KR20200060098A - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치는, 정류부, 컨버터부, 그리고 인버터부를 포함하고, 상기 인버터부의 스위칭 소자에 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호를 인가하여 상기 인버터부를 제어하는 인버터 제어부, 상기 인버터부에 인가되는 PWM 신호의 듀티값에 대응하여, 평활된 전압을 생성하도록 커패시터를 구비하는 평활 전압 생성부 및 상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 인버터부의 동작을 차단시키기 위한 차단 신호를 출력하는 차단 신호 발생부를 포함한다.

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, 과전류에 의한 부품 소손을 방지하는 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 인버터 방식의 전력 변환부를 구성하는 것이 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 직류-직류 컨버터에 이용되는 스위칭 소자를 구동하기 위한 컨버터 구동부(일례로, 드라이버 집적회로)는, 제어부에 의해 발생되는 제어 신호에 의해 구동될 수 있다.
하지만, 이상 조건으로 인하여 제어부가 폭주하는 경우, 제어부는 100%의 듀티 값을 갖는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어 신호를 생성하여 컨버터 구동부로 인가하게 된다.
그리고, 컨버터 구동부는, 제어부로부터 인가받은 100% 듀티값을 갖는 PWM 제어 신호를 이용하여 컨버터의 스위칭 소자를 구동시키므로, 컨버터의 스위칭 소자에 과전류가 흘러 스위칭 소자가 소손될 수 있다. 즉, 제어부의 이상 동작으로 인하여 컨버터의 스위칭 소자가 소손되는 문제점이 있다.
종래에는, 위와 같은 제어부의 폭주를 감지하기 위하여, 제어부의 동작을 초기화시키기 위한 리셋 집적회로(Reset IC)를 이용하였다.
한국 공개특허 10-1995-004156(공개일자, 1999.02.17.)에는 리셋 IC를 이용하여 마이컴의 폭주를 감지하는 기술이 개시된다.
구체적으로, 한국 공개특허 10-1995-004156에서는, 일정기간마다 마이컴으로 워치독 데이타의 송신을 요청하는 단계와, 마이컴으로부터 워치독 데이타를 수신하여 기설정된 데이타와 비교하는 단계, 상기 두 데이타가 일치하지 않는 경우 상기 마이컴을 강제로 리셋시키는 단계를 개시한다.
그러나, 한국 공개특허 10-1995-004156에 따르면, 마이컴 또는 제어부가 폭주하는 경우, 리셋 IC가 제어부에 리셋 신호를 인가한 후 일정 시간이 경과하면 해당 리셋 신호를 해제시키므로, 스위치 소자에 다시 과전류가 흐르게된다.
따라서, 제어부의 폭주를 보다 안정적으로 방지함으로써, 컨버터의 스위칭 소자로 인가되는 과전류를 차단할 수 있는 전력 변환 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 컨버터 구동부에 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 컨버터 제어부의 폭주를 판단하고 그에 따라 컨버터 구동부의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 컨버터의 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 기술적 과제는, 제어부가 풀 듀티비 값을 갖는 PWM 제어신호를 출력하는 경우, 스위치에 과전류가 흐르는 현상을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치는, 정류부, 컨버터부, 그리고 인버터부를 포함하고, 상기 인버터부의 스위칭 소자에 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호를 인가하여 상기 인버터부를 제어하는 인버터 제어부, 상기 인버터부에 인가되는 PWM 신호의 듀티값에 대응하여, 평활된 전압을 생성하도록 커패시터를 구비하는 평활 전압 생성부 및 상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 인버터부의 동작을 차단시키기 위한 차단 신호를 출력하는 차단 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 차단 신호 발생부는, 상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이면, 하이(high) 신호를 출력하고, 상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압이 미리 설정된 기준 전압 작으면, 로우(Low) 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 인버터부는, 상기 차단 신호 발생부로부터 하이 신호가 인가되면, 상기 인버터 제어부에 의해 생성된 PWM 신호를 차단시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 인버터부는, 상기 차단 신호 발생부로부터 로우 신호가 인가되면, 상기 인버터 제어부에 의해 생성된 PWM 신호를 인가받는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 평활 전압 생성부는, 상기 PWM 신호를 감지하고, 감지된 PWM 신호의 듀티값에 상응하는 평활된 전압값을 생성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 평활된 전압값은, 상기 감지된 PWM 신호의 듀티비 값에 따라 가변되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 평활 전압 생성부는, 상기 인버터부와 상기 인버터 제어부 사이의 노드에 연결되고, 상기 차단 신호 발생부에 출력단이 연결되는 다이오드와, 상기 다이오드의 출력단과 상기 차단 신호 발생부 사이의 노드에 연결되는 커패시터 및 상기 커패시터와 병렬로 연결되는 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 차단 신호 발생부는, 제1 저항과 제2 저항이 직렬 연결되어 기준 전압값을 생성하는 분배 저항과, 상기 분배 저항의 제1 저항과 제2 저항 사이의 노드에 연결되어 상기 기준 전압값이 인가되는 제1 입력단과 상기 평활 전압 생성부에 연결되어 상기 평활된 전압값이 인가되는 제2 입력단을 포함하는 비교기와, 상기 비교기의 출력단과 상기 인버터부의 입력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 인버터부에 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 인버터 제어부의 폭주를 판단하고 그에 따라 인버터부의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 인버터의 스위칭 소자의 소손을 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 인버터 제어부의 폭주에 상응하는 판단 신호가 하이일 때, 하이 신호가 인버터부에 인가되는 시간 동안, 인버터부의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단함으로써, 인버터의 스위칭 소자의 수명을 최대한 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 블럭 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 소자 보호부를 설명하기 위한 블럭 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 소자 보호부를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 소자 보호부가 적용된 전력 변환 장치를 보여주는 회로도이다.
도 6는 본 발명에 따른 차단 신호 발생부가 적용된 전력 변환 장치를 보여주는 회로도이다.
