KR101911269B1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, EMI 특성을 개선할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 적어도 두 상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및 상기 게이트 구동부에 연결되며, 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 노이즈 저감부를 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, EMI 특성을 개선할 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 인버터를 포함하는 것으로 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터에 공급된다. 이때, 인버터에서는 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.
스위칭 소자에 인가되는 전류인 콜렉터 전류(Ic)는 모터의 인덕터 성분에 의하여 일정 기울기를 가지고 상승하나 스위칭 온(on)이 완전히 이루어지기 전에 노이즈를 포함한다. 이는 스위칭 소자의 스위칭 노이즈에 의한 것이다.
이때, 각 상에서 발생하는 이러한 스위칭 노이즈는 모두 중첩되어 증폭될 수 있다.
이러한 스위칭 노이즈는 전자기 간섭(electro-magnetic interference; EMI) 특성을 저하시킬 수 있다.
또한, 이러한 EMI 특성은 스위칭 주파수를 변경하거나 몇몇 회로 구성에 따라 개선될 수 있으나, 이로 인한 복잡성 및 비용이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 스위칭 주파수를 변경하지 않고 간단한 구성에 의하여 EMI 특성을 개선할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 각 상의 스위칭 소자의 온/오프(on/off) 시간에 지연을 발생시킴으로써 초기 댐핑되는 노이즈의 중첩을 피하여 EMI 노이즈 특성을 개선할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 전력 변환 장치에 있어서, 삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및 상기 게이트 구동부에 연결되며, 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 노이즈 저감부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는, 각 상에 연결되는 RC 필터를 포함하고, 상기 RC 필터 중 적어도 두 RC 필터는 서로 다른 시정수 값을 가질 수 있다.
이때, 상기 시정수 값은 서로 순차적으로 변경될 수 있다.
또한, 상기 시정수 값은 기준값으로부터 순차적으로 증가할 수 있다.
여기서, 상기 게이트 구동부에 제어 신호를 전달하는 제어부를 더 포함하고, 상기 노이즈 저감부는 상기 게이트 구동부와 상기 제어부 사이에 연결될 수 있다.
이때, 상기 노이즈 저감부는, 상기 제어부에서 상기 게이트 구동부로 전달되는 제어 신호 상의 노이즈를 저감하는 필터 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 소자의 온(on) 시간이 서로 다르도록 설정할 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정할 수 있다.
이때, 상기 지연되는 시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간보다 작을 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 전력 변환 장치에 있어서, 삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및 상기 게이트 구동부에 연결되며, 각 상에 연결되는 RC 필터를 포함하고, 상기 RC 필터 중 적어도 두 RC 필터는 서로 다른 시정수 값을 가지는 노이즈 저감부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 시정수 값은 기준값으로부터 순차적으로 증가할 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 소자의 온(on) 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정할 수 있다.
이때, 상기 지연되는 시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 게이트 구동부에 제어 신호를 전달하는 제어부를 더 포함하고, 상기 노이즈 저감부는 상기 게이트 구동부와 상기 제어부 사이에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정할 수 있다.
이때, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 공기 조화기에 있어서, 삼상 교류 모터; 및 상기 삼상 교류 모터를 구동하기 위한 것으로, 삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터 및 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 노이즈 저감부를 포함하는 전력 변환 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는, 각 상에 연결되는 RC 필터를 포함하고, 상기 RC 필터 중 적어도 두 RC 필터는 서로 다른 시정수 값을 가질 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정할 수 있다.
이때, 상기 지연되는 시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간보다 작을 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈가 개선될 수 있으므로, 상전류에서 전체적인 스위칭 노이즈가 감소할 수 있고, 이에 따라 EMI 특성이 개선될 수 있는 것이다.
또한, 이러한 스위칭 노이즈의 중첩을 피하여 노이즈에 피크(peak)가 나타나지 않게 되어 EMI 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 세부를 나타내는 회로도이다.
도 4는 통상적인 필터 회로를 적용한 경우의 전류를 나타내는 파형도이다.
도 5는 본 발명의 노이즈 저감부를 적용한 경우의 전류를 나타내는 파형도이다.
