KR100960258B1 - 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치에 관한 것으로서, 컨버터와 인버터로 구성되는 전력변환부와, 상기 컨버터와 인버터를 구동하는 제1 및 제2게이트드라이버와, 3상 전압을 제어기에 입력하는 교류전압 입력부와, 상기 교류전압 입력부에서 입력된 3상 전압을 2상 전압으로 변환하고 동기화된 PWM신호를 출력하여 상기 제1 및 제2게이트드라이버를 제어하는 제어기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 컨버터와 인버터를 일체형으로 하고 이를 1개의 제어기로 제어함으로써 전동기를 제어하기 위한 전력 변환 장치의 구성이 간소화되고 그와 같은 컨버터와 인버터의 제어 기능을 구현하기 위해 소요되는 비용을 최소화하는 장점이 있다.

컨버터, 인버터

Description

컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치 { power converting device having converter and inverter assembly }

도 1은 본 발명에 따른 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치의 회로 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 제어부의 상세 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 제어입출력부의 상세 구성도이고,

도 4는 본 발명에 따른 직류전압검출부의 상세 구성도이고,

도 5는 본 발명에 따른 차동입력회로부의 상세 구성도이고,

도 6은 본 발명에 따른 제어부의 JTAG 연결 구성도이고,

도 7은 본 발명에 따른 D/A변환부의 구성도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

110: 전력변환부 112: 컨버터

114: 인버터 120: 제1게이트드라이버

122: 제2게이트드라이버 130: 제어기

140: 제1전류검출부 142: 제2전류검출부

150: 교류전압 입력부 160: 직류전압 검출부

162: 아날로그 입력부 164: 디지털 입력부

170: JTAG인터페이스부 180: D/A변환부

본 발명은 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 전동기를 제어하는 컨버터와 인버터를 일체형으로 하여 1개의 제어기로 전동기를 제어하는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동기의 구동을 위한 전력변환기는 컨버터(converer)와 인버터(inverter)로 그 기능이 구분되고 있으며, 별개의 장치로 두 개의 전력변환기를 사용하는 것이 일반적이다.

상기 컨버터는 전원과 동기화시키기 위하여 전원의 위상(phase)을 검지하는 기능이 필수적으로 사용되고 있으며, 전원의 위상을 검출하기 위해 전원의 교류전압을 필터(filter) 등을 사용하여 정형하거나 또는 위상 시프트(phase shift)의 방법으로 전원을 직접 신호로 사용하는 방법을 이용하거나, 아날로그 비교기를 이용하여 전압이 '0'이 되는 점에서 펄스(pulse)를 발생하여 그 펄스가 발생되는 시점을 기준으로 카운터(counter)를 이용하여 위상을 검지하는 방법 또는 PLL 방법 등 을 일반적으로 사용하고 있다.

이때, 컨버터를 제어하기 위해서는 직류전압의 검출과 교류측의 전류 검출이 필요하며, 제어방법에 따라 제어기를 구동하게 되며 컨버터는 직류전압을 일정하게 유지하도록 동작한다.

한편, 인버터는 전동기의 제어 알고리즘에 따라 전류를 제어하기 위한 전류검출과 전동기의 속도 등에 필요한 검출회로가 구비된다. 그리고, 전동기의 회전속도 또는 토오크를 조정하여 요구하는 조건을 얻기 위하여 제어기는 외부의 입력회로 및 통신회로들을 설계하여 사용하고 있으며, 기타 주 전력소자를 보호하기 위하여 이상동작 또는 과전압 및 과전류에 대한 보호기능을 필수적으로 가져야만 한다.

