KR102022965B1 - 부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치 및 방법 - Google Patents

부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치는 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터나 복수의 브릿지 다이오드를 포함하는 능동형 정류기를 이용해서 외부의 입력 전류를 리플이 포함된 직류 전류로 변환하고, 리플이 포함된 직류 전류가 인버터로 전송되도록 하며, 인버터로 입력되는 직류 전류량을 조절함으로써, 인버터에서 출력되는 교류 전류량과 스위칭 주파수가 가변 되도록 제어하는바, 인버터로 입력되는 직류 전류의 변동 속도와 응답속도를 높이고, 인버터의 부하 제어 속도 또한 향상되도록 한다.

Description

부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치 및 방법{INVERTER CONTROL DEVICE AND METHOD IMPROVED IN LOAD CONTROL EFFICIENCY}
본 발명은 인버터 전류의 손실과 고조파 영향을 줄여서 부하 제어 효율을 개선시킬 수 있는 인버터 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
인버터는 스위칭 소자들로 직류 전압을 스위칭시켜서 교류 전류를 생성하고, 생성된 교류 전류를 부하로 공급하는 전력 변환기의 일종이다. 이러한 인버터는 사용자가 원하는 주파수 전압 레벨로 압축기 구동을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에, 에어컨디셔너, 냉장고, 세탁기, 조리기 등과 같은 가전제품에 널리 사용되고 있다.
대한민국 공개 특허공보 제10-2013-0087864호(2013.08.07, 공개)에는 냉장고 등의 냉동장치에 구비된 압축기 모터를 제어하기 위해 전류 변환용 인버터를 적용한 기술이 제시되었다. 전류 변환용 인버터로는 압축기 모터 구동을 제어하여 압축기의 냉매 사이클을 제어할 수 있다.
또한, An Ultra-High-Speed, 500000 rpm, 1kW Electrical Drive System (IEEE, 2007) 문헌, 및 대한민국 공개 특허공보 제10-2016-0122920호(2016.10.25, 공개) 등에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 소자들을 이용해 인버터를 제어하는 인버터 제어회로에 대해 제시되었다.
도 1은 선행 기술로 제시된 인버터 제어회로를 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기의 선행 기술에 따른 인버터 제어회로는 외부로부터 입력되는 PWM 신호(Pulse Width Modulation Signal)에 의해 인버터(20)의 스위칭 소자(S1 내지 S6)들이 반복적으로 턴-온(turn on) 및 턴-오프(turn off) 되도록 한다. 이에, 전원 입력단(10)으로부터의 직류 전압은 인버터(20)의 스위칭 동작에 의해 교류 전류로 변환된다. 변환된 교류 전류는 압축기 모터(30)로 공급되어 압축기 모터(30)가 제어될 수 있도록 한다.
선행 기술에 따른 종래의 인버터 제어회로는 직류 컨버터 등을 통해 인버터(20)로 입력되는 직류 전압이 일정하게 유지되도록 한다. 그리고 인버터의 스위칭 소자(S1 내지 S6)들을 PWM 신호로 턴-온/오프시켜서 듀티 비(Duty Ratio)를 제어함으로써, 고정된 레벨의 직류 전압이 교류 전류로 변환되도록 하였다.
하지만, 종래의 인버터 제어회로는 직류 컨버터 등을 통해 인버터(20)로 입력되는 직류 전압 레벨이 일정하게 유지되기 때문에, 직류 컨버터 등에 구성되는 캐패시터의 용량이 고정 전압 레벨에 따라 크게 구성될 수밖에 없었다. 이에, 인버터(20)로 입력되는 직류 전압의 변동 속도가 느리고, 그에 따른 인버터(20)의 응답 속도(또는, 제어 속도) 또한 저하되는 문제가 있었다.
또한, 종래의 인버터 제어회로는 인버터의 스위칭 주기에 상관없이 직류 전압이 일정하게만 유지되기 때문에, 모터 등의 부하로 전달되는 교류 전류의 품질이 저하되는 문제가 있었다. 부하로 전달되는 교류 전류량이 일정하게만 유지되면 발열 온도나 고조파 영향이 커지기 때문에 부하의 제어 효율은 저하될 수밖에 없었다.
