KR102135083B1 - 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 교류 전원을 입력받아 복수의 멀터 레벨 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터, 멀티 레벨 컨버터로부터의 멀티 레벨 전원을 저장하는 복수의 커패시터, 및 멀티 레벨 컨버터 내의 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 전압을 생성하는 게이트 구동 신호 생성부를 포함하며, 게이트 구동 신호 생성부는, 게이트 구동 전원을 공급하는 게이트 구동 전원부, 게이트 구동 전원을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 드라이버, 게이트 드라이버의 양 단자에 사이에 접속되는 게이트 커패시터, 및 게이트 커패시터의 일 단과, 복수의 커패시터 중 어느 하나의 일단 사이에 접속되는 게이트 스위칭 소자를 구비한다. 이에 따라, 멀티 레벨 컨버터의 게이트 구동 신호를 생성할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기{Motor driving device and air conditioner including the same}
본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 멀티 레벨 컨버터의 게이트 구동 신호를 생성할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 인간에게 보다 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 설치된다. 일반적으로 공기조화기는 열교환기로 구성되어 실내에 설치되는 실내기와, 압축기 및 열교환기 등으로 구성되어 실내기로 냉매를 공급하는 실외기를 포함한다.
본 발명의 목적은, 멀티 레벨 컨버터의 게이트 구동 신호를 생성할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치는, 복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 교류 전원을 입력받아 복수의 멀터 레벨 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터, 멀티 레벨 컨버터로부터의 멀티 레벨 전원을 저장하는 복수의 커패시터, 및 멀티 레벨 컨버터 내의 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 구동 신호 생성부를 포함하며, 게이트 구동 신호 생성부는, 게이트 구동 전원을 공급하는 게이트 구동 전원부, 게이트 구동 전원을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 드라이버, 게이트 드라이버의 양 단자에 사이에 접속되는 게이트 커패시터, 및 게이트 커패시터의 일 단과, 복수의 커패시터 중 어느 하나의 일단 사이에 접속되는 게이트 스위칭 소자를 구비한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 냉매를 압축하는 압축기, 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기, 압축기 내의 모터를 구동하기 위한 압축기 모터 구동 장치를 포함하고, 압축기 모터 구동 장치는, 복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 교류 전원을 입력받아 복수의 멀터 레벨 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터, 멀티 레벨 컨버터로부터의 멀티 레벨 전원을 저장하는 복수의 커패시터, 멀티 레벨 컨버터 내의 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 구동 신호 생성부를 포함하며, 게이트 구동 신호 생성부는, 게이트 구동 전원을 공급하는 게이트 구동 전원부, 게이트 구동 전원을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 드라이버, 게이트 드라이버의 양 단자에 사이에 접속되는 게이트 커패시터, 및 게이트 커패시터의 일 단과, 복수의 커패시터 중 어느 하나의 일단 사이에 접속되는 게이트 스위칭 소자를 구비한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 교류 전원을 입력받아 복수의 멀터 레벨 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터, 멀티 레벨 컨버터로부터의 멀티 레벨 전원을 저장하는 복수의 커패시터, 및 멀티 레벨 컨버터 내의 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 구동 신호 생성부를 포함하며, 게이트 구동 신호 생성부는, 게이트 구동 전원을 공급하는 게이트 구동 전원부, 게이트 구동 전원을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 드라이버, 게이트 드라이버의 양 단자에 사이에 접속되는 게이트 커패시터, 및 게이트 커패시터의 일 단과, 복수의 커패시터 중 어느 하나의 일단 사이에 접속되는 게이트 스위칭 소자를 구비함으로써, 멀티 레벨 컨버터의 게이트 구동 신호를 생성할 수 있게 된다.
특히, 게이트 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 게이트 구동 전원부로부터의 게이트 구동 전원을, 게이트 커패시터에 저장하며, 게이트 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 게이트 커패시터에 저장된 게이트 전압을 이용하여, 게이트 드라이버가, 게이트 구동 전압 기반의 게이트 구동 신호를 생성함으로써, 플로팅 전압 기반의 게이트 구동 신호를 생성할 수 있게 된다.
