WO2018105875A1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 무정전 전원 공급 장치 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 무정전 전원 공급 장치 Download PDF

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최승림
박병호
염길춘
이태종
정우준
정현철
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter and an uninterruptible power supply including the same.
  • An uninterruptible power supply is a device that supplies power to a load in place of the system when an abnormality occurs in the system and thus cannot supply power to the load normally.
  • the uninterruptible power supply includes a power converter that converts a DC power source into an AC power source.
  • the uninterruptible power supply detects the inductor current flowing to the inductor included in the power converter and the output current output by the power converter to the load, and outputs the power consumption of the load based on the detected inductor current and the output current. Can be controlled.
  • the uninterruptible power supply measures the inductor current and the output current with two current sensors
  • the error caused by the difference in internal characteristics between the current sensors and the inductor current and the output current sensed by the two current sensors are used for synchronization.
  • the problem to be solved by the present invention is to measure the combined current, which is the sum of the inductor current and the output current output to the inverter with a single current sensor, and to separate and restore the inductor current and output current based on the synthesized current, It is an object of the present invention to provide an inverter and an uninterruptible power supply that can eliminate errors due to internal characteristics between sensors and synchronization due to sensed current values.
  • a power conversion apparatus includes first to fifth nodes, and a battery for supplying DC power to the first node and the fourth node is connected to the third node and the fifth node.
  • a power conversion device for outputting an AC power converted into a node comprising: a first switch between the first node and the second node, a second switch between the first node and the third node, the second node, and the An inverter comprising a third switch between a fourth node and a fourth switch between the third node and the fourth node, an inductor connected between the second node and the fifth node and the fifth node and the fifth node;
  • a filter unit including a capacitor connected between the three nodes, and a current sensor configured to sense a composite current that is a sum of inductor current and output current flowing through the inductor, wherein the output current is connected to the third node. It characterized in that the current output to a load connected between the fifth node group.
  • a first path providing a path through which current flows between the first node and the second node
  • a second path providing a path through which current flows between the fourth node and the third node.
  • Two paths, and a third path providing a path through which the output current flows.
  • the third path passes through the vicinity of the first path, the current sensor is disposed at a position corresponding to the adjacent area, so that a combined current which is the sum of the inductor current and the output current is Is detected.
  • the third path passes through the vicinity of the second path, the current sensor is disposed at a position corresponding to the adjacent, so that a combined current which is the sum of the inductor current and the output current Is detected.
  • the inverter turns on the first switch and the fourth switch in a first mode and turns off the second switch and the third switch, and in the second mode the first switch. Turn off the switch and the fourth switch and turn on the second switch and the third switch, wherein the current sensor detects a first synthesized current that is the sum of the inductor current and the output current in a first mode, and In the second mode, the second composite current as the output current is sensed.
  • the current sensor is characterized in that it comprises at least one of the ammeter for sensing the current using a Hall element and the ammeter for sensing the current in the current transformer method.
  • An uninterruptible power supply device includes a first node to a fourth node, a first switch between the first node and the second node, and a first node between the first node and the third node.
  • An inverter for converting to a power source a battery connected between the first node and the fourth node, a battery including at least one battery cell, connected between the second node and the third node, and the second node and the third node.
  • a filter unit including an inverter disposed between five nodes and a capacitor disposed between the fifth node and the third node, and one electric current sensing a combined current that is a sum of an inductor current and an output current flowing through the inductor; And a current sensor, wherein the output current is a current output to a load connected between the third node and the fifth node.
  • a first path providing a path through which current flows between the first node and the third node, and providing a path through which current flows between the third node and the fourth node.
  • the second path further includes a third path providing a path through which the output current flows.
  • the third path passes through a first location that is adjacent to the first path.
  • the current sensor is disposed at a position corresponding to the first position to sense a composite current which is a sum of the inductor current and the output current.
  • the third path passes through a second position, which is adjacent to the second path, and the current sensor is disposed at a position corresponding to the second position, such that the inductor current and the output The combined current, the sum of the currents, is detected.
  • an uninterruptible power supply information about the synthesized current sensed by the current sensor is received, and the inductor current and the output current are separated by separating the inductor current and the output current based on the information of the synthesized current. It further includes a control unit for restoring.
  • the inverter is periodically repeated the first mode and the second mode, in the first mode to turn on the first switch and the fourth switch and the second switch and
  • the third switch is turned off, the first switch and the fourth switch are turned off in the second mode, and the second switch and the third switch are turned on.
  • the controller removes the second synthesized current sensed in the second mode from the first synthesized current sensed in the first mode to restore the inductor current and the output current.
  • the inverter and the uninterruptible power supply sense a combined current, which is a sum of an inductor current and an output current input to the inverter with one current sensor, and separate the inductor current and the output current based on the synthesized current. By reconstructing, an error due to internal characteristics between current sensors and a phase delay due to synchronization between sensed current values can be eliminated.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an uninterruptible power supply and a peripheral configuration according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram briefly illustrating an internal configuration of a power conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 5 briefly illustrates an internal configuration of an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a simplified diagram illustrating the flow of current in an uninterruptible power supply in a first mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a simplified diagram illustrating the flow of current in an uninterruptible power supply in a second mode according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an uninterruptible power supply and a peripheral configuration according to an embodiment of the present invention.
  • the system 10 includes a power plant, a substation, a power transmission line, and the like.
  • power is supplied to the battery 20 of the load 20 and / or the uninterruptible power supply 100.
  • power supply from the system 10 to the uninterruptible power supply 100 is stopped and the power of the battery 130 of the uninterruptible power supply 100 is supplied to the load 20. .
  • the load 20 consumes power supplied from the grid 10, power stored in the battery 130, and / or power supplied from the grid 10.
  • a home or a factory may be an example of the load 20.
  • the uninterruptible power supply 100 is a system that automatically supplies power without interruption when power is not supplied or when a power failure occurs.
  • the uninterruptible power supply 100 is an essential device for electronic devices, including a computer, which needs to continuously supply power without interruption, and provides stable power even when voltage or frequency changes or momentary power failure, thereby destroying or erasing data of the computer. It can prevent, protect or prevent the loss of control and malfunction of various control devices.
  • the uninterruptible power supply 100 may supply power to the load 20 as an energy storage device even when the system 10 does not have an abnormality.
  • the uninterruptible power supply device 100 loads together with the grid 10 using the battery 130 in consideration of a peak time during which power consumption of the load 20 is large or the price of power supplied from the grid 10. Power can be supplied to 20.
  • the battery 130 may be charged by receiving power from the system 10 at a time when midnight electricity is supplied.
  • the uninterruptible power supply device 100 must supply continuous power even when it is difficult to supply power from the system 10, even when operating as an energy storage device in general, it is necessary to store power of a predetermined amount or more.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention.
  • the uninterruptible power supply 100 includes a converter 210, an inverter 220, a controller 40, and a battery 130.
  • the inverter 220 is connected between the load 20 and the converter 210 and the inverter 220.
  • the inverter 220 may convert a DC voltage output from the battery 130 into an AC voltage of the system 10 in the discharge mode. Meanwhile, the inverter 220 may be a bidirectional inverter 220 in which directions of input and output may be changed.
  • the inverter 220 may include a filter for removing harmonics from the AC voltage output to the load 20.
