KR20200080928A - 수동소자로 이루어진 전력 네트워크를 포함한 공진형 컨버터 - Google Patents

수동소자로 이루어진 전력 네트워크를 포함한 공진형 컨버터 Download PDF

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KR20200080928A
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Abstract

실시예들은 부하 범위가 변동하는 부하를 포함한 부하부; 상기 부하에 전력을 공급하는 전력 공급원을 포함한 전력 변환 시스템에 있어서 상기 전력 공급원과 부하부 사이에 배치된 공진형 컨버터에 관련된다. 상기 공진형 컨버터는, 상기 전력 공급원의 전력을 부하부로 전달하는 전력 네트워크; 상기 전력 공급원과 전력 네트워크 사이에 배치된 인버터부; 및 상기 전력 네트워크와 부하부 사이에 배치된 정류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수동소자로 이루어진 전력 네트워크를 포함한 공진형 컨버터{RESONANT CONVERTER INCLUDING POWER NETWORK WITH PASSIVE DEVICES}
본 발명은 공진형 컨버터에 적용되는 전력 네트워크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공진형 컨버터에 적용하는 경우 공진형 컨버터의 역률 개선 등 최적화에 기여하는, 수동 소자로 이루어진 4-단자 네트워크에 관련된다.
변압기는 임피던스를 변환하는 가장 대표적인 장치이다. 변압기를 이용하면 코일의 권선 비에 따라 전력 공급원에서 바라보는 부하 임피던스가 아래 식과 같이 변화하게 된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
그러나, 상기 식에서 볼 수 있듯이, 변압기를 이용하는 경우 부하 임피던스의 실수 성분(RL)과 허수 성분(XL)이 같은 비율로 변환되기 때문에 임의의 부하 임피던스를 시스템이 요구하는 특정 임피던스로 변환하는 것은 불가능하다.
이를 극복하기 위해, 수동 소자로 이루어진 전력 네트워크를 이용하는 시도가 있다. 그러나, 전력 네트워크는 수동 소자들의 다양한 조합으로 모델링 가능한데, 가능한 조합의 개수는 수동 소자의 개수에 따라 기하급수적으로 증가한다. 예를 들어, 2개의 수동 소자로 구성되는 조합 개수는 2개이지만, 4개의 수동 소자로 구성되는 조합 개수는 182개에 이른다.
따라서, 수동 소자로 이루어진 전력 네트워크를 공진형 컨버터에 대해 적용하는 경우, 단일 최적 주파수에서 주로 구동되고, 넓은 입력 전압 범위를 만족하도록 설계되면 정격 조건에서만 효율이 좋은 공진형 컨버터의 특성에 비추어 볼 때 수많은 조합을 개별적으로 실험하는 것은 실질적으로 불가능한 한계가 있다.
특허공개공보 제10-2018-0058003호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공진형 컨버터에 적용하는 경우 공진형 컨버터의 역률 개선 등 최적화에 기여하는, 수동 소자로 이루어진 4-단자 네트워크를 갖는 공진형 컨버터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 공급원 및 부하를 갖는 전력 변환 시스템에 적용되는 공진형 컨버터는 상기 전력 공급원의 전력을 부하로 전달하며, 수동 소자로 이루어진 전력 네트워크; 상기 전력 공급원과 전력 네트워크 사이에 배치된 인버터부; 및 상기 전력 네트워크와 부하 사이에 배치된 정류기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는 제1 네트워크 임피던스, 제2 네트워크 임피던스, 제3 네트워크 임피던스 및 제4 네트워크 임피던스를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각 네트워크 임피던스의 허수 성분은 다음과 같이 각각 표현되며,
Figure pat00002
여기서, X11은 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22는 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12는 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분을 나타내고, Xin 및 Rin은 전력 공급원에서 바라본 입력 임피던스의 성분들을 나타내며, RL은 부하 임피던스의 실수 성분을 나타내고, RL,crit은 RL이 변동할 때 Rin이 최대가 되게 하는 RL값을 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는 T형 등가회로로 모델링될 수 있으며, 상기 T형 등가회로는, 상기 전력 네트워크의 입력단과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제1 등가 임피던스와 제2 등가 임피던스; 및 상기 제1 등가 임피던스 및 제2 등가 임피던스 사이 노드에서 연장되고, 제1 등가 임피던스 및 제2 등가 임피던스와 병렬 연결된 제3 등가 임피던스로 구성되며, 상기 제1 등가 임피던스의 허수 성분은 X11-X12, 제2 등가 임피던스의 허수 성분은 X22-X12, 제3 등가 임피던스의 허수 성분은 X12로 표현된다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는 T형 등가회로의 등가 임피던스들이 아래의 수식을 만족하도록 구성되며,
Figure pat00003
