KR20190019331A - 전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법 - Google Patents

전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 역률 제어부를 포함하는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 교류 전원으로부터 입력되는 교류 전압을 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 정류된 전압에 대하여 역률 개선 동작을 수행하며 스위칭 소자를 포함하는 역률 제어부; 상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터; 상기 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부 측에 위치하고, 온도에 따라 가변하는 전압을 출력하는 서미스터; 및 상기 게이트 구동부에 구동 신호를 인가하고, 상기 서미스터와 연결되어, 상기 서미스터의 출력 전압이 설정값보다 작을 때 상기 구동 신호를 차단하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법 {Power transforming apparatus, air conditioner including the same and method for controlling the same}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 역률 제어부를 포함하는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 조화기의 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 이러한 모터에는 전력 변환 장치로부터 교류 전력이 공급된다.
이와 같은 전력 변환 장치는 주로, 정류부, 역률 제어부 및 인버터를 포함하는 것으로 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터와 같은 전력 변환부에 공급된다. 이때, 전력 변환부는, 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.
경우에 따라, 정류부와 인버터 사이에는 역률 개선을 위한 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)가 구비될 수 있다.
이와 같은 컨버터에는 스위칭 동작을 위한 스위칭 소자가 구비된다.
일반적으로 전력 변환 장치에는 IGBT와 같은 반도체 소자로 구현되는 스위칭 소자는 과전류, 과전압과 같은 이상 전압 및 이상 전류 발생 시 스위칭 소자를 보호하는 기능을 구현되어 있을 수 있지만 스위칭 소자 및/또는 게이트 구동부가 과열되는 경우에 이러한 과열로부터 스위칭 소자 및/또는 게이트 구동부를 보호하는 기능은 별도로 구현되어 있지 않을 수 있다.
따라서, 스위칭 소자 및/또는 게이트 구동부를 과열로부터 보호할 수 있는 방안이 요구되며, 이러한 경우에도 전력 변환 장치가 설치된 제품이 이상 없이 작동할 수 있도록 하는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 스위칭 소자 및 게이트 구동부 중 적어도 어느 하나가 과열에 의하여 소손되는 것을 방지할 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 스위칭 소자 및 게이트 구동부 중 적어도 어느 하나를 과열로부터 보호하면서 공기 조화기가 이상 없이 동작하도록 할 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 공기 조화기 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 교류 전원으로부터 입력되는 교류 전압을 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 정류된 전압에 대하여 역률 개선 동작을 수행하며 스위칭 소자를 포함하는 역률 제어부; 상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터; 상기 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부 측에 위치하고, 온도에 따라 가변하는 전압을 출력하는 서미스터; 및 상기 게이트 구동부에 구동 신호를 인가하고, 상기 서미스터와 연결되어, 상기 서미스터의 출력 전압이 설정값보다 작을 때 상기 구동 신호를 차단하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 설정값은, 상기 서미스터와 상기 스위칭 소자의 위치 차이에 따른 온도 차이를 고려하여 설정된 것일 수 있다.
여기서, 상기 서미스터는, 상기 스위칭 소자와 상기 게이트 구동부를 각각 직각 방향으로 바라보는 위치에 설치될 수 있다.
여기서, 상기 서미스터는, 상기 게이트 구동부의 FO(fault out) 단자에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 서미스터의 출력 전압이 설정값보다 작을 때, 상기 정류부의 출력을 통하여 상기 DC-링크 캐패시터에 충전된 전력이 상기 인버터로 그대로 전달되도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 서미스터의 출력 전압이 상기 설정값 이상일 때 상기 구동 신호를 출력하여 상기 역률 제어부를 정상 동작시킬 수 있다.
정류부, 역률 제어부, DC-링크 캐패시터 및 인버터를 포함하고, 상기 역률 제어부를 구동하는 스위칭 소자 측에 서미스터가 설치된 전력 변환 장치의 제어 방법에 있어서,
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 상기 서미스터의 출력 전압을 감지하는 단계; 상기 출력 전압이 설정값보다 작은지 판단하는 단계; 상기 출력 전압이 설정값보다 작을 때 상기 역률 제어부의 스위칭 소자의 구동을 중지하는 단계; 및 상기 정류부를 통하여 상기 DC-링크 캐패시터에 충전된 전력을 이용하여 상기 인버터가 동작하도록 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 설정값은, 상기 서미스터와 상기 스위칭 소자의 위치 차이에 따른 온도 차이를 고려하여 설정될 수 있다.
