KR20210029018A - 배전압 생성 및 역률 제어 기능을 갖는 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치 - Google Patents

배전압 생성 및 역률 제어 기능을 갖는 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배전압 생성 및 역률 제어 기능을 갖는 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치에 대해 제시한다.
본 발명의 실시 예에 따른 부분 스위칭 컨버터는 상용 전원 입력부에 직렬 연결된 리액터와 제1 및 제2 배전 캐패시터, 및 제1 및 제2 배전 캐패시터와는 병렬 구조로 구성된 제1 및 제2 출력 제어 스위치를 이용해서 입력 전압에 대한 배전압을 생성하되, 배전압 생성 기간 동안 제1 및 제2 출력 제어 스위치의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통한 정전류 변환이 수행되도록 함으로써, 그 회로 구조를 더욱 단순화시키고 제조 원가 절감에 따른 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

Description

배전압 생성 및 역률 제어 기능을 갖는 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치{PSC WITH MULTIPLE VOLTAGE GENERATION FUNCTION AND POWER FACTOR CONTROL FUNCTION AND POWER CONVERTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 배전압 생성 및 역률 제어 기능을 갖는 부분 스위칭 컨버터(Partial Switching Converter) 및 이를 포함하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 입력 전원(또는, 상용 전원)의 전류 및 전압 등을 변환하고, 변환된 전원을 가전기기나 산업용 기기 등 전력을 이용하는 다양한 부하기기들로 공급하는 장치이다. 이러한, 전력 변환 장치는 산업체나 수용가 내의 다양한 부하기기들에 포함되거나 별도로 추가되어, 외부의 입력 전원을 해당 부하 기기의 구동 전원으로 변환했다.
그런데, 부하 기기들로 공급되는 입력 전원, 즉 상용 전원은 나라별로 다르기 때문에 각각의 부하기기들에 적용되는 전력 변환 장치의 사양 또한 다양하게 가변될 수밖에 없었다.
일 예로, 북미, 일본 등의 국가에서는 110~115V의 상용 전원을 사용하고 있다. 이 경우, 전력 변환 장치를 이용해서 상용 전원의 전압을 220~310V 등으로 가변 및 승압시킨 후, 각각의 부하기기들에서 이용하게 된다. 다시 말해, 상용 전원의 전압이 부하기기들의 구동 전압보다 낮으면, 전력 변환 장치는 배전압 컨버터(또는, 승압형 컨버터)를 사용해서 상용 전원의 전압을 승압한 후 출력하게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 배전압 컨버팅 회로를 나타낸 회로도이다.
도 1(a)로 도시된 바와 같이, 종래에 상용 전원(220V)의 전압 대비 약 2배 정도 높은 구동 전압이 필요한 경우에는 적어도 2개씩의 전해 캐패시터(C1,C2)와 다이오드(D1,D2)를 직렬 또는 병렬로 배치해서 배전압 컨버터를 구성하였다. 그리고, 해당 배전압 컨버터로 상용 전원(220V)의 전압을 2배 정도 승압시켜 출력하게 된다.
또한, 도 1(b)로 도시된 바와 같이, 종래에 상용 전원(120V)의 전압 대비 약 4배 이상의 구동 전압이 필요한 경우에는 적어도 4개씩의 전해 캐패시터(C1~C4)와 다이오드(D1~D4)를 배치해서 배전압 컨버터를 구성하였다. 그리고, 해당 상용 전원(120V)의 전압을 4배 이상 승압시켜 출력하게 된다.
하지만, 종래 기술에 따른 전력 변환 장치는 해당 국가별 상용 전원의 전력 대비 각 부하기기들의 가용 전력 차이에 상응하는 각각의 배전압 컨버터를 구비해야 하기 때문에, 제조 과정이 복잡하고 제조 원가 또한 상승할 수밖에 없었다.
또한, 종래 기술에 따른 전력 변환 장치는 국가별 주파수 규제(또는, 고조파 규제)에 대응하기 위해, 부분 스위칭 컨버터(Partial Switching Converter)를 추가로 구성해야 했기 때문에, 그 회로 구조는 더욱 복잡해지고 제조 원가 또한 더욱 높아질 수밖에 없었다.
또한, 종래 기술에 따른 전력 변환 장치는 기본적으로 포함하고 있는 정전류 회로와 인버터 및 DC 링크 캐패시터 등의 구성 요소에 배전압 컨버터와 부분 스위칭 컨버터를 추가로 구성한 형태를 갖는다. 이에, 종래의 전력 변환 강치는 배전압 컨버터와 부분 스위칭 컨버터를 별도로 제어하기 위한 마이컴 등이 부수적으로 추가 구성되어야 하는 문제가 있었다.
