KR102099130B1 - 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 제1 스위치, 및, 제1 스위치에 연결된 제1 인덕터를 포함하는 제1 컨버터, 제2 스위치, 및, 제2 스위치에 연결된 제2 인덕터를 포함하는 제2 컨버터, 제1 컨버터와 제2 컨버터의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터, 및, 제1 스위치와 제2 스위치의 스위칭(switching) 시점이 상보적으로 매칭(matching)되도록 제어하는 컨버터 제어부를 포함할 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Power converting apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 노이즈를 효율적으로 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
전력 변환 장치는, 입력 전원을 변환하여 변환된 전력을 공급하는 장치이다. 이러한 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스 내에 배치되어, 입력 전원을 홈 어플라이언스를 구동하기 위한 전원으로 변환할 수 있다.
한편, 인터리브 PFC(Interleave Power Factor Correction) 방식을 이용하는 전력 변환 장치는, 입력전류가 병렬 연결된 단일 컨버터에 각각 분배되기 때문에 소자의 전류정격, 전류 스트레스, 입력전류 리플, 출력전압 리플을 저감할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 종래 기술 1(한국 공개특허공보 제10-2017-0059025호, 공개일자 2017년 05월30일)은, 인터리브 PFC 제어를 위해 각 상의 전압을 이용하여 한 상의 듀티를 조절하는 방식을 개시하고 있다. 하지만, 이러한 제어 방식은 각 상의 전압 센싱 지연 및 하드웨어 부품 편차로 인하여 실제 전압과의 오차가 발생하여 정확도가 떨어질 수 있다.
한편, 국제 서지 보호 표준인 IEC 61000에 따르면, 고조파 저감을 위한 규격이 설정된다. 이에 따라, 공기조화기 내의 입력 교류 전류에 의한 고조파 저감을 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
종래 기술 1과 같이, 일반적으로 인터리브 PFC는 입력 전류 리플 최소화를 위해 두 스위치 간의 온(On) 시점을 180도 차이가 나게 제어하고 있다. 이 경우에, 전류 리플 저감에는 효과적이나 EMI 개선에는 효과가 없다.
본 발명의 목적은, EMI 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 인터리브드 컨버터의 전류 리플 개선 장점을 유지하면서 노이즈를 효과적으로 감쇄할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 제1 스위치, 및, 제1 스위치에 연결된 제1 인덕터를 포함하는 제1 컨버터, 제2 스위치, 및, 제2 스위치에 연결된 제2 인덕터를 포함하는 제2 컨버터, 제1 컨버터와 제2 컨버터의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터, 및, 제1 스위치와 제2 스위치의 스위칭(switching) 시점이 상보적으로 매칭(matching)되도록 제어하는 컨버터 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, EMI 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 인터리브드 컨버터의 전류 리플 개선 장점을 유지하면서 노이즈를 효과적으로 감쇄할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 간략한 내부 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 6은 종래 스위칭 제어에 따른 스위칭 노이즈에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 노이즈 저감에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 노이즈 저감에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 노이즈 저감에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
한편, 본 명세서에서 기술되는 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스 내에 구비되는 전력 변환 장치일 수 있다. 홈 어플라이언스는, 냉장고, 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등을 포함하는 것으로서, 이하에서는, 다양한 홈 어플라이언스 중 공기조화기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기조화기(100)는, 실내기(21), 실내기(21)에 연결되는 실외기(31)를 포함할 수 있다.
공기조화기의 실내기(21)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 도면에서는, 스탠드형 실내기(21)를 예시한다.
한편, 공기조화기(100)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(31)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시)와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기(미도시)와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(미도시)와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함하나, 그 구성에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
실외기(31)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(21)로 냉매를 공급한다. 실외기(31)는 원격제어기(미도시) 또는 실내기(21)의 요구(demand)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 되는 것도 가능하다. 또한, 도 1에서는 하나의 실내기(21)와 실외기(31)를 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 실외기(31)에 여러 실내기(21)가 냉매배관으로 연결될 수 있다.
이때, 실외기(31)는, 연결된 실내기(21)로 압축된 냉매를 공급한다.
실내기(21)는, 실외기(31)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(21)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(31) 및 실내기(21)는 유선 또는 무선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하며, 실외기 및 실내기는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
리모컨(미도시)은 실내기(21)에 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 공기조화기(100)는, 크게 실내기(21)와 실외기(31)로 구분된다.
