KR20190007338A - Method and apparatus for resonance point following operation of a power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시는 전력 변환 시스템의 부하단 측 임피던스 변동이 있을 때 전력변환 시스템 측에서 커패시터를 적응적으로 연결하여 공진점 추종 운동을 원활하게 하기 위한 방법과 장치에 관한 것에 관련된다. The present disclosure relates to a method and apparatus for adaptively connecting capacitors on the power conversion system side to facilitate resonant point following movement when there is a variation in the impedance of the lower side of the power conversion system.
본 개시는 한국 산업기술평가관리원의 60kW급 에너지저장 시스템을 위한 지능형 에너지 전력반도체IC 개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. (과제관리번호: 10048822, 과제명: 60kW급 에너지저장 시스템을 위한 지능형 에너지 전력반도체IC 개발)This disclosure is derived from a study conducted as part of the development of the intelligent energy power semiconductor IC for the 60kW class energy storage system of Korea Industrial Technology Evaluation and Management Institute. (Project number: 10048822, Title: Development of intelligent energy power semiconductor IC for 60kW class energy storage system)
전력변환기에서 인덕턴스와 커패시턴스의 공진에 의한 공진 운전을 수행할 때 운전 주파수는 커패시티브(capacitive) 부하 운전 영역에 머물면서도 최대한 공진점에 가깝도록 운전해야 바람직하다. When performing resonant operation by resonance of inductance and capacitance in a power converter, it is desirable that the operating frequency should be operated as close as possible to the resonance point while staying in a capacitive load operating region.
만일 공진점 좌방면인 인덕티브(inductive) 운전 영역으로 운전 주파수가 넘어가게 되면 스위칭 소자는 소자에 전류가 많이 흐르는 동안 하드 스위칭을 하게 되고, 스위칭 소자에 연결된 버스(bus)의 스트레이 인덕턴스로 인한 스파이크 전압이 발생한다. 이런 스파이크 전압은 스위칭 소자에 소손을 일으킬 수 있는 위험요소가 된다. If the operating frequency exceeds the inductive operation area, which is the left side of the resonance point, the switching element performs hard switching during the current flow in the element, and the spike voltage due to the stray inductance of the bus connected to the switching element Lt; / RTI > Such a spike voltage is a risk factor that may lead to burnout of the switching element.
부하 측에서는 부하의 종류나 운전 조건에 따라 부하 임피던스가 변하게 되는데, 이러한 부하 임피던스의 변화를 고려하여 전력변환기 측에서는 공진점 추종 운전을 적응적으로 할 수 있도록 하는 공진 추종 운전 방법이 필요하다. On the load side, the load impedance changes depending on the type of load and the operating condition. In consideration of the change in the load impedance, a resonance follow-up operation method is required to enable the resonance point following operation to be adaptively performed on the power converter side.
공진 추종 운전을 하는 전력변환기에서 부하 측의 임피던스 변화에 따라 공진점에 근접한 주파수로 운전하면서도 전력변화기 시스템이 안정적으로 운전될 수 있도록 제어하는 방법과 장치가 필요하다. There is a need for a method and an apparatus for controlling the power converter system so that the power converter system operates stably at a frequency close to the resonance point in accordance with the impedance change of the load side in the power converter performing resonance following operation.
상기의 과제를 해결하기 위해 공진 추종 운전을 하는 전력변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 단계, 상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계; 상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하는 단계; 및 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 상기 전력변환기의 정지 후 공진 커패시터와 제 1 커패시터를 병렬로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법이 제공된다. A step of detecting a phase difference between a voltage and a current supplied to a load side in a power converter performing a resonance following operation, and checking whether the detected phase difference is smaller than a minimum phase difference allowable value; Setting a capacitor connection necessity flag when the detected phase difference is less than the minimum phase difference allowable value for a predetermined time or longer; And connecting the resonance capacitor and the first capacitor in parallel after the stop of the power converter based on the set value of the capacitor connection necessity flag.
바람직하게는, 상기 제 1 커패시터를 연결하는 단계는 상기 제 1 커패시터와 직렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 제 1 커패시터를 연결하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the step of connecting the first capacitor controls the opening and closing of a first switch element connected in series with the first capacitor to connect the first capacitor.
