KR101898228B1 - 부하 임피던스 보상 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

전력 변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하고 상기 검출된 위상차가 상기 부하 측의 커패시턴스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크한 후 상기 체크 결과 상기 위상차가 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 부하 커패시턴스를 보상한다.

Description

부하 임피던스 보상 방법 및 장치{Method and apparatus for compensating load impedance}
본 발명은 부하단에서 발생하는 유동적인 커패시턴스 성분을 전력변환 시스템 측에서 적응적으로 보상하기 위한 방법과 장치에 관한 발명이다.
전력변환기에서 인덕터와 커패시턴스의 공진에 의한 공진 운전을 수행할 때 운전 주파수는 커패시티브(capacitive) 부하 운전 영역에 머물면서도 최대한 공진점에 가깝도록 운전해야 바람직하다.
만일 공진점에서 인덕티브(inductive) 운전 영역으로 운전 주파수가 넘어가게 되면 스위칭 소자는 소자에 전류가 많이 흐르는 하드 스위칭을 하게 되고, 스위칭 소자에 연결된 버스의 스트레이 인덕턴스로 인한 스파이크 전압이 발생한다.
부하 측에서는 부하의 종류나 운전 조건에 따라 커패시턴스가 변하게 되는데, 이러한 커패시턴스의 변화를 고려한 공진 추종 운전이 필요하다.
공진 추종 운전을 하는 전력변환기에서 부하 측의 임피던스 변화에 따라 공진점에 최대한 근접한 주파수로 운전하도록 제어하는 방법과 장치가 필요하다.
상기의 과제를 해결하기 위해 공진 추종 운전을 하는 전력변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 단계, 상기 검출된 위상차가 상기 부하 측의 커패시턴스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크하는 단계, 및 상기 체크 결과 상기 위상차가 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 스위칭 소자의 개폐를 제어하여 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 커패시턴스 보상 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제1 스위칭 소자의 개폐를 제어하여도 상기 위상차가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 2 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 스위칭 소자의 개폐를 제어하여 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 스위칭 소자의 개폐를 제어하여도 상기 위상차가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 상기 복수의 공진 커패시터와 병렬로 연결된 복수의 스위칭 소자의 개폐를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 검출된 위상차가 상기 소정 범위의 최대값보다 커지는 경우 상기 제 1 스위칭 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 제 1 스위칭 소자를 닫는 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 검출된 위상차가 상기 소정 범위 내의 최소값보다 작아지는 경우 상기 제 1 스위칭 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 제 1 스위칭 소자를 여는 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 부하 측으로 공급되는 전압은 상기 부하 측으로 공급되는 전류보다 위상이 지연되는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 공진 추종 운전을 하는 전력변환기 장치는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부, 및 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 상기 부하 측의 커패시턴스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크하는 컨트롤러, 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터; 및 상기 복수의 공진 커패시터 중 적어도 하나의 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위칭 소자를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 위상차가 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 상기 제 1 스위칭 소자의 개폐를 제어하여 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스위칭 소자의 개폐를 제어하여도 상기 위상차가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 2 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 스위칭 소자의 개폐를 제어하여 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스위칭 소자의 개폐를 제어하여도 상기 위상차가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 상기 복수의 공진 커패시터와 병렬로 연결된 복수의 스위칭 소자의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1 스위칭 소자는 IGBT, FET 및 GTO 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 부하 측으로 공급되는 전압은 상기 부하 측으로 공급되는 전류보다 위상이 지연되는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 공진 추종 운전을 하는 전력변환기는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부; 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 상기 부하 측의 임피던스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크하는 컨트롤러; 병렬로 연결된 복수의 공진 인덕터; 및 상기 복수의 공진 인덕터 중 적어도 하나의 인덕터와 직렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 위상차가 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 위상차가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 전력 변환기를 통해 부하 커패시턴스가 운전 조건이나 부하의 특성에 따라 달라지더라도 최대한 공진점에 가까우면서도 커패시턴스 영역에서 운전이 되도록 복수의 직렬로 연결된 커패시턴스의 일부를 스위칭 소자로 대체하고, 이를 통해 전력 변환기가 안정적인 공진점 추종 운전이 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 인덕터가 병렬로 연결된 공진부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 공진부의 커패시터와 병렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 부하 임피던스를 보상하는 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 공진부의 인덕터와 직렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 부하 임피던스를 보상하는 방법의 흐름도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함된다.
