KR102266356B1 - 회로 소손 방지 및 토템 폴 역률 보상 기능을 갖는 전력 변환 장치 - Google Patents

회로 소손 방지 및 토템 폴 역률 보상 기능을 갖는 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회로 소손 방지 및 토템 폴 역률 보상 기능을 갖는 전력 변환 장치에 대해 제시한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치는 정류회로 및 역률 보상 회로의 사이에 안정화 스위칭 회로가 포함되도록 하여, 서지 전압이나 서지 전류가 유입되더라도 단선 등의 오프 동작 없이 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킬 수 있다. 아울러, 안정화 스위칭 회로의 1차적인 안정화 스위칭 동작 외에도 토템 폴 역률 보상 회로의 스위칭 전압 및 전류량 변화에 따라 마이컴에서 2차적으로 안정화 동작을 수행하도록 함으로써, 전력 변환 장치의 안정화 특성을 높이고 그 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

회로 소손 방지 및 토템 폴 역률 보상 기능을 갖는 전력 변환 장치{POWER CONVERTING DEVICE WITH FUNCTION FOR PROTECTION CIRCUIT AND TOTEM-POLE PFC}
본 발명은 회로 소손 방지 및 토템 폴 역률 보상 기능을 갖는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축 에너지로 변환시키는 장치로서 냉동기기, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등의 주요 부품으로 사용된다.
공기 조화기는 압축기로 냉매를 압축시킨 후, 압축된 냉매가 기화하면서 발생되는 열 교환을 통하여 공기를 냉각하는 장치이다.
공기 조화기는 압축기, 팬 등에 전동기를 사용하며, 이를 구동하기 위하여 정격전원 단자를 통해 공급된 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 변환된 직류전압을 구동 전압으로 다시 변환하여 압축기 등의 부하에 공급한다.
한편, 입력 전원을 압축기에 전달하는 전력 변환 장치는 다수의 전력 스위칭 소자를 구비해서 구성된 컨버터와 인버터 등을 포함한다. 예를 들어, 컨버터에 구성된 적어도 하나의 스위치는 마이컴에서 출력하는 컨버터 제어 신호에 기초해서 스위칭 동작을 수행함으로써, 입력 전원에 대한 정류나 승압을 수행할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 인버터의 경우는 다수의 스위치를 구비하고, 마이컴에서 출력하는 인버터 제어 신호에 기초한 스위치의 동작에 따라 직류 전압을 미리 설정된 전압 크기의 구동 전압으로 변환할 수 있다.
종래의 컨버터나 인버터에서는 과전압이나 과전류, 다시 말해 서지(Surge) 전압이나 서지 전류 등에 따른 스위치 소자의 소손이 자주 발생된다.
이러한 스위칭 소자의 소손을 방지하기 위하여, 컨버터나 인버터의 전원부에 흐르는 서지 전압이나 서지 전류를 감지하고, 감지된 서지 전압이나 서지 전류를 효과적으로 방전시키는 기술이 대한민국 특허공개공보 제10-2007-0043230A호로 개시되었다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 장치의 보호 회로를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 보호회로는 교류 전원 입력단인 라이브단(L)과 뉴트럴 단(N)에 각각 퓨즈(P, Fusem)를 연결함으로써, 서지 전압이나 서지 전류 입력시 퓨즈가 단선되도록 해서 전원부를 보호하였다.
또한, 종래 기술에 따른 보호회로는 교류 전원 입력단에 바리스터(V, Varister) 및 방전기(G)를 직렬 또는 병렬로 연결하고, 서지 전압이나 서지 전류가 바리스터(V)와 방전기(G)를 통해 바이패스되도록 해서 전원 장치를 보호하였다.
그러나, 종래 기술에 따른 보호 회로에서 이용되는 퓨즈는 소모성 부품이며, 퓨즈가 단선되면 전원 장치가 동작 불능 상태로 유지되기 때문에 단선된 퓨즈를 교체할 때까지 전원 장치의 이용이 불가한 문제가 있다.
