KR100648135B1 - 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 직류에너지를 공급하는 직류전원과 상기 직류에너지에 의해 전기적 동작을 수행하는 출력부하와의 사이에 병렬로 연결되고, a) 상기 직류전원으로부터의 여분의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, b) 상기 직류전원으로부터의 여분의 직류 에너지를 상기 에너지 저장소자로 충전시키는 충전회로와, c) 충방전을 제어하는 제어회로와, d) 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 에너지를 상기 출력부하로 전달하는 방전회로를 포함하고, 여기서 상기 방전회로는 에너지 저장소자의 충전전압에 비례하는 직류 에너지를 출력부하로 출력하는 릴레이와, 순간정전 또는 릴레이의 장애시 출력부하로 정전압을 출력하는 DC/DC 컨버터로 구성된 이중출력구조를 갖고, 상기 릴레이와 상기 DC/DC 컨버터는 병렬로 배치된다. 상기한 무정전 전원공급장치는 순간정전과 같은 직류전원의 불안정한 경우에도 출력부하에 안정적인 전력공급을 수행할 수 있으며, 출력부하에 순간과부하가 발생하더라도, 입력 직류전원의 전압강하를 효과적으로 보충한다. 또한, 이중적 출력구조는 어느 한쪽 방전회로가 장애가 발생하더라도 비상 전원공급이 가능하고, 이것은 무정전 전원공급장치의 신뢰성을 향상시킨다.

Description

직류전원 보상용 무정전 전원공급장치{UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY FOR THE BACK UP OF DC POWER SUPPLY}

도 1은 무정전전원공급장치의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 바람직한 구현예를 보여주는 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 또 다른 바람직한 구현예를 보여주는 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따른 무정전 전원공급장치에 사용되는 전기화학 캐패시터의 방전전압특성과, 순간정전시 무정전 전원공급장치의 출력전압특성을 보여주는 그래프이다.

도 5는 실험에 1에 따른 순간정전시 무정전 전원공급장치의 출력전압특성을 보여주는 그래프로서, (a)는 직류전원의 입력전압, (b) 출력부하에 전달된 출력전압이다.

도 6은 실험예 2에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 순간 과부하시 출력 전압 특성을 보여주는 그래프로서, (a) 무정전 전원공급장치가 없는 상태에서의 순간과부하시의 직류전원의 전압특성, (b) 본 발명에 따른 무정전 전원공급장치를 구비한 상태에서의 순간과부하시의 직류전원의 전압특성을 보여준다.

본 발명은 무정전 전원공급장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치에 관한 것이다.

무정전 전원공급장치란 정전이나 순간적인 전력의 불안정시 생산 설비 장비에 안정적인 전력을 공급하는 장치로서, 상세하게는 도 1에 나타낸 바와 같이 충전회로를 통해 입력 전원으로부터 여분의 전기 에너지를 에너지 저장소자에 저장하였다가 정전 혹은 순간적인 전력의 불안정시 제어회로의 제어하에 상기 에너지 저장소자에 저장된 전기 에너지를 방전회로를 통해 출력부하에 전력을 공급하는 장치이다.

무정전 전원공급장치는 교류 전원 보상 방식과 직류전원 보상 방식으로 구분할 수 있다. 교류 전원 보상 방식이란 교류 전원으로부터의 교류 입력을 변압기와 AC/DC 컨버터를 이용하여 특정 전압을 가진 직류로 변환시켜 에너지 저장소자에 여분의 전기 에너지를 저장하고, 정전이나 순간적인 전력 불안정시 에너지 저장소에로부터의 직류 입력을 DC/AC 인버터를 이용하여 교류로 전환하여 교류 전원으로부터 공급되는 교류 입력과 동일한 교류를 출력부하에 공급하는 장치이다. 이 방식은 교류 전원으로부터의 교류 입력과 동일한 전원을 공급할 수 있기 때문에 하나의 무정전 전원공급장치로 동시에 다수의 출력부하에 대해 전원 보상이 가능하고, 또한 교류 전원을 사용하는 모터 등의 다양한 출력 부하에게 전원 보상이 가능하다는 장 점을 지닌다. 하지만 교류 전원 보상 방식은 변압기, AC/DC 인버터 등 장치 구성에 필요한 회로 소자들이 부피 및 중량이 크며, 또한 DC/AC 인버터에서 발생하는 에너지 손실로 인해 에너지 효율이 낮아 요구되는 전기화학 캐패시터의 부피 및 중량이 크다는 문제점을 가진다.

