KR20090086712A

KR20090086712A - 자동 전압 조정기

Info

Publication number: KR20090086712A
Application number: KR1020080012146A
Authority: KR
Inventors: 박덕찬
Original assignee: 박덕찬
Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2008-02-11
Publication date: 2009-08-14

Abstract

본 발명은 자동 전압 조정기에 관한 것으로, 전원공급수단으로부터 입력되는 전원의 변동에 따른 부하의 장애를 방지하기 위한 자동 전압 조정기에 있어서, 역저지용 다이오드와 제어신호에 따라 고속으로 도통하는 IGBT와 필터 리액터와 필터 캐패시터로 구성되어 승압 또는 강압 권선에 전원을 공급하는 승압스위치 및 강압스위치를 포함하고, 상기 승압스위치 및 강압스위치는 각각 상기 역저지용 다이오드를 IGBT에 순방향으로 연결하여 제1 단방향 스위치를 구성하며, 상기 제1 단방향 스위치와 동일하게 구성된 제2 단방향 스위치를 제1 단방향 스위치에 역접속하여 양방향 스위치로 구성한 장치를 제공함으로서, 입력 전원의 변동을 실시간 판별하고, 판별 결과에 따른 변동량 만큼 승압 또는 강압을 수행하여 순간이라도 허용전압을 벗어나지 않도록 함으로써, 부하를 안정하게 보호하고, 상기 자동전압조정기의 직렬 변압기의 승,강압 권선에 흐르는 2차측 전류가 IGBT보다 임피던스가 상대적으로 작은 필터측에 흐르게 하여 2차측 개방현상을 항상 방지하여 IGBT에 과전압이 인가되는것을 방지하며, 특히 제어전원이 안정되기전에 발생하는 과전류가 IGBT에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위하여 SCR로 구성된 스태틱 스위치의 점호회로를 자려식인것과 타려식인것을 병렬로 조합한 회로를 사용하여 전원 투입 시의 과전류 및 운전 중 발생하는 과전류의 영향이 IGBT에 미치는 것을 차단하는 효과도 얻어진다.

자동 전압 조정, 승압, 강압, 스태틱 스위치

Description

자동 전압 조정기{The automatic voltage regulator}

본 발명은 자동 전압 조정기에 관한 것으로, 특히 직렬 보상 기능을 갖는 자동 전압 조정기의 자기소호형 소자를 과전압 및 과전류로부터 보호하는 기능을 구비한 자동 전압 조정기에 관한 것이다.

일반적으로 산업계에서 사용하는 이상적인 전원은 60㎐의 주파수와 일정한 크기를 가지고 고조파 성분을 포함하지 않는 정현파이다. 그러나 실제에 있어서는 외란으로 인해 수 주기 동안 전원전압이 떨어지거나 올라가는 전원전압의 변동이 생긴다.

이러한 전원전압의 변동으로 인해 컴퓨터, 통신장비, 공정제어 시스템 등과 같이 전원에 민감한 장비들은 데이터의 손실, 통신서비스의 장애 그리고 생산라인의 장시간 중단과 같은 심각한 문제점을 발생시키게 되었다.

그러므로 상기 전원전압의 변동에 빠르게 대처할 수 있는 자동 전압 조정방법이 필요하게 되었다.

현재 많이 이용되는 자동 전압 조정방법은 철공진 방식, 탭 변환에 의한 조정방식, 주파수 인버터 방식, 교류쵸퍼를 이용한 순시 전압보상 방식 및 승강압 권 선과 고속 반도체 소자를 이용하는 방식 등이 있다.

이중 철공진 방식은 도 1에 도시된 바와 같이 강자성 철심에 감은 유도 코일과 축전기로 이루어진 공진 회로로 구성되어, 정격 전압보다 입력 전압이 낮아지면 용량성 전류가 흐르면서 출력 전압이 올라가고, 입력 전압이 높아지면 유도성 전류가 흐르면서 출력 전압이 낮아자도록 하는 방식으로, 과도 안정도가 매우 떨어지며, 부피와 중량이 증가되고 소음이 크며, 사용부하의 제한과 구형파 출력에 따른 고조파 필터가 필요하다는 단점이 있었다.

상기 탭 변환에 의한 조정 방식은 도 2에 도시된 바와 같이 제어용 변압기에 여러 단계의 전압탭들을 취부하고 상기 탭들간 스위칭 동작을 트라이악 등의 반도체 소자로 제어하는 것으로, 제어전압은 계단적이며 탭의 수에 따라 보상전압의 한계가 주어지므로 정밀한 제어와 보상 범위를 증가시킬 때 부피가 커지는 단점이 있었다.

상기 주파수 인버터 방식은 도 3에 도시된 바와 같이 정류회로, 인버터 회로 및 변압기로 구성되는데, 각 회로 구성이 복잡하고, 정류회로의 설치로 입력 역률이 떨어지며, 입력 고조파 전류가 증가하여 효율이 떨어져 특수한 용도로만 사용되는 단점이 있었다.

상기 교류쵸퍼(AC chopper)를 이용한 순시 전압보상 방식은, 도 4에 도시된 바와 같이 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)의 양방향 특성을 이용하여 정류부에 나타나는 전압을 평활이 전혀 되지 않은 전파 정류된 상태로 유지하고, 상기 정류된 파형을 인버터를 이용하여 스위칭하므 로 정류부에 전해 커패시터가 없이도 보상전압을 발생시키는 것으로, 정류부에 전해 커패시터가 없기 때문에 역률에 영향을 미치지 않는다는 장점이 있으나, 스너버 작용에 필요한 커패시터를 충분히 사용할 수 없는 구조이므로 인버터 스위칭 시 발생하는 스파이크 전압을 효과적으로 억제하지 못하며, 인버터 단락 시 정류부의 다이오드를 보호하기 위한 대책을 마련해야 하는 단점이 있었다.