또한, 교류 전원 입력단(L,N)에 적어도 하나씩의 바리스터(V)와 방전기(G)를 직렬 또는 병렬로 연결해 놓고 서지 전압이나 서지 전류를 감지하는 경우, 바리스터(V)와 방전기(G)에 따른 전압 및 전류 손실이 발생되는 문제가 있다. 구체적으로, 바리스터(V)와 방전기(G)는 교류 전원 입력단(L,N)의 입력 전압과 전류를 계속 공급받아 감지하기 때문에, 바리스터(V)와 방전기(G)에 의해 전압 및 전류 손실이 발생하고, 전원 장치의 효율은 저하될 수밖에 없었다.
이와 더불어, 교류 전원 입력단(L,N)에 바리스터(V)가 직접적으로 연결된 경우에는 순간적인 과전압 인가시 과전류까지 발생될 수 있으며, 이때는 방전기(G)를 통해 과전류가 방전되는 시간이 지체되어 과전류 차단 효율이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 단선 등의 오프(Off) 동작 없이 전원 입력단의 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킴으로써, 회로 소손을 방지하고 토템 폴 역률 보상 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 서지 전압이나 서지 전류의 유입시에만 바이어스되는 다이오드 특성에 따라 서지 전압이나 서지 전류 유입시에만 안정화 스위칭 회로가 동작해서 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킬 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 서지 전압이나 서지 전류 유입에 따른 안정화 스위칭 회로의 스위칭 동작 외에도 토템 폴 역률 보상 회로의 스위칭 전압 및 전류량 변화에 따라서도 마이컴에서 안정화 동작을 수행할 수 있도록 한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 서지 전압이나 서지 전류가 유입되더라도 단선 등의 오프(Off) 동작 없이 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시키기 위해, 정류회로 및 역률 보상 회로의 사이에 안정화 스위칭 회로를 포함하도록 구성된다. 이러한, 안정화 스위칭 회로는 역률 보상 회로로 공급되는 직류 전원에 서지 전압이나 서지 전류가 유입되면 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시키고 안정화 스위칭 신호를 마이컴으로 전송한다.
본 발명에서의 안정화 스위칭 회로는 정방향 출력단으로 자체 기준 용량에 따른 전압 및 전류 레벨 이상의 서지 전압이나 서지 전류가 유입되면, 정방향 출력단의 직류 전원을 역방향으로 바이어스시키는 제너 다이오드를 포함해서 구성된다. 이에, 안정화 스위칭 회로가 서지 전압이나 서지 전류 유입시에만 동작되도록 한다.
또한, 안정화 스위칭 회로는 양단간에 인가되는 전압이 자체 용량에 의해 설정된 전압 이상인 경우, 저항값이 급격히 감소하는 전기적인 특성을 갖는 바리스터를 포함해서 구성된다. 이에, 바리스터를 통해서는 자체적으로 바이어스되는 서지 전압이 감압되면서도 직류 전원의 전류량이 감소되도록 한다.
본 발명의 마이컴은 과전류 및 과전압 감지 단자로 안정화 스위칭 신호가 입력되면, 역률 보상 회로 및 인버터 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시켜서 전기 소자들의 소손을 방지한다. 또한, 마이컴은 역률 보상 회로에 구성된 제1 및 제2 보상 스위칭 소자의 턴-온 전압 및 전류가 미리 설정된 기준치 이상이면, 역률 보상 회로 및 인버터 구동을 중단시켜서 전기 소자들의 소손을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 전원 입력단에 서지 전압이나 서지 전류가 유입되더라도 단선 등의 오프 동작 없이 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시켜 회로 소손을 방지하고 토템 폴 역률 보상 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 토템 폴 역률 보상의 전력 변환 효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 서지 전압이나 서지 전류의 유입시에만 바이어스되는 다이오드 특성에 따라서 서지 전압이나 서지 전류 유입시에만 안정화 스위칭 회로가 동작하도록 한다. 이에, 전원 입력단에 연결된 안정화 스위칭 회로의 전기 소자들에 따른 전력 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 안정화 스위칭 회로의 1차적인 안정화 스위칭 동작 외에도 토템 폴 역률 보상 회로의 스위칭 전압 및 전류량 변화에 따라서도 마이컴에서 2차적으로 안정화 동작을 수행한다. 이에, 전력 변환 장치의 안정화 특성을 높여서 그 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 장치의 보호 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 구체적으로 나타낸 회로 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 안정화 스위칭 회로와 역률 보상 회로를 구체적으로 나타낸 회로 구성도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 안정화 스위칭 회로와 마이컴의 안정화 동작을 구체적으로 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 전원 입력단의 서지 전압 레벨 가변 특성 및 결과를 설명하기 위한 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. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
압축기, 팬(Fan) 등의 다양한 부하를 사용하는 공기 조화기는 정격 전원 입력단으로 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 변환된 직류 전압을 구동 전압레벨로 가변시켜서 압축기 등의 부하에 공급하는 전력 변환 장치를 포함한다.
