KR20190036081A

KR20190036081A - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기

Info

Publication number: KR20190036081A
Application number: KR1020170124880A
Authority: KR
Inventors: 남한성; 이원우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-04-04
Also published as: KR102108071B1

Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과전류 보호 동작 작동시 오감지를 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 전류를 감지하는 전류 검출부; 상기 인버터의 다수의 스위칭 소자를 구동하고, 입력 단자로부터 상기 전류 검출부를 통하여 과전류에 따른 신호가 감지될 때 출력 단자에서 오류 신호를 발생하는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부를 제어하고, 상기 게이트 구동부의 출력 단자에서 발생한 오류 신호를 수신하는 제어부; 및 상기 전류 검출부와 상기 제어부 사이에 연결되어 상기 오류 신호 발생 시 실제 과전류 발생 여부를 판단하여 상기 제어부로 과전류 발생 여부에 따른 신호를 출력하는 오감지 방지부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 {Power transforming apparatus and air conditioner including the same}

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과전류 보호 동작 작동시 오감지를 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 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 인버터에 공급된다. 이때, 인버터에서는 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.

이러한 인버터는 인버터 제어부에 의하여 제어될 수 있으며, 인버터 제어부는 PWM 신호에 의하여 인버터에 포함된 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.

이와 같이, 인버터 제어부에서 인버터 구동 시, 과전류가 발생하는 경우에는 이러한 인버터 및 소자의 보호를 위하여 인버터의 구동을 멈추고 오류 신호(Fault 신호)가 인버터 제어부로 전송된다.

그런데 오류 신호(Fault 신호)의 전송 라인에 서지 등 기타 이유로 노이즈(Noise)가 발생하면 실제로 과전류 발생하지 않더라도 인버터 제어부에서 오류 신호가 감지되어 동작을 정지하도록 제어한다. 즉, 과전류 검출에 있어서 오감지가 발생할 수 있다.

이러한 오감지로 인하여 실제로 과전류가 발생하지 않았는데 인버터가 비정상적으로 정지될 수 있고, 이로 인한 동작 신뢰성이 저하될 수 있다.

또한, 마이컴으로 구현되는 인버터 제어부에서는 지속시간이 짧은 피크 형태의 신호의 수신이 불가하여, 오류 신호(Fault 신호)에 의하여만 과전류 여부를 판단하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 인버터를 구동하는 경우에 과전류로부터 보호 동작을 수행할 때, 노이즈 등에 의한 오감지가 발생하지 않도록 하여 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 전류를 감지하는 전류 검출부; 상기 인버터의 다수의 스위칭 소자를 구동하고, 입력 단자로부터 상기 전류 검출부를 통하여 과전류에 따른 신호가 감지될 때 출력 단자에서 오류 신호를 발생하는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부를 제어하고, 상기 게이트 구동부의 출력 단자에서 발생한 오류 신호를 수신하는 제어부; 및 상기 전류 검출부와 상기 제어부 사이에 연결되어 상기 오류 신호 발생 시 실제 과전류 발생 여부를 판단하여 상기 제어부로 과전류 발생 여부에 따른 신호를 출력하는 오감지 방지부를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 제어부는, 상기 오류 신호를 수신하고 상기 오감지 방지부로부터 상기 과전류 발생에 따른 신호를 수신할 때 상기 인버터의 구동을 정지시킬 수 있다.

여기서, 상기 오감지 방지부는, 상기 전류 검출부와 연결되어, 과전류 감지 여부에 따라 하이(high) 또는 로우(low) 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기와 상기 제어부 사이에 연결되는 D 플립 플롭을 포함할 수 있다.

이때, 상기 D 플립 플롭의 제1 입력 신호는 상기 비교기 출력 신호이고, 상기 D 플립 플롭의 제2 입력 신호는 상기 제어부에서 출력되는 하이(high) 및 로우(low) 신호일 수 있다.

이때, 상기 제어부에서 출력되는 하이(high) 및 로우(low) 신호는 상기 제어부에 상기 오류 신호가 수신되거나 상기 D 플립 플롭의 출력 신호가 수신될 때 전환될 수 있다.

여기서, 상기 게이트 구동부의 출력 단자에는 바이어스 전압이 풀업 저항을 통하여 연결될 수 있다.

이때, 상기 풀업 저항 측을 통하여 노이즈가 감지되어 상기 오류 신호 발생 시, 상기 오감지 방지부가 작동할 수 있다.

