KR20200090156A - 전력 변환 장치 및 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

전력 변환 장치 및 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

전력 변환 장치는 AC 전력을 정전류 DC 전력으로 변환하는 정류기, DC 전력을 부하에 출력될 AC 전력으로 변환하는 공진 인버터, 및 인버터의 출력 전류 값, 인버터의 전류 공급 시간, 전류-공급 시간을 전류-공급 시간 및 비-전류-공급 시간의 합으로 제산함으로써 정의되는 동작 레이트, 및 부하의 공진 주파수의 설정들을 수신하는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은, 출력 주파수, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 인버터의 허용가능 출력 전류와 연관되는 데이터에 기초하여, 그것이 설정 조건들에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정된 때에만 정류기 및 인버터를 동작시킨다.

Description

전력 변환 장치 및 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법
본 발명은 전력 변환 장치 및 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
유도 가열은 스틸 등으로 이루어진 작업 상의 열 처리를 위해 사용되는 가열 방법들 중 하나이다. 퀀칭(Quenching)은 유도 가열을 사용하는 열 처리의 일 예이다. 퀀칭을 수행할 때, 주파수는 퀀칭 깊이에 따라 선택된다.
관련 기술의 전력 변환 장치는 DC 전력을 스위칭 디바이스와 같은 전력 반도체 디바이스를 사용하여 고-주파수 AC 전력으로 변환하도록 구성된다(예를 들어, MK16A Transistor Inverter, Neturen Co, Ltd, www.k-neturen.co.jp/Portals/0/images/products/ihsystem/pdf/MK16Aenglish.pdf의 팜플렛을 참조). 전력 반도체 디바이스는 예를 들어, 10 kHz 미만의 출력 주파수를 위한 사이리스터 디바이스, 출력 주파수 범위가 10 kHz에서 100 kHz까지 이르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 또는 100 kHz를 초과하는 출력 주파수를 위한 금속-산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)일 수 있다.
100 kHz의 출력 주파수가 10 kHz의 출력 주파수와 비교될 때, 전력 반도체 디바이스의 스위칭 손실은 10배보다 더 크고, 전력 반도체 디바이스의 온도 상승은 또한 상당히 상이하다. 따라서, 전력 변환 장치의 인버터의 최대 정격 값이 장치의 동작 범위의 주파수에 기초하고 연속 출력의 가정 하에 결정되고 고정되는 경우, 더 낮은 출력 주파수 및/또는 단시간 출력을 갖는 동작은 전력 반도체 디바이스가 작은 온도 저항을 나타내고 더 높은 출력을 제공할 수 있지만 최대 정격 값에 의해 제기되는 제한으로 인하여 비경제적일 것이다.
따라서, 다른 관련된 기술에 따르면, 전력 변환 장치는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성되는 정류기, 정류기에 의해 변환된 DC 전력을 평활화하도록 구성되는 평활 필터, 평활 필터에 의해 평활화된 DC 전력을 스위칭 디바이스의 온 및 오프를 통해 고-주파수 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 인버터, 및 정류기 및 인버터를 동작시키도록 구성되는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은, 출력 주파수와 같은, 장치의 동작 조건에 따라, 스위칭 디바이스가 사용될 수 있는 온도 범위 내에서 인버터의 최대 정격 값을 변경시키도록 구성된다(예를 들어, JP2015-117425A 및 JP2017-011835A 참조).
구체적으로, 제어 유닛이 출력 주파수, 전류-공급 시간, 동작 레이트(전류-공급 시간 및 비-전류-공급 시간의 합에 의해 제산된 전류-공급 시간), 및 스위칭 디바이가 사용될 수 있는 온도에서의 전력이 서로 연관되는 데이터의 설정을 사용함으로써, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 설정될 때, 제어 유닛은, 데이터 설정에 기초하여, 설정 조건들 하에서 그리고 출력 주파수에 따라 스위칭 디바이스를 통과할 수 있는 최대 허용가능 전류를 계산한다.
관련 기술의 전력 변환 장치들은 부하가 병렬 공진 회로를 포함하고, 정류기가 AC 전력을 정전압 DC 전력으로 변환하도록 구성된다는 가정에 기초한다. 전압-일정 제어가 수행되므로, 얼마나 많은 전류가 실제적으로 전류를 인가하는 것 없이 스위칭 디바이스를 통과할지 아는 것은 어렵다. 따라서, 관련 기술의 전력 변환 장치들에서, 제어 유닛은 정류기로부터의 전류 피드백 신호에 기초하여 정류기의 출력 전류를 검출하고, 검출된 전류가 최대 허용가능 전류를 초과할 때 출력을 정지시키거나 낮춘다. 그 다음, 전류-공급 시간 및 동작 레이트의 조건들이 재설정되지만, 조건 설정이 반복됨으로써, 출력 조건을 설정하는 데 시간이 걸린다.