이를 위해 상기 기능들에 대하여 컨버터와 인버터는 별도의 제어기로 제어하고 있는 실정이며 상기 기능들을 구현하기 위해서는 그 구성이 복잡하고 그 구현을 위한 비용이 증대되는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 컨버터와 인버터를 일체형으로 하고 이를 1개의 제어기를 이용하여 전동기 구동을 제어할 수 있는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
컨버터와 인버터는 IPM으로 구성되며, 상기 IPM 게이트의 각상의 보호출력단에 상기 IPM 게이트의 부족전압이나 과전류로 인한 이상신호가 감지되면 이상신호를 절연 통과시키며 병렬연결되는 제1 내지 제3 포토커플러와, 그 제1 내지 제3포토커플러 중에 어느 하나를 통해 이상신호가 전달되면 절연 통과시켜 상기 제어기로 이상신호를 입력하는 제4포토커플러로 구성되는 제어입출력부를 포함하는 전력변환부와; 전력변환부와; 상기 컨버터와 인버터를 구동하는 제1 및 제2게이트드라이버와; 3상 전압을 제어기에 입력하는 교류전압 입력부와; 상기 교류전압 입력부에서 입력된 3상 전압을 2상 전압으로 변환하고 동기화된 PWM신호를 출력하여 상기 제1 및 제2게이트드라이버를 제어하는 제어기와; 상기 컨버터와 인버터의 전류를 각각 검출하여 상기 제어기로 입력하는 제1 및 제2전류검출부와; 상기 컨버터의 직류전압을 검출하는 직류전압 검출부와; 상기 컨버터의 초기충전 및 기동을 위한 MC구동회로부와; 상기 제어기에 설정값을 입력하기 위한 아날로그/디지털 입력부와; 상기 제어기의 내부 동작과 측정된 변수를 외부 계측기로 출력하기 위한 D/A변환부로 구성되는 것을 그 기본 특징으로 한다.

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또한, 상기 직류전압 검출부는; 상기 컨버터의 검출전압을 분압하는 저항분배기와 상기 검출전압을 절연하는 포토커플러와, 상기 검출전압을 차동증폭하는 차동증폭용 op-amp로 구성되어 제어기에 내장된 A/D변환부로 입력되는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 제어기의 개발프로그램을 다운로드(download)하기 위한 JTAG인터페이스부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

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그리고, 상기 D/A변환부는 상기 제어기의 PWM신호를 절연하는 포토커플러와, 상기 포토커플러커풀러의 PWM신호를 아날로그신호로 변환하는 필터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 제어기는 외부의 아날로그 입력신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환부가 내장된 DSP인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 컨버터와 인버터는 IPM으로 구성되며, 상기 IPM 게이트의 각상의 보호출력단에는, 상기 IPM 게이트의 부족전압이나 과전류로 인한 이상신호가 감지되면 이상신호를 절연 통과시키며 병렬연결되는 제1 내지 제3 포토커플러와, 그 제1 내지 제3포토커플러 중에 어느 하나를 통해 이상신호가 전달되면 절연 통과시켜 상기 제어기로 이상신호를 입력하는 제4포토커플러로 구성되는 제어입출력부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치의 회로 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제어부의 상세 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 제어입출력부의 상세 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 직류전압검출부의 상세 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 차동입력회로부의 상세 구성도이고, 도 6 은 본 발명에 따른 제어부의 JTAG 연결 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 D/A변환부의 구성도이다.

먼저, 도 1에 의하면 본 발명에 따른 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치는 컨버터(112)와 인버터(114)로 구성되는 전력변환부(110)와, 상기 컨버터(112)와 인버터(114)를 구동하는 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)와, 상기 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)를 제어하는 제어기(130)와, 상기 컨버터(112)와 인버터(114)의 전류를 검출하는 제1 및 제2전류검출부(140,142)와, 구동전원인 3상 전압을 제어기(130)에 입력하는 교류전압 입력부(150)와, 상기 컨버터(112)의 전압제어를 위해 상기 컨버터(112)의 직류전압을 검출하는 직류전압 검출부(160)와, 상기 컨버터(112)의 초기충전 및 기동을 위한 MC구동회로부(166)와, 전동기의 제어를 위한 설정값을 입력하기 위한 아날로그/디지털 입력부(162,164)와, 상기 제어기(130)의 개발프로그램을 다운로드(download)하기 위한 JTAG인터페이스부(170)와, 상기 제어기(130)의 내부 동작과 변수의 측정을 위한 D/A변환부(180)로 구성된다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 교류전압 입력부(150)는 3상 전원의 전압을 제어기(130)로 입력하며 이와 같은 3상 전원은 제어기(130)의 내부 연산을 거쳐 2상 전압으로 변환되고, 그 변환된 2상 전압을 이용하여 위상각을 계산하고, 그 위상각을 이용하여 컨버터(112)를 제어하기 위한 PWM신호를 출력하게 된다.

