KR20210042538A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 컨버터 회로, 디커플링 회로, 인버터 회로 및 제어 회로를 포함한다. 그리고 컨버터 회로, 디커플링 회로 및 인버터 회로는 스위칭 회로를 포함한다. 그리고 컨버터 회로, 디커플링 회로 및 인버터 회로에 포함된 스위칭 회로 중 일부는 제1 MOSFET, 제1 MOSFET과 역방향으로 연결되는 제2 MOSFET 및 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET과 병렬로 연결되는 다이오드를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 직류 전력을 교류 전력으로 또는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸기 위한 전기적 장치이다. 이와 같은 전력 변환 장치는 인버터 회로, 컨버터 회로 등을 포함한다. 이때 인버터 회로 및 컨버터 회로는 스위칭 소자를 포함하며, 스위칭 소자는 제어 회로에 의하여 온 또는 오프 된다.
이때 스위칭 소자로 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)이 사용될 수 있다. 그러나 스위칭 소자로 MOSFET이 사용되면, MOSFET에 포함된 바디 다이오드의 역회복 특성이 좋지 않아서 스위칭 손실이 증가하게 된다.
이러한 문제를 극복하기 위해, 인버터 회로에 포함된 스위칭 소자로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용될 수 있다. 그리고 IGBT와 병렬로 MOSFET에 포함된 바디 다이오드와 달리 역회복 특성이 좋은 다이오드가 연결된다. 즉, 전력 변환 장치에 포함된 인버터 회로 및 컨버터 회로는 IGBT와 역회복 특성이 좋은 다이오드를 병렬로 연결한 스위칭 회로를 이용하여 구성될 수 있다. 그러나 이와 같이 IGBT를 이용하면, 도통 손실이 적은 MOSFET의 특성은 이용될 수 없다.
이와 같이 전력 변환 장치에 포함된 스위칭 회로로 IGBT 및 다이오드가 사용된 일 예가 국내등록특허 KR 10-1343590에 개시되어 있다.
그리고 컨버터 회로를 통과한 전압에 포함된 리플을 감소시키기 위해, 컨버터 회로와 인버터 회로의 사이에 디커플링 회로가 연결될 수 있다. 이때 디커플링 회로로 대용량의 전해 커패시터가 주로 사용된다. 그러나 이와 같은 전해 커패시터는 수명이 짧기 때문에, 전해 커패시터가 포함된 전력 변환 장치의 수명이 짧은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 스위칭 회로에 MOSFET을 이용하여 도통 손실 및 스위칭 손실이 적은 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 스위칭 회로에 보호 커패시터를 이용하여 MOSFET에 과전압이 걸리는 것을 방지할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 디커플링 회로에 필름 커패시터를 이용하여 수명이 긴 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
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 발명에서는 스위칭 회로에 포함된 제1 MOSFET과 제2 MOSFET이 역방향으로 연결되고, 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET에 다이오드가 병렬로 연결된다. 이에 따라서 MOSFET에 포함된 바디 다이오드가 아닌 별도의 다이오드로 전류가 흐를 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면 MOSFET의 도통 손실이 적은 장점을 이용하면서 스위칭 손실을 줄이는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 변환 장치는 일단이 직류 전원의 일단에 연결된 제1 인덕터, 상기 제1 인덕터의 타단과 연결된 제1 스위칭 회로 및 일단이 상기 제1 인덕터 및 상기 제1 스위칭 회로 사이의 노드에 연결되고 타단이 상기 직류 전원의 타단에 연결된 제2 스위칭 회로를 포함하며 상기 직류 전원으로부터 공급되는 직류 전압의 크기를 조절하는 컨버터 회로, 제3 스위칭 회로, 상기 제3 스위칭 회로와 직렬로 연결된 제4 스위칭 회로, 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로와 병렬로 연결된 제1 커패시터, 일단이 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로 사이의 노드에 연결된 제2 인덕터 및 상기 제2 인덕터의 타단과 연결되어 상기 제2 인덕터와 함께 상기 제4 스위칭 회로에 병렬로 연결되는 제2 커패시터를 포함하며 상기 컨버터 회로에 의해 조절된 전압을 안정화시키는 디커플링 회로, 제5 스위칭 회로, 상기 제5 스위칭 회로와 직렬로 연결되는 제6 스위칭 회로, 제7 스위칭 회로, 상기 제7 스위칭 회로와 직렬로 연결되어 상기 제7 스위칭 회로와 함께 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로와 병렬로 연결되는 제8 스위칭 회로, 제9 스위칭 회로 및 상기 제9 스위칭 회로와 직렬로 연결되어 상기 제9 스위칭 회로와 함께 상기 제7 스위칭 회로 및 상기 제8 스위칭 회로와 병렬로 연결되는 제10 스위칭 회로를 포함하며 상기 디커플링 회로에 의해 