본 발명의 예시적 양태들은 출력 조건들을 설정하기 위해 요구되는 시간을 감소시킬 수 있는 전력 변환 장치, 및 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적 양태에 따르면, 전력 변환 장치는 AC 전력을 정전류 DC 전력으로 변환하도록 구성되는 정류기, 스위칭 디바이스를 갖는 공진 인버터 - 공진 인버터는 정류기로부터 수신되는 DC 전력을 스위칭 디바이스의 온 및 오프를 통해 AC 전력으로 변환하고 AC 전력을 부하에 출력하도록 구성됨 -, 및 인버터의 출력 전류 값, 인버터의 전류 공급 시간, 및 전류-공급 시간을 전류-공급 시간과 비-전류-공급 시간의 합으로 제산함으로써 정의되는 인버터의 동작 레이트의 설정들(settings)을 수신하고, 설정된 인버터의 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 및 동작 레이트에 기초하여 정류기 및 인버터를 동작시키도록 구성되는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 부하의 공진 주파수의 설정을 더 수신하도록 구성된다. 제어 유닛은, 인버터의 출력 주파수, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 인버터의 허용가능 출력 전류 값과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트, 및 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 결정하고, 제어 유닛이 전력 변환 장치가 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정할 때에만 정류기 및 인버터를 동작시키도록 구성된다.
본 발명의 다른 예시적 양태에 따르면, 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 제어 유닛에 의해 수행된다. 방법은 인버터의 출력 전류 값, 인버터의 전류-공급 시간, 인버터의 동작 레이트 및 부하의 공진 주파수를 설정하기 위한 입력을 수신하는 단계, 인버터의 출력 주파수, 전류-공급 시간, 및 동작 레이트가 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 인버터의 허용가능 출력 전류 값과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트, 및 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작가능한지 여부를 결정하는 단계, 및 전력 변환 장치가 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정된 때에만 정류기 및 인버터를 동작시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 예시적 양태에 따르면, 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 컴퓨터에 의해 실행될 때, 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 상술된 방법을 실행하게 한다. 컴퓨터 프로그램은 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 일 예를 예시하는 블록 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 전력 변환 장치의 출력에 연결되는 부하의 임피던스 변화의 일 예를 예시하는 그래프이다.
도 3은 인버터의 전도 패턴(conduction pattern)의 일 예를 예시하는 그래프이다.
도 4는 출력이 가능한지 여부를 결정하기 위해 사용되는 데이터의 일 예를 예시하는 그래프이다.
도 5는 출력이 가능한지 여부를 결정하기 위해 사용되는 데이터의 다른 예를 예시하는 그래프이다.
도 6a는 스위칭 디바이스의 허용가능 전류 값을 계산하기 위한 방법의 일 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 6b는 허용가능 전류 값을 계산하기 위한 방법의 일 예를 예시하는 다른 다이어그램이다.
도 6c는 허용가능 전류 값을 계산하기 위한 방법의 일 예를 예시하는 다른 다이어그램이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 예시한다.
전력 변환 장치(10)는 상용 전원 등으로부터 공급되는 AC 전력을 정전류 DC 전력으로 변환하기 위한 정류기(11), 정류기(11)로부터 수신되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위한 인버터(13), 및 정류기(11) 및 인버터(13)의 제어 회로들(예시되지 않음)을 동작시키기 위한 제어 패널(14)을 포함한다.
인버터(13)는 부하(15)에 연결되는 출력을 갖고, 부하(15)는 스틸(streel) 등으로 이루어지는 작업편(workpiece)을 유도 가열하기 위한 가열 코일(L) 및 커패시터(C)를 포함한다. 가열 코일(L) 및 커패시터(C)는 인버터(13)의 출력에 직렬로 연결되고, 직렬 공진 회로를 형성한다.
정류기(11)는 평활화된 전압이 평활 커패시터 및 외부 신호에 기초하여 전도를 제어할 수 있는 사이리스터와 같은 반도체 디바이스를 사용하여 가변될 수 있도록 평활화된 전압을 DC 전압으로 변환시킨다. 반도체 디바이스의 전도는 전류가 평활화된 전압을 변경시킴으로써 일정하게 유지되도록 제어 회로에 의해 제어된다. 평활 커패시터로의 돌입 전류(rush current)를 제어하기 위해, 리액터가 더 사용될 수 있다.
인버터(13)는 브리지형 방식으로 연결되고, 정류기(11)로부터 수신되는 정전류 DC 전력을 스위칭 디바이스들의 온 및 오프 동작들을 통해 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 복수의 스위칭 디바이스들을 포함한다. 스위칭 디바이스들의 온 및 오프 동작들, 또는 환원하면 인버터(13)의 출력 주파수는 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 이 제어 동안, 출력 주파수는 인버터(13)의 동작 범위 내의 최대 주파수로부터 점진적으로 낮아지고, 출력 주파수가 낮아지는 동안 감지되는, 부하(15)의 공진 주파수에 유지된다.