산업계에서 고주파 고전압(high frequency high voltage) 전력변환 응용 분야는 점점 다양해지고 있다. 유도 가열기, 오존 발생기, 플라즈마 발생기 등은 100kHz~220kHz 의 고주파수, 0 ~ 5,000V 의 고전압 출력이 필요한 전력 변환 응용 분야이다. 이러한 고주파 고전압 전력 변환 응용기기에 대한 입력 전력 레벨은 기기마다 조금씩 다르긴 하지만 유효전력 5kW 정도의 입력 전력 레벨이 필요한 경우가 많다.
고주파 고전압 전력 변환 응용기기의 부하측에는 유효전력과 무효전력이 합쳐진 피상전력이 전달되는데, 대략 무효 전력량 40kVar~80kVar가 흘러갈 수 있고, 따라서, 유효전력 5kW를 고려할 때 피상 전력은 45~85kVA 정도까지 부하 측으로 공급될 수 있다.
고주파 고전력 전력 변환기에서 부하측에 전력을 변환하여 전달하기 위한 인버터 단(혹은 컨버터)에는 고주파 스위칭을 위해서 FET를 스위칭 소자로 사용한다. 본 명세서에서 스위칭 소자는 스위치 소자와 대체되어 사용될 수 있고, 역으로도 마찬가지이다.
위 실시예에서는 스위칭 소자가 FET이지만, 고주파 스위칭을 위한 어떤 반도체 소자도 가능하다. 예를 들어 FET 대신 IGBT, GTO, 고속 트랜지스터와 같은 고주파 스위칭 소자도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 시스템(100)을 나타낸다.
도 1에 따른 전력변환 시스템(100)의 입력전원(110)은 3상 전원을 사용하는 것으로 가정한다. 주로 3상 220V 가 산업계에서 일반적인 입력전원임을 감안한 것이다. 3상 전원을 사용하지만, 이는 실시예에 불과할 뿐 단상 전원을 사용하여도 본 발명에 따른 부하 커패시터 보상 방법을 구현하는 장치로는 아무런 장애나 제약이 없다.
입력전원(110)으로부터의 3상 전원은 정류부(120)에서 정류되어 DC 링크(130) 커패시터에 의해 직류전원으로 확립된다. 정류부(120)는 입력전원이 3상인 경우 보통 6개의 다이오드(121, 122, 123, 124, 125, 126)로 구성된다. 입력전원이 단상인 경우는 물론 4개의 다이오드로 입력전원을 정류할 수 있다.
DC 링크(130) 상에 확립된 DC 전압은 인버터부(140)에 의해 원하는 고주파 고전압 출력으로 변환된다. 출력으로 연결되는 지점에 있는 커패시터(145)는 출력의 DC 성분을 제거한다.
인버터부(140)의 고속 스위칭 소자는 고속 스위칭이 가능하면서 내압이 높은 반도체 소자를 사용해야 하는데 주로 FET 소자를 이용한다. 물론 응용에 따라서는 IGBT나 GTO도 가능하다. 그 외 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자 어떤 것을 사용해도 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환기를 구현하는데 문제가 없다.
보통 전력변환 시스템(100)에서는 DC 링크 전압(130)을 입력하는 하는 SMPS(180, 스위칭 모드 파워 서플라이)를 통해 컨트롤러(190)에 전원을 공급한다. 컨트롤러는 전력 변환 시스템(100)의 공진 추종 운전을 제어하고 인버터부(140)의 게이트 신호 출력을 제어한다. 공진 추종 운전을 제어하는 컨트롤러와 인버터부(140)의 게이트 신호 출력을 제어하는 제 2의 컨트롤러는 사용자의 선택에 따라 별개로 구비될 수 있다.
출력은 트랜스포머(150)에 의해 변압되고 절연되어 부하 측으로 전달된다. 입력전원(110)이 220V 인 경우 DC 링크에 의해 확립되는 전압은 보통 380V 이지만 트랜스포머(150)에 의해 부하 측에 전달되는 전압의 크기를 조절할 수도 있다. 트랜스포머(150) 출력 단의 공진회로는 인덕터(164)와 커패시터(162)를 포함한다. 인덕터와 커패시터의 공진에 의해 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환기는 공진 추종 운전을 하게 된다. 공진 주파수는 다음과 같이 계산된다.
