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중소기업 기술혁선개발사업 최종보고서

마이크로프로세서를 적용한

완전정현파 DC-AC 소형 인버터 개발

2002년 7월

주 관 기 업 : 삼화전기(주)

위탁연구기관 : 대구공업대학

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 『마이크로프로세서를 적용한 완전정현파 DC-AC 소형 인버터 개

발』 에 대한 중소기업 기술혁신개발사업 과제의 최종보고서로 제출합니다.

2002년 7월

주 관 기 업 : 삼화전기(주)

과제 책임자 : 이 상 구

개 발 기 간 : 2001. 6. 1 ~ 200. 5. 31

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요 약 서

과 제 명마이크로프로세서를 적용한 완전정현파 DC-AC 소형 인버터

개발

주관기업 삼화전기(주) 총괄책임자 이 상 구

개발기간 2001. 6. 1 ~ 2002. 5. 31

총개발사업비

(천원)

정부출연금 73,000천원총개발

사업비98,647천원

기업부담금현금 15,657천원

현물 9,990천원

위탁연구기관 대구공업대학

주요기술용어 DC-DC 컨버터부 , 역변환 , PWM 제어방식 , 완전정현파

인버터의 산업응용 분야 중 대형화와 기술집약으로 구성되어 있는 중대형의 무

정전 교류전원공급장치는 우수한 기술을 보유하여 많은 형식이 개발되어 있지만,

휴대 및 이동을 요구하는 실외용 전기설비의 구동 및 각종 특고압기기 케이블

내압시험 및 보호계전기의 테스트 등 시험용 전원발생장치로써 부득이 AC 전원

이 필요하지만 현장에 발전설비 또는 전원설비가 없을 때 혹은 전원을 정전시킨

후 각 설비의 점검 확인하고자 하는 경우가 있다.

이와 같이 휴대용 교류전원발생장치는 필수적으로 필요한 장비이지만, 고가 고중

량의 UPS(무정전 전원공급 장치)를 휴대하여 사용하는 것은 거의 불가능한 실정

이고, 전등이나 간단한 팬모터 등의 가동용으로 시판되고 있는 인버터인 기존의

교류전원공급장치는 정현파가 아닌 구형파의 교류전압이 출력되는 제품으로 정

밀도를 요구하는 전기 계측기나 전기설비 시험용의 전원으로는 사용할 수 없는

단점이 있다. (뒷장 연속)

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본 제품은 구형파의 고주파를 발생하는 펄스장치, 그 파형을 승압하는 고주파트

랜스, 고주파를 DC로 만드는 정류장치, 승압된 DC를 정현파 AC로 역변환시키

는 스위칭 트랜스와 AC 정현파를 출력시키기 위한 트랜스 및 PWM 제어방식을

소프트웨어적으로 수행하는 부분 등의 구성품으로 이루어져 있다.

각 구성품에 대한 개발의 주안점은 간단히 휴대할 수 있도록 소형 경량화와 동

시에 개발제품인 인버터를 구동시킬 수 있는 전원이 현장에 없는 경우에도 적극

적으로 사용할 수 있도록 차량용 배터리, 즉 직류 전원 DC 12V로 구동하여 출

력으로 완전 정현파의 교류 110V 또는 220V의 교류전원발생장치를 개발하는 것

이다.

본 개발제품인 인버터의 특징 및 파급효과를 요악하면 다음과 같다.

① 동일 용량에서 약 8.8KG의 소형ㆍ경량화로 휴대 및 이동이 간편함

② 인버터의 구동용 전원은 DC 12V가 되도록 개발하였기 때문에 단독의 차량용

배터리 및 차량의 엔진룸에 취부되어 있는 배터리에서 직접 이용할 수 있도록

함

③ DC-DC 컨버터부를 기존의 철심과 권선으로 구성된 권선형 변압기를 사용하

여 부피 및 중량에 큰 단점이 있었으나 페라이트 코어를 사용하여 소형 경량화

하고 전자 소음도 줄이는 효과를 얻음

④ 교류 출력파형으로 완전정현파를 얻기 위한 PWM 제어방식 즉 펄스폭 변조방

식을 도입, 소프트웨어적으로 처리하도록 하여 제어 속도 및 출력파형의 정밀도

를 개선하여 전기설비의 점검용 계측기의 오차 감소뿐만 아니라 회로의 간결화

에 기여함

⑤ 전기설비 점검원의 휴대용 전원으로 사용할 수 있어 업무의 극대화를 높임

⑥ 제품 개발의 과정에서 정보와 기술력을 확보할 수 있었음

⑦ 본 제품의 개발과정에서 얻은 KNOW-HOW를 이용하여 차기 개발품의 활발

한 연계 개발로 국제 경쟁력 및 수입품 대체효과가 대단히 커짐

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목 차

1. 기술개발의 당위성 및 목적

(1) 기존제품의 인버터

(2) 개발제품의 인버터

2. 기술개발의 내용 및 범위

(1) 기존 제품과 개발 제품의 동작 메커니즘의 비교

1) 기존 인버터

2) 개발 제품 인버터

(2) 본 제품의 기술개발 구성 및 내용

1) 본 개발 제품의 구성

2) 개발제품의 상세 내용

(3) 인버터의 구조 및 외관

1) 전면부

2) 측면부

3) 후면부

(4) DC - DC 컨버터부

1) 취부 사진

2) 방열판 취부

3) 승압용 트랜스

(5) 드라이브 기판 및 역변환 장치부

(6) MAIN 기판부

(7) 특성 비교

1) 한전 전원과 개발 인버터의 전원 비교

2) 기존 인버터와 개발 인버터의 크기 및 중량

(8) 개발제품 사양

3. 연구개발의 결과

4. 기술개발 완료에 따른 파급 효과

부 록

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1. 기술개발의 당위성 및 목적

인버터의 기능은 DC 입력전압을 원하는 AC 출력전압으로 변환하는 장치이며, 무정

전 전원공급장치(UPS), 가변속 AC 전동기 구동, 유도가열 예비전원장치 등의 산업

응용 분야에 폭넓게 사용되고 있다. 입력은 전지, 연료전지, 태양전지 등의 DC 전

원 또는 AC 전원을 정류기를 통하여 DC로 변환하여 이용할 수 있다.