스위칭 디바이스는 스위칭 동작을 수행할 수 있는 다양한 유형들의 전력 반도체 디바이스들, 예컨대 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함할 수 있고, 실리콘(Si) 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide; SiC)는 반도체 재료로서 사용될 수 있다.
도 2는 부하(15)의 임피던스 변화를 예시한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 직렬 공진 회로를 형성하는 부하(15)의 임피던스(Z)는 전형적으로 공진 주파수(f0)에서 최소화된다. 부하(15)가 연결되는 전력 변환 장치(10)는 정전류를 출력하도록 구성된다. 그것은, 전력 변환 장치(10)가 정전압을 출력하도록 구성될 때, 부하(15)의 임피던스(Z)에 의해 결정되는 전류가 출력되지만, 인버터(13)가 부하(15)의 임피던스(Z)가 최소화되는 공진 주파수(f0)에서 동작되고, 다량의 전류가 인버터(13)로 유입될 수 있기 때문이다. 더욱이, 직렬 공진 회로에 대한 출력이 정전압에서 제어될 때, 구형파 전류가 가열 코일(인덕터)(L)에 인가되고, Lxdi/dt의 전압이 인덕터(L)에 걸쳐 생성된다. 그러나, 구형파 전류의 di/dt가 상당히 높기 때문에, 급전압(steep voltage)이 인덕터(L)에 걸처 생성된다.
도시되지 않았지만, 병렬 공진 회로를 형성하는 부하(인버터의 출력에 병렬로 연결되는 가열 코일(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 부하)의 임피던스는 전형적으로 공진 주파수에서 최대화되고, 부하가 연결되는 전력 변환 장치는 정전압을 출력하도록 구성된다. 그것은, 전력 변환 장치가 정전류를 출력하도록 구성될 때, 부하의 임피던스에 의해 결정되는 전압이 출력되지만, 인버터가 부하가 최대화되는 임피던스에서 공진 주파수에서 동작되고, 고전압이 역변환(reverse conversion) 유닛에 인가될 수 있기 때문이다. 병렬 공진 회로에 대한 출력이 정전류로 제어될 때, 구형파 전압이 커패시터(C)에 인가되고, Cxdv/dt의 전류가 커패시터(C)로 유입된다. 그러나, 구형파 전압의 dv/dt가 상당히 높기 때문에, 급전류가 커패시터(C)로 유입될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 정류기(11) 및 인버터(13)의 제어 회로들을 동작시키기 위한 제어 패널(14)은 동작 유닛(20), 디스플레이 유닛(21) 및 제어 유닛(22)을 포함한다.
동작 유닛(20)은 스위치와 같은 하드웨어 키를 포함하고, 오퍼레이터에 의한 다양한 동작들을 수신하기 위해 사용된다. 디스플레이 유닛(21)은 예를 들어, 액정 표시 장치(LCD)와 같은 디스플레이 디바이스를 포함하고, 동작 스크린 등을 디스플레이한다. 제어 유닛(22)으로서, 프로그래밍가능 로직 컨트롤러(rogrammable logic controller; PLC)와 같은 컴퓨터가 사용될 수 있다. 제어 유닛(22)은 하나 이상의 프로세서들 및 프로세서들에 의해 실행되는 프로그램 및 프로그램들을 실행시키기 위해 요구되는 데이터를 저장하기 위한 메모리 디바이스를 포함한다. 메모리 디바이스는 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 등을 포함할 수 있다. 프로세서가 프로그램을 실행함에 따라, 제어 유닛(22)은 정류기(11) 및 인버터(13)의 제어 회로들을 동작시킨다. 이하, 제어 유닛(22)에 의해 실행되는 프로세스가 설명될 것이다.
설정 단계
정류기(11) 및 인버터(13)의 제어 회로들을 동작시키기 위해, 제어 유닛(22)은 인버터(13)의 출력 전류 값, 인버터(13)의 전류-공급 시간, 인버터(13)의 동작 레이트 및 부하(15)의 공진 주파수를 설정하기 위해 동작 유닛(20)을 통해 입력 값들을 수신하고, 입력 값들에 기초하여 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트 및 공진 주파수를 설정한다.
도 3을 참조하여, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 설명될 것이다.