  • the inverter 220 may also include a phase locked loop (PLL) circuit for synchronizing the phase of the AC voltage output from the inverter 220 with the phase of the AC voltage of the grid 10 to suppress generation of reactive power.
  • PLL phase locked loop
  • the inverter 220 may perform a function such as a voltage fluctuation range limitation, power factor improvement, DC component removal, and transient phenomena protection. When not in use, inverter 220 may stop operation to minimize power consumption.
  • the converter 210 is a circuit for rectifying the AC voltage of the system 10 and converting the DC voltage into a DC voltage in order to store the power of the system 10 in the battery 130 in the charging mode.
  • the converter 210 may include a semiconductor rectifier, an electron tube rectifier, a mechanical rectifier, an AC-DC converter 210, and the like.
  • the bypass unit 120 is connected between the system 10 and the load 20.
  • the bypass unit 120 may provide a power supply path between the system 10 and the load 20 through the uninterruptible power supply device 100 and a separate power supply path.
  • the bypass unit 120 allows the power supplied from the system 10 to be supplied to the load 20 via the uninterruptible power supply 100, or to directly supply the power of the system 10 to the load 20. It is a constitution.
  • the bypass unit 120 may be configured as a relay, a switch, or the like. When an abnormality occurs in power supply phase or power supply of the system 10, the bypass unit 120 cuts off power flow in a path for supplying power from the system 10 to the load 20. When power of the system 10 is smoothly supplied, the bypass unit 120 provides a path for supplying power from the system 10 to the load 20 to directly transfer power from the system 10 to the load 20. You can make it available.
  • the DC link unit may be further included between the converter 210 and the battery 130 and between the inverter 220 and the battery 130.
  • the DC link unit is connected between the converter 210 and the inverter 220 to maintain a constant DC link voltage.
  • the level of the DC link voltage may become unstable due to the instantaneous voltage drop in the system 10, the occurrence of the peak load 20 in the load 20, and the like.
  • the DC link voltage needs to be stabilized in order for the inverter 220 and the battery 130 to operate stably.
  • the DC link unit is connected between the battery 130, the inverter 220, and the rectifier, and for example, a large capacity capacitor 232 may be used.
  • the controller 40 monitors the state of the system 10, the battery 130, and the load 20, and operates the inverter 220, the converter 210, and the battery 130 according to the monitoring result and a preset algorithm. To control.
  • the controller 40 may monitor whether a power failure occurs in the system 10, a state of charge of the battery 130, a power consumption of the load 20, a time, and the like. In addition, when there is not enough power to supply the load 20, such as a power outage to the system 10, the controller 40 sets a priority for the power-using devices included in the load 20, and prioritizes.
  • the load 20 may be controlled to supply power to a high ranking power using device.
  • the battery 130 may be connected to the DC link unit, and may be charged by receiving power from the system 10 or may supply power to the load 20 or the system 10.
  • the converter 210 converts the AC power supplied from the system 10 into DC power, and the battery 130 may charge the converted DC power.
  • the DC power output from the battery 130 is converted into AC power in the inverter 220 and supplied to the load 20.
  • the AC power converted by the inverter 220 has a frequency corresponding to that of the AC power supplied from the system 10.
  • the battery 130 stores power and includes at least one battery cell.
  • the battery 130 may include a plurality of battery cells, and the battery cells may be connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel.
  • the number and connection schemes of the battery cells included in the battery 130 may be determined according to the required output voltage and power storage capacity.
  • the battery cell may include a rechargeable secondary battery.
  • the battery cell may be a nickel-cadmium battery, a lead storage battery, a nickel metal hydride battery (NiMH), a lithium ion battery, a lithium polymer battery. ) May be included, but is not limited thereto.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the power converter 200 includes an inverter 220, a filter unit 230, and a current sensor 240.
  • the power converter 200 may be connected to a battery 130 for supplying DC power, and may convert the DC power of the battery 130 into AC power and output the AC power.
  • the inverter 220 includes first to fourth nodes N1 to N4, first to fourth switches 221 to 224, and first to third paths.
  • the battery 130 for supplying DC power to the first node N1 and the fourth node N4 is connected, and the AC power converted into the second node N2 and the third node N3 is connected.
  • the first switch 221 is disposed between the first node N1 and the second node N2.
  • the second switch 222 is disposed between the first node N1 and the third node N3.
  • the third switch 223 is disposed between the second node N2 and the fourth node N4.
  • the fourth switch 224 is disposed between the third node N3 and the fourth node N4.
  • the inverter 220 turns off the second switch 222 and the third switch 223 while turning on the first switch 221 and the fourth switch 224 in the first mode, and the first switch in the second mode.
  • the second switch 222 and the third switch 223 are turned on while the switch 221 and the fourth switch 224 are turned off.
  • the inverter 220 may convert DC power into AC power while repeating the first mode and the second mode. That is, the inverter switches from the first mode to the second mode, has a cycle of switching from the second mode back to the first mode, and the modes are alternately repeated.
  • the inverter 220 outputs a current flowing from the second node N2 to the third node N3 in the first mode, and the second node (N3) at the third node N3 in the second mode. Output current flowing to N2).
  • the current output in the first mode is an inverted current having a magnitude corresponding to the current output in the second mode and changing in direction only.
  • the inverter 220 may output a square wave current by repeating the first mode and the second mode.
  • the filter unit 230 may convert the square wave current output from the inverter 220 into a waveform corresponding to the waveform of the commercial AC current supplied by the system 10.
  • the filter unit 230 is connected in parallel between the second node N2 and the third node N3 of the inverter 220.
  • the filter unit 230 includes an inductor 231 and a capacitor 232.
  • the inductor 231 is connected between the second node N2 and the fifth node N5, and the capacitor 232 is connected between the fifth node N5 and the third node N3.
  • the first output terminal is connected to the fifth node N5 and the second output terminal is connected to the third node N3.
  • the load 20 is connected between the first output terminal and the second output terminal to receive the output current Ib.
  • the inductor current Ia in the first mode is the first node N1, the first switch 221, the inductor 231, the capacitor 232 and the second output terminal, the fourth switch 224. And a fourth node N4.
  • the inductor current Ia is the first node N1, the second switch 222, the capacitor 232 and the first output terminal, the inductor 231, the third switch 223, and the fourth node N4.
  • the inductor current Ia has a waveform and magnitude corresponding to the current shifted by 180 degrees of the inductor current Ia in the first mode.
  • the first path provides a path through which current flows between the first node N1 and the third node N3.
  • the first path provides a path through which the inductor current Ia flows in the second mode and is opened in the first mode.
  • the second path provides a path through which current flows between the third node N3 and the fourth node N4.
  • the second path provides a path through which the inductor current Ia flows in the first mode and is opened in the second mode.
  • the third path provides a path through which the output current Ib flows.
  • the third path provides a path through which the output current Ib flows between the third node N3 and the second output terminal.
  • the third path passes through the first point a1, the second point a2, and the third point a3, and passes through the first location C, which is adjacent to the first path.
  • the third path provides a path of the output current Ib flowing from the third point a3 to the first point a1 in the first mode, and the third point a3 at the first point a1 in the second mode. Provides a path of output current Ib to
  • the current sensor 240 is disposed at a position corresponding to the first position.
