KR20010010414A - 인버터의 역률보정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터의 역률보정장치및 방법에 관한 것으로, 종래에는 역률개선을 위해 아날로그용 칩을 사용하므로 부품수가 많아 주변회로가 복잡하고, 또한 초크코일에 보조권선등이 필요하게 되어 비용이 증가하므로 경제성이 저하되는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부와; 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호에 의해 입력 상용교류전원의 주파수를 판단하여 그에 따른 주파수판단신호를 출력하는 주파수판단부와; 소정 주파수단위에 해당되는 사인값이 저장되는 롬과; 직류 링크 양단에 걸리는 전압레벨을 검출하는 전압레벨검출부와; 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호에 따른 펄스폭을 가지고, 상기 롬으로부터 상기 주파수판단부의 주파수판단신호에 해당되는 사인값을 가져와서 이 사인값에 상기 전압레벨검출부의 전압레벨값에 해당되는 팩터를 승산하여 그에 따른 크기를 가지는 펄스폭변조신호를 출력하는 디지탈로직제어부와; 상기 디지탈로직제어부의 펄스폭변조신호를 입력받아 그에 따라 상기 PAM제어용트랜지스터의 스위칭제어신호를 출력하는 구동부를 포함하여 구성함으로써 전세계적으로 사용되는 주파수가 50Hz/60Hz의 상용전원전압 뿐만아니라 지역에 따라 전력사정이 미흡하여 상용전압의 주파수가 바뀌어도 이를 수용하여 동작할 수 있고, 또한 디지탈회로를 이용하여 반도체 제조공정을 간단화함으로써 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

인버터의 역률보정장치 및 방법{POWER FACTOR CORRECTING APPARATUS AND METHOD OF INVERTER}

본 발명은 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 입력주파수와 관계없이 역률개선및 직류링크전압을 용이하게 가변함으로써 안정적으로 동작할 수 있음과 아울러 디지탈회로를 이용하여 반도체 제조공정을 간단화함으로써 비용을 절감할 수 있도록 한 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 가전제품의 에너지 절약, 출력제어 용이성 때문에 급속하게 인버터화가 추진되어 인버터 구동 모터를 적용한 세탁기 및 냉장고 등이 개발되고 있으며, 인버터는 장치의 특성상 상용전원(국내에는 220V/60㎐)을 먼저 직류(DC)화한 후, 이를 스위칭소자를 사용하여 원하는 전압 및 주파수로 전환시키므로 직류화 과정에서 용량이 큰 커패시터가 필요로 하게 되는데, 이와같은 종래 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 인버터 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 상용교류전원(100)과; 브리지 다이오드(111)와 초크코일(choke coil, 112)로 구성되어 상기 상용교류전원(100)을 정류하는 정류부(110)와; 상기 정류부(110)의 출력 전압을 평활하는 평활용 커패시터(120)와; 상기 평활용 커패시터(120)의 직류 전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 가변 주파수 및 가변 전압으로 바꾸어주는 인버터(130)와; 상기 인버터(130)의 제어에 따라 구동되는 모터(140)로 구성되는데, 도 2는 도 1의 인버터 장치의 입력전압 및 전류의 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 전류파형에서 시간 t는 상기 초크코일(112)과 평활용 커패시터(120)의 시정수에 의해 결정되며, 보통 상용전원주기의 1/5 이하이다. 그리고 이상적인 역률제어 시 전류파형은 교류전압과 동일한 위상을 가지며, 또한 상용전원의 전류 최대 크기보다 작은 피크(peak) 전류를 가져 이와 같이 전류파형과 전압파형을 동일하게 하면 노이즈 저감과 무효전력감소 등의 효과를 가져오게 된다.

도 3은 종래 역률개선을 위한 역률보정장치를 적용한 인버터 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 상기 도 1에서 설명한 상용교류전원(100)과; 브리지 다이오드(111)와; 평활용 커패시터(120)와; 인버터(130)와; 모터(140)로 구성된 인버터 장치에 초크코일(220), 저항(R1∼R11), 다이오드(D1,D2), 커패시터(C1∼C3), 아날로그 역률개선 집적회로(IC, 210) 및 스위칭 소자(Q1)로 구성되어 듀티를 가변하여 스위칭 함으로써, 전체적인 입력전류와 전압의 파형을 동일하게 하는 역률개선부(200)를 더 포함하여 구성한 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이 브리지 다이오드(111)의 출력전압 파형이 사인파의 형태를 가지고, 이 파형과 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류가 사인파 형태로 도 5a에서와 같이 비교된다. 즉 도 4에 도시된 역률개선 IC(210)의 비교기(216)의 두 입력신호(MO, CS)에 의해 상기 스위칭 소자(Q1)의 게이트 파형이 도 5b와 같이 나타나며, 이는 사인파의 낮은 부분에서는 듀티가 커지고, 사인파가 높은 곳에서는 듀티가 낮도록 스위칭하여 전체적인 입력전류 및 입력전압 파형과 동일하도록 한다.