또한, 직류 컨버터 등에 구성되는 캐패시터 용량은 직류 전압 크기에 대응되는 큰 크기로 구성되기 때문에, 캐패시터 용량에 따른 손실은 증가하고 부하의 제어 효율은 감소할 수밖에 없었다. 특히, 종래에는 고정된 직류 전압의 레벨 때문에 캐패시터 용량을 줄일 수는 없었기 때문에, 부하 제어를 위한 교류 전류의 품질 개선을 고려할 수가 없었다.
본 발명에서는 인버터의 스위칭 제어 듀티 비는 고정하고 직류 컨버터나 능동형 정류기 등을 통해서 인버터로 제공되는 직류 전류량을 조절함으로써, 인버터에서 출력되는 교류 전류량이나 스위칭 주파수가 가변될 수 있도록 하는 인버터 제어장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 인버터로 입력되는 직류 전압에 미리 설정된 주기로 리플이 포함되도록 함으로써, 부하로 출력되는 인버터의 교류 전류에도 미리 설정된 주기의 리플이 포함될 수 있도록 한다. 이렇게 본 발명에서는 부하로 전달되는 교류 전류량이 리플에 의해 가변될 수 있도록 하여, 발열 온도나 고조파 영향을 최소화시킨 인버터 제어장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 인버터로 입력되는 직류 전류량을 조절하는 방식을 적용하여 직류 컨버터나 능동형 정류기 등에 구성되는 캐패시터의 용량을 줄일 수 있도록 한다. 특히, 캐패시터의 용량을 100㎌ 이하까지 감소시킬 수 있도록 함으로써, 인버터로 입력되는 직류 전류의 변동 속도와 응답 속도를 높일 수 있는 인버터 제어장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 인버터 제어장치는 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터나 복수의 브릿지 다이오드를 포함하는 능동형 정류기를 이용해서 외부의 입력 전류를 리플이 포함된 직류 전류로 변환하고, 리플이 포함된 직류 전류가 인버터로 전송되도록 한다. 이때, 인버터로 입력되는 직류 전류량을 조절함으로써, 인버터에서 출력되는 교류 전류량과 스위칭 주파수가 가변 되도록 제어한다. 이렇게 인버터의 스위칭 듀티 비는 고정시키되 리플이 포함된 직류 전류의 전류량을 제어함으로써, 인버터에서 출력되는 교류 전류량이나 스위칭 주파수를 가변시킬 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 인버터 제어장치는 부하의 구동 주기 중 적어도 1주기의 기간을 인버터의 스위칭 소자 개수로 나눈 주기에 대응하는 주기 단위로 리플이 포함되도록 제어 전류 생성한다. 그리고 리플이 포함된 제어 전류를 DC 컨버터나 능동형 정류기로 공급함으로써, DC 컨버터나 능동형 정류기에서 리플이 포함된 직류 전압을 인버터로 출력하도록 한다. 인버터에서는 리플이 포함된 직류 전압을 교류 전류로 변환해서 부하로 공급함으로써, 리플이 포함된 교류 전류로 부하를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 인버터 제어장치는 인버터로 입력되는 직류 전류량을 조절함으로써, DC 컨버터나 능동형 정류기에 구성되는 안정화 캐패시터의 용량을 100㎌ 이하까지 줄일 수 있도록 한다. 안정화 캐패시터의 용량을 줄임으로써 직류 전압에 따른 교류 전류의 응답속도를 높여 인버터의 교류 전류 제어 품질이 높여질 수 있도록 한다.
