KR20210063091A - 과전류에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 - Google Patents

과전류에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과전류가 스위칭 소자에 흐르는 시간을 최소화함으로써 과전류 발생시 스위칭 소자의 손상을 방지하는 전력 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 입력단으로부터 인가되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력단에 연결된 부하에 제공하는 전력 변환 장치에 있어서, 상기 입력단에 병렬로 연결되는 U상, V상, W상 레그(leg)에 각각 구비되는 상단 및 하단 스위칭 소자, 상기 U상 레그와 상기 V상 레그 사이에 구비되는 제1 바이패스 스위치, 상기 V상 레그와 상기 W상 레그 사이에 구비되는 제2 바이패스 스위치 및 상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상의 단락 여부에 따라 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

과전류에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있는 전력 변환 장치{POWER CONVERSION APPARATUS PREVENTING DAMAGE OF SWITHCHING ELEMENT DUE TO OVERCURRENT}
본 발명은 과전류가 스위칭 소자에 흐르는 시간을 최소화함으로써 과전류 발생시 스위칭 소자의 손상을 방지하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
3상 전력 변환 장치는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 부하에 제공하는 장치이다. 구체적으로, 전력 변환 장치는 U상, V상, W상 라인을 통해 부하와 연결되고 각 상의 라인을 통해 부하에 3상 교류 전원을 제공한다.
이러한 전력 변환 장치의 동작 중에 다양한 원인으로 인해 U상, V상, W상 중 어느 두 상의 라인이 단락될 수 있고, 이와 같은 라인간 단락은 전력 변환 장치 내 과전류를 발생시킨다.
도 1a는 종래 3상 전력 변환 장치에서 U상과 V상의 단락이 발생하였을 때의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 도 1a에서 설명한 단락 발생 시 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 방지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 종래 전력 변환 장치 내에서 발생하는 과전류와 이를 방전시키는 방법을 설명하도록 한다.
도 1a를 참조하면, 전력 변환 장치(100')는 U상 레그(leg)에 연결된 U상 상단 및 하단 스위칭 소자(Sa, Sa'), V상 레그에 연결된 V상 상단 및 하단 스위칭 소자(Sb, Sb'), W상 레그에 연결된 W상 상단 및 하단 스위칭 소자(Sc, Sc')를 포함할 수 있고, U상, V상, W상 레그는 각각 부하에 연결된다.
U상 상단 스위칭 소자(Sa)와 V상 하단 스위칭 소자(Sb')가 턴 온된 상태에서 U상과 V상에 단락이 발생하면, 턴 온된 두 스위칭 소자(Sa, Sb')에 과전류가 흐르게 된다. 스위칭 소자에 과전류가 일정 시간 이상 흐르게 되면 스위칭 소자는 손상되므로, 종래 전력 변환 장치(100')는 이를 방지하기 위해 하단 스위칭 소자(Sa', Sb', Sc')를 턴 오프시켜 과전류를 방전시킨다.
도 1b를 참조하여 설명하면, 하단 스위칭 소자(Sa', Sb', Sc')가 턴 오프되면 U상 상단 스위칭 소자(Sa)를 통해 출력되는 과전류는 라인의 단락 지점을 거쳐 V상 상단 스위칭 소자(Sb)의 역방향 다이오드를 통해 방전된다.
한편, 전력 변환 장치(100')와 부하는 전기적으로 접속되되, 물리적으로는 이격되는 것이 일반적이다. 이 때, 앞서 설명한 것과 같이 하단 스위칭 소자를 턴 오프시켜 과전류를 방전시키는 경우, 전류의 방전 경로에는 전력 변환 장치(100')와 부하 사이의 물리적 거리에 따라 유도성 기생 성분(inductive parasitic element, Lp)이 발생하게 된다.
