KR20200056030A - 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 Download PDF

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KR20200056030A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하고, 입력 교류 전원을 변환하여 출력하는 컨버터, 스위칭 소자에 소정 전압을 공급하여 상기 스위칭 소자를 온(on)시키는 스위칭 구동부, 상기 스위칭 소자 및 상기 스위칭 구동부 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치, 및, 상기 스위칭 구동부로 제1 제어 신호를 공급하고, 상기 보호 스위치로 상기 제1 제어 신호와 위상이 180도 차이가 나는 제2 제어 신호를 공급하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Power converting apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스위칭 소자의 오동작을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
전력 변환 장치는, 입력 전원을 변환하여 변환된 전력을 공급하는 장치이다. 이러한 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스(home appliance) 내에 배치되어, 입력 전원을 홈 어플라이언스를 구동하기 위한 전원으로 변환할 수 있다.
전력 변환 장치는, 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환 장치가 구비하는 컨버터, 인버터는 다양한 반도체 소자를 포함할 수 있다. 대표적인 예로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)를 가장 많이 사용한다. 도 8은 종래 절연 게이트 양극성 트랜지스터 구동 회로의 일 예를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 마이컴(45)의 제어에 따라, 게이트 드라이버 IC(gate driver IC, 46)는 소정 전압을 IGBT 스위치로 공급하여 IGBT 스위치를 켤 수 있다. IGBT 스위치의 게이트 전압이 문턱 전압을 초과하면 IGBT 스위치는 온(On)이 된다. 예를 들어, 게이트 드라이버 IC(46)에서 문턱 전압보다 큰 15V 전압이 공급되면 IGBT 스위치가 켜질 수 있다.
한편, IGBT 스위치에서 VCE 전압 변화율(dv/dt)이 커지면 컬렉터 단자에서 게이트 단자로 충전전류가 흘러 게이트 전압(VGE)이 상승한다. 따라서, IGBT 스위치가 오프(Off) 되어야 하는 구간에서 VCE 전압 변화율이 문턱 전압보다 커져 IGBT 스위치가 온(On)될 수 있다.
이와 같이, IGBT 스위칭 오동작이 발생할 수 있고, 스위칭 오동작은 IGBT 손실 증가, IGBT 듀티(Duty) 구간의 증가에 따른 IGBT 온도 상승 및 소손까지 야기할 수 있다.
한편, IGBT 스위치를 위한 보호 회로가 다수 제안되고 있다. 예를 들어, 선행 문헌(한국 공개특허공보 특2000-0047758호, 공개일자 2000년 07월 25일)에서는, IGBT 과전압/과전류 발생 시 보호 회로가 동작하여 IGBT 파괴를 막아준다.
하지만, 이러한 보호 회로는, 그 구성과 동작이 복잡하고, VCE 전압 변화율(dv/dt)이 순간적으로 크게 변해 발생하는 오동작을 방지하기 어렵다.
본 발명의 목적은, 스위칭 소자의 오동작을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 발열 및 내부 부품의 소손을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 저비용으로 구현할 수 있는 오동작 방지 회로를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하고, 입력 교류 전원을 변환하여 출력하는 컨버터, 스위칭 소자에 소정 전압을 공급하여 상기 스위칭 소자를 온(on)시키는 스위칭 구동부, 상기 스위칭 소자 및 상기 스위칭 구동부 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치, 및, 상기 스위칭 구동부로 제1 제어 신호를 공급하고, 상기 보호 스위치로 상기 제1 제어 신호와 위상이 180도 차이가 나는 제2 제어 신호를 공급하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 소자의 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 오동작에 따른 발열 및 내부 부품의 소손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 저비용으로 오동작 방지 회로를 구현할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 일예이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오동작 방지 회로의 일예이다.
도 5는 도 4의 회로의 오동작 방지에 관한 설명에 참조되면 도면이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 오동작 방지 회로를 포함하는 전력 변환 장치를 예시한 도면이다.
도 8은 종래 절연 게이트 양극성 트랜지스터 구동 회로의 일예를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 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.
