KR20240041619A - 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치 - Google Patents

병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치 Download PDF

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류홍제
박수미
정우철
최민규
이주영
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치가 개시된다. 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치는 수백 [uF] 수준의 대용량 커패시터 부하를 충전하는 제1 충전 회로부; 상기 제1 충전 회로부와 병렬로 구성되되, [nF] 수준의 소용량 커패시터 부하를 충전하는 제2 충전 회로부; 및 부하 요구 사양에 따라 상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부를 단독 또는 병렬로 구동시키기 위한 입력 제어 신호를 출력하는 컨트롤러를 포함하되, 상기 제1 충전 회로부는 상기 부하 요구 사양을 고려하여 충전 시간과 충전전압 정밀도를 충족할 수 있도록 최대 충전 전압이 설정될 수 있다.

Description

병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치{Parallel Driven High Voltage Capacitor Charging system}
본 발명은 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치에 관한 것이다.
고고도 전자기파 펄스발생장치, 레일건, 의료용 전자 가속기, 폐수 및 배기가스 처리 장치 등의 고전압 펄스 응용분야에 적용 가능한 고전압 커패시터 충전회로는 일반적으로 고전압 변압기와 정류 회로, 충전 전류 제한을 위한 저항을 사용하거나 사이리스터(SCR)를 이용한 위상 제어를 통해 교류 전압을 가변하는 고전적인 방식을 사용한다.
이러한 고전적인 방식의 60Hz 상용 주파수 동작으로 인한 부피 증가 및 효율 저하의 단점으로 인해 전력전자 기술 기반의 고주파 스위칭을 적용한 고효율 인버터 방식의 충전 방식을 적용하여 전류원(Current Source) 출력 특성으로 동작하는 고효율 컨버터 구조를 적용할 수 있다.
종래의 고전적인 방식 또는 전류원 출력 특성을 갖는 고주파 고효율 컨버터 구조의 전력전자 기술 기반의 방식은 모두 한 종류의 전력변환회로가 커패시터 충전 장치를 구성하여 부하 커패시턴스 범위가 수만배 이상으로 넓은 범위를 갖는 경우 모든 부하에 대한 범용성 있는 충전이 어려운 문제점이 있다. [nF] 수준의 작은 커패시턴스 부하를 정밀하게 충전하기 위해서는 수백 [mA]의 충전 전류 사양이 요구되나, 동일한 사양으로 수십 [μF] 이상의 커패시터 부하를 충전하는 경우 충전 시간이 길어지고 효율이 저하되는 문제점이 있다. 빠른 충전 시간을 달성하기 위해서는 수 [A]~수십 [A]의 충전 전류를 정격 사양으로 설계할 수 있지만, [nF] 수준의 커패시터 부하는 한 번의스위칭 동작만으로도 전압이 수십 [kV]까지 충전되며 충전 전압의 제어 및 정밀한 충전 동작을 달성하는데 한계가 있다.
본 발명은 다양한 부하 커패시터 응용을 위하여 각 충전 회로가 병렬로 구동되는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 [nF] 수준의 소용량 커패시터 부하의 높은 충전 전압 밀도와 수백 [uF] 수준의 대용량 커패시터 부하의 빠른 충전 시간을 동시에 달성 가능한 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 부하 요구 조건에 따라 각 컨버터의 동작 조건을 선택할 수 있어 모든 부하의 빠른 충전 시간을 만족하면서 충전 전압 오차를 줄일 수 있는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수백 [uF] 수준의 대용량 커패시터 부하를 충전하는 제1 충전 회로부; 상기 제1 충전 회로부와 병렬로 구성되되, [nF] 수준의 소용량 커패시터 부하를 충전하는 제2 충전 회로부; 및 부하 요구 사양에 따라 상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부를 단독 또는 병렬로 구동시키기 위한 입력 제어 신호를 출력하는 컨트롤러를 포함하되, 상기 제1 충전 회로부는 상기 부하 요구 사양을 고려하여 충전 시간과 충전전압 정밀도를 충족할 수 있도록 최대 충전 전압이 설정되는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치가 제공될 수 있다.