Figure 112016114680797-pat00001
(수식 1)
공진 주파수는 공진부(160)의 인덕터(164)에 의한 임피던스와 커패시터(162)에 의한 임피던스가 같아지는 조건에서의 주파수값이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템(100)은 인버터부(140)의 고속 스위칭을 통해 유효전력을 부하(170) 측에 공급하고 트랜스포머(150) 출력단에 구비된 공진부(160)의 LC 탱크(인덕터(164, L)와 커패시터(162, C) 탱크)에서 공진을 통해 무효전력을 부하(170) 측에 공급한다.
위와 같은 전력 변환 시스템(100)에서 인버터부(140) 스위칭을 통한 인버터 운전을 할 때 LC 공진점 추종 운전을 하는 것이 입력단에서 바라보았을 때 바람직한 운전 상태가 된다. 왜냐하면, 공진점에 가까운 운전일수록 역률이 제일 좋은 효율적인 운전이 되기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2에 따른 일실시예에서는 공진 주파수가 대략 142KHz 정도에서 형성되고 있다. 그래프에서 공진점 우측은 커패시티브 운전 영역(201)이고 공진점 좌측은 인덕티브 운전 영역(203)이다. 위에서 설명한 바와 같이 전력 변환 시스템은 공진점 근처에서 운전이 이루어질수록 역률이 좋은 효율적인 운전이 가능하므로 되도록 공진점 근처에서 운전하는 것이 바람직하다.
그 중에서도 전력 변환 시스템 운전은 되도록 커패시티브 운전 영역(201) 에서 운전하는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 전력 변환 시스템에서 부하가 걸려서 공진점을 넘어 인덕티브 운전 영역(203) - 예를 들어 A 지점 - 에서 운전이 이루어지면 도 1의 인버터부(140)의 스위칭 소자 스위칭 시 소자에 전류가 흐르는 하드 스위칭 영역으로 옮겨가게 된다. 이 때 전력 변환 시스템의 스위칭 소자와 연결된 버스(bus) 상의 스트레이 인덕턴스(Ls) 및 빠른 스위칭 주파수로 인해 스위칭 내압을 위협할 수 있는 상당히 높은 스파이크 전압(Vspike = Ls * di/dt)이 발생하게 된다. 스위칭 속도와 스트레인 인덕턴스(Ls)의 크기 및 스위칭 소자의 내압 레벨에 따라 스위칭 소자 소손도 발생할 수 있다.
반면에 전력 변환기 운전을 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전하되 공진점에서 상당히 먼 지점 - 예를 들어 B 지점 - 에서 운전을 수행하면 무효전력이 상대적으로 크게 증가하게 되고 큰 전류가 흐르게 된다. 기존의 제품들은 이와 같이 피상전력이 큰 운전을 하는 경우 부하 측 트랜스포머나 리액터에서 발생하는 열을 식히기 위해 트랜스포머나 리액터를 기름에 담그는 조치를 취한다.
이상을 고려할 때 본 발명에 따른 일실시예에서는 전력 변환 시스템이 공진점 우측 상의 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전을 하되 운전 주파수가 공진점에 가까울 수록 더욱 바람직한 소프트 스위칭 운전이 이루어진다. 따라서, 전력 변환 시스템 운전 주파주가 공진점 좌측인 인덕티브 운전 영역(203)으로 이동하지 않으면서 최대한 공진점에 가까운 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전하여 유효 전력이 극대화되고 그 결과 시스템의 효율이 극대화되도록 제어하는 것이 필요하다.
도 1에서 보는 바와 같은 전력 변환 시스템(100)에서 공진부(160)의 L, C 값이 고정되어 있으면 공진점에 가까우면서 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전이 되도록 인버터부(140)를 제어할 수 있을 것이다. 하지만, 실제 응용에서 발생하는 문제는 부하(170) 측의 커패시턴스 성분이 공진 커패시터(162) 값에 영향을 준다는 것이다. 더불어 부하(170) 측의 커패시턴스 성분이 고정적이지 않고 상황에 따라 변동하는 경우 더욱 공진점 추종 운전이 어려울 수 있다.