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 출력하는 인버터 회로 및 상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하는 제어 회로를 포함하고, 상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제4 스위칭 회로 및 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로 각각은 적어도 2개의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 및 다이오드를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제4 스위칭 회로 및 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로 각각은 상기 제2 MOSFET과 병렬로 연결되는 보호 커패시터를 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 동일한 스위칭 회로에 포함된 MOSFET에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로가 상보적으로 스위칭하도록 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로가 상보적으로 스위칭하도록 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로가 상보적으로 스위칭하도록 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하고, 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로가 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로의 온/오프에 관계없이 온/오프를 반복하도록 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로에 공급되는 스위칭 신호의 주기가 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로에 공급되는 스위칭 신호의 주기에 비하여 길게 제어한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치는 상기 제7 스위칭 회로 및 상기 제8 스위칭 회로 사이의 노드에 일단이 연결되고 상기 교류 전원에 타단이 연결되는 제3 인덕터 및 상기 제9 스위칭 회로 및 상기 제10 스위칭 회로 사이의 노드에 일단이 연결되고 상기 교류 전원에 타단이 연결되는 제4 인덕터를 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터는 필름 커패시터이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 스위칭 회로에 MOSFET을 이용하여 도통 손실 및 스위칭 손실이 적은 장점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 스위칭 회로에 보호 커패시터를 이용하여 MOSFET에 과전압이 걸리는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 디커플링 회로에 필름 커패시터를 이용하여 수명이 긴 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 컨버터 회로를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 디커플링 회로를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터 회로를 상세히 나타낸 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. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전력 변환 장치를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치가 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)는 컨버터 회로(100), 디커플링 회로(200), 인버터 회로(300) 및 제어 회로(400)를 포함한다. 전력 변환 장치(10)는 이와 같은 구성 요소들을 통해, 직류 전원(20)으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원(30a, 30b)으로 출력할 수 있다. 또한 전력 변환 장치(10)는 교류 전원(30a, 30b)으로부터 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 직류 전원(20)으로 출력할 수 있다.
컨버터 회로(100)는 직류 전원으로부터 공급되는 직류 전압의 크기를 조절한다. 다시 말해, 컨버터 회로(100)는 직류 전압을 통해 공급되는 전압을 적절한 크기의 직류 전압으로 변환하여 디커플링 회로(200)로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에서 컨버터 회로(100)는 인덕터, 스위칭 소자 등으로 구성될 수 있다. 컨버터 회로(100)의 보다 상세한 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
디커플링 회로(200)는 컨버터 회로(100)에 의해 조절된 전압을 안정화시킨다. 다시 말해, 디커플링 회로(200)는 컨버터 회로(100)로부터 전달받은 직류 전압에 포함된 리플 성분을 제거하여 보다 안정화된 직류 전압을 인버터 회로(300)로 전달한다.
