KR100490645B1 - Uninterruptible power supply of non-insulation - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무정전 전원공급 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 역률 제어가 가능한 비절연형의 무정전 전원공급 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more particularly, to an uninsulated uninterruptible power supply capable of controlling input power factor.
본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 교류상용전원의 일 단자에 각각 순방향 및 역방향으로 일 단자들이 접속된 제1,2다이오드들과, 상기 제1다이오드의 타 단자와 상기 교류상용전원의 타 단자 사이에 직렬로 접속된 제1인덕터 및 제1스위치와, 상기 제2다이오드의 타 단자와 상기 교류상용전원의 타 단자 사이에 직렬로 접속된 제2인덕터 및 제2스위치와, 상기 제1스위치 양 단자 사이에 직렬로 결합한 순방향의 제3다이오드 및 제1커패시터와, 상기 제2스위치 양 단자 사이에 직렬로 결합한 역방향의 제4다이오드 및 제2커패시터와, 상기 제3다이오드에 접속된 상기 제1커패시터의 일 단자와 상기 제4다이오드에 접속된 상기 제2커패시터의 일 단자 사이에서 스위칭되는 인버터부와, 상기 인버터부의 출력을 필터링하는 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention includes first and second diodes having one terminal connected to one terminal of an AC commercial power in a forward and a reverse direction, the other terminal of the first diode, and the other terminal of the AC commercial power. A first inductor and a first switch connected in series between the terminals, a second inductor and a second switch connected in series between the other terminal of the second diode and the other terminal of the AC commercial power supply, and the first switch. A forward third diode and a first capacitor coupled in series between both terminals, a reverse fourth diode and a second capacitor coupled in series between both terminals of the second switch, and the first diode connected to the third diode An inverter unit switched between one terminal of a capacitor and one terminal of the second capacitor connected to the fourth diode, and a filter unit filtering an output of the inverter unit. It characterized.
Description
본 발명은 무정전 전원공급 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 역률 제어가 가능한 비절연형의 무정전 전원공급 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more particularly, to an uninsulated uninterruptible power supply capable of controlling input power factor.
입출력 비절연형 무정전 전원공급 장치는 컴퓨터 등의 전산 기기의 사용 증가와 더불어 소용량을 중심으로 수요가 증가하고 있다. 이러한 시스템의 개발은 스위치 소자의 개수를 감소하여 원가 부담의 요인을 제거하는 방향으로 진행되고 있다.Input / output non-isolated uninterruptible power supply is increasing in demand mainly with small capacity along with increasing use of computer equipment such as computers. The development of such a system is progressing toward eliminating the cost burden by reducing the number of switch elements.
이러한 실시예로 도8 내지 14는 종래의 기술을 도식화한 것이다. In this embodiment, Figs. 8 to 14 illustrate the prior art.
도8은 하프브리지형 주회로에 승강압형의 축전지 충방전 회로가 추가된 형태로서 축전지의 전압이 낮은 경우 승압용 스위치 소자와 인덕터가 대형이 되는 문제가 있으며, 220V 상용전원 환경에서 직류전압을 최저 800V로 가정하고 배터리 전압을 200V로 가정하면 승압비는 1:4로 부적절한 것이 하나의 문제점이 될 수 있다.8 is a form in which a step-up type battery charging / discharging circuit is added to a half-bridge type main circuit, and when the voltage of the battery is low, there is a problem in that the step-up switch element and the inductor become large and the DC voltage is minimized in a 220 V commercial power environment. Assuming a voltage of 800V and a battery voltage of 200V, an increase in the ratio of 1: 4 may be a problem.
그리고 T1에 걸리는 역방향 전압은 전원의 +영역에서 R2가 온될 경우 800V가 되고, T2에 걸리는 역방향 전압도 마찬가지로 800V가 됨으로, T1·T2 모두 1200V급을 사용하여야 하는 문제점이 있다. 또한 T2가 도통 상태에서 전원과 C2에 의해 L1은 충전되며, T2가 오프시 T1의 역병렬 다이오드에 의해 C1이 충전된다. 따라서 C2의 에너지는 L1을 거쳐 C2로 들어가므로 전체 효율이 감소될 수 있음을 짐작할 수 있다.In addition, the reverse voltage applied to T1 becomes 800V when R2 is turned on in the + region of the power supply, and the reverse voltage applied to T2 becomes 800V as well, so that T1 and T2 have to use 1200V class. In addition, when T2 is in a conductive state, L1 is charged by the power supply and C2, and when T2 is off, C1 is charged by the antiparallel diode of T1. Therefore, the energy of C2 enters C2 via L1, so it can be estimated that the overall efficiency can be reduced.
