KR100339546B1 - 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로에 관한 것으로, 종래에는 아날로그 역률개선부에서는 입력전압의 파형을 기억하고 있지 못하기 때문에 계속해서 입력전압을 받아들여야 하는 문제점이 있고, 역률개선을 위해 아날로그 타입의 전용 아이씨(IC)를 사용하나 그 아이씨 주변회로가 매우 복잡하고, 보조권선 등을 필요로 함으로써 가격면에서 부담이 매우 큰 문제점이 있고, 아날로그 타입의 전용 아이씨를 마이크로 컴퓨터에 넣어서 원칩화하기 불가능한 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 입력되는 교류전원을 정류하여 직류전압으로 만드는 정류부(61)와, 상기 정류부(61)의 직류전압에 포함되어 있는 교류성분을 제거하는 쵸크코일(62) 및 평활용 콘덴서(63)와, 상기 평활용 콘덴서(63)에서 출력되는 직류전압을 다시 3상의 교류전원으로 변환시켜 모터(M)에 공급하는 인버터(64)와, 상기 평활용 콘덴서(63)의 앞단에 병렬로 연결되어 스위칭신호에 따라 상기 평활용 콘덴서(63)의 충,방전 동작을 제어하는 스위칭소자(Q1)와, 입력되는 상용 교류전원의 제로점(ZERO POINT)를 검지하는 제로전압 검출부(65)와, 상기 평활용 콘덴서(63)의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압레벨 검출부(67)와, 싸인파에 대한 데이터를 저장하고 있는 롬(66)과, 상기 제로전압 검출부(65)에서 검출한 제로전압에 해당하는 펄스를 롬(66)으로 부터 읽어들이고, 상기 전압레벨 검출부(67)에서 검출한 레벨에 따라 상기 롬(66)으로 부터 읽어들인 펄스에 소정의 계수(FACTOR)를 곱하여 역률제어 및 팜기능이 조절된 펄스폭을 출력하는 제어부(68)와, 상기 제어부(68)에서 출력되는 펄스에 따라 상기 스위칭소자(Q1)의 온/오프동작을 제어하는 구동부(69)를 디지탈 회로로 구현하여, 입력전원에 대한 싸인파를 미리 기억소자에 기억해 둠으로써, 주변회로를 필요로 하지 않아 회로가 간단히 구현가능하고, 마이크로 컴퓨터와 에이직화가 쉽기 때문에 값싸게 만들 수 있도록 한 것이다.

Description

인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로{THE POWER FACTOR IMPROVEMENT AND PULSE AMPLITUDE MODULATION CONTROL CIRCUIT FOR INVERTER SYSTEM}

본 발명은 디지탈 제어로 인버터 시스템의 역률보정 및 팜(PULSE AMPLITUDE MODULATION) 기능을 조절할 수 있도록 하여 주변회로 필요없이 간단하게 회로를 구현할 수 있도록 한 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로에 관한 것으로, 특히 디지탈 회로로 구현시 마이크로 컴퓨터와 에이직(ASIC)화하여 싼 가격으로 만들 수 있도록 한 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로에 관한 것이다.

가전제품의 에너지 절약, 출력 제어 용이성 때문에 급속히 인버터(INVERTER)화가 추진되고 있다.

상기 인버터(INVERTER)에 의해 구동되는 모터를 적용한 가전제품으로 세탁기, 냉장고, 에어콘 등이 시장에 나오고 있다.

도 1은 종래 인버터 시스템의 구성도로서, 이에 도시된 바와같이 입력되는 상용교류전원을 브리지 다이오드를 통해 직류전압으로 정류하는 정류부(11)와, 상기 정류부(11)의 출력을 평활시켜 출력하는 쵸크코일(12)및 평활용 콘덴서(13)와, 상기 쵸크코일(12) 및 평활용 콘덴서(13)를 통해 평활된 직류전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 다시 3상의 교류전원으로 변환시켜 모터(M)로 제공하여 구동하도록 하는 인버터(14)로 구성된다.

이와같이 구성된 인버터 시스템의 동작을 도 2에 의거하여 살펴보면, 먼저 도2(a)에서와 같은 상용 교류전원 전압파형과 도 2(b)에서와 같은 상용 교류전원 전류파형을 갖는 교류전원을 정류부(11)로 공급하면, 상기 정류부(11)는 브리지 다이오드를 이용하여 직류전압으로 정류하여 쵸크코일(12)로 출력한다.