도 1에서 부하(170)는 크기는 약간씩 다를 수 있으나 R(저항), L(인덕터), C(커패시터) 성분이 조금씩은 있게 마련이다. 예를 들면 부하의 일종으로 플라즈마 발생기의 경우 커패시터 성분이 있고 이 커패시터 성분은 운전 중 운전 조건에 따라 그 크기가 변하게 된다. 플라즈마 반응기 사이에 가스가 통과하거나 플라즈마 반응기 극판의 온도가 상승하는 경우 부하 측 커패시턴스 값의 변화가 일어나게 된다.
비단 플라즈마 발생기 뿐만 아니라 유도 발생기나 다른 부하의 경우에도 상황에 따라 부하 측 커패시터(171)가 수시로 변하는 조건은 다반사로 발생한다.
이와 같이 부하 측의 부하 커패시터(171) 값이 수시로 바뀌는 경우 애초에 사용자가 생각한 공진점 추종 운전이 제대로 되지 않을 수 있다. 즉, 부하 커패시터(171)가 커지면 위 수식 1에서 C값이 커지게 되므로 공진 주파수는 값이 작아지게 된다. 도 2를 살펴보면 공진 주파수가 좌측으로 이동하면 고정된 운전 주파수는 공진점으로부터 우측으로 멀어지게 된다. 이렇게 되면 무효 전력의 증가로 전력 변환 시스템 효율이 떨어지게 된다.
반대로 부하 측의 부하 커패시터(171) 값이 작아지거나 운전 조건에 따라 0에 가까운 값이 되면 수식 1에서 C 값이 작아지므로 공진 주파수는 커지게 되고 공진점이 우측으로 이동하므로 최초의 운전 주파수는 도 2에서 공진점으로부터 인덕티브 운전 영역(203)으로 이동하게 되고, 이 경우 앞에서 설명한 바와 같이 하드 스위칭에 의한 스파이크 전압 발생 및 소자 소손 위험이 발생한다.
따라서, 부하(170) 측의 부하 커패시터(171)가 운전 중 수시로 변하여도 이에 대하여 공진점 추종 운전이 일정한 상태를 유지하도록 하는 강인한(robust) 전력 변환 시스템이 필요하다. 즉, 도 2에서 공진점 바로 우측인 C 영역에서 운전이 지속적으로 이루어지도록 하는 것이 필요하다. C 영역의 최소 주파수는 공진점 주파수보다 약간 큰 값을 가질 것이다. 소정의 범위라고 할 수 있는 C 영역의 크기는 전력 변환 시스템을 운전하는 사용자의 선택에 의해 정해질 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 도 1로 다시 돌아가면 보통 공진부(160)에서 공진 커패시터(162)는 내압을 높이기 위해 복수의 커패시터(1621, 1622, 1628, 1629)를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 커패시터(1621, 1622,…, 1628, 1629)에 병렬로 복수의 스위치 소자(1611, 1612, …,1618)를 구비한다. 사용자의 선택에 따라 복수의 스위치 소자(1611, 1612, …,1618)를 구비할 수도 있고 실험적 경험에 따라 최소한으로 하나의 스위치 소자(1611) 만을 구비하도록 할 수도 있다. 하나의 스위치 소자인 제1 스위치(1611)만을 구비하던 복수의 스위치 소자(1611, 1612, …,1618)를 구비하던 스위치 소자는 컨트롤러(190)에서 제어 신호인 게이트 신호가 출력되어 스위치 소자가 제어된다.
전력 변환 시스템(100)에서 위상 검출부(195)는 부하(170) 측으로 공급되는 전압 전류의 위상차를 검출한다. 보통 커패시티브 부하이면 전압은 전류에 비해 위상이 지연될 것이다. 전압과 전류의 위상차는 전압과 전류가 제로점을 통과하는 차이를 카운터로 계산해보면 알 수 있다. 보통 위상차를 검출하기 위한 카운터는 PLL(phase lock loop)을 사용한다.
위상 검출부(195)의 출력은 전압과 전류의 위상 자체일 수도 있고 전압과 전류의 위상차가 될 수도 있다. 컨트롤러(190)는 상기 위상 검출부(195)에 의해 검출된 위상차가 상기 부하(170) 측의 커패시턴스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크한다.