인버터의 산업응용 분야 중 대형화와 기술집약으로 구성되어 있는 중대형의 무정전

전원공급장치는 우수한 기술을 보유하여 많은 형식이 개발되어 있지만, 휴대 및 이

동을 요구하는 실외용 전기설비 및 전기기기로써 부득이 AC 전원을 필요로 하는

경우와 전기점검기구로써 시험을 사용코자하는 전원에는 반드시 상용주파수의 정현

파 전원이 필요하게 된다.

이와 같이 휴대용 교류전원발생장치는 필수적으로 필요한 장비이지만, 고가 고중량

의 UPS(무정전 전원공급 장치)를 휴대하여 사용하는 것은 거의 불가능한 실정이며,

또한 전등이나 간단한 팬모터 등의 가동용으로 시판되고 있는 인버터인 기존의 교

류전원공급장치는 정현파가 아닌 구형파의 교류전압이 출력되는 제품으로 정밀도를

요구하는 전기 계측기나 전기설비 시험용의 전원으로 사용할 수 없는 단점이 있다.

현재 생산되고 있는 UPS(무정전 전원공급 장치)의 기술은 AC 정현파를 만들기 위

해 배터리전압을 24V로 사용하고 있으며, 자체 하중(70kg)이 크기 때문에 이동하기

가 불편하다. AC 교류 정현파를 생성하는 과정에서 아날로그 방식의 회로만을 채

택하여 회로가 복잡하고, 고장이 잦으며, 부피가 크고, 고장이 나면 유니트를 교체

해야만 수리가 가능하다. 또 고조파 발생이 심하고, 장시간 공급전원이 정전되어 축

전지의 소모량이 클 경우 과대한 전류가 흘러 축전지의 수명을 단축시키며 과충전

전류에 의한 화재의 위험성이 내재되어 있었다.

삼화전기(주)와 위탁연구기관에서는 기존 시판 중인 제품의 상기와 같은 문제점 등

을 해결하기 위한 목적으로 구형파를 발생하는 고주파 스위칭된 전압을 트랜스에

입력시켜 승압한 후 DC 전압으로 정류하고 정류된 DC 전압을 마이컴이 소프트웨

어적으로 실행하여 PWM, 즉 펄스폭 변조 방식을 수행토록 함으로써 소프트웨어와

하드웨어의 조작에 의한 제어속도의 개선 및 고속처리와 이에 따른 복합적인 응용

을 가능하게 하고, 기존의 구형파 상용 주파수의 인버터로써 구동할 수 없는 회전

기기 등에 적합하도록 완전정현파의 구조적, 기술적인 문제를 해결하고자 하였다.

또 대형 고중량의 UPS(무정전 전원공급 장치)를 소형 경량화하여 차량용 12V 배터

리를 이용, AC 110V 또는 220V의 정현파의 교류전원을 발생시켜 누구나 쉽게 휴

대용 전원으로 계측장비 및 전기설비 시험 및 점검기구의 전원 공급용으로 활용하

고, 사용자가 간단하게 이용할 수 있도록 하고자 하였다.

기존 제품과 개발 제품을 비교, 요약하면 다음과 같다.

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(1) 기존제품의 인버터

① 동일 용량에서 약 70KG의 대형ㆍ고중량으로 휴대 및 이동이 불편함.

② 기존 인버터의 구동용 전원은 DC 24V를 주로 사용하기 때문에 전원을 얻기가

쉽지 않음.

③ 전등이나 간단한 팬모터 등에 이용되는 인버터는 전원장치로 배터리 및 발전기

를 동시에 운반해야 하기 때문에 장비의 이동이 불편하고 대기 오염의 원인이 됨.

④ 전등이나 간단한 팬모터 등의 가동용으로 시판되고 있는 기존의 인버터는 출력

교류전압이 구형파형이므로 정밀도를 요구하는 측정기구 및 점검기구를 사용할 수

없음.

⑤ 구형파의 출력파형으로 계측기의 지시치에 큰 오차가 발생하여 점검 기구로 사

용 불가함.

⑥ AC 교류 정현파를 생성하는 과정에서 아날로그 방식의 회로만을 채택하여 회로

가 복잡하고, 고장이 잦으며, 부피가 크고, 고장이 나면 유니트를 교체해야만 수리

가 가능함.

⑦ 고조파 발생이 심하고, 장시간 공급전원이 정전되어 축전지의 소모량이 클 경우

과대전류가 흘러 축전지의 수명을 단축시키며 과충전 전류에 의한 화재의 위험성이

있음.

