KR101066093B1 - DC uninterrupted power supply employing bidirectional energy flows - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무정전 전원장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부하를 구동하는 상용전원의 단선시에 상기 부하로 전원을 공급하고 상기 상용전원이 정상적으로 상기 부하에 공급될 경우에는 전원부에 전원을 충전하며, 변압기부 자체의 누설리액턴스를 이용하여 소프트 스위칭을 구현함으로써 고전력 밀도 및 저가격화를 실현할 수 있는 양방향 전력수수가 가능한 무정전 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more specifically, to supply power to the load when the commercial power for driving the load is disconnected, and when the commercial power is normally supplied to the load charges the power to the power supply, The present invention relates to an uninterruptible power supply capable of two-way power transmission capable of realizing high power density and low cost by implementing soft switching using leakage reactance of the transformer unit itself.
무정전 전원장치, 소프트 스위칭, 공진주파수, 누설리액턴스 Uninterruptible Power Supplies, Soft Switching, Resonant Frequency, Leakage Reactance
Description
본 발명은 무정전 전원장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부하를 구동하는 상용전원의 단선시에 상기 부하로 전원을 공급하고 상기 상용전원이 정상적으로 상기 부하에 공급될 경우에는 전원부에 전원을 충전하며, 변압기부 자체의 누설리액턴스를 이용하여 소프트 스위칭을 구현함으로써 고전력 밀도 및 저가격화를 실현할 수 있는 양방향 전력수수가 가능한 무정전 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more specifically, to supply power to the load when the commercial power for driving the load is disconnected, and when the commercial power is normally supplied to the load charges the power to the power supply, The present invention relates to an uninterruptible power supply capable of two-way power transmission capable of realizing high power density and low cost by implementing soft switching using leakage reactance of the transformer unit itself.
무정전 전원장치(UPS:uninterrupted power supply)는 상용전원의 정전이나 계통사고 등의 단선시에 전압을 부하에 공급하는 보조 전원공급장치이다.An uninterrupted power supply (UPS) is an auxiliary power supply that supplies voltage to a load in the event of a power failure or breakdown in a system accident.
최근 기술발달로 대부분의 가정용 전기기기에는 정류기가 내장되어 있어 별도의 인버터장치가 필요없는 DC용 무정전 전원장치의 연구가 활발하다.Due to the recent technology development, most home electric appliances have a built-in rectifier, and therefore, research on DC uninterruptible power supply that does not require a separate inverter device is active.
한편, 종래의 DC용 무정전 전원장치는 고속 스위칭을 통해 안정화를 할 수 는 있지만, 스위칭 손실과 스트레스로 인해 스위칭 주파수를 높이는 데 한계가 있 어 하드 스위칭 방식으로 부하에 전원을 공급하고 있는 실정이다.On the other hand, although the DC uninterruptible power supply can be stabilized through high-speed switching, there is a limitation in increasing the switching frequency due to switching loss and stress, and thus, power is supplied to the load by a hard switching method.
따라서, 소프트 스위칭을 이용하여 스위칭 손실을 줄여 전력변환효율을 높일 수 있는 무정전 전원장치의 개발이 시급하다.Therefore, there is an urgent need to develop an uninterruptible power supply that can reduce power loss by using soft switching to increase power conversion efficiency.
그러나, 소프트 스위칭을 구현하기 위해서는 공진을 위한 별도의 공진용 리액터가 필수적으로 포함되어야 하므로 구성이 복잡하고 제작단가가 상승하는 단점이 있다.However, in order to implement soft switching, a separate resonance reactor for resonance must be included inevitably, and thus there is a disadvantage in that the configuration is complicated and the manufacturing cost increases.