작업편(workpiece)의 유도 가열 동안, AC 전력이 인버터(13)로부터 가열 코일(L)에 출력되는 시간은 작업편에 따라 범위가 수 초에서 수십 초까지 이를 수 있다. 다음 작업편이 하나의 작업에 대한 유도 가열이 완료된 후 유도 가열 장치에 설치될 때, AC 전력은 인버터(13)로부터 가열 코일에 출력된다. 전류 공급 시간(ta)은 AC 전력이 인버터(13)로부터 출력되는 시간을 나타내고, 하나의 작업에 대한 유도 가열을 완료하기 위해 요구되는 시간에 대응한다. 비-전류-공급 시간(tb)은 AC 전력이 인버터(13)로부터 출력되지 않는 시간을 나타내고, 다음 작업을 위한 유도 가열이 하나의 작업을 위한 유도 가열이 완료된 후 시작될 때까지 요구되는 시간에 대응한다.
인버터(13)의 동작 레이트(α)는 다음 방정식에 의한 전류-공급 시간 대 주기(τ)의 비율로서 정의되며, 주기(τ)는 전류-공급 시간(ta) 및 비-전류-공급 시간(tb)의 합이다. 동작 레이트(α) = 100%는 연속 출력을 의미한다. 동작 레이트(α)를 설정할 때, 동작 레이트(α)가 직접 입력될 수 있거나, 전류-공급 시간(ta) 및 비-전류-공급 시간(tb)이 입력될 수 있다.
α = ta/τ = ta/(ta + tb)
단계 결정
제어 유닛(22)은, 설정 단계에서 설정된, 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트 및 공진 주파수에 기초하여, 출력이 가능한지 여부를 판단한다. 출력이 가능한지 여부를 판단하기 위해, 제어 유닛(22)은 인버터(13)의 출력 주파수, 전류 공급 시간 및 동작 레이트 그리고 인버터(13)에 포함되는 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 미리결정된 온도에서 허용가능 출력 전류 값이 서로 연관되는 데이터를 사용한다. 데이터는 미리 제어 유닛(22)의 메모리 디바이스에 저장된다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 출력이 가능한지 여부를 판단하기 위해 사용되는 데이터가 설명될 것이다.
도 4 및 도 5에 예시된 그래프들에서, 수평 축은 동작 레이트(α)(%)를 나타내고, 수직 축은 정격 전력(kW)을 나타낸다. 도 4 및 도 5는 전류-공급 시간들(t1 내지 t4)(t1 < t2 < t3 < t4) 각각에 대한 동작 레이트와 스위칭 디바이스의 온도가 주파수들(f1 및 f2)(f1 < f2)에 대해, 최대 동작가능 온도 이하인 미리결정된 온도에 도달하는 허용가능 출력 전류 값으로부터 계산되는 정격 전력 사이의 관계를 예시한다.
스위칭 디바이스의 온도는 스위칭 디바이스의 냉각 및 손실에 의해 정의되고, 스위칭 디바이스의 손실은 다음 방정식에 의해 표현된다.
스위칭 디바이스의 손실 = 정상 손실 + 스위칭 손실.
여기서, 정상 손실(steady loss)은 스위칭 디바이스의 전도에 의해 야기되는 손실을 나타내고, 출력 전류 값 및 전류-공급 시간에 의존한다. 스위칭 손실은 스위칭 디바이스들의 온 및 오프에 의해 야기되는 손실이고, 주파수(스위칭 카운트) 및 전류-공급 시간에 의존한다.
따라서, 주파수가 동일한 전류가 동일한 전류-공급 시간 동안 동일한 동작 레이트에서 공급되더라도 높을 때, 스위칭 손실은 증가하고, 스위칭 디바이스의 온도는 상승한다. 환언하면, 스위칭 디바이스의 손실에 대한 온도 상승이 동일한 전류-공급 시간 및 동일한 동작 레이트가 적용되는 동안 스위칭 디바이스의 온도와 관계없이 일정하게 유지될 때, 허용가능 출력 전류 값 및 허용가능 출력 전류 값으로부터 변환되는 정격 전류는 주파수를 낮춤으로써 증가될 수 있다. 도 4의 주파수(f1)의 데이터 및 도 5의 주파수(f2)의 데이터(f1 < f2)가 동일한 전류-공급 시간 동안 동일한 동작 레이트에서 정격 전력들에 대해 서로 비교될 때, 상대적으로 낮은 주파수(f1)에서의 정격 전력이 주파수(f2)에서의 정격 전력보다 더 크다.
