KR20010095453A

KR20010095453A - 고주파 풀브리지 전원 장치

Info

Publication number: KR20010095453A
Application number: KR1020000016499A
Authority: KR
Inventors: 조기연; 김은수; 김태진; 전성즙
Original assignee: 윤문수; 한국전기연구원
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-11-07

Abstract

본 발명은 영전압-영전류 스위칭(ZV-ZCS)을 구현하여 스위칭 손실을 줄이고 스위칭 주파수는 높임으로써 크기는 작게하고 신뢰성은 향상시키며, 특히 출력 전류 파형의 크기 및 형태를 제어할 수 있도록 하여 전기 도금기 등의 전원 장치용으로 적합한 고주파 풀브리지 전원 장치에 관한 것으로서, 1차측의 에너지를 2차측으로 유도하기 위한 변압기(100); 전원으로부터 상기 변압기(100)의 1차측으로 전달되는 에너지를 단속하기 위한 풀브리지 스위칭부(200); 상기 2차측의 전류를 정류하여 부하(load)측으로 출력하기 위한 정류부(300); 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 지상 레그 스위칭소자의 영전압 스위칭을 위한 영전압스위칭 회로부(400); 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 각 스위칭소자의 스위칭 상태에 따라 상기 풀브리지 스위칭부(200)를 통해 상기 변압기(100)의 1차측으로 흐르는 전류의 방향에 대하여 역방향이 되는 역전압을 선택적으로 형성함으로써, 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 진상 레그 스위칭소자의 영전류 스위칭을 위한 영전류스위칭 회로부(500); 및 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 스위칭 동작을 제어하여 부하 전류의 크기 및 형태를 제어하기 위한 제어부(600)로 구성된다.

Description

고주파 풀브리지 전원 장치{ZVS-ZCS Full Bridge DC-DC Converter}

본 발명은 고주파 풀브리지 전원 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영전압-영전류 스위칭(Zero Voltage-Zero Current Switching : ZV-ZCS)을 구현하여 스위칭 손실을 줄이고 스위칭 주파수는 높임으로써 크기는 작게하고 신뢰성은 향상시킨 전원장치의 고주파 풀브리지 직류/직류 컨버터(DC/DC Coverter)에 관한 것이고, 특히 출력 전류 파형의 크기 및 형태를 제어할 수 있도록 하여 전기 도금기 등의 전원 장치용으로 적합한 고주파 풀브리지 전원 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 도금기는 금속가공 산업에서 아주 중요한 위치를 차지하고 있는 것으로서, 활용범위가 매우 넓고 그 종류가 매우 다양하다. 그 중 전기 도금기는 날로 그 사용범위가 넓어져 가고 있다. 전기 도금기에 널리 이용되던 전력용 반도체 소자는 사이리스터(thyristor)로 그 견고성으로 인해 아직도 대전력 부분에서는 많이 쓰이고 있다. 그러나 사이리스터를 사용하는 도금기는 기본적으로 60Hz에서 동작하므로 크고 무거운 변압기를 내장하여야 하는 단점이 있다. 변압기는 동일 전압일 경우 동작주파수를 높일수록 부피를 작게 만들 수 있기 때문에, 현재 트랜지스터나 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor : IGBT)로 동작하는 고주파 인버터 방식이 많이 연구되었고 널리 쓰이고 있다. 최근에는 대체로 IGBT를 사용하는 경향이다. IGBT 인버터식 도금기에서 사용되는 주파수는 대략 10-20KHz인 데, 이 주파수를 높이면 변압기의 무게를 줄일 수 있어 유리하나 스위칭 손실의 증가로 인해 그 이상 올리는 것은 바람직하지 못하다. 따라서, 스위칭 손실을 줄일 수 있다면 가격을 상승시키지 않고 대략 30-50KHz까지의 동작이 가능하게 되지만, 그 이상은 변압기의 코어 가격이 상승하게 되므로 바람직하지 못하다. 한편, 전기 도금기는 그 출력 전류 즉, 도금 전류의 크기 및 형태에 따라 도금 특성이 변화한다고 알려져 있다.

상기와 같이 변압기에 많이 사용되는 전력용 반도체소자의 스위칭 동작에서는 전압과 전류가 스위칭 소자에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에, 스위치를 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off)시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 되며 따라서, 이 구간동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭의 전력손실이 발생하게 된다. 특히, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)나 게이트 턴오프 사이리스터(Gate Turn Off Thyristor : GTO)와 같은 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 턴오프시에 꼬리(tail)전류가, 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정 구간(L로 표시된 구간)동안 흐르기 때문에 턴오프시의 스위칭손실이 매우 크다.

상기와 같은 스위칭손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다. 따라서, 이러한 특성을 갖는 소자들의 스위칭손실을 줄여 고주파의 스위칭을 가능하게 하기 위하여, 도 2a와 같은 영전압 스위칭이나 도 2b와 같은 영전류 스위칭의 방법이 제안된 바 있다.

