KR20200007249A - 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과열로부터 압축기를 보호할 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 본 발명은, 압축기 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 전원부로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부; 상기 구동부와 각 스위칭 소자의 게이트 사이에 위치하고, 상기 인버터의 온도에 따라 감소하는 저항값을 가지는 게이트 저항부; 및 상기 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법 {Power transforming apparatus, compressor including the same and method for controlling the same}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과열로부터 압축기를 보호할 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 이러한 모터에는 전력 변환 장치로부터 교류 전력이 공급된다.
이와 같은 전력 변환 장치는 주로 인버터를 포함한다. 이러한 전력 변환 장치는 입력 전원을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.
일반적으로 인버터는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)와 같은 반도체 소자로 구현되는 스위칭 소자가 구비된다.
그러나, 외부 온도 또는 과부하 조건에 의하여 스위칭 소자가 과열되는 경우에 이러한 과열로부터 스위칭 소자를 보호하는 기능은 별도로 구현되어 있지 않을 수 있다.
따라서, 스위칭 소자를 과열로부터 보호할 수 있는 방안이 요구되며, 이러한 경우에도 전력 변환 장치가 설치된 제품이 이상 없이 작동할 수 있도록 하는 방안이 요구된다.
한편, 인버터의 주요 부품인 스위칭 소자의 PWM 동작에 의한 노이즈 발생 및 스위칭 손실 모두를 고려하여 전력 변환 장치의 회로의 설계가 요구된다.
이때, 별도의 온도 센서 없이 인버터 온도를 측정하여 상기 두 조건을 만족시킬 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 인버터 과열로 인한 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있고, 이에 따라 스위칭 소자의 수명 연장이 가능한 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 인버터의 동작 온도 범위에 있어서 정상 동작 구간에서는 EMC 성능을 향상시킬 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 인버터 온도의 모니터링이 가능하고, 이에 따라, 온도에 따른 추가적인 동작의 구현이 가능한 전력 변환 장치, 이를 포함하는 압축기 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 압축기 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서, 전원부로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부; 상기 구동부와 각 스위칭 소자의 게이트 사이에 위치하고, 상기 인버터의 온도에 따라 변화하는 저항값을 가지는 게이트 저항부; 및 상기 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 게이트 저항부는, 온도에 따라 반비례하는 저항값을 가지는 서미스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 서미스터와 직렬 또는 병렬로 연결되는 게이트 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 게이트 저항부의 저항값을 감지하여 상기 게이트 저항부의 저항값에 따라 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 가변할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 게이트 저항부의 저항값에 따라, 정상 동작 영역 및 과열 동작 영역으로 구분하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 조절할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 과열 동작 영역에서는 상기 스위칭 소자를 일정 구간 구동하지 않는 DPWM(discontinuous PWM) 기법으로 구동할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 게이트 저항부에서 감지된 온도가 상기 과열 동작 영역을 초과할 때, 상기 인버터를 정지시킬 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 전원부로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전류를 생성하며, 구동부에 의하여 구동되는 다수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 구동부와 각 스위칭 소자의 게이트 사이에는 상기 인버터의 온도에 따라 변화하는 저항값을 가지는 게이트 저항부가 구비되는 인버터를 포함하는 전력 변환 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 인버터의 온도가 제1 설정온도 이하인 경우에, 상기 인버터의 온도에 따라 변화하는 게이트 저항부의 저항값에 따라 상기 스위칭 소자를 구동하는 단계; 및 상기 인버터의 온도가 상기 제1 설정온도를 초과하는 경우에, 스위칭 손실 개선동작을 수행하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 인버터의 온도가 상기 제1 설정온도보다 높은 제2 설정온도를 초과하는 경우에 상기 인버터를 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 손실 개선동작은, 상기 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 스위칭 손실 개선동작을 수행하는 단계는, 상기 스위칭 소자를 일정 구간 구동하지 않는 DPWM(discontinuous PWM) 기법으로 구동할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 상기와 같은 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 인버터 과열로 인한 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있고, 이에 따라 스위칭 소자의 수명 연장이 가능하다. 또한, 정상 동작 구간에서는 EMC 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, NTC 서미스터의 전압을 통해 인버터 온도의 모니터링이 가능하고, 이에 따라, 온도에 따른 추가적인 동작의 구현이 가능하다.