반면, 직류전원 보상 방식이란 직류전원으로부터의 여분의 직류에너지를 에너지 저장소자에 저장하고, 정전 혹은 순간 전압 강하와 같은 입력 직류전원의 불안정시 상기 에너지 저장소자에 에너지를 직류 전압을 요구하는 전자 장비에 공급하는 장치이다. 직류전원 보상 방식은 교류 전원 보상 방식에 비해 회로 구성이 간단하기 때문에 설비가 용이하고, 소형화 및 경량화에 유리하다는 장점을 가진다.

일본공개특허공보 제5-122871호는 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 이례를 개시하고 있다. 상기 특허에 의하면, 상기 직류전원에 직렬로 연결된 DC/DC 컨버터를 방전회로로 사용한다. 이럴 경우 간단한 회로 구성이 가능하기 때문에 적은 부피 및 중량으로 무정전 전원공급장치의 구성이 가능해진다. 그러나 이러한 회로 구성은 DC/DC 컨버터의 연속 사용을 기본으로 하기 때문에 자체적인 열화가 진행된다. 더 나아가, 출력부하의 순간 과부하에 의해, DC/DC 컨버터에 전기적 충격이 가해질 수 있으며, 이것은 내부 소자의 고장을 유발시킬 수 있다. 따라서, 상기한 무정전 전원공급장치는 순간 과부하 등에 의해 안정적인 전력공급에 저해될 수 있고, 이것은 전력보상의 신뢰성을 감소시킨다.

이러한 문제점을 해결하는 방안으로 일본공개특허공보 제2002-199619호는 또 다른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치를 개시하고 있다. 상기 특허에 따른 직 류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 충전회로를 통해 전기화학 캐패시터에 전기 에너지를 저장하고, 전원 출력 감지 회로 및 제어회로를 통해 입력 전원의 정전시에만 DC/DC 컨버터를 작동시키는 것을 특징으로 한다. 이럴 경우, DC/DC 컨버터의 사용을 입력 전원의 불안정시에만 한정시킬 수 있으므로 회로 소자의 수명을 단축시키는 열화 현상을 최소화 할 수 있고, 또한 DC/DC 컨버터가 내부 고장이 발생되더라도 입력전원이 출력부하에 전력을 공급하기 때문에 전력 중단이라는 신뢰성의 문제점을 유도하지는 않는다. 그러나 이러한 회로 구성은 입력 전원의 불안정성에 초점을 맞추어 DC/DC 컨버터를 제어하기 때문에, 순간 과부하 혹은 출력 부하 변동 같은 출력 부하에 의해 발생되는 입력 전원의 불안정성에는 대응이 어렵다는 단점을 지닌다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 순간정전에 대해 출력 부하에 안정적인 전력을 공급하는 동시에 출력부하에서 발생하는 순간 과부하에 대한 입력 전원의 보호 기능을 제공하고, 또한 회로의 내부 고장에도 정상적인 전력 공급을 수행하는 높은 신뢰성을 갖는 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 직류에너지를 공급하는 직류전원과 상기 직류에너지에 의해 전기적 동작을 수행하는 출력부하와의 사이에 병렬로 연결되고, a) 상기 직류전원으로부터의 여분의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, b) 상기 직류전원으로부터의 여분의 직류 에너지를 상기 에너지 저장소자로 충전시키 는 충전회로와, c) 충방전을 제어하는 제어회로와 d) 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 에너지를 상기 출력부하로 전달하는 방전회로를 포함하고, 여기서 상기 방전회로는 에너지 저장소자의 충전전압에 비례하는 직류 에너지를 출력부하로 출력하는 릴레이와, 순간정전 또는 릴레이의 장애시 출력부하로 정전압을 출력하는 DC/DC 컨버터로 구성된 이중출력구조를 갖고, 상기 릴레이와 상기 DC/DC 컨버터는 병렬로 배치된 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치가 제공된다. 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 이중출력구조의 방전회로를 포함한다. 첫 번째 방전회로(이하, 제1 방전회로)는 릴레이이다. 두 번째 방전회로(이하, 제2 방전회로)는 DC/DC 컨버터이다. 제1 방전회로와 제2 방전회로는 상기 에너지 저장소자에 병렬로 연결된다. 출력부하에서 순간 과부하가 발생했을 때, 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지는, 제1 방전회로인 릴레이를 통해, 출력부하로 전달한다. 릴레이를 통한, 에너지 저장소자에 저장된 직류에너지의 공급은 순간 과부하와 같은 급격한 부하 변동에 능동적으로 대처하게 한다. 순간 과부하 가 발생했을 때, 입력 직류전원을 대신하여 릴레이를 통한 출력부하에 대응되는 전력공급은 입력 직류전원을 보호한다. 제2 방전회로인 DC/DC 컨버터는, 제어회로의 제어하에, 순간정전시 출력부하로 정전압을 출력한다. 이것은 입력 직류전원의 비정상적 장애가 발생했을 때, 출력부하가 정상적으로 작동할 수 있도록 한다. 한편, 상기 제1 방전회로와 상기 제2 방전회로의 병렬적 배치는, 어느 하나의 방전회로에 이상이 발생했을 때, 다른 하나의 방전회로를 통해 에너지 저장소자에 저장된 에너지가 출력부하에 전달되고, 이것은 보상용 전력공급의 신뢰성을 향상시킨다.

