KR20220063898A - 공진형 인버터 및 그 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

공진형 인버터 및 그 제어 시스템이 개시된다. 공진형 인버터는 스위칭부, 공진 회로부, 변압부 및 제어부를 포함한다. 스위칭부는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함하고, 공진 회로부는 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하고, 변압부는 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하며, 제어부는 복수의 스위치 각각에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력한다. 이때, 제어부는 스위칭부로 입력되는 직류 전압을 검지하는 입력 전압 검지부, 및 직류 전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증감하는 펄스폭 변조부를 포함한다.

Description

공진형 인버터 및 그 제어 시스템 {Resonant inverter and control system of the same}
본 발명은 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진형 인버터 및 그 제어 시스템에 관한 것이다.
플라즈마 반응기의 구동을 위해서는 고전압 AC를 인가해 주기 위한 전원장치가 필요하다. 전원장치는 입력 AC 정류를 위한 입력정류기, 전력 제어를 위한 DC/DC 컨버터, DC를 입력으로 플라즈마 반응기에 AC를 인가해주기 위한 인버터로 구성된다.
도 1은 플라즈마 반응기 구동을 위한 고전압 전원장치 일 예의 블록도이다. 도 1에서와 같이, 인버터를 공진탱크를 이용한 공진형 인버터로 설계할 경우, 영전압 스위칭을 통해 스위칭 손실을 줄이고 전원장치 사이즈를 줄일 수 있는 장점을 가진다.
도 2는 공진형 인버터 일 예의 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공진형 인버터는 스위칭부, 공진탱크부, 변압기로 구성되며, 공진형 인버터에서 출력으로 전달되는 에너지를 증가하기 위해서는 일정 펄스폭의 게이트 신호를 인가하며 입력전압(Vin)을 상승시켜주면 된다.
그런데, 인버터가 영전압 스위칭을 하기 위해서는 스위치의 역병렬 다이오드가 도통할 때 스위칭이 이루어져야 하고, 이를 위해서는 스위치 M1과 M4는 공진전류(Ilr)가 음인 구간에서 M2와 M3는 Ilr이 양인 구간에서 각각 스위칭이 이루어지도록 게이트 신호가 인가되어야 한다. 도 3은 영전압 스위칭을 위한 게이트 신호가 도시된 도면이다.
플라즈마 반응기는 방전개시 전과 후의 임피던스가 크게 변동하여 공진형 인버터의 공진전류 파형의 주파수가 변동한다. 도 4는 플라즈마 반응기에서의 방전에 따라 발생하는 공진형 인버터에서의 공진전류 파형의 변화를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기존 방식대로 일정한 펄스폭으로 게이트 신호를 인가해 줄 시 부하가 변동함에 따라 하드 스위칭이 발생하는 문제가 발생한다.
KR 100645113 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 플라즈마 반응기의 방전개시 여부와 상관없이, 영전압 스위칭 가능한 공진형 인버터 및 그 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 공진형 인버터는 스위칭부, 공진 회로부, 변압부 및 제어부를 포함한다. 스위칭부는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함하고, 공진 회로부는 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하고, 변압부는 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하며, 제어부는 복수의 스위치 각각에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력한다.
이때, 제어부는 스위칭부로 입력되는 직류 전압을 검지하는 입력 전압 검지부, 및 직류 전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증감하는 펄스폭 변조부를 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 입력전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증가시켜 줌으로써, 플라즈마 반응기가 방전개시 전에는 펄스폭이 짧은 게이트 신호를 인가해 주고, 방전 개시 이후에는 긴 게이트 신호를 인가해 줄 수 있게 된다. 또한, 플라즈마 반응기의 방전 개시 여부와 상관없이 영전압 스위칭을 수행함으로써, 스위치 발열을 저감하고 전원장치의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 스위치의 스위칭 주파수는 상기 공진 회로부에서의 공진 주파수의 1/2 이하일 수 있다.
또한, 게이트 신호의 최소 펄스폭은
Figure pat00001
이고, Lr은 공진 인덕터의 인덕턴스이며, Ceq_b는 이차측 권선에 연결된 플라즈마 반응기의 방전 개시 전 변압부 일차측에서의 등가 커패시턴스일 수 있다.
또한, 게이트 신호의 최대 펄스폭은
Figure pat00002
이고, Ceq_a는 플라즈마 반응기의 방전 개시 후 변압부 일차측에서의 등가 커패시턴스일 수 있다.
또한, 게이트 신호 펄스폭 변조부는, 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부, 및 삼각파를 입력받는 제 1 신호 입력부와 직류 전압에 비례하도록 생성된 신호를 입력받는 제 2 신호 입력부를 포함하고 제 1 신호 입력부와 제 2 신호 입력부로 입력되는 신호의 차를 이용하여 게이트 신호의 펄스폭을 출력하는 게이트 신호 출력부를 포함할 수 있다.
또한, 펄스폭 변조부는, 미리 설정된 최소 펄스폭 전압을 생성하는 최소 펄스폭 전압 생성부, 및 최소 펄스폭 전압과 직류 전압의 차를 제 2 신호 입력부로 출력하는 제어 신호 출력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 펄스폭 변조부는, 미리 설정된 최대 펄스폭 전압을 생성하는 최대 펄스폭 전압 생성부, 및 제어 신호 출력부에서 출력된 신호가 최대 펄스폭 전압보다 작은 경우 제 2 신호 입력부로 최대 펄스폭 전압을 출력하는 최대 펄스폭 전압 출력부를 더 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 공진형 인버터의 제어 시스템은, 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부, 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 공진 회로부, 및 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 상기 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하는 변압부를 포함하는 공진형 인버터에 포함되며, 복수의 스위치 각각에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어 시스템으로서, 직류 전압을 검지하는 입력 전압 검지부, 및 직류 전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증감하는 펄스폭 변조부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 입력전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증가시켜 줌으로써, 플라즈마 반응기가 방전개시 전에는 펄스폭이 짧은 게이트 신호를 인가해 주고, 방전 개시 이후에는 긴 게이트 신호를 인가해 줄 수 있게 된다.