본 발명에서의 전력 변환 장치는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기, 천장형 공기조화기, 및 덕트형 공기 조화기 등 어느 형태의 공기 조화기에도 적용 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력 변환 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 구체적으로 나타낸 회로 구성도이다.
도 2에 도시된 전력 변환 장치는 정류회로(200), 안정화 스위칭 회로(300), 역률 보상 회로(400), DC 링크 캐패시터(CA), 인버터(500), 역률 보상 제어부(450), 및 마이컴(520)을 포함한다.
정류회로(200)는 전원 입력단(100)으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류한다. 정류회로(200)는 전원 입력단(100)의 라이브 단과 뉴트럴 단 사이에 직렬 또는 병렬 중 적어도 하나의 조합으로 연결된 다이오드 브리지를 이용해서 교류 전원의 교류 전압을 전파 정류하고, 직류 전압으로 변환해서 역률 보상 회로(400)로 공급한다.
정류회로(200)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT) 등의 전력용 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다. 전력용 스위칭 소자가 포함된 경우에는 전력용 스위칭 소자를 이용해서 교류 전압 출력 타이밍 제어, 승압, 역률 개선 등의 동작을 수행할 수 있다.
안정화 스위칭 회로(300)는 정류회로(200) 및 역률 보상 회로(400) 사이에 구성되어, 정류회로(200)로부터 서지 전압이나 서지 전류 유입시에 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킨다. 그리고, 서지 전압이나 서지 전류 유입에 따른 안정화 스위칭 신호를 마이컴(520)의 과전압 및 과전류 중 적어도 하나의 감지 단자로 공급한다.
역률 보상 회로(400)는 역률 보상 제어부(450)의 게이트 구동신호에 따라 정류회로(200)로부터 공급되는 직류 전원의 출력 파형 및 타이밍을 변조해서 직류 전원의 역률을 개선하고, 역률이 개선된 직류 전원을 DC 링크 캐패시터(CA), 및 인버터(500)로 공급한다. 역률 보상 회로(400)는 하나의 레그(leg)에 복수의 보상 스위칭 소자가 배치되는 토템 폴 역률 보상 회로(Totem-Pole PFC circuit)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 안정화 스위칭 회로(300) 및 역률 보상 회로(400)의 세부 구성 및 동작 특성에 대해서는 이후에 참조된 도면을 참조해서 구체적으로 설명하기로 한다.
DC 링크 캐패시터(CA)는 역률 보상 회로(400)와 인버터 회로(500) 사이에 병렬로 연결된다. 구체적으로, DC 링크 캐패시터(CA)는 역률 보상 회로(400)와 인버터 회로(500) 사이의 라이브 단과 뉴트럴 단에 구성된다.
DC 링크 캐패시터(CA)는 역률 보상 회로(400)에서 출력되는 리플이 포함된 직류 전압을 충전 및 방전시킴으로써, 인버터(500)로 전송되는 직류 전압이 안정화 상태로 전송되도록 한다. 구체적으로, DC 링크 캐패시터(CA)는 역률 보상 회로(400)에서 출력되는 직류 전압을 근거로 DC 링크 전압을 충전하고 충전된 DC 링크 전압을 인버터(500)로 공급한다. 또한, DC 링크 캐패시터(CA)는 인버터(500)의 전환 스위칭 소자들이 스위칭되는 동안 전환 스위칭 소자들의 스위칭 주파수에 의해 발생하는 리플 전압(전압 변동)을 평활화할 수 있다.
