KR101202949B1 - 레그 션트 전류 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

레그 션트(leg shunt) 저항으로부터 입력된 전류를 전압 값으로 변환하는 전류-전압 변환부; 상기 변환된 전압 값을 미리 결정된 범위의 값으로 매핑하는 신호 매핑부; 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 일정 크기로 제한하는 회로 보호부; 및 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 판독하여 상기 입력된 전류의 크기를 검출하고, 검출된 전류의 크기에 따라 상기 신호 매핑부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는, 레그 션트 전류 검출 장치가 개시된다.

Description

레그 션트 전류 검출 장치{APPARATUS FOR DETECTING LEG SHUNT CURRENT}
본 발명은 레그 션트 전류를 검출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
경제형 인버터의 경우, 전 세계적으로 판매량이 가장 많은 제품군으로서 현재에도 여러 회사에서의 가격경쟁이 가장 치열한 제품군이다. 이러한 흐름에 따라, 저가의 모듈을 사용한 인버터를 개발하거나, 전류 검출 소자를 기존의 홀(hall) 센서를 이용한 변류기(current transformer; CT)에서 션트 저항에 의한 검출 방식으로 바꾸면서 전류 검출을 위한 알고리즘 개발 등이 이루어지고 있다. 특히, 션트 저항에 의한 전류 검출 방식에는 출력단 션트, 디씨-링크(DC-link) 단 션트, IGBT 에미터(emitter)와 DCN 사이의 레그 션트 방식 등이 존재한다.
3개의 레그 션트 저항을 사용하여 전류를 검출하기 위한 장치 및 방법을 개시했고, 측정된 전류의 값에 따라 과전류 경고 신호 또는 과전류 억제 신호를 제공하기 위한 장치를 도시한다.
레그 션트 전류 검출 장치가 개시된다. 상기 장치는 레그 션트(leg shunt) 저항으로부터 입력된 전류를 전압 값으로 변환하는 전류-전압 변환부; 상기 변환된 전압 값을 미리 결정된 범위의 값으로 매핑하는 신호 매핑부; 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 일정 크기로 제한하는 회로 보호부; 및 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 판독하여 상기 입력된 전류의 크기를 검출하고, 검출된 전류의 크기에 따라 상기 신호 매핑부의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
레그 션트 저항을 이용한 전류 검출 장치를 종래에 비해 간단하고, 낮은 가격으로 구현하는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 홀 센서를 이용한 인버터 모듈 및 그 출력단 전류를 검출하는 회로를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 저항을 이용하여 레그 션트 전류를 측정하는 인버터 모듈을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 전류 검출 장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 전류 검출 장치의 과전류 검출 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 전류 검출 장치의 회로도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 전류 검출 장치의 과전류 검출을 위한 회로도를 도시한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 인버터 모듈(100)을 도시한다. 인버터 모듈(100)은 3상 교류 전원(1)을 입력받고, 정류기(2)에서 3상 정현파 전압을 정류 하고, 이와 같이 정류된 전압을 평활 콘덴서(4)를 이용하여 평활된 전압을 얻을 수 있다. 이 평활된 전압을 이용하여 인버터(6)에서는 모터를 구동하기 위해 스위칭을 할 수 있고, 인버터(6)는 상기 스위칭에 의해 발생된 전류를 홀 센서(hall sensor)가 내장된 변류기(current transformer)로부터 피드백을 받아 출력부(8)에 연결되는 모터의 필요 전압과 주파수에 맞는 전압으로 전압을 생성할 수 있다. 평활 콘덴서(4)는 초기 충전 시 과도한 돌입 전류(inrush current)를 방지하기 위한 충전 회로(3)가 필요하고, 출력부(8)에 연결되는 모터가 회생하게 되면 평활 콘덴서(4)의 전압이 과도하게 상승하는 것을 방지하기 위한 제동 유닛(unit)을 부가할 수 있다. 실제 구현에서는 제동 유닛(5)에 제동 저항을 외부에 고정하여 사용하도록 하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트(leg shunt) 전류 측정을 수행하기 위한 인버터 모듈(200)을 도시한다. 3개의 IGBT의 에미터 출력(7, 9, 11)에 각각 레그 션트 저항(R52, R51, R50)을 연결할 수 있다. 3개의 션트 저항 측에는 포트(IU+, IV+, IW+)를 연결하여, 션트 전류를 측정할 수 있다.