도 7은 차단 신호 발생부의 출력 신호에 따른 인버터부의 구동 신호 출력을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 블럭 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(1000)는 교류 전원(100)을 정류하는 정류부(1100), 정류부(1100)에서 정류된 DC 전압을 승/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터부(1200), 컨버터부(1200)를 제어하는 컨버터 제어부(1300), 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터부(1400), 인버터부(1400)를 제어하는 인버터 제어부(1500)와, 그리고 컨버터부(1200)와 인버터부(1400) 사이의 DC단 캐패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터부(1400)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(2000)에 공급된다. 여기서, 모터(2000)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(2000)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(1000)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다.
그러나 모터(2900)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, 전력 변환 장치(1000)는, 압축기 모터를 구동하기 위하여, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
전력 변환 장치(1000)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(2000)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터부(1200)는, 입력 교류 전원(100)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터부(1200)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, 컨버터부(1200)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(1100)는, 단상 교류 전원(100)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전원을 컨버터부(1200) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(1100)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이와 같이, 컨버터부(1200)는 정류부(1100)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
이러한 컨버터부(1200)는, 정류부(1100)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.
컨버터부(1200)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 승압 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 컨버터 구동부(1600)에 전달되고, 컨버터 구동부(1600)는, 스위칭 소자(Q1)의 베이스(base; 또는 게이트) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작을 구동시킬 수 있다.
일 예로, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자(Q1)는, 게이트단이 컨버터 구동부(1600)에 연결되고, 에미터단이 컨버터 구동부(1600)와 소자 보호부(1800) 사이의 노드에 연결될 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(1300)는 컨버터부(1200) 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(1300)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
그리고, 정류부(1100)를 거친 출력 전압은, DC단 캐패시터(C)에 충전되거나 인버터부(1400)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(100)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(1100) 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(1300)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(100)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(1100) 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(1300)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC단 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC단 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(1500)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(1300)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
인버터부(1400)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(2000)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터부(1400)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.
컨버터부(1200)와 마찬가지로, 인버터부의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
인버터 제어부(1500)는, 인버터부(1400)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터부(1400)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(2000)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, 인버터부(1400)와 모터(2000) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(2000)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 인버터부(1400)와 모터부(2000) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
그리고, 본 발명의 전력 변환 장치(1000)는, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자를 보호하기 위한 소자 보호부(1800)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 소자 보호부(1800)는, 컨버터 제어부(1300)로부터 컨버터 구동부(1600)로 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 컨버터 제어부(1300)의 폭주를 판단하고 그에 따라 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있다.
즉, 전력 변환 장치(1000)의 컨버터 구동부(1600)는, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자에 구동 신호를 인가하고, 컨버터 제어부(1300)는, 컨버터 구동부(1600)에 PWM 신호를 인가하여 컨버터 구동부(1600)를 제어할 수 있다.