한편, 본 명세서에서 기술되는 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스 내에 구비되는 전력 변환 장치일 수 있다. 홈 어플라이언스는, 냉장고, 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등을 포함하는 것으로서, 이하에서는, 다양한 홈 어플라이언스 중 공기조화기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기조화기(100)는, 실내기(21), 실내기(21)에 연결되는 실외기(31)를 포함할 수 있다.
공기조화기의 실내기(21)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 도면에서는, 스탠드형 실내기(21)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(31)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(31)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(21)로 냉매를 공급한다. 실외기(31)는 원격제어기(미도시) 또는 실내기(21)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 가변 되는 것도 가능하다. 또한, 도 1에서는 하나의 실내기(21)와 실외기(31)를 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 실외기(31)에 여러 실내기(21)가 냉매배관으로 연결될 수 있다.
이때, 실외기(31)는, 연결된 실내기(21)로 압축된 냉매를 공급한다.
실내기(21)는, 실외기(31)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(21)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(31) 및 실내기(21)는 유선 또는 무선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하며, 실외기 및 실내기는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
리모컨(미도시)은 실내기(21)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.
도 2를 참조하면, 공기조화기(100)는, 크게 실내기(21)와 실외기(31)로 구분된다.
실외기(31)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 촉진 시키는 실외 팬(105a)과 실외 팬(105a)을 회전시키는 모터(250)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구 또는 팽창 밸브(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브 또는 사방밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함할 수 있다.
실내기(21)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내 팬(109a)과 실내 팬(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.
한편, 실외기(31) 내의 실외 팬(105a)은, 모터(도 3의 250 참조)를 구동하는 실외 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실외기(31) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(미도시)를 구동하는 압축기 모터 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실내기(21) 내의 실내 팬(109a)은, 실내 팬 모터(109b)를 구동하는 실내 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 공기조화기는, 압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a) 등 각 유닛에 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전원 공급부는 입력 전원을 각 유닛의 구동에 필요한 전원으로 변환하여 공급할 수 있다. 따라서, 전원 공급부의 적어도 일부 구성은 전력 변환 장치로 명명될 수도 있다.
또한, 전력 변환 장치는 전력을 변환하여 각종 모터를 구동하는 모터 구동 장치로 실시될 수 있다.
이하에서 설명되는 전력 변환 장치는 홈 어플라이언스의 전원 공급부, 모터 구동부, 팬 구동부 등에 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)는, 입력 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터(410), 컨버터 제어부(415), 상기 dc단에 접속되는 커패시터(C), 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 변환하는 인버터(420), 및 상기 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다. 전력 변환 장치(400)는, 입력 전압 검출부(A), dc단 전압 검출부(B), 입력 전류 검출부(D), 및 출력전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 3 이하에서는 전력 변환 장치(400)가 상용 교류 전원(201)에서 입력되는 전원을 변환하여 모터(250)에 공급하는 모터 구동 장치로 사용되는 경우를 예시하였다. 이 경우에, 전력 변환 장치(400)는 모터 구동 장치, 모터 구동부 등으로 명명될 수 있다. 또는, 전력 변환 장치(400)는 입력 전원을 변환하여 부하로 공급할 수 있다. 도 3에서는 전력 변환 장치(400)가 모터 구동 장치로 실시되는 예를 중심으로 기술하지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
컨버터(410)는, 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(410)는, 정류부(미도시)를 구비할 수 있다. 그외, 리액터(미도시)를 더 구비하는 것도 가능하다.
컨버터(410)의 출력단에는, 평활 커패시터(C)가 접속된다. 커패시터(C)는, 컨버터(410)에서 출력되는 전원을 저장할 수 있다. 컨버터(410)에서 출력되는, 전원은 dc 전원이므로, dc단 커패시터라 명명할 수 있다.
상기 인버터(420)는, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력할 수 있다.