  • the position corresponding to the first position is a position where one current sensor 240 detects a composite current which is a sum of currents flowing in the second path and the third path and is adjacent to the first position and the first position.
  • the current sensor 240 is disposed at a position where the sum of the current flowing in the path between the third point a3 and the first point a1 and the current flowing in the first path can be obtained. do.
  • the inductor current Ia flowing in the first path in the first mode flows in the same direction as the output current Ib flowing in the path between the first point a1 and the third point a3.
  • the current sensor 240 may detect the sum of the inductor current Ia and the output current Ib.
  • the current sensor 240 may be arranged to surround the first path and the path between the third point a3 and the first point a1 of the third path at a position corresponding to the first position. Can be.
  • the current sensor 240 may include any one of an ammeter for measuring the current flowing in the path by the Hall element or the current transformer.
  • FIG. 4 is a diagram briefly illustrating an internal configuration of a power conversion apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the power converter 200 includes an inverter 220, a filter unit 230, a current sensor 240, a first path, a second path, and a fourth path.
  • the inverter 220, the filter unit 230, the current sensor 240, the first path, and the second path include the inverter 220, the filter unit 230, the current sensor 240, and the first path described with reference to FIG. 3. Since it is substantially the same as a path
  • the fourth path may provide a path through which current flows between the fifth node N5 and the first output terminal. Specifically, the fourth path may provide a path through which the output current Ib flows in the first mode and the second mode. The fourth path passes through the first-first point b1, the second-first point b2, and the third-first point b3, and passes through the second position D adjacent to the first path. The fourth path provides a path through which the output current Ib flows from the first-first point b1 to the third-first point b3 in the first mode, and the third-first point b3 in the second mode. Provides a path through which the output current Ib flows to the first-first point b1.
  • the current sensor 240 is disposed at a position corresponding to the second position D.
  • FIG. The current sensor 240 is disposed at a position corresponding to the second position to sense a combined current which is a sum of the current flowing in the first path and the current flowing in the third path.
  • the current sensor 240 senses a composite current which is a sum of the current flowing in the path between the 3-1 point b3 and the 2-1 point b2 of the third path and the current flowing in the first path. do.
  • an embodiment of the inverter 220 and the current sensor 240 included in the inverter 220 illustrated in FIG. 3 may describe the inverter 220 illustrated in FIG. 4. It will be described with reference to the power converter 200 shown in FIG.
  • FIG 5 briefly illustrates an internal configuration of an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention.
  • the uninterruptible power supply 100 includes a battery 130, an inverter 220, a filter unit 230, and a controller 40.
  • the uninterruptible power supply 100 detects the output current Ib supplied to the load 20 and the inductor current Ia applied to the inverter 220 using one current sensor 240.
  • the uninterruptible power supply 100 controls the inductor current Ia to follow the sensed output current Ib. In this case, the uninterruptible power supply 100 can accurately measure the magnitude and phase difference between the inductor current Ia and the output current Ib to supply the high-quality output current Ib to the load 20. have.
  • the uninterruptible power supply when the uninterruptible power supply measures the output current and the inductor current with two current sensors, the uninterruptible power supply cannot accurately detect the magnitude and phase difference between the inductor current and the output current.
  • the current sensor measures the current with a predetermined error range according to internal characteristics. These internal characteristics are different for each current sensor, and even though the two current sensors sense current flowing in the same path, currents having different magnitudes are detected.
  • the uninterruptible power supply requires a process of synchronizing between the currents sensed by the two current sensors 240 to detect the phase difference between the inductor current and the output current. In this case, as the switching frequency of the switches included in the inverter increases, the uninterruptible power supply outputs an output current having an actual output current and a phase delay in the synchronization process.
  • the uninterruptible power supply 100 when the uninterruptible power supply 100 restores the output current Ib and the inductor current Ia with one current sensor 240, an error according to internal characteristics between the current sensors 240 and Phase delay can be eliminated during synchronization.
  • the uninterruptible power supply 100 may measure a composite current that is the sum of the output current Ib and the inductor current Ia with one current sensor 240.
  • the inductor current Ia and the output current Ib may be restored based on the synthesized current.
  • the uninterruptible power supply 100 can supply the inductor current Ia that accurately follows the output current Ib.
  • the controller 40 receives the sensed current value detected from the current sensor 240.
  • the controller 40 may separate and restore the inductor current Ia and the output current Ib based on the received sense current value.
  • the controller 40 may control the output amount of the AC power converted by the inverter 220 based on the separated inductor current Ia and the output current Ib.
  • the controller 40 obtains a difference between the first synthesized current, which is the synthesized current measured in the first mode, and the second synthesized current, which is the synthesized current measured in the second mode, to obtain the inductor current Ia and the output current Ib. Can be restored.
  • the inductor current Ia flows through the second path, and the output current Ib supplied to the load 20 flows through the third path of the inverter 220.
  • the current sensor 240 detects a first combined current obtained by adding the inductor current Ia and the output current Ib.
  • the inductor current Ia does not flow through the opening of the fourth switch 224 in the second path of the inverter 220, and the output current Ib flows in the third path of the inverter 220. . That is, the current sensor 240 detects only the output current Ib as the second composite current in the second mode.
  • the second synthesized current is the current corresponding to the output current Ib, and in the second mode the output current Ib corresponds to the inverted current shifted the output current Ib by 180 degrees in the first mode.
  • the controller 40 may remove a portion corresponding to the output current Ib from the first synthesized current.
  • the controller 40 may separate the inductor current Ia from the first synthesized current.
  • the controller 40 may estimate the inductor current Ia in the second mode by shifting the separated inductor current Ia 180 degrees, and inductor current Ia and the second mode in the separated first mode. The inductor current Ia of one period can be restored based on the inductor current Ia at.
  • the controller 40 may estimate the output current Ib in the first mode by shifting the output current Ib in the second mode by 180 degrees, and output the current flowing in a cycle based on the output current Ib in the first mode. Ib) can be restored. Meanwhile, as described above, one cycle refers to a case where the first mode and the second mode are performed once.
  • the uninterruptible power supply 100 may separate and restore the inductor current Ia and the output current Ib by the synthesized current sensed by one current sensor 240, thereby internally intersecting the current sensors 240. It is possible to eliminate the error due to the characteristic and the phase delay occurring in the synchronization process.
  • the first to fourth switches 221 to 224 may include a FET switch, and may include diodes as shown in the drawing.
  • the diode may serve as a regenerative diode that transfers back electromotive force back to the load.
  • FIG. 6 is a view schematically illustrating a flow of current of the uninterruptible power supply in the first mode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a current of the uninterruptible power supply in the second mode according to an embodiment of the present invention. The flow of the is briefly shown.
  • the inverter 220 has a battery 130 connected between the first node N1 and the fourth node N4, and is connected between the third node N3 and the fifth node N5.
  • the load 20 is connected to.
  • the inverter 220 turns on the first switch 221 and the fourth switch 224 in the first mode, and turns off the second switch 222 and the third switch 223.
  • the current flowing through the inverter 220 in the first mode is the positive electrode of the battery 130, the first switch 221, the inductor 231, the capacitor 232 and the load 20, the fourth switch 224 and the battery ( 130) in the order of cathode.
