KR101062605B1 - 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터 - Google Patents

직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류/교류 인버터 과부하 보호장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 직류/교류 인버터는 DC 입력전압을 스위칭 펄스로 변환하는 SMPS와; DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 H-브리지부와; H-브리지부로부터 출력된 AC 전압의 전압레벨을 검출하는 전압검출부와; 전압검출부로부터 검출된 검출전압을 기설정된 기준전압과 비교하여 PWM 펄스의 듀티를 가변하는 PWM IC부와; PWM IC부로부터 출력된 PWM 펄스를 전달하는 포토커플러와; 포토커플러로부터 수신된 PWM 펄스의 듀티를 산출하여 과부하 여부를 판단하고, 과부하인 것으로 판단된 경우 SMPS의 동작을 정지시키는 제어부를 포함한다. 이에 의해, 출력 전압의 과부하 여부를 판단하기 위한 MCU를 별도로 추가하지 않으며, 간단한 회로를 이용하여 과부하로부터 제품을 보호할 수 있다.

Description

직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터 { DEVICE FOR PROTECTING OVERLOAD OF DC/AC INVERTER AND DC/AC INVERTER HAVING THE SAME}
본 발명은 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력측 단자와 출력 단자가 분리된 절연형 직류/교류 인버터를 과부하로부터 보호할 수 있는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터에 관한 것이다.
최근 자동차 내에서 AC 사용 가전기기(게임기, 휴대폰 충전기, 휴대용 PC 등)의 사용이 늘어남에 따라 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 기기인 직류/교류 인버터(DC/AC inverter)의 사용이 늘어나고 있다. 특히 RV(레저용 차량)에서는 기본 장비로 장착되는 경향이다. 이러한 직류/교류 인버터는 크게 출력 파형에 따라 사인파(정현파) 인버터와, 모디파이브(변형사인파) 인버터로 분류된다. 그리고, 사인파 인버터는 입력측 접지와 출력측 접지의 연결여부에 따라 절연형 인버터와, 비절연형 인버터로 분류될 수 있다.
이러한 직류/교류 인버터에 있어서 과부하 전류 등에 의한 직류/교류 인버터의 내부부품 파괴는 심각한 결과를 초래하고 화재사고로까지 발전할 수 있는 문제이므로 직류/교류 인버터는 과부하 보호를 위한 장치가 마련되어 있어야 한다.
도 1은 일반적인 비절연형 직류/교류 인버터의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 비절연형 직류/교류 인버터는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(11), 트랜스포머(13), 정류 및 직류 고압부(15), H-브리지(H-bridge)부(17), 전체 시스템 제어를 위한 MCU(19)를 포함한다. 도 1의 비절연형 직류/교류 인버터의 동작을 간단히 살펴보면, DC 저전압을 SMPS(11)를 거쳐 20KHZ~100KHZ 스위칭 펄스로 변환된 후, 트랜스포머(13)를 통해 승압 변환된다. 그리고, 승압된 전원은 정류 및 직류 고압부(15)를 거쳐 DC 200V~300V로 변환되고, 이러한 전압을 H-브리지부(17)에서 사각파 AC 전압으로 변환되어 부하로 출력된다.
도 2는 과부하 보호 회로가 마련된 비절연형 직류/교류 인버터의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 과부하 보호 회로가 마련된 비절연형 직류/교류 인버터는 SMPS(21), 트랜스포머(23), 정류 및 직류 고압부(25), H-브리지부(27), 과부하 감지부(28), MCU(29)를 포함한다. 여기서, 과부하 감지부(28)는 H-브리지부(27)와 연결되어 H-브리지부(27)로부터 출력된 전압의 전압을 감지하는 센싱저항(미도시)과, 센싱저항(미도시)으로부터 출력된 전압을 승압하여 MCU(29)에 전달하는 OP-AMP(미도시)를 포함한다. MCU(29)는 OP-AMP(미도시)로부터 전달받은 전압을 기준전압과 비교하여 과부하 여부를 판단하고, 과부하가 된 경우 SMPS(21)의 작동을 제어함으로써 직류/교류 인버터를 과부하로부터 보호할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 비절연형 직류/교류 인버터의 경우, 과부하 감지부(28)를 마련함으로써 간단한 회로구성을 통해 과부하로부터 보호할 수 있게 된다. 그러나, 절연형 직류/교류 인버터의 경우, 간단한 회로구성을 통해 과부하 보호를 할 수가 없다.
