KR20170006736A - 직류-교류 전력 변환 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로는 직류 전원을 스위칭하여 제1 출력 전원으로 변환하는 인버터부; 상기 인버터부의 출력단에 병렬로 연결되고 각각의 공진 주파수를 가지는 복수개의 압전 변압기들을 포함하고, 상기 제1 출력 전원을 변압하여 제2 출력 전원들을 출력하는 압전 변압부; 및 상기 제2 출력 전원들을 합하여 교류 전원을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.

Description

직류-교류 전력 변환 회로{DC-AC POWER COVERTING CIRCUIT}
본 발명은 인버터 및 압전 변압기를 하나의 전력 변환 회로로 집적화시킨 직류-교류 변환 회로에 관한 것이다.
전원 공급 기술에 있어 고밀도 및 고효율화를 달성하기 위하여, 전원 공급 기술은 스위칭 주파수를 높이고 있다. 이는 스위칭 주파수가 높아질수록 변압기 등의 소자들의 크기를 저감시킬 수 있기 때문이다.
그러나, 이와 같은 고밀도화는 스위칭 주파수에 의한 EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈가 증가되는 문제점을 가진다.
또한, 직류 전원을 반도체 스위치 등의 전자 스위치를 사용하여 스위칭하여교류 전원을 공급하는 직류-교류 전력 변환 회로는 출력을 원하는 교류 전원의 주파수에 대한 고조파 성분이 발생하는 문제점을 가진다.
한편, 압전 변압기(piezoelectric transformer)는 입력된 전기적 에너지를 기계적 에너지를 매개로 하여 다시 전기적 에너지로 변환하는 소자로, 권선형의 전자식(electromagnetic type) 변압기에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다.
권선이 불필요하므로 소형, 박형 및 경량화가 가능하고 대량 제조 시 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 고주파 구동시 권선형 변압기에서 발생하는 와류손, 히스테리시스손과 같은 자기 손실이 생기지 않으므로 고효율화가 가능하다. 더욱이, 권선형의 경우처럼 에너지 변환과정에서 자기에너지로 변환되는 단계가 없으므로 전자유도장해 측면에 있어서 매우 유리하다.
일본 공개특허공보 제 2000-69759호 일본 공개특허공보 제 2010-97735호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 간단한 구성을 가지고 고조파 성분을 제거하고, 고조파 성분 제거에 따른 손실을 저감하는 직류-교류 전력 변환 회로가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류-직류 전력 변환 회로는 직류 전원을 스위칭하여 제1 출력 전원으로 변환하는 인버터부; 상기 인버터부의 출력단에 병렬로 연결되고 각각의 공진 주파수를 가지는 복수개의 압전 변압기들을 포함하고, 상기 제1 출력 전원을 변압하여 제2 출력 전원들을 출력하는 압전 변압부; 및 상기 제2 출력 전원들을 합하여 교류 전원을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로는 간단한 구성을 가지고 고조파 성분을 제거하고, 고조파 성분 제거에 따른 손실을 저감할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로를 나타내는 블록 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로가 포함하는 압전 변압기를 나타내는 사시도이다.
도 3는 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로가 포함하는 압전 변압기를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 B-B'에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로를 나타내는 블록 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 직류-교류 전력 변환 회로의 제2 출력 전원들 및 교류 전원을 도시하는 시뮬레이션 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로를 나타내는 블록 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로는 인버터부(10), 압전 변압부(20), 및 출력부(30)를 포함할 수 있다.
상기 인버터부(10)는 직류 전원(VDC)을 스위칭하여 제1 출력 전원(V1)으로 변환할 수 있다.
또한, 상기 인버터부(10)는 풀 브리지(Full-Bridge)방식의 인버터일 수 있고, 예를 들어, 상기 인버터부(10)는 제어 신호에 따라 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4) 중 한 쌍의 스위치(S1, S4)와 다른 한쌍의 스위치(S2, S3)가 교번 동작하여 직류 전원(V--DC)의 전류 경로를 서로 다르게 형성할 수 있다.
이에 따라, 상기 인버터부(10)가 출력하는 제1 출력 전원(V1)은 구형파 전원일 수 있다.
상기 압전 변압부(20)는 상기 인버터부의 출력단에 병렬로 연결되고 각각의 공진 주파수를 가지는 복수개의 압전 변압기들(PT1, PT2,…, PTn)을 포함하고, 상기 제1 출력 전원(V1)을 변압하여 제2 출력 전원들(V21, V22,…,V2n)을 출력할 수 있다.
