KR101261801B1

KR101261801B1 - The Switching IGBT Driving Control Circuit for Suppling Equal Sharing Voltage to Power Elements and apparatus using the same

Info

Publication number: KR101261801B1
Application number: KR1020110104616A
Authority: KR
Inventors: 조정민; 한영재; 정현승; 서승일
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-05-07
Also published as: KR20120064018A

Abstract

본 발명은 고전압용 공진형 HF DC/DC 컨버터의 전력소자 직렬 접속시 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로; 및 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로로부터 출력된 직류전압을 전달받아 구동되는 직류부하장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치를 구현한 바, 소자제어부에 의하여 스위칭소자를 능동적으로 조절하여 스너버 회로를 제거함으로써 스너버회로의 공진현상의 발생으로 인한 시스템의 불안정한 요소를 제거하고, 전압변환에 있어 부정확한 분압에 의한 1200V 이상의 고전압의 가압으로 발생하거나 고속용 스위칭 소자의 턴온/턴오프사이의 과도기간에 발생하는 전압불균형에 의한 전력변환장치내의 소자의 절연파괴를 방지하며, 스위칭소자의 스위칭주파수를 상승시켜 변압기의 경량화 및 소형화하여 초경량 보조전원장치 및 비접촉 전원장치에 활용이 가능한 장점이 있다. 또한, 전력변환장치에서 공급되는 직류전원을 직류부하장치에서 직접 사용함으로써, 직류부하장치에 인버터를 사용하지 않아도 되는 관계로 인버터의 무게가 절감되어 열차의 무게를 경량화 할 수 있는 장점이 있다.The present invention provides a large-capacity power supply switching device drive control circuit for the equal partial voltage of the power device when the power device in series connection of the high-voltage resonant HF DC / DC converter; And a direct current load device driven by receiving a direct current voltage output from the high power supply switching device driving control circuit, and a large power supply switching device driving control circuit for equal partial pressure of the power device, and a direct current load device using the same. As a result, the element control unit actively controls the switching elements to remove the snubber circuit, thereby eliminating the unstable elements of the system due to the resonance phenomenon of the snubber circuit, and over 1200 V due to an incorrect partial voltage in the voltage conversion. It prevents insulation breakdown of the device in the power conversion device due to voltage imbalance caused by high voltage pressurization or transient period between turn-on / turn-off of high speed switching device, and increases the switching frequency of switching device to reduce the weight of transformer and Miniaturized to ultra-light auxiliary power supply and non-contact power supply There is an advantage that can be utilized. In addition, by directly using the DC power supplied from the power converter in the DC load device, the weight of the inverter is reduced because the inverter does not need to be used in the DC load device has the advantage that the weight of the train can be reduced in weight.

Description

Switching IGBT Driving Control Circuit for Suppling Equal Sharing Voltage to Power Elements and apparatus using the same}

본 발명은 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치에 있어서, 특히 고전압 대용량의 직류 전원을 고속으로 스위칭함에 있어 전력변환장치내의 스위칭 소자의 절연파괴를 방지하는 대용량 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 구동 제어회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고전압용 공진형 HF DC/DC 전력변환장치의 스위칭소자들을 고전압 직류전원에 직렬로 접속시킨 경우 발생하는 전압의 불균형에 의한 스위칭소자들의 절연파괴를 방지하기 위하여 스너버회로가 없는 한쌍의 동일 저항 및 한 쌍의 다이오드를 포함하여 안정적인 전압분배가 가능한 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치에 관한 것이다.
The present invention provides a large-capacity power supply switching device driving control circuit for the equal partial voltage of the power device and a direct current load device using the same, particularly in the high-voltage large-capacity DC power supply at high speed to prevent insulation breakdown of the switching device in the power conversion device The present invention relates to a driving control circuit for a large capacity Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), and more particularly, to an imbalance in voltage generated when a switching element of a high voltage resonant HF DC / DC power converter is connected in series to a high voltage DC power supply. Large-capacity power supply switching device driving control circuit for equal voltage division of power devices capable of stable voltage distribution, including a pair of identical resistors and a pair of diodes without a snubber circuit, in order to prevent insulation breakdown of switching devices by a direct current and direct current using the same It relates to a load device.

전력소자들 중에서 SCR(Silicon Controlled Rectifier)이나 GTO(Gate Turn-off Thyristor) 등의 소자들을 직렬로 구동 시키는 기술은 전력변환장치의 효율을 높일 수 있고, 전력변환장치의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있기 때문에 고전압직류 송전 등 고전압 소스의 변환장치로 널리 쓰이고 있다.Among the power devices, a technology that drives devices such as silicon controlled rectifier (SCR) or gate turn-off thyristor (GTO) in series can increase the efficiency of the power converter and reduce the size of the power converter. Therefore, it is widely used as a converter of high voltage sources such as high voltage DC transmission.

