KR102327683B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 제1 스위칭 소자, 제1 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 제2 스위칭 소자 및 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자의 사이에 연결되는 제1 인덕터를 포함하는 제1 레그, 제1 레그와 병렬로 연결되며, 제3 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 제4 스위칭 소자 및 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이에 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 제2 레그 및 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프시키는 제어 회로를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 직류 전력을 교류 전력으로 또는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸기 위한 전기적 장치이다. 이와 같은 전력 변환 장치는 인버터 회로, 컨버터 회로 등을 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전력 변환 장치의 레그에 과전류가 흐를 때의 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전력 변환 장치(10)는 제1 레그(11), 제2 레그(12), 인덕터(13) 및 제어 회로(14)를 포함한다.
이와 같은 전력 변환 장치(10)는 외부 전원(20)으로부터 공급받은 전력을 제1 레그(11)에 포함된 제1 스위칭 소자(11a) 및 제2 스위칭 소자(11b)와 제2 레그(12)에 포함된 제3 스위칭 소자(12a) 및 제4 스위칭 소자(12b)를 통해 변환하여 전력이 필요한 외부 회로(30)로 출력한다.
그리고 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(11a, 11b, 12a, 12b)는 제어 회로(14)에 의해 턴-온 또는 턴-오프된다. 이때 제어 회로(14)는 제1 스위칭 소자(11a)와 제2 스위칭 소자(11b)가 동시에 턴-온 되지 않도록 제어하여야 하고, 제3 스위칭 소자(12a)와 제4 스위칭 소자(12b)가 동시에 턴-온 되지 않도록 제어하여야 한다.
그러나 제어 회로(14)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생 등과 같은 원인들로 인하여, 제1 스위칭 소자(11a)와 제2 스위칭 소자(11b)가 동시에 턴-온 되거나, 제3 스위칭 소자(12a)와 제4 스위칭 소자(12b)가 동시에 턴-온 되는 Arm-Short 상태가 발생하게 된다. Arm-Short 상태에서, 제1 레그(11) 또는 제2 레그(12)에 흐르는 전류는 도 2와 같이 제어된다.
도 2를 참조하면, Arm-Short 상태에서 제1 레그(11) 또는 제2 레그(12)에 흐르는 전류는 증가하기 시작하여, 제어 회로(14)가 과전류로 판단하게 되는 전류값인 Im을 초과하게 된다. 이와 같이 과전류가 감지되면, 제어 회로(14)는 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(11a, 11b, 12a, 12b)를 모두 턴-오프 시켜서 과전류가 흐르지 않도록 한다.
그러나 제어 회로(14)가 과전류를 감지하고 나서 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(11a, 11b, 12a, 12b)를 모두 턴-오프 시킬 때까지, 제어 회로(14)의 판단, 연산 등의 원인으로 인한 처리 시간(tr)이 소요된다. 이와 같은 처리 시간(tr)동안 Arm-Short 상태의 레그에 흐르는 과전류로 인하여, 스위칭 소자 등의 회로 소자가 손상되게 된다.
과전류에 의한 회로 소자의 손상을 방지하기 위한 장치의 일 실시예가 등록특허 KR 10-0845251에 개시된다. 그러나 상기 등록특허에 따른 장치 또한 처리시간으로 인한 회로 소자의 손상을 방지할 수 없는 문제점이 존재한다.