도 3을 참조하면, 입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 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, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
입력 전류 검출부(D)는, 상용 교류 전원(201)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(D)로, CT(current trnasformer), 션트(Shunt) 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(digcrete signal)로서, 소비전력 연산을 위해, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
다음, 컨버터(410)의 출력단에는, 컨버터(410)에서 전력 변환된 전원을 저장 또는 평활하기 위한, 커패시터(C)가 구비될 수 있다. 이때의 커패시터(C) 양단은, dc단이라 명명할 수 있다. 따라서, 커패시터(C)를 dc단 커패시터라 할 수도 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하고, 이를 컨버터(410)에 출력할 수 있다.
dc단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 모터(250)를 구동할 수 있다. 이를 위해, 인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된다. 각 스위칭 소자에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(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(E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 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 소자에 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, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 모터(250)는, 삼상 모터일 수 있다. 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 컨버터(410)와 인버터(420)는 스위칭 소자들을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(410)와 인버터(420)는 IGBT 스위칭 소자들을 포함할 수 있다. 따라서, 컨버터(410)와 인버터(420)에서 IGBT 등 스위칭 소자의 오동작을 방지할 수 있는 방안이 요구된다.
따라서, 이하에서 설명되는 오동작 방지 회로는 컨버터(410)와 인버터(420)에 구비되는 스위칭 소자에 적용될 수 있다.
한편, 인버터(420)의 경우, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈(IGBT Module) 및 IGBT와 이를 구동하는 게이트 드라이브 IC를 구비하는 IPM(Intelligent Power Module)을 사용하여, 내부에 온도 센서가 적용되어 있는 부품이 많이 있다.
하지만 컨버터(410)의 경우 개별(Discrete) IGBT 1개 또는 2개로 구성되는 것이 대부분이기 때문에, 내부에 온도 센서가 내장되어 있지 않다.
따라서, 컨버터(410)가 오동작 및 오동작에 의한 발열, 소손에 더 취약하므로, 스위치 오동작 방지 회로가 더 요구된다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 오동작 방지 회로는 컨버터(410)와 인버터(420)에 구비되는 스위칭 소자에 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오동작 방지 회로의 일예이고, 도 5는 도 4의 회로의 오동작 방지에 관한 설명에 참조되면 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오동작 방지 회로는 스위칭 소자(IGBT)에 소정 전압을 공급하여 상기 스위칭 소자(IGBT)를 온(on)시키는 스위칭 구동부(415b), 상기 스위칭 소자(IGBT) 및 상기 스위칭 구동부(415b) 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치(440), 및, 상기 스위칭 구동부(415b)로 제1 제어 신호를 공급하고, 상기 보호 스위치(440)로 상기 제1 제어 신호와 위상이 180도 차이가 나는 제2 제어 신호를 공급하는 제어부(415a)를 포함할 수 있다.
도 4의 예와 같이, 상기 스위칭 소자(IGBT)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT) 스위칭 소자일 수 있다. 또는, IGBT외 다른 전압형 스위칭 소자일 수 있다.
IGBT는 스위칭 속도 등 여러 장점을 가지고 있다. 하지만, IGBT 스위치들은 스위칭 속도가 매우 빠르기 때문에 순간적으로 전압 변화율이 급증하는 상황이 더 발생할 수 있다. 따라서, IGBT 오동작에 따른 스위칭 손실 증가, IGBT 소자 파괴, 드라이브 효율, 제품 효율 악화 등의 문제 발생 가능성이 있다.
따라서, 상기 스위칭 소자(IGBT) 및 상기 스위칭 구동부(415b) 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치(440)를 연결하고, 제어부(415a)에서는 위상이 180도 차이가 나는 제어 신호로 상기 스위칭 소자(IGBT) 및 보호 스위치(440)를 구동할 수 있다.