영전압 스위칭은 스위칭소자와 역병렬로 연결된 다이오드가 환류전류에 의해도통되어 스위칭소자 양단의 전압이 영이 된 후 턴온하게 되면 도 2a에서 보는 바와 같이 스위칭에 따른 전력손실은 완전히 제거된다. 그러나, 스위칭소자가 턴오프할 때는 도 1의 하드스위칭(Hard-Switching )의 경우와 같아서 손실이 줄어들지 않는다. 이러한 손실을 제거하기 위해 스위칭소자의 양단에 스너버(snubber) 캐패시터(capacitor)를 연결하면 도 2a에서 보는 바와 같이 전압증가 속도가 저하되어 전류가 감소하는 구간동안의 전력손실은 줄어들게 되는 것이다.

영전류 스위칭은 도 2b에서 보는 바와 같이 스위칭소자에 흐르는 전류가 영일 때 스위칭소자를 턴오프하게 되는 데, 이 때는 꼬리전류를 형성하는 축적된 소수 캐리어가 모두 사라진 뒤이므로 턴오프에 의한 전력손실은 발생하지 않게 되는 것이다.

이상 설명된 바와 같이 영전압-영전류 스위칭을 구현하면 주파수를 상승시키면서 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 이에 따라 변압기의 크기를 작게할 수 있기 때문에, 지금까지 영전압-영전류 스위칭 기술을 보다 개선하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 상술된 바와 같은 종래 기술을 배경으로 하여 창작된 것으로서, 그 목적은 보다 개선된 영전압-영전류 스위칭을 구현하여 스위칭 손실을 줄이면서 주파수를 높임으로써 그 크기를 줄일 수 있는 고주파 풀브리지 전원 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 전기 도금 시의 도금 특성이 전류에 의해 크게 좌우되기 때문에, 상기 전원 장치의 부하에 제공되는 출력 전류 즉, 도금 전류를 사용자가 정의하는 임의 형태로 제어할 수 있도록 함으로써, 전기 도금기의 전원장치용으로 적합하도록 된 고주파 풀브리지 전원 장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 일반적인 전력용 반도체 소자의 하드 스위칭(Hard Switching)시의 전류 및 전압 파형도이고,

도 2는 일반적인 전력용 반도체 소자의 영전압-영전류 스위칭시의 전류 및 전압 파형도로, (a)는 영전압 스위칭시의 전류 및 전압 파형, (b)는 영전류 스위칭시의 전류 및 전압 파형이고,

도 3은 본 발명에 따른 고주파 풀브리지 전원 장치의 회로도이고,

도 4는 도 3의 제어부의 블록 구성도이고,

도 5a - 도 5f는 도 3의 풀브리지 스위칭부의 순차적인 동작 단계에 따른 회로도이고,

도 6은 도 5에 따른 스위칭부의 순차적인 동작 수행시 제어부의 출력 파형 및 풀브리지 스위칭부의 주요부분 출력파형도이고,

도 7은 도 4의 위상변이 펄스폭변조기의 펄스폭변조를 설명하기 위한 파형도이고,

도 8은 도 3의 풀브리지 스위칭부의 구동을 위한 회로도이고,

도 9는 도 3에서 부하측에 제공되는 정전류 파형도이고,

도 10은 도 3에서 부하측에 제공되는 펄스 전류 파형도이고,

도 11은 도 3에서 부하측에 제공되는 오프셋 있는 정현파 전류 파형도이고,

도 12는 도 3에서 부하측에 제공되는 사용자 정의 전류 파형도이고,

도 13 내지 도 18은 본 발명을 적용하여 설계한 전기 도금기의 시작품을 제작하여 실험한 각 주요 부분의 파형도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 주변압기 200 : 풀브리지 스위칭부

300 : 정류부 400 : 영전압스위칭 회로부

500 : 영전류스위칭 회로부 600 : 주제어부

610 : 전류지령발생부 630 : 전류제어부

650 : 위상변이 펄스폭변조기 670 : 원격 제어부

Load : 부하 S1,S2,S3,S4 : 스위칭소자

T_A: 보조변압기

D_A1,D_A2: 영전류스위칭 회로부를 구성하는 다이오드

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고주파 풀브리지 전원장치는, 권선비에 따라 1차측의 에너지를 2차측으로 유도하기 위한 주 변압수단; 전원으로부터 상기 주 변압수단의 1차측으로 전달되는 에너지를 단속하기 위한 풀브리지 스위칭 수단; 상기 2차측의 전류를 정류하여 부하측으로 출력하기 위한 정류 수단; 상기 풀브리지 스위칭 수단의 지상(遲相)레그(Lagging Leg) 스위칭소자의 영전압 스위칭을 위한 영전압스위칭회로 수단; 상기 풀브리지 스위칭 수단의 각 스위칭소자의 스위칭 상태에 따라 상기 풀브리지 스위칭 수단을 통해 상기 변압 수단의 1차측으로 흐르는 전류의 방향에 대하여 역방향이 되는 역전압을 선택적으로 형성함으로써, 상기 풀브리지 스위칭 수단의 진상(進相)레그(Leading Leg) 스위칭소자의 영전류 스위칭을 위한 영전류스위칭 회로수단; 및 상기 스위칭 수단의 스위칭 동작을 제어하여 부하 전류의 크기 및 형태를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하여 구성된다.