이에 따라, NTC 서미스터를 통해 인버터 온도에 따라 능동적으로 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 속도를 가변할 수 있다.
결국, 별도의 제어기 및 추가 능동소자 없이 인버터의 스위칭 소자를 자동제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 NTC 서미스터의 온도에 따른 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 3은 게이트 저항값이 고정된 경우의 스위칭 손실을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 게이트 저항값이 변동하는 경우의 스위칭 손실을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6 및 도 7은 각각 SVPWM과 DPWM 기법을 도시하는 신호도이다.
도 8 및 도 9는 전도 노이즈가 저감되는 상황을 도시하는 그래프이다.
도 10은 스위칭 소자의 스위칭 손실 개선에 따른 온도 저감의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 제2 실시예에 의한 본 발명의 전력 변환 장치의 주요부를 나타내는 회로도이다.
도 12는 제3 실시예에 의한 본 발명의 전력 변환 장치의 주요부를 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 블록도이다.
도 1을 참조하면, 모터(200)를 구동하기 위한 전력 변환 장치(100)는 전원부(110)로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터(200)를 구동하기 위한 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)를 포함하는 인버터(130)를 포함할 수 있다.
인버터(130)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 전원부(110)의 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(130)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.
이러한 인버터(130)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.
여기서 전원부(110)는 직류 전원을 공급하는 전원일 수 있다. 예를 들어, 자동차용 배터리일 수 있다.
경우에 따라, 전원부(110)는 교류 전원을 정류하는 정류부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이때, 전원부(110)는 정류부에서 정류된 DC 전압을 승/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
또한, 전력 변환 장치(100)는 다수의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)를 구동하기 위한 구동부(140)와, 이 구동부(140)에 구동 신호를 전달하는 제어부(150)를 포함할 수 있다.
제어부(150)는, 인버터(130)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어 신호를 인버터(130)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호는 펄스폭 변조 방식(pulse width modulation; PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류 및 전원부(110)의 전압에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다.
즉, 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)에 인가되는 온/오프 신호는 제어를 담당하는 제어부(150)로부터 6개 채널(3상 교류의 경우)의 PWM 신호(예를 들어, 5V PWM)로 구동부(140)로 전달된다.
이 구동부(140)에서 PWM 신호가 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)를 구동할 수 있는 신호로 증폭되어(15V PWM) 각 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)의 게이트 단자로 인가될 수 있다.
이때, 구동부(140)와 각 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)의 게이트 단자 사이에는, 인버터(130)(또는 스위칭 소자)의 온도에 따라 변화하는 저항값을 가지는 게이트 저항부(160)가 구비될 수 있다.
한편, 전원부(110)와 인버터(130) 사이에는 리플 제거부(120)가 구비될 수 있다. 도시하는 바와 같이, 이러한 리플 제거부(120)는 다수의 캐패시터가 직/병렬 연결되어 구성될 수 있다.
이러한 리플 제거부(120)는 전원부(110)와 인버터(130) 사이의 전압 리플을 개선할 수 있고, 또한, 고조파 전류 리플을 개선할 수 있다.
도 1에서는 게이트 저항부(160)가 하나의 스위칭 소자(Qa)의 게이트 단자에 연결된 상태가 도시되어 있으나, 이러한 게이트 저항부(160)는 구동부(140)와 각각의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)의 게이트 단자 사이에 구비될 수 있다.
도시하는 바와 같이, 게이트 저항부(160)는 온도에 따라 반비례하는 저항값을 가지는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터(161)를 포함할 수 있다.
도 2는 NTC 서미스터의 온도에 따른 저항값을 나타내는 그래프이다.
이러한 NTC 서미스터(161)는 도 2에서 도시하는 바와 같이, 온도에 따라 반비례하는 저항값을 가지는 소자로서, 따라서, 온도를 측정하는 기능을 가질 수 있다. 또한, 이러한 온도에 따라 반비례하는 저항값에 따른 전압이 NTC 서미스터(161)의 양단에 인가되므로, 온도에 반비례하는 출력 전압을 가진다고 할 수도 있다.
이하, 이러한 반비례하는 저항값을 가지는 NTC 서미스터(161)를 간단하게 '서미스터(161)'라고 칭하기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 게이트 저항부(160)는 이러한 서미스터(161)와 직렬로 연결되는 게이트 저항(Rg)을 더 포함할 수 있다. 즉, 게이트 저항부(160)는 서미스터(161)와 게이트 저항(Rg)의 합성 저항값을 가질 수 있다.