본 발명자들은 전원부에 충전된 전원을 부하로 전달하거나, 상용전원을 상기 전원부로 충전할 수 있으며, 소프트 스위칭 방식으로 동작하는 무정전 전원공급장치를 개발하고자 연구 노력한 결과, 양방향으로 전력전송이 가능하고, 변압기부의 자체 누설 리액턴스를 공진에 사용함으로써 전력전송효율을 극대화한 무정전 전원공급장치의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.The inventors of the present invention can transfer the power charged in the power supply to the load, or charge the commercial power to the power supply, research efforts to develop an uninterruptible power supply that operates in a soft switching method, power transmission in both directions is possible, By using the self leakage reactance of the transformer unit in the resonance, the technical configuration of the uninterruptible power supply that maximizes the power transmission efficiency has been developed to complete the present invention.
따라서, 본 발명의 목적은 상용전원의 단선시에 전원부에 충전된 전원을 부하로 전달하거나, 상용전원을 상기 전원부에 충전할 수 있는 양방향으로 전력전송이 가능한 무정전 전원공급장치를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an uninterruptible power supply capable of transferring power in both directions to transfer power charged to a power supply to a load or to charge commercial power to the power supply when the commercial power is disconnected.
또한, 본 발명의 다른 목적은 변압기부의 누설 리액턴스를 LC공진에 사용함으로써 별도의 공진용 리액터가 필요없는 무정전 전원공급장치를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide an uninterruptible power supply that does not require a separate resonance reactor by using the leakage reactance of the transformer unit in the LC resonance.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상용전원의 단선시에 부하에 전원을 공급하는 무정전 전원공급장치로써, 상기 상용전원을 정류하여 상기 부하에 직 류전원을 공급하는 정류기에 연결되며, 충전가능하고 입력직류전원을 공급하는 전원부, 상기 상용전원의 단선시에 상기 입력직류전원을 스위칭하여 하기 변압기부로 출력하거나, 하기 변압기부에서 입력되는 전원을 정류하여 상기 전원부를 충전하는 제1 스위칭부, 상기 입력직류전원을 변압하여 변압전원을 출력하는 변압기부, 상기 변압전원을 정류하여 상기 부하로 공급하거나, 상기 정류기에서 출력되는 직류전원을 스위칭하여 상기 변압기부로 공급함으로써 상기 전원부가 충전되게 하는 제2 스위칭부 및 상기 상용전원의 단선을 감지하여 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원공급장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an uninterruptible power supply for supplying power to a load when the commercial power is disconnected, and is connected to a rectifier for rectifying the commercial power to supply direct current power to the load, and is chargeable. And a power supply unit for supplying input DC power, a first switching unit for switching the input DC power to output the following transformer unit when the commercial power is disconnected, or rectifying power input from the following transformer unit to charge the power unit; A second switch for converting an input DC power to output a transformer power, and rectifying the transformer power to supply the load to the load, or switching the DC power output from the rectifier to the transformer to supply the transformer to charge the power supply; The first switching unit and the second switching unit by detecting disconnection of the It provides an uninterruptible power supply comprising: a control unit for.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 스위칭부는 서로 직렬로 연결되고 상기 전원부의 양단에 병렬로 연결되어 상기 입력직류전원을 분압하는 제1 커패시터 및 제2 커패시터, 일단은 상기 제1 커패시터의 일단에 연결되고 타단은 상기 변압기부의 입력측 코일의 일단에 연결되며, 상기 제1 커패시터에 분압된 전원을 상기 입력측 코일로 출력하는 제1 스위치 및 일단은 상기 제2 커패시터의 일단에 연결되고 타단은 상기 변압기부의 입력측 코일의 일단에 연결되며, 상기 제2 커패시터에 분압된 전원을 상기 입력측 코일로 출력하는 제2 스위치를 포함하고, 상기 입력측 코일의 타단은 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 사이단에 연결된다.In a preferred embodiment, the first switching unit is connected in series with each other and connected in parallel to both ends of the power supply unit to divide the input DC power supply, the first capacitor and the second capacitor, one end is connected to one end of the first capacitor And the other end of which is connected to one end of an input side coil of the transformer unit, a first switch for outputting power divided by the first capacitor to the input side coil and one end of which is connected to one end of the second capacitor, and the other end of the input side of the transformer unit. A second switch connected to one end of a coil and outputting power divided by the second capacitor to the input side coil, and the other end of the input side coil is connected between the first capacitor and the second capacitor. .