특히. 본 발명에 따른 상기 영전류스위칭 회로수단은 상기 진상레그 스위칭소자의 스위칭 시, 상기 변압수단의 1차측에, 상기 풀브리지 스위칭 수단을 통해상기 변압수단의 1차측으로 흐르는 전류의 방향에 대하여 역방향이 되는 전압이 인가되도록 하므로서 1차측 전류를 급격하게 "0"으로 감소시켜 영전류 스위칭이 이루어지도록 하고, 상기 제어수단은 설정되는 부하전류의 크기 및 형태에 따라 전류 지령 신호를 발생하기 위한 전류 지령 발생 수단; 상기 발생된 전류 지령 신호와 상기 부하에 제공되는 전류신호를 상호 비교하여 그 차이에 의거한 제어 신호를 출력하기 위한 전류 제어 수단; 및 상기 전류 제어수단의 출력 신호에 따라 상기 풀브리지 스위칭 수단을 제어하여 상기 부하에 상기 전류 지령 신호에 대응하는 전류가 제공되도록 하는 위상변이 펄스폭변조수단을 포함하여 구성되어, 부하에 제공되는 도금 전류의 크기 및 형태를 사용자의 설정에 따라 제어할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고주파 풀브리지 전원 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 풀브리지 전원 장치의 회로도로서, 권선비에 따라 1차측의 에너지를 2차측으로 유도하기 위한 변압기(100); 전원(V_DC)으로부터 상기 변압기(100)의 1차측으로 전달되는 에너지를 단속하기 위한 풀브리지 스위칭부(200); 상기 2차측의 전류를 정류하여 부하(load)측으로 출력하기 위한 정류부(300); 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 지상 레그 스위칭소자의 영전압 스위칭을 위한 영전압스위칭 회로부(400); 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 각스위칭소자의 스위칭 상태에 따라 상기 풀브리지 스위칭부(200)를 통해 상기 변압기(100)의 1차측으로 흐르는 전류의 방향에 대하여 역방향이 되는 역전압을 선택적으로 형성함으로써, 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 진상 레그 스위칭소자의 영전류 스위칭을 위한 영전류스위칭 회로부(500); 및 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 스위칭 동작을 제어하여 부하 전류의 크기 및 형태를 제어하기 위한 제어부(600)로 구성되어 있다.

상기 풀브리지 스위칭부(200)는 4개의 IGBT 스위칭소자(S1)(S2)(S3)(S4)로 구성된 풀브리지(Full Bridge) 인버터(Inverter)이다.

상기 영전압스위칭 회로부(400)는 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 지상레그 스위칭소자(S2)(S4)의 양단에 역병렬로 각각 연결된 다이오드(D2)(D4), 그 다이오드(D2)(D4)에 각각 병렬 연결된 스너버 캐패시터(C2)(C4) 및, 상기 캐패시터(C2)(C4)와 공진하도록 상기 변압기(100)의 1차측에 연결된 인덕터(L_lk)로 구성되어 있다.

상기 영전류스위칭 회로부(500)는 상호 직렬 연결되어 상기 전원(V_DC)의 양단에 연결된 두 개의 다이오드(D_A1)(D_A2); 및 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 지상 레그의 암(Arm)(B)과 상기 변압기(100)의 1차측 권선에 양단이 각각 연결된 제 1 권선(T_A1)과, 상기 두 개의 다이오드(D_A1)(D_A2)의 공통 접속점과 상기 지상 레그의 암(B)에 양단이 각각 연결된 제 2 권선(T_A2)을 구비하는 보조변압기(T_A)로 구성되어있다.

상기 제어부(600)는 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 스위칭 동작을 제어하여 상기 부하(load)에 제공되는 전류의 크기 및 형태를 제어하도록 하는 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 설정되는 부하전류의 크기 및 형태에 따라 전류 지령 신호를 발생하기 위한 전류 지령 발생부(610), 상기 전류 지령 발생부(610)에 의해 발생된 전류 지령 신호와 상기 부하에 제공되는 전류신호를 상호 비교하여 그 차이에 의거한 제어 신호를 출력하기 위한 전류 제어부(630), 상기 전류 제어부(630)의 출력 신호에 따라 상기 풀브리지 스위칭부(200)를 제어하여 상기 부하에 상기 전류 지령 신호에 대응하는 전류가 제공되도록 하는 위상변이 펄스폭변조기(PWM)(650), 및 상기 부하 전류의 크기 및 형태를 원격 설정하는 원격 제어부(670)로 구성되어 있고, 상기 원격 제어부(670)와 상기 전류 지령 발생부(610)는 상호 직렬 데이터 통신 가능하도록 구성되어 있다.

