KR20160086695A - 전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 인덕터와, 인덕터에 접속되는 제1 다이오드부와, 제1 다이오드부의 양단에 접속되는 스위칭부와, 인덕터와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부를 구비하며, 입력 교류 전압을 변환하여 변환된 전압을 dc단에 츨력하는 컨버터, 및 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부를 포함하고, 컨버터 제어부는, 입력 교류 전압이 상승하는 제1 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어하며, 입력 교류 전압이 하강하는 제2 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어한다. 이에 따라, 역률을 향상킬 수 있게 된다.

Description

전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기{Power converter and air conditioner including the same}
본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 역률을 향상킬 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.
전력변환장치는, 입력되는 전원을 변환하여 전력 변환된 전원을 출력하는 장치이다.
한편, 가전 기기 등에는, 상용 교류 전압을 변환하여 직류 전압으로 변환하는 컨버터 등이 전력변환장치의 일예로서, 구비된다.
한편, 에너지 효율화를 위해 가전 기기에 대한 역률 규제가 논의되고 있으며, 이에 따라, 역률 향상에 대한 다양한 논의가 있다.
특히, 공기조화기, 세탁기, 냉장고, TV 등과 같이, 에너지 소비량이 큰, 가전 기기에 대해서, 역률 향상을 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
본 발명의 목적은, 역률을 향상킬 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 인덕터와, 인덕터에 접속되는 제1 다이오드부와, 제1 다이오드부의 양단에 접속되는 스위칭부와, 인덕터와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부를 구비하며, 입력 교류 전압을 변환하여 변환된 전압을 dc단에 츨력하는 컨버터, 및 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부를 포함하고, 컨버터 제어부는, 입력 교류 전압이 상승하는 제1 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어하며, 입력 교류 전압이 하강하는 제2 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치는, 인덕터와, 인덕터에 접속되는 제1 다이오드부와, 제1 다이오드부의 양단에 접속되는 스위칭부와, 인덕터와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부를 구비하며, 입력 교류 전압을 변환하여 변환된 전압을 dc단에 츨력하는 컨버터, 및 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부를 포함하고, 컨버터 제어부는, 컨버터 주변의 온도 또는 dc 단 양단에 접속되는 부하의 크기에 기초하여, 스위칭부가 입력 교류 전압에 대응하여 일부 구간 동안 스위칭하는 제1 스위칭 모드로 동작하거나, 스위칭부가 입력 교류 전압에 대응하여 전 구간 동안 스위칭하는 제2 스위칭 모드로 동작하도록 제어한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 인덕터와, 인덕터에 접속되는 제1 다이오드부와, 제1 다이오드부의 양단에 접속되는 스위칭부와, 인덕터와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부를 구비하며, 입력 교류 전압을 변환하여 변환된 전압을 dc단에 츨력하는 컨버터, 및 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부를 포함하는 전력변환장치를 구비하고, 컨버터 제어부는, 입력 교류 전압이 상승하는 제1 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어하며, 입력 교류 전압이 하강하는 제2 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 공기조화기는, 스위칭부를 포함하는 스위칭 컨버터와, 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부를 포함하고, 컨버터 제어부는, 입력 교류 전압이 상승하는 제1 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어하며, 입력 교류 전압이 하강하는 제2 구간에, 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어한다. 이에 따라, 역률을 향상킬 수 있게 된다.
특히, 입력 전압의 하강 구간에서도 스위칭을 함으로써, 전압 이용률이 향상되므로, 컨버터 내의 인덕터의 크기를 축소할 수 있게 된다.
한편, 제1 구간과 제2 구간 사이에, 비스위칭 구간을 두고, 부하의 크기 등에 따라, 스위칭 구간과 비스위칭 구간을 가변함으로써, 부하별 최적 제어가 가능하게 된다.
특히, 부하의 크기가 커질수록, 스위칭 구간을 증가시킴으로써, 부하 변동에도 불구하고, 역률을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 스위칭부의 스위칭 주파수를 가변시킴으로써, 효율 개선 및 EMI 노이즈를 저감할 수 있게 된다. 또한, 인덕터의 크기도 축소할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 부분 스위칭 방식과 전 구간 스위칭 방식을 선택적으로 적용 가능하므로, 발열 저감을 위한 히트 싱크의 사이즈를 축소할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일예이다.
도 2는 도 1의 전력변환장치의 동작에 따른 입력 전류 파형의 일예를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전력변환장치의 동작 설명을 위해 참조되는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 전력변환장치의 다양한 동작 모드를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 부하 크기 또는 주변 온도에 따른 전력변화장치의 동작 모드 변경을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 스위칭 주파수 가변을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 스위칭 주파수 가변에 따른 입력 전류 및 주파수 스펙트럼을 설명하기 위해 참조되는 도면이다..
도 8은 도 1의 컨버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 9a 내지 도 10d는 다양한 입력 전류 및 입력 전류에 따른 주파수 스펙트럼을 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성도이다.
도 12는 도 11의 공기조화기의 개략도를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 11의 실외기의 구동장치의 내부 블록도이다.
도 14는 도 13의 구동장치 내의 인버터의 회로도를 예시한다.
도 15는 도 14의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
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 전력변환장치의 회로도의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치(400)는, 입력 교류 전원을 전력 변환할 수 있다. 특히, 직류 전원으로 변환할 수 있다. 전력 변환된 직류 전원은, 출력단인 dc 단 커패시터(C)에 Vdc 전압으로 저장될 수 있다.
한편, dc 단 양단에는 소정 부하(205)가 접속될 수 있다.
예를 들어, dc 부하 또는 ac 부하가 접속될 수 있다. 구체적으로, 부하(205)는, 도 13의 인버터(420) 및 모터(250)를 구비하는 개념일 수 있다.