그러나, 이와 같이 전력소자를 직렬 구동시키기 위해서는 전력소자에 인가되는 과전압을 줄여야하기 때문에 전력소자간의 전압이 평형을 이루기 위하여 수동 전압 평형 방법을 사용하여 왔고, 이러한 수동전압 평형 방법은 소자에 주어지는 서지전압을 흡수하기 위한 스너버(snubber) 회로가 필요하였다. 하지만 이러한 스너버 회로에서는 전력의 많은 손실을 유발시키므로 직렬로 연결된 소자에서 전압의 평형을 위해 과도 상태를 스위칭하는 속도를 저하시킨다. 또한 IGBT소자는 스위칭 속도가 빠르므로 기존의 수동제어 회로로서는 전압평형이 불가능하여 직렬구동이 어려운 문제점이 있었다.However, in order to drive the power devices in series, the overvoltage applied to the power devices has to be reduced, so a manual voltage balancing method has been used to balance the voltages between the power devices. A snubber circuit was needed to absorb this. However, these snubber circuits cause a lot of power loss, which slows down the switching of transients to balance voltages in series. In addition, since the IGBT device has a high switching speed, it is difficult to balance voltage using a conventional manual control circuit, which makes it difficult to drive the series.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래 발명(특허등록 10-0287532)은 도 1에 도시된 바와 같이,In order to solve such a problem, the conventional invention (patent registration 10-0287532) is shown in Figure 1,

전력전달이 이루어지는 반도체 정류소자에서 소자에 주어지는 서지전압을 흡수하기 위한 스너버회로와 전압 피드백 루프를 포함하는 전력소자 전압 검출부(1);와 상기 전압 검출부(1)에서 검출한 피드백전압과 전력소자에 인가하도록 설정된 기준전압을 비교하여 전력소자에 인가된 전압의 과전압 여부를 판단하는 과전압제어부(2);가 있으며 상기 과전압제어부(2)는 전압리미터값의 범위내에서 기준전압보다 부족하거나 큰 경우에는 기준전압을 추종할 수 있도록 전류제어신호발생부(3)에 구동신호를 전송하며, 상기 전류제어신호발생부(3)는 사익 과전압제어부(2)의 신호가 전달되면 게이트 전류의 발생시켜 구동게이트를 조절한다. 그리고 설정된 전압리미터값보다 큰 전압이 발생한 경우에는 상기 과전압제어부(2)는 전력변환장치의 전력소자의 보호를 위해 전압리미터(4)에 신호를 전달하며, 상기 전압리미터(4)는 상기 과전압제어부(2)의 신호가 전달되면, 전압리미터값에 의하여 게이트 드라이버(5)를 구동시켜 전압리미터값 이하의 전압이 공급되도록 구동게이트를 제어하여 과전압에 따른 전환변환장치내 소자의 절연파괴를 방지한다.A power device voltage detector (1) including a snubber circuit and a voltage feedback loop for absorbing a surge voltage applied to the device in a semiconductor rectifying device in which power is transmitted; and a feedback voltage and a power device detected by the voltage detector (1) There is an overvoltage control unit (2) for comparing the reference voltage set to be applied to the power device to determine whether or not the overvoltage of the voltage applied to the power device; The driving signal is transmitted to the current control signal generator 3 so as to follow the reference voltage. The current control signal generator 3 generates and drives a gate current when the signal of the sound overvoltage controller 2 is transmitted. Adjust the gate. When a voltage greater than the set voltage limiter value is generated, the overvoltage controller 2 transmits a signal to the voltage limiter 4 to protect the power device of the power converter, and the voltage limiter 4 is the overvoltage controller. When the signal of (2) is transmitted, the gate driver 5 is driven by the voltage limiter value to control the driving gate to supply a voltage less than the voltage limiter value, thereby preventing the breakdown of the device in the conversion converter according to the overvoltage. .

하지만, 이는 전력변환소자에 인가되는 기준전압을 초과하면 1차적으로 스너버 회로를 통해 흡수하고 그 이상의 과전압에 대해서는 게이트 드라이브(5)를 통해 출력전압을 조절하여 전력변환장치내의 소자에 인가되는 과전압을 제한하는 방식으로써, 개별 소자만을 고려한 경우에는 과전압 요소를 일시적으로 피할 수 있으나, 시스템 전체적인 운영면에 있어서는 원하는 출력이 제한될 수 있으며 과전압을 회피하고자 소자들간에 출력을 게이트 드라이브(5)에서 능동적으로 조절하게 되면 전체적인 스너버 회로에 공진현상을 발생시켜 시스템의 불안정적인 요소가 상승하게 된다. 또한, 스너버 회로를 구성하기 때문에 여전히 과전압에 대한 손실이 발생하는 문제점이 있다.However, when the reference voltage applied to the power conversion element is exceeded, it is primarily absorbed through the snubber circuit, and the overvoltage applied to the device in the power conversion device is controlled by controlling the output voltage through the gate drive 5 for the overvoltage higher than that. As a limiting method, the overvoltage component can be temporarily avoided in the case of considering only individual elements, but the desired output can be limited in the overall operation of the system, and the output between the elements is active in the gate drive 5 to avoid the overvoltage. If it is adjusted to, the resonance phenomenon occurs in the whole snubber circuit and the unstable element of the system rises. In addition, since the snubber circuit is constituted, there is still a problem that a loss of overvoltage occurs.