도 6은 스위칭 소자의 전류 및 전압 파형을 나타내는 파형도이다.
도 7은 본 발명의 노이즈 저감부의 시정수를 설계하는 과정을 나타내는 파형도이다.
도 8은 인버터에 의한 상전류를 나타내는 파형 및 그 확대도이다.
도 9는 상전류의 실제 스위칭 노이즈를 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 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 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 DC-링크(DC-link) 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, 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전력을 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 전압 신호를 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), 및 스위칭 소자(Q1)와 DC-링크 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, DC-링크 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 게이트(gate; 또는 베이스) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
컨버터 제어부(130)는 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함한 구성일 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 transistor)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(D)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 컨버터(120)를 거치지 않고 DC-링크 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 DC-링크 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 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, 컨버터(120)의 스위칭 소자(Q1)의 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 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터(140)의 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 DC-링크 캐패시터(C) 양단인 DC-링크 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC-링크 전압(Vdc)은 DC-링크 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
인버터 제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 155)와, 이러한 게이트 구동부(155)에 구동 신호를 전달하는 제어부(156)를 포함한 구성일 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 장치의 세부를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 전력 변환 장치 중의 DC-링크(DC-link) 캐패시터(C)와 인버터(140) 사이의 구성을 확대하여 주로 나타내고 있다.
즉, 도 3에서 도시하는 전력 변환 장치는, 삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 포함하는 인버터(140), 이 인버터(140)의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구동하는 게이트 구동부(155) 및 이 게이트 구동부(155)에 연결되며, 각 상에서 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 노이즈 저감부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 게이트 구동부(155)는 U 상 상암 측(IN_UH)의 스위칭 소자(Qa)를 구동하는 제1 구동부(151), V 상 상암 측(IN_VH)의 스위칭 소자(Qb)를 구동하는 제2 구동부(152), W 상 상암 측(IN_WH)의 스위칭 소자(Qc)를 구동하는 제3 구동부(151), 그리고 U 상, V 상 및 W 상의 하암 측(IN_UL, IN_VL, IN_WL) 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')를 구동하는 제4 구동부(154)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 이러한 제1 구동부(151), 제2 구동부(152), 제3 구동부(153) 및 제4 구동부(154)를 포함하는 게이트 구동부(155)는 노이즈 저감부(160)를 통하여 제어부(156; 도 2 참조)에 연결될 수 있다.
여기서, 도시하는 바와 같이, 노이즈 저감부(160)는, 각 상에 연결되는 다수의 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3, R4/C4, R5/C5, R6/C6)를 포함하고, 이러한 다수의 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3, R4/C4, R5/C5, R6/C6) 중 적어도 두 RC 필터는 서로 다른 시정수 값을 가질 수 있다.
이러한 노이즈 저감부(160)는 각 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc') 중 적어도 둘의 스위칭 시간(on/off time)의 차이가 발생하도록 한다. 따라서, 이로 인한 댐핑 전압의 중첩이 분산되어 전자기 간섭(electro-magnetic interference; EMI)을 저감시키는 효과를 가질 수 있다. 이에 대하여는 추후 자세히 설명한다.
또한, 노이즈 저감부(160)는 게이트 구동부(155) 전단에 위치하여 노이즈를 제거하기 위한 RC 필터 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 즉, 노이즈 저감부(160)는 필터 회로를 포함할 수 있다.
이러한 RC 필터 회로는 저항(R1, R2, R3, R4, R5, R6)과 캐패시터(C1, C2, C3, C4, C5, C6)를 삼상의 각 단에 연결하여 PWM 신호가 아닌 노이즈에 의하여 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')가 작동하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 RC 필터 회로를 이용하여 구현되는 노이즈 저감부(160)의 입력 측에는 제어부(156)로부터 신호를 전달받는 단자(IN_WH, IN_VH, IN_UH, IN_UL, IN_VL, IN_WL)가 위치할 수 있다. 즉, 제어부(156)로부터 입력되는 제어 신호는 노이즈 저감부(160)를 거친 후에 게이트 구동부(155)에 전달될 수 있다.
