KR100439414B1 - 절연형 디씨/디씨 전력변환기 및 이를 이용한 무정전전원공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DC/DC 전력변환기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기는 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력단의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 인덕터 및 제1스위치와, 상기 제1스위치의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 다이오드 및 커패시터와, 상기 커패시터의 일 단자가 1차측 권선의 센터 탭에 접속되는 변압기와, 상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터의 타 단자 사이에 접속되는 제2스위치와, 상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터의 타 단자 사이에 접속되는 제3스위치와, 상기 변압기의 2차측 출력 단에 연결된 정류 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

절연형 디씨/디씨 전력변환기 및 이를 이용한 무정전 전원공급 장치{DC/DC converter of Insulation type and Uninterruptible power supply used the same apparatus}

본 발명은 DC/DC 전력변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 커패시터를 이용하여 고주파 인버터의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있는 절연형 DC/DC 전력변환기 및 이를 이용한 무정전 전원공급 장치에 관한 것이다.

반도체 스위치 소자를 이용한 전력 변환에 있어서 그 발전 방향은 소형 경량화와 고 효율화에 관심이 집중되고 있다. 이러한 측면에서 고주파 인버터와 고주파 변압기를 이용한 다양한 방법이 개발되어 소개되고 있다. 이러한 경우 직류 전압을 고주파 인버터를 이용하여 고주파 교류 전압으로 변환한 후, 고주파 변압기를 거쳐 다이오드로 정류시킴으로써 입력과 절연된 직류 전압을 얻는 구조가 대표적이라 할 수 있다.

도 1은 종래의 고주파 인버터를 이용한 DC/DC 전력변환기가 적용된 무정전 공급 장치를 도시한 것으로, 고주파 인버터(11)와 변압기(12)를 이용한 DC/DC 전력변환기(10)를 무정전 전원공급 장치의 직류단에 적용한 것이다. 이러한 구상은 Yamaguchi University의 Katsuya Hirachi, Yuasa Corporation의 Yasuhiro Arai 등에 의해 제시된 것으로, 전원 장치의 출력 단에 사용되는 60Hz의 저주파 변압기에서의 절연과 승압 기능을 대신할 수 있으므로 소형경량화와 교류입력 측의 역률 제어 측면에서 매우 유리한 것으로 평가되고 있다.

그러나 도 1에 도시된 바와 같이 고주파 인버터를 이용한 전력변환기(10)는 4개의 스위치가 모두 하드 스위칭을 하기 때문에 전체 전력 변환 장치의 효율에 악영향을 끼치게 되는 문제점이 있다.

또한 변압기의 설계에 있어서 공통적으로 문제가 되는 것이 누설 인덕턴스이다. 이러한 누설 인덕턴스는 변압기의 구조상 발생하는 문제로 0으로 가져가는 것이 불가능하며 이 수치를 작게 하기 위한 많은 노력이 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 고주파 인버터의 스위칭 손실을 저감시켜 전력변환 효율을 향상시킬 수 있는 절연형 DC/DC 전력 변환기 및 이를 이용한 무정전 전원공급 장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은 교류입력전류를 용이하게 제어하여 무정전 전원공급 장치의 역률을 개선할 수 있는 절연형 DC/DC 전력 변환기 및 이를 이용한 무정전 전원공급 장치를 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래의 고주파 인버터를 이용한 DC/DC 전력변환기가 적용된 무정전 전원공급 장치.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 도 2에 도시된 절연형 DC/DC 전력변환기의 상세 회로도.

도 4는 도 3에서의 교류 입력전압과 입력전류 파형을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기의 각 부분의 전압, 전류 파형을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기의 각 부분의 전압, 전류 파형을 나타낸 도면.

도 7은 도 3에 도시된 변압기와 입출력 측의 커패시터의 등가회로.

도 8은 도 5의 A상태에서의 전류 흐름도.

도 9는 도 5의 B상태에서의 전류 흐름도.

도 10은 도 5의 C상태에서의 전류 흐름도.