도 2 내지 도 4는 종래의 다른 실시예로써 도 2는 종래의 공진형 DC/DC 전력변환장치 회로를 도시한 것이고, 도 3은 상기 공진형 DC/DC 전력변환장치내 소자제어부에서 각 스위칭소자에 전달하는 구동신호를 도시한 것이며, 도 4는 도 3에 도시된 바에 따른 소자제어부의 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭소자의 턴온시 순간적으로 턴온신호의 불일치가 발생하는 경우의 전류의 흐름을 도시한 것이다.2 to 4 show another conventional embodiment, FIG. 2 shows a conventional resonant DC / DC power converter circuit, and FIG. 3 shows each switching element in the element controller in the resonant DC / DC power converter. FIG. 4 is a view illustrating a driving signal transmitted to FIG. 4, and FIG. 4 illustrates a flow of currents when an inconsistency of a turn-on signal occurs instantaneously when the first switching device and the second switching device of the device controller according to FIG. 3 turn on. It is shown.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 공진형 DC/DC 전력변환장치 회로는 스너버 회로를 사용하지 않고 고전압의 직류전압을 저전압의 직류전압으로 안정적으로 공급하기 위한 공진형 DC/DC 컨버터 회로의 구성도로서, 전원부(20), 제1 구동소자(21), 제2 구동소자(22), 제1 커패시터(23), 제2 커패시터(24), 제1 스위칭소자(25), 제2 스위칭소자(26), 제3 스위칭소자(27), 제4 스위칭소자(28), 제1 차 코일(29), 소자제어부(30)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the resonance type DC / DC power converter circuit is a configuration diagram of a resonance type DC / DC converter circuit for stably supplying a high voltage DC voltage to a low voltage DC voltage without using a snubber circuit. The power supply unit 20, the first driving device 21, the second driving device 22, the first capacitor 23, the second capacitor 24, the first switching device 25, the second switching device ( 26, the third switching element 27, the fourth switching element 28, the primary coil 29, and the element control unit 30.

먼저, 상기 소자제어부(30)에서 상기 제2 구동소자(22)를 턴온하고 상기 제1 구동소자(21)를 턴오프하면 고전압의 직류전원은 상기 제1 커패시터(23)에 충전되고 상기 제1 구동소자(21)를 턴온하고 상기 제2 구동소자(22)를 턴오프하면 전압은 상기 제2 커패시터(24)에 충전하여 고전압을 1차적으로 분압한 후, 상기 제1 스위칭소자(25), 제2 스위칭소자(26)가 턴온되고 제3 스위칭소자(27), 제4 스위칭소자(28)가 턴오프되면 충전된 제1 커패시터(23)로부터 제1 차 코일(29)에 +극성의 전압이 충전되어 제2 차 코일에 +극성의 전압이 변압되며, 상기 제3 스위칭소자(27), 제4 스위칭소자(28)가 턴온되고 제1 스위칭소자(25), 제2 스위칭소자(26)가 턴오프되면 충전된 제2 커패시터(24)로부터 1차 코일(29)에 -극성의 전압이 충전되어 제2 차 코일에 -극성의 전압이 변압되어 전달된다.First, when the device control unit 30 turns on the second driving device 22 and turns off the first driving device 21, a high voltage DC power is charged in the first capacitor 23 and the first capacitor 23 is turned on. When the driving device 21 is turned on and the second driving device 22 is turned off, the voltage is charged in the second capacitor 24 to divide the high voltage primarily, and then, the first switching device 25, When the second switching element 26 is turned on and the third switching element 27 and the fourth switching element 28 are turned off, the voltage of the positive polarity from the charged first capacitor 23 to the primary coil 29 is increased. The charged voltage is transformed into the secondary coil, and the third switching element 27 and the fourth switching element 28 are turned on, and the first switching element 25 and the second switching element 26 are turned on. When is turned off, the -polar voltage is charged from the charged second capacitor 24 to the primary coil 29, and the -polar voltage is transformed and transferred to the secondary coil.

이러한 상기의 공진형 DC/DC 컨버터는 고속 스위칭이 가능한 전력변환장치내 소자로써 1200V급 이상의 것인 경우 손실이 급격이 증가하여 전력변환 효율이 떨어져 방열판의 크기가 증가함으로 인한 전력변환장치의 크기 때문에 통상 1200V급으로 한정하여 왔다. 그러나 상기 제1 커패시터(23)와 제2 커패시터(24)에 1차적으로 분압함에 있어서 정확한 균등분압이 발생되지 않는 경우가 발생하여 순간적으로 1200V이상의 가선전압이 이입되어 전력변환장치내의 소자의 절연파괴가 발생하는 문제점이 있다.The above-described resonant DC / DC converter is a device in a power converter capable of high-speed switching, and the loss of the resonant DC / DC converter is higher than 1200 V, which causes a loss in power conversion efficiency, resulting in an increase in the size of the heat sink. Normally it has been limited to 1200V class. However, when the first and second capacitors 23 and 24 are firstly divided, an accurate equal voltage may not be generated. As a result, a line voltage of 1200 V or more may be instantaneously introduced to break down the insulation of the device in the power converter. There is a problem that occurs.

또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1 차 코일(29)에 +극성의 전압의 공급을 위하여 -극성에서 +극성으로 바뀌는 과도기간에 상기 소자제어부(30)에 의해 제3 스위칭소자(27)과 제4 스위칭소자(28)는 턴오프되고, 순간적으로 제1 스위칭소자보다 제2 스위칭소자(26)가 먼저 턴온된 경우 상기 제1 스위칭소자(25)내 저항에 걸린 전압은 제1 커패시터(23)의 전압(VDCC1)뿐 아니라 제1 차 코일(29)에 걸린 전압(VTR_L)을 합한 값(VHBS1)이 인가된다. 그리고 제1 스위칭소자(25)가 턴온되는 순간 높은 전압(VHBS1)이 제1 스위칭소자(25)내 IGBT를 통과하여 소자의 절연파괴가 발생하는 문제점이 있다. 이는 제1 차 코일(29)에 +극성에서 -극성으로 바뀌는 과도기간에 제3 , 제4 스위칭소자(27, 28)의 경우도 동일하다. In addition, as shown in FIGS. 3 and 4, a third switching is performed by the element controller 30 in a transient period of changing from -polar to + polar to supply the voltage of + polarity to the primary coil 29. The device 27 and the fourth switching device 28 are turned off, and when the second switching device 26 is turned on before the first switching device, the voltage applied to the resistance in the first switching device 25 is The value VHBS1 obtained by adding the voltage VTR_L applied to the primary coil 29 as well as the voltage VDCC1 of the first capacitor 23 is applied. In addition, when the first switching device 25 is turned on, a high voltage VHBS1 passes through the IGBT in the first switching device 25 to cause breakdown of the device. The same applies to the third and fourth switching elements 27 and 28 during the transition period from + polarity to -polarity in the primary coil 29.