본 발명은 배전압 생성시에 전류 흐름 방향에 따라서 정전류 변환이 가능한 부분 스위칭 컨버터(Partial Switching Converter) 및 이를 이용한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리액터에 충전된 배전압 출력시에 역률을 제어할 수 있는 부분 스위칭 컨버터 및 이를 이용한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 인버터에 구성된 다수의 스위칭 제어 소자들 중 적어도 2개의 스위칭 제어소자를 부분 스위칭 컨버터의 출력 제어 스위치로 이용함으로써, 적어도 하나의 마이컴 등으로 인버터와 부분 스위칭 컨버터를 제어할 수 있도록 한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 부분 스위칭 컨버터는 상용 전원 입력부에 직렬 연결된 리액터와 제1 및 제2 배전 캐패시터, 및 제1 및 제2 배전 캐패시터와는 병렬 구조로 구성된 제1 및 제2 출력 제어 스위치를 이용해서 입력 전압에 대한 배전압을 생성한다. 특히, 배전압 생성 기간 동안에는 제1 및 제2 출력 제어 스위치의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통한 정전류 변환이 수행되도록 한다.
또한, 역률 제어 기간에 수행되는 마이컴의 제1 및 제2 출력 제어 스위치 턴-온 제어에 따라 제1 및 제2 캐패시터 중 적어도 하나의 캐패시터로부터의 배전압이 리액터에 충전되도록 하고, 제1 및 제2 출력 제어 스위치가 모두 턴-오프되면 리액터에 충전되었던 배전압이 인버터로 출력되도록 한다. 이때, 부분 스위칭 컨버터는 입력 전압의 전위 및 입력 전류량의 급변환 타이밍에 맞춰 리액터가 배전압을 충전시키도록 제어함으로써, 입력 전압 파형에 따라 역률을 제어한다.
또한, 인버터에 구성된 다수의 출력 제어 스위치들 중 적어도 2개의 출력 제어 스위치를 부분 스위칭 컨버터의 출력 제어 스위치로 이용한다. 그리고, 마이컴은 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 출력 제어 스위치를 제어함과 아울러, 인버터의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치를 제어한다. 특히, 마이컴은 입력 전압 파형의 제로 크로싱 타이밍을 기준으로 역률 제어 기간으로 설정하고, 역률 제어 기간마다 제1 및 제2 출력 제어 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온시키기 위한 제1 및 제2 스위칭 제어 신호를 생성해서 제1 및 제2 출력 제어 스위치 중 적어도 하나의 스위치로 공급한다.
본 발명의 실시예에 따른 부분 스위칭 컨버터는 리액터, 및 복수의 배전 캐패시터를 이용한 배전압 생성 기간 동안 출력 제어 스위치들의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통한 정전류 변환이 가능하다. 이에, 별도의 정전류 회로 등을 구성하지 않아도 되기 때문에 제조 과정이 단순해지고 제조 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 부분 스위칭 컨버터는 입력 전압의 전위 및 입력 전류량의 급변환 타이밍에 맞춰 리액터가 배전압을 충전시키도록 제어함으로써, 입력 전압 파형에 따라 역률을 제어할 수 있다. 이렇게, 배전압 생성을 비롯한 역률 제어 기능까지 같이 수행하도록 함으로써, 승압 컨버터와 부분 스위칭 컨버터를 분리 구성하지 않아도 되기 때문에 그 구조를 더욱 단순화시키고, 제조 원가 절감에 따른 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 인버터에 구성된 다수의 출력 제어 스위치들 중 적어도 2개의 출력 제어 스위치를 부분 스위칭 컨버터의 출력 제어 스위치로 이용함으로써, 마이컴 등 적어도 하나의 제어회로만으로도 부분 스위칭 컨버터와 인버터를 모두 제어할 수 있다. 이에, 전력 변환 장치의 전체적인 회로 구성을 최소화하고 제조 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배전압 컨버팅 회로를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치를 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2의 전원 입력단을 통해 입력되는 상용 전원의 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 배전 캐패시터 충전 과정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 도 2에 도시된 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 배전 캐패시터 충전 과정을 설명하기 위한 다른 구성도이다.
도 6은 도 2에 도시된 제1 및 제2 출력 제어 스위치의 스위칭 제어 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 제1 출력 제어 스위치의 스위칭 제어에 따른 리액터의 배전압 충전 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 제2 출력 제어 스위치의 스위칭 제어에 따른 리액터의 배전압 충전 경로를 설명하기 위한 다른 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
압축기, 팬(Fan) 등의 부하를 사용하는 공기 조화기나 냉장고 등은 상용 전원 입력단으로 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 전력 변환 장치를 포함한다.