인버터(500)는 인버터 제어부(510)의 스위칭 제어에 따라 DC 링크 캐패시터(CA)로부터의 직류 전압을 스위칭시킴으로써, 리플이 포함된 직류 전압 및 전류를 교류 전압 및 전류로 변환한다. 그리고, 리플이 포함된 교류 전류를 압축기 등의 부하(600)로 전송한다.
구체적으로, 인버터(500)는 역률 보상 회로(400)의 직류 전원 출력단, 즉, 직류 전원이 입력되는 라이브 단과 뉴트럴 단 간의 극성 변화에 따라 교류 전원 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환할 수 있는 양방향 회로 구조로 구성될 수 있다. 이러한, 인버터(500)의 입력단에는 라이브 단과 뉴트럴 단의 극성(+,-)을 변환시켜 직류 전압을 입력받는 트랜스 회로(또는, 전환 스위칭 회로) 등이 더 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인버터(500)의 라이브 단과 뉴트럴 단 사이로는 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,S5)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 수도 있다.
인버터(500) 입력단의 라이브 단과 뉴트럴 단 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(500)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 2로는 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.
인버터 제어부(510)는 마이컴(520)으로부터 입력되는 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)에 대한 듀티 비 제어신호에 응답해서, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 턴-온 및 턴-오프 동작을 교번적으로 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성한다. 그리고, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6) 각각의 PWM 신호를 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)로 각각 공급하여, 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)가 온/오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어한다.
마이컴(520)은 역률 보상 회로(400)와 인버터(500) 등 전력 변환 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로, 마이컴(520)은 역률 보상 회로(400)에 구성된 보상 스위치들의 온-오프 스위칭 듀티 비를 포함하는 게이트 제어신호를 생성하고, 게이트 제어신호를 역률 보상 제어부(450)로 공급한다.
또한, 마이컴(520)은 인버터(500)에 구성된 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1 내지 S6)에 대한 듀티 비 제어신호를 생성해서 인버터 제어부(510)로 공급한다.
마이컴(520)은 안정화 스위칭 회로(300)로부터 안정화 스위칭 신호가 입력되면 역률 보상 회로(400) 및 인버터(400) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시킬 수도 있다. 또한, 마이컴(520)은 역률 보상 회로(400)의 보상 스위칭 전압 및 전류량 변화에 따라 역률 보상 회로(400) 및 인버터(500) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시킬 수도 있다.
도 3은 도 2에 도시된 안정화 스위칭 회로와 역률 보상 회로를 구체적으로 나타낸 회로 구성도이다.
도 3을 참조하면, 안정화 스위칭 회로(300)는 정류회로(200)의 직류 전원이 출력되는 라이브 단(+)과 뉴트럴 단(-) 사이에 직렬로 연결된 제너 다이오드(ZD) 및 제1 저항 소자(R1)를 포함한다. 아울러, 제너 다이오드(ZD) 및 제1 저항 소자(R1)와는 병렬 구조로 라이브 단(+)과 뉴트럴 단(-) 사이에 직렬로 연결된 바리스터(V, Varister) 및 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)를 포함한다.
또한, 안정화 스위칭 회로(300)는 제1 저항 소자(R1)와는 병렬 구조로 제너 다이오드(ZD)의 역방향 출력단과 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 게이트 전극에 전기적으로 연결된 제2 저항 소자(R2)를 포함한다. 아울러, 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 게이트 전극과 제2 저항 소자(R2)의 출력단을 공유하도록 게이트 전극이 제2 저항 소자(R2)의 출력단에 접속되어, 소스 전극으로 입력되는 기준 전압레벨(Vref)에 따른 안정화 스위칭 신호를 드레인 전극을 통해 마이컴(520)으로 공급하는 제2 안정화 스위칭 소자(VS2)를 더 포함한다.