상기 승강압 권선과 고속 반도체를 이용한 방식은 도 5에 도시된 바와 같이 고속 반도체 스위치와 다이오우드와 반도체 스태틱 스위치를 이용하는 것으로, 별도의 정류부를 갖고 있지 않으므로 직류단락의 위험이 없다는 장점이 있으나, 2개의 반도체 스태틱 스위치가 승강압 권선을 개방할 수 있는 구조를 갖고 있어 1차측에 써지전류가 흐르는 상태에서 2차측에 해당되는 승강압 권선에 변류기의 개방효과를 불러일으킴으로써, 고압에 의하여 고속 반도체 소자가 고장을 일으키기 쉬우며, 정상상태에서도 2차측 전류를 항상 흘릴 수 있는 임피던스 회로망이 구비되어 있지 않으므로 승강압 권선의 변류작용의 악영향이 고속 반도체 스위치에 쉽게 미칠 수 있는 구조라는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저임피던스 필터를 통해 1차측 과전류 시 2차측 개방현상을 막아 고속 반도체 소자에 영향을 미치는 것을 방지하는 장치를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 다른 목적은 자여식 점호회로와 타여식 점호회로를 조합하여 사용하는 반도체 스태틱 스위치를 구비하여 전원 투입 시의 과전류 및 운전 중 발생하는 과전류로부터 고속 반도체 소자를 보호하는 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1의 특징은, 전원공급수단으로부터 입력되는 전원의 변동에 따른 부하의 소손을 방지하기 위한 자동 전압 조정기에 있어서, 다수개의 역저지용 다이오드와 제어신호에 따라 단방향으로 도통하는 IGBT로 구성되어 승압 또는 강압 권선에 전원을 공급하는 승압스위치 및 강압스위치를 포함하고, 상기 승압스위치 및 강압스위치는 각각 상기 역저지용 다이오드를 IGBT에 순방향으로 연결하여 제1 단방향 스위치를 구성하며, 상기 제1 단방향 스위치와 동일하게 구성된 제2 단방향 스위치를 제1 단방향 스위치에 역접속하여 하나의 양방향 스위치로 구성하는 것이다.

본 발명의 제2의 특징은 제1의 특징에 있어서, 2차측에서 1차측으로 전압을 승압하거나 강압하는 직렬변압기 및 상기 직렬변압기의 2차측 개방시 과전압의 발생을 차단하기 위해 2차측 승강압 권선에 항상 폐회로를 형성시키는 필터부 및 상기 전원 공급수단의 입력 전원 변동을 실시간 판별하고, 판별 결과에 따른 변동량 만큼 승압 또는 강압을 수행하기 위한 제어신호를 상기 승압스위치 또는 강압스위치로 인가하는 조정제어수단을 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제3의 특징은 제2의 특징에 있어서, 상기 직렬변압기의 1차측에 단락이나 비선형 부하에 의한 과전류 발생 시 상기 필터부 및 고속스위칭 소자의 소손을 방지하기 위해 순시적으로 2차측 권선을 단락 폐회로로 형성하는 다수개의 스태틱 스위치를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제4의 특징은 제3의 특징에 있어서, 상기 스태틱 스위치는 승압 또는 강압 권선의 양방향 교류전류를 부담하기 위하여 제1 스태틱 스위치부와 제2 스태틱 스위치부로 구성하는 것이다.

본 발명의 제5의 특징은 제4의 특징에 있어서, 상기 제1,2 스태틱 스위치부는 자여식과 타려식 점호회로를 조합한 동일한 회로망을 사용하고, 상기 스태틱 스위치의 자여식 점호회로는 초기전원 투입 시에 구동되며 상기 스태틱 스위치의 타려식 점호회로는 전원 안정 후에 구동하는 것이다.

본 발명의 제6의 특징은 제5의 특징에 있어서, 상기 초기전원 투입 이전, 자여식 점호회로에 미리 닫힌 접점을 제공하여 상기 제1,2스태틱 스위치부가 자여식 점호회로에 의해 구동되어 승강압 권선을 단락 폐루프가 형성되도록 하고 전원 안정 시 부터는 여자되어 상기 제1,2 스태틱 스위치부의 자여식 점호회로가 작동하지 않도록 회로를 분리하며, 타여식 점호회로를 통해 상기 제1,2 스태틱 스위치부가 구동되어 상기 승강압 권선을 단락 폐루프가 형성되도록 하는 릴레이를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제7의 특징은 제2의 특징에 있어서, 상기 조정제어수단은 상기 전원공급수단으로부터 입력되는 전압을 판별을 위한 낮은 전압으로 강압하여 출력하는 출력 검출부, 상기 출력 검출부에서 출력한 전압과 기 설정된 제1 기준전압을 비교하여 차신호를 출력하는 에러 검출부, 상기 에러 검출부에서 출력된 차신호를 삼각파와 비교하여 펄스폭 변조신호를 출력하는 PWM 발생부, 상기 출력 검출부에서 출력한 전압과 기 설정된 제2 기준전압을 비교하여 ‘하이’ 또는 ‘로우’신호를 출력하는 출력 고/저 판별부, 상기 출력 검출부에서 출력한 전압의 극성이 중선선에 대하여 정극성 또는 부극성을 가지면 그에 따라 승압 또는 강압을 위한 신호를 출력하는 구형파 발생부, 상기 출력 고/저 판별부와 상기 구형파 발생부에서 출력되는 신호에 따라 활성화되어 PWM 온 또는 오프 신호를 출력하는 게이트부 및 상기 게이트부로부터 PWM 온 또는 오프 신호를 받아 절연된 신호를 승압스위치 또는 강압스위치로 출력하는 절연 드라이브 모듈을 포함하는 것이다.

