KR20190097593A - 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기 Download PDF

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KR20190097593A
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이원우
박귀근
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엘지전자 주식회사
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/88—Electrical aspects, e.g. circuits
    • H02M2001/0064—
    • H02M2003/1586—

Abstract

본 발명은 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 전력변환장치는, 필터부의 양단에 접속되며, 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 필터부의 양단에 접속되며, 컨버터로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 구비한다. 이에 따라, 인버터와 전압 강압부 각각의 접지단을 동기화할 수 있게 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, 인버터와 전압 강압부 각각의 접지단을 동기화할 수 있는 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, 공기조화기는, 전원을 변환하는 전력변환장치를 구비할 수 있다. 종래의 전력변환장치에 따르면, 컨버터의 입력단에 배치되는 제1 필터부, 전압 강압부의 입력단에 배치되는 제2 필터부가 각각 구현되며, 각각 구현되는 필터부로 인하여, 컨버터로 공급되는 전압과, 전압 강압부로 공급되는 전압이 달라진다.
따라서, 전압 강압부의 출력단에 배치되는 접지단과, 인버터의 접지단이 동기화되지 못하게 되며, 이에 따라, 컨버터 등의 동작과, 전압 강압부의 동작에 따른 전자파 노이즈가 각각 독립적으로 발생하며, 전력변환장치 내에 전반적으로 상당히 크게 나타나는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 인버터와 전압 강압부 각각의 접지단을 동기화할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전자파 잡음(EMI)을 저감할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전력변환장치를 컴팩트하게 구현할 수 있는 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 필터부의 양단에 접속되며, 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 필터부의 양단에 접속되며, 컨버터로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 구비한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 전압 강압부의 출력단에 접속되며, 레벨 다운된 제1 직류 전원, 및 제2 직류 전원을 각각 저장하는 제1 커패시터와, 제2 커패시터를 더 포함한다.
한편, 인버터에 접속되는 접지단과, 제1 커패시터에 접속되는 접지단, 및 제2 커패시터에 접속되는 접지단이, 동일하게 구현된다.
한편, 컨버터는, 필터부로부터의 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 전원을 스위칭 동작에 따라, 승압하여 직류 전원을 출력하는 스위칭부를 포함하며, 스위칭부는 인터리빙 동작을 수행할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 필터부의 양단에 접속되며, 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 필터부의 양단에 접속되며, 컨버터로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 구비한다.
한편, 공기조화기 내의 실외기가 상기 전력 변환장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전력변환장치 및 이를 구비하는 공기조화기는, 전력변환장치는, 필터부의 양단에 접속되며, 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 필터부의 양단에 접속되며, 컨버터로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 구비한다. 이에 따라, 인버터와 전압 강압부 각각의 접지단을 동기화할 수 있게 된다. 나아가, 접지단 동기화에 따른 전자파 잡음(EMI)을 저감할 수 있게 된다.
한편, 인버터와 전압 강압부의 전단에 각각 배치되는 필터부 중 어느 하나를 삭제하여, 전력변환장치를 컴팩트하게 구현할 수 있게 된다.
특히, 전압 강압부의 전단에 배치되는 필터부를 삭제하고, 공통의 필터부를 사용함으로써, 제조 비용을 저감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는, 전압 강압부의 출력단에 접속되며, 레벨 다운된 제1 직류 전원, 및 제2 직류 전원을 각각 저장하는 제1 커패시터와, 제2 커패시터를 더 포함하며, 인버터에 접속되는 접지단과, 제1 커패시터에 접속되는 접지단, 및 제2 커패시터에 접속되는 접지단이, 동일하게 구현될 수 있게 된다. 따라서, 전력변환장치의 회로 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 컨버터는, 필터부로부터의 교류 전원을 정류하는 정류부와, 정류부로부터의 전원을 스위칭 동작에 따라, 승압하여 직류 전원을 출력하는 스위칭부를 포함하며, 스위칭부는 인터리빙 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 전력변환 효율을 증대시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 필터부의 양단에 접속되며, 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터와, 필터부의 양단에 접속되며, 컨버터로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부를 구비한다. 이에 따라, 인버터와 전압 강압부 각각의 접지단을 동기화할 수 있게 된다. 나아가, 접지단 동기화에 따른 전자파 잡음(EMI)을 저감할 수 있게 된다.