더욱이, 동일한 전류가, 동작 레이트가 100% 미만인 간헐적 출력(intermittent output) 동안, 동일한 주파수 및 동일한 동작 레이트에서 적용된다고 가정한다. 이 경우, 전류-공급 시간이 증가될 때, 정상 손실 및 스위칭 손실이 증가되고, 스위칭 디바이스의 온도가 상승한다. 더욱이, 동일한 전류가 동일한 전류-공급 시간 동안 동일한 주파수에 적용된다고 가정한다. 이 경우, 동작 레이트가 높을 때, 스위칭 디바이스가 불충분하게 냉각되고, 스위칭 디바이스의 온도가 상승한다. 환언하면, 동일한 주파수 및 동일한 동작 레이트가 적용될 때, 허용가능 출력 전류 값 및 허용가능 출력 전류 값으로부터 변환되는 정격 전력은 전류-공급 시간을 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 더욱이, 동일한 주파수 및 동일한 전류-공급 시간이 적용될 때, 허용가능 출력 전류 값 및 허용가능 출력 전류 값으로부터 변환되는 정격 전력은 동작 레이트를 낮춤으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 동일한 동작 레이트에서 전류-공급 시간들(t1 내지 t4)(t1 < t2 < t3 < t4)의 정격 전력들이 도 5의 주파수(f2)의 데이터에 대해 서로 비교될 때, 상대적으로 짧은 전류-공급 시간에 대한 정격 전력이 상대적으로 긴 전류-공급 시간에 대한 정격 전력보다 더 크다. 더욱이, 전류-공급 시간(t1)에 대한 정격 전력의 경우, 정격 전력은 동작 레이트가 더 낮아짐에 따라 증가된다. 동작 레이트가 100%인 연속 출력 동안, 정격 전력들은 서로 동일하다.
이하, 허용가능 전류 값을 계산하는 방법이 설명될 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 스위칭 디바이스의 온도(접합 온도)가 정기적으로 반복된 전류 또는 실제 사인파를 열 계산을 위한 구형파로 근사화시킴으로써 획득되는 전류로부터 계산될 때의 계산 방법을 예시한다. 도 6a에 예시된 바와 같이 전력 손실(Ptm)에 대한 전류-공급 시간이 tp로 설정되고 주기가 τ로 설정될 때, 서로에 대해 바로 인접한 2개의 펄스들을 제외한 펄스들은 도 6b에 예시된 바와 같이 전력 손실을 근사화하기 위해 평균화되고, 중첩 이론이 도 6c에 예시된 바와 같이 전력 손실에 적용된다. 따라서, 스위칭 디바이스의 접합 온도가 계산된다.
스위칭 디바이스의 접합 온도(Tj)는, 정기적으로 반복된 구형파 전류에 기초하여, 다음 방정식에 의해 계산된다.
Tj = Tw + Ptm{(tp/τ)ㆍR(j - w) + (1 - tp/τ)ㆍR(j - w)(τ + tp) - R(j - w)(τ) + R(j - w)(tp)}
상기 방정식은 다음과 같이 수정된다
Tj - Tw = (T∞ + T3 - T2 + T1)ㆍPtm
여기서, T∞ = (tp/τ)ㆍR(j - w)
T3 = (1 - tp/τ)ㆍR(j - w)(τ + tp)
T2 = R(j - w)(τ)
T1 = R(j - w)(tp)
T∞는 손실의 전도율(tp/τ)의 비율이 무한 시간 동안 적용되고, 연속 정격 동안 전도율(tp/τ) x 열 저항에 의해 계산된다는 것을 나타낸다.
T3은 시간(τ + tp)에서의 손실로부터 시간(τ + tp)에서의 손실의 전도율(tp/τ)의 비율을 감산하는 것을 나타낸다.
-T2는 시간(τ)에서의 손실을 감산하는 것을 나타낸다.
T1는 시간(tp)에서의 손실을 가산하는 것을 나타낸다.
여기서, τ는 반복 시간을 나타내고, R(j - w)(t)는 시간(t)에서의 과도(transient) 열 저항(℃/W)을 나타낸다. Tw는 냉각수의 온도(℃)를 나타낸다.
손실은 다음과 같이 계산되는 정상 손실 및 스위칭 손실의 합에 의해 계산될 수 있다. 정상 손실은 특정 전류에서 측정되는 손실 값에 전류 증가에 기초한 손실 증가율 및 전류 증가에 의한 스위칭 디바이스의 손실 증가율을 승산하는 동작을 통해 계산될 수 있다. 스위칭 손실은 1 kHz 당 스위칭 손실의 값에, 예를 들어, 값에 대한 주파수를 승산하고 전류 증가를 결과 값에 가산하는 동작을 통해 계산될 수 있다.
그 다음, 전류 값이 계산되며, 이는 정상 손실 및 스위칭 손실의 합에 (T∞ + T3 - T2 + T1)를 승산함으로써 획득되는 값이 미리결정된 온도 이하가 되는 관계를 만족시킨다. 전류 값은 허용가능 출력 전류 값으로 설정될 수 있다. 미리결정된 온도는 사용된 스위칭 디바이스에 의해 결정되고, 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도로 설정되고, 적절한 안전율에 최대 동작가능 온도를 승산함으로써 획득되는 온도로 설정될 수 있다.
