KR101911260B1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 역률 제어부를 포함하는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부; 상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자를 구동하는 구동신호를 출력하는 구동부를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 전원에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부; 및 상기 스위칭 소자의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압을 감지하여, 상기 감지된 전압에 따라 상기 구동부에 차단 신호를 전달하는 소자 보호부를 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, 역률 제어부를 포함하는 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.
경우에 따라, 정류부와 인버터 사이에는 역률 개선을 위한 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)가 구비될 수 있다.
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, 대체로 컨버터와 같이 개별 스위칭 소자를 사용하는 구성에 있어서는 열에 대한 보호 기능을 포함하고 있지 않다.
따라서, 컨버터의 스위칭 소자에 히트 싱크(Heat sink)가 미체결 또는 오체결되는 경우 등의 조건에서 스위칭 소자가 발열에 의해 소손되는 경우가 발생할 수 있다.
즉, 개별적으로 사용되는 스위칭 소자의 경우에 히트 싱크(Heat sink)가 미체결 또는 오체결 될 때, 스위칭 소자의 접합부 온도(junction temperature)가 상승하게 되고, 이러한 온도가 스위칭 소자의 한계 접합부 온도를 넘어서게 되면 스위칭 소자에 소손이 발생할 수 있다.
따라서, 개별적으로 사용되는 스위칭 소자의 경우에 스위칭 소자를 과열로부터 보호할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 컨버터 등에 개별적으로 사용되는 스위칭 소자를 과열로부터 효과적으로 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
또한, 과열로부터 보호하는 기능과 독립적으로 스위칭 소자를 과전류로부터 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부; 상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자를 구동하는 구동신호를 출력하는 구동부를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 전원에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부; 및 상기 스위칭 소자의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압을 감지하여, 상기 감지된 전압에 따라 상기 구동부에 차단 신호를 전달하는 소자 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 소자 보호부는, 상기 스위칭 소자의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭부의 출력 전압과 기 설정된 레벨을 비교하여 상기 구동부에 차단 신호를 전달하는 비교기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 증폭부는, 콜렉터 단이 상기 스위칭 소자의 콜렉터 단에 연결되고, 베이스 단이 상기 구동부의 구동신호와 연결되는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 에미터 단 및 상기 스위칭 소자의 에미터 단과 연결되는 증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기 설정된 레벨은, 상기 스위칭 소자의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압에 따라 추정된 접합부 온도에 의한 전압 레벨일 수 있다.
여기서, 상기 소자 보호부는, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시 온(On) 동작 시에만 상기 전압을 감지할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 소자의 에미터 단에 연결되는 감지 저항; 및 상기 에미터 단과 감지 저항 사이와 상기 구동부의 차단 신호 작동 핀 사이에 연결되는 제1다이오드를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1다이오드에 의하여 전달되는 신호는 상기 스위칭 소자를 과전류로부터 보호하기 위한 것일 수 있다.
여기서, 상기 비교기와 상기 구동부의 차단 신호 작동 핀 사이에 연결되는 제2다이오드를 더 포함할 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, 본 발명의 실시예에 의하면, 소자 보호부에 의하여 스위칭 소자의 콜렉터-에미터간 전압(Vce)을 감지하여, 이 감지 전압에 따라 온도를 추정하고, 특정 온도 이상에 해당하는 전압 이상의 전압이 감지되면 스위칭 소자의 구동을 정지함으로써 고온(과열)으로부터 스위칭 소자를 보호할 수 있다.
따라서, 히트 싱크(Heat sink) 미체결이나 오체결과 같은 상항에 의하여 스위칭 소자가 과열되는 경우에 의한 소손을 방지할 수 있는 것이다.
또한, 이와 독립적으로 스위칭 소자에 과전류가 감지되는 경우에는 스위칭 소자의 구동을 정지함으로써 과전류로부터 스위칭 소자를 보호할 수 있다.
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 스위칭 소자의 콜렉터-에미터간 전압과 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 스위칭 소자 구동부의 각 구동 신호를 나타내는 파형도이다.
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, 교류 전원(10)으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부(110), 이 정류부(110)에 연결되고, 스위칭 소자(Q1), 이 스위칭 소자(Q1)를 구동하는 구동신호를 출력하는 구동부(130)를 포함하는 역률 제어부(120) 및 고온으로부터 스위칭 소자(Q1)를 보호하기 위한 소자 보호부(160)를 포함하여 구성된다.