따라서 Arm-Short 상태 발생으로 인한 회로 소자의 손상을 방지할 수 있는 장치의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 Arm-Short 상태 발생시 회로 소자의 손상을 방지할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 단시간의 Arm-Short 상태 발생시 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 Arm-Short 상태 발생 후에 정상적으로 동작할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
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 발명에서 전력 변환 장치는 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 이용하여 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면 Arm-Short 상태가 발생하더라도 전력 변환 장치에 포함된 회로 소자의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 변환 장치는 제1 스위칭 소자, 상기 제1 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 제2 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 사이에 연결되는 제1 인덕터를 포함하는 제1 레그, 상기 제1 레그와 병렬로 연결되며, 제3 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 제4 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이에 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 제2 레그 및 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프시키는 제어 회로를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치의 상기 제1 인덕터는 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자가 동시에 턴-온 되면, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키고, 상기 제2 인덕터는 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자가 동시에 턴-온 되면, 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킨다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치의 상기 제1 레그는 상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 저항 및 상기 제1 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 저항과 함께 상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 다이오드를 더 포함하고, 상기 제2 레그는 상기 제2 인덕터와 병렬로 연결되는 제2 저항 및 상기 제2 저항과 직렬로 연결되어 상기 제2 저항과 함께 상기 제2 인덕터와 병렬로 연결되는 제2 다이오드를 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치의 상기 제1 레그에는 상기 제1 인덕터, 상기 제1 저항 및 상기 제1 다이오드를 따라 흐르는 전류의 경로가 형성되고, 상기 제1 인덕터에 충전된 전력은 상기 제1 저항을 통해 방전되고, 상기 제2 레그에는 상기 제2 인덕터, 상기 제2 저항 및 상기 제2 다이오드를 따라 흐르는 전류의 경로가 형성되고, 상기 제1 인덕터에 충전된 전력은 상기 제1 저항을 통해 방전된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치의 상기 제어 회로는 상기 제1 레그 또는 상기 제2 레그를 통해 미리 설정된 전류값 이상의 전류가 흐르면, 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 모두 턴-오프 시킨다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치의 상기 제어 회로는 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 모두 턴-오프시키고, 미리 설정된 시간이 지나면, 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 이용하여 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키므로, Arm-Short 상태 발생시 회로 소자의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 단시간의 Arm-Short 상태 발생시 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량이 작으므로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 Arm-Short 상태가 발생하더라도 회로 소자의 손상이 발생하지 않으므로, Arm-Short 상태 발생 후에도 정상적으로 동작할 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전력 변환 장치의 레그에 과전류가 흐를 때의 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 전력 변환 장치에서 스위칭 소자를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 제어 회로가 각각의 스위칭 소자에 인가하는 스위칭 신호를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 레그에 과전류가 흐를 때의 전류값을 나타낸 그래프이다.
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. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전력 변환 장치를 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 전력 변환 장치에서 스위칭 소자를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 제1 레그(110), 제2 레그(120) 및 제어 회로(130)를 포함한다.
제1 레그(110)는 제1 스위칭 소자(111), 제1 스위칭 소자(111)와 직렬로 연결되는 제2 스위칭 소자(112) 및 제1 스위칭 소자(111)와 제2 스위칭 소자(112)의 사이에 연결되는 제1 인덕터(113)를 포함한다. 이때 제1 레그(110)는 제1 인덕터(113)와 병렬로 연결되는 제1 저항(114) 및 제1 저항(114)과 직렬로 연결되어 제1 저항(114)과 함께 제1 인덕터(113)와 병렬로 연결되는 제1 다이오드(115)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 제1 레그(110)는 제2 레그(120) 및 외부 회로(300)와 병렬로 연결된다.
제1 스위칭 소자(111)는 제2 스위칭 소자(112)와 직렬로 연결된다. 다시 말해, 제1 스위칭 소자(111)의 일단은 제2 레그(120)의 일단과 연결되고, 제1 스위칭 소자(111)의 타단은 제1 인덕터(113)의 일단과 연결된다.
제1 스위칭 소자(111)는 제어 회로(130)에 의해 턴-온 또는 턴-오프 된다. 이때 도 4와 같이, 제1 스위칭 소자(111)로 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; 111)이 사용될 수 있다. 이때 MOSFET(111)은 자체적으로 바디 다이오드를 포함하고 있다. 따라서 MOSFET(111)이 턴-오프 되더라도, MOSFET(111)에 포함된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있다.
도 4에는 제1 스위칭 소자(111)로 MOSFET(111)이 사용된 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 스위칭 소자(111)로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등과 같은 다른 소자가 사용될 수도 있다.