실외기(31)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진 시키는 실외 팬(105a)과 실외 팬(105a)을 회전시키는 모터(250)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구 또는 팽창 밸브(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브 또는 사방밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함할 수 있다.
실내기(21)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내 팬(109a)과 실내 팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(109)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(100)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 실외기(31) 내의 실외 팬(105a)은, 모터(250)를 구동하는 실외 팬 구동부(200)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실외기(31) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(미도시)를 구동하는 압축기 모터 구동부(도 3의 113)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실내기(21) 내의 실내 팬(109a)은, 실내 팬 모터(109b)를 구동하는 실내 팬 구동부(300)에 의해 구동될 수 있다.
이하에서는 실외 팬 구동부(200)를 실외 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다. 또한, 실내 팬 구동부(300)를 실내 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 간략한 내부 블록도이다.
도 3을 참조하면, 공기조화기(100)는, 압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a), 제어부(170), 토출 온도 감지부(118), 실외 온도 감지부(138), 실내 온도 감지부(158), 메모리(140)를 포함할 수 있다. 또한, 공기조화기(100)는, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 실내 팬 구동부(300), 절환 밸브(110), 팽창 밸브(106), 표시부(130), 및 입력부(120)를 더 포함할 수 있다.
압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a) 등은 도 2를 참조하여 상술한 것과 같이 동작할 수 있다.
입력부(120)는, 다수개의 조작 버튼을 구비하여, 입력되는 공기조화기의 운전 목표 온도에 대한 신호를 제어부(170)로 전달한다.
표시부(130)는, 공기조화기(100)의 동작 상태를 표시할 수 있다. 예를 들어, 표시부(130)는, 실내기(21)의 동작상태를 출력하는 표시수단을 구비하여, 운전상태 및 에러를 표시할 수 있다.
표시부(130)는, 실내기(21)와 실외기(31)의 결선 상태를 표시할 수도 있다. 예를 들어, 표시부(130)는, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 구비할 수 있고, 발광 다이오드(LED)는 통신선 및/또는 전원 라인의 결선 상태가 정상인 경우 점등하고, 통신선 및/또는 전원 라인의 결선 상태가 이상인 경우 소등할 수 있다.
메모리(140)는, 공기조화기(100) 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다.
토출 온도 감지부(118)는, 압축기(102)에서의 냉매 토출 온도(Tc)를 감지할 수 있으며, 감지된 냉매 토출 온도(Tc)에 대한 신호를 제어부(170)로 전달할 수 있다.
실외 온도 감지부(138)는, 공기조화기(100)의 실외기(31) 주변의 온도인, 실외 온도(To)를 감지할 수 있으며, 감지된 실외 온도(To)에 대한 신호를 제어부(170)로 전달할 수 있다.
실내 온도 감지부(158)는, 공기조화기(100)의 실내기(21) 주변의 온도인, 실내 온도(Ti)를 감지할 수 있으며, 감지된 실내 온도(Ti)에 대한 신호를 제어부(170)로 전달할 수 있다.
제어부(170)는, 감지된 냉매 토출 온도(Tc), 감지된 실외 온도(To), 감지된 실내 온도(Ti) 중 적어도 하나, 및 입력된 목표 온도에 기초하여, 공기조화기(100)가 운전하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 최종 목표 과열도를 산출하여, 공기조화기(100)가 운전하도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 압축기(102), 실내 팬(109a), 실외 팬(105a)의 동작 제어를 위해, 도면에서 도시된 바와 같이, 각각, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 실내 팬 구동부(300)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(170)는, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 또는 실내 팬 구동부(300)에, 목표 온도에 기초하여, 각각 해당하는 속도 지령치 신호를 출력할 수 있다.
그리고 각각의 속도 지령치 신호에 기초하여, 압축기 모터(미도시), 모터(250), 실내 팬 모터(109b)는, 각각, 목표 회전 속도로 동작 될 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 또는 실내 팬 구동부(300)에 대한 제어 이외에, 공기조화기(100) 전반의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(170)는, 냉/난방 절환밸브 또는 사방밸브(110)의 동작을 제어할 수 있다. 또는, 제어부(170)는, 팽창기구 또는 팽창 밸브(106)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 공기조화기는, 압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a), 제어부(170), 메모리(140) 등 각 유닛에 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전원 공급부는 입력 전원을 각 유닛의 구동에 필요한 전원으로 변환하여 공급할 수 있다. 따라서, 전원 공급부의 적어도 일부 구성은 전력 변환 장치로 명명될 수도 있다.