도 11은 도 5의 D상태에서의 전류 흐름도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 절연형 DC/DC 전력 변환기는 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력단의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 인덕터 및 제1스위치와, 상기 제1스위치의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 다이오드 및 커패시터와, 상기 커패시터의 일 단자가 1차측 권선의 센터 탭에 접속되는 변압기와, 상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터의 타 단자사이에 접속되는 제2스위치와, 상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터의 타 단자 사이에 접속되는 제3스위치와, 상기 변압기의 2차측 출력 단에 연결된 정류 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 절연형 DC/DC 전력 변환기는 변압기에서 발생하는 누설 인덕턴스와 커패시터의 공진 현상을 이용하여 스위치 소자가 영전류 부근에서 스위칭되도록 함으로써, 고주파 인버터에 의한 스위칭 손실을 저감시킬 수 있게 된다. 그리고 이에 따라 본 발명에 따른 절연형 DC/DC 전력 변환기를 통한 변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 또 다른 양상에 따라 본 발명에 따른 무정전 전원공급 장치는 본 발명에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기를 이용하여 교류입력전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 절연형 DC/DC전력변환기를 이용한 무정전 전원공급 장치는 교류 입력 전류를 전원 전압과 동일한 위상의 정현파 전류 또는 임의의 전류 값으로 제어함으로써, 무정전 전원공급 장치의 역률을 개선시킬 수 있게 된다. 그리고 배터리의 사용 용량에 따라 본 발명에 따른 절연형 DC/DC전력변환기의 직류 입력 측에 배터리를 추가할 수 있으며, 특히 배터리 전압이 낮은 경우 DC/DC전력변환기의 입력 측에 배터리를 추가하여 사용함으로써, 입력 전압을 승압시켜 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 이와 같은, 또 보조적인 양상은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기를 이용한 무정전 전원공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명에 따른 무정전 전원공급 장치는 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력부(100)와, 정전 시 구동 전압을 인가하는 배터리(210)와 배터리의 출력을 단속하는 스위치(220)로 구성된 보조 전원부(200)와, 상기 보조 전원부(200)의 양단에 연결되어 상기 전원 입력부(100)를 통해 입력된 전압을 승압하여 출력하는 DC/DC 전력 변환기(300)와, 상기 DC/DC 전력 변환기(300)를 통해 출력된 직류 성분을 교류로 변환하는 인버터부(400)와, 상기 인버터부(400)를 통해 출력된 교류 전압을 필터링하여 부하측으로 출력하는 필터부(500)와, 상기 DC/DC 전력 변환기(300)와 인버터부(400)를 각각 제어하는 제1,2제어부(600,700)를 포함한다.

여기에 있어서 전원 입력부(100)와, 보조 전원부(200)와, 인버터부(400), 필터부(500)는 무정전 전원공급 장치에 널리 사용되는 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 본 발명의 주요 부분인 DC/DC 전력변환기(300)와 이를 제어하는 제1,2제어부(600,700)에 대하여 설명하기로 한다.

상기 DC/DC 전력변환기를 제어하는 제1제어부(600)는 상기 전원 입력부(100)의 입력단과 상기 DC/DC 전력변환기(300)의 출력 단에 연결되어 상기 DC/DC 전력변환기(300)를 제어한다. 즉 상기 제1제어부(600)는 상기 DC/DC 전력변환기(300)를 통해 인버터부(400)로 출력되는 직류기준 전압을 유지하도록 각 단에 연결된 게이트 입력을 제어함과 동시에, 변압기에서의 교류입력전류를 전원과 동일한 위상의 정현파 전류가 되도록 제어한다.

그리고 제2제어부(700)는 상기 필터부(500)의 커패시터의 전압에 따라 상기 DC/DC 전력변환기(300)를 통해 입력된 직류 전압에 대한 교류기준전압을 출력하도록 인버터를 구성하는 스위치 소자의 게이트 입력을 제어한다.

이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 무정전 전원공급 장치는 교류상용전원을 정류하여 출력되는 직류 전압을 절연형 DC/DC 변환기의 입력으로 사용하는 경우 교류 입력 전류를 전원 전압과 동 위상의 정현파 전류 또는 임의의 전류 값으로 제어함으로써, 무정전 전원공급 장치의 역률을 개선할 수 있게 된다.

상기 DC/DC 전력변환기(300)는 이상에서 상술한 바와 같이 무정전 전원공급 장치내에서 저압 입력 전원을 승압시켜 출력하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력부(100) 혹은 배터리(210)로부터 입력되는 직류 전압을 제1제어부(600)로부터 입력되는 제어신호에 따라 일정값 이상의 직류전압으로 승압하여 출력하는데 사용된다.