한편, 인버터와 전압 강압부의 전단에 각각 배치되는 필터부 중 어느 하나를 삭제하여, 전력변환장치를 컴팩트하게 구현할 수 있게 된다.
한편, 공기조화기 내의 실외기가 상기 전력변환장치를 구비할 수 있다. 이에 따라, 전력 소비가 큰 실외기에서, 인버터와 전압 강압부 각각의 접지단을 동기화할 수 있어, 전자파 잡음(EMI)을 저감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 실외기와 실내기의 내부 블록도의 일예이다.
도 4는 본 발명과 관련된 전력변환장치의 내부 회로도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 내부 회로도를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 전력변환장치의 블록도이다.
도 7은 도 6의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 8a 내지 도 9b는 도 4, 및 도 5의 전력변환장치의 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 공기조화기(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 실내기(31), 실내기(31)에 연결되는 실외기(21)를 포함할 수 있다.
공기조화기의 실내기(31)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 도면에서는, 스탠드형 실내기(31)를 예시한다.
한편, 공기조화기(100)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(21)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)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(31)로 냉매를 공급한다. 실외기(21)는 원격제어기(미도시) 또는 실내기(31)의 요구(demand)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변되는 것도 가능하다.
이때, 실외기(21)는, 연결된 실내기(310)로 압축된 냉매를 공급한다.
실내기(31)는, 실외기(21)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(31)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(21) 및 실내기(31)는 통신선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하며, 실외기 및 실내기는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
리모컨(미도시)는 실내기(31)에 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 공기조화기(100)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(100)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
도 1의 실외기(21) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(250)를 구동하는, 압축기 구동을 위한 전력변환장치(도 6의 200)에 의해 구동될 수 있다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 실외기와 실내기의 내부 블록도의 일예이다.
실외기(21)는, 통신부(120a), 메모리(140a), 제어부(170a), 전원 공급부(190a), 압축기 구동부(200), 팬 구동부(127a)를 구비할 수 있다.
통신부(120a)는, 실내기(31)와 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 유선의 전력선 통신을 통해, 실내기와 데이터를 교환할 수 있다.
메모리(140a)는, 제어부(170a)의 처리 또는 제어를 위한 프로그램 등, 실외기(21) 전반의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170a)는, 실외기(21) 내의 각 유닛의 전반적인 동작을 제어한다.
전원 공급부(190a)는, 제어부(170a)의 제어에 의해, 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.
압축기 구동부(200)는, 압축기 구동을 위한 회로를 구비하여, 압축기를 구동할 수 있다.
팬 구동부(127a)는, 팬 구동을 위한 회로를 구비하여, 팬을 구동할 수 있다.
실내기(31)는, 입력부(110), 메모리(140b), 제어부(170b), 디스플레이(180), 전원 공급부(190b)를 구비할 수 있다.
입력부(110)는, 실내기(31)에 부착되는 복수의 버튼 또는 터치 스크린을 구비할 수 있다. 복수의 버튼 또는 터치 스크린을 통해, 실내기(31)의 전원을 온 시켜, 동작시키는 것이 가능하다. 그 외, 다양한 입력 동작을 수행하는 것도 가능하다.
통신부(120b)는, 실외기(21)와 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 유선의 전력선 통신을 통해, 실외기(21)와 데이터를 교환할 수 있다.
메모리(140b)는, 제어부(170b)의 처리 또는 제어를 위한 프로그램 등, 실내기(31) 전반의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170b)는, 실내기(31) 내의 각 유닛의 전반적인 동작을 제어한다.
전원 공급부(190b)는, 제어부(170b)의 제어에 의해, 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.
디스플레이(180)는, 실내기(31)의 동작 상태를 표시할 수 있다.