본 발명에서의 전력 변환 장치는 공기 조화기와 냉장고 외에도 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등의 가전기기, 및 사무기기와 산업용 기기 등에도 적용 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부분 스위칭 컨버터 및 이를 포함하는 전력 변환 장치를 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 전력 변환 장치는 리액터(L), 부분 스위칭 컨버터(200), 인버터(300), 및 마이컴(500)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 리액터(L)는 상용 전원 입력부(100)의 라이브 단(Live)에 직렬로 연결된다. 이러한 리액터(L)는 부분 스위칭 컨버터(200)의 스위칭 동작에 따라 부분 스위칭 컨버터(200)로부터 입력되는 상용 전원 전압의 배전압을 충전하고, 전류 흐름에 따라 충전되었던 배전압을 다시 부분 스위칭 컨버터(200) 및 인버터(300)로 출력한다.
부분 스위칭 컨버터(200)는 리액터(L)의 타단과 상용 전원 입력부(100)의 뉴트럴 단(Neutral, N)에 연결되어, 전류 흐름 방향에 따라 리액터(L) 및 뉴트럴 단(N)을 통해 입력되는 전압의 배전압을 생성한다. 그리고, 마이컴(500)의 스위칭 제어에 따라 리액터(L)에 배전압을 충전시키고, 리액터(L)로부터 방전되는 배전압은 인버터(300)로 공급한다.
구체적으로, 부분 스위칭 컨버터(200)는 리액터(L)의 일단이 상용 전원 입력부(100)의 라이브 단에 연결되되, 리액터(L)의 타단은 서로 직렬 연결된 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)의 사이 노드에 연결되도록 구성된다. 그리고, 서로 직렬로 연결된 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)가 직렬 연결된 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)와는 병렬 구조로 구성된다. 또한, 상용 전원 입력부(100)의 뉴트럴 단(N)이 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)의 사이 노드에 전기적으로 연결되도록 구성된다.
이러한 구조에 의해, 부분 스위칭 컨버터(200)는 상용 전원 입력부(100)의 라이브 단이나 뉴트럴 단(N)을 통해 교번적으로 입력되는 입력 전류 흐름 방향에 따라서 리액터(L) 및 뉴트럴 단(N)을 통해 입력되는 각각의 전압을 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)에 충전한다. 이때는, 라이브 단으로 고전위 전압(+)이 출력되어 리액터(L)로 공급되면 제2 배전 캐패시터(C2)에 고전위 입력 전압이 충전된다. 반대로 뉴트럴 단(N)으로 고전위 전압(+) 출력되어 제1 출력 제어 스위치(S1)의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통해 제1 배전 캐패시터(C1)로 입력되면, 제1 배전 캐패시터(C1)에 고전위 입력 전압이 충전된다. 이에 따라, 부분 스위칭 컨버터(200)의 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)로는 입력 전압 대비 2배 높은 배전압 생성 및 충전이 가능하다.
상용 전원 입력부(100)의 입력 전압 파형에 따른 역률을 제어하기 위해, 마이컴(500)은 역률 제어 타이밍에 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온(turn-on) 시킬 수 있다. 즉, 마이컴(500)은 역률 제어 타이밍에 적어도 하나의 스위치를 턴-온 시키기 위한 스위칭 제어 신호(SS1,SS2)를 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치로 공급할 수 있다. 이에, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치는 역률 제어 타이밍에 턴-온되며, 이때 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2) 중 적어도 하나의 캐패시터에 충전된 전압이 적어도 하나의 출력 제어 스위치(S1,S2)를 통해서 리액터(L)로 공급된다.
역률 제어 타이밍(또는, 역률 제어 기간)에 수행되는 마이컴(500)의 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 턴-온 제어에 따라, 리액터(L)는 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치를 통해 입력되는 배전압을 충전한다. 그리고, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)가 모두 턴-오프(turn-off)되면, 전류 흐름에 따라서 충전되었던 배전압을 다시 부분 스위칭 컨버터(200) 및 인버터(300)로 출력하게 된다.
인버터(500)는 마이컴(500)의 스위칭 제어에 따라 리액터(L) 및 부분 스위칭 컨버터(200)로부터 입력되는 직류 배전압을 스위칭시킴으로써, 리플이 포함된 직류 전압 및 전류를 교류 전압 및 전류로 변환한다. 그리고, 리플이 포함된 교류 전류를 압축기 등의 부하(600)로 전송한다.