바람직하게는, 상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계는 상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작으면 상기 전력변환기의 출력 전력을 감소시키는 파워다운 모드로 동작하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the step of checking whether the detected phase difference is less than the minimum phase difference allowable value comprises the step of operating in a power down mode for decreasing the output power of the power converter if the detected phase difference is smaller than the minimum phase difference allowable value And further comprising:
바람직하게는, 상기 제 1 커패시터를 병렬로 연결하고 난 후, 상기 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the method further comprises the step of resetting the capacitor connection necessity flag after connecting the first capacitor in parallel.
상기의 또 다른 과제를 해결하기 위한 공진 추종 운전을 하는 전력변환기 장치는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부, 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 컨트롤러, 공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및 상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 제 1 커패시터를 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴온하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a power converter apparatus for resonance-following operation, the apparatus comprising: a phase detector for detecting a phase difference between a voltage and a current supplied to a load; A first capacitor connected in parallel with the resonant capacitor; And a first switch element connected in parallel to the first capacitor, wherein the controller determines that a capacitor connection necessity flag is set when the time when the detected phase difference is less than the predetermined minimum phase difference allowable value is longer than a predetermined time And turns on the first switch element to connect the first capacitor in parallel with the resonance capacitor after the operation stop based on the set value of the capacitor connection necessity flag.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 경우 상기 전력 변환기 출력 전력을 감소시키는 파워다운 모드로 동작하도록 하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the controller operates in a power down mode in which the output power of the power converter is reduced when the phase difference detected by the phase detector is smaller than a predetermined minimum phase difference allowable value.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스위치 소자를 턴온하고 난 후 상기 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the controller resets the capacitor connection necessity flag after turning on the first switch element.
상기의 또 다른 과제를 해결하기 위한 공진 추종 운전을 하는 전력변환기 장치는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부, 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰지를 체크하는 컨트롤러, 공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및 상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 해제 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결된 상기 제 1 커패시터의 연결을 해제하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴 오프하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a power converter device for resonance-following operation, comprising: a phase detector for detecting a phase difference between a voltage and a current supplied to a load; a phase difference detector A first capacitor connected in parallel with the resonant capacitor; And a first switch element connected in parallel to the first capacitor, wherein the controller determines that a capacitor disconnecting necessity flag is set when the detected phase difference is longer than a predetermined maximum phase difference allowable value for a predetermined time or longer And turns off the first switch element to disconnect the first capacitor connected in parallel with the resonance capacitor after the operation stop based on the set value of the capacitor disconnection necessity flag.
상기의 과제 해결 수단에 의한 전력 변환기를 통해 부하 임피던스가 운전 조건이나 부하의 특성에 따라 달라지더라도 최대한 공진점에 가까우면서도 커패시티브 영역에서 운전이 되도록 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 적응적으로 턴온하거나 턴오프하는 제어를 하고, 이를 통해 전력 변환기가 안정적인 공진점 추종 운전이 가능하도록 한다. Even if the load impedance varies depending on the operating conditions and the characteristics of the load through the power converter according to the above-mentioned problem solution, the capacitor connected in parallel with the resonance capacitor is adaptively turned on so that the resonance capacitor is operated in the capacitive range, Or turning off the power converter, thereby enabling the power converter to perform a stable resonance point following operation.
도 1은 본 개시의 일실시예에 따른 전력변환 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 개시의 일실시예에 따른 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 개시의 일실시예에 따라 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 주파수-전압 이득곡선이다.
도 4는 본 개시의 일실시예에 따라 공진부와 병렬로 연결된 커패시터와 직렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 공진점 추종 운전을 하도록 하는 방법의 흐름도이다.1 shows a power conversion system according to an embodiment of the present disclosure;
2 is a graph for explaining a resonance point following operation according to an embodiment of the present disclosure.
3 is a frequency-voltage gain curve for explaining a resonance point following operation according to one embodiment of the present disclosure.
4 is a flowchart of a method for performing a resonance point following operation by regulating switch opening / closing connected in series with a capacitor connected in parallel with a resonator according to an embodiment of the present disclosure.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함된다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification.