서미스터(161)는 인버터(130)에 설치되므로, 결국 게이트 저항부(160)는 인버터(130)의 온도에 따라 가변하는 게이트 저항값을 가질 수 있다.
이와 같은 인버터(130)의 온도에 따라 가변하는 게이트 저항값을 가지는 게이트 저항부(160)를 이용하여 제어부(150)에서 전력 변환 장치(100)를 제어하는 구체적인 내용은 아래에서 자세히 설명한다.
한편, 여기서, 모터(200)는 압축기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 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.
위에서 설명한 바와 같이, 게이트 저항부(160)는 인버터(130)(또는 스위칭 소자)의 온도에 따라 가변하는 게이트 저항값을 가질 수 있다.
이때, 제어부(150)는 이러한 게이트 저항부(160)의 저항값을 감지하여 게이트 저항부(160)의 저항값에 따라 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)의 스위칭 동작을 가변할 수 있다. 이하, 설명의 편의상 제1상(예를 들어, U상)의 상측 스위칭 소자(Qa)를 제어하는 상황을 예로서 설명한다. 그러나 이러한 설명은 다른 모든 스위칭 소자(Qb, Qc, Q'a, Q'b, Q'c)에 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
제어부(150)는, 게이트 저항부(160)의 저항값에 따라, 정상 동작 영역 및 과열 동작 영역으로 구분하여 스위칭 소자(Qa)의 스위칭 동작을 조절할 수 있다.
즉, 이와 같이, 온도에 따라 저항값이 변화하는 게이트 저항부(160)를 이용하고, 게이트 저항부(160)의 저항값 또는 이 게이트 저항부(160)의 양단에 걸리는 전압을 제어부(150)에서 측정함으로써 별도의 온도 센서 없이 인버터(130)(또는 스위칭 소자)의 온도를 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 인버터(130)(또는 스위칭 소자)의 온도에 따라 스위칭 소자(Qa)의 스위칭 동작을 조절할 수 있는 것이다.
예를 들어, 정상 동작 영역(도 2에서 "Nominal 동작 영역")은 100℃ 이하의 온도 범위일 수 있고, 과열 동작 영역(도 2에서 "과부하 및 과열 동작 영역")은 100℃를 초과하는 온도 범위일 수 있다.
일 실시예로서, 정상 동작 영역에서 게이트 저항부(160)의 저항값은 온도가 상승함에 따라 감소하게 된다. 즉, 스위칭 소자(Qa)에 연결되는 게이트 저항값은 인버터(130)의 온도가 상승함에 따라 감소한다.
이에 따라, 제어부(150)에서는 이와 같이 인버터(130)의 온도가 상승함에 따라 감소하는 게이트 저항값으로 스위칭 소자(Qa)를 구동할 수 있다.
도 3은 게이트 저항값이 고정된 경우의 스위칭 손실을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 게이트 저항값이 변동하는 경우의 스위칭 손실을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 스위칭 소자(Qa)의 내부 온도가 동일할 때를 예로 들어 설명하고 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 예를 들어, 스위칭 소자(Qa)의 내부 온도가 140℃ 정도일 때 게이트 저항값이 50Ω인 경우, A 면적에 해당하는 스위칭 손실이 발생한다.
도 3 및 도 4에서 좌측의 시간에 따라 하강하는 선은 스위칭 소자(IGBT; Qa)의 전압을 나타내며 우측의 시간에 따라 상승하는 선은 스위칭 소자(IGBT; Qa)의 전류를 나타낸다. 이때, 이러한 전압과 전류가 겹치는 부분이 스위칭 손실에 해당한다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명이 온도에 따라 가변하는 게이트 저항값을 가지는 게이트 저항부(160)가 적용된 경우, 스위칭 소자(Qa)의 내부 온도가 140℃ 정도일 때 게이트 저항은 30Ω 정도로 감소할 수 있으며, 이에 따라 스위칭 손실은 B 면적과 같이 감소할 수 있다.
이때, 도 4의 경우에는 스위칭 손실이 저감되면서 스위칭 소자(Qa)의 내부 온도 128Ω 정도로 감소할 수 있다.
