KR20210101615A - 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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강명규
허종원
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 부트스트랩 동작 시 레그(leg)들의 하단 스위칭 소자의 턴 온(turn on)을 제어함으로써, 컨버터의 효율과 신뢰성은 높이고 제조비용은 저감할 수 있다.

Description

전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Power converting apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 부트스트랩 기법으로 구동되는 스위칭 소자들을 구비하는 컨버터를 포함하는 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화기 등 전자기기는, 전력변환장치를 구비하여, 입력 전원을 변환하여 동작하고 있다.
전력변환장치는, 입력 전원을 변환하여 변환된 전력을 공급하는 장치이다. 이러한 전력변환장치는, 홈 어플라이언스 내에 배치되어, 입력 전원을 홈 어플라이언스를 구동하기 위한 전원으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 전력변환장치는 공기조화기 내에 배치되어 입력 전원을 구동에 필요한 전원으로 변환하여 부하에 공급하거나 모터 등을 구동할 수 있다.
한편, 전력변환장치는, 스위칭 소자를 포함한다. 스위칭 소자를 구동하기 위해서는 구동 전에 게이트 드라이버(gate driver)에 전원이 공급되어야 한다. 게이트 드라이버의 전원 공급 방법으로 부트스트랩(bootstrap) 기법이 많이 사용되고 있다.
예를 들어, 선행 문헌 1(미국 등록특허공보 7737666B2호(Jun. 15, 2010))는 DC/DC 컨버터의 스위칭 소자에 안정적인 전압 작동 법위를 개선하기 위한 게이트 구동에 관하여 개시하고 있다. 또한, 선행 문헌 2(미국 등록특허공보 9294007B2호(Mar. 22, 2016))는 부트스트랩을 이용한 게이트 구동 회로 및 이를 구비하는 3 레벨 인버터에 관하여 개시하고 있다.
선행 문헌들은, 복수의 레그(leg) 별로 배치된 스위칭 소자들을 포함하는 컨버터에 최적화된 부트스트랩 기법을 제안하지 못하고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은, 복수의 레그(leg) 상하단에 배치된 스위칭 소자들을 포함하는 컨버터의 효율과 신뢰성은 높이고 제조비용은 저감할 수 있는 부트스트랩 기법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 벅(buck)-부스트(boost) 양방향 동작이 가능한 컨버터의 스위칭 소자의 효율과 신뢰성은 높이고 제조비용은 저감할 수 있는 부트스트랩 기법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 다상 인터리브드(interleaved) 양방향 컨버터를 포함하여, 부하 크기에 따라 제어하는 상의 개수를 조절할 수 있고, 다른 상의 동작 영향을 최소화하여 연속 동작이 가능한 전력변환장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 부트스트랩 동작 시 레그(leg)들의 하단 스위칭 소자의 턴 온(turn on)을 제어함으로써, 컨버터의 효율과 신뢰성은 높이고 제조비용은 저감할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 직렬로 배치되는 제1 상단 스위칭 소자와 제1 하단 스위칭 소자를 포함하는 제1 상 레그(leg), 직렬로 배치되는 제2 상단 스위칭 소자와 제2 하단 스위칭 소자를 포함하는 제2 상 레그, 직렬로 배치되는 제3 상단 스위칭 소자와 제3 하단 스위칭 소자를 포함하는 제3 상 레그, 상기 제1 상단 스위칭 소자와 상기 제1 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제1 인덕터, 상기 제2 상단 스위칭 소자와 상기 제2 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제2 인덕터, 상기 제3 상단 스위칭 소자와 상기 제3 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제3 인덕터를 포함하는 컨버터; 및, 상기 컨버터에 포함되는 스위칭 소자들을 구동하는 게이트 드라이버들, 상기 제1 하단 스위칭 소자의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제1 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버에 구동전압을 공급하는 제1 부트스트랩(bootstrap) 커패시터, 상기 제2 하단 스위칭 소자의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제2 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버에 구동전압을 공급하는 제2 부트스트랩 커패시터, 및, 상기 제3 하단 스위칭 소자의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제3 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버에 구동전압을 공급하는 제3 부트스트랩 커패시터를 포함하는 게이트 구동 회로를 포함할 수 있다.
한편, 상기 컨버터는, 입력 전원을 승압하는 부스트(boost) 모드 또는 상기 입력 전원을 강압하는 벅(buck) 모드로 동작할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 인덕터의 일단은 상기 부스트 모드의 입력단 또는 상기 벅 모드의 출력단에 연결되고, 상기 컨버터에 포함되는 스위칭 소자들은 상기 부스트 모드의 출력단 또는 상기 벅 모드의 입력단에 연결될 수 있다.