도 9는 도 8의 축전지 승압 기능을 컨버터의 스위치 소자에 겸용시킨 구조로서, 스위치 소자의 수는 감소되었지만 입력측 인덕턴스가 도 8의 경우보다 증가하므로 상기와 같은 단점을 해결할 수 없다. 한편 도 9에서의 스위치 정격은 도 8에서와 같이 높아지는 것을 알 수 있다. 도 10은 도 8에서 입력측에 전환 스위치를 부착시켜 배터리 방전모드에서 교류 부하에 직류 성분이 존재할 경우 커패시터의 전압 불균등을 효과적으로 보상할 수 있으나, 스위치 정격은 도 8에서와 높아지는 것을 알 수 있다.FIG. 9 is a structure in which the battery boosting function of FIG. 8 is combined with a switch element of the converter. Although the number of switch elements is reduced, the input side inductance is increased than in the case of FIG. On the other hand, it can be seen that the switch rating in FIG. 9 increases as in FIG. 8. FIG. 10 shows that the switch is attached to the input side in FIG. 8 to effectively compensate for voltage inequality of the capacitor when a DC component is present in the AC load in the battery discharge mode, but the switch rating is higher than that shown in FIG. 8.
그리고 도 11은 입력측에 혼합 브리지 회로를, 출력에는 풀브리지를 사용한 것으로, 220V전원 환경을 고려하면 모든 스위치 정격이 600V로 가능하지만 고주파 노이즈 대책이 복잡해지는 문제점을 가지고 있다. 도 12는 다이오드 브리지를 이용한 승압형으로 입력 스위치는 600V급으로 가능하지만, 배터리에 의한 전원 공급 문제가 복잡해지는 단점이 있다. 11 shows a mixed bridge circuit on the input side and a full bridge on the output side. In consideration of the 220V power supply environment, all switch ratings are possible at 600V, but the high frequency noise countermeasure is complicated. 12 is a voltage boost type using a diode bridge, but the input switch is capable of 600V, but has a disadvantage in that a power supply problem by a battery is complicated.
그리고 도 13과 도 14는 또 다른 비절연 방식의 실시예를 도시한 것으로, 기본적으로 도 8과 크게 다르지 않으며, 배터리 백업 모드에서 전압을 800V까지 상승시켜야 하는 부담이 있다. 특히 도 14에 의한 방식에서는 비동기 모드로 사용할 수 없는 단점이 있다.13 and 14 illustrate another non-isolated embodiment, which is basically not significantly different from FIG. 8, and has a burden of increasing the voltage to 800V in the battery backup mode. In particular, the method of FIG. 14 has a disadvantage in that it cannot be used in an asynchronous mode.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 인덕터의 용량을 증가시키지 않는 상태에서 스위치 소자에 걸리는 역방향 전압을 감소시켜 비용을 절감할 수 있으며, 저 전압의 배터리를 효과적으로 승압할 수 있는 비절연형 무정전 전원공급 장치를 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the present invention can reduce costs by reducing the reverse voltage applied to the switch element without increasing the capacity of the inductor, effectively boosting the battery of low voltage An object of the present invention is to provide a non-isolated uninterruptible power supply.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 백업 모드에서 교류 부하에 직류 성분이 포함되는 경우 발생하는 커패시터의 전압 불균등 현상에 효과적으로 대처할 수 있는 비절연형 무정전 전원공급 장치를 제공하는데 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a non-insulated uninterruptible power supply that can effectively cope with voltage unevenness of a capacitor generated when a DC component is included in an AC load in a battery backup mode.
본 발명의 또 다른 목적은 고조파 노이즈를 최소화하고, 상·하부 커패시터 간의 에너지 누설 없이 전력전달이 이루어지는 고효율의 비절연형 무정전 전원공급 장치를 제공하는데 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a high efficiency non-insulated uninterruptible power supply device which minimizes harmonic noise and transmits power without leakage of energy between upper and lower capacitors.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 정전 시 배터리에 충전된 전압을 공급하는 무정전 전원공급 장치에 있어서, 교류상용전원의 일 단자에 각각 순방향 및 역방향으로 일 단자들이 접속된 제1,2다이오드들과, 상기 제1다이오드의 타 단자와 상기 교류상용전원의 타 단자 사이에 직렬로 접속된 제1인덕터 및 제1스위치와, 상기 제2다이오드의 타 단자와 상기 교류상용전원의 타 단자 사이에 직렬로 접속된 제2인덕터 및 제2스위치와, 상기 제1스위치 양 단자 사이에 직렬로 결합한 순방향의 제3다이오드 및 제1커패시터와, 상기 제2스위치 양 단자 사이에 직렬로 결합한 역방향의 제4다이오드 및 제2커패시터와, 상기 제3다이오드에 접속된 상기 제1커패시터의 일 단자와 상기 제4다이오드에 접속된 상기 제2커패시터의 일 단자 사이에서 스위칭되는 인버터부와, 상기 인버터부의 출력을 필터링하는 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The non-insulated uninterruptible power supply device according to an aspect of the present invention for achieving the above object in the uninterruptible power supply for supplying a charged voltage to the battery in the case of power failure, forward and reverse respectively to one terminal of the AC commercial power First and second diodes having one terminal connected thereto, a first inductor and a first switch connected in series between the other terminal of the first diode and the other terminal of the AC commercial power supply, and the other of the second diode. A second inductor and a second switch connected in series between a terminal and the other terminal of the AC commercial power supply, a third diode and a first capacitor in a forward direction coupled in series between both terminals of the first switch, and the second switch A fourth diode and a second capacitor in a reverse direction coupled in series between both terminals, and one terminal of the first capacitor connected to the third diode and the fourth diode Characterized by including the; filter unit and the inverter unit to be switched between one terminal of the second capacitor group, filter the output of the inverter portion.