이에 따라, 상기 스위칭 소자(IGBT)가 꺼져 있어야 하는 구간에는 상기 보호 스위치(440)가 켜져, 순간적인 전압 변화에 의해서 상기 스위칭 소자(IGBT)가 켜지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 구동부(415b)는 상기 스위칭 소자(IGBT)의 게이트 단자에 연결되는 게이트 드라이버(gate driver)일 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400) 및 홈 어플라이언스(100)는, 하나 이상의 스위칭 소자(IGBT)를 포함하고 입력 교류 전원을 변환하여 출력하는 컨버터(410), 스위칭 소자(IGBT)에 소정 전압을 공급하여 상기 스위칭 소자(IGBT)를 온(on)시키는 스위칭 구동부(415b), 상기 스위칭 소자(IGBT) 및 상기 스위칭 구동부(415b) 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치(440), 및, 상기 스위칭 구동부(415b)로 제1 제어 신호를 공급하고, 상기 보호 스위치(440)로 상기 제1 제어 신호와 위상이 180도 차이가 나는 제2 제어 신호를 공급하는 제어부(415a)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 제어 신호와 상기 제2 제어 신호는, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호일 수 있고, 서로 180도의 위상 차이를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 제어 신호가 하이인 구간에서 상기 제2 제어 신호는 로우 구간이고, 상기 제1 제어 신호가 로우인 구간에서 상기 제2 제어 신호는 하이 구간일 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 스위칭 소자(IGBT)는 제어부(415a)의 제어에 따라 온/오프(On/Off)될 수 있다. 제어부(415a)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호를 게이트 드라이버 IC(415b)로 공급할 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 스위칭 소자(IGBT)에 직렬로 연결되어 전류를 감지하는 전류 감지부(Rs)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 감지부(Rs)는 션트 저항(Rs)을 포함할 수 있다. 제어부(415a)는 전류 감지부(Rs)에 기초하여 상기 스위칭 소자(IGBT) 온/오프를 위한 PWM 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어부(415a)로부터 수신되는 PWM 제어 신호에 따라 게이트 드라이버 IC(415b)는 스위칭 소자(IGBT)로 소정 전압(SC)을 공급할 수 있다. 여기서, 소정 전압(SC)은 그 크기에 따라 스위칭 소자(IGBT)를 온/오프(on/오프)하므로 스위칭 소자(IGBT)의 구동 신호로도 명명될 수 있다.
예를 들어, 게이트 드라이버 IC(415b)는 액티브 하이(Active high) 소자인 겨우에, 입력 신호가 하이(high)이면 15V 등 스위칭 소자(IGBT)를 온(on)시킬 수 있는 구동 전압(SC)을 공급할 수 있다. 또한, 게이트 드라이버 IC(415b)는 입력 신호가 로우(low)이면 스위칭 소자(IGBT)가 오프(off)되도록 0V 등 문턱 전압(예를 들어, 5V~7V)보다 작은 구동 전압(SC)을 공급할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(IGBT)의 온/오프(On/Off) 시, dv/dt(VCE 전압 변화) 변화에 따라 컬렉터 단자(C)에서 게이트 단자(G)로 충전전류가 흐르게 된다. 충전전류가 흐름에 따라, 게이트 전압(VGE)이 충전되어 상승한다.
만약 게이트 전압(VGE)이 상승하다가 문턱 전압 이상이 되면, 스위칭 소자(IGBT)가 오프(Off) 되어야 하는 구간에서도 온(On)되는 오동작이 발생할 수 있다.
이러한 오동작에 따라 IGBT 손실이 증가하고 턴온(Turn On) 구간이 길어져 발열 온도 상승으로 스위칭 소자(IGBT)가 소손될 수 있다.
또한, 스위칭 소자(IGBT)의 소손으로 전력 변환 장치(400) 및 모터 등 부하에도 악영향을 줄 수 있다.
공기조화기에서는 스위칭 소자(IGBT)가 소손되면 안전을 위해 배치되어 있는 메인 퓨즈(Main Fuse)가 오픈(Open)되고 에러를 출력하게 된다.
하지만, 본 발명은 상기 스위칭 소자(IGBT) 및 상기 스위칭 구동부(415b) 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치(440)를 연결하고, 제어부(415a)는 상기 스위칭 구동부(415b)로 제1 제어 신호를 공급하고, 상기 보호 스위치(440)로 상기 제1 제어 신호와 위상이 180도 차이가 나는 제2 제어 신호를 공급할 수 있다.
위상이 180도 차이가 나는 제어 신호들이 공급됨에 따라, 상기 스위칭 소자(IGBT)와 상기 보호 스위치(440)는 상보적으로 어느 하나만 온(on)될 수 있다.
이에 따라, 상기 스위칭 소자(IGBT)가 꺼져 있어야 하는 구간에는 상기 보호 스위치(440)가 켜져, 순간적인 전압 변화에 의해서 상기 스위칭 소자(IGBT)가 켜지는 것을 방지할 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 보호 스위치(440)는 상기 스위칭 소자(IGBT) 및 상기 스위칭 구동부(415b) 사이의 노드에 연결될 수 있다. 즉, 보호 스위치(440)는 상기 스위칭 소자(IGBT)의 게이트 단자(G)에 연결될 수 있다.