역률 보상 회로(400)로 직류 전원이 출력되는 라이브 단(+)에는 적어도 하나의 리액터(L)가 직렬로 구성되어 바리스터(V)와는 병렬 구조를 이룰 수 있다. 이는, 서지 전압 및 서지 전류 발생에 따른 바리스터(V)의 전류 도통시 라이브 단(+)의 서지 전류나 전압이 바리스터(V)로 바이어스되도록 하기 위함이다. 이러한, 리액터(L)는 역률 보상 회로(400)의 입력 라이브 단(+)에 구성될 수도 있다.
제너 다이오드(ZD)는 정류회로(200)의 직류 전원이 출력되는 라이브 단(+)과는 병렬 구조로 정방향 출력단이 라이브 단(+)과 전기적으로 접속되고, 정방향 입력단은 제1 저항 소자(R1) 및 제2 저항 소자(R2)의 분배 노드에 접속된다.
제너 다이오드(ZD)는 라이브 단(+)에 자체의 기준 용량에 따른 전압 및 전류 레벨 이상의 서지 전압이나 서지 전류가 유입되면 항복(breakdown) 현상에 의해 역 방향으로 바이어스 된다. 이를 위해, 제너 다이오드(ZD)는 서지 전압 및 서지 전류량 레벨에 따라 미리 설정된 기준 용량으로 적용되어야 함이 바람직하다.
제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 크기는 제2 저항 소자(R2)의 분배 전압에 의해 턴-온되도록 제1 저항 소자(R1) 및 제2 저항 소자(R2) 용량에 따라 미리 설정됨이 바람직하다. 이에 따라, 제너 다이오드(ZD)가 서지 전압이나 서지 전류에 의해 역방향으로 라이브 단(+) 직류 전원을 바이어스 시키면, 제1 저항 소자(R1) 및 제2 저항 소자(R2)의 분배 전압이 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 게이트 전극으로 인가되어 안정화 스위칭 소자(VS1)가 턴-온된다.
제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 턴-온 동작시, 리액터(L) 구성에 의해 바리스터(V)는 라이브 단(+)의 서지 전류나 서지 전압을 바이어스 시키면서 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킨다.
바리스터(V)는 양단간에 인가되는 전압이 자체 용량에 의해 설정된 전압 이상인 경우 저항값이 급격히 감소하는 전기적인 특성을 갖고 있기 때문에, 자체적으로 바이어스되는 서지 전압을 감압시키면서 전류량을 감소시키게 된다.
제2 안정화 스위칭 소자(VS2)는 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)와 동일한 타이밍에 턴-온 및 턴-오프된다. 이를 위해, 제2 안정화 스위칭 소자(VS2)의 크기는 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)와 동일하게, 제2 저항 소자(R2)의 분배 전압에 의해 턴-온되도록 제1 저항 소자(R1) 및 제2 저항 소자(R2) 용량에 따라 미리 설정됨이 바람직하다.
제2 안정화 스위칭 소자(VS2)는 턴-온 동작시, 기준 전압레벨(Vref)에 따른 안정화 스위칭 신호를 생성해서 마이컴(520)의 과전류 및 과전압 감지 단자로 공급한다.
이에, 마이컴(520)은 제2 안정화 스위칭 소자(VS2)로부터의 안정화 스위칭 신호가 과전류 및 과전압 감지 단자로 입력되면 역률 보상 회로(400) 및 인버터(400) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시킬 수 있다.
역률 보상 회로(400)는 하나의 레그(leg)에 복수의 보상 스위칭 소자(SW1.SW2)가 배치되는 토템 폴 역률 보상 회로로 구성될 수 있다.
역률 보상 회로(400)는 안정화 스위칭 회로(300)의 직류 전원이 출력되는 라이브 단(+)과 뉴트럴 단(-) 사이에 직렬로 연결된 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1.SW2), 및 라이브 단(+)과 뉴트럴 단(-) 사이에 직/병렬 조합으로 연결된 복수의 다이오드 브리지 회로(410)를 포함한다.