특히, 별도의 SMPS 채널 추가 없이, 게이트 구동 신호 생성부를 구성할 수 있어, 모터 구동 장치에 대한 설계 자유도가 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 압축기 모터 구동장치의 블록도이다.
도 4는 도 3의 컨버터의 내부 회로도의 일예이다.
도 5는 도 4의 멀티레벨 컨버터에서 출력되는 멀터 레벨 전원 파형을 예시한다.
도 6a 내지 도 6b는 도 4의 멀티레벨 컨버터에 인가되는 게이트 구동 신호 생성 방법에 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 게이트 구동 신호 생성부를 포함하는 모터 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 8a 내지 도 9는 도 7의 게이트 구동 신호 생성부의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
본 발명에 따른 공기조화기는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 실내기(31 내지 35), 복수의 실내기에 연결되는 복수의 실외기(21, 22), 복수의 실내기 각각과 연결되는 리모컨(41 내지 45), 그리고 복수의 실내기 및 실외기를 제어하는 원격제어기(10)를 포함할 수 있다.
원격제어기(10)는 복수의 실내기(31 내지 36) 및 복수의 실외기(21, 22)와 연결되어 그 동작을 모니터링하고 제어한다. 이때, 원격제어기(10)는 복수의 실내기에 연결되어 실내기에 대한 운전설정, 잠금설정, 스케줄제어, 그룹제어 등을 수행할 수 있다.
공기조화기는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 이하 설명의 편의를 위하여 천장형 공기조화기를 예로 설명한다. 또한, 공기조화기는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21, 22)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(21, 22)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31 내지 35)로 냉매를 공급한다. 실외기(21,22)는 원격제어기(10) 또는 실내기(31 내지 35)의 요구에 의해 구동되고, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 된다.
이때, 실외기(21, 22)는 복수의 실외기가, 각각 연결된 실내기로 각각 냉매를 공급하는 것을 기본으로 하여 설명하나, 실외기 및 실내기의 연결구조에 따라 복수의 실외기가 상호 연결되어 복수의 실내기로 냉매를 공급할 수도 있다.
실내기(31 내지 35)는 복수의 실외기(21, 22) 중 어느 하나에 연결되어, 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(31 내지 35)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(21, 22) 및 실내기(31 내지 35)는 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하고, 실외기 및 실내기는 원격제어기(10)와 별도의 통신선으로 연결되어 원격제어기(10)의 제어에 따라 동작한다.
리모컨(41 내지 45)는 실내기에 각각 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신하며, 경우에 따라 복수의 실내기에 하나의 리모컨이 연결되어 하나의 리모컨 입력을 통해 복수의 실내기의 설정이 변경될 수 있다.
또한, 리모컨(41 내지 45)은 내부에 온도감지센서를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(31)와 실외기(21)로 구분된다.
실외기(21)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 촉진시키는 실외팬(105a)과 실외팬(105a)을 회전시키는 전동기(105b)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함한다.
실내기(31)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(109a)과 실내팬(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(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 도 2에서는 실내기(31)와 실외기(21)를 각각 1개씩 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 구동장치는 이에 한정되지 않으며, 복수개의 실내기와 실외기를 구비하는 멀티형 공기조화기, 한 개의 실내기와 복수개의 실외기를 구비하는 공기조화기 등에도 적용이 가능함은 물론이다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 압축기 모터 구동장치의 블록도이고, 도 4는 도 3의 컨버터의 내부 회로도의 일예이고, 도 5는 도 4의 멀티레벨 컨버터에서 출력되는 멀터 레벨 전원 파형을 예시한다.
도 1의 실외기(21) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(250)를 구동하는 압축기 모터 구동장치(200)에 의해 구동될 수 있다.