  • the inductor current Ia flows in the second path, and the inductor current Ia is divided into the output current Ib flowing in the third path and the current flowing in the capacitor 232.
  • the third path passes through the first location, which is adjacent to the second path, as described with reference to FIG. 3 and is directed to the second output stage.
  • the current sensor 240 senses a first combined current obtained by adding the inductor current Ia and the output current Ib (see FIG. 6).
  • the first switch 221 and the fourth switch 224 are turned off, and the second switch 222 and the third switch 223 are turned on.
  • the first current is the positive pole of the battery 130, the second switch 222, the capacitor 232 and the load 20, the inductor 231, the third switch 223 and the negative pole of the battery 130.
  • the output current Ib in the second mode has the inverted value of the output current Ib in the first mode.
  • the current sensor 240 detects the output current Ib as the first composite current.
  • the controller 40 may remove the portion of the output current Ib from the first synthesized current based on the second synthesized current.
  • the second composite current is the output current Ib in the second mode, and corresponds to the current obtained by inverting the output current Ib in the second mode and the output current Ib in the first mode. Therefore, the controller 40 may detect the output current Ib in the first mode based on the second synthesized current.
  • the controller 40 may restore the inductor current Ia in the first mode by removing a portion corresponding to the detected output current Ib from the first synthesized current.
  • the controller 40 may detect the inductor current Ia in the second mode based on the inductor current Ia in the first mode.
  • the uninterruptible power supply 100 separates and restores the inductor current Ia and the applied current with the synthesized current sensed by one current sensor 240, thereby synchronizing errors and synchronizations according to internal characteristics between the current sensors 240. Eliminate phase delays in the process. Accordingly, the uninterruptible power supply 100 can detect the correct output current Ib and the inductor current Ia, and output the output current Ib corresponding to the change in the power consumption of the load 20 immediately. Can be.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는 제1 노드 내지 제5 노드들을 포함하고, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 제1 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제2 스위치, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 스위치 및 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이의 제4 스위치를 포함하는 인버터, 상기 제2 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결되는 인덕터 및 상기 제5 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하는 필터부, 및 상기 인덕터에 흐르는 인덕터 전류와 출력 전류의 합인 합성 전류를 감지하는 하나의 전류 센서를 포함하고, 상기 출력 전류는 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 부하로 출력되는 전류인 것을 특징으로 한다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 무정전 전원 공급 장치
본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 무정전 전원 공급 장치에 대한 것이다.
무정전 전원 공급 장치는 계통 상에 이상이 발생하여 정상적으로 부하에 전원을 공급할 수 없을 때 계통을 대신하여 부하에 전력을 제공하는 장치이다. 무정전 전원 공급 장치는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환 장치를 포함한다. 무정전 전원 공급 장치는 전력 변환 장치에 포함된 인덕터로 흐르는 인덕터 전류와 전력 변환 장치가 부하로 출력하는 출력 전류를 감지하여, 감지된 인덕터 전류 및 출력 전류에 기초하여 부하의 소비 전력의 변동에 따른 출력을 제어할 수 있다.
그러나, 무정전 전원 공급장치가 두 개의 전류 센서로 인덕터 전류와 출력 전류를 각각 측정하는 경우, 전류 센서들간의 내부적 특성의 차이에 따른 오차 및 두 개의 전류 센서가 감지한 인덕터 전류와 출력 전류를 동기화에 따른 위상 딜레이가 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인버터에 입력되는 인덕터 전류와 출력 되는 출력 전류의 합인 합성 전류를 하나의 전류 센서로 측정하고, 상기 합성 전류에 기초하여 인덕터 전류 및 출력 전류를 분리 복원하여, 전류 센서들간 내부적 특성에 따른 오차 및 감지된 전류값들간의 동기화에 따른 오차를 제거할 수 있는 인버터 및 무정전 전원 공급장치를 제공하자고 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는 제1 노드 내지 제5 노드들을 포함하고, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드에 직류 전원을 공급하는 배터리가 연결되고, 상기 제3 노드 및 상기 제5 노드로 변환된 교류 전원을 출력하는 전력 변환 장치로서, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 제1 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제2 스위치, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 스위치 및 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이의 제4 스위치를 포함하는 인버터, 상기 제2 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결되는 인덕터 및 상기 제5 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하는 필터부, 및 상기 인덕터에 흐르는 인덕터 전류와 출력 전류의 합인 합성 전류를 감지하는 하나의 전류 센서를 포함하고, 상기 출력 전류는 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 부하로 출력되는 전류인 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 일 예에 따르면, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제1 경로, 상기 제4 노드와 상기 제3 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 경로, 및 상기 출력 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제3 경로를 포함한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제3 경로는 상기 제1 경로와 인접한 곳을 지나고, 상기 전류 센서는 상기 인접한 곳에 대응하는 위치에 배치되어, 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지된다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제3 경로는 상기 제2 경로와 인접한 곳을 지나고, 상기 전류 센서는 상기 인접한 곳에 대응하는 위치에 배치되어, 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지된다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 인버터는 제1 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 오프하고, 제2 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온하며, 상기 전류 센서는 제1 모드에서 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 제1 합성 전류가 감지되고, 제2 모드에서 상기 출력 전류인 제2 합성 전류가 감지되는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 다른 예에 따르면, 상기 전류 센서는 홀 소자를 이용하여 전류를 감지하는 전류계 및 변류기 방식으로 전류를 감지하는 전류계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 무정전 전원 공급 장치는, 제1 노드 내지 제4 노드를 갖고, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 제1 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제2 스위치, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 스위치 및 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이의 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이에 연결되고, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되고, 상기 제2 노드와 제5 노드 사이에 배치된 인버터와 상기 제5 노드와 상기 제3 노드 사이에 배치된 커패시터를 포함하는 필터부, 및 상기 인덕터에 흐르는 전류인 인덕터 전류와 출력 전류의 합인 합성 전류를 감지하는 하나의 전류 센서를 포함하고, 상기 출력 전류는 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 부하로 출력되는 전류인 것을 특징으로 한다.
무정전 전원 공급 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제1 경로, 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2경로, 상기 출력 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제3 경로를 더 포함한다.
무정전 전원 공급 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제3 경로는 상기 제1 경로와 인접한 곳인 제1 위치를 지나고. 상기 전류 센서는 상기 제1 위치에 대응되는 위치에 배치되어 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지된다.
무정전 전원 공급 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제3 경로는 상기 제2 경로와 인접한 곳인 제2 위치를 지나고, 상기 전류 센서는 상기 제2 위치에 대응되는 위치에 배치되어, 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지된다.
무정전 전원 공급 장치의 다른 예에 따르면, 상기 전류 센서로부터 감지된 상기 합성 전류에 대한 정보를 전달 받고, 합성 전류의 정보에 기초하여 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류를 분리하여 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류를 복원하는 제어부를 더 포함한다.
무정전 전원 공급 장치의 다른 예에 따르면, 상기 인버터는 상기 제1 모드와 상기 제2 모드가 주기적으로 반복되며, 제1 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 오프하고, 제2 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온한다.
무정전 전원 공급 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 제1 모드에서 감지된 제1 합성 전류에서 제2 모드에서 감지된 제2 합성 전류를 제거하여 상기 인덕터 전류 및 상기 출력 전류를 복원한다.