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(2) 개발제품의 인버터

① 동일 용량에서 약 8.8KG의 소형 경랑화로 휴대 및 이동이 간편함

② 인버터의 구동용 전원은 DC 12V가 되도록 개발하였기 때문에 단독의 차량용

배터리 및 차량의 엔진룸에 취부되어 있는 배터리에서 직접 이용할 수 있도록 함

③ DC-DC 컨버터부를 기존의 철심과 권선으로 구성된 권선형 변압기를 사용하여

부피 및 중량에 큰 단점이 있었으나 페라이트 코어를 사용하여 소형ㆍ경량화하고

전자 소음도 줄이는 효과를 얻음

④ 교류 출력파형으로 완전정현파를 얻기 위한 PWM 제어방식 즉 펄스폭 변조방식

을 도입, 소프트웨어적으로 처리하도록 하여 제어속도 및 출력파형의 정밀도를 개

선하여 전기설비의 점검용 계측기의 오차 감소뿐만 아니라 회로의 간결화에 기여함

⑤ 전기설비 점검원의 휴대용 전원으로 사용할 수 있어 업무의 극대화를 높임

⑥ 제품 개발의 과정에서 정보와 기술력을 확보할 수 있음

⑦ 본 제품의 개발과정에서 얻은 KNOW-HOW를 이용하여 차기 개발품의 활발한

연계로 국제 경쟁력 및 수입품 대체효과가 대단히 커짐

2. 기술개발의 내용 및 범위

구형파를 발생하는 기존 인버터와 완전 정현파를 발생하는 개발된 인버터의 동작

메커니즘을 비교하고, 개발 제품의 소형 경량화와 완전 정현파 발생을 하기 위한

구조적, 기술적인 구성 및 개발 요소를 나타낸다.

(1) 기존 제품과 개발 제품의 동작 메커니즘의 비교

1) 기존 인버터

① 일반적으로 인버터 구동 전원으로 DC 24V가 사용된다.

② 교류 출력파형은 구형파이다.

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그림 1 시중에 상용화된 구형파 발생 인버터

2) 개발 제품 인버터

① 인버터 구동 전원으로 DC 12V가 사용된다.

② 교류 출력파형은 PWM(펄스폭 변조방식)제어방식으로 완전 정현파가 발생하는

제품이다.

그림 2 완전 정현파 발생 인버터

배터리 12V, 60Ah를 충전시키기 위해 사용하는 AC 전원은 자동차 발전기를 이용

하고, DC-DC 컨버터는 고주파용 트랜스를 장착하거나 저주파 트랜스로 승압하는

방식을 사용하였고, 펄스폭 변조(PWM) 제어의 수단으로 승압된 DC를 드라이브 회

로에 의해 고속 스위칭 되도록 하였다.

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교류 출력파형으로 구형파와 사인파의 특성 비교를 표1에 나타내었다.

표 1 구형파 및 사인파 비교

항 목 구형파(Square Wave) 사인파(Sin Wave)

파 형

실효값 (rms) Vp(최대치) = Vrms(실효치) Vp(최대치) = Vrms(실효치)×

사용 용도 전등 및 소형 팬모터 전용일반 전기기기의 60[Hz] 상용

전원 공급 장비

전 압

측정 방법

ㆍ실효값 측정용 계측기만 가능

ㆍ일반 계측기로 측정할 경우 :

15% 정도 오차 발생

일반 계측기 사용 가능

사용 장소소용량의 백열전등 부하를 가진

장소

야외 전기기구 설치시 소용량의

무정전이 필요한 장소

(2) 본 제품의 기술개발 구성 및 내용

1) 본 개발 제품의 구성

본 개발 제품의 구성은 적정 주파수를 발생시키는 구형파 발생기, 스위칭용 트랜스,

계측기 사용 전압으로 승압하는 트랜스, 승압된 전압을 정류하기 위한 정류기, 승압

된 전압을 상용주파수로 조작하기 위한 반도체, 센터텝 방식의 트랜스, 그리고 펄스

폭으로 변조된 주파수를 정현파로 만들기 위한 리액턴스 및 변조 펄스를 흡수하기

위해 구성한 캐패시터와 출력 전압을 검출하기 위한 PT, 소프트웨어로 저장할 수

있는 마이컴 등으로 이루어져 있다. 본 개발 제품의 구성은 개략적으로 다음과 같

다.

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① DC-DC 컨버터부

스위칭 펄스

승압용 페라이트 코어

승압용 트랜스

정류부

② 역변환 장치부(인버터)

역변환의 회로

③ MAIN BOARD : PWM 제어부

④ 필터부

개발 제품인 완전 정현파 발생 인버터의 개략도를 그림 3에, 개발 인버터의 해부도

및 명칭을 사진으로 촬영한 것을 그림 4에 나타내었다.

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그림 3 완전 정현파 발생 인버터의 구성도

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그림 4 개발 인버터의 구성 및 명칭

[각 부의 명칭]

① DC-DC 컨버터부 ② 역변환 장치부(인버터)

③ MAIN BOARD : PWM 제어부 ④ 필터부

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2) 개발 제품의 상세 내용

① 충전부 : 교류 입력을 얻는 방법으로 차량용 발전기 또는 가정용 전원을 강압하

여 다이오드나 사이리스터로 정전압 정전류 충전기를 이용하여 배터리를 충전시킨

다. 배터리 규격 12V 60Ah 차량용을 사용하고 인버터를 거치용으로 쓰고자 할 때

는 용량에 무관하며 정격전압 12V만 인가하면 되도록 하였다.

② DC-DC 컨버터부 : 직류 12V를 직류 250V로 승압하는 기능을 가진 부분으로

전력변환을 수행하기 위한 방법이며 저전압 대전류용의 FET를 채택[소전압 대전류

용 MOSFET, IRFP150]

기존의 인버터는 교류 입력전원을 사이리스터로 이용하여 정류하고 DC 쵸크와 DC

커패시터에 의해 일정한 직류 전압으로 변환하여 인버터에 공급하는 방식이지만 본

제품은 입력 DC 12V를 DC 250V로 승압하여 출력시키는 DC → AC → DC 변환

장치의 방식을 채택한 DC - DC 컨버터로 전력 손실이 없는 전력변환 장치이다.

이 DC - DC 컨버터에서 승압된 DC 250V를 역변환장치(인버터)에 공급하는 방식

이다.