부하(205)의 변동이 심한 경우, dc 단 전압(Vdc)의 변동이 심해질 수 있으며, 이에 따라, 입력 교류 전압(Vs)에 기초한, 입력 전류의 변동이 심해질 수 있다.
역률은, 입력 교류 전압 대비, 입력 전류에 대한 비율이므로, 입력 전류의 변동이 심할수록, 역률이 나빠질 수 있다.
본 발명에서는, 역률 향상이 가능하며, 간단한 회로 소자로 구현 가능한, 컨버터(410)를 구비하는 전력변환장치(400)를 제안한다. 특히, 컨버터(410)로서, 스위칭 컨버터(switching converter)를 제안한다.
스위칭 컨버터는, PFC에 비해, 회로가 간단하며, 분말 타입의 인덕터 코어(리액터 코어) 대신 상대적으로 저렴한 아이언 코어(Iron Core) 인덕터 또는 리액터(Reactor)를 사용하기 때문에 비용 절감에 효과적이다.
본 발명의 실시예에 따른, 전력변환장치(400)는, 인덕터(L)와, 인덕터(L)에 접속되는 제1 다이오드부(405)와, 제1 다이오드부(405)의 양단에 접속되는 스위칭부(409)와, 인덕터(L)와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부(407)를 구비하며, 입력 교류 전압(Vs)을 변환하여 변환된 전압을 dc단에 츨력하는 컨버터(410), 및 스위칭부(409)에 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력하는 컨버터 제어부(415)를 포함할 수 있다.
한편, 전력변환장치(400)는, 입력 전압(Vs)을 검출하기 위한 입력 전압 검출부(A)와, 입력 전류(Is)를 검출하기 위한 입력 전류 검출부(D), 및 출력단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출하기 위한 dc 단 전압 검출부(B)를 더 구비할 수 있다.
입력 전압 검출부(A) 또는 dc 단 전압 검출부(B)는, 저항 소자, 증폭기, 또는 Voltage transformer 등을 구비할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs), dc 단 전압(Vdc)은, 컨버터 제어부(415)에 입력될 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 저항 소자, 증폭기, 또는 Voltage transformer 등을 구비할 수 있다. 검출된 입력 전류(Is)는, 컨버터 제어부(415)에 입력될 수 있다.
제1 다이오드부(405)는, 4개의 브릿지 다이오드(Da,Db,Dc,Dd)를 구비할 수 있다.
도 1의 회로 구성을 보다 상세히 설명하면, 입력 전압원(201)의 일단에 인덕터(L)의 일단이 연결되며, 인덕터(L)의 타단과 dc 단 양단에 배치되는 커패시터(C) 사이에, 제2 다이오드부(407)가 접속된다.
제2 다이오드부(407)는, 다이오드(D1)과 다이오드(D2)를 구비한다. 다이오드(D1)의 애노드는, 인덕터(L)의 타단에 접속되며, 다이오드(D2)의 애노드는 입력 전압원(201)의 타단에 접속될 수 있다.
한편, 제2 다이오드부(407)에 병렬로, 제1 다이오드부(407)가 접속된다.
즉, 다이오드(D1)의 애노드와 인덕터(L)의 타단 사이에, 다이오드(Da)의 애노드가 접속되며, 입력 전압원(201)의 타단과 다이오드(D2)의 애노드 사이에, 다이오드(Dd)의 캐소드가 연결될 수 있다.
한편, 제1 다이오드부(405)의 양단 사이에, 스위칭 소자(S1)를 구비하는 스위칭부(409)가 접속된다.
한편, 스위칭부(409)와 제1 다이오드부(405)의 사이와, 제2 다이오드부(407) 사이에, 역류 방지용 다이오드(d3)이 접속될 수 있다.
한편, 역류방지용 다이오드(d3) 및 스위칭 소자(S1)의 양단에, dc 단 커패시터(C)가 접속된다. 그리고, dc 단 커패시터(C) 양단, 즉, dc단 양단에, 부하(205)가 접속된다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), dc 단 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하고, 이를 스위칭부(409)에 출력하 수 있다.
스위칭부(409)의 스위칭 소자(S1)가 IGBT로 구현되는 경우, 게이트 단자에, 턴 온 듀타에 대응하는 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)가 입력될 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(S1)가 스위칭(턴 온 및 턴 오프)를 반복하거나, 소정 기간 동안 턴 오프될 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 교류 전압(Vs)이 상승하는 제1 구간(Ta)에, 스위칭부(409)가 스위칭 동작(턴 온 및 턴 오프)을 반복하도록 제어하며, 입력 교류 전압(Vs)이 하강하는 제2 구간(Tc)에, 스위칭부(409)가 턴 온 및 턴 오프를 반복하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 부하 변동에도 불구하고, 전력변환장치(400)의 역률을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 제1 구간(Ta)과 제2 구간(Tc) 사이인 제3 구간(Tb)에, 스위칭부(409)가 턴 오프되도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기에 따라, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)의 길이를 가변할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기가 커질수록, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)의 길어지도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, dc 단에 대한 전압 지령치가 커질수록, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)이 길어지도록 제어하며, 제3 구간(Tb)이 작아지도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기가 제1 소정치 미만인 경우, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고, dc 단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기가 제1 소정치 이상인 경우, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc), 및 제3 구간(Tb)을 구비하는 제2 스위칭 모드, 또는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드가 혼합된 제3 스위칭 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 컨버터(410) 주변의 온도가 제1 온도 이상인 경우, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고, 컨버터 주변의 온도가 제1 온도 미만 경우, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc), 및 제3 구간(Tb)을 구비하는 제2 스위칭 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 컨버터 제어부(415)는, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)에서의 스위칭부(409)의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs)의 크기가 커질수록, 스위칭부(409)의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하며, 입력 전압(Vs)의 크기가 작아질수록 스위칭부(409)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 부하(205)가 모터(도 13의 250), 인버터(도 8의 420)을 구비하는 경우, 모터에 출력되는 출력 전압, 및 입력 교류 전압(Vs)의 크기에 기초하여, dc 단 전압 지령치(V*dc)를 생성할 수 있다.
