KR20160101734A - 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터를 적용한 비절연형 순간정전 보상장치 - Google Patents

소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터를 적용한 비절연형 순간정전 보상장치 Download PDF

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Abstract

소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터를 적용한 비절연형 순간정전 보상장치이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치는, 에너지 저장원에 연결된 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터를 이용한다. 이에 의해, 양방향 직류-직류 컨버터의 스위칭 전력 손실 문제를 해소함으로써 전력 변환 효율을 개선시킬 수 있다. 이로써, 병렬보상 방식의 비절연형 순간정전 보상장치의 안정성을 향상시키고, 그 성능을 개선시킬 수 있다.

Description

소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터를 적용한 비절연형 순간정전 보상장치{Non-Isolated Dynamic Voltage Regulator Using Soft-Switching Bidirectional DC-DC Converter}
본 발명은 순간정전 보상장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부피가 크고 무거운 저주파 변압기 대신 스위칭 손실이 없는 양방향 직류-직류 컨버터(Bidirectional DC-DC Converter)기가 적용된 단상(Single-Phase) 비절연형(Non-isolated) 순간정전 보상장치에 관한 것이다.
순간정전 보상장치(Dynamic Voltage Regulator: DVR)는 계통의 순간정전(Interruption)이나 순간적으로 발생되는 전압저하(Voltage Dip/Sag) 현상을 보상하기 위한 장치이다.
순간정전 보상장치는 교류 입력의 순간정전이나 Sag가 발생 시, 2 msec 이내의 짧은 시간에 인버터(Inverter)를 작동시켜 교류 입력 전원의 이상 현상을 보상한다.
이러한 순간정전 보상장치는 직렬전압 보상(Series-Voltage Compensation) 방식과 병렬전압 보상(Parallel-Voltage Compensation) 방식이 있다. 두 방식 모두 인버터의 출력 전압이 절연형 변압기(Isolated Transformer)를 통하여 출력 전원 단과 연결된다.
도 1은 종래 기술에 따른 절연형 순간정전 보상장치를 나타낸 회로 구성도이다. 도 1에 도시된 절연형 순간정전 보상장치는 교류 입력 전원(Vi), 입력 전류를 바이패스 시키는 사이리스터(Thyristor)(TH1, TH2), 부하 측의 교류 출력 전원(Vo), 인버터(S1, S2, S3, S4), 절연형 변압기(T), 필터(Lf, Cf)와 에너지 저장원(Energy Storage Source) 전원(Ve)으로 구성된다.
도 1의 절연형 순간정전 보상장치는 교류 입력 전원(Vi)이 정상적으로 공급 될 시, 교류 입력 전원의 극성에 따라 사이리스터(TH1, TH2)를 도통시킴으로써 부하 측 교류 출력 전원(Vo)을 공급한다. 교류 입력 전원(Vi)이 정상적으로 공급 될 시, 에너지 저장원 전원(Ve)을 필터(Lf, Cf), 절연형 변압기(T) 및 인버터(S1, S2, S3, S4)를 통하여 에너지 저장원을 충전할 수 있다.
교류 입력 전원(Vi)의 순간정전이나 Sag가 발생 시, 사이리스터(TH1, TH2)를 소거시킴으로써 입력 전원 단과 출력 전원 단이 분리되고, 에너지 저장원 전원(Ve), 인버터(S1, S2, S3, S4), 절연형 변압기(T) 및 필터(Lf, Cf)를 통하여 부하 측 교류 출력 전원(Vo)을 보상한다.
도 1에 도시된 절연형 순간정전 보상장치의 절연형 변압기는 철심 코어로 제작되어 부피가 크고 무거울 뿐만 아니라, 가격이 비싼 문제점을 지닌다.
이를 해결하기 위해, 저주파 절연형 변압기 대신 비절연형(Non-isolated) 양방향 직류-직류 컨버터(Bidirectional DC-DC Converter)를 적용하여 순간정전 보상장치에 대한 제품의 제조 단가를 낮추면서 부피 및 무게를 소형 경량화할 수 있다.
하지만, 양방향 직류-직류 컨버터는 전력용 스위치의 스위칭 동작 방식으로 인하여 스위칭 전력 손실(Switching Power Loss)을 유발한다. 이러한 전력 손실은 전력변환 효율(Power Conversion Efficiency)을 감소시킴으로써 순간정전 보상장치의 안정성을 저하시키는 단점을 지닌다.
이에, 비절연형 순간전압 보상장치의 전력변환 효율을 개선시킬 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 비절연형 순간전압 보상장치의 전력변환 효율을 개선시키기 위해, 소프트 스위칭(Soft-Switching) 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터를 적용한 비절연형 순간전압 보상장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 비절연형 순간정전 보상장치는, 에너지 저장원에 연결된 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터; 상기 양방향 직류-직류 컨버터에 연결된 커패시터; 상기 커패시터에 연결된 인버터; 및 일단이 상기 인버터에 연결되며, 타단이 부하 측에 연결되는 필터;를 포함한다.
그리고, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는, 제1 스위치와 제2 스위치를 구비하며, 상기 제2 스위치의 양단에 수동 소자가 병렬로 연결되어 있을 수 있다.
또한, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는, 상기 수동 소자는, 인덕터와 커패시터를 포함할 수 있다.
그리고, 인덕터와 커패시터는 직렬로 연결되어 있을 수 있다.
