KR20080040763A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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도시바 캐리어 가부시키 가이샤
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Abstract

한 쌍의 주회로 스위칭 소자로서, 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 중 적어도 하나는 FET이고, FET에 역병렬 접속된 다이오드와, PWM 신호를 생성하는 유닛과, 이 PWM 신호의 ON 신호를 소정 시간 지연시키는 지연부와, 지연 시간과 PWM 신호의 ON 시간을 비교하여, PWM 신호의 ON 시간이 지연 시간보다 짧을 경우에는 다른 쪽의 스위칭 소자의 ON 상태를 유지하는 스위칭 신호 보정부와, 다이오드에 역전압을 인가하는 역전압 인가부를 구비한다.
Figure P1020087006060
주회로 스위칭 소자, FET, 유도성 부하, 전력 변환 장치, PWM 신호 생성부, 기생 다이오드

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은, 주회로 스위칭 소자를 위해 적어도 하나의 FET가 사용되어, 유도성 부하에 전력을 공급하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
종래에는, 유도성 부하를 구동하는 인버터 회로에 설치된 스위칭 소자의 쌍으로서 FET를 사용하는 전력 변환 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특개평10-327585호 공보 참조). 이 전력 변환 장치에서는, MOSFET의 스위칭에 따라서, 스위칭 소자인 MOSFET에 역병렬(anti-parallel) 접속된 기생 다이오드에 생기는 역방향 전류에 의한 손실을 저감하기 위해 역전압 인가 회로를 설치하고 있다. 여기에서, 기생 다이오드는 MOSFET의 자연적 부산물이다. 이 역전압 인가 회로에 의해, MOSFET가 ON으로부터 OFF로 변한 다음 다른 쪽 MOSFET가 OFF로부터 ON으로 변하기 전에, 기생 다이오드에 역전압을 인가할 수 있다. 이 역전압은, PWM(Pulse Wide Modulation;펄스 폭 변조) 신호 및 역전압이 인가되는 MOSFET의 OFF 신호를 조합해서 생성되는 구동 신호에 기초하여 인가된다. PWM 신호는 삼각파 신호와, 기준 주파수 및 기준 전압에 기초하는 기준 신호를 비교해서 생성된다.
일본 특개평10-327585호 공보에서는, PWM 신호를 가공한 신호와, 스위칭 소자의 동시 ON 신호를 방지하기 위한 지연된 스위칭 신호를 사용해서, 역전압 인가를 위한 구동 신호를 생성한다.
PWM 신호의 펄스 폭과 지연 회로의 지연 시간과의 관계로부터 역전압을 인가하기 위한 구동 신호를 생성할 수 없는 경우가 종종 발생한다.
상기 경우를 이제 구체적으로 설명한다. 도 10은 기준 신호 및 삼각파 신호로부터 생성된 PWM 신호에 기초해서 생성되는 신호의 ON 또는 OFF 상태를 나타내는 타임 차트이다. PWM 신호의 각 펄스에는 "t1"부터 "t6"까지의 참조 번호가 첨부되어 있다. 이 타임 차트에서, 한 쌍의 주회로 스위칭 소자는 각각 "상 암(upper arm)" 및 "하 암(lower arm)"으로 표기되어 있다. "상 암 구동 신호" 및 "하 암 구동 신호"는, 스위칭 소자인 MOSFET를 구동하기 위한 신호이다. "상 암 역전압 인가 신호" 및 "하 암 역전압 인가 신호"는, 기생 다이오드에 각각 역전압을 인가하기 위해 역전압 인가 회로에 설치되는 스위칭 소자(이하, "역전류 방지 스위칭 소자"라고 칭함)를 구동하기 위한 신호이다.
PWM 신호는 도 10의 타임 차트의 최상부에 도시하는 것과 같이 생성된다. 실선 a로 도시한 바와 같이 상 암의 MOSFET를 구동하는 상 암 구동 신호가 ON으로부터 OFF로 변화된 것을 조건으로 하여, 상 암의 MOSFET의 기생 다이오드에 역전압이 인가된다(상 암 역전압 인가 신호가 ON이 된다). 마찬가지로, 실선 b로 도시한 바와 같이 하 암의 MOSFET를 구동하는 하 암 구동 신호가 ON으로부터 OFF로 변화된 것을 조건으로 하여, 하 암의 MOSFET의 기생 다이오드에 역전압이 인가된다(하 암 역전압 인가 신호가 ON이 된다).
상 암 및 하 암에 설치된 한 쌍의 MOSFET에 동시에 ON 신호가 인가되면, 회로는 통상적으로 방전된다. 상 암 및 하 암 각각에 대하여 인가되는 ON 신호의 타이밍을 어긋나게 하기 위해서, MOSFET의 실제의 ON 신호는 PWM 신호로부터 소정 시간 지연된다. 도 10의 점선 c로 도시한 바와 같이, PWM 신호의 펄스 폭이 데드 타임(dead time)의 시간 폭 "td" 보다도 작아지면(PWM 신호의 펄스 "t5" 참조), 하 암을 구동하기 위한 ON 신호가 생성되지 않는다. 통상적으로, 역전압 인가를 위한 신호는 기본적으로 지연 후의 스위칭 소자가 ON으로부터 OFF로 변하는 타이밍에 기초한다. 하 암 구동 신호가 OFF를 유지하는 한, 도 10의 "하 암 역전류 인가 신호"에 점선으로 표시된 바와 같이, ON으로부터 OFF로의 스위칭에 대해 출력될 하 암 역전압 인가 신호가 생성되지 않는다. 따라서, 역전압은 하 암의 MOSFET의 기생 다이오드에 인가되지 않는다. 이 때문에, 이 타이밍에서 생기는 기생 다이오드에 흐르는 역전류를 제어할 수 없게 된다.