도 3은 일반적인 절연형 직류/교류 인버터의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 절연형 직류/교류 인버터는 SMPS(31), 트랜스포머(33), 정류 및 직류 고압부(35), H-브리지부(37), MCU(39)를 포함한다. 절연형 직류/교류 인버터의 경우, 입력측 접지와 출력측 접지가 분리되어 있어, 전술한 비절연형 직류/교류 인버터의 과부하 보호 회로와 같은 간단한 회로를 사용할 수 없다. 절연형 직류/교류 인버터에서 상기 보호 회로를 사용하려면, H-브리지부(37)로부터 출력되는 전압이 과부하인지 여부를 판단하기 위한 MCU가 별도로 더 마련되어야 한다. 따라서, 회로가 매우 복잡해지고, 가격이 올라가게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 출력 전압의 과부하 여부를 판단하기 위한 MCU를 별도로 추가하지 않으며, 간단한 회로를 이용하여 과부하 보호가 가능한 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 출력 전압을 감지하여 과부하 여부를 판단하는 비절연형 직류/교류 인버터의 과부하 보호 방법을 절연형 직류/교류 인버터에 적용이 가능한 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 직류/교류 인버터에 있어서, DC 입력전압을 스위칭 펄스로 변환하는 SMPS와; DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 H-브리지부와; 상기 H-브리지부로부터 출력된 AC 전압의 전압레벨을 검출하는 전압검출부와; 상기 전압검출부로부터 검출된 검출전압을 기설정된 기준전압과 비교하여 PWM 펄스의 듀티를 가변하는 PWM IC부와; 상기 PWM IC부로부터 출력된 상기 PWM 펄스를 전달하는 포토커플러와; 상기 포토커플러로부터 수신된 상기 PWM 펄스의 듀티를 산출하여 과부하 여부를 판단하고, 과부하인 것으로 판단된 경우 상기 SMPS의 동작을 정지시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제어부는 상기 PWM 펄스의 듀티가 기설정된 기준 PWM 펄스 듀티의 범위를 벗어나면 과부하로 판단하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 H-브리지부는 상기 DC 전압을 상기 AC 전압으로 변환하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 H-브리지 스위치모듈을 포함하고, 상기 전압검출부는 H-브리지 스위칭모듈의 출력단에 직렬 연결된 센싱저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 PWM IC부는, 상기 검출전압과 상기 기준전압을 비교하여 하이 신호 또는 로우 신호를 생성하는 비교기와, 상기 비교기의 비교결과에 대응하여 PWM 펄스의 듀티를 변경하는 스위칭소자를 포함하는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 비교기는 상기 검출전압이 상기 기준전압보다 높으면 하이 신호를 출력하고, 상기 검출전압이 상기 기준전압보다 낮으면 로우 신호를 출력하며, 상기 스위칭소자는 상기 비교기로부터 하이 신호가 출력되면 상기 PWM 펄스의 듀티가 커지도록 스위칭하고, 상기 비교기로부터 로우 신호가 출력되면 상기 PWM 펄스의 듀티가 작아지도록 스위칭 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 직류/교류 인버터는 절연형 직류/교류 인버터인 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 직류/교류 인버터에 있어서, DC 입력전압을 스위칭 펄스로 변환하는 SMPS와; DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 H-브리지부와; 상기 H-브리지부로부터 출력된 AC 전압의 전압레벨을 검출하는 전압검출부와; 상기 전압검출부로부터 검출된 검출전압을 기설정된 기준전압과 비교하여 PWM 펄스 의 듀티를 가변하는 PWM IC부와; 상기 PWM IC부로부터 출력된 상기 PWM 펄스를 전달하는 포토커플러와; 상기 포토커플러로부터 수신된 상기 PWM 펄스의 듀티를 산출하여 과부하 여부를 판단하고, 과부하인 것으로 판단된 경우 상기 SMPS의 동작을 정지시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터에 의해 달성될 수 있다.
이를 통해, 입력측 접지와 출력측 접지가 상이한 절연형임에도 불구하고, 과부하 여부를 판단하기 위한 MCU를 별도로 추가하지 않고도 과부하로부터 제품을 보호할 수 있는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터가 제공된다.