종래 기술에 따른 전력 변환 장치에서 디커플링 회로는 적어도 하나의 전해 커패시터 등으로 구성될 수 있다. 그러나 이와 같이 전해 커패시터가 디커플링 회로로 이용되면, 전해 커패시터의 수명이 짧은 특성 때문에, 전력 변환 장치(10)의 수명이 짧은 문제점이 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서 디커플링 회로(200)는 커패시터, 인덕터 및 스위칭 소자 등으로 구성될 수 있다. 디커플링 회로(200)의 보다 상세한 구성은 도 2 및 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
인버터 회로(300)는 디커플링 회로(200)에 의해 안정화된 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원(30a, 30b)으로 출력한다. 다시 말해, 인버터 회로(300)는 디커플링 회로(200)로부터 전달받은 안정화된 직류 전압을 특정 주파수의 교류 전압으로 변환하여 교류 전원(30a, 30b)으로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에서 인버터 회로(300)는 스위칭 소자 등으로 구성될 수 있다. 인버터 회로(300)의 보다 상세한 구성은 도 2 및 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
제어 회로(400)는 컨버터 회로(100), 디커플링 회로(200) 및 인버터 회로(300)에 포함된 스위칭 소자에 스위칭 신호를 공급한다. 컨버터 회로(100), 디커플링 회로(200) 및 인버터 회로(300)에 포함된 스위칭 소자는 제어 회로(400)로부터 공급된 스위칭 신호에 따라서 온/오프 된다.
본 발명의 일 실시예에서 제어 회로(400)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors)중 적어도 하나를 포함하는 물리적인 요소를 포함하여 구현될 수 있다.
제어 회로(400)의 보다 상세한 동작은 도 2 내지 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)는 컨버터 회로(100), 디커플링 회로(200), 인버터 회로(300) 및 제어 회로(400)를 포함한다. 컨버터 회로(100)는 제1 인덕터(110), 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)를 포함한다. 또한 디커플링 회로(200)는 제3 스위칭 회로(210), 제4 스위칭 회로(220), 제1 커패시터(230), 제2 인덕터(240) 및 제2 커패시터(250)를 포함한다. 그리고 인버터 회로(300)는 제5 스위칭 회로(310), 제6 스위칭 회로(320), 제7 스위칭 회로(330), 제8 스위칭 회로(340), 제9 스위칭 회로(350) 및 제10 스위칭 회로(360)를 포함한다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)는 제3 인덕터(400a) 및 제4 인덕터(400b)를 더 포함할 수 있다.
이때 제1 스위칭 회로 내지 제4 스위칭 회로(120, 130, 210, 220) 및 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360) 각각은 적어도 2개의 MOSFET 및 다이오드를 포함한다. 이때 MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor를 의미하며, MOSFET은 자체적으로 바디 다이오드를 포함하고 있다. 이때 제어 회로(400)는 동일한 스위칭 회로에 포함된 MOSFET에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다.
그리고 제1 스위칭 회로 내지 제4 스위칭 회로(120, 130, 210, 220) 및 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360) 각각은 제2 MOSFET과 병렬로 연결되는 보호 커패시터를 더 포함할 수 있다.
컨버터 회로(100)는 제1 인덕터(110), 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)를 이용하여 직류 전압의 크기를 조절한다. 이때 제1 인덕터(110)의 일단은 직류 전원(20)의 일단에 연결된다. 그리고 제1 스위칭 회로(120)는 제1 인덕터(110)의 타단에 연결된다. 그리고 제2 스위칭 회로(130)의 일단은 제1 인덕터(110) 및 제1 스위칭 회로(120) 사이의 노드에 연결되고, 제2 스위칭 회로(130)의 타단은 직류 전원(20)의 타단에 연결된다.
제1 인덕터(110)는 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)의 동작 상태에 따라 직류 전원(20)으로부터 에너지를 공급받을 수 있다. 그러면 공급된 에너지는 제1 인덕터(110)에 저장될 수 있다. 또한 제1 인덕터(110)는 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)의 동작 상태에 따라 직류 전원(20)으로 저장된 에너지를 전달할 수 있다.
컨버터 회로(100)의 보다 상세한 구조 및 동작은 도 3을 함께 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 컨버터 회로를 상세히 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 스위칭 회로(120)는 제1 MOSFET(121), 제2 MOSFET(122) 및 다이오드(123)을 포함한다.