스위칭 펄스

입력된 DC 12V를 TLP250의 펄스 신호에 의해 FET소자에서 고속 구형파를 발생시

켜 승압용 스위칭 트랜스에 +, -를 입력시킨다. 고주파 펄스 발생 전용 chip을 사

용, 주변 시정수로서 마일러 콘덴서 및 가변 저항기로 회로를 구성하였다. 또 회로

의 구성에 있어 펄스 발생시에 고조파가 발생하면 펄스 내부에 발진이 일어나 진동

현상으로 전력손실이 발생하므로 이를 고려하여 고조파 발생 억제 대책을 강구하여

회로를 설계 제작하였다.

승압용 페라이트 코어

기존 방식은 철심과 권선으로 구성된 트랜스 리액터를 사용하여 전자음이 발생하

고, 부피 및 중량이 매우 큰 단점이 있었으나 페라이트재질의 코어를 사용하여 소

형ㆍ경량화하고 전자 소음도 줄이는 효과를 얻었다.

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페라이트 코어는 직경 50mm의 크기로 자속 밀도가 크고 자기 저항이 적으며 히스

테리시스손이 적은 재질을 선정하여 사용하였다.

승압용 페라이트 코어에는 1차 권회수 4T, 2차 권회수 200T를 감고 실험에 의한

결과치를 기준으로 하여 감았으며 1차측에 스위칭된 전류는 배터리 1Ah에서 1A정

도 흐르도록 조절하였다. 이 때 전류에 포함된 고주파 성분에 의한 표피효과로 인

해 전류는 도체의 표피를 따라 흐르게 되므로 도체(코일)를 여러 가닥으로 꼬아서

권선하여 표피 효과를 억제시켰다.

승압용 트랜스 : 직류 12V, 즉 FET소자에서 발생한 구형파를 교류

250V(200~370V정도)로 승압하는 기능

센터탭부 변압기를 2개의 스위칭 디바이스로 구동하는 방식이다. 변압기 1차 권선

에는 직류 전압 그 자체가 걸리고 스위칭 디바이스에는 직류 전압의 2배의 전압이

각각 인가되기 때문에 직류 전압이 낮은 경우에 유리한 방식이다. 따라서 본 개발

제품의 DC-DC 컨버터에 채택 적용하였으며, 변압기의 1차 권선과 2차 권선의 누

설 인덕턴스를 작게 하기 위하여 균등하게 감는 것이 매우 중요하다.

그림 5 승압용 트랜스(센터탭형)

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무부하시 트랜스 2차측의 과전압의 유기에 의한 권선의 소손을 방지하기 위하여 전

력용 저항(47[], 10W)를 병렬로 접속하였다.

정류부

최근에 출시된 쌍방향 브리지형 다이오드를 사용하였으며, 고주파 성분이 많이 포

함된 전류에 정공과 전자의 이동은 다이오드 접합면에서 용량이 꽤 큰 콘덴서 역할

로 등가가 되어 출력 , 즉 무부하로 방치하면 다이오드가 과열하여 소손된다. 따라

서 리액턴스 성분의 코일과 내압이 큰 고주파용 전해 콘덴서를 사용하여 반드시 정

류시키고 Full-Bridge 양단에 PWM의 기반 전원으로 사용하였다.

부하의 변동에 따른 출력전압의 변화가 없도록 피드백 제어회로를 채택하여 250V

의 일정한 출력이 되는 기능도 추가하였다.

③ 역변환 장치부(인버터) : DC 220/110V를 AC 220/110V로 변환하는 인버터부

역변환 장치는 직류를 교류로 변환하는 가장 핵심적인 부분이며, 인버터의 IGBT를

직접적으로 구동하는 드라이브 보드와 함께 구성되고, 이 제품의 안정된 동작상태

및 신뢰도를 나타낸다.

DC-DC 컨버터부에서 정류된 직류 전압을 펄스폭 변조 제어를 통한 펄스 신호를

입력하여 저주파 센터탭형 정합용 트랜스와 커패시터를 거쳐 상용주파수의 완전정

현파를 발생하도록 한다.

직렬 접속된 스위치 회로를 단상 인버터의 경우에 2조, 삼상에서는 3조를 직류 전

원 PN간에 접속하여 구성한다.

단상 브리지 기본 구성으로 보면 변압기 1차 권선에 인가되는 전압과 스위칭 디바

이스에 인가되는 전압이 직류 전압 레벨과 같게 되어 디바이스의 전압 이용률이 좋

고 소용랑에서부터 대용량에 이르기까지 폭넓게 사용되기 때문에 본 제품에 풀브리

지형을 채택하였다.

역변환 장치의 기본 회로를 그림 6에 나타내었다.[뒤쪽 참조]

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그림 6 역변환 장치(풀브리지형)

역변환의 회로 구성

역변환 장치는 절연 변압기, 교류 필터, 정류 회로 등을 조합하여 구성되기 때문에

2회로 방식의 역변환 장치는 여러 종류가 있으나, 본 제품에서는 일반적인 역변환

장치를 응용하여 직류 입력에는 전해 콘덴서, 교류 출력에는 정합용 상용 주파수

변압기, 변압기 2차에는 교류 필터를 각각 접속하였다.

출력 전압 파형에 포함되는 고조파를 저감시키기 위하여 PWM 제어 방식을 채택하

였고, 스위칭 디바이스로는 MOS FET의 고속 스위칭 디바이스를 사용하여 구동하

는데 기본이 되는 칩으로 원칩 마이크로프로세스로 소프트웨어적으로 구현하였다.