상기 일본 특개평10-327585호 공보에 기재된 시스템에서는, PWM 신호를 가공(지연)된 신호와 지연 후의 스위칭 소자의 구동 신호를 이용해서 역전압 인가 신호를 생성한다는 것을 주지해야 한다. 가공된 PWM 신호를 어떻게 생성하는 지에 대해서는 공지되어 있지 않기 때문에, 상기한 바와 같은 스위칭 소자의 구동 신호가 출력되지 않는 상황에 대처할 수 있을지 여부는 분명하지 않다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 다이오드(기생 다이오드)를 통해 역방향 전류가 흐르는 상황임에도 불구하고 역전압 인가 회로가 동작하지 않는 상황의 발생을 방지하기 위해, PWM 신호의 펄스 폭이 데드 타임보다도 작아지는 경우에, 스위칭 신호 보정부에 의해 스위칭 신호를 보정함으로써, 전력 소비 및 노이즈 생성을 저감할 수 있으며, 이에 따라, 다이오드를 통해 역방향 전류가 흐르는 것을 억제할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 특징은, 직류 전압원에 직렬로 접속되고, 스위칭 신호에 기초한 ON 또는 OFF 제어에 의해 유도성 부하에 전력을 공급하는 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 - 상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 중 적어도 하나는 FET임 - 와, 상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자에 각각 역병렬로 접속된 다이오드와, 상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부와, 상기 PWM 신호 생성부에 의해 생성된 상기 PWM 신호에 기초해서 생성되는 상기 스위칭 신호의 ON 타이밍을 소정 지연 시간 지연시키는 지연부와, 상기 PWM 신호의 ON 시간이 상기 FET에 대한 지연 시간보다 짧을 때에는, 상기 FET와 쌍을 이루는 스위칭 소자의 ON 상태를 유지하도록 상기 스위칭 신호를 보정하는 스위칭 신호 보정부와, 상기 스위칭 신호 보정부에 의해 보정된 스위칭 신호에 기초해서, 상기 FET에 역병렬로 접속된 다이오드에 상기 직류 전원의 전압보다 낮은 역전압을 인가하는 역전압 인가 회로를 포함하는 전력 변환 장치이다.
도 1은, 전력 변환 장치를 나타내는 전체 구성도이다.
도 2는, 제1 및 제2 실시예에 따른 마이크로컴퓨터의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 제1 실시예에 따른 판정 방법을 나타내는 플로우차트 및 각 판정 결과에 기초해서 출력되는 파형을 나타낸 파형도이다.
도 4는, 제2 실시예에 따른 판정 방법을 나타내는 플로우차트 및 각 판정 결과에 기초해서 출력되는 파형을 나타낸 파형도이다.
도 5는, 제3 실시예에 따른 마이크로컴퓨터의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은, 제3 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 전체 구성도이다.
도 7은, 제3 실시예에 따른 판정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 8은, 제3 실시예에 따른 각 판정 결과에 기초해서 흐르는 전류의 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 9는, 제3 실시예에 따른 각 판정 결과에 기초해서 흐르는 전류의 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 10은, 종래의 실시예에 따른 주회로 스위칭 소자 및 기생 다이오드에 인가되는 신호를 나타내는 타임 차트이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명할 것이다.
(제1 실시예)
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치(1)는, 직류 전압원(2), 직류 전압원(2)의 전원 라인에 연결된 인버터 회로(3), 및 인버터 회로(3)의 출력 측에 연결된 모터 등의 유도성 부하(4)를 갖는다.
이 인버터 회로(3)는, 주회로 스위칭 소자인 상측 소자 MOSFET(5u, 5v, 5w) 및 하측 소자 MOSFET(5x, 5y, 5z)가 삼상 브릿지 접속된다. MOSFET "5u 및 5x", "5v 및 5y", 및 "5w 및 5z"가 각각 한 쌍의 주회로 스위칭 소자를 구성한다. MOSFET(5u, 5v, 5w 및 5x, 5y, 5z)의 각 소스 및 드레인 간에는, 다이오드(6u, 6v, 6w 및 6x, 6y, 6z)가 각각 MOSFET에 역병렬로 접속된다. 이 MOSFET에는 작은 ON 저항을 갖는 슈퍼 정션(super junction) 구조의 MOSFET를 이용하는 것이 효율면에서 바람직하다는 것을 주지해야 한다.
다이오드(6)는, 역전압 인가 수단으로서의 역전압 인가 회로(7u, 7v, 7w 및 7x, 7y, 7z)가 접속되어 있다. 이들 역전압 인가 회로(7)는, 직류 전압원(2)보다도 낮은 전압을 갖는 저전압 직류 전압원(8)을 갖는다. 역전압 인가 회로(7x, 7y, 7z)는 저전압 직류 전압원(8x)을 공유한다. MOSFET의 각 소스 및 드레인 간에 저전압 직류 전원(8)의 전원 라인이 각각 접속되어 있다. "X", "Y", "Z" 층에서의 역전압 인가 회로(7)의 한 쪽의 전원 라인은 직류 전압원(2)의 전원 라인과 공유된다.
역전압 인가 회로(7)의 저전압 직류 전압원(8)에는 저항(9u, 9v, 9w 및 9x, 9y, 9z)이 직렬로 접속되고, 또한 컨덴서(10u, 10v, 10w 및 10x, 10y, 10z)가 병렬로 접속되어 있다. 저항(9)은, 컨덴서(10)의 차지에 수반하는 돌입 전류(in-rush current)를 방지하기 위해서 설치된다. 또한, 역전류 방지 스위칭 소자(11u, 11v, 11w 및 11x, 11y, 11z), 및 전류의 역류를 방지하기 위한 다이오드(12u, 12v, 12w 및 12x, 12y, 12z)가 저전압 직류 전원(8)의 전원 라인 위에 접속되어 있다. 역전류 방지 스위칭 소자(11)에는 전력 소비가 적은 MOSFET가 사용되는 것이 바람직하 다.