인버터의 동작순서에 의해 구동회로의 전원이 확립되기 전에 직류전압이 상승하게 된다. 이 직류전압이 상승할 때에 출력 IGBT 양단에도 이 전압이 인가되는데, 이 전압의 분압 형태로 IGBT의 게이트-에미터(gate-emitter) 간에 전압이 상승하게 된다. 이 전압이 IGBT의 게이트 임계(threshold) 전압인 최소 5V를 넘으면 IGBT는 도통하게 되며 단락 등의 사고가 발생할 수 있다.
콜렉터(collector)-에미터간의 전압 VCE에 따라 다소 변화가 있지만, IGBT의 베이스-콜렉터간의 내부 캐패시터 용량은 15/93 [pF] 정도이다. 전압 변화값(dv/dt)을 계산해 보면 게이트-에미터간의 풀다운(pull down) 저항으로 8.2[kΩ]을 사용하면 5/(8.2*103)/(93*10-12)*10-6 = 6.5 [V/us] (dv/dt=i/c=v/r/c)의 전압 상승률에 대해서는 IGBT가 도통되지 않는다. 252 [V]전원에서 선간 순시 최대전압은 356[V]이다. 정류콘덴서의 용량이 2240[uF]이라면 필요한 최소 충전저항은 356/2240/5.5 = 29[mΩ]으로 된다. 또한, 도 2의 하단에 있는 3개의 IGBT 게이트에는 18 [V] 급 제너 다이오드(MMSZ4705)를 설치하여 출력 단락시 게이트 전압의 상승을 억제함으로써 IGBT의 전류가 일정 값에서 제한되도록 하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 전류 검출 장치(300)를 도시한다. 상기 장치(300)는 레그 션트 저항으로부터 입력된 전류를 전압 값으로 변환하는 전류-전압 변환부(310), 상기 변환된 전압 값을 미리 결정된 범위의 값으로 매핑하는 신호 매핑부(320), 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 일정 크기로 제한하는 회로 보호부(330) 및 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 판독하여 상기 입력된 전류의 크기를 검출하고, 검출된 전류의 크기에 따라 상기 신호 매핑부의 동작을 제어하는 제어부(340)를 포함할 수 있다.
전류-전압 변환부(310)는 레그 션트 저항으로부터 전류 신호를 입력받을 수 있다. 입력된 전류 신호는 전류-전압 변환부에 의해 전압 값으로 변환될 수 있다. 또한, 변환된 전압 값은 기준 값과 비교되어 증폭되거나 레벨 시프트될 수 있다. 신호 매핑부(320)는 전류-전압 변환부에서 변환된 전압 값을 미리 결정된 값으로 매핑할 수 있다. 신호 매핑부(320)는 변환된 전압 값을 증폭하고, 증폭된 값에 오프셋을 부가하여 일정 범위의 전압 값으로 매핑할 수 있다. 신호 매핑부(320)는 자신의 출력 측에 연결되는 제어부(340)의 허용 입력 전압인, 예컨대 0.0V 내지 3.0V의 범위의 전압 값을 갖도록 매핑할 수 있다. 이러한 매핑은 레그 션트 저항으로부터 입력된 전류의 크기를 예컨대 0.0V 내지 3.0V의 범위의 전압 값으로 변환할 수 있다.
또한, 신호 매핑부(320)는 이러한 매핑 범위를 결정하기 위해, 전압 값 증폭을 위한 증폭비를 조정할 수 있으며, 예컨대 실제 회로 구성에서는 저항비 등을 조절하여 증폭비를 조정할 수 있을 것이다.
회로 보호부(330)는 신호 매핑부(320)에서 매핑된 전압 값의 크기를 제한할 수 있다. 회로 보호부(330)는 신호 매핑부(320)의 출력 측에 연결되는 제어부(340)에 입력되는 신호의 크기가 일정 범위의 값을 초과하지 않도록 제한할 수 있다. 예컨대, 상기 회로 보호부(330)는 클램핑(clamp) 기능을 갖는 회로일 수 있다. 신호 매핑부(320)로부터 출력된 전압 값의 크기는 본 장치(300)의 설계 과정에서 결정될 수 있지만, 신호 매핑부(320)에서 제어부(340)의 입력될 수 있는 허용 전압 크기보다 크거나 작은 범위의 전압 값이 출력되는 경우 제어부(340), 본 장치(300), 또는 그 밖의 구성 요소들을 보호하기 위한 것이다.
