KR930003235B1

KR930003235B1 - N-상 사인파 변환기

Info

Publication number: KR930003235B1
Application number: KR1019900003331A
Authority: KR
Inventors: 디. 워시번 로버트; 씨. 스지 제리; 엠. 루셔 데이비드; 에이취. 곤잘레스 카르로스; 에프. 맥클라나핸 로버트
Original assignee: 휴즈 에어크라프트 캄파니; 원다 케이. 덴슨-로우
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1993-04-23
Anticipated expiration: 2010-03-13
Also published as: CA2010451C; IL93535A0; EP0387734B1; IL93535A; JPH02290163A; KR900015428A; US4972309A; AU615137B2; DE69000087D1; EP0387734A3; CA2010451A1; AU5069090A; ES2032143T3; JP2588986B2; EP0387734A2

Abstract

내용 없음.

Description

N-상 사인파 변환기

제1도는 본 발명에 따른 DC-AC 사인파 변환기의 개략도.

제2a도 내지 제2f도는 제1도에 도시한 사인파 변환기의 최대 부하동작에 대한 관련 전압 및 전류의 파형도.

제3a도 내지 제3f도는 제1도에 도시한 사인파 변환기의 최대 부하동작에 대한 관련 전압 및 전류의 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

15 : FET 19,21 : 양방향 전도회로

20 : 스위칭회로 23 : 클램핑 다이오드

30 : 다이오드 회로망 40 : 공진회로

본 발명은 일반적으로 DC-AC 변환기에 관한 것으로, 특히, 광범위한 가변부하에 대해 효율적으로 작동하는 사인파 DC-AC 변환기에 관한 것이다.

DC-AC 변환기는, 전력 발생원으로 DC 전압을 공급하고 그 공급전압을 전력발생원의 전압에 대해 승압 또는 강압되게 하는 전력 공급장치에 이용된다. DC-AC 변환은 차후 필요에 따라 승압 또는 강압될 수 있는 AC 전력을 제공한다. 공지의 DC-AC 변환기들로는 구형파 변환기 또는 사인파 변환기가 있다.

공지의 사인파 변환기로는, 고효율 및 저잡읍 상태로 작동하는 E급 전력 변환기로서 언급되는 형태의 것이 있다. 그러나, 이러한 공지의 E급 전력변환기들은 그들의 설계 기준으로 삼은 특정의 일정부하에 대해서만 고효율로 작동할 뿐, 여러다른 부하, 즉, 펄스형 부하와 같은 가변부하에 대해서는 효율저하, 잡음증가 및 회로소자의 고장 가능성을 비롯한 문제점을 나타낸다.

그러므로, 여러 다른 부하, 즉, 가변부하에 대해서도 고효율로 작동한 DC-AC 사인파 변환기를 제공하는 것이 유익할 것이다.

전술한 것과 기타의 장점 및 특징은 다음과 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 DC-AC 사인파 변환기에 의해 제공된다. 본 발명의 DC-AC 사인파 변환기에 있어서, FET의 게이트에는 그 FET를 온/오프시키는 스위칭 신호가 공급되며, FET의 드레인 터미날은 DC 전압원에 응답하는 공진회로에 단 방향 전류를 양방향으로 전도하는 단방향 전류 양방향 전도회로에 의해서 결합되며, 상기 단방향 전류 방향 전도 회로의 FET와 소스 터미날 간에는 드레인 및 소스 터미날의 역 바이어스를 방지하기 위한 클램핑 회로가 접속된다.

이 분야의 통상의 지식을 가진자라면, 본 발명의 장점 및 특징을 도면을 참조한 이후의 상세설명으로부터 쉽게 알 수 있을 것이다.

이후의 상세설명 및 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 참조부호를 사용한다.

제1도를 참조하면, 여기에는 N-상 구동회로(11)를 포함하는 사인파 변환기의 개략도가 도시되어 있다. 상기 N-상 구동회로(11)는 단상(N=1) 구동회로일 수도 있다. 상기 구동회로(11)는 다수의 공지된 구동회로들 중의 어떤 것으로 구성될 수 있는 것으로서, 이 구동회로(11)는 N개의 구동출력을 제공한다. 이들 구동출력의 각각은 소망의 AC 동작주파수에 걸쳐 50퍼센트의 듀티 사이클을 갖는다.

N이 1보다 큰 경우, N-상 구동회로(11)의 각 출력은 동일한 동작 주파수를 가질 것이나, 360°/N만큼씩 오프셋될 것이다. 따라서, 3-상 시스템의 경우, 구동출력들은 120°씩 오프셋될 것이다.