그리고, 낮은 스위칭 주파수로 구동하는 경우 변압기의 경우 크기가 커서 소형화 및 경량화가 어려운 문제점이 있었다.
In the case of driving at a low switching frequency, the transformer has a large size, making it difficult to miniaturize and reduce weight.

본 발명은 상기 종래 기술의 제반 문제점을 해결하고자 발명한 것으로, 장치의 토폴로지 변화를 통해 전력변환장치내 각 소자간에 걸리는 전압을 원천적으로 개선한 것으로써 스너버 회로 없이 소자제어부에 의하여 스너버 회로에 의한 손실을 제거하였으며, 고압의 직류전원을 2분압하고 각 스위칭소자에 걸리는 전압을 감소시켜 전력변환장치내 소자의 절연파괴를 방지하였으며, 나아가 공진형 DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수를 상승시켜 공진형 변압기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 변압기의 소형화 경량화가 가능하도록 저전압 고속스위칭 소자(TR, IGBT, MosFET)를 고전압 고주파수용 회로에 안정적으로 적용할 수 있도록 된, 전력소자의 균등분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로를 제공함에 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above-mentioned problems of the prior art, and by improving the voltage applied to each element in the power conversion apparatus through a change in the topology of the device, the snubber circuit is provided to the snubber circuit without the snubber circuit. It eliminates the losses caused by the high voltage DC power supply and reduces the voltage applied to each switching device to prevent breakdown of the devices in the power converter. Furthermore, the resonance frequency is increased by increasing the switching frequency of the resonant DC / DC converter. High-capacity power supply for equalization of power devices, which can reduce the size of the transformer dramatically and enable the stable application of low-voltage high-speed switching devices (TR, IGBT, MosFET) to high-voltage high-frequency circuits for miniaturization and lightening of the transformer. It is an object to provide a switching element drive control circuit.

또한, 전력변환장치에서 공급되는 직류전원을 직류부하장치에서 직접 사용함으로써, 직류부하장치에 인버터를 사용하지 않아도 되는 관계로 인버터의 무게가 절감되어 열차의 무게를 경량화 하는데 목적이 있다.
In addition, by directly using the DC power supplied from the power converter in the direct current load device, the weight of the inverter is reduced because the inverter does not need to be used in the direct current load device is intended to reduce the weight of the train.

상기와 같은 본 발명의 목적은 고전압용 공진형 HF DC/DC 컨버터의 전력소자 직렬 접속시 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로; 및 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로로부터 출력된 직류전압을 전달받아 구동되는 직류부하장치;를 포함한다.An object of the present invention as described above is a large-capacity power supply switching device drive control circuit for the equal partial pressure of the power device when the power device in series connection of the high-voltage resonant HF DC / DC converter; And a direct current load device driven by receiving a direct current voltage output from the large-capacity power supply switching element driving control circuit.

또한, 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로는 고압직류전원 양단에 제1 분압부 및 제2 분압부가 직렬로 연결되어 고압직류전원을 2분압하는 전원부; 고압직류전원의 +측과 변압부 제1 차 코일의 일측 단자사이에 직렬로 연결된 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자와 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 절연파괴를 방지하기 위하여 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자간 연결부위와 제1 차 코일의 타측 단자에 연결된 제1다이오드, 이와 대칭의 구조로 제1 차 코일의 일측단자와 고압직류전원의 -측사이에 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자와 교대로 스위칭하는 제3 스위칭소자 및 제4 스위칭소자와 제2 다이오드가 연결된 스위칭부; 제1 차 코일로부터 필요한 저전압을 유도하는 제2 차 코일을 포함하는 변압부; 변압부의 제2 차 코일에 직렬로 연결된 정류브릿지회로와 커패시터를 포함하는 부하용전원공급부; 및 각 스위칭소자의 컨트롤단에 제1 스위칭소자, 제2 스위칭소자, 제3 스위칭소자 및 제4 스위칭소자의 스위칭을 제어하도록 연결된 소자제어부;를 포함한다.In addition, the large-capacity power switching element drive control circuit includes a power supply unit for connecting the first voltage divider and the second voltage divider in series at both ends of the high voltage DC power supply to divide the high voltage DC power supply into two divided portions; First switching to prevent breakdown of the first switching element and the second switching element and the first switching element and the second switching element connected in series between the + side of the high-voltage DC power supply and the terminal of one side of the transformer primary coil The first diode connected to the connection between the device and the second switching device and the other terminal of the primary coil, and the symmetrical structure of the first switching device and the first switching device between the one terminal of the primary coil and the negative side of the high voltage A third switching device alternately switching with the second switching device, and a switching unit connected with the fourth switching device and the second diode; A transformer unit including a secondary coil inducing a low voltage required from the primary coil; A load power supply unit including a rectifier bridge circuit and a capacitor connected in series with the secondary coil of the transformer unit; And an element controller connected to a control terminal of each switching element to control switching of the first switching element, the second switching element, the third switching element, and the fourth switching element.

또한, 스위칭부 내의 제1 스위칭소자, 제2 스위칭소자, 제3 스위칭소자 및 제4 스위칭소자는 TR, IGBT 또는 MOSFET이다.Further, the first switching element, the second switching element, the third switching element and the fourth switching element in the switching unit are TR, IGBT or MOSFET.

