KR20150125179A - 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력되는 삼상 전압을 정류하는 정류부와, 정류된 전압의 레벨을 증가시키는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는, 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어한다. 이에 따라, 대용량의 공기조화기에서 안정적으로 고속 운전이 가능하게 된다.

Description

전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기{Power converting apparatus and air conditioner including the same}
본 발명은 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 대용량의 공기조화기에서 안정적으로 고속 운전이 가능한 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위해 실내로 냉온의 공기를 토출하여, 실내 온도를 조절하고, 실내 공기를 정화하도록 함으로서 인간에게 보다 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 설치된다. 일반적으로 공기조화기는 열교환기로 구성되어 실내에 설치되는 실내기와, 압축기 및 열교환기 등으로 구성되어 실내기로 냉매를 공급하는 실외기를 포함한다.
한편, 현재의 대용량의 공기조화기는, 입력되는 3상 전압을, 수동 소자인, 다이오드를 이용하여, 정류하고, 정류된 전압을 이용하여, 인버터를 통해, 모터를 구동한다. 이러한 경우, 인버터에 접속되는 부하의 크기가 증대될수록, dc 단 전압이 감소하게 되며, 특히, 모터가 고속으로 회전하는 경우, dc 단 전압의 부족으로, 고속 운전의 제약이 발생하는 경향이 있다.
본 발명의 목적은, 대용량의 공기조화기에서 안정적으로 고속 운전이 가능한 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 입력되는 삼상 전압을 정류하는 정류부와, 정류된 전압의 레벨을 증가시키는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는, 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기와, 압축기를 구동하기 위한 전력변환장치를 포함하며, 전력변환장치는, 입력되는 삼상 전압을 정류하는 정류부와, 정류된 전압의 레벨을 증가시키는 부스트 컨버터와, 부스트 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는, 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 모터의 고속 운전시 운전 효율이 더 좋은, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어함으로써, 대용량의 공기조화기에서 안정적으로 고속 운전이 가능하게 된다.
한편, 부스트 컨버터에 대한 제어로 인해, 부스트 컨버터의 출력단인 dc 단 전압이 일정하게 유지 가능하며, 이에 따라, 모터의 고속 회전시 전압 이용률을 향상시킬 수 있으며, 운전 범위가 증가될 수 있다. 또한, 약계자 영역을 최소화하여 모터의 운전 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 인버터 내의 스위칭 소자에 흐르는 전류의 용량 감소가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 압축기 구동을 위한 전력변환장치의 블록도이다.
도 4a은 도 3의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 4b는 도 3의 컨버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 5a는 도 3의 컨버터의 회로도의 일예이다.
도 5b는 도 3의 컨버터의 회로도의 다른 예이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
도 7 내지 도 11은 도 6의 동작방법의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
본 발명에 따른 공기조화기는 도 1에 도시된 바와 같이, 대형의 공기조화기(50)로서, 복수의 실내기(31 내지 35), 복수의 실내기에 연결되는 복수의 실외기(21, 22), 복수의 실내기 각각과 연결되는 리모컨(41 내지 45), 그리고 복수의 실내기 및 실외기를 제어하는 원격제어기(10)를 포함할 수 있다.
원격제어기(10)는 복수의 실내기(31 내지 36) 및 복수의 실외기(21, 22)와 연결되어 그 동작을 모니터링하고 제어한다. 이때, 원격제어기(10)는 복수의 실내기에 연결되어 실내기에 대한 운전설정, 잠금설정, 스케줄제어, 그룹제어 등을 수행할 수 있다.
공기조화기는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 이하 설명의 편의를 위하여 천장형 공기조화기를 예로 설명한다. 또한, 공기조화기는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21, 22)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시)와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기(미도시)와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(미도시)와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함하나, 그 구성에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
실외기(21, 22)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31 내지 35)로 냉매를 공급한다. 실외기(21,22)는 원격제어기(10) 또는 실내기(31 내지 35)의 요구에 의해 구동되고, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 된다.
이때, 실외기(21, 22)는 복수의 실외기가, 각각 연결된 실내기로 각각 냉매를 공급하는 것을 기본으로 하여 설명하나, 실외기 및 실내기의 연결구조에 따라 복수의 실외기가 상호 연결되어 복수의 실내기로 냉매를 공급할 수도 있다.