이어, 도 3과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 풀브리지 전원장치의 동작에 대하여 설명한다.

먼저, 전기 도금기에 적용되는 본 발명은 전원(V_DC)으로부터 부하(load)로 전력을 전달하기 위하여 고주파 교류를 사용하는 바, 그 고주파 교류는 고주파 풀브리지 인버터로 구성된 상기 풀브리지 스위칭부(200)에 의해 발생된다. 그 풀브리지 스위칭부(200)의 출력 신호는 상기 변압기(100)를 통하여 변압되고, 상기 정류부(300)을 통하여 정류된 후 상기 부하로 전달된다.

본 발명에서, 주변압기(100)의 크기를 줄이기 위하여 동작 주파수를 높였는데 그 주파수를 높이면 스위칭 손실이 커지게 된다. 따라서 스위칭 손실을 줄이기 위하여 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 각 스위칭소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 동작시킬 때 상기 영전압스위칭 회로부(400) 및 영전류스위칭 회로부(500)에 의해 영전압/영전류 스위칭이 구현되도록 하였다. 영전압 스위칭에서는 상기 지상레그 스위칭소자(S2)(S4)의 턴온(Turn-ON) 및 턴오프(Turn-OFF)시에 상기 영전압스위칭 회로부(400)에 의해 그 스위칭소자(S2)(S4)의 양단 전압이 "0"이되기 때문에 전력 손실이 감소하고, 영전류 스위칭에서는 상기 영전류스위칭 회로부(500)에 의해 상기 진상레그 스위칭소자(S1)(S3)에 흐르는 전류가 "0"인 상태로 턴온 또는 턴오프가 이루어지므로 전력 손실을 감소시킨다. 즉, 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 지상레그(Lagging Leg)는 영전압스위칭 동작하며, 진상레그(Leading Leg)는 영전류스위칭으로 동작하는 데, 지상레그의 스위칭소자(S2,S4)는 인덕터(L_lk) 및 캐패시터(C2,C4)의 도움으로 영전압스위칭하게 되고, 진상레그이 스위칭소자(S1,S3)는 상기 영전류스위칭 회로부(500)의 도움으로 영전류스위칭하게 된다. 상기 영전류스위칭 회로부(500)의 두 개의 다이오드(D_A1,D_A2)는 보조로 사용되며, 상기 변압기(100)의 1차측 전류에 따라 수동적으로 동작되는 바, 1차측 전류가 정방향이면 상기 다이오드(D_A3)가 온되고, 역방향이면 상기 다이오드(D_A1)가 온된다.

상기 풀브리지 스위칭부(200)의 각 스위칭소자(S1-S4)는 상기 제어부(600)의 제어에 의해 도 5a - 도 5e에 각각 도시된 제 1 모드(M1) - 제 5 모드(M5)와 같은스위칭 동작을 순차적으로 수행하여 고주파 교류를 발생시킨다. 도 6은 상기 각 모드(M1-M5)의 순차적인 수행시 상기 제어부(600)의 위상변이펄스폭변조기(650)의 출력 파형 및 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 주요부분 출력파형도로서, 참고로 도 6에서, V_GS는 상기 제어부(600)의 위상변이펄스폭변조기(650)의 출력 파형으로서 상기 진상레그 스위칭소자(S1,S3) 및 상기 지상레그 스위칭소자(S2,S4)의 각 게이트에 시간에 따라 인가되는 전압 파형이고, V_A'B는 A'점과 B점 사이의 전압이고, V_AB는 A점과 B점 사이의 전압이며, i_a는 상기 변압기(100)의 1차측 전류 파형을 나타낸 것이다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 각 모드(M1-M5)의 순차적인 동작을 설명하며, 설명의 편의상 도 5에 상기 영전류스위칭 회로부(500)가 도시되어 있지 않았으나, 필요시 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.

제 1 모드(M1)는 에너지가 상기 변압기(100)의 1차에서 2차로 전달되는 초기 상태의 구간으로서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제 1 스위치(S1) 및 제 4 스위치(S4)가 온(ON) 상태이므로 상기 변압기(T)의 1차측 전류 i₁은 전원, 제 1스위치(S1), 인덕터(L_lk), 1차측 권선, 제 1 권선(T_A1), 제 4 스위치(S4), 및 상기 전원을 따라 순서대로 흐르는 전류 루프(Current Loop)를 형성하고, 이때 상기 변압기(100)의 1차에서 2차로 에너지가 전달되어 정류부(300)에서 정류된 후 부하(Load)측에 전류를 공급하게된다. 또한, 상기 영전류스위칭 회로부(500)에 의해서 상기 다이오드(DA3), 상기 제 2권선(T_A2), 상기 제 4 스위치(S4)를 따라 n₂i₁크기의 전류가 흐르는 전류 루프가 형성되므로, 상기 보조변압기(T_A)의 상기 제 1 및 제 2 권선(T_A1,T_A2)은 단락된 상태로 전압이 영이되어 상기 변압기(100)의 1차측에 영향을 미치지 않는다.