N-상 구동회로(11)의 N개 구동출력의 각각은 제각기의 스위칭회로에 결합되는데, 그 스위칭 회로를 제1도에 스위칭회로(20)로 도시한다. 스위칭회로(20)의 출력은 N-상 변압기(13)에 결합된다. 다른 상들에 대한 스위칭 회로들(만일 있다면)은 스우칭회로(20)와 대체로 유사할 것이며, 그들의 출력도 또한, N-상 변압기(13)에 결합될 것이다.

스위칭회로(20)는 N-채널 전력 FET(15)를 포함하는데, 이 전력 FET(15)의 게이트는 N-상 구동회로(11)의 출력들 중의 하나에 접속되고, 그 전력 FET(15)의 드레인은 노드(111)에 결합되며, 그 전력 FET(15)의 소스는, 예로서, 접지노드(113)로서 도시한 공통 기준전압에 결합된다.

캐소드가 노드(111)에 결합되고, 애노우드가 접지노드(113)에 결합된 다이오드(17)는 과잉 전압으로 부터 FET(15)를 보호하는 기능을 행한다.

노드(111)의 접지노드(113)간에 결합된 결합수단인 다이오드 회로망(30)은 단방향전류를 양방향으로 전도하는 단방향 전류양방향 전도 수단을 구성하는 교차결합 다이오드(19) 및 (21)를 포함한다. 다이오드(19)의 애노우드 및 다이오드(21)의 캐소드는 노드(111)에 공통 접속되고, 다이오드(19)의 캐소드 및 다이오드(21)의 애노우드는 노드(115)에 공통 접속된다. 다이오드 회로망(30)은 또한 다이오드(23)를 포함하는데, 이 다이오드(23)의 캐소드는 노드(115)에 접속되고 애노우드는 접지노드(113)에 접속된다. 본 명세서에서 더욱 자세히 후술한 바와같이, 다이오드(23)는 FET(15)의 몸체 다이오드 대신에 역전류를 전도하는 것으로서, 이것은 신속한 복구소자인 것이다.

스위칭 회로(20)는, 또한, 노드(115)와 접지노드(113)간에 결합된 C-L-C 공진 또는 탱크회로(40)를 포함한다. 공진회로(40)는 노드(115)와 접지노드(113)간에 결합된 캐패시터(25)와, 노드(115)와 노드(117)간에 접속된 인덕터(27)와, 노드(117)와 접지노드(113)간에 접속된 캐패시터(29)를 포함한다. 공진회로(40)의 공진주파수는 FET(15)의 게이트에 인가되는 신호의 주파수와 대체로 동일하다.

탱크회로(40)는 임피던스 회로망으로서의 기능을 행하고, 또한 이 회로(40)의 소자들은 1보다 Q를 제공하도록 선택된다. 따라서, 전력 FET(15)가 턴 오프된 경우, FET(15)양단 전압은 탱크회로(40)의 공진주파수에서 진동할 것이다. 상기 탱크회로는, 특히, 전력 FET의 출력 임피던스와 N-상 변압기(13)에 적용된 부하를 정합시키고, 전압 및 전류 전이(제로 크로싱 : zero crossing)들이 서로 다른 시점들에서 발생되게 하는 것에 의해 트랜지스터 스위칭 손실이 감소될 수 있게 한다. 탱크회로(40)는, 또한, 전력 FET(15) 양단 간의 전압을 조절하여, 턴온시에, V_on의 최대치를 초과하지 못하도록 한다.

탱크회로(40)를 종종 PI 회로라 불리우는 공지의 구성으로 개시하고 있으나, L 및 T회로망과 같은 다른 임피던스 정합회로망도 활용될 수 있다. 또한, 전력 FET(15)대신에 전력 바이폴라 트랜지스터를 활용할 수도 있다.

노드(117)는, 피이드 쵸우크(feed choke)로서 일정한 전류 흐름을 허용할 수 있을 정도의 큰 인덕터(31)를 통해 DC 공급전압원 V_dc에 결합된다. 인덕터(31)는, 또한, DC 공급 전압원V_dc에 대한 RF 격리를 제공한다. AC 리플(ripple) 여파 캐패시터(33)는 DC 전압원 V_dc와 접지기준 노드(113)간에 결합된다.

노드(117)의 전압 v₂는 정현적으로 변하며 FET(15)의 입력에 대해 135°내지 180°정도 위상편이되어 있다.

임피던스 정합 변압기(35)는 노드(117)와 접지기준노드(113)에 결합된다. 이 임피던스 정합 변압기의 출력은 N-상 변압기(13)의 한 입력에 결합된다.