산업계에서 고주파 고전압(high frequency high voltage) 전력변환 응용 분야는 점점 다양해지고 있다. 유도 가열기, 오존 발생기, 플라즈마 발생기 등은 100kHz~220kHz 의 고주파수, 0 ~ 5,000V 의 고전압 출력이 필요한 전력 변환 응용 분야이다. 이러한 고주파 고전압 전력 변환 응용기기에 대한 입력 전력 레벨은 기기마다 조금씩 다르긴 하지만 유효전력 5kW 정도의 입력 전력 레벨이 필요한 경우가 많다. 산업계에서는 부하의 종류 및 환경에 따라 임피던스가 큰 폭으로 변하더라도 안정적인 운전을 할 수 있는 고주파 고전압 전력 변환 응용기기에 대한 요구가 높다. Applications for high frequency high voltage power conversion are becoming more and more diverse in the industry. Induction heaters, ozone generators, and plasma generators are power conversion applications that require high frequencies from 100kHz to 220kHz and high voltage outputs from 0 to 5,000V. The input power level for such a high-frequency high-voltage power conversion application is slightly different for each device, but an input power level of about 5 kW is often required. In the industry, there is a high demand for a high frequency high voltage power conversion application device which can operate stably even if the impedance varies greatly depending on the type of load and the environment.
고주파 고전압 전력 변환 응용기기의 부하측에는 유효전력과 무효전력이 합쳐진 피상전력이 전달되는데, 대략 무효 전력량 40kVar~80kVar가 부하 측으로 흘러갈 수 있고, 따라서, 유효전력 5kW를 고려할 때 피상 전력은 45~85kVA 정도까지 부하 측으로 공급될 수 있다. Apparent power, which is the sum of active power and reactive power, is delivered to the load side of high-frequency high-voltage power conversion application equipment. Approximately 40 kVar to 80 kVar of reactive power can flow to the load side. Therefore, when the effective power of 5 kW is taken into consideration, To the load side.
고주파 고전력 전력 변환기에서 부하측에 전력을 변환하여 전달하기 위한 인버터 단(혹은 컨버터)에는 고주파 스위칭을 위해서 FET를 스위칭 소자로 사용한다. 본 명세서에서 스위칭 소자는 스위치 소자라는 용어와 가역적으로 대체되어 사용될 수 있다. In an inverter stage (or converter) for converting power from a high-frequency high-power power converter to a load, a FET is used as a switching device for high-frequency switching. In this specification, the switching element can be reversibly replaced with the term switching element.
위 실시예에서는 스위칭 소자가 FET이지만, 고주파 스위칭을 위한 어떤 스위치 기기도 가능하다. 예를 들어 FET 대신 IGBT, GTO, 고속 트랜지스터와 같은 고주파 스위칭 소자도 대체되어 사용 가능하다. 본 명세서 전반에 걸쳐 전력변환기와 전력 변환 시스템은 서로 같은 의미로 대체되어 사용된다. In the above embodiment, the switching element is the FET, but any switch device for high frequency switching is possible. For example, high-frequency switching devices such as IGBTs, GTOs, and high-speed transistors can be used instead of FETs. Throughout this specification, the power converter and the power conversion system are used interchangeably in the same sense.
도 1은 본 개시의 일실시예에 따른 전력변환 시스템(100)을 나타낸다.FIG. 1 illustrates a
도 1에 따른 전력변환 시스템(100)의 입력전원(110)은 3상 전원을 사용하는 것으로 가정한다. 주로 3상 220V 가 산업계에서 일반적인 입력전원임을 감안한 것이다. 도 1에 따른 실시예에서는 3상 전원을 사용하지만, 이는 실시예에 불과할 뿐 본 개시에 따른 공진점 추종 운전 방법을 구현하는 장치는 단상 전원을 사용하여도 무방하다. It is assumed that the input power source 110 of the
입력전원(110)으로부터의 3상 전원은 정류부(120)에서 정류되어 DC 링크(130) 커패시터에 의해 직류전원으로 확립된다. 정류부(120)는 입력전원이 3상인 경우 보통 6개의 다이오드(121, 122, 123, 124, 125, 126)로 구성된다. 입력전원이 단상인 경우는 물론 4개의 다이오드로 입력전원을 정류하는 것이 일반적이다. The three-phase power source from the input power source 110 is rectified by the rectification unit 120 and is established as a DC power source by the