본 발명의 제8의 특징은 제7의 특징에 있어서, 상기 에러 검출부는 입력 전압을 전파 정류 후 평활하여 출력하는 제1 정류부, 기 설정된 제1 기준전압을 발생하는 제1 기준전압 발생부 및 상기 제1 정류부 및 제1 기준전압 발생부의 출력을 비교하여 그 차이를 증폭하여 출력하는 증폭부를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제9의 특징은 제7의 특징에 있어서, 상기 PWM 발생부는 상기 차신호와 비교되는 삼각파 신호를 발생하는 삼각파 발생부 및 상기 차신호와 삼각파 신호를 비교하여 그 상대적인 크기에 따라 펄스폭 변조신호를 출력하는 제1 비교부를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제10의 특징은 제7의 특징에 있어서, 상기 출력 고/저 판별부는 입력 전압을 전파 정류 후 평활하여 출력하는 제2 정류부, 기 설정된 제2 기준전압을 발생하는 제2 기준전압 발생부, 상기 제2 정류부와 제2 기준전압 발생부의 출력 을 비교하여 ‘하이’ 또는 ‘로우’ 신호를 출력하는 제2 비교부 및 상기 제2 비교부의 출력을 반전하는 제1 인버터부를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제11의 특징은 제7의 특징에 있어서, 상기 구형파 발생부는 상기 전원공급수단의 중선선에 대한 상기 출력 검출부의 출력 전압의 극성을 판단하여 그에 따른 구형파를 출력하는 제3 비교부 및 상기 제3 비교부의 출력 극성을 반전하는 제2 인버터부를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제12의 특징은 제7의 특징에 있어서, 상기 게이트부는 서로 병렬 연결하여 상기 출력 고/저 판별부와 상기 구형파 발생부에서 출력되는 신호에 따라 정극성일 때 승압(+) 또는 강압(+)으로 활성화되고, 부극성일 때 승압(-) 또는 강압(-)으로 활성화되어 PWM 온 또는 오프 신호를 출력하는 다수개의 엔드게이트를 더 포함하는 것이다.

본 발명의 제13의 특징은 제7의 특징에 있어서, 상기 제1 기준전압은 입력전압이 부하에 인가되는 정상 범위의 전압인가를 판단하기 위한 기준전압이고, 상기 제2 기준전압은 입력전압의 승압 또는 강압 여부를 결정하기 위한 기준전압인 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 전압 조정기에 의하면, 입력 전원의 변동을 실시간 판별하고, 판별 결과에 따른 변동량 만큼 승압 또는 강압을 수행하여 순간이라도 허용전압을 벗어나지 않도록 함으로써, 부하를 안정하게 보호한다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 자동 전압 조정기에 의하면, 저임피던스 필터를 통해 1차측 과전류 시 2차측 개방현상을 막아 고속 반도체 소자에 영향을 미치는 것을 방지하는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 자동 전압 조정기에 의하면, 자여식과 타려식 점호회로를 조합한 스태틱 스위치를 구비하여 전원 투입 시의 과전류 및 운전 중 발생하는 과전류의 영향을 차단하여 고속 반도체 소자를 보호하는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 자동 전압 조정기에 의하면, 서로 다른 스태틱 스위치 회로들간의 간섭 현상, 절연의 문제 및 속도지연을 자여식과 타려식 점호회로의 조합을 통해 해소함으로써 안전하게 사용이 가능하다는 효과도 얻어진다.

본 발명에 대해 간략하게 설명하자면, 본 발명은 전원공급수단, 조정제어수단, 승압스위치, 강압스위치, 필터수단, 스태틱 스위치, 직렬변압기로 구성된다.

특히, 상기 승압스위치와 강압스위치는 역전압이 인가될 때에도 소자의 파손을 방지하기 위하여 양방향 스위치로 구성하여 전압 조정기의 안정성을 확보하는 방법을 이용한다.

또한, 상기 조정제어수단은 설정된 기준전압들을 이용하여 실시간으로 입력전원의 변동을 판별하여 승압 또는 강압을 통해 과전류에 의한 부하의 안전성을 확보하는 방법을 이용한다.

또한, 상기 직렬변압기의 2차측의 개방에 의해 2차측에 위치한 고속 반도체 소자들의 소손을 방지하는 필터수단과 스태틱 스위치를 이용하여 자동 전압 조정기의 안정적인 관리가 가능하게 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 전압 조정기의 구성을 간략하게 보인 블록도이다.

도 6에서 도시한 바와 같이, 전원 공급수단(100), 상기 전원 공급수단(100)의 입력 전원 변동을 실시간 판별하고, 판별 결과에 따른 변동량 만큼 승압 또는 강압을 수행하기 위해 양방향 스위치부(150)에 제어신호를 인가하는 조정제어수단(200), 조정제어수단(200)으로부터 제어신호를 공급받아 필터부(300)에 PWM 펄스를 공급하는 양방향 스위치부 (150), 2차측에서 1차측으로 전력을 승압하거나 강압하는 직렬변압기(400) 및 상기 양방향 스위치로부터 PWM 펄스를 공급받아 정현파 전압을 생성하는 동시에 직렬변압기(400)의 2차측 개방에 의한 과전압의 유입을 차단하기 위해 2차측에 폐회로를 형성시키는 필터부(300) 및 부하(500)로 구성한다.

