KR101441271B1 - 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법 - Google Patents

전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

전류형 인버터의 스위칭 소자의 제어에 있어서, 각별한 제어를 필요로 하지 않고, 커뮤테이션 동작을 위해서 통상의 스위칭 동작에 의해, 스위칭 소자의 스위칭 손실을 막는다.
전류형 인버터 장치의 커뮤테이션 동작에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간이 생성되도록 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어하고, 이 중복 구간을 가지는 스위칭 소자의 제어에 기초하여 공진 회로를 제어하며, 공진 회로의 공진 전류에 의하여 스위칭 소자의 커뮤테이션 동작시에 있어서의 스위칭 손실을 저감한다. 중복 구간을 가지는 스위칭 소자의 제어를 이용하여 공진 회로의 공진 전류의 생성을 제어하고, 이 제어에 의하여 생성되는 공진 전류에 의하여, 커뮤테이션시에 있어서 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 전류 및 전압을 영으로 하며, 커뮤테이션 동작시의 스위칭 손실을 저감한다.

Description

전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법{CURRENT SOURCE INVERTER DEVICE, AND METHOD FOR CONTROLLING CURRENT SOURCE INVERTER DEVICE}
본 발명은, 예를 들면, 플라즈마 부하 등의 부하에 전류를 공급하는 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법에 관한 것이다.
전류형 인버터 장치는, 직류원에 접속한 직류 리엑터(reactor)와, 직류 리엑터로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 변환부와, 변환부의 스위칭 소자를 구동 제어하는 제어부를 구비하고, 부하측에서 보면 전류원으로서 취급될 수 있기 때문에, 부하 합선 등의 부하의 임피던스 변동에 대하여 변동을 억제 방향으로 작용한다고 하는 특징이 있다. 예를 들면, 플라즈마 부하의 경우에는, 플라즈마를 유지하는 방향으로 작용한다.
전류형 인버터 장치는, 상기한 바와 같이 부하가 변동한 경우라도 부하로의 전류 공급을 안정하게 행할 수 있다고 하는 유리성(有利性)으로부터, 임피던스(impedance) 가 상황에 따라 변화하는 플라즈마 부하로의 전력 공급에 적합하다.
예를 들면, 플라즈마가 소호(消弧)하고, 플라즈마 부하가 오픈 상태의 방향으로 변동한 경우에는, 전류형 인버터 장치의 플라즈마 부하에 대한 전압은 상승한다. 이 전압 상승은 플라즈마의 발화를 촉진하는 방향이며, 발화를 용이하게 한다. 반대로, 플라즈마 부하 측에 아크(arc)가 발생하여 플라즈마 부하가 쇼트 상태의 방향으로 변동한 경우에는, 전류형 인버터 장치는 부하에 대하여 일정 전류를 공급하기 위해, 플라즈마 부하에 대하여 전류를 과잉으로 공급하는 것이 억제되기 때문에, 플라즈마 부하에 대한 데미지를 저감시킬 수 있다.
도 15는 전류형 인버터 장치의 일 구성예를 설명하기 위한 도이다. 도 15에 있어서, 전류형 인버터 장치(100)는, 전류형 강압 초퍼회로(chopper circuit, 101)와 3상(相) 인버터 회로(102)와 3상 변압기(103)를 구비한다. 전류형 강압 초퍼회로(101)는, 스위칭 소자(Q1)를 초퍼 제어함으로써, 도시하고 있지 않은 교류원 및 정류회로로부터 입력한 직류를 강압(降壓)하고, 직류 리엑터(LF1)로 전류 평활하여 3상 인버터 회로(102)에 입력한다.
직교변환을 행하는 초퍼회로는, 상기한 전류형 강압 초퍼회로(101)에 대신하여 전류형 승강압 초퍼회로를 이용해도 좋다.
3상 인버터 회로(102)는, 스위칭 소자(QR, QS, QT, QX, QY, QZ)의 점호(点弧), 소호를 소정의 타이밍으로 제어함으로써, 소자 사이에서 전류를 행하여 3상 변압기(103)로 교류 전력을 공급한다.
전류형 인버터 장치는, 모든 스위칭 소자가 통전 전류를 차단하면, 직류 리엑터에 의한 전류에 의하여 스위칭 소자에 과전압이 인가됨으로써 소자 파괴가 생길 우려가 있으며, 또, 커뮤테이션(commutation, 轉流)시에 스위칭 소자에 전류나 전압이 발생함으로써 소자 파괴가 생긴다고 하는 문제가 있다.
이와 같은 부하 합선 사고에 의한 스위칭 소자의 파괴를 방지하기 위해서, 부하 전류를 검출하여 통전 기간을 구하고, 이 통전 기간 내에 있어서 스위칭 소자를 제어하는 기술이나, 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하여, 검출 전류에 기초하여 스위칭 소자를 제어하는 기술이 알려져 있다(특허 문헌 1 참조).
이 외, 전류 차단에 의한 서지 전압의 발생이나 스위칭 손실의 과제에 대하여, 부하 전압의 제로 크로스점에 있어서, 커뮤테이션 소스(commutation source, 轉流元)의 스위칭 소자의 전류가 영(zero)이 되는 전류 중복 시간을 구하고, 커뮤테이션 타켓(commutation target)의 스위칭 소자를 부하 전압의 제로 크로스점에서 구한 전류 중복 시간만큼 빠른 시점에서 커뮤테이션을 개시시키는 기술이 알려져 있다(특허 문헌 2 참조).
도 16 및 도 17은, 도 15의 회로 동작에 있어서 커뮤테이션시의 스위칭 손실을 설명하기 위한 도이다. 도 16은, 커뮤테이션 소스와 커뮤테이션 타켓의 스위칭 소자의 ON상태가 중복되지 않고 커뮤테이션하는 경우를 나타내고 있다. 이 예에서는, 스위칭 소자(QR)를 커뮤테이션 소스, 스위칭 소자(QS)를 커뮤테이션 타켓으로 하고, 각각 게이트 펄스 신호(GR 및 GS)에 의하여 ON 상태로 하고 있다(도 16(a), (b)). 게이트 펄스 신호(GR)의 하강 게이트 펄스 신호(GS)의 상승은 일치하고 있기 때문에, 스위칭 소자간은 겹쳐지지 않고 커뮤테이션이 행해진다. 여기서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)에 흐르는 전류(IQR) 및 전압(VQR)(스위칭 소자의 드레인·소스간 전압)은, 도 16(c),(e)에 나타내는 바와 같이, 오프시에 있어서 배선 인덕턴스나 소자 용량이나 부하 인덕턴스 등에 의한 영향으로 시정수(時定數)가 변화한다. 그 때문에, 커뮤테이션시에 있어서 ZCS 및 ZVS가 되지 않고, 스위칭 손실이 발생한다. 또, 서지 전압이 발생하고, 스위칭 소자의 파손으로 연결된다.
또, 커뮤테이션시에 있어서 커뮤테이션 소스와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자의 ON 상태가 겹치는 중복 구간을 설치한 경우라도, 도 17(c),(e)에 나타내는 바와 같이, 커뮤테이션시에 있어서 ZCS 및 ZVS가 되지 않기 때문에, 스위칭 손실이 발생한다.
또, 스위칭 손실을 저감하는 소프트 스위칭 인버터로서 공진형 인버터가 알려져 있다.
공진형 인버터는, 스위칭 소자에 커뮤테이션 다이오드 및 공진용 콘덴서를 병렬 접속하고, 이 공진용 콘덴서와 공진용 인덕턴스 및 공진 회로에 접속한 스위칭 소자에 의하여 공진 회로를 구성한다. 공진 회로의 공진 전류에 의한 공진용 콘덴서의 충방전과 커뮤테이션 다이오드의 도통에 의하여, 스위칭 소자의 ZVS(영 전압 스위칭), ZCS(영 전류 스위칭)를 실현하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 2).
또, 공진 회로는, 스위칭 소자에 공진용 콘덴서를 병렬 접속하는 구성이기 때문에, 콘덴서에 의하여 용량이 증가한다고 하는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 보조 스위칭 소자로 이루어지는 보조 회로에 의하여 공진 회로를 형성하는 구성이 제안되고 있다(특허 문헌 3).
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평 8-298777호 특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2002-325464 특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2004-23881
종래 제안되고 있는 전류형 인버터에서는, 스위칭 소자의 구동 시기를 제어하고 스위칭 손실이나 소자 파괴를 막기 위해서, 예를 들면, 부하 전류나 스위칭 소자의 전류를 검출할 필요가 있다. 또, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 전류가 영이 되는 전류 중복 시간을 검출함으로써 스위칭 소자를 제어하는 구성에 있어서도, 전류 중복 시간을 검출하기 위해서 부하 전류 및 부하 전압을 검출할 필요가 있다.
그 때문에, 어느 구성에 있어서도, 전류나 전압을 검출하는 검출기를 설치할 필요가 있는 것 외, 검출 전류나 검출 전압에 기초하여 스위칭 소자를 제어하는 제어 신호를 형성하는 제어 회로를, 통상의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어 회로 외에 준비할 필요가 있다고 하는 문제가 있다.