한편 본 발명에 따른 DC/DC 전력변환기(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력단(100)의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 인덕터(L1) 및 제1스위치(Q1)와, 상기 제1스위치(Q1)의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)와, 상기 커패시터(C1)의 일 단자가 1차측 권선의 센터 탭에 접속되는 변압기(Tr)와, 상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터(C1)의 타 단자 사이에 접속되는 제2스위치(T1)와, 상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터(C1)의 타 단자 사이에 접속되는 제3스위치(T2)와, 상기 변압기의 2차측 출력단 각각에 연결된 정류 회로로 구성되어 있다.

본 발명의 실시예에 있어서 상기 제1,2,3스위치(Q1,T1,T2)로는 사이리스터(Thyristor), GTO, 또는 IGBT나 Power TR, 혹은 Power MOS-FET 등과 같은 반도체 전력 스위치 소자를 사용하는 것이 유리하다. 그리고 상기 제2,3스위치(T1,T2)는 상기 변압기(Tr) 자체의 누설 인덕턴스와 커패시턴스의 직렬공진 현상을 통해 영전류 부근에서 스위칭 제어된다. 그리고 상기 변압기(Tr)는 2차측 권선에 센터 탭을 가지며, 상기 평활 커패시터(C2)의 일 단자가 상기 센터 탭과 연결되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 DC/DC 전력변환기의 회로 구성 및 이에 따른 동작 설명을 하기로 한다.

도 4는 도 2에서의 교류 입력전압(40)과 입력전류(41) 파형 및 인덕터의 전류(43) 파형을 나타낸 것이다. 그리고 도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기의 각 부 전압전류 파형을 나타낸 것으로, 도 4에 도시된 점선 구간(42)을 상세하게 도시한 것이며, 도 5의 50~52는 도 3에 도시된 제1,2,3스위치로 인가되는 게이트 신호를, 53~57은 도 3에 도시된 각 부분의 전류 파형을 나타낸 것이다. 그리고 도 7은 도 3에 도시된 변압기와 입출력 측의 커패시터의 등가회로를 나타낸 것이다.

우선 도 5를 참조하면, 도 5의 A구간은 제1스위치(Q1)와 제3스위치(T3)가 동시에 온(On)되어 있는 상태이다. 이 때 커패시터(C1)가 충전되어 있지 않은 상태라고 가정하면, 이 구간에서 전류는 도 8에 도시된 바와 같이 다이오드(D1)를 거쳐 인덕터(L1)와 제1스위치(Q1)로 흐르게 된다. 이 때 전류는 53과 같이 상승되며 인덕터(L1)는 에너지를 축적하게 된다.

그리고 B구간에서 제1스위치(Q1)가 오프되고, 제2스위치(T1)가 온이 됨에 따라 전류는 도 9에 도시된 바와 같이 다이오드(D1)와 제2스위치(T1)를 통해 56과 같이 흐르게 된다. 이 때 전류 파형은 도 7의 커패시터(C1)와 평활 커패시터(C2)와 변압기(Tr)에서 발생하는 누설 인덕턴스 등의 값에 의해 결정되며 도 6의 66과 같이 나타날 수도 있다. 이러한 흐름에 따라 이 구간에서 전기 에너지는 고조파 변압기(Tr)를 거쳐 정류 다이오드(D3)를 통해 평활 커패시터(C2)에 충전되게 된다.

그리고 C구간에서는 제2스위치(T1)가 온 상태에서 제1스위치(Q1)를 온시킨 것으로, 이 때 인덕터(L1)와 다이오드(D1)를 통해 흐르던 전류는 제1스위치(Q1)가 온됨에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이 제1스위치(Q1)로 흐르게 되고, 다이오드(D1) 전류는 순시적으로 0으로 된다. 즉 이 경우 도 7의 상태를 가정하면 커패시터(C1)에 충전된 전압 성분이 변압기(Tr)의 누설 인덕턴스로 인해 방전되는 것으로 전류 파형은 56과 66에서 보는 바와 같이 0으로 감소하게 된다.

이와 같이 0으로 감소된 전류는 D구간에서 보는 바와 같이 제2스위치(T1)의 전류가 0으로 된 상태이기 때문에, 상기 제2스위치(T1)는 영전류 상태에서 오프하게 되며 제3스위치(T2)는 영전류에서 온 상태로 진행하게 된다. 이러한 스위칭에 따른 D구간의 전류 흐름은 도 11에 나타내고 있다.