경우에 따라, 각 상의 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)에 연결되는 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')에 연결되는 RC 필터(R4/C4, R5/C5, R6/C6)는 별개로 다루어질 수 있다.
즉, 노이즈 저감부(160)는 각 상의 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정될 수 있다.
한편, 각 상의 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)에 연결되는 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')에 연결되는 RC 필터(R4/C4, R5/C5, R6/C6)는 공통되는 값을 가질 수 있다.
즉, 각 상에 연결되는 RC 필터는 서로 동일한 시정수 값을 가질 수 있다. 예를 들어, U상에 연결되는 RC 필터인 R1/C1 및 R4/C4는 서로 동일한 시정수 값을 가질 수 있다. 마찬가지로, V상에 연결되는 RC 필터인 R2/C2 및 R5/C5는 서로 동일한 시정수 값을 가질 수 있고, W상에 연결되는 RC 필터인 R3/C3 및 R6/C6는 서로 동일한 시정수 값을 가질 수 있다.
또한, 이와 별개로, 각 상의 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정될 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 스위칭 노이즈는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 온/오프(on/off) 작동 과정에서 발생할 수 있다.
이와 같이, 노이즈 저감부(160)는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 온/오프 시간이 달라지도록 설정할 수 있다.
즉, 스위칭 노이즈의 발생 시간은 스위칭 소자의 각 온/오프 동작 시작과 동일하거나 중복될 수 있다.
일례로, 각 상에 연결되는 다수의 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3, R4/C4, R5/C5, R6/C6)는 모두 서로 다른 시정수 값을 가질 수 있다.
다른 예로, 각 상의 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)에 연결되는 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3)는 모두 서로 다른 시정수 값을 가질 수 있다.
또한, 이와 별개로, 각 상의 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')에 연결되는 RC 필터(R4/C4, R5/C5, R6/C6)는 모두 서로 다른 시정수 값을 가질 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc)에 연결되는 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3)와 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')에 연결되는 RC 필터(R4/C4, R5/C5, R6/C6)는 별개로 다루어질 수 있다.
이하, 삼상 교류 신호를 생성하는 3상(이하, U상, V상, W상이라 일컫는다.) 인버터의 경우, 각 상(U상, V상, W상)의 RC 필터 및 스위칭 소자에 관련하여 노이즈 저감부(160)를 설명한다. 이러한 각 상에 대한 노이즈 저감부(160)와 관련된 설명은 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')에 별개로 적용될 수 있고, 그 중 일측에만 적용될 수도 있다.
노이즈 저감부(160)를 이루는 다수의 RC 필터(R1/C1, R2/C2, R3/C3, R4/C4, R5/C5, R6/C6)의 시정수 값은 순차적으로 변경될 수 있다.
또한, 이러한 시정수 값은 기준값으로부터 순차적으로 증가할 수 있다. 여기서 기준값은 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 정상적인 PWM 구동을 위한 스위칭 시작 시간일 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여 노이즈 저감부(160)는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 스위칭 노이즈의 발생 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정할 수 있다.
이때, 지연되는 시간은 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 스위칭 시간보다 작을 수 있다.
도 4는 통상적인 필터 회로를 적용한 경우의 전류를 나타내는 파형도이고, 도 5는 본 발명의 노이즈 저감부를 적용한 경우의 전류를 나타내는 파형도이다.
도 4를 참조하면, 스위칭 소자에 인가되는 전류인 콜렉터 전류(Ic)는 모터(200)의 인덕터 성분에 의하여 일정 기울기를 가지고 상승하나 스위칭 온(on)이 완전히 이루어지기 전에 노이즈를 포함한다. 이는 스위칭 소자의 스위칭 노이즈에 의한 것이다.
이때, 각 상에서 발생하는 이러한 스위칭 노이즈는 모두 중첩되어 하단과 같은 신호가 이루어질 수 있다. 이와 같이, 노이즈가 중첩되어 피크(peak)가 나타나게 되고, 이러한 노이즈 피크는 EMI 특성을 악화시킬 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 각 상에서 스위칭 시간의 지연(a, b)이 발생한다.