본 발명의 이와 같은 일 양상에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 인덕터의 용량이 종래 방식에 비해 1/2인 것을 두 개 사용하기 때문에 비용 상승의 원인이 되지 않는다. 또한 스위치 소자에 걸리는 역방향 전압이 기존의 방식에 비해 절반 정도로 가져가는 것이 가능함으로써, 스위치 소자의 정격을 낮게 할 수 있다. 그리고 교류전원 정상상태와 배터리 백업 모드에서 동일 스위치를 사용함으로써, 스위치 소자의 개수를 최소화하여 비용을 절감할 수 있는 시스템의 구성이 가능하다.According to one aspect of the present invention, the non-insulated type uninterruptible power supply according to the present invention does not cause a cost increase because two inductors have a 1/2 of the capacity of the conventional method. In addition, since the reverse voltage applied to the switch element can be about half of that of the conventional method, the rating of the switch element can be lowered. In addition, by using the same switch in the AC power steady state and the battery backup mode, it is possible to configure a system that can reduce the cost by minimizing the number of switch elements.
또한 배터리 백업 모드에서 교류 부하에 직류 성분이 포함되는 경우 발생하는 커패시터의 전압 불균등 현상에 효과적으로 대처하는 것이 가능하며, 출력측 인버터부가 하프 브리지로 구성됨에 따라, 고조파 노이즈 방지 및 상·하부 커패시터 간의 에너지 낭비 없이 전력 전달이 이루어지므로 고효율의 장점이 있다. 그리고 단극성 직류전압을 컨버터의 입력에 사용함으로써, 2개의 인버터부를 동시에 이용하여 효과적으로 저 전압의 배터리를 승압시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, in battery backup mode, it is possible to effectively cope with voltage unevenness of capacitor generated when AC component is included in AC load, and because the output side inverter part is composed of half bridge, it prevents harmonic noise and wastes energy between upper and lower capacitors. There is an advantage of high efficiency because the power is delivered without. In addition, by using the unipolar DC voltage to the input of the converter, there is an advantage that can effectively boost the battery of low voltage by using two inverter units at the same time.
본 발명의 보조적인 양상에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치의 배터리는 상기 제1,2다이오드의 타 단자 사이에 접속되는 것을 특징으로 한다.According to an auxiliary aspect of the present invention, the battery of the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention is connected between the other terminals of the first and second diodes.
본 발명의 이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 정전 시 구동 전압을 출력하는 배터리 용량을 낮출 수 있다..According to this aspect of the present invention, the non-insulated uninterruptible power supply device according to the present invention can lower the battery capacity for outputting a driving voltage during a power failure.
본 발명의 보조적인 양상에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치의 제1,2,3스위치는 사이리스터(Thyristor), GTO, IGBT, Power TR, Power MOS-FET 중 하나인 것을 특징으로 한다.According to an auxiliary aspect of the present invention, the first, second and third switches of the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention may be one of a thyristor, a GTO, an IGBT, a power TR, and a power MOS-FET. .
이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 교류전원 입력역률제어가 가능하며, 전원입력의 한 단자를 출력단자의 한 단자와 공통으로 사용함으로써, 시스템 고장 시에 사이리스터 등에 의한 무순단 절체가 가능하다.According to this aspect, the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention can control the AC power input power factor, and by using one terminal of the power input in common with one terminal of the output terminal, there is no randomness due to the thyristor or the like in case of system failure. However, switching is possible.