단안정(one-shot) 펄스 생성부(14)(14u, 14v, 14w 및 14x, 14y, 14z), 게이트 구동부(15)(15u, 15v, 15w 및 15x, 15y, 15z)를 통해서 마이크로컴퓨터(13)로부터 출력된 스위칭 신호에 기초하여 역전압 인가 회로(7)가 구동된다. 이 단안정 펄스 생성부(14) 및 게이트 구동부(15)는, 스위칭 신호가 ON으로부터 OFF로 변하는 시점으로부터 약간 지연해서 역전류 방지 스위칭 소자(11)에 ON 신호를 공급한 다음, 소정의 단시간 동안 ON 상태를 유지한 다음, OFF 신호를 제공한다. 이에 따라, 역전류 방지 스위칭 소자(11)는, MOSFET와 쌍을 이루는 다른 MOSFET의 ON 상태의 전후에 걸쳐 MOSFET의 다이오드에 역전압을 인가할 수 있게 된다. 그 결과, MOSFET에 역병렬 접속된 (기생) 다이오드에 흐르는 역전류를 억제할 수 있다.
마이크로컴퓨터(13)는 출력 "A, C, E" "B, D, F"를 통해 인버터 회로(3)에 연결된다. 출력 "A"("C, E")는, 후술하는 스위칭 신호 보정부(13e)에 의해 출력되는 보정된 스위칭 신호를, 층 "U"("V, W")의 단안정 펄스 생성부(14) 및 게이트 구동부(15)를 통해 층 "U"("V, W")의 주회로 스위칭 소자(5) 및 역전압 인가 회로(7) 둘 다에 전송한다. 마찬가지로, 출력 "B"("D, F")는, 스위칭 신호 보정부(13e)에 의해 출력되는 보정된 스위칭 신호를, 층 "X"("Y, Z")의 단안정 펄스 생성부(14) 및 게이트 구동부(15)를 통해 층 "X"("Y, Z")의 주회로 스위칭 소자(5) 및 역전압 인가 회로(7) 둘 다에 전송한다.
도 2에 도시한 바와 같이 마이크로컴퓨터(13)는, 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부(13a)와, 삼각파 신호를 생성하는 삼각파 신호 생성부(13b)와, 한 쌍의 주회로 스위칭 소자를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부(13c)와, 이 PWM 신호를 하측의 스위칭 소자용의 PWM 신호로서 반전시키는 인버터(13dc)와, PWM 신호의 ON 타이밍을 각각 소정 시간(데드 타임) 지연시키는 지연부(13da, 13db)와, PWM 신호의 펄스 폭과 데드 타임을 비교하여, PWM 신호들 중 하나의 펄스 폭이 데드 타임보다 짧다고 판단되었을 때는, 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 중 다른 쪽의 스위칭 소자의 ON 상태를 유지하는 스위칭 신호 보정부(13e)와, 전류 검출부(13f)를 포함한다. 이 전류 검출부(13f)는, 유도성 부하인 모터의 속도를 제어하기 위해서 각 층의 인버터 회로(3)와 유도성 부하(4) 사이의 전류값 또는 전류가 흐르는 방향을 검출한다.
기준 신호 생성부(13a) 및 삼각파 신호 생성부(13b)는 각각 PWM 신호의 기초가 되는 기준 신호 및 삼각파 신호를 생성한다. 본 실시예에서는, 기준 신호 생성부(13a) 및 삼각파 신호 생성부(13b)가 마이크로컴퓨터(13)내에 설치되지만, 이들은 마이크로컴퓨터(13)의 외부에 설치되어도 된다.
PWM 신호 생성부(13c)는, 기준 신호 및 삼각파 신호로부터 PWM 신호를 생성한다. PWM 신호는 스위칭 소자에 전압을 인가하기 위한 스위칭 신호의 기초가 된다. 도 10에 도시한 바와 같이, PWM 신호는 기준 신호와 삼각파 신호의 비교 결과에 기초해서 ON 및 OFF되도록 생성된다.
지연부(13d)는, 상하 한 쌍의 스위칭 소자의 양자에 동시에 ON 신호가 인가되는 것에 의해 생기는 단락을 방지하기 위해, 상하 한 쌍의 스위칭 소자의 각 소자의 ON 신호를 소정 시간(데드 타임) 지연시킨다. OFF 신호는 지연시키지 않는 다. 소정 시간(데드 타임)은, 효율면에서, 단락을 방지할 수 있는 범위에서 가능한 짧은 것이 바람직하다.
각 스위칭 소자에 대해 지연부(13d)에 의해 지연된 PWM 신호는, 스위칭 신호 보정부(13e)에 입력된다. 기준 신호 생성부(13a)에서 생성된 기준 신호와 삼각파 신호 생성부(13b)에서 생성된 삼각파 신호도 스위칭 신호 보정부(13e)에 입력된다.
스위칭 신호 보정부(13e)는, PWM 신호에 부가되는 데드 타임과, 기준 신호 및 삼각파 신호로부터 생성되는 PWM 신호의 펄스 폭을 사전에 비교한다. PWM 신호들 중 하나의 펄스 폭이 데드 타임보다 짧을 때에는, 스위칭 신호 보정부(13e)는 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 중 다른 쪽의 스위칭 소자의 ON 상태를 유지하기 위해 PWM 신호를 보정하여 출력한다. 이 보정된 PWM 신호는, 보정된 스위칭 신호로서 한 쌍의 주회로 스위칭 소자에 인가된다.