제2 스위칭 소자(112)는 제1 스위칭 소자(111)와 직렬로 연결된다. 다시 말해, 제2 스위칭 소자(112)의 일단은 제1 인덕터(113)의 타단과 연결되고, 제2 스위칭 소자(112)의 타단은 제2 레그(120)의 타단과 연결된다. 이때 제2 스위칭 소자(112)와 제1 인덕터(113) 사이의 노드에 외부 전원(200)의 일단이 연결된다.
제2 스위칭 소자(112)는 제어 회로(130)에 의해 턴-온 또는 턴-오프 된다. 이때 도 4와 같이, 제2 스위칭 소자(112)로 MOSFET(112)이 사용될 수 있다. 이때 MOSFET(112)은 자체적으로 바디 다이오드를 포함하고 있다. 따라서 MOSFET(112)이 턴-오프 되더라도, MOSFET(112)에 포함된 바디 다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있다.
도 4에는 제2 스위칭 소자(112)로 MOSFET(112)이 사용된 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 스위칭 소자(112)로 IGBT 등과 같은 다른 소자가 사용될 수도 있다.
제1 인덕터(113)는 제1 스위칭 소자(111)와 제2 스위칭 소자(112)의 사이에 연결된다. 다시 말해, 제1 인덕터(113)의 일단은 제1 스위칭 소자(111)의 타단과 연결되고, 제1 인덕터(113)의 타단은 제2 스위칭 소자(112)의 일단과 연결된다. 그리고 제1 인덕터(113)와 제2 스위칭 소자(112) 사이의 노드에 외부 전원(200)의 일단이 연결된다.
이때 제1 인덕터(113)는 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생으로 인해 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)가 동시에 턴-온 되면, 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킨다.
제1 저항(114)은 제1 인덕터(113)와 병렬로 연결된다. 그리고 제1 다이오드(115)는 제1 저항(114)과 직렬로 연결되며, 제1 저항(114)과 함께 제1 인덕터(113)와 병렬로 연결된다.
다시 말해, 제1 저항(114)의 일단은 제1 다이오드(115)의 양극과 연결되며, 제1 저항(114)의 타단은 제2 스위칭 소자(112)와 제1 인덕터(113) 사이의 노드에 연결된다. 또한 제1 다이오드(115)의 양극은 제1 저항(114)의 일단과 연결되며, 제1 다이오드(115)의 음극은 제1 스위칭 소자(111)와 제1 인덕터(113) 사이의 노드에 연결된다.
이와 같이 제1 저항(114) 및 제1 다이오드(115)가 제1 인덕터(113)와 병렬로 연결됨으로써, 제1 레그(110)에는 제1 인덕터(113), 제1 저항(114) 및 제1 다이오드(115)를 따라 흐르는 전류의 경로가 형성된다. 다시 말해, 제1 인덕터(113)에서 제1 저항(114)으로 흐르고, 제1 저항(114)에서 제1 다이오드(115)로 흐르고, 제1 다이오드(115)에서 제1 인덕터(113)로 흐르는 전류의 경로가 형성된다.
이와 같이 전류가 흐를 때, 제1 인덕터(113)에 충전된 전력은 제1 저항(114)을 통해 소모되면서 방전된다.
제2 레그(120)는 제3 스위칭 소자(121), 제3 스위칭 소자(121)와 직렬로 연결되는 제4 스위칭 소자(122) 및 제3 스위칭 소자(121)와 제4 스위칭 소자(122)의 사이에 연결되는 제2 인덕터(123)를 포함한다. 이때 제2 레그(120)는 제2 인덕터(123)와 병렬로 연결되는 제2 저항(124) 및 제2 저항(124)과 직렬로 연결되어 제2 저항(124)과 함께 제2 인덕터(123)와 병렬로 연결되는 제2 다이오드(125)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 제2 레그(120)는 제1 레그(110) 및 외부 회로(300)와 병렬로 연결된다.
제3 스위칭 소자(121)는 제4 스위칭 소자(122)와 직렬로 연결된다. 다시 말해, 제3 스위칭 소자(121)의 일단은 제1 레그(110)의 일단과 연결되고, 제3 스위칭 소자(121)의 타단은 제2 인덕터(123)의 일단과 연결된다.