여기서, 상기 전류 검출부는, RC 필터를 통하여 상기 게이트 구동부의 입력 단자 및 상기 오감지 방지부와 연결될 수 있다.

이때, 상기 RC 필터를 통하여 과전류 발생에 따른 신호를 수신할 때 상기 오감지 방지부가 작동할 수 있다.

여기서, 상기 오류 신호는, 상기 전류 검출부를 통하여 과전류가 감지될 때 상기 제어부로 전달되는 상기 제어부에서 감지 가능한 지속 시간을 가지는 신호일 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 상기와 같은 특징을 가지는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

먼저, 인버터 작동에 있어서 과전류 오류 신호의 노이즈(Noise)로 인한 오감지를 방지하여 인버터를 포함한 전력 변환 장치의 동작 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 오감지 방지부의 D 플립 플롭(Flip flop)을 이용하여 전류 검출부에서도 피크 형태의 과전류 발생을 인식할 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 장치의 세부를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 이용되는 D 플립 플롭의 시점표를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 이용되는 D 플립 플롭의 진리표이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 작동 예를 나타내는 회로도이다.

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/강압하는 과정에서 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 DC-링크(DC-link) 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, 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전력을 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 전압 신호를 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), 및 스위칭 소자(Q1)와 DC-링크 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, DC-링크 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 게이트(gate; 또는 베이스) 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)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 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 transistor)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(D)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 컨버터(120)를 거치지 않고 DC-링크 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 DC-링크 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 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, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 컨버터(120)의 스위칭 소자(Q1)의 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(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.

컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터(140)의 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 DC-링크 캐패시터(C) 양단인 DC-링크 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC-링크 전압(Vdc)은 DC-링크 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.

도 2를 참조하면, 인버터 제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 151)와, 이러한 게이트 구동부(151)에 구동 신호를 전달하는 제어부(152)를 포함한 구성일 수 있다.

경우에 따라, 이러한 제어부(152)는 컨버터(120)를 제어할 수도 있다. 즉, 컨버터 제어부(130)가 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부로 구성되는 경우에, 이러한 컨버터 제어부(130)의 제어부와 인버터 제어부(150)의 제어부(152)는 동일한 구성일 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어부(152)는 반도체 집적회로(IC)로 구현되는 마이컴(MICOM)일 수 있다.

또한, 인버터 제어부(150)의 게이트 구동부(151)도 반도체 집적회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 두 개 이상의 MOS(metal oxide semiconductor) 소자로 이루어질 수 있다.

이하, 인버터 제어부(150)의 게이트 구동부(151) 및 제어부(152)는 반도체 집적회로로 구현되는 경우를 예로 설명한다.

한편, 인버터(140)와 게이트 구동부(151)는 하나의 모듈로 제작될 수 있다. 이러한 모듈은 집적 파워 모듈(integrated power module; IPM) 또는 파워 모듈이라 일컬을 수 있다.

전류 검출부(E)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(200)에 흐르는 전류를 검출한다. 전류 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.

전류 검출부(E)는 인버터(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항(Shunt resistor) 등이 사용될 수 있다.

도 2에서는 전류 검출부가 션트 저항(Rs)로 구성되는 예를 도시하고 있다. 이때, DC-링크 캐패시터(C)와 인버터(140)를 이루는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c) 사이에 단일 션트 저항(Rs)이 구비될 수 있다. 그러나 경우에 따라, 각 상에 해당되는 스위칭 소자에 션트 저항이 구비될 수도 있다.

이때, 션트 저항(Rs)으로 구현되는 전류 검출부를 통하여 과전류가 검출되는 경우, 션트 저항(Rs)에 걸린 전압, 즉, 과전류에 해당하는 전압은 게이트 구동부(151)의 입력 단자(Cin 단; 도 3 참조)로 입력될 수 있고, 이때 게이트 구동부(151)에서는 오류 신호가 출력 단자(Fo; 도 3 참조)에서 발생하여 제어부(152)로 전달되어 인버터(140)의 구동을 멈출 수 있다.

또한, 전류 검출부(Rs)와 제어부(152) 사이에는 오감지 방지부(160)가 구비될 수 있다. 이러한 오감지 방지부(160)는 이러한 오류 신호 발생 시 실제 과전류 발생 여부를 판단하여 제어부(152)로 실제 과전류 발생 여부에 따른 신호를 출력할 수 있다.