상기 압전 변압부(20)에 의하여 압전 변압부(20)의 입력단과 출력단이 절연되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 변환 회로는 별도의 EMI(Electro Magnetic Interference) 회로가 필요하지 않다.
또한, 상기 복수개의 압전 변압기들(PT1, PT2,…, PTn)이 가지는 상기 각각의 공진 주파수들은 제1 출력 전원(V1)의 기본파 주파수 및 고조파 주파수일 수 있다.
상기 복수개의 압전 변압기들(PT1, PT2,…, PTn)이 각각의 공진 주파수를 가지므로, 상기 인버터부(10)가 출력하는 제1 출력 전원(V1)에 포함된 상기 공진 주파수와 상응하는 주파수를 가지는 기본파 및 고조파 성분은 변압되어 출력되고, 이외의 고조파 성분은 제거될 수 있다.
한편, 상기 복수개의 압전 변압기들(PT1, PT2,…, PTn)은 상이한 입출력 변압비를 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 복수개의 압전 변압기들(PT1, PT2,…, PTn)은 인버터부(10)가 출력하는 구형파 전원으로부터 제1 운동 에너지를 생성하고, 상기 제1 운동 에너지에 의해 유발된 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
제1 운동 에너지의 크기에 대한 제2 운동 에너지의 크기의 비율은, 압전 변압부(20)의 입출력 변압비를 결정하는 일 요소이고 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환 효율 또한 압전 변압부(20)의 입출력 변압비를 결정하는 일 요소이다.
상기 출력부(30)는 전원 병합을 위한 회로를 포함할 수 있고, 상기 복수개의 압전 변압기들(PT1, PT2,…, PTn)이 출력하는 제2 출력 전원들(V21, V22,…,V2n)을 합하여 교류 전원(VAC)을 출력할 수 있다.
따라서, 제1 출력 전원(V1)에 포함된 특정한 고조파 성분을 변압하여 기존파 성분과 병합하므로, 고조파 성분 제거에 따른 손실을 저감할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로가 포함하는 압전 변압기를 나타내는 사시도이고, 도 3는 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다.
이하, 도2 및 도3을 참조하여 일 실시예로써 압전 변압기(200)의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
압전 변압기(200)는 압전효과(Piezoelectric Effect)를 이용한 변압기(Transformer)로서, 2 개의 분리된 압전층(210, 220)을 포함한다. 실시예에 따라, 압전 변압기(200)는 절연층(240)을 더 포함할 수 있다.
도 2의 예에서, 제1 압전층(210)을 입력 압전층으로, 그 외의 압전층(220)을 출력 압전층으로 설명하나, 이는 예시적인 것으로서 제1 압전층(210)이 출력 압전층이 될 수도 있다.
입력 압전층(210)은 제1 방향으로 적층된 복수의 압전층(213)과, 입력 전극들(211, 212)를 포함할 수 있다. 입력 전극들(211, 212)은 입력 전압을 인가하기 위해 입력 압전층(213)의 표면에 각각 형성될 수 있다.
출력 압전층(220)은 제2 방향으로 적층된 복수의 압전층(223)과, 출력 전극들(221, 222)을 포함할 수 있다. 출력 전극들(221, 222)은 출력 전압을 출력하기 위해 출력 압전층(223)의 표면에 각각 형성될 수 있다.
복수의 압전층(213, 223) 내에는 교차로 내부전극이 형성될 수 있고, 이러한 내부전극은 극성에 따라 각각 입력 전극 또는 출력 전극들에 연결될 수 있다.
입력 압전층(210)과 출력 압전층(220)의 분극 방향은 서로 다를 수 있다. 도시된 예에서는 입력 압전층(210)의 분극 방향은 두께 방향으로 형성되고, 출력 압전층(220)의 분극 방향은 길이 방향으로 형성되어 있다.
입력 압전층(210)에 공진 주파수를 가지는 입력 전원이 인가되면 입력 압전층(210)은 제1 운동 에너지를 발생시킬 수 있고, 출력 압전층(220)은 이러한 입력 압전층(210)의 제1 운동 에너지로부터 유발된 제2 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 출력할 수 있다.