한편, 상기 스위칭 소자(IGBT)의 이미터 단자(E)에는 그라운드(GND)가 연결될 수 있다. 실시예에 따라서, 이미터 단자(E)는 바로 그라운드(GND)에 연결되지 않고, 이미터 단자(E)와 그라운드(GND) 사이에 션트 저항(Rs) 등 전류 감지 수단이 배치될 수 있다.
보호 스위치(440)는 릴레이(relay) 스위치일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 보호 스위치(440)는 트랜지스터(tr) 스위치일 수 있다. 예를 들어, 보호 스위치(440)는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 스위치일 수 있다. 트랜지스터(tr) 스위치는 릴레이에 비해 가격 뿐만 아니라 속도 측면에서 강점이 있다. 따라서, 저비용으로 스위칭 소자(IGBT)의 빠른 스위칭 속도에도 대응할 수 있다.
또한, 보호 스위치(440)의 일단도 그라운드(GND)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 보호 스위치(440)의 이미터 단자가 그라운드(GND)에 연결될 수 있다.
또한, 보호 스위치(440)의 베이스 단자에는 전류제한용 저항(Rr)이 배치될 수 있다.
한편, 보호 스위치(440)도 제어부(415a)의 제어에 따라 온/오프될 수 있다. 제어부(415a)에서 공급되는 PWM 신호의 하이 구간에서 보호 스위치(440)가 온되고, 로우 구간에서 보호 스위치(440)가 오프될 수 있다.
도 4 및 도 5와 같이 제어부(415a)에서 스위칭 구동부(415b)로 보내는 PWM 제어 신호와 위상이 180도 차이나는 PWM 제어 신호를 보호 스위치(440)에 입력한다.
이에 따라, 스위칭 구동부(415b)에서 스위칭 소자(IGBT)로 온(On) 신호(SC)를 줄때 보호 스위치(440)는 오프(Off)가 되어 스위칭 소자(IGBT)는 온(On)이 된다.
또한, 스위칭 구동부(415b)에서 스위칭 소자(IGBT)로 오프(Off) 신호(SC)를 줄때 보호 스위치(440)에는 온(On) 신호를 주어 dv/dt 변화에 따라 VGE 전압이 충전되어도 도 5에서 예시된 패스(path)에 따라 VGE에 걸리는 전압은 0V가 된다. 따라서, GE에 걸리는 전압은 문턱 전압을 넘을 수 없고, 스위칭 소자(IGBT)로 오프(Off) 신호(SC)가 공급될 때, 스위칭 소자(IGBT)가 켜지는 것을 방지할 수 있다.
즉, 스위칭 소자(IGBT)가 오프(Off)되어야 하는 구간에서 보호 스위치(440)를 동작시켜, 스위칭 소자(IGBT)의 게이트 단자(G)가 그라운드(GND)와 연결되는 패스를 형성하여, 게이트 전압이 문턱 전압보다 커지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스위칭 손실 및 오동작을 방지할 수 있고, 스위칭 오동작에 따른 발열도 방지할 수 있다.
또한, 과전압 및 피크(Peak) 전압에서 IGBT가 오동작하는 경우에 발생할 수 있는 IGBT 소손 및 PCB 보드 소손 발생도 방지할 수 있다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 오동작 방지 회로를 포함하는 전력 변환 장치를 예시한 도면으로, 컨버터를 중심으로 도시하였다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(410a)는, 복수의 다이오드를 포함하는 정류부(610), 상기 정류부(610)의 출력단에 연결되는 리액터(L), 상기 리액터(L)에 연결되는 다이오드(D)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 도 4와 도 5를 참조하여 설명한 스위칭 소자(IGBT)는, 상기 리액터(L)와 상기 다이오드(D) 사이의 노드에 연결되는 스위칭 소자(S)일 수 있다.
스위칭 소자(S)는 제어부(415a)의 PWM 제어 신호에 대응하여 공급되는 스위칭 구동부(415b)의 구동 신호(SC)에 따라 온/오프될 수 있다.
