스위칭(SWITCHING) 할수 있도록 하였다.(4MS)

상기 회로구성을 간략 설명 하였다.

상기 구성에서 출력전압(OUTPUT VOLTAGE)의 제어는 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 일정하게 동작 시켜 도통 시간을 부하(LOADING) 의 상태에 따라 제어(CONTROL) 한다. 스위치(SWITCH)가 온(ON) 할때 입력전류(INPUT CURRENT)는 정류 다이오드(BRIDGE DIODE)와 스위치(SWITCH)를 통하여 단락된다. 이때 모든 입력전류(INPUT CURRENT)는 동시에 각 상(PHASE)의 순시값 에 비례하며 증가(INCREASE)한다.오프(OFF) 일때는 L에 축적된 에너지(ENERGY)가 출력 다이오드(DIODE)를 통해 전달되며

따라서 L에 흐르는 전류(CURRENT)가 감소되어 PWM 스위칭 위치(SWITCHING POSITION)에서 전류(CURRENT)가 흐르지 않는 비선형 전류(CURRENT) 구역을 만들어 다음의ON 신호(SIGNAL) 가 들어올때 까지 0전류를 유지하게 된다. 입력전류(INPUT CURRENT)는 ON 위치의 마지막 순간에서 첨두전류(PEAK CURRENT)를 이루며 최대(PEAK)값은 입력전압(INPUT VOLTAGE)의 크기에 비례되고 결과적으로 입력 전류(INPUT CURRENT)의 평균치는 정현파(SINE WAVE)가 되고 전압에대한 전류(CURRENT)의 위상은 같아서 고조파(HAMORNICS) 성분을 최소화 시키는 것이 역률 개선 할수있는 방법이다.또한 입력전압(INPUT VOLTAGE)는 120도 위상차를 가지며 스위칭 주파수(SWITCHING FREQUENCY) 가 입력전압(INPUT VOLTAGE) 의 주파수(FREQUENCY)보다 초고주파 이므로 스위칭주기(SWITCHING CYCLE) 동안에 입력전압(INPUT VOLTAGE)는 항상 일정하다.

동작 위치(MOD)에서 부하(LOAD)의 상태에 따라 입력전류(INPUT CURRENT)가 불연속(비선형)이 되도록 유지하면서 PWM 제어 방법으로 스위칭 제어(SWITCHING CONTROL) 하기 때문에 한 스위칭 주기(SWITCHING CYCLE)에 대해 입력전류(INPUT CURRENT)의 상태가 시간(TIME)에 따라 바뀐다. 부하(LOAD)의 상태에 따라 입력전류(INPUT CURRENT)가 불연속이 되도록 유지하면서 PWM제어 방법으로 스위치(SWITCH)를 제어 하기 때문에 한 스위칭주기(SWITCHING CYCLE) 에 대해 입력전류(INPUT CURRENT)의 상태가 시간(TIME)에 따라 바뀐다.

스위치(SWITCH)의 온(ON) 시간(TIME)에 입력전류(INPUT CURRENT)는 스스로 바뀌는 MOD(구역)와 모든 입력전류(INPUT CURRENT)가 바뀌지 않는 불연속 구역인 MOD로 구분된다. 입력전압(INPUT VOLTAGE)의 대칭조건을 이용하여 0-60도 구간(Va＞ 0.Vc ＜ Vb ＜ 0)에 대하여 해석하여 전체 시간(TIME)으로 확장하기로 한다.

여기서 각 상(PHASE)의 순시 입력전압(INPUT VOLTAGE)는 Va,Vb,Vc를 여기서 입력(INPUT) 순시 전압(VOLTAGE) Va=V COS(∂) Vb=VCOS(∂-120도) Vc=VCOS(∂-240도) 가되고 여기서 V는 입력 전압 최대(INPTPUT VOLTAGE PEAK) 치이다. 스위치가 도통되는 구간에서 t0에서 입력전류(INPUT CURRENT)가 0부터 증가 (INCREASE) 하기 시작하고 입력전류(INPUT CURRENT)는 전압(VOLTAGE)의 크기에 비례하고 일정하게 증가(INCREASE) 한다.