DC 링크(130) 상에 확립된 DC 전압은 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)로 이루어지는 인버터부(140)에 의해 원하는 고주파 고전압 출력으로 변환된다. 출력으로 연결되는 지점에 있는 커패시터(145)는 출력의 DC 성분을 제거한다. The DC voltage established on the
인버터부(140)의 고속 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)은 고속 스위칭이 가능하면서 내압이 높은 반도체 소자를 사용해야 하는데 주로 FET 소자를 이용한다. 물론 응용에 따라서는 IGBT나 GTO도 가능하다. 그 외 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자 어떤 것을 사용해도 본 개시의 일실시예에 따른 전력 변환기를 구현하는데 문제가 없다. The high-
보통 전력변환 시스템(100)에서는 DC 링크 전압(130)을 입력하는 SMPS(180, 스위칭 모드 파워 서플라이)를 통해 컨트롤러(190)에 전원을 공급한다. 컨트롤러는 전력 변환 시스템(100)의 공진 추종 운전을 제어하고 인버터부(140)의 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)의 게이트 신호 출력을 제어한다. 공진 추종 운전을 제어하는 컨트롤러(190)와 별개로 인버터부(140)의 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)의 게이트 신호 출력을 제어하는 제 2의 컨트롤러는 사용자의 선택에 따라 독립적으로 구비될 수 있다. Typically, the
출력은 트랜스포머(150)에 의해 변압되고 절연되어 공진부(160)를 거쳐 부하(170) 측으로 전달된다. 입력전원(110)이 220V 인 경우 DC 링크에 의해 확립되는 전압은 보통 380V 이지만 트랜스포머(150)에 의해 부하 측에 전달되는 전압의 크기는 조절될 수 있다. 트랜스포머(150) 출력 단의 공진회로는 보통 인덕터(164)와 커패시터(162)를 포함한다. 인덕터와 커패시터 간 공진에 의해 본 개시의 일실시예에 따른 전력 변환기는 공진 추종 운전을 하게 된다. 공진 주파수는 다음과 같이 계산된다. The output is transformed by the
(수식 1) (Equation 1)
공진 주파수는 공진부(160)의 인덕터(164)에 의한 임피던스와 커패시터(162)에 의한 임피던스가 같아지는 조건에서의 주파수값이다. The resonance frequency is a frequency value under the condition that the impedance due to the
본 개시의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템(100)은 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)의 고속 스위칭을 통해 유효전력을 부하(170) 측에 공급하고 트랜스포머(150) 출력단에 구비된 공진부(160)의 LC 탱크(인덕터(164, L)와 커패시터(162, C) 탱크)에서 공진을 통해 무효전력을 부하(170) 측에 공급한다.The
위와 같은 전력 변환 시스템(100)에서 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)을 포함하는 인버터부(140) 스위칭을 통한 인버터 운전을 할 때 LC 공진점 추종 운전을 하는 것이 입력단에서 바라보았을 때 바람직한 운전 상태가 된다. 왜냐하면, 공진점에 가까운 운전일수록 역률이 제일 좋은 효율적인 운전이 되기 때문이다. It is preferable to perform the LC resonance point following operation when the inverter is operated by switching the inverter unit 140 including the switching
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 그래프이다. 2 is a graph for explaining a resonance point following operation according to an embodiment of the present invention.
도 2에 따른 일실시예에서는 공진 주파수가 대략 142KHz 정도에서 형성되고 있다. 그래프에서 공진점 기준으로 우측(우방면)은 커패시티브 운전 영역(201)이고 공진점 좌측(좌방면)은 인덕티브 운전 영역(203)이다. 위에서 설명한 바와 같이 전력 변환 시스템은 공진점 근처에서 운전이 이루어질수록 역률이 좋은 효율적인 운전이 되므로 되도록 공진점 근처에서 운전하는 것이 바람직하다. In the embodiment according to FIG. 2, the resonance frequency is about 142 KHz. In the graph, the right side (right side) on the basis of the resonance point is the
그 중에서도 전력 변환 시스템 운전은 되도록 커패시티브 운전 영역(201) 에서 운전하는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 전력 변환 시스템에 부하가 걸려서 공진점을 넘어 인덕티브 운전 영역(203) - 예를 들어 A 지점 - 에서 운전이 이루어지면 도 1의 인버터부(140)의 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144) 스위칭 시 소자에 전류가 많이 흐르는 하드 스위칭이 이루어지게 된다. 이 때 전력 변환 시스템의 스위칭 소자와 연결된 전기 도통 경로인 버스(bus) 상의 스트레이 인덕턴스(Ls) 및 빠른 스위칭 주파수로 인해 스위칭 내압을 위협할 수 있는 상당히 높은 스파이크 전압(Vspike = Ls * di/dt)이 발생하게 된다. 시스템에 따라서는 스위칭 속도와 스트레인 인덕턴스(Ls)의 크기 및 스위칭 소자의 내압 레벨에 따라 스위칭 소자 소손도 발생할 수 있다. Among them, it is preferable to operate the power conversion system in the