본 발명의 부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치 및 방법은 인버터에 구성된 스위칭 소자들의 듀티 비 제어는 고정하되, 직류 컨버터나 능동형 정류기를 통해 인버터로 입력되는 직류 전류량을 조절함으로써, 인버터에서 출력되는 교류 전류량과 스위칭 주파수가 가변 되도록 한다. 이에, 인버터로 입력되는 직류 전류의 변동 속도와 응답속도를 높이고, 인버터의 부하 제어 속도 또한 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 인버터로 입력되는 직류 전압에 리플이 포함되도록 함으로써 부하로 전달되는 교류 전류량이 리플에 의해 가변될 수 있도록 하는바, 인버터의 발열 온도나 고조파에 따른 영향을 최소화하고 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 직류 컨버터나 능동형 정류기 등에 구성되는 캐패시터의 용량을 100㎌ 이하까지 최소화시킬 수 있도록 하는바, 캐패시터 용량에 따른 손실을 최소화하고 부하 제어를 위한 교류 전류의 품질을 높여 그 제어 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 선행 기술로 제시된 인버터 제어회로를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어장치를 도시한 구성도이다.
도 3은 도 2의 직류 전류 공급부 및 인버터 구동에 따른 출력 전류 변화를 나타낸 파형도이다.
도 4는 도 2의 직류 전류 공급부 및 인버터를 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 5는 도 2의 직류 전류 공급부 및 인버터를 구체적으로 도시한 다른 회로도이다.
도 6은 도 4 및 도 5의 직류 전류 공급부 및 인버터 구동에 따른 출력 전류 변화를 나타낸 다른 파형도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하, 본 발명의 부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치 및 방법에 관하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어장치를 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 인버터 제어장치는 필터부(200), 직류 전류 공급부(300), 직류 전류 제어부(310), 안정화 캐패시터(400), 인버터(500), 및 인버터 제어부(510)를 포함한다.
필터부(200)는 전원 입력단(100)의 입력 전류를 필터링해서 직류 전류 공급부(300)로 전송한다. 이러한 필터부(200)는 적어도 하나의 인덕턴스와 저항 소자 및 캐패시터 등으로 이루어진 회로 구성을 통해 전원 입력단(100)의 입력 전류를 필터링하고, 노이즈 등이 제거된 직류 전류를 직류 전류 공급부(300)로 전송한다.
직류 전류 공급부(300)는 직류 전류 제어부(310)에서의 스위칭 등의 리플 발생 제어 동작에 따라, 필터링된 입력 전류를 미리 설정된 주기의 리플이 포함된 직류 전류로 변환해서 인버터(500)로 전송한다.
직류 전류 공급부(300)는 필터부(200)를 통해 입력되는 직류 전압을 승압 또는 변압해서 안정화시키고, 적절한 레벨로 승압 또는 변압된 직류 링크 전압을 인버터(500)로 전송한다. 이러한 직류 전류 공급부(300)는 필터부(200)를 통해 입력되는 직류 전압을 승압 또는 변압하기 위한 수단으로 부스트 컨버터를 포함할 수 있다.
직류 전류 공급부(300)의 부스트 컨버터는 적어도 하나의 인덕턴스와 다이오드 등이 직렬로 연결되어 구성되고, 적어도 하나의 인덕턴스와 다이오드에는 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터 등이 병렬로 구성될 수 있다. 직류 전류 공급부(300)에 구성된 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로는 직류 전류 제어부(310)로부터의 미리 설정된 주기의 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류가 입력된다. 이에, 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터에서 출력되는 교류 파형의 전류에 의해 직류 전류 공급부(300)에서 출력되는 직류 전류에는 미리 설정된 주기로 리플이 포함되게 된다. 이러한 구성과 동작에 의해, 직류 전류 공급부(300)와 인버터(500) 간에는 미리 설정된 주기의 리플이 포함된 직류 링크 전압이 전송 및 유지된다. 직류 전류 공급부(300)는 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터나 능동형 정류기 등으로 구성될 수 있다. 하지만, 본 발명에서의 직류 전류 공급부(300) 구성은 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터 구성이나, 능동형 정류기 구성 등으로만 국한되지 않는다.