제어 유닛(22)은 설정 공진 주파수에 대응하는 데이터를 참조하고, 설정 전류 값을 데이터 내의 설정 전류-공급 시간 및 설정 동작 레이트에 대응하는 허용가능 출력 전류 값에 비교한다. 설정 전류 값이 허용가능 출력 전류 값 이하일 때, 제어 유닛(22)은 전력 변환 장치(10)가 설정된 전류 값, 전류-공급 시간 및 동작 레이트에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 판단한다. 설정 전류 값이 허용가능 출력 전류 값을 초과할 때, 제어 유닛(22)은 전력 변환 장치(10)가 출력을 수행하도록 동작할 수 없다고 결정한다.
출력 단계
전력 변환 장치(10)가 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정할 때, 제어 유닛(22)은 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간 및 동작 레이트에 기초하여 정류기(11) 및 인버터(13)의 제어 회로들을 동작시킨다.
전력 변환 장치(10)가 출력을 수행하도록 동작할 수 없다고 결정될 때, 제어 유닛(22)은 인버터(13)의 제어 회로들을 동작시키지 않고, 오퍼레이터에게 전력 변환 장치(10)가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트 및 공진 주파수(인버터(13)의 출력 주파수)로 출력을 수행하도록 동작할 수 없다는 것을 통지하기 위해 디스플레이 유닛(21) 상에 결정 결과를 디스플레이한다. 이 경우, 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트 및 공진 주파수 중 하나 이상의 파라미터들은 오퍼레이터에 의해 적절히 변경된다. 공진 주파수(인버터(13)의 출력 주파수)는 예를 들어, 부하(15)에 포함되는 커패시터(C)의 커패시턴스를 증가 또는 감소시킴으로써 변경될 수 있다.
이와 같이, 전력 변환 장치(10)는 인버터(13)의 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트 및 출력 주파수에 따라서, 스위칭 디바이스가 사용될 수 있는 온도 범위 내에서 인버터(13)의 최대 정격 값을 변경한다. 따라서, 전력 변환 장치(10)는 출력 주파수가 감소함에 따라 발생하는 출력 마진을 효율적으로 이용할 수 있다.
전력 변환 장치(10)는 설정 출력 전류 값에서 정전류를 출력하고, 전력 변환 장치(10)가, 출력 주파수, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 인버터(13)에 포함되는 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 미리결정된 온도에서 허용가능 출력 전류 값과 연관되는 데이터의 설정을 사용하여, 설정된 출력 전류 값, 전류 공급 시간, 및 동작 레이트에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 판단하도록 구성된다. 따라서, 전력 변환 장치(10)는 그것이 실제로 전류를 인가하는 것 없이, 출력을 수행할 수 있는지 여부를 판단할 수 있다. 따라서, 전력 변환 장치(10)는 출력 조건들(출력 전류 값, 전류-공급 시간 및 동작 레이트)을 설정하기 위해 요구되는 시간을 감소시킬 수 있다.
변화 단계
전력 변환 장치(10)가 출력을 수행하도록 동작할 수 없다고 결정될 때, 제어 유닛(22)은 전력 변환 장치(10)가 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정되는 주파수 및 동작 레이트를 계산하고, 계산된 주파수 및 계산된 동작 레이트를 디스플레이 유닛(21) 상에 디스플레이할 수 있다.
제어 유닛(22)에 의해 계산되는 주파수는 예를 들어, 설정 공진 주파수보다 더 낮을 수 있고, 전력 변환 장치(10)가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간 및 동작 레이트로 출력을 수행하도록 동작할 수 있는 주파수일 수 있다. 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, 제어 유닛(22)은 동일한 전류-공급 시간 동안 동일한 동작 레이트에서도 허용가능 출력 전류 값 및 허용가능 출력 전류 값으로부터 변환된 정격 전력을 증가시키기 위해 주파수를 감소시키고, 설정 출력 전류 값, 전류-공급 시간 및 동작 레이트에서 정류기(11) 및 인버터(13)를 동작시킬 수 있다.
제어 유닛(22)에 의해 계산되는 동작 레이트는 설정 동작 레이트보다 더 낮을 수 있고, 전력 변환 장치(10)가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간 및 공진 주파수로 출력을 수행하도록 동작할 수 있는 동작 레이트로 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 예시된 바와 같이, 제어 유닛(22)은 동일한 전류-공급 시간 동안 동일한 주파수에서도 허용가능 출력 전류 값 허용가능 출력 전류 값으로부터 변환된 정격 전력을 증가시키기 위해 동작 레이트를 감소시키고, 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간 및 공진 주파수(인버터(13)의 출력 주파수)로 정류기(11) 및 인버터(13)를 동작시킬 수 있다.