구체적으로, 인버터(500)는 부분 스위칭 컨버터(200)의 직류 전원 출력단, 즉, 직류 전원이 입력되는 라이브 단과 뉴트럴 단(N) 간의 극성 변화에 따라 교류 전원 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환할 수 있는 양방향 회로 구조로 구성될 수 있다. 이러한, 인버터(500)의 입력단에는 라이브 단과 뉴트럴 단의 극성(+,-)을 변환시켜 직류 전압을 입력받는 트랜스 회로(또는, 전환 스위칭 회로) 등이 더 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인버터(500)의 라이브 단과 뉴트럴 단 사이로는 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)가 직렬 연결되며, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)와는 병렬 구조로 제3 및 제5 출력 제어 스위치(S3,S5)가 직렬로 연결된다. 또한, 제3 및 제5 출력 제어 스위치(S3,S5)와는 병렬 구조로 제4 및 제6 출력 제어 스위치(S4,S6)가 직렬로 연결된다. 또 다른 예로, 인버터(500)의 제1 내지 제6 출력 제어 스위치(S1 내지 S6)는 그 직/병렬 조합 구조에 따라 다양한 구조의 브리지 회로 형태로 구성될 수도 있다.
여기서, 도 2로 도시된 바와 같이, 인버터(500)의 라이브 단과 뉴트럴 단 사이에 구성된 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)는 부분 스위칭 컨버터(200)의 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)로 이용될 수 있다.
이에, 인버터(500)는 부분 스위칭 컨버터(200)의 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)를 제외하고, 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6)를 포함하는 양방향 회로 구조로 구성되어, 부분 스위칭 컨버터(200)의 직류 전원이 입력되는 라이브 단과 뉴트럴 단 간의 극성 변화에 따라 교류 전원 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환하도록 구성될 수 있다.
부분 스위칭 컨버터(200)의 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2), 및 인버터(500)의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6)는 GaN 트랜지스터, SiC MOSFET, Si-MOSFET 중 어느 하나를 비롯한 절연 게이트 양극 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transister; IGBT) 등으로 구형될 수 있다.
인버터(500)는 마이컴(500)의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6) 제어에 따라 리액터(L) 및 부분 스위칭 컨버터(200)로부터 입력되는 직류 배전압을 소정 주파수의 3상 교류 전원(ia,ib,ic)으로 변환하여 모터 등의 부하(600)로 출력할 수 있다.
3상 모터 등의 부하(600) 구동시, 3상(ia,ib,ic) 중 1상은 중성 전압을 입력받도록 구성되어야 하므로, 이를 위해 1상(ia)은 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)의 사이 노드의 전압을 중성 전압으로 입력받을 수 있도록 연결될 수 있다. 그리고, 2상(ib)은 제3 및 제5 출력 제어 스위치(S3,S5)의 사이 노드의 전압을 입력받고, 3상(ic)은 제4 및 제6 출력 제어 스위치(S4,S6)의 사이 노드의 전압을 입력받도록 구성될 수 있다.
마이컴(500)은 부분 스위칭 컨버터(200)의 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2), 및 인버터(300)의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6) 각각에 대한 스위칭 동작을 제어한다.
이를 위해, 마이컴(500)은 부분 스위칭 컨버터(200)의 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)를 제어하는 PSC 제어부(510), 및 인버터(300)의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6)를 제어하는 인버터 제어부(520)를 포함해서 구성된다.
PSC 제어부(510)는 입력 전압 파형에 따른 역률을 제어하기 위해, 입력 전압 파형에 따른 역률 제어 타이밍에 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온(ture-on)시키기 위한 제1 및 제2 스위칭 제어 신호(SS1,SS2)를 생성한다. 그리고 생성된 제1 및 제2 스위칭 제어 신호(SS1,SS2)를 역률 제어 타이밍에 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)로 공급한다.
이를 위해, 마이컴(500)은 입력 전원의 전압 파형을 모니터해서 입력 전압에 대한 제로 크로싱 타이밍을 검출하는 제로 크로싱 검출부를 더 포함할 수 있다.