제3 스위칭 소자(121)는 제어 회로(130)에 의해 턴-온 또는 턴-오프 된다. 이때 도 4와 같이, 제3 스위칭 소자(121)로 IGBT(121a)가 사용될 수 있다. 이때 IGBT(121a)와 함께 다이오드(121b)가 병렬로 연결되어 하나의 스위칭 소자로 사용될 수 있다. 따라서 IGBT(121a)가 턴-오프 되더라도, IGBT(121a)와 병렬로 연결된 다이오드(121b)를 통해 전류가 흐를 수 있다.
도 4에는 제3 스위칭 소자(121)로 IGBT(121a) 및 다이오드(121b)가 사용된 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 제3 스위칭 소자(121)로 MOSFET 등과 같은 다른 소자가 사용될 수도 있다.
제4 스위칭 소자(122)는 제3 스위칭 소자(121)와 직렬로 연결된다. 다시 말해, 제4 스위칭 소자(122)의 일단은 제2 인덕터(123)의 타단과 연결되고, 제4 스위칭 소자(122)의 타단은 제1 레그(110)의 타단과 연결된다. 이때 제4 스위칭 소자(122)와 제2 인덕터(123) 사이의 노드에 외부 전원(200)의 타단이 연결된다.
제4 스위칭 소자(122)는 제어 회로(130)에 의해 턴-온 또는 턴-오프 된다. 이때 도 4와 같이, 제4 스위칭 소자(122)로 IGBT(122a)가 사용될 수 있다. 이때 IGBT(122a)와 함께 다이오드(122b)가 병렬로 연결되어 하나의 스위칭 소자로 사용될 수 있다. 따라서 IGBT(122a)가 턴-오프 되더라도, IGBT(122a)와 병렬로 연결된 다이오드(122b)를 통해 전류가 흐를 수 있다.
도 4에는 제4 스위칭 소자(122)로 IGBT(122a) 및 다이오드(122b)가 사용된 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 제4 스위칭 소자(122)로 MOSFET 등과 같은 다른 소자가 사용될 수도 있다.
제2 인덕터(123)는 제3 스위칭 소자(121)와 제4 스위칭 소자(122)의 사이에 연결된다. 다시 말해, 제2 인덕터(123)의 일단은 제3 스위칭 소자(121)의 타단과 연결되고, 제2 인덕터(123)의 타단은 제4 스위칭 소자(122)의 일단과 연결된다. 그리고 제2 인덕터(123)와 제4 스위칭 소자(122) 사이의 노드에 외부 전원(200)의 타단이 연결된다.
이때 제2 인덕터(123)는 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생으로 인해 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)가 동시에 턴-온 되면, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킨다.
제2 저항(124)은 제2 인덕터(123)와 병렬로 연결된다. 그리고 제2 다이오드(125)는 제2 저항(124)과 직렬로 연결되며, 제2 저항(124)과 함께 제2 인덕터(123)와 병렬로 연결된다.
다시 말해, 제2 저항(124)의 일단은 제2 다이오드(125)의 양극과 연결되며, 제2 저항(124)의 타단은 제4 스위칭 소자(122)와 제2 인덕터(123) 사이의 노드에 연결된다. 또한 제2 다이오드(125)의 양극은 제2 저항(124)의 일단과 연결되며, 제2 다이오드(125)의 음극은 제3 스위칭 소자(121)와 제2 인덕터(123) 사이의 노드에 연결된다.
이와 같이 제2 저항(124) 및 제2 다이오드(125)가 제2 인덕터(123)와 병렬로 연결됨으로써, 제2 레그(120)에는 제2 인덕터(123), 제2 저항(124) 및 제2 다이오드(125)를 따라 흐르는 전류의 경로가 형성된다. 다시 말해, 제2 인덕터(123)에서 제2 저항(124)으로 흐르고, 제2 저항(124)에서 제2 다이오드(125)로 흐르고, 제2 다이오드(125)에서 제2 인덕터(123)로 흐르는 전류의 경로가 형성된다.