그리고, 소자 보호부(1800)는, 컨버터 구동부(1600)에 인가되는 PWM 신호를 센싱하고, 센싱된 PWM 신호의 듀티 값에 상응하는 평활된 전압값을 생성하며, 평활된 전압값을 토대로 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력 차단 여부를 판단하고, 판단 결과에 따른 판단 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가하여 컨버터 구동부(1600)의 구동신호 출력을 차단할 수 있다.
일 예로, 소자 보호부(1800)는, 판단 신호가 하이(high)이면, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 차단하고, 판단 신호가 로우(low)이면, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호를 출력시킬 수 있다.
여기서, 소자 보호부(1800)는, 판단 신호가 하이일 때, 하이 신호가 인가되는 시간 동안, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단할 수 있다.
이처럼, 본 발명은, 소자 보호부(1800)가 마이컴인 컨버터 제어부(1300)가 폭주 상태가 지속되는 시간 동안 지속적으로 하이 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가함으로써, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단할 수 있다.
만일, 소자 보호부(1800)가 마이컴인 컨버터 제어부(1300)가 폭주 상태가 지속되는 시간 동안 지속적으로 하이 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가하지 않는다면, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력이 일시 차단되었다가 다시 구동 신호가 출력되어 컨버터부(1200)의 스위칭 소자로 과전류가 흐르게 되어 스위칭 소자의 손손이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 소자 보호부(1800)는, 컨버터 제어부(1300)의 PWM 신호를 센싱하여 컨버터 제어부(1300)의 폭주 여부를 판단하고, 컨버터 제어부(1300)가 폭주 상태이면, 폭주 상태가 지속되는 시간 동안, 지속적으로 하이 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가하여 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단함으로써, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 방지하여 컨버터부(1200)의 스위칭 소자를 보호할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 소자 보호부를 설명하기 위한 블럭 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 소자 보호부를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 소자 보호부(1800)는, 컨버터 제어부로부터 컨버터 구동부로 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 컨버터 제어부의 폭주를 판단하고 그에 따라 컨버터 구동부의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 컨버터부의 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있다.
일 예로, 소자 보호부(1800)는, 도 3과 같이, 평활 전압 생성부(1810)와 신호 출력 판단부(1820)를 포함할 수 있다.
여기서, 평활 전압 생성부(1810)는, 컨버터 제어부에서 컨버터 구동부로 인가되는 PWM 신호를 센싱하고, 센싱된 PWM 신호의 듀티값에 상응하는 평활된 전압값을 생성할 수 있다.
이때, 평활된 전압값은, 센싱된 PWM 신호의 듀티값에 따라 가변될 수 있다.
일 예로, 평활된 전압값은, 약 4.5V ~ 약 5.5V 사이에서 가변될 수 있는데, 약 5% 오차를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
도 4와 같이, 평활 전압 생성부(1810)는, 컨버터 구동부와 컨버터 제어부 사이의 노드에 입력단이 연결되고 신호 출력 판단부(1820)에 출력단이 연결되는 다이오드(1812)와, 다이오드(1812)의 출력단과 신호 출력 판단부(1820) 사이의 노드에 연결되는 캐패시터(1814)와, 캐패시터(1814)와 병렬로 연결되는 저항(1816)을 포함할 수 있다.
즉, 평활 전압 생성부(1810)는, 컨버터 제어부로부터 컨버터 구동부로 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 평활용 전해 캐패시터(1814)를 통해 센싱된 PWM 신호의 듀티값에 상응하는 평활된 전압값을 생성할 수 있다.
다음, 도 3과 같이, 신호 출력 판단부(1820)는, 평활 전압 생성부(1810)로부터 생성된 평활된 전압값을 토대로, 컨버터 구동부의 구동 신호 출력 차단 여부를 판단하고, 판단 결과에 따른 판단 신호를 컨버터 구동부에 인가하여 컨버터 구동부의 구동 신호 출력을 차단할 수 있다.
여기서, 신호 출력 판단부(1820)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여, 구동부의 구동 신호 출력 차단 여부를 판단하는 판단 신호를 출력할 수 있다.
일 예로, 도 4와 같이, 신호 출력 판단부(1820)는, 제1 저항(1822)과 제2 저항(1824)이 직렬 연결되어 기준 전압값을 생성하는 분배 저항, 분배 저항의 제1 저항(1822)과 제2 저항(1824) 사이의 노드에 연결되어 기준 전압값이 인가되는 제1 입력단과 평활 전압 생성부(1810)에 연결되어 평활된 전압값이 인가되는 제2 입력단을 포함하는 비교기(1826), 그리고 비교기(1826)의 출력단과 컨버터 구동부의 입력단 사이에 연결되는 다이오드(1828)를 포함할 수 있다.