④ MAIN BOARD : PWM 제어부

메인 기판에서 단상 PWM 제어방식에 의한 펄스 제어신호를 역변환 장치에 입력하

여 기존 구형파 인버터의 구형파 입력신호에 의한 제어 방식에서 나타나지 않는 완

전정현파를 실현하도록 채택하였다.

본 제품에 적용한 PWM 제어방식은 다음과 같이 동작할 수 있도록 구성하였다.

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자동차용 배터리의 전압 12V를 승압 고주파 트랜스에 연결하고 구형파 발생기로

고속 스위칭을 실행하여 전력용 트랜스에 입력하면, 배터리의 전압은 센터텝형 트

랜스에 의해 연결된 배터리 2차측에 교번자속을 가지는 고주파의 구형파가 발생된

다. 따라서 그 발생된 전압을 브리지로 정류하여 캐패시터로 평활시킨 흐름, 다시

저주파 트랜스의 입력용으로 연결하였다.

한편, 소프트웨어적으로 연산되어 출력되는 마이컴에서 정현파를 만들기 위한 펄스

폭으로 변조된 상용주파수를 스위칭 트랜스로 공급하여 저주파 센터텝형 트랜스의

교번자속을 발생시켜 리액턴스를 통과하고 캐패시터에 의해 정형된 파형으로 송출

된다.

송출되는 전압의 크기는 PT를 통해 확인되고 비교기에서 기준전압과 비교하여 반

전시킨 전압의 크기를 구형파 발생 유니트에 피드백시켜 펄스폭 크기를 조정하고

부하의 변동에 관계없이 출력전압이 일정하도록 자동이득 조정 장치를 사용하였다.

자동이득 조정장치의 비교기에 의해 기준전압보다 현저하게 떨어지거나 부하의 단

락에 의해 리액턴스에 과전류가 검출되면 마이컴이 인터럽트를 걸어 펄스폭 변조를

정지하도록 하여 퓨즈 등의 안전장치가 없어도 기기의 손실 또는 파손을 미연에 방

지하고 마이컴을 사용하여 펄스폭 변조를 수행할 수 있도록 구성하였다.

상기의 내용을 그림 7의 동작 흐름도를 이용하여 다시 설명한다.

마이컴에 전원이 투입되면 입출력을 초기화한 다음, 구형파를 만들기 위한 펄스폭

정형 후 기준점을 출발점으로 하여 펄스폭을 점차 넓히면서 출력포트에 보내어지

고, 시간이 경과하여 정현파의 최대치에 가까우면 그 때부터 펄스폭을 점점 좁게

하여 출력포트로 보내어진다. 펄스폭 변조를 수행하여 출력되는 어느 순간에도 과

전류에 의한 인터럽트 신호를 받으면 펄스 출력은 정지되고, 리셋 시킨 후에야 다

시 구형파 펄스 정형작업을 수행하면서 반복 동작이 되도록 하였다.

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그림 7 동작 흐름도

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(3) 인버터의 구조 및 외관

1) 전면부

2) 측면부

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3) 후면부

DC 입력부

① 14 전선을 사용하여 충분한 용량 선정으로 안전을 우선시 하였다.

② 밧데리 단자와의 압착을 높이고자 악어 클립을 사용하였다.

이상전압 / 전류 차단부

① DC 입력 차단 : 2P 50A

② 출력부하 과전류 및 이상전압 차단 : 퓨즈 250V/5A(중)

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(4) DC - DC 컨버터부

1) 취부 사진

2) 방열판 취부

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3) 승압용 트랜스

무정전 전원장치는 교류 입력전원으로 사이리스터를 이용하여 정류하고 DC 쵸크

(Choke)와 DC 커패시터(Capacitor)에 의해 일정한 직류전압으로 변환하여 인버터

에 공급하고 배터리를 충전시키지만, 본 제품은 DC 12V 입력전압을 DC 250V로

출력시키는 DC → AC → DC 변환장치인 DC - DC 콘버터로써 전력 손실이 없는

전력변환 장치이다.

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그림 8 기존 UPS의 전원 변환 방식

그림 9 인버터의 전원 변환 방식(본 제품)

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(5) 드라이브 기판 및 역변환 장치부

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인버터의 IGBT를 직접적으로 구동하는 드라이브 보드(Drive Board)를 나타낸 것이

며, 메인 기판과 IGBT 반도체를 절연시켜 주위 노이즈가 드라이브에 영항을 미치지

않도록 절연을 멸도로 처리하였다.

IGBT Gate 저항은 Switching 구동에 있어 중요한 변수 중의 하나로 저항이 크면

Switching Time이 길어지고 이로 인하여 손실이 커지게 되며, 저항이 작으면

Switching시 di/dt가 높아지므로 서지전압(surge voltage)이 높아지게 된다.

- 27 -

(6) MAIN 기판부

- 28 -

PWM 순시제어를 하여 GATE 드라이브에 신호를 공급하며 각종 입출력의 검출 및

보호 회로로 구성하였고, 전압 파형이 일그러지는 왜형파 전류는 고주파 PWM방식

으로 순시 전압형 제어를 부가하여 제거하도록 하였다.

(7) 특성 비교

1) 한전 전원과 개발 인버터의 전원 비교

(한전 상용 파형) (개발 인버터 파형)

- 29 -

오실로스코프로 파형 비교를 한 결과 개발 인버터의 출력파형은 한전 전원에 비

해 노이즈, 왜형, 전압변동 및 순간 정전이 없는 양호한 완전 정현파의 전원을 얻을

수 있었다.

2) 기존 인버터(교류전원공급장치)와 개발 인버터의 크기 및 중량

동일한 용량(1KVA)에서 기존제품과 비교하기 위한 것으로 기존 제품의 1/4 크기

와 1/8 중량의 소형 경량화로 이동 및 휴대가 편리하고 조작이 매우 간단하며

Simple한 디자인의 안정된 전원을 공급하는 획기적인 개발품이다.

