KR102060068B1

KR102060068B1 - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기

Info

Publication number: KR102060068B1
Application number: KR1020170093343A
Authority: KR
Inventors: 김성우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-12-27
Also published as: KR20190010989A

Abstract

본 발명의 전력 변환 장치는, 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 제1 정류부; 상기 정류부에서 정류된 DC 전압이 충전되는 제1 DC-링크 커패시터; 상기 교류 전원과 상기 제1 정류부 사이에 연결되고 추가 전원 공급 없이 스위칭 상태를 유지하는 파워 릴레이, 상기 파워 릴레이와 병렬 연결되는 충전 저항, 및 상기 충전 저항에 직렬 연결되는 충전 릴레이를 포함하는 돌입전류 방지부; 상기 돌입전류 방지부와 상기 제1 정류부 사이에 연결되어 상기 교류 전원이 제1 정류부로 공급되는지 여부를 감지하는 전류 감지부; 및 상기 제1 DC-링크 커패시터에 소정 용량의 전압이 충전될 때까지 충전 저항을 통해서 전류가 흐르도록 상기 충전 릴레이를 제어하고, 상기 전류 감지부에 의해 전원 공급 차단을 감지하면 상기 파워 릴레이를 오프(Off)하는 제어부를 포함한다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기{Power transforming apparatus and air conditioner including the same}

본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것으로 특히, 돌입전류 방지기능을 가지는 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.

이때, 정류부에서 출력된 전압 또는 컨버터에서 출력된 전압은 DC-링크 커패시터에 충전되고, 이렇게 충전된 전압을 이용하여 인버터에서 모터 구동 신호를 생성할 수 있다.

그런데 이러한 전력 변환 장치의 구동 초기에는 돌입전류가 발생할 수 있으며, 이러한 돌입전류가 전력 변환 장치에 그대로 인가되지 않도록 별도의 큰 용량의 충전 저항을 통하여 통과하도록 구성된다.

이때, 돌입전류를 방지하기 위하여 큰 용량의 충전 저항 및 다수의 릴레이가 이용되어 공간 부족 및 제어 요소가 증가하며, 이에 따라 추가 비용 발생을 야기하는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0018703호에는 인버터의 돌입전류 방지회로 및 방지방법이 개시되어 있다.

3상 교류전원을 사용하는 인버터의 경우 고압 전원이 인가되고 높은 용량의 커패시터를 사용함에 따라 초기 충전시 돌입 전류가 발생할 수 있다. 개시된 인버터의 돌입전류 방지회로는, 3상 교류전원의 중성선과 직렬로 연결되어 중성선의 연결을 개폐하는 제1 릴레이와, 인버터의 정류부의 마이너스 단자에 직렬로 연결되어 정류부와 DC링크단의 마이너스 단자의 연결을 개폐하는 제2 릴레이를 포함하여 구성된다.

하지만, 파워 릴레이로 사용되는 제2 릴레이를 온 상태로 유지하기 위해서는 릴레이 코일에 지속적으로 전류를 흘려주어야 하기 때문에 이로 인한 전력 손실이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 큰 용량의 충전 저항 및 다수의 릴레이가 이용되어 공간 부족 및 제어 요소 증가의 문제를 해결하고, 공기 조화기의 구동 초기에 돌입전류가 인가되는 것을 방지하며, 파워 릴레이의 스위칭 상태를 유지하기 위해 전원을 공급할 필요가 없고, 전원 공급 중단시 이를 감지하여 파워 릴레이를 오프함으로써 과전류로 인한 부품 소손을 방지할 수 있는 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 변환 장치는, 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 제1 정류부; 상기 정류부에서 정류된 DC 전압이 충전되는 제1 DC-링크 커패시터; 상기 교류 전원과 상기 제1 정류부 사이에 연결되고 추가 전원 공급 없이 스위칭 상태를 유지하는 파워 릴레이, 상기 파워 릴레이와 병렬 연결되는 충전 저항, 및 상기 충전 저항에 직렬 연결되는 충전 릴레이를 포함하는 돌입전류 방지부; 상기 돌입전류 방지부와 상기 제1 정류부 사이에 연결되어 상기 교류 전원이 제1 정류부로 공급되는지 여부를 감지하는 전류 감지부; 및 상기 제1 DC-링크 커패시터에 소정 용량의 전압이 충전될 때까지 충전 저항을 통해서 전류가 흐르도록 상기 충전 릴레이를 제어하고, 상기 전류 감지부에 의해 전원 공급 차단을 감지하면 상기 파워 릴레이를 오프(Off)하는 제어부를 포함한다.