그러면 상기 쵸크코일(12)과 평활용 콘덴서(13)에 의해 평활하여 상기 정류부(11)의 직류전압에 포함되어 있는 교류성분을 제거하고, 이 교류성분을 제거한 직류전압을 인버터(14)로 출력한다.

이때 상기 인버터(14)로 입력되는 직류전압은 입력교류전원의 피크치보다 큰 전압이 된다.

이에따라 상기 인버터(14)는 평활용 콘덴서(13)에서 입력되는 직류전압을 스위칭소자의 온/오프 동작에 의해 3상의 교류전원으로 변환하여 모터(M)에 제공하여 모터를 구동한다.

상기 도 2(b)에서 시간 t는 쵸크코일(12)과 평활용 콘덴서(13)의 시정수에 의해 결정되는 시간인데, 보통은 상용교류전원 1주기의 1/5 이하이다.

이때 역률이 1이라고 가정하면, 인버터에 흐르는 전류파형은 입력되는 상용 교류전원과 동일 위상이며, 전류최대 크기보다 훨씬 작은 피크전류를 가지고 있는데, 이는 도 2(c)에 도시한 바와같다.

이렇게 도 2(c)에서와 같은 이상적인 전류파형을 만들면, 노이즈 저감, 무효전력감소 등이 이루어지고, 이에 따라 선진국에서 도 2(c)에서와 같은 파형을 만들도록 법제화하고 있는 실정이다.

도 2(c)에서와 같은 파형을 만들기 위하여 역률 개선회로를 사용하는데, 이에 대한 구성은 도 3에 도시된 바와같다.

도 3은 종래 인버터 시스템의 역률 개선회로에 대한 상세도로서, 이에 도시된 바와같이, 입력되는 상용교류전원을 브리지 다이오드를 통해 직류전압으로 정류하는 정류부(31)와, 상기 정류부(31)의 출력을 평활시켜 출력하는 쵸크코일(32)및 평활용 콘덴서(33)와, 상기 쵸크코일(32) 및 평활용 콘덴서(33)를 통해 평활된 직류전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 다시 3상의 교류전원으로 변환시켜 모터(M)로 제공하여 구동하도록 하는 인버터(36)와, 상기 정류부(31)의 출력전압과 상기 평활용 콘덴서(33)의 양단에 걸리는 전압을 비교기, 멀티플렉서, 낸드게이트 및 노아게이트 등을 이용하여 전체적인 입력전류와 입력 전압의 위상이 같도록 하기 위한 펄스폭 듀티를 가변시키는 아날로그 역률개선부(34)와, 이 아날로그 역률개선부(34)에서 가변된 펄스폭 듀티에 의해 온 또는 오프되어 상기 평활용 콘덴서(33)의 충방전 동작을 제어하는 스위칭소자(Q1)로 구성되어 역률을 보정하는 역률 보정부(35)로 구성된다.

이와같이 구성된 역률보정의 동작을 도 3, 도 4에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

상용 교류전원이 인가되면, 정류부(31)에서 직류전압으로 정류하여 출력한다.

이렇게 출력되는 직류전압은 역률 보정부(35)의 저항(R1,R2)에 의해 분압되어 아날로그 역률개선부(34)의 ③번 단자(VM1)로 입력되고, 쵸크코일(32)에 의해 유기된 전압이 저항(R5)을 통해 상기 아날로그 역률개선부(34)의 ⑤번 단자(Idet)로 입력되고, 상기 쵸크코일(32)에 의해 유기된 전압이 저항(R4)과 다이오드(D1) 및 콘덴서(C1)에 의해 조정된 전압과 저항(R3)에 의해 조정된 전압이 더하여지고, 이 더하여진 전압이 상기 아날로그 역률개선부(34)의 ⑧번 단자(VCC)로 입력된다.

상기에서 ⑧번 단자(VCC)를 통해 계속해서 입력전압을 받아들이는 이유는 역률제어시 상기 입력전압의 파형과 같도록 하기 위해서이다.

그리고 상기 정류부(31)의 직류전압이 쵸크코일(32)과 다이오드(D2)를 거쳐 인버터(36)로 입력되는 전압이 저항(R12-R13)에 의해 분압되고, 그 분압된 전압이 저항(R11)을 통해 상기 아날로그 역률개선부(34)의 ①번 단자(INV)로 입력됨과 아울러 다시 콘덴서(C2)와 저항(R7,R8)을 통해 시정수가 조절되어 상기 아날로그 역률개선부(34)의 ②번 단자(COMP)로 입력되고, 상기 인버터(36)에 공급되는 전류에 해당하는 전압 즉, 콘덴서(C3)에 의해 결정되는 전압이 ④번 단자(CS)로 입력된다.