그리고, 컨버터 제어부(415)는, 모터(250)에 출력되는 출력 전압(Vout), 및 입력 교류 전압(Vs)의 크기에 기초하여, dc단 전압 지령치(V*dc)를 생성하고, dc단 전압 지령치(V*dc), 및 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(I*)를 생성하고, 전류 지령치(I*)에 기초하여, 턴 온 듀티(duty)를 생성하며, 턴 온 듀티(duty)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하여 출력할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기, 입력 교류 전압(Vs)의 크기에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하여 출력할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 전압 지령치(V*d,V*q) 또는 출력 전압(Vd 또는 Vq)에 기초하여, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기를 연산하고, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기에 따라, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)의 길이를 가변할 수 있다.
도 2는 도 1의 전력변환장치의 동작에 따른 입력 전류 파형의 일예를 나타낸다.
도면을 참조하면, 컨버터 제어부(415)는, 부하(205)의 크기에 따라, dc단 전압 지령치(V*dc)를 연산하고, 일정한 dc단 전압 지령치(V*dc), 및 입력 전압(Vs)에 기초하여, 스위칭부(409)가 스위칭 동작을 반복하는 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc), 그리고, 스위칭부(409)가 턴 오프되는 제3 구간(Tb)으로 구분할 수 있다.
제1 구간(Ta)은, 입력 교류 전압(Vs)이 상승하는 구간으로서, 턴 온 기간(Ton)과 턴 오프 기간(Toff)을 구비하는 복수의 스위칭 구간(Tsw)을 구비할 수 있다.
한편, 입력 교류 전압(Vs)이 상승할수록, 복수의 스위칭 구간의 스위칭 주기는 길어질 수 있다. 즉, 스위칭 주파수가 작아질 수 있다. 이에 의하면, 일정한 스위칭 주파수가 아니므로, 스위칭 주파수에 다른 EMI를 보다 저감할 수 있게 된다. 이에 대해서는, 도 6a를 참조하여 다시 기술한다.
한편, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc)은, 입력 전압(Vs)이 dc단 전압 지령치(V*dc) 보다 낮은 구간으로서, 입력 전압(Vs)의 피크치와 dc단 전압 지령치(V*dc) 사이의 차이가 클수록, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc)의 길이는 작아질 수 있다.
한편, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc)은, 입력 전압(Vs)이 dc단 전압 지령치(V*dc) 보다 낮은 구간으로서, 입력 전압(Vs)의 피크치와 dc단 전압 지령치(V*dc) 사이의 차이가 작을수록, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc)의 길이는 커질 수 있다.
또한, 제3구간(Tb)은, 입력 전압(Vs)이 dc단 전압 지령치(V*dc) 보다 높은 구간으로서, 별도의 스위칭 동작이 없어도, Vs 전압에 따라, 입력 전류(Is)가 dc단 방향으로 흐르게 된다. 입력 전압(Vs)이 클수록, 또는 dc단 전압 지령치(V*dc)가 작을수록, 즉, 입력 전압(Vs)의 피크치와 dc단 전압 지령치(V*dc) 사이의 차이가 클수록, 제3구간(Tb)은 커질 수 있다.
한편, 입력 전압(Vs)이 작을수록, 또는 dc단 전압 지령치(V*dc)가 클수록작을수록, 즉, 입력 전압(Vs)의 피크치와 dc단 전압 지령치(V*dc) 사이의 차이가 작을수록, 제3구간(Tb)은 작아질 수 있다.
도 2의 (a)는, 스위칭부(409)의 스위칭 동작 등에 기반한, 제1 스위칭 모드를 나타내며, 이에 따라, 도 2의 (b)와 같이, 입력 전압(vs)에 유사한, 입력 전류(Is) 파형이 획득될 수 있게 된다. 따라서, 역률이 향상될 수 있게 된다.
한편, 도 2의 (a)의 제1 스위칭 모드는, 부분 스위칭(partial switching) 모드를 예시한다.
본 발명에서는, 입력 교류 전압(Vs)이 상승하는 제1 구간(Ta) 외에, 추가적으로, 입력 교류 전압(Vs)이 하강하는 제2 구간(Tc)에서도, 스위칭 동작을 수행하므로, 전압 이용률이 향상되므로, 역률이 향상될 수 있게 된다. 또한, 인덕터(L)의 크기도 축소할 수 있게 된다.
한편, 도 2에서는, 사인파 형태의 입력 전압(Vs)을 기준으로, dc단 전압 지령치(V*dc)와의 비교를 통해, 스위칭 동작을 수행하는 것을 예시하였으나, 이와 달리 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 컨버터 제어부(415)는, 사인파 형태의 전류 지령치를 기준으로, 스위칭부(409)의 스위칭 동작을 수행하도록 제어할 수 있다. 특히, 사인파 형태의 전류 지령치가, 제1 기준치 미만인 경우, 스위칭 동작하도록 제어하고, 제1 기준치 이상인 경우, 턴 오프되도록 제어할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전력변환장치의 동작 설명을 위해 참조되는 도면이다. 도면에서는, 입력 전압(Vs)의 양의 반주기에 대한, 전류 흐름도를 예시한다.