이때 각 상(PHASE)의 입력전류(INPUT CURRENT) Ia Ib Ic는 Ia(t)=Va/L*t Ib(t)=Vb/L*t Ic(t)= Vc/L*t 가되고 여기서 L은 리액터(REACTANCE)이다. 도통시간(TIME)의 끝 순간인 t1에서 모든 입력전류(INPUT CURRENT)는 다음과 같은 최대치(PEAK)를 이룬다.Ia(t1)=Va/L*t1 Ib(t1)=Vb/L*t1 Ic(t1)=Vc/L*t1 이때구간은 t0-t1은 t1-t0=DTs 여기서 D는 PWM 스위칭(SWITCHING)의 도통율 이며 Ts는 스위칭(SWITCHING)주기이다. 출력(OUTPUT) 평균 전류(CURRENT)는 스위치(SWITCH)의 OFF구간인 t1에서 t3까지의 입력전류(INPUT CURRENT) 를 한 주기(CYCLE)에 대해서 평균 하면 된다.

주회로의 특성

저가이며 고역율을 동시에 만족할수 있는 3상브리지형정류기(PHASE BRIDGE TYPE RECTIFIRE)는 한 개의 반도체(IGBT)를 응용하여 구성되는 3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)는 구조면에서 단순하고 제어(CONTROL) 방법이 쉬우며 A/S 하기에도 우선 편리하다. 이 구조 에서는 높은 역율을 얻기 위해서는 입력전류(INPUT CURRENT)가 비선형 이 되도록 제어해야 하므로 입 출력전류가 파형(PULSE) 형태를 취하게 된다. 따라서 단순한 3상PWM 정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)가 입출력 전류 (INPUT.OUTPUT CURRENT) 의 고조파(HAMORNICS) 성분이 커지며 또한 비선형 전류(CURRENT)에 의한 회로 반도체의 전류(CURRENT) 정격이 증가(INCREASE) 되고 스위칭속도(SWITCHING SPEED)가 빠르(SPEED)면서 최대(PEAK)치가 고전류(HIGH CURRENT)에도 견디는 반도체(IGBT)를 필요로 하게 된다.

또한 우수한 성능의 반도체(IGBT:INTEGRATED GATE BYPOLLOR TRANSISTER)를 쓰지 않고서도 높은 역율을 이루는 방법으로는 스위칭 주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 낮추는 방법이 요구되며 먼저 스위칭 주파수(SWITCHING FREQUENCY) 가 낮으면 스위칭 속도가(SWITCHING SPEED)가 그다지 빠르지(SPEED) 않아도 되는 저가의 범용 반도체를(IGBT 제외.T.R FET GTO등) 사용할 수가 있어 저 비용(COST)를 실현이 가능하다.

스위칭 주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 낮게하면 낮은 차수의 고조파(HAMORNIC) 성분이 커지므로 역율이 떨어지고 입출력 필터(INPUT.OUTPUT FILTER)를 크게 하는 요인이 된다.

이문제점을 해결하기 위하여 입출력 전류(INPUT.OUTPUT CURRENT) 가 연속(선형)이 되게 하여 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 낮추면서도 역율을 효과적으로 개선시키는 방법을 개발 하였다.이 개발은 2개의 3상브릿지형 정류기(PHASE BRIDGE TYPE RECTIFIRE) 를 병렬로 연결하여 2중 3상정류기(PHASE RECTIFIRE)가 되도록 하였다

본 개발품은 전력 용량을 설계자 마음대로 증가 시키는 효과가 있으며(병렬 방법) 또한 두 3상정류기(PHASE RECTIFIRE) 를 180도 위상차를 갖도록 제어 (CONTROL) 하면 입출력 전류가(INPUT. OUTPUT CURRENT) 가 연속이 되므로 입출력 고조파 (INPUT. OUTPUT HAMORNIC) 성분을 감소시키는 동시에 반도체의 첨두 전류(CURRENT) 가 낮아지는 효과가 있다.

정류(RECTIFIRE) 2개를 단순히 병렬 시킬 경우 각 정류 (RECTIFIRE) 가 독립적인 동작을 할수없게 되어 입력전류(INPUT CURRENT)가 비대칭적으로 형성 되어 진다. 따라서 입력전류(INPUT CURRENT)가 대칭을 이루기 위해서는 각PWM 정류기(RECTIFIRE)의 동작이 독립적으로 이루어지도록 결합 하여야 한다.