압축기 모터 구동장치(200)는, 압축기 모터(250)에 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(220)와, 인버터(220)를 제어하는 인버터 제어부(230)와, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210), 컨버터(210)를 제어하는 컨버터 제어부(215)를 포함할 수 있다.
모터 구동장치(200)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(250)에 변환된 전력을 공급한다. 이에 따라, 모터 구동장치(200)는, 전력변환장치라고도 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210)는, 멀티 레벨의 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터로서, 도 4와 같은 구성을 가질 수 있다.
특히, 멀티 레벨 컨버터는, 복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있으며, 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 신호를, 컨버터 제어부(215)에서 생성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 멀티 레벨 컨버터(210)는, 복수의 리액터(405), 삼상 정류부(410), 및 복수의 스위칭 소자를 구비하는 스위칭부(415)를 구비할 수 있다.
복수의 리액터(405)는, 삼상 교류 전원(201a,201b,201c)과 삼상 정류부(410) 사이에 접속되며, 삼상 교류 전원(201a,201b,201c)에 의한 노이즈, 또는, 컨버터 이후의 부하에 따른 노이즈 성분을 저감할 수 있다.
삼상 정류부(410)는, 복수의 리액터(405)와 스위칭부(415) 사이에 접속될 수 있으며, 삼상 교류 전원을 정류할 수 있다.
도면에서는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Da,Db,Dc) 및 하암 다이오드 소자(D'a,D'b,D'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 다이오드 소자가 서로 병렬(Da&D'a,Db&D'b,Dc&D'c)로 연결되는 것을 예시한다.
도면에서는, 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Da)와 하암 다이오드 소자(D'a) 사이의 노드를 a 노드로, 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Db)와 하암 다이오드 소자(D'b) 사이의 노드를 b 노드로, 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Dc)와 하암 다이오드 소자(D'c) 사이의 노드를 c 노드로 설정한다.
스위칭부(415) 내의 복수의 스위칭 소자들(Sgate1,Sgate2,Sgate3)은, IGBT 타입의 스위칭 소자일 수 있으며, 각각, 삼상 정류부(410)와, 복수의 커패시터(Cdc1,Cdc2) 사이인 가상 중성점(N) 사이에, 접속될 수 있다.
구체적으로는, a 노드와 가상 중성점(N) 사이에, 제1 스위칭 소자(Sgate1)가 접속되며, b 노드와 가상 중성점(N) 사이에, 제2 스위칭 소자(Sgate2)가 접속되며, c 노드와 가상 중성점(N) 사이에, 제3 스위칭 소자(Sgate3)가 접속된다.
복수의 스위칭 소자들(Sgate1,Sgate2,Sgate3)의 동작에 따라, 멀터 레벨 전원 파형이 출력될 수 있다. 즉, 도 5와 같이, 5 레벨(L2,L1,L0,-L1,-L2)을 가지는 멀터 레벨 전원 파형이, 컨버터(210)에서 출력될 수 있다.
복수의 커패시터(Cdc1,Cdc2)는, 컨버터(210)에서 출력되는, 멀터 레벨 전원을 저장할 수 있다. 제1 커패시터(Cdc1)와 제2 커패시터(Cdc2)는 서로 직렬 접속되며, 그 사이의 노드는, 가상 중성점(N)일 수 있다.