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 역률개선을 위해 아날로그용 칩을 사용하므로 부품수가 많아 주변회로가 복잡하고, 또한 초크코일에 보조권선등이 필요하게 되어 비용이 증가하므로 경제성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 입력주파수와 관계없이 역률개선및 직류링크전압을 용이하게 가변함으로써 안정적으로 동작할 수 있음과 아울러 디지탈회로를 이용하여 반도체 제조공정을 간단화함으로써 비용을 절감할 수 있도록 한 인버터의 역률보정장치및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 인버터 장치의 구성을 보인 예시도.

도 2는 도 1의 인버터 장치의 입력전압 및 전류의 파형도.

도 3은 종래 역률개선을 위한 역률보정장치를 적용한 인버터 장치의 구성을 보인 예시도.

도 4는 도 3에서 아날로그 역률개선 IC의 구성을 보인 예시도.

도 5는 도 3에서 아날로그 역률개선 IC의 동작 파형도.

도 6은 본 발명 인버터의 역률보정장치의 구성을 보인 블록도.

도 7은 도6에 있어서, 주파수단위로 사인값이 저장되는 롬의 모습을 보인 블록도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

600:정류부 610:인버터부

620:모터 630:전압레벨검출부

640:디지탈로직제어부 650:제로전압검출부

660:롬 670:구동부

680:주파수판단부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 입력되는 상용교류전원의 제로전압을 검출하는 제로전압검출부와; 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호에 의해 입력 상용교류전원의 주파수를 판단하여 그에 따른 주파수판단신호를 출력하는 주파수판단부와; 소정 주파수단위에 해당되는 사인값이 기저장되는 롬과; 직류 링크 양단에 걸리는 전압레벨을 검출하는 전압레벨검출부와; 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호에 따른 펄스폭을 가지고, 상기 롬으로부터 상기 주파수판단부의 주파수판단신호에 해당되는 사인값을 가져와서 이에 상기 전압레벨검출부의 전압레벨값에 따른 팩터를 승산하여 그에 따른 크기를 가지는 펄스폭변조신호를 출력하는 디지탈로직제어부와; 상기 디지탈로직제어부의 펄스폭변조신호를 입력받아 그에 따라 상기 PAM제어용스위칭소자의 스위칭제어신호를 출력하는 구동부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력되는 상용교류전원의 제로전압의 검출로 주파수를 인지하여 그 주파수값에 해당되는 주파수판단신호를 출력하는 제1 단계와; 그 다음 제로전압이 검출되면 롬의 제로번지의 사인값을 읽어들여 정해진 팩터값을 승산하여 그 결과 만큼의 데이터를 하이로 유지시켜 PAM제어용트랜지스터를 턴온시키는 제2 단계와; 일정시간후 롬의 어드레스에 주파수판단신호에 해당되는 어드레스값을 더하여 어드레스를 지정한후 그 지정된 어드레스에 해당되는 롬의 데이터에 팩터값을 승산한후 그 결과 만큼의 데이터를 하이로 유지시켜 PAM제어용트랜지스터를 턴온시키는 제3 단계와; 롬의 데이터 어드레스가 최대로 되면 그 어드레스값에서 주파수판단신호에 해당되는 어드레스를 뺀값을 어드레스값으로 지정한후 그 지정된 어드레스에 해당되는 데이터에 팩터를 승산하여 PAM제어용트랜지스터를 턴온시키는 제4 단계와; 그 다음 제로전압이 검출되면 직류링크 양단의 전압을 검출하여 제로전압 작으면 팩터값을 키우고 작으면 팩터값을 작게한후 상기 제3 단계로 궤환하거나 사용자에 의해 PAM구동 동작이 종료되는 제5 단계로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 인버터의 역률보정장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도6은 본 발명 인버터의 역률보정장치에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 상용교류전원(AC)을 정류하는 정류부(600)와; 상기 정류부(600)의 출력 전압을 평활하는 인덕터(L1)와; 상기 인덕터(L1)의 출력전압을 정류용 다이오드(D1)를 통해 입력받아 다시 평활하는 평활용 커패시터(C1)와; 상기 평활용 커패시터(C1)의 직류 전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 가변 주파수 및 가변 전압으로 바꾸어주는 인버터부(610)와; 상기 인버터부(610)의 제어에 따라 구동되는 모터(620)와; 콜렉터가 인덕터(L1)의 후단에 접속되고, 에미터가 접지되어, 베이스에 인가되는 스위칭제어신호에 의해 도통제어되는 PAM제어용트랜지스터(N1)와; 상기 정류부(600)로부터 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부(650)와; 상기 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호에 의해 입력 상용교류전원(AC)의 주파수를 판단하여 그에 따른 주파수판단신호를 출력하는 주파수판단부(680)와; 소정 주파수단위에 해당되는 사인값이 기저장되는 롬(660)과; 직류 링크 양단에 걸리는 전압레벨을 검출하는 전압레벨검출부(630)와; 상기 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 입력받아 그에 따른 펄스폭을 가지고, 상기 롬(660)으로부터 주파수판단신호에 해당되는 사인값을 가져와서 이 사인값에 상기 전압레벨검출부(630)의 전압레벨값에 따른 팩터(Factor)를 승산하여 그에 따른 크기를 가지는 펄스폭변조신호를 출력하는 디지탈로직제어부 (640)와; 상기 디지탈로직제어부(640)의 펄스폭변조신호를 입력받아 그에 따라 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)의 스위칭제어신호를 출력하는 구동부(670)로 구성하며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 제로전압검출부(650)는 정류부(600)로부터 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 디지탈로직제어부(640) 및 주파수판단부(680)로 출력한다.