또한, 교류부하장치에 교류전압을 공급하도록 부하용전원공급부에 연결되는 인버터; 및 필터;를 더 포함한다.In addition, an inverter connected to the load power supply to supply an AC voltage to the AC load device; And a filter.

또한, 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로로부터 출력된 교류전압을 전달받아 구동되는 교류부하장치;를 더 포함한다.
The apparatus may further include an AC load device driven by receiving an AC voltage output from the large-capacity power switching element driving control circuit.

본 발명에 따르면, 본 발명은 소자제어부에 의하여 스위칭소자를 능동적으로 조절하여 스너버 회로를 제거함으로써 스너버회로의 공진현상의 발생으로 인한 시스템의 불안정한 요소를 제거하고, 전압변환에 있어 부정확한 분압에 의한 1200V 이상의 고전압의 가압으로 발생하거나 고속용 스위칭 소자의 턴온/턴오프사이의 과도기간에 발생하는 전압불균형에 의한 전력변환장치내의 소자의 절연파괴를 방지하며, 스위칭소자의 스위칭주파수를 상승시켜 변압기의 경량화 및 소형화하여 초경량 보조전원장치 및 비접촉 전원장치에 활용이 가능한 장점이 있다.According to the present invention, the present invention removes the snubber circuit by actively controlling the switching element by the element control unit to remove the unstable elements of the system caused by the resonance phenomenon of the snubber circuit, and incorrect voltage division in the voltage conversion. It prevents insulation breakdown of the device in the power conversion device due to voltage imbalance caused by high voltage over 1200V or transient period between turn-on / turn-off of high speed switching device, and increases the switching frequency of switching device. Lightweight and miniaturized transformer has the advantage that can be utilized in ultra-light auxiliary power supply and non-contact power supply.

또한, 전력변환장치에서 공급되는 직류전원을 직류부하장치에서 직접 사용함으로써, 직류부하장치에 인버터를 사용하지 않아도 되는 관계로 인버터의 무게가 절감되어 열차의 무게를 경량화 할 수 있는 장점이 있다.
In addition, by directly using the DC power supplied from the power converter in the DC load device, the weight of the inverter is reduced because the inverter does not need to be used in the DC load device has the advantage that the weight of the train can be reduced in weight.

도 1은 종래의 능동형 IGBT 소자 직렬 구동회로도이다.
도 2는 종래의 공진형 DC/DC 전력변환 회로도이다.
도 3은 종래 공진형 DC/DC 전력변환 회로의 소자제어부에서 각 스위칭소자에 전달하는 제어신호의 주기이다.
도 4는 종래 공진형 DC/DC 전력변환회로에서의 스위칭시 전류 및 전압 관계를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치에 대한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로에 대한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로에서의 시 전류 및 전압 관계를 설명하는 도면이다.1 is a conventional active IGBT device series driving circuit diagram.
2 is a conventional resonant DC / DC power conversion circuit diagram.
3 is a cycle of a control signal transmitted to each switching device by the element control unit of the conventional resonant DC / DC power conversion circuit.
4 is a diagram illustrating a current and voltage relationship in switching in a conventional resonant DC / DC power conversion circuit.
5 is a block diagram of a large-capacity power switching element drive control circuit according to an embodiment of the present invention.
6 is a configuration diagram of a large-capacity power supply switching device driving control circuit for equal partial pressure of the power device according to an embodiment of the present invention and a DC load device using the same.
7 is a circuit diagram of a large power supply switching element drive control circuit according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the relationship between the time current and the voltage in the large-capacity power supply switching element drive control circuit according to an embodiment of the present invention.

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치의 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a configuration and an operation of an embodiment of a large-capacity power supply switching element driving control circuit and a direct current load device using the same for the partial voltage equalization of the power device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 핵심은 종래의 스위칭회로의 문제점인 대용량 고전압의 전력을 변환하는 경우에 커패시터에 충전하는 전압의 불균형과 소자제어부의 제어신호에 의해 턴온/턴오프되어 공급되는 전압의 극성이 바뀌는 과도기간에 발생할 수 있는 전압 불균형으로 인하여 스위칭소자의 절연파괴를 방지하고, 스너버 회로의 공진현상에 의한 시스템의 불안정적인 요소를 제거하며 스위칭 주파수를 상승시킨 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로라는 점이다.The core of the present invention is a transient period in which the polarity of the voltage supplied by switching on / off by the control signal of the element control unit and the imbalance of the voltage charged to the capacitor in the case of converting a large capacity high voltage power, which is a problem of the conventional switching circuit, is changed. It is a large-capacity power supply switching device driving control circuit that prevents breakdown of the switching device due to voltage imbalance that may occur, eliminates instability of the system due to resonance phenomenon of the snubber circuit, and increases the switching frequency.

또한, 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로에서 출력되는 직류전원을 직류부하장치에서 별도의 전압 변환 과정 없이 직접 사용한다는 점에서 직류부하장치에 인버터가 사용되지 않으므로 이에 따른 직류부하장치의 무게 경량화가 가능하다는 점이다.In addition, since the DC load output from the large-capacity power switching element driving control circuit is directly used by the DC load device without a separate voltage conversion process, the inverter is not used in the DC load device, thereby reducing the weight of the DC load device. Is the point.