반면에 전력 변환기를 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전하되 공진점에서 상당히 먼 지점 - 예를 들어 B 지점 - 에서 운전하면 부하측에 공급되는 무효전력이 상대적으로 크게 증가하게 된다. 기존의 제품들은 이와 같이 피상전력이 큰 운전을 하는 경우 부하 측 트랜스포머나 리액터에서 발생하는 열을 식히기 위해 트랜스포머나 리액터를 기름에 담그는 조치를 취해야 한다. On the other hand, if the power converter is operated in the
이상을 고려할 때 전력 변환 시스템은 공진점에서 우측인 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전을 하되 운전 주파수가 공진점에 가까울 수록 더욱 바람직한 소프트 스위칭 운전이 이루어짐을 알 수 있다. 따라서, 전력 변환 시스템 운전 주파주가 공진점 좌측인 인덕티브 운전 영역(203)으로 이동하지 않으면서 최대한 공진점에 가까운 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전하도록 하여 유효 전력이 극대화되고(역률이 좋아지고) 그 결과 시스템의 효율이 극대화되도록 제어하는 것이 필요하다. Considering the above, it can be seen that the power conversion system operates in the
도 1에서 보는 바와 같은 전력 변환 시스템(100)에서 공진부(160)의 L, C 값이 고정되어 있으면 공진점에 가까우면서 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전이 되도록 인버터부(140)를 제어할 수 있을 것이다. 하지만, 실제 응용에서 발생하는 문제는 부하(170) 측의 커패시턴스 성분이 공진 커패시터(162) 값에 영향을 준다는 것이다. 더불어 부하(170) 측의 임피던스 성분이 고정적이지 않고 상황에 따라 변동하는 경우 더욱 공진점 추종 운전이 어려울 수 있다.1, when the L and C values of the resonance unit 160 are fixed in the
도 1에서 부하(170)는 크기는 약간씩 다를 수 있으나 부하(170)에는 R(저항), L(인덕터), C(커패시터) 성분이 조금씩은 있게 마련이다. 예를 들면 부하의 일종으로 플라즈마 발생기의 경우 커패시터 성분이 있고 이 커패시터 성분은 운전 중 운전 조건에 따라 그 크기가 변하게 된다. 플라즈마 반응기 사이에 가스가 통과하거나 플라즈마 반응기 극판의 온도가 상승하는 경우 부하 측 커패시턴스 값의 변화가 일어나게 되고 부하 임피던스 변동을 일으킨다. In FIG. 1, the load 170 may be slightly different in size, but R (resistance), L (inductor), and C (capacitor) components are slightly present in the load 170. For example, there is a capacitor component in the case of a plasma generator, which is a kind of load, and the size of the capacitor component varies depending on the operating conditions during operation. When the gas passes between the plasma reactors or the temperature of the electrode plate of the plasma reactor rises, a change in the load side capacitance value occurs and the load impedance fluctuation occurs.
비단 플라즈마 발생기 뿐만 아니라 유도 발생기나 다른 부하의 경우에도 상황에 따라 부하 측 임피던스가 수시로 변하는 상황은 다반사로 발생한다. 이와 같이 부하 임피던스가 수시로 바뀌는 경우 애초에 사용자가 생각한 공진점 추종 운전이 제대로 되지 않을 수 있다. In the case of induction generators and other loads as well as plasma generators, the situation where the load side impedance changes frequently depends on the situation. If the load impedance varies from time to time, the user may not be able to follow the resonance follow-up operation.
만일 부하 임피던스가 증가하면 전력변환기는 출력을 높이기 위해 운전 주파수를 낮추어서 운전을 하게 되는데, 높아지는 출력에 맞추어 운전 주파수를 낮추다 보면 공진점을 넘어서는 영역인 인턱티브 영역으로 운전 영역이 이동할 수 있다. 따라서, 공진점 기준 운전 주파수가 좌방면으로 이동하여 결국 인덕티브 영역에서 전력변환기가 동작하는 것을 피하기 위해 시스템을 정지해야 할 수 밖에 없게 된다. If the load impedance increases, the power converter is operated by lowering the operating frequency in order to increase the output. If the operating frequency is lowered according to the higher output, the operation region can move to the inductive region, which is the region beyond the resonance point. Therefore, it is necessary to stop the system in order to avoid the operation of the power converter in the inductive region since the resonance-point-based operation frequency moves to the left side.