상기 파워 릴레이는 래치 릴레이(Latch Relay)인 것이 바람직하다.

상기 래치 릴레이는, 상기 파워 릴레이를 온(On)하는 Set 신호가 인가되는 Set 코일과, 상기 파워 릴레이를 오프(Off)하는 Reset 신호가 인가되는 Reset 코일을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 돌입전류 방지부는, 상기 제어부와 상기 Set 코일 사이에 연결되는 제1 트랜지스터와, 상기 제어부와 상기 Reset 코일 사이에 연결되는 제2 트랜지스터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 제2 정류부; 상기 제2 정류부에서 정류된 DC 전압이 충전되는 제2 DC-링크 커패시터; 및 상기 제2 DC-링크 커패시터와 연결되는 SMPS를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 SMPS로부터 직류 전원을 공급받는 것이 바람직하다.

상기 제1 DC-링크 커패시터와 상기 제2 DC-링크 커패시터는 바이패스 다이오드에 의해 연결되는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 초기 전원 입력시 상기 충전 릴레이를 온(On)하여 충전하고, 소정 시간 이내에 상기 제1 DC-링크 커패시터의 충전 전압이 목표치에 도달하면 상기 래치 릴레이에 Set 신호를 전송하여 래치 릴레이를 온(On)한 다음, 상기 충전 릴레이를 오프(Off)하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 상기 전류 감지부에 의해 전원 공급 차단을 감지하면 상기 래치 릴레이에 Reset 신호를 전송하여 래치 릴레이를 오프(Off)하는 것이 바람직하다.

본 발명의 공기 조화기는 상기한 바와 같은 전력 변환 장치를 포함한다.

상기한 본 발명의 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 의하면, 공기 조화기의 운전 시작 초기에 돌입전류 없이 안정적으로 DC-링크 전압이 충전되어 전력 변환 장치가 동작할 수 있다.

또한, 파워 릴레이로 래치 릴레이를 사용함으로써 릴레이의 온/오프 이후에 릴레이 코일에 전류를 도통시키지 않아도 그 스위칭 상태를 유지할 수 있으므로, 전력 소모를 저감할 수 있다.

그리고, 래치 릴레이가 온 상태에서 정전 등 갑작스런 전원 공급 중단시 이를 감지하고 래치 릴레이 오프 신호를 인가하여 과전류로 인한 부품 소손을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 돌입전류 방지부의 세부를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 작동을 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 작동을 나타내는 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 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), 3상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150)와, 그리고 컨버터(120)와 인버터(140) 사이의 DC-링크(DC-link) 커패시터(C1)를 포함할 수 있다.

이러한 인버터(140)는 3상 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, 입력되는 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 경우를 예로 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 평활화하는 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 커패시터(C1) 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 커패시터(C1)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; 131)와, 이러한 게이트 구동부(131)에 제어 신호를 전달하는 제어부(152)를 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 커패시터(C1)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 전류(Is)는, 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 커패시터(C1)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 커패시터(C1)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 커패시터(C1)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 3상 교류 전원으로 변환하여, 3상 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 커패시터(C1) 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; 151)와, 이러한 게이트 구동부(151)에 제어 신호를 전달하는 제어부(152)를 포함하는 구성일 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 컨버터(120)의 게이트 구동부(131)에 제어 신호를 제어하는 제어부(152)와 인버터(140)의 게이트 구동부(151)에 제어 신호를 제어하는 제어부(152)는 동일할 수 있다. 즉, 하나의 제어부(152)가 컨버터(120)에 포함되는 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부(131) 및 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부(151)를 제어할 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 3상 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.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 교류 전원(Vs)과 컨버터(120) 또는 정류부(110) 사이에는 전력 변환 장치(100)의 최초 구동 시 DC-링크 커패시터 또는 전력 변환 장치(100)를 돌입전류로부터 보호하는 돌입전류 방지부(160)가 구비될 수 있다.

