KR102441016B1 - 인버터 직류단 전압 검출장치 - Google Patents

인버터 직류단 전압 검출장치 Download PDF

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Abstract

인버터 직류단 전압 검출장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 입력전원과 직류단 커패시터를 연결하는 스위칭부의 온 또는 오프에 따라 직류단 전압의 옵셋을 갱신하고 전압분배부의 제1 및 제2저항의 분배비를 갱신하여, 전압분배부의 제1 및 제2저항에 의해 분배된 전압을 보정한다.

Description

인버터 직류단 전압 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING DC-LINK VOLTAGE IN INVERTER}
본 발명은 인버터 직류전압 검출장치에 대한 것이다.
일반적으로 인버터는, 직류전력을 임의의 주파수의 교류전력으로 변환하는 전력변환장치로서, 에너지 절약 및 출력제어의 용이성으로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있다.
이러한 인버터의 직류단 전압은 보통 저항의 직렬연결을 이용하여 인버터의 높은 입력전압을 분배하여 낮은 전압으로 스케일링하여 측정하고 있다.
도 1은 종래의 인버터 직류단 전압 검출장치의 구성도이다.
종래에는, 인버터의 직류링크 커패시터(100)의 직류단 전압을 검출하기 위해, 저항(210, 220)의 직렬연결을 이용하여, 인버터의 높은 직류단 전압을 분배하여 낮은 전압으로 스케일링하여 측정하였다.
직렬연결된 저항(210, 220)에 의해 분배된 전압은 게인이 1인 OP 앰프(300)에 입력되고, OP 앰프(300)로부터 출력된 값은 아날로그-디지털 컨버터(analog-digital converter, ADC)(400)를 거쳐 출력되며, 제어부(500)는 직렬연결된 저항(210, 220)의 분배비와 직류단 전압의 옵셋(offset)을 고려하여 직류단 전압으로 환산하여 인버터부(110)의 제어 알고리즘, 보호 및 모니터링에 이를 활용한다.
직렬연결된 저항(210, 220)의 분배비와 직류단 전압의 옵셋은 인버터의 설치 후 구동에 앞서 인간-기계 인터페이스(human-machine interface, HMI)를 통해 수동으로 입력한다.
이와 같은 직류단 전압의 측정방식에서는, 정확한 측정을 위해 전압을 분배하는 직렬연결 저항(210, 220)의 정확한 저항비를 알고 있어야 하지만, 기본적으로 저항소자간 산포가 존재하고, 인버터가 설치된 주변의 온도변화와 장시간 사용에 따른 소자의 노화, 회로기판 내에서의 접촉저항의 변화 등에 의해 저항비가 변경될 수 있다.
또한, OP 앰프(300) 역시 온도 또는 시스템의 구성에 따라 직류단 전압의 옵셋이 변동하므로 측정오차의 원인이 될 수 있다.
즉, 종래의 직류단 전압 검출장치에서는 변화된 저항비와 직류단 전압의 옵셋을 보정하기 어려운 문제점이 있다. 저항비의 변화나 직류단 전압의 옵셋에 대한 보상이 적절히 이루어지지 않으면, 제어부(500)의 제어가 원하는 성능을 기대하기 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 센싱회로의 저항비의 변화와 직류단 전압의 옵셋을 갱신함으로써, 정확한 직류단 전압을 검출하는, 인버터 직류단 전압 검출장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 직류단 커패시터 및 인버터부를 포함하는 인버터 시스템의 직류단 전압을 검출하는 본 발명의 일실시예의 장치는, 상기 직류단 커패시터와 입력전원을 연결하는 스위칭부; 상기 직류단 커패시터의 직류단 전압을 분배하며, 직렬로 연결된 제1 및 제2저항을 포함하는 전압분배부; 및 상기 스위칭부의 온 또는 오프에 따라 직류단 전압의 옵셋을 갱신하거나, 또는 상기 제1 및 제2저항의 분배비를 갱신하여, 상기 전압분배부에 의해 결정된 전압을 보정하여 직류단 전압을 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부가 오프상태인 경우, 상기 인버터부의 스위칭소자의 동작에 의해 상기 직류단 전압을 강제방전하고, 강제방전에 의해 직류단 전압이 0이 되는 시점의 직류단 전압과 이전의 옵셋의 차가 설정된 범위인 경우, 상기 직류단 전압이 0이 되는 시점의 직류단 전압을 직류단 전압의 옵셋으로 갱신할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 강제방전에 의해 직류단 전압이 0이 되는 시점의 직류단 전압과 이전의 옵셋의 차가 설정된 범위를 벗어나는 경우, 사용자에게 이를 알릴 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부가 온상태이고, 상기 인버터부가 스위칭 동작하지 않는 경우, 입력전원에 대한 직류단 전압의 비와 이전 분배비의 차이가 설정된 범위인 경우, 입력전원에 대한 직류단 전압의 비를 상기 전압분배부의 분배비로 갱신할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 