마이컴(520)은 역률 보상 회로(400)에 구성된 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 온-오프 스위칭 듀티 비를 포함하는 게이트 제어신호를 생성하고, 게이트 제어신호를 역률 보상 제어부(450)로 공급한다.
이에, 역률 보상 제어부(450)는 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 온-오프 스위칭 듀티 비에 따라 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2) 각각의 온-오프 및 스위칭 타이밍을 조절하기 위한 PWM 신호, 즉 게이트 구동신호를 각각 생성한다. 그리고, 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)가 서로 상보적으로 교번해서 동작하도록 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2) 각각에 게이트 구동신호를 공급한다.
제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)는 역률 보상 제어부(450)의 게이트 구동신호에 의해 서로 상보되도록 교번해서 턴-온 및 턴-오프 동작을 반복(교번적으로 반복)함으로써, 직류 전원의 출력 파형 및 타이밍을 변조하는 방식으로 직류 전원의 역률을 개선시킨다.
제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 턴-온 전압(VP) 및 전류는 마이컴(520)의 과전류/과전압 감지 단자로 공급되어, 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 턴-온 전압(VP) 및 전류량 변화에 따라 마이컴(520)의 동작이 중단되도록 할 수 있다.
또한, 마이컴(520)은 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 턴-온 전압(VP) 및 전류가 미리 설정된 기준치 이상일 때, 역률 보상 회로(400) 및 인버터(500) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시키도록 프로그래밍 된다.
전술한 바와 같이, 안정화 스위칭 회로(300)의 회로 구성과 동작에 의해서는 서지 전압이나 서지 전류가 유입되더라도 단선 등의 오프(Off) 동작 없이 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킬 수 있다. 그리고, 서지 전압이나 서지 전류 유입시, 마이컴(520)의 동작이나 역률 보상 회로(400) 및 인버터(500) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시킬 수도 있다.
이와 더불어, 역률 보상 회로(400)를 통해서는 역률을 보상하되, 역률 보상 회로(400)에 구성된 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 턴-온 전압(VP) 및 전류량 변화에 따라 마이컴(520)의 동작이 중단되도록 해서 안정화 동작 특성을 높일 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 안정화 스위칭 회로와 마이컴의 안정화 동작을 구체적으로 설명하기 위한 회로도이다. 그리고, 도 5는 전원 입력단의 서지 전압 레벨 가변 특성 및 결과를 설명하기 위한 파형도이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 제너 다이오드(ZD)는 라이브 단(+)에 자체 기준 용량에 따른 전압 및 전류 레벨 이상의 서지 전압이나 서지 전류가 유입되면, 라이브 단(+)의 직류 전원을 역 방향(A' 화살표 방향)으로 바이어스시키게 된다. 이에 따라, 서지 전압이나 서지 전류가 유입되면, 제1 저항 소자(R1) 및 제2 저항 소자(R2)의 분배 전압이 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 게이트 전극으로 인가되어 안정화 스위칭 소자(VS1)가 턴-온된다.
제1 안정화 스위칭 소자(VS1)의 턴-온 동작시, 바리스터(V)는 라이브 단(+)의 서지 전류나 서지 전압을 바이어스(B' 화살표 방향) 시키면서 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시킨다.
도 5를 참조하면, 바리스터(V)는 양단간에 인가되는 전압이 자체 용량에 의해 설정된 전압 이상인 경우, 저항값이 급격히 감소하는 전기적인 특성을 갖고 있기 때문에 자체적으로 바이어스되는 서지 전압을 감압(V' 전압 크기만큼 감압)시키면서 직류 전원(LV)의 전류량을 감소시키게 된다.
이때, 제2 안정화 스위칭 소자(VS2)는 제1 안정화 스위칭 소자(VS1)와 동일한 타이밍에 턴-온되므로, 서지 전압이나 서지 전류 유입시 기준 전압레벨(Vref)에 따른 안정화 스위칭 신호를 생성해서 마이컴(520)의 과전류 및 과전압 감지 단자로 전송한다.
