KR102367016B1

KR102367016B1 - 인버터

Info

Publication number: KR102367016B1
Application number: KR1020200075441A
Authority: KR
Inventors: 강동엽
Original assignee: 강동엽
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2022-02-23
Anticipated expiration: 2040-06-19
Also published as: KR20210157267A

Abstract

본 발명은 인버터에 관한 것으로,
태양광 모듈의 출력단에 다이오드를 거쳐 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 소스에 병렬로 접속하고,
상기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스와 병렬로 콘덴서 및 다이오드를 접속하여 전계효과 트랜지스터를 경유하는 중에 승압된 교류 전원이 출력되도록 하고,
상기 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 게이트에는 드라이버로부터 구형파가 60Hz의 주기로 교대로 공급되어 온시키도록 하고,
60Hz의 주기로 교대로 온 되는 상기 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 드레인에서는 변환된 교류 전원이 트랜스포머의 중간 탭이 접지된 1차측의 양단에 인가되도록 하고,
다수의 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 드레인으로부터 출력되는 변환된 교류 전원이 직렬로 배열한 트랜스포머의 다수의 1차측 각각 인가되도록 함으로써 트랜스포머의 2차측에서 안정되게 승압된 교류 전원을 고효율로 얻도록 고효율로 얻도록 구성한 것이다.

Description

인버터{inverter}

본 발명은 풍력, 수력, 태양광 발전은 물론 전기자동차용 발전기의 인버터에 관한 것으로, 상세하게는 하나의 태양광 모듈에 승압회로를 각각 구비한 2개씩의 스위칭 수단을 결합하여 60Hz의 주기로 교대로 온 되도록 하고 다수의 태양광 모듈로부터 승압된 교류 전원이 공진회로를 거쳐 트랜스포머의 1차측에 인가되도록 함으로써 간단한 구성에 의하여 안정화되면서 승압된 교류 전원을 고효율로 얻을 수 있도록 한 인버터에 관한 것이다.

일반적으로 최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경 친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력 등 신재생에너지에 대한 연구가 활발히 진행 중 임은 이미 주지된 사실이다.

이러한 태양광 발전 등 신재생에너지는 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 상업용 대규모 발전단지에서부터 차량(전동차), 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신장비 및 특수 장비 등에 매우 다양하게 활용되고 있다.

예컨대 태양광 발전 시스템은 일반적으로 시스템의 이용분야, 부하의 종류, 입지 조건 등에 다르지만 크게 태양전지 모듈, 축전지, 인버터 부분으로 구성된다.

태양에너지를 축전지와 같은 저장장치 없이 직접 전원 측으로 전달하는 방법을 이용하고자 할 경우에는, 이를 위하여 연계형 인버터를 적용하게 되며, 저장 장치의 필요에 따라 축전지를 사용하는 경우에도 태양전지의 DC 출력을 AC 계통과 연계하기 위한 인터페이스 회로인 인버터 회로가 중요한 부분을 차지한다.

더구나 태양열광 발전 외에도 풍력이나 조력에 의해 발전을 하는 경우 및 이로 인하여 발생한 전력을 저장하였던 축전지로부터 변환된 전원의 전력 공급을 위해서는 인버터의 구성이 필수적인 상태이다.

상기 인터페이스 회로 중 전류원형 인버터는 계통 연계시 인버터의 출력전압이 계통 전압보다 낮아도 무관하며, 부하 단락 및 인버터 사고시 단락에 대한 돌입전류가 없다는 장점이 있다.

이러한 전류원형 인버터를 사용하여 태양광 발전시스템 등에 적용시 일반적으로 프로세서를 사용한 제어기를 사용하게 되는데 인덕턴스의 크기와 출력 전류의 리플을 줄이기 위해서 높은 스위칭 주파수로 제어하여야 하지만, 인버터의 스위칭 주파수는 스위칭 손실과 프로세서의 성능에 따른 샘플링 주파수에 의해 제한되는 경우가 발생하는 문제점이 있다.

그리하여 2003년 03월 17일자 특허출원 제10-2003-0016570호(병렬스위칭에 의한 전류원 인버터)가 제안되었으며,

이는, 연계형 인버터 장치로 컨버터를 병렬형으로 구성하여 저왜율과 고효율 실현을 위한 병렬스위칭에 의한 전류원 인버터에 관한 것으로,

상호 병렬로 연결되어 하나의 컨버터의 스위치가 오프/온되는 순간 다른 컨버터의 스위치가 온/오프되는 병렬형 Buck-Boost 컨버터에 의해 구동되도록 함으로써 인버터의 스위칭 주파수를 줄여 컨버터의 전류의 크기가 크게 감소되며 그에 따른 출력전압 리플도 크게 감소되어 효율 특성이 우수해지도록 하였다.

