KR20100101789A - Ｉｇｂｔ 기반 정류기 - Google Patents

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KR20100101789A
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한명수
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Abstract

본 발명은 대용량 SCR 사이리스터 타입의 정류기를 대체하여 절전형이고 소형 및 경량이면서도 효율이 우수한 IGBT 기반 정류기에 관한 것으로, 3상 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하는 1차 정류부; 상기 1차 정류부를 통해 변환된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부; 상기 인버터부로부터의 교류전압이나 전류의 값을 변환하는 변압부; 상기 인버터부 및 상기 변압부로부터의 교류전원을 정류 다이오드로 정류하여 직류전원으로 변환하는 2차 정류부; 상기 2차 정류부를 통해 출력되는 출력전압과 전류를 검출하여 정류기를 제어하는 제어부 및 상기 제어부로부터 전송받은 제어명령에 따라 구동신호를 출력하는 구동부를 포함한다.

Description

ＩＧＢＴ 기반 정류기{RECTIFIER BASED ON INSULATED GATE BIPOLAR}
본 발명은 IGBT(절연 게이트형 양극성 트랜지스터) 기반 정류기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 대용량 SCR 사이리스터 타입의 정류기를 대체하여, 절전형이고 소형 및 경량이면서도 효율이 우수한 IGBT 기반 정류기에 관한 것이다.
최근, 산업용 전기설비의 대용량화 및 고압화의 추세에 따라 고압 대용량의 전기 시스템에 대한 수요가 증가하고 있으며, 전력용 반도체 소자의 제한된 정격을 극복할 수 있는 대용량 정류기에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
또한, 이러한 대용량 정류기의 제작기술은 단지 교류를 직류로 변환하여 출력하는 것에서부터 시작하여, 출력 전류파형을 여러 형태로 변환하여 출력하는 정류기들이 개발되어 사용되고 있다.
즉, 상기와 같은 종래의 정류기는 도 1에 나타낸 바와 같이, 6개의 컨버터들(13)과, 다른 6개의 컨버터들(14)을 포함한다. 상기 도 1에서 정방향 접속된 6개의 컨버터들(13)은 교류전원을 입력받아서 직류전원으로 변환하는 정류작용을 하고, 역방향 접속된 6개의 컨버터들(14)은 부하에서 회생되는 에너지를 교류전원 측으로 제공하는 회생작용을 한다. 이때, 상기 컨버터들(13 및 14)들은 모두 사이리 스터 스위칭소자를 구성한다.
이때, 상기와 같은 종래의 정류기의 정류작용에 따른 동작을 살펴보면, 먼저 정방향 컨버터들(13)의 위상각을 제어하여 명령치 만큼의 출력 직류전원을 얻고, 부하(M)에서 회생이 시작되면 출력전압은 상승한다. 그리고, 회생전압이 일정치 이상으로 상승하면 정방향 컨버터들(13)을 모두 끄고 역방향 컨버터들(14)을 동작시킨다. 이때, 역방향 컨버터들(14)의 위상각을 조절하여 입력 교류전원으로 회생되는 전력량을 조절할 수 있으며, 출력 전압을 명령치 전압으로 유지시킬 수 있다. 이후, 회생이 정지하면 역방향 컨버터들(14)의 동작을 정지시키고 다시 정방향 컨버터들(13)을 동작시키게 된다.
상기와 같은 종래의 정류기에는 철심코어에 코일의 일단과 타단이 만나지 않는 나선형으로 권선한 변압기를 사용한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 정류기는 발전소에서 공급하는 전원에 대하여 위상을 제어하기 때문에 출력량의 사용에 대한 효율이 불규칙적으로 변동함으로 인해 자체 손실이 많이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 정류기는 컨버터들을 구성하는 사이리스터(Thyristor)의 개수를 12개 정도로 많이 사용하기 때문에, 정류기 자체의 가격이 매우 고가일 뿐만 아니라 정류기 전체 부피가 매우 커지는 문제점이 있다.
또, 변압기를 코어에 코일을 나선형으로 권선하는 방식으로 구성하기 때문 에, 코일이 중첩되는 부분이 많이 생겨서 정류기 전체의 중량이 매우 무거워지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 대용량 SCR 사이리스터 타입의 정류기를 대체하여, 절전형이고 소형 및 경량이면서도 효율이 우수한 IGBT 기반 정류기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IGBT 기반 정류기는, 3상 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하는 1차 정류부(110); 상기 1차 정류부(110)를 통해 