제 2 모드(M2)는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 제 4 스위치(S4)를 턴오프시켜 시작되는 공진 구간으로서 캐패시터(C4)에 의해 상기 제 4 스위치(S4)의 양단 전압은 급격히 바뀌지 않고 영전압에서부터 서서히 변하므로 영전압스위칭(ZVS) 오프가 이루어지고, B점의 전압(V_B)이 직류측의 상단 전위에 이르면 상기 제 4 스위치(S4)의 영전압 스위칭 오프는 완료된다.

이때, 제 2 스위치(S2) 및 제 4 스위치(S4)는 모두 오프 상태이기 때문에 L-C 공진 회로가 구성되어 그 제 2 및 제 4 스위치(S2)(S4)의 양단의 전압은 공진 현상을 통하여 변하게 된다. 공진시 인덕터(L_lk)에 갖혀 있던 에너지는 캐패시터(C2)(C4)로 옮겨가고, 이후 전압 극성이 바뀌면 1차측 전류(i₁)는 다이오드(D2)를 통해 흐르게 된다. 도 5b에 상기 영전류스위칭 회로부(500)를 포함한 실제 등가 회로는 도 5f와 같다.

제 3 모드(M3)는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 영전류스위칭 회로부(500)의 리셋전압으로 상기 변압기(100)의 1차측에 흐르는 전류(i₁)를 제거하는 단계로서, 1차측전류(i1)을 "0"으로 만든 후 제 1 스위치(S1)를 끄면 그 제 1 스위치(S1)은 영전류스위칭 오프된다. 이 구간 동안 보조변압기(T_A) 2차측은 다이오드(D_A3,D2)를 통하여 직류 전원(V_DC)측에 연결되고 그 직류 전원 전압(V_DC)은 상기 보조 변압기(T_A)를 통해 상기 변압기(100)의 1차측에 역으로 인가된다.

즉, 상기 제 2 모드(M2)에서 1차측 전류(i₁)가 정방향인 상태에서 상기 제 4 스위치(S4)가 오프되면 B점의 전위가 상승하고 이에 따라 상기 보조변압기(T_A)의 2차 권선(T_A2)의 양단 전압이 상승하게 되며, 그 B점의 전위가 직류측 상단 전위에 이르면 상기 보조 변압기(T_A)의 2차 권선(T_A2)에는 V_DC가 인가되면서 제 3 모드(M3)에 들어가는 바, 이때 제 3 모드(M3)에서 상기 보조 변압기(T_A)의 1차 권선(T_A1)에는 n₂V_DC크기의 보조 역전압(V_aux)이 유도 형성되므로 1차측 전류(i₁)는 급격히 감소하게 되고 이에 따라 1차측 전류(i₁)가 "0"이 된 후 상기 제 1 스위치(S1)를 끄면 그 제 1 스위치(S1)는 영전류스위칭(ZCS) 오프된다. 상기 보조 변압기(TA)의 2차 전류는 다이오드(D_A3,D2)를 통하여 전원측으로 흐르게 되어 인덕터(L_lk)내의 전력이 환원된다. 또한, 상기 다이오드(D2)를 통하여 전류가 흐르는 동안 제 2 스위치(S2)를 턴온시키면 그 제 2 스위치(S2)의 영전압스위칭(ZVS) 온이 이루어진다.

제 4 모드(M4)는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 스위치(S2)만 온되어 있는 상태로서, 상기 변압기(100)의 1차측에는 전류가 흐르지 않고 2차만을 통하여 프리-휠(free-wheel)하는 구간이다.

제 5 모드(M5)는 제 3 스위치(S3)를 턴온하여 영전류스위칭 온하는 구간이다. 이 구간 동안 1차 전류(i₁)는 상기 인덕터(L_lk)에 의해 기울기를 가지고 증가하며 상기 변압기(100)의 2차측에서 다이오드(D_f1)을 통해 흐르던 전류는 다이오드(D_f2)를 통해 흐르게 된다.

상기 제 1 모드(M1)부터 제 6 모드(M6)까지의 순차적인 동작에서, 영전압 영전류 스위칭 조건에 대하여 설명한다.