일례로, 실제 인버터(140)에서 과전류가 발생하지 않았으나, 서지(surge) 전압 등에 의한 노이즈에 의하여 과전류가 검출될 수도 있는데, 이러한 경우에는 오감지 방지부(160)의 작동에 의하여 실제 과전류 발생 여부를 제어부(152)로 알릴 수 있다.

따라서, 실제 과전류가 발생하지 않고 노이즈 등에 의하여 오류 신호가 발생한 경우 또는 출력 단자(Fo) 측에서 오감지가 발생하는 경우에, 오감지 방지부(160)의 작동에 의하여 제어부(152)는 이를 오감지로 판단하여 인버터(140)를 정상적으로 구동할 수 있는 것이다.

이러한 오감지 방지부(160)를 포함하는 주요 세부 구성을 도 3을 참조하여 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 세부를 나타내는 회로도이다.

도 3을 참조하면, 오감지 방지부(160)의 세부 구성을 나타내고 있다.

또한, 위에서 언급한 바와 같이, 인버터(140)와 게이트 구동부(151)는 하나의 모듈로 구비된 상태를 나타내고 있다. 도 3에서, 파워 모듈(IPM; 170)은 인버터(140)와 게이트 구동부(151)를 합한 구성 요소를 나타낸다. 즉, 도 3은 인버터(140)를 이루는 스위칭 소자들과 게이트 구동부(151)가 통합된 구성을 나타낸다.

도 3에서는 이러한 파워 모듈(170), 제어부(152) 및 오감지 방지부(160)의 구성을 주로 나타내고 있다.

이러한 파워 모듈(170)에서 Cin은 과전류 보호 기능을 위한 게이트 구동부(151)의 입력 단자이고, Fo는 Cin 단으로 과전류에 해당하는 전압이 입력된 경우에 오류 신호를 출력하는 출력 단자일 수 있다.

Fo 단자는 인버터(140)의 정상 작동시 하이(high) 신호를 출력할 수 있다. 이러한 하이 신호는 풀업 저항(R1)을 통하여 공급되는 바이어스 전압(5V)을 이용하여 생성할 수 있다. 이때, Cin 단으로 과전류에 해당하는 전압이 입력된 경우에 하이 신호는 로우(low) 신호로 일정시간 전환될 수 있다. 이러한 로우 신호의 지속 시간은 제어부(152)로 구현되는 마이컴이 감지할 수 있는 최소 시간(예를 들어, 대략 30 ㎲)일 수 있다.

또한, Cin 단으로 과전류에 해당하는 전압이 입력된 경우에도 일정시간(예를 들어, 2 ㎲) 이상 입력이 되었을 때 파워 모듈(170)은 이를 과전류로 감지할 수 있다.

즉, Fo 단자는 평상시 하이(high) 신호를 출력하다가 Cin 단으로 과전류에 해당하는 전압이 일정시간 이상 입력되는 경우에 과전류로 판단하고 일정시간 로우(high) 신호를 출력할 수 있다.

도 3을 참조하면, 오감지 방지부(160)는 전류 검출부에 연결되는 비교기(161)와, 이 비교기(161)와 제어부(152) 사이에 연결되는 D 플립 플롭(D Flip flop; 162)을 포함할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 전류 검출부는 션트 저항(Rs)으로 구현될 수 있다. 이러한 션트 저항(Rs)의 저항값은 예를 들어, 10 mΩ일 수 있다. 이때, 션트 저항(Rs)에 과전류에 해당되는 전류, 예를 들어, 50A 이상의 전류가 흐르면 션트 저항(Rs)에는 0.5V 이상의 전압이 션트 저항(Rs)의 양단에 걸릴 수 있고, 이 전압이 파워 모듈(170)의 Cin 단으로 입력될 수 있다.

이때, 이러한 션트 저항(Rs)의 양단에 걸린 전압 신호는 RC 필터(171)를 통하여 Cin 단에 연결될 수 있다. 이러한 RC 필터(171)는 션트 저항(Rs)을 통하여 Cin 단에 입력되는 전압 신호의 노이즈를 일차적으로 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 션트 저항(Rs)의 양단에 걸린 전압 신호는 비교기(161)에 입력될 수 있다. 비교기(161)의 시정수를 설정하는 저항(R2, R3)은 위에서 예로 든 바와 같이, 0.5V 이상의 전압이 + 단자로 입력되면 하이(high) 신호를 출력하도록 설정될 수 있다. 이때, 하이(high) 신호는 예를 들어 5V의 전압을 가지는 신호일 수 있다. 비교기(161)는 OP 앰프(163)를 포함할 수 있다.