직류 전류 제어부(310)는 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급하여, 직류 전류 공급부(300)에서 리플이 포함된 직류 전압이 출력되도록 한다. 이때 직류 전류의 리플은 모터 등의 부하를 구동을 감안하여, 모터 구동 주기인 적어도 1주기의 기간을 인버터(500)의 스위칭 개수로 나눈 주기에 대응하는 주기 단위로 발생되도록 할 수 있다.
또한, 직류 전류 제어부(310)는 리플 발생용 스위칭 신호의 듀티 비를 제어하는 방식이나 리플 발생 전류량 제어 방식 등을 통해 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량이 가변되도록 한다. 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 가변시킴으로써, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류의 전류량과 스위칭 주파수 또한 가변되도록 할 수 있다.
구체적으로, 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)의 출력단에서 검출된 교류 전류량 또는 전류 피크치를 반영하여 인버터(500)로 입력되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 가변시킴으로써, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류의 전류량이나 피크치를 제어한다.
직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)로 입력되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 제어함에 있어서, 부하(600)의 특성에 따라 특정전압 및 특정전류에서 최대전력을 생산해내도록 하는 최대 전력점 추종 알고리즘을 따르게 된다. 이렇게, 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500) 출력단의 부하(600) 특성 변동에 따라 최대 전력점을 찾기 위해 지속적으로 지령값을 변화시켜 최대 전력점을 추종하도록 한다. 예를 들면, 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)의 출력단에서 실시간으로 검출된 전류량 또는 전류 피크치에 따라 단계적으로 레벨을 올리거나 내리며 자체적으로 입력 전류 지령을 생성한다. 그리고 단계적으로 생성된 입력 전류 지령에 따라 리플 발생 전류량 및 전류 피크치를 상승 또는 하강시켜서 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급한다.
안정화 캐패시터(400)는 직류 전류 제어부(310)에 포함되거나 직류 전류 제어부(310)와 인버터(500) 간에 구성될 수 있다. 이러한 안정화 캐패시터(400)는 직류 전류 제어부(310)와 인버터(500)의 제1 및 제2 극성(+,-) 간에 구성된다. 이에, 안정화 캐패시터(400)는 직류 전류 제어부(310)에서 출력되는 리플이 포함된 직류 전류를 충/방전함으로써, 인버터(500)로 전송되는 직류 전류가 안정화 상태로 전송되도록 한다. 전술한 바와 같이, 직류 전류 제어부(310)는 직류 전류 제어부(310)의 제어에 따라 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 가변시켜 출력하기 때문에, 안정화 캐패시터(400)의 용량은 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량 변화에 따라 100㎌ 이하까지 최소화되도록 구성될 수 있다. 안정화 캐패시터(400)의 용량을 최소화하게 되면 안정화 캐패시터(400)에 따른 전류 손실을 최소화함으로써 전류 제어 효율은 높일 수 있게 된다.
인버터(500)는 인버터 제어부(510)의 스위칭 제어에 따라 리플이 포함된 직류 전류를 스위칭시킴으로써, 리플이 포함된 직류 전류를 교류 전류로 변환한다. 그리고 리플이 포함된 교류 전류를 부하(600)로 전송한다.
인버터(500)는 리플이 포함된 직류 전류 입력단의 제1 및 제2 극성(+,-) 간 극성 변화에 따라 교류 전류 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환 가능한 양방향 회로 구조로 구성될 수도 있다. 이러한 인버터(500)의 입력단에는 제1 및 제2 극성(+,-)을 변환시켜 직류 전압을 입력받는 트랜스 회로(또는, 전환 스위칭 회로) 등이 더 구성될 수 있다.
인버터(500)의 제1 및 제2 극성(+,-) 단자 간에 제1 및 제4 스위칭 소자(S1,S4)가 직렬 연결되며, 제1 및 제4 스위칭 소자(S1,S4)와는 병렬 구조로 제2 및 제5 스위칭 소자(S1,S4)가 직렬로 연결된다. 또한, 제2 및 제5 스위칭 소자(S1,S4)와는 병렬 구조로 제3 및 제6 스위칭 소자(S3,S6)가 직렬로 연결된다. 또 다른 예로, 인버터(500)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)는 그 직/병렬 조합 구조에 따라 다양한 구조의 브리지 회로 형태로 구성될 수 있다.