또한, 출력 전압을 감지하여 과부하 여부를 판단하는 비절연형 직류/교류 인버터의 과부하 보호 방식의 간단한 회로구성을 절연형 직류/교류 인버터에서도 이용할 수 있는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치 및 이를 포함한 직류/교류 인버터가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 과부하 보호 장치를 포함한 직류/교류 인버 터의 제어블록도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 과부하 보호 장치를 포함한 직류/교류 인버터의 회로도이다. 여기서, 본 발명에 따른 직류/교류 인버터는 절연형 사인파(정현파) 직류/교류 인버터인 것을 일예로 하여 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 직류/교류 인버터는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(10)와, 트랜스포머(15)와, 정류 및 직류 고압부(20)와, H-브리지(H-bridge)부(30)와, LC 필터부(40)와, 전압검출부(50)와, PWM IC부(60)와, 포토커플러부(photo-coupler)(70)와, 제어부(80)를 포함한다.
SMPS(10)는 DC 입력전압(예컨대, DC 12V)을 20KHZ ~ 100KHZ 스위칭 펄스로 변환시켜 출력한다. 즉, SMPS(10)의 내부에 마련된 PWM IC(미도시)는 후술할 제어부로부터 전류제어 신호를 받아 DC 입력전압이 내부 증폭기(error AMP)를 거치게 한다. 그리고, 이를 오실레이터 전압과 비교하여 내부 로직을 거친 후 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation)된 신호를 스위칭 소자인 MOSFET으로 출력함으로써 스위칭 펄스로 변환한다.
SMPS(10)에서 출력된 전압은 트랜스포머(15)를 거쳐 승압 변환된다. 그리고, 정류 및 직류 고압부(20)를 거처 DC 200V ~ 300V로 출력되고, 정류 및 직류 고압부(20)에서 출력된 전압은 H-브리지부(30)에서 사각파 AC 전압으로 변환되고, LC 필터부(40)의 평활화 과정을 거쳐 부하로 출력된다.
여기서, H-브리지부(30)는 H-브리지 스위칭모듈(31)과 H-브리지 구동모듈(33)을 포함한다. H-브리지 구동모듈(33)은 SMPS(10)로부터 H-브리지 PWM 신호를 인가받아 H-브리지 스위칭모듈(31)을 구동시켜 AC 전압을 출력한다.
H-브리지 스위칭모듈(31)은 일반적으로 4개의 스위칭 소자로 구성된다. 스위칭 소자로는 4개의 FET 소자(또는 4개의 트랜지스터)로 구성되거나, 또는 그 배수(예컨대, 8개 12개, 16개 등)로 구성될 수 있다. H-브리지 스위칭모듈(31)은 4개의 스위칭소자를 이용하여 'X'자 형태의 스위칭 동작으로 사각파 형대의 AC파형을 출력한다. 예를 들어, 제1구간 및 제2구간으로 나뉘어 AC 출력이 이루어진다고 할 때, 제1구간에서는 제1스위치(S1) 및 제4스위치(S4)를 온(ON)으로 하고 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)를 오프(OFF)로 하고, 제2구간에서는 제1스위치(S1) 및 제4스위치(S4)를 오프(OFF)로 하고 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)를 온(ON)으로 하여 제1구간, 제2구간에서 사각파 형태의 AC 파형을 출력한다.
전압검출부(50)는 H-브리지 스위칭모듈(31)의 스위칭 소자의 출력단에 연결되어 H-브리지부(30)로부터 출력되는 전압의 레벨을 검출하는 것으로, 센싱저항(51)과, 증폭기(53)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 전압검출부(50)의 센싱저항(51)은 H-브리지 스위칭모듈(31)의 하측 스위치 모듈인 제3스위치(S3), 제4스위치(S4)와 직렬로 연결된 저항값이 R인 저항으로 구현되며, 직류/교류 인버터의 최종 부하 전류가 센싱저항(51)을 통해 흐르게 된다. 부하 전류가 센싱저항(51)을 통해 흐르게 되면 센싱저항 양단의 전위차에 의해 전압이 생성된다. 센싱저항(51)에 흐르는 전류량이 높을수록 생성되는 전압값도 상승한다.