본 발명의 다른 바람직한 구체예에 따르면, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터인 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에 따르면, 상기 충전회로가 상기 직류전원과 동일한 전압으로 여분의 직류에너지를 상기 전기화학 캐패시터로 충전하는 전류제한회로와, 상기 직류전원으로부터 상기 전류제한회로로의 입력전압과 상기 전기화학 캐패시터의 출력전압을 감지하는 전압감지회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에 따르면, 상기 릴레이가 역전류방지 다이오드를 통해 상기 직류전원과 상기 출력부하의 사이에 접속된 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급장치가 제공된다.

상기한 바와 같이, 종래의 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치에서의 문제점은 정전시 출력 부하에 안정적인 전원을 공급하고, 출력부하의 순간 과부하에 따른 입력 전원의 보호와 내부고장에 따른 신뢰성 확보 등을 동시에 제공하지 못한다는 단점을 가지고 있다.

본 발명자들은, 종래의 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 문제점을 해결하기 위해, 릴레이로 구성된 제1 방전회로와 DC/DC 컨버터로 구성된 제2 방전회로를 통해, 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를 출력부하에 제공하였다. 이러한 구성을 갖는 방전회로는 순간정전과 같이 입력 직류전원에 장애가 발생하였을 경우, DC/DC 컨버터를 통해 일정한 전압을 갖는 양질의 전력을 출력부하에 제공할 수 있으며, 출력부하에서 발생하는 순간 과부하시 에너지 저장소자에 저장된 고출력 전기 에너지를 릴레이를 통해 제공하여 직류 입력 전원을 보호한다. 또한 이중 출력 구조로 인해, 어느 하나의 방전회로에 장애가 발생하더라도, 다른 방전회로를 통해 최소한의 비상 전원 공급이 가능함으로써, 높은 신뢰성을 갖는 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치가 제공될 수 있음을 발견하였다.