- 30 -

(8) 개발제품 사양

구 분사 양 (SPECIFICATION)

개 발 제 품 기 존 제 품

용 량 1[KVA]

일

반

적

사

항

냉각방식 강제 풍냉식

사용정격 100% 연속 사용

정류부제어방식

센터탭형과 풀브리지형을 응용한

정류방식

사용소자 쌍방향 다이오드

충전부제어방식 고속 스위칭 방식 아날로그 방식

사용소자 MOSFET& IGBT

인버터부제어방식 고주파순시제어 PWM방식

사용소자 IGBT

변압기 페라이트 코어 철심 권선형

입

력

전

원

정격전압 DC 12VDC 24V & AC

110/220V

전압 및 변동범위 정격의 ± 3% 정격의 土 5%

출

력

전

원

정격전압 AC 110 또는 220V AC 110 또는 220V

전압안정도 ± 0.1% 이내

정격주파수 60Hz ± 5% 60Hz ± 7%

과도전압변동± 1% 이내 (정전 및 입력전압

변동시)± 3%

과도응답속도 10ms 이내 20ms 이내

출력파형 완전 정현파 구형파

파형왜율 0.1% 3%

과부하 내량 120%에서 10분간, 150%에서 1분간 120%에서 5분간

소 음30dB

(전방 1.5m, 높이 1.5m에서 측정)45dB

종합효율95%이상(정격 입출력에서

정격부하시)60%

중 량 8.8KG 70KG

사 이 즈 W150x D300x H200 W400x D1200x H600

- 31 -

3. 연구개발의 결과

(1) DC-DC 컨버터 개발, 고주파 발생장치 , PWM 제어방식의 적용, 대전류 FET,

스위칭 펄스 발생장치, 승압용 스위칭트랜스 개발을 통하여 복잡한 회로를 사용하

는 기존의 아날로그 방식의 구형파 인버터를 소형 경량화 하였다.

※ 동일 용량(1KVA)에서 기존 제품의 1/4 크기와 1/8 중량의 소형 경량화로 이동

및 휴대가 편리하고 조작이 매우 간단하며 Simple한 디자인의 안정된 전원을 공급

하는 획기적인 개발품이다.

(2) 한전의 전원이 공급되지 않는 곳에서 차량용 배터리 12V를 이용하여 장소에 구

애받지 않고 교류전원을 공급할 수 있다.

(3) 기존의 구형파 인버터는 전력 손실의 과대 발생으로 인하여 회전기기 및 정밀

기기에 사용할 수 없는 단점이 있기 때문에 원칩 마이크로프로세서를 적용하여 완

전 정현파 인버터를 개발함으로써 일반 전기기기 및 회전기기의 전원 공급장치로

활용할 수 있도록 하였다.

(4) 복잡한 회로를 사용하는 기존의 아날로그 방식을 마이컴의 활용 및 응용으로

부품의 수를 줄이고 전원 안정도를 높이며, 복잡한 기기의 적용에 무리없이 수행할

수 있도록 개선하였다.

(5) 특수 파형을 이용하는 기계에도 회로의 변경 및 유니트의 변형 없이 쉽게 교체

하여 사용할 수 있다.

(6) 소형‧ 경량화로 휴대 및 이동이 간편하여 사용하기 편리하고, 제품원가를 60%

이상 절감하여 중소기업체 등에서 쉽게 채택할 수 있다.

(7) 전기설비 점검원의 휴대용 전원으로 사용할 수 있어 업무의 극대화를 높임

(8) 제품 개발의 과정에서 정보와 기술력을 확보할 수 있음

(9) 본 제품의 개발과정에서 얻은 KNOW-HOW를 이용하여 차기 개발품의 활발한

연계로 국제 경쟁력 및 수입품 대체효과가 대단히 커짐

- 32 -

4. 기술개발 완료에 따른 파급 효과

폐사와 위탁기관에서는 기존 아날로그 빙식의 문제점인 고단가와 고중량의 문제를

개선하여 제품원가를 60% 이상 절감하고 가격경쟁력 및 안정된 전원공급장치로 활

용이 가능하게 하여 현재 많이 사용되고 있는 아날로그 정현파 인버터 시장에 진출

할 것이다.

기존의 구형파 발생 인버터와 달리 소형 인버터의 개발은 전원이 없는 곳에서 차량

을 이용하여 완전 정현파 전원을 공급할 수 있게 하여 기존 발전기에서 나오는 소

음 공해와 매연으로부터 해방시키고 환경친화적 제품으로도 각광 받을 것이다.

특히 야외, 선박 등과 같이 한전 전원이 공급되지 않는 장소와 불시에 전원공급이

요구되는 장소에서의 전원은 구형파의 전원으로는 불가능했던 회전기기(모터, 냉장

고) 및 정밀 계측기기 등을 동작시킬 수 있어 수요는 폭발적으로 늘어 갈 것으로

예측되며, 현재 국내에서 사용되고 있는 이동형 정현파 발생 발전기는 전량 수입에

의존하고 있으므로 개발 국산 장비로 대체할 수 있는 효과가 매우 크다.

무정전 전원 공급장치의 핵심부품(정현파 발생 및 전압조정 마이컴 채택)을 개발,

생산하여 부품의 국산화에도 기여할 것이고, 새로운 제품개발에도 지속적으로 적용

할 수 있는 계기가 될 것으로 예상된다. 본 제품의 개발로 인한 경제적 효과는 다

음과 같은 수입 대체효과를 우선적으로 가져올 수 있을 것으로 사료됩니다.[표 2

참고]

또한, 폐사에서 축적한 기술력에 본 제품의 개발과정에서 습득한 여러 가지

Know-How를 접목시켜 나름대로의 또 다른 기술력을 확보하는데 기여하였으며, 나

아가서는 차후에 개발하고자 하는 새로운 제품 개발에 대한 자신감과 기대감을 고

조시킬 수 있는 계기가 되었고, 국내의 중소기업의 성장에 미흡하나마 일조할 수

있게 되었음을 자부할 수 있었다.