여기서, X1은 제1 등가 임피던스의 허수 성분, X2는 제2 등가 임피던스의 허수 성분, 및 X3은 제3 등가 임피던스의 허수 성분을 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는, 상기 전력 네트워크의 입력단과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제1 커패시터와 제2 커패시터; 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 배치된 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터 및 제2 커패시터 사이 노드에서 연장되고, 상기 제1 인덕터 및 제2 커패시터와 병렬 연결된 제2 인덕터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전력 변환 시스템은 주파수에 따라 전력 네트워크에 입력되는 입력 전압이 변동하도록 구성된 경우, 상기 전력 네트워크는, 제1 주파수 f0 또는 제2 주파수 f1에서 최적화된 역률 값을 갖도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공진형 컨버터의 최적화된 역률 값은 0.9 내지 1일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는 상기 제1 주파수에서 다음의 수학식을 만족하도록 더 구성되고,
Figure pat00004
여기서, X11_0은 제1 주파수에서 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12_0은 제1 주파수에서 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22_0은 제1 주파수에서 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, RL_0은 제1 주파수에서 부하 임피던스의 실수 성분을 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는 상기 제2 주파수에서 다음의 수학식을 만족하도록 더 구성되고,
Figure pat00005
여기서, X11_1은 제2 주파수에서 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12_1는 제2 주파수에서 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22_1는 제2 주파수에서 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, RL_1는 제2 주파수에서 부하 임피던스의 실수 성분을 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 전력 네트워크는 상호적(reciprocal)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 공진형 컨버터에 포함된, 수동소자로 이루어진 전력 네트워크는 부하 변동 또는 입력 전압 변동 등의 구동 조건이 변동에도 불구하고 공진형 컨버터가 최적화된 역률 또는 역률 변동 허용 범위 내 역률을 유지할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에서, 전력 네트워크는 시스템의 부하가 변동됨에도 불구하고, 공진형 컨버터가 최적화된 역률 또는 역률 변동 허용 범위 내 역률을 유지할 수 있도록 구성된다.
통상적으로 설계자는 공진형 컨버터가 높은 역률을 갖도록 설계하므로, 결국, 구동 조건의 변동에도 불구하고 본 발명에 따른 공진형 컨버터는 높은 역률을 가질 수 있다. 이로 인해, 공진형 컨버터가 적용된 전력 변환 시스템 전체가 높은 효율을 가질 수 있다.
특히, 상기 실시예따른 전력 네트워크를 설계함에 있어, 각 조합별 사례연구가 없이도, 공진형 컨버터에 최적화된 수동소자의 조합을 설계할 수 있다. 이로 인해, 사례연구에 소모될 수 있는 시간, 비용 등의 자원을 절약할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 전력 네트워크는 시스템의 입력 전압이 변동됨에도 불구하고, 공진형 컨버터가 최적화된 역률 또는 역률 변동 허용 범위 내 역률을 유지할 수 있도록 구성된다.
따라서, 이러한 전력 네트워크(130)가 적용된 공진형 컨버터는 보다 넓은 범위에서 입력 전압이 바뀌어도 높은 역률을 가질 수 있어, 정격 조건이 확장되는 효과를 가진다. 결국 상기 공진형 컨버터를 포함한 전력 변환 시스템 전체의 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 변환 네트워크를 포함한 전력 변환 시스템을 개략적으로 모델화한 시스템 구조도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 네트워크가 적용된 결과를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 네트워크의 등가 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 공진형 컨버터를 포함한 전력 변환 시스템1의 개략적인 회로도이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 변동 범위에 따른 부하 임피던스를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 부하 변동에 따른 입력 임피던스의 변동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 4의 전력 변환 시스템을 개략적으로 모델화한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는, 본 발명의 제1 실시에에 따른, 부하의 변동 범위에 따른 역률을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 전력 네트워크의 회로도이다.
도 10a 내지 도 10c는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 주파수에 따른 입력 임피던스 및 전압 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 공진형 컨버터의 입력단의 전압(V1) 파형과 전류(I1) 파형을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 “및/또는”이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 변환 네트워크를 포함한 전력 변환 시스템을 간단히 모델화한 시스템 구조도이다.
도 1을 참조하면, 전력 변환 시스템(1)은 전력을 공급하는 전력 공급원(110); 입력 전력을 변환하는 전력 네트워크(130); 및 전력 네트워크(130)를 통해 전력을 공급받는 부하부(150)를 포함한다.