상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부가 병렬로 동작되는 경우, 상기 제1 충전 회로부가 상기 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 부하 충전 전압에 도달하지 않더라도 상기 제1 충전 회로부는 동작 오프(off)될 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 회로부 및 상기 제2 충전 회로부 중 적어도 하나가 충전 지령 시간 내에 목표 충전 전압에 도달하지 못하여 타임아웃 플래그가 하이(High)로 전환되는 경우 충전 지령 신호가 입력되어도 상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부는 동작하지 않되, 상기 제2 에러 리셋을 통해 상기 타임아웃 플래그를 로우(LOW)로 전환시킨다.
상기 제1 충전 회로부 및 상기 제2 충전 회로부는 복수의 스위칭부를 각각 가지되, 각각의 스위칭부는, 스위치; 상기 스위치와 병렬로 연결되되, 부하로의 출력 전류를 제한하는 스너버 커패시터; 및 상기 스위치의 동작을 제어하는 게이트 드라이버를 포함하되, 상기 게이트 드라이버는 상기 스위치의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하되, 상기 스너버 커패시터가 방전된 경우에만 상기 스위치로의 턴-온 신호를 인가할 수 있다.
상기 게이트 드라이버는, 상기 스위치로 턴-온 신호를 인가하기 위한 전류 패스를 제어하는 턴-온 스위치(Son); 상기 턴-온 스위치(Son)의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 병렬 연결되는 딜레이 커패시터(C1); 및 제1 극성을 가지는 양극성 신호의 인가에 따라 상기 딜레이 커패시터(C1)를 충전시키는 초기 시동부를 포함하되, 상기 턴-온 스위치(Son)은 상기 초기 시동부에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 크게 충전되는 경우 도통되어 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가할 수 있다.
상기 초기 시동부는 R9 저항과 C2 커패시터를 포함하되, 상기 충전 지령 신호에 의해 상기 C2 커패시터가 충전될 수 있다.
상기 초기 시동부는 최초 시동시 상기 공진형 컨버터의 동작 전에 충전된 스너버 커패시터 방전 여부와 무관하게 상기 스위치로 턴-온 신호를 인가하기 위해 최초 1회만 동작될 수 있다.
상기 스너버 커패시터의 방전을 감지하는 방전 감지회로부를 더 포함하되, 상기 방전 감지회로부는 일단이 상기 딜레이 커패시터와 연결되며, 타단이 상기 스위치(S1)의 드레인 또는 컬렉터단과 스너버 커패시터의 연결부와 연결되며, 상기 스너버 커패시터가 방전된 상태에서 상기 제1 극성을 가지는 양극성 신호에 의해 도통되되, 상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 영전압 감지 모드로 동작되며, 상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)이 충전되어 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 커지면 상기 턴-온 스위치(Son)이 도통되어 상기 스위치에 턴-온 신호가 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치를 제공함으로써 다양한 부하 커패시터 응용을 위하여 각 충전 회로가 병렬로 구동될 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 [nF] 수준의 소용량 커패시터 부하의 높은 충전 전압 정밀도와 수백 [uF] 수준의 대용량 커패시터 부하의 빠른 충전 시간을 동시에 달성할 수 있으며, 부하 요구 조건에 따라 각 컨버터의 동작 조건을 선택할 수 있어 모든 부하의 빠른 충전 시간을 만족하면서 충전 전압 오차를 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치의 동작을 설명하기 위해 도시한 블록도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 충전 회로부 및 제2 충전 회로부의 상세 회로도를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 커패시터 충전 장치의 충전 지령 전압의 크기에 따른 부하의 충전 전압 파형을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 커패시터 충전 장치가 정상 동작하는 경우 시퀀스 다이어그램을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 커패시터 충전 장치의 타임아웃(Timeout) 에러가 발생하는 경우의 시퀀스 다이어그램.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 상세 회로도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초기 시동 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 감지 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 제한 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 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. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치(100)는 제1 충전 회로부(110), 제2 충전 회로부(120) 및 컨트롤러(130)를 포함하여 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)는 병렬로 구성된다. 제1 충전 회로부(110)는 대용량 충전회로부이며, 제2 충전 회로부(120)는 소용량 충전회로부일 수 있다.