또한, 도 6 및 도 7a에 도시한 바와 같이 다수개의 역저지용 다이오드(D1 ~ D4)와 상기 조정제어수단(200)에서 출력한 제어신호에 따라 단방향으로 도통하는 IGBT(Q1 ~ Q4)로 구성되어 승압 또는 강압 권선에 전원을 공급하는 승압스위치(SW1) 및 강압스위치(SW2)를 포함하고, 상기 승압스위치(SW1) 및 강압스위치(SW2)는 각각 상기 역저지용 다이오드(D1, D2)를 IGBT(Q1,Q2)에 순방향으로 연결하여 승압용 양방향 스위치(SW1)를 구성하며, 역저지용 다이오드(D3, D4)를 IGBT(Q3,Q4)에 순방향으로 연결하여 강압용 양방향 스위치(SW2)로 구성한다.

또한, 상기 조정제어수단(200)은 도 8에 도시한 바와 같이 상기 전원공급수단(100)으로부터 입력되는 전압을 판별을 위한 낮은 전압으로 강압하여 출력하는 출력 검출부(210), 상기 출력 검출부(210)에서 출력한 전압을 전파 정류 후 평활하여 출력하는 제1 정류부(221), 기 설정된 제1 기준전압을 발생하는 제1 기준전압 발생부(222) 및 상기 제1 정류부(221) 및 제1 기준전압 발생부(222)의 출력을 비교하여 그 차이를 증폭하여 출력하는 증폭부(223)로 구성된 에러 검출부(220), 상기 에러 검출부(220)에서 출력된 차신호와 비교되는 삼각파 신호를 발생하는 삼각파 발생부(231) 및 상기 차신호와 삼각파 신호를 비교하여 그 상대적인 크기에 따라 펄스폭 변조신호를 출력하는 제1 비교부(232)로 구성된 PWM 발생부(230), 상기 출력 검출부(210)에서 출력한 전압을 전파 정류 후 평활하여 출력하는 제2 정류부(241), 기 설정된 제2 기준전압을 발생하는 제2 기준전압 발생부(242), 상기 제2 정류부(241)와 제2 기준전압 발생부(242)의 출력을 비교하여 ‘하이’ 또는 ‘로우’ 신호를 출력하는 제2 비교부(243) 및 상기 제2 비교부(243)의 출력을 반전하는 제1 인버터부(244)로 구성된 출력 고/저 판별부(240), 상기 전원 공급수단(100)의 중선선에 대한 상기 출력 검출부(210)의 출력 전압의 극성을 판단하여 그에 따른 구형파를 출력하는 제3 비교부(251) 및 상기 제3 비교부(251)의 출력 극성을 반전하는 제2 인버터부(252)로 구성된 구형파 발생부(250), 서로 병렬 연결하여 상기 출력 고/저 판별부(240)와 상기 구형파 발생부(250)에서 출력되는 신호에 따라 정극성일 때 승압(+) 또는 강압(+)으로 활성화되고, 부극성일 때 승압(-) 또는 강압(-)으로 활성화되어 PWM 온 또는 오프 신호를 출력하는 다수개의 엔드게이트()로 구성된 게이트부(260) 및 상기 게이트부(260)로부터 PWM 온 또는 오프 신호를 받아 절연된 신호를 출력하는 절연 드라이브 모듈(270)로 구성한다.

이와 같이 구성한 본 발명의 실시예에 따른 동작 과정을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 6, 및 도 7a~7c에 도시한 바와 같이 상기 승압스위치(SW1) 및 강압스위치(SW2)는 다수개의 역저지용 다이오드(D1 ~ D4)와 단방향으로 도통하는 IGBT(Q1 ~ Q4)로 구성되고, 상기 승압스위치(SW1) 및 강압스위치(SW2)는 각각 상기 역저지용 다이오드(D1, D2)를 IGBT(Q1,Q2)에 순방향으로 연결하여 승압용 양방향 스위치(SW1) 구성하며, 역저지용 다이오드(D3, D4)를 IGBT(Q3,Q4)에 순방향으로 연결하여 강압용 양방향 스위치(SW2)로 구성한다. 만약 상기 역저지용 다이오드(D1 ~ D4)를 상기 IBGT(Q1 ~ Q4)에 접속하지 않고 IGBT만을 가지고 스위치를 구성한다면, 상기 IGBT에 역전압이 인가될 때 IGBT의 파손이 반드시 수반되므로, 양방향 스위치를 구성할 수 없으며, 상기 역저지용 다이오드의 역방향 회복 속도는 IGBT의 스위칭 속도이상 보장되는 고속의 것을 사용해야 하는 것은 이 분야에서 자명한 일일 것이다.

따라서, 상기 승압스위치(SW1)와 강압스위치(SW2)는 도 6 및 도 7b에 도시한 바와 같이 출력을 각각 리액터(L1, L2)와 콘덴서(C1, C2)로 구성된 필터부(300)로 연결하고, 상기 필터부(300)의 출력은 직렬변압기(400)의 2차측의 승압단자 및 강압단자에 연결하는데, 상기 승압스위치(SW1)와 강압스위치(SW2)는 교류입력전원전압이 정극성이고 출력전압이 낮을 때 리액터(L1)에 순방향 접속되어 있는 승압스위치의 게이트(Q1)가 도통하는 제1 동작, 교류입력전원전압이 부극성이고 출력전압이 낮을 때 리액터(L1)에 역방향 접속되어 있는 승압스위치의 게이트(Q2)가 도통하는 제2 동작, 교류입력전원전압이 정극성이고 출력전압이 높을 때 리액터(L2)에 순방향 접속되어 있는 강압스위치의 게이트(Q3)가 도통하는 제3 동작 및 교류입력전원전압이 부극성이고 출력전압이 높을 때 리액터(L2)에 역방향 접속되어 있는 강압스위치의 게이트(Q4)가 도통하는 제4 동작으로 자동 전압 조정기의 전압을 조정하며, 출력전압의 변동분의 크기에 따라 도 9의 PWM 펄스폭이 상기 조정제어수단(200)에서 가변된다.