따라서 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 직류에너지를 공급하는 직류전원과 상기 직류에너지에 의해 전기적 동작을 수행하는 출력부하와의 사이에 병렬로 연결되고, a) 상기 직류전원으로부터의 여분의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, b) 상기 직류전원으로부터의 여분의 직류 에너지를 상기 에너지 저장소자로 충전시키는 충전회로와, c) 충방전을 제어하는 제어회로와, d) 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 에너지를 상기 출력부하로 전달하는 방전회로를 포함하고, 여기서 상기 방전회로는 에너지 저장소자의 충전전압에 비례하는 직류 에너지를 출력부하로 출력하는 릴레이와, 순간정전 또는 릴레이의 장애시 출력부하로 정전압을 출력하는 DC/DC 컨버터로 구성된 이중출력구조를 갖고, 상기 릴레이와 상기 DC/DC 컨버터는 병렬로 배치된다.

이 때, 상기 에너지 저장소자로서, 전기화학 캐패시터가 바람직하다. 현재 무정전 전원공급장치의 에너지 저장소자로 사용되는 대표적인 예로는 전지와 전기화학 캐패시터를 들 수 있다. 전지는 에너지 밀도가 20 - 120Wh/kg로 높다는 장점이 있으나, 출력 밀도가 50 - 250W/kg으로 낮으며, 싸이클 수명 특성이 500회로 낮다는 단점이 있다. 이로 인해 전지를 이용하는 무정전 전원공급장치는 높은 에너지 밀도로 인해 장시간의 전원 공급에는 탁월한 특성을 지니지만 낮은 수명 특성으로 인해 정기적인 유지보수 비용이 발생하는 문제점을 가진다. 이에 반해서 전기화학 캐패시터는 전지에 비해 에너지 밀도가 1 - 5W/kg으로서 낮지만, 출력밀도가 1000 - 2000W/kg으로 매우 높고, 싸이클 수명이 거의 반영구적이라는 장점을 가진다. 이로 인해 전기화학 캐패시터를 에너지 저장소자로 이용하는 무정전 전원공급장치는 낮은 에너지 밀도로 인해 장시간의 전원 공급에는 한계성이 있지만 우수한 수명으로 인해 유지보수 비용을 최소화할 수 있어 순간정전 등 단시간의 전원 불안정에 적합하다는 장점을 지닌다.

본 발명은 또한 상기 전기화학 캐패시터로의 충전이 상기 직류전원과 동일한 전압으로 수행된다. 이를 위해 전류제한회로가 채용된다. 또한 상기 직류전원으로부터 상기 전류제한회로로의 입력전압과 상기 전기화학 캐패시터의 출력전압이 전압감지회로에 의해 감지된다. 상기 전압감지회로에 의해 감지된 전압정보는 제어회로로 전달되고, 상기 제어회로는 상기 전압감지회로로부터 감지된 전압정보에 기초하여 상기 전기화학 캐패시터에 저장된 에너지의 방전을 제어하게 된다.

본 발명의 보다 바람직한 무정전 전원공급장치에 따르면, 상기 릴레이가 역전류방지 다이오드를 통해 상기 출력부하에 병렬연결된다. 이러한 구성은 순간정전에 의해, DC/DC 컨버터로 구성된 제2 방전회로를 통해 출력부하로 에너지가 전달될 때, 제2 방전회로로부터의 출력이 출력부하측으로 한정시킨다. 따라서, 전기화학 캐패시터에 저장된 전기 에너지의 효율을 상승시키고, 결국 에너지 저장소자의 중량 및 부피를 감소시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 바람직한 구현예를 보여주는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치(1)는 직류전원(2)과 출력부하(3)에 병렬로 연결되며, 충전회로(100), 에너지 저장소자(200), 방전회로(300), 제어회로(400)를 포함한다. 여기서, 상기 방전회로(300)는 릴레이(301)로 구성된 제1 방전회로(301)와, DC/DC 컨버터(302)로 구성된 제2 방전회로를 포함하여 구성된다.