지상 레그에서의 ZVS는 스위치 S4 또는 S2가 꺼진 후 공진을 통하여 이루어진다. 공진회로가 구성되면 인덕터 L_lk, L_f내의 에너지가 캐패시터 C2,C4의 전위를 V_DC만큼 변화시킨다. 그래서 ZVS가 가능하려면 하기 식(1)의 조건이 만족되어야 한다. ZVS가 일어나는 최소전류 I_1min은 하기 식(2)으로 주어진다. n₁ ²L_f은 비교적 큰 값이므로 항상 ZVS가 일어난다고 볼 수 있다.

(1)

(2)

여기서,

(3)

(4)

최소전류일 때 상기 제 2 모드(M2)에 해당하는 시간T_ZVS `는 근사적으로 다음 식(5)로 주어진다.

(5)

진상 레그에서의 ZCS는 상기 제 4 모드(M4)에서 상기 변압기(100)의 1차 전류(i₁)를 제거함으로 이루어진다. 그 1차 전류(i₁)를 제거하는데 필요한 시간 T_ZCS 는 다음 식(6)과 같이 주어진다.

(6)

ZVS가 일어나는 최소 전류I_1min이 흐를 때 하기 식(7)과 같이 가장 짧은 시간이 소요된다.

(7)

최대전류에서는 하기 식(8)과 같이 가장 긴 시간이 소요된다.

(8)

여기서, L_lk는 1차로 환산한 변압기의 누설 인덕턴스이고 I_1min는 1차전류의 최대치이다.V_aux는 n₂V_DC로 주어지므로 T_ZCS는 보조변압기의 권수비로 조절할 수 있다. 최대전류일 때 가장 긴 시간이 필요하므로 ZCS가 보장되는 조건은 하기 식 (9)로 주어진다.

(9)

여기서, D_max는 사용되는 최대 듀티사이클이고, T_s는 스위칭 주기이다.

이어, 상기 풀브리지 스위칭부(200)의 각 스위치(S1-S4)의 데트타임 설정에 대하여 설명한다. 참고로 하기 설명에서 t1, t2, t3, t4, 및 t5는 각각 제 1 모드(M1), 제 2 모드(M2), 제 3 모드(M3), 제 4 모드(M4), 및 제 5 모드(M5)의 소요 시간을 나타낸 것이다.

지상 레그에서 스위치 S4는 t=t1 때에 꺼지고 스위치 S2는 공진이 끝난 후 t2 < t < t4에서는 어느 때에 켜도 영전압스위칭 온(ZVS-on)이 가능하여 데드타임의 설정이 비교적 자유롭다. 지상 레그에서의 스위치 S2와 S4간의 데드타임T_d2-4는 다음 식(10)의 조건을 만족하면 된다.

t₂-t₁< T_d2-4< t₄-t₁(10)

t2 -t1의 최대치는 T_ZVS고, t4 -t3의 최소치는 T_ZVSmin이므로 하기 식(11)을 만족하도록 설정하면 항상 ZVS가 가능하다.

(11)

진상 레그에서 스위치 S3는 t=t5 때에 켜고 스위치 S1은 제 5 모드(M5) 동안 어느 때에 꺼도 되므로 진상 레그에서의 스위치 S1과 S3간의 데드타임 T_{d`1-3}의 설정도 비교적 자유롭다.

T_d1-3< t₅-t₄(12)

t5 -t4의 최소치는 듀티가 가장 크고 전류가 가장 많이 흐를 때 주어지므로 데드타임의 범위는 하기 식(13)으로 주어진다.

(13)

상기 풀브리지 스위칭부(200)의 각 스위칭소자(S1-S4)는 상기 제어부(600)의 위상변이펄스폭변조기(650)의 위상변이 출력신호에 의해 제어되는 바, 이 위상변이 출력신호에 따른 상기 스위칭부(200)의 스위칭 동작에 의해 상기 주변압기(100)의 1차측 전압이 제어되고 이 1차측 전압에 따라 2차측 직류 출력 전류가 제어된다. 도 3의 풀브리지 스위칭부(200)가 이상적인 하드스위칭( hard-switching ) 동작을 한다고 가정하면, A점의 전압은 도 7의 (a)와 같이되고 B점이 전압은 도 7의 (b)와 같이 되고 A-B간의 전압은 도 7의 (c)와 같이 된다. A-B간의 전압 위상차 Φ에 의해 A-B간의 전압의 평균치가 변하게 되고 그 전압의 평균치 avg(V_AB)는 다음식과 같이 주어진다.

avg(V_AB) = (Φ/π)V_DC

위상변이는 제어전압에 따라 비례하도록 하면 제어전압에 비례하는 평균전압을 얻을 수 있다. 변압기(100) 권선에서의 전압 강하와 다이오드 도통 전압을 무시하면 2차측 회로의 직류 전압은 상기 전압의 평균치 avg(V_AB)에 권수비를 곱합 것과 같다. 실제 본 발명의 회로에서는 영전압 스위칭 동작을 하므로 이상적인 하드-스위칭의 경우와는 약간 차이가 있으나 실용적으로는 전압의 평균치를 상기 식 avg(V_AB) = (Φ/π)V_DC으로 볼 수 있다.