이러한 유도성 기생 성분(Lp)으로 인해 과전류의 방전 속도는 지연되고, 결과적으로 스위칭 소자에 과전류가 오랫동안 흐르게 됨으로써 스위칭 소자가 손상될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 스위칭 소자에 흐르는 과전류를 빠르게 방전시킬 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 과전류의 검출 즉시 과전류의 방전 경로를 생성하는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 3상 레그 사이에 각각 구비되는 두 개의 바이패스 스위치를 이용하여 매우 짧은 과전류의 방전 경로를 생성함으로써, 스위칭 소자에 흐르는 과전류를 빠르게 방전시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 입력단을 통해 입력되는 과전류 또는 출력단을 통해 출력되는 과전류가 검출되면, 하단 스위칭 소자를 오프시킴과 동시에 두 개의 바이패스 스위치를 온오프시킴으로써 과전류의 검출 즉시 과전류의 방전 경로를 생성할 수 있다.
본 발명은 스위칭 소자에 흐르는 과전류를 빠르게 방전시킴으로써 과전류가 스위칭 소자에 흐르는 시간을 줄일 수 있고, 이에 따라 과전류에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 과전류의 검출 즉시 과전류의 방전 경로를 생성함으로써, 과전류가 방전 경로 외에 다른 경로로 흐르는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 과전류에 의한 악영향이 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1a는 종래 3상 전력 변환 장치에서 U상과 V상의 단락이 발생하였을 때의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 1b는 도 1a에서 설명한 단락 발생 시 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 방지하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 장치가 교류 전원과 연결된 모습을 도시한 도면.
도 4는 입력단에 연결되는 과전류 검출부를 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 4에 도시된 과전류 검출부의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 6은 전력 변환 장치의 출력단에 연결되는 전류 센서를 설명하기 위한 도면.
도 7은 제어부가 과전류 검출부에서 출력되는 검출신호에 기초하여 단락 여부를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8은 제어부가 전류 센서에서 출력되는 상전류의 크기에 기초하여 단락 여부를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 U상과 V상의 단락 발생 시 전류 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 10은 V상과 W상의 단락 발생 시 전류 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 11은 U상과 W상의 단락 발생 시 전류 흐름을 설명하기 위한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다
본 발명은 과전류가 스위칭 소자에 흐르는 시간을 최소화함으로써 과전류 발생시 스위칭 소자의 손상을 방지하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
이하, 도 2 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 장치가 교류 전원과 연결된 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 입력단에 연결되는 과전류 검출부를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 과전류 검출부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 6은 전력 변환 장치의 출력단에 연결되는 전류 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제어부가 과전류 검출부에서 출력되는 검출신호에 기초하여 단락 여부를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8은 제어부가 전류 센서에서 출력되는 상전류의 크기에 기초하여 단락 여부를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 U상과 V상의 단락 발생 시 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 V상과 W상의 단락 발생 시 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 U상과 W상의 단락 발생 시 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(100)는 입력단으로부터 인가되는 직류 전원(VDC)을 3상 교류 전원으로 변환하여, 출력단에 연결된 부하에 제공할 수 있다.
이를 위해, 전력 변환 장치(100)는 풀-브리지(full-bridge) 형태로 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전력 변환 장치(100)는 입력단에 병렬로 연결되는 U상 레그(leg), V상 레그 및 W상 레그를 포함할 수 있고, 각 레그에는 상단 및 하단 스위칭 소자가 각각 구비될 수 있다.
각 레그에 구비된 스위칭 소자는 전력 스위칭 소자일 수 있고, 예컨대, IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등일 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 U상 레그에 구비된 상단 및 하단 스위칭 소자를 제1 상단 및 제1 하단 스위칭 소자(S1, S1')로 지칭하고, V상 레그에 구비된 상단 및 하단 스위칭 소자를 제2 상단 및 제2 하단 스위칭 소자(S2, S2')로 지칭하며, W상 레그에 구비된 상단 및 하단 스위칭 소자를 제3 상단 및 제3 하단 스위칭 소자(S3, S3')로 지칭하도록 한다.