제어부(340)는 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 판독하여 상기 입력된 전류의 크기를 검출하고, 검출된 전류의 크기에 따라 신호 매핑부의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(340)는 신호 매핑부로부터 매핑된 출력된 전압 값을 판독하여, 그 전압 값에 대응하는 레그 션트 전류 값을 검출할 수 있다. 전압 값-전류 값 대응 정보는 제어부의 테이블 내에 저장되어 있을 수 있으며, 정확한 대응 값은 사용자 정의에 의해 정의될 수 있다.
제어부(340)는 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 검출할 수 있다. 출력된 신호는 예컨대 0.0V 내지 3.0V의 범위의 전압 값을 갖는 신호일 수 있다. 예컨대, 1.5V의 값을 기준으로 0.0V 내지 1.5V의 범위의 전압 값은 음의 영역(또는, 역방향)의 전류일 수 있고, 1.5V 내지 3.0V의 범위의 전압 값은 양의 영역(또는, 정방향)의 전류일 수 있다. 제어부(340)는 위에서 언급한 테이블 내의 정보를 이용하여 레그 션트 전류의 크기를 검출할 수 있다.
또한, 제어부(340)는 검출된 전류 크기에 따라 신호 매핑부의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(340)는 전압 값을 입력받고, 입력된 전압 값이 적정한 범위의 크기에 해당하는지를 결정하여 신호 매핑부의 증폭비 또는 오프셋을 변경하도록 지시할 수 있다. 또한, 제어부(340)는 검출된 전류 크기를 비교하여 레그 션트 전류가 과도하게 흐르는지에 대한 경고 신호를 발생할 수 있다. 이러한 경고를 위해, 제어부(340)는 경고 신호 발생기를 포함할 수 있다.
도 4는 경고 신호 발생기(400)를 도시한다. 변환부(400)는 상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 2개의 경로로 분할하는 신호 분배기(410); 상기 2개의 경로 중 하나의 경로의 신호를 제 1 기준 레벨과 비교하는 제 1 비교기(420); 상기 2개의 경로 중 나머지 하나의 경로의 신호를 증폭하는 증폭기(430); 상기 증폭된 신호에 오프셋을 부가하는 전압 시프터(440); 상기 전압 시프터로부터 출력된 신호를 제 2 기준 레벨과 비교하는 제 2 비교기(450); 상기 제 1 비교기 및 상기 제 2 비교기의 비교 결과에 따라 과전류 신호를 발생하는 신호 발생기(460)를 포함할 수 있다.
신호 분배기(410)는 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 기준 크기(상기의 1.5V)를 중심으로 2개의 경로의 신호들로 분할될 수 있다. 예컨대, 제 1 경로는 정방향의 전류를 검출한 신호가 입력되는 경로이고, 제 2 경로는 역방향의 전류를 검출한 신호가 입력되는 경로일 수 있다.
제 1 경로의 신호는 정류 소자를 거쳐 제 1 기준 신호와의 비교를 위해 제 1 비교기(420)로 입력될 수 있다. 위에서 설명한 것처럼, 제 1 경로의 신호는 1.5V 내지 3.0V의 값을 가지는 신호이고, 이는 정방향의 전류를 검출한 것이기 때문에 신호를 변환하지 않고 제 1 비교기(420)로 입력될 수 있다.
제 1 비교기(420)는 제 1 경로의 신호를 제 1 기준 레벨과 비교할 수 있다. 제 1 비교기(420)는 제 1 경로의 신호가 제 1 기준 레벨보다 큰 경우 하이(high) 신호를 출력하고, 제 1 경로의 신호가 제 1 기준 레벨보다 작은 경우 로우(low) 신호를 출력할 수 있고, 반대일 수도 있다.