이에 따라, 제1 커패시터(Cdc1)와 제2 커패시터(Cdc2)의 커패시턴스가 모두 동일한 경우, 제1 커패시터(Cdc1)와 제2 커패시터(Cdc2)의 각각에는 1/2 Vdc가 저장될 수 있으며, 복수의 커패시터(Cdc1,Cdc2)의 전체 양단(Vx와 Vg) 사이에는, Vdc 전압이 저장될 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 복수의 스위칭 소자들(Sgate1,Sgate2,Sgate3)을 구비하는 멀티 레벨 컨버터(210)를 제어할 수 있다. 특히, 복수의 스위칭 소자의 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 상술한 바와 같이, 복수의 스위칭 소자들(Sgate1,Sgate2,Sgate3)이, IGBT 타입의 스위칭 소자인 경우, 컨버터 제어부(215)는, 게이트 구동 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
생성되는 게이트 구동 신호는, 가상 중성점(N)에 접속되는 복수의 스위칭 소자들(Sgate1,Sgate2,Sgate3)에, 각각 가상 중성점(N) 보다, 게이트 구동 전압 만큼 높은 것이 바람직하다. 이에 대해서는, 도 7 이하를 참조하여 후술한다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(250)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(220)는, 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있다. 예를 들어, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(220)에 출력할 수 있다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io) 또는 복수의 커패시터 양단(Vx와 Vg 사이)인 dc 단 전압(Vdc)에 기초하여, 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, dc 단 전압(Vdc)은 dc 단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 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(220)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 축변환부(미도시), 속도 연산부(미도시), 전류 지령 생성부(미도시), 전압 지령 생성부(미도시), 축변환부(미도시), 및 스위칭 제어신호 출력부(미도시)를 포함할 수 있다.
축변환부(미도시)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(미도시)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(미도시)는, 위치 감지부(미도시)로부터 입력되는 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여, 속도(
Figure 112013113084825-pat00001
)를 연산할 수 있다. 즉, 위치 신호에 기반하여, 시간에 대해, 나누면, 속도를 연산할 수 있게 된다.
한편, 위치 감지부(미도시)는, 모터(250)의 회전자 위치를 감지할 수 있다. 이를 위해, 위치 감지부(미도시)는 홀 센서를 포함할 수 있다.
한편, 속도 연산부(미도시)는, 입력되는 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여 연산된 위치(
Figure 112013113084825-pat00002
)와 연산된 속도(
Figure 112013113084825-pat00003
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(미도시)는, 연산 속도(
Figure 112013113084825-pat00004
)와 목표 속도(ω)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산하며, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(미도시)는, 연산 속도(
Figure 112013113084825-pat00005
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(535)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(미도시)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(미도시)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(미도시) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(미도시)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(544)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(미도시)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(548)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(미도시)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(미도시)에 입력된다.
축변환부(미도시)는, 속도 연산부(미도시)에서 연산된 위치(
Figure 112013113084825-pat00006
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(미도시)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(미도시)에서 연산된 위치(
Figure 112013113084825-pat00007
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(미도시)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(미도시)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 6a 내지 도 6b는 도 4의 멀티레벨 컨버터에 인가되는 게이트 구동 신호 생성 방법에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6a는 멀티 레벨 컨버터의 제1 상암 다이오드 소자(Da)와 제1 하암 다이오드 소자(D'a) 사이인 a 노드와, 가상 중성점(N) 사이에, 제1 스위칭 소자(Sgate1)가 접속되는 것을 예시한다.
제1 스위칭 소자(Sgate1)에 대한 게이트 구동 신호(DSgate) 생성을 위해, 도 6a와 같은, 게이트 구동 신호 생성부(600a)가 사용되는 경우, VDC/2 + Vgate 전원이, 게이트 드라이버(60)에 공급되어야 한다. Vgate 전압이 15V이고, 대략 VDc/2 전압이 385V인 경우, 결국, 400V의 전원 공급이 필요하게 된다. 또한, 400V의 전원 공급에 내구성을 가지는, 게이트 트라이버(610), 및 게이트 커패시터(Cga)가 필요하게 된다. 따라서, 모터 구동 장치의 설계상 효율적이지 못하게 되며, 제조 비용이 증가하는 요인이 된다.
다음, 도 6b는, 도 6a와 같이, 멀티 레벨 컨버터의 제1 상암 다이오드 소자(Da)와 제1 하암 다이오드 소자(D'a) 사이인 a 노드와, 가상 중성점(N) 사이에, 제1 스위칭 소자(Sgate1)가 접속되는 것을 예시한다.