전력 공급원(110)은 AC 전력을 공급한다. 일 실시예에서, 전력 공급원은, 단상 또는 3상 전력 공급원과 같은, 그 자체로 AC 전력을 공급하도록 구성되거나, 또는 인버터 회로를 활용하여 DC 전압원으로부터 AC 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
전력 네트워크(130)는 부하 임피던스(ZL)을 포함한 부하부(150)에 연결된다. 전력 네트워크(130)의 역할은 전력 공급원(110)에서 부하 임피던스(ZL)를 바라볼 때의 임피던스인 입력 임피던스(Zin)를 원하는 값으로 변환하는 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 네트워크가 적용된 결과를 도시한 도면이다.
임의의 부하 임피던스(ZL)를 시스템이 요구하는 입력 임피던스(Zin)로 변환된 예시를 나타낸다. 이 때 R은 Z의 실수 성분을 나타내고 X는 Z의 허수 성분을 나타낸다. 부하 임피던스(ZL)를 특정한 입력 임피던스(Zin)로 변환함으로써 시스템이 요구하는 특성을 만족시킬 수 있다. 예를 들어 입력단에서의 역률을 개선하거나 부하에 인가되는 전압을 승압 또는 강압할 수 있다. 변압기를 사용하는 경우, 부하 임피던스(ZL)의 실수 성분(RL)과 허수 성분(XL)이 같은 비율로 변환된다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 임의의 값으로 부하 임피던스(ZL)를 변환할 수 있다는 특징이 있다.
상기 전력 네트워크(130)는 복수의 수동 소자를 포함할 수 있다. 3단자 이상을 포함하는 경우, 더 많은 공진 주파수를 갖는 공진형 컨버터로 활용될 수 있고, 또한 4단자 이상을 포함하는 경우, 기동 시간(start up) 및 출력 단자 보호(short circuit protection)에 보다 효과적이다.
따라서, 이하 설명의 편의성을 위해, 전력 네트워크(130)는 제1 네트워크 임피던스(Z11), 제2 네트워크 임피던스(Z12), 제3 네트워크 임피던스(Z21), 및 제4 네트워크 임피던스(Z22)를 포함한 4단자 전력 네트워크로 지칭하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 네트워크(130)는 4단자 전력 네트워크로 제한되는 것으로 의도되진 않으며, 2단자 이상의 다양한 수동 소자의 조합을 포함하는 전력 네트워크(130)에 대하여도 적용될 수 있다.
임의의 주파수에서 수동 소자로 이루어진 4-단자 네트워크의 입출력 관계는 아래 식으로 일반화하여 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006
여기서, V1은 전력 네트워크(130)의 입력단의 전압, V2는 전력 네트워크(130)의 출력단의 전압, I1은 전력 네트워크(130)의 입력단의 전류, I2는 전력 네트워크(130)의 출력단의 전류를 나타낸다. 또한, Z11은 R11+jX11, Z12는 R12+jX12, Z21은 R21+jX21, 및 Z22는 R22+jX22로 표현될 수 있다.
여기서 전력 네트워크 회로(130)는 수동소자로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 캐패시터, 또는 인덕터 또는 이들의 조합으로만 구성될 수 있다. 즉 전력 네트워크 회로(130)는 무효 성분만을 갖는 무손실 시스템일 수 있다. 전력 네트워크(130)에서 손실이 없다고 가정하면, 아래와 같이 변경된 식으로 표현할 수 있다. 이 경우, 전력 네트워크(130)가 상호적이면(reciprocal) X12=X21이다.
[수학식 3]
Figure pat00007
여기서, X11, X12, X22 는 4-단자 전력 네트워크(130)를 설계하는 자유도와 관련되며, 각각의 값은 설계자가 의도하는 시스템의 목적에 따라 결정될 수 있다.
입력 임피던스(Zin)와 출력 임피던스(예컨대, 부하 임피던스(ZL))는 각각 아래의 식과 같이 정의된다. 이 때 R은 Z의 실수 성분을 나타내고 X는 Z의 허수 성분을 나타낸다.
[수학식 4 및 5]
Figure pat00008
전술한 식들에 기초하면, 4-단자 전력 네트워크(130)의 출력 임피던스(ZL)와 입력 임피던스(Zin) 간의 관계는 아래의 식으로 표현될 수 있다.
[수학식 6 및 7]
Figure pat00009
도 3a 및 도 3b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 네트워크의 등가 회로를 설명하기 위한 도면이다.