여기서, 상기 서미스터의 출력 전압이 상기 설정값 이상일 때 상기 구동 신호를 출력하여 상기 역률 제어부를 정상 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 상기와 같은 전력 변환 장치를 포함하는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 과열로부터 스위칭 소자 및/또는 게이트 구동부를 보호하여 고온으로 인한 스위칭 소자 및/또는 게이트 구동부의 소손을 방지할 수 있다.
이때, 전력 변환 장치의 작동을 멈추지 않고 패시브 상태로 동작하도록 할 수 있다. 따라서, 이러한 전력 변환 장치가 설치된 공기 조화기의 냉방 성능이 저하되지 않는다.
또한, 과열이 해소된 이후에 역률 제어부가 정상적으로 동작하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 세부 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 서미스터의 설치 위치를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 교류 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 정류부(110)에서 정류된 DC 전압을 승/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터(120), 컨버터(120)를 제어하는 컨버터 제어부(130), 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150)와, 그리고 컨버터(120)와 인버터(140) 사이의 DC단 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터(140)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다.
그러나 모터(200)는 압축기 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차, 청소기 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
한편, 모터 구동장치(100)는, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터(120)는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터(120)는 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터를 이용할 수 있다. 또한, 이러한 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 승압 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 경우에 따라, 컨버터(120)는 정류부(110)를 포함하는 개념일 수 있다. 이하, 컨버터(120)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(110)는, 단상 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전원을 컨버터(120) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이와 같이, 컨버터(120)는 정류부(110)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
이러한 컨버터(120)는, 정류부(110)에 연결되는 인덕터(L1), 이 인덕터(L1)에 연결되는 스위칭 소자(Q1), 이러한 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 연결되는 캐패시터(C), 및 스위칭 소자(Q1)와 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
승압 컨버터(120)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 컨버터로서, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 다이오드(D1)가 차단되면서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, 캐패시터(C)에 저장되어 있던 전하가 방전하면서 출력단에 출력전압을 발생시킨다.
또한, 스위칭 소자(Q1)가 차단되면 스위칭 소자(Q1) 도통 시 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지가 더해져서 출력단으로 전달된다.
여기서, 스위칭 소자(Q1)는 별도의 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 즉, 컨버터 제어부(130)에서 전달되는 PWM 신호가 스위칭 소자(Q1)의 베이스(base; 또는 게이트) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
컨버터 제어부(130)는 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver;131)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부(132)를 포함한 구성일 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
IGBT는 전력 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transitor)의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자로서, 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 소자이다.
이와 같이, 컨버터 제어부(130)는 컨버터(120) 내의 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 제어 신호(Sc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(130)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
경우에 따라, 이러한 컨버터(120) 및 컨버터 제어부(130)는 생략될 수 있다. 즉, 정류부(110)를 거친 출력 전압이 DC단 캐패시터(C)에 충전되거나 인버터(140)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current transformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC단 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC단 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC단 캐패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 제어신호(Si)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 DC 전압은, 컨버터 제어부(130)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(140)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Q'a, Q'b, Q'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
인버터 제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터(140)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC단 캐패시터(C) 양단인 DC단 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC단 전압(Vdc)은 DC단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(200)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(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 컨버터 제어부(130)에는 서미스터(NTC; 133)가 연결될 수 있다. 이러한 서미스터(133)는 온도에 따라 변화하는 전압 값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 온도가 높아질수록 출력 전압 값이 낮아질 수 있다.
구체적으로, 서미스터(133)는 컨버터 제어부(130)의 게이트 구동부(131) 및 제어부(132)에 각각 연결될 수 있다. 이러한 서미스터(133)는 스위칭 소자(Q1) 및 게이트 구동부(131) 측에 설치될 수 있다. 즉, 스위칭 소자(Q1) 및 게이트 구동부(131)에 가까운 위치에 설치될 수 있다.
이때, 제어부(132)는 서미스터의 출력 전압에 따라 스위칭 소자(Q1)를 구동하는 구동 신호를 인가하거나 차단하도록 동작할 수 있다.
예를 들어, 서미스터의 출력 전압이 설정값보다 작을 때 스위칭 소자(Q1)의 구동 신호를 차단할 수 있다. 이하, 이러한 사항은 자세히 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 세부 회로도이다.