이때, 도 4와 도 5를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 스위칭 소자(S)의 게이트 단자에는 상기 스위칭 소자(S)와 180도 위상 차이를 가지는 PWM 제어 신호를 입력받는 보호 스위치(440)가 연결되어, 상기 스위칭 소자(S)의 오동작을 방지할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터(410a), 및, 상기 컨버터(410a)의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 dc단 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
커패시터(C)의 양단에는 IPM(Intelligent Power Module) 등 부하(630)가 연결되어, 커패시터(C)에 저장된 전원이 부하(630)로 공급될 수 있다.
한편, 상기 리액터(L), 상기 다이오드(D), 및, 상기 스위칭 소자(S)는, 정류부(610) 및 dc단 커패시터(C) 사이에 배치되어 정류부(510)에서 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터(620)일 수 있다.
부스트 컨버터(620)는, 정류부(610)와 인버터(420) 등 부하(630) 사이에 배치되고, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L)와 다이오드(D), 인덕터(L)와 다이오드(D) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S)를 구비할 수 있다. 이러한 스위칭 소자(S)의 온(0n)에 의해, 인덕터(L)에 에너지가 저장되다가, 스위칭 소자(S)의 오프(0ff)에 의해, 인덕터(L)에 저장된 에너지가 다이오드(D)를 거쳐, 출력될 수 있다.
특히, 저용량의 dc단 커패시터(C)를 사용하는 전력 변환 장치에 있어, 부스트 컨버터(620)로부터, 일정 전압이 승압된, 즉 오프셋된, 전압이 출력될 수 있다.
또한, 스위칭 소자(S)가 오프되면, 다이오드(D)가 도통하여, 인덕터(L)에는 출력전압에서 입력전압을 뺀 전압이 걸리고, 인덕터(L) 전류는 선형적으로 감소한다. 이때 입력단에서 출력단으로 파워가 공급되면서 dc단 커패시터(C)에 충전되고 부하(630)에도 에너지가 공급된다. 이러한 동작이 반복되면 인덕터(L) 전류가 입력전압의 위상을 추종하게 되면서 역률이 개선될 수 있다.
제어부(415a)는, 부스트 컨버터(620) 내의 스위칭 소자(S)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(S)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 출력할 수 있다. 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)는 스위칭 구동부(415b)로 공급되는 PWM 제어 신호일 수 있다.
실시예에 따라서, 제어부(415a)는 컨버터 제어부(415)이거나 제어부(415a)가 컨버터 제어부(415)에 포함될 수 있다. 또는, 제어부(415a)는 컨버터 제어부(415)와는 별도로 구비될 수 있고, 컨버터 제어부(415)에 제어에 따라 동작할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(S)에는 전류 감지부(640)가 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전류 감지부(640)는 션트 저항을 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(410b)는 2개의 스위칭 소자(S1, S2)를 포함할 수 있다. 2개의 스위칭 소자(S1, S2)는 각각 도 4와 도 5를 참조하여 설명한 스위칭 소자(IGBT)에 해당될 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 스위칭 소자(S1, S2)의 게이트 단자에는 각각 상기 스위칭 소자(S1, S2)와 180도 위상 차이를 가지는 PWM 제어 신호를 입력받는 보호 스위치(440)가 연결되어, 오동작을 방지할 수 있다.
제1 스위치(S1)는 제어부(415a)의 PWM 제어 신호에 대응하여 공급되는 스위칭 구동부(415b)의 구동 신호(SC1)에 따라 온/오프될 수 있다. 상기 제1 스위치(S1)의 게이트 단자에는 상기 제1 스위치(S1)와 180도 위상 차이를 가지는 PWM 제어 신호를 입력받는 보호 스위치(440)가 연결되어, 상기 제1 스위치(S1)의 오동작을 방지할 수 있다.