이때, 상기 주파수판단부(680)는 상기 제로전압검출신호의 제로점의 간격으로 주파수를 판단하여 그에 따른 주파수판단신호를 상기 디지탈로직제어부(640)로 출력함과 아울러 검출된 주파수에 해당되는 주파수레지스터에 저장한다..

그리고, 전압레벨검출부(630)는 직류링크 양단에 걸리는 전압을 저항(R1),(R2)을 통해 검출하여 이를 상기 디지탈로직제어부(640)로 출력한다.

이때, 롬은 소정 주파수단위로 도7과 같이 사인값(0도~90도)이 기저장되는데, 주파수판단신호에 의해 입력 상용교류전원(AC)의 주파수를 판단하여 그에 따라 어드레스값을 지정하여 상기 사인값이 리드된다.

그러면, 상기 디지탈로직제어부(640)는 상기 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 입력받아 그에 따른 펄스폭을 가지고, 상기 롬(660)으로 부터 주파수판단신호에 해당되는 사인값을 가져와서 이 사인값에 상기 전압레벨검출부(630)의 전압레벨값에 따른 팩터(Factor)를 승산하여 그에 따른 크기를 가지는 펄스폭변조신호를 출력한다.

여기서, 상기 디지탈로직제어부(640)의 동작을 상세히 설명한다.

우선, 초기 제로전압이 검출되면 다음 제로전압의 검출되기 까지의 시간을 이용하여 입력되는 주파수를 인지하게 된다.

그 다음, 상기 인지된 주파수에 해당되는 주파수판단신호(주파수에 해당되는 어드레스)가 입력되고, 다시 제로전압이 검출되면 롬(660)의 제로번지의 데이터를 읽어들여 정해진 팩터를 승산한다.

그 다음, 상기 승산값 만큼 하이신호를 출력하여 PAM제어용트랜지스터(N1)를 턴온시키고 일정시간(스위칭동작주파수)후 이전 사인값에 해당되는 어드레스에 주파수판단신호의 어드레스를 더하여 새로운 어드레스를 지정한다.

그 다음, 새로운 어드레스에 해당되는 데이터에 팩터값을 승산하여 그 승산값 만큼 하이신호를 출력하여 PAM제어용트랜지스터(N1)를 턴온시키고, 데이터 어드레스가 최대가 되면 주파수판단신호의 어드레스를 뺀값을 어드레스로 지정하여 그 지정된 어드레스에 해당되는 롬(660)의 데이터를 팩터값에 승산하여 그 승산한 값만큼 하이신호를 출력하여 PAM제어용트랜지스터를 턴온시킨다.

그 다음, 다시 제로전압이 검출되면 전압레벨검출부(630)의 검출레벨값에 따른 팩터값을 다시 설정하는데, 즉 검출전압이 소정 제로전압 보다 작으면 팩터값을 증가시키고 크면 팩터값을 감소시키도록 재설정한다.