실내기(31 내지 35)는 복수의 실외기(21, 22) 중 어느 하나에 연결되어, 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(31 내지 35)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(21, 22) 및 실내기(31 내지 35)는 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하고, 실외기 및 실내기는 원격제어기(10)와 별도의 통신선으로 연결되어 원격제어기(10)의 제어에 따라 동작한다.
리모컨(41 내지 45)는 실내기에 각각 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신하며, 경우에 따라 복수의 실내기에 하나의 리모컨이 연결되어 하나의 리모컨 입력을 통해 복수의 실내기의 설정이 변경될 수 있다.
또한, 리모컨(41 내지 45)은 내부에 온도감지센서를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(50)는, 크게 실내기(31)와 실외기(21)로 구분된다.
실외기(21)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(105a)과 실외팬(105a)을 회전시키는 전동기(105b)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함한다.
실내기(31)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(109a)과 실내팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(109)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(50)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 도 2에서는 실내기(31)와 실외기(21)를 각각 1개씩 도시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 구동장치는 이에 한정되지 않으며, 복수개의 실내기와 실외기를 구비하는 멀티형 공기조화기, 한 개의 실내기와 복수개의 실외기를 구비하는 공기조화기 등에도 적용이 가능함은 물론이다.
도 3은 도 1의 실외기 내의 압축기 모터 구동장치의 블록도이다.
도 1의 실외기(21) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(250)를 구동하는 압축기 고둥을 위한 전력변환장치(200)에 의해 구동될 수 있다.
압축기 구동을 위한 전력변환장치(200)는, 압축기 모터(250)에 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(220)와, 인버터(220)를 제어하는 인버터 제어부(230)와, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210), 컨버터(210)를 제어하는 컨버터 제어부(215)를 포함할 수 있다.
전력변환장치(200)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 압축기 모터(250)에 변환된 전력을 공급한다. 이에 따라, 전력변환장치(200)는, 압축기 구동장치라고도 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 인버터(220)에 직류 전원을 공급하는 컨버터(210)는, 삼상 교류 전원을 입력받아, 직류 전원을 변환을 수행한다. 이를 위해, 컨버터(210)는, 정류부(도 5a의 510)와 부스트 컨버터(도 5a의 515)를 구비할 수 있다. 그외, 리액터(미도시)를 더 구비하는 것도 가능하다.
한편, 컨버터(210)는, 정류부(도 5b의 510)와, 인터리브 부스트 컨버터(도 5b의 520)를 구비하는 것도 가능하다.
컨버터(210)의 출력단에는, 커패시터(C)가 접속된다. 커패시터(C)는, 컨버터(210)에서 출력되는, 전원을 저장할 수 있다. 컨버터(210)에서 출력되는, 전원은 dc 전원이므로, dc단 커패시터라 명명할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 스위칭 소자를 구비하는 컨버터(210)를 제어할 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이, 컨버터(210)가 부스트 컨버터(도 5a의 515)를 구비하는 경우, 부스트 컨버터(도 5a의 515)를 제어할 수 있다.
