KR100407017B1 - The Electronic Power Transformer for conversion of AC to AC/DC - Google Patents

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KR100407017B1
KR100407017B1 KR10-2001-0076296A KR20010076296A KR100407017B1 KR 100407017 B1 KR100407017 B1 KR 100407017B1 KR 20010076296 A KR20010076296 A KR 20010076296A KR 100407017 B1 KR100407017 B1 KR 100407017B1
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이성룡
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Abstract

본 발명은 양방향 PPM(Pulse Phase Modulation) 스위칭기술을 바탕으로 극성반전기능과, 단위 역률의 연속적인 가변이 가능한 정현전압을 공급할 수 있을 뿐 아니라 일정한 DC전압도 공급할 수 있는 새로운 개념의 전자식 전력변압기에 관한 것이다. 창안된 장치는 고주파의 양방향 스위칭을 통한 PPM변조를 적용하여 AC-AC변환기로 동작이 가능하며, 다양한 부하전압을 공급하기 위해서 기존의 변압기에 필수적이었던 탭 설치의 필요성을 제거할 수 있을 뿐 아니라, 변압기 전체의 중량과 부피의 대부분을 차지하고 있는 철심의 부피와 중량을 감소시켜 소형 경량화 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한 창안된 장치의 고주파 전자식 전력변압기의 1차측의 전환스위치를 이용하여 2차측의 스위치를 제어함으로서 연속적으로 가변이 가능한 AC-DC변환기능을 갖는 AC-DC컨버터로도 동작할 수 있는 장점이 있다.The present invention is based on the bidirectional Pulse Phase Modulation (PPM) switching technology to provide a new concept of electronic power transformer that can supply a constant DC voltage as well as supplying a sine voltage capable of polarity inversion and a continuously variable unit power factor. It is about. The device can be operated as an AC-AC converter by applying PPM modulation through high-frequency bidirectional switching, and eliminates the need for tap installation, which was necessary for the existing transformer to supply various load voltages. The weight and weight of the iron core, which occupies most of the weight and volume of the transformer, are reduced to reduce the size and weight. In addition, it is possible to operate as an AC-DC converter with an AC-DC conversion function that can be continuously changed by controlling the switch on the secondary side by using the switch on the primary side of the high frequency electronic power transformer of the device. .

Description

교류-교류/직류 변환이 가능한 전자식 전력변압기 {The Electronic Power Transformer for conversion of AC to AC/DC }The Electronic Power Transformer for conversion of AC to AC / DC}

본 발명은 AC-AC/DC변환이 가능한 전자식 전력변압기 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electronic power transformer capable of AC-AC / DC conversion and a method therefor.

산업용 또는 가정용 전기전자제품의 국제 기술 동향이 반도체를 포함한 소자개발과 새로운 개념의 기술 출현에 비례하여 보다 소형 경량화 추세에 있고, 국가마다 전압규격이 달라 사용하고자하는 기기마다 다른 전원을 공급받기 위해선 변압기 사용은 필수적인 요소이기 때문에 전체 시스템에서 변압기가 차지하는 비중이 대부분을 차지한다고 하여도 과언이 아니다. 그러나 기존에 일반적으로 사용되고 있는 변압기가 철심과 코일로 구성되기 때문에 무겁고 부피가 커서 운반 및 휴대하기가 어렵고 변압기를 이용한 제품 제작시 컴팩트 사이즈의 제작이 불가능할 뿐 아니라, 전압을 가변하기 위해서는 별도의 변환기를 부착해야 하기 때문에 변압기 사용이 어려운 실정인데, 전력전자분야에서 AC-DC/DC-DC 컨버터나 DC-AC인버터 및 UPS(AC-DC-AC)에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있는데 반해 상기 문제점을 해소할 수 있는 AC-AC변환기(전자식 전력변압기)에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.The international technology trend of industrial or household electric and electronic products is smaller and lighter in proportion to the development of devices including semiconductors and the emergence of new concepts, and in order to receive a different power supply for each device to be used due to different voltage standards. It is no exaggeration to say that the use of transformers is a major part of the overall system because use is an essential element. However, because the transformer generally used consists of iron core and coil, it is heavy and bulky, so it is difficult to carry and carry, and it is not possible to manufacture compact size when using the transformer. Although it is difficult to use a transformer because it needs to be attached, research on AC-DC / DC-DC converters, DC-AC inverters and UPS (AC-DC-AC) has been actively conducted in the power electronics field. There is almost no research on the AC-AC converter (electronic power transformer) that can be solved.