이때, 상기 제어기(130)는 제1게이트드라이버(120)를 구동시켜 컨버터(112)를 제어하며, 제2게이트드라이버(122)를 구동시켜 인버터(114)를 제어한다.

상기 제어기(130)는 도 2에 도시한 바와 같이 DSP로 구성되며, 전력변환부(110)를 구성하는 컨버터(112)와 인버터(114)를 동작시키는 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)에 PWM신호를 출력하여 제어하며, 상기 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)로부터 이상(fault)신호를 전송받아 회로를 보호하게 된다.

또한, 상기 제어기(130)는 아날로그회로(131)를 거쳐 입력되는 전류값과 전압값들을 내장된 A/D변환부(미도시됨)를 통해 디지털신호로 변환하여 연산에 이용하게 된다. 이와 같은 아날로그 회로(131)는 상기 제1 및 제2전류검출부(140,142)와, 교류전압 입력부(150) 및 아날로그신호의 검출 및 외부설정을 위한 외부 아날로그입력부(162)이다.

그리고, 상기 제어기(130)는 범용입출력포트(GPIOC/GPIOD)를 통해 외부회로(132)로부터 데이터를 전송받을 수 있으며, MC구동회로부(166)를 구동시키는 트라이액드라이버(134)를 제어한다.

한편, 상기 제어기(130)는 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)로부터 이상(fault)신호를 검출하게 된다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같은 제어입출력부(136)를 통해 게이트의 부족전압이나 과전류가 감지되는 경우 그 이상신호는 제어기(130)에 입력되어 회로를 보호하게 된다. 즉 상기 제어입출력부(136)는 컨버터(112) 또는 인버터(114)의 구동을 위한 게이트의 부족전압과 과전류에 대하여 상기 제어기(130)를 보호하기 위해 IPM(112a,114a) 게이트의 각상(U상/V상/W상)의 보호출력단에 제1 내지 제3포토커플러(PC1,PC2,PC3)를 병렬연결하고, 그 제1 내지 제3포토커플러(PC1,PC2,PC3)중에 어느 하나를 통해 이상 신호가 전달되면 제4포토커플러(PC4)로 이루어진 보호회로(136a)를 통과하여 제어기(130)로 입력된다. 이와 같은 2단계로 신호를 입력받게 되어 제어기(130)에 입력되면 IPM(112a,114a)을 보호할 수 있게 된다. 즉, 컨버터(112) 또는 인버터(114)를 구성하는 IPM(112a,114a)의 fault 단자는 포토커플러(PC1,PC2,PC3,PC4)를 이용하여 제어기(130)에 각각 1개의 신호를 입력하여 게이트의 부족전압과 과전류에 대한 보호를 한다.

한편 MC구동회로부(166)는 컨버터(112)의 초기충전 저항을 단락시키며, 직류전압 검출부(160)에 의해 검출된 상기 컨버터(112)의 직류전압의 조건에 의하여 동작하게 된다.

이때, 상기 직류전압 검출부(160)는 전력변환부(110)의 직류전압을 검출하여 제어기로 입력되는 것으로 제어기(130) 내부의 A/D변환부(미도시됨)를 통해 디지털화하여 연산됨으로 인해 직류전압을 연산해 낸다.