즉, 도 8에 도시한 바와 같이 전원 공급수단(100)으로부터 입력되는 전압을 조정제어수단(200)의 출력 검출부(210)에서 판별을 위한 낮은 전압으로 강압하여 에러 검출부(220)의 제1 정류부(221)에 공급한다. 이에 따라 제1 정류부(221)는 공급받은 전압을 전파 정류한 후 평활시켜 증폭부(223)로 출력하며, 증폭부(223)는 제1 기준전압 발생부(222)의 제1 기준전압과 비교하여 그 차이를 증폭시킨다. 증폭 된 차신호는 PWM 발생부(230)의 제1 비교부(232)에 보내져서 삼각파 발생부(231)의 삼각파 파형과 비교되어 PWM 신호를 얻는데 사용된다. 아울러 도시되어 있지 않지만, 조정제어수단(200)의 원활한 동작을 위하여 상기 증폭부(232)에는 비례 적분 개념의 회로망과 함께 삼각파와 비교하기 위하여 증폭된 전압값을 바이어스하는 회로망이 접속되어야 하는 것은 이 분야 종사자들에게는 지극히 당연한 것이다.

또한, 상기 출력 검출부(210)에서 강압된 출력전압은 출력 고/저 판별부(240)의 제2 정류부(241)에도 공급되며, 상기 제2 정류부(241)는 공급받은 전압을 전파 정류한 후 평활시켜 제2 비교부(243)로 출력한다. 제2 비교부(243)는 상기 제2 정류부(241)에서 출력된 전압과 제2 기준전압 발생부(242)에서 발생된 제2 기준전압을 비교하여 자동 전압 조정기의 출력이 정상치보다 작을 때 로우(L) 신호를 출력하여 제1 인버터(244)를 통해 게이트부(260)의 승압용 게이트(261, 262)로 공급하며, 자동 전압 조정기의 출력이 정상치보다 클 때는 하이(H) 신호를 출력하여 게이트부(260)의 강압용 게이트(263, 264)로 공급한다. 이때 상기 제2 기준전압은 입력전압의 승압 또는 강압 여부를 결정하기 위한 기준전압이다. 아울러 도시되어 있지 않지만 자동 전압 조정기가 정상전압에서 출력 고/저 판별부(240)의 제2 비교부(243)의 출력이 하이(H)나 로우(L) 상태를 반복하여 자동 전압 조정기의 상태가 불안정하게 되는 것을 방지하기 위하여 상기 제2 비교부(243)에는 히스테리시스(불감대) 기능의 회로망이 접속되어야 하는 것은 이 분야 종사자들에게는 지극히 당연한 것이다.

또한, 상기 출력 검출부(210)의 강압된 출력전압은 구형파 발생부(250)의 제 3 비교부(251)에도 공급되는데, 상기 제3 비교부(251)는 공급되는 강압된 출력전압의 극성이 교류입력전원의 중성선에 대하여 어떤 극성을 가지는가를 판단하여, 상기 강압된 출력전압의 극성이 정극성일 경우 제2 인버터(252)를 통해 게이트부(600)의 승압용 게이트(261)와 강압용 게이트(263)를 활성화하며, 상기 강압된 출력전압의 극성이 부극성일 경우 게이트부(260)의 승압용 게이트(262)와 강압용 게이트(264)를 활성화하도록 접속되어 있다.

상기 게이트부(260)는 PWM 발생부(230), 출력 고/저 판별부(240) 및 구형파 발생부(250)의 출력을 앤드 조합하여 승압 또는 강압을 지령하는 PWM 온/오프 신호를 절연 드라이브 모듈(270)을 통해 승,강압 스위치(SW1, SW2)로 출력한다.

또한, 일반적으로 상기 직렬변압기(400)의 2차측이 개방될 때, 1차측 전류는 부하전류이므로, 2차측의 상태와 관계없이 전류가 흐르기 때문에 전부 여자전류로서 작용하여 철심중의 자속밀도는 대단히 높아지게 된다.

따라서, 철손이 대단이 크고 막대한 온도상승을 일으키며, 자속의 증가는 2차측의 기전력을 증가시키므로 선로에 전압강하가 생기고 2차측의 절연을 파괴하는 경우가 발생한다. 더욱이 자동 전압 조정기의 경우에는 2차측에 IGBT와 같은 고임피던스로 작용하는 소자가 위치하고 있어 큰 전압이 유도되어 소자가 소손되는 경우가 일반적이기 때문에 IGBT 소자보다 별도의 저임피던스를 가지는 상기 필터부(300)를 구비하여 2차측에 폐루프를 형성시켜 고속 스위칭 소자의 소손을 방지한다.

즉, 상기 필터부(300)를 구성하는 커패시터(C1, C2)가 IGBT보다 임피던스가 상대적으로 낮아 2차측 전류의 경로를 제공하므로, IGBT에 직렬변압기(400)의 개방을 방지하도록 한다.