그리고 풀브리지(full-bridge) 회로의 인버터들은 배선망에 전력을 공급하기 위해 단상이나 3상의 브릿지회로를 구현하도록 하였고, 브리지 분기마다 단상 공급의 경우 2개 스위치로 구성하고, 초크는 AC 라인에 위치하였다.

또한 브리지회로의 스위치들은 대칭적으로나 비대칭으로 연결할 수 있도록 하였다.

이런 구성을 DC측에서 분리하기 위해, DE 10 2004 030 912 B3에서는 DC 전원의 양극과 2개 브리지 분기 사이에 5번째 스위치를 연결할 것을 제안하였다.

이런 5번째 스위치는 고주파로 연결됨과 동시에 브리지 분기의 2개 하부 스위치들에 각각 연결되지만, 브리지 분기의 상부스위치 각각은 배선망 전압의 매반파(half wave) 동안 닫혀있도록 하여 스위치들을 비대칭으로 클록하도록 하였다.

WO2008015298A1에서 소개한 풀브리지 회로는 입력단에 분할된 중간회로를 설치하여 중간회로와 브리지 사이의 DC 라인마다 스위치가 직렬로 연결되도록 하였다. 이들 스위치는 브리지 분기의 2개 하부스위치 각각과 동시에 고주파로 교대로 클록하지만, 배선망 전압의 반파 동안마다 브리지 분기의 상부스위치 각각은 닫혀있게 된다.

브리지 분기의 상류에 연결된 2개의 직렬 다이오드로 프리휠 경로가 더 구성되고, 중앙 탭에는 중간회로의 중앙 탭이 연결되도록 하였다.

3단 회로구성도 알려졌다. 이런 회로 구성에서, 브리지분기는 4개의 스위치로 구성되고, 그중 2개의 중앙스위치는 2개의 직렬연결 다이오드에 의해 프리휠 시간 동안 브릿지되도록 함으로써 작동스위치의 전압부하가 감소되도록 하였다.

또한 2009년 06월 15일자 특허출원 제10-2009-0052647호(인버터)가 제안되었으며,

이는, 직류 전원의 전력을 교류전압 배선망(N)에 공급하기 위한 인버터에 있어서:

4개의 스위치만을 갖는 비대칭 스위칭 브리지회로를 구비하고;

4개의 스위치 중 2개의 제1 스위치는 배선망과 같은 주파수로 스위칭하고 제1 소자 어셈블리의 일부분을 이루며, 나머지 2개의 제2 스위치는 배선망의 주파수보다 높은 주파수로 스위칭하고 제1 소자 어셈블리와는 공간적으로 분리된 제2 소자 어셈블리의 일부분을 이루며;

상기 제2 스위치는 제1 저속스위치에 비해 스위칭 기울기는 더 급하고 온도 안정성은 더 높도록 하고,

상기 제1 소자 어셈블리에 제1 냉각요소가 연결되고, 제2 소자 어셈블리에 제1 냉각요소와는 다른 제2 냉각요소가 연결되도록 하고,

상기 제2 냉각요소가 제1 냉각요소보다 크기가 크도록 구성하였다.

그러나 상기와 같은 종래의 인버터에 의하여서는 전해콘덴서가 필히 구비되어야 하고, 이 콘덴서의 수명이 일반 반도체의 수명에 비해 현저히 떨어짐은 물론, 주변 환경의 특성에 따라서는 더욱 짧아지게 되어 전체 인버터의 수명이 저하되도록 하는 문제점이 있었다.

그리하여 본 출원인의 2014년 04월 15일자 공개특허 제10-2014-0044428호(콘덴서를 생략한 발전용 인버터)가 제안되었으며,

이는, 외부의 AC 전원과 2차측이 연결된 제1 트랜스의 1차측에는 태양광, 풍력, 조력 등의 발전기나 축전지로부터의 DC 전원이 인가되도록 하고,

상기 제1 트랜스의 1차측의 중간 탭의 양측에는 2개 씩의 스위칭 소자를 각각 설치하고,

외부의 AC 전원과 1차측이 연결된 제2 트랜스의 2차측의 중간 탭의 양측에는 두 게이트 구동용 IC를 각각 연결하고,

상기 제1 트랜스의 2차측에서 유기되는 AC 전원이 공급되는 전선에 스위칭 IC를 설치하여 상기의 두 게이트 구동용 IC에 의해 교대로 온되면서 AC 전원과 동일한 점호각을 갖는 동일한 주파수의 AC 전원이 연계된 전선으로 공급되도록 함으로써 동일한 점호각을 갖도록 하면서 빠른 스위칭에 의하여 역률이 개선됨은 물론, 간단한 구성에서 전해 콘덴서를 비롯한 콘덴서 탱크 군을 생략할 수 있도록 하여 인버터의 수명이 현저히 길어지도록 구성하였다.