제1 MOSFET(121)은 제2 MOSFET(122)과 역방향으로 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 MOSFET(121) 및 제2 MOSFET(122)은 제1 MOSFET(121)의 소스와 제2 MOSFET(122)가 연결되도록 배치될 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서 제1 MOSFET(121) 및 제2 MOSFET(122)은 제1 MOSFET(121)의 드레인과 제2 MOSFET(122)의 드레인이 연결되도록 배치될 수 있다. 이와 같이 제1 MOSFET(121)과 제2 MOSFET(122)을 역방향으로 연결함으로써, 제1 스위칭 회로(120)를 통해 전류가 양방향으로 흐를 수 있게 된다.
이때 제1 MOSFET(121)은 출력 전압보다 높은 내압을 가진 MOSFET일 수 있다. 또한 제2 MOSFET(122)은 수십 볼트 정도의 낮은 내압을 가진 MOSFET일 수 있다.
이때 내압은 MOSFET의 소자 특성이 유지되는 상태로 견딜 수 있는 한계 전압을 의미한다. 즉, MOSFET의 내압이 높으면 높은 전압을 견딜 수 있다. 그러나 일반적으로 높은 내압을 가진 MOSFET의 바디 다이오드는 좋지 않은 역회복 특성을 가지므로, 이와 같은 바디 다이오드에 전류가 흐르면 쉽게 손상될 수 있다. 반면 낮은 내압을 가진 MOSFET의 바디 다이오드는 좋은 역회복 특성을 가지므로, 전류를 잘 흐르게 한다. 따라서 적절한 크기의 내압을 가지는 MOSFET을 선정할 필요가 있다.
그리고 다이오드(123)는 제1 MOSFET(121) 및 제2 MOSFET(122)과 병렬로 연결된다. 다이오드(123)는 빠른 역회복 특성을 가진 SiC(Silicon Carbide) 다이오드로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 제1 스위칭 회로(120)는 보호 커패시터(124)를 더 포함할 수 있다. 보호 커패시터(124)는 제2 MOSFET(122)과 병렬로 연결될 수 있다. 이때 보호 커패시터(124)는 제2 MOSFET(122)에 과전압이 걸리는 것을 방지한다. 이는 제2 MOSFET(122)으로 낮은 내압을 가진 MOSFET을 이용할 수 있기 때문이다. 보호 커패시터(124)는 매우 작은 용량의 커패시터일 수 있고, MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)일 수 있다.
MLCC는 크기가 소형이므로, 보호 커패시터(124)로 MLCC를 사용함으로써 제품의 크기를 줄일 수 있다.
제2 스위칭 회로(130)는 제1 MOSFET(131), 제2 MOSFET(132) 및 다이오드(133)을 포함한다. 그리고 제2 스위칭 회로(130)는 보호 커패시터(134)를 더 포함할 수 있다. 이때 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 MOSFET(131, 132), 다이오드(133) 및 보호 커패시터(134)의 연결 방법 및 선택과 그에 따른 효과는 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122), 다이오드(123) 및 보호 커패시터(124)와 동일한 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
이와 같이 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)를 MOSFET 및 다이오드를 이용하여 구성함으로써, 컨버터 회로(100)를 통해 스위칭 동작이 이루어지면서 직류 전압이 적절한 크기의 직류 전압으로 변환 될 때 발생하는 도통 손실 및 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 또한 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)에 보호 커패시터를 이용함으로써, MOSFET에 과전압이 걸리는 것을 방지할 수 있다.
이때 제어 회로(400)는 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 제1 MOSFET(121) 및 제2 MOSFET(122)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다. 그리고 제어 회로(400)는 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 제1 MOSFET(131) 및 제2 MOSFET(132)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다.
그리고 제어 회로(400)는 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)가 상보적으로 스위칭하도록 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)에 스위칭 신호를 공급한다. 예를 들어 제어 회로(400)는 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122)이 온 되고, 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 MOSFET(131, 132)이 오프 되도록 스위칭 신호를 공급할 수 있다. 또한 제어 회로(400)는 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122)이 오프 되고, 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 MOSFET(131, 132)이 온 되도록 스위칭 신호를 공급할 수 있다.
이와 같이 제1 스위칭 회로(120) 및 제2 스위칭 회로(130)가 상보적으로 스위칭하면서 컨버터 회로(100)는 직류 전압의 크기를 적절하게 조절할 수 있다.