다른 예로, 컨버터(210)가 인터리브 부스트 컨버터(도 5b의 520)를 구비하는 경우, 컨버터 제어부(215)는, 인터리브 부스트 컨버터(도 5b의 520)를 제어할 수 있다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(250)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(220)는, 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있다. 예를 들어, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터 제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(220)에 출력할 수 있다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io) 또는 dc단 커패시터 양단인 dc 단 전압(Vdc)에 기초하여, 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, dc 단 전압(Vdc)은 dc 단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는, dc 단 커패시터(C)에 저장된 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위해, dc 단 전압 검출부(B)는, VT(voltage trnasformer) 또는 저항 소자 등을 구비할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은 인버터 제어부(230)에 입력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(220)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예와 관련하여, 컨버터 제어부(215)는, 부스트 컨버터(도 5a의 515)가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 인터리브 부스트 컨버터(도 5b의 520)가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 부스트 컨버터(도 5a의 515)가, 제1 모드와 제2 모드 사이에, 임계 도통 모드(Critical Conduction Mode)인 제3 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 제1 모드에서 제2 모드로 이동시, 부스트 컨버터(도 5a의 515)의 스위칭 소자(도 5a의 S)에 대한 스위칭 주파수를 순차적으로 감소시킬 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 제2 모드에서의, 부스트 컨버터(도 5a의 515)의 스위칭 소자(도 5a의 S)에 대한 스위칭 주파수가, 제1 모드에 비해 절반이 되도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 부스트 컨버터(도 5a의 515)가, 제2 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터(도 5a의 515)의 스위칭 소자(도 5a의 S)에 대한 스위칭 주파수를 증가시켜, 제1 모드로 운전되도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 스위칭 주기에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이 영이 아닌 경우, 부스트 컨버터(도 5a의 515)가, 제1 모드로 운전되는 것으로 판단하고, 스위칭 주기에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이, 영인 경우, 부스트 컨버터(도 5a의 515)가, 제2 모드로 운전되는 것으로 판단할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 검출되는 dc 단 전압이 일정한 값을 유지하도록, 부스트 컨버터(도 5a의 515)의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다. 구체적으로, 컨버터 제어부(215)는, 검출되는 dc 단 전압이 일시적으로 감소하는 경우, 부스트 컨버터(도 5a의 515)의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다.
도 4a은 도 3의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 4a를 참조하면, 인버터 제어부(230)는, 축변환부(310), 위치 추정부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
위치 추정부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure pat00001
)를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치(
Figure pat00002
)에 기초하여, 연산된 속도(
Figure pat00003
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00004
)와 목표 속도(ω)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산하며, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00005
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(435)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(444)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(448)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00006
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00007
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 4b는 도 3의 컨버터 제어부의 내부 블록도이다.
도면을 참조하면, 컨버터 제어부(215)는, 전류 지령 생성부(410), 전압 지령 생성부(420), 및 스위칭 제어신호 출력부(430)를 포함할 수 있다.
전류 지령 생성부(410)는, 출력 전압 검출부(B), 즉 dc 단 전압 검출부(B)에서 검출되는 dc 단 전압(Vdc)과 dc 단 전압 지령치(V*dc)에 기초하여, PI 제어기 등을 통해 d,q축 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성할 수 있다.
전압 지령 생성부(420)는 d,q축 전류 지령치(i* d,i* q)와 검출되는 입력 전류(iL)에 기초하여 PI 제어기 등을 통해 d,q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다.
스위칭 제어신호 출력부(430)는 d,q축 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여, 도 5a의 부스트 컨버터(515) 내의 부스트 스위칭 소자(S)를 구동하기 위한 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)를 부스트 컨버터(515a)에 출력할 수 있다.
한편, 도 5b의 인터리브 부스트 컨버터(520)를 제어하기 위해, 전압 지령 생성부(420)는 d,q축 전류 지령치(i* d,i* q)와 검출되는 제1 입력전류(iL1) 및 제2 입력전류(iL2)에 기초하여, PI 제어기 등을 통해 d,q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다.
스위칭 제어신호 출력부(430)는 d,q축 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여, 제1 부스트 컨버터(523) 내의 제1 부스트 스위칭 소자(S1)와 제2 부스트 컨버터(526) 내의 제2 부스트 스위칭 소자(S2)를 구동하도록, 제1 컨버터 스위칭 제어신호(Scc1)와 제2 컨버터 스위칭 제어신호(Scc2)를 각각 제1 부스트 컨버터(523)와 제2 부스트 컨버터(526)로 출력한다.
도 5a는 도 3의 컨버터의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 컨버터(210)는, 삼상 교류 전원(210a,201b,201c)을 입력받아 정류하는 정류부(510)와, 부스트 컨버터(515)를 구비할 수 있다.
정류부(510)는, 삼상 브릿지 다이오드를 구비할 수 있다.
부스트 컨버터(515)는, 인덕터(L)와, 인덕터(L)에 접속되는 다이오드(D)와, 인덕터(L)와 다이오드(D) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S)를 구비한다.