일례로, U상에서는 기준 스위칭 시간에 의하여 스위칭 소자의 스위칭이 이루어질 수 있으나, V상에서는 일정 지연시간(a)을 두고 스위칭이 이루어질 수 있다. 또한, W상에서는 V상의 스위칭으로부터 일정 지연시간(b)을 두고 스위칭이 이루어질 수 있다. 여기서, V상의 지연시간(a)과 W상의 지연시간(b)은 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다.
이와 같이 스위칭 소자의 온/오프 시간이 달라지면서, 도 5의 하단을 참조하면, 각 상의 노이즈가 분산되어 EMI 저감 효과를 가질 수 있다.
즉, 노이즈의 중첩을 피하여 노이즈에 피크(peak)가 나타나지 않게 되어 EMI 특성을 개선할 수 있다.
도 6은 스위칭 소자의 전류 및 전압 파형을 나타내는 파형도이고, 도 7은 본 발명의 노이즈 저감부의 시정수를 설계하는 과정을 나타내는 파형도이다.
도 6을 참조하면, 스위칭 소자가 IGBT인 경우에, 온(on) 시점으로부터 스위칭하는데 걸리는 시간은 대략 160 내지 180 ns 정도이다. 따라서, 스위칭 소자의 스위칭 시간의 지연 시간은 이보다 작은 시간으로 설정할 수 있다. 일례로, 지연 시간은 100 ns 전후로 설정할 수 있다. 즉, 80 내지 120 ns로 설정할 수 있다.
즉, 스위칭 시간의 지연 시간은 설계 사상에 따라 변경될 수 있으나, 스위칭 시간보다는 작을 수 있다.
도 6에서, 콜렉터 전류(Ic)를 위주로 설명하면, tr은 전류가 10%에서 90%까지 상승하는데 걸리는 시간을 나타내고, trr은 전류가 90%에서 100%까지 안정화되는데 걸리는 시간을 나타낸다. 이 trr 시간 동안 노이즈가 발생하는 것으로 볼 수 있다.
또한, td(on)는 PWM High 신호가 인가되고 나서 전류가 10%까지 상승하는데 걸리는 시간을 나타내고, ton은 PWM High 신호가 인가되고 나서 전류가 90%까지 상승하는데 걸리는 시간을 나타낸다.
마찬가지로 tf는 전류가 하강할 때의 상태를 나타내며, 하강 방향을 제외하고는 위와 동일한 의미를 가질 수 있다.
도 7을 참조하여, 스위칭 소자의 온(on) 시점의 지연 시간을 100 ns로 설정하여 RC 필터 회로를 구성하여 노이즈 저감부(160)를 구성하는 과정을 설명한다. 여기서, 이 지연 시간은 도 5의 a 및 b 중 적어도 어느 하나에 해당할 수 있다.
먼저, 사용하는 인버터 모듈의 데이터 시트의 추천 값에 따라 RC 필터를 기준값으로서 선정한다. 일례로, 저항은 100 Ω, 캐패시터는 1nF로 선정할 수 있다.
다음, 인버터 모듈의 게이트 구동부의 동작 전압(2 V)까지의 상승 시간을 구한다.
이 경우, 수학식 1로부터 이러한 상승 시간은 51.1 ns로 구해질 수 있다.
Figure 112017040099026-pat00001
여기서, E는 정상 상태의 전압 값이고 RC는 RC 시정수를 의미한다.
이후, 동작 전압(2 V)까지의 상승 시간이, 위에서 구한 시간에 지연 시간(100 ns)을 더한 151.1 ns가 되는 저항을 구한다.
이러한 저항값은 계산에 의하여 300 Ω으로 구해질 수 있다. 즉, 이러한 지연 시간이 적용된 RC 필터의 경우에, 저항은 300 Ω, 캐패시터는 1nF로 선정할 수 있다.
다음, 이와 동일한 방법으로 동작 전압(2 V)까지의 상승 시간이 251.1 ns가 되는 저항을 구할 수 있고, 이에 따라 이러한 저항값이 적용된 RC 필터를 선정할 수 있다.
이와 같은 과정에 의하여 지연 시간을 고려한 RC 필터로 구현될 수 있는 노이즈 저감부(160)를 구성할 수 있다.