이와 같이 전류가 흐를 때, 제2 인덕터(123)에 충전된 전력은 제2 저항(124)을 통해 소모되면서 방전된다.
제어 회로(130)는 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)를 턴-온 또는 턴-오프 시킨다. 다시 말해, 제어 회로(130)는 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)에 스위칭 신호를 인가함으로써, 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 턴-온 또는 턴-오프 되도록 제어한다.
이와 같은 제어 회로(130)는 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors)중 적어도 하나를 포함하는 물리적인 요소를 포함하여 구현될 수 있다.
제어 회로(130)가 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)에 인가하는 스위칭 신호의 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 제어 회로가 각각의 스위칭 소자에 인가하는 스위칭 신호를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 시간(t)에 따라 외부 전원(200)으로부터 공급되는 교류 전압(VI)을 나타낸 그래프, 시간(t)에 따라 제어 회로(130)에 의해 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122) 각각에 인가되는 스위칭 신호(VS1, VS2, VS3, VS4)를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
먼저, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 교류 전압(VI)이 양의 값을 가지면, 제어 회로(130)는 제1 스위칭 소자(111)를 턴-온 시키고, 제2 스위칭 소자(112) 및 제4 스위칭 소자(122)를 턴-오프 시킨다. 그리고 제어 회로(130)는 제3 스위칭 소자(121)가 턴-온 및 턴-오프를 반복하도록 제어한다.
이때 제3 스위칭 소자(121)가 턴-온 되면, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 전류는 제1 인덕터(113), 제1 스위칭 소자(111), 제3 스위칭 소자(121) 및 제2 인덕터(123)를 거쳐서 외부 전원(200)으로 돌아오게 된다. 그리고 제3 스위칭 소자(121)가 턴-오프 되면, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 전류는 제1 인덕터(113), 제1 스위칭 소자(111), 외부 회로(300) 및 제4 스위칭 소자(122)에 포함된 다이오드(122b)를 거쳐서 외부 전원(200)으로 돌아오게 된다.
또한, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 교류 전압(VI)이 음의 값을 가지면, 제어 회로(130)는 제2 스위칭 소자(112)를 턴-온 시키고, 제1 스위칭 소자(111) 및 제3 스위칭 소자(121)를 턴-오프 시킨다. 그리고 제어 회로(130)는 제4 스위칭 소자(122)가 턴-온 및 턴-오프를 반복하도록 제어한다.
이때 제4 스위칭 소자(122)가 턴-온 되면, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 전류는 제4 스위칭 소자(122) 및 제2 스위칭 소자(112)를 거쳐서 외부 전원(200)으로 돌아오게 된다. 그리고 제4 스위칭 소자(122)가 턴-오프 되면, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 전류는 제2 인덕터(123), 제3 스위칭 소자(121)에 포함된 다이오드(121b), 외부 회로(300) 및 제2 스위칭 소자(112)를 거쳐서 외부 전원(200)으로 돌아오게 된다.
제어 회로(130)는 이와 같이 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)를 턴-온 또는 턴-오프 시킴으로써, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 전력이 외부 회로(300)로 공급되도록 한다.
그러나 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생으로 인해 도 5와 같이 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)가 동시에 턴-온 되지 않으면서, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)가 동시에 턴-온 되지 않도록 제어되지 않을 수 있다.
다시 말해, 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생으로 인해 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)가 동시에 턴-온 되거나, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)가 동시에 턴-온 되는 Arm-Short 상태가 발생할 수 있다.
제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)가 동시에 턴-온 되면, 외부 회로(300), 제1 스위칭 소자(111), 제1 인덕터(113) 및 제2 스위칭 소자(112)를 순서대로 흐르는 전류의 경로가 형성된다. 이때 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)에 흐르는 전류의 양이 상승하게 되면서, 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)를 통해 미리 설정된 전류값 이상의 과전류가 흐르게 될 수 있다. 이와 같은 상황에서 제1 인덕터(113)는 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킨다.