제 2 경로의 신호는 정류 소자를 거쳐, 증폭을 위한 증폭기(430) 및 레벨 시프트를 위한 전압 시프터(440)를 거쳐 제 2 비교기(450)로 입력될 수 있다. 위에서 설명한 것처럼, 제 2 경로의 신호는 0.0V 내지 1.5V의 값을 가지는 신호이고, 이는 역방향의 전류를 검출한 것이기 때문에 전류의 크기(또는 전류 값의 절대 값)를 변환하고 나서 제 2 비교기로 입력될 수 있다.
예를 들어, 0.0V 내지 1.5V의 값을 가지는 제 2 경로의 신호에서, 0.0V의 신호가 최대 크기의 역방향 전류이고 1.5V의 신호가 최소 크기의 역방향 전류일 수 있다. 따라서, 제 2 비교기에서의 비교 절차를 용이하게 하기 위해, 제 2 경로의 신호를 제 1 경로의 신호와 같이 양의 값을 가지도록 변환하는 절차가 필요하다.
증폭기(430)는 제 2 경로의 신호를 증폭할 수 있다. 위에서 언급한 것처럼, 제 2 경로의 신호는 역방향 전류의 크기를 나타내기 때문에, 제 2 비교기에서의 비교를 위해서는 증폭과 레벨 시프트를 해야한다. 전압 시프터(440)는 증폭된 신호의 크기를 시프트할 수 있다. 제 2 비교기(450)는 시프트된 신호를 제 2 기준 레벨과 비교할 수 있다. 제 2 비교기(450)는 제 2 경로의 신호가 제 2 기준 레벨보다 큰 경우 하이 신호를 출력하고, 제 2 경로의 신호가 제 2 기준 레벨보다 작은 경우 로우 신호를 출력할 수 있고, 반대일 수도 있다.
신호 발생기(460)는 제 1 비교기 및 제 2 비교기의 비교 결과에 따라 과전류 신호를 발생할 수 있다. 과전류 신호는 과전류 신호를 통지하는 것과 관련된 신호를 포함할 수 있다. 예컨대, 과전류 신호는 전류의 크기에 따라 과전류 경고 신호 또는 과전류 억제 신호를 포함할 수 있다.
제어부(340)는 제 1 비교기의 제 1 기준 레벨, 제 2 비교기의 제 2 기준 레벨, 증폭기의 증폭비 또는 레벨 시프트를 위한 오프셋을 제어할 수 있다.
도 5는 레그 션트 저항 측으로 출력되는 레그 션트 전류를 측정하기 위한 장치(500)를 도시한다. 도 5에서는 간략함을 위해 하나의 회로를 도시했으나, 실제로는 각 상에 해당하는 회로 2개가 더 필요하다.
도 5의 입력 신호는 IGBT 에미터에 연결된 레그 션트 저항으로부터 입력되는 전류 IU+이다. IU+가 OP-AMP(U7A, 비교기)를 거쳐 오프셋만큼 더해진 부분이 VIU이고, 제어부로 입력되는 전류는 신호가 IU_AD이다. 회로를 분석하면,
OP-AMP의 2개의 입력 포트의 전압을 V+ 및 V-로 하면,
Figure 112011070899953-pat00001
이다.
또한,
Figure 112011070899953-pat00002
이다.
따라서,
Figure 112011070899953-pat00003
이를 간략히 나타내면,
Figure 112011070899953-pat00004
이다. 여기서, G 및 H는
Figure 112011070899953-pat00005
Figure 112011070899953-pat00006
이다.
R1 = R4 = Rg1, R2 = R3 = 2*Rg2, R5 = Rg2라고 가정하면,
Figure 112011070899953-pat00007
[V] 이다. 따라서, Rg1 및 Rg2 값을 조절하여 증폭비를 조절할 수 있고, VREF 값을 조절하여 VIU 값을 조절할 수 있다. 예컨대, 제어부의 허용 입력 전압은 0V 내지 3V이므로 레그 션트 출력 전압이 최대 값인 경우 VIU는 3V, 최소 값인 경우 VIU는 0V로 출력될 수 있도록 조절할 수 있다. D2는 제어부의 A/D컨버터의 허용 입력 전압인 0.0V 내지 3.0V 보다 크거나 작은 전압 값이 출력될 경우, 이 전압을 DCN(GND) 내지 3.0V로 클램핑(clamp)하기 위한 회로이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레그 션트 전류 검출 장치의 과전류 검출을 위한 회로도(600)를 도시한다. 도 6에서 IU, IV, IW의 파형은 오프셋 전압인 1.5V를 시프트한 형태로써, 1.5V를 기준으로 0.0V 및 3.0V 사이의 사인파형일 수 있다. 이 파형을 정류하여 과전류나 과전류억제를 검출할 수 있다.