변환된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부(120); 상기 인버터부(120)로부터의 교류전압이나 전류의 값을 변환하는 변압부(130); 상기 인버터부(120) 및 상기 변압부(130)로부터의 교류전원을 정류 다이오드로 정류하여 직류전원으로 변환하는 2차 정류부(140); 상기 2차 정류부(140)를 통해 출력되는 출력전압과 전류를 검출하여 정류기를 제어하는 제어부(150) 및 상기 제어부(150)로부터 전송받은 제어명령에 따라 구동신호를 출력하는 구동부(160)를 포함하되, 상기 변압부(130)는 코어를 감싸는 상태로 1회 권선되어 외접되고, 상기 코어의 길이 방향으로 각각 나란히 적층되어 배치된 1차 코일과, 상기 1차 코일을 감싸아 턴수 1회로 권선된 2차 코일을 포함하고, 상기 1차 정류부(110)는 3상 AC 전원의 각 입력단을 중심으로 3개의 정방향 다이오드 및 3개의 역방향 다이오드가 연결된 3상 브릿지 다이오드이다.
바람직하게, 상기 1차 정류부(110)는 상기 3개의 정방향 다이오드 및 3개의 역방향 다이오드와 병렬연결되어 불규칙한 맥류 상태의 전원을 직류상태로 변환함과 동시에 노이즈를 제거하는 저항 및 2개의 콘덴서를 더 포함한다.
더 바람직하게, 상기 2차 정류부(140)는 2개의 정방향 다이오드로 병렬 연결된 한 쌍과, 2개의 정방향 다이오드로 병렬 연결된 다른 한 쌍을 상호 연결한 후 동부스바(Cu busbar)를 통해 출력단자를 구성한다.
또한, 상기 1차 정류부가 3상 AC 전원의 출력과 각각 연결된 상태에서, 1차 정류부(110), 인버터부(120), 변압부(130), 2차 정류부(140)가 6 세트로 병렬 연결되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 IGBT 기반 정류기에 따르면, 발전소에서 보내온 전류를 직류화하고 이 직류화된 전류를 IGBT 제어소자를 응용하여 주파수가 다른 에너지원으로 환원시켜 출력을 만들기 때문에, 손실이 훨씬 줄어들 뿐만 아니라, 종래의 출력파형보다 질 좋은 전류를 공급할 수 있다.
또한, 종래의 정류기는 직류전원 공급장치의 출력주파수가 360Hz(리플 주파수)인데 비해 본 발명의 질류전원장치의 주파수는 30KHz로서 1초에 출력부하로 가해지는 에너지가 고출력이므로 통전시간이 줄어듦과 동시에 절전효과를 기대할 수 있다.
또한, 여러 개의 사이리스터가 수행하는 기능을 인버터로 대체하여 정류기 자체의 가격을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 정류기 전체 크기를 소형으로 설계할 수 있다.
한, 정류기에 적용되는 변압기의 훼라이트 코어에 일단으로부터 시작해서 그 말단이 상기 일단과 접속된 통형으로 구성된 코일을 복수개 포개어 적층하여 코일이 중첩되는 부분이 없기 때문에, 효율이 높으면서도 중량이 가벼운 정류기를 제작할 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 IGBT 기반 정류기를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 IGBT 기반 정류기를 설명하기 위한 회로구성도이며, 도 3은 본 발명에 적용되는 변압부의 설계도이고 도 4는 본 발명에 적용되는 변압부의 구성을 나타내는 도면이다.
또한, 도 5는 본 발명에 적용되는 2차 정류부의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 IGBT 기반 정류기의 전체 구성을 나타내는 회로구성도이며, 도 7은 본 발명의 전체 구성의 일예를 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor: 절연 게이트형 양극성 트랜지스터) 기반 정류기는, 1차 정류부(110), 인버터부(120), 변압부(130), 2차 정류부(140), 제어부(150) 및 구동부(160)를 포함한다.
즉, 1차 정류부(110)는 3상(R, S, T) AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환 하는 장치이다.
구체적으로, 상기 1차 정류부(110)는 3상 AC 전원의 각 입력단을 중심으로 3개의 정방향 다이오드 및 3개의 역방향 다이오드가 연결된 3상 브릿지 다이오드, 즉 3상 AC 전원을 양파정류하는 6개의 다이오드와, 상기 3개의 정방향 다이오드 및 3개의 역방향 다이오드와 병렬연결되어 불규칙한 맥류 상태의 전원을 직류상태로 변환함과 동시에 노이즈를 제거하는 저항 및 2개의 콘덴서로 구성된다.
이때, 상기 2개의 콘덴서는 평활용으로 사용되는 전해 콘덴서와, 노이즈 필터용, 발진방지용, 바이패스용 등으로 사용되는 세라믹 콘덴서 및 필름 콘덴서 중 적어도 어느 하나를 사용한다.
인버터부(120)는 직류전원을 교류전원으로 변환하는 공지의 장치로서, 제 1 트랜지스터(Q1) 내지 제 4 트랜지스터(Q4)로 구성되어 상기 1차 정류부(110)를 통해 변환된 직류전원을 다시 원하는 주파수의 교류전원으로 변환한다.