제1 상단 및 제1 하단 스위칭 소자(S1, S1')는 직류 전원(VDC)을 U상 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 상단 및 제1 하단 스위칭 소자(S1, S1')는 U상 레그의 출력 노드(Nu)를 통해 서로 연결될 수 있고, 후술하는 제어부(130)에서 출력되는 게이트 신호(Sg)에 따라 스위칭하여 직류 전원(VDC)을 U상 교류 전원으로 변환하고, 이를 출력 노드(Nu)를 통해 출력할 수 있다.
제2 상단 및 제2 하단 스위칭 소자(S2, S2')는 직류 전원(VDC)을 V상 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 상단 및 제2 하단 스위칭 소자(S2, S2')는 V상 레그의 출력 노드(Nv)를 통해 서로 연결될 수 있고, 후술하는 제어부(130)에서 출력되는 게이트 신호(Sg)에 따라 스위칭하여 직류 전원(VDC)을 V상 교류 전원으로 변환하고, 이를 출력 노드(Nv)를 통해 출력할 수 있다.
제3 상단 및 제3 하단 스위칭 소자(S3, S3')는 직류 전원(VDC)을 W상 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 제3 상단 및 제3 하단 스위칭 소자(S3, S3')는 W상 레그의 출력 노드(Nw)를 통해 서로 연결될 수 있고, 후술하는 제어부(130)에서 출력되는 게이트 신호(Sg)에 따라 스위칭하여 직류 전원(VDC)을 W상 교류 전원으로 변환하고, 이를 출력 노드(Nw)를 통해 출력할 수 있다.
이하에서는 상단 및 하단 스위칭 소자를 필요에 따라 스위칭 소자로 통칭하도록 한다.
한편, 스위칭 소자의 변환 대상인 직류 전원(VDC)은 직류 전압원으로부터 출력되어 입력단에 인가될 수 있다. 다시 말해, 도 2에 도시된 입력단에는 직류 전압원이 병렬로 연결될 수 있고, 이에 따라 직류 전압원에서 출력되는 직류 전압이 곧바로 입력단에 인가될 수 있다.
이와 달리, 스위칭 소자의 변환 대상인 직류 전원(VDC)은 교류 전압원으로부터 출력되어 입력단에 인가될 수도 있다. 보다 구체적으로, 교류 전압원에서 출력된 교류 전원은 직류 전원(VDC)으로 변환되어 입력단에 인가될 수 있다.
도 3을 참조하면, 교류 전압원(10)에서 출력되는 교류 전원은 평활 인덕터(Lf)를 통해 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성된 풀 브지리 정류 회로를 통과할 수 있다. 이에 따라, 교류 전원은 직류 전원(VDC)으로 정류될 수 있고, 정류된 직류 전원(VDC)은 DC 링크 커패시터(CDC)에 저장될 수 있다. DC 링크 커패시터(CDC)는 입력단과 병렬로 연결되므로, DC 링크 커패시터(CDC)에 저장된 직류 전원(VDC)이 입력단으로 제공될 수 있다.
전술한 바와 같이, 입력단에는 교류 전압원 또는 직류 전압원이 연결될 수 있다. 다만, 후술되는 도 6 내지 도 11에서는 설명의 편의를 위해 입력단에 연결되는 직류 전압원 또는 교류 전압원을, 직류 전압(VDC)을 출력하는 단일 전압원으로 등가화하도록 한다.
다시 도 2를 참조하면, 제1 바이패스 스위치(110)는 U상 레그와 V상 레그 사이에 구비될 수 있고, 제2 바이패스 스위치(120)는 V상 레그와 W상 레그 사이에 구비될 수 있다. 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)는 회로를 개폐하는 임의의 소자로 구성될 수 있고, 예컨대 릴레이(relay)일 수 있다. 이 때, 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)는 제어부(130)에서 출력되는 스위칭 제어 신호(Ss)에 따라 온오프될 수 있다.
즉, 제1 바이패스 스위치(110)는 제어부(130)에서 출력되는 스위칭 제어 신호(Ss)에 따라 U상 레그와 V상 레그를 선택적으로 연결할 수 있고, 제2 바이패스 스위치(120)는 제어부(130)에서 출력되는 스위칭 제어 신호(Ss)에 따라 V상 레그와 W상 레그를 선택적으로 연결할 수 있다.