위에서 설명한 바와 같이, 정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
또한, 역률 제어부(120)는 정류부(110)에서 출력된 전원에 대하여 역률 개선 동작을 수행할 수 있다.
소자 보호부(160)는 스위칭 소자(Q1)의 에미터-콜렉터(emitter-collector) 단에 인가되는 전압을 감지하여, 이와 같이 감지된 전압에 따라 구동부(130)에 차단 신호를 전달함으로써 스위칭 소자(Q1)를 보호하도록 동작할 수 있다.
이러한 소자 보호부(160)는 스위칭 소자(Q1)의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압에 따라 스위칭 소자(Q1)의 접합부 온도(junction temperature)에 의한 전압 레벨을 추정하여, 인가 전압이 기 설정된 전압 이상일 경우에 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin)에 신호를 전달함으로써 스위칭 동작을 멈추도록 하여 스위칭 소자(Q1)를 보호할 수 있다. 이러한 스위칭 소자(Q1)를 보호하는 동작에 대하여는 아래에서 자세히 설명한다.
소자 보호부(160)는, 스위칭 소자(Q1)의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압을 증폭하는 증폭부(161) 및 이 증폭부(161)의 출력 전압과 기 설정된 레벨을 비교하여 구동부(130)에 차단 신호를 전달하는 비교기(163)를 포함할 수 있다. 이러한 비교기(163)는 OP 앰프(164)와 분배 저항(R5, R6)을 포함할 수 있다.
이때, 증폭부(161)는, 증폭기(OP 앰프; 162)와, 스위칭 소자(Q1)와 이 증폭기(162) 사이에 연결되는 트랜지스터(Q2)를 포함할 수 있다.
즉, 증폭부(161)는 콜렉터 단이 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터 단에 연결되고, 베이스 단이 구동부(130)의 스위칭 소자(Q1) 구동신호와 연결되는 트랜지스터(Q2)와, 이 트랜지스터(Q2)의 에미터 단 및 스위칭 소자(Q1)의 에미터 단과 연결되는 증폭기(162)를 포함할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 기 설정된 레벨은, 스위칭 소자(Q1)의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압에 따라 추정된 접합부 온도에 의한 전압 레벨일 수 있다.
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, 대체로 컨버터와 같이 개별 스위칭 소자를 사용하는 구성에 있어서는 열에 대한 보호 기능을 포함하고 있지 않다.
따라서, 스위칭 소자(Q1)에 히트 싱크(Heat sink)가 미체결 또는 오체결되는 경우 등의 조건에서 스위칭 소자(Q1)가 발열에 의해 소손되는 경우가 발생할 수 있다.
즉, 개별적으로 사용되는 스위칭 소자의 경우에 히트 싱크(Heat sink)가 미체결 또는 오체결 될 때, 스위칭 소자(Q1)의 접합부 온도(junction temperature)가 상승하게 되고, 이러한 온도가 스위칭 소자(Q1)의 한계 접합부 온도를 넘어서게 되면 스위칭 소자(Q1)에 소손이 발생할 수 있다.
보통 스위칭 소자(Q1)로 이용될 수 있는 IGBT 소자의 접합부 온도의 한계는 대략 150 내지 175 ℃ 정도이다.
그러나 본 발명에서는 온도에 따라 변하는 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce(포화전압))을 이용하여 특정 온도 이상에서 스위칭 소자(Q1)의 구동을 정지하여 발열에 의한 스위칭 소자(Q1)의 소손 방지를 위한 소자 보호부(160)를 포함하는 전력 변환 장치 회로를 구현할 수 있다.
즉, 위에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의한 소자 보호부(160)에 의하여 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce)을 감지하여, 이 감지 전압에 따라 온도를 추정하고, 특정 온도 이상에 해당하는 전압 이상의 전압이 감지되면 스위칭 소자(Q1)의 구동을 정지할 수 있다.
소자 보호부(160)는, 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작 시 온(On) 동작 시에만 전압을 감지할 수 있다.
스위칭 소자(Q1)의 오프(Off) 동작시 Vce 전압은 DC단 캐패시터(C)의 전압과 같아 약 400 V가 인가되고 해당 전압이 증폭부(161)를 통해 비교기(163)에 입력되면 정상적인 작동 상태에서도 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin)에 차단 전압(예를 들어, 0.5V 이상의 전압)이 인가되어 스위칭 소자(Q1)의 PWM 구동이 차단될 수 있다.