한편, 현재 사용되고 있는 변압기는 부하가 필요로 하는 전압으로 가변하기 위해서는 권수를 다시 감거나 탭을 설치하는 등의 불편함을 감수하여야 한다. 또한DC부하의 경우엔 별도의 어뎁터나 스위칭소자를 이용한 전원공급장치(SMPS, Switching Mode Power Supply)를 설치하여 공급하게 된다(도 1 참조). 그러나 전력전자분야에서 이용하게 될 전력용 변압기는 넓은 범위의 정격전압을 공급할 수 있고 소형이면서 경량의 경제적인 전자식 전력변압기가 요구된다. 전술한 바와 같이 나라마다 통일되지 못한 전압규격과, 사용하고자 하는 기기마다 다른 전원을 공급받기 위해선 변압기사용은 필수적일 뿐 아니라 DC전압을 공급하기 위해서는 별도의 전력용 스위칭 소자를 이용한 전원공급장치(어뎁터 or SMPS)를 설치해야 하는 부담이 있다. 또한 전체 시스템에서 상용주파수(60Hz)성분의 전원을 변압기를 통해 승압 또는 강압하기 때문에 전체용량이 커질 경우 변압기가 차지하는 크기나 무게도 증가하게 되어 전체 시스템의 비효율적인 구성을 초래하게 되므로 전체 시스템에서 변압기가 차지하는 부피나 무게를 최소화하기 위한 방안이 모색되어야 했다.On the other hand, the transformer currently being used must take the inconvenience of winding the number of turns or installing a tab in order to vary the voltage required by the load. In addition, in the case of DC load, a power supply device (SMPS, Switching Mode Power Supply) using a separate adapter or switching element is installed and supplied (see FIG. 1). However, power transformers, which will be used in the power electronics field, can supply a wide range of rated voltages, and require a small, lightweight and economical electric power transformer. As described above, the use of transformers is not only necessary for supplying different voltage specifications for different countries and different power supplies for each device, but also a power supply device using an additional power switching element to supply DC voltage. or SMPS). In addition, since the power of the commercial frequency (60Hz) component is boosted or stepped down through the transformer in the whole system, if the total capacity increases, the size or weight of the transformer also increases, resulting in an inefficient configuration of the entire system. To minimize the volume and weight of the

이에, 본 발명에 의한 전자식 전력변압기서는 다양한 부하전압을 공급함과 동시에, 기존의 변압기에 필수적이었던 탭 설치의 필요성을 제거하고, 변압기의 중량과 부피의 대부분을 차지하고 있는 철심의 부피와 중량을 감소시켜 전체 시스템에서 차지하는 변압기를 소형 경량화 하기 위해, 1, 2차 측에 설치된 양방향 스위치에 PPM(Pulse Phase Modulation)변조를 적용한 고주파 스위칭을 하였다. 또한 본 발명에서는 고주파 전자식 전력변압기의 2차 측의 스위칭소자를 제어함으로서 연속적으로 가변이 가능한 AC-DC변환기능을 갖는 AC-DC컨버터로도 동작시킬 수 있으므로 DC 전원을 필요로 하는 부하에 필수적이었던 어뎁터나 SMPS 사용의 필요성을 제거할 수 있도록 하였다.Accordingly, the electronic power transformer according to the present invention supplies various load voltages, eliminates the necessity of tap installation, which is essential for the existing transformer, and reduces the volume and weight of the iron core occupying most of the weight and volume of the transformer. In order to reduce the size and weight of the transformer occupying the entire system, high-frequency switching using PPM (Pulse Phase Modulation) was applied to the bidirectional switches installed on the primary and secondary sides. In addition, in the present invention, by controlling the switching element on the secondary side of the high-frequency electronic power transformer can be operated as an AC-DC converter having a continuously variable AC-DC conversion function, which is essential for a load requiring a DC power supply. This eliminates the need for an adapter or SMPS.

도 1 은 직류 출력전압을 얻기 위한 종래의 변압기 구성도이다.1 is a block diagram of a conventional transformer for obtaining a DC output voltage.

도 2 는 본 발명에 의한 전자식 전력변압기의 회로 구성도이다.2 is a circuit diagram of an electronic power transformer according to the present invention.

도 3 은 도 2 내 양방향 스위치의 일 구성예로서, 한쌍의 단방향 스위치로 구성된 회로 구성도이다.FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration of a bidirectional switch in FIG. 2 and including a pair of unidirectional switches.

도 4 는 본 발명에 의한 전자식 전력변압기내 각 지점에서의 전압 파형이다.4 is a voltage waveform at each point in the electronic power transformer according to the present invention.

도 5 는 본 발명의 전자식 전력변압기에 적용된 PPM 제어에 의한 각 지점에서의 전압 및 스위칭 제어신호 파형이다.5 is a voltage and switching control signal waveform at each point by the PPM control applied to the electronic power transformer of the present invention.

도 6 은 도 5 의 스위칭 제어신호를 확대한 확대도이다(5ms~6ms).FIG. 6 is an enlarged view (5ms to 6ms) in which the switching control signal of FIG. 5 is enlarged.