또한, 상기 인덕터와 커패시터에 의해, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는, 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching)할 수 있다.
그리고, 상기 수동 소자는, 상기 제1 스위치의 일단에 연결되어 있을 수 있다.
또한, 상기 부하 측에 전원이 정상적으로 공급되는 경우, 상기 필터를 통해 입력되는 전원을 상기 인버터 및 상기 커패시터를 통해 전달받아 상기 양방향 직류-직류 컨버터가 상기 에너지 저장원에 충전할 수 있다.
그리고, 상기 부하 측에 전원이 정상적으로 공급되지 않는 경우, 상기 에너지 저장원에 충전된 전원을 상기 양방향 직류-직류 컨버터와 상기 커패시터를 통해 전달받아 상기 인버터가 상기 필터를 통해 부하 측에 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 비절연형 순간정전 보상방법은, 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터가 에너지 저장원에 충전된 전원으로 커패시터를 충전하는 단계; 및 인버터가 상기 커패시터에 충전된 전원을 필터를 통해 부하에 공급하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는, 제1 스위치와 제2 스위치를 구비하며, 상기 제2 스위치의 양단에 수동 소자가 병렬로 연결되어 있을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 비절연형 순간정전 보상장치의 전력용 스위치의 스위칭 동작 방식으로 인한 양방향 직류-직류 컨버터의 스위칭 전력 손실 문제를 해소함으로써 전력 변환 효율을 개선시킬 수 있다. 이로써, 병렬보상 방식의 비절연형 순간정전 보상장치의 안정성을 향상시키고, 그 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 절연형 순간정전 보상장치를 나타낸 회로 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간전정 보상장치를 나타낸 회로 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치의 양방향 직류-직류 컨버터의 회로 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치에서 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터가 승압형(Step-Up) 직류-직류 컨버터로서 동작 시 스위칭 신호도, 그리고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치에서 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터가 강압형(Step-Down) 직류-직류 컨버터로서 동작 시 스위칭 신호도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간전정 보상장치는, 양방향 직류-직류 컨버터에 수동 회로 소자를 추가하여, 스위칭 전력 손실을 줄일 수 있는 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터로 구현한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간전정 보상장치를 나타낸 회로 구성도이다. 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치는 교류 입력 전원(Vi), 입력 전류를 바이패스 시키는 사이리스터(TH1, TH2), 부하 측의 교류 출력 전원(Vo), 필터(Lf, Cf), 인버터(S1, S2, S3, S4), 커패시터(Cd), 양방향 직류-직류 컨버터(Bidirectional DC-DC Converter)(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs) 및 에너지 저장원 전원(Ve)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치에서는, 스위칭 전력 손실을 유발하는 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb)에서 스위치-b(Sb)의 양단에 '직렬 연결된 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)'가 병렬로 연결되어 있다. 또한, 인덕터(Ls)가 연결되는 스위치-b(Sb)의 일단에는 스위치-a(Sa)와 인덕터(Lb)도 연결되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치는 교류 입력 전원(Vi)이 정상적으로 공급될 시, 교류 입력 전원의 극성에 따라 사이리스터(TH1, TH2)를 도통시킴으로 부하 측 교류 출력 전원(Vo)을 공급한다. 교류 입력 전원(Vi)이 정상적으로 공급될 시, 필터(Lf, Cf), 인버터(S1, S2, S3, S4), 커패시터(Cd), 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs)를 통하여 에너지 저장원 전원(Ve)을 충전할 수 있다.
구체적으로, 인버터(S1, S2, S3, S4)는 필터(Lf, Cf)를 통과한 교류 전원을 커패시터(Cd)에 충전함으로써 일정한 직류 전원인 커패시터 전원(Vd)로 변환한다. 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs)는 커패시터 전원(Vd)을 에너지 저장원 전원(Ve)으로 변환함으로써 에너지 저장원 전원(Ve)을 충전한다. 커패시터 전원(Vd)는 에너지 저장원 전원(Ve)보다 항상 높은 전압으로 유지된다. 따라서, 양방향 직류-직류 컨버터는 강압형(Step-Down) 직류-직류 컨버터로 동작한다.
교류 입력 전원(Vi)의 순간정전이나 Sag가 발생 시, 사이리스터(TH1, TH2)를 소거시킴으로 입력 전원 단과 출력 전원 단이 분리되고, 에너지 저장원 전원(Ve), 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs), 커패시터(Cd) 및 필터(Lf, Cf)를 통하여 출력 전원(Vo)을 보상한다.