이에, PSC 제어부(510)는 입력 전압 파형의 제로 크로싱 타이밍을 기준으로, 제로 크로싱 타이밍부터 미리 설정된 소정 기간까지를 역률 제어 기간으로 설정할 수 있다. 그리고, 제로 크로싱 타이밍을 검출에 따른 역률 제어 기간마다 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온(ture-on)시키기 위한 제1 및 제2 스위칭 제어 신호(SS1,SS2)를 출력할 수 있다. 이렇게, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)의 턴-온 제어에 따라 리액터(L)는 역률 제어 타이밍에 배전압을 충전하고, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)의 턴-오프(turn-off)시에 충전되었던 배전압을 출력하게 된다. 이렇게, 제로 크로싱 타이밍에 따른 역률 제어 기간에 리액터(L)가 배전압을 충전함으로써, 제로 크로싱 타이밍을 기점으로 입력 전원의 전류량이 급변하는 현상을 방지할 수 있다. 제로 크로싱 타이밍부터 설정되는 소정의 역률 제어 기간은 전압 및 전류 용량, 각 전기 소자들의 용량 및 스펙 등을 고려한 실험치로 미리 설정될 수 있다.
한편, 마이컴(500)의 인버터 제어부(520)는 인버터(300)의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6) 각각에 대한 듀티 비를 설정한다. 그리고, 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6) 각각의 턴-온 및 턴-오프 동작을 교번적으로 제어하기 위한 제3 내지 제6 스위칭 제어 신호(SS3 내지 SS6)를 생성한다. 이에 따라, 제3 내지 제6 스위칭 제어 신호(SS3 내지 SS6)를 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6)로 출력함으로써, 제3 내지 제6 출력 제어 스위치(S3 내지 S6)가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
도 3은 도 2의 전원 입력단을 통해 입력되는 상용 전원의 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 4는 도 2에 도시된 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 배전 캐패시터 충전 과정을 설명하기 위한 구성도이다.
특히, 도 4의 경우는 상용 전원 입력부(100)의 라이브 단으로 고전위 전압(+)이 입력되어 리액터(L)에 입력 전압과 입력 전류가 모두 고전위(+)로 입력되고, 뉴트럴 단(N)이 저전위(-)로 유지되는 기간의 일부 전류 흐름을 나타낸다. 즉, 제2 배전 캐패시터(C2)에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하는 경로의 전류 흐름(A 화살표 방향)을 나타낸다.
구체적으로, 상용 전원 입력부(100)의 라이브 단으로 고전위 전압(+)이 먼저 출력되는 기간에는 제2 출력 제어 스위치(S2)의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통해서 전류 흐름 경로가 형성된다. 즉, 리액터(L)를 통해서 제2 배전 캐패시터(C2), 제2 출력 제어 스위치(S2)의 FRD, 및 뉴트럴 단(N) 방향으로 전류 흐름 경로(A 화살표 방향의 전류 흐름 경로)가 형성된다. 이에, 라이브 단에서 고전위 전압(+)이 리액터(L)로 입력되는 기간 중 제2 배전 캐패시터(C2)의 용량에 따른 소정 기간 동안에 제2 배전 캐패시터(C2)에는 고전위 입력 전압이 충전되도록 한다.
특히, 배전압 생성을 위해 제2 출력 제어 스위치(S2)의 FRD를 통해 전류 흐름 경로를 설정하고, 제2 배전 캐패시터(C2)에 입력 전압을 충전함에 따라서, 제2 출력 제어 스위치(S2)의 FRD를 통한 정전류 변환이 가능하다. 이에, 본 발명의 전력 변환 장치는 별도로 정전류 회로 등을 구성하지 않아도 무방할 수 있다.
반대로, 상용 전원 입력부(100)의 뉴트럴 단(N)으로 고전위 전압(+)이 입력되면 전류 흐름 경로가 바뀌게 된다.
도 5는 도 2에 도시된 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 배전 캐패시터 충전 과정을 설명하기 위한 다른 구성도이다.
도 5는 상용 전원 입력부(100)의 뉴트럴 단(N)으로 고전위 전압(+)이 출력되고, 라이브 단이 저전위(-)로 유지되는 기간의 전류 흐름 경로를 나타낸다. 즉, 제1 배전 캐패시터(C1)에 고전위 입력 전압이 충전되는 경로에 대한 전류 흐름(B 화살표 방향)을 나타낸다.
구체적으로, 상용 전원 입력부(100)의 뉴트럴 단(N)으로 고전위 전압(+)이 출력되는 기간에는 제1 출력 제어 스위치(S1)의 FRD를 통해 전류 흐름 경로가 형성된다. 이에, 제1 출력 제어 스위치(S1)의 FRD를 통해서 제1 배전 캐패시터(C1), 리액터(L) 및 라이브 단 방향으로 전류 흐름 경로(B 화살표 방향의 전류 흐름 경로)가 형성된다. 이에, 뉴트럴 단(N)에서 고전위 전압(+)이 리액터(L)까지 흐르는 기간 중 제1 배전 캐패시터(C1)의 용량에 따른 소정 기간 동안에 제1 배전 캐패시터(C1)에는 고전위 입력 전압이 충전되도록 한다.