도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1 바이패스 스위치(110)는 U상 레그의 출력 노드(Nu)와 V상 레그의 출력 노드(Nv) 사이에 구비될 수 있고, 제2 바이패스 스위치(120)는 V상 레그의 출력 노드(Nv)와 W상 레그의 출력 노드(Nw) 사이에 구비될 수 있다. 이에 따라, 제1 바이패스 스위치(110)는 제어부(130)의 제어에 따라 U상 레그의 출력 노드(Nu)와 V상 레그의 출력 노드(Nv)를 연결 또는 분리할 수 있고, 제2 바이패스 스위치(120)는 제어부(130)의 제어에 따라 V상 레그의 출력 노드(Nv)와 W상 레그의 출력 노드(Nw)를 연결 또는 분리할 수 있다.
전술한 회로 구조에서, 제어부(130)는 기본적으로 부하에 3상 교류 전원이 출력되도록 스위칭 소자에 게이트 신호(Sg)를 인가할 수 있다. 이와 같은 기본 동작 중에 다양한 원인으로 인해 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락될 수 있고, 이 경우 게이트 신호(Sg)에 따라 동작하던 스위칭 소자에 과전류가 흐르게 되어 스위칭 소자가 손상될 수 있다.
과전류가 스위칭 소자에 지속적으로 흐르는 것을 방지하기 위한 종래 방법은 도 1b에서 설명한 방법과 같다. 다만, 앞서 언급한 바와 같이 종래 방법에 의하더라도, 전력 변환 장치(100)와 단락 지점까지의 거리에 따른 유도성 기생 성분(Lp)으로 인해, 스위칭 소자에 흐르는 과전류가 오랫동안 방전됨으로써 스위칭 소자가 손상될 수 있다.
이를 방지하기 위해, 본원 발명의 제어부(130)는 U상, V상, W상 중 어느 두 상의 단락 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나를 제어함으로써, 스위칭 소자에 흐르는 과전류를 빠르게 방전시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, U상, V상, W상 중 어느 두 상 간에 단락이 발생하면 전력 변환 장치(100)를 이루는 회로 내에 과전류가 발생할 수 있다. 제어부(130)는 이러한 과전류를 검출함으로써 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락 되었는지를 판단할 수 있고, 단락된 상에 따라 제1 바이패스 스위치(110) 및/또는 제2 바이패스 스위치(120)를 제어할 수 있다.
일 예에서, 제어부(130)는 입력단에 흐르는 과전류를 검출하여 단락 여부를 판단할 수 있다. 이를 위해, 전력 변환 장치(100)는 입력단에 구비되어 입력단에 흐르는 과전류를 검출하는 과전류 검출부(140)를 더 포함할 수 있다.
이러한 과전류 검출부(140)는 입력단으로 제공되는 전류를 검출하기 위한 임의의 아날로그 및/또는 디지털 회로를 포함할 수 있다. 과전류 검출부(140)는 검출된 전류의 크기에 대응하는 아날로그 또는 디지털 신호를 생성하고 이를 제어부(130)에 제공할 수 있다. 또한, 과전류 검출부(140)는 검출된 전류가 과전류인지 여부에 따라 서로 다른 값을 갖는 아날로그 또는 디지털 신호를 생성하고 이를 제어부(130)에 제공할 수 있다.
도 4를 예로 들어 설명하면, 과전류 검출부(140)는 입력단에 구비되는 션트(shunt) 저항(Rs)을 포함할 수 있고, 션트 저항(Rs)에 인가되는 전압(Vd)에 기초하여 전류의 크기를 검출할 수 있다.
도 5를 참조하면, 과전류 검출부(140)는 션트 저항(Rs)에 인가되는 전압(Vd)을 과전류의 판단 기준이 되는 기준전압(Vref)과 비교하고, 비교 결과에 따라 검출신호(Sd)를 제어부(130)에 출력하는 비교기(141)를 더 포함할 수 있다.