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 스위칭부는 일단이 상기 변압기부의 출력측 코일의 일단에 연결되는 제3 스위치, 일단이 상기 제3 스위치의 일단에 연결되는 제4 스위치, 일단이 상기 제3 스위치의 타단에 연결되는 제3 커패시터 및 일 단이 상기 제4 스위치의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제3 커패시터의 타단에 연결되는 제4 커패시터를 포함하며, 상기 출력측 코일의 타단은 상기 제3 커패시터 및 상기 제4 커패시터의 사이단에 연결되고, 상기 부하의 양단은 상기 제3 커패시터의 일단 및 상기 제4 커패시터의 일단에 연결된다.In a preferred embodiment, the second switch is a third switch, one end of which is connected to one end of the output side coil, a fourth switch of which one end is connected to one end of the third switch, and the other end of the third switch. And a third capacitor connected to the other end of the fourth switch, and a second capacitor connected to the other end of the fourth switch, and the other end of the third capacitor connected to the other end of the third capacitor. It is connected between the end of the fourth capacitor, both ends of the load is connected to one end of the third capacitor and one end of the fourth capacitor.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위치들은 각각 반도체 소자 및 상기 반도체 소자에 역병렬로 연결되는 다이오드를 포함한다.In a preferred embodiment, the switches each comprise a semiconductor element and a diode connected in anti-parallel to the semiconductor element.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 상용전원의 단선시에 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 '오프'한 상태로 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 교번적으로 '온'하여 상기 전원부의 입력직류전원이 상기 부하로 공급되게 한다.In a preferred embodiment, the control unit alternately 'on' the first switch and the second switch while the third switch and the fourth switch are 'off' when the commercial power is disconnected. The input DC power of the power supply unit is supplied to the load.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 상용전원이 정상으로 상기 부하로 공급될 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 '오프'한 상태로 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 교번적으로 '온'하여 상기 정류기에서 출력되는 직류전원이 상기 전원부에 충전되게 한다.In a preferred embodiment, when the commercial power is normally supplied to the load, the control unit alternately turns the third switch and the fourth switch with the first switch and the second switch 'off'. 'ON' to allow the DC power output from the rectifier to be charged to the power supply.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 각 스위치들의 스위칭 주파수를 상기 변압기부의 누설리액턴스 및 상기 각 커패시터의 커패시턴스에 의한 공진주파수보다 낮도록 제어하여, 상기 스위치들이 각각 영전류 스위칭 동작을 하게 한다.In a preferred embodiment, the control unit controls the switching frequency of each of the switches to be lower than the resonance frequency of the leakage reactance of the transformer unit and the capacitance of each capacitor, so that each switch to the zero current switching operation.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.
먼저, 본 발명의 무정전 전원공급장치에 의하면 부하 측으로 전원부의 전원을 공급하거나 상용전원을 정류하는 정류기의 직류전원을 상기 전원부 측으로 충전할 수 있으므로 양방향으로 전력수수가 가능한 효과가 있다.First, according to the uninterruptible power supply of the present invention, since the DC power of the rectifier supplying the power of the power supply to the load side or rectifying the commercial power can be charged to the power supply side, power can be received in both directions.
또한, 본 발명의 무정전 전원공급장치에 의하면 상기 전원부의 전원을 상기 부하로 공급하거나, 상기 정류기의 직류전원을 상기 전원부로 충전할 때 모두 소프트 스위칭이 구현되므로 스위칭 손실을 최소화하여 전력전송효율을 매우 상승시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the uninterruptible power supply of the present invention, soft switching is implemented both when the power supply of the power supply unit is supplied to the load or when the DC power supply of the rectifier is charged to the power supply unit. There is an effect that can be raised.