이와 같이, 온도에 따라 가변하는 게이트 저항값을 가지는 게이트 저항부(160)가 적용되고, 이를 이용하여 스위칭 소자(Qa)를 제어함에 따라 스위칭 손실을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 스위칭 소자(Qa)의 내부 온도도 낮출 수 있음을 알 수 있다.
즉, 인버터(130)의 과부하 및 외부 온도에 의한 과열 동작 시 스위칭 소자(Qa)의 게이트 단에 연결되는 게이트 저항부(160)의 저항값이 낮아짐에 따라 스위칭 손실이 개선됨과 동시에 스위칭 소자(Qa)의 발열량을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 도 1 및 도 5를 함께 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부(150)의 제어 동작을 자세히 설명한다.
도 5를 참조하면, 먼저, 제어부(150)에서 구동부(140)로 제어 신호를 송신하여 인버터(130)를 기동한다(S10).
그러면 제어부(150)에서 게이트 저항부(160)에 포함된 서미스터(161)를 통하여 온도를 감지한다(S20).
이때, 서미스터(161)에서 감지한 온도에 따라 게이트 저항부(160)의 저항값은 가변하게 된다. 즉, 서미스터(161)는 온도에 따라 저항값이 가변하므로 게이트 저항부(160)의 저항값, 즉, 스위칭 소자(Qa)의 게이트 단에 연결되는 게이트 저항값은 온도에 따라 변화하게 된다(S30).
그러면, 제어부(150)는 이러한 게이트 저항부(160)의 저항값에 따라 인버터(130)를 제어한다.
즉, 정상 동작 영역(예를 들어, 100℃ 이하의 온도 범위)에서는 인버터(130, 또는 스위칭 소자(Qa))의 온도가 상승함에 따라 게이트 저항부(160)의 저항값이 감소하게 되고, 이에 따라 스위칭 손실이 개선되어 인버터(130, 또는 스위칭 소자(Qa))의 온도 상승을 억제할 수 있다.
여기서, 정상 동작 영역을 제1 설정 온도 이하의 온도 범위라 할 수 있고, 과열 동작 영역을 제1 설정 온도를 초과하는 온도 범위라 칭할 수 있다.
그러나, 과열 동작 영역(예를 들어, 100℃를 초과하는 온도 범위)에서는 추가적인 제어 요소가 필요할 수 있다. 이는 과열 동작 영역에서는 게이트 저항부(160)에 따라 스위칭 손실이 개선에 의한 인버터(130, 또는 스위칭 소자(Qa))의 온도 상승을 억제가 충분하지 않을 수 있기 때문이다.
이와 같이, 과열 동작 영역에서는 추가적인 스위칭 손실개선 동작을 수행할 수 있다.
이러한 추가적인 스위칭 손실개선 동작은 스위칭 주파수를 하강시키는 동작을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 주파수를 20% 정도 하강시킬 수 있다. 만일, 10 kHz의 주파수로 스위칭 파형을 인가하였다면, 이러한 과열 동작 영역에서는 스위칭 파형의 주파수를 8 kHz로 낮출 수 있다.
또한, 추가적인 스위칭 손실개선 동작은 스위칭 소자(Qa)를 일정 구간 구동하지 않는 DPWM(discontinuous PWM) 기법으로 구동하는 동작을 포함할 수 있다.
이는, 정상 동작 영역에서는 DPWM 기법이 아닌 SVPWM(Space Vector PWM) 기법으로 스위칭 소자(Qa)를 구동하는 것을 의미할 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 SVPWM과 DPWM 기법을 도시하고 있다. 도 6 및 도 7의 (a)는 역기전력 파형을 나타내고 있고, (b)는 삼상(U, V, W) 전류 파형을 나타내고 있으며, (c)는 PWM 신호를 나타내고 있다.
도 7(c)에서 도시하는 바와 같이, PWM 신호는 DPWM 기법에 의하면 일정 구간 스위칭 소자(Qa)를 구동하지 않는 영역(D)을 포함한다.
이와 같이, 일정 구간 스위칭 소자(Qa)를 구동하지 않는 영역(D)에 의하여 스위칭 손실이 더 개선될 수 있고, 이에 따라 인버터(130, 또는 스위칭 소자(Qa))의 온도 상승을 더 억제할 수 있다.