입력단에 과전류가 흐르게 되면 션트 저항(Rs)에 인가되는 전압(이하, 션트 전압, Vs)은 매우 커질 수 있다. 비교기(141)는 션트 전압(Vd)과 기준전압(Vref)을 비교하고, 비교 결과에 따라 서로 다른 값을 갖는 검출신호(Sd)를 출력할 수 있다. 예컨대, 비교기(141)는 션트 전압(Vd)이 기준전압(Vref)보다 큰 경우 양의 값을 갖는 검출신호(Sd)를 출력할 수 있고, 션트 전압(Vd)이 기준전압(Vref)보다 작은 경우 음의 값을 갖는 검출신호(Sd)를 출력할 수 있다.
이하에서는 과전류가 흐를 때 과전류 검출부(140)에서 출력되는 신호를 하이(high) 검출신호로 지칭하도록 하고, 과전류가 흐르지 않을 때 과전류 검출부(140)에서 출력되는 신호를 로우(low) 검출신호로 지칭하도록 한다.
제어부(130)는 과전류 검출부(140)에서 출력되는 검출신호(Sd)와, 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호(Sg)에 기초하여 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락 되었는지를 판단할 수 있다.
제어부(130)는 과전류 검출부(140)에서 출력되는 검출신호(Sd)가 로우 검출신호이면, 단락이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 반면에, 제어부(130)는 과전류 검출부(140)에서 출력되는 검출신호(Sd)가 하이 검출신호이면 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있고, 이 때 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호(Sg)에 기초하여 U상, V상, W상 중 어느 상에 단락이 발생한 것인지 판단할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 스위칭 소자를 온시키는 게이트 신호(Sg)를 턴온(turn-on) 게이트 신호로 지칭하도록 하고, 스위칭 소자를 오프시키는 게이트 신호(Sg)를 턴오프(turn-off) 게이트 신호로 지칭하도록 한다.
도 7을 참조하여 설명하면, U상과 V상이 단락되었을 때, 제어부(130)가 턴온 게이트 신호를 통해 제1 상단 및 제2 하단 스위칭 소자(S1, SS')를 온 시키게 되면, 입력단에는 과전류가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 과전류 검출부(140)로부터 하이 검출신호를 제공받을 수 있다.
제어부(130)는, 하이 검출신호가 제공된 시점에, 턴온 게이트 신호가 인가되고 있는 스위칭 소자를 제1 상단 및 제2 하단 스위칭 소자(S1, S2')로 식별할 수 있다. 제1 상단 스위칭 소자(S1)는 U상 레그에 구비되고 제2 하단 스위칭 소자(S2')는 V상 레그에 구비되므로, 제어부(130)는 U상과 V상에 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이와 같은 방법으로 제어부(130)는, 과전류 검출부(140)로부터 하이 검출신호가 제공된 시점에, 턴온 게이트 신호가 인가되고 있는 스위칭 소자의 구비 위치(예컨대, U상, V상, W상 레그)에 기초하여 어느 상에 단락이 발생하였는지 판단할 수 있다.
다른 예에서, 제어부(130)는 출력단에 흐르는 과전류를 검출하여 단락 여부를 판단할 수 있다. 이를 위해, 전력 변환 장치(100)는 출력단에 구비되어 U상, V상, W상의 출력 노드(Nu, Nv, Nw)를 통해 출력되는 상전류(U상 전류(Iu), V상 전류(Iv), W상 전류(Iw))를 각각 검출하는 전류 센서(150)를 더 포함할 수 있다.
이러한 전류 센서(150)는 출력단으로 출력되는 전류를 검출하기 위한 임의의 아날로그 및/또는 디지털 회로를 포함할 수 있다. 전류 센서(150)는 검출된 전류의 크기에 대응하는 아날로그 또는 디지털 신호를 생성하고 이를 제어부(130)에 제공할 수 있다.