또, 공진형 인버터의 경우에는, 스위칭 소자에 병렬로 공진 콘덴서를 접속할 필요가 있는 것 외, 공진 회로용의 스위칭 소자를 위한 제어 신호를 형성하는 제어 회로를, 통상의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어 회로 외에 준비할 필요가 있다고 하는 문제가 있다.
따라서, 종래 알려져 있는 전류형 인버터 장치에서는, 커뮤테이션 동작을 위해 통상 행하는 스위칭 동작을 제어하는 것 외에, 스위칭 손실이나 소자 파괴를 막기 위해서 스위칭 소자를 제어하는 것이 필요하다고 하는 문제가 있고, 통상의 커뮤테이션 동작으로 행하는 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어 회로 외에, 스위칭 손실이나 소자 파괴를 막기 위해서 스위칭 소자를 제어하는 제어 회로가 필요하다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고, 전류형 인버터의 스위칭 소자의 제어에 있어서, 각별한 제어를 필요로 하지 않고, 커뮤테이션 동작을 위해서 통상의 스위칭 동작에 의해, 스위칭 소자의 스위칭 손실을 막는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전류형 인버터 장치의 커뮤테이션 동작에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 커뮤테이션의 중복 구간의 생성에 있어서, 부하 전류의 변동에 대해서 충분한 중복 시간을 얻을 수 있도록, 중복의 시간폭(위상폭)을 미리 설정하여 고정한 커뮤테이션의 중복 구간을 설치한다. 여기서, 고정이란, 커뮤테이션의 중복 구간의 시간폭(위상폭)이 부하 전류의 변동에 관계없이 설정한 폭인 것을 의미하고 있다. 커뮤테이션의 중복 구간의 설정은, 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어한다. 스위칭 소자의 커뮤테이션의 중복 구간에서의 구동 타이밍 제어에 의하여 공진 회로를 제어하고, 공진 회로의 공진 전류에 의하여 스위칭 소자의 커뮤테이션 동작시에 있어서의 스위칭 손실을 저감한다.
본 발명의 전류형 인버터 장치 및 인버터 제어에 의하면, 커뮤테이션시에 있어서의 스위칭 소자의 구동 타이밍만을 바꾸고, 커뮤테이션 소스와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 커뮤테이션의 중복 구간의 생성에 있어서, 부하 전류가 변동한 경우라도, 중복 시간폭(위상분)을 충분히 얻을 수 있도록 미리 설정해 둠과 함께, 커뮤테이션의 중복 구간에 있어서의 스위칭 소자의 제어에 의하여 공진 회로에 공진 전류를 흘려, 공진 전류에 의하여 스위칭 손실을 저감한다.
이 커뮤테이션의 중복 구간에 있어서의 공진 전류를 이용함으로써, 종래 알려진 전류형 인버터 장치와 같이, 커뮤테이션 동작을 위해서 통상 행하는 스위칭 동작 제어에 부가하여, 스위칭 손실을 막기 위한 스위칭 소자의 제어는 불필요하고, 또, 통상의 커뮤테이션 동작으로 행하는 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어 회로에 부가하여, 스위칭 손실을 막기 위한 제어 회로는 불필요하다.
본원 발명은, 단지, 커뮤테이션 소스와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간을 생성함으로써 스위칭 소자의 스위칭 손실을 저감하는 것이 아니라, 중복 구간을 가지는 스위칭 소자의 제어를 이용하여 공진 회로의 공진 전류의 생성을 제어하고, 이 제어에 의하여 생성되는 공진 전류에 의하여, 커뮤테이션시에 있어서 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 전류 및 전압을 영으로 하며, 커뮤테이션 동작시의 스위칭 손실을 저감하는 것이다.
본원 발명은, 전류형 인버터 장치의 형태와, 전류형 인버터 장치의 제어방법의 형태를 구비한다.
[전류형 인버터 장치의 형태]
본원 발명의 전류형 인버터 장치는, 직류원을 구성하는 전류형 초퍼부와, 전류형 초퍼부의 직류 출력을 복수의 스위칭 소자의 동작에 의해 다상(多相)의 교류 전력으로 변환하는 다상 인버터부와, 전류형 초퍼부 및 다상 인버터부를 제어하는 제어부와, 다상 인버터부의 스위칭 소자에 공진 전류를 공급하는 공진 회로를 구비한다.
제어부는, 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟과 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어한다. 이 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어함으로써, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자와 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간을 생성함과 함께, 공진 회로의 공진 전류를 제어한다.
공진 회로의 공진 전류는, 중복 구간에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 역바이어스 방향으로 공급하고, 스위칭 소자에 역병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드에 대하여 순 바이어스 방향으로 공급한다. 이 공진 전류의 스위칭 소자 및 커뮤테이션 다이오드에 공급함으로써, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 중복 구간에 있어서 영 전류 및 영 전압으로 하고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 시점에 있어서의 커뮤테이션 동작을 영 전류 및 영 전압으로 행한다.
본원 발명의 전류형 인버터 장치 및 제어방법은, 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환하는 3상 인버터로 한정되지 않고, 직류 전력을 2상 이상의 임의의 다상의 교류 전력으로 변환하는 다상 인버터로 적용할 수 있다.
본원 발명의 공진 회로는, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자의 출력을 공진 전류의 공급원으로 하고, 중복 구간에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 오프 상태가 되기 전에, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자를 온 상태로 함으로써, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향의 전류를 공진 회로에 도입하여 공진 전류를 생성한다.
본 발명의 공진 회로는, 다상 인버터부가 변환하는 교류 전력의 상수(相數)와 동수(同數)의 전류 공급 단자를 구비한다. 각 전류 공급 단자를, 다상 인버터부를 형성하는 스위칭 소자의 브릿지 구성에 있어서 상대하는 스위칭 소자의 각 접속 단자에 접속한다.
다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자에 접속된 전류 공급 단자로부터 공진 회로 내에 전류를 도입하여 공진 전류를 생성한다. 공진 회로에서 생성된 공진 전류는, 커뮤테이션 소스에 스위칭 소자에 접속된 전류 공급 단자로부터 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 공급한다. 공진 회로로부터 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 공급된 전류는, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 도입된다.
커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 도입된 공진 전류는, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향 전류와 역방향이기 때문에 순 방향 전류를 상쇄(相殺)하고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 흐르는 전류를 영 전류로 한다.
또한, 공진 전류는 커뮤테이션 다이오드로 흐름으로써 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 전압을 영 전압으로 한다. 이 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 영 전류 상태 및 영 전압 상태는, 중복 구간에 있어서 계속되고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 온 상태에서 오프 상태로의 전환은 영 전류 상태 및 영 전압 상태로 행해지며, ZCS 및 ZCS에 의한 커뮤테이션이 행해진다.
본원 발명의 공진 회로의 회로 구성은, 예를 들면, 전류 공급단이 형성하는 각 단자간에 각각 LC 직렬 회로를 구비하는 구성으로 할 수 있다. LC 직렬 회로는, 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자의 순 전류를 입력하여 공진 전류를 생성하고, 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 공급한다.
본원 발명의 다상 인버터부가 직류 전력을 n상의 교류 전력으로 변환하는 경우에는, 공진 회로는, 공진 전류가 다음에 온 상태가 되는 다른 스위칭 소자로 흐르지 않기 때문에, 공진 회로를 구성하는 LC 직렬 회로의 리액턴스(L) 및 캐패시턴스(C)는 (L×C) 1/2＞π／n의 조건을 만족하는 것으로 한다. 다상 인버터부가 3상 인버터 회로인 경우에서는, LC 직렬 회로의 리액턴스(L) 및 캐패시턴스(C)가 만족해야 할 조건은 (L×C) 1/2＞π／3이다.
리액턴스(L) 및 캐패시턴스(C)가 이 조건을 만족하는 경우에는, 공진 전류의 반파장에 상당하는 위상분은, 다음의 스위칭 소자가 온 상태가 되기 전에 감쇠하고, 공진 전류에 의한 영향을 막을 수 있다.
또, 본원 발명의 다상 인버터부가 직류 전력을 n상의 교류 전력으로 변환하는 경우에 있어서, 중복 구간의 위상분(θt)은, 스위칭 소자간의 합선을 막기 위한 조건으로서 π／2n＞θt를 만족하는 것으로 한다.
중복 구간의 위상분(θt)이 π／2n＞θt의 조건을 만족함으로써, 인버터의 브릿지 구성에 있어서 직류 전력의 상하 사이에서 대향하는 두 개의 스위칭 소자간의 합선을 막을 수 있다. 다상 인버터가 3상 인버터인 경우에는, 중복 구간의 위상분(θt)이 만족해야 할 조건은 π／6＞θt이다.
또, 중복 구간 내에 있어서 전송원의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향 전류를 영으로 감소시키기 위한 조건으로서 sin(θt)＞(다상 인버터부의 상전류(相電流)/공진 전류의 최대 피크치)를 만족하는 것으로 한다.