릴레이(301)로 구성된 상기 제1 방전회로는 에너지 저장소자(200)의 충전전압에 비례하는 직류 에너지를 출력부하(3)로 출력한다. 이것은 에너지 저장소자(200)의 고출력 특성을 활용할 수 있어서 직류전원(2)의 출력특성을 보충한다. 일반적으로 출력부하(전자기기)(3)에서 순간 과부하 혹은 급격한 부하 변동이 발생되면 입력 직류전원(2)은 순간적으로 전력 부족 현상으로 인해 정격전압이 감소되는 전력의 불안정성을 초래하게 되고, 이는 과전류를 발생시켜 입력 직류전원(2)의 손상을 야기하고, 이러한 입력 직류전원(2)의 손상은 출력부하(3)의 정상적인 작동을 방해한다. 출력부하(3) 측에서 순간 과부하가 발생하였을 때, 본 발명에 따른 무정전 전원공급장치(1)는 제1 방전회로인 릴레이(301)를 통해 에너지 저장소자(200)에 저장된 직류 에너지가 출력부하(3)로 전달된다. 즉, 상기 에너지 저장소자(200)에 저장된 여분의 전기 에너지는, 출력부하(3)의 순간 과부하시, 입력 직류전원(2)의 보조 에너지 공급원으로 작용한다. 따라서, 상기 무정전 전원공급장치(1)는, 출력부하(3)의 순간 과부하 또는 급격한 부하변동에 대응하여, 입력 직류전원(2)을 보 충하여 출력부하(3)에 대응하는 전력을 공급하고, 이것은 입력 직류전원(2)을 보호하는 기능을 수행한다. 순간 과부하로부터 제1 방전회로인 릴레이(301)에 의한 입력 직류전원(2)의 보호에 대한 보다 상세한 내용은 도 6을 참조하여 후술한다.

DC/DC 컨버터(302)로 구성된 제2 방전회로는 정전시 출력부하의 정상 작동에 필요한 에너지를 공급한다. 도 4는 에너지 저장소자(200)인 전기화학 캐패시터의 방전특성과 DC/DC 컨버터(302)를 통한 방전 특성을 보여주는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 에너지 저장소자(200)인 전기화학 캐패시터는 방전시 전압이 일정한 기울기를 가지고 감소하는 전기적 특성을 지니고 있다. 따라서, 입력 직류전원(2) 측에서 순간정전이 발생한 경우, 전기화학 캐패시터와 같은 에너지 저장소자(200)로부터 제1 방전회로인 릴레이(301)를 통한 에너지 방전은 점차 감소하는 전압을 출력부하(3)로 공급할 것이다. 이것은 출력부하(3)의 안정적인 작동을 방해한다. 이러한 순간정전이 발생한 경우, 상기 에너지 저장소자(200)로부터의 전기 에너지는 제2 방전회로인 DC/DC 컨버터(302)를 통해 출력부하(3)로 전달된다. 따라서, 순간정전이 발생한 경우, 정전압을 출력 부하에 제공한다. 도 4는 순간정전에 의해 에너지 저장소자(200)인 전기화학 캐패시터에 의한 출력전압이 점차 감소하더라도, DC/DC 컨버터(302)에 의한 출력전압은 일정한 전압을 유지함을 보여준다. 이것은 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치가 정전시 출력부하의 정상적 작동에 필요한 양질의 전력을 안정적으로 제공하는 방전회로를 포함하고 있음을 의미한다.

상기 제1 방전회로(301)와 제2 방전회로(302)로 구성된 이중구조의 방전회로 (300)는 내부고장에 대해 높은 신뢰성을 제공한다. 본 발명에서 제공하는 무정전 전원공급장치(1)는 방전회로 구성상 제1 방전회로(301)와 제2 방전회로(302)의 이중 조합으로 되어 있고, 각각의 방전회로(301, 302)가 출력부하(3)에 병렬로 연결되어 있는 구조를 갖는다. 이럴 경우 하나의 방전회로가 내부 고장을 유발하더라도 나머지 하나의 방전회로를 통해 최소한의 전원 공급이 가능하며, 두개의 방전회로가 고장을 유발하는 최악의 조건에서도 입력전원과 출력 부하가 연결되어 있어서 정상적인 전원공급이 가능한 고 신뢰성을 가진 무정전 전원공급장치가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전전원공급장치(1)에 사용되는 에너지 저장소자(200)는 전기화학 캐패시터가 바람직하다. 전기화학 캐패시터의 예로는 두개의 전극이 모두 카본 활물질(바람직하게는, 활성탄)로 제조된 전기 이중층 캐패시터, 두개의 전극 중 하나의 전극에서는 패러데이 반응이 일어나고, 다른 하나의 전극에서는 비 패러데이 반응이 진행되는 의사캐패시터(pseudocapacitor), 두개의 전극중 하나의 전극은 패러데이 반응에 의해 비패러데이 반응이 활성화되고, 다른 하나의 전극은 비패러데이 반응이 진행되는 의사 캐패시터를 들 수 있다. 본 발명에서는 전기 이중층 캐패시터를 사용하였으나, 이것은 설명을 위한 것이고 예시적이다.