도 3은 전력 변환 장치 중에서 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터에 해당하는 구성을 주로 도시하고 있다.
도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 컨버터(120)는 정류부(110)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
여기서, 도 2에서와 같은 인덕터(L1), 스위칭 소자(Q1)와 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1) 등은 생략되어 있다.
또한, 스위칭 소자(Q1)는 게이트 구동부(131)에서 전달되는 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 즉, 게이트 구동부(131)에서 전달되는 PWM 신호가 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
제어부(132)는 이러한 게이트 구동부(131)에 PWM 구동 신호를 전달하여 게이트 구동부(131) 및 스위칭 소자(Q1)를 제어할 수 있다.
게이트 구동부(131)는 내부에 P형 MOS(metal-oxide semiconductor)(PMOS) 및 N형 MOS(NMOS)가 포함되어, 이 PMOS 및 NMOS가 온/오프(on/off) 동작함에 따라 스위칭 소자(Q1)에 구동 전압(예를 들어, 게이트-에미터 간 전압; VGE)이 인가되고, 이에 따라 스위칭 소자(Q1)가 온/오프 동작을 수행할 수 있다.
이러한 게이트 구동부(131)는 저항(R1)에 의하여 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 연결될 수 있다. 또한, 게이트 구동부(131)에는 구동을 위한 전원단(15V)이 연결될 수 있다.
이때, 스위칭 소자(Q1)의 컬렉터 단(C)은 위에서 언급한 DC-링크 캐패시터(DC)에 연결될 수 있고, 스위칭 소자(Q1)의 에미터(E) 단은 출력단으로서 전원 접지단(Ground; GND)에 연결될 수 있다.
이와 같이, 스위칭 소자(Q1)의 동작에 의하여, 도 2에서 도시한 컨버터의 동작에 따라 정류부(110)에서 정류된 전압을 승압 및 평활되고, 이러한 승압 및 평활된 전압은 DC-링크 캐패시터(C)에 저장될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 컨버터 제어부(130)에는 서미스터(NTC; 133)가 연결될 수 있다. 이러한 서미스터(133)는 온도에 따라 변화하는 전압 값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 온도가 높아질수록 출력 전압 값이 낮아질 수 있다.
구체적으로, 서미스터(133)는 컨버터 제어부(130)의 게이트 구동부(131) 및 제어부(132)에 각각 연결될 수 있다. 이러한 서미스터(133)는 스위칭 소자(Q1) 및 게이트 구동부(131) 측에 설치될 수 있다. 즉, 스위칭 소자(Q1) 및 게이트 구동부(131)에 가까운 위치에 설치될 수 있다.
이때, 제어부(132)는 서미스터(133)의 출력 전압에 따라 스위칭 소자(Q1)를 구동하는 구동 신호를 인가하거나 차단하도록 동작할 수 있다.
예를 들어, 제어부(132)는 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값보다 작을 때 스위칭 소자(Q1)의 구동 신호를 차단할 수 있다.
여기서, 설정값은, 서미스터(133)와 스위칭 소자(Q1)의 위치 차이에 따른 온도 차이를 고려하여 설정된 것일 수 있다. 예를 들어, 서미스터(133)의 위치와 스위칭 소자(Q1)의 접합부 온도 사이에 존재하는 온도 차이를 고려하여 설정값이 설정될 수 있다. 즉, 서미스터(133)의 위치와 스위칭 소자(Q1)의 접합부 온도 사이에, 예를 들어, 5 ℃의 온도차가 존재한다면, 이로 인한 전압 차이를 고려하여 설정값이 정해질 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 서미스터의 설치 위치를 나타내는 도이다.
도 4를 참조하면, 서미스터(133)는 스위칭 소자(Q1)와 게이트 구동부(131)를 각각 직각 방향으로 바라보는 위치에 설치될 수 있다.
즉, 게이트 구동부(131)는 반도체 집적 회로(integrated circuit; IC) 소자로 구현될 수 있는데, 서미스터(133)는 이러한 집적 회로 소자 및 스위칭 소자(Q1)에 가까운 위치에 설치될 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 서미스터(133)는, 제어부(132)와 연결될 수 있으며, 동시에 게이트 구동부(131)의 FO(fault out) 단자에 연결될 수 있다. 이때, 게이트 구동부(131)의 FO 단자에서 신호가 출력되면 게이트 구동부(131)의 동작이 중지될 수 있다.