마찬가지로, 배전압 생성을 위해 제1 출력 제어 스위치(S1)의 FRD를 통해 전류 흐름 경로를 설정하고, 제1 배전 캐패시터(C1)에도 입력 전압을 충전함에 따라서 제1 출력 제어 스위치(S1)의 FRD를 통한 정전류 변환이 가능하다. 이와 같이, 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)에 입력 전압이 충전된 이후부터는 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2)의 방전 및 충전 반복 동작을 통해 리액터(L)의 배전압 충전 및 방전 동작 또한 연속적으로 수행되도록 한다.
이하, 리액터(L)를 통한 배전압 충전 및 방전 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 도 2에 도시된 제1 및 제2 출력 제어 스위치의 스위칭 제어 타이밍을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 7은 도 2에 도시된 제1 출력 제어 스위치의 스위칭 제어에 따른 리액터의 배전압 충전 경로를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 마이컴(500)의 PSC 제어부(510)는 입력 전압 파형에 대한 제로 크로싱 타이밍 검출 신호(ZCS)에 따라 역률 제어 기간(T1,T3)을 설정하게 된다. 이에, PSC 제어부(510)는 제로 크로싱 타이밍을 검출에 따른 역률 제어 기간(T1,T3)마다 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온(ture-on)시키기 위한 제1 및 제2 스위칭 제어 신호(SS1,SS2)를 출력할 수 있다.
제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2) 중 적어도 하나의 스위치가 턴-온되는 역률 제어 기간(T1,T3)에는 제1 및 제2 배전 캐패시터(C1,C2) 중 적어도 하나씩의 캐패시터에 충전된 배전압이 리액터(L)로 전송되어 충전된다. 그리고, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)의 턴-오프 기간(T2)에는 리액터(L)에 충전되었던 배전압이 인버터(300) 방향으로 출력된다. 이렇게, 제로 크로싱 타이밍에 따른 역률 제어 기간에 리액터(L)가 배전압을 충전함으로써, 제로 크로싱 타이밍을 기점으로 입력 전원의 전류량이 급변하는 현상을 방지할 수 있다.
일 예로, 도 7에 도시된 바와 같이, PSC 제어부(510)는 역률 제어 기간(T1)에 제1 출력 제어 스위치(S1)를 턴-온시키기 위한 제1 스위칭 제어 신호(SS1)를 제1 출력 제어 스위치(S1)로 전송할 수 있다. 이에, 제1 출력 제어 스위치(S1)가 턴-온되어 전류 흐름이 경로가 C 화살표 방향으로 형성되면, 제1 배전 캐패시터(C1)가 일시적으로 방전되고 리액터(L)가 배전압을 충전하게 된다. 그리고, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)가 턴-오프되면(T2), 리액터(L)에 충전되었던 배전압이 인버터(300) 방향으로 출력된다.
도 8은 도 2에 도시된 제2 출력 제어 스위치의 스위칭 제어에 따른 리액터의 배전압 충전 경로를 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, PSC 제어부(510)는 또 다른 역률 제어 기간(T2)에 제2 출력 제어 스위치(S2)를 턴-온시키기 위한 제2 스위칭 제어 신호(SS2)를 제2 출력 제어 스위치(S2)로 전송할 수 있다. 이에, 제2 출력 제어 스위치(S2)가 턴-온되어 전류 흐름이 경로가 D 화살표 방향으로 형성되면, 제2 배전 캐패시터(C2)가 일시적으로 방전되고 리액터(L)가 배전압을 충전하게 된다. 그리고, 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)가 턴-오프되면(T2), 리액터(L)에 충전되었던 배전압이 인버터(300) 방향으로 출력된다.