X11, X12, X22가 결정되면 이를 T형 등가 모델, 또는 pi형 등가 모델로 구현할 수 있다. 일 실시예에서, 전력 네트워크(130)를 T형 등가 모델로 구현할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, T형 등가 회로는 상기 전력 네트워크의 입력단과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제1 등가 임피던스(Z1)와 제2 등가 임피던스(Z2); 및 상기 제1 등가 임피던스(Z1) 및 제2 등가 임피던스(Z2) 사이 노드에서 연장되고, 제1 등가 임피던스(Z1) 및 제2 등가 임피던스(Z2)와 병렬 연결된 제3 등가 임피던스(Z3)를 포함한다. 이 경우, 제1, 등가 임피던스, 제2 등가 임피던스 및 제3 등가 임피던스는 제1 네트워크 임피던스, 제2 네트워크 임피던스, 제3 네트워크 임피던스 및 제4 네트워크 임피던스를 이용하여 다음과 같이 각각 표현될 수 있다.
[수학식 8 내지 10]
Z1=jX11-jX12
Z2=jX22-jX12
Z3=jX12
일부 실시예에서, 전력 변환 시스템(1)이 절연형으로 구성된 경우, 전력 네트워크(130)는 변압기를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 절연형 네트워크는 n의 비율로 감겨진 변압기를 더 포함할 수 있다.
상기 수학식 6 및 수학식 7에 기초하여 4-단자 네트워크의 설계 자유도 X11, X12, X22를 설계하면, 출력 임피던스를 임의의 입력 임피던스로 변환 할 수 있다. 부하와 관련된 변수는 상수이고, 변수인 설계 자유도는 3개인데, 만족해야하는 식은 Rin 및 Xin에 대한 식 2개이다. 이로 인해, 출력 임피던스를 변환할 수 있는 해는 무수히 많이 존재한다. 따라서 4-단자 전력 네트워크(130)는 높은 자유도를 가지기 때문에, 최적화된 전력 네트워크를 설계하는데 용이하게 활용될 수 있다.
특히, 전력 네트워크(130) 및 다른 구성요소에 기초한 공진형 컨버터가 전력 변환 시스템(1)에 포함되는 경우, 공진형 컨버터를 구동하는데 최적화된 (예컨대, 공진형 컨버터의 역률을 향상시킬 수 있는) 전력 네트워크(130)를 설계할 수 있다
제1 실시예
도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 공진형 컨버터를 포함한 전력 변환 시스템(1)의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 전력 변환 시스템(1)은 전력 공급원(110), 부하부(150), 및 전력 공급원(110)의 전력을 부하부(150)로 전달하는 공진형 컨버터(RC, Resonant Converter)를 포함한다. 상기 공진형 컨버터는 전력 네트워크(130)를 포함한다. 또한, 일부 실시예에서, 공진형 컨버터는 인버터부(120), 및 정류기 회로(140) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 인버터 회로는 능동 소자의 개수 또는 출력 형태에 따라 구분될 수 있다. 인버터 회로는, 예를 들어 4개의 스위치를 통해 DC 전압원으로부터 구형파 전압을 합성하는 풀 브릿지 인버터, 2개의 스위치를 통해 구형파 전압을 합성하는 하프 브릿지 인버터 등을 포함한다.
또한, 전력 변환 시스템(1)은 제어기(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 제어기는 인버터부(120)의 출력 전압을 제어하는 역할을 한다. 제어기는 전류 지령 생성기, 약자속 제어기, 전류 제어기, 전압 제어기, 스텝 전압 생성기, 보상 전압 생성기, PWM부, 좌표변환기 중 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 변동 범위에 따른 부하 임피던스를 설명하기 위한 도면이다. 부하의 임피던스 성분별 변동 범위는 도 5a 내지 도 5c에서 각 지점(ZL, Zin)을 포함한 영역으로 각각 표현된다.
부하부(150)에 포함된 부하 임피던스는 특정 범위에서 변동하는 변동 부하이다. 전력 공급원(110)에서 부하 임피던스를 바라 볼 때, 전력 공급원(110)과 부하 임피던스 사이에 배치된 공진형 컨버터의 구성요소(예컨대, 전력 네트워크(130) 등)에 의해, 부하 임피던스는 공진형 컨버터의 입력 임피던스로 변환된다.
도 5a는 부하 임피던스의 실수 성분이 상대적으로 넓은 범위에서 변화할 때 입력 임피던스의 실수 성분이 상대적으로 좁은 범위에서 변동하는 예시이고, 도 5b는 부하 임피던스의 실수 성분이 넓은 범위에서 변화할 때 입력 임피던스의 허수 성분이 좁은 범위에서 변동하는 예시이다. 마지막으로 도 7c는 부하 임피던스가 변화하더라도 입력 임피던스는 변화하지 않는 예시이다.