이하의 설명은 간략화를 위해, 한 쌍의 주회로로서 층 "U" 및 "X"만을 예시해서 설명한다는 것을 주지해야 한다. 실제로는, 층 "U, V, W" 및 "X, Y, Z"의 3개의 주회로에 지연부 및 스위칭 신호 보정부(13e)가 각각 설치된다. 따라서, 각 스위칭 소자에 대응하는 출력 "A" 내지 "F"를 통해서 6개의 출력이 행해진다.
스위칭 신호 보정부(13e)로부터 출력된 상측 스위칭 소자용의 보정된 스위칭 신호는, 출력 "A"(C, E)를 통해서 층 "U"(V, W)의 주회로 스위칭 소자(5u)(5v, 5w) 및 층 "U"(V, W)의 단안정 펄스 생성부(14u)(14v, 14w) 둘 다에 입력된다. 이 보정된 스위칭 신호에 기초해서, 역전압 인가 회로(7)에 설치되어 있는 역전류 방지 스위칭 소자(11)가 소정의 타이밍에서 소정의 시간 동안 턴 온된다.
마찬가지로, 하측 스위칭 소자용의 보정된 스위칭 신호는 출력 "B"(D, F)를 통해서 층 "X"(Y, Z)의 주회로 스위칭 소자(5x)(5y, 5z) 및 층 "X"(Y, Z)의 단안정 펄스 생성부(14x)(14y, 14z) 둘 다에 입력된다. 이 보정된 스위칭 신호에 기초해서, 역전압 인가 회로(7)에 설치되어 있는 역전류 방지 스위칭 소자(11)가 소정의 타이밍에서 소정의 시간 동안 턴 온된다.
단안정 펄스 생성부(14)는 역전압 인가 신호를 출력하기 위한 파형을 생성하며, 여기에서 생성된 신호는 게이트 구동부(15)를 통해 역전류 방지 스위칭 소자(11)에 입력된다. 이에 따라 역전류 방지 스위칭 소자(11)를 통해 MOSFET에 역병렬로 제공되는 다이오드(6)에 역전압이 인가되어, 다이오드(6)에 흐르는 역전류를 제어할 수 있게 된다.
제1 실시예에서, 스위칭 신호 보정부(13e)에 의한 PWM 신호의 펄스 폭 및 데드 타임의 비교 및 판단 방법은 아래와 같이 수행된다. 도 3에서는 플로우차트 및 각 경우에 있어서의 주회로 스위칭 소자의 도통 상태를 나타내는 파형을 나타낸다. 우선, 기준 신호가 삼각파 신호에 기초하여 설정된 상한값을 초과하는지 여부가 판단된다(ST1). 이 상한값 "VA"은 이하의 [수학식 1]로부터 구해진다.
Figure 112008017976710-PCT00001
여기에서, "Vtri"는 삼각파 신호, "tpwm"는 삼각파의 1주기, "td"는 데드 타임 을 나타낸다. 전력 변환 장치(1)에 설치되어 있는 한 쌍의 주회로 스위칭 소자(5)중 층 "U, X"의 한 쌍의 주회로 스위칭 소자(5u, 5x)를 예로 들어 설명한다는 것을 주지해야 한다. 층 "V, Y" 및 "W, Z"의 다른 한 쌍의 주회로 스위칭 소자의 동작은 층 "U, X"의 경우와 동일하다.
기준 신호가 상한값 "VA"를 초과한 경우에는(ST1의 예), PWM 신호의 펄스 폭이 층 "U, X"의 단락을 방지하기 위해 부가되는 데드 타임보다도 짧게 된다.
예를 들면, 층 "U"의 주회로 스위칭 소자(5u)가 ON 상태에 있을 때, 유도성 부하(4)로부터 전류가 흐른 후에 주회로 스위칭 소자(5u)가 OFF 상태로 되면, 유도성 부하(4)를 통해 흐르는 전류는 층 "X"의 주회로 스위칭 소자(5x)에 역병렬로 접속되어 있는 다이오드(6x)로 흐른다. 이 때, 주회로 스위칭 소자(5x)를 구동하기 위한 구동 신호의 ON 시간이 데드 타임보다도 짧기 때문에, 주회로 스위칭 소자(5x)를 구동하기 위한 구동 신호는 생성되지 않는다. 이 결과, 주회로 스위칭 소자(5x)의 구동 신호가 OFF 상태인 것에 대해, 역전압 인가 신호가 생성되지 않고, 따라서 주회로 스위칭 소자(5x)의 다이오드(6x)에 역전압이 인가되지 않는다. 따라서, 층 "U"의 주회로 스위칭 소자(5u)가 다시 ON 상태로 되면, 층 "U"로부터 유도성 부하(4)를 통해 흐르는 전류의 일부가 다이오드(6x)에 큰 역방향 전류로서 흘러 버린다.
이 경우에서, 주회로 스위칭 소자(5x)의 다이오드(6x)에 역방향 전류가 흐르는 것은, 층 "X"에 대응하는 층 "U"의 주회로 스위칭 소자(5u)가 OFF 상태로 되기 때문이다. 따라서, 기준 신호가 상한값 "VA"를 초과하는 경우에, 항상 ON 상태를 유지하는 구동 신호를 주회로 스위칭 소자(5u)에 출력한다. 이러한 판단을 스위칭 신호 보정부(13e)가 행함으로써, OFF 상태가 없는 구동 신호가 주회로 스위칭 소자(5u)에 인가된다(ST2). 이 결과, 주회로 스위칭 소자(5x)의 다이오드(6x)를 통해 역전류가 흐르지 않는다. 층 "X"의 주회로 스위칭 소자(5x)를 구동하기 위한 구동 신호는 당연히 층 "U"의 스위칭 신호를 반전시켜 OFF 상태가 유지된다는 것을 주지해야 한다. 이 상태는 다음 판단의 타이밍까지 유지된다.