이상, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 부분 스위칭 컨버터(200)는 리액터(L), 및 서로 직렬로 연결되면서도 리액터(L)와는 병렬로 연결된 복수의 배전 캐패시터(C1,C2)를 이용해서 배전압을 생성하는바, 배전압 생성시에 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)들의 FRD를 통한 정전류 변환이 가능하다. 이에, 정전류 회로 등을 구성하지 않아도 되기 때문에 제조 과정이 단순해지고 제조 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부분 스위칭 컨버터(200)는 입력 전압의 전위 및 입력 전류량의 급변환 타이밍에 맞춰 리액터(L)가 배전압을 충전시키도록 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)를 제어함으로써, 배전압 출력시의 역률을 제어할 수 있다. 이렇게, 배전압 생성 및 출력을 비롯한 역률 제어 기능까지 같이 수행하도록 함으로써, 별도의 전압 컨버터와 부분 스위칭 컨버터를 분리 구성하지 않아도 되기 때문에 그 구조를 더욱 단순화시키고, 제조 원가 절감에 따른 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 인버터(300)에 구성된 다수의 출력 제어 스위치들 중 제1 및 제2 출력 제어 스위치(S1,S2)를 부분 스위칭 컨버터(200)의 출력 제어 스위치로 이용함으로써, 마이컴(500) 등 적어도 하나의 제어회로만으로도 부분 스위칭 컨버터(200)와 인버터(300)를 모두 제어할 수 있다. 이에, 전력 변환 장치의 전체적인 회로 구성을 최소화하고 제조 효율을 높일 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
L: 리액터
S1 내지 S6: 제1 내지 제6 출력 제어 스위치
C1, C2: 제1 및 제2 배전 캐패시터
100: 상용 전원 입력부
200: 부분 스위칭 컨버터
300: 인버터
500: 마이컴
510: PSC 제어부
520: 인버터 제어부

Claims (14)

  1. 상용 전원 입력부의 라이브 단에 일단이 연결되고, 서로 직렬 연결된 제1 및 제2 배전 캐패시터의 사이 노드에 타단이 연결된 리액터; 및
    서로 직렬로 연결되면서도 상기 직렬 연결된 제1 및 제2 배전 캐패시터와는 병렬 구조로 구성된 제1 및 제2 출력 제어 스위치를 포함하고,
    상기 상용 전원 입력부의 뉴트럴 단이 상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치의 사이 노드에 전기적으로 연결된,
    부분 스위칭 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부분 스위칭 컨버터는
    상기 상용 전원 입력부의 라이브 단이나 뉴트럴 단을 통해 입력되는 입력 전류 흐름 방향에 따라서 입력 전압이 상기 제1 및 제2 배전 캐패시터에 충전되도록 하되,
    상기 라이브 단으로 고전위 전압이 출력되어 상기 리액터로 공급되면 상기 제2 배전 캐패시터에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하고,
    상기 뉴트럴 단으로 고전위 전압 출력되어 상기 제1 출력 제어 스위치의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통해 상기 제1 배전 캐패시터로 입력되면 상기 제1 배전 캐패시터에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하는,
    부분 스위칭 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부분 스위칭 컨버터는
    상기 라이브 단으로 고전위 전압이 출력되어 상기 리액터로 공급되는 기간에는 상기 리액터를 통해서 상기 제2 배전 캐패시터, 상기 제2 출력 제어 스위치의 FRD(Fast-Recoverym Diode), 및 상기 뉴트럴 단 방향으로 전류 흐름 경로가 형성되도록 해서 상기 제2 배전 캐패시터에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하고,
    상기 뉴트럴 단으로 고전위 전압 출력되는 기간에는 상기 제1 출력 제어 스위치의 FRD를 통해서 상기 제1 배전 캐패시터, 상기 리액터 및 상기 라이브 단 방향으로 전류 흐름 경로가 형성되도록 해서 상기 제1 배전 캐패시터에는 고전위 입력 전압이 충전되도록 하는,
    부분 스위칭 컨버터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 리액터는
    역률 제어 기간에 수행되는 마이컴의 제1 및 제2 출력 제어 스위치 턴-온 제어에 따라, 제1 및 제2 캐패시터 중 적어도 하나의 캐패시터로부터의 배전압을 충전하고,
    상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치가 모두 턴-오프되면 충전되었던 배전압을 인버터로 출력하는,
    부분 스위칭 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    입력 전압 파형에 따른 역률 제어 기간에 상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온(ture-on)시키기 위한 제1 및 제2 스위칭 제어 신호를 생성해서 상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치로 공급하는 마이컴을 더 포함하는,
    부분 스위칭 컨버터.