상기 충전회로(100)는 상기 직류전원(2)과 동일한 전압으로 여분의 직류에너지를 상기 에너지 저장소자(200)로 충전하는 전류제한회로(101)와, 상기 직류전원(2)으로부터 상기 전류제한회로(101)로의 입력전압과 상기 에너지 저장소자(200)의 출력전압을 감지하는 전압감지회로(102)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 무정전 전원공급장치(1)는 입력 직류전원(2)으로부터의 여분의 전기 에너지를 전류제한회로(101)를 통해 에너지 저장소자(200), 구체적으로는 전기화학 캐패시터를 충전하며, 상기 전기화학 캐패시터는 전기적 특성상 전기에너지를 제공받으면 전압이 일정한 기울기를 가지고 상승하는 특성을 나타내게 된다. 한편, 상기 전압감지회로(102)는 입력직류전원으로부터 전류제한회로로 입력되는 전압과, 상기 전기화학 캐패시터의 출력전압을 감지하고, 감지된 전압정보를 제어회로(400)에 전달한다.

상기 제어회로(400)에 의한 충방전의 제어는 다음과 같이 수행된다. 우선, 상기 제어회로(400)는 상기 전압감지회로(102)에 의해 감지된 전기화학 캐패시터의 출력전압(또는 충전전압)이 입력 직류전원의 출력전압의 70% - 100% 범위일 경우, 제1 방전회로인 릴레이(301)를 작동시켜 전기화학 캐패시터를 출력 부하에 병렬로 연결시킨다. 이와 동시에, 상기 제어회로(400)는 DC/DC 컨버터(302)로 구성된 제 2 방전회로를 통해 상기 릴레이(301)에 병렬로 연결한다. 초기 셋업이 정상적으로 작동된 경우, 상기 제어회로(400)는, 상기 전압감지회로(102)로부터 감지된 상기 직류전원(2)으로부터 상기 전류제한회로(101)로의 입력전압이 급격히 감소되거나, 릴레이(301)를 통한 전기 에너지의 공급이 수행되지 아니하는 경우에만, 상기 DC/DC 컨버터(302)를 통해 전기 에너지를 공급하도록 한다. 따라서, DC/DC 컨버터(302)를 통한 전기 에너지 공급은 순간정전 또는 제1 방전회로(301)의 이상에 의해서만 수행된다. 이것은 DC/DC 컨버터(302)의 자체 열화를 현저히 감소시킨다. 순간 과부하 또는 정상상태에서, 상기 제어회로(400)는 제1 방전회로(301)를 통해 전기 에너지가 공급되도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 보다 바람직한 구현예를 보여주는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 릴레이(301)가 역전류 방지 다이오드(303)를 통해 상기 입력 직류전원(2)과 출력부하(3)의 사이에 접속된다. 상기 역전류 방지 다이오드(303)는 순간정전시 제2 방전회로인 DC/DC 컨버터(302)의 에너지 효율을 향상시킨다. 본 발명에서 제공하는 무정전 전원공급장치(1)는 제1 방전회로(301)와 제1 방전회로(302)가 출력부하(3)에 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 제2 방전회로(302)에서 출력되는 전력은 출력부하(3) 뿐만 아니라 제1 방전회로(301)를 재충전시키는 비효율적인 전력 흐름을 야기할 수 있다. 이것은 에너지 저장소자(200)에 저장된 전기 에너지의 활용도를 감소시키고, 높은 용량의 에너지 저장소자(200)를 요구하게 된다. 상기 역전류 방지 다이오드(303)는, 순간정전시, DC/DC 컨버터(302)로부터의 전기 에너지가 제1 방전회로(301)로 유입되는 전력흐름을 차단한다. 이것은 DC/DC 컨버터(302)로부터의 전력 흐름이 출력부하(3) 방향으로 한정할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 작용을 통해, 에너지 저장소자(200)에 저장된 에너지의 효율이 향상되고, 에너지 저장소자(200)의 부피 및 중량이 감소될 수 있다. 역전류 방지 다이오드(303)의 구체적 효과는 도 5를 참조하여 후술한다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들 예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