이렇게 입력된 전압은 도 4에 도시된 비교기(341,346,349), 멀티플렉서(347), 낸드게이트(343,344), 셀프 스태터(342) 및 노아게이트(345) 등을 통해 입력전압과 인버터(36)의 출력전압을 비교하여 두 전압이 같도록 조합한 펄스를 출력하는데, 결과적으로 도 5의 (a)(b)에서 알 수 있듯이 사인파의 낮은 부분에서는 듀티가 커지고, 사인파의 높은 부분에서는 듀티가 낮도록 하기 위한 펄스를 ⑦번 단자를 통해 출력한다.

상기 아날로그 역률개선부(34)의 ⑦번 단자(Vout)를 통해 출력되는 펄스는 스위칭소자(Q1)의 게이트로 입력되어, 상기 스위칭소자(Q1)가 펄스에 맞추어 온 또는 오프하여 입력전류와 입력전압의 파형이 같도록 하여 역률을 보정한다.

그러나 상기에서와 같이 종래기술의 아날로그 역률개선부에서는 입력전압의 파형을 기억하고 있지 못하기 때문에 계속해서 입력전압을 받아들여야 하는 문제점이 있고, 역률개선을 위해 아날로그 타입의 전용 아이씨(IC)를 사용하나 그 아이씨 주변회로가 매우 복잡하고, 보조권선 등을 필요로 함으로써 가격면에서 부담이 매우 큰 문제점이 있고, 아날로그 타입의 전용 아이씨를 마이크로 컴퓨터에 넣어서 원칩화하기 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 디지탈 회로로 구현하여 제조가 간단하고, 불량률이 낮아 싼 가격으로 만들수 있도록 한 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 입력전원에 대한 사인파를 미리 기억소자에 기억해 둠으로써, 아날로그의 주변회로를 필요로 하지 않아 회로가 간단히 구현되는 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 역률제어 및 팜기능을 제어하기 위한 회로를 마이크로 컴퓨터와 에이직화가 쉽기 때문에 값싸게 만들 수 있도록 한 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 인버터 시스템의 블럭 구성도.

도 2는 도 1에 대한 각 부의 입출력 파형도.

도 3은 종래 인버터 시스템의 역률 개선회로에 대한 상세도.

도 4는 도 3에서, 아날로그 역률개선부의 상세도.

도 5는 도 4에서, 각 부의 입출력 파형도.

도 6은 본 발명 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로에 대한 상세도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

61 : 정류부 62 : 쵸크코일

63 : 평활용 콘덴서 64 : 인버터

65 : 제로전압 검출부 66 : 롬

67 : 전압레벨 검출부 68 : 제어부

69 : 구동부 Q1 : 스위칭소자

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력 교류전원을 정류하는 정류부와, 그 정류부에서 정류하여 얻어진 직류전압에 포함된 교류성분을 제거하는 초크코일 및 평활용 콘덴서와, 상기 직류전압을 3상 교류전원으로 변환시켜 모터로 제공하는 인버터와, 상기 평활용 콘덴서의 앞단에 병렬로 연결되어 평활용 콘덴서의 충,방전을 조절하는 스위칭소자와, 상기 상용 교류전원의 제로점(ZERO POINT)을 검지하는 제로전압 검출부와, 상기 평활용 콘덴서의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압레벨 검출부와, 상기 제로전압 검출부에서 검출한 제로전압에 해당하는 펄스를 사인파에 대한 데이터를 미리 저장하고 있는 롬으로 부터 읽어들이고, 상기 전압레벨 검출부에서 검출한 레벨에 따라 상기 펄스에 소정의 계수를 곱하여 역률제어 및 팜기능이 조절된 펄스폭 신호를 출력하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로에 대한 상세도로서, 이에 도시한 바와같이 입력되는 상용 교류전원을 정류하여 직류전압으로 만드는 정류부(61)와, 상기 정류부(61)의 직류전압에 포함되어 있는 교류성분을 제거하는 쵸크코일(62) 및 평활용 콘덴서(63)와, 상기 평활용 콘덴서(63)에서 출력되는 직류전압을 다시 3상의 교류전원으로 변환시켜 모터(M)에 공급하는 인버터(64)와, 상기 평활용 콘덴서(63)의 앞단에 병렬로 연결되어 스위칭신호에 따라 상기 평활용 콘덴서(63)의 충,방전 동작을 제어하는 스위칭소자(Q1)와, 상기 상용 교류전원의 제로점(ZERO POINT)을 검지하는 제로전압 검출부(65)와, 상기 평활용 콘덴서(63)의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압레벨 검출부(67)와, 상기 상용 교류전원의 사인파에 대한 데이터를 저장하고 있는 롬(66)과, 상기 제로전압 검출부(65)에서 검출한 제로전압에 해당하는 펄스를 상기 롬(66)으로 부터 읽어들이고, 상기 전압레벨 검출부(67)에서 검출한 레벨에 따라 상기 롬(66)으로 부터 읽어들인 펄스에 소정의 계수(FACTOR)를 곱하여 역률제어 및 팜기능이 조절된 펄스폭 신호를 출력하는 제어부(68)와, 상기 제어부(68)에서 출력되는 펄스폭 신호에 따라 상기 스위칭소자(Q1)의 온/오프동작을 제어하는 구동부(69)로 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