입력전원에 대한 직류단 전압의 비와 이전 분배비의 차이가 설정된 범위를 벗어나는 경우, 사용자에게 이를 알릴 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 인버터 주변의 온도 또는 주변 환경의 변화로 인해, 직류단 전압의 옵셋과 전압분배부의 분배비가 변경된 경우, 하드웨어의 추가 없이 이를 수정할 수 있으므로, 추후 인버터 기동시 정확한 직류단 전압을 측정하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 인버터 직류단 전압 검출장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 인버터 직류단 전압 검출장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 인버터 직류단 전압을 결정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 인버터 직류단 전압 검출장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는, 상용전원부(1)로부터 입력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 이를 다시 소정 주파수 및 크기의 교류전원으로 변환하여 전동기(3)에 제공하는 인버터(2)에 적용되는 것으로서, 본 발명의 일실시예의 인버터(2)는, 정류부(10), 평활부(20), 인버터부(30), 스위칭부(40), 전압분배부(50), 증폭부(60), 아날로그-디지털 컨버터부(ADC)(70) 및 제어부(80)를 포함할 수 있다.
정류부(10)는 인가되는 상용의 3상전원을 직류전압으로 정류할 수 있다. 이때 정류부(10)는 복수의 다이오드로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명의 일실시예의 인버터(2)에서는 정류부(10)가 상용전원을 정류하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 신재생 에너지와 같이 배터리로부터 직류전압을 직접 인가받는 경우, 정류부(10)의 구성은 생략될 수도 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
평활부(20)는 정류부(10)에 의해 정류된 직류전압을 평활하고 저장할 수 있다. 평활부(20)는 예를 들어 전해 커패시터를 포함할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 커패시터를 포함할 수 있을 것이다.
인버터부(30)는 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT)와 같은 복수의 전력용 반도체 스위칭소자를 포함하는 것으로서, 복수의 전력용 반도체 스위칭소자는 다양한 토폴로지(topology)로 배치될 수 있을 것이다. 예를 들어, H-브릿지 방식, 중성점 클램프(neutral point clamped) 방식, T형 NPC 방식 등 다양한 토폴로지에 의해 전력용 반도체 스위칭소자가 배치될 수 있을 것이다. 다만, 인버터부(30)에서 전력용 반도체 스위칭소자의 배치 토폴로지는, 본 발명의 설명과는 무관하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 하겠다.
스위칭부(40)는 정류부(10)에서 정류된 직류전원을 차단하기 위한 것으로서, 상위 제어부(도시되지 않음) 또는 사용자에 의해 차단여부가 결정될 수 있다. 스위칭부(40)는 예를 들어 릴레이(relay)를 포함할 수 있다.
전압분배부(50)는 제1저항(51) 및 제2저항(52)을 포함하는 것으로서, 제1 및 제2저항(51, 52)의 저항비에 의해 직류단 전압의 스케일링이 결정될 수 있다. 즉, 제1 및 제2저항(51, 52)의 저항비에 따라 평활부(20)의 직류단 전압이 낮은 값으로 스케일링될 수 있다.
증폭부(60)는 예를 들어 게인이 1인 OP 앰프로서, 전압분배부(50)의 출력을 증폭하여 출력할 수 있다. ADC(70)는 증폭부(70)의 아날로그 출력신호를 디지털 데이터로 변환하여 제어부(80)에 제공할 수 있다.
제어부(80)는 스위칭부(40)의 개폐상태와 인버터 상태에 대한 정보를 수신하여, 전압분배부(50)의 저항비의 변화와 직류단 전압의 오프셋을 결정하여, ADC(70)로부터 수신한 직류단 전압을 보정할 수 있다.
이하에서는, 제어부(80)의 동작을 도면을 참고로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 인버터 직류단 전압을 결정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 본 발명의 인버터(2)에서 제어부(80)의 동작을 중심으로 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서, 제어부(80)는, 스위칭부(40)의 차단여부를 확인할 수 있다(S31). 스위칭부(40)가 차단된 경우, 직류단 전압의 옵셋을 결정하고, 차단되지 않은 경우 인버터부(30)가 PWM 제어에 의해 출력을 하고 있는지에 따라 분배비를 결정하여, 정확한 직류단 전압을 측정할 수 있다.
