KR102145893B1 - 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터, 상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터로부터의 직류 전원을 저장하는 dc단 커패시터, 복수의 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 구비하며, 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터, 및, 상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 보호 회로를 포함하고, 상기 보호 회로는, 역전류 방지 다이오드, 상기 역전류 방지 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터와 하나 이상의 저항을 포함하는 과전압 보호부, 상기 과전압 보호부에 연결되는 스위칭 소자와 파워 릴레이를 포함하는 스위칭부를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Motor driving apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 서지(surge) 전압으로부터 내부 회로를 안정적으로 보호할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
모터 구동 장치는, 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치로 많은 홈 어플라이언스에서 사용되고 있다.
모터 구동 장치가 구비하는 컨버터, 인버터는 회로 소자들을 포함할 수 있고, 서지(Surge) 전압이 인가되면 회로 소손이 야기될 수 있다.
최근, 제조 비용 저감 등을 이유로, 저용량의 커패시터를 사용하는 커패시터리스(capacitorless) 방식의 모터 구동 장치가 많이 사용되고 있다. 그러나, 커패시터리스 방식의 모터 구동장치는, 저용량의 커패시터를 사용하므로 급격히 전압이 상승하는 서지 전압에 더 취약한 문제점이 있다.
서지 전압으로부터 회로를 보호하기 위한 방법들 중 하나로 배리스터 등을 이용하는 방법이 사용되고 있다.
예를 들어, 선행 문헌 1(한국 공개특허공보 제10-2018-00553042호, 공개일자 2018년 5월 21일)은 과전압 보호 회로 및 이를 포함하는 전원 공급 장치에 관한 것으로, 과전압 보호부는 배리스터(variable resistor: varistor)와 제너 다이오드를 포함하고 있다.
배리스터는, 입력되는 전압에 따라 저항값이 달라지는 반도체 소자로 일정한 전압 이하에서는 부도체로 작용을 하기 때문에 회로에 아무 영향을 주지 않는다. 하지만, 배리스터는 일정량 이상의 전압이 가해지게 되면 도체의 성질을 가지게 된다. 이에 따라, 배리스터는 전기를 다른 곳으로 방출하거나 자신이 흡수하게 됨으로써 소자를 서지로부터 보호하는 역할을 할 수 있다.
하지만, 배리스터와 같은 소자들은 미리 설계된 전압으로만 클램핑(Clamping)하고, 제품 정상 작동시 필요한 전압과 인버터, 지능형 파워 모듈(IPM)이 버티는 최고전압을 고려하였을 때 이런 소자들을 사용하지 못할 수도 있다. 이런 경우에, 서지 전압으로부터 회로를 보호할 능동회로가 필요하다.
본 발명의 목적은, 서지 전압으로 인한 회로 소손을 방지할 수 있는 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 저비용으로 구현된 서지 보호 회로를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터, 상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터로부터의 직류 전원을 저장하는 dc단 커패시터, 복수의 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 구비하며, 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터, 및, 상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 보호 회로를 포함하고, 상기 보호 회로는, 역전류 방지 다이오드, 상기 역전류 방지 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터와 하나 이상의 저항을 포함하는 과전압 보호부, 상기 과전압 보호부에 연결되는 스위칭 소자와 파워 릴레이를 포함하는 스위칭부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 서지 전압으로부터 내부 회로를 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 서지 전압과 모터 역기전력에 효과적으로 대응하여 모터를 안정적으로 구동할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 저비용으로 서지 전압 보호 회로를 구현할 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 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일예이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일예이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일예이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 서지 보호 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로 적용시 측정된 전압 파형을 예시하는 도면이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로 미 적용시 측정된 전압 파형을 예시하는 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.