또한, 본 발명의 무정전 전원공급장치에 의하면 별도의 공진용 리액터가 필요없이, LC공진에 변압기 자체의 누설리액턴스를 사용하므로 수동소자 추가에 의한 제작단가 상승을 낮추고, 고전력 밀도화를 실현할 수 있다.In addition, according to the uninterruptible power supply device of the present invention, the leakage reactance of the transformer itself is used for LC resonance without the need for a separate resonance reactor, so that the manufacturing cost increase due to the addition of passive elements can be reduced, and high power density can be realized.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terms used in the present invention were selected as general terms as widely used as possible, but in some cases, the terms arbitrarily selected by the applicant are included. In this case, the meanings described or used in the detailed description of the present invention are considered, rather than simply the names of the terms. The meaning should be grasped.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구 체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치를 보여주는 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치가 부하로 전원을 공급하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치의 전원부에 전원을 충전하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view showing an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention, Figures 2 and 3 are views for explaining a process of supplying power to the load by the uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention. 4 and 5 are views for explaining a process of charging power to the power supply unit of the uninterruptible power supply apparatus according to an embodiment of the present invention.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)는 전원부(110), 제1 스위칭부(120), 변압기부(130), 제2 스위칭부(140) 및 제어부(150)를 포함하여 이루어진다.Referring to the drawings, the
또한, 상기 무정전 전원공급장치(100)의 출력단은 부하(30)의 양단에 연결되고, 더욱 자세하게는 상용전원(10)을 직류전원으로 변환하고, 변환된 직류전원을 상기 부하(30)에 공급하는 정류기(20)의 출력단에 연결된다.In addition, the output terminal of the
또한, 상기 정류기(20)는 상기 부하(30), 예를 들면 가정용 전기기기 등의 내부에 구비된다.In addition, the
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)는 직류전원을 출력하는 DC용 무정전 전원공급장치이다.That is, the
상기 전원부(110)는 충전가능하고 상기 부하(30)를 동작시키기 위한 입력직류전원이 충전된다.The
또한, 상기 전원부(110)는 상기 상용전원(10)이 계통고장이나 정전 등으로 단선되어 상기 부하(30)로 전원을 공급하지 못할 경우, 상기 부하(30)로 상기 입력직류전원을 공급한다.In addition, the
상기 제1 스위칭부(120)는 상기 입력직류전원을 스위칭하여 아래에서 설명할 변압기부(130)로 전송하거나, 상기 변압기부(130)에서 입력되는 전원을 정류하여 상기 전원부(110)를 충전한다.The
즉, 상기 제1 스위칭부(120)는 상기 부하(30)로 상기 입력직류전원을 공급할 경우에는 직류를 교류로 변환하는 인버터로 동작하고, 상기 상용전원(10)을 상기 전원부(110)로 충전할 경우에는 교류를 직류로 변환하는 정류기로 동작한다.That is, when the
자세한 설명은 도 2 내지 도 5를 참조하여 하기로 한다.A detailed description will be given with reference to FIGS. 2 to 5.