상용 교류전원이 입력되면 이를 정류부(61)에서 입력받아 브리지 다이오드를 이용하여 직류전압으로 정류하여 출력한다.

이렇게 출력된 직류전압은 쵸크코일(62)과 평활용 콘덴서(63)에서 평활하여 직류전압에 포함되어 있는 교류성분을 제거하여 인버터(64)로 공급한다.

그러면 상기 인버터(64)의 스위치들이 온/오프동작을 행하여 직류전압을 다시 3상의 교류전원으로 변환시켜 모터(M)로 공급한다.

이에따라 상기 모터(M)가 구동하기 시작한다.

이때 인버터(64)를 이용하여 모터(M)의 속도를 가변시키기 위하여, 상기 인버터(64)로 공급되는 직류전압의 레벨크기를 바꾸어 주기위하여 팜(PAM)기능을 조절하고, 효율적인 동작을 위하여 역률제어를 행하는데, 이는 다음과 같이 수행한다.

먼저, 제로전압 검출부(65)에서 입력되는 상용 교류전원의 제로점(ZERO POINT)를 검지하여 제어부(68)로 출력한다.

이때 기억소자인 롬(66)에는 제로점에 동기시킨 교류전원의 사인파 0∼90°에 대응하는 데이터가 저장되어 있다.

따라서 아날로그에서와 같이 계속해서 입력전압을 받아들이지 않고, 롬(66)에미리 저장해두고, 이 저장해둔 데이터를 읽어들여 사용한다.

이에 따라 제로전압 검출부(65)에서 제로점을 검출하여 제공하면, 상기 제어부(68)는 롬(68)으로 부터 읽어들인 '0'번지의 데이터와 펄스폭 결정계수(factor)인값을 곱한 펄스폭 신호를 내부 레지스터에 저장한다.

그런다음 상기 내부 레지스터에 저장되어 있는 값을 디스카운트(discount)하면서 구동부(69)로 카운트되는 펄스를 출력한다.

그러면 상기 구동부(69)는 상기 제어부(68)로 부터 카운트되는 펄스가 출력되는 동안 하이신호를 스위칭소자(Q1)로 출력하여 온시키는데, 이러한 동작을 제어부(68)의 내부 레지스터의 값이 디스카운트되어 제로(ZERO)가 될 때 까지 온시킨다.

이후에, 소정의 시간(즉, 스위칭소자의 동작주파수인 20KHz시 보통 50μs) 후 제어부(68)는 롬(66)으로 부터 읽어들인 번지에 +1을 한 번지의 데이터를 읽어들인다.

이렇게 읽어들인 값에 앞에서 곱한 펄스폭 결정계수(factor)를 곱하고, 이 곱한 값을 내부 레지스터에 저장시킨 후 디스카운트하면서 이 디스카운트되는 값을 구동부(69)로 출력한다.

이후의 동작은 앞에서의 동작을 반복한다.

그리고 상기 롬(66)에 저장되어 있는 사인파 데이터가 90°가 되면 다시 번지를 -1씩한다.

이상에서와 같은 동작을 수행할 때, 전압레벨 검출부(67)는 상기 인버터(64)에 공급되는 평활용 콘덴서(63) 양단에 걸리는 직류전압을 검출하여 미리 설정되어 있는 기준값과 비교하고, 이 비교한 값을 상기 제어부(68)로 제공한다.