제1 스위칭 소자(Sgate1)에 대한 게이트 구동 신호(DSgate) 생성을 위해, 도 6a와 같은, 게이트 구동 신호 생성부(600a)가 사용되는 경우, Vgate 전원이, 게이트 드라이버(60)에 공급된다.
한편, 게이트 커패시터(Cga)의 일단에는 Vgate 전원이 공급되며, 게이트 커패시터(Cga)의 타단에는, 도 6a와 같이, 그라운드(GnD1) 단자가 아닌, 플로팅 그라운드 단자(GND2)가 필요하게 된다.
즉, 추가적인, 그라운드 단자의 생성이 필요하게 되며, 결국, 전동기 구동 장치(200) 내에 각 종 구동, 또는 동작 전압을 공급하는 SMPS에 추가적인 채널이 필요하게 된다.
본 발명에서는, 도 6a 및 도 6b와 달리, 즉, 고압 전원을 공급하지 않아도 되며, SMPS에 추가적인 채널이 필요하지 않는, 게이트 구동 전원부를 제안한다. 이에 대해서는 도 7 이하를 참조하여 기술한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 게이트 구동 신호 생성부를 포함하는 모터 구동장치를 도시한 회로도이고, 도 8a 내지 도 9는 도 7의 게이트 구동 신호 생성부의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 7을 참조하면, 게이트 구동 신호 생성부(700)는, 게이트 구동 전원부(Vgate), 게이트 드라이버(610), 게이트 커패시터(Cm), 및 게이트 스위칭 소자(Sm)를 구비할 수 있다. 또한, 다이오드 소자(Dm)와 저항 소자(Rm)를 더 구비할 수 있다.
게이트 구동 전원부(Vgate)는, 게이트 구동 전원을 공급하며 대략 15V의 전압을 공급할 수 있다.
게이트 드라이버(610)는, 멀티 레벨 컨버터(210) 내의 복수의 스위칭 소자(Sgate1,Sgate2,Sgate3)에 대한 게이트 구동 신호(DSgate1~3)를 생성한다. 이를 위해, 게이트 커패시터(Cm)가 게이트 드라이버(610)의 양 단자 사이에 접속되며, 게이트 구동 전원부(Vgate)로부터의 게이트 구동 전원이 게이트 커패시터(Cm)에 저장되며, 게이트 커패시터(Cm)에 저장된 게이트 전압을 이용하여, 게이트 드라이버(610)가, 게이트 구동 전압 기반의 게이트 구동 신호(DSgate1~3)를 생성할 수 있다.
한편, 게이트 스위칭 소자(Sm)는, 게이트 커패시터(Cm)의 일 단과, 복수의 커패시터 중 제2 커패시터(Cdc2)의 일단(Vg) 사이에 접속될 수 있다.
여기서, 제2 커패시터(Cdc2)의 일단(Vg)은, 게이트 스위칭 소자(Sm)에 접속하는 것으로서, 예를 들어, 플로팅(floating) 단자일 수 있다.
한편, 다이오드 소자(Dm)와 저항 소자(Rm)는, 게이트 구동 전원부(Vgate)와 게이트 드라이버 사이, 즉, 게이트 구동 전원부(Vgate)와 게이트 커패시터(Cm)의 타단 사이에 전기적으로 접속되는 것이 가능하다.
다이오드 소자(Dm)에 의해, 게이트 구동 전원부(Vgate)로 전류가 역류하는 것을 방지할 수 있으며, 저항 소자(Rm)에 의해, 다른 회로 소자들을 보호할 수 있게 된다.
도 8a를 참조하면, 멀티 레벨 컨버터(210) 내의 복수의 스위칭 소자들을 모두 턴 오프일 때, 게이트 구동 신호 생성부(700) 내의 게이트 스위칭 소자(Sm)가 턴 온하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 게이트 커패시터(Cm)에, 게이트 구동 전원부(Vgate)로부터의 게이트 구동 전원이, 다이오드 소자(Dm)와 저항 소자(Rm)를 거쳐, 저장된다.