한편, 본 명세서에서 기술되는 모터 구동 장치(400)는, 홈 어플라이언스 내에 구비되는 모터 구동 장치일 수 있다. 홈 어플라이언스는, 냉장고, 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등을 포함하는 것으로서, 이하에서는, 다양한 홈 어플라이언스 중 공기조화기를 중심으로 기술한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 모터 구동부로 명명할 수도 있다.
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(도 3의 250 참조)를 구동하는 실외 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실외기(31) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(미도시)를 구동하는 압축기 모터 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실내기(21) 내의 실내 팬(109a)은, 실내 팬 모터(109b)를 구동하는 실내 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 공기조화기는, 압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a) 등 각 유닛에 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일예이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 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. 모터 구동 장치(400)는, 입력 전압 검출부(A), dc단 전압 검출부(B), 입력 전류 검출부(D), 및 출력전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
컨버터(410)는, 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(410)는, 정류부(도 4의 510)를 구비할 수 있다. 그외, 리액터(미도시)를 더 구비하는 것도 가능하다.
컨버터(410)의 출력단에는, 평활 커패시터(C)가 접속된다. 커패시터(C)는, 컨버터(410)에서 출력되는 전원을 저장할 수 있다. 컨버터(410)에서 출력되는, 전원은 dc 전원이므로, dc단 커패시터라 명명할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 수십 μF 이하의 저용량의 dc단 커패시터(C)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 저용량의 dc단 커패시터(C)는, 전해 커패시터가 아닌, 필름 커패시터를 포함할 수 있다. 이러한, 수십 μF 이하의 저용량의 dc단 커패시터(C)를 구비하는 모터 구동장치를, 커패시터리스(capacitorless) 기반의 모터 구동 장치라 할 수 있다
상기 인버터(420)는, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력할 수 있다.
도 3을 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, dc단이라 명명할 수 있다. 따라서, 커패시터(C)를 dc단 커패시터라 할 수도 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하고, 이를 컨버터(410)에 출력할 수 있다.
dc단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 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.
상술한 것과 같이, 모터 구동 장치(400)는 다수의 회로 소자를 포함하고 있다. 서지 전압으로 회로가 소손되는 경우가 많으므로, 배리스터를 보완하거나 대체하여 서지 전압을 견디는 보호 회로가 필요하다. 이를 위해 본 발명은 서지 전압으로부터 내부 회로를 보호하는 능동형 보호 회로를 제안한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일예를 도시한다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 입력 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터(410), 및, 상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터(410)의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 dc단 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
컨버터(410)는, 입력 교류 전원(201)을 정류하는 정류부(510)를 포함할 수 있다. 경우에 따라서, 컨버터(410)는, 리액터(미도시), 스위칭 소자 들을 더 포함할 수 있다.
한편, dc단 커패시터(C)의 양단에는 인버터(420), 지능형 파워 모듈(Intelligent Power Module: IPM) 등 부하(530)가 연결되어, dc단 커패시터(C)에 저장된 전원이 부하(530)로 공급될 수 있다.
인버터(420)는 복수의 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 구비하며, 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)에 출력할 수 있다.
지능형 파워 모듈(IPM)은 인버터(420)를 구성하는 스위칭 소자와 이를 구동하는 게이트 드라이브 IC를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 상기 dc단 커패시터(C)의 양단에 연결되는 서지 보호 회로(520)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 서지 보호 회로(520)는 상기 dc단 커패시터(C)와 상기 인버터(420) 등 부하(530) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 서지 보호 회로(520)의 일단은 dc단 커패시터(C) 및 부하(530)의 일단에 연결되고, 서지 보호 회로(520)의 타단은 dc단 커패시터(C) 및 부하(530)의 타단에 연결될 수 있다.
한편, 전원(201) 측에는 정상 운전중에 전류가 많이 흐르므로, 서지 보호 회로(520)가 전원(201) 측 입력단에 구비되는 경우에, 회로 소자들의 용량이 커져야 한다. 따라서, 서지 보호 회로(520)는 상기 dc단 커패시터(C)와 상기 인버터(420) 등 부하(530) 사이에 배치되는 경제적이다.