구체적으로, 상기 인버터부(120)는 상기 1차 정류부(110)를 통해 변환된 직류(DC)전원을 인버터부의 IGBT 소자의 교번 스위칭에 의해 교류전원을 얻는다. 즉, 인버터부는 IGBT 소자의 제 1 트랜지스터(Q1)와 제 4 트랜지스터(Q4)가 동시에 구동되고, 제 2 트랜지스터(Q2)와 제 3 트랜지스터(Q3)가 동시에 구동되는 스위칭회로로서, IGBT의 제 1 트랜지스터(Q1) 내지 제 4 트랜지스터(Q4)가 턴온되는 시간에 의해 1차 정류부(110)로부터의 직류전류의 흐름 방향이 바뀌어서 변압부(130)의 1차측이 교번된 교류 출력전압을 얻게 되며, IGBT의 각각의 제 1 내지 제 4 트랜지스터(Q1, Q2, Q3 및 Q4)의 턴온시간을 조절함으로써 인버터부(120)의 출력전압의 크기를 변화시킨다.
변압부(130)는 전자유도작용을 이용하여 상기 인버터부(120)로부터의 교류전압이나 전류의 값을 변환하는 장치로서, 1차와 2차간의 변압비를 조정하여 원하는 전압과 전류를 얻는다.
구체적으로, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 변압부(130)는 훼라이트 코어(Ferrite Core)를 감싸는 상태로 각각 1회 권선되어 외접된 1차 코일(1)들을 훼라이트 코어(F)의 길이 방향으로 각각 나란히 적층하여 배치하고, 상기 1차 코일(1)을 감싸아 2차 코일(2)을 권선(턴수가 1회)하여 구성된다. 즉, 1차 코일(1)들은 각각 훼라이트 코어(F)를 외접하여 장방형 형상으로 1번 감싸게 구성되며, 2차 코일(2)은 동부스바로 이루어져 20kW, 바람직하게는 24kW를 출력단자(3)를 통해 출력한다.
2차 정류부(140)는 상기 인버터부(120) 및 상기 변압부(130)로부터의 교류전원을, 각각 2개의 정방향으로 병렬 연결된 정류 다이오드로 정류하여 직류전원으로 변환하는 장치이다.
이때, 상기 2차 정류부(140)의 다이오드는 1차 정류부(110)에서 사용하는 다이오드보다 고속이어야 하며, 초고속 리커버리(Ultra Fast Recovery) 또는 쇼트키 베리어(Schottky Barrier) 다이오드를 사용한다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 2차 정류부(140)는 2개의 정방향 다이오드로 병렬 연결된 한 쌍과, 2개의 정방향 다이오드로 병렬 연결된 다른 한 쌍을 상호 연결한 후, 동부스바(Cu busbar)를 통해 출력단자를 구성한다.
제어부(150)는 본 발명에 따른 정류기 출력단의 출력전압과 전류를 검출하여 정류기 전체의 온/오프 전원을 제어한다.
구동부(160)는 상기 제어부(150)로부터 전송받은 온/오프 제어명령을 본 발명에 따른 정류기에 인가하여 구동시킨다.
한편, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해, 각각 하나의 1차 정류부(110), 인버터부(120), 변압부(130), 2차 정류부(140)를 참조하여 본 발명을 설명하고 있지만, 본 발명은 도 6에 나타낸 바와 같이, 1차 정류부가 3상 AC 전원의 출력과 각각 연결된 상태에서, 1차 정류부, 인버터부, 변압부 및 2차 정류부를 6 세트로 병렬 연결하여 구성하고, 하나의 제어부 및 구동부를 통해 120kW 이상을 출력하며, 도 7에 나타낸 바와 같이 병렬 연결된 6 세트에 대응되는 IGBT 정류기를 구성한다.
또한, 도 8은 변압부(130)의 1차측 전류 파형 및 교류측 전류값을 나타내는 그래프로서, 직류 15V 및 4005A 일 때 전력은 60kW이고 교류측 역률은 95% 이상임을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
도 1은 종래의 사이리스터를 이용한 정류기를 나타낸 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 인버터를 이용한 IGBT 정류기를 설명하기 위한 회로구성도.
도 3은 본 발명에 적용되는 변압부의 설계도.
도 4는 본 발명에 적용되는 변압부의 구성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 적용되는 2차 정류부의 구성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 인버터를 이용한 IGBT 정류기의 전체 구성을 나타내는 회로구성도.
도 7은 본 발명의 전체 구성의 일예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 적용되는 변압부(130)의 1차측 전류 파형 및 교류측 전류값을 나타내는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110 : 1차 정류부 120 : 인버터부
130 : 변압부 140 : 2차 정류부
150 : 제어부 160 : 구동부