한편, 입력 전압 검출을 위한 입력전압 검출부(A)가 정류부(510)와, 부스트 컨버터(515) 사이에 배치될 수 있으며, 입력 전류 검출을 위한 입력전류 검출부(F)가 인덕터(L) 전단 또는 후단에 배치될 수 있다.
컨버터(210)에서 변환된 직류 전원은, 컨버터 출력단(210)에 접속되는 커패시터(C)로 출력되어 저장된다.
도 5b는 도 3의 컨버터의 회로도의 다른 예이다.
도면을 참조하면, 컨버터(210)는, 삼상 교류 전원(210a,201b,201c)을 입력받아 정류하는 정류부(510)와, 인터리브 부스트 컨버터(520)를 구비할 수 있다.
인터리브 부스트 컨버터(520)는, 서로 병렬 접속되어, 인터리빙(Interleaving) 동작을 수행하는, 제1 부스트 컨버터(523)와 제2 부스트 컨버터(526)를 구비할 수 있다.
인터리빙(Interleaving)에 의한 전압 제어를 수행함으로써, 전류 분배에 의한 전압 제어가 가능해진다. 이에 따라, 인터리브 부스트 컨버터(520) 내의 회로 소자 내구성이 향상될 수 있다. 또한, 입력 전류의 리플을 저감할 수 있게 된다.
제1 부스트 컨버터(523)는, 인덕터(L1)와, 인덕터(L1)에 접속되는 다이오드(D1)와, 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S1)를 구비한다.
제2 부스트 컨버터(526)는, 인덕터(L2)와, 인덕터(L2)에 접속되는 다이오드(D2)와, 인덕터(L2)와 다이오드(D2) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S2)를 구비한다.
한편, 입력 전압 검출을 위한 입력전압 검출부(A)가 정류부(510)와, 부스트 컨버터(515) 사이에 배치될 수 있으며, 입력 전류 검출을 위한 입력전류 검출부(F1,F2)가, 각각 인덕터(L1)과 인덕터(L2)의 각 전단 또는 후단에 배치될 수 있다.
컨버터(210)에서 변환된 직류 전원은, 컨버터 출력단(210)에 접속되는 커패시터(C)로 출력되어 저장된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치의 동작방법을 나타내는 순서도이고, 도 7 내지 도 11은 도 6의 동작방법의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200) 내의 입력전류 검출부(F 또는 F1,F2)는, 입력 전류를 검출한다(S1110). 검출되는 입력 전류(IL 또는 IL1,IL2)는 컨버터 제어부(215)에 입력된다.
다음, 전력변환장치(200) 내의 컨버터 제어부(215)는, 검출되는 입력 전류(IL 또는 IL1,IL2)에 기초하여, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드가 수행되고 있는 지 여부를 판단한다(S1210). 해당하는 경우, 스위칭 주파수를 증가시키도록 제어한다(S1130).
한편, 해당하지 않는 경우, 즉, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드가 수행되는 경우, 스위칭 주파수를 감소시키도록 제어한다(S1135).
한편, 전력 변환 효율 향상을 위해, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)의 스위칭 소자(도 5a의 S 또는 도 5b의 S1,S2)는, 영전압 스위칭을 하는 것이 바람직하며, 이를 위해, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)의 스위칭 소자(도 5a의 S 또는 도 5b의 S1,S2)가, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 동작할 수 있다.
한편, 부하가 큰 경우, dc 단 커패시터(C)에 일정 전압 유지를 위해, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)가, 지속적으로 부스팅된 전압을 공급하여야 하며, 이를 위해, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)의 스위칭 소자(도 5a의 S 또는 도 5b의 S1,S2)가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 동작할 수 있다.
본 발명에서는, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)에서의 전력 변환 효율 향상 및 큰 부하에서 안정적으로 동작 가능하도록, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)의 스위칭 소자(도 5a의 S 또는 도 5b의 S1,S2)의 스위칭 주파수를 가변한다.
도 7은 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드와 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드를 예시한다.
특히, 도 5b의 부스트 컨버터(도 5b의 520)의 인덕터(L1)에 흐르는 전류(IL1)를 예시하며, 이를 통해, 제1 모드와 제2 모드로 구분되는 것을 예시한다.