도 7 은 PPM 제어를 통한 신호위상차에 따른 입출력 전압파형(좌측) 및 1,2차측의 스위칭신호(우측)로서, (a,b)~(i,j)는 각각 1,2차측의 신호위상차가 0도, 45도, 90도, 135도, 180도인 경우이다.7 is an input / output voltage waveform (left) and switching signals (right) of the primary and secondary sides according to the signal phase difference through PPM control, and (a, b) to (i, j) are the signal phase differences of the primary and secondary sides, respectively. Is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 135 degrees, and 180 degrees.

도 8 은 직류출력을 얻기위한 입출력 전압파형 및 1,2차측의 스위칭신호이다.8 is an input / output voltage waveform and a switching signal of primary and secondary sides for obtaining a DC output.

본 발명에 의한 AC-AC/DC변환이 가능한 전자식 전력변압기의 구성은 다음과 같다. 즉, 교류전원과,The configuration of the electronic power transformer capable of AC-AC / DC conversion according to the present invention is as follows. In other words, AC power,

상기 교류전원과 연결되며, 제1 리액턴스, 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제2 리액턴스의 순으로 직렬 연결된 회로장치와,A circuit device connected to the AC power source and connected in series with a first reactance, a first capacitor, a second capacitor, and a second reactance;

입력전압을 변조하기 위해 상기 회로장치의 리액턴스와 커패시터 사이에서 분기되어 연결되며, 서로 직렬 연결되고 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭되는 제1 및 제3 양방향 스위치와,First and third bidirectional switches branched between a reactance and a capacitor of the circuit device to modulate an input voltage, connected in series with each other, and alternately switched at times other than dead time;

상기 제1 및 제3 양방향 스위치와 병렬로 연결되며, 서로 직렬 연결되고 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭되는 제2 및 제4 양방향 스위치와,Second and fourth bidirectional switches connected in parallel with the first and third bidirectional switches and serially connected to each other and alternately switched at times other than a dead time;

변압기와,With transformer,

상기 제2 및 제4 양방향 스위치의 사이에서 분기되어 상기 변압기의 1차측 코일을 이루며, 상기 회로장치내 두 커패시터의 사이 지점 또는 상기 제1 및 제3 양방향 스위치의 사이 지점 중 하나를 선택하여 연결하는 전환 스위치와,Branched between the second and fourth bidirectional switches to form a primary coil of the transformer, and selecting and connecting one of a point between two capacitors in the circuit device or a point between the first and third bidirectional switches. With changeover switch,

상기 변압기에 의해 유기된 전압을 복조하기 위해 전력라인 주파수의 매 양(+) 및 음(-)의 반주기마다 동작하며, 상기 변압기와 전기적으로 연결되며 서로 직렬 연결되고 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭되는 제5 및 제6 양방향 스위치와,It operates every positive and negative half-cycle of the power line frequency to demodulate the voltage induced by the transformer, and is electrically connected to the transformer, in series with each other, and alternates at times other than dead time. Fifth and sixth bidirectional switches switched to;

상기 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 사이 지점과 상기 변압기로부터 분기되며, 서로 직렬 연결된 제3 리액턴스 및 부하와,A third reactance and a load branched from the transformer and the point between the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch;

상기 제3 리액턴스의 후단에서 상기 부하와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하여 이루어진다.And a capacitor connected in parallel with the load at a rear end of the third reactance.

이때, 상기 양방향 스위치는 한쌍의 단방향 스위치 소자의 조합으로 구성이 가능하다.In this case, the bidirectional switch may be configured by a combination of a pair of unidirectional switch elements.

한편, 상기 전자식 전력변압기 1차측의 상기 제1 및 제3의 양방향 스위치와 상기 제 2 및 4의 양방향 스위치는 180도 위상차로 50%의 듀티(duty)비로 구동하며 상기 전자식 전력변압기 2차측의 상기 제 5 및 제 6의 양방향스위치 또한 180도 위상차로 50%의 듀티(duty)비로 동작하되 상기 제1 및 제 4 양방향 스위치, 또는 제2 및 제3 양방향 스위치와 동기되어 위상을 제어함으로서 출력전압의 크기와 위상을 연속적으로 가변 함으로서 다양한 부하에 상용 주파수의 전력공급이 가능하다.Meanwhile, the first and third bidirectional switches on the primary side of the electronic power transformer and the second and fourth bidirectional switches are driven at a duty ratio of 50% with a 180 degree phase difference, and the second side of the electronic power transformer The fifth and sixth bidirectional switches are also operated at a duty ratio of 50% with a 180 degree phase difference, and the phases of the output voltage are controlled by synchronizing with the first and fourth bidirectional switches or the second and third bidirectional switches. By varying the magnitude and phase continuously, it is possible to supply commercial frequency power to various loads.