N이 1인 사인파 변환기의 동작을, 최대부하(저 임피던스) 및 경부하(고 임피던스) 상태의 각각에 대한 관련 전압 및 전류 파형을 개략적으로 도시한 제2a도 내지 제2f도 및 제3a도 내지 제3f도를 참조하여 설명하겠다. 전압 V_g는 전력 FET(15)의 게이트에 인가되는 전압이고, 한편, 전압 V_d는 FET(15)의 드레인에서의 전압이다. 전류 I_d는 FET(15)의 드레인전류이고, 전류 I_o는 다이오드(23)를 통해 흐르는 전류이다. 전압 V₁는 노드(115)에서의 전압이고, 한편 전압 V₂는 노드(117)에서의 전압이다.

FET(15)의 게이트에서의 전압 V_g가 저레벨로 전이되면, FET(15)는 턴 오프되고, 이 턴오프 상태는 전압 V_g가 저레벨 상태에 있는 한 그대로 유지된다. 노드(115)의 전압 V₁은 시간주기 T₁에 결쳐서 증가하며, 그 다음 시간주기 T₂에 걸쳐서는 감소한다. 이들 주기 T₁및 T₂동안, FET의 드레인에서의 전압 V_d도, FET(15)의 기생 용량이 다이오드(21)를 통해 충전된 후 다이오드(19)를 통해 방전함에 따라 증가된 후 방전된다. 다이오드(19) 및 (21) 양단간의 전압강하 결과, FET(15)의 드레인에서의 전압 V_d는 증가시 전압 V₁보다 한개 다이오드의 전압 강하분 만큼 작으며, 감소시 전압 V₁보다 한개 다이오드의 전압 강하분 만큼 크다.

노드(115)의 전압 V₁이 시간주기 T₃동안 부의 레벨로 되면, 다이오드(23)는 전류 I₀를 전도하여 전압 V₁이 한개 다이오드의 전압 강하분 보다 더 부로 되지 못하도록 한다. 그 결과, FET(15)의 드레인에서의 전압 V_d는 영보다 작지 않게 되고, 따라서, FET의 몸체 다이오드는 역 바디어스되지 않게 된다. 만일 FET(15)의 몸체 다이오드가 역 바이어스되어 역 전도가 발생한다면, 고소모 및 효율저하가 초래됨은 물론 고장의 가능성도 있게 될 것이다.

FET(15)의 게이트에 인가되는 전압 V_g가 고레벨상태로 전이되면, FET(15)는 턴온되고, 그 턴온상태는 시간주기 T₄동안 V_g가 고레벨상태에 있는한 그대로 유지된다. FET드레인 전류 I_d는 인덕터(27) 및 다이오드(21)를 통해 전도하여, FET(15)양단 간의 전압강하가 온(ON)-저항과 드레인 전류의 곱으로 되게 한다. 시간주기 T₄동안, 전압 V₁은 전압 V_d보다 한개 다이오드의 전압강하분 만큼 크다.

시간주기 T₄의 종점에서, FET(15)의 게이트에 인가되는 전압 V_g는 다시 저레벨상태로 전이되고, 상술한 바와같은 동작이 반복된다.

노드(117)의 전압 V₂는, FET가 그의 게이트에 인가되는 전압 V_g에 의해 주기적으로 턴온 및 턴오프 되는 때 DC 전압원 V_dc에 의해 공급되는 에너지가 공진회로(40)부근에서 진동하므로 정현적인 형상을 취한다.

경 부하의 경우, 제3a도 내지 제3f도에 도시한 바와같이, 시간주기 T₁및 T₂는 최대부하의 경우에서 보다 짧으며, 반면에 시간주기 T₃는 더 길다. 또한, FET(15)의 드레인 전압 V_d의 침두치는 그 FET가 오프 상태에 있는 한 최대부하의 경우에서 보다 더 크다. 한편, FET(15)양단간의 전압강하는 그 FET가 온 상태에 있는 한 더 작다.

다이오드(23)의 클램핑 작용은 FET(23)의 몸체 다이오드가 역 바이어스되는 것을 방지하여, 경부하의 경우에 특히 심한 고소모성 역 전도현상이 방지되게 한다. 클램핑 작용이 없으면, FET(15)는, 시간주기 T₃동안, 전술한 바와같이 경부하일수록 증가하는, 역 전류 현상을 나타낼 수도 있다. 따라서, 이같은 클램핑 작용 덕분에 광범위한 가변부하에 대해서 90 내지 95퍼센트 정도의 합리적으로 일정한 고효율이 제공되고, 이러한 고효율의 결과, 10MHz 정도의 높은 동작주파수가 이용될 수 있다.

본 명세서에 개시한 사인파 변환기의 동작 파라메타 및 성분값의 예는 다음과 같다. FET(15)의 게이트에 인가되는 신호의 주파수는 V_p로 표기한다.

