KR20090123231A - 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광촉매를 활성화하기 위한 인버터로서 UV 램프를 점등하기 위한 안정기와 오존발생을 위한 고압 전원을 구성하기 위한 전원장치에 관한 것으로서, 풀 브릿지 인버터에서 전원의 양의 단자와 음의 단자에 사이에 직렬로 결선된 스위치 쌍의 중성점을 출력의 한 단자로 구성하고 입력커패시터의 중성점에 역시 또 다른 출력의 단자를 구성하여 하프 브릿지 형태로 인버터를 구성한 뒤에 주파수 제어를 하고 이 제어신호를 지연시킨 뒤에 위상차를 갖는 신호를 만들어서 또 다른 양의 단자와 음의 단자 사이에 있는 다른 스위치 쌍의 구동신호로 활용하여 풀 브릿지 인버터를 구성하고 제어하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 본 발명의 회로는 광촉매 활성화에 필요한 UV램프의 안정기와 오존발생을 위한 고압 직류 또는 교류전원을 하나의 인버터에서 동시에 얻으며 각 출력은 주파수와 펄스폭제어에 의해 독립적으로 가능하므로 부가적인 제어소자와 전력소자가 최소화되며 장치가 간단해지고 저가인 효과가 있으며, 또한 UV와 고압 방전에 의한 오존발생이 극대화되므로 바라는 광촉매 활성화가 극대화되는 효과가 있다.
광촉매 안정기 풀 브릿지 인버터 램프 오존

Description

풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치{Multi output structure of full bridge inverter}
본 발명은 광촉매를 활성화하기 위한 인버터로서 UV 램프를 점등하기 위한 안정기와 오존발생을 위한 고압 전원을 구성하는 전원장치에 관한 것으로서, 특히 하나의 인버터로 구성하여 두 가지 이상의 출력전원을 얻으며 이를 위한 부가적인 제어기와 전력소자를 최소화하도록 하여 신뢰성을 향상시키고 보다 소형화된 구조의 전원을 고안하기 위한 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치에 관한 것이다.
다양한 산업 설비와 공해물질 배출 설비들로 인해 미세먼지, 휘발성 유기물질, 화석연료의 연소시 발생하는 NOx, SOx를 비롯한 다양한 과정으로부터 발생하는 악취 등을 제거하기 위해 광화학적인 산화장치가 산업체와 건물에 사용되고 있다.
종래의 광화학적 산화장치는 UV램프를 이용하여 오존을 발생시키며 이를 통해 광촉매를 활성화시켜 유해물질을 분해하였다. UV램프는 산화반응을 위해 중요한 장치로 사용되며 이를 점등하기 위한 안정기는 일반적인 하프브릿지 형태의 컨버터로 구성한다. UV램프의 안정기는 일반적인 형광 램프의 안정기와 큰 차이가 없으며 기본적인 회로가 단순한 구조이며 이로 인하여 널리 사용되었다.
한편, 광화학적 산화장치는 주로 대용량 설비에 이용되어 왔으며 연속적인 처리능력을 높이고 고농도에 대한 처리를 위해서는 종래의 자외선에 의한 촉매처리로는 한계가 있다.
따라서, UV램프를 이용하는 것보다 광화학적 산화장치의 성능 효율을 높이기 위해 오존발생을 위한 고압방전을 도입하여 산화장치를 새로이 구성하는 것이 시도되고 있으며 이를 위한 전원장치 역시 필요하다. 이러한 고압방전을 위한 고압 인버터는 오존발생을 위해 연면방전을 유기하는 고압 교류전압 또는 기중방전을 유기하는 고압 직류전압 발생을 위해 필요하다.
일반적인 방식으로는 UV램프 구동을 위한 안정기와 고압 인버터를 따로 구성하여 사용하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 방식은 부품수의 증가와 회로의 복잡도가 증가하여 신뢰성 역시 저하되는 단점이 있다. 그러므로 부가적인 인버터에 의한 회로와 소자의 수를 최소화하고 단순화시킬 기술이 필요하다.
지금까지 하나의 인버터에 대해 하나의 출력을 조절하도록 주파수와 펄스폭 제어를 병행하여 출력특성을 개선시키는 방법은 여러 문헌에서 소개되어 왔다. 그렇지만 하나의 인버터에서 독립적인 두가지 출력을 얻고 각각의 제어를 위해 주파수제어와 펄스폭제어를 분리한 방식은 아직 소개된 바가 없다. 또한 하나의 인버터 구조에서 등가의 내부 인버터 구조를 분할 구성하여 각각의 출력을 독립적으로 구성하고 제어한 예는 없다.