각 정류기(RECTIFIRE) 의 독립을 보장하기위해 부하(LOAD) 의 중성점과(GROUND POINT) 각 정류기(RECTIFIRE)의 반도체(IGBT)의 에미터(EMITTER)에 연결 하는 다이오드(DIODE)를 추가하여 구성 하였고. 이것은 제어(CONTROL) 할 때 개별 3상정류기(PHASE RECTIFIRE) 와 같은 방법으로 제어(CONTROL) 하되 그 제어 신호는(CONTROL SIGNAL) 180도의 위상차를 두어야 하고 그 두 신호는(SIGNAL) 같은 접지(GROUND) 를 사용해서는 안되며. 단 반드시 분리 해야 한다.

주회로의 스위칭(SWITCHING)반도체(IGBT)는 콜렉트-에미터 항복전압인 내압을 1200V로 사용했으며 콜렉터(COLLECTOR) 전류(CURRENT) 는 300A를(600DY300A 병렬)사용하여 플라즈마 전원(POWER SOARCE) 가 고전압(HIGH VOLTAGE) 이므로 내압을 높었으며 3상브릿지 다이오우드(PHASE BRIDGE DIODE)는 역방향 항복전압 1200V 순방향 전류400A를 사용하여 최대치(PEAK)를 견디는 모듈 방식(TYPE)을 사용 하였으며 역방향 항복전압 1200V순방향 전류600A이며 회복시간은 25MS인 프라이 백 다이오드(FRY BACK DIODE)를 사용 하였고 PWM IC는 180도 위상차를 가지는 2중 PWM 신 호(SIGNAL) 를 만들어 주는

UL494 를 사용하여 스위칭 주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 고속스위칭(HIGH SPEED) 하여 제어 (COTROL) 할수 있도록 제어(CONTROL) 회로를 구성 하였다.개발된 2중3상브릿지형 정류기(PHASE BRIDGE TYPE RECTIFIRE) 는 전체적인 회로는 하기의 도면과 같다.

제어(CONTROL)회로는 전원(POWER SUPPLY)부 제어(CONTROL)부 구동(PWM DRIVE)부의 3부분(PART)으로 나누어지고 전원(POWER SUPPLY)부는 (CONTROL부 POWER SUPPLY)제어(CONTROL)부 전원 2개의 구동부 전원2개(구형파 PULSE 전원)또한 예비전원 2개 를 만들어 회로를 구성했으며 저소비 전력의 회로를 구성하여 운전자가 편리하도록 회로를 구성 하였다.

또한 전원부(POWER SUPPLY)즉 정전압조절기(CONSTANT VOLTAGE REGURATOR) 사용하여 출력의(OUTPUT)의 안정도를 높였고 단순하고 편리한 정전압(CONSTANT VOLTAGE) 안정화 방식을 적용 하였다. 제어(CONTROL)부 전원(POWER SOARCE)은 입력(INPUT)이 440V 이므로 주트랜스(MAIN TRANS) 후단에서 검출(FEED BACK)받아 입력(INPUT) 파워TR을 통해 서로 절연된 AC20V를 얻고

이것을 정류기(BRIDGE DIODE)로 전파정류하고 콘덴서(CAPACITOR) 평활회로를 거쳐 7812 조절(RAGURATOR) IC를 사용하여 DC12V 전원을 만들어 제어(CONTROL)부의 주 회로를 동작 시키고 제어(CONTROL)하기 위한 회로로 180도 위상차를 가지는 2중 PWM 신호(SIGNAL)는 UL494 IC2개를 사용하여 예비IC를 포함해 PCB 기판(인쇄회로기판)으로 만들어 놓았다.