증폭기(53)는 센싱저항(51)을 통해 만들어진 전압의 전압값이 수십 ~ 수백mV로 매우 낮아 이를 수 V로 증폭하는 것으로, OP-AMP로 구현될 수 있다.
종래 비절연형 직류/교류 인버터의 경우, 전압검출부를 통해 검출된 전압을 제어부가 확인하여 과부하 여부를 판단하는 방식을 이용하여 과부하 보호를 수행하였다. 그러나, 절연형 직류/교류 인버터의 경우 제어부(80)가 전압검출부로(50)부터 검출된 전압을 전달받을 수 없다. 이에, 본 발명에 따른 직류/교류 인버터는 PWM IC부(60)와, 포토커플러(70)를 추가하여 제어부(80)가 전압검출부(50)로부터 검출된 전압을 이용하여 과부하 판단을 할 수 있도록 한다.
PWM IC부(60)는 전압검출부(50)로부터 출력된 출력전압을 소정의 기준전압(Vref)과 비교하여 PWM 듀티비를 변경한다. PWM IC부(60)는 출력전압과 기준전압을 비교한 비교결과에 따라 HIGH 또는 LOW 신호를 출력하는 비교기(61)와, 비교기(61)로부터의 HIGH 또는 LOW 신호에 따라 펄스폭 변조(PWM)의 듀티비(duty rate)가 변경되도록 ON 또는 OFF로 스위칭되는 스위칭 소자(63)를 포함한다. 스위칭 소자(63)는 트랜지스터, MOSFET, IGBT 등으로 구현 가능하다.
예컨대, 기준전압이 2V인 경우, PWM IC부(60)는 증폭기(53)로부터 출력된 출력전압이 기준전압보다 작아 LOW 신호가 출력되면, PWM 펄스의 듀티가 최소 듀티로 출력되도록 1주기 내에서 스위칭소자의 ON 상태가 유지되는 시간을 감소시킨다. 출력전압이 기준전압보다 커 HIGH 신호가 출력되면 PWM 펄스위 듀티가 점점 늘어나도록 1주기내에서 스위칭소자의 ON 상태를 유지하는 시간이 증가시킨다.
포토커플러(70)는 PWM IC부(60)로부터 출력된 PWM 펄스를 절연되어 있는 제어부(80)에 전달한다. 포토커플러(70)는 LED와 포토 트랜지스터(photo-transistor)로 구성된다. 포토커플러(70)는 LED에 전류가 흐르면 LED가 빛을 발산하고, 그 빛을 포토 트랜지스터가 전달받아 트랜지스터를 동작시킴으로써 전기적 신호가 전달된다.
제어부(80)는 포토커플러(70)를 통해 전달받은 PWM 펄스의 듀티를 계산하여 과부하 여부를 판단하는 것으로, 마이컴 등의 컨트롤러로 구현된다.
제어부(80)는 포토커플러(70)로부터 PWM 펄스가 전달되면, PWM 펄스의 듀티를 산출하여 PWM 펄스의 듀티가 소정의 기준 PWM 펄스 듀티의 범위를 벗어났는지 여부를 판단한다. 포토커플러로(70)부터 전달받은 PWM 펄스의 듀티가 기준 PWM 펄스 범위의 최소 듀티 이하이거나, 기준 PWM 펄스 범위의 최대 듀티 이상이면 제어부(80)는 과부하가 걸린 것으로 판단한다. 여기서, 기준 PWM 펄스 듀티의 범위는 0% 내지 100% 내에서 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
제어부(80)는 과부하인 것으로 판단되면, 직류/교류 인버터의 보호 동작을 설정한다. 즉, 제어부(80)는 출력 전압이 발생하지 않도록 SMPS(10)에 전류 제어신호를 전달하여 SMPS(10)의 동작을 정지시킴으로써 과부하로부터 인버터를 보호할 수 있다.
이를 통해, 입력측 접지와 출력측 접지가 상이한 절연형임에도 불구하고, 과부하 여부를 판단하기 위한 MCU를 별도로 추가하지 않고도 과부하로부터 제품을 보호할 수 있다.