이 조건을 만족함으로써, 중복 구간 내에 있어서 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향의 전류를 영으로 할 수 있다.
sin(θt)＞(다상 인버터부의 상전류/공진 전류의 최대 피크치)의 조건에서, 공진 회로의 공진 전류의 최대 피크치는, 다상 인버터부의 각 상의 상전류치 보다 크게 되도록 설정한다.
[전류형 인버터 장치의 제어방법의 형태]
본원 발명의 전류형 인버터 장치의 제어방법은, 전류형 초퍼부의 직류 출력을, 다상 인버터부가 가지는 복수의 스위칭 소자의 동작에 의해 다상의 교류 전력으로 변환하는 전류형 인버터 장치의 제어방법이다. 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟과 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어함으로써, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자와 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간의 생성 및 공진 전류를 제어한다.
중복 구간에 있어서, 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 역바이어스 방향으로 공급하고, 이 스위칭 소자에 역병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드에 대하여 순 바이어스 방향으로 공급한다. 이 전류 공급에 의하여, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 중복 구간에 있어서 영 전류 및 영 전압으로 하고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 시점에 있어서의 커뮤테이션 동작을 영 전류 및 영 전압으로 행한다.
다상 인버터부는 스위칭 소자의 브릿지 구성과, 브릿지 구성에 있어서 상대하는 스위칭 소자의 접속 단자간에 접속한 공진 회로를 구비한다. 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자로의 전류를 상기 공진 회로에 도입하여 공진 전류를 생성하고, 중복 구간에 있어서 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 상기 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 공급한다.
다상 인버터부는 직류 전력을 n상의 교류 전력으로 변환하는 인버터로 할 때, 스위칭 소자간의 합선을 막기 위한 조건으로서, 중복 구간의 위상분(θt)을 만족하는 조건은, π／2n＞θt이다. 다상 인버터부가 3상 인버터 회로인 경우에는, 중복 구간의 위상분(θt)을 만족하는 조건은, π／6＞θt이다.
또, 중복 구간 내에 있어서 전송원의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향 전류를 영으로 감소시키기 위한 조건은, sin(θt)＞(다상 인버터부의 상전류/공진 전류의 최대 피크치)이다.
이 조건을 만족함으로써, 중복 구간 내에 있어서 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향의 전류를 영으로 할 수 있다.
sin(θt)＞(다상 인버터부의 상전류/공진 전류의 최대 피크치)의 조건으로부터, 공진 회로의 공진 전류의 최대 피크치는, 다상 인버터부의 각 상의 상전류치보다 크게 되도록 설정한다.
이상 설명한 것처럼, 본 발명의 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법에 의하면, 전류형 인버터의 스위칭 소자의 제어에 있어서, 각별한 제어를 필요로 하지 않고, 커뮤테이션 동작을 위해서 통상의 스위칭 동작에 의해, 스위칭 손실을 막을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 전류형 인버터 장치의 구성 예를 설명하기 위한 도이다.
도 2는, 본 발명의 전류형 인버터 장치의 다른 구성 예를 설명하기 위한 도이다.
도 3은, 본 발명 전류형 인버터 장치의 개략 구성도 및 동작도이다.
도 4는, 본 발명의 전류형 인버터 장치의 스위칭 소자의 전류 상태를 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 5는, 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로의 구성 예를 설명하기 위한 도이다.
도 6은, 본 발명의 스위칭 소자의 구동을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 7은, 본 발명의 공진 전류를 설명하기 위한 도이다.
도 8은, 본 발명의 공진 회로를 설명하기 위한 도이다.
도 9는, 본 발명의 중복 구간 및 공진 회로의 조건을 설명하기 위한 도이다.
도 10은, 본 발명의 스위칭 소자의 전류 상태를 설명하기 위한 도이다.
도 11은, 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로의 동작을 설명하기 위한 도이다.
도 12는, 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로의 동작을 설명하기 위한 도이다.
도 13은, 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로의 동작을 설명하기 위한 도이다.
도 14는, 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로의 동작을 설명하기 위한 도이다.
도 15는, 전류형 인버터 장치의 일구성예를 설명하기 위한 도이다.
도 16은, 인버터에 있어서 커뮤테이션시의 스위칭 손실을 설명하기 위한 도이다.
도 17은, 인버터에 있어서 커뮤테이션시의 스위칭 손실을 설명하기 위한 도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하에서는, 본 발명의 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법에 대하여, 도 1, 도 2를 이용하여 전류형 인버터 장치의 구성 예를 설명하고, 도 3, 도 4를 이용하여 전류형 인버터 장치의 제어 예에 대하여 설명한다. 또, 도 5~도 13을 이용하여 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로에 대하여 설명한다. 여기에서는, 다상 인버터로서 3상 인버터를 예로서 나타내고 있다.
[전류형 인버터 장치의 구성 예]
처음에, 본 발명의 전류형 인버터 장치의 구성 예에 대하여 도 1, 도 2를 이용하여 설명한다.
도 1에 나타내는 본 발명의 전류형 인버터 장치(1)는, 교류 전원(2)의 교류 전력을 정류하는 정류부(10), 과도적으로 생기는 고전압을 억제하는 보호 회로를 구성하는 스너버부(snubber)(20), 정류부(10)로부터 입력한 직류 전력의 전압을 소정 전압으로 변환하여 직류 전류를 출력하는 전류형 강압 초퍼부(30), 전류형 강압 초퍼부(30)의 직류 출력을 다상의 교류 출력으로 변환하는 다상 인버터부(40), 다상 인버터부(40)의 교류 출력을 소정 전압으로 변환하는 다상 변압부(50), 다상 변압부(50)의 교류를 직류로 변환하는 다상 정류부(60)를 구비한다.
직교변환을 행하는 초퍼부는, 상기한 전류형 강압 초퍼부(30)에 대신하여 전류형 승강압 초퍼부를 이용해도 좋다.
전류형 강압 초퍼부(30)는, 스위칭 소자(Q1)와 다이오드(D1)와 직류 리엑터(LF1)를 구비한다. 스위칭 소자(Q1)는, 정류부(10)에서 정류한 직류 전압을 초퍼 제어함으로써 강압한다. 직류 리엑터(LF1)는, 초퍼 제어한 직류를 전류 평활하여 다상 인버터부(40)에 입력한다.
제어 회로부(80)는, 전류형 강압 초퍼부(30)의 초퍼 전류 및 전류형 인버터 장치(1)의 출력전압의 검출치를 입력하고, 소정 전류 및 소정의 출력전압이 되도록 스위칭 소자(Q1)를 초퍼 제어한다.
도 2에 나타내는 본 발명의 전류형 인버터 장치(1)는, 전류형 강압 초퍼부(30)를 다른 구성 예로 하는 예이다. 도 2에 나타내는 전류형 강압 초퍼부(30)는, 출력단에 출력 콘덴서(CF1)를 병렬 접속하는 구성이다.
도 2에 나타내는 구성에서는, 통상 전류형 강압 초퍼에서는 설치되지 않은 출력 콘덴서를 설치한다. 전류형 강압 초퍼부(30)의 출력단에 출력 콘덴서(CF1)를 접속하는 구성으로 함으로써, 다상 인버터부(40)의 스위칭 소자 사이에서 커뮤테이션 동작을 행할 때에 발생하는 서지 전압이나, 각 스위칭 소자에 직렬 접속된 인덕턴스의 에너지를 흡수하고, 스위칭 소자를 보호할 수 있다.
한편, 출력 콘덴서(CF1)의 값은, 이 출력 콘덴서 및 배선 인덕턴스에 의한 시정수에 의하여 전류의 지연이 인버터 동작의 커뮤테이션에 영향을 주지 않는 정도로 설정한다.
다상 인버터부(40)는, 상수에 따른 스위칭 소자를 브릿지 접속하여 구성되는 다상 인버터 회로를 구비한다. 예를 들면 3상의 경우에는, 3상 인버터 회로는 6개의 스위칭 소자에 의하여 구성된다. 스위칭 소자는, 예를 들면, IGBT나 MOSFET 등의 반도체 스위칭 소자를 이용할 수 있다. 다상 인버터 회로의 각 스위칭 소자는, 스위칭 제어부(81)의 제어 신호에 기초하여 스위칭 동작을 행하고, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
다상 인버터부(40)는 공진 회로(70)를 구비하고, 이 공진 회로(70)에서 생성된 공진 전류를 다상 인버터 회로의 커뮤테이션 상태의 스위칭 소자에 도입하고, 상기 스위칭 소자의 커뮤테이션을 영 전류 및 영 전압 상태로 행한다. 본 발명의 공진 회로(70)는, 다상 인버터 회로의 각 스위칭 소자의 커뮤테이션 동작에 동기하여 공진 전류를 생성하고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 공진 전류를 도입하며, 상기 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 커뮤테이션 동작을 ZCS(영 전류 스위칭) 및 ZVS(영 전압 스위칭) 상태로 행한다.