도 6을 예로 들어 설명하면, 전류 센서(150)는 U상, V상, W상의 출력단에 각각 구비되어 U상 전류(Iu), V상 전류(Iv), W상 전류(Iw)를 각각 검출할 수 있다. 각 상전류가 검출되면 전류 센서(150)는 각 상전류의 크기를 제어부(130)에 제공할 수 있다.
제어부(130)는 전류 센서(150)에서 검출된 상전류의 크기에 기초하여 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락 되었는지를 판단할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 전류 센서(150)에서 검출된 U상 전류(Iu), V상 전류(Iv), W상 전류(Iw)의 크기가 모두 기준 크기 미만이면, 단락이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
반면에, 제어부(130)는 전류 센서(150)에서 검출된 U상 전류(Iu), V상 전류(Iv), W상 전류(Iw)의 크기 중 적어도 두 상전류의 크기가 기준 크기 이상이면 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있고, 기준 크기 이상으로 검출된 상전류가 어느 상의 전류인지를 식별하여 U상, V상, W상 중 어느 상에 단락이 발생한 것인지 판단할 수 있다.
도 8을 참조하여 설명하면, V상과 W상이 단락되었을 때, V상 레그의 출력 노드(Nv)를 통해 출력되는 V상 전류(Iv)와 W상 레그의 출력 노드(Nw)로 제공되는 W상 전류(Iw)는 과전류일 수 있다. 이 때, 제어부(130)는 전류 센서(150)로부터 V상 전류(Iv)와 W상 전류(Iw)의 크기를 제공받아 이를 기준 크기와 비교하고, V상 전류(Iv)와 W상 전류(Iw)의 크기가 기준 크기 이상임을 식별함으로써 V상과 W상에 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이와 같은 방법으로 제어부(130)는, 전류 센서(150)로부터 제공된 각 상전류 중 기준 크기 이상인 전류가 어느 두 상의 전류인지를 식별하고, 식별된 두 상에 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락된 것으로 판단된 경우, 제어부(130)는 단락된 두 상의 하단 스위칭 소자를 오프시킬 수 있다.
도 7을 예로 들어 설명하면, 제어부(130)는 앞서 설명한 방법에 따라 U상과 V상에 단락이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이 때, 제어부(130)는 단락된 U상과 V상의 하단 스위칭 소자, 즉 제1 및 제2 하단 스위칭 소자(S1', S2')에 턴오프 게이트 신호를 인가하여, 제1 및 제2 하단 스위칭 소자(S1', S2')를 오프시킬 수 있다.
이에 따라, 단락에 의해 발생한 과전류는 제2 상단 스위칭 소자(S2)의 역방향 다이오드를 통해 방전될 수 있다. 하단 스위칭 소자를 오프시킴에 따라 과전류가 방전되는 과정에 대해서는 도 1b를 참조하여 설명한 바 있으므로 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
추가적으로, U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락된 것으로 판단된 경우, 제어부(130)는 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나를 온시킬 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 전력 변환 장치(100)와 부하는 전기적으로 접속되되, 전력 변환 장치(100)의 위치와 부하의 위치는 물리적으로 이격될 수 있다. 이 때, 앞서 설명한 것과 같이 하단 스위칭 소자를 오프시킴으로써 과전류를 방전시키는 경우, 도 1b에 도시된 것과 같이 전류의 방전 경로에는 전력 변환 장치(100)와 부하 사이의 물리적 거리에 따라 유도성 기생 성분(Lp)이 발생할 수 있다.
이러한 유도성 기생 성분으로 인해 과전류의 방전 속도는 지연되고, 결과적으로 스위칭 소자에 과전류가 오랫동안 흐름으로써 스위칭 소자가 손상될 수 있다.
이를 방지하기 위해 본원 발명의 제어부(130)는 단락 발생 시 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나를 온시킴으로써, 유도성 기생 성분(Lp)이 제거된 새로운 과전류 방전 경로를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락된 것으로 판단된 경우, 단락된 두 상의 하단 스위칭 소자를 오프시킴과 동시에 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나를 온시킴으로써 새로운 과전류 방전 경로를 생성할 수 있다.