- 33 -

표 2 예상수요량 대비 수입대체 효과

- 34 -

부 록

[본 개발 소형 인버터에 사용된 반도체 소자 특성 자료]

1. FET 소자(IRFP150A) 35~41쪽

: DC 입력부의 센터탭형 스위칭소자(저전압 대전류용) 승압용 트랜스의 입력부

2. DC-DC 컨버터부의 정류부(FMG-36S,R) 42~44쪽

: 승압용 트랜스의 교류출력(AC 250V)에 대한 풀브리지형 정류용 소자(DC 250V)

3. 역변환부(IRFP450) 45~50쪽

: PWM 제어의 고속스위칭 소자

- 35 -

1. FET 소자(IRFP150A)

Advanced Power MOSFET IRFP150A

FEATURES

Avalanche Rugged Technology

Rugged Gate Oxide Technology

Lower Input Capacitance

Improved Gate Charge

Extended Safe Operating Area

175 Operating Temperature

Lower Leakage Current : 10 μA(Max.) @ VDS = 100V

Lower RDS(ON) : 0.032 Ω(Typ.)

Absolute Maximum Ratings

Symbol Characteristic Value UnitsVDSS Drain-to-Source Voltage 100 V

IDContinuous Drain Current (TC=25) 43

AContinuous Drain Current (TC=100) 30.4

IDM Drain Current-Pulsed ① 170 AVGS Gate-to-Source Voltage ±20 VEAS Single Pulsed Avalanche Energy ② 740 mJIAR Avalanche Current ① 43 AEAR Repetitive Avalanche Energy ① 19.3 mJ

dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt ③ 6.5 V/ns

PD

Total Power Dissipation (TC=25)

Linear Derating Factor

193

1.28

W

W/

TJ, TSTG

Operating Junction and

Storage Temperature Range-55 to +175

TL

Maximum Lead Temp. for Soldering

Purposes, 1/8" from case for 5-seconds300

Thermal Resistance

Symbol Characteristic Typ. Max. UnitsRθJC Junction-to-Case - 0.78

/WRθCS Case-to-Sink 0.24 -RθJA Junction-to-Ambient - 40

- 36 -

IRFP150AN-CHANNEL

POWER MOSFET

Electrical Characteristics (TC=25 unless otherwise specified)

Source-Drain Diode Ratings and Characteristics

Notes ;

① Repetitive Rating : Pulse Width Limited by Maximum Junction Temperatur

② L=0.6mH, IAS=43A, VDD=25V, RG=27Ω, Starting TJ=25

③ ISD≤40A, di/dt≤470A/μs, VDD≤BVDSS, Starting TJ=25

④ Pulse Test : Pulse Width = 250 μs, Duty Cycle ≤ 2%

⑤ Essentially Independent of Operating Temperature

- 37 -

Fig 1. Output Characteristics Fig 2. Transfer Characteristics

Fig 3. On-Resistance vs. Drain

Current

Fig 4. Source-Drain Diode Forward

Voltage

Fig 5. Capacitance vs. Drain-Source

Voltage

Fig 6. Gate Charge vs. Gate-Source

Voltage

- 38 -

Fig 7. Breakdown Voltage vs.

Temperature

Fig 8. On-Resistance vs. Temperature

Fig 9. Max. Safe Operating Area Fig 10. Max. Drain Current vs. Case

Temperature

Fig 11. Thermal Response

- 39 -

Fig 12. Gate Charge Test Circuit & Waveform

Fig 13. Resistive Switching Test Circuit & Waveform

Fig 14. Unclamped Inductive Switching Test Circuit & Waveform

- 40 -

Fig 15. Peak Diode Recovery dv/dt Test Circuit & Waveform

- 41 -

TRADEMARKS

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to use and is not intended to be an exhaustive list of all such trademarks.

ACExTM

CooIFETTM

CROSSVOLTTM

E2CMOSTM

FACTTM

FACT Quiet SeriesTM

FAST(R)

FASTrTM

GTOTM

HiSeCTM

ISOPLANARTM

MICROWIRETM

POPTM

PowerTrenchTM

QSTM

Quiet SeriesTM

SuperSOTTM-3

SuperSOTTM-6

SuperSOTTM-8

TinyLogicTM

UHCTM

VCXTM

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systems which, (a) are intended for surgical

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expected to result in significant injury to the user.

2. A critical component is any component of

a life support device or system whose failure

to perform can be reasonably expected to

cause the failure of the life support device or

system, or to affect its safely or

effectiveness.

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Definition of Terms

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Obsolete Not In Production

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that has been discontinued by Fairchild

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- 42 -

2. DC-DC 컨버터부의 정류부(FMG-36S,R)

- 43 -

Ultra-fast-Recovery Rectifier Diodes 600V

- 44 -

- 45 -

3. 역변환부(IRFP450)

PD-9.458C

IRFP450

HEXFET(R) Power MOSFET

• Dynamic dv/dt Rating

• Repetitive Avalanche Rated

• Isolated Central Mounting Hole

• Fast Switching

• Ease of Paralleling

• Simple Drive Requirements

DescriptionThird Generation HEXFETs from International Rectifier provide the designer with the best combination of fast switching. ruggedized device design, low on-resistance and cost-effectiveness.

