KR101887067B1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 Download PDF

Info

Publication number
KR101887067B1
KR101887067B1 KR1020160158995A KR20160158995A KR101887067B1 KR 101887067 B1 KR101887067 B1 KR 101887067B1 KR 1020160158995 A KR1020160158995 A KR 1020160158995A KR 20160158995 A KR20160158995 A KR 20160158995A KR 101887067 B1 KR101887067 B1 KR 101887067B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switching element
temperature
inverter
power conversion
thermistor
Prior art date
Application number
KR1020160158995A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180060012A (ko
Inventor
김기홍
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020160158995A priority Critical patent/KR101887067B1/ko
Publication of KR20180060012A publication Critical patent/KR20180060012A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101887067B1 publication Critical patent/KR101887067B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F25B49/025—Motor control arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/02—Compressor control
    • F25B2600/024—Compressor control by controlling the electric parameters, e.g. current or voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과열에 의한 소자의 소손을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 모터를 구동하기 위한 삼상 교류 전류를 생성하는 인버터; 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부; 상기 인버터의 삼상 중 어느 한 상의 상암 측 스위칭 소자 및 하암 측 스위칭 소자 사이에 연결되어 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하기 위한 검출 신호를 출력하는 온도 검출 회로; 및 상기 온도 검출 회로의 검출 신호를 이용하여 상기 스위칭 소자의 온도를 계산하고, 상기 계산된 온도에 따라 상기 구동부에 인버터 제한 신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 {Power transforming apparatus and air conditioner including the same}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과열에 의한 소자의 소손을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 조화기의 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 이러한 모터에는 전력 변환 장치로부터 교류 전력이 공급된다.
이와 같은 전력 변환 장치는 주로, 정류부, 역률 제어부 및 인버터 방식의 전력 변환부를 구성하는 것이 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터와 같은 전력 변환부에 공급된다. 이때, 전력 변환부는, 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.
보통 인버터와 같은 다수의 IGBT 소자를 이용하는 부품의 경우에는 모듈 형태로 구비되는 경우가 많고, 이 경우에는 모듈 내에 소자의 열을 감지하여 열에 대한 보호 기능을 포함할 수 있다.
그러나, 모듈 형태가 아닌 개별 스위칭 소자를 사용하는 구성에 있어서는 열에 대한 보호 기능을 포함하고 있지 않다.
따라서, 스위칭 소자에 히트 싱크(Heat sink)가 미체결 또는 오체결되는 경우나 기타 여러 상황에서 스위칭 소자가 발열에 의해 소손되는 경우가 발생할 수 있으므로, 이러한 스위칭 소자를 과열로부터 보호할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 개별적으로 사용되는 스위칭 소자를 과열로부터 효과적으로 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 모터를 구동하기 위한 삼상 교류 전류를 생성하는 인버터; 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부; 상기 인버터의 삼상 중 어느 한 상의 상암 측 스위칭 소자 및 하암 측 스위칭 소자 사이에 연결되어 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하기 위한 검출 신호를 출력하는 온도 검출 회로; 및 상기 온도 검출 회로의 검출 신호를 이용하여 상기 스위칭 소자의 온도를 계산하고, 상기 계산된 온도에 따라 상기 구동부에 인버터 제한 신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 소자는 표면 실장형 소자(Surface Mount Device; SMD)일 수 있다.
이때, 상기 스위칭 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)이고, 상기 온도 검출 회로는 상기 IGBT의 콜렉터 핀에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 온도 검출 회로는, 상기 상암 측 스위칭 소자 및 하암 측 스위칭 소자 사이에 연결되는 서미스터; 및 상기 서미스터 양단의 전압을 증폭하는 차동 증폭기를 포함할 수 있다.
이때, 서미스터는, 상기 하암 측 스위칭 소자 측에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 상암 측 스위칭 소자가 오프(off) 되고 상기 하암 측 스위칭 소자가 온(on) 된 상태에서 상기 스위칭 소자의 온도를 계산할 수 있다.