이러한 비교기(161)의 출력 신호는 D 플립 플롭(162)의 CK 단자로 입력될 수 있다. 이때, CK 단자를 제1단자라 하고, CK 단자를 통하여 입력되는 신호를 제1 입력 신호라 할 수 있다. 또한, 제어부(152)의 "Signal" 단자에서 출력되어 D 플립 플롭(162)으로 입력되는 신호("Signal")는 D 단자는 통하여 입력될 수 있고, 이를 제2 입력 신호라 할 수 있다.

D 플립 플롭(162)의 출력은 Q 단자를 통하여 제어부(152)로 인가될 수 있다. 이때, Q 단자와 제어부(152) 사이에는 RC 필터(154)가 위치할 수 있다. 즉, D 플립 플롭(162)의 출력은 RC 필터(154)를 통하여 노이즈가 제거되어 제어부(152)로 인가될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 이용되는 D 플립 플롭의 시점표를 나타내는 도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 이용되는 D 플립 플롭의 진리표이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, CK의 상승 지점에서 D 값이 다음 Q 값(Q+)에 반환된다.

즉, 진리표에 의하면, CK의 상승 시점에 Q 값이 변화함을 알 수 있고, 이때 다음 Q 값(Q+)은 해당 시점의 D 값에 의존할 수 있다.

이때, 본 발명의 실시예에 의하면, "Signal", Fo 및 Q는 다음의 표 1과 같은 조건일 때 실제 과전류를 감지(Fault 감지)할 수 있다.

또한, 나머지 경우는 오감지로 판단할 수 있다. 즉, 파워 모듈(170)의 Fo 단자 측 또는 전류 검출부(Rs) 측 신호에 노이즈가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 션트 저항(Rs)으로 구현되는 전류 검출부를 통하여 과전류가 검출되는 경우, 션트 저항(Rs)에 걸린 전압, 즉, 과전류에 해당하는 전압은 게이트 구동부(151)의 Cin 단으로 입력될 수 있다.

이에 따라, 파워 모듈(170)의 Fo 단의 출력 신호는 하이 신호에서 일정시간 동안 로우 신호로 전환될 수 있다.

또한, 이와 같이, 션트 저항(Rs)으로 구현되는 전류 검출부를 통하여 과전류가 검출되는 경우, 션트 저항(Rs)에 걸린 전압, 즉, 과전류에 해당하는 전압은 오감지 방지부(160)의 비교기(161)로 입력될 수 있다.

이때, 비교기(161)는 하이 신호를 출력하여 D 플립 플롭의 CK 단자에는 하이 신호가 입력된다. 제어부(152)에서 전달되는 "Signal"은 하이 신호 또는 로우 신호일 수 있으며, 이러한 "Signal"의 하이 신호 또는 로우 신호는 D 플립 플롭의 D 단자로 입력된다.

즉, 표 1에서 나타내는 바와 같이, Fo 단의 출력 신호가 로우(low) 일 경우, D 단자("Signal")가 하이 신호일 때는 Q 단자로부터 하이 신호가 전달되고, D 단자("Signal")가 로우 신호일 때는 Q 단자로부터 로우 신호가 전달되는데, 이 두 경우만을 실제 과전류가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

이와 같이, 실제 과전류가 발생한 것으로 판단되는 경우에는 제어부(152)에서 인버터(140)의 구동을 멈출 수 있다.

그리고, 그 외의 경우에 해당할 경우에는 파워 모듈(170)의 Cin 단에 과전류에 해당하는 전압이 입력되거나 Fo 단자 측에서 과전류를 감지하는 경우에도(즉, Fo 신호가 로우 신호로 전환되는 경우) 이를 실제 과전류가 발생한 것으로 판단하지 않고 노이즈 등에 의한 것으로 판단할 수 있다. 그러면 제어부(152)는 인버터(140)의 구동을 멈추지 않고 정상적으로 구동할 수 있다.

이와 같이, 실제 과전류가 발생하지 않고 노이즈 등에 의하여 오류 신호가 발생한 경우 또는 출력 단자(Fo) 측에서 오감지가 발생하는 경우에, 오감지 방지부(160)의 작동에 의하여 제어부(152)는 이를 오감지로 판단하여 인버터(140)를 정상적으로 구동할 수 있는 것이다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 작동 예를 나타내는 회로도이다.