이러한 과정을 반복적으로 수행함에 따라 제2,3스위치(T1,T1)는 영전류 상태에서 온 동작과 오프 동작을 반복적으로 진행하게 된다. 상기의 과정 중 B구간의 폭이 매우 좁을 경우에는 전류가 미처 0으로 갈 수 없는 상태가 될 수도 있겠지만, 이는 누설 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 조절이 가능하다. 또한 B구간의 끝 부근에서는 변압기(Tr)의 자화전류의 증가로 제2스위치(T1) 혹은 제3스위치(T2)의 전류는 0으로 되지 않을 수도 있으나, 자화전류의 크기는 작음으로 문제가 되지 않는다.

따라서 본 발명에 따른 DC/DC전력 변환기에 있어서 제2스위치 혹은 제3스위치의 전류가 0으로 갈 수 없는 상황이라도 0전류 근처이므로, 제2스위치와 제3스위치가 스위칭하더라도 그 전류의 크기가 작으므로 스위칭에 따른 손실을 무시할 수 있게 된다. 본 발명에 있어서 영전류 부근이라는 용어를 사용한 것은 이와 같은 상태와 제1스위치의 하드 스위칭을 고려한 것이다.

한편 이러한 구성에 따라 상기와 같이 구동하는 DC/DC전력 변환기를 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 무정전 전원공급 장치는 교류압력전류를 전원전압과 동일한 위상의 정현파 전류 값으로 제어할 수 있으며, 이 경우 인덕터의 전류의 크기는 제1스위치의 듀티비에 따라 증감되며 제어 대상에 따라 다양한 방법이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 절연형 DC/DC 변환기는 변압기에서 발생되는 누설 인덕턴스와 커패시터의 직렬 공진 현상을 이용하여 영전류 부근에서 스위치 소자의 스위칭이 가능하게 함으로써, 전력 변환 효율을 높일 수 있는장점이 있다.

또한 교류상용전원으로부터 다이오드 정류기를 통해 출력된 직류 전압을 절연형 DC/DC 변환기의 입력으로 사용하는 경우 교류 입력 전류를 전원 전압과 동 위상의 정현파 전류 또는 임의의 전류 값으로 제어함으로써, 무정전 전원공급 장치의 역률을 개선할 수 있는 효과가 있다.

그리고 종래 방식의 DC/DC변환기에 비해 스위치 소자의 수를 1개 줄일 수 있어 비용을 절감시키는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (7)

1. 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력단의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 인덕터 및 제1스위치와;

   상기 제1스위치의 양 단자 사이에 직렬로 결합된 다이오드 및 커패시터와;

   상기 커패시터의 일 단자가 1차측 권선의 센터 탭에 접속되는 변압기와;

   상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터의 타 단자 사이에 접속되는 제2스위치와;

   상기 변압기의 1차측 권선의 일측 탭과 상기 커패시터의 타 단자 사이에 접속되는 제3스위치와;

   상기 변압기의 2차측 출력 단에 연결된 정류 회로;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 DC/DC 전력변환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2,3스위치가 상기 변압기에서 발생하는 누설 인덕턴스와 커패시터의 직렬공진에 의해 영전류 부근에서 스위칭되는 것을 특징으로 하는 절연형 DC/DC 전력변환기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1,2,3스위치는 :

   사이리스터(Thyristor), GTO, IGBT, Power TR, Power MOS-FET 중 하나인 것을 특징으로 하는 절연형 DC/DC 전력변환기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 변압기는 2차측 권선에 센터 탭을 가지며, 상기 평활 커패시터의 일 단자가 상기 센터 탭과 연결되는 것을 특징으로 하는 절연형 DC/DC 전력변환기.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 절연형 DC/DC 전력변환기를 이용하여 교류입력전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1,2,3스위치는 :

   사이리스터(Thyristor), GTO, IGBT, Power TR, Power MOS-FET 중 하나인 것을 특징으로 하는 절연형 DC/DC 전력변환기.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 변압기는 :

   2차측 권선에 센터 탭을 가지며, 상기 평활 커패시터의 일 단자가 상기 센터 탭과 연결되는 것을 특징으로 하는 절연형 DC/DC 전력변환기.