서지 보호 회로(520)는, 역전류 방지 다이오드(D1), 및, 상기 역전류 방지 다이오드(D1)에 연결되는 하나 이상의 커패시터(C1)와 하나 이상의 저항(R1)을 포함하는 과전압 보호부(521a)를 포함할 수 있다.
상기 역전류 방지 다이오드(D1)는, 애노드(anode)가 dc단 커패시터(C)에 연결되고, 캐소드(Cathode)가 과전압 보호부(521a)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 과전압 보호부(521a)의 충전된 에너지로부터 역전류가 부하(530)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 서지(Surge) 전압이 들어오면 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C1)로 이를 막아준다. 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C1)에는 서지 전압으로 인한 에너지 등이 저장될 수 있고, 저항(R1)은 커패시터(C1)에 저장된 에너지가 방전될 수 있도록 커패시터(C1)에 연결될 수 있다.
커패시터(C1)와 저항(R1)은 공기조화기(100) 등 홈 어플라이언스 제품 전원 오프(off)시 커패시터(C1)를 방전시킬 회로를 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C1)와 저항(R1)은 병렬로 연결되어 방전시 폐루프를 형성할 수 있다. 과전압 보호부(521a)는 병렬로 연결된 커패시터와 저항 쌍(pair)을 하나 이상 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 상기 과전압 보호부(521a)에 연결되는 스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524)를 포함할 수 있다. 스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524)는, 병렬로 연결될 수 있다.
파워 릴레이(524)도 스위칭 소자로 구성될 수 있고, 스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524)는 스위칭부(523, 524)로도 명명될 수 있다.
실시예에 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 상기 스위칭 소자(523)에 직렬로 연결되는 돌입전류 방지 저항(522)을 더 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 돌입전류 방지 저항(522)은, 부특성 서미스터(Negative Temperature Coefficient: NTC) 저항일 수 있다. NTC 저항(522)은, 온도 변화에 대응하여, 저항값이 가변되는 가변 저항 소자로 온도 상승에 따라 저항값이 감소될 수 있다.
본 발명에 따르면, 공기조화기(100) 등 홈 어플라이언스의 전원이 꺼지면 파워 릴레이(524)를 스위칭시켜 대기전력을 소모시키지 않게 한다.
또한, 공기조화기(100) 등 홈 어플라이언스의 전원이 켜질 때, 돌입전류와 역기전력도 효과적으로 막을 수 있도록 상기 스위칭 소자(523) 및 상기 스위칭 소자(523)에 직렬로 연결되는 돌입전류 방지 저항(522)을 포함하도록 회로를 구성할 수 있다.
제품 동작중에는 과전압이 들어와도 버틸 수 있도록 IPM 등 부하(530) 전단 커패시터(C1)의 용량이 커야한다. 커패시터(C1)의 용량이 크면 돌입전류가 커져 회로를 소손, 폭파시킬 수 있는 위험이 있다. 따라서, 전원이 들어올 때 생기는 돌입전류에 대한 대책으로 NTC 저항(522)을 더 포함할 수 있다.
스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524)는, 둘 중에 어느 하나만 온(on)될 수 있다. 즉, 스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524)가 모두 온(on)이 되는 구간은 없다.
공기조화기(100) 등 홈 어플라이언스 제품 전원이 온(on)되면, NTC 저항(522)과 IGBT 스위칭 소자(523)는 돌입전류를 막기 위해 동작할 수 있다,
실시예에 따라서, 홈 어플라이언스 제품 전원이 켜지자마자 전류가 흐르지 않도록 IGBT 스위칭 소자(523)의 동작 시간을 지연시킬 수 있다. 예를 들어, 제품 전원이 온(on)되고, 1ms 후 IGBT 스위칭 소자(523)가 온될 수 있다.