S31에서 스위칭부(40)가 차단된 것으로 확인된 경우(S32), 제어부(80)는 직류단 전압을 강제방전할 수 있다(S33). 강제방전은, 직류단 커패시터(20)의 잔여 에너지를 제거함으로써 사용자의 안전을 보장하기 위한 수단으로 이용될 수도 있는 것으로서, 별도의 강제방전을 위한 회로를 구성하여 잔여 에너지를 강제방전할 수도 있고, 또는 인버터부(30)의 전력용 반도체 스위칭소자의 스위칭손실과 전동기(3)의 저항성분을 이용하여 잔여 에너지를 강제방전할 수도 있다. 이때, 제어부(80)는, 인버터부(30)에 지령을 인가하여 전동기(3)에 전압을 인가할 수 있으며, 직류단 커패시터(20)의 직류단 전압이 0이 되는 시점을 결정할 수 있다.
직류단 전압이 0이 되는 시점에 전압분배부(50)를 통해 측정된 전압(Vdc_M)이 직류단 전압의 옵셋이 될 수 있다. 따라서, 제어부(80)는, 이전의 옵셋(Vdc_offset)과 직류단 전압이 0이 되는 시점에 측정된 전압(Vdc_M)의 차가 설정된 범위(Vset)인 경우(S34), 직류단 전압의 옵셋을 Vdc_M으로 갱신할 수 있다(S35).
만약, 이전의 옵셋(Vdc_offset)과 직류단 전압이 0이 되는 시점에 측정된 전압(Vdc_M)의 차가 설정된 범위(Vset)를 벗어나는 경우(S34), 회로의 고장여부를 확인할 수 있도록 사용자에게 알림을 발생할 수 있다(S36). 이와 같은 알림은 HMI를 통해서 직접 알림발생을 할 수도 있고, 또는 상위 제어부에 이와 같은 상황을 알리는 신호를 전송할 수도 있을 것이다.
한편, S31에서 스위칭부(40)가 차단되지 않은 것으로 확인된 경우(S32), 인버터부(30)가 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 제어에 의해 스위칭 동작을 수행하고 있는지 여부를 판단한다(S37). 이는 인버터(2)의 직류단 커패시터(20)를 통한 전류의 변화가 없는 상태에서 직류단 전압을 측정하기 위한 것이다. 따라서, 인버터(2)의 인버터부(30)가 PWM 제어에 의해 스위칭 동작을 하고 있는 경우, 정확한 직류단 전압의 측정이 불가능하므로, 직류단 전압의 측정절차를 종료할 수 있다.
만약, 인버터부(30)가 PWM 제어에 의해 스위칭 동작을 수행하지 않는 경우에는, 제어부(80)는 인버터(2)가 설치된 환경에 따라 입력전원의 전압을 알 수 있다. 즉, 도 2와 같이 상용전원(1)으로부터 전압을 인가받는 경우, 그 전압의 크기는 일정하게 결정되어 있으며, 또는 배터리로부터 직류단 전압이 결정되는 경우에는, 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(도시되지 않음)로부터 배터리 전압정보를 수신할 수 있다.
따라서, 제어부(80)는 입력전원의 전압정보(Vin_hat)와 전압분배부(50)를 통해 측정된 전압(Vdc_M)의 비를 기존 분배비(Kscale)과 비교하여(S38), 그 차이가 허용된 범위(Kset)를 넘어서는 경우, 회로의 고장여부를 확인할 수 있도록 사용자에게 알림을 발생할 수 있다(S36). 이와 같은 알림은 HMI를 통해서 직접 알림발생을 할 수도 있고, 또는 상위 제어부에 이와 같은 상황을 알리는 신호를 전송할 수도 있을 것이다.
그러나, 제어부(80)는 입력전원의 전압정보(Vin_hat)와 측정된 전압(Vdc_M)의 비와 기존 분배비(Kscale)의 차이가 허용된 범위 이내인 경우, 입력전원의 전압정보와 측정된 전압의 비를 새로운 분배비로 갱신할 수 있다(S39).
이후, 갱신된 분배비와 옵셋을 이용하여, 측정된 직류단 전압을 보정할 수 있을 것이다(S40).
본 발명의 일실시예에서는, 스위칭부(40)의 개폐여부에 따라 직류단 전압의 옵셋을 변경하고 전압분배부(50)의 분배비를 변경하는 것을 모두 설명하였으나, 상황에 따라 직류단 전압의 옵셋만을 변경하거나, 또는 전압분배부(50)의 분배비만을 변경하여 전압분배부(50)에 의해 결정된 전압을 보정할 수 있을 것이다.
직류단 전압의 옵셋 및 분배비를 이용하여 전압분배부(50)에 의해 결정된 전압을 보정하는 것은, 전압분배부(50)에 의해 결정된 전압에서 분배비를 고려하여 직류단 전압을 결정하고, 결정된 직류단 전압에 옵셋을 차감하여 직류단 전압으로 결정할 수 있을 것이다.
이와 같은 과정에서, 본 발명의 제어부(80)가 갱신한 직류단 전압의 옵셋 및 분배비를 적용하여 직류단 전압을 결정할 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터(2) 주변의 온도 또는 주변 환경의 변화로 인해, 직류단 전압의 옵셋과 전압분배부(50)의 분배비가 변경된 경우, 하드웨어의 추가없이 이를 수정할 수 있으므로, 추후 인버터(2) 기동시 정확한 직류단 전압을 측정할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 상용전원부 2: 인버터
3: 전동기 10: 정류부
20: 평활부 30: 인버터부
40: 스위칭부 50: 전압분배부
60: 증폭부 70: ADC
80: 제어부