즉, 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)는 서로 다른 사양을 가지는 컨버터 충전회로부일 수 있다. 예를 들어, 제1 충전 회로부(110)는 비교적 큰 충전 전류 사양으로 수백 [uF] 수준의 대용량 커패시터 부하를 빠르게 충전할 수 있으며, 제2 충전 회로부(120)는 [mA] 단위의 작은 충전 전류 사양으로 [nF] 수준의 소용량 커패시터 부하를 정밀하게 충전할 수 있다.
제1 충전 회로부(110)는 높은 충전 용량으로 부하 충전 전압의 빠른 dv/dt를 달성 가능하며, 제2 충전 회로부(120)는 낮은 충전 용량으로 고정밀 충전 전압의 달성이 가능하다.
이러한, 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)는 컨트롤러(130)로부터 입력되는 제어 신호(입력 제어 신호)에 따라 단독으로 구동되거나 병렬로 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 충전 회로부(110)는 부하 요구 사양을 고려하여 충전 시간과 충전 전압 정밀도를 충족할 수 있도록 최대 충전 전압이 설정될 수 있다. 즉, 제1 충전 회로부(110)는 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 충전 완료 신호가 생성되지 않더라도 제1 충전 회로부(110)의 복수의 스위치에 게이트 신호가 인가되지 않고, 따라서, 제1 충전 회로부(110)의 동작이 멈출 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치의 동작을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)는 컨트롤러(130)로부터 입력 제어 신호가 입력되면, 해당 입력 제어 신호에 따라 제1 충전 회로부(110) 및 제2 충전 회로부(120) 중 적어도 하나가 구동될 수 있다.
여기서, 입력 제어 신호는 충전 지령 전압 , 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)의 온(On)/오프(Off) 신호, 스위칭 주파수 선택 신호 및 충전 지령 신호를 포함할 수 있다.
충전 지령 전압()는 부하 충전 전압의 지령 전압을 나타내고, 제1 충전 회로부(110)의 온(On) 또는 오프(Off) 신호에 따라 제1 충전 회로부(110)의 동작 여부가 결정되며, 제2 충전 회로부(120)의 온(On) 또는 오프(Off) 신호에 따라 제2 충전 회로부의 동작 여부가 결정될 수 있다. 스위칭 주파수 신호는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치(100)의 동작 주파수를 결정한다. 주파수가 클수록 충전 용량이 작아지고 부하의 고정밀 충전이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 부하 요구 사양에 따라 3가지 주파수 중 하나의 주파수가 선택될 수 있다.
제1 충전 회로부(110) 및 제2 충전 회로부(120) 각각의 게이트 드라이버에서 입력 제어 신호에 상응하는 구동 신호를 출력할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 충전 회로부 및 제2 충전 회로부의 상세 회로도를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)는 각각 4개의 스위치(S1 ~ S4), 각 스위치와 병렬로 연결되는 스너버 커패시터(Csn1 ~ Csn4), 각 스위치(S1 ~ S4)의 동작을 제어하는 게이트 드라이버를 포함한다.
제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)는 제1 스위치(S1)과 제3 스위치(S3)가 함께 동작하며, 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)가 함께 동작하는 구조로 상보적으로 동작될 수 있다.
또한, 각 스위치의 동작을 제어하는 게이트 드라이버는 각 스위치와 병렬로 연결된 스너버 커패시터의 전압이 모두 방전된 경우에만 스위치로 게이트 신호를 인가할 수 있다. 이를 통해 게이트 드라이버는 각 스위치가 영전압 스위칭, 즉 ZVS(Zero Voltage Switching)에서만 턴-온되도록 할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 제1 충전 회로부(110)는 변압기 1차측의 큰 전류 사양을 고려하여 1차측 와인딩이 병렬로 구성될 수 잇다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)의 변압기 2차측 정류 다이오드 회로부는 다수의 다이오드가 직렬로 스태킹(stacking)되어 구성될 수 있다. 입력 제어 신호에 포함되는 충전 지령 전압의 크기에 따른 부하의 충전 전압 파형은 도 5에 도시된 바와 같다.