NTC 저항(522)도 전력을 소모하므로 정상 운전중에는 NTC 저항(522)으로 전류가 흐르지 않도록 해야 소비 전력을 절감할 수 있다.
따라서, 전원이 들어온 이후 정상동작할 때 NTC 저항(522)에서 전력을 소모하지 않도록 IGBT 스위칭 소자(523)는 오프(off)되고, 상기 파워 릴레이(524)는 온될 수 있다.
공기조화기(100) 등 홈 어플라이언스 제품 전원이 오프(off)되면, 역전류 방지 다이오드(D1)는 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C1)에 저장된 에너지가 IPM 등 부하(530)으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 공기조화기(100) 등 홈 어플라이언스 제품 전원이 오프(off)되면, 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C1)가 방전될 수 있도록 커패시터(C1)에는 저항(R1)이 병렬로 연결될 수 있다.
이에 따라, 배리스터와 서지 옵저버(Surge observer)가 하는 역할을 대체할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(523) 및 파워 릴레이(524)의 스위칭 동작을 부품 추가 없이 기존 부품으로 수행 가능하다. 예를 들어, 컨버터 제어부(415)가 스위칭 소자(523) 및 파워 릴레이(524)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(400)는, 상기 dc단 전압을 검출하는 dc단 전압 검출부(B)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 dc단 전압이 제1 기준 전압에 도달하면, 상기 스위칭 소자(523)가 온되고, 상기 dc단 전압이 상기 제1 기준 전압보다 높은 제2 기준 전압에 도달하면, 상기 스위칭 소자(523)가 오프되고, 상기 파워 릴레이(524)가 온될 수 있다.
특히, 전원이 켜졌을 때, dc단 전압 검출부(B)가 dc단 전압을 검출하고, 검출되는 전압의 크기에 따라 상기 스위칭 소자(523)와 상기 파워 릴레이(524)가 순차적으로 켜질 수 있다.
이에 따라, 제품 전원이 켜졌을 때, 돌입 전류를 방지하면서도, 제품 정상 동작시, 서지 전압으로부터 회로를 보호하면서도 소비 전력을 증가시키지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 서지 전압과 모터 역기전력에 효과적으로 대응하여 모터를 안정적으로 구동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도의 일예를 도시한 도면이고, 도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 서지 보호 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 5는 도 4를 참조하여 설명한 과전압 보호부(521a)와 다른 과전압 보호부(521b)를 예시한 것으로, 과전압 보호부(521a, 521b)의 차이 이외에 서지 보호 회로(520) 및 모터 구동 장치(400)의 나머지 구성은 동일하다.
도 5를 참조하면, 서지 보호 회로(520)는, 역전류 방지 다이오드(D1), 및, 상기 역전류 방지 다이오드(D1)에 연결되는 하나 이상의 커패시터(C21, C22)와 하나 이상의 저항(R21, R22)을 포함하는 과전압 보호부(521b)를 포함할 수 있다. 도 5의 과전압 보호부(521b)는 커패시터(C21), 저항(R21) 쌍과 커패시터(C22), 저항(R22) 쌍의 2단 구조로 구성될 수 있다.
커패시터는 용량이 2배 증가할 때, 비용과 크기가 2배 이상 증가하므로, 복수의 커패시터를 조합하여 대용량의 커패시터와 동일한 기능을 수행하도록 구성하는 것이 경제적인 측면과 회로 크기 측면에서 장점이 있다.
본 발명은 서지(Surge) 전압이 들어오면 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C21, C22)로 이를 막아준다. 과전압 보호부(521a)의 커패시터(C21, C22)에는 서지 전압으로 인한 에너지 등이 저장될 수 있고, 제1 저항(R21)은 제1 커패시터(C21)에 저장된 에너지가 방전될 수 있도록 커패시터(C21)에 연결되고, 제2 저항(R22)은 제2 커패시터(C22)에 저장된 에너지가 방전될 수 있도록 커패시터(C22)에 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제품 오프시, 제1 저항(R21)과 제1 커패시터(C21)가 폐루프를 형성하여 제1 커패시터(C21)에 충전된 에너지가 방전되고, 제2 저항(R22)과 제2 커패시터(C22)가 폐루프를 형성하여 제2 커패시터(C22)에 충전된 에너지가 방전될 수 있다.