또한, 상기 제1 스위칭부(120)는 서로 직렬로 연결되고 상기 전원부(110)의 양단에 병렬로 연결되어 상기 입력직류전원을 분압하는 제1 커패시터(121) 및 제2 커패시터(122), 일단은 상기 제1 커패시터(121)의 일단에 연결되고 타단은 상기 변압기부(130)의 입력측 코일(131) 일단에 연결되며 상기 제1 커패시터(121)에 분압된 전원을 상기 입력측 코일(131)로 출력하는 제1 스위치(123) 및 일단은 상기 제2 커패시터(122)의 일단에 연결되고 타단은 상기 입력측 코일(131)의 일단에 연결되며, 상기 제2 커패시터(122)에 분압된 전원을 상기 입력측 코일(131)로 출력하는 제2 스위치(124)를 포함하여 이루어진다.In addition, the
또한, 상기 입력측 코일(131)의 타단은 상기 제1 커패시터(121) 및 상기 제2 커패시터(122)의 사이단에 연결된다.In addition, the other end of the
즉, 상기 제1 스위칭부(120)는 상기 입력직류전원을 분압하여, 상기 입력측 코일(131)의 양방향으로 공급하는 하프-브릿지 방식의 스위칭부이다.That is, the
그러나, 상기 제1 스위칭부(120)는 상기 입력직류전원을 분압하지 않고, 두 개의 스위칭소자를 이용하여 상기 입력측 코일(131)의 센터탭을 중심으로 양방향으로 전류가 흐르게 하는 푸쉬-풀 방식의 스위칭부나 네 개의 스위칭 소자를 브릿지 형태로 연결하여 상기 입력측 코일(131)의 양방향으로 전류가 흐르게 하는 풀-브릿지 방식의 스위칭부를 사용할 수 있다.However, the
또한, 상기 제1 스위치(123) 및 상기 제2 스위치(124)는 각각 반도체 소자(123a,124a) 및 상기 반도체 소자(123a,124a)와 역 병렬로 연결되는 다이오드(123b,124b)를 포함하여 이루어진다.In addition, the
상기 변압기부(130)는 상기 제1 스위칭부(120)에서 출력되는 전원을 변압하여 변압전원을 출력하며, 입력측 코일(131) 및 출력측 코일(132)을 포함하여 이루어진다.The
상기 제2 스위칭부(140)는 상기 변압기부(130)에서 출력되는 변압전원을 정류하여 상기 부하(30)로 공급하거나, 역으로 상기 정류기(20)에서 출력되는 직류전원을 스위칭하여 상기 변압기부(130)로 공급함으로써 상기 전원부(110)에 상기 입력직류전원이 충전되게 한다.The
즉, 상기 제2 스위칭부(140)는 상기 부하(30)로 전원을 공급할 경우, 정류기로 동작하고, 상기 전원부(110)를 충전할 경우, 인버터로 동작한다.That is, the
또한, 상기 제2 스위칭부(140)는 일단이 상기 변압기부(130)의 출력측 코 일(132)의 일단에 연결되는 제3 스위치(141), 일단이 상기 제3 스위치(141)의 일단에 연결되는 제4 스위치(142), 일단이 상기 제3 스위치(141)의 타단에 연결되는 제3 커패시터(143) 및 일단이 상기 제4 스위치(142)의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제3 커패시터(143)의 타단에 연결되는 제4 커패시터(144)를 포함하며 이루어진다.In addition, one end of the
또한, 상기 출력측 코일(132)의 타단은 상기 제3 커패시터(143) 및 상기 제4 커패시터(144)의 사이단에 연결되고, 상기 제3 커패시터(143)의 일단 및 상기 제4 커패시터의 일단(144)은 상기 부하(30)의 양단에 연결되어 전원을 공급한다.In addition, the other end of the
또한, 상기 제3 커패시터(143) 및 상기 제4 커패시터(144)는 서로 직렬로 연결되어 상기 변압기부(130)에서 출력되는 변압전원을 배압하여 상기 부하(30)에 공급하므로 고 승압에 유리한 장점이있다.In addition, since the
또한, 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)는 각각 반도체 소자(141a,142a) 및 상기 반도체 소자(141a,142a)에 역 병렬로 연결되는 다이오드(141b,142b)를 포함하여 이루어진다.In addition, the
상기 제어부(150)는 상기 상용전원(10)의 단선을 감지하여 상기 제1 스위칭부(120) 또는 상기 제2 스위칭부(120)를 제어하며, 상기 전원부(110)의 입력직류전원이 상기 부하(30)로 공급되게 하거나, 상기 정류기(20)에서 출력되는 직류전원이 상기 전원부(110)로 충전되게 한다.The