이러한 돌입전류 방지부(160)에는 용량이 큰 충전 저항(R1; 도 3 참조)이 구비되어, 전력 변환 장치에 최초 전원 인가 시 유입되는 돌입 전류로부터 전력 변환 장치를 보호할 수 있다.

즉, 돌입전류 방지부(160)는 DC-링크 커패시터(C1)에 충전되는 DC-링크 전압이 목표치에 도달할 때까지 충전 저항(R1)을 통하여 전류가 흐르도록 전류의 흐름을 제어하여, 동작 초기에 돌입전류가 전력 변환 장치로 직접 인가되지 않도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 돌입전류 방지부의 세부를 나타내는 회로도이다.

도 3을 참조하면, 전력변환장치 중에서 교류 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 및 정류부(110)와 인버터(140) 사이의 DC-링크(DC-link) 커패시터(C1)가 구비된다.

인버터(140)는 정류된 전원을 3상 또는 단상 교류 전류로 출력할 수 있다.

도 3에는 도 1 및 도 2에 도시된 컨버터(120)가 도시되지 않았는데, 이렇게 컨버터(120)는 도 3에서 생략된 것으로 볼 수도 있고 아예 구비되지 않을 수도 있다.

그리고, 교류 전원(10)과 정류부(110) 사이에는 돌입전류 방지부(160)가 연결된다. 이 돌입전류 방지부(160)는 제어부(152)에 의해 릴레이의 스위칭 동작이 제어된다.

돌입전류 방지부(160)는 교류 전원(10)과 정류부(110) 사이에 연결되는 파워 릴레이(165), 이 파워 릴레이(165)와 병렬 연결되는 충전 저항(R1), 및 충전 저항(R1)에 직렬 연결되어 DC-링크 커패시터(C1)에 소정 용량의 전압이 충전될 때까지 충전 저항(R1)을 통해서 전류가 흐르도록 제어되는 충전 릴레이(162)를 포함할 수 있다.

여기서, 파워 릴레이(165)는 추가 전원 공급 없이 스위칭 상태를 유지하는 래치 릴레이(Latch Relay)인 것이 바람직하다. 일반적인 릴레이는 스위칭 동작 후에 그 온/오프 상태를 유지하기 위해서는 전원이 계속 공급되어야 하지만, 래치 릴레이는 스위칭 동작 후에 전원이 공급되지 않아도 그 온/오프 상태가 유지될 수 있다.

즉, 래치 릴레이는 보자력이 큰 철심을 사용하여 접점의 동작이 여자 전류를 끊은 후에도 자력이 유지되도록 한 릴레이로서 역방향 여자 전류로 접점이 복귀하며 펄스로 제어하기에 적합한 릴레이이다.

래치 릴레이(165)는 하나의 릴레이에 2개의 코일(Set 코일과 Reset 코일)을 구비하며, 보통 Set 코일(L1)이 Reset 코일(L2)보다 저항이 작아서 큰 전류가 흐르므로 Set 코일(L1)과 Reset 코일(L2)에 동시에 전류를 흘리는 경우 Set 코일(L1)에 더 큰 전류가 흘러서 자기력이 강하므로 릴레이는 Set 상태(온 상태)가 될 수 있다.

제어부(Micom; 152)는 돌입전류 방지부(160)를 제어하여 충전 저항(R1)을 통하여 전류가 흐르는 제1경로와, 파워 릴레이(162)를 통하여 전류가 흐르는 제2경로 사이에서 전류의 흐름을 전환할 수 있다.

이때, 제어부(152)는 마이컴(MICOM)과 같은 집적 회로를 이용하여 제작될 수 있다. 제어부(152)에는 직류 전원이 공급되는데, 이에 대해서는 후술하기로 한다.

초기에 전원이 투입되면 제어부(152)는 충전 릴레이(162)를 온하여 충전 저항(R1)을 통해 전류가 흐르도록 제어한다. 그러면, 공급되는 전원은 정류부(110)를 거쳐 DC-링크 커패시터(C)에 충전된다.

이어서, DC-링크 커패시터(C)에 충전되는 전압이 목표치에 도달하면, 제어부(152)는 충전 릴레이(162)를 오프(Off)하고 래치 릴레이(165)를 온(On)한다.