본 실시예에서도 상기 역전류 방지 다이오드(D1)는, 애노드(anode)가 dc단 커패시터(C)에 연결되고, 캐소드(Cathode)가 과전압 보호부(521b)에 연결되어 역전류가 부하(530)로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제품 온시 꺼져 있던 IGBT 스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524) 중에서, IGBT 스위칭 소자(523)가 먼저 켜질 수 있다. 커패시터(C21, C22)의 용량이 크면 돌입전류도 커진다. 따라서 IGBT 스위칭 소자(523)와 파워 릴레이(524)를 끄고 있다가 커패시터(C21, C22)에 갑자기 전원을 충전하게 되면 위험하므로 NTC 저항(522)를 이용해 돌입전류를 낮출 수 있다.
dc단 커패시터(C)에 전압이 어느 정도 충전되었다면 파워 릴레이(524)를 켜 NTC 저항(522)에서 전력소모가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로 적용시 측정된 전압 파형을 예시하는 도면이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로 미 적용시 측정된 전압 파형을 예시하는 도면이다.
도 8a와 도 8b는 정류부(510) 내 다이오드 양단 전압(V B/D), dc단 전압(V DC link), 역전류 방지 다이오드(D1)의 양단 전압(V FRD)를 측정 비교한 것이다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로 적용시에는 다이오드 양단 전압(V B/D)은 최대 1280V, dc단 전압(V DC link)은 최대 1245V로 정상 작동하나, 미적용시, 서지 전압에 의해 다이오드 양단 전압(V B/D)은 최대 1500V, dc단 전압(V DC link)은 최대 1580V로 회로 소손이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 모터 구동 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
컨버터 제어부 : 415
인버터 : 420
인버터 제어부 : 430
정류부 : 510
서지 보호 회로 : 520

Claims (9)

  1. 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터;
    상기 dc단에 접속되며, 상기 컨버터로부터의 직류 전원을 저장하는 dc단 커패시터;
    상기 dc단 전압을 검출하는 dc단 전압 검출부;
    복수의 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 구비하며, 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 모터에 출력하는 인버터; 및,
    상기 dc단 커패시터와 상기 인버터 사이에 배치되는 보호 회로;를 포함하고,
    상기 보호 회로는, 역전류 방지 다이오드, 상기 역전류 방지 다이오드에 연결되는 하나 이상의 커패시터와 하나 이상의 저항을 포함하는 과전압 보호부, 상기 과전압 보호부에 연결되는 스위칭 소자와 파워 릴레이를 포함하는 스위칭부를 포함하며,
    상기 dc단 전압이 제1 기준 전압에 도달하면, 상기 스위칭 소자가 온되고,
    상기 dc단 전압이 상기 제1 기준 전압보다 높은 제2 기준 전압에 도달하면, 상기 스위칭 소자가 오프되고, 상기 파워 릴레이가 온되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과전압 보호부는,
    병렬로 연결된 커패시터와 저항 쌍(pair)을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자와 상기 파워 릴레이는, 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 직렬로 연결되는 돌입전류 방지 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 돌입전류 방지 저항은, 부특성 서미스터(Negative Temperature Coefficient: NTC) 저항인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자와 상기 파워 릴레이는, 둘 중 어느 하나만 온(on)되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파워 릴레이가 오프(off)일 때, 상기 스위칭 소자가 먼저 온되고, 상기 스위칭 소자가 오프되면서 상기 파워 릴레이가 온되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 모터 구동 장치를 구비하는 홈 어플라이언스.
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