도 5의 (a)는 제2 충전 회로부가 단독으로 동작하는 경우 충전 전압 파형을 도시한 도면이고, 도 5의 (b) 및 (c)는 제1 충전 회로부와 제2 충전 회로부가 병렬로 동작되는 경우, 충전 전압 파형을 도시한 도면이다.
즉, 도 5의 (b) 및 (c)는 제1 충전 회로부(110)와 제2 충전 회로부(120)가 병렬로 동작하는 경우의 충전 전압 파형으로, 제1 충전 회로부(110)의 최대 충전 전압()과 충전 지령 전압()의 관계에 따라 두 가지 충전 전압 파형의 형태가 존재한다.
즉, 도 5의 (b)는 인 경우 충전 전압 파형을 나타내고, 도 5의 (c)는 인 경우 충전 전압 파형을 도시한 도면이다.
도 5의 (a)와 같이 제2 충전 회로부(120)가 단독 동작하는 경우 부하 전압이 느리게 충전되어 충전 전압 오차를 줄일 수 있다.
또한, 도 5의 (c)에서 보여지는 바와 같이, 제1 충전 회로부(110)의 부하 전압이 최대 충전 전압인 에 도달하면, 제1 충전 회로부(110)는 자동으로 동작을 멈추도록 제1 충전 회로부(110)가 구성된다. 따라서, 충전 지령 전압의 크기에 따라 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)와 같이 두가지 동작 파형으로 나뉠 수 있다.
도 6은 고전압 커패시터 충전 장치가 정상 동작하는 경우 시퀀스 다이어그램을 도시한 도면이다. 충전 지령 신호의 상승 엣지를 인식하면 동작 여부가 선택된 충전 회로부의 게이트 드라이버의 구동 신호가 생성되어 부하 충전 전압이 상승한다. 충전 전압이 충전 지령 전압에 도달하면 충전 완료 신호가 생성되며, 선택된 충전 회로부의 동작이 멈출 수 있다.
그러나, 부하단의 아크 또는 충전회로의 고장 등으로 충전 지령 시간 내에 충전 전압이 지령 전압에 도달하지 못하는 타임아웃(Timeout) 에러가 발생하는 경우의 시퀀스 다이어그램은 도 7에 도시된 바와 같다.
충전 지령 신호의 상승 엣지와 함께 부하 충전전압이 증가하지만, 모종의 문제로 인해 충전 지령 신호의 하강 엣지가 발생할 때까지 충전 완료신호가 발생하지 않으면 타임아웃 플래그를 하이(HIGH)로 전환한다. 이 상태에서는 충전 지령 신호의 상승 엣지가 검지되어도 충전회로가 동작하지 않는다. 충전 회로를 다시 동작시키기 위해서는 점선과 같이 에러 리셋을 통해 타임아웃 플래그를 로우(LOW)로 만들어야 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 상세 회로도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초기 시동 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 감지 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 제한 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
스위치(810)는 변압기의 1차 코일에 전류를 공급 또는 차단하는 역할을 한다. 여기서, 스위치(810)는 트랜지스터로 구현될 수 있다. 즉, 스위치(810)는 MOSFET 또는 IGBT로 구현될 수 있다.
스너버 커패시터(815)는 스위치(810)와 병렬로 연결되며, 스위치의 턴 오프 손실을 저감하는 역할을 한다.
이러한, 스너버 커패시터(815)는 공진형 컨버터를 동작시키기 전에 입력 전압에 의해 충전되어 있다. 스너버 커패시터(815)는 입력 전압의 절반에 해당하는 전압이 충전되어 있다.