일 예로서, 분배 저항에 인가되는 전압값 X가 약 5V이고, 제1 저항(1822)이 약 1KΩ이며, 제2 저항(1824)이 약 15.5KΩ일 경우, 기준 전압값(Ref)은, 5V * {R2/(R1+R2)} = 4.7V일 수 있다.
여기서, 기준 전압값은, 컨버터 구동부의 구동 신호 출력 차단 여부를 판단하기 위한 전압값으로서, 회로 설계에 따라 다양하게 가변될 수 있다.
이와 같이, 신호 출력 판단부(1820)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여 평활된 전압값이 기준 전압값보다 더 크면, 마이컴인 컨버터 제어부가 폭주 상태임을 인지하고, 컨버터 구동부의 동작을 정지시켜 구동 신호 출력을 차단하기 위한 하이(high) 신호를 컨버터 구동부로 인가할 수 있다.
또한, 신호 출력 판단부(1820)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여 평활된 전압값이 기준 전압값보다 더 작으면, 마이컴인 컨버터 제어부가 폭주 상태가 아님을 인지하고, 컨버터 구동부를 정상 동작시켜 구동 신호 출력을 위한 로우(low) 신호를 인가할 수 있다.
즉, 신호 출력 판단부(1820)로부터 하이 신호가 출력되면, 컨버터 구동부의 입력단 Cin 단에는, 약 0.5V 이상의 전압이 인가되어 컨버터 구동부의 PWM 신호 출력이 차단되고, 그로 인하여 컨버터부의 스위칭 소자에 과전류가 인가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 신호 출력 판단부(1820)로부터 로우 신호가 출력되면, 컨버터 구동부의 입력단 Cin 단에 약 0.5V 이하의 전압이 인가되어 컨버터 구동부를 정상 동작시키고, 그로 인하여 컨버터부의 스위칭 소자를 정상적으로 스위칭시킬 수 있다.
한편, 도 5에서는 본 발명에 따른 소자 보호부가 적용된 전력 변환 장치를 보여주는 회로도가 도시된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 변환 장치는, 정류부(1100)와 인버터부(1400) 사이에 전기적으로 연결되는 컨버터부를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명은, 컨버터부의 스위칭 소자(1210)에 구동 신호를 인가하는 컨버터 구동부(1600)를 포함하고, 컨버터 구동부(1600)에 PWM 신호를 인가하여 컨버터 구동부(1600)를 제어하는 컨버터 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 컨버터부의 스위칭 소자(1210)는, 게이트단이 컨버터 구동부(1600)에 연결되고, 에미터단이 컨버터 구동부(1600) 입력단 Cin와 소자 보호부(1800)의 출력단 사이의 노드에 연결될 수 있다.
일 예로, 컨버터부의 스위칭 소자(1210)는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
경우에 따라, 컨버터부의 스위칭 소자(1210)의 에미터단과, 컨버터 구동부(1600) 입력단 Cin와 소자 보호부(1800)의 출력단 사이의 노드 사이에는, 저항(1212)이 추가 연결될 수 있다.
이어, 본 발명은, 컨버터 구동부(1600)와 컨버터 제어부 사이의 노드에 연결되는 입력단과 컨버터 구동부(1600) 입력단 Cin에 연결되는 출력단을 포함하는 소자 보호부(1800)를 포함할 수 있다.
여기서, 소자 보호부(1800)는, 컨버터 제어부로부터 컨버터 구동부(1600)로 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 컨버터 제어부의 폭주를 판단하고 그에 따라 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 컨버터부의 스위칭 소자(1210)의 소손을 방지할 수 있다.
일 예로, 소자 보호부(1800)는, 평활 전압 생성부(1810)와 신호 출력 판단부(1820)를 포함할 수 있다.
여기서, 평활 전압 생성부(1810)는, 컨버터 구동부(1600)와 컨버터 제어부 사이의 노드에 입력단이 연결되고 신호 출력 판단부(1820)에 출력단이 연결되는 다이오드(1812)와, 다이오드(1812)의 출력단과 신호 출력 판단부(1820) 사이의 노드에 연결되는 캐패시터(1814)와, 캐패시터(1814)와 병렬로 연결되는 저항(1816)을 포함할 수 있다.