UL494의 기준전원은 4.5V이며 여기에 VR2를 이용하여 펄스(PULSE)폭을 ADJ(조절) 하는 기능이 있으며이 주파수신호(FREQUENCY PULSE)를 제어(CONTROL)하여 주회로의 출력전압(OUTPUT VOLTAGE)에 비례하도록 저항비를 조절(ADJ)하여 에러 증폭기(ERROR AMPRIFIRE) - 극성에 연결하여 주회로의 출력전압(OUTPUT VOLTAGE)이 크면 주파수(PULSE)폭이 감소하도록 설계하였다. 이러한 미세조정(FINE CONTROL)을 하기위해 에러증폭출력(ERROR AMPRIFIRE OUTPUT) 단자에-단자를 R.C.를 연결하여 부궤환회로를 걸었다.

펄스(PULSE)주파수(FREQUENCY)는 내부발진기(OSCILATOR)에 R.C.를 연결하여 내부에 R.C 시정수에 의해 발진이(VIBERATION) 발생된다. 이것을 출력(OUTPUT)에 180도 위상각(PHASE ANGLE)이 생기며 전체(TOTAL) 도통율이 95％ 이므로 각출력의 도통율은 43％로 제한된다. 실제제어(CONTROL)기준에서 보면 입력전류(INPUT CURRENT)가 불연속성(비선형)이 되는 조건하에서 도통율이 클수록 좋으며 도통율을 늘리는 방법으로는 MONO STABLE 방식이 있으나 무부하(NO LOAD)시에도 일정한 폭(DUTY)의 게이트신호(GATE SIGNAL)가 나오기 때문에 보호회로가 필요하게 될 것이다.

현재까지 결과로 볼때 0.43의 최대 도통율로도 만족할 만한 역율을 얻을수 있겠지만 도통율을 늘려서 사용할분야 에서는 적절히 변형해서 사용할수가 있다. 그래서 한개의 칩(CHIP)에서 (UL494)두개의 게이트 신호(GATE SIGNAL)를 얻을수 가 있다. 마지막으로 게이트 구동(GATE DRIVER)부는 주회로의 반도체(IGBT)구동(PWM DRIVER)하기 위한 회로이다.

본 발명은 회로의 구성상 주회로의 반도체(IGBT) 구동 신호(DRIVER SIGNAL)는 서로 전기적으로 절연이 잘되어야 하므로 접지(GROUND)가 잘 분리되지 않은 두 신호(GATE SIGNAL)가 각각 반도체(IRF840:FET)로 다시한번 스위칭(SWITCHING) 한후 펄스트랜스(PULSE TRANS)로 입력(INPUT) 양단에 인가되어 접지(GROUND)가 완전히 분리된 게이트신호(GATE SIGNAL)로 만들어지게 된다.

게이트신호(GATE SIGNAL)는 전류(CURRENT)가 커서 구동력이 좋기때문에 주회로의 반도체(IGBT)를 구동(DRIVER)할수가 있다.2중3상 브릿지형정류기(PHASE BRIDGE TYPE RECTIFIRE)는 단순한 3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)에 비하여 같은 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)로 동작할 때 어느 만큼의 우수한 성능을 가지고 있고 20KHZ의 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)에서 도통율0.43로 동작하는 경우를 비교 설명 하였다.

측정한결과 역율은 0.985이며 입력전류(INPUT CURRENT)의 위상이 입력전압(INPUT VOTAGE)의 상(PHASE)와 같으며 필터링(FILTRING)이 많이되어 정현파(SINE WAVE)에 가까운 파형(WAVE)을 하고있다 스위칭신호(SWITCHING SIGNAL)와 반도체(IGBT:INTEGERATED GATE BYPOLLOR TRASISTER) 양단간의 전압(VOLTAGE) 비교하면 개별 PWM 정류기(RECTIFIRE) 에서의 리액터(REACTANCE)의 전류(CURRENT)는 2중으로 사용하면 자체적으로 리액터(REACTANCE) 전류의 불연속(비선형) 구간을 보충해주기 때문에 잡음(RIPPLE)이 많은전류(CURRENT)가 하기 도면2에서 보듯이 전류의 잡음(RIPPLE)이 많이 줄어들면서

이는 또한 입력 필터(INPUT FILTER)(L.C공진 회로)에 의해서 다시한번 필터 링(FILTERING)되므로 깨끗한 입력전류(INPUT CURRENT)의 파형(WAVE)을 얻을수 있다. (즉역율이 좋다.)한 개의 PWM정류기(RECTIFIRE)보다 2개의 병렬PWM정류기(RECTIFIRE)가 입력필터(INPUT FILTER)를 적게 설계해도 되며 왜율(DISTORTION)및 잡음(RIPPLE)이 적고 역율이 좋은정류기(RECTIFIRE) 라 볼수가 있겠다.