인버터(500) 입력단의 제1 및 제2 극성(+,-) 변화와 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 온/오프 스위칭 제어 모드에 의해, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류량과 전류 흐름 방향은 정방향 또는 역방향으로 변환될 수 있다.
인버터 제어부(510)는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성 및 공급하여 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 직류 전류 공급부(300)에서 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 가변시킴으로써, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류의 전류량과 스위칭 주파수가 가변되도록 한다. 이에, 인버터 제어부(510)는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 스위칭시키기 위한 PWM 신호들의 듀티 비를 일정하게 고정시켜서 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 전송한다. 이에, 인버터(500)에 구성된 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 온/오프 듀티 비는 일정하게 고정된다.
인버터(200)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각은 GaN 트랜지스터, SiC MOSFET, Si-MOSFET 중 어느 하나로 모두 동일하게 구성될 수 있다. 이와 달리, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각은 적어도 두 개씩의 단위로 서로 동일하거나 다르게 구성될 수도 있다. 도 2에서와 같이, 본 발명에서는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 SiC MOSFET로 모두 동일하게 구성된 예를 도시하였다. 반면, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 GaN 트랜지스터로 모두 동일하게 구성될 수도 있다.
도 3은 도 2의 직류 전류 공급부 및 인버터 구동에 따른 출력 전류 변화를 나타낸 파형도이다.
도 3을 참조하면, 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)의 출력단에서 검출된 교류 전류량 또는 전류 피크치를 반영하여, 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급되는 스위칭 신호나 리플 발생 전류량을 조절한다. 이때, 직류 전류 제어부(310)는 직류 전류 공급부(300)에서 출력되는 직류 전류와 전압(DC_link(V))의 레벨은 조절하되, 리플은 포함되지 않도록 제어 전류를 생성해서 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급할 수 있다. 이 경우, 직류 전류 공급부(300)에서 인버터(500)로 전송되는 직류 전압(DC_link(V))의 레벨이나 전류량은 가변되도록 할 수 있으나, 리플은 발생되지 않도록 할 수도 있다. 이렇게, 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 가변시킴으로써, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류(MOut(v))의 전류량과 스위칭 주파수 또한 가변되도록 할 수 있다.
인버터 제어부(510)는 인버터(500)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성 및 공급하여, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
인버터(500)에서 출력되는 교류 전류(MOut(v))는 순차적으로 턴-온/오프되는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 동작에 대응되도록 출력된다. 특히, 직류 전류 공급부(300)에서부터 리플이 발생되지 않았기 때문에 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류(MOut(v))에도 리플은 포함되지 않은 상태로 출력된다.
도 4는 도 2의 직류 전류 공급부 및 인버터를 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 도 2의 직류 전류 공급부(300)는 부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 인버터(500)는 제1 및 제2 극성(+,-) 단자 간에 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 직/병렬 형태로 혼합되어 구성될 수 있다.
특히, 직류 전류 공급부(300)는 적어도 하나의 인덕턴스(미도시)와 직/병렬 구조로 연결된 복수의 다이오드 구성으로 이루어지며, 적어도 하나의 인덕턴스나 직렬 연결된 다이오드의 사이에는 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터가 포함될 수 있다.
직류 전류 제어부(310)에서는 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급한다. 즉, 직류 전류 공급부(300)에 구성된 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로는 직류 전류 제어부(310)로부터의 미리 설정된 주기의 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류가 입력된다. 그리고 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터에서 출력되는 교류 파형의 전류에 의해, 직류 전류 공급부(300)에서 출력되는 직류 전류에는 미리 설정된 주기로 리플이 포함되게 된다.
도 5는 도 2의 직류 전류 공급부 및 인버터를 구체적으로 도시한 다른 회로도이다.