즉, 평활 전압 생성부(1810)는, 컨버터 제어부로부터 컨버터 구동부(1600)로 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 평활용 전해 캐패시터(1814)를 통해 센싱된 PWM 신호의 듀티값에 상응하는 평활된 전압값을 생성할 수 있다.
이때, 평활된 전압값은, 센싱된 PWM 신호의 듀티값에 따라 가변될 수 있다.
일 예로, 평활된 전압값은, 약 4.5V ~ 약 5.5V 사이에서 가변될 수 있는데, 약 5% 오차를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
다음, 신호 출력 판단부(1820)는, 제1 저항(1822)과 제2 저항(1824)이 직렬 연결되어 기준 전압값을 생성하는 분배 저항, 분배 저항의 제1 저항(1822)과 제2 저항(1824) 사이의 노드에 연결되어 기준 전압값이 인가되는 제1 입력단과 평활 전압 생성부(1810)에 연결되어 평활된 전압값이 인가되는 제2 입력단을 포함하는 비교기(1826), 그리고 비교기(1826)의 출력단과 컨버터 구동부의 입력단 사이에 연결되는 다이오드(1828)를 포함할 수 있다.
여기서, 기준 전압값은, 컨버터 구동부의 구동 신호 출력 차단 여부를 판단하기 위한 전압값으로서, 회로 설계에 따라 다양하게 가변될 수 있다.
이와 같이, 신호 출력 판단부(1820)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여 평활된 전압값이 기준 전압값보다 더 크면, 마이컴인 컨버터 제어부가 폭주 상태임을 인지하고, 컨버터 구동부(1600)의 동작을 정지시켜 구동 신호 출력을 차단하기 위한 하이(high) 신호를 컨버터 구동부(1600)로 인가할 수 있다.
또한, 신호 출력 판단부(1820)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여 평활된 전압값이 기준 전압값보다 더 작으면, 마이컴인 컨버터 제어부가 폭주 상태가 아님을 인지하고, 컨버터 구동부(1600)를 정상동작시켜 구동 신호 출력을 위한 로우(low) 신호를 인가할 수 있다.
즉, 신호 출력 판단부(1820)로부터 하이 신호가 출력되면, 컨버터 구동부(1600)의 입력단 Cin 단에는, 약 0.5V 이상의 전압이 인가되어 컨버터 구동부(1600)의 PWM 신호 출력이 차단되고, 그로 인하여 컨버터부의 스위칭 소자(1210)에 과전류가 인가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 신호 출력 판단부(1820)로부터 로우 신호가 출력되면, 컨버터 구동부(1800)의 입력단 Cin 단에 약 0.5V 이하의 전압이 인가되어 컨버터 구동부(1600)를 정상 동작시키고, 그로 인하여 컨버터부의 스위칭 소자(1210)를 정상적으로 스위칭시킬 수 있다.
이하, 도 6에서는 인버터부의 구동 신호를 차단시킬 수 있는 차단 신호 발생부를 포함하는 전력 변환 장치의 회로 구성이 설명된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 전력 변환 장치는, 컨버터부(1200)와 모터(2000) 사이에 전기적으로 연결되는 인버터부(1400)를 포함할 수 있다.
인버터부(1400)는, 인버터부(1400) 내에 구비된 스위칭 소자에 구동 신호를 인가할 수 있다. 또한, 인버터 제어부(1500)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 인버터부(1400)에 인가함으로써, 상기 인버터부(1400)의 동작을 제어할 수 있다.
여기서, 인버터부는 3상을 구현하는 복수의 스위치 쌍을 포함할 수 있다. 즉, 인버터부는 상암 스위치와 하암 스위치가 서로 직렬연결된 스위치 쌍을 3개 구비할 수 있으며, 각 스위치 쌍이 하나의 상을 구현할 수 있다.
이때, 하암 스위치의 게이트 단은 인버터부의 구동모듈(미도시)에 연결되고, 상기 하암 스위치의 에미터단은 인버터부의 입력단(Cin)과 차단 신호 발생부의 출력단 사이의 노드에 연결될 수 있다.
일 예로, 인버터부의 스위칭 소자는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
이어, 본 발명은, 인버터부(1400)와 인버터 제어부 사이의 노드에 연결되는 입력단과, 인버터부(1400)의 입력단(Cin)에 연결되는 출력단을 포함하는 인버터용 소자 보호부(1901, 1902)를 포함할 수 있다.