이하에서 설명되는 전력 변환 장치는 홈 어플라이언스의 전원 공급부에 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)의 회로도의 일예이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)는, 입력 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터(410), 컨버터 제어부(415), 상기 dc단에 접속되는 커패시터(C), 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 변환하는 인버터(420), 및 상기 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다. 전력 변환 장치(400)는, 입력 전압 검출부(A), dc 단 전압 검출부(B), 입력 전류 검출부(D), 및 출력전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 4 이하에서는 전력 변환 장치(400)가 상용 교류 전원(201)에서 입력되는 전원을 변환하여 모터(250)에 공급하는 모터 구동 장치로 사용되는 경우를 예시하였다. 이 경우에, 전력 변환 장치(400)는 모터 구동 장치, 모터 구동부 등으로 명명될 수 있다. 또는, 전력 변환 장치(400)는 입력 전원을 변환하여 부하로 공급할 수 있다. 도 4에서는 전력 변환 장치(400)가 모터 구동 장치로 실시되는 예를 중심으로 기술하지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
컨버터(410)는, 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 한편, 상용 교류 전원(201)의 종류에 따라 컨버터(410)의 내부 구조도 달라진다.
한편, 컨버터(410)는, 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져, 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수도 있다.
예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 4개의 다이오드가 브리지 형태로 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원인 경우, 6개의 다이오드가 브리지 형태로 사용될 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 예를 들어, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브리지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
상기 인버터(420)는, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력할 수 있다.
도 4를 참조하면, 입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 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, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
입력 전류 검출부(D)는, 상용 교류 전원(201)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(D)로, CT(current trnasformer), 션트(Shunt) 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(digcrete signal)로서, 소비전력 연산을 위해, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
다음, 컨버터(410)의 출력단에는, 컨버터(410)에서 전력 변환된 전원을 저장 또는 평활하기 위한, 커패시터(C)가 구비될 수 있다. 이때의 커패시터(C) 양단은, dc 단이라 명명할 수 있다. 따라서, 커패시터(C)를 dc단 커패시터라 할 수도 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), dc 단 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하고, 이를 컨버터(410)에 출력할 수 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 모터(250)를 구동할 수 있다. 이를 위해, 인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된다. 각 스위칭 소자에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)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(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(250) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. 한편, 삼상 평형을 이용하여, 2개의 션트 저항이 사용되는 것도 가능하다. 한편, 1개의 션트 저항이 사용되는 경우, 상술한 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에서 해당 션트 저항이 배치되는 것도 가능하다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 모터(250)는, 삼상 모터일 수 있다. 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
이와 같이, 전력 변환 장치는, 출력 전류 등을 센싱(sensing)하여, 현재 상태를 판별하고, 피드백(feedback) 제어하게 된다. 따라서, 출력 전류 등을 정확하게 센싱하는 것은 제어의 정밀도에 상당한 영향을 미치게 된다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치는 인터리브 PFC(Interleave Power Factor Correction) 방식을 이용할 수 있다.
도 4를 참조하면, 컨버터(410)는 입력 교류 전원(201) 측 입력단에 병렬로 연결되는 제1 컨버터(411)와 제2 컨버터(412)를 포함할 수 있다.
또한, 제1 컨버터(411)와 제2 컨버터(412)는 각각 평활 커패시터(C)에 병렬로 연결되어, 전원을 평활 커패시터(C)측으로 출력할 수 있다.
한편, 인터리브 PFC(Interleave Power Factor Correction) 방식을 이용하는 전력 변환 장치는, 입력전류가 병렬 연결된 단일 컨버터에 각각 분배되기 때문에 소자의 전류정격, 전류 스트레스, 입력전류 리플, 출력전압 리플을 저감할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 통상적으로 180도 위상차로 스위칭 제어하는 인터리브 PFC 방식은 EMI 개선에는 효과가 없다. 따라서, 전류 리플 저감 효과는 최대한 유지하면서도 EMI 노이즈를 개선할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 인터리브드(Interleaved) PFC 컨버터(410)의 두 개의 스위치의 스위칭 온/오프(On/Off) 시점을 상보적으로 일치화시켜 EMI를 저감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)의 회로도의 일예로, 컨버터(410)를 더욱 상세히 도시한 것이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 인터리브 컨버터(530, 540), 및, 상기 인터리브 컨버터(530, 540)의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명한 것과 같이, 컨버터(410)는 제1 컨버터(411)와 제2 컨버터(412)를 포함할 수 있고, 상기 제1 컨버터(411)와 제2 컨버터(412)는, 인터리브 컨버터(530, 540)일 수 있다.