도 3의 ST2 아래에, 주회로 스위칭 소자(5u 및 5x)에 각각 인가될 신호가 도시되어 있다. 상부 컬럼은 스위칭 신호가 인가된 ON 상태를 나타내고, 하부 컬럼은 스위칭 신호가 인가되지 않은 OFF 상태를 나타낸다. 이 경우에, 스위칭 소자(5u)는 구동 신호에 의해 ON 상태가 유지되는 반면, 스위칭 소자(5x)는 구동 신호가 생성되지 않는 것으로서 OFF 상태가 유지된다.
기준 신호가 상한값을 초과하지 않는 경우에는(ST1의 아니오), 기준 신호가 삼각파 신호에 기초하여 설정된 하한값 "VB"을 초과하는지 여부가 판단된다(ST3). 이 하한값 "VB"은 이하의 [수학식 2]로부터 구해진다.
Figure 112008017976710-PCT00002
기준 신호가 이 하한값 "VB"을 초과하면(ST3의 예), PWM 신호의 펄스 폭이 층 "U, X"의 단락을 방지하기 위해 부가되는 데드 타임보다도 짧아진다. 상기 상한값 "VA"의 경우와 달리, 주회로 스위칭 소자(5u)를 구동하기 위한 구동 신호가 생성되지 않는다는 것을 주지해야 한다.
이 경우에, 주회로 스위칭 소자(5u)의 다이오드(6u)에 역방향 전류가 흐르는 것은, 주회로 스위칭 소자(5x)가 OFF 상태로 되기 때문이다. 따라서, 기준 신호가 이 상한값 VB를 초과하면, 항상 ON 상태로 되는 구동 신호를 주회로 스위칭 소자(5x)에 출력한다. 이러한 판단을 스위칭 신호 보정부(13e)가 행함으로써, OFF 상태가 없는 구동 신호가 주회로 스위칭 소자(5x)에 인가된다(ST4). 주회로 스위칭 소자(5u)를 구동하기 위한 구동 신호는 OFF 상태로 유지된다는 것을 주지해야 한다. 이는 다음 판단의 타이밍까지 유지된다.
즉, 도 3의 ST4 아래의 스위칭 신호에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(5)는 구동 신호에 의해 ON 상태로 유지되는 반면, 스위칭 소자(5u)는 OFF 상태로 유지된다.
다음으로, 기준 신호가 상한값 "VA" 및 하한값 "VB"의 사이에 있을 경우에(ST3의 예), 스위칭 신호 보정부(13e)는, 기준 신호와 삼각파 신호의 비교 결과에 기초하는 PWM 신호를 지연부(13d)에서 지연시킨 스위칭 신호 그대로 출력하고, 보정은 행하지 않는다(ST5). 도 3의 하부에 나타내는 파형에 도시된 바와 같이, ON 또는 OFF가 되는 구동 신호가 층 "U, X"의 주회로 스위칭 소자(5u, 5x)에는 공급된다. 그 다음, 이 구동 신호에 기초해서 역전압 인가 신호가 생성된다. 이 역 전압 인가 신호에 기초해서 다이오드에 역전압이 인가된다.
상술한 바와 같이, PWM 신호의 펄스 폭이 짧아지는 것으로 인해 주회로 스위칭 소자들 중 하나의 ON 신호가 생성되지 않을 경우에는, 스위칭 신호 보정부는 스위칭 신호를 보정하고, 이를 그 ON 상태를 계속 유지하도록 다른 쪽 쌍의 주회로 스위칭 소자에 출력한다. 이에 따라, 주회로 스위칭 소자용 구동 신호가, 다이오드에 역전류가 흐르는 타이밍에 맞출 수 있게 된다. 따라서, 다이오드(기생 다이오드)에 역방향 전류가 흐르는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터로부터 출력되는 스위칭 신호만을 이용해서, FET에 역병렬 접속된 다이오드에 대하여 적절한 타이밍에서 역전압을 인가할 수 있다.
(제2 실시예)
본 발명의 제2 실시예에 대해서 설명할 것이다. 제2 실시예에서, 전술한 제1 실시예에 있어서 설명한 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙이고, 동일한 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제2 실시예는, 스위칭 신호 보정부(13e)에 의한 스위칭 신호의 보정 방법이 제1 실시예와 상이하다. 제1 실시예에서는, 기준값을 초과했을 경우에 주회로 스위칭 소자의 쌍 중 어느 하나의 ON 상태를 지속적으로 유지하도록 신호가 보정되어 출력된다. 제2 실시예에서는, 기준값을 초과하는 경우에는, 미리 설정된 폭의 신호가 출력된다.
전술한 바와 같이, 스위칭 신호 보정부(13e)는, 기준 신호가 상한값을 초과했는지를 여부를 판단한다(STl1). 제2 실시예의 상한값은 제1 실시예와는 다르다 는 것을 주지해야 한다. 여기에서의 상한값 "VC"는 다음과 같이 나타내진다.
Figure 112008017976710-PCT00003
이 식에서, "Vtri"는 삼각파 신호, "tpwm"는 삼각파의 1주기, "td"는 데드 타임을 나타낸다. "A"는 미리 설정된 폭의 신호를 출력시키기 위해서 설정된 듀티비(duty ratio)이다. 기준 신호가 이 상한값 VA를 초과한 경우에는(ST11의 예), PWM 신호의 펄스 폭이, 층 "U, X"의 단락을 방지하기 위해 부가되는 데드 타임보다도 짧아진다.