다상 인버터부(40)의 교류 출력은, 스위칭 소자의 전환 주파수를 높임으로써 고주파 출력을 얻을 수 있다. 플라즈마 발생 장치를 부하부로 하는 경우에는, 전류형 인버터 장치는, 예를 들면 200KHz의 고주파 출력을 부하부로 공급한다. 고주파 출력으로 하기 위해서, 다상 인버터 회로는 스위칭 소자를 고주파로 전환 동작을 행한다. 이와 같이, 고주파의 구동 주파수로 스위칭 소자를 전환하면, 교류 출력에는 고주파 리플 성분이 포함된다.
다상 정류부(60)는, 다상 인버터부(40)의 교류 출력에 포함되는 고주파 리플 성분이 제거하는 일구성예로서, 통상의 다상 정류회로와 마찬가지로 출력부에 직류 필터 회로를 설치한다. 직류 필터 회로는, 출력단에 병렬 접속한 출력 콘덴서(CFO)와 직렬 접속한 출력 리엑터(LFO)에 의하여 구성할 수 있다.
전류형 인버터 장치(1)는, 상기한 직류 필터 회로를 필요로 하지 않고, 다상 정류부(60)의 직류 출력을 배선이 구비하는 배선 인덕턴스(L0)를 통하여 출력하고, 전류형 인버터 장치(1)와 플라즈마 부하가 되는 플라즈마 발생 장치(4)와의 사이를 출력 케이블(3)로 접속하는 구성으로 할 수 있으며, 고주파 리플 성분을 제거하는 구성으로서 전류형 인버터 장치의 기생임피던스를 이용할 수 있다.
예를 들면, 다상 정류부(60)와 출력 단자와의 사이의 배선임피던스(90)가 가지는 인덕턴스 및 전류형 인버터 장치(1)와 부하와의 사이에 접속되는 출력 케이블에 포함되는 인덕턴스(LFO)나, 플라즈마 부하의 경우에는 플라즈마 발생 장치(4)의 전극 용량(C0)에 의하여 직류 필터 회로와 같은 고주파분을 제거하는 필터 회로를 구성하고, 고주파 리플분을 저감한다.
전류형 인버터 장치를 플라즈마 발생 장치에의 전력 공급원으로 하는 경우, 부하측의 플라즈마 발생 장치(4)에서 아크가 발생했을 때에는 부하가 합선했다고 간주되어 전류형 인버터 장치 측에 구비하는 직류 필터 회로의 출력 콘덴서(CFO)로부터는 아크 에너지(Pc)가 공급된다.
이때, 출력 콘덴서(CFO)로부터 출력되는 아크 에너지(Pc)는 이하의 식(1)으로 표시할 수 있다.
Figure 112013099034621-pct00001
…(1)
플라즈마 발생 장치(4)의 아크 에너지(Pc)는, 출력 1kW당 1mJ 이하가 바람직하다. 이것은, 통상, 인덕턴스(LFO, LO)는 작은 값을 나타내기 때문에, 인덕턴스(LFO, LO)의 에너지(LFO＋LO)×IO 2에는 1mJ/kW에 대하여 무시할 수 있다. 한편, 1mJ/kW는 출력 1kW 당의 mJ단위의 에너지를 표시하고, 출력 100kW에 대한 에너지는 100mJ이다. 따라서, 플라즈마 발생 장치(4)의 아크 에너지(Pc)가 1mJ 이하인 경우에는, 출력 콘덴서(CFO) 값은, 식(1)의 Pc를 1mJ로서 얻어지는 CFO의 값 이상의 값을 선정함으로써, 아크 에너지(Pc)에 영향을 주지 않는다.
따라서, 전류형 인버터 장치에 있어서, 직렬 필터 회로에 대신하여, 배선임피던스나 출력 케이블이나 플라즈마 발생 장치의 전극 용량의 기생임피던스를 이용하는 구성에서는, 출력 콘덴서(CFO)에 상당하는 용량분이 아크 에너지(Pc)를 공급하기에 충분한 크기를 가지고 있으면, 고주파 리플 성분을 제거함과 함께, 아크 에너지(Pc)를 공급할 수 있다.
또, 고주파 리플분은, 다상 인버터 회로의 구동 주파수를 낮추면 증가하는 특성이 있다. 그 때문에, 다상 인버터 회로의 구동 주파수를 높임으로써, 출력 콘덴서(CFO) 및 출력 리엑터(LFO)의 필요성을 저하시킬 수 있다. 또, 다상 인버터 회로의 구동 주파수를 높임으로써, 전류형 인버터 장치(1)가 내부에 보유하는 에너지를 억제할 수 있다.
[전류형 인버터 장치의 커뮤테이션 동작 예]
다음으로, 본 발명의 전류형 인버터 장치에 있어서의 커뮤테이션 동작 예에 대하여 도 3, 도 4를 이용하고, 3상 인버터의 예에 기초하여 설명한다.
도 3은 전류형 인버터 장치의 개략 구성도 및 동작도이며, 도 4는 전류형 인버터 장치의 스위칭 소자의 커뮤테이션 상태를 설명하는 타이밍 차트이다. 한편, 도 3에 있어서, 소자 및 배선에 흐르는 전류 상태를 농담으로 나타내고, 도통 상태를 진한 표시로 나타내며, 비도통 상태를 희미한 표시로 나타내고 있다.
도 3에 나타내는 전류형 인버터 장치는, 6개의 스위칭 소자(QR, QS, QT, QX, QY, QZ)를 브릿지 접속하여 이루어지고, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx)를 직렬 접속하여, 스위칭 소자(QS)와 스위칭 소자(QY)를 직렬 접속하고, 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ)를 직렬 접속한다.
스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx)의 접속점은, 인덕턴스(Lm1)를 통하여 3상 변압기(51)의 R상분으로서 접속되고, 스위칭 소자(QS)와 스위칭 소자(QY)의 접속점은, 인덕턴스(Lm2)를 통하여 3상 변압기(51)의 S상분으로서 접속되고, 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ) 접속점은, 인덕턴스(Lm3)를 통하여 3상 변압기(51)의 T상분으로서 접속된다.
또, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx)의 접속점, 스위칭 소자(QS)와 스위칭 소자(QY)의 접속점 및 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ)의 접속점은 각각 공진 회로의 각 단자에 접속되고, 공진 회로로부터 공진 전류가 공급된다.
도 4의 타이밍 차트는, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)와의 사이의 커뮤테이션 동작 예를 나타내고 있다. 여기에서는, 스위칭 소자(QR)를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자로 하고, 스위칭 소자(QS)를 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자로 하고 있다.
본 발명의 전류형 인버터 장치에서는, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간이 생성되도록 커뮤테이션 동작을 제어함과 함께, 이 커뮤테이션 동작에 동기하여 공진 회로의 공진 전류를 제어하며, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 공급한다.
커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자(QS)가 모두 온 상태가 되는 중복 구간의 생성은, 스위칭 소자(QS)의 게이트 펄스 신호(GS)(도 4(b))가 상승하는 타이밍을, 스위칭 소자(QR)의 게이트 펄스 신호(GR)(도 4(a))가 하강하기 전으로 함으로써, 스위칭 소자(QR)를 온 상태로 하는 게이트 펄스 신호(GR)(도 4(a))와 스위칭 소자(QS)를 온 상태로 하는 게이트 펄스 신호(GS)(도 4(b))를 시간적으로 겹쳐지게 함으로써 행한다. 따라서, 스위칭 소자(QS)는 스위칭 소자(QR)가 온 상태에서 오프 상태로 전환하기 전에 온 상태가 되고, 중복 구간 내에서는, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)는 모두 온 상태가 된다.
이하, 도 4중의 A구간, B구간, C구간 및 D구간의 각 구간에 대하여 설명한다.
(A구간)：
도 4중의 A구간은 스위칭 소자(QR)가 온 상태에 있고, 스위칭 소자(QR)에 전류(IQR)(도 4(c))가 흐르고, 스위칭 소자(QS)의 전류(IQS)(도 4(d))는 흐르지 않는다.
도 3(a)은 A구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다.스위칭 소자(QR)의 전류(IQR)(도 4(c))는 R상 일차 전류(IR)(도 4(h))로서 3상 변압기(51)로 공급되고, 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
(B구간)：
게이트 펄스 신호(GS)에 의하여 스위칭 소자(QS)가 온 상태가 되고, 스위칭 소자(QS)에 전류(IQS)(도 4(d))가 흐르기 시작한다. 이때, 스위칭 소자(QS)의 전류(IQS)는, 공진부(70), 인덕턴스(Lm1), 인덕턴스(Lm2)에 의한 시정수로 증가하기 때문에, 스위칭 소자(QS)의 온 시점은 ZCS(영 전류 스위칭)가 행해진다(도 4(d)).