1차적으로, 마이컴(520)은 과전류 및 과전압 감지 단자로 기준 전압레벨(Vref)에 따른 안정화 스위칭 신호가 입력되면, 역률 보상 회로(400) 및 인버터(500) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시켜서 전기 소자들의 소손을 방지할 수 있다.
마이컴(520)은 역률 보상 회로(400)에 구성된 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 턴-온 전압(VP) 및 전류를 과전류 및 과전압 감지 단자로 수신한다(D' 화살표 방향). 이에, 2차적으로, 제1 및 제2 보상 스위칭 소자(SW1,SW2)의 턴-온 전압(VP) 및 전류가 미리 설정된 기준치 이상일 때, 역률 보상 회로(400) 및 인버터(500) 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시켜서 전기 소자들의 소손을 방지할 수 있다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 전력 변환 장치는 안정화 스위칭 회로(300)의 회로 구성과 동작에 의해, 서지 전압이나 서지 전류가 유입되더라도 단선 등의 오프(Off) 동작 없이 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시켜 회로 소손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 안정화 스위칭 회로(300)에 구성된 제너 다이오드(ZD)의 역방향 바이어스 특성을 이용해서, 서지 전압이나 서지 전류 유입시에만 안정화 스위칭 회로가 동작하도록 한다. 이에, 전원 입력단에 연결된 안정화 스위칭 회로의 전기 소자들에 따른 전력 손실을 최소화할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 안정화 스위칭 회로(300)의 1차적인 안정화 스위칭 동작 외에도 역률 보상 회로(400)의 스위칭 전압 및 전류량 변화에 따라서도 마이컴(520)에서 2차적으로 안정화 동작을 수행할 수 있도록 함으로써, 안정화 특성을 높이고 그 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 전원 입력단
200: 정류 회로
300: 안정화 스위칭 회로
400: 역률 보상회로
450: 역률 보상 제어부
500: 인버터
510: 인버터 제어부
520: 마이컴
600: 부하
CA: DC 링크 캐패시터

Claims (12)

  1. 전원 입력단으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류 회로;
    역률 보상 제어부의 게이트 구동신호에 따라 상기 정류 회로에서 정류된 직류 전원의 역률을 개선하는 역률 보상 회로;
    상기 정류회로 및 역률 보상 회로의 사이에 구성되어 상기 정류회로를 통해 서지 전압이나 서지 전류 유입시에 서지 전압 레벨과 서지 전류량을 감소시키고 안정화 스위칭 신호를 출력하는 안정화 스위칭 회로; 및
    상기 역률 보상 회로 및 인버터 구동을 제어하며, 미리 설정된 과전류 및 과전압 감지 단자로 상기 안정화 스위칭 회로의 기준 전압레벨에 따른 상기 안정화 스위칭 신호가 입력되면 상기 역률 보상 회로 및 상기 인버터의 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시키도록 프로그래밍 된 마이컴을 포함하고,
    상기 안정화 스위칭 회로는
    상기 정류회로의 직류 전원이 출력되는 라이브 단과 뉴트럴 단 사이에 서로 직렬로 연결된 제너 다이오드 및 제1 저항 소자;
    상기 제너 다이오드 및 상기 제1 저항 소자와는 병렬 구조로 상기 라이브 단과 뉴트럴 단 사이에 서로 직렬로 연결된 바리스터 및 제1 안정화 스위칭 소자;
    상기 제1 저항 소자와는 병렬 구조로 상기 제너 다이오드의 역방향 출력단과 제1 안정화 스위칭 소자의 게이트 전극에 전기적으로 연결된 제2 저항 소자; 및
    상기 제1 안정화 스위칭 소자의 게이트 전극과 같이 상기 제2 저항 소자의 출력단을 공유하도록 게이트 전극이 상기 제2 저항 소자의 출력단에 접속되어 소스 전극으로 입력되는 상기 기준 전압레벨에 따른 상기 안정화 스위칭 신호를 드레인 전극을 통해 상기 마이컴으로 공급하는 제2 안정화 스위칭 소자를 포함하는,
    전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 보상 회로와 상기 인버터 사이에 병렬로 연결되어 상기 역률 보상 회로에서 출력되는 리플이 포함된 직류 전압을 충전하고 상기 인버터로 방전시키는 DC 링크 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 인버터는 인버터 제어부의 스위칭 제어에 따라 상기 DC 링크 캐패시터로부터의 직류 전압을 스위칭시킴으로써 직류 전압 및 전류를 교류 전압 및 전류로 변환하고 부하로 전송하는,