앞선 예에서와 같이 부하 커패시터(171)가 일정한 환경이나 운전 조건에서 커지게 되면 공진 커패시터(162)와 더해져서 공진점이 이동하게 된다. 이 경우 공진 주파수는 작아지게 되고 원래 도 2의 C 영역에서 운전하던 전력 변환 시스템(100)은 C 영역을 벗어나 B 방향의 우측 커패시티브 영역(201)으로 벗어나게 된다. 즉, 전압은 전류보다 이전보다 더 지연되게 되고 이는 더 큰 위상차로 나타난다.
전력 변환 시스템(100) 입장에서는 소정의 범위인 C 영역을 벗어난 커패시티브 영역(201)에 있는 운전 주파수를 C 영역 이내로 다시 복귀하도록 할 필요가 있다. 이를 위해 공진 커패시턴스 크기를 줄이는 방법이 있다. 이를 위해 도 1에서 제1 커패시터(1621)와 병렬로 연결된 제1 스위치(1611)를 닫는다. 제1 스위치는 컨트롤러(190)에 의한 게이트 신호에 의해 제어된다. 이는 일실시예에 불과할 뿐 사용자는 시스템 동작 상의 선택에 따라 도 1에서 제2 커패시터(1622)까지 단락시키기 위해 제 1 스위치(1611) 뿐만 아니라 제2 스위치(1612)도 추가로 닫는 조치를 취할 수도 있다. 또한, 한 두개의 커패시터를 단락시키는 것으로는 운전 주파수를 C 영역으로 옮겨오는데 부족한 경우 제2 스위치부터 추가의 커패시터 제n-1 커패시터(1628)까지 순차적으로 제n-1 스위치(1618)까지 닫아서 제 n 커패시터(1629)만 남기고 모든 커패시터를 단락시킬 수 있다. 이러한 동작은 결국 위상 검출부(195)에 의해 검출된 위상차가 소정 범위의 최대값보다 커지는 경우 제1, 2, … , n 스위치 소자를 닫아서 위상차가 소정 범위의 최대값보다 작아지는 영역으로 들어가도록 조치하는 것이다.
이러한 동작에 의해 부하 커패시턴스가 변동하더라도 안정적인 공진점 추종 운전을 수행할 수 있다.
반대로, 부하 커패시턴스가 조건에 의해 다시 작아지는 경우는 기존 닫혔던 스위치 제1 스위치(1611), 제2 스위치(1612)를 순차적으로 열어서 공진 커패시터(162) 값을 적절히 변동시킬 수 있다. 이와 같이 공진 커패시터(162)가 복수의 커패시터로 직렬 연결된 경우 각각에 스위치 소자(1611, 1612, …1618)를 병렬 연결하여 이들의 개폐를 조절하여 전체 공진 커패시터 값을 조절할 수 있다. 이러한 공진 커패시터 값 조절은 운전 주파수가 도 2의 C 영역에서 안정적으로 운전되도록 제어하는 역할을 하게 된다. 다시 말하면, 전류와 전압의 위상차가 소정의 범위 내로 제어되도록 한다.
도 1과 같이 공진점 추종 운전을 위해 공진 커패시턴스를 조절하는 방법도 있지만, 공진 인덕턴스 값을 조절하는 방법도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 인덕터가 병렬로 연결된 공진부를 나타내는 도면이다.
도 3에 따르면 공진 인덕터는 n개의 인덕터(164, 1642, 1643,… 1649)로 구성되고, 이들은 제1, 2, …, n 스위치(1631, 1632, …, 1638)에 의해 인덕턴스 값이 조절된다.
만일 앞선 예에서와 같이 부하 측이 일정한 조건 변화나 운전 환경에 따라 커패시턴스나 인덕턴스 값이 변화하는 경우, 그래서 운전 영역이 도 2의 C 영역(210)을 벗어나는 경우 컨트롤러(190)는 적절한 게이트 신호 생성을 통해 인덕터와 직렬로 연결된 제1, 2, …, n 스위치(1631, 1632, …, 1638)를 개폐하여 공진점 추종 운전이 가능하도록 한다.