출력 주파수, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 인버터(13)에 포함되는 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 미리결정된 온도에서 허용가능 전류 값과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 제어 유닛(22)은 출력이 가능하다고 결정된 주파수 또는 동작 레이트를 계산하고, 계산된 주파수 또는 동작 레이트를 디스플레이 유닛(21) 상에 디스플레이할 수 있다. 이 경우, 제어 유닛(22)은 출력 조건들을 설정하기 위해 요구되는 시간을 더 감소시킬 수 있으며, 그것에 의해 전력 변환 장치(10)의 편의를 증가시킨다.
제어 유닛(22)에 의해 수행되는 상술한 단계들은 컴퓨터가 단계들을 실행하게 하기 위한 프로그램으로서 제공될 수 있다. 그러한 프로그램은 비-일시적 컴퓨터-판독가능 기록 매체에 저장되고, 그 다음, 제공될 수 있다. 그러한 컴퓨터-판독가능 기록 매체는 콤팩트 디스크-ROM (CD-ROM)와 같은 광학 매체 또는 메모리 카드와 같은 자기 기록 매체를 포함한다. 그러한 프로그램은 네트워크를 통해 다운로딩될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 개시된 발명 대상의 양태에 따라, 전력 변환 장치는 AC 전력을 정전류 DC 전력으로 변환하도록 구성되는 정류기, 스위칭 디바이스를 갖는 공진 인버터 - 공진 인버터는 정류기로부터 수신되는 DC 전력을 스위칭 디바이스의 온 및 오프를 통해 AC 전력으로 변환하고 AC 전력을 부하에 출력하도록 구성됨 -, 및 인버터의 출력 전류 값, 인버터의 전류-공급 시간, 및 전류-공급 시간을 전류-공급 시간 및 비-전류-공급 시간의 합으로 제산함으로써 정의되는 인버터의 동작 레이트의 설정들을 수신하고, 설정된 인버터의 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 및 동작 레이트에 기초하여 정류기 및 인버터를 동작시키도록 구성되는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 부하의 공진 주파수의 설정을 더 수신하도록 구성된다. 제어 유닛은, 인버터의 출력 주파수, 전류-공급 시간 및 동작 레이트가 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 인버터의 허용가능 출력과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트, 및 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 판단하고, 제어 유닛이 전력 변환 장치가 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정한 때에만 정류기 및 인버터를 동작시키도록 구성된다.
전력 변환 장치는 디스플레이 유닛을 더 포함할 수 있다. 제어 유닛이 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트, 및 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 없다고 결정한 때, 제어 유닛은 설정 공진 주파수보다 더 낮고 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 및 동작 레이트로 출력을 수행하도록 동작할 수 있는 주파수를 계산하고, 계산된 주파수를 디스플레이 유닛 상에 디스플레이한다.
전력 변환 장치는 디스플레이 유닛을 더 포함할 수 있다. 제어 유닛이 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트, 및 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 없다고 결정할 때, 제어 유닛은 설성된 동작 레이트보다 더 낮고 전력 변환 장치가 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 및 공진 주파수로 출력을 수행하도록 동작할 수 있는 동작 레이트를 계산하고, 계산된 동작 레이트를 디스플레이 유닛 상에 디스플레이한다.
본 개시된 발명 대상의 다른 양태에 따라, 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 제어 유닛에 의해 수행된다. 방법은 인버터의 출력 전류 값, 인버터의 전류-공급 시간, 인버터의 동작 레이트 및 부하의 공진 주파수를 설정하기 위한 입력을 수신하는 단계, 전력 변환 장치가, 인버터의 출력 주파수, 전류-공급 시간, 및 동작 레이트가 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 인버터의 허용가능 출력 전류 값과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 설정된 출력 전류 값, 전류-공급 시간, 동작 레이트, 및 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 판단하는 단계, 및 전력 변환 장치가 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정될 때에만 정류기 및 인버터를 동작시키는 단계를 포함한다.
본 개시된 발명 대상의 다른 양태에 따라, 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 컴퓨터가 상술한 방법을 실행하게 한다. 컴퓨터 프로그램은 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다.
본 출원은 2017년 11월 21일자로 출원된 일본 특허 출원 번호 제2017-223774호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 본원에 통합된다.