하단 스위칭 소자의 오프 동작과 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나의 온 동작이 동시에 발생하도록 하기 위해, 제어부(130)는 단락된 하단 스위칭 소자를 오프시키기 위한 게이트 신호(Sg)와 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나를 온시키기 위한 스위칭 제어 신호(Ss)(이하, 온 스위칭 제어 신호)를 동기화할 수 있다.
다시 말해, 제어부(130)는 단락된 두 상의 하단 스위칭 소자에 턴오프 게이트 신호를 인가하고, 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)에는 턴오프 게이트 신호와 동기화된 온 스위칭 제어 신호를 인가할 수 있다. 이에 따라, 하단 스위칭 소자가 오프됨과 동시에 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나가 온됨으로써 과전류 방전 경로가 생성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 과전류의 검출 즉시 과전류의 방전 경로를 생성함으로써, 과전류가 방전 경로 외에 다른 경로로 흐르는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 과전류에 의한 악영향이 확산되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 U상, V상, W상 중 임의의 두 상이 단락되었을 때, 제어부(130)가 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120) 중 적어도 하나를 제어하여 과전류 방전 경로를 형성하는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
제어부(130)는 U상과 V상이 단락된 경우 제1 바이패스 스위치(110)를 온시키고 제2 바이패스 스위치(120)를 오프시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 제어부(130)는 U상과 V상이 단락된 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 제1 및 제2 하단 스위칭 소자(S1', S2')에 턴오프 게이트 신호를 인가할 수 있고, 게이트 신호(Sg)의 인가 시점과 동일한 시점에 제1 바이패스 스위치(110)에 온 스위칭 제어 신호를 인가하고, 제2 바이패스 스위치(120)에 오프 스위칭 제어 신호를 인가할 수 있다.
이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 상단 스위칭 소자(S1, S2)와 제1 바이패스 스위치(110)는 폐회로를 형성할 수 있고, 과전류는 제2 상단 스위칭 소자(S2)의 역방향 다이오드를 통해 방전될 수 있다.
또한, 제어부(130)는 V상과 W상이 단락된 경우 제2 바이패스 스위치(120)를 온시키고 제1 바이패스 스위치(110)를 오프시킬 수 있다.
도 10을 참조하면, 제어부(130)는 V상과 W상이 단락된 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 제2 및 제3 하단 스위칭 소자(S2', S3')에 턴오프 게이트 신호를 인가할 수 있고, 게이트 신호(Sg)의 인가 시점과 동일한 시점에 제1 바이패스 스위치(110)에 오프 스위칭 제어 신호를 인가하고, 제2 바이패스 스위치(120)에 온 스위칭 제어 신호를 인가할 수 있다.
이에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 상단 스위칭 소자(S2, S3)와 제2 바이패스 스위치(120)는 폐회로를 형성할 수 있고, 과전류는 제3 상단 스위칭 소자(S3)의 역방향 다이오드를 통해 방전될 수 있다.
또한, 제어부(130)는 U상과 W상이 단락된 경우 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)를 온시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 제어부(130)는 U상과 W상이 단락된 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 제1 내지 제3 하단 스위칭 소자(S1', S2', S3')에 턴오프 게이트 신호를 인가할 수 있고, 게이트 신호(Sg)의 인가 시점과 동일한 시점에 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)에 온 스위칭 제어 신호를 인가할 수 있다.
이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 및 제3 상단 스위칭 소자(S1, S3)와 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)는 폐회로를 형성할 수 있고, 과전류는 제3 상단 스위칭 소자(S3)의 역방향 다이오드를 통해 방전될 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이, U상, V상, W상 중 임의의 두 상이 단락되었을 때 새롭게 형성되는 방전 경로는, 전력 변환 장치(100)와 부하 사이의 물리적인 거리에 의해 발생하는 유도성 기생 성분(Lp)에 영향을 받지 않으므로, 과전류가 매우 빠르게 방전될 수 있고, 이에 따라 스위칭 소자의 소상이 방지될 수 있다.