도 4를 참조하면, 도 2의 직류 전류 공급부(300)는 복수의 다이오드가 브릿지 구조로 연결된 능동형 정류기를 포함하여 구성될 수 있다. 마찬가지로, 인버터(500)는 제1 및 제2 극성(+,-) 단자 간에 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 직/병렬 형태로 혼합되어 구성될 수 있다.
직류 전류 제어부(310)는 리플 발생용 스위칭 신호나 교류 파형의 리플 발생 전류를 능동형 정류기의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급하여, 능동형 정류기에서 리플이 포함된 직류 전압이 출력되도록 한다.
직류 전류의 리플은 모터 등의 부하를 구동을 감안하여, 모터 구동 주기인 적어도 1주기의 기간을 인버터(500)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 나눈 각도에 대응하는 주기 단위로 발생되도록 할 수 있다. 예를 들어, 인버터(500)에 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 구성된 경우에는, 모터 등의 부하 1주기(360도)의 구동 기간을 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 나눈 각도에 대응하는 주기(60도)의 기간으로 발생되도록 할 수 있다.
도 6은 도 4 및 도 5의 직류 전류 공급부 및 인버터 구동에 따른 출력 전류 변화를 나타낸 다른 파형도이다.
도 6을 참조하면, 직류 전류 제어부(310)는 인버터(500)의 출력단에서 검출된 교류 전류량 또는 전류 피크치를 반영하여, 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급되는 스위칭 신호나 리플 발생 전류량을 조절한다. 이때, 직류 전류 제어부(310)는 직류 전류 공급부(300)에서 출력되는 직류 전류와 전압(DC_link(V))의 레벨을 조절함과 동시에, 직류 전류와 전압(DC_link(V))에 리플이 포함되도록 제어 전류를 생성해서 직류 전류 공급부(300)의 리플 발생용 스위칭 소자나 캐패시터로 공급한다.
제어 전류에는 모터 등의 부하 구동 주기(M_SQ)인 적어도 1주기의 기간을 인버터(500)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 나눈 각도에 대응하는 주기 단위로 리플이 포함되도록 할 수 있다. 이에, 리플의 곡률(AG)은 부하 구동 주기(M_SQ)인 1주기의 360도 곡률을 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 나눈 각도에 대응하는 60도의 곡률로 발생될 수 있다.
직류 전류 공급부(300)는 인버터(500)로 전송되는 직류 전압의 레벨이나 전류량을 가변시킴으로써, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류(MOut(v))의 전류량과 스위칭 주파수 또한 가변되도록 한다.
한편으로, 인버터 제어부(510)에서는 인버터(500)의 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 턴-온/오프 동작을 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성 및 공급하여, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
인버터(500)에서 출력되는 교류 전류(MOut(v))는 순차적으로 턴-온/오프되는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 동작에 대응되도록 출력된다. 특히, 직류 전류 공급부(300)에서부터 리플이 포함되었디 때문에 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류(MOut(v))에도 리플은 포함된 상태로 출력된다.