이하, 각 도면을 참조하여 각각의 상황에 따른 과전류 감지 과정을 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 6은 제어부(152)에서 "Signal"이 하이(high) 신호를 출력하고 있을 때 과전류 발생을 판단하는 과정을 나타내고 있다.

인버터를 포함한 파워 모듈(170)에서 모터(200)로 전달되는 전류(a)에서 과전류(예를 들어, 50A 이상)가 발생할 때, 션트 저항(Rs; 예를 들어, 10mΩ)으로 구현되는 전류 검출부에 흐르는 전류(b)에도 과전류가 발생한다.

그러면, 이 션트 저항(Rs)의 양단에 걸린 0.5V 이상의 전압이 파워 모듈(170)의 Cin 단에 인가되고, 동시에 오감지 방지부(160)로 인가된다.

파워 모듈(170)의 Cin 단에 0.5V 이상의 전압이 인가되면, 파워 모듈(170)의 Fo 단자에서 오류 신호(d)를 출력한다. 구체적으로, c 지점에 위치한 풀업 저항(R1)에 의하여 하이(high) 신호(예를 들어, 5V)를 유지하던 Fo 단자의 출력 신호는 제어부(152)가 감지할 수 있는 일정시간(예를 들어, 대략 30㎲) 동안 로우(low) 신호로 전환된다. 이 로우 신호는 제어부(152)로 인가된다.

또한, 오감지 방지부(160)로 인가된 0.5V 이상의 전압은 비교기(161)로 입력되고, 비교기(161)는 하이(high) 신호(예를 들어, 5V)를 출력한다.

이렇게 비교기(161)에서 출력된 하이 신호는 D 플립 플롭(162)의 CK 단자로 입력된다. 이때, 도 4의 진리표에 의하면, 이와 같이, CK 단자에 하이 신호가 입력되고, 제어부(152)에서 D 신호("Signal")는 하이(high) 신호로 출력하고 있을 때, D 플립 플롭(162)의 출력, 즉, Q 신호(e)는 로우에서 하이로 전환된다.

그러면, 제어부(152)에서는 Fo 단자 출력의 로우 신호와 Q 신호의 하이 신호를 감지하게 되고, 표 1에 따라, 실제 과전류가 발생(Fault 감지)한 것으로 감지한다.

이에 따라, 제어부(152)에서는 파워 모듈(170)로 신호를 전송하지 않아서 파워 모듈(170)의 동작을 중지시킬 수 있다.

다음, 도 7은 제어부(152)에서 "Signal"이 하이(high) 신호를 출력하고 있을 때 Fo 단의 오감지를 판단하는 과정을 나타내고 있다.

인버터를 포함한 파워 모듈(170)에서 모터(200)로 전달되는 전류(a)에서 과전류(예를 들어, 50A 이상)가 발생하지 않으면, 션트 저항(Rs)의 양단에 0.5V보다 작은 전압이 걸려서 파워 모듈(170)의 Cin 단에 인가되고, 동시에 오감지 방지부(160)로 인가된다.

파워 모듈(170)의 Cin 단에 0.5V보다 낮은 전압이 인가되면, 파워 모듈(170)의 Fo 단자에서 오류 신호를 출력하지 않는다. 즉, Fo 단자의 출력 신호는 하이(high) 신호를 유지한다.

그러나, 서지 전압 발생 등으로 인하여 c 지점에 풀업 저항(R1) 측에 노이즈가 발생할 때, 파워 모듈(170)은 오류 신호(d)를 출력한다. 구체적으로, c 지점에 위치한 풀업 저항(R1)에 의하여 하이(high) 신호(예를 들어, 5V)를 유지하던 Fo 단자의 출력 신호는 제어부(152)가 감지할 수 있는 일정시간(예를 들어, 대략 30㎲) 동안 로우(low) 신호로 전환된다. 이 로우 신호는 제어부(152)로 인가된다.

또한, 0.5V보다 낮은 전압이 오감지 방지부(160)의 비교기(161)로 입력되고, 비교기(161)는 로우(low) 신호(예를 들어, 0V)를 출력한다.