또한, 상기 직렬변압기(400)의 2차측 개방에 따른 소자의 소손을 필터부(300)로 방지하지만, 정상운전 중에 단락이나 비선형 부하에 의하여 일차측에 과전류가 흐르게 되면 2차측인 필터부(300)에 과전압이 유기되어 필터부(300) 및 고속 반도체 소자인 IGBT등이 파손 되는 경우가 발생할 수 있기 때문에 도 7c에 도시한 바와 같이 스태틱 스위치(600)를 통해 과전류 발생 시 순시적으로 2차측 권선을 단락 폐루프로 형성한다.

상기 스태틱 스위치(600)는 구동회로로서 일반적으로 타려식과 자여식 점호회로의 두 가지 방식이 있는데, 이중 타려식 스태틱 스위치는 도 10에 도시한 바와 같이 정상운전 중 출력(1차측)에 과도한 전류가 흘러 직렬변압기의 2차측 단자(S1, S2)에 출력전류에 직렬변압기의 변류비를 곱한 만큼의 전류가 필터부를 구성하는 커패시터(미도시)에 흘러 커패시터의 임피던스와 커패시터에 흐르는 전류량에 비례하는 전압이 상기 커패시터에 발생하여 IGBT(미도시)와 같은 고속 반도체 소자를 파손하게 된다. 따라서 과부하가 감지되면 스태틱 스위치 구동용 변압기(T1)의 일차측을 고속으로 구동하여 스태틱 스위치의 게이트(Q1, Q2) 단자에 구동전류를 공급하고, 이에 의해 스태틱 스위치(Q1,Q2)가 도통되어 직렬변압기의 2차측 단자(S1,S2)가 단락되며, 변류비에 해당되는 전류만 승강압 권선과 스태틱 스위치를 통하여 순환하게 된다.

또한, 상기 자여식 스태틱 스위치는 도 11에 도시한 바와 같이 초기기동 시 스태틱 스위치가 자동으로 구동되고, 전원이 안정되면 정상적인 제어신호에 따라 제어되는 것으로, 1차측 부하전류에 의하여 2차측 단자에 정현파 전압이 인가되면 인가된 순간(S2가 S1에 대하여 정극성) S2-> D2-> Q2-> S1을 폐루프로 하는 스태틱 스위치(Q2)의 게이트 전류가 흘러 Q2를 도통시키고, 2차측 단자에 정현파가 인가되면 인가된 순간(S1이 S2에 대하여 정극성) S1-> D1-> Q1-> S2를 루프로 스태틱 스위치(Q1)의 게이트 전류가 흘러 Q1을 도통시키며, 전원이 안정된 후 릴레이(RY)를 여자시켜 D1, C1, R1을 D2, C2, R2로부터 전기적으로 분리시켜 자여식 점호회로의 동작을 정지시킨다.

그러나, 상기 타려식은 초기 전원 투입 시 또는 부하운전 중 정전으로 인해 전원 재 투입 시에는 과부하 감지를 하지 못하는 문제점이 있고, 자여식은 반대로 정상상태에서 과전류가 발생하는 경우 릴레이의 지연시간으로 인하여 스태틱 스위치를 고속으로 스위칭을 할 수 없다는 문제점이 있기 때문에 본 발명에서는 상기 타려식과 자여식의 장점만을 조합한 스태틱 스위치를 제공한다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스태틱 스위치 점호회로의 구성을 보인 회로도이다.

상기 도 12에 도시한 바와 같이 승압용 또는 강압용 권선을 단락 폐회로로 구성하는 스태틱 스위치는 상기 직렬변압기의 1차측에 단락이나 비선형 부하에 의한 과전류 발생 시 상기 필터부 및 IGBT와 같은 고속 반도체 소자의 소손을 방지하기 위해 순시적으로 2차측 권선을 단락 폐회로로 구성하는데, 승압 권선 또는 강압권선에 흐르는 전류는 양방향의 교류 전류이므로 승압 또는 강압 권선에는 제1 스 태틱 스위치부(STS1)와 제2 스태틱 스위치부(STS2)를 서로 반대 극성으로 접속하여 양방향 스태틱 스위치부로 구성한다.

상기 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)는 각각 자여식과 타려식 점호회로를 조합하여 구성하고, 상기 자여식 및 타려식 점호회로는 초기전원 투입 시 또는 전원 안정 시에 따라 각각 구동하는 것이다.

또한, 상기 초기전원 투입 시, 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 자여식 점호회로를 통해 상기 제 1,2 스태틱 스위치부가 도통하여 승압 또는 강압 권선을 단락 폐루프가 형성되도록 하며, 상기 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 타여식 점호회로는 제어전원이 안정되기 전까지는 동작하지 않으므로 상기 초기전원 투입시에는 자여식 점호회로만이 구동된다.상세하게는, 제어전원이 안정되기전 자여식 점호회로를 동작상태로 구성했던 릴레이의 접점은 제어전원이 안정되면 개방되어 자여식 점호회로가 동작불능 상태로 변경되며 과전류 발생 시 상기 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 타여식 점호회로를 통해 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)가 도통하여 승압 또는 강압 권선을 단락 폐루프가 형성되도록 하므로 상기 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 자여식 점호회로는 회로는 자여식 릴레이(RY)를 더 포함하는 것이다.

따라서, 최초 전원투입 시 출력에 과도한 돌입전류가 흘러 2차측에 과도한 전압이 발생하는 경우 상기 릴레이(RY)의 접점은 이미 도통 상태로 있으므로 상기 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 자여식 점호회로는 도 13에 도시한 바와 같이 2차측 단자(S2가 S1에 대하여 정극성일 경우)에 정현파가 인가되면 인가된 순간 S2-> D2-> G2-> S1의 경로를 통하여 Q2의 게이트(G2)로 전류가 흐르도록 함으로써 Q2가 도통되도록 하고, 동시에 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 타려식 점호회로는 제어전원이 안정되기 전 이므로 동작 불능 상태에 있다. 만약 도 14에 도시한 바와 같이 2차측 단자(S1가 S2에 대하여 정극성일 경우)에 정현파가 인가되는 경우에는 인가된 순간 S1-> D1-> G1-> S2의 경로를 통하여 Q1의 게이트(G1)로 전류가 흐르도록 함으로써 Q1이 도통되도록 하고G1이 단락되도록 하고, 동시에 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 타려식 점호회로는 제어전원이 안정되기 전 이므로 동작 불능 상태에 있다.