시동 회로부(820)는 초기 시동시에 동작하며 스너버 커패시터(815)의 방전 여부와 무관하게 스위치(S1)(810)로 게이트 신호(턴-온 신호)를 인가하기 위해 동작한다.
이러한 시동 회로부(820)는 D5 다이오드(820-1), R9 저항(820-2) 및 C2 커패시터(820-3)를 포함하여 구성된다. R9 저항(820-2)과 C2 커패시터(820-3)는 병렬 연결되며, D5 다이오드(820-1)는 충전 지령 신호에 의해 게이트 드라이버에 전달된 양극성 구형파 신호(V1)dl 최초로 제1 극성을 가질 때 도통될 수 있다. D5 다이오드(820-1)가 도통됨에 따라 딜레이 커패시터(825)와 C2 커패시터(820-3)가 충전될 수 있다. 여기서, 제1 극성은 (+) 극성일 수 있다.
또한, R9 저항(820-2)은 C2 커패시터(820-3)와 병렬로 연결되며, 시동 회로부(820)에 포함된 C2 커패시터(820-3)에 충전된 전압은 R9 저항(820-2)에 의해서만 방전될 수 있다.
시동 회로부(820)에 포함된 C2 커패시터(820-3)와 R9 저항(820-2)의 시정수는 양극성 신호(V1)의 공급 시간보다 충분히 길게 설정되어야 안정적으로 영전압 감지 모드 및 동작 제한 모드를 활용할 수 있다. 따라서, 시동 회로부(820)에 포함된 C2 커패시터(820-3)와 R9 저항(820-2)의 시정수는 공진형 컨버터의 동작 시간보다 길게 설정되어야 한다.
시동 회로부(820)에 포함된 C2 커패시터(820-3)와 R9 저항(820-2)의 시정수를 통해 동작 제한 이후 리셋까지 소요되는 시간을 조절할 수 있다.
턴-온 스위치(830)는 스위치(S1)(810)로 턴-온 신호를 인가하기 위한 수단이다.
턴-온 스위치(830)는 딜레이 커패시터(825)의 전압이 턴-온 스위치(830)의 문턱전압보다 커지는 경우 도통되며, 턴-온 스위치(830)에 직렬로 연결된 D3 다이오드(831)와 R3 저항(832)을 통해 스위치(810)로 턴-온 신호를 인가할 수 있다.
방전 감지회로부(835)는 스너버 커패시터(815)의 방전 상태를 감지하며, 스너버 커패시터(815)의 방전시 양단이 도통되어 영전압 모드로 게이트 드라이버를 동작시킬 수 있다. 즉, 방전 감지회로부(835)는 일단이 딜레이 커패시터와 연결되고 타단이 스위치(S1)의 드레인 또는 컬렉터 단과 스너버 커패시터의 연결부와 연결되며, 스너버 커패시터가 방전된 상태에서 제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)에 의해 도통될 수 있다.
방전 감지회로부(835)는 스너버 커패시터(815)가 방전되지 않은 상태에서 제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)가 인가되는 경우 딜레이 커패시터(C1)이 충전되지 않도록 개방되며, 동작 제한 모드로 게이트 드라이버가 동작될 수 있다.
이에 대해서는 하기에서 관련 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
턴-오프 스위칭 회로부(840)는 양극성 신호(V1)가 제2 극성을 가질 때 도통되어 스위치(S1)(810)로 턴-오프 신호를 인가한다. 이러한 턴-오프 모드에 대해서는 하기에서 관련 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 9 내지 도 11을 참조하여 초기 시동 모드, 영전압 모드, 동작 제한 모드, 턴-오프 모드시 게이트 드라이버 회로부(120)의 동작에 대해 각각 설명하기로 한다.
도 9는 초기 시동 모드시 게이트 드라이버의 전류 흐름을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
공진형 컨버터를 동작시키기 전에는 입력 전압에 의해 스너버 커패시터(815)에 입력 전압의 절반에 해당하는 전압이 충전되어 있다. 따라서, 초기 시동시, 스너버 커패시터(815)의 방전 여부에 상관없이 스위치(810)로 게이트 신호를 인가해야만 한다.