도면에서는, 게이트 구동 전원부(Vgate)로부터의 게이트 구동 전원이, 다이오드 소자(Dm)와 저항 소자(Rm)를 거쳐, 게이트 커패시터(Cm) 방향으로 전류(Ix)가 흐르는 것을 예시한다. 이에 의해, 게이트 커패시터(Cm)에 게이트 전압이 저장된다.
다음, 도 8b를 참조하면, 게이트 커패시터(Cm)에 게이트 전압이 저장된 경우, 게이트 구동 신호 생성부(700) 내의 게이트 스위칭 소자(Sm)가 턴 오프될 수 있다.
그리고, 게이트 드라이버(610)는, 게이트 커패시터(Cm)에 저장된 게이트 전압, 대략 15V의 전압을 이용하여, 게이트 구동 전압 기반의 게이트 구동 신호(DSgate1~3)를 생성할 수 있다.
한편, 단자(Vg)가 플로팅되는 경우, 플로팅되는 단자(Vg) 대비, 게이트 커패시터(Cm)에 저장된 게이트 전압이 더 부가되므로, 게이트 드라이버(610)는, Vg+15V의 전압을 이용하여, 게이트 구동 전압 기반의 게이트 구동 신호(DSgate1~3)를 생성할 수 있다.
이에 따라, 멀티 레벨 컨버터(210) 내의 복수의 스위칭 소자(Sgate1,Sgate2,Sgate3)는, 게이트 구동 전압 기반의 게이트 구동 신호(DSgate1~3)에 기초하여, 턴 온 또는 오프할 수 있다.
예를 들어, 게이트 구동 신호(DSgate1~3)가 하이 레벨을 가지는 경우, 해당하는 스위칭 소자가 턴 온되며, 로우 레벨을 가지는 경우, 해당하는 스위칭 소자가 턴 오프될 수 있다.
한편, 이러한 게이트 구동 신호 생성부(700)는, 상술한 컨버터 제어부(215) 내에 구비되는 것이 바람직하다.
결국, 도 7 내지 도 8b와 같은, 게이트 구동 신호 생성부(700)에 의하면, 게이트 구동 전원부(Vgate)이,도 6a과 달리, 고압 전원을 공급하지 않아도 되며, 및 도 6b와 달리, SMPS에 추가적인 채널이 필요하지 않게 된다. 따라서, 효율적인 모터 구동 장치(200)의 설계가 가능하게 된다.
한편, 도 9는, 게이트 스위칭 소자(Sm)의 제어 신호를 생성하기 위한, 게이트 스위칭 제어 신호 생성부(900)를 예시한다.
게이트 스위칭 제어 신호 생성부(900)는, 티 레벨 컨버터(210) 내의 복수의 스위칭 소자(Sgate1,Sgate2,Sgate3)가 모두 오프, 즉 로우레벨일 때 동작하므로, 각각의 게이트 구동 신호(DSgate1~3)에 접속되는 반전기들(910a,910b,910c)과, 반전기들에서, 변환된 하이 레벨에 대한 논리 곱 연산을 수행하기 위한 AND 게이트(920)을 구비할 수 있다.
결국, 하이 레벨로 변환된 게이트 스위칭 소자(Sm)의 제어 신호(Ds)를 생성하여 출력할 수 있게 된다. 이에 의해, 간단하게, 게이트 스위칭 소자(Sm)를 제어할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 공기조화기는 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.