또한 본 발명에 의한 AC-AC/DC변환이 가능한 전자식 전력변압기는 서로 극성과 크기가 다른 다양한 직류전압을 공급할 수 있는데, 이는 상용 주파수의 반주기 동안 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 위상을 조절함으로서 공급할 수 있다.In addition, according to the present invention, the AC-AC / DC convertible electronic power transformer can supply various DC voltages having different polarities and magnitudes, which adjust phases of the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch during a half cycle of a commercial frequency. Can be supplied.

이때 상기 출력 직류전압을 양(+)의 최대값에서 음(-)의 최대값의 범위내에서 공급이 가능하며 상기 변압기의 1차 및 2차 코일측에 PPM 제어를 수행함과 동시에 상기 제1 및 제 4 양방향 스위치, 또는 제2 및 제3 양방향 스위치와 동기되어동작되고 있는 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 위상를 상용주파수의 반주기동안 반전시킴으로서 구현할 수 있다.At this time, the output DC voltage can be supplied within a range of a positive maximum value to a negative maximum value, and PPM control is performed on the primary and secondary coil sides of the transformer and the first and second The phases of the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch which are operated in synchronization with the fourth bidirectional switch or the second and third bidirectional switches can be implemented by inverting the phases of the commercial frequency for half a period.

한편, 본 발명에 의한 AC-AC/DC변환 및 전력 변압 방법은 다음과 같은 단계들로 이루어진다.On the other hand, the AC-AC / DC conversion and power transformer method according to the present invention consists of the following steps.

즉, 교류전원과, 교류전원과 연결되며 제1 리액턴스, 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제2 리액턴스의 순으로 직렬 연결된 회로장치와, 회로장치의 리액턴스와 커패시터 사이에서 분기되어 연결된 제1 및 제3 양방향 스위치와, 상기 제1 및 제3 양방향 스위치와 병렬로 연결되며, 서로 직렬 연결된 제2 및 제4 양방향 스위치와, 변압기와, 상기 제2 및 제4 양방향 스위치의 사이에서 분기되어 상기 변압기의 1차측 코일을 이루며 상기 회로장치내 두 커패시터의 사이 지점 또는 상기 제1 및 제3 양방향 스위치의 사이 지점중 하나를 선택하여 연결하는 전환 스위치와, 상기 변압기와 전기적으로 연결되며 서로 직렬 연결된 제5 및 제6 양방향 스위치와, 상기 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 사이 지점과 상기 변압기로부터 분기되어 연결된 제3 리액턴스와, 상기 제3 리액턴스와 직렬 연결된 부하와, 상기 제3 리액턴스의 후단에서 상기 부하와 병렬 연결되는 커패시터로 구성되는 전자식 전력변압기에 있어서,That is, a circuit device connected to the AC power source and the AC power source and connected in series with the first reactance, the first capacitor, the second capacitor, and the second reactance, and the first and second branches branched between the reactance of the circuit device and the capacitor. A third bidirectional switch, a second bidirectional switch connected in parallel with the first and third bidirectional switches, connected in series with each other, a transformer, and branched between the second bidirectional switch and the second bidirectional switch; A switching switch constituting a primary coil and selecting one of a point between two capacitors in the circuit device or a point between the first and third bidirectional switches; a fifth switch electrically connected to the transformer and connected in series with each other; A sixth bidirectional switch, a third reactance branched from the transformer and a point between the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch; In the electronic power transformer consisting of a capacitor that is connected in parallel with the load in the third group and the reactance connected in series with the load, the rear end of the third reactance,

입력전압을 변조하기 위해 상기 제1 및 제3 양방향 스위치와, 상기 제1 및 제3 양방향 스위치를 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 고주파 스위칭하는 단계와,Alternately high frequency switching of the first and third bidirectional switches and the first and third bidirectional switches with each other at a time other than a dead time to modulate an input voltage;

상기 변압기에 의해 유기된 전압을 복조하기 위해 데드타임 이외의 시간내상기 제5 및 제6 양방향 스위치를 서로 반주기마다 교대로 고주파 스위칭시키는 단계와,Alternately high frequency switching the fifth and sixth bi-directional switches alternately with each other every half period in time other than dead time to demodulate the voltage induced by the transformer;

연속적으로 출력전압의 크기와 위상의 가변이 가능한 상용 주파수의 전력을 공급하기 위해, 상기 제1 및 제 4 양방향 스위치, 또는 제2 및 제3 양방향 스위치의 위상과 제5 또는 제6 양방향 스위치의 위상을 PPM 제어를 이용하여 가변하는 단계와,Phases of the first and fourth bidirectional switches or the second and third bidirectional switches and phases of the fifth or sixth bidirectional switches to supply power of a commercial frequency capable of continuously varying the magnitude and phase of the output voltage. Varying using PPM control;