또한, 상기 제1 컨버터(411)와 제2 컨버터(412)는 컨버터 제어부(415)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
인터리브 컨버터(530, 540)는, 한 쌍의 부스트 컨버터를 구비할 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 인터리브 컨버터(530, 540)는, 한 쌍의 리액터(530)와 역률 개선부(540)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 인터리브 컨버터(530, 540)는, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L1, L2)와 다이오드(D1, D2), 인덕터(L1, L2)와 다이오드(D1, D2) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S1, S2)를 구비할 수 있다.
상기 인터리브 컨버터(530, 540)는, 제1 스위치(S1), 상기 제1 스위치(S1)에 연결된 제1 인덕터(L1)를 포함하는 제1 컨버터(411)와 제2 스위치(S2), 상기 제2 스위치(S2)에 연결된 제2 인덕터(L2)를 포함하는 제2 컨버터(412)를 포함할 수 있다.
또한, 제1 컨버터(411)는 서로 직렬 접속되는 인덕터(L1)와 다이오드(D1), 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S1)로 구성될 수 있다.
또한, 제2 컨버터(412)는 서로 직렬 접속되는 인덕터(L2)와 다이오드(D2), 인덕터(L2)와 다이오드(D2) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S2)로 구성될 수 있다.
이 경우에, 상기 평활 커패시터(C)는 상기 제1 컨버터(411)와 상기 제2 컨버터(412)의 출력 전원을 평활화하고 저장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)는, EMI 저감을 위해, 인터리브 컨버터(530, 540)의 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 온/오프(On/Off) 타이밍(Timing)을 상보적으로 매칭시킬 수 있다. 이에 따라, 전류 리플 저감의 효과를 최대한 유지하면서 두 스위치(S1, S2)의 EMI 노이즈를 감쇄시킬 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(415)는, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의의 스위칭(switching) 시점이 상보적으로 매칭(matching)되도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(415)는, 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온/오프 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 컨버터 제어부(415)는, 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온온/오프 타이밍을 위한 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 컨버터 스위칭 제어 신호는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서 스위칭 소자(S1, S2)의 듀티비를 제어하는 신호일 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전원을 정류하여 상기 제1 인덕터(L1)와 상기 제2 인덕터(L2)로 출력하는 정류부(510)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 상기 정류부(510)의 입력단에 배치되는 노이즈 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 노이즈 필터는 상기 입력 교류 전원(501)과 상기 정류부(510) 사이의 ac단에 접속되며, ac단의 노이즈 신호를 필터링(filtering)할 수 있다.
한편, 상기 제1 스위치(S1)가 턴 오프되고, 상기 제2 스위치(S2)가 턴 온되면, 정류부(510)의 출력 전원이, 제1 인덕터(L1)를 통하여 평활 커패시터(C)로 입력되는 패스와, 제2 인덕터(L2)와 상기 제2 스위치(S2)를 거쳐 그라운드(미도시)로 연결되는 패스가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치(S1)가 턴 온되고, 상기 제2 스위치(S2)가 턴 오프되면, 정류부(510)의 출력 전원이, 제2 인덕터(L2)를 통하여 평활 커패시터(C)로 입력되는 패스와, 제1 인덕터(L1)와 상기 제1 스위치(S1)를 거쳐 그라운드로 연결되는 패스가 형성될 수 있다.
통상적으로, 이러한 두 스위치(S1, S2) 간의 온(On) 시점을 180도 차이가 나게 제어하고 있다.
도 6은 종래 스위칭 제어에 따른 스위칭 노이즈에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 듀티(duty)가 30%인 경우를 예시한다.
도 6의 (a)를 참조하면, 인터리브드 PFC의 제1 스위치(S1)가 온되고(610), 이후 소정 시점 후에 제2 스위치(S2)가 온되고(620) 있다. 이렇게 인터리브드 PFC 2개의 스위치(S1, S2)가 스위칭할 때, EMI 노이즈(Noise)가 발생하게 된다.
도 6의 (b)를 참조하면, 2개의 스위치(S1, S2)가 켜지고 꺼지는 시점에 EMI 스위칭 노이즈가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 제1 스위치(S1)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(615a)가 발생하고, 제2 스위치(S2)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(625a)가 발생할 수 있다.