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)가 상기 부하(30)로 상기 전원부(110)의 입력직류전원을 공급하는 과정을 설명하기로 한다.Hereinafter, a process of supplying the input DC power of the
먼저, 상기 제어부(150)가 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)를 '오프'한 상태로 상기 제1 스위치(123)를 '온'한다.First, the controller 150 'turns on' the
다음, 상기 제1 커패시터(121), 상기 제1 스위치(123)의 반도체 소자(120a) 및 상기 변압기부(130)의 입력측 코일(131)이 폐루프를 이루고, 상기 제1 커패시터(121)에 분압된 전원에 의해 상기 변압기부(130)의 입력측 코일(131)에는 일 방향으로 전류가 흐르게 된다.Next, the
다음, 상기 변압기부(130)의 출력측 코일(132)에 전류가 유도되고, 상기 출력측 코일(132), 상기 제3 스위치(141)의 다이오드(141b) 및 상기 제3 커패시터(143)가 폐루프를 이루고 상기 제3 커패시터(143)에는 상기 변압기부(130)에서 출력되는 변압전원이 충전되어 상기 부하(30)로 공급된다.Next, current is induced in the
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)는 상기 변압기부(130)의 누설리액턴스(Ll)와 상기 제3 커패시터(143)의 커패시턴스(Cs)에 의해 LC공진을 하게 된다.At this time, the uninterruptible
또한, 상기 누설리액턴스의 값은 아래의 수학식 1과 같이 상기 변압기부(130)의 입력측 코일(121)의 누설리액턴스에 출력측 코일(122)의 누설리액턴스를 입력측으로 환원하여 합한 값으로 표현할 수 있다.In addition, the leakage reactance value may be expressed as a sum of the leakage reactance of the
여기서, 상기 Ll1은 상기 입력측 코일(131)의 누설리액턴스, 상기 Ll2는 상기 출력측 코일(132)의 누설리액턴스, 상기 a는 상기 변압기부(120)의 권수비이다.Here, the L l1 is the leakage reactance, the L l2 of the input-
또한, 상기 제3 커패시터(143)의 커패시턴스(Cs) 역시 아래의 수학식2와 같이 상기 변압기부(120)의 입력측으로 환원하여 계산된다.In addition, the capacitance C s of the
여기서, a는 상기 변압기부(120)의 권수비이고, C3는 상기 제3 커패시터(143)의 용량이다.Here, a is the turn ratio of the
또한, 공진주파수(fo)는 아래의 수학식 3과 같다.In addition, the resonance frequency f o is as shown in Equation 3 below.
또한, 상기 공진주파수(fo)가 상기 제1 스위치(123)의 스위칭 주파수보다 크다면, 상기 제1 스위치(123)에 흐르는 전류(I( sw1 ))는 불연속이 되며, 상기 제1 스위치(123)가 '온'되면, 상기 제1 스위치(123)에 흐르는 전류(I( sw1 ))가 흐르기 시작하고, 상기 제1 스위치(123)에 흐르는 전류(I( sw1 ))는 상기 제1 스위치(123)가 '오프'되기 전에 공진이 종료되어 0[A]이 됨으로써, 상기 제1 스위치(123)는 '온', '오 프'시에 모두 영전류 스위칭 동작을 하게 된다.In addition, when the resonance frequency f o is greater than the switching frequency of the
따라서 별도의 공진용 리액터를 구비하지 않고도 스위칭 손실이 없는 소프트 스위칭을 구현할 수 있는 것이다.Therefore, it is possible to implement soft switching without switching loss without having a separate resonance reactor.