도 1을 다시 참조하면, 전력 변환 시스템(100)에서 위상 검출부(195)는 부하(170) 측으로 공급되는 전압 전류의 위상차를 검출한다. 보통 커패시티브 부하이면 전압은 전류에 비해 위상이 지연될 것이다. 전압과 전류의 위상차는 전압과 전류가 제로점을 통과하는 차이를 카운터로 계산해보면 알 수 있다. 보통 위상차를 검출하기 위한 카운터는 PLL(phase lock loop)을 사용한다. Referring back to FIG. 1, in the
위상 검출부(195)의 출력은 전압과 전류의 위상 자체일 수도 있고 전압과 전류의 위상차가 될 수도 있다. 컨트롤러(190)는 상기 위상 검출부(195)에 의해 검출된 위상차가 상기 부하(170) 측의 임피던스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크한다.The output of the
앞선 예에서와 같이 부하 커패시터(171)가 일정한 환경이나 운전 조건에서 커지게 되면 공진 커패시터(1610)와 더해져서 공진점이 이동하게 된다. 이 경우 공진 주파수는 작아지게 되고 원래 도 2의 C 영역에서 운전하던 전력 변환 시스템(100)은 C 영역을 벗어나 B 방향의 우측 커패시티브 영역(201)으로 벗어나게 된다. 즉, 전압은 전류보다 이전보다 더 지연되게 되고 이는 더 큰 위상차로 나타난다. 반대로 부하 임피던스는 특정 조건에서 부하 커패시터(171) 성분값이 작아지면 도 2의 C 영역에서 운전하던 전력 변환 시스템(100)의 운전 주파수는 점점 C 영역(210)의 좌방면으로 이동하게 되고 공진점에 가까워지게 된다. 다른 상황으로서, 부하(170)의 임피던스가 커지게 되면 전력 변환 시스템(100)의 출력을 높이기 위해 운전 주파수를 낮추면 되는데, 이 경우에 운전 주파수는 공진점에 가까이 접근할 수 있다. If the
사용자의 선택에 따라 공진점 기준 소정의 최소 위상차 허용값을 정하여 만일 위상 검출부(195)에서 검출되는 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지면 전력 변환 시스템(100)은 출력을 낮추는 파워다운 모드에서 동작하도록 할 수 있다. 이 경우 운전 주파수는 높아질 것이므로 공진점 근처에서 우측으로 이동할 것이다. 만일 위상 검출부(195)에서 검출되는 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 컨트롤러(190)는 다음 운전 시 공진점을 좌측으로 이동시키기 위해 공진 커패시터(1610)와 병렬로 커패시터 연결이 필요하다는 판단을 하게 된다. 즉, 커패시터 값을 증가시켜 공진점 주파수 값 자체를 낮출 필요가 있음을 판단하게 된다. If the phase difference detected by the
일실시예로서, 만일 위상 검출부(195)에서 검출되는 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 컨트롤러(190)는 커패시터 연결 필요 플래그를 세트(flag = 1)하여 전력 변환기 시스템으로 하여금 도 1의 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결할 준비를 한다. In one embodiment, if the duration of the phase difference detected by the
일실시예로서 전력 변환 시스템(100)은 전력 변환 시스템의 운전 중 혹은 운전이 정지된 후 커패시터 연결 필요 플래그를 점검하고 점검 결과 커패시터 연결 필요 플래그 값에 기초하여 전력 변환 시스템의 운전이 정지된 후 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결한다. 이제 공진 커패시터의 값이 전체적으로 증가했으므로, 공진 주파수값은 작아지고 따라서 공진점은 이전 운전 시에 비해 전압 이득 곡선에서 좌방면으로 이동하게 된다. In one embodiment, the
도 3은 본 개시의 일실시예에 따라 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 주파수-전압 이득곡선이다.3 is a frequency-voltage gain curve for explaining a resonance point following operation according to one embodiment of the present disclosure.