예를 들어 부하 커패시턴스가 커지는 경우 복수의 스위치(1631, 1632, …, 1638)의 일부를 닫아서 전체적인 공진부(160)의 인덕턴스 값을 작게 하여 공진점 추종 운전이 원활하게 될 수 있도록 한다. 즉, 운전 주파수가 C 영역(210)에 들어가도록 한다. (또는, 전압과 전류의 위상차를 다시 작게 한다.) 반대로 부하 커패시턴스가 작아지는 경우에는 복수의 스위치(1631, 1632, …, 1638)의 일부를 열어서 공진부(160)의 인덕턴스 값을 크게 하여 공진점 추종 운전이 원활하게 될 수 있도록 한다. (또는, 전압과 전류의 지연 위상차를 커지게 한다.)
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 공진부의 커패시터와 병렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 부하 임피던스를 보상하는 방법의 흐름도이다.
먼저 전력 변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출한다(S410). 검출된 위상차가 부하 측의 커패시턴스 변동으로 소정 범위를 벗어났는지 여부를 체크한다(S420). 즉, 위상차가 도 2에서의 소정 범위인 C 영역을 벗어났는지 여부를 체크하는 것이다.
상기 체크 결과 상기 위상차가 상기 소정 범위를 벗어난 경우 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어한다(S430).
다음으로는, 상기 제 1 스위치 소자의 개폐 제어에도 불구하고 여전히 위상차가 소정 범위를 벗어났는지를 재차 판단한다(S420). 상기 판단 결과 위상차가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하였다고 판단되는 경우 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 2 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 스위치 소자를 추가로 개폐하여 상기 위상차가 소정 범위 내인 C 영역(210)에 있도록 한다.
컨트롤러(190)는 제 1 스위치, 제 2 스위치를 순차적으로 개폐하면서 계속적으로 위상차 - 혹은 운전 주파수가 소정 범위 내인 C 영역(210)에 있는지를 체크하여 추가적인 스위치 개폐를 제어한다. 이러한 반복적인 동작에 의해 전력 변환 시스템은 정상적인 공진점 추종 운전을 하게 된다(S440). 즉, 운전 주파수는 안정적으로 도 2의 C 영역(210)에 있게 된다.
상기의 스위치 개폐 제어는 상기 검출된 위상차 - 운전 주파수 - 가 상기 소정 범위의 최대값 - C 영역 최 우측 주파수 - 보다 커지는 경우 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 제 1 스위치 소자를 닫는 것임을 특징으로 한다.
반대로 스위치 개폐 제어는 상기 검출된 위상차가 상기 소정 범위의 최소값보다 작아지는 경우 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 제 1 스위치 소자를 여는 것임을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 공진부의 복수의 인덕터와 직렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 부하 임피던스를 보상하는 방법의 흐름도이다.
먼저 전력 변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출한다(S510). 검출된 위상차가 부하 측의 임피던스 변동으로 소정 범위를 벗어났는지 여부를 체크한다(S520). 즉, 위상차 - 운전 주파수 - 가 도 2에서의 소정 범위인 C 영역을 벗어났는지 여부를 체크하는 것이다.
상기 체크 결과 상기 위상차가 상기 소정 범위를 벗어난 경우 병렬로 연결된 복수의 공진 인덕터 중 제 2 인덕터와 직렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어한다(S530).
다음으로는, 상기 제 1 스위치 소자의 개폐 제어에도 불구하고 여전히 위상차가 소정 범위를 벗어났는지를 재차 판단한다(S520). 상기 판단 결과 위상차가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하였다고 판단되는 경우 병렬로 연결된 복수의 공진 인덕터 중 제 3 인덕터와 직렬로 연결된 제 3 스위치 소자를 추가로 개폐하여 상기 위상차가 소정 범위 내인 C 영역(210)에 있도록 한다.