따라서, 구동부(670)는 상기 디지탈로직제어부(640)로부터 상기 펄스폭변조신호를 입력받아 그에 따른 스위칭제어신호를 PAM제어용트랜지스터(N1)의 베이스에 인가한다.

여기서, 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)는 상기 구동부(670)의 펄스폭변조신호에 의해 온/오프 제어되어 인버터의 역률을 개선하게 된다.

회로적으로 설명하면, 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)가 온되면 인덕터(L1)에 자기에너지가 축적되다가 그 PAM제어용트랜지스터(N1)가 오프되면 그 자기에너지가 다이오드(D1)를 통해 평활용커패시터(C1)에 충전된후 방전되고, 그 방전된 직류전압을 인버터부(610)의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변하여 모터(620)를 구동한다.

즉, 본 발명은 제로전압검출부(650)로 상용교류전원(AC)을 정류부(600)에서 반파정류된 신호의 제로전압을 검출하고, 그 제로전압검출신호의 제로점 간격으로 주파수를 판단하여 그 주파수에 해당되는 롬(660)의 번지에 기저장된 사인값을 가져와서, 그 사인값을 검출된 전압레벨값에 따른 팩터(Factor)와 승산하여 그에 따른 펄스폭변조신호를 출력하고, 이로 인해 PAM제어용트랜지스터(N1)가 상기 펄스폭변조신호에 의해 온/오프 제어되어 듀티가 가변되고, 이에 의해 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 역률이 능동적으로 보정된다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 전세계적으로 사용되는 주파수가 50Hz/60Hz의 상용전원전압 뿐만아니라 지역에 따라 전력사정이 미흡하여 상용전압의 주파수가 바뀌어도 이를 수용하여 동작할 수 있고, 또한 디지탈회로를 이용하여 반도체 제조공정을 간단화함으로써 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 입력되는 상용교류전원의 제로전압을 검출하는 제로전압검출부와; 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호에 의해 입력 상용교류전원의 주파수를 판단하여 그에 따른 주파수판단신호를 출력하는 주파수판단부와; 소정 주파수 단위에 해당되는 사인값이 저장되는 롬과; 직류 링크 양단에 걸리는 전압레벨을 검출하는 전압레벨검출부와; 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호에 따른 펄스폭을 가지고, 상기 롬으로부터 상기 주파수판단부의 주파수판단신호에 해당되는 사인값을 가져와서 이 사인값에 상기 전압레벨검출부의 전압레벨값에 해당되는 팩터를 승산하여 그에 따른 크기를 가지는 펄스폭변조신호를 출력하는 디지탈로직제어부와; 상기 디지탈로직제어부의 펄스폭변조신호를 입력받아 그에 따라 상기 PAM제어용스위칭소자의 스위칭제어신호를 출력하는 구동부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 인버터의 역률보정장치.
2. 입력되는 상용교류전원의 제로전압을 검출하여 그에 따라 주파수를 검출하는 제1 과정과; 상기 제1 과정의 검출 주파수에 따른 롬의 데이터를 그 다음 제로전압의 검출에 동기하여 순차적으로 읽어들여 PAM제어 스위칭소자의 구동을 제어하는 제2 과정으로 수행함을 특징으로 하는 인버터의 역률보정방법.
3. 제2 항에 있어서, 제2 과정은 제로전압이 검출되면 롬의 제로번지의 사인값을 읽어들여 정해진 팩터값을 승산하여 그 결과 만큼의 데이터를 하이로 유지시켜 PAM제어용트랜지스터를 턴온시키는 제1 단계와; 일정시간후 롬의 어드레스에 검출주파수에 해당되는 어드레스값을 더하여 어드레스를 지정한후 그 지정된 어드레스에 해당되는 롬의 데이터에 팩터값을 승산한후 그 결과 만큼의 데이터를 하이로 유지시켜 PAM제어용트랜지스터를 턴온시키는 제2 단계와; 롬의 데이터 어드레스가 최대로 되면 그 어드레스값에서 검출주파수에 해당되는 어드레스를 뺀값을 어드레스값으로 지정한후 그 지정된 어드레스에 해당되는 데이터에 팩터를 승산하여 PAM제어용트랜지스터를 턴온시키는 제3 단계와; 그 다음 제로전압이 검출되면 직류링크 양단의 전압을 검출하여 사용자가 미리 설정한 소정 제로전압 보다 작으면 팩터값을 키우고 작으면 팩터값을 작게하여 PAM구동을 제어하는 제4 단계로 수행함을 특징으로 하는 인버터의 역률보정방법.