이때 제어 회로(400)가 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122)이 온에서 오프로 변경되고, 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 MOSFET(131, 132)이 오프에서 온으로 변경될 때, 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122)과 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 MOSFET(131, 132)이 모두 오프 되는 데드 타임(Dead Time)이 발생할 수 있다.
이와 같은 데드 타임에, 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 다이오드(123) 또는 제2 스위칭 회로(130)에 포함된 다이오드(133)를 통해서 전류가 흐름으로써 스위칭 손실이 줄어든다.
다시 도 2로 돌아와서, 디커플링 회로(200)는 제3 스위칭 회로(210), 제4 스위칭 회로(220), 제1 커패시터(230), 제2 인덕터(240) 및 제2 커패시터(250)를 이용하여 컨버터 회로(100)에 의해 조절된 전압을 안정화 시킨다. 이때 제3 스위칭 회로(210)는 제4 스위칭 회로(220)와 직렬로 연결된다. 그리고 제1 커패시터(230)는 제3 스위칭 회로(210) 및 제4 스위칭 회로(220)와 병렬로 연결된다. 그리고 제2 인덕터(240)의 일단은 제3 스위칭 회로(210) 및 제4 스위칭 회로(220) 사이의 노드에 연결된다. 그리고 제2 커패시터(250)는 제2 인덕터(240)의 타단과 연결되어, 제2 인덕터(240)와 함께 제4 스위칭 회로(220)에 병렬로 연결된다.
디커플링 회로(200)의 보다 상세한 구조 및 동작은 도 4를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 디커플링 회로를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제3 스위칭 회로(210)는 제1 MOSFET(211), 제2 MOSFET(212) 및 다이오드(213)을 포함한다. 그리고 제3 스위칭 회로(210)는 보호 커패시터(214)를 더 포함할 수 있다.
또한 제4 스위칭 회로(220)는 제1 MOSFET(221), 제2 MOSFET(222) 및 다이오드(223)을 포함한다. 그리고 제4 스위칭 회로(220)는 보호 커패시터(224)를 더 포함할 수 있다.
이때 제3 스위칭 회로(210) 및 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 MOSFET(211, 212, 221, 222), 다이오드(213, 223) 및 보호 커패시터(214, 224)의 연결 방법 및 선택과 그에 따른 효과는 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122), 다이오드(123) 및 보호 커패시터(124)와 동일한 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
이때 제어 회로(400)는 제3 스위칭 회로(210)에 포함된 제1 MOSFET(211) 및 제2 MOSFET(212)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다. 그리고 제어 회로(400)는 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 제1 MOSFET(221) 및 제2 MOSFET(222)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다.
그리고 제어 회로(400)는 제3 스위칭 회로(210) 및 제4 스위칭 회로(220)가 상보적으로 스위칭하도록 제4 스위칭 회로(210) 및 제4 스위칭 회로(220)에 스위칭 신호를 공급한다. 예를 들어 제어 회로(400)는 제3 스위칭 회로(210)에 포함된 MOSFET(211, 212)이 온 되고, 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 MOSFET(221, 222)이 오프 되도록 스위칭 신호를 공급할 수 있다. 또한 제어 회로(400)는 제4 스위칭 회로(210)에 포함된 MOSFET(211, 212)이 오프 되고, 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 MOSFET(221, 222)이 온 되도록 스위칭 신호를 공급할 수 있다.
이와 같이 제3 스위칭 회로(210) 및 제4 스위칭 회로(220)가 상보적으로 스위칭함으로써, 디커플링 회로(200)는 컨버터 회로(100)로부터 전달받은 직류 전압에 포함된 리플 성분을 제1 커패시터(230)가 아니라 제2 커패시터(250)으로 전달하여, 인버터 회로(300)에 전달되는 직류 전압을 안정화시킨다.
이때 제1 커패시터(230) 및 제2 커패시터(250)는 필름 커패시터일 수 있다. 필름 커패시터는 플라스틱 필름을 절연체로 사용한 커패시터로, 사용 수명이 길다는 특성을 가진다. 따라서 디커플링 회로(200)에 포함되는 제1 커패시터(230) 및 제2 커패시터(250)로 필름 커패시터를 사용하고, 제1 커패시터(230) 및 제2 커패시터(250)와 함께 제3 스위칭 회로(210), 제4 스위칭 회로(220) 및 제2 인덕터(240)를 이용하여 리플 성분을 제거하여 직류 전압을 안정화함으로써 전력 변환 장치(10)의 수명을 길게 할 수 있다.