본 발명의 이와 같은, 또 보조적인 양상은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.These and further auxiliary aspects of the present invention will become more apparent through the following preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in detail to enable those skilled in the art to easily understand and reproduce the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 정전 시 배터리에 충전된 전압을 공급하는 것으로, 교류상용전원을 정류하여 출력하는 전원 입력부(100)와, 정전 시 구동 전압을 인가하는 배터리를 포함한 AC/DC 변환부(200)와, 상기 AC/DC 변환부(200)를 통해 출력된 직류 성분을 교류로 변환하는 인버터부(300)와, 상기 인버터부(300)를 통해 출력된 교류 전압을 필터링하여 부하측으로 출력하는 필터부(400)와, 상기 AC/DC 변환부(200)와 인버터부(300)를 각각 제어하는 제1,2제어부(500,600)를 포함한다. 1 schematically illustrates the configuration of a non-insulated uninterruptible power supply according to a preferred embodiment of the present invention. As shown, the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention supplies a charged voltage to a battery during a power failure, a power input unit 100 for rectifying and outputting AC commercial power, and a battery for applying a driving voltage during power failure. AC / DC conversion unit 200, including an inverter unit 300 for converting the DC component output through the AC / DC conversion unit 200 into an AC, and the AC output through the inverter unit 300 The filter unit 400 filters the voltage and outputs the load to the load side, and the first and second controllers 500 and 600 for controlling the AC / DC converter 200 and the inverter unit 300, respectively.
여기에 있어서 전원 입력부(100)와, 인버터부(300), 필터부(400)는 비절연형 무정전 전원공급 장치에 널리 사용되는 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 본 발명의 주요 부분인 AC/DC 변환부(200)와 이를 제어하는 제1,2제어부(500,600)에 대하여 설명하기로 한다.Herein, the power input unit 100, the inverter unit 300, and the filter unit 400 are widely used in a non-insulated type uninterruptible power supply, and a detailed description thereof will be omitted, and the main part of the present invention is AC. The / DC converter 200 and the first and second controllers 500 and 600 controlling the same will be described.
상기 AC/DC 변환부(200)를 제어하는 제1제어부(500)는 상기 전원 입력부(100)의 입력단과 상기 AC/DC 변환부(200)의 출력단에 연결되어 상기 AC/DC 변환부(200)를 제어한다. 즉 상기 제1제어부(500)는 상기 AC/DC 변환부(200)를 통해 인버터부(300)로 출력되는 직류기준 전압을 유지하도록 각 단에 연결된 게이트 입력을 제어함과 동시에, 변압기에서의 교류입력전류를 전원과 동일한 위상의 정현파 전류가 되도록 제어한다.The first control unit 500 for controlling the AC / DC converter 200 is connected to an input terminal of the power input unit 100 and an output terminal of the AC / DC converter 200 to the AC / DC converter 200. ). That is, the first controller 500 controls the gate input connected to each stage to maintain the DC reference voltage output to the inverter unit 300 through the AC / DC converter 200, and at the same time, the AC in the transformer The input current is controlled to be a sine wave current of the same phase as the power supply.
그리고 제2제어부(600)는 상기 필터부(400)의 커패시터의 전압에 따라 상기 AC/DC 변환부(200)를 통해 입력된 직류 전압에 대한 교류기준전압을 출력하도록 인버터부를 구성하는 스위치 소자의 게이트 입력을 제어한다.In addition, the second controller 600 may include an inverter unit configured to output an AC reference voltage with respect to a DC voltage input through the AC / DC converter 200 according to the voltage of the capacitor of the filter unit 400. Control the gate input.
이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 교류상용전원을 정류하여 출력되는 직류 전압을 사용하는 경우 교류 입력 전류를 전압과 동 위상의 정현파 전류가 되도록 제어함으로써, 비절연형 무정전 전원공급 장치의 역률을 개선할 수 있게 된다.According to this aspect, the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention controls the AC input current to be a sine wave current of the same phase as the voltage when using a DC voltage output by rectifying the AC commercial power. It is possible to improve the power factor of the feeding device.
한편 상기 AC/DC 변환부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 교류상용전원의 일 단자에 각각 순방향 및 역방향으로 일 단자들이 접속된 제1,2다이오드들(D1,D2)과, 상기 제1다이오드(D1)의 타 단자와 상기 교류상용전원의 타 단자 사이에 직렬로 접속된 제1인덕터(L1) 및 제1스위치(T1)와, 상기 제2다이오드(D2)의 타 단자와 상기 교류상용전원의 타 단자 사이에 직렬로 접속된 제2인덕터(L2) 및 제2스위치(T2)와, 상기 제1스위치(T1) 양 단자 사이에 직렬로 결합한 순방향의 제3다이오드(D3) 및 제1커패시터(C1)와, 상기 제2스위치(T2) 양 단자 사이에 직렬로 결합한 역방향의 제4다이오드(D4) 및 제2커패시터(C2)와, 상기 제3다이오드(D3)에 접속된 상기 제1커패시터(C1)의 일 단자와 상기 제4다이오드(D4)에 접속된 상기 제2커패시터(C2)의 일 단자 사이에서 스위칭되는 인버터부(300)와, 상기 인버터부의 출력을 필터링하는 필터부(400)로 구성되어 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 2, the AC / DC converter 200 includes first and second diodes D1 and D2 having one terminal connected to one terminal of an AC commercial power in a forward and reverse direction, respectively, and the first and second diodes D1 and D2. The first inductor L1 and the first switch T1 connected in series between the other terminal of the first diode D1 and the other terminal of the AC commercial power supply, the other terminal of the second diode D2 and the AC The second inductor L2 and the second switch T2 connected in series between the other terminals of the commercial power supply, and the third diode D3 and the forward third diode connected in series between both terminals of the first switch T1. The fourth diode D4 and the second capacitor C2 in the reverse direction coupled in series between the one capacitor C1, the both terminals of the second switch T2, and the third diode D3 connected to the third capacitor D3. An inverter unit 300 which is switched between one terminal of one capacitor C1 and one terminal of the second capacitor C2 connected to the fourth diode D4; It is composed of a filter unit 400 for filtering the output of the inverter unit.