도 2에 도시된 바와 같은 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치를 구성하였다. 에너지 저장소자(200)로서, 에너랜드사의 2.5V, 90F 전기 이중층 캐패시터를 11 직렬 1 병렬로 구성하여 내압 27.5V, 용량 8.1F를 갖는 모듈을 사용하였다. 전류제한회로(101)는 FET(Field Effect Transistor)와 저항의 조합으로 구성하였으며, 전류를 0.6A 이하로 제한하였다. 제1 방전회로로서, 릴레이(301)를 사용하였고, 기준전압소자로 구성된 전압감지회로(302)와 CPU로 구성된 제어회로(400)의 제어 하에 전기화학 캐패시터(200)의 충전 전압이 0 - 23V 범위에서는 전기화학 캐패시터가 전류제한회로(101)와 연결시키고, 전기화학 캐패시터(200)의 충전 전압이 23V 이상일 경우 릴레이(301)를 작동시켜 출력부하(3)에 병렬로 연결하였다. 제2 방전회로로서, DC/DC 컨버터(302)를 이용하여 출력전압 24V로 설정하여 구성하였다.

실시예 2

도 3에 도시된 바와 같은 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치를 구성하였다. 역전류 방지 다이오드(303)를 통해, 릴레이(301)를 직류전원(2)과 출력부하(3)에 접속시킨 것을 제외하고는, 모든 회로 구성을 실시예 1과 동일하게 하였다.

시험예 1: 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 정전 시험

상기 실시예 1과 2에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 정전시의 전원공급특성을 비교하기 위해, 화인선트로닉스사 직류전원장치(모델: ESF150-24, 정격 출력 전압 24V, 정격 출력 전류 6A)를 입력 직류전원(1)으로 사용하고, 출력 부하(3)로 정격 전력 1KW, 6Ω 저항을 사용하여, 입력 직류전원으로부터의 에너지 공급이 중단될 때, 실시예 1과 2에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 출력 전압 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 5와 표 1에 나타내었다. 도 5(a)는 입력 직류전원(2)의 출력전압을 보여주는 그래프로서, 순간정전 또는 장시간의 정전이 임의로 유발되었다. 도 5(b)에서 알 수 있듯이, 실시예 1과 2의 무정전 전원공급장치는 순간 정전에 의해 입력 직류전원(2)으로부터의 에너지 공급이 중단되더라도, 출력부하(3)에 정전압을 안정적으로 공급하였다. 이것은 본 발명에서 제공하는 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치가, 입력 직류전원(2)의 불안정시에도, 출력부하를 정상적으로 동작시키는데 필요한 전원을 안정적으로 공급할 수 있음을 의미한다. 또한 도 5 및 표 1에 제시된 바와 같이, 최대 정전보상시간을 비교하면, 동일한 전기화학 캐패시터를 사용하고도 실시예 2에 따른 무정전 전원공급장치의 최대정전보상시간이 실시예 1에 제시된 것에 비해 약 30% 더 증가되었다. 이것은, 역전류 방지 다이오드(303)를 통해 상기 릴레이(301)를 직류전원(2)과 출력부하(3)의 사이에 접속시킴으로 인해, 제2 방전회로(302)의 효율을 상승시킴을 의미한다.