  6. 상용 전원 입력부의 라이브 단에 연결된 리액터와 상기 상용 전원 입력부의 뉴트럴 단에 연결되어 상기 리액터와 뉴트럴 단을 통해 입력되는 입력 전압의 배전압을 생성하고, 상기 배전압을 상기 리액터에 충전시키는 부분 스위칭 컨버터;
    상기 부분 스위칭 컨버터를 통해 입력되는 상기 리액터의 배전압을 스위칭해서 리플이 포함된 직류 전압 및 전류를 교류 전압 및 전류로 변환하고 리플이 포함된 교류 전류를 부하로 전송하는 인버터; 및
    상기 부분 스위칭 컨버터와 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 마이컴을 포함하는,
    전력 변환 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 부분 스위칭 컨버터는
    상기 상용 전원 입력부의 라이브 단에 일단이 연결되고, 서로 직렬 연결된 제1 및 제2 배전 캐패시터의 사이 노드에 타단이 연결된 상기 리액터; 및
    서로 직렬로 연결되면서도 상기 직렬 연결된 제1 및 제2 배전 캐패시터와는 병렬 구조로 구성된 제1 및 제2 출력 제어 스위치를 포함하고,
    상기 상용 전원 입력부의 뉴트럴 단이 상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치의 사이 노드에 전기적으로 연결된,
    전력 변환 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부분 스위칭 컨버터는
    상기 상용 전원 입력부의 라이브 단이나 뉴트럴 단을 통해 입력되는 입력 전류 흐름 방향에 따라서 입력 전압이 상기 제1 및 제2 배전 캐패시터에 충전되도록 하되,
    상기 라이브 단으로 고전위 전압이 출력되어 상기 리액터로 공급되면 상기 제2 배전 캐패시터에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하고,
    상기 뉴트럴 단으로 고전위 전압 출력되어 상기 제1 출력 제어 스위치의 FRD(Fast-Recoverym Diode)를 통해 상기 제1 배전 캐패시터로 입력되면 상기 제1 배전 캐패시터에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하는,
    전력 변환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 부분 스위칭 컨버터는
    상기 라이브 단으로 고전위 전압이 출력되어 상기 리액터로 공급되는 기간에는 상기 리액터를 통해서 상기 제2 배전 캐패시터, 상기 제2 출력 제어 스위치의 FRD(Fast-Recoverym Diode), 및 상기 뉴트럴 단 방향으로 전류 흐름 경로가 형성되도록 해서 상기 제2 배전 캐패시터에 고전위 입력 전압이 충전되도록 하고,
    상기 뉴트럴 단으로 고전위 전압 출력되는 기간에는 상기 제1 출력 제어 스위치의 FRD를 통해서 상기 제1 배전 캐패시터, 상기 리액터 및 상기 라이브 단 방향으로 전류 흐름 경로가 형성되도록 해서 상기 제1 배전 캐패시터에는 고전위 입력 전압이 충전되도록 하는,
    전력 변환 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 리액터는
    역률 제어 기간에 수행되는 마이컴의 제1 및 제2 출력 제어 스위치 턴-온 제어에 따라, 제1 및 제2 캐패시터 중 적어도 하나의 캐패시터로부터의 배전압을 충전하고,
    상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치가 모두 턴-오프되면 충전되었던 배전압을 인버터로 출력하는,
    전력 변환 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 인버터는
    서로 직렬로 연결되되 상기 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 출력 제어 스위치와는 병렬 구조로 구성된 제3 및 제5 출력 제어 스위치;
    서로 직렬로 연결되되 상기 제3 및 제5 출력 제어 스위치와는 병렬 구조로 구성된 제4 및 제6 출력 제어 스위치를 포함하는,
    전력 변환 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 인버터는
    부하로 연결된 3상의 출력단 중 1상의 출력단은 상기 제1 및 제2 배전 캐패시터의 사이 노드의 전압이 중성 전압으로 출력되도록 연결되고,
    상기 3상의 출력단 중 2상의 출력단은 상기 제3 및 제5 출력 제어 스위치의 사이 노드의 전압이 출력되도록 연결되고,
    상기 3상의 출력단 중 3상의 출력단은 상기 제4 및 제6 출력 제어 스위치의 사이 노드의 전압이 출력되도록 연결된,
    전력 변환 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 마이컴은
    상기 부분 스위칭 컨버터의 제1 및 제2 출력 제어 스위치를 제어하는 PSC 제어부; 및
    상기 인버터의 제3 내지 제6 출력 제어 스위치를 제어하는 인버터 제어부를 포함하는,
    전력 변환 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 PSC 제어부는
    입력 전압 파형의 제로 크로싱 타이밍을 기준으로 상기 제로 크로싱 타이밍부터 미리 설정된 기간까지를 역률 제어 기간으로 설정하고,
    상기 제로 크로싱 타이밍을 검출에 따른 역률 제어 기간마다 상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치 중 적어도 하나의 스위치를 턴-온시키기 위한 제1 및 제2 스위칭 제어 신호를 생성해서 상기 제1 및 제2 출력 제어 스위치 중 적어도 하나의 스위치로 공급하는,
    전력 변환 장치.
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