도 8은 도 3의 풀브리지 스위칭부(200)의 각 스위치(S1-S4)를 구동시키기 위한 구동회로로서, 상기 스위치의 시비율은 상/하 스위치(S1과 S3 또는 S2와 S4)가 동일하므로 구동 신호 전달을 위해 고주파변압기(710)를 사용하였다. 데드-타임(dead-time)이 삽입될 수 있도록 2개의 토템-폴(totem-pole)(730)(750)의 출력단자에 변압기(710)의 1차측 권선의 양단을 각각 연결하였다. 데드-타임 동안에는 상기 위상변이펄스폭변조기(650)의 출력신호에 따라 2개의 토템-폴(730)(750)의 출력 신호가 모두 제거되고 이때에는 상기 변압기(710)의 1차측 전압은 "0"이 되어 2차측 출력 전압이 "0"이 되고 상/하 스위치(S1과 S3 또는 S2와 S4)의 각 게이트 구동 전압이 "0"이므로 그 상/하 스위치(S1과 S3 또는 S2와 S4)는 오프된다. 그외에는 상기 위상변이펄스폭변조기(650)의 출력신호에 따라 2개의 토템-폴(730)(750)의 출력 신호가 상보적(complementary)으로 출력되고 상기 상/하 스위치(S1과 S3 또는 S2와 S4)에 가해지는 전압은 극성을 서로 달리하여 상호 상보적으로 개폐된다. 도 8에서, 저항 R_F와 R_g는 IGBT로 구성되는 상기 각 스위치(S1-S4)의 스위칭 시간에 영향을 미치며 IGBT에 따라 그 값을 선택한다.

한편, 본 발명에 따른 고주파 풀브리지 전원장치를 전기 도금기의 전원장치에 적용할 때, 도금전류 즉, 부하전류의 크기 및 형태는 상기 제어부(600)의 전류지령발생부(610)에서 결정한다. 도금의 정도는 총전하량에 비례하는데 대체로 도 9와 같은 정전류를 흘려서 필요 전하량을 얻을 수 있다.

상기 전류지령발생부(610)에 의해 도금 전류는 도 9와 같이 일정하게 할 수도 있고 도 10과 같이 펄스상으로 만들 수 있다. 펄스 도금 전류를 사용하면 특수 도금 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 전류지령발생부(610)에 의해 도금 전류를 도 11과 같이 오프셋 있는 정현파로 만들 수 있다. 단 출력 전류의 방향이 바뀔 수 없으므로 오프셋 전류가 정현파의 최대치 보다 커야한다.

경우에 따라 요구되는 도금 전류가 도 12와 같이 특수한 형태를 갖게 된다. 이러한 경우를 위하여 전류파형을 프로그램할 수 있도록 함이 바람직하다. 예를 들어 한 주기를 20개의 선분으로 나누어 파형을 구성할 수 있으며, 프로그램 단위 시간과 최장 주기는 하기 [표1]과 같이 한다. 하기 [표1]에서 타입(type) Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ는 모두 동일한 표(시간-전류)로부터 동일한 형태의 전류를 만들어 내며 시간 단위만 달라진다. 타입 Ⅲ의 출력은 타입 Ⅰ이나 타입 Ⅱ로 짧은 시간에 확인해 볼 수 있다.

[표 1] 사용자 정의 파형의 시간 단위

	단위시간	최장시간	비 고
타입 Ⅰ	0.2 msec	2 sec	반복동작
타입 Ⅱ	20 msec	200 sec	반복동작
타입 Ⅲ	0.1 msec	1000 min	비반복동작

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고주파 풀브리지 전원 장치에 의하면, 영전압-영전류 스위칭을 구현하여 스위칭 손실을 줄이면서 주파수를 높일 수 있으므로 효율이 향상된 소형화 전원장치를 제공하고, 본 발명을 전기 도금기에적용할 시 제어수단에 의해 부하 전류의 크기 및 형태를 제어할 수 있으므로 용접기의 성능을 크게 향상시키는 효과가 있다.

본 발명을 적용하여 설계한 전기 도금기의 시작품을 제작하여 실험으로 그 동작을 다음과 같이 확인하였다. 시작품은 15[V], 500[A]의 용량을 갖는다.

도 13은 제작한 도금기의 동작파형으로서, 상단은 풀브리지 스위칭부(200)의 출력전압파형이고 중간은 주변압기(100)의 1차전압파형이며 하단은 1차 전류(i₁)의 파형이다. 전압과 전류 파형으로부터 ZV-ZCS가 이루어짐을 알 수 있다. 상기 변압기(100)의 1차 전압파형에서 작고 좁은 펄스는 보조변압기(T_A)에 의해 주어지는 리셋전압이 누설 인덕턴스의 비에 따라 주변압기(100)에 나타난 것이다. 이 전압은 브리지출력전압이 제거되었을 때 나타나 ZCS를 돕는다.