그러면 상기 제어부(68)는 제로전압 검출부(65)로 부터 제로전압 검출신호가 발생하면 상기 전압레벨 검출부(67)에서 제공하는 비교값을 받아들인다.

상기 전압 레벨 검출부(67)에서 받아들인 비교값이 소정값 이상이면 펄스폭 결정계수의 값을 키우고, 소정값 이하이면 상기 펄스폭 결정계수의 값을 줄인다.

예를들어, 비교값이 소정값 이상이면 펄스폭 결정계수의 값에 1.5를 곱하여 계수값을 키우고, 소정값 이하이면 펄스폭 결정계수의 값에 0.1을 곱하여 계수값을 줄인다.

결국 상기 제어부(68)는 롬(66)에 저장되어 있는 사인파 데이터와 상기 전압레벨 검출부(67)에서 검출한 전압레벨에 따른 펄스폭 결정계수를 곱하여 펄스폭이 조정된 펄스폭 신호를 구동부(69)로 출력한다.

그러면 상기 구동부(69)는 상기 제어부(68)로 부터 제공되는 펄스폭 신호에 의해 온/오프동작을 수행하여 상기 인버터(64)로 공급되는 전압을 조절한다.

여기서 상기 전압레벨 검출부(67)는 아날로그/디지탈 변환기를 사용하여 검출하기도 하고, 비교기를 이용하여 검출할 수도 있다.

이상에서와 같은 동작에 의해 역률(PFC)을 제어하고, 팜(PAM) 기능을 수행할 수 있도록 한다.

앞에서 설명한 바와같이 아날로그로 방식으로 제어하는 대신 디지탈로 제어함으로써, 디지탈 회로 구현시 그의 제조가 간단하고, 불량률이 없기 때문에 싼 가격으로 만들 수 있다.

그리고, 기억소자에 상용 교류전원의 사인파에 대한 정보를 미리 기억해둠으로써 입력전압을 피드백받기 위한 별도의 주변회로를 필요로 하지 않음으로써, 간단한 회로로 구현할 수 있다.

또한, 디지탈로 구성되는 제로전압 검출부(65), 롬(66), 전압레벨 검출부(67), 제어부(68) 등은 마이크로 컴퓨터와 에이직화가 쉽기 때문에 값싸게 만들 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 입력전원에 대한 사인파 데이터를 미리 기억소자에 기억해 둠으로써, 주변회로를 필요로 하지 않아 회로가 간단히 구현가능하고, 마이크로 컴퓨터와 에이직화가 쉽기 때문에 값싸게 만들 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 입력되는 상용 교류전원을 정류하여 직류전압으로 만드는 정류부와, 상기 정류부의 직류전압에 포함되어 있는 교류성분을 제거하는 쵸크코일 및 평활용 콘덴서와, 상기 평활용 콘덴서에서 출력되는 직류전압을 다시 3상의 교류전원으로 변환시켜 모터에 공급하는 인버터와, 상기 평활용 콘덴서의 앞단에 병렬로 연결되어 스위칭신호에 따라 상기 평활용 콘덴서의 충,방전 동작을 제어하는 스위칭소자와, 상기 입력되는 상용 교류전원의 제로점을 검지하는 제로전압 검출부와, 상기 평활용 콘덴서의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압레벨 검출부와, 상기 상용 교류전원의 사인파에 대한 데이터를 미리 저장하고 있는 롬과, 상기 제로전압 검출부에서 검출한 제로전압신호 출력시 상기 롬의 해당번지로 부터 사인파 데이터를 읽어들이고, 상기 전압레벨 검출부에서 검출한 레벨에 따라 결정되는 펄스폭 결정계수를 상기 사인파 데이터에 곱하여 펄스폭이 조정된 펄스 신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부에서 출력되는 펄스 신호에 따라 상기 스위칭소자의 온/오프시간을 제어하는 구동부를 포함한 것을 특징으로 하는 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로.
2. 제1항에 있어서, 전압레벨 검출부는 아날로그/디지탈 변환기를 사용하여 구성된 것을 특징으로 하는 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로.
3. 제1항에 있어서, 전압레벨 검출부는 비교기룰 사용하여 구성된 것을 특징으로 하는 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로.
4. 제1항에 있어서, 롬은 상용 교류전원의 0∼90°의 사인파 데이터를 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 인버터 시스템의 역률개선 및 팜 제어회로.