따라서, 공진형 컨버터 스위치에 단 한번 턴-온 신호를 인가하여 공진 전류가 흐르도록 기능시킨 후 정상적인 영전압 모드가 활성화되도록 시동 회로부(820)가 구성될 수 있다.
도 9를 참조하여 초기 시동 모드의 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.
제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)가 인가되면 D5 다이오드(820-1)가 도통되며, 해당 D5 다이오드(820-1)의 도통에 의해 도통되는 초기 충전 경로를 통해 딜레이 커패시터(825)와 C2 커패시터(820-3)가 각각 충전된다.
D5 다이오드(820-1)의 도통에 의해 생긴 초기 충전 경로를 따라 딜레이 커패시터(825)가 지속적으로 충전되어 해당 딜레이 커패시터(825)의 전압이 턴-온 스위치(830)의 문턱 전압보다 커지면 턴-온 스위치(830)가 도통되어 스위치(S1)(810)로 턴-온 신호를 인가한다. 이로 인해, 스위치(S1)이 턴-온 되어 부하로 전류를 공급할 수 있다.
이러한, 시동 회로부(820)는 공진형 컨버터(100)의 최초 시동시에 최초 1회 동작되어 딜레이 커패시터(825)를 충전시킬 수 있다.
또한, 시동 회로부(820)에 포함되는 C2 커패시터(820-3)는 R9 저항(820-2)에 의해서만 방전되며, C2 커패시터(820-3)와 R9 저항(820-2)의 시정수를 공진형 컨버터의 동작 시간 보다 길게 설정함으로써 안정적으로 영전압 모드 및 동작 제한 모드를 활용할 수 있다.
C2 커패시터(820-3)와 R9 저항(820-2)의 시정수를 통해 동작 제한 이후 리셋까지 소요되는 시간을 조절할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 모드시 게이트 드라이버의 전류 흐름을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 10을 참조하여 영전압 모드시 게이트 드라이버의 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 9와 같은 초기 시동 모드로의 동작 이후 제1 극성을 가지는 충전 지령 신호가 인가되는 경우 스너버 커패시터(815)의 방전 여부에 따라 영전압 모드(도 10)와 동작 제한 모드(도 11)로 동작될 수 있다.
스너버 커패시터(815)의 전압이 모두 방전된 후에 제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)가 인가되면 영전압 감지 모드로 동작된다.
스너버 커패시터(815)의 전압이 모두 방전되는 경우, 제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)가 인가되는 경우, 방전 감지회로부(835)의 양단이 도통된다. 방전 감지회로부(835)가 도통됨에 따라 딜레이 커패시터(825)가 충전된다. 해당 방전 감지회로부(835)의 도통에 의해 딜레이 커패시터(825)가 빠르게 충전되며, 해당 딜레이 커패시터(825)의 전압이 턴-온 스위치(830)의 문턱 전압보다 커지는 경우 턴-온 스위치(830)가 도통되어 턴-온 신호를 스위치(S1)(810)으로 인가한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 제한 모드시 게이트 드라이버 회로부의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 스너버 커패시터(815)가 방전되지 않은 상태에서 제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)가 인가되더라도 방전 감지회로부(835)는 딜레이 커패시터(C1)이 충전되지 않도록 개방된 상태로 도통되지 않아 전류가 흐를 경로가 존재하지 않는다.