	출력 전압	최대정전보상시간(s)
실시예 1	24V	8.2
실시예 2	24V	11.7

시험예 2: 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 출력특성시험

상기 실시예 1과 2에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치의 순간 과부하시의 출력 특성을 살펴보기 위해, 화인선트로닉스사 직류전원장치(모델: ESF150-24, 정격 출력 전압 24V, 정격 출력 전류 6A)를 사용하여 입력 직류전원(1)을 설정하고, 출력부하(3)로 정격 전력 1KW, 3Ω 저항을 사용하여, 갑작스런 출력부하(3) 연결시 출력 전압 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 알 수 있듯이, 순간적인 전류 상승에 대해 본 발명에서 제공되는 무정전 전원공급장치를 장착하지 않은 입력 직류전원(2)은 급격한 전압 강하가 발생하지만, 실시예 1과 2에 따른 본 발명의 무정전 전원공급장치를 장착할 경우 전압 강하가 감지되지 않음을 알 수 있다. 이것은 본 발명에서 제공하는 무정전 전원공급장치가 직류 입력전원의 출력 특성을 향상시키는 동시에 출력부하(3)에서 발생하는 순간 과부하에 대해 입력 직류전원(2)을 보호하는 기능을 제공함을 의미한다.

본 발명에 따른 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치는 다음의 효과를 제공한다.

(1) 순간정전과 같은 직류전원의 불안정에도 불구하고, 출력부하에 안정적인 전력공급을 수행한다.

(2) 출력부하에 순간과부하가 발생하더라도, 입력 직류전원의 전압강하를 전혀 발생시키지 아니한다. 따라서, 입력 직류전원의 안정적 보호가 성취된다.

(3) 이중적 출력구조는 어느 한쪽 방전회로가 장애가 발생하더라도 비상 전원공급이 가능하고, 이것은 무정전 전원공급장치의 신뢰성을 향상시킨다.

(4) 전기화학 캐패시터를 에너지 저장소자로 채택함으로써, 무정전 전원공급장치의 유지보수에 소요되는 비용을 충분히 감소시킬 수 있다.

(5) 역전류 방지 다이오드를 통해, 제1 방전회로인 릴레이를 직류전원과 출력부하에 접속시킴으로써, 제2 방전회로인 DC/DC 컨버터의 에너지 효율이 상승되고, 이것은 보상시간을 증가시킨다. 또한, 동일한 보상시간을 충족시키기 위한, 에너지 저장소자의 중량 및 부피가 감소된다.

(6) DC/DC 컨버터는 순간 정전 또는 제1 방전회로의 장애시에만 작동한다. 따라서, 자체 열화가 방지된다.

Claims (4)

1. 직류에너지를 공급하는 직류전원과 상기 직류에너지에 의해 전기적 동작을 수행하는 출력부하와의 사이에 병렬로 연결되고, a) 상기 직류전원으로부터의 여분의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, b) 상기 직류전원으로부터의 여분의 직류 에너지를 상기 에너지 저장소자로 충전시키는 충전회로와, c) 충방전을 제어하는 제어회로와, d) 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 에너지를 상기 출력부하로 전달하는 방전회로를 포함하고, 여기서 상기 방전회로는 에너지 저장소자의 충전전압에 비례하는 직류 에너지를 출력부하로 출력하는 릴레이와, 순간정전 또는 릴레이의 장애시 출력부하로 정전압을 출력하는 DC/DC 컨버터로 구성된 이중출력구조를 갖고, 상기 릴레이와 상기 DC/DC 컨버터는 병렬로 배치된 것을 특징으로 하는, 직류전원 보상용 무정전 전원공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터인 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 충전회로가 상기 직류전원과 동일한 전압으로 여분의 직류에너지를 상기 전기화학 캐패시터로 충전하는 전류제한회로와, 상기 직류전원으로부터 상기 전류제한회로로의 입력전압과 상기 전기화학 캐패시터의 출력전압을 감지하는 전압감지회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무정전 전원공 급장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 릴레이가, 역전류방지 다이오드를 통해, 상기 직류전원과 상기 출력부하의 사이에 접속된 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급장치.

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