또한, 플라즈마 반응기의 방전 개시 여부와 상관없이 영전압 스위칭을 수행함으로써, 스위치 발열을 저감하고 전원장치의 효율 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 플라즈마 반응기 구동을 위한 고전압 전원장치 일 예의 블록도.
도 2는 공진형 인버터 일 예의 회로도.
도 3은 영전압 스위칭을 위한 게이트 신호가 도시된 도면.
도 4는 플라즈마 반응기에서의 방전에 따라 발생하는 공진형 인버터에서의 공진전류 파형의 변화를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 인버터의 개략적인 블록도.
도 6은 도 5의 제어부를 구현한 회로의 예를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 제어부 내에서의 신호들의 파형을 도시한 도면.
도 8은 도 5에서 제어부를 도 7의 회로로 대체한 도면.
도 9는 도 8의 공진형 인버터에서 영전압 스위칭을 위한 게이트 신호 인가의 예를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 인버터의 개략적인 블록도이다. 도 5에서, 공진형 인버터는 스위칭부(110), 공진 회로부(120), 변압부(130) 및 제어부(200)를 포함한다.
보다 구체적으로, 도 5의 공진형 인버터는 스위칭부(110), 공진탱크부(120), 및 변압기(130)로 구성된 공진형 인버터로서, 스위칭 주파수(fsw)가 공진탱크에 의해 결정된 공진주파수(fo)의 ½이하로 동작하여 공진전류가 불연속으로 동작하며, 스위칭부의 펄스폭을 조절해주는 제어기(200)를 더포함한다.
스위칭부(110)는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치(112, 114, 116, 118)를 포함하고, 공진 회로부(120)는 스위칭부(110)에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터(122)와 공진 커패시터(124)의 공진 현상을 이용해 스위칭부(110)에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하고, 변압부(130)는 공진 회로부(120)에 연결된 일차측 권선 및 일차측 권선(132)과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선(134)을 포함한다.
제어부는(200) 복수의 스위치 각각에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 스위치(112, 114, 116, 118)를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력한다. 도 6은 도 5의 제어부를 구현한 회로의 예를 도시한 도면이다.
이를 위해, 제어부(200)는 스위칭부(110)로 입력되는 직류 전압을 검지하는 입력 전압 검지부(300), 및 직류 전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증감하는 펄스폭 변조부(400)를 포함한다.
즉, 스위칭부(110)의 펄스폭을 조절해 주는 제어기(200)는, 입력전압을 모니터링하기 위한 검지회로(300), 및 입력전압에 비례하여 펄스폭을 변동해 주는 회로(400)를 포함하며, 펄스폭 변조회로(400)는 최대, 최소 펄스폭을 설정하기 위한 회로(432, 422)를 포함한다.
보다 구체적으로, 도 6에서 게이트 신호 펄스폭 변조부(400)는, 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부(412), 및 삼각파를 입력받는 제 1 신호 입력부(414)와 직류 전압에 비례하도록 생성된 신호를 입력받는 제 2 신호 입력부(416)를 포함하고 제 1 신호 입력부와 상기 제 2 신호 입력부로 입력되는 신호의 차를 이용하여 게이트 신호의 펄스폭을 출력하는 게이트 신호 출력부(418)를 포함한다.
또한, 펄스폭 변조부(400)는, 미리 설정된 최소 펄스폭 전압을 생성하는 최소 펄스폭 전압 생성부(422), 및 최소 펄스폭 전압과 검지된 직류 전압의 차를 제 2 신호 입력부(416)로 출력하는 제어 신호 출력부(424)를 더 포함한다.
또한, 펄스폭 변조부(400)는, 미리 설정된 최대 펄스폭 전압을 생성하는 최대 펄스폭 전압 생성부(432), 및 제어 신호 출력부(424)에서 출력된 신호가 최대 펄스폭 전압보다 작은 경우 제 2 신호 입력부(416)로 최대 펄스폭 전압을 출력하는 최대 펄스폭 전압 출력부(434)를 더 포함한다.
도 7은 도 6의 제어부 내에서의 신호들의 파형을 도시한 도면이다. 입력전압이 0일때 설정된 최소 펄스폭에 의해 동작하며, 입력전압이 올라감에 따라 최소펄스폭 설정치 DC 값에서 입력전압에 비례하는 DC값을 빼주어 펄스폭이 증가한다.
입력전압이 높아져 비교기의 단자값이 최대펄스폭 설정치 DC값보다 낮아지면, 다이오드가 도통하여 최대펄스폭 DC값으로 클램핑 되어 최대 펄스폭으로 동작하게 된다.
이때, 방전 개시 전 등가 커패시턴스는 Ceq_b, 방전 개시 후 등가 커패시턴스는 Ceq_a, 최소 펄스폭은
Figure pat00003
, 최대 펄스폭은
Figure pat00004
일 수 있다.
도 8은 도 5에서 제어부를 도 7의 회로로 대체한 도면이고, 도 9는 도 8의 공진형 인버터에서 영전압 스위칭을 위한 게이트 신호 인가의 예를 도시한 도면이다.
도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 입력전압에 비례하여 게이트 신호의 펄스폭을 증가시켜 줌으로써, 플라즈마 반응기가 방전개시 전에는 펄스폭이 짧은 게이트 신호를 인가해 주고, 방전 개시 이후에는 긴 게이트 신호를 인가해 줄 수 있게 된다.
또한, 이와 같이, 플라즈마 반응기의 방전 개시 여부와 상관없이 영전압 스위칭을 수행함으로써, 스위치 발열을 저감하고 전원장치의 효율 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
100: 스위칭부
120: 공진 회로부
130: 변압기
132: 일차측 권선
134: 이차측 권선
200: 제어부
300: 입력 전압 검지부
400: 펄스폭 변조부
412: 삼각파 발생부
414: 제 1 신호 입력부
416: 제 2 신호 입력부
418: 게이트 신호 출력부
422: 최소 펄스폭 전압 생성부
424: 제어 신호 출력부
432: 최대 펄스폭 전압 생성부
434: 최대 펄스폭 전압 출력부