Claims (1)

  1. 3상 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하는 1차 정류부(110);
    상기 1차 정류부(110)를 통해 변환된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부(120);
    상기 인버터부(120)로부터의 교류전압이나 전류의 값을 변환하는 변압부(130);
    상기 인버터부(120) 및 상기 변압부(130)로부터의 교류전원을 정류 다이오드로 정류하여 직류전원으로 변환하는 2차 정류부(140);
    상기 2차 정류부(140)를 통해 출력되는 출력전압과 전류를 검출하여 정류기를 제어하는 제어부(150); 및
    상기 제어부(150)로부터 전송받은 제어명령에 따라 구동신호를 출력하는 구동부(160)를 포함하되,
    상기 변압부(130)는 코어를 감싸는 상태로 1회 권선되어 외접되고, 상기 코어의 길이 방향으로 각각 나란히 적층되어 배치된 1차 코일과, 상기 1차 코일을 감싸아 턴수 1회로 권선된 2차 코일을 포함하고,
    상기 1차 정류부(110)는 3상 AC 전원의 각 입력단을 중심으로 3개의 정방향 다이오드 및 3개의 역방향 다이오드가 연결된 3상 브릿지 다이오드인 것을 특징으로 하는 IGBT 기반 정류기.
KR1020090020158A 2009-03-10 2009-03-10 Ｉｇｂｔ 기반 정류기 KR20100101789A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110445425A (zh) * 2019-09-17 2019-11-12 广东美的制冷设备有限公司 驱动控制集成器件及空调器

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