스위칭 소자(QS)의 상승 시점에 동기하고, 공진 회로(70)에 공진 전류가 흐르기 시작한다(도 4(g)). 공진 전류는 스위칭 소자(QR)에 대하여 역바이어스 방향으로 흐른다. 이 공진 전류는, 스위칭 소자(QR)에 있어서 순 방향의 전류(IQR)와 역방향이기 때문에, 전류(IQR)를 상쇄하여 감소한다(도 4(c)). 도 4(c)와 도 4(g)의 동그라미 친 부호 1은 상쇄 관계에 있는 전류분을 나타내고 있다.
도 3(b)은 B구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다.스위칭 소자(QR)의 순 방향 전류는 공진 전류로 상쇄되고, 3상 변압기(51)에는, 공진 전류의 일부에 의한 1차 전류(IR)(도 4(h)) 및 스위칭 소자(QS)에 의한 일차 전류(IS)(도 4(h))가 공급되며, 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
(C구간)：
B구간의 종료시점에서는, 스위칭 소자(QR)의 전류 IQR(도 4(c))는 공진 전류(도 4(g))로 상쇄되어 영 전류가 되고, 공진 전류의 잉여분은, 스위칭 소자(QR)에 병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드(DR)에 다이오드 전류(IDR)(도 4(e))로서 흐르기 시작한다. 도 4(e)와 도 4(g)의 동그라미 친 부호 2는 대응 관계에 있는 전류분을 나타내고 있다.
B구간에 계속하여 C구간의 처음 구간에서는, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)는 모두 온 상태에 있다. 이 구간에서는, 스위칭 소자(QR)의 전류(IQR)(도 4(c))는 공진 전류(도 4(g))로 상쇄되고 계속하여 영 전류를 유지하며, 스위칭 소자(QS)의 전류 IQS(도 4(d))는 공진 전류의 증가에 수반하여 증가한다. 이것에 의하여, 스위칭 소자(QR)의 드레인·소스간 전압(VD-S)은 영 전압으로 유지된다(도 4(f)).
C구간에 있어서, 게이트 펄스 신호(GR)의 상승에 의하여 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)가 오프 상태가 되면, 스위칭 소자(QR)는 오프 상태이지만, 스위칭 소자(QS)는 온 상태가 되고, 서로 다른 온·오프 상태가 된다. 이 상태에서는, 스위칭 소자(QR)는 오프 상태가 되어 전류(IQR)는 흐르지 않게 되고 공진 전류에 의한 상쇄는 없어지지만, 공진 전류는 계속하여 커뮤테이션 다이오드(DR)를 흐른다.
따라서, 스위칭 소자(QR)에 흐르는 전류(IQR)는, 공진 전류에 의한 영 전류 상태에 계속하여, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)가 오프 상태가 됨으로써 영 전류 상태가 유지되며, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)는 ZCS(영 전류 스위칭)가 실현된다.
또, 공진 전류가 스위칭 소자(QR)의 커뮤테이션 다이오드(DR)에 흐름으로써, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)는 ZVS(영 전압 스위칭)가 실현된다. 이 C구간은, 공진 전류가 영이 되는 시점에서 종료한다.
도 3(c)는 C구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다. 공진 전류는, 스위칭 소자(QR)의 순 방향 전류를 상쇄하여 영 전류로 하고, 커뮤테이션 다이오드(DR)에 흐르게 함으로써 영 전압으로 한다. 3상 변압기(51)에는, 공진 전류의 일부에 의한 1차 전류(IR) 및 스위칭 소자(QS)에 의한 일차 전류(IS)가 공급되며, 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다(도 4(h)).
(D구간)：
공진 전류가 영이 된 시점에서, 스위칭 소자(QR)의 드레인·소스간의 전압(VQR)에는 직류 전압분이 인가된다(도 4(f)).
도 3 및 도 4에 나타내는 동작 상태에서는, 3상 변압기(51)측과의 사이에는 일차 전류로서 R상의 일차 전류(IR)와 S상의 일차 전류(IS)가 흐른다. 구간 A에서는 일차 전류(IR)로서 전류(IQR)가 흐르고, 구간 B, C에서 일차 전류(IR)로부터 일차 전류(IS)로 커뮤테이션한 후, 구간 D에 있어서 일차 전류(IS)로서 전류(IQS)가 흐른다.
커뮤테이션 중에 있어서 일차 전류(IR)와 일차 전류(IS)가 함께 흐르는 구간에서는, 일차 전류(IR)와 일차 전류(IS)는 같은 전류치가 되며, 한쪽의 일차 전류가 흐를 때의 반의 전류가 흐른다. 일차 전류(IR)와 일차 전류(IS)가 함께 흐르는 구간은, 도 4(h)에서는 구간 C 내에서 구간 D로의 전환이 행해지는 구간을 제외한 부분이다.
도 4(h) 중의 구간 B에 있어서, 일차 전류(IR)는 중간 전류를 향하여 감소하고, 일차 전류(IS)는 중간 전류를 향하여 증가한다. 또, 도 4(h) 중의 구간 C에 있어서, 구간 D로의 전환 부분에서는, 일차 전류(IR)는 중간 전류로부터 영 전류를 향하여 감소하며, 일차 전류(IS)는 중간 전류로부터 일차 전류의 전 전류를 향하여 증가한다.
상기한 전류(IQR)에서 전류(IQS)의 전환 동작에 의하여, 전류형 강압 초퍼부로부터 3상 변압기(51)로 일차 전류가 차단되지 않고 공급된다.
도 3(d)는 D구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다. 공진 전류는 정지하고, 3상 변압기(51)에는 스위칭 소자(QS)에 의한 일차 전류(IS)가 공급되며, 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
상기 커뮤테이션 동작에 의하여, 공진 회로의 공진 전류는, 중복 구간에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 역바이어스 방향으로 공급하고, 스위칭 소자에 역병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드에 대하여 순 바이어스 방향으로 공급함으로써, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 중복 구간에 있어서 영 전류 및 영 전압으로 하며, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 온 상태에서 오프 상태로의 전환되는 시점에 있어서의 커뮤테이션 동작을 영 전류 및 영 전압으로 행한다.
다음에, 본원 발명의 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법의 형태에 대하여 설명한다.
본원 발명의 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법의 형태를 도 5~도 11을 이용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 인버터 회로 및 공진 회로의 구성 예를 나타내고, 도 6은 본 발명의 인버터 회로 스위칭 소자의 구동을 설명하는 타이밍 차트를 나타내며, 도 7은 본 발명의 공진 회로의 공진 전류를 설명하기 위한 도면을 나타내고, 도 8은 본 발명의 공진 회로를 설명하기 위한 도면을 나타내며, 도 9는 본 발명의 인버터 제어의 중복 구간 및 공진 회로의 조건을 설명하기 위한 도면을 나타내고, 도 10은 본 발명의 인버터 회로의 스위칭 소자의 커뮤테이션 상태를 설명하기 위한 도면을 나타내며, 도 11~도 14는 본 발명의 인버터 제어의 동작을 설명하기 위한 도면을 나타내고 있다. 한편, 도 11~도 14에 있어서, 소자 및 배선에 흐르는 전류 상태를 농담으로 나타내고, 도통 상태를 진한 표시로 나타내며, 비도통 상태를 희미한 표시로 나타내고 있다.
본 발명의 공진 회로는, 공진 회로의 전류 공급단이 형성되는 각 단자간에 각각 LC 직렬 회로를 구비한다. 각 LC 직렬 회로는, 인버터 회로의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자로부터 순 전류를 입력하여 공진 전류를 생성하고, 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 공급한다.
도 5(a)에 나타내는 인버터 회로(41)는, 6개의 스위칭 소자(QR, QS, QT, QX, QY, QZ)를 브릿지 접속하여 이루어지고, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx)를 직렬 접속하며, 스위칭 소자(QS )와 스위칭 소자(QY)를 직렬 접속하고, 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ)를 직렬 접속한다.
스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx)의 접속점(R)은, 인덕턴스(Lm1)를 통하여 3상 변압기(51)의 R상분으로서 접속되고, 스위칭 소자(QS)와 스위칭 소자(QY)의 접속점(S)은, 인덕턴스(Lm2)를 통하여 3상 변압기(51)의 S상분으로서 접속되며, 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ) 접속점(T)은, 인덕턴스(Lm3)를 통하여 3상 변압기(51)의 T상분으로서 접속된다.
공진 회로(71)는, 콘덴서(CL)와 리액턴스(LC)의 직렬 접속으로 이루어지는 3조(組)의 공진 회로부를 구비하고, 3조의 공진 회로부의 각 단부는 3개의 전류 공급단의 단자간에 접속된다. 전류 공급단의 각 단자는, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx)의 접속점(R), 스위칭 소자(QS)와 스위칭 소자(QY)의 접속점(S) 및 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ)의 접속점(T)에 접속된다.
이 구성에 의해, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)와의 커뮤테이션시에는 접속점(S)로부터 공진 회로(71)로 전류(Ics)가 공급되고, 스위칭 소자(QS)와 스위칭 소자(QT)와의 커뮤테이션시에는 접속점(T)로부터 공진 회로(71)로 전류(IcT)가 공급되며, 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QR)와의 커뮤테이션시에는 접속점(R)로부터 공진 회로(71)로 전류(IcR)가 공급된다.