도면을 참조하면, 도 3a는, 도 2의, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)에서의, Ton 구간에서의 입력 전류(Is)의 흐름(path 1)을 예시하며, 도 3b는, 도 2의 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)에서의 Toff 구간과, 제3 구간(Tb)에서의 입력 전류(Is)의 흐름(path 1)을 예시한다.
도 3a에 따르면, path 1에 따라, 입력 전류(Is)가, 입력 전압원(201), 인덕터(L), 다이오드(Da), 스위칭 소자(S1), 다이오드(D4)를 통해 흐르게 된다.
한편, 도 3b에 따르면, path 2에 따라, 입력 전류(Is)가, 입력 전압원(201), 인덕터(L), 다이오드(D1), 커패시터(C), 다이오드(D4)를 통해 흐르게 된다.
한편, 입력 전압(Vs)의 양의 반주기에 대한, 전류 흐름도는, 도 3a 내지 도 3b와 유사하다.
컨버터 제어부(415)는, 컨버터(410) 주변의 온도 또는 dc 단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기에 기초하여, 스위칭부(409)가 입력 교류 전압(Vs)에 대응하여 일부 구간 동안 스위칭하는 제1 스위칭 모드(mode 1)로 동작하거나, 스위칭부(409)가 입력 교류 전압(Vs)에 대응하여 전 구간 동안 스위칭하는 제2 스위칭 모드(mode 2)로 동작하도록 제어하거나, 제1 스위칭 모드(mode 1)와 제2 스위칭 모드(mode 2)를 혼합한 제3 스위칭 모드(mode 3)로 동작하도록 제어할 수 있다.
이에 대해서는, 도 4a 내지 도 5b를 참조하여 기술한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 전력변환장치의 다양한 동작 모드를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 4a는, 스위칭부(409)가 입력 교류 전압(Vs)에 대응하여 일부 구간 동안 스위칭하는 제1 스위칭 모드(mode 1)를 예시한다.
도면을 참조하면, 제1 스위칭 모드(mode 1)에 따른, 입력 전류(Is1)은, 피크치가 Ipk1이고, 입력 전압의 상승 중 스위칭하는 제1 구간(Ta1), 하강 중 스위칭하는 제2 구간(Ta3), 및 스위칭하지 않는 제3 구간(Ta3)을 구비할 수 있다.
다음, 도 4b는, 스위칭부(409)가 입력 교류 전압(Vs)에 대응하여 전 구간 동안 스위칭하는 제2 스위칭 모드(mode 2)를 예시한다.
도면을 참조하면, 제2 스위칭 모드(mode 2)에 따른, 입력 전류(Is2)은, 피크치가 Ipk2이고, 입력 전압의 양의 반주기 동안 계속 스위칭하는 구간(Tk)을 구비할 수 있다.
도 4b와 도 4a를 비교하면, 제2 스위칭 모드(mode 2) 시의 입력 전류의 크기 또는 피크치가 더 큰 것을 알 수 있다.
즉, 스위칭 구간이 증가할수록, 입력 전류의 피크치는 증가할 수 있으며, 이에 따라, dc 단 전압(Vdc)을 증가시킬 수 있게 된다.
따라서, 컨버터 제어부(415)는, 부하의 크기가 증가하여, dc 단 전압의 증가가 필요한 경우, dc 단 전압 지령치(V*dc)가 증가되도록 설정하며, 증가된 dc 단 전압 지령치(V*dc)를 기준으로, 스위칭 구간이 길어지도록 제어할 수 있다. 즉, 도 2에서의 V*dc값이 증가되도록 설정한 후, 스위칭 구간이 길어지도록 제어할 수 있다.
한편, 스위칭 구간이 길어질수록, 비스위칭 구간, 즉, 턴 오프 구간은 작아질 수 있다.
이와 같이, 부하의 크기가 커질수록, 스위칭 구간을 증가시킴으로써, 부하 변동에도 불구하고, 역률을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제2 스위칭 모드(mode 2)에 따르면, 발열량이 많아지므로, 컨버터(415) 주변의 온도가 높은 경우에는, 온도 저감을 위해, 사용하지 않는 것이 바람직하다.
즉, 컨버터 제어부(415)는, 컨버터 주변의 온도가 제1 온도 이상인 경우, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고, 컨버터 주변의 온도가 제1 온도 미만인 경우, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc), 및 제3 구간(Tb)을 구비하는 제2 스위칭 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
다음, 도 4c는, 스위칭부(409)가 1 스위칭 모드(mode 1)와 제2 스위칭 모드(mode 2)를 혼합 동작하는 제3 스위칭 모드(mode 3)를 예시한다.
도 5a 내지 도 5b는 부하 크기 또는 주변 온도에 따른 전력변화장치의 동작 모드 변경을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
컨버터 제어부(415)는, dc단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기가 제1 소정치 미만인 경우, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고, dc 단 양단에 접속되는 부하(205)의 크기가 제1 소정치 이상인 경우, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc), 및 제3 구간(Tb)을 구비하는 제2 스위칭 모드, 또는 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드가 혼합된 제3 스위칭 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
도 5a에서는, 부하(205)의 크기가 V_load1인 경우, 제1 스위칭 모드로 동작하고, 부하(205)의 크기가 V_load1 보다 더 큰 V_load2인 경우, 제2 스위칭 모드, 또는 제3 스위칭 모드로 동작하는 것을 예시한다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 컨버터(410) 주변의 온도가 제1 온도 이상인 경우, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고, 컨버터 주변의 온도가 제1 온도 미만인 경우, 제1 구간(Ta), 제2 구간(Tc), 및 제3 구간(Tb)을 구비하는 제2 스위칭 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
도 5b에서는, 컨버터(410) 주변의 온도가 Tma인 경우, 제2 스위칭 모드로 동작하고, 컨버터(410) 주변의 온도가 Tma 보다 낮은 Tmb인 경우, 제1 스위칭 모드로 동작하는 것을 예시한다.