다음, 상기 제어부(150)는 상기 제1 스위치(123)를 '오프'하고 상기 제2 스위치(124)를 '온'한다.Next, the controller 150 'off' the
다음, 상기 제2 커패시터(122), 상기 변압기부(130)의 입력측 코일(131) 및 상기 제2 스위치(124)의 반도체 소자(124a)는 폐루프를 이루고, 상기 제2 커패시터(122)에 분압된 전원에 의해 상기 변압기부(130)의 입력측 코일(131)에는 타 방향으로 전류가 흐르게 된다.Next, the
다음, 상기 변압기부(130)의 출력측 코일(132)에 유도 전류가 유기되고, 상기 출력측 코일(132), 상기 제4 스위치(142)의 다이오드(142b) 및 상기 제4 커패시터(144)가 폐루프를 이루고 상기 제4 커패시터(144)에는 상기 변압기부(130)에서 출력되는 변압전원이 충전되어 상기 부하(30)로 공급된다.Next, an induction current is induced in the
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)는 상기 변압기부(130)의 누설리액턴스(Ll)와 상기 제4 커패시터(144)의 커패시턴스에 의해 LC공진을 하게 된다.At this time, the uninterruptible
또한, 상기 제2 스위치(124)의 스위칭 주파수는 공진주파수(fo)보다 낮도록 제어되며 영전류 스위칭 동작을 하게 된다. 또한, 상기 제2 스위치(124)의 영전류 스위칭 동작은 상기 제1 스위치(124)의 영전류 스위칭 동작과 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.In addition, the switching frequency of the
다음, 상기 제어부(150)는 상기 제2 스위치(124)를 '오프'하고, 상기 제1 스위치(123)를 '온'한다. Next, the controller 150 'off' the
즉, 상기 제어부(150)는 상기 제1 스위치(123) 및 상기 제2 스위치(124)를 교번적으로 '온'하여, 상기 입력직류전원을 승압하는 부스트 컨버터(Boost converter)로 동작하며 상기 입력직류전원(110)을 상기 부하(30)로 공급해 준다.That is, the
한편, 상기 제1 스위치(123)가 먼저 '온'되는 것을 설명하였으나, 상기 제2 스위치(124)가 먼저 '온'될 수 있고, 상기 제1 스위치(123) 및 상기 제2 스위치(124)가 교번적으로 '온'된다면 상기 부하(30)에 상기 전원부(110)의 입력직류전원을 공급할 수 있다.Meanwhile, although the
이하에서는 도 4 및 도 5을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)의 전원부(110)에 상기 정류기(20)에서 출력되는 직류전원이 충전되는 과정을 설명한다.Hereinafter, a process of charging the DC power output from the
먼저, 상기 제어부(150)가 상기 제1 스위치(123) 및 상기 제2 스위치(124)를 '오프'한 상태로 상기 제1 스위치(123)를 '온'한다.First, the controller 150 'turns on' the
다음, 상기 제3 커패시터(143), 상기 제3 스위치의(141)의 반도체 소자(141a) 및 상기 변압기부(130)의 출력측 코일(132)이 폐루프를 이루며, 상기 출력측 코일(132)에는 상기 제3 커패시터(143)의 전압에 의해 전류가 흐르게 된다.Next, the
다음, 상기 입력측 코일(131)에 전류가 유기되고, 상기 입력측 코일(131), 상기 제1 스위치(123)의 다이오드(123b) 및 상기 제1 커패시터(121)가 폐루프를 이루며, 상기 제1 커패시터(121)에 충전되는 전압에 의해 상기 전원부(110)가 충전된다.Next, a current is induced in the
이때, 상기 제어부(150)는 상기 제3 스위치(123)의 스위칭 주파수를 상기 변압기(130)의 누설 리액턴스와 상기 제1 커패시터(121)의 커패시턴스에 의한 공진주파수보다 낮게 제어하여 영전류 스위칭이 이루어지도록 한다.In this case, the
또한, 상기 제3 스위치(123)의 영전류 스위칭 동작은 상기 제1 스위치(123)의 영전류 스위칭 동작과 실질적으로 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.In addition, since the zero current switching operation of the
다음, 상기 제어부(150)는 상기 제3 스위치(141)를 '오프'하고, 상기 제4 스위치(142)를 '온'하여, 상기 제4 커패시터(143), 상기 출력측 코일(132) 및 상기 제4 스위치(142)의 반도체 소자(142a)가 폐루프를 이루게 함으로써, 상기 출력측 코일(132)에 전류가 흐르게 한다.Next, the controller 150 'off' the
다음, 상기 입력측 코일(132)에 전류가 유도되고, 상기 입력측 코일(132), 상기 제2 커패시터(122) 및 상기 제2 스위치(124)의 다이오드(124b)가 폐루프를 이뤄 상기 제2 커패시터(122)에 전압이 충전되며, 상기 전원부(110)가 충전된다.Next, a current is induced in the
또한, 상기 제어부(150)는 상기 제4 스위치(142) 역시 상기 제1 스위치(142)와 동일하게 영전류 스위칭하도록 스위칭 주파수를 제어한다.In addition, the
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)는 상기 전원부(110)를 충전할 때는 전압을 강압하는 벅 컨버터(Buck converter)로 동작하는 것이다.That is, the uninterruptible
한편, 상기 제3 스위치(141)가 먼저 '온'되는 것을 설명하였으나, 상기 제4 스위치(142)가 먼저 '온'될 수 있고, 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)가 교번적으로 '온'된다면 상기 정류기(20)에서 출력되는 직류전압을 강압하여 상기 전원부(110)에 충전할 수 있다.Meanwhile, although the