이때, 인버터(500)에 구성된 스위칭 소자(S1 내지 S6)들의 듀티 비 제어는 고정하되, 직류 컨버터나 능동형 정류기를 통해 인버터(500)로 입력되는 직류 전류량을 조절하게 된다. 따라서, 인버터(500)에서 출력되는 교류 전류량과 스위칭 주파수가 가변되므로, 인버터(500)로 입력되는 직류 전류의 변동 속도와 응답속도를 높이고, 인버터의 부하 제어 속도 또한 높일 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 인버터(500)로 입력되는 직류 전압에 리플이 포함되도록 함으로써 부하(600)로 전달되는 교류 전류량이 리플에 의해 가변될 수 있도록 하는바, 인버터(500)의 발열 온도나 고조파에 따른 영향을 최소화하고 그 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 직류 컨버터나 능동형 정류기 등에 구성되는 안정화 캐패시터(400)의 용량을 100㎌ 이하까지 최소화시킬 수 있도록 하는바, 안정화 캐패시터(400) 용량에 따른 손실을 최소화하고 부하(600) 제어를 위한 교류 전류의 품질을 높여 그 제어 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 전원 입력단
200: 필터부
300: 직류 전류 공급부
310: 직류 전류 제어부
400: 안정화 캐패시터
500: 인버터
510: 인버터 제어부
600: 부하

Claims (16)

  1. 직류 전류 제어부의 리플 발생 제어 동작에 따라 외부로부터의 입력 전류를 미리 설정된 주기의 리플이 포함된 직류 전류로 변환해서 출력하는 직류 전류 공급부;
    상기 리플이 포함된 직류 전류를 충/방전함으로써 상기 직류 전류를 안정화시켜 출력하는 안정화 캐패시터; 및
    인버터 제어부의 스위칭 제어에 따라 상기 리플이 포함된 직류 전류를 스위칭시킴으로써 리플이 포함된 교류 전류로 변환하고 상기 리플이 포함된 교류 전류를 부하로 전송하는 인버터를 포함하고,
    상기 직류 전류 공급부는
    리플 발생용 스위칭 소자로 상기 직류 전류 제어부의 리플 발생용 스위칭 신호를 입력 받거나, 캐패시터로 리플이 포함된 제어 전류를 입력 받아서 상기 입력 전류에 리플을 포함시키고 상기 리플이 포함된 직류 전류로 변환해서 출력하는
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류 공급부는
    부스트 컨버터를 포함하는 DC 컨버터, 또는 복수의 브릿지 다이오드를 포함하는 능동형 정류기로 구성된,
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류 제어부는
    상기 부하의 구동 주기 중 적어도 1주기의 기간을 상기 인버터의 스위칭 소자 개수로 나눈 주기에 대응하는 주기 단위로 상기 리플이 포함된 제어 전류 생성하고,
    상기 리플이 포함된 제어 전류를 상기 직류 전류 공급부로 공급함으로써, 상기 직류 전류 공급부에서 상기 리플이 포함된 직류 전압이 출력되도록 제어하는,
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 직류 전류 제어부는
    상기 인버터의 출력단에서 검출된 교류 전류량 또는 전류 피크치를 반영하여 상기 리플이 포함된 제어 전류의 전류량을 가변시킴으로써, 상기 직류 전류 공급부에서 상기 인버터로 입력되는 직류 전압의 레벨이나 전류량이 가변될 수 있도록 제어하는,
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 직류 전류 제어부는
    상기 부하의 특성에 따라 특정 전압 및 특정 전류에서 최대전력을 생산해내도록 하는 최대 전력점 추종 알고리즘을 수행함으로써,
    상기 인버터 출력단의 부하 특성 변동에 따라 최대 전력점을 찾기 위해 상기 인버터의 출력단에서 실시간으로 검출된 전류량 또는 전류 피크치에 따라 단계적으로 레벨을 올리거나 내리며 자체적으로 입력 전류 지령을 생성하고,
    상기 단계적으로 생성된 입력 전류 지령에 따라 상기 리플이 포함된 제어 전류의 전류량 및 전류 피크치를 상승 또는 하강시켜서 상기 직류 전류 공급부로 전송하는,
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 안정화 캐패시터는
    상기 직류 전류 공급부에 포함되거나 상기 직류 전류 공급부와 상기 인버터 간에 구성되어,
    상기 직류 전류 공급부에서 출력되는 상기 리플이 포함된 직류 전류를 충/방전시켜서 상기 인버터로 전송하는
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인버터는
    상기 리플이 포함된 직류 전류가 입력되는 상기 직류 전류 공급부의 출력단에 구성된 제 1 및 제2 극성 간 극성 변화에 따라 교류 전류 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환 가능한 양방향 회로 구조로 구성되며,
    상기 제 1 및 제2 극성 간에 직/병렬 조합으로 연결된 제1 내지 제6 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 상기 리플이 포함된 직류 전류를 상기 리플이 포함된 교류 전류로 변환시켜 출력하는,
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는
    상기 제1 내지 제6 스위칭 소자를 스위칭시키기 위한 PWM 신호들의 듀티 비를 일정하게 고정시켜서 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자로 전송하는,
    부하 제어 효율이 개선된 인버터 제어장치.