이후에, 전원 공급이 차단되면 제어부(152)는 래치 릴레이(165)를 오프(Off)함으로써, 래치 릴레이(165)의 온(On) 상태에서 전원 재 인가시에 과전류가 흘러서 부품이 소손되는 것을 방지할 필요가 있다.

이렇게 전원 공급 차단을 감지하기 위해서, 돌입전류 방지부(160)와 정류부(110) 사이에 연결되어 교류 전원(10)이 정류부(110)로 공급되는지 여부를 감지하는 전류 감지부(170)를 더 포함할 수 있다.

전류 감지부(170)는 정류부(110)로 공급되는 전류를 감지하고, 전류 감지부(170)의 감지 신호는 제어부(152)에 송신되며, 제어부(152)는 전류 감지부(170)로부터 전원 공급 차단 신호를 수신하면 래치 릴레이(165)의 Reset 코일(L2)에 Reset 신호를 인가하여 래치 릴레이(165)를 오프(OFF)한다.

그리고, 돌입전류 방지부(160)는 제어부(152)와 상기 Set 코일(L1) 사이에 연결되는 제1 트랜지스터(T1)와, 상기 제어부(152)와 상기 Reset 코일(L2) 사이에 연결되는 제2 트랜지스터(T2)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

제1 트랜지스터(T1)와 제2 트랜지스터(T2)는 각각 버퍼 IC와 함께 제어부(152)로부터 각 코일로 전류 크기를 증폭하여 인가하는 스위치 역할을 한다.

한편, 상기한 정류부(110), 컨버터(120), DC-링크 커패시터(C1) 및 인버터(140)는 결국 교류 전원을 생성하는 것인데, 이들과 별도로 교류 전원(10)으로부터 제2 정류부(180), 제2 DC-링크 커패시터(C2) 및 SMPS(Switched Mode Power Supply; 190)가 병렬로 연결될 수 있다.

그래서, 상기한 정류부(110) 및 DC-링크 커패시터(C1)는 제1 정류부(110) 및 제1 DC-링크 커패시터(C1)라 하여 제2 정류부(180) 및 제2 DC-링크 커패시터(C2)와 구별할 수 있다.

제1 DC-링크 커패시터(C1)의 충전 용량은 제2 DC-링크 커패시터(C2)에 비해 훨씬 커서 제1 DC-링크 커패시터(C1) 양단에 걸리는 제1 DC-링크 전압은 제2 DC-링크 커패시터(C2) 양단에 걸리는 제2 DC-링크 전압보다 방전시 훨씬 오랫동안 방전될 수 있다.

이에 따라, 상기 인버터(140)에서 출력되는 교류 전압은 100~400V 정도임에 반해, 상기 SMPS(190)에서 출력되는 직류 전압은 5~10V 정도이다.

SMPS(190)에서 출력되는 직류 전압은 저압 전력에 의해 구동되는 제어부의 회로기판이나 LED 표시부 등에 공급될 수 있다.

상기한 제어부(152)도 SMPS(190)에서 출력되는 직류 전압을 공급받는데, 보통 5V의 직류 전원이 제어부(152)에 공급될 수 있다.

그런데, 상기한 바와 같이 래치 릴레이(165)가 온(On) 상태에서 정전 등의 원인으로 교류 전원(10)의 공급이 차단되면, SMPS(190)의 전원도 결국 교류 전원(10)으로부터 오는 것이므로 제어부(152)가 래치 릴레이(165)를 오프(Off)하기 위한 Reset 신호를 인가하기 위한 전원이 제어부(152)에 공급되지 않을 수 있다.

이를 방지하기 위해, 제1 DC-링크 커패시터(C1)와 제2 DC-링크 커패시터(C2)는 바이패스 다이오드(185)에 의해 연결되는 것이 바람직하다.

바이패스 다이오드(185)는 정류 회로 등에서 전원의 극성이 변화하여 부하 회로의 인덕턴스 등에 축적된 에너지를 방출하려고 할 때 이것을 원활하게 전원으로 되돌리기 위한 바이패스를 주는 다이오드이다.