도 6을 분석해 보면 다음과 같다. 간략함을 위해 3상 중 하나의 상(IU, IV, IW 중 IU)만을 분석하도록 한다. IU는 신호 매핑부로부터 출력된 신호이다. 상기 출력된 신호는 정현파 형태이며, 이 파형 중 양의 부분은 D3 및 D4 의 2개의 전압만큼 감쇄된 전압 값이 D3의 출력에 나타날 것이다.
상기 파형 중 음의 부분은 D4의 역방향으로 흘러 OP-AMP 측으로 입력될 수 있다. R26의 1번을 Vin, U7D의 12번을 V+, 13번을 V-, U7D의 14번을 Vout이라 하면,
Figure 112011070899953-pat00008
이고,
Figure 112011070899953-pat00009
이다. 만약 V+ = V- 이면, Vout은,
Figure 112011070899953-pat00010
이고, Vout = -Vin + 3 [V] 이다.
즉, Vin(IU)이 1.5V 기준으로 0V인 경우 Vout은 3V로 최대가 되고, 1.5V인 경우 Vout은 1.5V로 최소가 된다.
U2A의 3번을 Vref1이라 하고, U2B의 5번을 Vref2라 하면, 과전류 경고 검출 전압과 과전류 억제 검출 전압의 기준 전압은 아래와 같다.
Figure 112011070899953-pat00011
Figure 112011070899953-pat00012
Vref2 = 2.566 [V] < Vin < Vref1 = 2.695 [V]일 때, 비교기 U2B출력이 액티브 로우(active low)로 과전류 억제 신호를 발생한다. 그리고 Vin > Vref1 = 2.695 [V]면，비교기 U2A출력이 액티브 로우(active low)로 과전류 경고 신호를 발생한다.
위에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으며, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들은 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 예시적인 것임을 인식할 수 있고, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 변형, 수정 등이 가능함을 인식할 것이다.

Claims (7)

  1. 레그 션트(leg shunt) 전류를 검출하기 위한 장치로서,
    레그 션트(leg shunt) 저항으로부터 입력된 전류를 전압 값으로 변환하는 전류-전압 변환부;
    상기 변환된 전압 값을 증폭비에 따라 증폭하고, 증폭된 값에 오프셋을 부가하여 미리 결정된 범위의 값으로 매핑하는 신호 매핑부;
    상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 일정 크기로 제한하는 회로 보호부; 및
    상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 판독하여 상기 입력된 전류의 크기를 검출하고 검출된 전류의 크기에 따라 상기 신호 매핑부의 상기 증폭비 또는 상기 오프셋을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레그 션트 전류 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 검출된 전류의 크기와 기준 크기를 비교하여, 상기 검출된 전류의 크기가 큰 경우 경고 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는, 레그 션트 전류 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 신호 매핑부로부터 출력된 신호를 2개의 경로로 분할하는 신호 분배기;
    상기 2개의 경로 중 하나의 경로의 신호를 제 1 기준 레벨과 비교하는 제 1 비교기;
    상기 2개의 경로 중 나머지 하나의 경로의 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭된 신호에 오프셋을 부가하는 전압 시프터;
    상기 전압 시프터로부터 출력된 신호를 제 2 기준 레벨과 비교하는 제 2 비교기; 및
    상기 제 1 비교기 및 상기 제 2 비교기의 비교 결과에 따라 과전류 신호를 발생하는 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 레그 션트 전류 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제 1 비교기가 상기 신호가 제 1 기준 레벨보다 크다고 결정하면, 과전류 억제 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는, 레그 션트 전류 검출 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제 2 비교기가 상기 신호가 제 1 기준 레벨 내지 제 2 기준 레벨 사이라고 결정하면, 과전류 경고 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는, 레그 션트 전류 검출 장치.


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