도 4는 본 발명과 관련된 전력변환장치의 내부 회로도를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면,도 4의 전력변환장치(200x)는, 전원 차단부(610x), 제1 필터부(203x), 제2 필터부(205x), 컨버터(210x), 전압 강압부(260x), 인버터(220x), dc단 커패시터(Cx), 제1 커패시터(C2x), 제2 커패시터(C3x)를 포함할 수 있다.
전원 차단부(610x)는, 입력 교류 전원(201x)의 전원 차단을 위한 동작을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 퓨즈(fusex)를 구비할 수 있다.
제1 필터부(203x)는, 전원 차단부(610x)와 컨버터(210x) 사이에 접속되며, 입력 교류 전원(201x)의 노이즈를 제거하여, 컨버터(210x)로 필터링된 교류 전원을 공급한다. 즉, 제1 필터부(203x) 출력단의 양단(c-d 단) 전압(v2)을 컨버터(210x)로 공급한다.
다음, 제2 필터부(205x)는, 전원 차단부(610x)와 전압 강압부(260x) 사이에 접속되며, 입력 교류 전원(201x)의 노이즈를 제거하여, 전압 강압부(260x)로 필터링된 교류 전원을 공급한다. 즉, 제2 필터부(205x) 출력단의 양단(e-f 단) 전압(v3)을 전압 강압부(260x)로 공급한다.
한편, 제1 필터부(203x)와 제2 필터부(205x)는, 전원 차단부(610x)의 출력단의 양단(c-d 단)에 접속되며, 서로 병렬 접속된다.
전압 강압부(260x)는, 복수의 직류 전원을 공급하며, 인버터(220x)는, 변환된 교류 전원을 모터(250)로 공급한다.
한편, 도 4의 전력변환장치(200x)에 따르면, 제1 필터부(203x), 제2 필터부(205x)로 인하여, 컨버터(210x)로 공급되는 전압(v2)과, 전압 강압부(260x)로 공급되는 전압(v3)이 달라진다.
따라서, 전압 강압부(260x)의 출력단에 배치되는 접지단(GND2,GND3)와, 인버터(220x)의 접지단(GND)이 동기화되지 못하게 되며, 각각 별도로 접지단이 구현되게 된다. 이에 따라, 컨버터(210x), 인버터(220x)의 동작과, 전압 강압부(260x)의 동작에 따른 전자파 노이즈(EMI)가 각각 독립적으로 발생하며, 전력변환장치(200x) 내에 전반적으로 상당히 크게 나타나게 된다.
이에 본 발명에서는, 전압 강압부의 출력단에 배치되는 접지단과, 인버터의 접지단이 동기화되는 방향을 제안한다. 이에 대해서는 도 5 이하를 참조하여 기술한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 내부 회로도를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 도 5의 전력변환장치(200)는, 전원 차단부(610), 필터부(207), 컨버터(210), 전압 강압부(260), 인버터(220), dc단 커패시터(C), 제1 커패시터(C2), 제2 커패시터(C3)를 포함할 수 있다.
전원 차단부(610)는, 입력 교류 전원(201)의 전원 차단을 위한 동작을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 퓨즈(fuse)를 구비할 수 있다.
필터부(207)는, 입력 교류 전원(201)의 노이즈를 제거한다.
필터부(207)는, 복수의 인덕터, 커패시터 등을 구비할 수 있으며, 입력 교류 전원(201)을 필터링할 수 있다. 구체적으로, 입력 교류 전원(201)의 노이즈를 저감할 수 있다. 이를 위해, 필터부(207)는, LCL 커몬 모드 필터를 구비할 수 있다.
한편, 필터부(207) 입력단의 양단(a-b 단) 전압을 v1으로 정의할 수 있으며, 필터부(207) 출력단의 양단(c-d 단) 전압을 v2으로 정의할 수 있다.
다음, 컨버터(210)와, 전압 강압부(260)가, 각각 필터부(207) 출력단의 양단(c-d 단)에 접속되며, 서로 병렬 접속될 수 있다.