도 3에 따르면 전력 변환 시스템(100)은 최초 310과 같은 전압 이득 곡선을 보이다가, 앞선 실시예에서와 같이 전력 변환 시스템(100)이 운전 정지 직전에 커패시터 연결 필요 플래그를 점검하고 운전 정지 후 커패시터 연결 필요 플래그 값에 기초하여 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결하게 되면, 전력 변환 시스템(100)이 재기동시 전압 이득 곡선은 320과 같은 전압 이득 곡선에 따른 운전을 하게 된다. 즉, 공진점이 좌측으로 이동하여 320과 같은 전압 이득 곡선 대비 150K~160KHz 영역에 대해서 좀더 안정적인 커패시티브 운전을 확보할 수 있다. 전력 변환 시스템(100)은 운전 정지 시 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결할 때 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋(flag = 0)한다. According to FIG. 3, the
전력 변환 시스템(100)이 운전을 정지한 후에 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 이유는 운전 중에 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하게 되면 트립이 발생하여 시스템 운전 오류가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 하지만, 본 개시에 따르면 트립을 방지하는 한도 내에서는 사용자의 선택에 따라 전력 변환 시스템(100)이 운전 중에 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 것도 가능하다. The reason for connecting the capacitors connected in parallel with the
전압 이득 곡선이 320인 상태에서 전력 변환 시스템(100)이 운전되던 중 재차 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 다시금 전력 변환 시스템(100)은 커패시터 연결 필요 플래그를 세트(flag = 1)하고, 컨트롤러(190)는 전력 변환 시스템(100) 정지 후 제 2 스위치(1612)를 턴온하여 제 2 커패시터(1622)를 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결한다. 컨트롤러(190)는 제 2 스위치(1612)를 턴온하면서, 혹은 턴온 한 후 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋(flag = 0)한다.If the duration that the re-detected phase difference becomes smaller than the minimum phase difference allowable value during the operation of the
기존 전압 이득 곡선이 320인 상태에서 전력 변환 시스템(100)이 운전하고 있었다면 이제 전력 변환 시스템(100)이 재기동하여 운전될 때에는 제 1, 2 커패시터(1621, 1622)가 공진 커패시터(1610)과 병렬로 연결되어 전압 이득 곡선이 330 상태에서 전력 변환 시스템(100)이 운전하게 될 것이다. The first and
보통 최소 위상차 허용값은 5~15도에서 사용자의 설계 선택에 따라 선택할 수 있고, 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되는 지를 체크하는 소정 시간은 1초~10초 정도로 사용자의 설계 선택에 따라 선택하면 된다. 물론 이는 일실시예일 뿐이고 최소 위상차 허용값과 소정 시간은 다양하게 선택될 수 있다. Usually, the minimum phase difference allowable value can be selected according to the user's design selection at 5 to 15 degrees, and the predetermined time for checking whether the detected phase difference is less than the minimum phase difference allowable value lasts for a predetermined time is 1 second ~ 10 seconds depending on your design choice. Of course, this is an embodiment only, and the minimum retardation value and the predetermined time can be selected in various ways.
반대로 위상 검출부(195)에서 검출하는 위상차가 최대 위상차 허용값보다 커지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 전력 변환 시스템(100)은 지나치게 무효전력이 많이 공급되는 (역률이 좋지 않은) 상황에서 운전 중이므로 기존 연결된 제 2 커패시터(1622) 연결을 해제하여 공진점을 우측으로 옮길 필요가 있다. 따라서, 컨트롤러는 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 세트(flag' = 1)하고 전력 변환 시스템(100)이 정지한 후 제 2 스위치(1612)를 턴 오프하여 제 2 커패시터 연결을 해제한다. 그리고, 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 리셋(flag' = 0)한다. 이제 전압 이득 곡선은 330 상태에서 320 상태로 옮겨갔을 것이고, 공진점을 여전히 더 우측으로 옮길 필요가 있을 경우에는 - 즉, 위상 검출부(195)에서 검출하는 위상차가 최대 위상차 허용값보다 커지는 시간(duration)이 또 일정 시간 이상 지속되면 마찬가지 방법으로 제 1 커패시터(1621) 연결을 해제한다. 앞서와 마찬가지로, 전력 변환 시스템(100) 운전 시에 제1, 2 커패시터 연결을 해제할 수도 있으나, 전체 시스템의 안전을 위해 되도록 운전 정지 시에 공진 커패시터와의 병렬로 연결되는 커패시터 연결을 해제하도록 한다. Conversely, if the duration during which the phase difference detected by the
최대 위상차 허용값은 사용자의 선택에 따라 소정의 값을 선택할 수 있으며 대략 40~60도 사이를 적절히 정하면 될 것이다. The maximum retardation allowable value may be a predetermined value depending on the user's selection, and may be appropriately set between about 40 to 60 degrees.