그러나 DPWM 기법은 상대적으로 소음이 더 발생할 수 있으므로 정상 동작 영역에서는 DPWM 기법이 아닌 SVPWM 기법으로 스위칭 소자(Qa)를 구동할 수 있다.
이때, 제어부(150)는, 정상 동작 영역에서, 전도 노이즈를 저감시키기 위한 운전 또는 EMC(Electro-Magnetic Compatibility) 성능을 개선하기 위한 운전을 수행할 수 있다.
즉, 스위칭 소자(Qa))의 온도가 상승함에 따라 게이트 저항부(160)의 저항값이 감소하게 되고, 이에 따라 전도 노이즈가 저감될 수 있다.
도 8 및 도 9는 전도 노이즈가 저감되는 상황을 도시하는 그래프이다.
도 8 및 도 9에서, 가로축은 주파수 대역이며, 세로축은 노이즈 크기를 나타내고 있다.
도 8과 도 9의 노이즈 측정 파형을 비교하면, 도 8에서 특정 주파수 대역에서 발생하는 피크 성분들(P1, P2, P3)이 도 9에서는 나타나지 않는 것을 알 수 있다.
인버터(150)의 노이즈 성분들은 스위칭 소자(Qa)가 스위칭을 할 때 발생하는 전압/전류로 인해 증가할 수 있다.
특히 스위칭 소자(Qa)의 기생 파라미터들에 의해 발생하는 오버슈트(overshoot) 전압/전류가 특히 노이즈에 영향을 많이 미칠 수 있다.
이러한 오버슈트에 대한 수식은 "L*(di/dt)=overshoot 전압"과 같다. 여기서, 게이트 저항이 높을수록 dt, 즉 스위칭 시간을 높여서 오버슈트(overshoot) 전압이 낮아질 수 있다.
한편, 다시 도 5를 참조하면, 제어부(150)는, 게이트 저항부에서 감지된 온도가 과열 동작 영역을 초과할 때(예를 들면, 125℃를 초과할 때), 인버터(130)의 구동을 정지시킬 수 있다.
이러한 과열 동작 영역을 초과하는 온도 영역을 제2 설정 온도를 초과하는 온도 범위라고 칭할 수 있다.
이와 같이, 스위칭 소자(Qa) 또는 인버터(130)가 일정 온도를 초과하게 되면 인버터(130)의 구동을 정지시켜서 인버터(130)를 보호할 수 있다.
도 10은 스위칭 소자의 스위칭 손실 개선에 따른 온도 저감의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 스위칭 소자(IGBT; Qa)의 케이스 온도가 100℃이고, 스위칭 소자(Qa)에 인가되는 전류가 30A인 경우를 나타내고 있다.
도 10을 참조하면, 스위칭 소자(Qa)의 턴 온 손실(turn on loss)인 Ps ,on는 1580μJ×fs(스위칭 주파수)로서, 15.8W에 해당한다. 또한, 스위칭 소자(Qa)의 턴 오프 손실(turn off loss)인 Ps ,off는 980μJ×fs(스위칭 주파수)로서, 9.8W에 해당한다. 이때, 스위칭 소자(Qa)의 전체 스위칭 손실인 Ps ,total는 25.6W이다.
이때의 스위칭 소자(Qa)의 접합부 온도(junction temperature; Tj)를 계산하면 "(Ps ,total+Rth (j-c)Q)+(PD+Rth (j-c)F)+Tc"이고, 이를 계산하면 "(25.6×1.4)+(2×2.4)+Tc"는 140.6℃이다.
여기서, Rth (j-c)Q는 스위칭 소자(Qa)의 접합부와 케이스 사이 열저항 계수이고, Rth (j-c)F는 역병렬 다이오드의 접합부와 케이스 사이 열저항 계수를 의미한다. 또한, PD는 역병렬 다이오드의 손실이고, Tc는 스위칭 소자(Qa)의 케이스 온도를 의미한다.
이때, 스위칭 손실이 30% 개선된 경우의 스위칭 소자(Qa)의 접합부 온도(junction temperature; Tj)를 계산하면, "(17×1.4)+(2×2.4)+Tc"로서 128.6℃로 계산된다. 이와 같이, 스위칭 소자(Qa)의 내부 온도가 12℃ 정도 억제 가능함을 알 수 있다.