구체적으로, 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs)는 에너지 저장원 전원(Ve)을 커패시터 전원(Vd)으로 변환함으로써 에너지 저장원 전원(Ve)을 방전한다. 이때, 커패시터 전원(Vd)는 에너지 저장원 전원(Ve)보다 항상 높은 전압으로 유지되어야 함으로 양방향 직류-직류 컨버터는 승압형(Step-Up) 직류-직류 컨버터로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 순간정전 보상장치에서, 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs)는 수동 회로 소자인 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)로 인하여 에너지 저장원의 충전 및 방전 시, 양방향 직류-직류 컨버터의 스위칭 전력 손실이 감소하게 됨으로써 전력변환 효율을 개선하는 특징을 지닌다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치의 양방향 직류-직류 컨버터의 회로 구성도이다. Ve는 에너지 저장원의 전원으로서 배터리(Battery) 및 수퍼-캐패시터(Super-capacitor)와 같은 에너지 저장원이 될 수 있다. 커패시터(Cd)의 전원(Vd)은 항상 에너지 저장원 전원(Ve)보다 높은 전압을 유지한다.
본 발명의 실시예에 따른 양방향 직류-직류 컨버터(Sa, Sb, Lb, Ls, Cs)의 스위치-a(Sa)와 스위치-b(Sb)는 일정한 스위칭 주기(Ts)에 대하여 서로 비대칭(Asymmetric) 관계를 지닌다. 커패시터(Cd)로부터 에너지 저장원 전원(Ve)을 충전 시, 양방향 직류-직류 컨버터는 강압형(Step-Down) 직류-직류 컨버터로서 스위치(Sa)가 제어된다. 반면, 에너지 저장원 전원(Ve)을 방전시켜 커패시터(Cd)의 전압(Vd)를 유지 시, 양방향 직류-직류 컨버터는 승압형(Step-Up) 직류-직류 컨버터로서 스위치(Sb)가 제어된다.
인덕터 전류(iLb), 인덕터 전류(iLs), 스위치 전압(VSa), 스위치 전압(VSb), 커패시터 전압(VCc), 스위치 전류(iSa) 및 스위치 전류(iSb)는 도 3에 도시된 바와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치에서 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터가 승압형(Step-Up) 직류-직류 컨버터로서 동작 시 스위칭 신호를 나타낸다.
t0에서 스위치(Sb)가 소거되고 스위치(Sa)가 도통된다. 스위치(Sb)가 소거 시, 스위치 전류(iSb)는 영 전류가 된다. t0전에 흐르던 인덕터 전류(iLb)는 스위치(Sa)를 통하여 흐르게 된다. 인덕터 전류(iLs)는 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)와의 직렬 공진(Series Resonance)으로 인하여 인덕터 전류(iLb)와 함께 스위치(Sa)를 통하여 소스(Source)에서 드레인(Drain) 방향으로 흐르게 된다.
t0와 t1에서 인덕터 전류(iLs)는 극성(Polarity)이 바뀌게 되어 스위치(Sa)의 드레인(Drain)에서 소스(Source) 방향으로 흐르게 된다.
t1에서 스위치(Sb)가 도통되고 스위치(Sa)가 소거된다. 이때, 스위치(Sb)는 인덕터 전류(iLb)와 인덕터 전류(iLs)를 소스(Source)에서 드레인(Drain) 방향으로 흐르게 함으로써 영 전압 상태에서 인덕터 전류들을 도통시킨다. 이로 인하여, 스위치(Sb)의 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching)이 이루어진다.
t1과 t2에서 인덕터 전류(iLs)는 극성(Polarity)이 바뀌게 되어 스위치(Sb)의 드레인(Drain)에서 소스(Source) 방향으로 흐르게 된다. t2에서 스위치(Sb)가 소거되고 스위치(Sa)가 도통된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비절연형 순간정전 보상장치에서 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터가 강압형(Step-Down) 직류-직류 컨버터로서 동작 시 스위칭 신호를 나타낸다.
t0에서 스위치(Sa)가 소거되고 스위치(Sb)가 도통된다. 스위치(Sa)가 소거 시, 스위치 전류(iSa)는 영 전류가 된다. t0전에 흐르던 인덕터 전류(iLb)는 스위치(Sb)를 통하여 흐르게 된다. 인덕터 전류(iLs)는 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)와의 직렬 공진(Series Resonance)으로 인하여 인덕터 전류(iLb)와 함께 스위치(Sb)를 통하여 소스(Source)에서 드레인(Drain) 방향으로 흐르게 된다.
t0와 t1에서 인덕터 전류(iLs)는 극성(Polarity)이 바뀌게 되어 스위치(Sb)의 드레인(Drain)에서 소스(Source) 방향으로 흐르게 된다.
t1에서 스위치(Sa)가 도통되고 스위치(Sb)가 소거된다. 이때, 스위치(Sa)는 인덕터 전류(iLb)와 인덕터 전류(iLs)를 소스(Source)에서 드레인(Drain) 방향으로 흐르게 함으로써 영 전압 상태에서 인덕터 전류들을 도통시킨다. 이로 인하여, 스위치(Sa)의 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching)이 이루어진다.
t1과 t2에서 인덕터 전류(iLs)는 극성(Polarity)이 바뀌게 되어 스위치(Sa)의 드레인(Drain)에서 소스(Source) 방향으로 흐르게 된다. t2에서 스위치(Sa)가 소거되고 스위치(Sb)가 도통된다.
본 발명의 실시예에 따른 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터는 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 동작으로 인하여 전력용 스위치의 스위칭 동작 방식으로 인한 양방향 직류-직류 컨버터의 스위칭 전력 손실을 줄일 수 있다. 이에, 양방향 직류-직류 컨버터의 스위칭 전력 손실이라는 문제점을 해결함으로써, 비절연형 순간전압 보상장치의 전력변환 효율을 개선시킬 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
Vi : 교류 입력 전원
TH1, TH2 : 사이리스터
Vo : 교류 출력 전원
Lf, Cf : 필터
S1, S2, S3, S4 : 인버터
Cd : 커패시터
Sa, Sb, Lb, Ls, Cs : 양방향 직류-직류 컨버터
Ve : 에너지 저장원 전원