이에 따라, 컨버터(210)와, 전압 강압부(260), 각각은, 공통의 전압(v2)을 이용하여, 각각 전력 변환을 수행할 수 있게 되며, 이후, 인버터(220)의 접지단(GND)과, 전압 강압부의 출력단의 접지단(GND2,GND3)을 동기화할 수 있게 된다.
나아가, 인버터(220)의 접지단(GND)과, 전압 강압부의 출력단의 접지단(GND2,GND3)을 공통으로 구현할 수 있게 된다. 따라서, 전력변환장치(200)에서의 전자파 노이즈(EMI)를 상당히 저감할 수 있게 된다.
컨버터(210)는, 필터부(207) 출력단의 양단(c-d 단)에 접속되며, 필터부(207)로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
이를 위해, 컨버터(210)는, 필터부(207)로부터의 교류 전원(v2)을 정류하는 정류부(212)와, 정류부(212)로부터의 전원을 스위칭 동작에 따라, 승압하여 직류 전원을 출력하는 스위칭부(216)를 포함할 수 있다.
정류부(212)는, 브릿지 형태로 접속되는 4개의 다이오드를 구비할 수 있다.
스위칭부(216)는, 제1 인덕터, 제1 스위칭 소자, 및 제1 다이오드를 구비하는 제1 스위칭부와, 제2 인덕터, 제2 스위칭 소자, 및 제2 다이오드를 구비하는 제2 스위칭부를 구비할 수 있다.
제1 스위칭부와, 제2 스위칭부는 서로 병렬 접속되며, 인터리빙으로 동작할 수 있다.
예를 들어, 제1 기간 동안, 제1 스위칭 소자가 턴 온되며, 그 이후, 제2 기간 동안 제2 스위칭 소자가 턴 온될 수 있다.
제1 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제1 인덕터에 에너지가 저장되었다가, 제1 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 제1 인덕터에 저장된 에너지가 출력될 수 있다.
한편, 제2 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 제2 인덕터에 에너지가 저장되었다가, 제2 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 제2 인덕터에 저장된 에너지가 출력될 수 있다. 이에 따라, 컨버터(210)는 승압된 직류 전원을 출력할 수 있게 된다. 이러한 인터리빙 컨버터에 의해, 전력변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
dc단 커패시터(C)는, 컨버터(210)의 출력단에 배치되며, 컨버터(210)의 출력 전압을 평활, 저장할 수 있다.
인버터(220)는, 복수의 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 스위칭 동작에 의해, dc단 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 삼상의 교류 전원을 모터(250)에 출력할 수 있다. 이에 따라, 삼상 모터(250)가 동작할 수 있다.
전압 강압부(260)는, 필터부(207) 출력단의 양단(c-d 단)에 접속되며, 필터부(207)로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하되, 컨버터(210)로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력할 수 있다.
예를 들어, 컨버터(210)의 출력 전압의 레벨이 대략 230V 내지 350V일 수 있으며, 전압 강압부(260)에서 출력되는 제1 직류 전원(Vdc2), 및 제2 직류 전원(Vdc3)은, 대략 15V, 10V 등일 수 있다.
복수의 직류 전원(Vdc1, Vdc2)은, 일반 모드 동작시, 각각, 실내기(31) 또는 실외기(21) 내의 각 유닛에 공급될 수 있다. 예를 들어, Vdc1, Vdc2은, 각각 디스플레이, 통신부, 또는 제어부(170a 또는 170b) 등에 공급될 수 있다.
한편, 제1 커패시터(C2)는, 전압 강압부(260)의 출력단에 접속되며, 레벨 다운된 제1 직류 전원(Vdc2)을 저장할 수 있다. 이때, 제1 커패시터(C2)의 일단은, 접지단(GND2)에 접속될 수 있다.
한편, 제2 커패시터(C3)는, 전압 강압부(260)의 출력단에 접속되며, 레벨 다운된 제2 직류 전원(Vdc3)을 저장할 수 있다. 이때, 제2 커패시터(C3)의 일단은, 접지단(GND3)에 접속될 수 있다.