  10. 직류 전류 제어부의 리플 발생 제어 동작에 따라 외부로부터의 입력 전류를 미리 설정된 주기의 리플이 포함된 직류 전류로 변환해서 출력하는 단계;
    안정화 캐패시터를 이용해서 상기 리플이 포함된 직류 전류를 충/방전시킴으로써 상기 직류 전류를 안정화시켜 출력하는 단계;
    인버터 제어부의 스위칭 제어에 따라 상기 리플이 포함된 직류 전류를 인버터 구조로 스위칭시킴으로써 리플이 포함된 교류 전류로 변환하고, 상기 리플이 포함된 교류 전류를 부하로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 리플이 포함된 직류 전류를 출력하는 단계는
    리플 발생용 스위칭 소자로 상기 직류 전류 제어부의 리플 발생용 스위칭 신호를 입력 받거나, 캐패시터로 리플이 포함된 제어 전류를 입력 받아서 상기 입력 전류에 리플을 포함시키고 상기 리플이 포함된 직류 전류로 변환해서 출력하는
    인버터 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 리플이 포함된 직류 전류를 출력하는 단계는
    상기 직류 전류 제어부를 통해 상기 부하의 구동 주기 중 적어도 1주기의 기간을 상기 인버터의 스위칭 소자 개수로 나눈 주기에 대응하는 주기 단위로 리플이 포함된 제어 전류 생성하는 단계; 및
    상기 리플이 포함된 제어 전류를 상기 직류 전류 공급부로 공급함으로써, 상기 직류 전류 공급부에서 상기 리플이 포함된 직류 전압이 출력되도록 제어하는 단계를 포함하는,
    인버터 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 리플이 포함된 직류 전류를 출력하는 단계는
    상기 인버터의 출력단에서 검출된 교류 전류량 또는 전류 피크치를 반영하여 상기 리플이 포함된 제어 전류의 전류량을 가변시킴으로써, 상기 직류 전류 공급부에서 상기 인버터로 입력되는 직류 전압의 레벨이나 전류량이 가변될 수 있도록 제어하는 단계를 더 포함하는,
    인버터 제어 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 리플이 포함된 직류 전류를 출력하는 단계는
    상기 부하의 특성에 따라 특정 전압 및 특정 전류에서 최대전력을 생산해내도록 하는 최대 전력점 추종 알고리즘을 수행함으로써, 상기 인버터 출력단의 부하 특성 변동에 따라 최대 전력점을 찾기 위해 상기 인버터의 출력단에서 실시간으로 검출된 전류량 또는 전류 피크치에 따라 단계적으로 레벨을 올리거나 내리며 자체적으로 입력 전류 지령을 생성하는 단계; 및
    상기 단계적으로 생성된 입력 전류 지령에 따라 상기 리플이 포함된 제어 전류의 전류량 및 전류 피크치를 상승 또는 하강시켜서 상기 직류 전류 공급부로 전송하는 단계를 포함하는,
    인버터 제어 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 리플이 포함된 교류 전류를 부하로 전송하는 단계는
    상기 리플이 포함된 직류 전류가 입력되는 직류 전류 공급부 출력단의 제 1 및 제2 극성 간에 직/병렬 조합으로 연결된 제1 내지 제6 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 상기 리플이 포함된 직류 전류를 상기 리플이 포함된 교류 전류로 변환시켜 출력하는,
    인버터 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 리플이 포함된 교류 전류를 부하로 전송하는 단계는
    상기 제1 내지 제6 스위칭 소자를 스위칭시키기 위한 PWM 신호들의 듀티 비를 일정하게 고정시켜서 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자로 전송하는 단계를 더 포함하는,
    인버터 제어방법.
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