이와 같이, 부분 스위칭(partial switching) 방식과 전 구간 스위칭(full switching) 방식을 선택적으로 적용 가능하므로, 발열 저감을 위한 히트 싱크(heat sink)의 사이즈를 축소할 수 있게 된다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 제1 구간(Ta) 및 제2 구간(Tc)에서의 스위칭부(409)의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs)의 크기가 커질수록, 스위칭부(409)의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하며, 입력 전압(Vs)의 크기가 작아질수록 스위칭부(409)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다. 스위칭 주파수 가변에 대해서는, 도 6a 내지 도 6b를 참조하여 기술한다.
도 6a 내지 도 6b는 스위칭 주파수 가변을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6a는, 입력 전압(Vs)의 양의 반주기 동안, 스위칭 주파수가, 감소하는 구간(Tfsa), 일정한 구간(Tfi), 및 증가하는 구간(Tfsb)으로 구분되는 것을 예시한다.
감소하는 구간(Tfsa) 동안, 스위칭 주파수는, Fmax에서 Fmin으로 순차적으로 감소하며, 증가하는 구간(Tfsb) 동안, 스위칭 주파수는, Fmin 서 Fmax로 순차적으로 증가하는 것을 예시한다.
한편, 감소하는 구간(Tfsa)과, 증가하는 구간(Tfsb)은, 각각 도 2의 Ta 구간과 Tc 구간에 대응할 수 있다.
한편, 도 6a에서는, 제2 스위칭 모드에 따른 전 구간 스위칭(full switching)시의 스위칭 주파수 가변을 예시하였으나, 이와 달리, 제1 스위칭 모드에 따른 부분 스위칭(partial switching)시에도 스위칭 주파수가 가변될 수 있다.
즉, 도 6a는, 입력 전압(Vs)의 양의 반주기 동안, 스위칭 주파수가, 감소하는 구간(Tfsa), 증가하는 구간(Tfsb)으로 구분되며, 일정한 구간(Tfi)에서의 스위칭 주파수는 0일 수 있다.
도 6b는, 도 6a의 K 지점에서의 스위칭 주기와 M 지점에서의 스위칭 주기를 예시한다.
스위칭 주파수가 순차적으로 감소하는 구간이므로, K 지점에서의 스위칭 주기(Tfsa1) 보다, M 지점에서의 스위칭 주기(Tfsa2)가 더 길게 된다.
도 7a 내지 도 7b는 스위칭 주파수 가변에 따른 입력 전류 및 주파수 스펙트럼을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 7a는, 스위칭부(409)의 스위칭 주파수를 일정하게 한 상태에서, 제1 스위칭 모드로 동작하는 경우의, 입력 전류(Is7a), 및 입력 전류(Is7a)의 주파수 스펙트럼(Fs7a)을 나타낸다.
예를 들어, 5KHz의 스위칭 주파수로 스위칭 동작을 하는 경우, 5KHz에 대응하는 하모닉 성분이 주파수 스펙트럼에 나타나게 된다. 특히, 피크 노이즈가 나타나게 된다.
다음, 도 7b는 스위칭부(409)의 스위칭 주파수를 가변하면서, 제1 스위칭 모드로 동작하는 경우의, 입력 전류(Is7b), 및 입력 전류(Is7b)의 주파수 스펙트럼(Fs7b)을 나타낸다.
도 7b에 비해, 주파수 성분 중 피크 노이즈가 저감되는 것을 알 수 잇다.
이와 같이, 스위칭부(409)의 스위칭 주파수를 가변시킴으로써, 효율 개선 및 EMI 노이즈를 저감할 수 있게 된다. 또한, 노이즈 저감을 위한 인덕터(L)의 크기도 축소할 수 있게 된다.
도 8은 도 1의 컨버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 컨버터 제어부(415)는, 위상 추출부(805), dc단 전압 지령 생성부(810), 전류 지령 생성부(820), 듀티 생성부(830), 스위칭 제어신호 출력부(840), 스위칭 주파수 가변부(850), 부분 스위칭 제어부(860)를 구비할 수 있다.
위상 추출부(805)는, 입력 전압(Vs)의 위상(θ)을 추출할 수 있다. 그 외, 입력 전압(Vs)의 크기(E), 입력 전압(Vs)의 주파수(ω)를 추출할 수 있다. 이를 위해, 위상 추출부(805)는, PLL(Phase Locked loop)을 구비할 수 있다.
한편, 추출된 입력 전압(Vs)의 크기(E)는, dc단 전압 지령 생성부(810)로 전달되며, 추출된 입력 전압(Vs)의 주파수(ω)는, 듀티 생성부(830)로 전달되며, 추출된 입력 전압(Vs)의 위상(θ)은, 스위칭 주파수 가변부(850), 부분 스위칭 제어부(860)에 전달될 수 있다.
dc단 전압 지령 생성부(810)는, 모터(250)에 출력되는 출력 전압(Vout), 및 입력 교류 전압(Vs)의 크기에 기초하여, dc단 전압 지령치(V*dc)를 생성할 수 있다.
출력 전압(Vout)은, 인버터 제어부(도 13의 430)로부터의 d축 전압 지령치(V*d), q축 전압 지령치(V*q)에 대응할 수 있다. 이에 따라, dc단 전압 지령 생성부(810)는, 인버터 제어부(도 13의 430)로부터 d축 전압 지령치(V*d), q축 전압 지령치(V*q)를 수신할 수 있다.
전류 지령 생성부(820)는, dc단 전압 지령치(V*dc), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(I*)를 생성할 수 있다.