도 14는 상기 주변압기(100)의 2차측 동작파형으로서, 상단은 부하전류이고 중간은 정류부(300)의 정류파형이며 하단은 정류다이오드(D_f1,D_f2)에 흐르는 전류 파형이다.

도 15는 영전류스위칭 회로부(500)의 동작 파형으로서, 중간은 보조변압기(T_A)의 2차전압이고 하단은 보조변압기(T_A)의 2차전류이며 상단은 도 13에서와 같이 풀브리지 스위칭부(200)의 출력전압이다.

도 16은 도 10과 같은 펄스동작전류로 펄스주파수는 25[Hz]이고 저전류는 100[A]이며 고전류는 450[A]이다. 도 17은 도 11과 같은 오프셋 있는 정현파 출력 파형이다. 오프셋 전류는 200[A]이고 정현파의 최대치는 70[A]이다. 도 18은 도 12와 같은 사용자 정의 전류파형으로 0[A]에서 40[msec]동안 110[A]로 증가하고 20[msec] 동안 유지한 후, 다시 20[msec]동안 220[A]로 증가하고 20[msec]동안 유지하였다가, 다시 40[msec]동안 330[A]로 증가하여 40[msec]동안 유지한 후 20[msec] 동안 0[A]로 감소하는 파형이다.

이상으로 본 발명이 적용된 전기 도금기의 시작품은 안정된 동작을 하며 사용자의 요구에 따라 임의의 파형을 제공할 수 있음을 알 수 있으며, 더 나아가 본 발명은 전기 도금기용으로 한정되지 않고 각종 기기의 전원장치로 사용할 수 있음은 물론이다.

Claims

권선비에 따라 1차측의 에너지를 2차측으로 유도하기 위한 주 변압수단;

전원으로부터 상기 주 변압수단의 1차측으로 전달되는 에너지를 단속하기 위한 풀브리지 스위칭 수단;

상기 2차측의 전류를 정류하여 부하측으로 출력하기 위한 정류 수단;

상기 풀브리지 스위칭 수단의 각 스위칭소자의 스위칭 상태에 따라 상기 풀브리지 스위칭 수단을 통해 상기 변압 수단의 1차측으로 흐르는 전류의 방향에 대하여 역방향이 되는 역전압을 선택적으로 형성함으로써, 상기 풀브리지 스위칭 수단의 진상(進相)레그(Leading Leg) 스위칭소자의 영전류 스위칭을 위한 영전류스위칭 회로수단; 및

상기 스위칭 수단의 스위칭 동작을 제어하여 부하 전류의 크기 및 형태를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 영전류스위칭 회로수단은, 상호 직렬 연결되어 상기 전원의 양단에 연결된 제 1 및 제 2 다이오드; 및

상기 지상 레그의 암(Arm)과 상기 주 변압수단의 1차측 권선 사이에 양단이 연결된 제 1 권선과, 상기 제 1 및 제 2 다이오드의 공통 접속점과 상기 지상 레그의 암(Arm) 사이에 양단이 연결된 제 2 권선이 구비된 보조 변압기로 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어수단은, 설정되는 부하전류의 크기 및 형태에 따라 전류 지령 신호를 발생하기 위한 전류 지령 발생 수단;

상기 발생된 전류 지령 신호와 상기 부하에 제공되는 전류신호를 상호 비교하여 그 차이에 의거한 제어 신호를 출력하기 위한 전류 제어 수단; 및

상기 전류 제어수단의 출력 신호에 따라 상기 풀브리지 스위칭 수단을 제어하여 상기 부하에 상기 전류 지령 신호에 대응하는 전류가 제공되도록 하는 위상변이 펄스폭변조수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 부하 전류의 크기 및 형태를 원격 설정하는 원격 제어수단을 더 포함하여 구성되되, 상기 원격 제어수단과 상기 전류 지령 발생 수단은 상호 직렬 데이터 통신 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 3항 또는 제 4항 중 한 항에 있어서,

상기 전류지령발생수단은, 상기 부하 전류가 정전류 형태로 되도록 하기 위한 전류 지령 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 3항 또는 제 4항 중 한 항에 있어서,

상기 전류지령발생수단은, 상기 부하 전류가 펄스 형태로 되도록 하기 위한 전류 지령 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 3항 또는 제 4항 중 한 항에 있어서,

상기 전류지령발생수단은, 상기 부하 전류가 오프셋 있는 정현파 형태로 되도록 하기 위한 전류 지령 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.
제 3항 또는 제 4항 중 한 항에 있어서,

상기 전류지령발생수단은, 상기 부하 전류가 사용자 정의에 따른 구분적인(piece-wise) 선형 전류 형태로 되도록 하기 위한 전류 지령 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 고주파 풀브리지 전원 장치.