여기서, 인버터용 소자 보호부(1901, 1902)는, 인버터 제어부로부터 인버터부(1400)로 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 인버터 제어부의 폭주를 판단하고 그에 따라 인버터부(1400)의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있다.
일 예로, 인버터용 소자 보호부(1901, 1902)는, 평활 전압 생성부(1902)와 차단 신호 발생부(1820)를 포함할 수 있다.
여기서, 평활 전압 생성부(1902)는, 인버터부(1400)와 인버터 제어부 사이의 노드에 입력단이 연결되고, 차단 신호 발생부(1901)에 출력단이 연결되는 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 다이오드의 양단에는 제1 저항 소자(R1)와 제2 저항 소자(R2)가 연결될 수 있다. 특히, 제2 저항 소자(R2)는 다이오드의 출력단과 차단 신호 발생부(1901) 사이의 노드에 연결되는 캐패시터와, 병렬로 연결될 수 있다.
상술한 구성을 통하여, 평활 전압 생성부(1902)는 인버터 제어부에 의해 생성되는 PWM 신호를 감지하고, 감지된 PWM 신호의 듀티비에 대응되는 평활된 전압을 생성할 수 있다.
이때, 평활된 전압의 값은, 감지된 PWM 신호의 듀티비 값에 따라 가변될 수 있다.
다음, 차단 신호 발생부(1901)는, 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4)이 직렬 연결되어 기준 전압값을 생성하는 분배 저항을 포함할 수 있다. 아울러, 차단 신호 발생부(1901)는 두개의 입력단을 갖는 비교기를 구비하며, 상기 비교기의 입력단 중 어느 하나에는 분배 저항을 구성하는 두 저항 사이의 노드가 연결되고, 다른 하나에는 평활 전압 생성부(1902)가 연결될 수 있다.
일 예에서, 제3 저항(R3)은 약 1KΩ으로 설정되고, 제4 저항(R4)은 약 15.5KΩ으로 설정될 수 있다. 이 경우, 기준 전압값(Ref)은, 5V * {R4/(R3+R4)} = 4.7V일 수 있다.
여기서, 기준 전압값은, 인버터부의 구동 신호 출력 차단 여부를 판단하기 위한 전압 값으로서, 회로 설계에 따라 다양하게 가변될 수 있다.
이와 같이, 차단 신호 발생부(1901)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여 평활된 전압값이 기준 전압값보다 더 크면, 인버터 제어부가 폭주 상태임을 인지하고, 인버터부(1400)의 동작을 정지시켜 구동 신호 출력을 차단하기 위한 하이(high) 신호를 인버터부(1400)로 인가할 수 있다.
또한, 차단 신호 발생부(1901)는, 평활된 전압값과 미리 설정된 기준 전압값을 비교하여 평활된 전압값이 기준 전압값보다 더 작으면, 인버터 제어부가 폭주 상태가 아님을 인지하고, 인버터부(1400)를 정상동작시켜 구동 신호 출력을 위한 로우(low) 신호를 인가할 수 있다.
즉, 차단 신호 발생부(1901)로부터 하이 신호가 출력되면, 인버터부(1400)의 입력단 Cin 단에는, 약 0.5V 이상의 전압이 인가되어 인버터부(1400)의 PWM 신호 출력이 차단되고, 그로 인하여 인버터부(1400)의 스위칭 소자에 과전류가 인가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 차단 신호 발생부(1901)로부터 로우 신호가 출력되면, 인버터부(1400)의 입력단 Cin 단에 약 0.5V 이하의 전압이 인가되어 인버터부(1400)를 정상 동작시키고, 그로 인하여 인버터부의 스위칭 소자를 정상적으로 스위칭시킬 수 있다.
일 예로, 도 7에 도시된 바와 같이, 소자 보호부(1800)는, 판단 신호가 하이(high)이면, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 차단하고, 판단 신호가 로우(low)이면, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호를 출력시킬 수 있다.
여기서, 소자 보호부(1800)는, 판단 신호가 하이일 때, 하이 신호가 인가되는 시간(t1) 동안, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단할 수 있다.
즉, 소자 보호부(1800)는, 하이 신호가 컨버터 구동부의 입력단 Cin에 t1 시간 동안 입력된다면, 컨버터 구동부는, 하이 신호가 입력되는 t1 시간 동안, 동작을 정지하여 구동 신호 출력을 차단할 수 있다.