듀티 생성부(830)는, 전류 지령치(I*), 및 검출된 입력 전류(Is)에 기초하여, 턴 온 듀티(duty)를 생성할 수 있다.
스위칭 제어신호 출력부(840)는, 턴 온 듀티(duty) 등에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력할 수 있다.
한편, 스위칭 제어신호 출력부(840)는, 듀티(duty)와 스위칭 주파수 가변부(850)로부터의 스위칭 주파수 정보(Fss)와의 연산을 위한 제1 연산기, 및 부분 스위칭 제어부(860)로부터의 부분 스위칭 정보(Sps)와의 연산을 위한 제2 연산기를 더 구비할 수 있다. 여기서, 제1 연산기와 제2 연산기는 곱셈기일 수 있다.
스위칭 주파수 가변부(850)는, 입력 전압(Vs)의 위상(θ)에 기초하여, 스위칭 주파수를 가변할 수 있다. 도 6a에서와 같이, 입력 전압(Vs)이 증가할수록, 스위칭 주파수가 작아지도록 하고, 입력 전압(Vs)이 감소할수록, 스위칭 주파수가 커지도록 설정할 수 있다. 스위칭 주파수 정보(Fss)는, 스위칭 제어신호 출력부(840)로 전달될 수 있다.
부분 스위칭 제어부(860)는, 입력 전압(Vs)의 위상(θ)에 기초하여, 부분 스위칭 구간을 설정할 수 있다. 부분 스위칭 구간 정보(Sps)는, 스위칭 제어신호 출력부(840)로 전달될 수 있다.
도 9a 내지 도 10d는 다양한 입력 전류 및 입력 전류에 따른 주파수 스펙트럼을 예시하는 도면이다.
이하에서는, 부하(205)가 인버터(420)와 모터(250)를 구비하는 것을 전제로 기술한다.
먼저, 도 9a와 도 9b는, 고정 스위칭 주파수로 구동하고, dc단 전압이 대략 310V인 경우의, 운전 주파수가 달라지는 경우를 예시한다.
도 9a의 운전 주파수는 대략 20Hz이고, 도 9b의 운전 주파수는 대략 50Hz인 것을 예시한다.
이와 같이, 운전 주파수가 커질수록, 부하의 크기가 커지므로, 스위칭 구간이 더 길어질 수 있으며, 그에 따른 입력 전류의 크기가 더 커질 수 있다.
즉, 도 9a의 입력 전류(Is9a) 보다, 도 9b의 입력 전류(Is9b)가, 크기 및 스위칭 구간이 더 큰 것을 알 수 있다.
한편, 도 9c는, 도 9a와 유사하게 운전 주파수가 대략 20Hz이나, 스위칭 주파수를 가변하는 것에 그 차이가 있다.
이에 따라, 도 9c의 입력 전류(Is9c)와 도 9a의 입력 전류(Is9a)의 차이는 별로 없으나, 주파수 스펙트럼에서 차이를 보인다. 즉, 도 9c의 입력 전류(Is9c)에 따른 주파수 스펙트럼(fs9c)가 도 9a의 주파수 스펙트럼(fs9a) 보다 노이즈가 더 적은 것을 알 수 있다.
한편, 도 9d는 도 9c와 유사하게 스위칭 주파수가 가변하나, 운전 주파수가 대략 50Hz인 것에 그 차이가 있다.
이에 따라, 즉, 도 9c의 입력 전류(Is9c) 보다, 도 9d의 입력 전류(Is9d)가, 크기 및 스위칭 구간이 더 큰 것을 알 수 있다.
다음, 도 10a와 도 10b는, 고정 스위칭 주파수로 구동하나, 운전 주파수가 달라지는 경우를 예시한다.
도 10a의 운전 주파수는 대략 60Hz이고, 도 10b의 운전 주파수는 대략 79Hz인 것을 예시한다. 이에 따라, dc 단 전압도, 310V와 330V로 달라질 수 있다.
이와 같이, 운전 주파수가 커질수록, 부하의 크기가 커지므로, 스위칭 구간이 더 길어질 수 있으며, 그에 따른 입력 전류의 크기가 더 커질 수 있다.
즉, 도 10a의 입력 전류(Is10a) 보다, 도 10b의 입력 전류(Is10b)가, 크기 및 스위칭 구간이 더 큰 것을 알 수 있다.
한편, 도 10c는, 도 10a와 유사하게 운전 주파수가 대략 26Hz이나, 스위칭 주파수를 가변하는 것에 그 차이가 있다.
이에 따라, 도 10c의 입력 전류(Is10c)와 도 10a의 입력 전류(Is10a)의 차이는 별로 없으나, 주파수 스펙트럼에서 차이를 보인다. 즉, 도 10c의 입력 전류(Is10c)에 따른 주파수 스펙트럼(fs10c)가 도 10a의 주파수 스펙트럼(fs10a) 보다 노이즈가 더 적은 것을 알 수 있다.
한편, 도 10d는 도 10c와 유사하게 스위칭 주파수가 가변하나, 운전 주파수가 대략 79Hz인 것에 그 차이가 있다. 또한, dc 단 전압도, 310V와 330V로 달라질 수 있다.
이에 따라, 즉, 도 10c의 입력 전류(Is10c) 보다, 도 10d의 입력 전류(Is10d)가, 크기 및 스위칭 구간이 더 큰 것을 알 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 10d에서 기술한 전력변환장치(400)는, 다양한 전자기기에 적용되는 것이 가능하다.
예를 들어, 공기조화기, 세탁물 처리기기(세탁기, 건조기), 냉장고, TV, 조리기기, 청소기 등의 가전 기기에 적용이 가능하다.