그러나 상기와 같은 종래의 콘덴서를 생략한 발전용 인버터에 의하여서는 태양광 모듈로부터의 DC 전원을 직접 AC 전원으로 변환하는 구성이 복잡하며 다수의 부품을 경유하는 중에 효율이 떨어지게 되는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 하나의 태양광 모듈에 승압회로를 각각 구비한 2개씩의 스위칭 수단을 결합하여 60Hz의 주기로 교대로 온 되도록 하고 다수의 태양광 모듈로부터 승압된 교류 전원이 공진회로를 거쳐 트랜스포머의 1차측에 인가되도록 함으로써 간단한 구성에 의하여 안정화되면서 승압된 교류 전원을 고효율로 얻을 수 있도록 한 풍력, 수력, 태양광 발전은 물론 전기자동차용 발전기에 적용 가능한 인버터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인버터는,

태양광 모듈의 출력단에 다이오드를 거쳐 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 소스에 병렬로 접속하고,

상기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스와 병렬로 콘덴서 및 다이오드를 접속하여 전계효과 트랜지스터를 경유하는 중에 승압된 교류 전원이 출력되도록 하고,

상기 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 게이트에는 드라이버로부터 구형파가 60Hz의 주기로 교대로 공급되어 온시키도록 하고,

60Hz의 주기로 교대로 온 되는 상기 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 드레인에서는 변환된 교류 전원이 트랜스포머의 중간 탭이 접지된 1차측의 양단에 트랜스포머와 공진회로를 이루는 콘덴서를 거쳐 인가되도록 하고,

다수의 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 드레인으로부터 교류 전원이 직렬로 배열한 트랜스포머의 다수의 1차측에 각각 인가되도록 함으로써 트랜스포머의 2차측에서 안정화되면서 승압된 교류 전원을 고효율로 얻도록 구성한 것이다.

상기의 본 발명에 따른 인버터에 의하여서는 태양광 모듈의 출력단에 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 소스에 병렬로 접속하고, 상기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스와 병렬로 콘덴서 및 다이오드를 접속하여 전계효과 트랜지스터를 경유하는 중에 승압된 직류 전원이 출력되도록 하여 드라이버로부터 공급되는 60Hz의 주기로 교대로 공급되는 구형파에 의하여 교대로 온 되는 상기 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 드레인에는 승압된 교류 전원이 생성되도록 한다.

다수의 스위칭 수단인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터의 드레인으로부터 교류 전원이 직렬로 배열한 트랜스포머의 다수의 1차측에 트랜스포머의 인덕턴스와 공진회로를 이루는 콘덴서를 거쳐 각각 인가되도록 함으로써 트랜스포머의 2차측에서 안정화되면서 승압된 교류 전원을 고효율로 얻도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전체 구성을 도시한 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 인버터는 풍력, 수력, 태양광 발전은 물론 전기자동차용 발전기용으로 사용하기 위한 것으로서,

태양광에 의하여 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 발전을 수행하는 태양광 모듈(1)...(1n)과,

상기 태양광 모듈(1)...(1n)의 출력단에 병렬로 결합되어 교호로 온되는 상태에 의해 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 스위칭 수단(2)...(2n)과,

상기 스위칭 수단(2)...(2n)에 병렬로 접속된 제1 다이오드(D111,D121)...(D11n,D12n)와 콘덴서(C11,C21)...(C1n,C2n) 및 제2 다이오드(D211,D221)...(D21n,D22n)로 이루어진 승압 수단(3)...(3n)과,

상기 스위칭 수단(2)...(2n)에 60Hz 주기의 구형파를 교대로 공급하면서 선택적으로 온되도록 하는 드라이버(4)와,

60Hz의 주기로 교대로 온 되는 상기 스위칭 수단(2)...(2n)에서 변환되어 출력되는 교류 전원이 중간 탭(t1)...(tn)을 접지시킨 1차측(T11)...(T1n)의 양단에 각각 공진회로의 콘덴서(C31,C41)(C3n,C4n)를 거쳐 인가되도록 하면서 2차측(T2)에서 원하는 교류 전원을 얻도록 한 트랜스포머(5)로 구성한 것이다.