여기서, 상기 온도 검출 회로는, 상기 삼상 중 U상에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 서미스터와 스위칭 소자 사이의 온도 차이를 기록한 온도 테이블을 포함하고, 상기 온도 테이블에 따라 상기 스위칭 소자의 온도를 계산할 수 있다.
여기서, 상기 인버터 제한 신호는, 상기 계산된 온도 범위에 따라 상기 모터를 구동하기 위한 주파수를 단계적으로 낮출 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 위에서 설명한 전력 변환 장치를 포함하는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 간단한 온도 검출 회로를 통하여 SMD 형 스위칭 소자의 과열에 의한 소손을 방지할 수 있다.
또한, 실시간으로 스위칭 소자의 온도를 모니터링하여 보호할 수 있어 스위칭 소자의 능력과 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 스위칭 소자의 선정 시 온도에 대한 마진을 줄일 수 있으며, 스위칭 소자의 사용 온도 범위를 최대한으로 설계 가능하다.
도 1은 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 2는 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 온도 검출 회로를 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 소자 및 서미스터의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 작동 과정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터의 구동 신호도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 블록도이고, 도 2는 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 교류 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 정류부(110)에서 정류된 DC 전압을 승/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터(120), 컨버터(120)를 제어하는 컨버터 제어부(130), 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150)와, 그리고 컨버터(120)와 인버터(140) 사이의 DC단 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터(140)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다.
그러나 모터(200)는 압축기 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차, 청소기 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
한편, 모터 구동장치(100)는, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터(120)는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터(120)는 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터를 이용할 수 있다. 또한, 이러한 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 승압 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 경우에 따라, 컨버터(120)는 정류부(110)를 포함하는 개념일 수 있다. 이하, 컨버터(120)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(110)는, 단상 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전원을 컨버터(120) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이와 같이, 컨버터(120)는 정류부(110)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
이러한 컨버터(120)는, 정류부(110)에 연결되는 인덕터(L1), 이 인덕터(L1)에 연결되는 스위칭 소자(Q1), 이러한 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 연결되는 캐패시터(C), 및 스위칭 소자(Q1)와 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
승압 컨버터(120)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 컨버터로서, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 다이오드(D1)가 차단되면서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, 캐패시터(C)에 저장되어 있던 전하가 방전하면서 출력단에 출력전압을 발생시킨다.
또한, 스위칭 소자(Q1)가 차단되면 스위칭 소자(Q1) 도통 시 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지가 더해져서 출력단으로 전달된다.
여기서, 스위칭 소자(Q1)는 별도의 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 즉, 컨버터 제어부(130)에서 전달되는 PWM 신호가 스위칭 소자(Q1)의 베이스(base; 또는 게이트) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
IGBT는 전력 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transitor)의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자로서, 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 소자이다.
이와 같이, 컨버터 제어부(130)는 컨버터(120) 내의 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 제어 신호(Sc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(130)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
경우에 따라, 이러한 컨버터(120) 및 컨버터 제어부(130)는 생략될 수 있다. 즉, 정류부(110)를 거친 출력 전압이 DC단 캐패시터(C)에 충전되거나 인버터(140)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current transformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC단 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC단 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC단 캐패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 제어신호(Si)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 DC 전압은, 컨버터 제어부(130)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(140)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하암 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
인버터 제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터(140)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC단 캐패시터(C) 양단인 DC단 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC단 전압(Vdc)은 DC단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(200)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치는, 모터(200)를 구동하기 위한 인버터(140), 이 인버터(140)에 전력을 전달하는 DC단 캐패시터(C), 이 인버터(140)에 설치된 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구동하기 위한 구동부(151) 및 이 구동부(151)를 통하여 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 구동을 제어하는 제어부(152)를 포함한다.