다양한 실시예에 따른 인버터 및 무정전 전원 공급장치는, 하나의 전류 센서로 인버터에 입력되는 인덕터 전류와 출력 되는 출력 전류의 합인 합성 전류를 감지하고, 상기 합성 전류에 기초하여 인덕터 전류 및 출력 전류를 분리 복원하여, 전류 센서들간 내부적 특성에 따른 오차 및 감지된 전류 값들간의 동기화에 따른 위상 딜레이를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급장치 및 주변 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시에에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치의 내부적 구성을 간략하게 도시한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서 무정전 전원 공급 장치의 전류의 흐름을 간략하게 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서 무정전 전원 공급 장치의 전류의 흐름을 간략하게 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시 예로부터 다른 실시 예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 즉 설명된 특정 세부사항들은 단순한 예시이다. 특정 구현들은 이러한 예시적인 세부사항들로부터 변할 수 있고, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 계속 고려될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치및 주변 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
계통(10)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(10)은 정상 상태인 경우, 부하(20) 및/또는 무정전 전원 공급 장치(100)의 배터리(130)에 전력이 공급되도록 한다. 계통(10)이 비정상 상태인 경우, 계통(10)으로부터 무정전 전원 공급 장치(100)로의 전력 공급은 중단되고 무정전 전원 공급 장치(100)의 배터리(130)의 전원을 부하(20)에 공급한다.
부하(20)는 계통(10)으로부터 공급된 전력이나, 배터리(130)에 저장된 전력, 및/또는 계통(10)으로부터 공급된 전력을 소비한다. 가정이나 공장 등이 부하(20)의 일 예일 수 있다.
무정전 전원 공급 장치(100)는 전원 공급이 안되거나 정전이 될 때에는 순시에 중단없이 전력을 자동으로 공급하는 시스템이다. 무정전 전원 공급 장치(100)는 중단 없이 지속적인 전원을 공급해야 하는 작동 중의 컴퓨터를 비롯한 전자기기류의 필수장치로서 전압이나 주파수의 변동, 또는 순간 정전에도 안정된 전원을 공급해 컴퓨터의 데이터가 파괴 내지 소거되는 것을 방지, 보호하거나 각종 제어장치의 제어기능상실 및 오동작을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면 무정전 전원 공급 장치(100)는 계통(10)에 이상이 발생한 경우가 아니더라도 평상시에 에너지 저장 장치로써 부하(20)에 전력을 공급할 수도 있다. 무정전 전원 공급 장치(100)는 평상시에도 부하(20)의 전력소비량이 큰 피크 시간대나, 계통(10)으로부터 공급받는 전력의 가격 등을 고려해 배터리(130)를 이용하여 계통(10)과 함께 부하(20)에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(130)는 심야전기가 공급되는 시간대에 계통(10)으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 다만, 무정전 전원 공급 장치(100)는 계통(10)으로부터 전력 수급이 어려운 경우에도 지속적인 전원을 공급해야 하므로, 평상시에 에너지 저장 장치로 운용되더라도 일정 전력량 이상의 전력은 저장하고 있을 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무정전 전원 공급 장치(100)는 컨버터(210), 인버터(220), 제어부(40) 및 배터리(130)를 포함하고 있다.
인버터(220)는 부하(20)와 컨버터(210)와 인버터(220) 사이에 연결된다. 인버터(220)는 방전 모드에서 배터리(130)로부터 출력된 직류 전압을 계통(10)의 교류 전압으로 변환할 수 있다. 한편, 인버터(220)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터(220)일 수 있다.
인버터(220)는 부하(20)로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(220)는 무효 전력의 발생을 억제하기 위하여 인버터(220)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(10)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(220)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(220)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.
컨버터(210)는 충전 모드에서 계통(10)의 전력을 배터리(130)에 저장하기 위하여, 계통(10)의 교류 전압을 정류하고 직류 전압으로 변환하여 출력하는 회로이다. 컨버터(210)는 반도체 정류기, 전자관 정류기, 기계적 정류기, AC-DC 컨버터(210) 등을 포함할 수 있다.
바이 패스부(120)는 계통(10)과 부하(20) 사이에 연결된다. 바이 패스부(120)는 무정전 전원 공급 장치(100)를 통한 계통(10)과 부하(20)간 전력의 공급 경로와 별도의 전력의 공급 경로를 제공할 수 있다. 바이 패스부(120)는 계통(10)에서 공급된 전력이 무정전 전원 공급 장치(100)를 경유하여 부하(20)에 공급되게 하거나, 계통(10)의 전력을 부하(20)에 직접 공급하도록 하는 구성이다. 바이 패스부(120)는 릴레이나 스위치 등으로 구성할 수 있다. 계통(10)의 전원위상이나 전력 공급에 이상이 발생한 경우, 바이 패스부(120)는 계통(10)에서 부하(20)에 전력을 공급하는 경로의 전력 흐름을 차단한다. 계통(10)의 전력이 원할하게 공급되면, 바이 패스부(120)는 계통(10)에서 부하(20)에 전력을 공급하는 경로를 제공하여 계통(10)에서 직접 전력을 부하(20)에 공급하도록 할 수 있도록 할 수 있다.
컨버터(210) 및 배터리(130) 사이와 인버터(220) 및 배터리(130) 사이에는 DC 링크부가 더 포함될 수 있다. 상기 DC 링크부는 컨버터(210)와 인버터(220) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. 직류 링크 전압은 계통(10)에서의 순시 전압 강하, 부하(20)에서의 피크 부하(20) 발생 등으로 인하여 직류 링크 전압의 레벨이 불안정해지는 경우가 있다. 그러나 직류 링크 전압은 인버터(220) 및 배터리(130)가 안정적으로 동작하기 위하여 안정화될 필요가 있다. 이를 위해 DC 링크부는 배터리(130), 인버터(220) 및 정류기 사이에 연결되며, 예를 들어 대용량 커패시터(232) 등을 사용할 수 있다.
제어부(40)는 계통(10), 배터리(130) 및 부하(20)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과 및 미리 설정되어 있는 알고리즘 등에 따라서 인버터(220), 컨버터(210) 및 배터리(130) 동작을 제어한다. 제어부(40)는 계통(10)에 정전이 발생하였는지 여부, 배터리(130)의 충전 상태, 부하(20)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다. 또한, 제어부(40)는 계통(10)에 정전이 발생하는 등, 부하(20)로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 부하(20) 내에 포함된 전력 사용 기기들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 부하(20)를 제어할 수도 있다.
배터리(130)는 DC 링크부와 연결되어, 계통(10)으로부터 전력을 공급받아 충전하거나, 부하(20)나 계통(10)으로 전력을 공급할 수 있다. 컨버터(210)가 계통(10)으로부터 공급 받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 배터리(130)는 변환된 직류 전원으로 충전을 할 수 있다. 배터리(130)가 출력하는 직류 전원은 인버터(220)에서 교류 전원으로 변환되어 부하(20)로 공급된다. 상기 인버터(220)에서 변환된 교류 전원은 계통(10)에서 공급하는 교류 전원과 상응한 주파수를 갖는다.
배터리(130)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 배터리(130)에는 복수의 배터리 셀들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(130)에 포함되는 배터리 셀들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 셀은 충전이 가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전치, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전력 변환 장치(200)는 인버터(220), 필터부(230) 및 전류 센서(240)를 포함한다.