이후, 전원이 안정되면 상기 릴레이(RY)는 제어신호에 의해 여자되어 상기 릴레이(RY)의 접점을 개방시켜 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 자여식 점호회로 중에서 D1, C1, R1의 조합과 D2, C2, R2의 조합이 서로 분리되어 동작 불능 상태로 변경되도록 한다.

따라서, 도 15에 도시한 바와 같이 전원 안정에 따른 정상상태에서 상기 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 타려식 점호회로는 부하운전 중 2차측 단자에 이상 교류 전압이 인가(S1이 S2에 대하여 정극성일 경우)되면, 인가된 순간 T1-> D4-> R4-> S2의 경로를 통하여 Q1의 게이트(G1)로 전류가 흐르도록 함으로써 Q1을 도통시킨다. 이때 상기 릴레이(RY)의 개방으로로 인하여 자여식 스위치의 D1과 D2가 서로 개방되어 있기 때문에 상기 릴레이(RY)를 통하여 게이트로 전류가 흐르는 경로가 폐쇄되어 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 자여식 점호회로는 동작하지 않는다.

만약, 도 16에 도시한 바와 같이 2차측 단자에 이상 교류 전압이 인가(S2가 S1에 대하여 정극성일 경우)되면 인가된 순간 타여식 점호회로는 T1-> D3-> R3-> S1의 경로를 통하여 형성하여 Q2의 게이트(G2)로 전류가 흐르도록 함으로써 Q2를 도통시킨다. 이때 상기 릴레이(RY)의 개방으로로 인하여 자여식 스위치의 D1과 D2가 서로 개방되어 있기 때문에 상기 릴레이(RY)를 통하여 게이트로 전류가 흐르는 경로가 폐쇄되어 제1,2 스태틱 스위치부(STS1, STS2)의 자여식 점호회로는 동작하지 않는다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

도 1은 종래 철공진 방식을 이용한 자동 전압 조정기의 구성을 보인 회로도.

도 2는 종래 탭 절환 방식을 이용한 자동 전압 조정기의 구성을 보인 회로도.

도 3은 종래 정류기와 인버터를 이용한 자동 전압 조정기의 구성을 보인 회로도.

도 4는 종래 교류쵸퍼를 이용한 순시전압 보상기의 구성을 보인 회로도.

도 5는 종래 승강압 권선을 이용한 자동 전압 조정기의 구성을 보인 회로도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 전압 조정기의 구성을 간략하게 보인 블록도.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 승압 및 강압 스위치의 구성을 간략하게 보인 회로도.

도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 승,강압 스위치와 필터부의 구성을 간략하게 보인 회로도.

도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 승,강압 스위치와 필터부 및 스태틱 스위치의 구성을 간략하게 보인 회로도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 조정제어수단의 구성을 간략하게 보인 회로도.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중선선을 기준으로 조정제어수단의 출력 파형 및 여과된 파형을 보인 그래프.

도 10은 종래 스태틱 스위치의 타려식 점호회로의 구성을 보인 회로도.

도 11은 종래 스태틱 스위치의 자여식 점호회로의 구성을 보인 회로도.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 자여식과 타려식 점호회로를 조합한 스태틱 스위치의 구성을 보인 회로도.

도 13은 본 발명에 따른 무전원 시 스태틱 스위치의 자여식 점호회로의 제1 실시예 동작을 보인 회로도.

도 14는 본 발명에 따른 무전원 시 스태틱 스위치의 자여식 점호회로의 제2 실시예 동작을 보인 회로도.

도 15는 본 발명에 따른 정상동작 시 스태틱 스위치의 타려식 점호회로의 제1 실시예 동작을 보인 회로도.

도 16은 본 발명에 따른 정상동작 시 스태틱 스위치의 타려식 점호회로의 제2 실시예 동작을 보인 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 전원 공급수단 200 : 조정제어수단

210 : 출력 검출부 220 : 에러 검출부

230 : PWM 발생부 240 : 출력 고/저 판별부

250 : 구형파 발생부 260 : 게이트부

270 : 절연 드라이브 모듈 RY : 릴레이

300 : 필터부 400 : 직렬변압기

500 : 부하 600 : 스태틱 스위치

SW1 : 승압스위치 SW2 : 강압스위치

STS1 : 제1 스태틱 스위치부 STS2 : 제2 스태틱 스위치부

Claims

전원공급수단으로부터 입력되는 전원의 변동에 따른 부하의 소손을 방지하기 위한 자동 전압 조정기에 있어서,

다수개의 역저지용 다이오드와 제어신호에 따라 단방향으로 도통하는 IGBT로 구성되어 승압 또는 강압 권선에 전원을 공급하는 승압스위치 및 강압스위치를 포함하고,

상기 승압스위치 및 강압스위치는 각각 상기 역저지용 다이오드를 IGBT에 순방향으로 연결하여 제1 단방향 스위치를 구성하며,

상기 제1 단방향 스위치와 동일하게 구성된 제2 단방향 스위치를 제1 단방향 스위치에 역접속하여 양방향 스위치로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제1항에 있어서,