따라서 스위칭 소자(Q1)의 온(On) 동작 시에만 Vce(saturation) 전압을 감지하여 소자 보호부(160)가 동작하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로 증폭부(161)의 트랜지스터(Q2)는 증폭기(162) 앞 단에 위치할 때 목적하는 동작을 수행할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(Q1)의 에미터 단에 연결되는 감지 저항(Rs) 및 이 에미터 단과 감지 저항(Rs) 사이와 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin) 사이에 연결되는 제1다이오드(D2)가 구비될 수 있다.
이때, 제1다이오드(D2)에 의하여 전달되는 신호는 스위칭 소자(Q1)를 과전류로부터 보호하기 위한 것일 수 있다.
또한, 소자 보호부(160)의 비교기(163)와 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin) 사이에 연결되는 제2다이오드(D3)를 더 포함할 수 있다.
감지 저항(Rs)에 의하여 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 과전류를 감지하여 이 과전류가 감지 저항(Rs)에 걸리는 전압이 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin)에 인가되어 과전류에 의해 스위칭 소자(Q1)가 손상되는 것을 방지할 수 있다(과전류 보호 기능).
이때, 제1다이오드(D2) 및 제2다이오드(D3)는 이러한 과전류 보호 기능과 함께 위에서 설명한 스위칭 소자(Q1)를 고온으로부터 보호하는 기능을 독립적으로 이용할 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 스위칭 소자의 콜렉터-에미터간 전압과 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 바이어스 전압(VGE)이 15 V인 경우, 스위칭 소자(Q1)로 이용될 수 있는 IGBT 소자의 모델(15 A, 30 A, 60 A)에 따라서 스위칭 소자의 콜렉터-에미터간 전압(VCE)과 접합부 온도(Tc)와의 관계가 별개의 그래프로 표시되고 있다.
도 4에서 도시하는 바와 같이, 전류가 30 A인 IGBT 소자를 이용하는 경우에는 콜렉터-에미터간 전압(VCE)이 2.2 V인 경우에 대략 접합부 온도(Tc)가 120 ℃ 정도가 되는 것을 알 수 있다.
도 5는 스위칭 소자 구동부의 각 구동 신호를 나타내는 파형도이다.
IN1(IN2)는 구동부(130)에 인가되는 신호의 파형을 나타내고, OUT1(OUT2)는 구동부(130)에서 스위칭 소자(Q1)로 출력되는 신호의 파형을 나타낸다. 즉, OUT1(OUT2)는 스위칭 소자(Q1)를 구동하는 PWM 신호를 의미한다.
CIN1(CIN2)는 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin)의 신호로서, 과전류 감지 신호를 나타낸다. 보통 0.5 V 이상의 신호가 CIN1(CIN2)로 입력되면 CFO 신호의 구간만큼 FO(Fault Out) 신호가 발생하고, 이 구간 동안 PWM 신호(OUT1(OUT2))는 차단된다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치 회로의 작동을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 도 3의 회로에서, 스위칭 소자(Q1)의 온(On) 동작 시 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce; 포화전압)은 증폭부(161)에서 증폭되어 비교기(163)로 입력된다.
즉, 스위칭 소자(Q1)의 온(On) 동작 시에만 증폭부(161)의 트랜지스터(Q2)가 동작하여 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce; 포화전압)을 감지한다. 스위칭 소자(Q1)가 오프(Off) 동작 시에는 트랜지스터(Q2)가 오프되어 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce; 포화전압)은 감지되지 않는다.
이때, 감지된 콜렉터-에미터간 전압이 특정 전압 레벨 이상일 때는 비교기(163)에서 하이(high) 신호를 출력하여 이 신호는 제2다이오드(D3)를 통하여 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin)에 인가되어 에러를 발생시키고, 스위칭 소자(Q1)의 PWM 구동은 차단된다. 즉, 감지된 콜렉터-에미터간 전압이 특정 전압 레벨보다 작을 때는 비교기(163)에서 로우(low) 신호를 출력하여 구동부(130)는 정상적으로 스위칭 소자(Q1) 측에 구동신호를 출력한다.
도 3의 회로에서, 증폭부(161)는 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce)을 1배 증폭하여 비교기(163)로 입력한다.
증폭부(161)에서 R1의 저항값은 R3와 같아야 하고, R2의 저항값은 R4와 같아야 한다. 이때, 증폭기(162)의 증폭비는 R1와 R2의 비(R2/R1)로 설계된다.