도시하는 바와 같이, 인버터(140)는 삼상 유도 모터(200)를 구동하기 위하여 삼상 전력 신호를 생성한다. 이를 위하여, 인버터(140)는 상암 측에 삼상 구동을 위한 세 개의 스위칭 소자(상암 스위칭 소자; Qa, Qb, Qc)가 구비되고, 하암 측에 삼상 구동을 위한 세 개의 스위칭 소자(하암 스위칭 소자; Qa', Qb', Qc')가 구비될 수 있다.
또한, 전력 변환 장치는, 인버터(140)의 삼상 중 어느 한 상의 상암 측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하암 측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc') 사이에 연결되어 이들 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 온도를 검출하기 위한 검출 신호를 출력하는 온도 검출 회로(160)를 더 포함한다.
이러한 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는 표면 실장형 소자(Surface Mount Device; SMD)일 수 있다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')로는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)가 이용될 수 있다.
도 3은 온도 검출 회로(160)가 삼상(U상, V상 및 W상) 중 U상에 연결된 상태를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 실시예에 의하면 온도 검출 회로(160)는 U상의 상암 측 스위칭 소자(Qa)와 하암 측 스위칭 소자(Qa') 사이에 연결된다.
여기서, 하암 측 스위칭 소자(Qa')의 발열이 상대적으로 클 수 있으므로, 온도 검출 회로(160)는 하암 측 스위칭 소자(Qa')의 온도를 검출할 수 있다. 이러한 상암 측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)는 콜렉터(collector) 단이 공통으로 연결될 수 있다.
이때, 온도 검출 회로(160)는 스위칭 소자(Qa')의 콜렉터 핀 측의 온도를 감지하도록 구성될 수 있다. 이러한 SMD 형의 스위칭 소자(Qa')는 내부 칩의 베이스 플레이트가 콜렉터 핀에 연결되어 방열이 이루어질 수 있다. 이에 대하여는 후술한다.
제어부(152)는 온도 검출 회로(160)의 검출 신호를 이용하여 스위칭 소자(Qa')의 온도를 계산하고, 계산된 온도에 따라 구동부(151)에 인버터 제한 신호를 출력할 수 있다.
제어부(152)는 상암 측 스위칭 소자(Qa)가 오프(off) 되고 하암 측 스위칭 소자(Qa')가 온(on) 된 상태에서 스위칭 소자(Qa')의 온도를 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 온도 검출 회로를 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 온도 검출 회로(160)는, 상암 측 스위칭 소자(Qa) 및 하암 측 스위칭 소자(Qa') 사이에 연결되는 서미스터(NTC) 및 이 서미스터(NTC) 양단의 전압을 증폭하는 차동 증폭기(161)를 포함할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 서미스터(NTC)에는 바이어스 전원(Vcc)이 연결되고, 서미스터(NTC)와 전원(Vcc) 사이에는 풀업 저항(R1) 및 역전압 보호용 역방향(순방향 전류가 서미스터(NTC)를 향하는 방향) 다이오드(D2)가 구비될 수 있다.
차동 증폭기(161)는 서미스터(NTC)의 양단에 연결되는 OP 앰프(162)가 구성되고, 저항 R2, R3, R4 및 R5는 차동 증폭기(161)의 증폭비를 결정할 수 있다.
이러한 연결에서, 스위칭 소자(Qa')의 온도가 변함에 따라 서미스터(NTC)의 온도와 저항값이 변화한다. 따라서 서미스터(NTC) 양단의 전압으로 스위칭 소자(Qa')의 온도를 추정할 수 있다.
그리고 서미스터(NTC) 양단의 전압은 차동 증폭기(161)를 통하여 저항 R2, R3, R4 및 R5의 값으로 증폭비를 결정하여 제어부(152)에 온도 신호 정보를 전달한다.
위에서 언급한 바와 같이, 제어부(152)는 상암 측 스위칭 소자(Qa)가 오프(off) 되고 하암 측 스위칭 소자(Qa')가 온(on) 된 상태에서 온도 검출 회로(160)의 출력 신호를 온도 신호로 저장한다.