공진 회로(71)는, 커뮤테이션 동작을 행하는 2개의 스위칭 소자 내의 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자의 순 방향 전류를 입력하여 공진 전류를 생성한다. 또한, 공진 회로(71)는, 생성된 공진 전류를, 커뮤테이션 동작을 행하는 2개의 스위칭 소자 내의 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 역바이스 방향으로 공급한다. 예를 들면, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)와의 사이에서 커뮤테이션을 행하는 경우에는, 공진 회로(71)는, 커뮤테이션 타겟인 스위칭 소자(QS)의 순 방향 전류를 입력하여 공진 전류를 생성하고, 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스인 스위칭 소자(QR)의 역바이어스 방향으로 전류를 공급한다. 한편, 공진 회로(71)는, 도 5(a)에서는, Δ형 접속의 구성을 나타내고 있지만, 도 5(b)에 나타내는 별형 접속에 의한 구성으로 해도 좋다.
도 6의 본 발명의 인버터 회로의 스위칭 소자의 구동을 설명하는 타이밍 차트는, 스위칭 소자(QR, QS, QT, QX, QY, QZ)를 구동하는 게이트 펄스 신호를 나타내고 있다. 여기에서는 3상 인버터의 예를 나타내고 있기 때문에, 3상 인버터의 구동 각주파수(角周波數)(ωI) 의 1 주기를 2π의 위상분으로 했을 때, 각 상의 스위칭 소자가 온 상태가 되는 구간은 (2π／3)의 위상분으로 된다. 도 6에서는, 일주기를, π／6의 위상분을 1구간으로 하는 전 12구간으로 분할하여 나타내고 있다. 한편, 3상 인버터의 구동 주파수를 fI로 했을 때, 구동 각주파수(ωI)는 ωI=2π×fI이다.
본원 발명에서는, 커뮤테이션 관계에 있는 2개의 스위칭 소자 사이에 중복구간(θt)을 설치함으로써 공진 회로에 공진 전류를 생성시키고, 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 공급하고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 ZCS(영 전류 스위칭) 및 ZVS(영 전압 스위칭)로 커뮤테이션 동작시켜, 이것에 의하여 커뮤테이션시에 있어서의 스위칭 손실을 저감한다.
(중복 구간(θt), 공진 회로의 설정)
이하, ZCS(영 전류 스위칭) 및 ZVS(영 전압 스위칭)의 커뮤테이션 동작에 필요한 중복 구간(θt)에 대하여 설명한다.
도 7은 R상 1차 전류(IR)에 대한 공진 전류(ICL)와 중복 구간(θt)과의 관계를 나타내고, 도 7(a)는 R상 1차 전류(IR)와 공진 전류(ICL)를 나타내며, 도 7(b)는 스위칭 소자(QR)를 구동 제어하는 게이트 펄스 신호(GR)를 나타내고, 도 7(c)는 스위칭 소자(QS)를 구동 제어하는 게이트 펄스 신호(GS)를 나타내고 있다. 또, 도 8은 공진 회로의 일구성예를 나타내고 있다.
커뮤테이션시의 중복 구간(θt)에 있어서, 공진 회로의 콘덴서(CL)와 리엑터(LC)를 직렬 접속하여 이루어지는 공진 회로로 생성되는 공진 전류(ICL)를, 공진 회로의 등가 캐패시턴스(Ce)와 등가 리엑터(Le)를 이용하면 이하의 식(2)로 표시된다.
Figure 112013099034621-pct00002
…(2)
여기서, 공진 전류의 최대치(Imax) 및 공진 회로의 각주파수(ωn)는 각각 이하의 식(3), (4)로 표시된다.
Figure 112013099034621-pct00003
…(3)
Figure 112013099034621-pct00004
…(4)
한편, VRS, Le 및 Ce는, 도 8(a)에서 나타내는 공진 회로의 R단자와 S단자간의 전압 및 등가 리엑터, 등가 캐패시턴스이다. 도 8(b)는 R상으로부터 S상으로 커뮤테이션했을 때의 공진 회로의 등가 회로이며, 이때 T상의 ICT 전류는 흐르지 않기 때문에 Le 및 Ce는 R-S상 사이에서 본 합성임피던스 회로로서 취급할 수 있다.
등가 리엑터(Le) 및 등가 캐패시턴스(Ce)는, 이하의 식(5), (6)으로 표시된다.
Figure 112013099034621-pct00005
…(5)
Figure 112013099034621-pct00006
…(6)
공진 회로의 각주파수(ωn)는, 식(4)~(6)에서 나타내는 바와 같이 공진 회로의 콘덴서(CL)와 리엑터(LC)로 정해지고, 공진 회로에 고유의 각주파수이다.
도 7(a)에 있어서, 공진 전류(ICL)가 최대 피크치(Imax)가 되는 시간(tP)은, ωn×tP=π／2의 관계로부터 이하의 식(7)로 표시된다.
Figure 112013099034621-pct00007
…(7)
커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(Q)를 커뮤테이션시에 있어서, 스위칭 소자(Q)의 커뮤테이션 다이오드(D)에 전류를 도통함으로써 스위칭 소자의 드레인·소스간 전압을 영 전압으로 하고, ZVS(영 전압 스위칭)로 할 수 있다. 1차 전류(IR)분을 3상 변압기로 공급함과 함께 커뮤테이션 다이오드(D)에 전류를 공급하려면, 식(3)으로 표시되는 공진 전류(ICL)의 최대 피크치(Imax)는, 각 상에 있어서, Imax＞IR, Imax＞IS, Imax＞IT의 범위가 되도록, 공진 회로에 있어서 콘덴서(CL)와 리엑터(LC)를 선정한다.
도 7에 있어서, 중복 구간(θt)의 최대 범위는 공진 전류의 반주기분(π)이다. 중복 구간(θt)이 공진 전류의 반주기분(π)을 넘어 설정된 경우에는, 중복 구간(θt)이 종료하여 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 오프 상태가 된 시점에 있어서 공진 전류는 이미 영으로 감쇠하고 있기 때문에, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 커뮤테이션 다이오드를 도통시켜 영 전압 상태로 할 수 없다.
따라서, ZVS(영 전압 스위칭)으로 하기 위해서, 중복 구간(θt)은 공진 전류의 반주기분(π) 내로 설정된다.
도 9는, 중복 구간(θt) 및 공진 회로의 콘덴서(CL) 및 리엑터(LC)를 설정할 때의 조건을 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a), (b)는 브릿지 구성에 있어서 접속 관계에 있는 스위칭 소자(QR와 QX)의 게이트 펄스 신호의 타이밍을 나타내고, 도 9(c), (d)는 브릿지 구성에 있어서 접속 관계에 있는 스위칭 소자(QS 와 QY)의 게이트 펄스 신호의 타이밍을 나타내며, 도 9(g), (h)는 브릿지 구성에 있어서 접속 관계에 있는 스위칭 소자(QT)와 스위칭 소자(QZ)의 게이트 펄스 신호의 타이밍을 나타내고 있다. 또, 도 9(e)는 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)간에 접속되는 공진 회로의 공진 전류(ICL)를 나타내고, 도 9(f)는 스위칭 소자(QR)에 흐르는 순 방향 전류(IQR)를 나타내고 있다.
본원 발명의 전류형 인버터 장치에 있어서, 커뮤테이션 동작 및 ZCS, ZVS의 스위칭 동작을 행하기 위한 조건으로서, 상기한,
(a) 공진 전류(ICL)의 최대 피크치(Imax)는, 각 상에 있어서, Imax＞IR, Imax＞IS, Imax＞IT의 범위이다.
(b) 중복 구간(θt)의 최대 범위는 공진 전류의 반주기분(π)이다.
의 조건이 있다.
중복 구간 및 공진 회로에 요구되는 조건으로서 이하의 조건(c), (d), (e)가 있다. 이 조건(c), (d), (e)는, 도 9중에 있어서 각각 부호 A, B, C로 나타내고 있다.
(c) 브릿지 구성에 있어서 접속 관계에 있는 스위칭 소자간의 합선을 막는 조건은, π/3＞θt이다.
중복 구간(θt)이 길어지면, 예를 들면 도 9중의 부호 A로 나타내는 바와 같이, 브릿지 구성에 있어서 접속 관계에 있는 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(Qx) 등의 스위칭 소자간이 합선하게 된다. 이 스위칭 소자간의 합선을 막기 위해서, π/3＞θt(ωI×Tn)의 조건이 요구된다. 한편, Tn은 공진 전류(ICL)의 시간폭,ωI는 3상 인버터의 구동 각주파수이다.
한편, 각 스위칭 소자에 있어서 온 상태가 되는 기간이, 시간 방향으로 전후에 동일한 임의의 시간폭으로 연장시킴으로써 중복 구간을 형성하는 경우에는, 각 연장 구간은 π/6보다 짧은 것이 조건이 된다.