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)는 상기 부하(30) 측으로 상기 입력직류전원을 공급하거나 상기 정류기(20)의 직류전원을 상기 전원부(110) 측으로 공급할 수 있으므로, 양방향으로 전력수수가 가능하다.Therefore, since the uninterruptible
또한, 상기 입력직류전원을 상기 부하(30)로 공급하거나, 상기 정류기(20)의 직류전원을 상기 전원부(110)로 충전할 때 모두 소프트 스위칭이 실현되므로 변압효율을 매우 상승시킬 수 있다.In addition, when switching the input DC power to the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치의 제1 및 제2 스위치의 스위칭동작 파형을 보여주는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치의 제3 및 제4 스위치의 스위칭동작 파형을 보여주는 도면이다.6 is a view showing a waveform of the switching operation of the first and second switches of the uninterruptible power supply according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is a third and third of the uninterruptible power supply according to an embodiment of the present invention 4 is a diagram illustrating a switching operation waveform of a fourth switch.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치(100)가 상기 부하(30)로 상기 전원부(110)의 입력직류전원을 전송할 때, 상기 제1 스위치(123) 및 상기 제2 스위치(124)는 각 스위치에 흐르는 전류(I( sw1 ),I( sw2 ))가 0[A]일 때 '온','오프'되어 영전류 스위칭동작(ZCS:Zero current switching)을 하는 것을 알 수 있다.Referring to the drawings, when the
또한, 상기 정류기(20)에서 상기 전원부(110)로 직류전원을 충전할 때 역시 상기 제3 스위치(141) 및 상기 제4 스위치(142)는 각 스위치에 흐르는 전류(I( sw3 ),I( sw4 ))가 0[A]일 때 '온','오프'되어 영전류 스위칭동작을 하는 것을 알 수 있다.In addition, when the DC power is charged from the
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치를 보여주는 도면이고, 1 is a view showing an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치가 부하로 전원을 공급하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 2 and 3 are views for explaining a process of supplying power to the load by the uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치의 전원부에 전원을 충전하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,4 and 5 are views for explaining a process of charging power to the power supply unit of the uninterruptible power supply apparatus according to an embodiment of the present invention,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치의 제1 및 제2 스위치의 스위칭동작 파형을 보여주는 도면이고, 6 is a view showing a switching operation waveform of the first and second switches of the uninterruptible power supply according to an embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원공급장치의 제3 및 제4 스위치의 스위칭동작 파형을 보여주는 도면이다7 is a view illustrating switching operation waveforms of third and fourth switches of an uninterruptible power supply according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 도면들에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.In the drawings according to the present invention, the same reference numerals are used for components having substantially the same configuration and function.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100:무정전 전원공급장치 110:전원부100: uninterruptible power supply 110: power supply
120:제1 스위칭부 121:제1 커패시터120: first switching unit 121: first capacitor
122:제2 커패시터 123:제1 스위치122: second capacitor 123: first switch
124:제2 스위치 130:변압기부124: second switch 130: transformer unit
131:입력측 코일 132:출력측 코일131: input coil 132: output coil
140:제2 스위칭부 141:제3 스위치140: second switch 141: third switch
142:제4 스위치 143:제3 커패시터142: fourth switch 143: third capacitor
144:제4 커패시터 150:제어부144: fourth capacitor 150: control unit
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