The TO-247 package is preferred for commercial-industrial applications where higher power levels preclude the use of TO-220 devices. The TO-247 is similar but superior to the earlier TO-218 package because of its isolated mounting hole. It also provides greater creepage distance between pins to meet the requirements of most safety specifications

Absolute Maximum Ratings

Parameter Max. Units

ID@TC=25 Continuous Drain Current, VGS @ 10V 14

AID@TC=100 Continuous Drain Current, VGS @ 10V 8.7

IDM Pulsed Drain Current ① 56

PD@TC=25 Power Dissipation 190 W

Linear Derating Factor 1.5 W/

VGS Gate-to-Source Voltage ±20 V

EAS Single Pulse Avalanche Energy ② 760 mJ

IAR Avalanche Current ① 8.7 A

EAR Repetitive Avalanche Energy ① 19 mJ

dv/dt Peak Diode Recovery dV/dt ③ 3.5 V/ns

TJ

TSTG

Operating Junction and

Storage Temperature Range-55 to + 150

Soldering Temperature, for 10 seconds 300(1.6mm from case)

Mounting Torque, 6-32 or M3 screw 10Ibfoin(1.1Nㆍm)

Thermal Resistance

Parameter Min. Typ. Max. Units

RθJC Junction-Io-Case - - 0.65

/WRθCS Case-to-Sink, Flat, Greased Sur1ace - 0.24 -

RθJA Junction-to-Ambient - - 40

- 46 -

IRFP450

Electrical Characteristics @ TJ=25 (unless otherwise specified)

Parameter Min. Typ. Max. Units Test Conditions

V(BR)DSS Drain-to-Source Breakdown Voltage 500 - - V VGS=0V,ID=250μA

ΔV(BR)DSS/ΔTJ Breakdown Voltage Temp. Coefficient - 0.63 - V/ Reference to 25, ID=1mA

RDS(on) Static Drain-to-Source On-Resistance - - 0.40 Ω VGS=10V,ID=8.4A ④

VGS(th) Gate Threshold Voltage 2.0 - 4.0 V VDS=VGS,ID=250μA

gfs Forward Transconductance 9.3 - - S VDS=50V,ID=8.4A ④

IDSS Drain-to-Source Leakage Current- - 25

μAVDS=500V,VGS=0V

- - 250 VDS=400V,VGS=0V,TJ=125

IGSSGate-to-Source Forward Leakage - - 100

nAVGS=20V

Gate-to-Source Reverse Leakage - - -100 VGS=-20V

Qg Total Gate Charge - - 150

nC

ID=14A

VDS=400V

VGS=10V See Fig.6 and 13 ④

Qgs Gate-to-Source Charge - - 20

Qgd Gate-to-Drain("Miller")Charge - - 80

td(on) Turn-On Delay Time - 17 -

ns

VDD=250V

ID=14A

RG=6.2Ω

RD=17Ω See Figure 10 ④

tr Rise Time - 47 -

td(off) Turn-Off Delay Time - 92 -

tf Fall Time - 44 -

LD Internal Drain Inductance - 5.0 -

nH

Between lead,

6mm(0.25in.)

from package

and center of

die contact

LS Internal Source Inductance - 13 -

CISS Input Capacitance - 2600 -

pF

VGS=0V

VDS=25V

f=1.0MHz See Figure 5

COSS Output Capacitance - 720 -

CrSS Reverse Transfer Capacitance - 340 -

Source-Drain Ratings and Characteristics

Parameter Min. Typ. Max. Units Test Conditions

ISContinuous Source Current

(Body Diode)- - 14

A

MOSFET symbol

showing the

integral reverse

p-n junction diode.ISM

Pulsed Source Current

(Body Diode) ①- - 56

VSD Diode Forward Voltage - - 1.4 V TJ=25, IS=14A, VGS=0V ④

trr Reverse Recovery Time - 540 810 ns TJ=25, IF14A

di/dt=100A/μs ④Qrr Reverse Recovery Charge - 4.8 7.2 μC

ton Forward Turn-On Time Intrinsic turn-on time is neglegible(turn-on is dominated by LS+LD)

Notes:

① Repetitive rating width limited by

max. junction temperature (See Figure 11)

③ ISD≤14A, di/dt≤130A/μs, VDD≤

V(BR)DSS, TJ≤150

② VDD=50V, starting TJ=25, L=7.0mH

RG=25Ω, IAS=14A(See Figure 12)

④ Pulse width≤300μs; duty cycle≤

2%.

- 47 -

Fig 1. Typical Output Characteristics,

TC=25

Fig 2. Typical Output Characteristics,

TC=150

Fig 3. Typical Output Characteristics Fig 4. Normalized On-Resistance Vs.

Temperature

- 48 -

Fig 5. Typical Capacitance Vs.

Drain-to Source Voltage

Fig 6. Typical Gate Charge Vs.

Gate-to Source Voltage

Fig 7. Typical Source-Drain Diode

Forward Voltage

Fig 8. Maximum Safe Operating Area

- 49 -

Fig 10a. Switching Time Test Circuit

Fig 9. Maximum Drain Current Vs.

Case Temperature

Fig 10b. Switching Time Waveforms

Fig 11. Maximum Effective Transient Thermal Impedance, Junction-to-Case

- 50 -

Fig 12a. Unclamped Inductive Test

Circuit

Fig 12b. Unclamped Inductive

Waveforms

Fig 12c. Maximum Avalanche Energy

Vs. Drain Current

Fig 13a. Basic Gate Charge

Waveforms

Fig 13b. Gate Charge Test Circuit

Appendix A : Figure 14, Peak Diode Recovery dv/dt Test Circuit - See page

1505

Appendix B : Package Outline Mechanical Drawing - See page 1511

Appendix C : Part Marking Information - See page 1517

- 51 -