Claims (10)

  1. 에너지 저장원에 연결된 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터;
    상기 양방향 직류-직류 컨버터에 연결된 커패시터;
    상기 커패시터에 연결된 인버터; 및
    일단이 상기 인버터에 연결되며, 타단이 부하 측에 연결되는 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 직류-직류 컨버터는,
    제1 스위치와 제2 스위치를 구비하며, 상기 제2 스위치의 양단에 수동 소자가 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 양방향 직류-직류 컨버터는,
    상기 수동 소자는,
    인덕터와 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    인덕터와 커패시터는 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 인덕터와 커패시터에 의해, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는, 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching)하는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 수동 소자는,
    상기 제1 스위치의 일단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하 측에 전원이 정상적으로 공급되는 경우, 상기 필터를 통해 입력되는 전원을 상기 인버터 및 상기 커패시터를 통해 전달받아 상기 양방향 직류-직류 컨버터가 상기 에너지 저장원에 충전하는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하 측에 전원이 정상적으로 공급되지 않는 경우, 상기 에너지 저장원에 충전된 전원을 상기 양방향 직류-직류 컨버터와 상기 커패시터를 통해 전달받아 상기 인버터가 상기 필터를 통해 부하 측에 공급하는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상장치.
  9. 소프트 스위칭 동작 방식의 양방향 직류-직류 컨버터가 에너지 저장원에 충전된 전원으로 커패시터를 충전하는 단계; 및
    인버터가 상기 커패시터에 충전된 전원을 필터를 통해 부하에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 양방향 직류-직류 컨버터는,
    제1 스위치와 제2 스위치를 구비하며, 상기 제2 스위치의 양단에 수동 소자가 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비절연형 순간정전 보상방법.
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