대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로는 도 5에 도시된 바와 같이, 스위칭소자의 턴온/턴오프를 지시하는 제어구동신호를 출력하는 소자제어부(50)와 소자제어부(50)로부터 스위칭소자의 턴온/턴오프의 신호를 입력받아 변압부(52)의 제1 차 코일측에 +/- 극성의 전압을 전달하는 스위칭부(51)와 스위칭부(51)로부터 전달되는 전압을 제1 차 코일에 인가받아 유도기전력에 의해 원하는 전압으로 변압하는 제2 차 코일을 포함하는 변압부(52)와 변압부(52)의 제2 차 코일의 양단으로부터 변압된 필요한 전압 신호를 브릿지 정류회로에 의해 정류하여 정류커패시터에 충전한 후 기기내에 필요한 전압을 공급하는 부하용전원공급부(53)를 포함하고 있다.
As shown in FIG. 5, the large-capacity power supply switching element driving control circuit turns on / turning the switching element from the element controller 50 and the element controller 50 for outputting a control drive signal instructing the turn-on / turn-off of the switching element. The switching unit 51 and the voltage transmitted from the switching unit 51 for transmitting the voltage of +/- polarity to the primary coil side of the transformer unit 52 by receiving the OFF signal are applied to the primary coil. The rectifier capacitor rectifies the necessary voltage signal transformed from both ends of the transformer 52 including the secondary coil transformed to a desired voltage by the induced electromotive force and the secondary coil of the transformer 52 by a bridge rectifier circuit. And a load power supply 53 for supplying the necessary voltage in the apparatus after charging to the battery.

본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이, 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로(100), 직류부하장치(200) 및 교류부하장치(300)를 포함한다.As shown in FIG. 6, the present invention includes a large-capacity power switching element driving control circuit 100, a DC load device 200, and an AC load device 300.

대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로(100)는 고전압용 공진형 HF DC/DC 컨버터의 전력소자 직력 접속시 전력소자의 균등 분압을 위한 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 전원부(110), 스위칭부(120), 변압부(130), 부하용전원공급부(140), 소자제어부(150)를 포함한다. 이와 같은, 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로(100)는 직류부하장치(200)에 직류전원을 공급하기 위한 회로이며, 교류부하장치(300)에 교류전원을 공급하기 위해 앞서 설명한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로(100)에 인버터(160) 및 필터(170)가 추가적으로 구성된다.The large-capacity power switching device driving control circuit 100 is for equal partial voltage dividing of the power devices when the power devices are directly connected to the high-voltage resonant HF DC / DC converter. As shown in FIG. 7, the power supply unit 110 and the switching unit. 120, a transformer 130, a load power supply 140, and an element controller 150. As such, the large-capacity power switching element driving control circuit 100 is a circuit for supplying DC power to the DC load device 200, and the large-capacity power switching element driving described above to supply AC power to the AC load device 300. The inverter 160 and the filter 170 are additionally configured in the control circuit 100.

전원부(110)는 고압직류전원(111)으로부터 균등하게 분압하기 위하여 고압직류전원의 양단에 병렬로 연결된 동일 크기의 저항과 커패시터를 포함하는 분압부(112, 113)가 직렬로 연결되어 2분압된 직류전원을 각각의 커패시터에 충전한다.The power supply unit 110 is divided into two divided parts of the voltage dividers 112 and 113 including resistors and capacitors of the same size connected in parallel to both ends of the high voltage DC power supply in order to divide the voltage evenly from the high voltage DC power supply 111. Charge DC power to each capacitor.

전원부(110)내의 동일 크기의 한 쌍의 저항은 2400V의 고전압 직류전원에 1200V정격의 저전압용 전력스위칭소자를 사용함에 있어 발생할 수 있는 분압의 불균형으로 1200V 이상의 가선전압이 스위칭소자에 가압되어 스위칭소자가 절연파괴되는 것을 방지하도록 정확한 2분압을 수행한다.The pair of resistors of the same size in the power supply unit 110 is an unbalanced partial voltage that may occur when the low voltage power switching device of 1200V rating is used for a high voltage DC power supply of 2400V. Perform accurate two-part pressure to prevent dielectric breakdown.

스위칭부(120)는 전원부(110)의 고압직류전원의 +측과 변압부(130)의 제1 차 코일(131)의 어느 한 단자에 직렬로 연결된 제1 스위칭소자(121), 제2 스위칭소자(122)와 제2 스위칭소자(122)의 절연파괴를 방지하기 위하여 제1, 제2 스위칭소자(121, 122)사이와 제1 차 코일(131)의 어느 한 단자에 병렬로 연결되어 제2 스위칭소자(122)측을 향하는 제1 다이오드(127) 그리고 이와 대조의 구조로 제1, 제2 스위칭소자(121, 122)와 교대로 구동되는 고압직류전원의 -측과 제1 차 코일의 반대측 단자에 직렬로 연결된 제3 스위칭소자(123)와 제4 스위칭소자(124)와 제3 스위칭소자(123)의 절연파괴를 방지하기 위하여 제3, 제4 스위칭소자(123, 124)사이와 제1 차 코일(131)의 반대측 단자에 병렬로 연결되어 제1 차 코일(131)측을 향하는 제2 다이오드(128)를 포함하여 구성되며, 각 스위칭소자는 TR, IGBT 또는 MOSFET로 구현하는 것이 바람직하다.The switching unit 120 includes a first switching element 121 and a second switching connected in series to one terminal of the positive side of the high voltage DC power supply of the power supply unit 110 and the primary coil 131 of the transformer 130. In order to prevent breakdown of the device 122 and the second switching device 122, a first connection between the first and second switching devices 121 and 122 and one terminal of the primary coil 131 is performed in parallel. The first diode 127 facing the side of the second switching element 122 and the opposite structure of the primary coil and the negative side of the high voltage DC power supply which are alternately driven with the first and second switching elements 121 and 122. Between the third and fourth switching devices 123 and 124 to prevent breakdown of the third switching device 123 and the fourth switching device 124 and the third switching device 123 connected in series to the opposite terminal. It is configured to include a second diode 128 connected in parallel to the opposite terminal of the primary coil 131 toward the primary coil 131 side, each switching element is TR, It is preferable to implement with IGBT or MOSFET.