이 경우, 주회로 스위칭 소자(5x)용 구동 신호가 OFF 상태인 것에 대하여, 역전압 인가 신호가 생성되지 않는다. 따라서 주회로 스위칭 소자(5x)의 다이오드(6x)에 역전압이 인가되지 않는다.
이러한 경우에, 주회로 스위칭 소자(5x)를 반드시 ON 또는 OFF시키기 위한 구동 신호를 생성하기 위해, 스위칭 신호 보정부(13e)는 지연부(13da, 13db)에 의해 출력되는 스위칭 신호를 무시한다. 그 다음, 스위칭 신호 보정부(13e)는 미리 설정된 최소 펄스 폭 "tA"의 스위칭 신호를 출력한다(ST12). 이 최소 펄스 폭 "tA"을 너무 크게 설정하면, 주회로의 출력 파형이 정현파 형으로부터 무너지게 된다는 것을 주지해야 한다. 따라서, 이 펄스 폭을 가능한 짧게 설정하는 것이 바람직하다.
이 결과, 한 쌍의 주회로 스위칭 소자의 양방이 반드시 ON 또는 OFF된다. 이 보정된 스위칭 신호를 이용하여, 역전압 인가 신호를 생성하는 것이 가능하게 된다. 이 판단은 삼각파 주기 마다 실행된다.
도 4의 ST12 아래에서, 주회로 스위칭 소자(5u, 5x)에 인가되는 신호가 도시된다. 이 경우에, 스위칭 소자(5x)에는 최소 펄스 폭 "tA"의 스위칭 신호가 공급되는 반면, 한 쪽 스위칭 소자(5u)에는, 이 최소 펄스 폭 "tA"의 반전 신호에 지연 시간을 부가한 스위칭 신호가 스위칭 신호 보정부(13e)에 의해 공급된다.
기준 신호가 상한값을 초과하지 않는 경우에는(ST11의 아니오), 기준 신호가 삼각파 신호에 기초하여 설정된 하한값을 초과하는지 여부가 판단된다(ST13). 이 하한값 "VD"는 이하의 [수학식 4]로부터 구해진다.
Figure 112008017976710-PCT00004
기준 신호가 이 하한값 "VD"를 초과하면(ST13의 예), PWM 신호의 펄스 폭이, 층 "U, X"의 단락을 방지하기 위해 부가되는 데드 타임보다도 작아진다. 전술한 상한값 "VC"의 경우와 달리, 스위칭 신호 보정부(13e)는, 층 "X"에 대해서가 아닌 층 "U"에 대한 최소 펄스 폭 "tB"의 스위칭 신호를 생성한다(ST14).
도 4의 ST14의 아래에는, 주회로 스위칭 소자(5u 및 5z)에 인가되는 스위칭 신호가 나타내져 있다. 이 경우, 스위칭 신호 보정부(13e)로부터 스위칭 소자(5u) 에 최소 펄스 폭 "tB"의 스위칭 신호가 공급되는 한편, 한 쪽 스위칭 소자(5x)에는, 이 최소 펄스 폭 "tB"의 반전 신호에 지연 시간을 부가한 신호가 스위칭 신호 보정부(13e)에 의해 공급된다. 기준 신호가 상한값 "VC"과 하한값 "VD"의 사이에 있을 경우에는(ST13의 예), 스위칭 신호 보정부(13e)는 지연부(13d)에 의해 출력되는 스위칭 신호를 보정없이 그대로 출력한다(ST15).
상술한 바와 같이, 역전압 인가 회로가 다이오드(기생 다이오드)에서 역방향의 전류가 흐름에도 불구하고 동작하지 않는 것을 방지하기 위해서, 스위칭 신호 보정부에 의해 적어도 미리 설정된 최소 펄스 폭의 ON 상태를 갖는 스위칭 신호를 확실하게 생성하여 출력함으로써, 다이오드에 역방향 전류가 흐르는 것을 억제하여 전력 소비 및 노이즈 생성을 줄일 수 있다.
(제3 실시예)
본 발명의 제3 실시예에 대해서 설명한다. 전술한 제1 및 제2 실시예에서 설명한 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙이고, 동일한 구성 요소의 상세한 설명은 생략한다는 것을 주지해야 한다.
제3 실시예는, 인버터 회로(3)와 유도성 부하(4) 사이에 흐르는 전류의 방향에 기초해서 역전류 방지 소자(11)의 동작을 제어하는 것에 특징이 있다.
다이오드(6)에 역전류가 흐르는 것은, 한 쪽의 주회로 스위칭 소자(5)가, 다른 쪽 쌍의 주회로 스위칭 소자(5)에 역병렬로 접속된 다이오드를 통해 순방향으로 전류가 흐르고 있는 동안 턴 온했을 경우뿐이다. 따라서, 전류의 방향을 검출 또 는 예측한 다음, 역전류 방지 스위칭 소자(11)의 동작이 필요한지 여부를 판정함으로써, 역전류 방지 스위칭 소자(11)의 구동 횟수를 저감할 수 있다. 이에 따라, 이 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제3 실시예의 마이크로컴퓨터는 전류 검출부(13f)에 접속된 판단부(13g)를 갖는다. 판단부(13g)는, 전류 검출부(13f)에 의해 검출된 전류의 방향이나 전류값에 기초하여, 어느쪽의 역전류 방지 스위칭 소자(11)를 제어할지 여부를 판단한다. 또한, 판단부(13g)이 역전류 방지 스위칭 소자(11)를 제어하지 않는다고 판단했을 경우, 스위칭 신호를 보정할 필요가 없기 때문에, 스위칭 신호 보정부(13e)에 의한 보정도 금지시킨다.