이때 제어 회로(400)가 제3 스위칭 회로(210)에 포함된 MOSFET(211, 212)이 온에서 오프로 변경되고, 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 MOSFET(221, 222)이 오프에서 온으로 변경될 때, 제3 스위칭 회로(210)에 포함된 MOSFET(211, 212)과 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 MOSFET(221, 222)이 모두 오프 되는 데드 타임(Dead Time)이 발생할 수 있다.
이와 같은 데드 타임에, 제3 스위칭 회로(210)에 포함된 다이오드(213) 또는 제4 스위칭 회로(220)에 포함된 다이오드(223)를 통해서 전류가 흐름으로써 스위칭 손실이 줄어든다.
다시 도 2로 돌아와서, 인버터 회로(300)는 제5 스위칭 회로(310), 제6 스위칭 회로(320), 제7 스위칭 회로(330), 제8 스위칭 회로(340), 제9 스위칭 회로(350) 및 제10 스위칭 회로(360)를 이용하여 디커플링 회로(200)에 의해 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 이때 제5 스위칭 회로(310)는 제6 스위칭 회로(320)와 직렬로 연결된다. 그리고 제7 스위칭 회로(330)는 제8 스위칭 회로(340)와 직렬로 연결된다. 이때 제7 스위칭 회로(330) 및 제8 스위칭 회로(340)는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320) 와 병렬로 연결된다. 그리고 제9 스위칭 회로(350)는 제10 스위칭 회로(360)와 직렬로 연결된다. 이때 제9 스위칭 회로(350) 및 제10 스위칭 회로(360)는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)와 병렬로 연결되고, 제7 스위칭 회로(330) 및 제8 스위칭 회로(340)와도 병렬로 연결된다.
인버터 회로(300)의 보다 상세한 구조 및 동작은 도 5를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 포함된 인버터 회로를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제5 스위칭 회로(310)는 MOSFET(311)을 포함한다. 그리고 제6 스위칭 회로(320)는 MOSFET(321)을 포함한다. 이때 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)는 제1 스위칭 회로(120)와 달리 하나의 MOSFET(311, 321)으로 구성하지만, 스위칭 주기를 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360)에 비해 길게 하여, 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
제7 스위칭 회로(330)는 제1 MOSFET(331), 제2 MOSFET(332) 및 다이오드(333)을 포함한다. 그리고 제7 스위칭 회로(330)는 보호 커패시터(334)를 더 포함할 수 있다.
또한 제8 스위칭 회로(340)는 제1 MOSFET(341), 제2 MOSFET(342) 및 다이오드(343)을 포함한다. 그리고 제8 스위칭 회로(340)는 보호 커패시터(344)를 더 포함할 수 있다.
또한 제9 스위칭 회로(350)는 제1 MOSFET(351), 제2 MOSFET(352) 및 다이오드(353)을 포함한다. 그리고 제9 스위칭 회로(350)는 보호 커패시터(354)를 더 포함할 수 있다.
또한 제10 스위칭 회로(360)는 제1 MOSFET(361), 제2 MOSFET(362) 및 다이오드(363)을 포함한다. 그리고 제10 스위칭 회로(360)는 보호 커패시터(364)를 더 포함할 수 있다.