서로 극성과 크기가 다른 직류전압을 공급하기 위해, 상기 제1 및 제 4 양방향 스위치, 또는 제2 및 제3 양방향 스위치와 동기되어 동작하는 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 위상을 상용 주파수의 반주기 동안 180도 반전시켜 동작시키는 단계와,In order to supply DC voltages having different polarities and magnitudes, the phases of the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch operating in synchronization with the first and fourth bidirectional switches or the second and third bidirectional switches may be set at a commercial frequency. Operating by inverting 180 degrees for half a cycle,

AC출력를 포함한 DC출력 전압을 양(+)의 최대값에서 음(-)의 최대값으로 제어하기 위해, 상기 변압기의 1차 및 2차 코일측에 PPM 제어를 연속적으로 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다.Continuously controlling PPM control on the primary and secondary coil sides of the transformer to control the DC output voltage, including the AC output, from a positive maximum to a negative maximum. .

이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

먼저 도 2 를 참조하면 본 발명에 의한 전자식 전력변압기(AC-AC/DC변환기)는 상용주파수의 가변되는 AC 부하 뿐 아니라 가변DC부하에 전력을 전달할 수 있는 장점을 가지고 있다. 입력전압은 양방향 스위칭소자 S1, S2, S3, S4에 의해 변조된다. 기본원리는 통신시스템의 크기변조방식에서 링변조법과 유사하다. 변조된 파형은 계통의 주파수를 갖는 입력파형과 50%의 듀티비로 교대로 고주파로 온-오프되는스위칭 신호와의 곱으로 이루어지는 파형이다. 링변조된 전압은 고주파변압기 1차측에 인가되고 2차측에 유기되는 전압은 고주파로 동기되어 제어되는 양방향 스위치 S5, S6에 의해 복조된다.First, referring to FIG. 2, the electronic power transformer (AC-AC / DC converter) according to the present invention has an advantage of delivering power to a variable DC load as well as a variable AC load of a commercial frequency. The input voltage is modulated by the bidirectional switching elements S1, S2, S3, S4. The basic principle is similar to the ring modulation method in the size modulation method of the communication system. The modulated waveform is a waveform consisting of a product of an input waveform having a system frequency and a switching signal that is alternately turned on and off at a high frequency with a duty ratio of 50%. The ring modulated voltage is applied to the primary side of the high frequency transformer and the voltage induced on the secondary side is demodulated by the bidirectional switches S5 and S6 controlled in synchronization with high frequency.

스위치 S5, S6의 동작은 고주파로 동기되어 반주기마다 교대로 동작하며 기존의 동기정류회로와 유사하다. 단방향 스위치소자로 많이 사용하는 MOS-FET나 IGBT한쌍을 이용한 1차측과 2차측의 양방향 스위칭소자의 내부연결을 도 3에 나타냈으며, 다이오드와 단방향스위치의 결합으로 구성된 소자에 비해 낮은 스위칭손실을 보장할 수 있다.The operations of switches S5 and S6 are synchronized at high frequency, and operate alternately every half cycle, similar to the conventional synchronous rectification circuit. The internal connection of the bidirectional switching elements of the primary and secondary sides using MOS-FETs or IGBT pairs, which are frequently used as unidirectional switch elements, is shown in FIG. can do.

한편, 턴수비가 고정된 전자식 전력변압기의 경우에는, S1, S3, S5는 50%의 듀티비로 구동된다. 반면에 S2, S4, S6은 180도 위상차로 동일하게 구동된다. 고정된 턴수비를 갖는 전자식 전력 변압기의 대표적인 지점 P1, P2, P3, P4에서의 동작파형을 도 4에 나타내었다.On the other hand, in the case of an electronic power transformer having a fixed turn ratio, S1, S3, and S5 are driven at a duty ratio of 50%. On the other hand, S2, S4 and S6 are equally driven with a 180 degree phase difference. The operating waveforms at representative points P1, P2, P3 and P4 of the electronic power transformer with a fixed turn ratio are shown in FIG.

본 발명에 의한 전자식 전력변압기는 부하에 DC전압을 공급할 경우에 별도의 어뎁터(또는 SMPS )사용없이 이용할 수 있는 장점을 갖고 있는데 이는 전자식 전력변압기의 1차측의 전환스위치(So)를 a지점에서 b지점으로 전환시켜주고 2차측의 스위치를 반주기동안 반전시켜 동작시킴으로서, 연속적으로 가변이 가능한 AC-DC변환기능을 갖는 AC-DC컨버터로도 동작시킬 수 있다.Electronic power transformer according to the present invention has the advantage that can be used without the use of a separate adapter (or SMPS) when supplying a DC voltage to the load, which is the primary switch of the electronic power transformer (So) at a point b By switching to the point and inverting the switch on the secondary side for half a period, it can also be operated as an AC-DC converter with a continuously variable AC-DC conversion function.