이하에서는,, 다양한 가전 기기 중 전력변환장치(400)가 공기조화기에 채용된 것을 기준으로 기술한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성도이고, 도 12는 도 11의 공기조화기의 개략도를 나타내는 도면이다
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(100)는, 실외기(150), 및 실내기(170)를 포함한다.
실외기(150)는, 연결된 실내기(170)의 요구 또는 외부의 제어명령에 대응하여, 냉방모드 또는 난방모드로 동작되며, 실내기(170)로 냉매를 공급한다.
이를 위해, 실외기(150)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(152)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(152b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(154)와, 실외 열교환기(154)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실외팬(155a)과 실외팬(155a)을 회전시키는 전동기(5b)로 이루어진 실외 송풍기(155)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구(156)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브(160)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(153) 등을 포함한다. 압축기(152)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 실외기(150)는, 냉매의 압력을 측정하는 적어도 하나의 압력센서(미도시), 온도를 측정하는 적어도 하나의 온도센서(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
실내기(170)는, 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(208)와, 실내측 열교환기(208)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내팬(209a)과 실내팬(209a)을 회전시키는 전동기(209b)로 이루어진 실내 송풍기(209) 등을 포함한다. 실내측 열교환기(208)는 적어도 하나가 설치될 수 있다.
또한, 실내기(170)는, 열교환된 공기를 토출하는 토출구(미도시), 토출구(미도시)를 여닫고 토출되는 공기의 방향을 제어하는 풍향조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기 흡입구(미도시)와 공기 토출구(미도시) 중 적어도 하나를 여닫음과 아울러 공기를 안내하는 베인이 설치될 수 있으며, 베인은 공기 흡입구와 공기 토출구를 여닫을 뿐 아니라, 흡입 공기와 토출 공기의 방향을 안내할 수도 있다.
한편, 실내기(170)는, 실내팬(209a)의 회전속도에 따라 흡입되는 공기 및 토출되는 공기를 제어함으로써, 풍량을 조절할 수 있다.
또한, 실내기(170)는, 실내기(170)의 운전상태 및 설정정보가 표시되는 표시부(미도시), 설정 데이터 입력을 위한 입력부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한, 실내 온도를 감지하는 실내 온도 감지부(미도시), 실내 공간에 존재하는 인체를 감지하는 인체감지부(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 공기조화기(100)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 도면에서는 실내기(170)로 스탠드형인 것을 예로 하여 설명하나, 천장형 또는 벽걸이형에도 가능하며, 실외기와 실내기의 구분이 없는 일체형 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 실내기(170)와 실외기(150) 사이는, 냉매배관으로 연결되며, 냉매의 순환에 따라 실내기(170)로부터 냉온의 공기가 실내로 토출된다. 이때, 하나의 실외기(150)에 복수의 실내기(170)가 연결될 수 있으며, 또한, 복수의 실외기에 각각 적어도 하나의 실내기가 연결되는 것도 가능하다.
또한, 실내기(170)와 실외기(150) 사이는, 통신선으로 연결되어 소정의 통신방식에 따라 제어명령을 송수신할 수 있다.
한편, 압축기(152)는, 이하의 구동장치(200)를 통해, 공급되는 구동 전원에 의해, 구동될 수 있다. 구체적으로 압축기(152) 내의 모터에. 구동장치(200)로부터의 구동 전원이 공급될 수 있다.
도 13은 도 11의 실외기의 구동장치의 내부 블록도이고, 도 4a는 도 13의 구동장치 내의 컨버터의 회로도의 일예를 예시한다.
본 발명의 실시예에 따른 구동장치(200)는, 컨버터(410), 컨버터 제어부(415), 커패시터(C), 인버터(420), 및 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
특히, 구동장치(200) 중 컨버터(410), 컨버터 제어부(415), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), dc 단 전압 검출부(B)는, 도 1 등에서 기술한 전력변환장치(400)일 수 있다.
컨버터(410)는, 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 특히, 컨버터(410)의 출력단에 배치되는 커패시터(C)에 출력한다. 컨버터(410)에 대한 설명은, 도 1 등을 참조하여 그 기술을 생략한다.
한편, 커패시터(C) 양단은 직류 전원이 저장되며, 이에 따라, dc단이라 명명할 수 있다. 그리고, 커패시터(C) 양단의 전원은, dc 단 전원이라 명명할 수도 있다.
한편, 커패시터(C) 양단에는, 도 1과 같은 부하(205)가 접속될 수 있다. 이때의 부하(205)는, 도 13의 인버터(420), 및 모터(250)를 포함하는 개념일 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 커패시터(C)의 양단의 dc단 전압(Vdc) 또는 dc단 전압 지령치에 기초하여, 컨버터(410) 내의 스위칭부(409) 내의 스위칭 소자(S1)를 제어할 수 있다. 컨버터 제어부(415)에 대한 설명은, 도 1 등을 참조하여 그 기술을 생략한다.
인버터(420)는, 복수의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 dc단 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(va,vb,vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다. 이때의 모터(250)는, 압축기 내의 모터일 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(도 14의 E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
도 14는 도 13의 구동장치 내의 인버터의 회로도를 예시한다.
인버터(420)는, 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 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다.
인버터(420)는, 모터(250) 동작 모드에서, 커패시터(C) 양단의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터(250)를 구동한다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(도 14의 E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(도 14의 E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(도 14의 E)는, 인버터(420)와 삼상 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(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(250) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. 한편, 삼상 평형을 이용하여, 2개의 션트 저항이 사용되는 것도 가능하다. 한편, 1개의 션트 저항이 사용되는 경우, 상술한 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에서 해당 션트 저항이 배치되는 것도 가능하다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 삼상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로 하여 기술한다.