도 8은 인버터에 의한 상전류를 나타내는 파형 및 그 확대도이다.
도 8의 (a)에는 인버터에 의한 상전류가 도시되어 있다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)에서 d 부분을 확대한 도이다.
도 8의 (b)에서 도시하는 바와 같이, 상전류에는 많은 노이즈가 포함되어 있는 것을 알 수 있다.
도 8의 (c)는 도 8의 (b)에서 e 부분을 확대한 도이다. 도 8의 (c)를 참조하면, 하나의 노이즈 피크는 스위칭 노이즈에 의한 부분(f)과 모터의 인덕턴스에 의하여 기울기가 변경되는 부분(g)으로 이루어진 것을 알 수 있다.
도 9는 상전류의 실제 스위칭 노이즈를 나타내는 파형도로서, 많은 스위칭 노이즈(f)가 주기적으로 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 이러한 스위칭 노이즈에 의한 부분(f)의 크기가 개선될 수 있으므로, 전체적인 스위칭 노이즈가 감소할 수 있고, 이에 따라 EMI 특성이 개선될 수 있는 것이다.
또한, 이러한 노이즈의 중첩을 피하여 노이즈에 피크(peak)가 나타나지 않게 되어 EMI 특성을 개선할 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
155: 게이트 구동부 156: 제어부
160: 노이즈 저감부 200: 모터

Claims (20)

  1. 전력 변환 장치에 있어서,
    삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;
    상기 인버터의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및
    상기 게이트 구동부에 연결되며, 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 노이즈 저감부를 포함하여 구성되고,
    상기 노이즈 저감부는, 적어도 하나의 스위칭 소자에서 상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 지연되도록 설정하고,
    상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 지연되는 지연 시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 각 상에 연결되는 RC 필터를 포함하고, 상기 RC 필터 중 적어도 두 RC 필터는 서로 다른 시정수 값을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 시정수 값은 서로 순차적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 시정수 값은 기준값으로부터 순차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 게이트 구동부에 제어 신호를 전달하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 노이즈 저감부는 상기 게이트 구동부와 상기 제어부 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 제어부에서 상기 게이트 구동부로 전달되는 제어 신호 상의 노이즈를 저감하는 필터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 소자의 온(on) 시간이 서로 다르도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 지연 시간은 80 내지 120 ns인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 전력 변환 장치에 있어서,
    삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;
    상기 인버터의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및
    상기 게이트 구동부에 연결되며, 각 상에 연결되는 RC 필터를 포함하고, 상기 RC 필터 중 적어도 두 RC 필터는 상기 스위칭 소자의 온(on) 시간이 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간보다 작은 시간만큼 지연되도록 서로 다른 시정수 값을 가지는 노이즈 저감부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 시정수 값은 기준값으로부터 순차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 소자의 온(on) 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 스위칭 소자의 온(on) 시간의 지연시간은 80 내지 120 ns인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 게이트 구동부에 제어 신호를 전달하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 노이즈 저감부는 상기 게이트 구동부와 상기 제어부 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 상기 스위칭 노이즈의 발생 시간이 각 상에서 순차적으로 지연되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  17. 공기 조화기에 있어서,
    삼상 교류 모터; 및
    상기 삼상 교류 모터를 구동하기 위한 것으로, 삼상에 해당하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터 및 각 상에서 상기 스위칭 소자에 의한 스위칭 노이즈의 발생 시간이 서로 다르도록 설정하는 노이즈 저감부를 포함하고,
    상기 노이즈 저감부는 상기 삼상 중 제1상에서는 제1 지연시간을 두고 스위칭이 이루어지도록 하고, 상기 삼상 중 제2상에서는 상기 제1상의 스위칭으로부터 제2 지연시간을 두고 스위칭이 이루어지도록 하고,
    상기 제1 지연시간과 제2 지연시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 노이즈 저감부는, 각 상에 연결되는 RC 필터를 포함하고, 상기 RC 필터 중 적어도 두 RC 필터는 서로 다른 시정수 값을 가지는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1 지연시간과 제2 지연시간은 80 내지 120 ns인 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 지연시간과 제2 지연시간은 동일한 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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