이때, 제어부(152)는, 서미스터(NTC)와 스위칭 소자(Qa') 사이의 온도 차이를 기록한 온도 테이블을 포함하고, 이러한 온도 테이블에 따라 스위칭 소자(Qa')의 온도를 계산할 수 있다. 즉, 제어부(152)는 서미스터(NTC)와 스위칭 소자(Qa')의 패턴 사이의 온도 차이를 측정한 데이터를 온도 테이블로 구성하여 저장한 상태에서, 온도 검출 회로(160)의 출력 신호 및 온도 테이블을 이용하여 스위칭 소자(Qa')의 온도를 계산할 수 있다.
이와 같이, 하암 측 U 상의 스위칭 소자(Qa')의 온도를 계산하여, 스위칭 소자(Qa)의 온도가 설정 온도보다 높을 경우에는 제어부(152)는 구동부(151)를 통하여 모터(200)를 구동하기 위한 삼상 교류 신호의 주파수를 낮출 수 있다.
구체적으로, 스위칭 소자(Qa')의 온도 설정 범위에 따라 구동부(151)를 통하여 모터(200)를 구동하기 위한 삼상 교류 신호의 주파수를 단계적으로 낮출 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 소자 및 서미스터의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 5를 참조하면, SMD 형태의 스위칭 소자(Qa') 및 서미스터(NTC)가 실장된 상태를 도시하고 있다.
도 5에 도시된 SMD 형태의 스위칭 소자(Qa')는 내부 칩의 베이스 플레이트가 콜렉터 단(B)으로 연결되어 있다.
즉, 이 콜렉터 단(B)은 인버터(140)를 이루는 회로 기판(141)의 회로 패턴(A)에 전기적으로 연결된다. 이때, 스위칭 소자(Qa')는 이 콜렉터 단(B)을 통하여 방열하게 된다.
이와 같이, SMD 형태의 스위칭 소자(Qa')는 콜렉터 단(B)의 면적이 가장 크므로, 이 콜렉터 단(B) 근처에 서미스터(NTC)가 배치될 수 있다.
인버터(140)에 포함되는 총 6개의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc') 중 상암 측의 3개의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)는 콜렉터 핀이 공통으로 연결되어 있으므로 상대적으로 회로 패턴(A)의 설계에 자유도가 있어 방열이 상대적으로 유리하다.
그러나, 하암 측의 3개의 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')는 회로 패턴(A)의 설계가 상대적으로 불리하여 방열이 더 클 수 있다. 따라서, 온도 검출 회로(160)는 U상 하암 측의 스위칭 소자(Qa')의 발열을 감지하는 것이 유리할 수 있다. 즉, 서미스터(NTC)는 U상 하암 측의 스위칭 소자(Qa')의 근처에 배치되는 것이 유리할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 작동 과정을 나타내는 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터의 구동 신호도이다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 작동 과정을 설명한다.
먼저, 모터(200)의 운전이 시작되면(S10), 제어부는 상암 측(상단) 스위치 소자(Qa)가 턴 오프(turn off) 되고 하암 측(하단) 스위칭 소자(Qa')가 턴 온(turn on) 되는 조건을 판단한다(S20).
이러한 조건이 만족되면 제어부는 온도 검출 회로(160)의 차동 증폭기(161)의 출력 전압을 감지한다(S30).
이후, 서미스터(NTC)의 전압을 계산하며(S40), 이때, 서미스터(NTC)의 양단에 걸리는 전압(VNTC)은 수학식 1과 같이 계산되고, 이에 따라 출력 전압(Vo)은 수학식 2와 같다.
Figure 112016116018288-pat00001
수학식 1에서, VD는 다이오드(D2)에 걸리는 전압, Vce는 스위칭 소자(Qa')의 콜렉터-에미터 사이의 전압, Vs는 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압이다. 또한, RNTC는 온도에 따라 변화하는 서미스터(NTC)의 저항값이다.
Figure 112016116018288-pat00002
수학식 2에서 Gainop -amp는 OP 앰프(162)의 증폭비를 나타낸다.