즉, 접합부 온도를 결정하는 것은 결국 스위칭 소자(Qa)의 케이스 온도(Tc)와 스위칭 소자(Qa)에서 발생하는 손실의 합이다.
이때, 스위칭 소자(Qa)에서 발생하는 손실은 스위칭 손실과 도통 손실, 다이오드 손실로 크게 나눌 수 있다.
본 발명에 의하면, 이와 같이, 스위칭 소자(Qa)에서 발생하는 스위칭 손실을 개선하여 접합부 온도를 낮출 수 있는 것이다.
도 11은 제2 실시예에 의한 본 발명의 전력 변환 장치의 주요부를 나타내는 회로도이고, 도 12는 제3 실시예에 의한 본 발명의 전력 변환 장치의 주요부를 나타내는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 게이트 저항부(160)가 서미스터(161)로만 구성되는 실시예를 나타내고 있다. 이때, 게이트 저항부(160)의 저항값은 서미스터(161)에 의해서만 결정될 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면 게이트 저항부(160)가 서미스터(161)와 게이트 저항(Rg)의 병렬 연결로 이루어짐을 알 수 있다. 이때, 게이트 저항부(160)의 저항값은 서미스터(161)와 게이트 저항(Rg)의 병렬 연결에 의한 합성 저항값으로 결정될 수 있다.
그 외의 사항은 위에서 설명한 일 실시예에 대한 사항이 그대로 적용될 수 있으므로 반복되는 설명은 생략한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터(130) 과열로 인한 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있고, 이에 따라 스위칭 소자의 수명 연장이 가능하다. 또한, 정상 동작 구간에서는 EMC 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, NTC 서미스터의 전압을 통해 인버터 온도의 모니터링이 가능하고, 이에 따라, 온도에 따른 추가적인 동작의 구현이 가능하다.
이에 따라, NTC 서미스터를 통해 인버터 온도에 따라 능동적으로 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 속도를 가변할 수 있다.
결국, 별도의 제어기 및 추가 능동소자 없이 인버터의 스위칭 소자를 자동제어할 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: 전원부
120: 리플 제거부
130: 인버터
140: 구동부
150: 제어부
160: 게이트 저항부
161: NTC 서미스터
200: 모터

Claims (12)

  1. 압축기 모터를 구동하는 전력 변환 장치에 있어서,
    전원부로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전류를 생성하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;
    상기 다수의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부;
    상기 구동부와 각 스위칭 소자의 게이트 사이에 위치하고, 상기 인버터의 온도에 따라 변화하는 저항값을 가지는 게이트 저항부; 및
    상기 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 게이트 저항부는,
    온도에 따라 반비례하는 저항값을 가지는 서미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 서미스터와 직렬 또는 병렬로 연결되는 게이트 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 게이트 저항부의 저항값을 감지하여 상기 게이트 저항부의 저항값에 따라 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 가변하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 게이트 저항부의 저항값에 따라, 정상 동작 영역 및 과열 동작 영역으로 구분하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 과열 동작 영역에서는 상기 스위칭 소자를 일정 구간 구동하지 않는 DPWM(discontinuous PWM) 기법으로 구동하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 게이트 저항부에서 감지된 온도가 상기 과열 동작 영역을 초과할 때, 상기 인버터를 정지시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 전원부로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전류를 생성하며, 구동부에 의하여 구동되는 다수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 구동부와 각 스위칭 소자의 게이트 사이에는 상기 인버터의 온도에 따라 변화하는 저항값을 가지는 게이트 저항부가 구비되는 인버터를 포함하는 전력 변환 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 인버터의 온도가 제1 설정온도 이하인 경우에, 상기 인버터의 온도에 따라 변화하는 게이트 저항부의 저항값에 따라 상기 스위칭 소자를 구동하는 단계; 및
    상기 인버터의 온도가 상기 제1 설정온도를 초과하는 경우에, 스위칭 손실 개선동작을 수행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 인버터의 온도가 상기 제1 설정온도보다 높은 제2 설정온도를 초과하는 경우에 상기 인버터를 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 스위칭 손실 개선동작은, 상기 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 스위칭 손실 개선동작을 수행하는 단계는, 상기 스위칭 소자를 일정 구간 구동하지 않는 DPWM(discontinuous PWM) 기법으로 구동하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
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