병렬3상정류기(PHASE RECTIFIRE)(2중병렬방식)의 성능은 하나의 3상정류기(PHASE RECTIFIRE)에 비해 월등히 우수한 성능을 보이지만 실제 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 내려도 더 우수한 성능을 보인다면 이는 스위칭(SWITCHING) 반도체 와 다이오드(DIODE)의 스위칭 속도(SWITCHING SPEED)가 느리더라도 2중3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)에 쓸때는 큰문제가 없게 된다. 하기2의 그림은 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY) 9KHZ으로 동작하는 경우이며 전력분석기의 역율이 0.98을 보이고 있다.

비록 스위칭주파수(SWITCHING FREQUENCY)를 내리더라도 3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE) 2개를 병렬로 사용하는 2중3 PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)보다 더우수 하다는 것을 알수가 있다.또한 본 개발은 간단 하면서도 성능이 우수하며 플라즈마 전원(POWER SOARCE)으로서의 적합하며 고전압(HIGH VOLTAGE) 대전력을 요구하는 전원 공급장치(POWER SUPPLY) 에 사용하는 플라즈마 전원(POWER SOARCE) 장치라 하겠다.

본 발명품은 병렬3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE) 로서 즉 플라즈마 전원(POWER SOARCE)에 적합한 장치로서 스위칭(SWITCHING) 성능은 조금 떨어지지만 전 류(CURRENT) 정격이 다소 낮은 반도체 들을 이용할수 (병렬사용) 있지만 3상 PWM 정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)를 두개를 쓰기 때문에 소자가 2배 필요하며 성능면에서 1개의 PWM 정류기(PWM RECTIFIRE) 보다 성능이 우수하며 그리고 가격이 그다지 비싸지 않은 가격으로 3상PWM정류기(PHASE PWM RECTIFIRE)를 만들수가 있다.

우리나라의 플라즈마전원장치나 도금용 용접등 고전압(HIGH VOLTAGE) 대전력 장치에 많이 사용할것으로 예측되며 싸리스터(SCR) 스위칭(SWITCHING) 방식보다 역율이 좋고 용량증설이 쉬우며 플라즈마 전원(POWER SOARCE) 을 비롯하여 다양한 전원공급장치(POWER SUPPLY) 에 쓰일 것으로 기대 된다. 본장치의 개발이 우리나라 산업의 전원장치(POWER SOARCE) 분야에 많은 도움이 되었으면 한다.

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Claims

플라즈마 아크(ARC)의 전원(POWER SOARCE)에서 반도체(IGBT)를 응용한 고주파스위칭을 통한 각종 제어회로 배전반의 전력감시장치(SYSTEM)의 DISPLAY또는 전압 전류 주파수를 검출하여 제어및 통신이 가능하며 또한 주파수 가변 및 전환이 가능한 반도체(IGBT)를 응용한 브릿지형 PWM 정류기.
DC전압을 가변하여 AC-DC DC-AC 컨버터(CONVERTER).인버터(INVERTER)장치의 전원 또는 정류(RECTIFIRE) 회로를 이용하여 태양열또는 바람(WIND)를 이용하여 발전을 시켜 충전할수 있는 충전기(BATTERY CHARGE)등 전력변환장치. 포함한 또 이것을 통신으로 디지털 신호 (DSP) 제어가 가능하고 플라즈마장치 전력 전자.전기를 포함한 반도체(IGBT)를 응용한 브릿지형 PWM 정류기.
복권 트랜스(ISORATION TRANSFOMER)를 이용하여 전압을 강압(DOWN) 승압을 할수 있는 무순단 전력이동 장치 등L.C를 이용하여 고조파 필터를 포함한 반도체(IGBT)형 필터 등 플라즈마의 반도체(IGBT)를 응용한 브릿지형 PWM 정류기.