이렇게 비교기(161)에서 출력된 로우 신호는 D 플립 플롭(162)의 CK 단자로 입력된다. 이때, 도 4의 진리표에 의하면, 이와 같이, CK 단자에 로우 신호가 입력되고, 제어부(152)에서 D 신호("Signal")는 하이(high) 신호로 출력하고 있을 때, D 플립 플롭(162)의 출력, 즉, Q 신호(e)는 로우 신호 상태로 유지된다.

그러면, 제어부(152)에서는 Fo 단자 출력의 로우 신호와 Q 신호의 로우 신호를 감지하게 되고, 표 1에 따라, 실제 과전류가 발생하지 않은 것으로 감지한다. 즉, 노이즈 등에 의하여 오감지가 발생할 수 있으나, 제어부(152)에서는 오감지 방지부(160) 및 Fo 단자의 출력을 이용하여 오감지 여부를 감지할 수 있는 것이다.

이에 따라, 제어부(152)에서는 파워 모듈(170)로 신호를 전송하여 정상적으로 파워 모듈(170)을 동작시킬 수 있다.

도 8은 제어부(152)에서 "Signal"이 하이(high) 신호를 출력하고 있을 때 Cin 단의 오감지를 판단하는 과정을 나타내고 있다.

인버터를 포함한 파워 모듈(170)에서 모터(200)로 전달되는 전류(a)에서 과전류(예를 들어, 50A 이상)가 발생하지 않으면, 션트 저항(Rs)의 양단에 0.5V보다 작은 전압이 걸린다.

그러나, 서지 발생 등의 이유로 인하여 RC 필터(171) 측에서 노이즈가 유입될 수 있다. 예를 들어, 서지 전압 발생 등으로 그라운드가 흔들릴 때, 파워 모듈(170)의 Cin 단에 0.5V 이상의 전압이 인가될 수 있고, 이러한 0.5V 이상의 전압은 동시에 오감지 방지부(160)로 인가된다.

파워 모듈(170)의 Cin 단에 0.5V 이상의 전압이 인가되었으나, 이러한 노이즈의 지속시간은 매우 짧으므로 파워 모듈(170)의 Fo 단자에서 오류 신호를 출력하지 않는다. 즉, 0.5V 이상의 전압이 Cin 단에 인가되나 지속시간이 길지 않아서(예를 들면 2㎲보다 짧은 경우) Fo 단자의 출력 신호(d)는 하이(high) 신호를 유지한다. 이 하이 신호는 제어부(152)로 인가된다.

또한, 0.5V 이상의 전압이 오감지 방지부(160)의 비교기(161)로 입력되고, 비교기(161)는 하이(high) 신호(예를 들어, 5V)를 출력한다.

이렇게 비교기(161)에서 출력된 하이 신호는 D 플립 플롭(162)의 CK 단자로 입력된다. 이때, 도 4의 진리표에 의하면, 이와 같이, CK 단자에 하이 신호가 입력되고, 제어부(152)에서 D 신호("Signal")는 하이(high) 신호로 출력할 때, D 플립 플롭(162)의 출력, 즉, Q 신호(e)는 로우 신호에서 하이 신호로 전환된다.

그러면, 제어부(152)에서는 Fo 단자 출력의 하이 신호와 Q 신호의 하이 신호를 감지하게 되고, 표 1에 따라, 실제 과전류가 발생하지 않은 것으로 감지한다. 즉, 노이즈 등에 의하여 오감지가 발생할 수 있으나, 제어부(152)에서는 오감지 방지부(160) 및 Fo 단자의 출력을 이용하여 오감지 여부를 감지할 수 있는 것이다.

도 9는 제어부(152)에서 "Signal"이 로우(low) 신호를 출력하고 있을 때 과전류 발생을 판단하는 과정을 나타내고 있다.

이렇게 비교기(161)에서 출력된 하이 신호는 D 플립 플롭(162)의 CK 단자로 입력된다. 이때, 도 4의 진리표에 의하면, 이와 같이, CK 단자에 하이 신호가 입력되고, 제어부(152)에서 D 신호("Signal")는 로우(low) 신호로 출력하고 있을 때, D 플립 플롭(162)의 출력, 즉, Q 신호(e)는 하이에서 로우로 전환된다.

그러면, 제어부(152)에서는 Fo 단자 출력의 로우 신호와 Q 신호의 로우 신호를 감지하게 되고, 표 1에 따라, 실제 과전류가 발생(Fault 감지)한 것으로 감지한다.