인버터(220)의 하암 스위칭 소자들(S'a~S'c)은 각각 접지단(GND)에 접속될 수 있다.
본 발명에서는, 전력변환장치(200) 내의 전자파 노이즈(EMI) 저감 등을 위해, 제1 커패시터(C2)의 일단에 접속되는 접지단(GND2), 제2 커패시터(C3)의 일단에 저속되는 접지단(GND3), 및 인버터(220)에 접속되는 접지단(GND)를 동기화하도록 한다.
나아가, 각 접지단(GMD,GND2,GND3)를 공통으로 구현할 수도 있다. 이에 따라, 접지단 동기화에 따른 전자파 잡음(EMI)을 저감할 수 있게 된다.
도 6은 도 5의 전력변환장치의 블록도이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200)는, 압축기 구동을 위한 압축기 구동부일 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(200)는 실외 인입형 전력변환장치라 명명될 수도 있다.
전력변환장치(200)는, 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), 컨버터(210)와 인버터(220) 사이의 dc단 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
한편, 전력변환장치(200)는, dc단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
컨버터(210)는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다. 컨버터(210)는, 정류부(212)와 스위칭부(216)를 포함하는 개념일 수 있다.
정류부(212)는, 단상 교류 전원(201)을 입력받아 정류하여 정류된 전원을 출력한다.
이를 위해, 정류부(212)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 다이오드 소자(Da,Db) 및 하암 다이오드 소자(D'a,D'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 다이오드 소자가 서로 병렬(Da&D'a,Db&D'b)로 연결되는 것을 예시한다. 즉, 브릿지 형태로 서로 접속될 수 있다.
스위칭부(216)는, 정류부(212)와 인버터(220) 사이에, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L1)와 다이오드(D1), 인덕터(L1)와 다이오드(D1) 사이에 접속되는 스위칭 소자를 구비한다. 이러한 스위칭 소자의 온에 의해, 인덕터(L1)에 에너지가 저장되다가, 스위칭 소자의 오프에 의해, 인덕터(L1)에 저장된 에너지가 다이오드(D1)를 거쳐, 출력될 수 있다.
한편, 저용량의 dc 단 커패시터(C)를 사용하는 경우, 스위칭부(216)는, 일정 전압이 승압된, 즉 오프셋된, 전압을 출력할 수도 있다.
컨버터 제어부(215)는, 스위칭부(216) 내의 스위칭 소자의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(215)는, 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B), dc단 전압 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)와, dc단 전압(Vdc)을 수신할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(212) 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 스위칭 제어 신호(Scc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(215)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(212) 전단에, 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(215)에 인가될 수 있다.
dc 전압 검출부(B)는 dc 단 커패시터(C) 양단, 즉 dc 단 전압(Vdc)을 검출한다. 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 dc 단 커패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어부(215), 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있으며, dc 단 커패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc), 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 각각 생성될 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.
이에 따라, 인버터(220)는, 부하인 모터(250)로, 인버터 전력(Pinv)을 공급할 수 있다. 이때의 인버터 전력(Pinv)은, 부하인 모터(250)에서 필요한 전력으로서, 필요한 목표 전력에 추종할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는, 인버터 전력(Pinv)을 부하에서 필요한 목표 전력과 동일한 개념으로 기술할 수도 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) 및 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.
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.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 7은 도 6의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 7을 참조하면, 인버터 제어부(230)는, 축변환부(310), 속도 연산부(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.
속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 축변화된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 연산된 위치(
Figure pat00001
)와 연산된 속도(
Figure pat00002
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00003
)와 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00004
)와 속도 지령치(ω* r)의 차이에 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, 속도 지령치는 목표 속도에 대응하는 값dfl 수 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, 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 pat00005
)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 pat00006
)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(220) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(220) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
한편, 상술한 바와 같이, 모터 구동장치(100)는, 인버터(220) 제어를 통하여, 모터(250)를 구동하는 벡터(vector) 제어를 하기 위해서, 모터(motor)에 흐르는 츨력 전류(io), 특히, 상전류(Phase current)를 감지하는 것이 필수적이다.