전력 변환 장치(200)는 직류 전원을 공급하는 배터리(130)와 연결되고, 배터리(130)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
인버터(220)는 제1 노드 내지 제4 노드(N1 내지 N4), 제1 스위치 내지 제4 스위치(221 내지 224), 제1 경로 내지 제3 경로를 포함한다. 상기 제1 노드(N1)와 상기 제4 노드(N4)에 직류 전원을 공급하는 배터리(130)가 연결되고, 상기 제2 노드(N2) 및 상기 제3 노드(N3)로 변환된 교류 전원을 출력한다.
제1 스위치(221)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 배치된다. 제2 스위치(222)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 배치된다. 제3 스위치(223)는 제2 노드(N2)와 제4 노드(N4) 사이에 배치된다. 제4 스위치(224)는 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 배치된다.
인버터(220)는 제1 모드에서 제1 스위치(221) 및 제4 스위치(224)를 턴 온시키면서 제2 스위치(222) 및 제3 스위치(223)를 턴 오프시키고, 제2 모드에서 제1 스위치(221) 및 제4 스위치(224)를 턴 오프시키면서 제2 스위치(222) 및 제3 스위치(223)를 턴 온시킨다. 이와 같은 방법으로 인버터(220)는 제1 모드와 제2 모드를 반복하면서 직류 전원을 교류 전원으로 변환할 수 있다. 즉, 인버터는 제1 모드에서 제2 모드로 전환되고, 제2 모드에서 다시 제1 모드로 전환되는 주기를 가지고, 반복하여 모드가 교번된다.
일 실시예에 따르면, 인버터(220)는 제1 모드에서 제2 노드(N2)에서 제3 노드(N3)로 흐르는 전류를 출력하고, 제2 모드에서 제3 노드(N3)에서 제2 노드(N2)로 흐르는 전류를 출력한다. 즉. 제1 모드에서 출력되는 전류는 제2 모드에서 출력되는 전류와 상응한 크기를 갖고 방향만 달라진 반전된 전류이다. 인버터(220)는 제1 모드와 제2 모드를 반복하여 구형파(펄스형) 전류를 출력할 수 있다.
필터부(230)는 인버터(220)가 출력하는 구형파 전류를 계통(10)이 공급하는 상용 교류 전류의 파형과 상응한 파형으로 변환할 수 있다. 필터부(230)는 인버터(220)의 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 병렬로 연결된다. 필터부(230)는 인덕터(231)와 커패시터(232)를 포함한다. 인덕터(231)는 제2 노드(N2)와 제5 노드(N5) 사이에 연결되고, 커패시터(232)는 제5 노드(N5) 및 제3 노드(N3) 사이에 연결된다.
제1 출력단은 제5 노드(N5)에 연결되고, 제2 출력단은 제3 노드(N3)에 연결된다. 부하(20)는 상기 제1 출력단과 상기 제2 출력단 사이에 연결되어 출력 전류(Ib)를 공급받는다.
한편, 인버터(220)의 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3)로 출력되는 전류는 상기 인덕터(231)로 전달된다. 인버터(220)의 제1 모드에서는 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 흐르는 전류가 상기 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3)로 출력되고, 제2 모드에서 인버터(220)의 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 흐르는 전류가 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3)로 출력된다. 이하에서는 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드에서 인덕터(231)로 전달되는 전류를 인덕터 전류(Ia)로 설명한다.
일 실시예에 따르면, 제1 모드에서 인덕터 전류(Ia)는 제1 노드(N1), 제1 스위치(221), 인덕터(231), 커패시터(232) 및 제2 출력단, 제4 스위치(224) 및 제4 노드(N4) 순으로 흐른다. 제2 모드에서 인덕터 전류(Ia)는 제1 노드(N1), 제2 스위치(222), 커패시터(232) 및 제1 출력단, 인덕터(231), 제3 스위치(223) 및 제4 노드(N4) 순으로 흐른다. 상기 제2 모드에서 인덕터 전류(Ia)는 상기 제1 모드에서 인덕터 전류(Ia)를 180도 위상 이동시킨 전류와 상응한 파형 및 크기를 갖는다.
제1 경로는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공한다. 제1 경로는 제2 모드에서 인덕터 전류(Ia)가 흐르는 경로를 제공하고, 제1 모드에서 개방된다. 제2 경로는 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공한다. 제2 경로는 제1 모드에서 인덕터 전류(Ia)가 흐르는 경로를 제공하고, 제2 모드에서 개방된다.
제3 경로는 출력 전류(Ib)가 흐르는 경로를 제공한다. 제3 경로는 출력 전류(Ib)가 제3 노드(N3)와 제2 출력단 사이에 흐르는 경로를 제공한다. 제3 경로는 제1 점(a1), 제2 점(a2), 및 제3 점(a3)을 지나며, 제1 경로와 인접한 곳인 제1 위치(C)를 지난다. 제3 경로는 제1 모드에서 제3 점(a3)에서 제1 점(a1)으로 흐르는 출력 전류(Ib)의 경로를 제공하고, 제2 모드에서 제1 점(a1)에서 제3 점(a3)으로 흐르는 출력 전류(Ib)의 경로를 제공한다.
전류 센서(240)는 제1 위치와 대응되는 위치에 배치된다. 상기 제1 위치와 대응되는 위치는 하나의 전류 센서(240)가 제2 경로 및 제3 경로에 흐르는 전류들의 합인 합성 전류를 감지할 수 있는 위치로 제1 위치 및 제1 위치와 인접한 곳이다. 구체적으로, 전류 센서(240)는 상기 제3 경로 중 제3 점(a3)과 제1 점(a1) 사이의 경로에 흐르는 전류와 상기 제1 경로에 흐르는 전류의 합을 구할 수 있는 위치에 배치된다. 이 경우, 제1 모드에서 제1 경로에 흐르는 인덕터 전류(Ia)는 제1 점(a1)과 제3 점(a3) 사이의 경로를 흐르는 출력 전류(Ib)와 동일한 방향으로 흐른다. 전류 센서(240)는 인덕터 전류(Ia)와 출력 전류(Ib)의 합을 감지할 수 있다. 예를 들면, 전류 센서(240)는 제1 위치와 대응되는 위치에서 상기 제3 경로 중 제3 점(a3)과 제1 점(a1) 사이의 경로와 상기 제1 경로를 에워싸도록 배치될 수 있다.
한편, 전류 센서(240)는 홀 소자 또는 변류기 방식으로 경로에 흐르는 전류를 측정하는 전류계 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시에에 따른 전력 변환 장치의 내부 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전력 변환 장치(200)는 인버터(220), 필터부(230), 전류 센서(240), 제1 경로, 제2 경로, 제4 경로를 포함한다. 인버터(220), 필터부(230), 전류 센서(240), 제1 경로 및 제2 경로는 도 3을 참조하여 설명한 인버터(220), 필터부(230), 전류 센서(240), 제1 경로 및 제2 경로와 실질적으로 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
제4 경로는 제5 노드(N5)와 제1 출력단 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하고, 구체적으로, 제1 모드 및 제2 모드에서 출력 전류(Ib)가 흐르는 경로를 제공할 수 있다. 제4 경로는 제1-1 점(b1), 제2-1 점(b2) 및 제3-1 점(b3)을 지나며, 제1 경로와 인접한 곳인 제2 위치(D)를 지난다. 제4 경로는 제1 모드에서 제1-1 점(b1)에서 제3-1 점(b3)으로 출력 전류(Ib)가 흐르는 경로를 제공하고, 제2 모드에서 제3-1 점(b3)에서 제1-1 점(b1)으로 출력 전류(Ib)가 흐르는 경로를 제공한다.