컨트롤러(190)는 제 1 스위치, 제 2 스위치를 순차적으로 개폐하면서 계속적으로 위상차 - 혹은 운전 주파수가 소정 범위 내인 C 영역(210)에 있는지를 체크하여 추가적인 스위치 개폐를 제어한다. 이러한 반복적인 동작에 의해 전력 변환 시스템은 정상적인 공진점 추종 운전을 하게 된다(S540). 즉, 운전 주파수는 안정적으로 도 2의 C 영역(210)에 있게 된다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110; 입력전원
120; 정류부
130; DC 링크
140; 인버터부
150; 트랜스포머
160; 공진부
170; 부하
180; SMPS
190; 컨트롤러
195; 위상 검출부
171; 부하 커패시터
173; 부하 저항
162; 공진 커패시터
164; 공진 인덕터

Claims (12)

  1. 전력 변환기에서 부하 측 커패시턴스 성분을 고려한 공진주파수를 결정하는 단계;
    상기 결정된 공진주파수에 따라 상기 전력 변환기의 운전주파수가 상기 공진주파수보다 제1 소정의 값보다 크고 제2 소정의 값보다 작은 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크하는 단계; 및
    상기 체크 결과 상기 운전주파수가 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 상기 운전주파수가 상기 공진주파수보다 상기 제1 소정의 값보다 크고 상기 제2 소정의 값 보다 작은 상기 소정 범위 내로 진입하도록 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 임피던스 보상 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치 소자의 개폐를 제어하여도 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 2 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 이내로 진입하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 임피던스 보상 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치 소자의 개폐를 제어하여도 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 이내가 되도록 상기 복수의 공진 커패시터와 병렬로 연결된 복수의 스위치 소자의 개폐를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 임피던스 보상 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 결정된 운전주파수가 상기 소정 범위의 최대값인 상기 제2 소정의 값보다 커지는 경우 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 제 1 스위치 소자를 여는 것임을 특징으로 하는 부하 임피던스 보상 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 결정된 운전주파수가 상기 소정 범위의 최소값인 상기 제1 소정의 값보다 작아지는 경우 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 제 1 스위치 소자를 닫는 것임을 특징으로 하는 부하 임피던스 보상 방법.
  6. 부하 측 커패시턴스 성분을 고려한 공진주파수를 결정하고 상기 결정된 운전주파수가 상기 공진주파수보다 제1 소정의 값보다 크고 제2 소정의 값보다 작은 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크하는 컨트롤러;
    직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터; 및
    상기 복수의 공진 커패시터 중 적어도 하나의 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되,
    상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 운전주파수가 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 상기 운전주파수가 상기 공진주파수보다 상기 제1 소정의 값보다 크고 및 상기 제2 소정의 값보다 작은 상기 소정 범위 내로 진입하도록 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 직렬로 연결된 복수의 공진 커패시터 중 제 2 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 스위치 소자를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 스위치 소자의 개폐를 제어하여도 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 제 2 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복수의 공진 커패시터와 병렬로 연결된 복수의 스위치 소자를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 스위치 소자의 개폐를 제어하여도 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 내로 진입하지 못하는 경우 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 이내가 되도록 상기 복수의 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  9. 제6항에 있어서, 상기 결정된 운전주파수가 상기 소정 범위의 최대값인 상기 제 2 소정의 값보다 커지는 경우 상기 컨트롤러가 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 컨트롤러가 상기 제 1 스위치 소자를 여는 것임을 특징으로 하는 전력 변환기.
  10. 제6항에 있어서, 상기 결정된 운전주파수가 상기 소정 범위의 최소값인 상기 제1 소정의 값보다 작아지는 경우 상기 컨트롤러가 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하는 것은 상기 컨트롤러가 상기 제 1 스위치 소자를 닫는 것임을 특징으로 하는 전력 변환기.
  11. 제6항에 있어서, 상기 제 1 스위치 소자는 IGBT, FET 및 GTO 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  12. 전력 변환기에서 부하 측 커패시턴스 성분을 고려하여 공진주파수를 결정하고, 상기 결정된 공진주파수에 따라 상기 전력 변환기의 운전주파수가 상기 공진주파수보다 제1 소정의 값 이상 크고 제2 소정의 값보다 작은 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크하는 컨트롤러;
    병렬로 연결된 복수의 공진 인덕터; 및
    상기 복수의 공진 인덕터 중 적어도 하나의 인덕터와 직렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되,
    상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 운전주파수가 상기 공진주파수보다 제1 소정의 값 이상 크고 제2 소정의 값보다 작은 상기 소정 범위를 벗어나는 경우 상기 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 운전주파수가 상기 소정 범위 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
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