도 15는 도 14의 인버터 제어부의 내부 블록도이다.
도 15를 참조하면, 인버터 제어부(430)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 축변환된 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure pat00001
)를 추정할 수 있다. 또한, 위치 추정부(320)는, 회전자 위치(
Figure pat00002
)에 기초하여, 속도(
Figure pat00003
)를 추정할 수도 있다.
결국, 위치 추정부(320)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)에 기초하여, 연산된 위치(
Figure pat00004
)와 연산된 속도(
Figure pat00005
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00006
)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 pat00007
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(335)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(344)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(348)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, 위치 추정부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00008
)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, 위치 추정부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00009
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)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.
본 발명의 실시에에 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 충전 장치의 동작방법은 충전 장치에 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.
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 (16)

  1. 인덕터와, 상기 인덕터에 접속되는 제1 다이오드부와, 상기 제1 다이오드부의 양단에 접속되는 스위칭부와, 상기 인덕터와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부를 구비하며, 입력 교류 전압을 변환하여 상기 변환된 전압을 상기 dc단에 츨력하는 컨버터; 및
    상기 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 입력 교류 전압이 상승하는 제1 구간에, 상기 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어하며,
    상기 입력 교류 전압이 하강하는 제2 구간에, 상기 스위칭부가 스위칭 동작을 반복하도록 제어하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 제1 구간과 제2 구간 사이인 제3 구간에, 상기 스위칭부가 턴 오프되도록 제어하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 dc단 양단에 접속되는 부하의 크기에 따라, 상기 제1 구간 및 제2 구간의 길이를 가변하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 dc단 양단에 접속되는 부하의 크기가 커질수록, 상기 제1 구간 및 제2 구간의 길어지도록 제어하는 전력변환장치.
  5. 제2에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 dc 단에 대한 전압 지령치가 커질수록, 상기 제1 구간 및 제2 구간이 길어지도록 제어하며, 상기 제3 구간이 작아지도록 제어하는 전력변환장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 dc단 양단에 접속되는 부하의 크기가 제1 소정치 미만인 경우, 상기 제1 구간 및 제2 구간을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고,
    상기 dc 단 양단에 접속되는 부하의 크기가 상기 제1 소정치 이상인 경우, 상기 제1 구간, 제2 구간, 및 제3 구간을 구비하는 제2 스위칭 모드, 또는 상기 제1 스위칭 모드와 상기 제2 스위칭 모드가 혼합된 제3 스위칭 모드로 동작하도록 제어하는 전력변환장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 컨버터 주변의 온도가 제1 온도 미만인 경우, 상기 제1 구간 및 제2 구간을 구비하는 제1 스위칭 모드로 동작하도록 제어하고,
    상기 컨버터 주변의 온도가 상기 제1 온도 이상인 경우, 상기 제1 구간, 제2 구간, 및 제3 구간을 구비하는 제2 스위칭 모드로 동작하도록 제어하는 전력변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 제1 구간 및 제2 구간에서의 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 가변하는 전력변환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 입력 전압의 크기가 커질수록, 상기 스위칭부의 스위칭 주파수가 작아지도록 제어하며, 상기 입력 전압의 크기가 작아질수록 상기 스위칭부의 스위칭 주파수가 커지도록 제어하는 전력변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 dc 단 양단에 접속되며, 상기 dc단 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하며,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 모터에 출력되는 출력 전압, 및 상기 입력 교류 전압의 크기에 기초하여, dc 단 전압 지령치를 생성하는 dc단 전압 지령 생성부;
    상기 dc단 전압 지령치, 및 상기 dc단 전압에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치에 기초하여, 턴 온 듀티를 생성하는 듀티 생성부; 및
    상기 턴 온 듀티에 기초하여, 상기 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 전력변환장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 입력 전압의 위상을 추출하는 위상 추출부;
    상기 추출된 위상에 기초하여 스위칭부의 스위칭 주파수를 가변하는 스위칭 주파수 가변부;를 더 포함하는 전력변환장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 dc단 양단에 접속되는 부하의 크기, 상기 입력 교류 전압의 크기에 기초하여, 상기 컨버터 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력하는 전력변환장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터에 흐르는 전류에 기초하여, 상기 모터의 회전자 속도를 추정하는 추정부;
    상기 추정 속도, 및 속도 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부;
    상기 전압 지령치에 기초하여 인버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 포함하며,
    상기 전압 지령치를 상기 컨버터 제어부로 전송하는 전력변환장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 dc단 양단에 접속되는 부하의 크기를 연산하고,
    상기 dc단 양단에 접속되는 부하의 크기에 따라, 상기 제1 구간 및 제2 구간의 길이를 가변하는 전력변환장치.
  15. 인덕터와, 상기 인덕터에 접속되는 제1 다이오드부와, 상기 제1 다이오드부의 양단에 접속되는 스위칭부와, 상기 인덕터와 출력단인 dc 단 사이에 접속되는 제2 다이오드부를 구비하며, 입력 교류 전압을 변환하여 상기 변환된 전압을 상기 dc단에 츨력하는 컨버터; 및
    상기 스위칭부에 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 컨버터 제어부;를 포함하고,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 컨버터 주변의 온도 또는 상기 dc 단 양단에 접속되는 부하의 크기에 기초하여,
    상기 스위칭부가 상기 입력 교류 전압에 대응하여 일부 구간 동안 스위칭하는 제1 스위칭 모드로 동작하거나,
    상기 스위칭부가 상기 입력 교류 전압에 대응하여 전 구간 동안 스위칭하는 제2 스위칭 모드로 동작하도록 제어하는 전력변환장치.
  16. 제1항 내지 제15항의 전력변환장치를 구비하는 공기조화기.
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