전류 센서(240)는 상기 제2 위치(D)와 대응하는 위치에 배치된다. 전류 센서(240)는 제2 위치와 대응하는 위치에 배치되어 제1 경로에 흐르는 전류와 제3 경로에 흐르는 전류의 합인 합성 전류가 감지된다. 예를 들면, 전류 센서(240)는 제3 경로 중 제3-1 점(b3) 및 제2-1 점(b2) 사이의 경로에 흐르는 전류와 제1 경로에 흐르는 전류의 합인 합성 전류가 감지된다.
한편, 도 3에 도시된 인버터(220) 및 인버터(220)에 포함된 전류 센서(240)에 관한 실시예로 도 4에 도시된 인버터(220)를 설명할 수 있는바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 3에 도시된 전력 변환 장치(200)를 중심으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치의 내부적 구성을 간략하게 도시한다.
도 5를 참조하면, 무정전 전원 공급 장치(100)는 배터리(130), 인버터(220), 필터부(230) 및 제어부(40)를 포함한다.
무정전 전원 공급 장치(100)는 부하(20)로 공급되는 출력 전류(Ib)와 인버터(220)로 인가되는 인덕터 전류(Ia)를 하나의 전류 센서(240)를 이용하여 감지한다. 무정전 전원 공급 장치(100)는 감지된 출력 전류(Ib)를 추종하도록 인덕터 전류(Ia) 제어한다. 이 경우, 무정전 전원 공급 장치(100)는, 인덕터 전류(Ia)와 출력 전류(Ib) 간의 크기 및 위상 차이를 정확히 측정할 수 있어, 고품질의 출력 전류(Ib)를 부하(20)에 공급할 수 있다.
한편, 무정전 전원 공급 장치가 두 개의 전류 센서로 출력 전류 및 인덕터 전류를 각각 측정하는 경우, 무정전 전원 공급 장치는 인덕터 전류와 출력 전류 간의 크기 및 위상 차이를 정확히 검출할 수 없다. 구체적으로, 전류 센서는 내부적 특성에 따라 소정의 오차 범위를 가지고 전류를 측정한다. 이러한 내부적 특성은 전류 센서마다 다르며, 두 개의 전류 센서가 동일한 경로에 흐르는 전류를 감지하더라도 서로 상이한 크기를 갖는 전류를 감지하게 된다. 또한, 무정전 전원 공급 장치는 인덕터 전류와 출력 전류의 위상 차이를 검출하기 위해 두 개의 전류 센서(240)가 감지한 전류들간 동기화시키는 과정이 필요하다. 이 경우, 무정전 전원 공급 장치는 인버터에 포함된 스위치들의 스위칭 주파수가 증가할수록 상기 동기화 과정에서 실제 출력 전류와 위상 딜레이가 있는 출력 전류가 출력되게 된다.
이와 달리, 무정전 전원 공급 장치(100)가 하나의 전류 센서(240)로 상기 출력 전류(Ib)와 상기 인덕터 전류(Ia)를 복원하는 경우에는 전류 센서(240)들간의 내부적 특성에 따른 오차 및 동기화 과정에서 위상 딜레이를 제거할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치(100)는 하나의 전류 센서(240)로 출력 전류(Ib)와 인덕터 전류(Ia)의 합인 합성 전류를 측정할 수 있고. 상기 합성 전류에 기초하여 인덕터 전류(Ia)와 출력 전류(Ib)를 복원시킬 수 있다. 이로써, 무정전 전원 공급 장치(100)는 정확하게 출력 전류(Ib)를 추종하는 인덕터 전류(Ia)를 공급할 수 있다.
제어부(40)는 전류 센서(240)로부터 감지된 상기 감지 전류 값을 전달받는다. 제어부(40)는 상기 전달받은 감지 전류 값에 기초하여 인덕터 전류(Ia)와 출력 전류(Ib)를 분리 및 복원 시킬 수 있다. 제어부(40)는 분리된 인덕터 전류(Ia) 및 출력 전류(Ib)를 기초하여 인버터(220)에서 변환되는 교류 전원의 출력량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(40)는 제1 모드에서 측정된 합성 전류인 제1 합성 전류와 제2 모드에서 측정된 합성 전류인 제2 합성 전류의 차이를 구하여 인덕터 전류(Ia) 및 출력 전류(Ib)를 복원할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제1 모드에서 제2 경로는 인덕터 전류(Ia)가 흐르고, 인버터(220)의 제3 경로는 부하(20)로 공급되는 출력 전류(Ib)가 흐른다. 이 경우, 전류 센서(240)는 인덕터 전류(Ia)와 출력 전류(Ib)를 합한 제1 합성 전류가 감지된다. 이후, 상기 제2 모드에서 인버터(220)의 제2 경로는 제4 스위치(224)의 개방으로 인덕터 전류(Ia)가 흐르지 않고, 인버터(220)의 제3 경로에는 출력 전류(Ib)가 흐른다. 즉, 전류 센서(240)는 제2 모드에서 출력 전류(Ib)만이 제2 합성 전류로 감지된다.
이 경우, 제2 합성 전류가 출력 전류(Ib)와 상응한 전류이고, 제2 모드에서 출력 전류(Ib)는 제1 모드에서의 출력 전류(Ib)를 180도 위상 이동시킨 반전된 전류와 상응한 전류인바, 제어부(40)는 제1 합성 전류에서 출력 전류(Ib)에 해당하는 부분을 제거할 수 있다. 제어부(40)는 제1 합성 전류에서 인덕터 전류(Ia)를 분리할 수 있다. 제어부(40)는 분리된 인덕터 전류(Ia)를 180도 위상 이동시켜 제2 모드에서의 인덕터 전류(Ia)를 추정할 수 있고, 분리된 제1 모드에서의 인덕터 전류(Ia)와 제2 모드에서의 인덕터 전류(Ia)에 기초하여 한 주기의 인덕터 전류(Ia)를 복원할 수 있다. 마찬가지로, 제어부(40)는 상기 제2 모드에서의 출력 전류(Ib)를 180도 위상 이동시켜 제1 모드에서의 출력 전류(Ib)를 추정할 수 있고, 이를 기초로 한 주기에 흐르는 출력 전류(Ib)를 복원할 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이 한 주기는 제1 모드 및 제2 모드가 한 번 진행된 경우를 말한다.
무정전 전원 공급 장치(100)는 하나의 전류 센서(240)에 감지된 합성 전류로 인덕터 전류(Ia) 및 출력 전류(Ib)를 분리 및 복원할 수 있으며, 이로써, 전류 센서(240)들 간의 내부적 특성에 따른 오차 및 동기화 과정에 발생하는 위상 딜레이를 제거할 수 있다.