PWM제어방법은 DC-DC컨버터와 DC-AC인버터를 제어하는데 널리 사용되는 제어법이다. 제안한 전자식 전력변압기(AC-AC변환기)도 고주파변압기의 1,2차측에 PWM스위칭을 적용할 수 있으나 보다 제어회로구성이 간단한 PPM제어를 적용하는 것이바람직하다. 상기 도 2 에 적용한 PPM제어의 기본원리를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 볼 수 있는 것처럼 1차측회로의 스위치 S1, S3과 S2, S4 은 데드타임을 제외하고 교대로 스위칭된다. 2차측의 S5, S6스위치 또한 짧은 데드타임을 제외하고 교대로 스위칭된다. 따라서 이와 같은 스위칭동작을 통해 고주파변압기 1,2차측의 내부 임피던스가 작게 유지될 수 있다. 이러한 특성은 비선형부하에 대해 안정된 전압을 유지하는데 바람직한 특성이다.PWM control method is widely used to control DC-DC converter and DC-AC inverter. The proposed electronic power transformer (AC-AC converter) can apply PWM switching to the 1st and 2nd side of the high frequency transformer, but it is preferable to apply PPM control with simpler control circuit configuration. The basic principle of the PPM control applied to FIG. 2 is shown in FIG. 5. As shown in Fig. 5, the switches S1, S3, S2 and S4 of the primary side circuit are alternately switched except for dead time. The S5 and S6 switches on the secondary side are also switched alternately except for a short dead time. Therefore, the internal impedance of the primary and secondary sides of the high frequency transformer can be kept small through such a switching operation. This property is desirable for maintaining a stable voltage against nonlinear loads.

도 6의 확대한 스위칭제어신호에서 볼 수 있는 것처럼, 1차측 스위치(S1, S4 or S2, S3)신호와 2차측 스위치(S5 or S6)의 위상차를 제어함으로서 연속적으로 가변이 가능한 상용주파수의 전력을 공급할 수 있음을 알 수 있다. 이는 다음의 1, 2차측의 위상차에 따른 입력전압과 출력전압의 파형을 비교해봄으로서 확인해 볼 수 있다(도 7 참조). 도 7 각각의 왼쪽에 있는 파형들은 위쪽에 입력파형, 아래쪽에 가변된 출력파형을 나타내며 상대적인 위상차를 확인할 수 있다. 도 7의 오른쪽에 있는 파형은 왼쪽의 입출력 전압파형에 해당되는 1,2차측 스위칭신호와 위상차를 보여준다. (+)위상의 최대 출력전압을 얻기 위한 조건은 1, 2차측의 신호위상차가 0도일 경우이다(도 7(a,b)). 또한 0출력전압을 얻기 위한 위상차는 90도일때 구현될 수 있다(도 7(e,f)). 같은 방식으로 (-)위상의 최대 출력전압 또는 0.5배의 최대출력전압을 얻기 위한 조건은 스위칭구동 신호 위상차를 각각 180도, 135도로 줌으로서 구현될 수 있다(도 7(i,j), (g,h)).As can be seen from the enlarged switching control signal of FIG. 6, the power of the commercial frequency that can be continuously varied by controlling the phase difference between the primary switch (S1, S4 or S2, S3) and the secondary switch (S5 or S6). It can be seen that can be supplied. This can be confirmed by comparing the waveforms of the input voltage and the output voltage according to the phase difference of the first and second sides (see FIG. 7). The waveforms on the left of each of FIG. 7 represent input waveforms at the top and variable output waveforms at the bottom, and the relative phase difference can be confirmed. The waveform on the right side of FIG. 7 shows the phase difference and the primary / secondary switching signal corresponding to the input / output voltage waveform on the left side. The condition for obtaining the maximum output voltage of the positive phase is when the signal phase difference between the primary and secondary sides is 0 degrees (Fig. 7 (a, b)). In addition, the phase difference for obtaining the zero output voltage may be implemented at 90 degrees (FIG. 7 (e, f)). In the same way, the condition for obtaining the maximum output voltage of the negative phase or the maximum output voltage of 0.5 times may be implemented by zooming the switching drive signal phase difference 180 degrees and 135 degrees, respectively (Figs. 7 (i, j), ( g, h)).

한편, 도 7(a,b), 7(i,j)에서의 입출력 전압 파형을 비교해보면, 스위치 S5, S6의 위상은 서로 반전되어 있음을 확인할 수 있다. 따라서 상용주파수의 반주기동안 스위치 S5, S6신호에 대해 변화를 주면 (+) 또는 (-) 극성의 DC 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다(도 8). 따라서 가변되는 AC출력전압을 얻었던 방법과 마찬가지로 PPM제어를 연속적으로 적용함으로서 DC출력전압도 (+)의 최대값에서 (-)의 최대값으로 제어할 수 있다.On the other hand, when comparing the input and output voltage waveforms in Figs. 7 (a, b) and 7 (i, j), it can be seen that the phases of the switches S5 and S6 are inverted. Therefore, it can be seen that when the switch S5 and S6 signals are changed during the half cycle of the commercial frequency, a DC voltage of positive or negative polarity can be obtained (FIG. 8). Therefore, by applying the PPM control continuously like the method of acquiring the variable AC output voltage, the DC output voltage can be controlled from the maximum value of (+) to the maximum value of (-).