상술한 예에 따르면, 입력 압전층(210)의 분극 방향은 두께 방향이므로 입력 전원이 인가되면 입력 압전층(210)은 두께 방향으로 진동할 수 있다. 이러한 진동은 인접한 출력 압전층(220)에 길이 방향의 진동으로서 전달될 수 있고, 출력 압전층(220)은 이러한 길이 방향의 진동을 전기 에너지로 변환하여 출력할 수 있다.
도 3에 도시한 막대형(Rosen-Type) 압전 변압기는 입력 전원의 전압보다 출력 전원의 전압이 높은 경우 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
절연층(240)은 입력 압전층(210)과 출력 압전층(220) 사이에서 형성되어, 입력 압전층(210)과 출력 압전층(220)을 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다.
절연층(240)은 절연성을 갖는 재질로서 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 절연층(240)은 절연성이 높은 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 또는, 절연층(240)은 수지 재질의 시트(sheet) 또는 필름(film) 형태로 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 절연층(240)은 절연성을 가지며, 동시에 연성을 갖는 박막 필름이 이용될 수 있다. 이는, 세라믹 재질로 절연층(240)을 형성하는 경우, 진동에 의한 피로도가 증가하게 되어 절연층(240)에 균열이 발생하거나 파손될 수 있기 때문이다. 또는 세라믹 재질의 강성으로 인해 입력 압전층(210)의 진동이 출력 압전층(220)로 원활하게 전달되지 않을 수 있기 때문이다.
일 실시 예에서, 절연층(240)의 내부에는 적어도 하나의 중공이 형성될 수 있다. 중공은 공기가 채워지거나, 진공 상태인 빈 공간으로 형성되므로, 중공을 통해 입력 압전층(210)과 출력 압전층(220)이 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 중공이 형성된 절연층(240)은 중공이 없는 경우보다 실제적인 부피가 매우 감소되며, 최소한의 면적으로 입력 압전층(210)의 진동의 감쇄를 최소화하면서 효율적으로 출력 압전층(220)로 진동을 전달할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로가 포함하는 압전 변압기를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 B-B'에 따른 단면도이다.
이하에서 설명할 압전 변압기(400)는 도 2 및 도 3에서 상술한 압전 변압기(200, 도2)와 상응하는 구성 및 동작을 가질 수 있으므로 중복적으로 서술하지 아니한다.
압전 변압기(400)는 도 2 및 도 3을 참조하여 상술한 바와 유사하게, 두 개의 분리된 압전층(410, 420)과 압전층(410, 420) 사이에 위치하는 절연층(440)을 더 포함할 수 있다.
다만, 도 2 및 도 3의 실시예와 달리, 본 실시예에 따른 압전 변압기(400)는 입력 압전층(410)과 출력 압전층(420)이 동일한 방향으로 적층될 수 있다.
즉, 도시된 예의 경우, 입력 압전층(410)은 복수의 압전층(413)이 높이 방향으로 적층되어 형성되고, 출력 압전층(420) 또한 복수의 압전층(423)이 높이 방향으로 적층되어 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 입력 압전층(410)과 출력 압전층(420)은 높이 방향이 아닌 다른 제1 방향으로 적층되어 형성 될 수 있다.
입력 압전층(410)에 공진 주파수를 가지는 입력 전원이 인가되면 입력 압전층(410)은 상하 방향으로 발생하는 제1 진동을 발생시킬 수 있고, 출력 압전층(420)은 이러한 제1 진동으로부터 유발된 출력 압전층(420)의 상하 방향의 제2 진동를 이용하여 전기 에너지를 출력할 수 있다.
도 4에 도시한 원형(Radial-Type) 압전 변압기(400)는 입력 전원의 전압보다 출력 전원의 전압이 낮은 경우 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로가 포함하는 압전 변압기가 상술한 압전 변압기에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로를 나타내는 블록 회로도이고, 도 7은 도 6에 도시된 직류-교류 전력 변환 회로의 제2 출력 전원들 및 교류 전원을 도시하는 시뮬레이션 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로는 인버터부(10), 두 개의 공진 주파수를 가지는 압전 변압부(20), 및 출력부(30)를 포함할 수 있다.
상기 인버터부(10)는 직류 전원(VDC)을 스위칭하여 제1 출력 전원(V1)으로 변환할 수 있다.