바이패스 다이오드(185)는 역방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하고, 그 양단의 전위차가 없을 경우에는 전류가 흐르지 않고 양단 사이에 전위차가 생길 경우에만 전류가 흐르도록 하는 특성을 나타낸다.

제1 DC-링크 커패시터(C1)와 제2 DC-링크 커패시터(C2)에 각각 충전되는 DC-링크 전압은 교류 전원(10)이 동일하기 때문에 서로 동일하지만, 교류 전원(10) 공급이 차단되면 제2 DC-링크 커패시터(C2)의 용량이 더 작기 때문에 제2 DC-링크 전압이 제1 DC-링크 전압보다 훨씬 빨리 떨어지게 된다.

그러면, 바이패스 다이오드(185) 양단에 전위차가 발생하게 되어 용량이 큰 제1 DC-링크 커패시터(C1)에 충전된 전압이 천천히 방전되고 바이패스 다이오드(185)를 통해 SMPS(190)에서 제어부(152)로 직류 전원이 오랫동안 공급될 수 있다.

따라서, 정전 등 교류 전원 공급이 차단되는 상황에서, 제어부(152)는 바이패스 다이오드(185)를 통해 직류 전원을 공급받아 래치 릴레이(165)를 오프(Off)하는 Reset 신호를 인가할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 작동을 나타내는 순서도이다. 또한, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 작동을 나타내는 회로도이다.

이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 돌입전류 방지기능을 가지는 전력 변환 장치의 작동을 설명한다.

먼저, 전력 변환 장치가 동작하지 않을 때, 즉, 이 전력 변환 장치가 포함되는 공기 조화기가 동작하지 않을 때(이하, 제1모드이라 한다.)는 돌입전류 방지부(160)는 도 3과 동일한 상태이다.

즉, 충전 릴레이(162)는 열린 상태(오프 상태)이고, 래치 릴레이(165)도 열린 상태(오프 상태)이다. 이때, 제1 정류부(110) 및 제2 정류부(180)는 교류 전원(10)과 연결되지 않은 상태이므로, 제1 정류부(110) 및 제2 정류부(180)는 동작하지 않는다.

이후, 사용자가 공기 조화기의 플러그를 전원 콘센트에 꽂아서 입력 전원을 온(On)하고(S10), 리모컨을 온(On)하면(S20), 도 5와 같은 상태가 된다.

즉, 충전 릴레이(162)는 온 상태로 전환되어 교류 전원(10)이 충전 저항(R1)을 통하여 제1 정류부(110)로 전달된다. 이에 따라, 충전 저항(R1)에 의하여 감압되고 전류가 제한된 상태에서 전력이 제1 정류부(110)를 통하여 제1 DC-링크 커패시터(C1)에 서서히 충전될 수 있다.

이때, 래치 릴레이(165)는 열린 상태를 유지한다.

다음으로, 제어부(152)는 제1 DC-링크 커패시터(C1)에 충전되는 DC-링크 전압이 목표치에 도달했는지를 판단한다(S40).

소정 시간이 지났는데도 DC-링크 전압이 목표치에 도달하지 못한다면, 제어부(152)는 공기 조화기의 디스플레이에 Error 표시를 할 수 있다(S50).

만약, 소정 시간 이내에 DC-링크 전압이 목표치에 도달한 경우, 도 6과 같은 상태가 된다.

즉, 제어부(152)는 충전 릴레이(162)를 오프(Off)하고 래치 릴레이(165)를 온(On)한다(S60).

그러면, 래치 릴레이(165)를 통해 전력이 제1 정류부(110)를 통하여 제1 DC-링크 커패시터(C1)에 전달된다.

이후에, 제어부(152)는 전류 감지부(170)를 통해 입력 전원 공급이 차단되는지 여부를 판단한다(S70).

전원 공급이 차단되지 않으면, 계속해서 공기 조화기 제품을 정상적으로 운전한다(S80).

만약, 정전 등으로 입력 전원 공급이 차단되었음을 감지하면, 제어부(152)는 래치 릴레이(165)의 Reset 코일(162)에 Reset 신호를 인가하여 파워 릴레이(165)를 오프(Off)한다(S90). 그러면, 도 7과 같은 상태가 된다.

즉, 래치 릴레이(165)가 오프(Off)되고 충전 릴레이(162)도 오프(Off)되어 도 3과 동일하게 초기 전원 투입 전의 상태로 돌아간다.