이때, 스위칭 소자(Qa')의 온도는 서미스터(NTC)의 온도 테이블에 따라 수학식 3과 같이 계산될 수 있다(S50).
Figure 112016116018288-pat00003
수학식 3에서, Tc . IGBT는 스위칭 소자(Qa')의 패키지 온도이고, TNCT는 서미스터(NTC)의 추정 온도이며, ΔTNTC - IGBT는 스위칭 소자(Qa')의 패키지 온도와 서미스터(NTC)의 온도차이다. 여기서, ΔTNTC - IGBT는 실험값을 의미한다.
이와 같은 과정에 의하여 계산된 스위칭 소자(Qa')의 온도에 따라 스위칭 소자(Qa')를 제한 및 보호하는 동작이 이루어진다(S60).
즉, 온도 범위에 따라 구동부(151)를 통하여 모터(200)를 구동하기 위한 삼상 교류 신호의 주파수를 단계적으로 낮출 수 있다. 또는, 스위칭 소자(Qa')의 동작을 멈추거나 인버터(140) 전체의 동작을 멈추게 할 수도 있다.
도 7에서, 상측은 스위칭 소자(Qa')를 구동하는 PWM 신호를 나타내고, 하측은 서미스터(NTC)의 동작 신호를 나타낸다. 도시하는 바와 같이, 스위칭 소자(Qa')가 온(turn on) 된 상태(T)에서만 측정이 이루어지는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 간단한 온도 검출 회로를 통하여 SMD 형 스위칭 소자의 과열에 의한 소손을 방지할 수 있다.
또한, 실시간으로 스위칭 소자의 온도를 모니터링하여 보호할 수 있어 스위칭 소자의 능력과 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 스위칭 소자의 선정 시 온도에 대한 마진을 줄일 수 있으며, 스위칭 소자의 사용 온도 범위를 최대한으로 설계 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 전력 변환 장치 110: 정류부
120: 컨버터 130: 컨버터 제어부
140: 인버터 150: 인버터 제어부
151: 구동부 152: 제어부
160: 온도 검출 회로 161: 차동 증폭기
200: 모터

Claims (10)

  1. 모터를 구동하기 위한 삼상 교류 전류를 생성하는 인버터;
    상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부;
    상기 인버터의 삼상 중 어느 한 상의 상암 측 스위칭 소자와 하암 측 스위칭 소자 사이를 연결하는 회로 라인에 연결되어 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하기 위한 검출 신호를 출력하는 것으로, 상기 상암 측 스위칭 소자와 하암 측 스위칭 소자 사이의 회로 라인에 연결되는 서미스터 및 상기 서미스터 양단의 전압을 증폭하는 차동 증폭기를 포함하는 온도 검출 회로; 및
    상기 온도 검출 회로의 검출 신호를 이용하여 상기 스위칭 소자의 온도를 계산하고, 상기 계산된 온도에 따라 상기 구동부에 인버터 제한 신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 표면 실장형 소자(Surface Mount Device; SMD)인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)이고, 상기 온도 검출 회로는 상기 IGBT의 콜렉터 핀에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 온도 검출 회로는,
    상기 서미스터에 연결되는 바이어스 전원; 및
    상기 서미스터와 바이어스 전원 사이에 연결되는 풀업 저항 및 역전압 보호용 역방향 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 서미스터는, 상기 상암 측 스위칭 소자의 에미터 단과 하암 측 스위칭 소자의 콜렉터 단 사이에 연결되면서, 상기 하암 측 스위칭 소자 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 상암 측 스위칭 소자가 오프(off) 되고 상기 하암 측 스위칭 소자가 온(on) 된 상태에서 상기 스위칭 소자의 온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 온도 검출 회로는, 상기 삼상 중 U상에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 서미스터와 스위칭 소자 사이의 온도 차이를 기록한 온도 테이블을 포함하고, 상기 온도 테이블에 따라 상기 스위칭 소자의 온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 인버터 제한 신호는, 상기 계산된 온도 범위에 따라 상기 모터를 구동하기 위한 주파수를 단계적으로 낮추는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
KR1020160158995A 2016-11-28 2016-11-28 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 KR101887067B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160158995A KR101887067B1 (ko) 2016-11-28 2016-11-28 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160158995A KR101887067B1 (ko) 2016-11-28 2016-11-28 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180060012A KR20180060012A (ko) 2018-06-07
KR101887067B1 true KR101887067B1 (ko) 2018-08-09

Family

ID=62621453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160158995A KR101887067B1 (ko) 2016-11-28 2016-11-28 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101887067B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200055573A (ko) * 2018-11-13 2020-05-21 엘지전자 주식회사 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR20210073071A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 주식회사 현대케피코 온도 감지 장치 및 방법