입출력이 정현파인 AC-AC변환기의 적용분야는 기존의 전력변압기가 널리 이용되고 있는 것처럼 앞으로 모든 전력전자분야에 적용되어 이용될 것으로 기대된다. 전술한 바와 같이 나라마다 통일되지 못한 전압규격과 사용하고자 하는 기기마다 다른 전원을 공급받기 위해 탭이 설치된 변압기를 사용해야하는 번거로움을 해결할 수 있고, 전체 시스템에서 상용주파수(60Hz)성분의 전원을 변압기를 통해 승압 또는 강압하기 위해서는 전체용량이 커질 경우 변압기가 차지하는 크기나 무게도 증가하게 되는 비효율성을 초래하게 되나, 제안한 전자식 전력 변압기를 이용할 경우 전체시스템의 부피나 무게의 대부분을 차지하는 변압기의 부피나 무게를 최소화할 수 있다. 또한 상용전원에서 DC전압을 공급하기 위해서 별도의 어뎁터를 설치해야하는 부담을 해결할 수 있어 보다 경제적인 변압기를 제공할 수 있다.The application of AC-AC converter with sinusoidal input and output is expected to be applied to all power electronics in the future as the existing power transformer is widely used. As described above, it is possible to solve the trouble of using a transformer with a tap to receive a different voltage standard and a different power supply for each device to be used. In order to step up or step down, the inefficiency of the transformer increases in size and weight when the total capacity is increased.However, when the proposed electronic power transformer is used, the volume of the transformer occupies most of the volume or weight of the entire system. The weight can be minimized. In addition, it can solve the burden of installing a separate adapter to supply a DC voltage from a commercial power supply can provide a more economical transformer.

Claims (4)