이때, 제어부(152)는 제1 DC-링크 커패시터(C1)에 충전된 전압이 바이패스 다이오드(185)를 통해 SMPS(190)를 거쳐 공급되는 직류 전압에 의해 작동될 수 있다.

본 발명에 의하면, 돌입전류 방지부의 파워 릴레이로 래치 릴레이를 사용하여 스위칭 상태를 유지하기 위해 전원을 공급할 필요가 없어 전력 소모를 줄일 수 있다.

또한, 래치 릴레이 온 상태에서 정전 등으로 전원 공급이 차단되는 상황에서 바이패스 다이오드를 통해 제1 DC-링크 전압이 제2 DC-링크로 공급되도록 연결함으로써 SMPS(190)에서 제어부(152)로 릴레이를 스위칭할 수 있는 직류 전류를 공급할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

100: 전력 변환 장치 110: 제1 정류부
120: 컨버터 130: 컨버터 제어부
140: 인버터 150: 인버터 제어부
131, 151: 게이트 구동부 152: 제어부
160: 돌입전류 방지부 162: 충전 릴레이
165: 파워 릴레이 170: 전류 감지부
180: 제2 정류부 190: SMPS
200: 모터

Claims

교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 제1 정류부;
상기 정류부에서 정류된 DC 전압이 충전되는 제1 DC-링크 커패시터;
상기 제1 DC-링크 커패시터와 바이패스 다이오드를 통하여 연결되고 별도의 전원으로부터 전력이 충전되는 제2 DC-링크 커패시터;
상기 교류 전원과 상기 제1 정류부 사이에 연결되어 전류를 감지하는 전류 감지부;
상기 교류 전원과 상기 전류 감지부 사이에 연결되고 접점의 동작이 여자 전류를 끊은 후에도 자력이 유지되도록 하여 추가 전원 공급 없이 스위칭 상태를 유지하는 래치 릴레이 형태의 파워 릴레이, 상기 파워 릴레이와 병렬 연결되는 충전 저항, 및 상기 충전 저항에 직렬 연결되는 충전 릴레이를 포함하는 돌입전류 방지부; 및
상기 제2 DC-링크 커패시터로부터 전력을 공급받고, 상기 제1 DC-링크 커패시터에 소정 용량의 전압이 충전될 때까지 충전 저항을 통해서 전류가 흐르도록 상기 충전 릴레이를 제어하고, 상기 전류 감지부에 의해 전원 공급 차단을 감지하면 상기 바이패스 다이오드를 통하여 상기 제1 DC-링크 커패시터로부터 전력을 공급받아 상기 파워 릴레이를 오프(Off)하는 제어부를 포함하고,
상기 전류 감지부는, 상기 돌입전류 방지부와 상기 제1 정류부 사이에 연결되어 상기 교류 전원이 제1 정류부로 공급되는지 여부를 감지하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 펄스 신호로 상기 파워 릴레이를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 래치 릴레이는,
상기 파워 릴레이를 온(On)하는 Set 신호가 인가되는 Set 코일과,
상기 파워 릴레이를 오프(Off)하는 Reset 신호가 인가되는 Reset 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제3항에 있어서,
상기 돌입전류 방지부는,
상기 제어부와 상기 Set 코일 사이에 연결되는 제1 트랜지스터와,
상기 제어부와 상기 Reset 코일 사이에 연결되는 제2 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,
상기 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 제2 정류부; 및
상기 제2 DC-링크 커패시터와 연결되는 SMPS를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 SMPS로부터 직류 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 DC-링크 커패시터의 충전 용량은 제2 DC-링크 커패시터의 충전 용량보다 큰 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 초기 전원 입력시 상기 충전 릴레이를 온(On)하여 충전하고, 소정 시간 이내에 상기 제1 DC-링크 커패시터의 충전 전압이 목표치에 도달하면 상기 래치 릴레이에 Set 신호를 전송하여 래치 릴레이를 온(On)한 다음, 상기 충전 릴레이를 오프(Off)하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전류 감지부에 의해 전원 공급 차단을 감지하면 상기 래치 릴레이에 Reset 신호를 전송하여 래치 릴레이를 오프(Off)하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.