한편, 제1 및 제2 바이패스 스위치(110, 120)는 스위칭 소자와 매우 가까운 거리에 위치하거나, 스위칭 소자를 포함하는 모듈, 예컨대 IPM(Intelligent Power Module) 내부에 스위칭 소자와 함께 포함될 수 있다. 이 경우, 도 9 내지 도 11에 도시된 과전류 방전 경로는 매우 짧게 형성되므로, 과전류는 전력 변환 장치(100)와 부하 사이의 물리적인 거리에 의한 유도성 기생 성분(Lp)에 전혀 영향을 받지 않고 방전될 수 있다.
전술한 제어부(130)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소로 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 스위칭 소자에 흐르는 과전류를 빠르게 방전시킴으로써 과전류가 스위칭 소자에 흐르는 시간을 줄일 수 있고, 이에 따라 과전류에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (15)

  1. 입력단으로부터 인가되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력단에 연결된 부하에 제공하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 입력단에 병렬로 연결되는 U상, V상, W상 레그(leg)에 각각 구비되는 상단 및 하단 스위칭 소자;
    상기 U상 레그와 상기 V상 레그 사이에 구비되는 제1 바이패스 스위치;
    상기 V상 레그와 상기 W상 레그 사이에 구비되는 제2 바이패스 스위치; 및
    상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상의 단락 여부에 따라 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상단 및 하단 스위칭 소자는
    상기 U상 레그에 구비되어 상기 직류 전원을 U상 교류 전원으로 변환하는 제1 상단 및 제1 하단 스위칭 소자와,
    상기 V상 레그에 구비되어 상기 직류 전원을 V상 교류 전원으로 변환하는 제2 상단 및 제2 하단 스위칭 소자와,
    상기 W상 레그에 구비되어 상기 직류 전원을 W상 교류 전원으로 변환하는 제3 상단 및 제3 하단 스위칭 소자를 포함하는
    전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 스위치는 상기 U상 레그의 출력 노드와 상기 V상 레그의 출력 노드 사이에 구비되고,
    상기 제2 바이패스 스위치는 상기 V상 레그의 출력 노드와 상기 W상 레그의 출력 노드 사이에 구비되는
    전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입력단에 구비되어 상기 입력단에 흐르는 과전류를 검출하는 과전류 검출부를 더 포함하는
    전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 과전류 검출부는
    상기 입력단에 구비되는 션트 저항과,
    상기 션트 저항에 인가되는 전압을 기준전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 검출신호를 출력하는 비교기를 포함하는
    전력 변환 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 과전류 검출부에서 출력되는 검출신호 및 상기 상단 및 하단 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호에 기초하여 상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상의 단락 여부를 결정하는
    전력 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 출력단에 구비되어 U상, V상, W상의 출력 노드를 통해 출력되는 상전류를 각각 검출하는 전류 센서를 더 포함하는
    전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전류 센서에서 검출된 상전류의 크기에 기초하여 상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상의 단락 여부를 결정하는
    전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락된 경우 상기 단락된 두 상의 하단 스위칭 소자를 오프시키는
    전력 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락된 경우 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치 중 적어도 하나를 온시키는
    전력 변환 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 U상, V상, W상 중 어느 두 상이 단락된 경우 상기 단락된 두 상의 하단 스위칭 소자를 오프시킴과 동시에 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치 중 적어도 하나를 온시키는
    전력 변환 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단락된 두 상의 하단 스위칭 소자에 턴오프 게이트 신호를 인가하고,
    상기 제1 및 제2 바이패스 스위치에 상기 턴오프 게이트 신호와 동기화된 온 스위칭 제어 신호를 인가하는
    전력 변환 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 U상과 V상이 단락된 경우 상기 제1 바이패스 스위치를 온시키고 상기 제2 바이패스 스위치를 오프시키는
    전력 변환 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 V상과 W상이 단락된 경우 상기 제2 바이패스 스위치를 온시키고 상기 제1 바이패스 스위치를 오프시키는
    전력 변환 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 U상과 W상이 단락된 경우 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치를 온시키는
    전력 변환 장치.
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