이와 같은 직류전압 검출부(160)는 도 4에 도시한 바와 같이 포토커플러(160a)와 차동증폭용 op-amp(160b)로 구성된다. 이때, 상기 포토커플러(160a)는 HCPL7840으로 이루어지며, 상기 HCPL7840은 그 이득(gain)을 '8'로 하는 경우 제어기(130)로 사용되는 DSP의 A/D변환 최대범위는 3.3V이므로 각 부분의 저항은 다음과 같은 식 1로 계산되는 조건의 값을 갖도록 저항(R_r1,R_r2,R_s1,R_s2)을 조절하여 저항 분배기(160c)를 설정한다. 상기 저항분배기(160c)의 저항조건에 따라 상기 컨버터의 검출전압을 분압하게 되며 상기 검출전압은 포토커플러(160a)를 거치면서 절연된다. 이 경우 적용 조건에 따라 저항분배기(160c)는 다른 저항값으로 설정함도 가능하다.

------------------ (식 1)

이와 같은 조건에 따라 후단 차동증폭용 op-amp(160b)의 저항(R₁,R₂)의 값을 조정하여 일정 비율로 차동 증폭하여 제어기(130)로 입력받게 되며, 상기 입력된 직류전압은 내부 A/D변환부를 통해 디지털화되어 전력변환부(110)의 컨버터(112) 직류전압을 연산하게 된다.

상기 직류전압 검출부(160)는 전력변환부(110)의 직류전압을 검출하여 제어기(130)로 입력되며, 제어기(130) 내부의 A/D변환부(미도시됨)를 통해 디지털신호로 변환되어 직류전압을 연산한다.

한편, HCT로 이루어지는 상기 제1 및 제2전류검출부(140,142)와, 교류전압 입력부(150) 및 아날로그신호의 검출 및 외부설정을 위한 외부 아날로그입력부(162)의 단자는 도 5에 도시한 바와 같은 차동입력회로부(172)를 통해 제어 기(130)로 입력된다.

이와 같은 차동입력회로부(172)는 상기 제어기(130)의 A/D변환 최대범위인 3.3V 이내가 되어야 하고, 그 op-amp(172a)의 이득은 다음과 같은 식 2로 계산되며, 상기 제1 및 제2전류검출부(140,142)를 구성하는 HCT 및 아날로그입력 신호의 크기를 고려하여 정하게 된다.

------------------ (식 2)

한편, 도 6은 상기 제어기(130)의 JTAG포트에 외부의 개발프로그램의 개발장치를 이용하여 개발프로그램을 다운로드받을 수 있도록 연결하는 기능을 하는 것으로 JTAG커넥터(170a)를 연결하여 외부에서 리셋/테스트리셋 등의 기능 제어 등을 수행할 수 있다.

또한, 상기 제어기(130)의 내부변수는 도 7의 D/A변환회로부(180)를 통해 내부변수를 아날로그신호로 변환 출력하여 외부의 계측기(200)로 그와 같은 출력상태를 측정할 수 있도록 한다.

즉, 상기 제어기(130)는 내부카운터에 의하여 전력변환부(110)를 구동하기 위한 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)의 PWM신호를 출력하며 이와같은 PWM신호는 도 7에 도시한 바와 같이 포토커플러(174a)와 필터(174b)로 이루어지는 D/A변환회로부(174)를 거치게 된다. 이때, 상기 제어기(130)의 PWM신호는 포토커플 러(174a)에 의하여 절연하고, 필터(174b)를 거쳐 아날로그신호로 변환되어 출력된다.

이하, 본 발명에 따른 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치의 작동과정을 도 1 내지 도 7을 참고로 설명한다.

전력변환부(110)를 구성하는 컨버터(112)와 인버터(114)를 구동시키기 위해 교류전원이 교류전압 입력부(150)를 통해 제어기(130)에 입력된다.

그에 따라 상기 제어기(130)는 컨버터(112)와 인버터(114)를 구동시키기 위한 동기화된 PWM신호를 출력하여 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)를 제어하며, 상기 제1 및 제2게이트드라이버(120,122)는 컨버터(112)와 인버터(114)를 구성하는 IPM(112a,114a)의 게이트에 신호를 인가하여 구동시키게 된다.