제2 스위치(S2)는 제어부(415a)의 PWM 제어 신호에 대응하여 공급되는 스위칭 구동부(415b)의 구동 신호(SC2)에 따라 온/오프될 수 있다. 상기 제2 스위치(S2)의 게이트 단자에는 상기 제2 스위치(S2)와 180도 위상 차이를 가지는 PWM 제어 신호를 입력받는 보호 스위치(440)가 연결되어, 상기 제2 스위치(S2)의 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(410b)는 상기 제1 스위치(S1)에 연결되는 제1 인덕터(L1), 상기 제1 인덕터(L1) 및 상기 제1 스위치(S1)에 연결되는 제1 다이오드(D1), 상기 제2 스위치(S2)에 연결되는 제2 인덕터(L2), 및, 상기 제2 인덕터(L2) 및 상기 제2 스위치(S2)에 연결되는 제2 다이오드(D2)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 인덕터(L1), 상기 제1 스위치(S1) 및, 제1 다이오드(D1)가 하나의 컨버터로 동작하고, 상기 제2 인덕터(L2), 상기 제2 스위치(S2) 및, 제2 다이오드(D2)가 하나의 컨버터로 동작할 수 있다. 이 때, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 상보적으로 온(on)될 수 있다.
즉, 도 7에서 예시된 컨버터(410b)는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 180도 위상을 가지고 스위칭하는 인터리브(Interleave) 컨버터일 수 있다.
인터리브 방식을 이용하는 전력 변환 장치는, 입력전류가 병렬 연결된 단일 컨버터에 각각 분배되기 때문에 소자의 전류정격, 전류 스트레스, 입력전류 리플, 출력전압 리플을 저감할 수 있는 장점이 있다.
또한, EMI 저감을 위해, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 온/오프 타이밍을 상보적으로 매칭시킬 수 있다. 이에 따라, 전류 리플 저감의 효과를 최대한 유지하면서 두 스위치(S1, S2)의 EMI 노이즈를 감쇄시킬 수 있다.
제어부(415a)는, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 턴 온/오프 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 제어부(415a)는, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)의 턴 온/오프 타이밍을 위한 컨버터 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다. 컨버터 스위칭 제어 신호는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서 스위칭 소자(S1, S2)의 듀티비를 제어하는 신호일 수 있다.
이 경우에도, 제어부(415a)는 컨버터 제어부(415)이거나 제어부(415a)가 컨버터 제어부(415)에 포함될 수 있다. 또는, 제어부(415a)는, 컨버터 제어부(415)와는 별도로 구비될 수 있고, 컨버터 제어부(415)에 제어에 따라 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는 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 이해되어서는 안될 것이다.
컨버터 : 410, 410a, 410b
제어부 : 415a
게이트 드라이버 IC : 415b
보호 스위치: 440
정류부 : 610, 710
전류 감지부 : 640

Claims (9)

  1. 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하고, 입력 교류 전원을 변환하여 출력하는 컨버터;
    상기 스위칭 소자에 소정 전압을 공급하여 상기 스위칭 소자를 온(on)시키는 스위칭 구동부;
    상기 스위칭 소자 및 상기 스위칭 구동부 사이의 노드에 연결되는 보호 스위치; 및,
    상기 스위칭 구동부로 제1 제어 신호를 공급하고, 상기 보호 스위치로 상기 제1 제어 신호와 위상이 180도 차이가 나는 제2 제어 신호를 공급하는 제어부;를 포함하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자와 상기 보호 스위치는 상보적으로 어느 하나만 온(on)되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor) 스위칭 소자이고,
    상기 스위칭 구동부는 상기 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결되는 게이트 드라이버(gate driver)인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 직렬로 연결되어 전류를 감지하는 전류 감지부;를 더 포함하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 신호와 상기 제2 제어 신호는, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    복수의 다이오드를 포함하는 정류부,
    상기 정류부의 출력단에 연결되는 리액터,
    상기 리액터에 연결되는 다이오드를 더 포함하고,
    상기 스위칭 소자는 상기 리액터와 상기 다이오드 사이의 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 상보적으로 온(on)되는 제1 스위치와 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 제1 스위치에 연결되는 제1 인덕터,
    상기 제1 인덕터 및 상기 제1 스위치에 연결되는 제1 다이오드,
    상기 제2 스위치에 연결되는 제2 인덕터, 및,
    상기 제2 인덕터 및 상기 제2 스위치에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 홈 어플라이언스.

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