한편 제1 스위치 내지 제4 스위치(221 내지 224)는 FET 스위치를 포함할 수 있고, 도면에 도시된 바와 같이 다이오드를 각각 포함할 수 있다. 상기 다이오드는 역기전력을 다시 부하로 전달하는 회생 다이오드 역할을 할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모드에서 무정전 전원 공급 장치의 전류의 흐름을 간략하게 도시하고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 모드에서 무정전 전원 공급 장치의 전류의 흐름을 간략하게 도시한다.
도 6 및 7을 참조하면, 인버터(220)는 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이에 배터리(130)가 연결되고, 제3 노드(N3) 및 제5 노드(N5) 사이에 부하(20)가 연결된다.
인버터(220)는 제1 모드에서 제1 스위치(221)와 제4 스위치(224)를 턴 온하고, 제2 스위치(222)와 제3 스위치(223)를 턴 오프한다. 제1 모드에서 인버터(220)에 흐르는 전류는 배터리(130)의 양극, 제1 스위치(221), 인덕터(231), 커패시터(232) 및 부하(20), 제4 스위치(224) 및 배터리(130)의 음극 순으로 흐른다.
제1 모드에서, 제2 경로에 인덕터 전류(Ia)가 흐르고, 인덕터 전류(Ia)는 제3 경로로 흐르는 출력 전류(Ib)와 커패시터(232)로 흐르는 전류로 나눠진다. 제3 경로는 도 3에서 설명한 바와 같이 제2 경로와 인접한 곳인 제1 위치를 지나고 제2 출력 단으로 향한다. 이 경우, 전류 센서(240)는 인덕터 전류(Ia)와 출력 전류(Ib)가 합산된 제1 합성 전류를 감지된다(도 6 참조).
제2 모드에서, 제1 스위치(221)와 제4 스위치(224)는 턴 오프되고, 제2 스위치(222)와 제3 스위치(223)는 턴 온된다. 제2 모드에서 제1 전류는 배터리(130)의 양극, 제2 스위치(222), 커패시터(232) 및 부하(20), 인덕터(231), 제3 스위치(223) 및 배터리(130)의 음극 순으로 흐른다. 즉, 제2 모드에서 출력 전류(Ib)는 제1 모드에서의 출력 전류(Ib)의 반전된 값을 갖는다. 이 경우, 전류 센서(240)는 출력 전류(Ib)가 제1 합성 전류로 감지된다.
일 실시예에 따르면, 제어부(40)는 제2 합성 전류에 기초하여 제1 합성 전류에서 출력 전류(Ib) 부분을 제거할 수 있다. 구체적으로, 제2 합성 전류는 제2 모드에서 출력 전류(Ib)이며, 제2 모드에서 출력 전류(Ib)를 제1 모드에서 출력 전류(Ib)를 반전한 전류와 상응하다. 따라서, 제어부(40)는 제2 합성 전류에 기초하여 제1 모드에서의 출력 전류(Ib)를 검출할 수 있다. 제어부(40)는 제1 합성 전류에서 상기 검출된 출력 전류(Ib)가 해당하는 부분을 제거하여, 제1 모드에서의 인덕터 전류(Ia)를 복원할 수 있다. 제어부(40)는 제1 모드에서의 인덕터 전류(Ia)에 기초하여 제2 모드에서의 인덕터 전류(Ia)를 검출할 수 있다.
이로써, 무정전 전원 공급 장치(100)는 하나의 전류 센서(240)에 감지된 합성 전류로 인덕터 전류(Ia) 및 출원 전류를 분리 및 복원하여 전류 센서(240)들 간의 내부적 특성에 따른 오차 및 동기화 과정에 발생하는 위상 딜레이를 제거할 수 있다. 따라서, 무정전 전원 공급 장치(100)는 정확한 출력 전류(Ib) 및 인덕터 전류(Ia)를 검출할 수 있고, 부하(20)의 소비 전력의 변동에 즉각적으로 대응하는 출력 전류(Ib)를 출력할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 수 있다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 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 한다.

Claims (13)

  1. 제1 노드 내지 제5 노드들을 포함하고, 상기 제1 노드와 상기 제4 노드에 직류 전원을 공급하는 배터리가 연결되고, 상기 제3 노드 및 상기 제5 노드로 변환된 교류 전원을 출력하는 전력 변환 장치로서,
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 제1 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제2 스위치, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 스위치 및 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이의 제4 스위치를 포함하는 인버터;
    상기 제2 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결되는 인덕터 및 상기 제5 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하는 필터부; 및
    상기 인덕터에 흐르는 인덕터 전류와 출력 전류의 합인 합성 전류를 감지하는 하나의 전류 센서;를 포함하고,
    상기 출력 전류는 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 부하로 출력되는 전류인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제1 경로;
    상기 제4 노드와 상기 제3 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 경로; 및
    상기 출력 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제3 경로;를 포함하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 경로는 상기 제1 경로와 인접한 곳을 지나고.
    상기 전류 센서는 상기 인접한 곳에 대응하는 위치에 배치되어, 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지되는 전력 변환 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3 경로는 상기 제2 경로와 인접한 곳을 지나고,
    상기 전류 센서는 상기 인접한 곳에 대응하는 위치에 배치되어, 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지되는 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터는 제1 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 오프하고, 제2 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온하며,
    상기 전류 센서는 제1 모드에서 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 제1 합성 전류가 감지되고, 제2 모드에서 상기 출력 전류인 제2 합성 전류가 감지되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전류 센서는 홀 소자를 이용하여 전류를 감지하는 전류계 및 변류기 방식으로 전류를 감지하는 전류계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제1 노드 내지 제4 노드를 갖고, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 제1 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이의 제2 스위치, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이의 제3 스위치 및 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이의 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이에 연결되고, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되고, 상기 제2 노드와 제5 노드 사이에 배치된 인덕터와 상기 제5 노드와 상기 제3 노드 사이에 배치된 커패시터를 포함하는 필터부; 및
    상기 인덕터에 흐르는 전류인 인덕터 전류와 출력 전류의 합인 합성 전류를 감지하는 하나의 전류 센서;를 포함하고,
    상기 출력 전류는 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 부하로 출력되는 전류인 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 제3 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제1 경로, 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 경로, 상기 출력 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제3 경로를 더 포함하는 무정전 전원 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 경로는 상기 제1 경로와 인접한 곳인 제1 위치를 지나고.
    상기 전류 센서는 상기 제1 위치에 대응되는 위치에 배치되어 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지되는 무정전 전원 공급 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3 경로는 상기 제2 경로와 인접한 곳인 제2 위치를 지나고,
    상기 전류 센서는 상기 제2 위치에 대응되는 위치에 배치되어, 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류의 합인 합성 전류가 감지되는 무정전 전원 공급 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전류 센서로부터 감지된 상기 합성 전류에 대한 정보를 전달 받고, 합성 전류의 정보에 기초하여 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류를 분리하여 상기 인덕터 전류와 상기 출력 전류를 복원하는 제어부;를 더 포함하는 무정전 전원 공급 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인버터는 제1 모드와 제2 모드가 주기적으로 반복되며, 상기 제1 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 오프하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프하고 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온하는 무정전 전원 공급 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 모드에서 감지된 제1 합성 전류에서 상기 제2 모드에서 감지된 제2 합성 전류를 제거하여 상기 인덕터 전류 및 상기 출력 전류를 복원하는 무정전 전원 공급장치.
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