판단부(13g)는, 다음 스위칭 신호의 인가로 인해, 주회로 스위칭 소자(5)에 역병렬로 접속된 다이오드(6)에 역전류가 흐를 가능성이 있는지 여부를 판정한다. 이 판정은, 다음 스위칭 신호의 생성 전에, 전류 검출부(13f)에 의해 검출된 출력에 기초한다. 역전류가 흐를 가능성이 있다고 판단될 경우에는, 다이오드(6)에 대응하는 역전류 방지 스위칭 소자(11)의 동작을 허가하는 명령을 대응하는 단안정 펄스 생성부(14)에 공급한다. 역전류가 흐를 가능성이 없다고 판단될 경우에는, 역전류 방지 스위칭 소자(11)의 동작을 금지하는 명령을 대응하는 단안정 펄스 생성부(14)에 공급한다. 이와 같은 경우, 판단부(13g)는, 대응하는 스위칭 신호의 보정도 불필요하므로, 스위칭 신호 보정부(13e)에 보정을 금지하는 신호를 동시에 공급한다.
마이크로컴퓨터(13)와 단안정 펄스 생성부(14)를 접속하는, 도 6에 나타낸 출력 "G"(H, I, J, L)을 통해, 동작을 허가 또는 금지하는 명령이 판단부(13g)로부터 단안정 펄스 생성부(14)로 출력된다. 보다 구체적으로, 단안정 펄스 생성부(14)의 동작을 허가 또는 금지하는 명령이 입력된다. 동시에, 제어 동작을 허가 또는 금지하는 명령이 판단부(13g)에 의해 스위칭 신호 보정부(13e)에도 출력된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 스위칭 신호 보정부(13e)는 PWM 신호 생성부(13c) 와 지연부(13da, 13db)의 사이에 제공되고, PWM 신호 생성부(13c)에 의해 생성되고 아직 지연되지 않은 PWM 신호에 보정을 수행한다. 이 구성에 따르면, 상측과 하측 소자의 각각에 인가되는 2개의 스위칭 신호에 대하여 보정할 필요가 없고, 단일의 PWM 신호를 보정하기만 하면 된다. 따라서, 구성이 상당히 간단해질 수 있다.
이 구성에 따른 스위칭 신호 보정부(13e)가 제2 실시예와 같이 최소 펄스 폭의 신호를 출력시킬 경우에는, 제2 실시예의 최소 펄스 폭 "tA", "tB"에 지연 시간을 부가할 필요가 있다.
도 7의 플로우차트에 도시한 바와 같이, 인버터 회로(3)와 유도성 부하(4) 사이에 흐르는 전류 "IU"가 "+Ia" 이상인지 여부가 판단된다(ST21). "+Ia" 이상인 경우에는(ST21의 예), 인버터 회로(3)로부터 유도성 부하(4)로 전류가 흐른다고 판단하고, 처리는 ST22로 이행한다. "+Ia"는 인버터 회로(3)로부터 유도성 부하(4)로 전류가 흐르는 것을 나타낸다. 이 전류의 방향은, 편의상 제3 실시예서 정한 방향이라는 것을 주지해야 한다. 이 결정은 전류 방향의 판단이 가능하다면 어떠한 것이라도 가능하다.
이 경우에는, 도 8에 도시한 바와 같이, 층 "U"의 주회로 스위칭 소자(5u)를 경유하고, 층 "X"의 다이오드(6x)를 경유해서 유도성 부하(4)로 전류가 흐른다. 그 때문에, 층 "X"의 역전류 방지 스위칭 소자(11x)에 적절한 타이밍에서 구동 신호를 공급하고, 다이오드(6x)에 역전압의 인가를 제어해서 역방향으로 흐르는 전류를 억제할 필요가 있다. 따라서, 판단부(13g)는 출력 "H"를 통해서 단안정 펄스 생성부(14x)에 역전압 인가의 동작을 허가하는 신호를 공급한다(ST22). 층 "U"에서는 다이오드(6u)에 흐르는 전류가 없기 때문에, 판단부(13g)는 출력 "G"를 통해 단안정 펄스 생성부(14u)에 동작을 금지하는 신호를 공급한다(ST22). 이 결과, 역전류 방지 스위칭 소자(11u)는 동작하지 않는다.
인버터 회로(3)와 유도성 부하(4) 사이에 흐르는 전류 "IU"가 "+Ia" 미만일 경우에는, 인버터 회로(3)와 유도성 부하(4) 사이에 현재 흐르고 있는 전류 "IU"가 "-Ia" 이하인지의 여부를 판단한다(ST23). "-Ia"는, 유도성 부하(4)로부터 인버터 회로(3)에 전류가 흐르는 것을 나타낸다. "-Ia" 이하일 경우에는(ST23의 예), 도 9에 도시한 바와 같이 유도성 부하(4)로부터 인버터 회로(3)로 전류가 흐르고 있다고 판단한다. 판단부(13g)는, 역전류 방지 스위칭 소자(11u)에 의해 역전압을 인가하는 동작을 행하도록 출력 "G"를 통해 허가 신호를 출력한다(ST24). 동시에 판단부(13g)는, 역전압 인가의 동작을 금지하는 신호를 출력 "H"를 통해 단안정 펄스 생성부(14x)에 공급한다(ST24).
전류 "IU"가 "-Ia" 이하가 아니면, 다음과 같이 보다 정밀한 판단을 행할 수도 있다(ST25).
Figure 112008017976710-PCT00005
여기서, "IU"는 최신의 측정 전류값, "IU0"는 전회 측정한 전류값을 나타낸다. 좌변 제2항은 예측되는 전류값을 나타낸다. 2로 나누는 것은, 신호가 주로 PWM 신호의 1주기의 중심에서 파형을 바꾸고, 이 위치, 즉 1주기의 1/2의 부근에서 전류값을 예측하는 것이 가장 신뢰성이 높다고 생각되기 때문이다.