이때 제7 스위칭 회로(330), 제8 스위칭 회로(340), 제9 스위칭 회로(350) 및 제10 스위칭 회로(360)에 포함된 MOSFET(331, 332, 341, 342, 351, 352, 361, 362), 다이오드(333, 343, 353, 363) 및 보호 커패시터(334, 344, 354, 364)의 연결 방법 및 선택과 그에 따른 효과는 제1 스위칭 회로(120)에 포함된 MOSFET(121, 122), 다이오드(123) 및 보호 커패시터(124)와 동일한 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
이때 제어 회로(400)는 제7 스위칭 회로(330)에 포함된 제1 MOSFET(331) 및 제2 MOSFET(332)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다. 그리고 제어 회로(400)는 제8 스위칭 회로(340)에 포함된 제1 MOSFET(341) 및 제2 MOSFET(342)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다. 또한 제어 회로(400)는 제9 스위칭 회로(350)에 포함된 제1 MOSFET(351) 및 제2 MOSFET(352)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다. 그리고 제어 회로(400)는 제10 스위칭 회로(360)에 포함된 제1 MOSFET(361) 및 제2 MOSFET(362)에는 동일한 스위칭 신호를 공급한다.
그리고 제어 회로(400)는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)가 상보적으로 스위칭하도록 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)에 스위칭 신호를 공급한다. 예를 들어 제어 회로(400)는 제5 스위칭 회로(310)에 포함된 MOSFET(311)이 온 되고, 제6 스위칭 회로(320)에 포함된 MOSFET(321)이 오프 되도록 스위칭 신호를 공급할 수 있다. 또한 제어 회로(400)는 제5 스위칭 회로(310)에 포함된 MOSFET(311)이 오프 되고, 제6 스위칭 회로(320)에 포함된 MOSFET(321)이 온 되도록 스위칭 신호를 공급할 수 있다.
그리고 제어 회로(400)는 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360)가 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)의 온/오프에 관계없이 온/오프를 반복하도록 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360)에 스위칭 신호를 공급한다.
이때 제어 회로(400)는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)에 공급되는 스위칭 신호의 주기가 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360)에 공급되는 스위칭 신호의 주기에 비하여 길게 제어할 수 있다. 예를 들어 제어 회로(400)는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)에 공급되는 스위칭 신호는 1분에 120번 스위칭하도록 제어하고, 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360)에 공급되는 스위칭 신호는 1분에 2000번 내지 3000번 스위칭하도록 제어할 수 있다.
이와 같이 스위칭 신호의 주기를 다르게 제어함으로써, MOSFET 하나로만 구성되는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
다시 도 2로 돌아와서, 전력 변환 장치(10)는 제3 인덕터(400a) 및 제4 인덕터(400b)를 더 포함할 수 있다. 이때 제3 인덕터(400a)의 일단은 제7 스위칭 회로(330) 및 제8 스위칭 회로(340) 사이의 노드에 연결되고, 제3 인덕터(400a)의 타단은 교류 전원(40a)에 연결될 수 있다. 그리고 제4 인덕터(400b)의 일단은 제9 스위칭 회로(350) 및 제10 스위칭 회로(360) 사이의 노드에 연결되고, 제4 인덕터(400b)의 타단은 교류 전원(40a, 40b)에 연결될 수 있다. 이와 같이 제3 인덕터(400a) 및 제4 인덕터(400b)는 인버터 회로(300)와 교류 전원(40a, 40b)의 사이에 연결되어, 인버터 회로(300)로부터 교류 전원(40a, 40b)으로 교류 전원을 안정적으로 공급할 수 있게 한다.