(d) 공진 전류(ICL)가 다음의 공진 전류의 생성 모드와 관련되지 않기 위한 조건은, (Lc×CL) 1/2＜1/(3ωI)이다. ωI는 3상 인버터 회로의 구동 각주파수이다.
도 9중의 부호 B로 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자(QS)가 온 상태가 된 후, π／3 후에 스위칭 소자(Qx)의 온 상태가 되고 다음의 공진 전류가 흐르기 시작하기 때문에, 스위칭 소자(QS)가 온이 됨으로써 발생한 공진 전류(ICL)는 π／3 내로 종료할 필요가 있다.
공진 전류(ICL)의 시간폭을 Tn으로 하고 3상 인버터의 구동 각주파수(ωI)로 하면, 공진 전류(ICL)가 π／3 내인 조건은, ωI×Tn＜π／3으로 표시된다.
한편, 공진 회로에 있어서 공진 전류(ICL)의 시간폭(Tn)은 반주기(π)에 대응하기 때문에, Tn=π／ωn의 관계가 있다. 한편, ωn은 공진 회로의 각주파수이다.
따라서, 상기의 관계로부터, 공진 전류(ICL)가 π／3 내인 조건인 "ωI×Tn＜π／3"을, 공진 회로의 콘덴서(CL) 및 리엑터(LC)에 요구되는 조건으로 표시하면, (Lc×CL) 1/2＜1/(3ωI)가 된다.
(e) 중복 구간(θt)의 사이에 전류(IQR)가 영으로 감소하기 위한 조건은, 도 9중의 부호 C로 나타내는 바와 같이, sin(θt)＞IQR/Imax이다.
ZCS(영 전류 스위칭)를 실현하려면 , 중복 구간(θt)의 기간 내에서 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)의 전류(IQR)가 영으로 되어 있을 필요가 있고, 전류(IQR)를 저감시키는 공진 전류(ICL)는 적어도 중복 구간(θt)의 최후의 시점에 있어서 전류(IQR)보다 클 필요가 있으며, ICL＞IQR의 조건을 만족할 필요가 있다. ICL=Imaxsin(θt)의 관계에서, 이 조건은 sin(θt)＞IQR/Imax로 표시된다.
다음에, 도 10의 타이밍 차트를 이용하여, 본 발명의 전류형 인버터 장치에 의한 커뮤테이션 동작 예를 설명한다. 여기에서는, 도 6에 나타내는 동작 모드에 있어서, 동작 모드 4, 5, 6의 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)와의 사이의 커뮤테이션 동작을 나타내고 있다.
스위칭 소자(QR)를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자로 하고, 스위칭 소자(QS)를 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자로 하고 있다. 전류형 인버터 장치는, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자(QS)가 모두 온 상태가 되는 중복 구간이 생성되도록 커뮤테이션 동작을 제어함과 함께, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자(QS)가 온 상태가 되었을 때에 흐르는 순 방향 전류를 공진 회로(71)에 도입함으로써, 커뮤테이션 동작에 동기하여 공진 회로에 있어서 공진 전류를 생성시키고, 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)에 공급한다.
커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)와 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자(QS)가 모두 온 상태가 되는 중복 구간은, 스위칭 소자(QS)의 게이트 펄스 신호(GS)(도 10(b))가 상승하는 타이밍으로부터, 스위칭 소자(QR)의 게이트 펄스 신호(GR)(도 10(a))가 하강하는 타이밍까지로 하는 것이며, 스위칭 소자(QR)를 온 상태로 하는 게이트 펄스 신호(GR)(도 10(a))와 스위칭 소자(QS)를 온 상태로 하는 게이트 펄스 신호(GS)(도 10(b))를 시간적으로 겹쳐지게 함으로써 중복 구간을 형성한다.
따라서, 스위칭 소자(QS)는 스위칭 소자(QR)가 온 상태에서 오프 상태로 전환하기 전에 온 상태가 되고, 중복 구간(θt) 내(동작 모드(5))에서는, 스위칭 소자(QR)와 스위칭 소자(QS)는 모두 온 상태가 된다.
이하, 도 4와 마찬가지로, 도 10중의 A구간, B구간, C구간 및 D구간의 각 구간에 대하여 설명한다. A구간은 동작 모드 4에 대응하고, B구간은 동작 모드 5의 일부에 대응하며, C구간은 동작 모드 5의 나머지 부분에 대응하고, D구간은 동작 모드 6에 대응하고 있다.
(A구간)：
도 10중의 A구간은 스위칭 소자(QR)가 온 상태에 있고, 스위칭 소자(QR)에 전류(IQR)가 흐르고, 스위칭 소자(QS)의 전류(IQS)(도 10(c))는 흐르지 않는다.
도 11은 A구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다. 스위칭 소자(QR)의 전류(IQR)는 R상 일차 전류(IR)로서 3상 변압기(51)로 공급되고, 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
(B구간)：
게이트 펄스 신호(GS)에 의하여 스위칭 소자(QS)가 온 상태가 되고, 스위칭 소자(QS)에 전류(IQS)가 흐르기 시작한다. 이때, 스위칭 소자(QS)의 전류(IQS)는 인덕턴스(Lm2나 LC)에 의한 시정수로 증가하기 때문에, 스위칭 소자(QS)의 온 시점은 (ZCS)(영 전류 스위칭)이 행해진다(도 10(d)).
온 상태의 스위칭 소자(QS)에 흐르는 순 방향 전류(IQS)를 공진 회로(71)에 도입함으로써, 공진 회로(71)에 공진 전류(ICL)가 생성된다(도 10(g)). 생성된 공진 전류(ICL)를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)에 대하여 역바이어스 방향으로 도입한다. 도입된 공진 전류(ICL)는, 스위칭 소자(QR)에 있어서 순 방향의 전류(IQR)와 역방향이기 때문에, 전류(IQR)를 상쇄하여 감소한다(도 10(c)). 도 10(c)와 도 10(g)의 동그라미 친 부호 1은 상쇄 관계에 있는 전류분을 나타내고 있다.
도 12는 B구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다. 스위칭 소자(QS)의 전류는, 단자(S)를 통하여 공진 회로(71) 내로 도입되고, 콘덴서(CL)와 리엑터(LC)의 직렬 접속으로 이루어지는 공진 회로부에 의하여 공진 전류(ICL)가 생성된다. 공진 전류(ICL)의 일부는 R상의 1차 전류로서 3상 변압기(51)로 공급되고, 나머지의 일부는 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)에 역바이어스 방향으로 공급된다.
스위칭 소자(QR)의 순 방향 전류는 공진 전류로 상쇄되고, 3상 변압기(51)에는, 공진 전류의 일부에 의한 1차 전류(IR) 및 스위칭 소자(QS)에 의한 일차 전류(IS)가 공급되며 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
(C구간)：
스위칭 소자(QR)의 전류(IQR)는 영 전류가 된다. 공진 전류의 잉여분은, 스위칭 소자(QR)에 병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드(DR)로 흐른다. 도 10(e)와 도 10(g)의 동그라미 친 부호 2는 대응 관계에 있는 전류분을 나타내고 있다.
이것에 의하여, 스위칭 소자(QR)의 드레인·소스간 전압은 영 전압으로 유지된다(도 10(f)). 이 C구간 내에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)의 게이트 펄스 신호(GR)가 하강한 시점에서 중복 구간이 종료한다.
커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)의 오프시에 있어서, 스위칭 소자(QR)에 흐르는 전류(IQR)는, 공진 전류에 의한 영 전류 상태에 계속하여, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)가 오프 상태가 됨으로써 영 전류 상태가 유지된다. 따라서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)는 ZCS(영 전류 스위칭)가 실현된다.
또, 공진 전류가 스위칭 소자(QR)의 커뮤테이션 다이오드(DR)에 흐름으로써, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자(QR)는 ZVS(영 전압 스위칭)가 실현된다. 이 C구간은, 공진 전류가 영이 되는 시점에서 종료한다.
도 13은 C구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다. 공진 전류(ICL)는, 스위칭 소자(QR)의 순 방향 전류를 상쇄하여 영 전류로 하고, 커뮤테이션 다이오드(DR)에 흐름으로써 영 전압으로 한다. 3상 변압기(51)에는, 공진 전류의 일부에 의한 1차 전류(IR) 및 스위칭 소자(QS)에 의한 일차 전류(IS)가 공급되며 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
(D구간)：
공진 전류가 영이 된 시점에서, 스위칭 소자(QR)의 드레인·소스간 전압(VQR)에는 직류 전압분이 인가된다(도 10(f)).
한편, R상의 1차 전류(IR)는, 구간 B에 있어서 전류가 생기고, 구간 C에서 IR와 IS는 같은 전류가 되며, 구간 C의 마지막 시점에서 다시 전류가 생겨, 전류(IQR)에서 전류(IQS)으로 전환되며(도 10(h)), 차단되지 않고 3상 변압기(51)로 공급된다.
도 14는 D구간의 스위칭 소자의 동작 상태 및 전류 상태를 나타내고 있다. 공진 전류(ICL)는 정지하고, 3상 변압기(51)에는 스위칭 소자(QS)에 의한 일차 전류(IS)가 공급되며 스위칭 소자(QZ)를 통하여 되돌아온다.