또한, 제1 스위치(S1)가 오프되는 시점에 부극성의 노이즈(615b)가 발생할 수 있고, 제2 스위치(S2)가 오프되는 시점에 부극성의 노이즈(625b)가 발생할 수 있다.
이러한 종래 방식의 스위칭 제어는 전류 리플을 개선하는 효과는 있었지만, 스위치(S1, S2)의 온/오프에 따른 스위칭 노이즈(615a, 615b, 625a, 625b)는 제거하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, EMI 노이즈(Noise) 저감을 위해, 제1,2 컨버터(411, 412)의 두 스위치(S1, S2)의 스위칭 시점을 조정하여 스위칭 노이즈(Switching Noise)를 상쇄시킨다.
이를 위해, 컨버터 제어부(415)는, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 스위칭(switching) 시점이 상보적으로 매칭(matching)되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨버터 제어부(415)는, 상기 제1 스위치(S1)가 온(on)되는 시점에, 상기 제2 스위치(S2)가 오프(off)되거나, 상기 제1 스위치(S1)가 오프(off)되는 시점에, 상기 제2 스위치(S2)가 온(on)되도록 제어할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 컨버터 제어부(415)는, 제1 스위치(S1)의 온/오프 시점을 기준으로 제2 스위치(S2)가 오프/온 되도록 제어함으로써, 스위칭에 의한 EMI 노이즈를 상쇄시킬 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부(415)는, 상기 제1 스위치(S1)의 스위칭 타이밍에 대응하여, 상기 제2 스위치(S2)의 스위칭 타이밍이 가변되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스위치(S1)의 온 또는 오프 시점에 대응하도록 상기 제2 스위치(S2)의 온 또는 오프 시점을 조절할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 컨버터 제어부(415)는, 인터리브드 PFC의 1개의 스위치가 온/오프 시점을 기준으로 다른 1개의 스위치가 오프/온되게 제어하여 스위칭에 의한 EMI 노이즈를 상쇄시킬 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부(415)는, 상기 제1 스위치(S1)가 온(on)되는 시점에, 상기 제2 스위치(S2)가 오프(off)되거나, 상기 제2 스위치(S2)가 온(on)되는 시점에, 상기 제1 스위치(S1)가 오프(off)되도록 제어할 수 있다. 즉, 두 스위치(S1, S2) 중 어느 하나의 스위치가 온될 때, 나머지 하나의 스위치가 오프되도록 제어할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 컨버터 제어부(415)는, 인터리브드 PFC의 1개의 스위치가 온(On)될 때, 나머지 1개의 스위치가 오프(Off)되게 제어하여 스위칭에 의한 EMI 노이즈를 상쇄시킬 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 노이즈 저감에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7a는 제1 스위치(S1)의 스위칭을 위한 PWM 신호(710)와 제2 스위치(S2)의 스위칭을 위한 PWM 신호(720)를 예시한다. 도 7의 스위칭 제어 신호의 듀티(duty)는 30%이다.
도 7b는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 스위칭에 의한 스위칭 노이즈를 예시한다.
도 7a와 도 7b를 참조하면, 제1 스위치(S1)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(711a, 712a, 713a)가 발생하고, 제2 스위치(S2)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(721a, 722a, 723a)가 발생할 수 있다.
또한, 제1 스위치(S1)가 오프되는 시점에 부극성의 노이즈(711b, 712b, 713b)가 발생하고, 제2 스위치(S2)가 오프되는 시점에 부극성의 노이즈(721b, 722b, 723b)가 발생할 수 있다.
도 6을 참조하여 설명한 종래 방법에 따르면, 노이즈들이 제거되지 않고 출력되었으나, 본 발명에 따르면, 도 7c와 같이, 제1 스위치(S1)가 오프될 때, 제2 스위치(S2)가 온됨으로써, 일부 노이즈들이 서로 상쇄되어 출력될 수 있다.
도 7c를 참조하면, 제1 스위치(S1)가 오프되는 시점에 발생한 부극성의 노이즈(711b, 712b, 713b)와 제2 스위치(S2)가 온되는 시점에 발생한 정극성의 노이즈(721a, 722a, 723a)가 상쇄되어 제거된다. 이에 따라, 전체 스위칭 노이즈를 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 인터리브드(Interleaved) PFC의 두 스위치를 제어할 때, 한 스위치가 온(On)일 경우, 나머지 한 스위치를 오프(Off)시켜, 온(On) 또는 오프(OFF)의 한시점에서의 스위칭 노이즈를 서로 상쇄시킴으로써, 특정 주파수의 EMI 노이즈 평균값을 저감시킬 수 있다.