즉, 태양광 모듈(1)...(1n)의 출력단에 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 소스(S)에 승압 수단(3)...(3n)의 제1 다이오드(D111,D121),,,(D11n,D12n)를 각각 병렬로 접속하고,

상기 스위칭 수단(2)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 게이트(G)에는 드라이버(4)로부터 구형파가 60Hz의 주기로 교대로 공급되면서 온시키도록 하고,

상기 태양광 모듈의 출력단과 스위칭 수단(2)...(2n)의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n) 사이에 승압 수단(3)...(3n)의 제1 다이오드(D111,D121),,,(D11n,D12n)를 접속하면서 상기 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인-소스와 병렬로 콘덴서(C11,C21)...(C1n,C2n) 및 제2 다이오드(D211,D221)...(D21n, D22n)를 접속하도록 하고,

60Hz의 주기로 교대로 온 되는 상기 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인(D)에서는 승압된 교류 전원이 트랜스포머(5)의 중간 탭(t1)...(tn)이 접지된 1차측(T11)...(T1n)의 양단에 각각 트랜스포머(5)의 다수의 1차측(T11)...(T1n)과 공진회로를 이루는 콘덴서(C31,C41)...(C3n,C4n)를 거쳐 인가되도록 하고,

다수의 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인으로부터 출력되는 구형파에 의해 변환된 교류 전원이 직렬로 배열한 트랜스포머(5)의 다수의 1차측(T11)...(T1n)의 중간 탭(t1)...(tn)에 각각 공진회로를 이루는 콘덴서(C31,C41)...(C3n,C4n)를 거쳐 인가되도록 함으로써 트랜스포머(5)의 2차측(T2)에서 안정화되면서 승압된 교류 전원을 고효율로 얻도록 구성한 것이다.

상기와 같이 구성한 본 발명의 인버터는,

태양광 모듈(1)...(1n)의 출력단에 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F12)...(F1n,F2n)의 소스(S)에 병렬로 접속한다.

상기 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 게이트(G)에는 드라이버(4)로부터 구형파가 60Hz의 주기로 교대로 공급되면서 온시키도록 한다.

60Hz의 주기로 교대로 온 되는 상기 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인(D)에서는 태양광 모듈(1)...(1n)의 출력단에서 직류 전원이 변환된 교류 전원이 출력되도록 한다.

이때에는 상기 태양광 모듈의 출력단과 스위칭 수단(2)...(2n)의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n) 사이에 승압 수단(3)...(3n)의 제1 다이오드(D111, D121),,,(D11n, D12n)를 접속하면서 상기 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인-소스와 병렬로 콘덴서(C11, C21)...(C1n, C2n) 및 제2 다이오드(D211, D221)...(D21n, D22n)를 접속되어 있으므로 출력되는 교류 전원이 승압되도록 함으로써 발전 효율을 높이도록 한다.

상기의 승압된 교류 전원이 트랜스포머(5)의 중간 탭(t1)...(tn)이 접지된 1차측(T11)...(T1n)의 양단에 (5)의 다수의 1차측(T11)...(T1n)과 공진회로를 이루는 콘덴서(C31,C41)...(C3n,C4n)를 거쳐 인가되도록 함으로써 다수의 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인으로부터 출력되는 상기 구형파에 의해 변환된 교류 전원이 직렬로 배열한 트랜스포머(5)의 다수의 1차측(T11)...(T1n)에 각각 인가되므로 트랜스포머(5)의 2차측(T2)에서 안정화되면서 승압된 교류 전원을 고효율로 얻도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

1...1n : 태양광 모듈 2...2n : 스위칭 수단
3...3n : 승압수단 4 : 드라이버
5 : 트랜스포머

Claims

태양광을 전기에너지로 변환하는 발전을 수행하는 태양광 모듈(1)과,
상기 태양광 모듈(1)의 출력단에 병렬로 결합되어 교호로 온되는 상태에 의해 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 스위칭 수단(2)과,
상기 스위칭 수단(2)에 60Hz 주기의 구형파를 교대로 공급하면서 선택적으로 온되도록 하는 드라이버(4)와,
60Hz의 주기로 교대로 온 되는 상기 스위칭 수단(2)에서 변환되어 출력되는 교류 전원이 중간 탭(t1)을 접지시킨 1차측(T11)의 양단에 인가되도록 하면서 2차측(T2)에서 교류 전원을 얻도록 한 트랜스포머(5)로 구성하되,
상기 태양광 모듈의 출력단과 스위칭 수단(2)...(2n)의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n) 사이에 승압 수단(3)...(3n)의 제1 다이오드(D111,D121),,,(D11n,D12n)를 접속하면서 상기 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인-소스와 병렬로 콘덴서(C11,C21)...(C1n,C2n) 및 제2 다이오드(D211,D221)...(D21n,D22n)를 접속하도록 하고,
다수의 스위칭 수단(2)...(2n)인 2개 씩의 전계효과 트랜지스터(F11,F21)...(F1n,F2n)의 드레인으로부터 출력되는 구형파에 의해 변환된 교류 전원이 직렬로 배열한 상기 트랜스포머(5)의 다수의 1차측(T11)...(T1n)과 공진회로를 이루는 콘덴서(C31,C41)...(C3n,C4n)를 거쳐 인가되도록 하여 안정되게 승압된 교류 전원을 얻도록 구성한 것을 특징으로 하는 인버터.