제1 모드는, 불연속 도통 모드(DCM)이므로, 검출 전류(IL1)가 제로가 되지 않은 상태에서, 스위칭 소자의 스위칭이 수행되며, 제2 모드는, 연속 도통 모드(CCM)이므로, 검출 전류(IL1)가 제로가 된 상태에서, 스위칭 소자의 스위칭이 수행된다.
즉, 제1 모드인 연속 도통 모드(CCM)에서의 스위칭 주파수가, 제2 모드인 불연속 도통 모드(DCM에서의 스위칭 주파수 보다 높다.
한편, 제1 모드인 연속 도통 모드(CCM)는, 검출 전류(IL1)가 연속적이므로, 도 8과 같이, 전력변환시의 효율이 실제 낮아지게 된다. 반면, 제2 모드인 불연속 도통 모드(DCM)는, 검출 전류(IL1)가 제로가 된 상태에서, 스위칭 소자의 스위칭이 수행되므로, 전력 변환시의 효율이, 상대적으로 높게 된다.
한편, 본 발명에서는, 스위칭 주파수 가변을 통해, 전력변환장치(200)에서, 제1 모드인 연속 도통 모드(CCM)와 제2 모드인 불연속 도통 모드(DCM)를 선택적으로 수행되도록 할 수 있다.
도 9는, 스위칭 주기(P1,P2,P3)에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이 영인 경우와, 스위칭 주기(P4,P5)에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이 영인 경우를 예시한다.
컨버터 제어부(215)는, 입력전류 검출부(도 5a의 F 또는 도 5b의 F1,F2)에서 검출되는 입력 전류 값이 영인 경우, 제2 모드인 불연속 도통 모드(DCM)로 운전되는 것으로 판단하고, 검출되는 입력 전류 값이 영이 아닌 경우, 제1 모드인 연속 도통 모드(CCM)로 운전되는 것으로 판단할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(215)는, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)가, 연속 도통 모드(CCM)인 제1 모드로 운전되는 경우, 부스트 컨버터의 스위칭 소자(S 또는 S1,S2)에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(DCM)인 제2 모드로 운전되도록 제어한다. 이와 같이, 제2 모드인 불연속 도통 모드(DCM)로 운전되도록 함으로써, 모터의 고속 운전시 운전 효율이 향상되게 된다. 특히, 대용량의 공기조화기에서 안정적으로 고속 운전이 가능하게 된다.
한편, 컨버터 제어부(215)는, 부스트 컨버터(515)가, 제1 모드와 제2 모드 사이에, 임계 도통 모드(Critical Conduction Mode)인 제3 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 제1 모드에서 제2 모드로 이동시, 부스트 컨버터(515)의 스위칭 소자(S)에 대한 스위칭 주파수를 순차적으로 감소시킬 수 있다.
도 10은, 스위칭 주파수를 순차적으로 감소시켜, 연속 도통 모드(CCM)인 제1 모드, 임계 도통 모드(Critical Conduction Mode)인 제3 모드, 및 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드가 순차적으로 수행되는 것을 예시한다. 이에 따라, 스위칭 주기는, Ta,Tb,Tc와 같이, 순차적으로 증가한다.
컨버터 제어부(215)는, 제2 모드에서의, 부스트 컨버터(515)의 스위칭 소자(S)에 대한 스위칭 주파수가, 제1 모드에 비해 절반이 되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨버터 제어부(215)는, 제1 모드에서의 스위칭 주파수가, 16KHz인 경우, 제2 모드에서의 스위칭 주파수가 8KHz가 되도록, 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있다.
컨버터 제어부(215)는, 검출되는 dc 단 전압이 일정한 값을 유지하도록, 부스트 컨버터(515)의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
예를 들어, 컨버터 제어부(215)는, 제1 모드에서, 제2 모드로 이동한 이후, 다시, 스위칭 주파수를 증가시켜, 제1 모드로 운전되도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(215)는, 검출되는 dc 단 전압이 일시적으로 감소하는 경우, 부스트 컨버터(515)의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시에에 따르면, 부스트 컨버터(도 5a의 515 또는 도 5b의 520)에 대한 제어로 인해, 부스트 컨버터의 출력단인 dc 단 전압(Vdc)이 일정하게 유지 가능하며, 이에 따라, 모터(250)의 고속 회전시 전압 이용률을 향상시킬 수 있으며, 운전 범위가 증가될 수 있다. 또한, 약계자 영역을 최소화하여 모터의 운전 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 인버터(22) 내의 스위칭 소자에 흐르는 전류의 용량 감소가 가능하게 된다.