V_dc: DC 140V

F_s: 1MHz

V_p: 420V

FET15 : 국제정류기 IRF 450

다이오드 17 : 마이크로 반도체 IN 6173

다이오드 19 : SEMTECH IN 6081

다이오드 21 : SEMTECH IN 6081

다이오드 23 : 고체소자 SDR 3K

인덕터 27 : 1.34μH

인덕터 31 : 3.5μH

캐패시터 25 : 18.4nF

캐패시터 29 : 12.5nF

캐패시터 33 : 12.5μF

앞에서는 전력 FET의 사용에 대해 상세히 개시하였으나, 전력 바이폴라 접합트랜지스터를 이용할 수도 있을 것이다. 이 경우, 캐패시터(25) 및 (29)와 공진회로(40)의 인덕터(27)에 대해서는 다른 값들의 요구될 수도 있다.

전술한 것은 가변부하 및 광범위한 부하에 대해 고효율로 동작하는 DC-AC 사인파 변환기를 개시한 것이다. 이 사인파 변환기에 의하면, 또한, 고조파 잡음발생이 적제되고 스위칭 성분의 응력이 작게 되므로 신뢰성이 향상되고 비용이 절감되는 장점이 제공된다. 또한, 방사잡음이 감소되고 더욱 간단한 AC 여파를 활용할 수 있다. 이 사인파 변환기는 또한 보다 높은 동작 주파수도 허용한다.

앞에서는 본 발명의 특정 실시태양들을 설명하고 예시하였으나, 이 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 청구범위로 규정하는 바와같은 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않고서도 각종 변형 및 변경을 행할 수 있다.

Claims

스위칭 신호를 수신하기 위한 제어단자와 제1 및 제2피제어 단자들을 가진 스위칭 트랜지스터(15)와, DC 전압원에 응동하는 공진회로(40)와, 상기 스위칭 트랜지스터(15)의 상기 제1 및 제2피제어단자들을 상기 공진회로(40)에 전도적으로 결합하며 상기 제1 및 제2피제어단자들이 역 바이어스되는 것을 방지하기 위한 결합수단(30)을 포함하며 ; 상기 제1 및 제2피제어단자들은 상기 트랜지스터(15)가 상기 스위칭 신호에 따라서 턴온되는 경우에 하나의 전도로에 의해 제어가능하게 결합되는 것인 사인파 변환기(10).
제1항에 있어서, 상기 스위칭트랜지스터(15)는 FET이며, 상기 결합수단(30)은 : 상기 FET의 드레인을 상기 공진회로(40)에 전도적으로 결합하기 위한 단방향 전류 양방향 전도 수단(19,21)과 ; 상기 양방향 전도수단(19,21)과 상기 FET의 소스 터미날간에 접속되어 상기 드레인 및 소스 터미날이 역 바이어스 도는 것을 방지하는 클램핑 수단(23)을 포함하는 사인파 변환기(10).
제2항에 있어서, 상기 단방향 전류 양방향 전도수단(19,21)은 전류전도 방향에서 전압강하를 발생하는 사인파 변환기(10).
제3항에 있어서, 상기 단방향 전류 양방향 전도수단(19,21)은 상호 역방향 전도성의 병렬 접속된 다이오드들(19,21)을 포함하는 사인파 변환기(10).
제2항에 있어서, 상기 클램핑 수단(23)은 클램핑 다이오드(23)인 사인파 변환기(10).
제1항에 있어서, 상기 결합수단(30)은 클램핑 다이오드(23)를 포함하는 사인파 변환기(10).
제6항에 있어서, 상기 결합수단(30)은 상기 클램핑 다이오드(23)와 직렬의 상호 역방향 전도성의 병렬 접속된 다이오드들(19,21)을 더 포함하는 사인파 변환기(10).
스위칭 신호가 인가되는 게이트 터미날을 가진 FET(15)와, DC 전압원에 응동하는 공진회로(40)와 ; 상기 FET(15)의 드레인을 상기 공진회로(40)에 전도적으로 결합하기 위한 단방향 전류 양방향 전도수단(19,21)과, 상기 단방향 전류 양방향 전도수단(19,21)과 상기 FET(15)의 소스터미날간에 접속되어 상기 드레인 및 소스 터미날이 역 바이어스되는 것을 방지하기 위한 클램핑수단(23)을 포함하며 ; 상기 스위칭 신호는 상기 FET를 턴온 및 턴 오프시키는 것인 사인파 변환기(10).
제8항에 있어서, 상기 단방향 전류 양방향 전도수단(19,21)은 전류 전도방향에서 전압강하를 발생하는 사인파 변환기(10).
제9항에 있어서, 상기 단방향 전류 양방향 전도수단(19,21)은 상호역방향 전도성의 병렬 접속된 다이오드들(19,21)을 포함하는 사인파 변환기(10).
제8항에 있어서, 사익 클램핑 수단(23)은 클램핑 다이오드(23)를 포함하는 사인파 변환기(10).