한편, 본 발명의 모터 구동장치 또는 공기조화기의 동작방법은, 모터 구동장치 또는 공기조화기에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 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 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (14)

  1. 복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 교류 전원을 입력받아 복수의 멀터 레벨 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터;
    상기 멀티 레벨 컨버터로부터의 상기 멀티 레벨 전원을 저장하는 복수의 커패시터; 및
    상기 멀티 레벨 컨버터 내의 상기 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 구동 신호 생성부;를 포함하며,
    상기 게이트 구동 신호 생성부는,
    게이트 구동 전원을 공급하는 게이트 구동 전원부;
    상기 게이트 구동 전원을 이용하여 상기 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 드라이버;
    상기 게이트 드라이버의 양 단자에 사이에 접속되는 게이트 커패시터; 및
    상기 게이트 커패시터의 일 단과, 상기 복수의 커패시터 중 어느 하나의 일단 사이에 접속되는 게이트 스위칭 소자;
    상기 게이트 구동 전원부와 상기 게이트 커패시터의 타단 사이에 전기적으로 접속되는 다이오드 소자와 저항 소자;를 구비하고,
    상기 다이오드 소자는, 상기 게이트 구동 전원부로 전류가 역류하는 것을 방지하며,
    상기 복수의 커패시터 중 상기 어느 하나의 일단은, 플로팅되는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 게이트 구동 전원부로부터의 상기 게이트 구동 전원이, 상기 게이트 커패시터에 저장되며,
    상기 게이트 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 상기 게이트 커패시터에 저장된 게이트 전압을 이용하여, 상기 게이트 드라이버가, 상기 게이트 구동 전압 기반의 상기 게이트 구동 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터 내의 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 턴 오프일때,
    상기 게이트 스위칭 소자가 턴 온되는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터 내의 스위칭 소자는 상기 복수의 커패시터 사이의 가상 중성점에 접속되는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 복수의 커패시터에 저장된 전압을 이용하여, 교류 전원을 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터는,
    삼상 정류부; 및
    상기 삼상 정류부와 상기 복수의 커패시터 사이인 가상 중성점 사이에, 각각 접속되는 상기 복수의 스위칭 소자;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터는,
    상기 교류 전원과 상기 삼상 정류부 사이에 접속되는 복수의 리액터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기; 및
    상기 압축기 내의 모터를 구동하기 위한 압축기 모터 구동 장치;를 포함하고,
    상기 압축기 모터 구동 장치는,
    복수의 다이오드 소자와 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 교류 전원을 입력받아 복수의 멀터 레벨 전원을 출력하는 멀티 레벨 컨버터;
    상기 멀티 레벨 컨버터로부터의 상기 멀티 레벨 전원을 저장하는 복수의 커패시터; 및
    상기 멀티 레벨 컨버터 내의 상기 복수의 스위칭 소자에 대한 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 구동 신호 생성부;를 포함하며,
    상기 게이트 구동 신호 생성부는,
    게이트 구동 전원을 공급하는 게이트 구동 전원부;
    상기 게이트 구동 전원을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 게이트 드라이버;
    상기 게이트 드라이버의 양 단자에 사이에 접속되는 게이트 커패시터; 및
    상기 게이트 커패시터의 일 단과, 상기 복수의 커패시터 중 어느 하나의 일단 사이에 접속되는 게이트 스위칭 소자;
    상기 게이트 구동 전원부와 상기 게이트 커패시터의 타단 사이에 전기적으로 접속되는 다이오드 소자와 저항 소자;를 구비하고,
    상기 다이오드 소자는, 상기 게이트 구동 전원부로 전류가 역류하는 것을 방지하며,
    상기 복수의 커패시터 중 상기 어느 하나의 일단은, 플로팅되는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 게이트 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 게이트 구동 전원부로부터의 상기 게이트 구동 전원이, 상기 게이트 커패시터에 저장되며,
    상기 게이트 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 상기 게이트 커패시터에 저장된 게이트 전압을 이용하여, 상기 게이트 드라이버가, 상기 게이트 구동 전압 기반의 상기 게이트 구동 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터 내의 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 턴 오프일때,
    상기 게이트 스위칭 소자가 턴 온되는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  13. 제10항에 있어서,
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 복수의 커패시터에 저장된 전압을 이용하여, 교류 전원을 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 멀티 레벨 컨버터는,
    삼상 정류부; 및
    상기 삼상 정류부와 상기 복수의 커패시터 사이인 가상 중성점 사이에, 각각 접속되는 상기 복수의 스위칭 소자;를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.

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