전력 시스템이 컨버터 및 부하를 포함하는 경우, 일반적으로 부하 임피던스는 한 점에 고정되어 있지 않고 특정 범위 내에서 변화한다. 특히, 컨버터가 공진형 컨버터인 경우, 하나의 주파수에서 최적화된 공진형 컨버터의 특성 상 부하 임피던스가 변동하면, 공진형 컨버터의 입력단의 역률이 저하되게 되고, 결국 전체 전력 시스템이 비효율적으로 구동하게 되는 문제가 있다.
전술한 바와 같이, 4-단자 전력 네트워크(130)는 높은 자유도를 가진다. 따라서, 전력 변환 시스템(1)에 포함된 전력 네트워크(130)가 특정 범위에서 변화하는 부하를 시스템이 요구하는 범위의 입력 임피던스로 변환하도록 설계되는 경우, 공진형 컨버터에 연결된 부하 임피던스의 변동에 따른 역률 저하의 문제를 해결할 수 있다.
일 실시예에서, 부하 임피던스의 변동에 따른 역률 저하 문제를 해결하기 위해, 전력 네트워크(130)는 공진형 컨버터에 적용될 경우 공진형 컨버터에 최적화된 역률(또는 설계자에 의해 의도된 역률)을 갖도록 설계될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 전력 네트워크(130)는 최적화된 역률을 기준으로 역률 변동 허용 범위 내의 역률을 갖도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 역률 변동 허용 범위가 10%인 경우, 전력 네트워크(130)는 공진형 컨버터가 0.9 내지 1 사이의 역률 값을 갖도록 설계될 수 있다.
통상적으로 역률이 1인 경우를 최적 값으로 설정하기 때문에, 대부분의 경우 전력 네트워크(130)는 공진형 컨버터의 역률이 1 또는 1에 가까운 수치의 (예컨대, 0.85 이상) 역률을 갖도록 설계될 수 있다.
그러나, 최적화된 역률 값, 역률의 변동 허용 범위는 시스템의 특성에 의존하며, 이에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 따라서, 전술한 부하 변동에 대한 최적화 수치들(예컨대, 1 또는 1에 가까운 역률 값)은 단지 예시적으로 서술된 것이다. 전력 네트워크(130)의 설계는 이에 제한되지 않으며, 특정 경우에는 (예컨대, 스위칭 특성을 높이기 위해) 전력 네트워크(130)는 의도적으로 1 보다 낮은 값의 역률 값을 갖도록 설계될 수도 있음이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 부하 변동에 따른 입력 임피던스의 변동을 설명하기 위한 도면이다.
부하 임피던스가 범위를 가지고 변동하는 경우, 입력 임피던스의 변동은 도 6에 도시된 바와 같이 나타난다. 여기서, RL은 부하 임피던스(ZL)의 실수 성분을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, RL에 따른 Rin의 그래프 형태를 분석하면, 상기 그래프 형태는 하나의 극대점을 가진다. Rin이 최대가 되게 하는 RL 값(이하, “L,crit”로 지칭함)은 아래의 식으로 표현된다.
[수학식 11]
Figure pat00010
RL이 변동하는 영역에 따라 입력 임피던스가 변동되는 형태도 달라진다. 예를 들어 RL,crit를 경계로하여 RL이 RL,crit보다 훨씬 작은 경우 (영역 A1), RL이 증가함에 따라 Rin이 선형적으로 증가하고 Xin은 일정하게 유지되는 특성이 있다. 또한, RL,crit를 경계로 하여 RL이 RL,crit보다 훨씬 큰 경우 (영역 A3) RL이 증가함에 따라 Rin이 선형적으로 감소하며 Xin은 일정하게 유지되는 특성이 있다. 한편, RL이 RL,crit 근방에 있는 경우 (영역 A2) RL이 변할 때 Rin이 거의 변하지 않는 특성이 있다.
일 실시예에서, A1, A3은 Xin 값이 대략 10%로 유지되는 범위를 나타내고, A2는 Rin의 값이 대략 10% 내로 유지되는 범위를 나타낸다. 예를 들어, A1 내지 A3을 m 값을 기준으로 표현하는 경우, A1 영역은 m<0.2, A2 영역은 1/1.5(=0.67)<m<1.5, A3 영역은 5<m 으로 표현될 수도 있다.
그러나, 이러한 수치는 단지 예시적인 것이다. 전술한 바와 같이 시스템 특성에 따라 입력 임피던스의 변동, 최적화된 역률 값 들이 상이하므로, 시스템 특성에 따라서 영역 A1, A2, A3를 나타내는 범위는 상이할 수 있다.
도 5에 나타난 부하 변동 범위에 대한 정보를 획득한 경우, 공진형 컨버터의 입력 임피던스가 어떻게 변동할지 예상할 수 있으므로, 이를 공진형 컨버터 설계에 적용할 수 있다.