본 발명의 보조적인 양상에 따르면 상기 배터리(B)는 상기 제1,2다이오드(D1,D2)의 타 단자 사이에 접속된다. 그러나 이와 같은 배터리(B)의 연결은 이에 한정되지 않고, 상기 제1커패시터(C1), 제2커패시터(C2) 각각의 양 단자에 연결하는 것도 가능하고, 상기 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터가(C2) 연결된 양 끝단자에 연결하는 것도 가능하다. 그러나 본 발명의 보조적인 양상이 도시된 상태의 연결이 바람직한다. 왜냐하면 이렇게 구성함으로써, 배터리의 용량, 즉 전압을 낮게 가져갈 수 있으며, 이에 따라 배터리의 수를 줄일 수 있으므로, 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.According to the auxiliary aspect of the present invention, the battery B is connected between the other terminals of the first and second diodes D1 and D2. However, the connection of the battery B is not limited thereto and may be connected to both terminals of each of the first capacitor C1 and the second capacitor C2, and the first capacitor C1 and the second capacitor may be connected to each other. It is also possible to connect both ends of the capacitor (C2). However, the connection in the state in which the auxiliary aspect of the present invention is shown is preferred. Because of this configuration, it is possible to bring the capacity of the battery, that is, the voltage lower, thereby reducing the number of batteries, there is an advantage that can reduce the cost.
또한 본 발명의 부가적인 양상에 따르면 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 상기 제1다이오드(D3)의 타 단자와 상기 배터리(B) 사이에 접속되어 상기 배터리(B)의 출력 전압을 단속하는 스위치(M2)와, 상기 스위치(M2)의 양 단자에 결합되어 상기 배터리(B)를 충전하는 충전부(미도시)를 더 포함한다. 즉 상기 충전부는 교류상용전원으로부터 입력되는 교류 전원을 정류하는 정류부와 상기 정류부를 통해 정류된 전압을 상기 배터리로 일정 전압을 출력하는 전정류부를 포함하고 있다. According to an additional aspect of the present invention, the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention is connected between the other terminal of the first diode D3 and the battery B to interrupt the output voltage of the battery B. And a charging unit (not shown) coupled to both terminals of the switch M2 and the terminal of the switch M2 to charge the battery B. That is, the charging unit includes a rectifying unit for rectifying AC power input from an AC commercial power supply and a pre-rectifying unit for outputting a predetermined voltage to the battery with the voltage rectified through the rectifying unit.
이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 무정전 전원공급 장치는 정상적으로 동작하는 경우에는 상기 충전부를 통해 배터리를 지속적으로 충전하게 되며, 정전 시에는 상기 배터리에 충전된 전압을 부하측으로 공급하게 된다.According to this aspect, the uninterruptible power supply apparatus according to the present invention continuously charges the battery through the charging unit when normally operating, and supplies the voltage charged to the battery to the load side during power failure.
그리고 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1,2스위치(T1,T2)는 사이리스터(Thyristor), GTO, IGBT, Power TR, Power MOS-FET 등과 같은 반도체 전력 스위치 소자를 사용하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, it is preferable that the first and second switches T1 and T2 use a semiconductor power switch device such as a thyristor, a GTO, an IGBT, a power TR, a power MOS-FET, or the like. .
이와 같은 구성에 따라 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 기존의 방식과 마찬가지로 교류전원에 대한 입력역률제어가 가능하며, 전원 입력의 한 단자를 출력단자의 한 단자와 공통으로 사용함으로써, 시스템 고장 시에 사이리스터 등에 의한 무순단 절체가 가능하다.According to this configuration, the non-isolated uninterruptible power supply according to the present invention can control the input power factor for AC power as in the conventional method, and by using one terminal of the power input in common with one terminal of the output terminal, the system In the event of a fault, it is possible to perform an unsuccessful changeover by a thyristor.