위에서 설명한 바와 같이, 고온 상태를 판단하기 위한 특정 전압 레벨은 스위칭 소자(Q1)로 사용되는 해당 IGBT 소자의 모델에 따라 달라질 수 있는데, 이에 따라 R1과 R2의 저항비를 조절하여 해당 스위칭 소자(Q1)의 모델에 따라 고온 판단을 위한 전압 레벨을 조절할 수 있다.
일례로, 도 4에서 콜렉터 전류(Ic)가 30 A인 IGBT 소자의 경우, 비교기(163)에 입력된 전압이 2.2 V일 때(추정 온도가 대략 120 ℃일 때), 비교기(163)에서 하이(high) 신호를 출력하여 Cin 단에 5 V를 인가함으로써 스위칭 소자(Q1)의 PWM 구동을 차단할 수 있다.
한편, 이러한 고온(과열)을 판단하는 소자 보호부(160)의 작동과 독립적으로, 감지 저항(Rs)을 통하여 과전류가 감지되는 경우에는 이 감지 저항(Rs)에 걸린 전압이 제1다이오드(D2)를 통하여 구동부(130)의 차단 신호 작동 핀(Cin)에 인가되어 에러를 발생시키고, 스위칭 소자(Q1)의 PWM 구동은 차단된다.
이와 같이, 과열을 감지하여 스위칭 소자(Q1)를 보호하는 작동과 과전류를 감지하여 스위칭 소자(Q1)를 보호하는 작동은 독립적으로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 소자 보호부(160)에 의하여 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터간 전압(Vce)을 감지하여, 이 감지 전압에 따라 온도를 추정하고, 특정 온도 이상에 해당하는 전압 이상의 전압이 감지되면 스위칭 소자(Q1)의 구동을 정지함으로써 고온(과열)으로부터 스위칭 소자(Q1)를 보호할 수 있다.
따라서, 히트 싱크(Heat sink) 미체결이나 오체결과 같은 상항에 의하여 스위칭 소자(Q1)가 과열되는 경우에 의한 소손을 방지할 수 있는 것이다.
또한, 이와 독립적으로 스위칭 소자(Q1)에 과전류가 감지되는 경우에는 스위칭 소자(Q1)의 구동을 정지함으로써 과전류로부터 스위칭 소자(Q1)를 보호할 수 있다.
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
160: 소자 보호부 161: 증폭부
162: 증폭기 163: 비교기
200: 모터

Claims (9)

  1. 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부;
    상기 정류부에 연결되고, 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자를 구동하는 구동신호를 출력하는 구동부를 포함하여 상기 정류부에서 출력된 전원에 대하여 역률 개선 동작을 수행하는 역률 제어부; 및
    상기 스위칭 소자의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압을 감지하여, 상기 감지된 전압이 상기 스위칭 소자의 접합부의 온도가 특정 온도에 해당하는 전압 레벨 이상일 때 상기 구동부에 차단 신호를 전달하는 소자 보호부를 포함하여 구성되고,
    상기 특정 온도는 스위칭 소자의 한계 접합부 온도로서, 상기 스위칭 소자에 대하여 기 설정된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소자 보호부는,
    상기 스위칭 소자의 에미터-콜렉터 단에 인가되는 전압을 증폭하는 증폭부; 및
    상기 증폭부의 출력 전압과 상기 전압 레벨을 비교하여 상기 구동부에 차단 신호를 전달하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 증폭부는,
    콜렉터 단이 상기 스위칭 소자의 콜렉터 단에 연결되고, 베이스 단이 상기 구동부의 구동신호와 연결되는 트랜지스터; 및
    상기 트랜지스터의 에미터 단 및 상기 스위칭 소자의 에미터 단과 연결되는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전압 레벨은, 상기 스위칭 소자의 모델에 따라 다르게 설정되는 전압 레벨인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 소자 보호부는, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작 시 온(On) 동작 시에만 상기 전압을 감지하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자의 에미터 단에 연결되는 감지 저항; 및
    상기 에미터 단과 감지 저항 사이와 상기 구동부의 차단 신호 작동 핀 사이에 연결되는 제1다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1다이오드에 의하여 전달되는 신호는 상기 스위칭 소자를 과전류로부터 보호하기 위한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 비교기와 상기 구동부의 차단 신호 작동 핀 사이에 연결되는 제2다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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