인버터 제어부(230)는, 감지된 상전류를 이용하여, 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340)를 이용하여, 모터(250)를, 원하는 속도와 토크(torque)로 제어할 수 있게 된다.
도 8a 내지 도 9b는 도 4, 및 도 5의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 8a는 도 4의 전력변환장치(200x)의 회로 보드(BADa)를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200x)는 케이스(800a) 내에, 회로 보드(BADa)를 구비할 수 있다.
회로 보드(BADa) 내에, 컨버터(210x)와 인버터(220x)를 포함하는 제1 모듈(290x)이 좌측에 배치되고, 우상측에 전압 강압부(260x)가 배치되고, 우하측에, 제1 필터부(203x)가 배치되며, 우측 중앙에, 제2 필터부(205x)가 배치된다.
이에 의하면, 회로 보드(BADa)의 세로 폭은, 도면과 같이, H1으로 예시될 수 있다.
다음, 도 8b는 도 5의 전력변환장치(200)의 회로 보드(BADa)를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200)는 케이스(800) 내에, 회로 보드(BADb)를 구비할 수 있다.
회로 보드(BADb) 내에, 컨버터(210)와 인버터(220)를 포함하는 제1 모듈(290)이 좌측에 배치되고, 우상측에 전압 강압부(260)가 배치되고, 우하측에, 필터부(207)가 배치된다.
도 8a에 비해, 제2 필터부(205)가 생략되므로, 회로 보드(BADb)의 세로 폭은, 도 8a의 H1 보다 작은 H2일 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(200)를 컴팩트하게 구현할 수 있게 된다.
한편, 도 9a는 도 4의 전력변환장치(200x) 내의 모터(250x)에 흐르는 출력 전류(iox)의 파형을 나타내며, 도 9b는 도 5의 전력변환장치(200) 내의 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)의 파형을 나타낸다.
도 9a의 출력 전류(iox)에 전자파 노이즈가 상당히 많이 나타나며, 도 9b의 출력 전류(io)에 전자파 노이즈가 상당히 저감된 것을 알 수 있다.
결국, 도 5의 전력변환장치(200)에 따르면, 인버터(210)와 전압 강압부(260) 각각의 접지단을 동기화할 수 있으며, 전자파 잡음(EMI)을 저감할 수 있으며, 나아가, 전력변환장치(200)를 컴팩트하게 구현할 수 있게 된다.
한편, 도 5 내지 도 9b에서 기술한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, 도 1의 공기조화기(100) 외에 다양한 홈 어플라이언스에 적용이 가능하다. 예를 들어, 세탁물 처리기기(세탁기, 건조기 등), 냉장고, 정수기, 로봇 청소기 등 다양한 분야에서 적용가능하다.
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.
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 (9)

  1. 입력 교류 전원을 필터링하는 필터부;
    상기 필터부의 양단에 접속되며, 상기 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 컨버터의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해, 상기 dc단 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 필터부의 양단에 접속되며, 상기 필터부로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하되, 상기 컨버터로부터의 직류 전원 보다, 레벨 다운된, 강압된 전압을 출력하는 전압 강압부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 강압부의 출력단에 접속되며, 레벨 다운된 제1 직류 전원을 저장하는 제1 커패시터; 및
    상기 전압 강압부의 출력단에 접속되며, 레벨 다운된 제2 직류 전원을 저장하는 제2 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터에 접속되는 접지단과, 상기 제1 커패시터에 접속되는 접지단, 및 상기 제2 커패시터에 접속되는 접지단이, 동일한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 필터부로부터의 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터의 전원을 스위칭 동작에 따라, 승압하여 직류 전원을 출력하는 스위칭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스위칭부는, 인터리빙 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;
    상기 컨버터를 제어하는 컨버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인버터와, 상기 컨버터, 및 상기 전압 강압부를 제어하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전력변환장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력변환장치는 실외기에 배치되는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
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