Claims (5)

  1. 직류단 커패시터 및 인버터부를 포함하는 인버터 시스템의 직류단 전압을 검출하는 장치에 있어서,
    상기 직류단 커패시터와 입력전원을 연결하는 스위칭부;
    상기 직류단 커패시터의 직류단 전압을 분배하며, 직렬로 연결된 제1 및 제2저항을 포함하는 전압분배부; 및
    상기 스위칭부의 온 또는 오프에 따라 직류단 전압의 옵셋을 갱신하거나 또는, 상기 제1 및 제2저항의 분배비를 갱신하여, 상기 전압분배부에 의해 결정된 전압을 보정하여 직류단 전압을 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부가 오프상태인 경우, 상기 인버터부의 스위칭소자의 동작에 의해 상기 직류단 전압을 강제방전하고,
    상기 강제방전에 의해 직류단 전압이 0이 되는 시점의 직류단 전압과 이전의 옵셋의 차가 설정된 범위인 경우, 상기 직류단 전압이 0이 되는 시점의 직류단 전압을 직류단 전압의 옵셋으로 갱신하는 직류단 전압 검출장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    강제방전에 의해 직류단 전압이 0이 되는 시점의 직류단 전압과 이전의 옵셋의 차가 설정된 범위를 벗어나는 경우, 사용자에게 이를 알리는 직류단 전압 검출장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 스위칭부가 온상태이고, 상기 인버터부가 스위칭 동작하지 않는 경우, 입력전원에 대한 직류단 전압의 비와 이전 분배비의 차이가 설정된 범위인 경우, 입력전원에 대한 직류단 전압의 비를 상기 전압분배부의 분배비로 갱신하는 직류단 전압 검출장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    입력전원에 대한 직류단 전압의 비와 이전 분배비의 차이가 설정된 범위를 벗어나는 경우, 사용자에게 이를 알리는 직류단 전압 검출장치.
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