RL,crit와 RL의 비율은 m이라는 변수로 정의하면, m의 값을 선정하여 부하의 변동에 따른 입력 임피던스의 변동을 조절할 수 있다. 이때 m에 따른 X11, X12, X22 값은 아래 식과 같이 유일하게 결정된다.
[수학식 12 내지 14]
Figure pat00011
공진형 컨버터를 포함한 전력 변환 시스템(1)이 최적화되기 위해서는 예컨대 10% 내지 100% 인 변동 범위를 갖는, 가변 부하를 포함하는 경우에도 공진형 컨버터가 높은 역률을 가져야 한다. 즉, 전력 네트워크(130)를 통해 변환되는 입력 임피던스는 전력 변환 시스템(1)의 역률을 1 또는 1에 가깝게 유지할 수 있는 값을 가진다. 이하, 공진형 컨버터의 입력단에서의 역률을 1에 (또는 1에 가깝게) 유지하도록 4-단자 전력 네트워크를 설계하는 과정에 대해 상세하게 서술한다.
도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 4의 전력 변환 시스템을 개략적으로 모델화한 도면이다. 전력 전달이 대부분 기본 파 성분에 의해서 이루어지는 경우, 도 4의 전력 변환 시스템(1)은 컨버터 및 전력 네트워크(130)를 이용하여 도 7과 같이 단순하게 모델화 될 수 있다. 여기서 V1은 인버터가 합성하는 전압의 기본 파 성분이다. RL은 정류 회로를 기본 파 가정에 따라 간단하게 모델링한 유효 저항 성분으로서, 출력 전압/출력 전력 조건에 따라 그 값이 결정한다.
이때, 입력 임피던스의 허수 성분(Xin)은 0이 되도록 설계하여 전력 변환 시스템(1)의 역률을 1 또는 1에 가깝게 유지한다. 입력 임피던스의 실수 성분(Rin)은 입력 전압/출력 전력 조건에 따라 결정된다. 입력 임피던스의 성분은 다음의 식들로 표현될 수 있다.
[수학식 15 및 16]
Figure pat00012
여기서 Po는 출력 전력이며, Vin은 전력 공급원(110)에 적용된 전압의 크기이다. 일 실시예에서, 전력 변환 시스템(1)이 DC 전압원 및 인버터를 포함하는 경우, Vin은 DC 전압원의 DC 전압 크기를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는, 본 발명의 제1 실시에에 따른, 부하의 변동 범위에 따른 역률을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시에에서, 부하의 변동 영역이 도 6에 도시된 영역(A1)에 존재하는 경우 (즉, m<<1), 제1 실시예에 따른 전력 네트워크(130)가 적용된 공진형 컨버터는 (예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이 0.85 이상의) 1 또는 1에 가깝게 유지되는 역률 값을 가진다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 네트워크(130)가 적용된 공진형 컨버터를 이용하는 경우, 부하가 변동함에도 불구하고 높은 역률을 가질 수 있고, 그 결과 전체 시스템이 높은 효율을 가질 수 있다.
특히, 제1 실시예에 따른 전력 네트워크(130)를 설계함에 있어, 각 조합별 사례연구가 없이도, 공진형 컨버터에 최적화된 수동소자의 조합을 설계할 수 있다. 이로 인해, 사례연구에 소모될 수 있는 시간, 비용 등의 자원을 절약할 수 있다.
제2 실시예
일반적으로 컨버터는 넓은 입력 전압 범위에서 구동되는 것이 선호된다. 그러나 공진형 컨버터의 경우 넓은 입력 전압 범위를 만족하도록 설계되면, 정격 조건에서는 효율이 좋지만 그 외의 구동 조건에서 비효율적으로 구동되는 특징이 있다.
본 예시에서는 공진형 컨버터는 출력 임피던스가 두 개의 구동 주파수(f0, f1)에 대해 최적화된 역률(또는 설계자에 의해 의도된 역률)을 갖도록 설계된다. 일 실시예에서, 공진형 컨버터의 역률이 1이 되도록 입력 임피던스(Zin)을 변환하는 전력 네트워크(130)를 설계하는 과정을 상세하게 서술한다.
주파수(f0)에서 최적화된, 출력 임피던스(ZL_0)로부터 변환된 입력 임피던스(Zin_0)는 다음과 같이 표현된다.
[수학식 17 및 18]
Figure pat00013
여기서, X11_0은 주파수(f0)에서 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12_0은 주파수(f0)에서 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22_0은 주파수(f0)에서 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, RL_0은 주파수(f0)에서 부하 임피던스의 실수 성분을 나타낸다.