또한, 출력 전압을 감지하여 과부하 여부를 판단하는 비절연형 직류/교류 인버터의 과부하 보호 방식의 간단한 회로구성을 절연형 직류/교류 인버터에서도 이용할 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
도 1은 일반적인 비절연형 직류/교류 인버터의 블록도이며,
도 2는 종래 과부하 보호 회로가 마련된 비절연형 직류/교류 인버터의 블록도이며,
도 3은 일반적인 절연형 직류/교류 인버터의 블록도이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 직류/교류 인버터의 제어블록도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직류/교류 인버터의 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : SMPS 15 : 트랜스포머
20 : 정류 및 직류 고압부 30 : H-브리지부
31 : H-브리지 스위칭 모듈 33 : H-브리지 구동모듈
40 : LC 필터부 50 : 전압검출부
51 : 센싱저항 53 : 증폭기
60 : PWM IC부 61 : 비교기
63 : 스위칭소자 70 : 포토커플러
80 : 제어부

Claims (7)

  1. 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치에 있어서,
    DC 입력전압을 스위칭 펄스로 변환하는 SMPS와; DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 H-브리지부와; 상기 H-브리지부로부터 출력된 AC 전압의 전압레벨을 검출하는 전압검출부와; 상기 전압검출부로부터 검출된 검출전압을 기설정된 기준전압과 비교하여 PWM 펄스의 듀티를 가변하는 PWM IC부와; 상기 PWM IC부로부터 출력된 상기 PWM 펄스를 전달하는 포토커플러와; 상기 포토커플러로부터 수신된 상기 PWM 펄스의 듀티를 산출하여 과부하 여부를 판단하고, 과부하인 것으로 판단된 경우 상기 SMPS의 동작을 정지시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치로서,
    상기 제어부는 상기 PWM 펄스의 듀티가 기설정된 기준 PWM 펄스 듀티의 범위를 벗어나면 과부하로 판단하고,
    상기 H-브리지부는 상기 DC 전압을 상기 AC 전압으로 변환하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 H-브리지 스위치모듈을 포함하고,
    상기 전압검출부는 H-브리지 스위칭모듈의 출력단에 직렬 연결된 센싱저항을 포함하며,
    상기 PWM IC부는 상기 검출전압과 상기 기준전압을 비교하여 하이 신호 또는 로우 신호를 생성하는 비교기와, 상기 비교기의 비교결과에 대응하여 PWM 펄스의 듀티를 변경하는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비교기는 상기 검출전압이 상기 기준전압보다 높으면 하이 신호를 출력하고, 상기 검출전압이 상기 기준전압보다 낮으면 로우 신호를 출력하며,
    상기 스위칭소자는 상기 비교기로부터 하이 신호가 출력되면 상기 PWM 펄스의 듀티가 커지도록 스위칭하고, 상기 비교기로부터 로우 신호가 출력되면 상기 PWM 펄스의 듀티가 작아지도록 스위칭 하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 직류/교류 인버터는 절연형 직류/교류 인버터인 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 과부하 보호 장치.
  7. 직류/교류 인버터에 있어서,
    DC 입력전압을 스위칭 펄스로 변환하는 SMPS와; DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 H-브리지부와; 상기 H-브리지부로부터 출력된 AC 전압의 전압레벨을 검출하는 전압검출부와; 상기 전압검출부로부터 검출된 검출전압을 기설정된 기준전압과 비교하여 PWM 펄스의 듀티를 가변하는 PWM IC부와; 상기 PWM IC부로부터 출력된 상기 PWM 펄스를 전달하는 포토커플러와; 상기 포토커플러로부터 수신된 상기 PWM 펄스의 듀티를 산출하여 과부하 여부를 판단하고, 과부하인 것으로 판단된 경우 상기 SMPS의 동작을 정지시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터로서,
    상기 제어부는 상기 PWM 펄스의 듀티가 기설정된 기준 PWM 펄스 듀티의 범위를 벗어나면 과부하로 판단하고,
    상기 H-브리지부는 상기 DC 전압을 상기 AC 전압으로 변환하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 H-브리지 스위치모듈을 포함하고,
    상기 전압검출부는 H-브리지 스위칭모듈의 출력단에 직렬 연결된 센싱저항을 포함하며,
    상기 PWM IC부는 상기 검출전압과 상기 기준전압을 비교하여 하이 신호 또는 로우 신호를 생성하는 비교기와, 상기 비교기의 비교결과에 대응하여 PWM 펄스의 듀티를 변경하는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터.
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