    전력 변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터는
    양극성의 제1 내지 제6 스위칭 소자를 포함하는 양방향 회로 구조로 구성되어, 상기 역률 보상 회로의 직류 전원이 입력되는 라이브 단과 뉴트럴 단 간의 극성 변화에 따라 교류 전원 방향을 정방향 또는 역방향으로 변환하는,
    전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이컴은 상기 인버터에 구성된 제1 내지 제6 스위칭 소자에 대한 듀티 비 제어신호를 생성해서 인버터 제어부로 공급하고,
    상기 인버터 제어부는 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자에 대한 듀티 비 제어신호에 응답해서, 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자 각각의 턴-온 및 턴-오프 동작을 교번적으로 제어하기 위한 PWM 신호들을 생성한 후, 상기 각각의 PWM 신호를 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자로 각각 공급해서 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자가 온-오프 스위칭 제어 모드로 동작되도록 제어하는,
    전력 변환 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 안정화 스위칭 회로는
    상기 바리스터와는 병렬 구조로 상기 역률 보상 회로로 직류 전원이 출력되는 라이브 단에 구성된 적어도 하나의 리액터를 더 포함하는,
    전력 변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제너 다이오드는 상기 라이브 단에 자체 기준 용량에 따른 전압 및 전류 레벨 이상의 서지 전압이나 서지 전류가 유입되면 역방향으로 바이어스되도록 상기 서지 전압 및 서지 전류량 레벨에 따른 기준 용량으로 적용되며,
    상기 제1 안정화 스위칭 소자는 상기 제2 저항 소자의 분배 전압에 의해 턴-온되도록 상기 제1 및 제2 저항 소자 용량에 따라 크기가 미리 설정 및 적용되고,
    상기 제2 안정화 스위칭 소자는 상기 제1 안정화 스위칭 소자와 동일한 크기로 설정 및 적용된,
    전력 변환 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 보상 회로는
    상기 안정화 스위칭 회로의 직류 전원이 출력되는 라이브 단과 뉴트럴 단 사이에 직렬로 연결된 제1 및 제2 보상 스위칭 소자; 및
    상기 라이브 단과 상기 뉴트럴 단 사이에 직렬 및 병렬 중 적어도 하나의 조합으로 연결된 복수의 다이오드 브리지 회로를 포함하는,
    전력 변환 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자는
    상기 역률 보상 제어부의 게이트 구동신호에 의해 서로 상보되도록 교번해서 턴-온 및 턴-오프 동작을 반복함으로써, 직류 전원의 출력 파형 및 타이밍을 변조시키며, 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자의 턴-온 전압 및 전류는 상기 마이컴의 과전류/과전압 감지 단자로 공급되도록 구성된,
    전력 변환 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이컴은 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 듀티 비를 포함하는 게이트 제어신호를 생성하고,
    상기 역률 보상 제어부는 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 듀티 비에 따라 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자 각각의 온-오프 및 스위칭 타이밍을 조절하기 위한 게이트 구동신호를 각각 생성한 후, 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자가 서로 상보적으로 교번해서 동작하도록 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자 각각에 상기 게이트 구동신호를 공급하는,
    전력 변환 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이컴은 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자의 턴-온 전압 및 전류를 과전류 및 과전압 감지 단자로 수신하고, 상기 제1 및 제2 보상 스위칭 소자의 턴-온 전압 및 전류가 미리 설정된 기준치 이상일 때, 상기 역률 보상 회로 및 상기 인버터 구동을 미리 설정된 기간동안 중단시시키는,
    전력 변환 장치.
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