이와 같이, 소자 보호부(1800)는, 마이컴인 컨버터 제어부가 폭주 상태가 지속되는 시간 동안 지속적으로 하이 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가함으로써, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단할 수 있다.
만일, 소자 보호부(1800)가 마이컴인 컨버터 제어부(1300)가 폭주 상태가 지속되는 시간 동안 지속적으로 하이 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가하지 않는다면, 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력이 일시 차단되었다가 다시 구동 신호가 출력되어 컨버터부(1200)의 스위칭 소자로 과전류가 흐르게 되어 스위칭 소자의 손손이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 소자 보호부(1800)는, 컨버터 제어부(1300)의 PWM 신호를 센싱하여 컨버터 제어부(1300)의 폭주 여부를 판단하고, 컨버터 제어부(1300)가 폭주 상태이면, 폭주 상태가 지속되는 시간 동안, 지속적으로 하이 신호를 컨버터 구동부(1600)에 인가하여 컨버터 구동부(1600)의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단함으로써, 컨버터부(1200)의 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 방지하여 컨버터부(1200)의 스위칭 소자를 보호할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 인버터부와, 컨버터 구동부에 인가되는 PWM 신호를 센싱하여 인버터부 및 컨버터 제어부 중 적어도 하나의 폭주를 판단하고 그에 따라 인버터부 및 컨버터 구동부 중 적어도 하나의 구동 신호 출력을 차단함으로써, 인버터 및 컨버터의 스위칭 소자의 소손을 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 인버터 제어부 및 컨버터 제어부 중 적어도 하나의 폭주에 상응하는 판단 신호가 하이일 때, 하이 신호가 인버터부 및 컨버터 구동부 중 적어도 하나에 인가되는 시간 동안, 인버터부 및 컨버터 구동부 중 적어도 하나의 구동 신호 출력을 지속적으로 차단함으로써, 인버터 및 컨버터 스위칭 소자의 수명을 최대한 연장시킬 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 정류부, 컨버터부 및 인버터부를 포함하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 인버터부의 스위칭 소자에 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호를 인가하여 상기 인버터부를 제어하는 인버터 제어부;
    상기 인버터부에 인가되는 PWM 신호의 듀티값에 대응하여, 평활된 전압을 생성하도록 커패시터를 구비하는 평활 전압 생성부; 및
    상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 인버터부의 동작을 차단시키기 위한 차단 신호를 출력하는 차단 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 차단 신호 발생부는,
    상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이면, 하이(high) 신호를 출력하고,
    상기 평활 전압 생성부에 의해 평활된 전압이 미리 설정된 기준 전압 작으면, 로우(Low) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 인버터부는,
    상기 차단 신호 발생부로부터 하이 신호가 인가되면, 상기 인버터 제어부에 의해 생성된 PWM 신호를 차단시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 인버터부는,
    상기 차단 신호 발생부로부터 로우 신호가 인가되면, 상기 인버터 제어부에 의해 생성된 PWM 신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 평활 전압 생성부는,
    상기 PWM 신호를 감지하고, 감지된 PWM 신호의 듀티값에 상응하는 평활된 전압값을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 평활된 전압값은,
    상기 감지된 PWM 신호의 듀티비 값에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 평활 전압 생성부는,
    상기 인버터부와 상기 인버터 제어부 사이의 노드에 연결되고, 상기 차단 신호 발생부에 출력단이 연결되는 다이오드와,
    상기 다이오드의 출력단과 상기 차단 신호 발생부 사이의 노드에 연결되는 커패시터 및
    상기 커패시터와 병렬로 연결되는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 차단 신호 발생부는,
    제1 저항과 제2 저항이 직렬 연결되어 기준 전압값을 생성하는 분배 저항;
    상기 분배 저항의 제1 저항과 제2 저항 사이의 노드에 연결되어 상기 기준 전압값이 인가되는 제1 입력단과 상기 평활 전압 생성부에 연결되어 상기 평활된 전압값이 인가되는 제2 입력단을 포함하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력단과 상기 인버터부의 입력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 비교기가 하이 신호를 출력하는 경우, 상기 인버터부의 입력단에는 소정의 전압 값 이상의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 비교기가 로우 신호를 출력하는 경우, 상기 인버터부의 입력단에는 소정의 전압 값 이하의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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