좌변이 우변보다도 큰 경우에는, 전류가 흐르는 방향이 "+"이고, 즉, 도 8에 도시한 바와 같이 인버터 회로(3)로부터 유도성 부하(4)로 전류가 흐르는 것이다(ST25의 예). 역전류 방지 스위칭 소자(11x)는 역전압 인가 신호의 출력을 허가하고, 다이오드(6x)에 역전압을 인가해서 역방향 전류가 흐르는 것을 억제한다(ST22). 다이오드(6u)에 전류가 흐르지 않는 것과 함께, 역전압 인가 회로(7u)의 역전압 인가 동작이 금지된다(ST22).
우변이 좌변보다도 큰 경우에는, 전류가 흐르는 방향이 "-"이다. 즉, 도 9에 도시한 바와 같이 유도성 부하(4)로부터 인버터 회로(3)로 전류가 흐르는 것이다(ST25). 역전류 방지 스위칭 소자(11u)의 동작이 허가되고, 역전류 방지 스위칭 소자(11x)의 동작이 금지된다(ST24).
상술한 바와 같이, 원래 유도성 부하(4)의 제어를 위해 설치되어 있는 전류 검출부(13f)를 이용해서 필요할 경우에만 역전류 방지 스위칭 소자(11)를 동작시킨다. 따라서, 역전류가 흐를 가능성이 없는 상태에서 역전류 방지 스위칭 소자(11)를 불필요하게 턴 온시켜서 전력 손실을 증가시키는 일이 없다.
제3 실시예와는 다르게, 마이크로컴퓨터내에 단안정 펄스 생성부(14) 및 게이트 구동부(15)의 기능을 포함할 수 있고, 마이크로컴퓨터의 출력 단자로부터 직접 역전류 방지 스위칭 소자(11)를 구동하는 것도 가능하다는 것을 주지해야 한다.
각 실시예는, 한 쌍의 주회로 스위칭 소자(5)에 대해 2개의 MOSFET를 채용한 예로서 설명되었다. 주회로 스위칭 소자(5)들 중 어느 한쪽에만 MOSFET를 채용하고, 다른 쪽의 주회로 스위칭 소자에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 트랜지스터를 채용해도 된다. 이 경우, MOSFET의 기생 다이오드에 대하여 역전류가 흐르는 때에만, 스위칭 신호가 스위칭 신호 보정부에 의해 보정되면 된다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 모터를 구동하기 위해 삼상 인버터를 채용하고 있다. 이는 모터에 한정되지 않고, 임의의 유도성 부하가 적용될 수 있다. 또한 단상 인버터도 적용가능하다. 이상, 본 발명의 실시예를 설명했다. 하지만, 본 발명은 상기 실시예로 한정되는 것은 아니고, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시예에 개시되어 있는 구성 요소들을 조합하는 것에 의해 여러 가지 형태의 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실시예에 나타낸 전 구성 요소로부터 일부 구성 요소를 삭제할 수도 있다. 또한, 다른 실시예에 따른 구성 요소를 적절히 조합할 수도 있다.
본 발명은, 예를 들면, 인버터 장치 또는 컨버터 장치 등의 여러 가지 전력 변환 장치에 이용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 직류 전압원에 직렬로 접속되고, 스위칭 신호에 기초한 ON 또는 OFF 제어에 의해 유도성 부하에 전력을 공급하는 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 - 상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 중 적어도 하나는 FET임 - 와,
    상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자에 각각 역병렬(anti-parallel)로 접속된 다이오드와,
    상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부와,
    상기 PWM 신호 생성부에 의해 생성된 상기 PWM 신호에 기초해서 생성되는 상기 스위칭 신호의 ON 타이밍을 소정 지연 시간 지연시키는 지연부와,
    상기 PWM 신호의 ON 시간이 상기 FET에 대한 지연 시간보다 짧을 때에는, 상기 FET와 쌍을 이루는 스위칭 소자의 ON 상태를 유지하도록 상기 스위칭 신호를 보정하는 스위칭 신호 보정부와,
    상기 스위칭 신호 보정부에 의해 보정된 스위칭 신호에 기초해서, 상기 FET에 역병렬로 접속된 다이오드에 상기 직류 전원의 전압보다 낮은 역전압을 인가하는 역전압 인가 회로
    를 포함하는 전력 변환 장치.
  2. 직류 전압원에 직렬로 접속되고, 스위칭 신호에 기초한 ON 또는 OFF 제어에 의해 유도성 부하에 전력을 공급하는 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 - 상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자 중 적어도 하나는 FET임 - 와,
    상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자에 각각 역병렬로 접속된 다이오드와,
    상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자를 구동하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부와,
    상기 PWM 신호 생성부에 의해 생성된 상기 PWM 신호에 기초해서 생성되는 상기 스위칭 신호의 ON 타이밍을 소정 지연 시간 지연시키는 지연부와,
    상기 PWM 신호의 ON 시간이 상기 FET에 대한 지연 시간보다 짧을 때에는, 상기 FET가 소정의 시간 동안 ON 상태가 되도록 상기 스위칭 신호를 보정하는 스위칭 신호 보정부와,
    상기 스위칭 신호 보정부에 의해 보정된 스위칭 신호에 기초해서, 상기 FET에 역병렬로 접속된 다이오드에 상기 직류 전원의 전압보다 낮은 역전압을 인가하는 역전압 인가 회로
    를 포함하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 주회로 스위칭 소자와 상기 유도성 부하 사이에 흐르는 전류의 방향을 판단하는 판단부를 더 포함하고,
    상기 스위칭 신호 보정부에 의한 보정, 및 상기 역전압 인가부에 의한 상기 다이오드에 대한 역전압의 인가는, 상기 판단부에 의한 판단 결과에 기초하는 전력 변환 장치.
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