또한, 제어부(132)는 게이트 구동부(131)의 입력 단자(IN)에 연결될 수 있다. 제어부(132)에서 게이트 구동부(131)의 입력 단자(IN)에 출력 신호를 인가하면 게이트 구동부(131)에서는 PWM 신호가 출력되지 않아 스위칭 소자(Q1)의 구동이 멈출 수 있다.
이와 같이, 제어부(132)는 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값보다 작을 때 스위칭 소자(Q1)의 구동 신호를 차단할 수 있다. 즉, 서미스터(133)가 설치된 위치의 온도가 증가하여 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값보다 작아질 때, 스위칭 소자(Q1)의 구동을 멈출 수 있다.
즉, 제어부(132)에서는 이 서미스터(133)의 출력 전압을 감지하여, 그에 따른 온도가 설정 온도보다 높아질 경우에 게이트 구동부(131)의 입력 단자(IN)에 출력 신호를 주어 스위칭 소자(Q1)의 구동을 멈추도록 할 수 있는 것이다.
한편, 이와 같이, 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값보다 작아져서 스위칭 소자(Q1)의 구동이 멈추었을 때, 제어부(132)는 정류부(110)의 출력을 통하여 DC-링크 캐패시터(C)에 충전된 전력이 인버터(140)로 그대로 전달되도록 제어할 수 있다.
즉, 제어부(132)는 전력 변환 장치가 컨버터(130) 동작 없이 수동적으로 동작할 수 있도록(이하, 이를 패시브(passive) 동작이라 칭한다.) 제어할 수 있다. 따라서, 이와 같이, 스위칭 소자(Q1)의 구동이 멈추었을 때에도 이러한 전력 변환 장치(100)를 이용하는 공기 조화기는 정상적으로 동작할 수 있다.
이후에, 제어부(132)는 서미스터(133)의 출력 전압을 지속적으로 감지하여, 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값 이상이 되면, 즉, 서미스터(133)가 설치된 부분의 온도가 설정값에 해당하는 온도 이하로 낮아지면 다시 구동 신호를 게이트 구동부(131)로 출력하여 역률 제어부(120)를 정상 동작시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 위에서 설명한 구성을 가지는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기의 작동을 설명한다.
즉, 도 1 내지 도 4에서 도시하는 바와 같은 정류부(110), 역률 제어부(120), DC-링크 캐패시터(C) 및 인버터(140)를 포함하고, 역률 제어부(120)를 구동하는 스위칭 소자(Q1) 측에 서미스터(133)가 설치된 전력 변환 장치(100)의 제어 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 제어부(132)에서는 서미스터(NTC; 133)의 출력 전압을 감지한다(S10). 위에서 설명한 바와 같이, 서미스터(133)의 출력 전압은 게이트 구동부(131)의 FO 단자와 제어부(132)에 동시에 입력될 수 있다.
이후, 제어부(132)에서는 서미스터(133)의 출력 전압이 설정 전압보다 작은지 판단한다(S20).
구체적으로, 서미스터(133)의 출력 전압이 서미스터(133)의 위치와 스위칭 소자(Q1)의 접합부 온도 사이에 존재하는 온도 차이를 고려하여 설정값보다 작은지를 판단한다. 즉, 스위칭 소자(Q1)의 접합부와 게이트 구동부(131)의 과열 여부를 판단하는 것이다. 상술한 바와 같이, 설정값은, 서미스터(133)와 스위칭 소자(Q1)의 위치 차이에 따른 온도 차이를 고려하여 설정될 수 있다.
이때, 서미스터(133)의 출력 전압이 설정 전압보다 작지 않으면 제어부(132)에서는 정상적으로 게이트 구동부(131)의 구동 신호를 출력(S30)하여 역률 제어부(120)를 구동한다.
반면, 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값보다 작게 되면, 제어부(131)에서는 신호 출력을 중지하여(S40), 역률 제어부(120)의 스위칭 소자(Q1)의 구동이 멈추게 된다(S50).
이러한 상황에서는, 위에서 설명한 바와 같이, 제어부(131)는 전력 변환 장치(100)를 패시브 동작으로 구동한다(S60). 즉, 역률 제어부(120)는 구동을 멈추지만, 정류부(110)를 통하여 DC-링크 캐패시터(C)에 충전된 전력을 이용하여 인버터(140)가 동작하도록 제어하게 된다.