따라서, 기존의 광화학적 산화장치는 UV램프만을 사용하며 이로 인해 분해효 율이 극대화되지 못했다. 이를 개선하기 위한 방안으로 기존의 광화학적인 산화장치에 고압 방전에 의한 오존발생기능을 추가할 수 있다. 그렇지만 이를 위해서는 부가적인 제어기와 인버터회로가 추가되어야 하며 이로 인한 시스템 가격상승과 신뢰성저하가 발생한다. 단순히 인버터 회로를 추가하여 별도의 전원장치를 사용하지 않고 하나의 인버터와 이의 제어기를 수정하여 두가지 출력을 얻는 방법이 필요하다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 광촉매를 활성화하기 위한 인버터로서 UV램프를 점등하기 위한 안정기와 오존발생을 위한 고압 전원을 구성하는 데에 하나의 인버터로 구성하여 두 가지 이상의 출력전원을 얻으며 이를 위한 부가적인 제어기와 전력소자를 최소화하도록 하여 신뢰성을 향상시키고 보다 소형화된 구조의 전원을 고안하기 위한 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치를 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 풀 브릿지 인버터에서 전원의 양의 단자와 음의 단자에 사이에 직렬로 결선된 스위치 쌍의 중성점을 출력의 한 단자로 구성하고 입력커패시터의 중성점에 역시 또 다른 출력의 단자를 구성하여 하프 브릿지 형태로 인버터를 구성한 뒤에 주파수 제어를 하고 이 제어신호를 지연시킨 뒤에 위상차를 갖는 신호를 만들어서 또 다른 양의 단자와 음의 단자 사이에 있는 다른 스위치 쌍의 구동신호로 활용하여 풀 브릿지 인버터를 구성하고 제어하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 풀브릿지 인버터의 펄스폭 제어 소자를 이용하여 제어신호를 얻고 풀브릿지 인버터의 출력을 제어함과 동시에 전체 제어기의 동작 주파수를 가변하여 풀 브릿지 인버터의 각 스위치쌍과 입력 커패시터로 구성되는 내부 하프 브릿지의 출력제어를 하는 것이 바람직하다.
또한, 풀 브릿지 인버터의 출력을 두 개 이상으로 하여 각각의 출력을 주파수와 펄스폭 변조를 통해 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 각 인버터의 출력회로에 공진회로를 부가하여 영전압 스위칭을 얻는 것이 바람직하다.
본 발명의 회로는 광촉매 활성화에 필요한 UV램프의 안정기와 오존발생을 위한 고압 직류 또는 교류전원을 하나의 인버터에서 동시에 얻으며 각 출력은 주파수와 펄스폭제어에 의해 독립적으로 가능하므로 부가적인 제어소자와 전력소자가 최소화되며 장치가 간단해지고 저가인 효과가 있다.
또한 UV와 고압 방전에 의한 오존발생이 극대화되므로 바라는 광촉매 활성화가 극대화되는 효과가 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치는 직류전압과 풀브릿지의 인버터 그리고 공진탱크와 고주파변압기로 구성된 출력과 또 다른 고주파 변압기에 의한 출력이 있도록 구성된다. 각각의 출력은 필요에 따라 공진회로를 포함하거나 하지 않을 수 있다.
이하 설명은 광촉매 구동을 위한 시스템을 기준으로 설명한다.
공진회로를 이용한 출력은 안정기를 구성하기 위한 회로로서 하프브릿지 구조로 결선이 된다. 반면에 고압인버터를 구성하기 위해서는 전체 풀브릿지 회로 구조를 이용하였다. 고압 인버터측의 변압기 출력은 교류로 사용할 수 있으며 정류하 여 직류로도 활용할 수 있다. 제어부는 각각의 인버터를 제어할 수 있도록 주파수 제어와 펄스폭제어가 독립적으로 있도록 하였다.
실제의 회로에서 제어기는 주파수제어를 위한 회로가 있고 이의 신호에 지연신호를 만들어서 펄스폭제어를 간단히 구성하였다. 이와 같은 구성을 통해 하나의 인버터에서 독립적인 두 가지의 인버터가 등가적으로 구성되게 하였으며 각각의 제어 역시 별개로 이뤄지도록 하여 독립적인 출력제어가 가능하게 하였다.
도 2에서는 회로의 등가적인 동작모드를 나타내었다. 동작모드는 모두 6개로 나누었으며 이후의 모드는 대칭적으로 반복된다. 모드 1은 스위치 S1과 S3가 켜져 있는 상태이다. C1과 C2에 전압은 입력전압의 절반이 충전되어 있다. 스위치 S1이 턴 온 되어 있으므로 램프에는 C1의 전압 즉, Vs/2가 인가된다. 이때, 변압기의 권선비는 1:1이라고 가정한다. 그리고 고압부하로는 변압기 일차로 환산하여 고려할 때 S1과 S3가 켜져 있으므로 입력전압 Vs가 인가된다. 모드 2에서는 스위치 S1이 턴 오프한다. 그러므로 램프와 고압부하로 흐르는 전류에 의해 스위치 S2의 역병렬 다이오드가 턴 온한다. 따라서 스위치 S2는 영전압인 상태에서 턴 온이 가능해진다. 데드타임 이후에 S2는 턴온하게 된다.