1차측에서 2차측으로 전력을 승압하거나 강압하는 직렬변압기 및

상기 직렬변압기의 2차측 개방에 의해 과전압이 고속 반도체 소자에유입되는 것을 차단하기 위해 2차측에 폐회로를 형성시키는 필터부 및

상기 전원 공급수단의 입력 전원 변동을 실시간 판별하고, 판별 결과에 따른 변동량 만큼 승압 또는 강압을 수행하기 위한 제어신호를 상기 승압스위치 또는 강압스위치로 인가하는 조정제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제2항에 있어서,

상기 직렬변압기의 1차측에 단락이나 비선형 부하에 의한 과전류 발생 시 상기 필터부 및 스위치 소자의 소손을 방지하기 위해 순시적으로 2차측 권선을 단락 폐회로로 형성하는 다수개의 스태틱 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제3항에 있어서, 상기 스태틱 스위치는

승압 또는 강압 권선에 연결되어 정,역방향 교류전류 흐름 경로중의 한 방향을 제공하는 제1 스태틱 스위치부와, 상기 제1 스태틱 스위치부와 반대의 전류 흐름의 경로를 제공하는 위하여 상기 승압 또는 강압 권선에 연결되는 제2 스태틱 스위치부로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제4항에 있어서,

상기 제1,2 스태틱 스위치부는 각각 자여식과 타려식 점호회로를 조합하여 구성하고,

상기 자여식 및 타려식 점호회로는 초기전원 투입 시 또는 전원 안정 시에 따라 각각 스태틱 스위치를 구동하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제5항에 있어서,

상기 초기전원 투입 시 구동되어 상기 제1,2스태틱 스위치부의 자여식 점호회로를 통해 승압 또는 강압 권선이 단락 폐루프로 형성되는 동안 상기 제1,2 스태틱 스위치부의 타여식 점호회로는 동작이 정지되며, 전원 안정 시 여자되어 상기 제1,2 스태틱 스위치부의 타여식 점호회로를 통해 스태틱 스위치를 구동하여 승압 또는 강압 권선을 단락 폐루프가 형성되도록 함과 동시에 상기 제1,2 스태틱 스위치부의 자여식 점호회로의 회로 경로를 개방하는 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제2항에 있어서, 상기 조정제어수단은

상기 전원공급수단으로부터 입력되는 전압을 판별을 위한 낮은 전압으로 강압하여 출력하는 출력 검출부,

상기 출력 검출부에서 출력한 전압과 기 설정된 제1 기준전압을 비교하여 차신호를 출력하는 에러 검출부,

상기 에러 검출부에서 출력된 차신호를 삼각파와 비교하여 펄스폭 변조신호를 출력하는 PWM 발생부,

상기 출력 검출부에서 출력한 전압과 기 설정된 제2 기준전압을 비교하여 ‘하이’ 또는 ‘로우’신호를 출력하는 출력 고/저 판별부,

상기 출력 검출부에서 출력한 전압의 극성이 중선선에 대하여 정극성 또는 부극성을 가지면 그에 따라 승압 또는 강압을 위한 신호를 출력하는 구형파 발생 부,

상기 출력 고/저 판별부와 상기 구형파 발생부에서 출력되는 신호에 따라 활성화되어 PWM 온 또는 오프 신호를 출력하는 게이트부 및

상기 게이트부로부터 PWM 온 또는 오프 신호를 받아 절연된 신호를 승압스위치 또는 강압스위치로 출력하는 절연 드라이브 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제7항에 있어서, 상기 에러 검출부는

입력 전압을 전파 정류 후 평활하여 출력하는 제1 정류부,

기 설정된 제1 기준전압을 발생하는 제1 기준전압 발생부 및

상기 제1 정류부 및 제1 기준전압 발생부의 출력을 비교하여 그 차이를 증폭하여 출력하는 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제7항에 있어서, 상기 PWM 발생부는

상기 차신호와 비교되는 삼각파 신호를 발생하는 삼각파 발생부 및

상기 차신호와 삼각파 신호를 비교하여 그 상대적인 크기에 따라 펄스폭 변조신호를 출력하는 제1 비교부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제7항에 있어서, 상기 출력 고/저 판별부는

입력 전압을 전파 정류 후 평활하여 출력하는 제2 정류부,

기 설정된 제2 기준전압을 발생하는 제2 기준전압 발생부,

상기 제2 정류부와 제2 기준전압 발생부의 출력을 비교하여 ‘하이’ 또는 ‘로우’ 신호를 출력하는 제2 비교부 및

상기 제2 비교부의 출력을 반전하는 제1 인버터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제7항에 있어서, 상기 구형파 발생부는

상기 전원공급수단의 중선선에 대한 상기 출력 검출부의 출력 전압의 극성을 판단하여 그에 따른 구형파를 출력하는 제3 비교부 및

상기 제3 비교부의 출력 극성을 반전하는 제2 인버터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제7항에 있어서,

상기 게이트부는 서로 병렬 연결하여 상기 출력 고/저 판별부와 상기 구형파 발생부에서 출력되는 신호에 따라 정극성일 때 승압(+) 또는 강압(+)으로 활성화되고, 부극성일 때 승압(-) 또는 강압(-)으로 활성화되어 PWM 온 또는 오프 신호를 출력하는 다수개의 엔드게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.
제7항에 있어서,

상기 제1 기준전압은 입력전압이 부하에 인가되는 정상 범위의 전압인가를 판단하기 위한 기준전압이고,

상기 제2 기준전압은 입력전압의 승압 또는 강압 여부를 결정하기 위한 기준전압인 것을 특징으로 하는 자동 전압 조정기.