교류전원과;AC power supply; 상기 교류전원과 연결되며, 제1 리액턴스, 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제2 리액턴스의 순으로 직렬 연결된 회로장치;A circuit device connected to the AC power source and connected in series with a first reactance, a first capacitor, a second capacitor, and a second reactance; 입력전압을 변조하기 위해 상기 회로장치의 리액턴스와 커패시터 사이에서 분기되어 연결되며, 서로 직렬 연결되고 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭되는 제1 및 제3 양방향 스위치;First and third bidirectional switches branched between a reactance of the circuit device and a capacitor to modulate an input voltage, and connected in series with each other and alternately switched at times other than a dead time; 상기 제1 및 제3 양방향 스위치와 병렬로 연결되며, 서로 직렬 연결되고 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭되는 제2 및 제4 양방향 스위치;Second and fourth bidirectional switches connected in parallel with the first and third bidirectional switches and connected in series with each other and alternately switched at times other than dead time; 변압기;Transformers; 상기 제2 및 제4 양방향 스위치의 사이에서 분기되어 상기 변압기의 1차측 코일을 이루며, 상기 회로장치내 두 커패시터의 사이 지점 또는 상기 제1 및 제3 양방향 스위치의 사이 지점중 하나를 선택하여 연결하는 전환 스위치;Branching between the second and fourth bidirectional switches to form a primary coil of the transformer, and selecting and connecting one of a point between two capacitors in the circuit device or a point between the first and third bidirectional switches. Changeover switch; 상기 변압기에 의해 유기된 전압을 복조하기 위해, 상기 변압기와 전기적으로 연결되며 서로 직렬 연결되고 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭되는 제5 및 제6 양방향 스위치;Fifth and sixth bidirectional switches electrically connected to the transformer and serially connected to each other and alternately switched to each other at a time other than dead time to demodulate the voltage induced by the transformer; 상기 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 사이 지점과 상기 변압기로부터 분기되며, 서로 직렬 연결된 제3 리액턴스와 부하;A third reactance and a load branched from the transformer and a point between the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch; 상기 제3 리액턴스의 후단에서 상기 부하와 병렬 연결되는 커패시터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, AC-AC/DC변환이 가능한 전자식 전력변압기.And a capacitor connected in parallel with the load at a rear end of the third reactance. 2. An electronic power transformer capable of AC-AC / DC conversion. 제 1 항에 있어서, 상기 양방향 스위치는 한쌍의 단방향 스위치 소자의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는, AC-AC/DC변환이 가능한 전자식 전력변압기.The electronic power transformer of claim 1, wherein the bidirectional switch is a combination of a pair of unidirectional switch elements. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 연속적으로 가변이 가능한 상용 주파수의 전력을 공급하기 위해, 상기 제1 및 제 4 양방향 스위치, 또는 제2 및 제3 양방향 스위치의 위상과 제5 또는 제6 양방향 스위치의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는, AC-AC/DC변환이 가능한 전자식 전력변압기.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the phases of the first and fourth bidirectional switches or the second and third bidirectional switches and the fifth or sixth bidirectional are provided to supply power of a commercial frequency which is continuously variable. An electronic power transformer capable of AC-AC / DC conversion, characterized in that the phase of the switch is controlled. 교류전원과, 교류전원과 연결되는 제1 리액턴스, 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제2 리액턴스의 순으로 직렬연결된 회로장치와, 회로장치의 리액턴스와 커패시터 사이에서 분기되어 연결된 제1 및 제3 양방향 스위치와, 상기 제1 및 제3 양방향 스위치와 병렬로 연결되며, 서로 직렬연결된 제2 및 제4 양방향 스위치와, 변압기와, 상기 제2 및 제4 양방향 스위치의 사이에서 분기되어 상기 변압기의 1차측 코일을 이루며 상기 회로장치내 두 커패시터의 사이 지점 또는 상기 제1 및 제3 양방향 스위치의 사이 지점중 하나를 선택하여 연결하는 전환 스위치와, 상기 변압기와 전기적으로 연결되며 서로 직렬연결된 제5 및 제6 양방향 스위치와, 상기 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 사이 지점과 상기 변압기로부터 분기되어 연결된 제3 리액턴스와, 상기 제3 리액턴스와 직렬연결된 부하와, 상기 제3 리액턴스의 후단에서 상기 부하와 병렬연결되는 커패시터로 구성되는 전자식 전력변압기에 있어서,Circuit devices connected in series in order of AC power, first reactance, first capacitor, second capacitor, and second reactance connected to AC power, and first and third bidirectional branches branched between reactance and capacitor of circuit device A primary side of the transformer branched between a switch, second and fourth bidirectional switches connected in parallel with the first and third bidirectional switches, and connected in series with each other, a transformer, and the second and fourth bidirectional switches A switching switch that forms a coil and selects and connects one of a point between two capacitors in the circuit device or a point between the first and third bidirectional switches, and fifth and sixth electrically connected to the transformer and connected in series to each other; A bidirectional switch, a third reactance branched from the transformer and a point between the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch; In the third and the reactance connected in series with the load, the electronic power transformer consisting of a capacitor is parallel connected to the load from the rear end of the third reactance, 입력전압을 변조하기 위해 상기 제1 및 제3 양방향 스위치와, 상기 제1 및 제3 양방향 스위치를 데드타임 이외의 시간에는 서로 교대로 스위칭하는 단계;와Alternately switching the first and third bidirectional switches and the first and third bidirectional switches with each other at a time other than a dead time to modulate an input voltage; and 상기 변압기에 의해 유기된 전압을 복조하기 위해 데드타임 이외의 시간내 상기 제5 및 제6 양방향 스위치를 고주파의 반주기마다 교대로 스위칭시키는 단계;Alternately switching the fifth and sixth bidirectional switches every half period of a high frequency within a time other than a dead time to demodulate the voltage induced by the transformer; 연속적으로 가변이 가능한 상용 주파수의 전력을 공급하기 위해, 상기 제1 및 제 4 양방향 스위치, 또는 제2 및 제3 양방향 스위치의 위상과 제5 또는 제6 양방향 스위치의 위상을 제어하는 단계;Controlling the phases of the first and fourth bidirectional switches or the second and third bidirectional switches and the phases of the fifth or sixth bidirectional switch to supply power of a commercially variable commercial frequency; 서로 극성이 다른 직류전압을 공급하기 위해, 상용 주파수의 반주기 동안 제5 양방향 스위치와 제6 양방향 스위치의 위상을 가변하는 단계;Varying phases of the fifth bidirectional switch and the sixth bidirectional switch during a half cycle of a commercial frequency to supply DC voltages having different polarities; 출력 직류전압을 양(+)의 최대값에서 음(-)의 최대값으로 제어하기 위해, 상기 변압기의 1차 및 2차 코일측에 PPM 제어를 연속적으로 제어하는 단계;Continuously controlling PPM control on the primary and secondary coil sides of the transformer to control the output DC voltage from a positive maximum to a negative maximum; 상기 변압기의 턴 수(turn number)가 고정된 경우, 상기 제1 및 제3 및 제5 양방향 스위치는 50%의 듀티(duty)비로 구동하며, 상기 제2 및 제4 및 제6 양방향 스위치는 180도 위상차로 동일하게 구동하는 단계;를 포함하여 이루어지는, AC-AC/DC변환 및 전력 변압 방법.When the turn number of the transformer is fixed, the first, third and fifth bidirectional switches are driven at a duty ratio of 50%, and the second, fourth and sixth bidirectional switches are 180 And driving the same with the phase difference; AC-AC / DC conversion and power transformation method.
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