변압부(130)는 전원부(110)로부터 소자제어부(150)의 제어신호에 의하여 구동된 스위칭부(120)의 조절에 의하여 균등하게 분압된 +/-극성의 전압을 제2 스위칭소자(122)와 제2 다이오드(128)에 직렬로 연결된 제1 차 코일(131)에 인가받은 후 유도기전력에 의해 제2 차 코일(132)에 사용자가 요구하는 저전압직류전원으로 변압하여 부하용전원공급부(140)에 전달한다.The transformer 130 is configured to control the voltage of the +/- polarity equally divided by the control of the switching unit 120 driven by the control signal of the element controller 150 from the power supply unit 110. After being applied to the primary coil 131 connected in series with the second diode 128, the secondary power supply 140 for the load by transforming the secondary coil 132 into a low voltage DC power supply required by the user by induction electromotive force To pass).

부하용전원공급부(140)는 변압부(130)의 제2 차 코일로부터 전달된 저전압의 +/-극성의 전압을 기기내의 필요한 직류전원으로 공급하기 위하여 정류하는 제2 차 코일에 직렬로 연결된 정류브릿지회로(141)에 의해 +극성 전압의 형태로 정류하여 정류브릿지회로(141)에 병렬로 연결된 커패시터에 충전한 후 부하측으로 필요한 직류전원을 공급한다.The load power supply unit 140 is rectified in series with the secondary coil rectifying to supply the low voltage +/- polarity voltage transmitted from the secondary coil of the transformer 130 to the required DC power in the apparatus. The bridge circuit 141 is rectified in the form of a + polar voltage to charge the capacitor connected in parallel to the rectifying bridge circuit 141, and then supplies the DC power required to the load side.

소자제어부(150)는 전원부(110)로부터 변압부(130)의 제1차 코일에 +/-극성의 전압을 공급하도록 스위칭부(120)내의 4개의 스위칭소자 내 트랜지스터의 베이스에 턴온/턴오프의 제어신호를 출력한다.The element controller 150 turns on / off the base of the transistors in the four switching elements in the switching unit 120 to supply a voltage of +/- polarity from the power supply unit 110 to the primary coil of the transformer 130. Outputs a control signal.

소자제어부(150)에 의하여 스위칭소자를 능동적으로 조절하게 되어 전체적으로 스너버 회로를 제거함으로써 스너버 회로에서의 공진현상의 발생을 제거하여 시스템의 불안정한 요소를 제거하였다.The device control unit 150 actively controls the switching elements, thereby removing the snubber circuit as a whole, thereby eliminating the occurrence of resonance in the snubber circuit, thereby removing the unstable elements of the system.

저전압 직류전원을 공급하기 위하여 변압부(130)의 제1 차 코일에 +극성 전압을 발생시키고자 하는 경우 소자제어부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 제3 스위칭소자(123) 및 제4 스위칭소자(124)를 턴오프하고 제1 스위칭소자(121)와 제2 스위칭소자(122)에 턴온을 인가함에 있어 순간적으로 턴온신호의 불일치가 발생하여 제1 스위칭소자(121)에 앞서 제2 스위칭소자(122)에 턴온을 인가하는 경우 도 8에 도시된 바와 같이 제2 스위칭소자(122)와 제1 차 코일(121)사이에 연결된 제1 다이오드(127)에 의해 제1 차 코일(131)의 전류가 루프를 형성하여 제1스위칭소자(121)내의 저항에는 제1 분압부(112)내 커패시터의 전압(VDCC1)만이 인가되어 종래의 공진형 DC/DC 전력변환 회로와 달리 제1 스위칭소자(121)가 연결되는 순간 제1 스위칭소자(121)와 제2 스위칭소자(122)의 절연파괴가 발생되지 않는다.In order to generate a positive polarity voltage to the primary coil of the transformer 130 to supply a low voltage DC power source, the element controller 150 may include the third switching element 123 and the fourth as shown in FIG. 3. In turning off the switching element 124 and applying the turn-on to the first switching element 121 and the second switching element 122, an inconsistency of the turn-on signal occurs instantaneously, and thus, before the first switching element 121. When the turn-on is applied to the switching element 122, as shown in FIG. 8, the first primary coil 131 by the first diode 127 connected between the second switching element 122 and the primary coil 121. ) Forms a loop so that only the voltage (VDCC1) of the capacitor in the first voltage divider 112 is applied to the resistance in the first switching element 121, so that the first switching is different from the conventional resonant DC / DC power conversion circuit. The breakdown of the insulation between the first switching element 121 and the second switching element 122 occurs when the element 121 is connected. It is not born.