이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치의 동작 설명을 하기로 한다.Hereinafter, an operation of the non-insulated type uninterruptible power supply apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 7.
도 3은 교류전원 입력측 전류가 원활하게 제어된다고 가정할 경우에 있어서의 전원 전압 파형(30)과 전원 전류 파형(31)과 도 2에 도시된 제1인덕터(L1)의 전류 파형(32) 및 제2인덕터(L2)의 전류 파형(33)을 도시한 것이다. 그리고 도 4는 전원 정상 상태에서의 동작 모드를 도시한 것으로, 도4a와 도4b는 도2에 도시된 A구간에서의 동작 모드로 전원 전압이 +극성일 때의 동작을 도시한 것이고, 도4c와 도4d는 도2에 도시된 B구간에서의 동작 모드로 전원 전압이 -극성일 때의 동작을 나타내고 있다. 여기에서 굵은 선으로 도시된 것이 전류의 도통을 의미한다.3 shows a power supply voltage waveform 30 and a power supply current waveform 31 in the case where the AC power input side current is smoothly controlled, and a current waveform 32 of the first inductor L1 shown in FIG. The current waveform 33 of the second inductor L2 is shown. 4 shows an operation mode in a normal power supply state, and FIGS. 4A and 4B show an operation when the power supply voltage is + polarity in the operation mode in section A shown in FIG. 2, and FIG. 4C And FIG. 4D shows an operation when the power supply voltage is -polar in the operation mode in the section B shown in FIG. Here, the thick line means the conduction of electric current.
도 5a 및 도5b에서는 도3의 A와 B구간에 대한 제1,2스위치(T1,T2)의 게이트 입력 신호와 이에 따른 각부 전류의 파형을 각각 보여주고 있다. 도4a에서의 동작 파형은 도5a에서의 C구간으로, 제1스위치(T1)가 도통되고, 교류 전원 전류는 제1다이오드(D1)와 제1인덕터(L1) 및 제1스위치(T1)를 통해 흐르며, 이 때 제1인덕터(L1)에 에너지가 축적하게 된다. 이어 D구간으로 전이되어 제1스위치(T1)가 오프됨에 따라 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지는 제3다이오드(D3)를 통해 제1커패시터(C1)에 축적된다. 이에 대한 동작 상태는 도4b에 도시했다. 이 때 입력 전류의 크기는 C와 D구간에 의한 듀티비에 의해 조절하게 된다.5A and 5B show the gate input signals of the first and second switches T1 and T2 and the waveforms of the respective currents for the sections A and B of FIG. 3, respectively. The operating waveform in FIG. 4A is a section C in FIG. 5A, in which the first switch T1 conducts, and the AC power current is connected to the first diode D1, the first inductor L1, and the first switch T1. Flowing through, energy is accumulated in the first inductor (L1). Subsequently, the energy stored in the first inductor L1 is accumulated in the first capacitor C1 through the third diode D3 as it transitions to the section D and the first switch T1 is turned off. The operating state for this is shown in Fig. 4B. At this time, the magnitude of the input current is controlled by the duty ratio of the C and D sections.
한편 도4c에서의 동작 파형은 도5b에 도시된 E로 나타낸 구간으로 제2스위치(T2)가 도통되고, 교류 전원 전류는 제2스위치(T2)와 제2인덕터(L2) 및 제2다이오드(D2)를 통해 흐르며, 이 때 제2인덕터(L2)에 에너지를 축적하게 된다. 이어서 F구간으로 전이되어 제2스위치(T2)가 오프되면 제2인덕터(L2)에 저장된 에너지는 제4다이오드(D4)를 통해 제2커패시터(C2)에 축적된다. 이에 대한 동작 상태는 도4d에 도시했다. 이 때 입력 전류의 크기는 E와 F구간에 의한 듀티비에 의해 조절하게 된다.On the other hand, the operation waveform in FIG. 4C is a period indicated by E shown in FIG. 5B, and the second switch T2 is turned on, and the AC power current is the second switch T2, the second inductor L2, and the second diode ( D2) flows, and energy is accumulated in the second inductor L2. Subsequently, when transitioned to the section F and the second switch T2 is turned off, energy stored in the second inductor L2 is accumulated in the second capacitor C2 through the fourth diode D4. The operating state for this is shown in Fig. 4D. At this time, the magnitude of the input current is controlled by the duty ratio of the E and F sections.