주파수(f1)에서 최적화된, 출력 임피던스(ZL_1)로부터 변환된 입력 임피던스(Zin_1)는 다음과 같이 표현된다.
[수학식 19 및 20]
Figure pat00014
여기서, X11_1은 주파수(f1)에서 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12_1는 주파수(f1)에서 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22_1는 주파수(f1)에서 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, RL_1은 주파수(f1)에서 부하 임피던스의 실수 성분을 나타낸다.
일 실시예에서, 각 주파수(f0, f1)에 최적화되기 위해 변환된 입력 임피던스의 허수 성분은 각각 0이 되도록 결정된다.
공진형 컨버터의 전력 네트워크(130)가 상기 수학식 17 내지 20을 만족하도록 구성된 경우, 공진형 컨버터는 두 개의 구동 주파수에 대해 최적화되고, 결국 높은 시스템 효율을 가진다.
이와 같이 설계된 전력 네트워크(130)가 공진형 컨버터에 적용되는 경우, 상기 공진형 컨버터는 보다 넓은 범위에서 입력 전압이 바뀌어도 효율적으로 구동할 수 있다.
상기 실시예에서, 부하 임피던스의 변동에 따른 역률 저하 문제를 해결하기 위해, 전력 네트워크(130)는 공진형 컨버터에 적용될 경우 공진형 컨버터에 최적화된 역률(또는 설계자에 의해 의도된 역률)을 갖도록 설계되었으나, 일부 실시예에서, 전력 네트워크(130)는 최적화된 역률을 기준으로 역률 변동 허용 범위 내의 역률을 갖도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 역률 변동 허용 범위가 10%인 경우, 전력 네트워크(130)는 공진형 컨버터가 0.9 내지 1 사이의 역률 값을 갖도록 설계될 수 있다.
그러나, 최적화된 역률 값, 역률의 변동 허용 범위는 시스템의 특성에 의존하며, 이에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 따라서, 전술한 각 주파수(f0, f1)에 대한 최적화 수치들(예컨대, 1의 역률)은 단지 예시적으로 서술된 것이다. 전력 네트워크(130)의 설계는 이에 제한되지 않으며, 특정 경우에는 (예컨대, 스위칭 특성을 높이기 위해) 전력 네트워크(130)는 의도적으로 1 보다 낮은 값의 역률 값을 갖도록 설계될 수도 있음이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 전력 네트워크의 회로도이다.
일 실시예에서, 상기 수학식 17 내지 20을 만족하는 전력 네트워크(130)는 2개의 커패시터 및 2개의 인덕터로 구성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 전력 네트워크(130)는 전력 네트워크(130)의 입력단과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제1 커패시터와 제2 커패시터; 상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 배치된 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터 및 제2 커패시터 사이 노드에서 연장되고, 상기 제1 인덕터 및 제2 커패시터와 병렬 연결된 제2 인덕터를 포함한다.
도 10a 내지 도 10c는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 주파수에 따른 입력 임피던스 및 전압 이득을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에서, 공진형 컨버터는, 최적화되는 두 주파수(f0, f1)가 각각 100kHz, 180kHz로 설정되고, 두 주파수에서 전압 이득이 2배 차이 및 Rin_0과 Rin_1이 서로 4배 차이 나도록 설정된다. 공진형 컨버터는 두 주파수 모두에서 Xin_0과 Xin_1은 0이 되도록 구성되고, 결국, 공진형 컨버터의 입력 단에서의 역률이 1이 되도록 더 구성된다.
이와 같이 구성된 경우, 전력 변환 시스템(1)의 전력 공급원(110)에서 바라본, 공진형 컨버터의 입력 임피던스(Zin)의 실수 성분(Rin) 및 허수 성분(Xin)은 주파수에 따라 도 10a 및 도 10b 에 도시된 바와 같이 각각 나타난다. 또한, 공진형 컨버터의 전압 이득은 주파수에 따라 도 10c에 도시된 바와 같이 나타난다. 도 10c와 같은 전압 이득 결과를 갖는 경우, 공진형 컨버터는, 입력 전압이 2배 차이 나더라도, 주파수를 변경하여 출력 전압을 일정하게 유지할 수 있음을 의미한다.
도 11a 및 도 11b는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 공진형 컨버터의 입력단의 전압(V1) 파형과 전류(I1) 파형을 설명하기 위한 도면이다.