이로 인해, 딜레이 커패시터(825)는 충전되지 않고 스위치(S1)로 턴-온 신호가 인가되지 않는다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드시, 게이트 드라이버 회로부의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
제2 극성을 가지는 충전 지령 신호(V1)가 인가되는 경우 턴-오프 스위칭 회로부(840)가 도통된다. 이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 즉, 제2 극성을 가지는 충전 지령 신호에 의해 D4 다이오드(840-1)가 도통되며, 해당 D4 다이오드(840-1)의 도통에 의해 딜레이 커패시터(825)에 역전압이 걸리며 방전된다. 딜레이 커패시터(825)의 방전에 의해 턴-온 스위치(830)가 오프된다. 또한, 턴-오프 스위치(840-2)와 병렬로 연결된 R5 저항(840-4)에 인가된 전압에 의해 턴-오프 스위치(840-2)가 도통되며, 턴-오프 스위치(840-2)와 직렬 연결된 R6 저항(840-3)을 통해 스위치(S1)(810)의 게이트 전압이 방전되어 턴-오프된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치
110: 제1 충전 회로부
120: 제2 충전 회로부
130: 컨트롤러

Claims (8)

  1. 수백 [uF] 수준의 대용량 커패시터 부하를 충전하는 제1 충전 회로부;
    상기 제1 충전 회로부와 병렬로 구성되되, [nF] 수준의 소용량 커패시터 부하를 충전하는 제2 충전 회로부; 및
    부하 요구 사양에 따라 상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부를 단독 또는 병렬로 구동시키기 위한 입력 제어 신호를 출력하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 제1 충전 회로부는 상기 부하 요구 사양을 고려하여 충전 시간과 충전전압 정밀도를 충족할 수 있도록 최대 충전 전압이 설정되는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부가 병렬로 동작되는 경우, 상기 제1 충전 회로부가 상기 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 부하 충전 전압이 충전 지령 전압에 도달하지 않더라도 상기 제1 충전 회로부는 동작 오프(off)되는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 충전 회로부 및 상기 제2 충전 회로부 중 적어도 하나가 충전 지령 시간 내에 목표 충전 전압에 도달하지 못하여 타임아웃 플래그가 하이(High)로 전환되는 경우 충전 지령 신호가 입력되어도 상기 제1 충전 회로부와 상기 제2 충전 회로부는 동작하지 않되, 에러 리셋을 통해 상기 타임아웃 플래그를 로우(LOW)로 전환시키는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 충전 회로부 및 상기 제2 충전 회로부는 복수의 스위칭부를 각각 가지되,
    각각의 스위칭부는,
    스위치;
    상기 스위치와 병렬로 연결되되, 부하로의 출력 전류를 제한하는 스너버 커패시터; 및
    상기 스위치의 동작을 제어하는 게이트 드라이버를 포함하되,
    상기 게이트 드라이버는 상기 스위치의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하되, 상기 스너버 커패시터가 방전된 경우에만 상기 스위치로의 턴-온 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는,
    상기 스위치로 턴-온 신호를 인가하는 턴-온 스위치(Son);
    상기 턴-온 스위치(Son)과 병렬 연결되는 딜레이 커패시터(C1); 및
    제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)의 인가에 따라 상기 딜레이 커패시터(C1)를 충전시키는 초기 시동부를 포함하되,
    상기 턴-온 스위치(Son)은 상기 초기 시동부에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 크게 충전되는 경우 도통되어 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 초기 시동부는 R9 저항과 C2 커패시터를 포함하되,
    상기 충전 지령 신호에 의해 상기 C2 커패시터가 충전되는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 초기 시동부는 최초 시동시 상기 공진형 컨버터의 동작 전에 충전된 스너버 커패시터 방전 여부와 무관하게 상기 스위치로 턴-온 신호를 인가하기 위해 최초 1회만 동작되는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 스너버 커패시터의 방전을 감지하는 방전 감지회로부를 더 포함하되,
    상기 방전 감지회로부는 일단이 상기 딜레이 커패시터와 연결되며, 타단이 상기 스위치(S1)의 드레인 또는 컬렉터단과 스너버 커패시터의 연결부와 연결되며, 상기 스너버 커패시터가 방전된 상태에서 상기 제1 극성을 가지는 양극성 신호(V1)에 의해 도통되되,
    상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 영전압 감지 모드로 동작되며, 상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)이 충전되어 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 커지면 상기 턴-온 스위치(Son)이 도통되어 상기 스위치에 턴-온 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 병렬 구동형 고전압 커패시터 충전 장치.

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