10: 전력 변환 장치

Claims (6)

  1. 전력 변환 장치로서,
    AC 전력을 정전류 DC 전력으로 변환하도록 구성되는 정류기;
    스위칭 디바이스를 갖는 공진 인버터 - 상기 공진 인버터는 상기 정류기로부터 수신되는 상기 DC 전력을 상기 스위칭 디바이스의 온 및 오프를 통해 AC 전력으로 변환하고 상기 AC 전력을 부하에 출력하도록 구성됨 -; 및
    상기 인버터의 출력 전류 값, 상기 인버터의 전류-공급 시간, 및 상기 전류-공급 시간을 상기 전류-공급 시간 및 비-전류-공급 시간의 합으로 제산함으로써 정의되는 상기 인버터의 동작 레이트의 설정들을 수신하고, 설정된 상기 인버터의 상기 출력 전류 값, 상기 전류-공급 시간, 및 상기 동작 레이트에 기초하여 상기 정류기 및 상기 인버터를 동작시키도록 구성되는 제어 유닛을 포함하며,
    상기 제어 유닛은 상기 부하의 공진 주파수의 설정을 더 수신하도록 구성되고,
    상기 제어 유닛은, 상기 인버터의 상기 출력 주파수, 상기 전류-공급 시간 및 상기 동작 레이트가 상기 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 상기 인버터의 허용가능 출력 전류 값과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 상기 전력 변환 장치가 설정된 상기 출력 전류 값, 상기 전류-공급 시간, 상기 동작 레이트, 및 상기 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 판단하고, 상기 제어 유닛이 상기 전력 변환 장치가 상기 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정한 때에만 상기 정류기 및 상기 인버터를 동작시키도록 구성되는, 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    디스플레이 유닛을 더 포함하며, 상기 제어 유닛이 상기 전력 변환 장치가 설정된 상기 출력 전류 값, 상기 전류 공급 시간, 상기 동작 레이트, 및 상기 공진 주파수에 따라 상기 출력을 수행하도록 동할 수 없다고 결정한 때, 상기 제어 유닛은 상기 설정 공진 주파수보다 더 낮고 상기 전력 변환 장치가 설정된 상기 출력 전류 값, 상기 전류-공급 시간, 및 상기 동작 레이트로 상기 출력을 수행하도록 동작할 수 있는 주파수를 계산하고, 상기 계산된 주파수를 상기 디스플레이 유닛에 디스플레이하는, 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    디스플레이 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛이 상기 전력 변환 장치가 설정된 상기 출력 전류 값, 상기 전류 공급 시간, 상기 동작 레이트, 및 상기 공진 주파수에 따라 상기 출력을 수행하도록 동작할 수 없다고 결정한 때, 상기 제어 유닛은 상기 설정 동작 레이트보다 더 낮고 상기 전력 변환 장치가 설정된 상기 출력 전류 값, 상기 전류-공급 시간, 및 상기 공진 주파수로 상기 출력을 수행하도록 동작할 수 있는 상기 동작 레이트를 계산하고, 상기 계산된 동작 레이트를 상기 디스플레이 유닛에 디스플레이하는, 전력 변환 장치.
  4. 전력 변환 장치를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 전력 변환 장치는 AC 전력을 정전류 DC 전력으로 변환하도록 구성되는 정류기;
    스위칭 디바이스를 갖고 상기 정류기로부터 수신되는 상기 DC 전력을 상기 스위칭 디바이스의 온 및 오프를 통해 AC 전력으로 변환하고 상기 AC 전력을 부하에 출력하도록 구성되는 공진 인버터 -; 및
    상기 인버터의 출력 전류 값, 상기 인버터의 전류-공급 시간, 및 상기 전류-공급 시간을 상기 전류-공급 시간 및 비-전류-공급 시간의 합으로 제산함으로써 정의되는 상기 인버터의 동작 레이트의 설정들을 수신하고, 설정된 상기 인버터의 상기 출력 전류 값, 상기 전류-공급 시간, 및 상기 동작 레이트에 기초하여 상기 정류기 및 상기 인버터를 동작시키도록 구성되는 제어 유닛을 포함하며,
    상기 방법은 상기 제어 유닛에 의해 수행되고 하기 단계들: 즉,
    상기 인버터의 상기 출력 전류 값, 상기 인버터의 상기 전류-공급 시간, 상기 인버터의 상기 동작 레이트 및 상기 부하의 상기 공진 주파수를 설정하기 위한 입력을 수신하는 단계;
    상기 인버터의 상기 출력 주파수, 상기 전류-공급 시간, 및 상기 동작 레이트가 상기 스위칭 디바이스의 최대 동작가능 온도 이하인 온도에서 상기 인버터의 허용가능 출력 전류 값과 연관되는 데이터의 설정에 기초하여, 상기 전력 변환 장치가 설정된 상기 출력 전류 값, 상기 전류-공급 시간, 상기 동작 레이트, 및 상기 공진 주파수에 따라 출력을 수행하도록 동작할 수 있는지 여부를 판단하는 단계; 및
    전력 변환 장치가 상기 출력을 수행하도록 동작할 수 있다고 결정된 때에만 상기 정류기 및 상기 인버터를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 컴퓨터에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터가 제4항에 따른 상기 방법을 실행하게 하는, 컴퓨터 프로그램.
  6. 제5항에 따른 상기 컴퓨터 프로그램을 저장하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
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