또한, 제1 차 코일(121)에 -극성 전압을 발생시키고자 하는 경우 소자제어부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 스위칭소자(121) 및 제2 스위칭소자(122)를 턴오프하고 제3 스위칭소자(123)와 제4 스위칭소자(124)에 턴온을 인가함에 있어 순간적으로 턴온신호의 불일치가 발생하여 제4 스위칭소자(124)보다 먼저 제3 스위칭소자(123)에 턴온을 인가하는 경우 제4 스위칭소자(124)와 제1 차 코일(131)사이에 연결된 제2 다이오드(128)에 의해 제1 차 코일(131)의 전류가 루프를 형성하여 제4 스위칭소자(124)내의 저항에는 제2 분압부(113)내 커패시터의 전압(VDCC1)만이 인가되어 종래의 공진형 DC/DC 전력변환 회로와 달리 제4 스위칭소자(124)가 연결되는 순간 제3 스위칭소자(123)와 제4 스위칭소자(124)의 절연파괴 또한 발생되지 않는다.
In addition, when the negative polarity voltage is to be generated in the primary coil 121, the element controller 150 turns off the first switching element 121 and the second switching element 122 as shown in FIG. 3. When the turn-on signal is instantaneously applied to the third switching device 123 and the fourth switching device 124, the turn-on signal may be inconsistently generated to turn on the third switching device 123 before the fourth switching device 124. When applied, the current of the primary coil 131 forms a loop by the second diode 128 connected between the fourth switching element 124 and the primary coil 131 to form the fourth switching element 124. Only the voltage VDCC1 of the capacitor in the second voltage dividing unit 113 is applied to the resistor in the third switching element 123 at the moment when the fourth switching element 124 is connected unlike the conventional resonant DC / DC power conversion circuit. Insulation breakdown of the fourth switching device 124 also does not occur.

인버터(160)는 부하용전원공급부(140)로부터 출력되는 직류전압을 교류부하장치(300)에 공급하도록 부하용전원공급부(140)에 연결되는 것으로, 인버터(160)에서 변환된 교류전압은 필터(170)를 통해 교류부하장치(300)에 공급된다. 여기서, 교류부하장치(300)는 직류부하장치(200)로 구성이 되지 않는 팬(Fan)이 포함된다.
The inverter 160 is connected to the load power supply unit 140 so as to supply a DC voltage output from the load power supply unit 140 to the AC load device 300, and the AC voltage converted by the inverter 160 is a filter. It is supplied to the AC load device 300 through 170. Here, the AC load device 300 includes a fan (Fan) that is not configured as a DC load device 200.

직류부하장치(200)는 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로(100)로부터 출력된 직류전압을 전달받아 구동되는 것으로, 열차에서 사용되는 대부분의 부하장치가 포함된다. 직류부하장치(200)는 열차에서 사용되는 조명부하, 냉방장치, 난방장치 및 공기압축기가 포함된다. 이와 같은, 직류부하장치(200)는 부하용전원공급부(140)에서 출력되는 직류전원을 바로 사용하기 때문에 별도의 인버터 및 필터가 필요하지 않다.
The DC load device 200 is driven by receiving a DC voltage output from the large-capacity power switching element driving control circuit 100 and includes most load devices used in a train. DC load device 200 includes a lighting load, a cooling device, a heating device and an air compressor used in the train. As such, since the DC load device 200 directly uses the DC power output from the load power supply unit 140, a separate inverter and a filter are not required.

본 명세서에는 본 발명에 따른 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 특허청구범위 및 첨부도면의 범위 내에서 다양하게 변형되어 실시될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
In the present specification, a preferred embodiment of a large-capacity power supply switching element driving control circuit and a DC load device using the same for equal partial pressure of the power device according to the present invention has been described, but the present invention is not limited thereto. The invention may be practiced in various ways within the scope of the claims and the accompanying drawings, which also belong to the scope of the invention.

1000 : 전력소자의 균등 분압을 위한 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로 및 이를 이용하는 직류부하장치
100 : 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로
110 : 전원부 111 : 고압직류전원
112 : 제1 분압부 113 : 제2 분압부
120 : 스위칭부 121 : 제1 스위칭소자
122 : 제2 스위칭소자 123 : 제3 스위칭소자
124 : 제4 스위칭소자 127 : 제1 다이오드
128 : 제2 다이오드 130 : 변압부
131 : 제1 차 코일 132 ; 제2 차 코일
140 : 부하용전원공급부 141 : 정류브릿지회로
142 : 정류커패시터 150 : 소자제어부
160 : 인버터 170 : 필터
200 : 직류부하장치 300 : 교류부하장치1000: Large-capacity power switching element driving control circuit for equal partial voltage of power element and DC load device using same
100: large capacity power supply switching element drive control circuit
110: power supply section 111: high voltage DC power supply
112: first partial pressure part 113: second partial pressure part
120: switching unit 121: first switching device
122: second switching element 123: third switching element
124: fourth switching element 127: first diode
128: second diode 130: transformer
131: primary coil 132; Secondary coil
140: load power supply 141: rectifier bridge circuit
142: rectifier capacitor 150: device control unit
160: inverter 170: filter
200: DC load device 300: AC load device

Claims

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A power supply unit having a first voltage divider and a second voltage divider connected in series at both ends of the high-voltage DC power supply, and each voltage divider having a resistor of the same size and a capacitor of the same size connected in parallel;
First and second switching elements connected in series between the + side of the high voltage DC power supply and one terminal of the transformer primary coil, and having a symmetrical structure, one terminal of the primary coil and the high voltage DC power supply; Between the third and fourth switching elements connected in series between the sides, the first diode connected between the connection portion between the first and second switching elements and the other terminal of the primary coil, and between the third and fourth switching elements. A second diode connected between a connection portion and the other terminal of the primary coil, the switching element comprising: a switching unit implemented of TR, IGBT, or MOSFET;
A transformer unit having two or more secondary coils corresponding to the type and number of the primary coils and the loads; And
A load power supply unit connected to the secondary coil and configured to include a rectifier bridge circuit for supplying DC power and a DC power supply including a capacitor, and an AC power supply including an inverter and a filter for supplying AC power; Power converter using a large-capacity power switching drive control comprising a.

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