상기 실시예에서, 공진형 컨버터는 입력 전압이 2배 차이 나더라도, 주파수를 변경하여 출력 전압을 일정하게 유지하도록 구성된다. 일 예에서, 제1 입력 전압이 150V, 제2 입력 전압이 300V로 적용되는 경우, 입력 전압이 150V에서 300V로 2배 바뀔 때 주파수를 100kHz에서 180kHz로 변경하여도 출력 전압은 일정하게 유지된다. 이 경우, 공진형 컨버터의 출력 전압을 일정하게 유지하는 상황에서, 입력 단의 전압(V1)과 전류(I1) 파형은 도 11a 및 도 11b와 같이 나타난다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 두 주파수에서 공진형 컨버터의 입력단 역률이 1에 가깝게 유지되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 공진형 컨버터의 입력 전압이 두 배 바뀌더라도 공진형 컨버터가 효율적으로 구동되는 것을 의미한다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 네트워크(130)가 적용된 공진형 컨버터를 이용하는 경우, 상기 공진형 컨버터는 두 개의 구동 주파수에서 최적화되어 구동한다. 따라서, 보다 넓은 범위에서 입력 전압이 바뀌어도 높은 역률을 가질 수 있어, 정격 조건이 확장되는 효과를 가진다. 결국 전체 시스템의 효율이 향상될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 전력 공급원 및 부하를 갖는 전력 변환 시스템에 적용되는 공진형 컨버터로서,
    상기 공진형 컨버터는,
    상기 전력 공급원의 전력을 부하로 전달하며, 수동 소자로 이루어진 전력 네트워크;
    상기 전력 공급원과 전력 네트워크 사이에 배치된 인버터부; 및
    상기 전력 네트워크와 부하 사이에 배치된 정류기를 포함하는 공진형 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 네트워크는,
    제1 네트워크 임피던스, 제2 네트워크 임피던스, 제3 네트워크 임피던스 및 제4 네트워크 임피던스를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    각 네트워크 임피던스의 허수 성분은 다음과 같이 각각 표현되며,
    Figure pat00015

    여기서, X11은 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22는 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12는 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분을 나타내고, Xin 및 Rin은 전력 공급원에서 바라본 입력 임피던스의 성분들을 나타내며, RL은 부하 임피던스의 실수 성분을 나타내고, RL,crit은 RL이 변동할 때 Rin이 최대가 되게 하는 RL값을 나타내는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 네트워크는 T형 등가회로로 모델링될 수 있으며, 상기 T형 등가회로는,
    상기 전력 네트워크의 입력단과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제1 등가 임피던스와 제2 등가 임피던스; 및
    상기 제1 등가 임피던스 및 제2 등가 임피던스 사이 노드에서 연장되고, 제1 등가 임피던스 및 제2 등가 임피던스와 병렬 연결된 제3 등가 임피던스로 구성되며,
    상기 제1 등가 임피던스의 허수 성분은 X11-X12, 제2 등가 임피던스의 허수 성분은 X22-X12, 제3 등가 임피던스의 허수 성분은 X12로 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 네트워크는 T형 등가회로의 등가 임피던스들이 아래의 수식을 만족하도록 구성되며,
    Figure pat00016

    여기서, X1은 제1 등가 임피던스의 허수 성분, X2는 제2 등가 임피던스의 허수 성분, 및 X3은 제3 등가 임피던스의 허수 성분을 나타내는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전력 네트워크는,
    상기 전력 네트워크의 입력단과 출력단 사이에 직렬로 배치된 제1 커패시터와 제2 커패시터;
    상기 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 배치된 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터 및 제2 커패시터 사이 노드에서 연장되고, 상기 제1 인덕터 및 제2 커패시터와 병렬 연결된 제2 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 변환 시스템은 주파수에 따라 전력 네트워크에 입력되는 입력 전압이 변동하도록 구성된 경우,
    상기 전력 네트워크는, 제1 주파수 f0 또는 제2 주파수 f1에서 최적화된 역률 값을 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공진형 컨버터의 최적화된 역률 값은 0.9 내지 1인 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전력 네트워크는 상기 제1 주파수에서 다음의 수학식을 만족하도록 더 구성되고,
    Figure pat00017

    여기서, X11_0은 제1 주파수에서 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12_0은 제1 주파수에서 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22_0은 제1 주파수에서 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, RL_0은 제1 주파수에서 부하 임피던스의 실수 성분을 나타내는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전력 네트워크는 상기 제2 주파수에서 다음의 수학식을 만족하도록 더 구성되고,
    Figure pat00018

    여기서, X11_1은 제2 주파수에서 제1 네트워크 임피던스의 허수 성분, X12_ 1는 제2 주파수에서 제2 네트워크 임피던스의 허수 성분, X22_ 1는 제2 주파수에서 제4 네트워크 임피던스의 허수 성분, RL_1는 제2 주파수에서 부하 임피던스의 실수 성분을 나타내는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
    .
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전력 네트워크는 상호적(reciprocal)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.
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