이와 같은 동작의 반복으로 교류 전류는 도3의 31에서 보는 바와 같이 전원 전압과 동상의 정현파 전류로 제어가 가능하며 전류의 크기에 따라 제1 및 제2커패시터(C1,C2) 전압이 제어되게 된다. 한편 제1커패시터(C1)와 제2커패시터(C2)에 축적된 전압은 제3,4스위치(T3,T4) 및 제3인덕터(L3)와 제3커패시터(C3)로 구성된 하프 브리지 인버터부를 통해 교류 전압을 출력하게 되며 전원이 정상인 상태에서 무정전 전원공급 장치의 동작을 수행하게 된다.By repeating this operation, the AC current can be controlled by the power supply voltage and the sine wave current in phase as shown in FIG. 31, and the voltages of the first and second capacitors C1 and C2 are controlled according to the magnitude of the current. . On the other hand, the voltage accumulated in the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is transferred through the half-bridge inverter unit including the third and fourth switches T3 and T4 and the third inductor L3 and the third capacitor C3. AC voltage is output and the uninterruptible power supply is operated when the power is normal.
도6과 도7은 정전 시에서의 동작 모드를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 전원 입력 스위치인 M1과 배터리를 단속하는 스위치(M2)는 서로 연동되며 전원이 정상 상태일 경우에는 M1이, 정전일 경우에는 스위치(M2)가 각각 온되어 배터리 전력을 AC/DC변환부로 공급하게 된다. 도7a는 인버터부 전압극성이 +로 부하에 전력을 공급하는 경우에 있어서의 각부 파형으로 도6a와 도6b 동작을 반복적으로 수행하여 제1커패시터(C1) 전압을 제어하게 된다. 그리고 도7b는 인버터부 전압극성이 -로 부하에 전력을 공급하는 경우에 있어서 각부 파형으로 도6a와 도6c 동작을 반복적으로 수행하여 제2커패시터(C2) 전압을 제어하게 된다. 이와 같이 반복적인 수행에 있어 필요한 경우 도5d 모드로 동작할 수 있으며, 경부하에서 전류가 불연속인 경우도 가능하며 이 때 제1스위치(T1) 및 제2스위치(T2)는 모두 오프상태로 되며 i2~i7은 모두 0이 된다.6 and 7 show an operation mode during power failure. As shown, the power input switch M1 and the battery intermittent switch M2 are interlocked with each other, and when the power is in a normal state, the M1 is turned on, and in the case of a power failure, the switch M2 is turned on to supply battery power to AC / DC. Supply to the converter. FIG. 7A repeatedly controls the voltage of the first capacitor C1 by repeatedly performing the operations of FIGS. 6A and 6B when the inverter unit voltage polarity is + to supply power to the load. In FIG. 7B, when the inverter voltage polarity is supplied to the load with-, the voltage of the second capacitor C2 is controlled by repeatedly performing the operations of FIGS. 6A and 6C with the respective waveforms. As described above, the repetitive performance may be performed in the mode of FIG. 5D, and the current may be discontinuous at light loads. At this time, the first switch T1 and the second switch T2 are both turned off and i2 ~ i7 is all zeros.
한편 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 도2에 도시된 바와 같이 제1스위치(T1) 및 제2스위치(T2) 각각에 제1,2커패시터(C1,C2)가 접속되는 구성을 가짐으로써, 오프된 스위치 소자의 양단에 걸리는 전압, 즉 스위치 소자에 대한 역방향 전압을 종래에 비하여 절반정도로 가져가는 것이 가능하다. 예를 들면 도8에 도시된 종래의 무정전 전원공급 장치에서 있어서 C1과 C2에 저장된 전압이 각각 1C라고 가정할 때 T1이 온되고 T2가 오프된 경우 오프된 T2의 양단에 걸리는 전압은 2C가 된다. 그러나 도2에 도시된 바와 같이 본 발명에 있어서는 상기 조건과 동일한 경우 제1스위치(T1)가 온되고 제2스위치(T2)가 오프되는 경우 오프된 제2스위치(T2) 양단에 걸리는 전압은 제2커패시터(C2)에 저장된 전압인 1C만이 걸리므로, 종래의 방식에 비하여 역방향 최대전압이 종래의 방식에 비하여 1/2 정도로 감소시키는 것이 가능하다.Meanwhile, the non-insulated uninterruptible power supply according to the present invention has a configuration in which the first and second capacitors C1 and C2 are connected to each of the first switch T1 and the second switch T2 as shown in FIG. 2. In this way, it is possible to bring the voltage across the switched-off switch element, that is, the reverse voltage to the switch element, to about half as compared with the conventional one. For example, in the conventional uninterruptible power supply shown in FIG. 8, assuming that the voltages stored in C1 and C2 are 1C, respectively, when T1 is on and T2 is off, the voltage across both ends of T2 becomes 2C. . However, as shown in FIG. 2, in the present invention, when the first switch T1 is turned on and the second switch T2 is turned off, the voltage across the second switch T2 that is turned off is equal to Since only 1C, which is the voltage stored in the two capacitors C2, is applied, it is possible to reduce the reverse maximum voltage by about 1/2 compared with the conventional method.