상기 압전 변압부(20)는 기본파 및 제3고조파에 상응하는 공진 주파수를 가지는 두 개의 압전 변압기들(PT1, PT2)을 포함하고, 상기 제1 출력 전원(V1)을 변압하여 제2 출력 전원들(VPT1, VPT2)을 출력할 수 있다.
여기서, 상기 제3고조파 성분은 기본파 성분의 3배의 주파수를 가질 수 있다.
상기 출력부(30)는 제2 압전 변압기(PT2)의 출력을 제1 압전 변압기(PT1)의 출력과 직렬 연결하여 병합하는 방식으로 구성되고, 제2 출력 전원들(VPT1, VPT2)를 합하여 교류 전원(VADD)을 출력할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 압전 변압기(PT1)의 제2출력 전원(VPT1), 제2 압전 변압기(PT2)의 제2 출력 전원(VPT2), 및 상기 제2 출력 전원들(VPT1, VPT2)가 합하여진 교류 전원(VADD)을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 전력 변환 회로의 출력부(30)가 정류기 회로인 경우는 직류-직류 전력 변환 회로로 동작될 수 있으며, 이때 입력측의 직류 전원은 고조파 성분의 에너지 손실 없이 출력 측 직류 전원으로 공급될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
10: 인버터부
20: 압전 변압부
30: 출력부
200: 압전 변압기
210: 입력 압전층
220: 출력 압전층
240: 절연층

Claims (11)

  1. 직류 전원을 스위칭하여 제1 출력 전원으로 변환하는 인버터부;
    상기 인버터부의 출력단에 병렬로 연결되고 각각의 공진 주파수를 가지는 복수개의 압전 변압기들을 포함하고, 상기 제1 출력 전원을 변압하여 제2 출력 전원들을 출력하는 압전 변압부; 및
    상기 제2 출력 전원들을 합하여 교류 전원을 출력하는 출력부
    를 포함하는 직류-교류 전력 변환 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 압전 변압기들이 가지는 상기 각각의 공진 주파수들은 제1 출력 전원의 기본파 주파수 및 고조파 주파수인 직류-교류 전력 변환 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 압전 변압기들은 상이한 입출력 변압비를 가지는 직류-교류 전력 변환 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 압전 변압기들은
    복수의 압전층이 제1 방향으로 적층되어 형성된 입력 압전층;
    복수의 압전층이 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 적층되어 형성된 출력 압전층; 및
    상기 입력 압전층과 상기 출력 압전층을 서로 전기적으로 절연시키는 절연층
    을 포함하는 직류-교류 전력 변환 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입력 압전층은 상기 제1 출력전원을 상기 제1 방향의 제1 진동으로 변환하고, 상기 출력 압전층은 상기 제1 방향의 제1 진동에 의하여 유발된, 상기 제2 방향의 제2 진동을 제2 출력 전원으로 변환하는 직류-교류 전력 변환 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 압전 변압기들은
    복수의 압전층이 제1 방향으로 적층되어 형성된 입력 압전층;
    복수의 압전층이 상기 제1 방향으로 적층되어 형성된 출력 압전층; 및
    상기 입력 압전층과 상기 출력 압전층을 서로 전기적으로 절연시키는 절연층; 을 포함하는 직류-교류 전력 변환 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입력 압전층은 상기 제1 출력전원을 상기 제1 방향의 제1 진동으로 변환하고, 상기 출력 압전층은 상기 제1 방향의 제1 진동에 의하여 유발된, 상기 제1 방향의 제2 진동을 제2 출력 전원으로 변환하는 직류-교류 전력 변환 회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 인버터는
    풀 브리지(Full-Bridge)방식의 인버터인 직류-교류 전력 변환 회로.
  9. 직류 전원을 스위칭하여 구형파 전원으로 변환하는 인버터부;
    상기 인버터부의 출력단에 병렬로 연결되고, 상기 구형파 전원으로부터 제1 운동 에너지를 생성하고 상기 제1 운동 에너지에 의해 유발된 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수개의 압전 변압기들을 포함하는 압전 변압부;
    상기 복수개의 압전 변압기의 출력을 합하여 교류 전원을 출력하는 출력부
    를 포함하는 직류-교류 전력 변환 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수개의 압전 변압기들이 가지는 각각의 공진 주파수들은 상기 구형파 전원의 기본파 주파수 및 고조파 주파수인 직류-교류 전력 변환 회로.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수개의 압전 변압기들은 상이한 입출력 변압비를 가지는 직류-교류 전력 변환 회로.
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