KR20210076265A (ko) * 2019-12-13 2021-06-24 주식회사 현대케피코 전력반도체의 온도 측정 방법 및 그 전자 장치

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102189448B1 (ko) * 2018-12-03 2020-12-11 엘지전자 주식회사 하드웨어 고장 감지를 수행하는 전력 변환 장치
KR102224639B1 (ko) * 2019-01-16 2021-03-05 엘지전자 주식회사 공기조화기
KR102343296B1 (ko) 2019-11-28 2021-12-24 현대모비스 주식회사 Igbt 모듈의 온도 편차 보정 기능을 구비한 모터 구동 시스템

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100283911B1 (ko) * 1996-04-04 2001-03-02 이종수 전력변환기의 운전과열 보호장치 및 그의 제어방법
JP3668708B2 (ja) * 2001-10-22 2005-07-06 株式会社日立製作所 故障検知システム
JP2006238546A (ja) * 2005-02-23 2006-09-07 Nissan Motor Co Ltd インバータ温度検出装置
JP2011217463A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Toyota Industries Corp インバータ装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100283911B1 (ko) * 1996-04-04 2001-03-02 이종수 전력변환기의 운전과열 보호장치 및 그의 제어방법
JP3668708B2 (ja) * 2001-10-22 2005-07-06 株式会社日立製作所 故障検知システム
JP2006238546A (ja) * 2005-02-23 2006-09-07 Nissan Motor Co Ltd インバータ温度検出装置
JP2011217463A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Toyota Industries Corp インバータ装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200055573A (ko) * 2018-11-13 2020-05-21 엘지전자 주식회사 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102197864B1 (ko) * 2018-11-13 2021-01-04 엘지전자 주식회사 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR20210073071A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 주식회사 현대케피코 온도 감지 장치 및 방법
KR102332635B1 (ko) * 2019-12-10 2021-12-07 주식회사 현대케피코 온도 감지 장치 및 방법
KR20210076265A (ko) * 2019-12-13 2021-06-24 주식회사 현대케피코 전력반도체의 온도 측정 방법 및 그 전자 장치
KR102332634B1 (ko) * 2019-12-13 2021-12-08 주식회사 현대케피코 전력반도체의 온도 측정 방법 및 그 전자 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180060012A (ko) 2018-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101887067B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
US9935577B2 (en) Semiconductor device and fault detecting method
US7257010B2 (en) Power supply circuit
KR102362713B1 (ko) 열 소손 방지 기능을 포함하는 전력 변환 장치
KR101958787B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR101911262B1 (ko) 노이즈 저감 기능을 가지는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR101911260B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102174638B1 (ko) 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법
US10298118B1 (en) Systems and methods for self-driven active rectification
JP5668442B2 (ja) 単相交流直流変換装置及び単相交流直流変換装置を用いた空気調和機
JP2004319134A (ja) 高周波加熱装置
KR101911259B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR20180097357A (ko) 열 소손 방지 기능을 포함하는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102043217B1 (ko) 전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법
KR102007852B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR101946369B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102197864B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102183348B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
JP7455273B2 (ja) 電力変換装置、モータ駆動装置、及び空気調和機
KR20190021672A (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR101978223B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102108071B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102024603B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR102036113B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기
KR101873764B1 (ko) 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right