모드 3는 스위치 S2가 턴 온한 상태이며 고압 부하는 스위치 S2와 S3가 켜지므로 인가되는 전압이 영인 상태이다. 램프는 S2가 턴 온되어 있으므로 C2에 충전된 전압 Vs/2가 인가된다. 그러므로 램프측으로 보면 정역의 Vs/2 전압이 교류로 인가되게 된다.
모드 4는 스위치 S3가 턴 오프하는 상태이다. 고압부하로 흐르는 전류가 화 살표와 같이 정방향이면 스위치 S4의 역병렬 다이오드를 역시 턴온 시킨다. 다이오드의 턴 온으로 스위치 S4의 영전압 스위칭이 가능해진다. 램프는 계속 C2의 전압이 인가된다.
모드 5는 S4의 역병렬 다이오드의 턴 온 상태에서 스위치가 영전압 턴 온을 하는 구간이다.
모드 6은 S2와 S4의 턴 온으로 인해 Vs 전압이 역으로 고압 부하에 인가되는 것을 나타낸다. 따라서 스위칭 주파수의 교류전압이 고압부하에 인가된다. 램프는 역시 C2전압이 인가된다.
이후의 동작모드는 동일한 원리로 S2 턴 오프 - S1 턴 온 - S4 턴 오프 - S3 턴 온 동작이 일어나며 이후에는 반복된다.
도 3에 도시된 바와 같이 스위치의 구동파형은 S1과 S2 그리고 S3와 S4는 180도 반전된 파형이며 S1과 S2 스위치쌍과 S3와 S4의 스위치쌍 간의 위상차에 풀 브릿지 인버터 펄스폭이 결정된다. 스위치 한 쌍의 출력을 램프에 인가할 수 있으며 이의 출력제어는 주파수 변조를 통해 가능해진다.
그러므로 고안한 회로는 하프 브릿지 출력 2종류와 풀 브릿지 출력 한 종류를 동시에 얻을 수가 있다.
도 4는 주파수와 위상제어를 위한 제어기의 개략적인 실시예이다. 안정기의 전용제어기를 구성하여 주파수제어를 하며 램프를 점등하기 위한 스위치 S1과 S2의 구동 파형이 먼저 만들어진다. 만들어진 두 개의 구동파형에서 지연회로와 버퍼를 이용하여 필요한 위상지연을 만들고 이 위상차에 의해 풀브릿지 회로의 출력 펄스 폭이 결정된다. 출력 피드백제어를 위해서는 출력 오차신호에 비례하는 위상지연 동작이 이뤄지도록 구성하여야 한다.
도 1 - 본 발명에 따른 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치에 대한 회로도.
도 2 - 본 발명에 따른 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치의 등가의 동작원리를 나타낸 도.
도 3 - 본 발명에 따른 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치의 위상 제어 및 안정기 구동 파형을 나타낸 도.
도 4 - 본 발명에 따른 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치를 이용한 제어기 구성 실시예를 나타낸 도.

Claims (4)

  1. 풀 브릿지 인버터에서 전원의 양의 단자와 음의 단자에 사이에 직렬로 결선된 스위치 쌍의 중성점을 출력의 한 단자로 구성하고 입력커패시터의 중성점에 역시 또 다른 출력의 단자를 구성하여 하프 브릿지 형태로 인버터를 구성한 뒤에 주파수 제어를 하고 이 제어신호를 지연시킨 뒤에 위상차를 갖는 신호를 만들어서 또 다른 양의 단자와 음의 단자 사이에 있는 다른 스위치 쌍의 구동신호로 활용하여 풀 브릿지 인버터를 구성하고 제어하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 풀브릿지 인버터의 펄스폭 제어 소자를 이용하여 제어신호를 얻고 풀브릿지 인버터의 출력을 제어함과 동시에 전체 제어기의 동작 주파수를 가변하여 풀 브릿지 인버터의 각 스위치쌍과 입력 커패시터로 구성되는 내부 하프 브릿지의 출력제어를 하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 풀 브릿지 인버터의 출력을 두 개 이상으로 하여 각각의 출력을 주파수와 펄스폭 변조를 통해 제어하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치.
  4. 제 1항에 있어서, 각 인버터의 출력회로에 공진회로를 부가하여 영전압 스위칭을 얻는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 인버터의 다출력 구조인 전원장치.
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