하기의 표 2는 이와 같은 각 상황에 대해서 감지 상태를 정리하여 나타내고 있다. 표 2에서, 실제 과전류가 발생하여 파워 모듈(170)의 동작을 중지시킨 상태를 "Error 발생"으로 표기하고 있다. 또한, 제어부(152)에서 발생하는 신호(Signal(t))는 해당 상황이 발생하면, 즉, Fo 또는 Q의 변경이 발생하면 이후의 신호(Signal(t+1))로 전환된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 파워 모듈(170) 또는 인버터(140)/게이트 구동부(151)의 Fo 단자의 출력 신호와 전류 검출부(Rs)의 신호를 이용한 오감지 방지부(160)의 신호를 동시에 제어부(152)에서 감지하여, 일정 전류 이상이 동시에 감지되었을 때만 인버터(140)의 구동을 정지시켜 전력 변환 장치를 보호할 수 있다.

또한, D 플립 플롭(162)의 CK 단자를 이용하여 피크(Peak) 형태의 과전류 발생 시 마이컴으로 구현되는 제어부(152)의 감지 시간의 한계(신호 감지를 위한 최소 유지 시간; 25 ㎲)를 제거할 수 있다.

이에 따라, 마이컴의 최소 감지 시간 이내의 피크 형태의 신호도 수신 및 감지가 가능하다.

이와 같이, 인버터(140) 작동에 있어서 과전류 오류 신호의 노이즈(Noise)로 인한 오감지를 방지하여 인버터(140)를 포함한 전력 변환 장치의 동작 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 오감지 방지부(160)의 D 플립 플롭(Flip flop)을 이용하여 전류 검출부에서도 피크 형태의 과전류 발생을 인식할 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: 컨버터 130: 컨버터 제어부
140: 인버터 150: 인버터 제어부
151: 게이트 구동부 152: 제어부
160: 오감지 방지부 161: 비교기
162: D 플립 플롭 163: OP 앰프
200: 모터

Claims

모터를 구동하기 위한 3상 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;
상기 인버터의 전류를 감지하는 전류 검출부;
상기 인버터의 다수의 스위칭 소자를 구동하고, 입력 단자로부터 상기 전류 검출부를 통하여 과전류에 따른 신호가 감지될 때 출력 단자에서 오류 신호를 발생하는 게이트 구동부;
상기 게이트 구동부를 제어하고, 상기 게이트 구동부의 출력 단자에서 발생한 오류 신호를 수신하는 제어부; 및
상기 전류 검출부와 상기 제어부 사이에 연결되어 상기 오류 신호 발생 시 실제 과전류 발생 여부를 판단하여 상기 제어부로 과전류 발생 여부에 따른 신호를 출력하는 오감지 방지부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 오류 신호를 수신하고 상기 오감지 방지부로부터 상기 과전류 발생에 따른 신호를 수신할 때 상기 인버터의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 오감지 방지부는,
상기 전류 검출부와 연결되어, 과전류 감지 여부에 따라 하이(high) 또는 로우(low) 신호를 출력하는 비교기; 및
상기 비교기와 상기 제어부 사이에 연결되는 D 플립 플롭을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제3항에 있어서, 상기 D 플립 플롭의 제1 입력 신호는 상기 비교기 출력 신호이고, 상기 D 플립 플롭의 제2 입력 신호는 상기 제어부에서 출력되는 하이(high) 및 로우(low) 신호인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제4항에 있어서, 상기 제어부에서 출력되는 하이(high) 및 로우(low) 신호는 상기 제어부에 상기 오류 신호가 수신되거나 상기 D 플립 플롭의 출력 신호가 수신될 때 전환되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 게이트 구동부의 출력 단자에는 바이어스 전압이 풀업 저항을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제6항에 있어서, 상기 풀업 저항 측을 통하여 노이즈가 감지되어 상기 오류 신호 발생 시, 상기 오감지 방지부가 작동하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 전류 검출부는, RC 필터를 통하여 상기 게이트 구동부의 입력 단자 및 상기 오감지 방지부와 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제8항에 있어서, 상기 RC 필터를 통하여 과전류 발생에 따른 신호를 수신할 때 상기 오감지 방지부가 작동하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 오류 신호는, 상기 전류 검출부를 통하여 과전류가 감지될 때 상기 제어부로 전달되는 상기 제어부에서 감지 가능한 지속 시간을 가지는 신호인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.