즉, 제1 인덕터(113)는 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 장시간 지속됨에 따라 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)가 동시에 턴-온 되는 상황에서, 제1 인덕터(113)는 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킴으로써, 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)에 흐르는 전류가 미리 설정된 전류값을 크게 초과하지 않도록 한다.
또한, 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 단시간 지속됨에 따라 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)가 동시에 턴-온 되는 상황에서, 제1 인덕터(113)는 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킴으로써, 제1 스위칭 소자(111) 및 제2 스위칭 소자(112)를 통해 흐르는 전류가 미리 설정된 전류값 이상을 가지지 않도록 한다.
이와 같은 상황에서 제1 인덕터(113)에 충전된 전력은 제1 인덕터(113), 제1 저항(114) 및 제1 다이오드(115)를 따라 전류가 흐르면서, 제1 저항(114)에 의해 소모되면서 방전된다.
또한, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)가 동시에 턴-온 되면, 외부 회로(300), 제3 스위칭 소자(121), 제2 인덕터(123) 및 제4 스위칭 소자(122)를 순서대로 흐르는 전류의 경로가 형성된다. 이때 제1 인덕터(113)는 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)에 흐르는 전류의 양이 상승하게 되면서, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)를 통해 미리 설정된 전류값 이상의 과전류가 흐르게 될 수 있다. 이와 같은 상황에서 제2 인덕터(123)는 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킨다.
즉, 제2 인덕터(123)는 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 장시간 지속됨에 따라 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)가 동시에 턴-온 되는 상황에서, 제2 인덕터(123)는 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킴으로써, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)에 흐르는 전류가 미리 설정된 전류값을 크게 초과하지 않도록 한다.
또한, 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 단시간 지속됨에 따라 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)가 동시에 턴-온 되는 상황에서, 제2 인덕터(123)는 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시킴으로써, 제3 스위칭 소자(121) 및 제4 스위칭 소자(122)를 통해 흐르는 전류가 미리 설정된 전류값 이상을 가지지 않도록 한다.
이와 같은 상황에서 제2 인덕터(123)에 충전된 전력은 제2 인덕터(123), 제2 저항(124) 및 제2 다이오드(125)를 따라 전류가 흐르면서, 제2 저항(124)에 의해 소모되면서 방전된다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 제1 인덕터(113) 및 제2 인덕터(123)를 이용하여 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키므로, Arm-Short 상태 발생시 회로 소자의 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 제1 인덕터(113) 및 제2 인덕터(123)를 이용하여 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키므로, 단시간의 Arm-Short 상태 발생시 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량이 작으므로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
Arm-Short 상태에서 상술한 바와 같이 전류값이 조절되는 상황에서, 제어 회로(130)는 제1 레그(110) 및 제2 레그(120)를 통해 미리 설정된 전류값 이상의 전류가 흐르면, 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)를 모두 턴-오프 시킨다.
이때 미리 설정된 전류값은 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 손상되기 시작하는 전류값과 일정한 마진을 가지도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)에 Ic [A]이상의 전류가 흐르게 되면 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 손상되는 경우, 미리 설정된 전류값은 Ic [A] 보다 작은 Im [A]로 설정될 수 있다. 이때 Ic [A]과 Im [A]의 차이값은 제어 회로(130)가 과전류 감지시 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 모두 턴-오프 되도록 처리하는 시간(tr)과 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 곱한 값으로 결정될 수 있다.
즉, 미리 설정된 전류값은 Arm-Short 상태 발생에 의해 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 손상되기 시작하는 전류값보다 제어 회로(130)가 과전류 감지시 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 모두 턴-오프 되도록 처리하는 시간(tr)과 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량의 곱한 값만큼 작은 값으로 설정될 수 있다.
그리고 제어 회로(130)는 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)를 모두 턴-오프 시키고, 미리 설정된 시간이 지나면, 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)를 턴-온 또는 턴-오프 시킬 수 있다.