상기 커뮤테이션 동작에 의하여, 공진 회로의 공진 전류는, 중복 구간에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 역바이어스 방향으로 공급하고, 스위칭 소자에 역병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드에 대하여 순 바이어스 방향으로 공급함으로써, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 중복 구간에 있어서 영 전류 및 영 전압으로 하고, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 온 상태에서 오프 상태로의 전환되는 시점에 있어서의 커뮤테이션 동작을 영 전류 및 영 전압으로 행한다.
본원 발명의 인버터의 커뮤테이션 동작에 있어서, 스위칭 소자 사이에서 모두 온 상태가 되는 중복 구간의 형성에 있어서, 커뮤테이션 타겟과 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 구동 타이밍은 복수의 형태로 행할 수 있다. 예를 들면, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자를 오프 상태에서 온 상태로 전환되는 타이밍을 앞당기는 형태, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 타이밍을 늦추는 형태 및 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자를 오프 상태에서 온 상태로 전환하는 타이밍을 앞당김과 함께, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 타이밍을 늦추는 형태 등으로 할 수 있다.
한편, 상기 실시형태 및 변형 예에 있어서의 기술은, 본 발명에 따른 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법의 일례이며, 본 발명은 각 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 취지에 기초하여 여러 가지 변형하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 전류형 인버터 장치는, 플라즈마 발생 장치에 전력을 공급하는 전력원으로서 적용할 수 있다.
1. 전류형 인버터 장치
2. 교류 전원
3. 출력 케이블
4. 플라즈마 발생 장치
10. 정류부
20. 스너버부
30. 전류형 강압 초퍼부
40. 다상 인버터부
41. 인버터 회로
42. 인버터 회로
50. 다상 변압부
51. 3상 변압기
60. 다상 정류부
70. 공진 회로
71. 공진 회로
72. 공진 회로
80. 제어 회로부
81. 스위칭 제어부
90. 배선임피던스
100. 전류형 인버터 장치
101. 전류형 강압 초퍼회로
102. 3상 인버터 회로
103. 3상 변압기

Claims (11)

  1. 직류원을 구성하는 전류형 초퍼부와, 상기 전류형 초퍼부의 직류 출력을 복수의 스위칭 소자의 동작에 의해 다상(多相)의 교류 전력으로 변환하는 다상 인버터부와, 상기 전류형 초퍼부 및 상기 다상 인버터부를 제어하는 제어부와, 상기 다상 인버터부의 스위칭 소자에 공진 전류를 공급하는 공진 회로를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션(commutation, 轉流)시에 있어서,
    상간(相間)에서 커뮤테이션을 수행하는 커뮤테이션 소스(commutation source, 轉流元)의 스위칭 소자와 커뮤테이션 타겟(commutation target, 轉流先)의 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어함으로써,
    커뮤테이션 소스의 한 쪽의 상의 스위칭 소자와 커뮤테이션 타겟의 다른 쪽의 상의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간을 생성하는 동시에,
    상간에서 커뮤테이션을 수행하는 커뮤테이션 소스 및 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자에 있어서, 커뮤테이션 소스의 한 쪽의 상의 스위칭 소자, 커뮤테이션 타겟의 다른 쪽의 상의 스위칭 소자 및 공진 회로의 폐회로를 형성하고,
    상기 공진 회로의 공진 전류는, 상기 중복 구간에 있어서, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 역바이어스 방향으로 공급하고, 또한 상기 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 역병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드에 대하여 순 바이어스 방향으로 공급함으로써, 상기 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 상기 중복 구간에 있어서 영 전류 및 영 전압으로 하고,
    커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 온 상태에서 오프 상태로 전환하는 시점에 있어서의 커뮤테이션 동작을 영 전류 및 영 전압으로 행하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로는, 상기 다상 인버터부가 변환하는 교류 전력의 상수(相數)와 동수(同數)의 전류 공급 단자를 구비하고,
    상기 각 전류 공급 단자는, 상기 다상 인버터부를 형성하는 스위칭 소자의 브릿지 구성에 있어서 상대하는 스위칭 소자의 각 접속 단자에 접속되고,
    상기 공진 회로는, 상기 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서,
    커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자에 접속된 전류 공급 단자로부터 공진 회로 내에 전류를 도입하고 공진 전류를 생성하며, 상기 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 접속된 전류 공급 단자로부터 상기 폐회로에 흐르게 함으로써, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 상기 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 공진 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공진 회로는, 상기 전류 공급단이 형성하는 각 단자간에 각각 LC 직렬 회로를 구비하고,
    상기 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서,
    상기 LC 직렬 회로는, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자의 순 전류를 입력하여 공진 전류를 생성하고, 상기 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다상 인버터부는 직류 전력을 n상의 교류 전력으로 변환하는 인버터이며,
    상기 공진 회로는, 상기 공진 전류가 다음에 온 상태가 되는 다른 스위칭 소자로 흐르지 않게 하기 위한 조건으로서,
    상기 공진 회로를 구성하는 LC 직렬 회로의 리액턴스(L) 및 캐패시턴스(C)는, n상의 다상 인버터부의 구동 각주파수(ωI)에 대하여, (L×C) 1/2＜1/(n×ωI)인 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다상 인버터부는 직류 전력을 n상의 교류 전력으로 변환하는 인버터이며,
    상기 중복 구간의 위상분(θt)은,
    스위칭 소자간의 합선을 막기 위한 조건으로서 π／2n＞θt를 만족하고,
    중복 구간 내에 있어서 전송원의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향 전류를 영으로 감소시키기 위한 조건으로서 sin(θt)＞(다상 인버터부의 상전류/공진전류의 최대 피크치)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 회로의 공진 전류의 최대 피크치는, 다상 인버터부의 각 상의 상전류치보다 큰 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치.
  7. 전류형 초퍼부의 직류 출력을, 다상 인버터부가 가지는 복수의 스위칭 소자의 동작에 의해 다상의 교류 전력으로 변환하는 전류형 인버터 장치의 제어방법에 있어서
    상기 다상 인버터부의 스위칭 소자간의 커뮤테이션(commutation, 轉流)시에 있어서,
    상간(相間)에서 커뮤테이션을 수행하는 커뮤테이션 소스(commutation source, 轉流元)와 커뮤테이션 타겟(commutation target, 轉流先)의 스위칭 소자의 구동 타이밍을 제어함으로써, 커뮤테이션 소스의 한 쪽의 상의 스위칭 소자와 커뮤테이션 타겟의 다른 쪽의 상의 스위칭 소자가 모두 온 상태가 되는 중복 구간을 생성하는 동시에,
    상간에서 커뮤테이션을 수행하는 커뮤테이션 소스 및 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자에 있어서, 커뮤테이션 소스의 한 쪽의 상의 스위칭 소자, 커뮤테이션 타겟의 다른 쪽의 상의 스위칭 소자 및 공진 회로의 폐회로를 형성하고,
    상기 중복 구간에 있어서, 상기 공진 회로의 공진 전류를, 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 역바이어스 방향으로 공급하고, 상기 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 역병렬 접속된 커뮤테이션 다이오드에 대하여 순 바이어스 방향으로 공급함으로써, 상기 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자를 상기 중복 구간에 있어서 영 전류 및 영 전압으로 하고,
    커뮤테이션 소스의 스위칭 소자가 온 상태에서 오프 상태로의 전환되는 시점에 있어서의 커뮤테이션 동작을 영 전류 및 영 전압으로 행하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다상 인버터부는 스위칭 소자의 브릿지 구성과, 상기 브릿지 구성에 있어서 상대하는 스위칭 소자의 접속 단자간에 접속한 공진 회로를 구비하고,
    상기 스위칭 소자간의 커뮤테이션시에 있어서, 커뮤테이션 타겟의 스위칭 소자로의 전류를 상기 공진 회로에 도입하여 공진 전류를 생성하고,
    상기 중복 구간에 있어서, 상기 생성된 공진 전류를 커뮤테이션 소스의 스위칭 소자에 대하여 상기 스위칭 소자의 역바이어스 방향으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치의 제어방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 다상 인버터부는 직류 전력을 n상의 교류 전력으로 변환하는 인버터이며,
    상기 중복 구간의 위상분(θt)은,
    스위칭 소자간의 합선을 막기 위한 조건으로서 π／2n＞θt를 만족하고,
    중복 구간 내에 있어서 전송원의 스위칭 소자에 흐르는 순 방향 전류를 영으로 감소시키기 위한 조건으로서 sin(θt)＞(다상 인버터부의 상전류/공진 전류의 최대 피크치)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치의 제어방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 공진 회로의 공진 전류의 최대 피크치는, 다상 인버터부의 각 상의 상전류치보다 큰 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치의 제어방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 공진 회로의 공진 전류의 최대 피크치는, 다상 인버터부의 각 상의 상전류치보다 큰 것을 특징으로 하는, 전류형 인버터 장치의 제어방법.
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