이때, 직류전압 검출부(160)를 통해 컨버터(112)의 양단의 직류전압을 측정하게 되며 제어기(130)에 내장된 A/D변환부를 통해 디지털화되어 전력변환부(110)의 컨버터(112) 직류전압을 연산하게 된다.

한편, 제1 및 제2전류검출부(140,142)를 통해 현재 컨버터(112)와 인버터(114)의 전류를 검출하며 이는 제어기(130)로 입력되어 내부 A/D변환부를 통해 디지털화되어 전류값을 연산하게 된다.

이때, 상기 제1 및 제2전류검출부(140,142)의 검출 전압/전류는 차동입력회로부(172)를 통해 일정비율 증폭되어 제어기(130)로 입력된다.

또한, 컨버터(112)와 인버터(114)를 구동중에 검출되는 이상신호는 포토커플 러로 이루어지는 제어입출력부(136)를 통해 제어기(130)로 입력받게 되어 회로를 보호하게 된다.

한편 상기 제어기(130)의 JTAG포트에 JTAG커넥터(170a)를 연결하여 외부에서 리셋/테스트리셋 등의 기능 제어 등을 수행하여 정밀 테스트 등을 수행함도 가능하며 제어기(130)의 내부변수를 D/A변환회로부(180)를 통해 아날로그신호로 변환 출력하여 외부의 계측기(200)로 그와 같은 출력상태를 측정 및 확인할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 컨버터와 인버터를 일체형으로 하고 이를 1개의 제어기로 제어함으로써 전동기를 제어하기 위한 전력 변환 장치의 구성이 간소화되고 그와 같은 컨버터와 인버터의 제어 기능을 구현하기 위해 소요되는 비용을 최소화하는 장점이 있다.

Claims (11)

1. 컨버터와 인버터는 IPM으로 구성되며, 상기 IPM 게이트의 각상의 보호출력단에 상기 IPM 게이트의 부족전압이나 과전류로 인한 이상신호가 감지되면 이상신호를 절연 통과시키며 병렬연결되는 제1 내지 제3 포토커플러와, 그 제1 내지 제3포토커플러 중에 어느 하나를 통해 이상신호가 전달되면 절연 통과시켜 제어기로 이상신호를 입력하는 제4포토커플러로 구성되는 제어입출력부를 포함하는 전력변환부와;

   상기 컨버터와 인버터를 구동하는 제1 및 제2게이트드라이버와;

   3상 전압을 제어기에 입력하는 교류전압 입력부와;

   상기 교류전압 입력부에서 입력된 3상 전압을 2상 전압으로 변환하고 동기화된 PWM신호를 출력하여 상기 제1 및 제2게이트드라이버를 제어하는 제어기와;

   상기 컨버터와 인버터의 전류를 각각 검출하여 상기 제어기로 입력하는 제1 및 제2전류검출부와;

   상기 컨버터의 직류전압을 검출하는 직류전압 검출부와;

   상기 컨버터의 초기충전 및 기동을 위한 MC구동회로부와;

   상기 제어기에 설정값을 입력하기 위한 아날로그/디지털 입력부와;

   상기 제어기의 내부 동작과 측정된 변수를 외부 계측기로 출력하기 위한 D/A변환부로 구성되는 것을 특징으로 하는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 직류전압 검출부는; 상기 컨버터의 검출전압을 분압하는 저항분배기와 상기 검출전압을 절연하는 포토커플러와, 상기 검출전압을 차동증폭하는 차동증폭용 op-amp로 구성되어 제어기에 내장된 A/D변환부로 입력되는 것을 특징으로 하는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제어기의 개발프로그램을 다운로드(download)하기 위한 JTAG인터페이스부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서, 상기 D/A변환부는;

   상기 제어기의 PWM신호를 절연하는 포토커플러와, 상기 포토커플러의 PWM신호를 아날로그신호로 변환하는 필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 제어기는 외부의 아날로그 입력신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환부가 내장된 DSP인 것을 특징으로 하는 컨버터와 인버터 일체형 전력 변환장치.
11. 삭제

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