이때 미리 설정된 시간은 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)가 모두 턴-오프 되고, 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자(111, 112, 121, 122)에 흐르는 전류가 충분히 감소하는 데 걸리는 시간으로 설정될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 제1 인덕터(113) 및 제2 인덕터(123)를 이용하여 Arm-Short 상태에서 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키므로, Arm-Short 상태 발생시 회로 소자의 손상을 방지하므로, Arm-Short 상태 발생 후에도 정상적으로 동작할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 레그에 과전류가 흐를 때의 전류값을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 장시간 지속되는 상황에서, 전력 변환 장치(100)의 Arm-Short 상황이 발생한 레그에 흐르는 전류를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
이때 전력 변환 장치(100)에 포함된 인덕터에 의해 Arm-Short 상황이 발생한 레그에 흐르는 전류의 상승량이 감소되므로, Arm-Short 상황이 발생한 레그에 흐르는 전류가 미리 설정된 전류값을 초과하더라도, 도 2에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 전력 변환 장치(100)를 이용할 때에 비하여 적게 초과하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 미리 설정된 전류값(Im)을 스위칭 소자가 손상되기 시작하는 전류값(Ic)과 일정한 마진을 주어 설정함으로써, 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 단시간 지속되는 상황에서, 전력 변환 장치(100)의 Arm-Short 상황이 발생한 레그에 흐르는 전류를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
이때 전력 변환 장치(100)에 포함된 인덕터에 의해 Arm-Short 상황이 발생한 레그에 흐르는 전류의 상승량이 감소되므로, 제어 회로(130)의 오동작 발생 또는 노이즈의 발생이 사라질 때까지 Arm-Short 상황이 발생한 레그에 흐르는 전류가 미리 설정된 전류값(Im) 이상으로 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 단시간의 Arm-Short 상태 발생시 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 전력 변환 장치 110: 제1 레그
111: 제1 스위칭 소자 112: 제2 스위칭 소자
113: 제1 인덕터 114: 제1 저항
115: 제1 다이오드 120: 제2 레그
121: 제3 스위칭 소자 122: 제4 스위칭소자
123: 제2 인덕터 124: 제2 저항
125: 제2 다이오드 130: 제어 회로

Claims (6)

  1. 제1 스위칭 소자, 상기 제1 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 제2 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 사이에 연결되는 제1 인덕터를 포함하는 제1 레그;
    상기 제1 레그와 병렬로 연결되며, 제3 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 제4 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이에 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 제2 레그; 및
    상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프시키는 제어 회로를 포함하고,
    상기 제1 레그는
    상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 저항 및 상기 제1 저항과 직렬로 연결되어 상기 제1 저항과 함께 상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제2 레그는
    상기 제2 인덕터와 병렬로 연결되는 제2 저항 및 상기 제2 저항과 직렬로 연결되어 상기 제2 저항과 함께 상기 제2 인덕터와 병렬로 연결되는 제2 다이오드를 더 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터는
    상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자가 동시에 턴-온 되면, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키고,
    상기 제2 인덕터는
    상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자가 동시에 턴-온 되면, 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자에 흐르는 전류의 단위 시간당 상승량을 감소시키는
    전력 변환 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레그에는 상기 제1 인덕터, 상기 제1 저항 및 상기 제1 다이오드를 따라 흐르는 전류의 경로가 형성되고,
    상기 제1 인덕터에 충전된 전력은 상기 제1 저항을 통해 방전되고,
    상기 제2 레그에는 상기 제2 인덕터, 상기 제2 저항 및 상기 제2 다이오드를 따라 흐르는 전류의 경로가 형성되고,
    상기 제1 인덕터에 충전된 전력은 상기 제1 저항을 통해 방전되는
    전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는
    상기 제1 레그 또는 상기 제2 레그를 통해 미리 설정된 전류값 이상의 전류가 흐르면, 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 모두 턴-오프 시키는
    전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로는
    상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 모두 턴-오프시키고, 미리 설정된 시간이 지나면, 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프시키는
    전력 변환 장치.
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