도 11은 제1 모드인 CCM 모드에서 검출되는 입력 전류와 제2 모드인 DCM 모드에서 검출되는 입력 전류를 예시한다.
특히, 인터리브 컨버터 내의 인덕터(L1,L2)에 흐르는 입력 전류(IL1,IL2)를 예시한다.
제1 모드인 CCM 모드에서는 불연속 도통 모드이므로, 영전압 스위칭을 수행하지 않아, 검출되는 입력 전류(IL1,IL2)의 레벨 변동량이 보다 작으며, 제2 모드인 DCM 모드에서는 연속 도통 모드이므로, 연전압 스위칭을 수행하므로, 검출되는 입력 전류(IL1,IL2)의 레벨 변동량이 보다 큰 것을 알 수 있다. 이에 의해, 컨버터 제어부(215)는, 도 11과 같은, 입력 전류(IL1,IL2)의 레벨값 또는 레벨 변동량에 기초하여, CCM 모드와 DCM 모드를 구분할 수 있다.
본 발명에 따른 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 전력변환장치 또는 공기조화기의 동작방법은, 전력변환장치 또는 공기조화기에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (18)

  1. 입력되는 삼상 전압을 정류하는 정류부;
    상기 정류된 전압의 레벨을 증가시키는 부스트 컨버터; 및
    상기 부스트 컨버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는, 인터리브 부스트 컨버터를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 인터리브 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터가, 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에, 임계 도통 모드(Critical Conduction Mode)인 제3 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 이동시, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 순차적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 모드에서의, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수가, 상기 제1 모드에 비해 절반이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터가, 상기 제2 모드로 운전되는 경우, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 증가시켜, 상기 제1 모드로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터에 입력되는 입력 전류를 검출하는 입력전류 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    스위칭 주기에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이 영이 아닌 경우, 상기 부스트 컨버터가, 상기 제1 모드로 운전되는 것으로 판단하고,
    스위칭 주기에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이, 영인 경우, 상기 부스트 컨버터가, 상기 제2 모드로 운전되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터의 출력단인 dc 단 전압을 검출하는 dc 단 전압 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 검출되는 dc 단 전압이 일정한 값을 유지하도록, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출되는 dc 단 전압이 일시적으로 감소하는 경우, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터의 출력단에 접속되는 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터에 저장된 전압을 이용하여, 교류 전원을 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터의 출력단인 dc 단 전압에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 생성된 전압 지령치에 기초하여, 상기 부스트 컨버터 내의 상기 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축된 냉매를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환기; 및
    상기 압축기를 구동하기 위한 전력변환장치;를 포함하며,
    상기 전력변환장치는,
    입력되는 삼상 전압을 정류하는 정류부;
    상기 정류된 전압의 레벨을 증가시키는 부스트 컨버터; 및
    상기 부스트 컨버터를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는, 인터리브 부스트 컨버터를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 인터리브 부스트 컨버터가, 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode)인 제1 모드로 운전되는 경우, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 감소시켜, 불연속 도통 모드(Disontinuous Conduction Mode)인 제2 모드로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터가, 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에, 임계 도통 모드(Critical Conduction Mode)인 제3 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 이동시, 상기 부스트 컨버터의 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 순차적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터에 입력되는 입력 전류를 검출하는 입력전류 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    스위칭 주기에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이 영이 아닌 경우, 상기 부스트 컨버터가, 상기 제1 모드로 운전되는 것으로 판단하고,
    스위칭 주기에 대응하여 검출되는 입력 전류 값이, 영인 경우, 상기 부스트 컨버터가, 상기 제2 모드로 운전되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  17. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터의 출력단에 접속되는 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터에 저장된 전압을 이용하여, 교류 전원을 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  18. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부스트 컨버터의 출력단인 dc 단 전압에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 생성된 전압 지령치에 기초하여, 상기 부스트 컨버터 내의 상기 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
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