인버터 회로(300) 및 교류 전원(40a, 40b)의 사이에 인덕터를 연결할 때, 상대적으로 짧은 주기로 스위칭하는 제7 스위칭 회로 내지 제10 스위칭 회로(330, 340, 350, 360)와 교류 전원(40a, 40b)의 사이에만 인덕터(400a, 400b)를 연결하고, 상대적으로 긴 주기로 스위칭하는 제5 스위칭 회로(310) 및 제6 스위칭 회로(320)와 교류 전원(40a, 40b)의 사이에는 인덕터를 연결하지 않을 수 있다. 이와 같이 연결함으로써, 인덕터에 의해 발생할 수 있는 손실을 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 스위칭 회로에 MOSFET을 이용한 전력 변환 장치(10)를 이용함으로써, 도통 손실 및 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 또한 스위칭 회로에 보호 커패시터를 이용하여, MOSFET에 과전압이 걸리는 것을 방지할 수 있다. 그리고 전력 변환 장치(10)에 포함된 디커플링 회로(200)에 필름 커패시터를 이용하여 전력 변환 장치(10)의 수명을 길게 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 전력 변환 장치 100: 컨버터 회로
200: 디커플링 회로 300: 인버터 회로
400: 제어 회로

Claims (10)

  1. 일단이 직류 전원의 일단에 연결된 제1 인덕터, 상기 제1 인덕터의 타단과 연결된 제1 스위칭 회로 및 일단이 상기 제1 인덕터 및 상기 제1 스위칭 회로 사이의 노드에 연결되고 타단이 상기 직류 전원의 타단에 연결된 제2 스위칭 회로를 포함하며 상기 직류 전원으로부터 공급되는 직류 전압의 크기를 조절하는 컨버터 회로;
    제3 스위칭 회로, 상기 제3 스위칭 회로와 직렬로 연결된 제4 스위칭 회로, 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로와 병렬로 연결된 제1 커패시터, 일단이 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로 사이의 노드에 연결된 제2 인덕터 및 상기 제2 인덕터의 타단과 연결되어 상기 제2 인덕터와 함께 상기 제4 스위칭 회로에 병렬로 연결되는 제2 커패시터를 포함하며 상기 컨버터 회로에 의해 조절된 전압을 안정화시키는 디커플링 회로;
    제5 스위칭 회로, 상기 제5 스위칭 회로와 직렬로 연결되는 제6 스위칭 회로, 제7 스위칭 회로, 상기 제7 스위칭 회로와 직렬로 연결되어 상기 제7 스위칭 회로와 함께 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로와 병렬로 연결되는 제8 스위칭 회로, 제9 스위칭 회로 및 상기 제9 스위칭 회로와 직렬로 연결되어 상기 제9 스위칭 회로와 함께 상기 제7 스위칭 회로 및 상기 제8 스위칭 회로와 병렬로 연결되는 제10 스위칭 회로를 포함하며 상기 디커플링 회로에 의해 안정화된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 출력하는 인버터 회로; 및
    상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하는 제어 회로를 포함하고,
    상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제4 스위칭 회로 및 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로 각각은 적어도 2개의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 및 다이오드를 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제4 스위칭 회로 및 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로 각각은 제1 MOSFET, 상기 제1 MOSFET과 역방향으로 연결되는 제2 MOSFET을 포함하고,
    상기 다이오드는 상기 제1 MOSFET 및 상기 제2 MOSFET과 병렬로 연결되는
    전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 회로 내지 상기 제4 스위칭 회로 및 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로 각각은 상기 제2 MOSFET과 병렬로 연결되는 보호 커패시터를 더 포함하는
    전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 동일한 스위칭 회로에 포함된 MOSFET에는 동일한 스위칭 신호를 공급하는
    전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로가 상보적으로 스위칭하도록 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하는
    전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로가 상보적으로 스위칭하도록 상기 제3 스위칭 회로 및 상기 제4 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하는
    전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로가 상보적으로 스위칭하도록 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하고, 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로가 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로의 온/오프에 관계없이 온/오프를 반복하도록 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로에 스위칭 신호를 공급하는
    전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제5 스위칭 회로 및 상기 제6 스위칭 회로에 공급되는 스위칭 신호의 주기가 상기 제7 스위칭 회로 내지 상기 제10 스위칭 회로에 공급되는 스위칭 신호의 주기에 비하여 길게 제어하는
    전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제7 스위칭 회로 및 상기 제8 스위칭 회로 사이의 노드에 일단이 연결되고 상기 교류 전원에 타단이 연결되는 제3 인덕터; 및
    상기 제9 스위칭 회로 및 상기 제10 스위칭 회로 사이의 노드에 일단이 연결되고 상기 교류 전원에 타단이 연결되는 제4 인덕터를 더 포함하는
    전력 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터는 필름 커패시터인
    전력 변환 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008278552A (ja) * 2007-04-25 2008-11-13 Denso Corp ブリッジ回路における縦型ｍｏｓｆｅｔ制御方法
KR101624048B1 (ko) * 2014-10-28 2016-05-24 엘지전자 주식회사 전력 변환 장치 및 공기 조화기
JP2017192286A (ja) * 2016-04-08 2017-10-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置

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