또한, 전류 리플 개선 효과는 도 6의 방법에 비하여 상대적으로 약간 감소하나, 일정 수준의 전류 리플 개선 효과를 유지할 수 있다. 특히 듀티가 작을수록 전류 리플 개선 효과에 부정적인 영향이 최소화되므로 더욱 효과적이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 노이즈 저감에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8a는 제1 스위치(S1)의 스위칭을 위한 PWM 신호(810)와 제2 스위치(S2)의 스위칭을 위한 PWM 신호(820)를 예시한다. 도 8의 스위칭 제어 신호의 듀티(duty)는 50%이다.
도 8b는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 스위칭에 의한 스위칭 노이즈를 예시한다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 제1 스위치(S1)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(811a, 812a, 813a)가 발생하고, 제2 스위치(S2)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(821a, 822a, 823a)가 발생할 수 있다.
또한, 제1 스위치(S1)가 오프되는 시점에 부극성의 노이즈(811b, 812b, 813b)가 발생하고, 제2 스위치(S2)가 오프되는 시점에 부극성의 노이즈(821b, 822b, 823b)가 발생할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 제1 스위치(S1)가 오프되는 시점에 발생한 부극성의 노이즈(811b, 812b, 813b)와 제2 스위치(S2)가 온되는 시점에 발생한 정극성의 노이즈(821a, 822a, 823a)가 상쇄되어 제거된다.
또한, 제1 스위치(S1)가 온되는 시점에 발생한 정극성의 노이즈(811a, 812a, 813a)와 제2 스위치(S2)가 오프되는 시점에 발생한 부극성의 노이즈(821b, 822b, 823b)가 상쇄되어 제거된다.
이에 따라, 전체 스위칭 노이즈를 완전히 제거할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 노이즈 저감에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 듀티(duty)는 70%인 경우를 예시한다.
도 9a와 도 9b를 참조하면, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 온되는 시점에 정극성의 노이즈(911a, 921a)가 발생하고, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 오프는 시점에 부극성의 노이즈(911b, 921b)가 발생할 수 있다.
듀티(Duty)가 50%가 아니기 때문에 온(On), 오프(Off)되는 두 시점에서의 노이즈(911a, 911b, 921a, 921b)를 모두 상쇄하지는 못한다.
하지만, 도 9c와 같이, 둘 중 한 시점(On 또는 Off되는 시점)에서 두 스위치(S1, S2)가 반대로 동작하여 일부 스위칭 노이즈(921a, 911b)를 상쇄시킬 수 있기 때문에 EMI 노이즈 평균값을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 추가 비용 없이 EMI 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 인터리브드 컨버터의 전류 리플 개선 장점을 유지하면서 노이즈를 효과적으로 감쇄할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
컨버터 : 410
제1 컨버터 : 411
제2 컨버터 : 412
컨버터 제어부 : 415
인버터 : 420
인버터 제어부 : 430

Claims (8)

  1. 제1 스위치, 상기 제1 스위치에 연결된 제1 인덕터를 포함하는 제1 컨버터;
    제2 스위치, 상기 제2 스위치에 연결된 제2 인덕터를 포함하는 제2 컨버터;
    상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터; 및,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭(switching)을 제어하는 컨버터 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 제1 스위치가 오프(off)되는 시점에, 상기 제2 스위치가 온(on)되도록 제어하고,
    상기 제1 스위치가 오프(off)인 상태를 유지하는 동안, 상기 제2 스위치가 오프(off)되도록 제어하고,
    상기 제2 스위치가 오프(off)인 상태를 유지하는 동안, 상기 제1 스위치가 온(on)되도록 제어하고,
    상기 제1 스위치를 제어하는 듀티비와, 상기 제2 스위치를 제어하는 듀티비가 동일한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    입력 교류 전원을 정류하여 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터로 출력하는 정류부;를 더 포함하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정류부의 입력단에 배치되는 노이즈 필터;를 더 포함하는 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨버터는, 상기 제1 인덕터 및 상기 제1 스위치에 연결되는 제1 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제2 컨버터는, 상기 제2 인덕터 및 상기 제2 스위치에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함하는 전력 변환 장치.
  8. 제1항, 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 홈 어플라이언스.
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