Claims (8)

  1. 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 상기 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 공진 회로부;
    상기 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 상기 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하는 변압부; 및
    상기 복수의 스위치 각각에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 상기 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 공진형 인버터로서,
    상기 제어부는,
    상기 직류 전압을 검지하는 입력 전압 검지부; 및
    상기 직류 전압에 비례하여 상기 게이트 신호의 펄스폭을 증감하는 펄스폭 변조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치의 스위칭 주파수는 상기 공진 회로부에서의 공진 주파수의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 게이트 신호의 최소 펄스폭은
    Figure pat00005
    이고, Lr은 상기 공진 인덕터의 인덕턴스이며, Ceq_b는 상기 이차측 권선에 연결된 플라즈마 반응기의 방전 개시 전 상기 변압부의 일차측에서의 등가 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 게이트 신호의 최대 펄스폭은
    Figure pat00006
    이고, Ceq_a는 상기 플라즈마 반응기의 방전 개시 후 상기 변압부의 일차측에서의 등가 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 게이트 신호 펄스폭 변조부는,
    삼각파를 발생하는 삼각파 발생부; 및
    상기 삼각파를 입력받는 제 1 신호 입력부와 상기 직류 전압에 비례하도록 생성된 신호를 입력받는 제 2 신호 입력부를 포함하고, 상기 제 1 신호 입력부와 상기 제 2 신호 입력부로 입력되는 신호의 차를 이용하여 상기 게이트 신호의 펄스폭을 출력하는 게이트 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 펄스폭 변조부는,
    미리 설정된 최소 펄스폭 전압을 생성하는 최소 펄스폭 전압 생성부; 및
    상기 최소 펄스폭 전압과 상기 직류 전압의 차를 상기 제 2 신호 입력부로 출력하는 제어 신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 펄스폭 변조부는,
    미리 설정된 최대 펄스폭 전압을 생성하는 최대 펄스폭 전압 생성부; 및
    상기 제어 신호 출력부에서 출력된 신호가 상기 최대 펄스폭 전압보다 작은 경우 상기 제 2 신호 입력부로 상기 최대 펄스폭 전압을 출력하는 최대 펄스폭 전압 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
  8. 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 상기 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 공진 회로부; 및
    상기 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 상기 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하는 변압기를 포함하는 공진형 인버터에 포함되며,
    상기 복수의 스위치 각각에 연결된 역병렬 다이오드의 도통 시점에서 상기 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어 시스템,
    상기 직류 전압을 검지하는 입력 전압 검지부; 및
    상기 직류 전압에 비례하여 상기 게이트 신호의 펄스폭을 증감하는 펄스폭 변조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터 제어 시스템.

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240047770A (ko) 2022-10-05 2024-04-12 한국전기연구원 소프트 스위칭 기능을 구비한 공진형 컨버터 또는 인버터

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KR100645113B1 (ko) 2004-11-05 2006-11-15 재단법인 포항산업과학연구원 부분방전 측정신호의 잡음 제거 및 정량화 결정 방법

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