도 4는 본 개시의 일실시예에 따라 공진부와 병렬로 연결된 커패시터와 직렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 공진점 추종 운전을 하도록 하는 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a method for performing a resonance point following operation by regulating switch opening / closing connected in series with a capacitor connected in parallel with a resonator according to an embodiment of the present disclosure.
먼저 전력변환기위 위상 검출부(195)는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출한다(S410). 컨트롤러(190)는 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크한다. (S420) 만일 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은 시간 기간(duration)이 소정 시간보다 크면(S430) 컨트롤러(190)는 공진 커패시터와 병렬로 커패시터 연결이 필요함을 판단하여 커패시터 연결 플래그를 세트(flag = 1)한다(S440). 그리고 전력변환기 운전을 정지한다(S450). 이제 컨트롤러(190)는 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 연결한다(S460). 그리고 컨트롤러(190)는 커패시터 연결 플래그를 리셋(flag = 0)(S470)하고 전력변환기 운전을 재개한다(S480). 전력변환기를 재기동하여 운전할 때는 전압 이득 곡선에 의한 공진점은 좌측으로 이동하여 좀더 안정적인 공진점 추종 운전이 가능하다. First, the
위의 실시예에서는 전력변환기를 정지하는 시점에 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 것으로 설명하였지만, 전력 변환 시스템의 필요나 조건이 만족되면, 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은 시간 기간(duration)이 소정 시간보다 크면 그 판단에 기초하여 운전 중 온라인으로 바로 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 것도 가능하다. In the above embodiment, the capacitor is connected in parallel with the resonance capacitor at the time of stopping the power converter. However, if the requirement or condition of the power conversion system is satisfied, the detected phase difference is smaller than the minimum phase difference allowable value duration is longer than a predetermined time, it is possible to connect a capacitor connected in parallel with the resonance capacitor directly on-line during operation based on the determination.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, embodiments of the present invention have been disclosed through detailed description and drawings. The terms are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention described in the meaning or the claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
110; 입력전원
120; 정류부
130; DC 링크
140; 인버터부
150; 트랜스포머
160; 공진부
170; 부하
180; SMPS
190; 컨트롤러
195; 위상 검출부
171; 부하 커패시터110; Input power
120; Rectifying part
130; DC link
140; Inverter section
150; Transformer
160; Resonance portion
170; Load
180; SMPS
190; controller
195; The phase-
171; Load capacitor
Claims (8)
상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계;
상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하는 단계; 및
상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 상기 전력변환기의 정지 후 공진 커패시터와 제 1 커패시터를 병렬로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법.Detecting a phase difference between a voltage and a current supplied from the power converter to the load side;
Checking whether the detected phase difference is smaller than a minimum phase difference allowable value;
Setting a capacitor connection necessity flag when the detected phase difference is less than the minimum phase difference allowable value for a predetermined time or longer; And
And connecting the resonance capacitor and the first capacitor in parallel after the stop of the power converter based on the set value of the capacitor connection necessity flag.
상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 컨트롤러;
공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및
상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되,
상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 제 1 커패시터를 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴온하는 것을 특징으로 하는 전력변환기.A phase detector for detecting a phase difference between a voltage and a current supplied to the load side;
A controller for checking whether the phase difference detected by the phase detector is smaller than a predetermined minimum phase difference allowable value;
A first capacitor connected in parallel with the resonant capacitor; And
And a first switch element connected in parallel with the first capacitor,
Wherein the controller sets a capacitor connection necessity flag when the detected phase difference is less than the predetermined minimum phase difference allowable value for a predetermined time or more as a result of the check, And turns on the first switch element to connect the first capacitor in parallel with the resonant capacitor.
상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰지를 체크하는 컨트롤러;
공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및
상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되,
상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 해제 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결된 상기 제 1 커패시터의 연결을 해제하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴 오프하는 것을 특징으로 하는 전력변환기.A phase detector for detecting a phase difference between a voltage and a current supplied to the load side;
A controller for checking whether the phase difference detected by the phase detector is larger than a predetermined maximum phase difference allowable value;
A first capacitor connected in parallel with the resonant capacitor; And
And a first switch element connected in parallel with the first capacitor,
Wherein the controller sets a capacitor disconnecting necessity flag when the detected phase difference is greater than the predetermined maximum phase difference allowable value for a predetermined time or more as a result of the check, And turns off the first switch element to disconnect the first capacitor connected in parallel with the resonant capacitor.
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