제어부(131)는 서미스터(133)의 출력 전압을 지속적으로 감지한다. 즉, S10 단계로 복귀하여 동작을 반복하게 된다.
이때, 이와 같은 패시브 동작 중에라도, 서미스터(133)의 출력 전압이 설정값 이상이 되면, 게이트 구동부(131)에 다시 구동 신호를 출력(S30)하여 역률 제어부(120)를 정상 동작시킬 수 있다.
일반적으로 전력 변환 장치에는 IGBT와 같은 반도체 소자로 구현되는 스위칭 소자(Q1)는 과전류, 과전압과 같은 이상 전압 및 이상 전류 발생 시 스위칭 소자(Q1)를 보호하는 기능을 구현되어 있을 수 있지만 스위칭 소자(Q1) 및/또는 게이트 구동부(131)가 과열되는 경우에 이러한 과열로부터 스위칭 소자(Q1) 및/또는 게이트 구동부(131)를 보호하는 기능은 별도로 구현되어 있지 않을 수 있다.
본 발명에 의하면, 이와 같은 과열로부터 스위칭 소자(Q1) 및/또는 게이트 구동부(131)를 보호하여 고온으로 인한 스위칭 소자(Q1) 및/또는 게이트 구동부(131)의 소손을 방지할 수 있다.
이때, 전력 변환 장치의 작동을 멈추지 않고 패시브 상태로 동작하도록 할 수 있다. 따라서, 이러한 전력 변환 장치가 설치된 공기 조화기의 냉방 성능이 저하되지 않는다.
또한, 과열이 해소된 이후에 역률 제어부(120)가 정상적으로 동작하도록 할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 전력 변환 장치 110: 정류부
120: 역률 제어부, 컨버터 130: 컨버터 제어부
131: 게이트 구동부 132: 제어부
133: 서미스터(NTC)

Claims (10)

  1. 교류 전원으로부터 입력되는 교류 전압을 정류하는 정류부;
    상기 정류부에서 정류된 전압에 대하여 역률 개선 동작을 수행하며 스위칭 소자를 포함하는 역률 제어부;
    상기 역률 제어부의 출력 전압이 저장되는 DC-링크 캐패시터;
    상기 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부;
    상기 게이트 구동부 측에 위치하고, 온도에 따라 가변하는 전압을 출력하는 서미스터; 및
    상기 게이트 구동부에 구동 신호를 인가하고, 상기 서미스터와 연결되어, 상기 서미스터의 출력 전압이 설정값보다 작을 때 상기 구동 신호를 차단하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설정값은, 상기 서미스터와 상기 스위칭 소자의 위치 차이에 따른 온도 차이를 고려하여 설정된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 서미스터는, 상기 스위칭 소자와 상기 게이트 구동부를 각각 직각 방향으로 바라보는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 서미스터는, 상기 게이트 구동부의 FO(fault out) 단자에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 서미스터의 출력 전압이 설정값보다 작을 때, 상기 정류부의 출력을 통하여 상기 DC-링크 캐패시터에 충전된 전력이 상기 인버터로 그대로 전달되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 서미스터의 출력 전압이 상기 설정값 이상일 때 상기 구동 신호를 출력하여 상기 역률 제어부를 정상 동작시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 정류부, 역률 제어부, DC-링크 캐패시터 및 인버터를 포함하고, 상기 역률 제어부를 구동하는 스위칭 소자 측에 서미스터가 설치된 전력 변환 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 서미스터의 출력 전압을 감지하는 단계;
    상기 출력 전압이 설정값보다 작은지 판단하는 단계;
    상기 출력 전압이 설정값보다 작을 때 상기 역률 제어부의 스위칭 소자의 구동을 중지하는 단계; 및
    상기 정류부를 통하여 상기 DC-링크 캐패시터에 충전된 전력을 이용하여 상기 인버터가 동작하도록 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 설정값은, 상기 서미스터와 상기 스위칭 소자의 위치 차이에 따른 온도 차이를 고려하여 설정된 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 서미스터의 출력 전압이 상기 설정값 이상일 때 상기 구동 신호를 출력하여 상기 역률 제어부를 정상 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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