이와 같이 스위치 소자에 걸리는 역방향 전압을 감소시킬 수 있으므로 스위치 소자의 정격 전압을 낮게 가져갈 수 있고, 이에 따라 스위치 소자의 가격을 절감할 수 있어 장치의 비용 면에 있어서 효과적인 장점이 있다.In this way, since the reverse voltage applied to the switch element can be reduced, the rated voltage of the switch element can be lowered, and thus, the cost of the switch element can be reduced, which is effective in terms of cost of the device.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치는 인덕터가 추가되지만, 본 발명에 이용된 인덕터 한 개의 용량은 종래 방식에 비해 1/2가 됨으로 부담으로 작용한다고 볼 수 없으며, 또한 스위치 소자에 걸리는 역방향 전압이 기존의 방식에 비해 절반 정도로 가져가는 것이 가능함으로써, 스위치 소자의 정격을 낮게 할 수 있다. 그리고 교류전원 정상상태와 배터리 백업 모드에서 동일 스위치를 사용함으로써, 스위치 소자의 개수를 최소화하여 비용을 절감할 수 있는 시스템의 구성이 가능하다.As described above, the non-isolated uninterruptible power supply according to the present invention adds an inductor, but the capacity of one inductor used in the present invention is 1/2 compared to the conventional method, and thus it is not considered a burden, and also a switch The reverse voltage applied to the device can be brought to about half of that of the conventional method, thereby lowering the switch element rating. In addition, by using the same switch in the AC power steady state and the battery backup mode, it is possible to configure a system that can reduce the cost by minimizing the number of switch elements.
또한 배터리 백업 모드에서 교류 부하에 직류 성분이 포함되는 경우 발생하는 커패시터의 전압 불균등 현상에 효과적으로 대처하는 것이 가능하며, 출력측 인버터부가 하프브리지로 구성됨에 따라, 고조파 노이즈 방지 및 상·하부 커패시터 간의 에너지 낭비 없이 전력전달이 이루어지므로 고효율의 장점이 있다.In addition, in battery backup mode, it is possible to effectively cope with voltage unevenness of the capacitor generated when the DC load is included in the AC load, and the output side inverter part is composed of a half bridge, which prevents harmonic noise and wastes energy between upper and lower capacitors. There is an advantage of high efficiency because the power is delivered without.
그리고 단극성 직류전압을 컨버터의 입력에 사용함으로써, 2개의 인버터부를 동시에 이용하여 효과적으로 저 전압의 배터리를 승압시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, by using the unipolar DC voltage to the input of the converter, there is an advantage that can effectively boost the battery of low voltage by using two inverter units at the same time.
또한 기존의 방식과 마찬가지로 교류전원 입력역률제어가 가능하며, 전원입력의 한 단자를 출력단자의 한 단자와 공통으로 사용함으로써, 사이리스터 등에 의한 무순단 절체가 가능하다.In addition, as in the conventional method, AC power input power factor control is possible, and by using one terminal of the power input in common with one terminal of the output terminal, it is possible to perform an abrupt changeover by a thyristor.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, it will be apparent to those skilled in the art that many different and obvious modifications are possible without departing from the scope of the invention from this description. Therefore, the scope of the invention should be construed by the claims described to include many such variations.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.1 is a view schematically showing the configuration of a non-isolated uninterruptible power supply according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비절연형 무정전 전원공급 장치의 회로도.2 is a circuit diagram of a non-isolated uninterruptible power supply according to an embodiment of the present invention.
도 3은 전원이 정상일 때의 교류전원전압과 각부의 전류파형을 도시한 도면.3 is a diagram showing an AC power supply voltage and a current waveform of each part when the power supply is normal.
도 4는 전원이 정상 상태에서의 각부 동작을 도시한 도면.4 is a view showing the operation of each part in the power supply normal state.
도 5는 전원이 정상 상태에서의 각부 동작 파형을 도시한 도면.Fig. 5 is a diagram showing the operation waveforms of each part in a power supply steady state.
도 6은 전원이 정전 상태인 배터리 백업 모드에서의 각부 동작을 도시한 도면.6 is a diagram illustrating operations of each part in the battery backup mode in which the power supply is in an outage state.
도 7은 전원이 정전 상태인 배터리 백업 모드에서의 각부 동작 파형을 도시한 도면.FIG. 7 is a diagram illustrating operation waveforms of each part in a battery backup mode in which power is turned off. FIG.
도 8 내지 14는 종래의 비절연형 무정전 전원공급 장치의 회로도.8 to 14 is a circuit diagram of a conventional non-isolated uninterruptible power supply.
Claims (4)
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