한편, 상기 컨버터는, 상기 제1 내지 제3 인덕터의 일단은 소정 노드에 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 상기 컨버터에 포함되는 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부는, 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자로 소정 듀티(duty)를 가지는 펄스를 반복 인가하여 상기 동작시키려는 상 레그에 포함되는 상단 스위칭 소자의 부트스트랩 커패시터를 충전시킬 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부는, 현재 동작중인 상 레그와는 다른 상 레그를 동작시킬 때, 상기 소정 듀티를 가지는 펄스를 반복 인가할 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부는, 상기 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자의 턴 온으로 발생하는 전류 패스(path)의 전류 최대값, 상기 동작시키려는 상 레그의 인덕터, 상기 컨버터의 출력 전압에 기초하여 상기 소정 듀티를 결정할 수 있다.
또한, 상기 게이트 구동 회로는, 상기 부트스트랩 커패시터들에 전원을 공급하는 직류 전압원과, 상기 직류 전압원으로부터 상기 부트스트랩 커패시터들로 흐르는 전류의 경로를 형성하는 부트스트랩 저항들을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부는, 상기 동작시키려는 상 레그의 부트스트랩 커패시터와 부트스트랩 저항에 의한 시정수값의 5배를 상기 소정 듀티로 나눈 값에 대응하는 횟수만큼 상기 펄스를 반복 인가할 수 있다.
한편, 상기 게이트 구동 회로는, 상기 부트스트랩 커패시터들에 전원을 공급하는 직류 전압원과, 상기 직류 전압원으로부터 상기 부트스트랩 커패시터들로 흐르는 전류의 경로를 형성하는 부트스트랩 저항들을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는, 상기 컨버터에 접속되며, 상기 컨버터의 출력 전원을 교류 전원을 변환하여 출력하는 인버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 부트스트랩 동작 시 레그(leg)들의 하단 스위칭 소자의 턴 온(turn on)을 제어함으로써, 컨버터의 효율과 신뢰성은 높이고 제조비용은 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 벅(buck)-부스트(boost) 양방향 동작이 가능한 컨버터의 스위칭 소자의 효율과 신뢰성은 높이고 제조비용은 저감할 수 있는 부트스트랩 기법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다상 인터리브드 양방향 컨버터를 포함하여, 부하 크기에 따라 제어하는 상의 개수를 조절할 수 있고, 다른 상의 동작 영향을 최소화하여 연속 동작이 가능할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일례이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일례이다.
도 6과 도 7은 다른 상의 스위칭 동작의 영향에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 스위칭 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
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.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
한편, 본 명세서에서 기술되는 전력변환장치는, 홈 어플라이언스 내에 구비되는 전력변환장치일 수 있다. 홈 어플라이언스는, 냉장고, 세탁기, 건조기, 공기조화기, 제습기, 조리기기, 청소기 등을 포함하는 것으로서, 이하에서는, 다양한 홈 어플라이언스 중 공기조화기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 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(105b)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(108)와, 실내측 열교환기(108)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(108)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(105b)를 구동하는 실외 팬 구동부(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실외기(31) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(102b)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.
실외 팬 구동부를 실외 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다. 또한, 실내 팬 구동부를 실내 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일례이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(400)는, 입력 전원(201)을 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. 전력변환장치(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 전력변환장치(400)가 상용 교류 전원(201)에서 입력되는 전원을 변환하여 모터(250)에 공급하는 모터 구동 장치로 사용되는 경우를 예시하였다. 이 경우에, 전력변환장치(400)는 모터 구동 장치, 모터 구동부 등으로 명명될 수 있다. 또는, 전력변환장치(400)는 입력 전원을 변환하여 부하로 공급할 수 있다. 도 3에서는 전력변환장치(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, 정류부를 구비할 수 있다. 그외, 리액터를 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 상단 스위칭 소자 및 하단 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하단 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 하단 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.
모터(250)의 종류로는, 브러시리스 모터(Brushless Direct Current motor, BLDC motor), 동기 모터, 유도 모터 등 다양한 형태가 가능하다. 예를 들어, 모터(250)는, 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.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일례로, 컨버터(410)의 일례를 상세히 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 회로도의 일례로, 컨버터의 게이트 구동 회로를 도시한 것이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 복수의 스위칭 소자(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')를 포함하는 컨버터(410), 및, 상기 복수의 스위칭 소자(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 구동하는 게이트 드라이버(gate driver, GD, 520)들과 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)을 포함하는 게이트 구동 회로를 포함할 수 있다.
스위칭 소자(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')로, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor;MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor;IGBT) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터(410)는, 입력 전원을 강압하여 출력하는 벅(buck) 모드와 입력 전원을 승압하여 부스트(boost) 모드 양방향으로 동작이 가능한 양방향 컨버터일 수 있다.
이러한 양방향 컨버터는 다양한 분야의 전력변환장치에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 양방향 컨버터는, 에너지 저장장치, 전기 자동차, 하이브리드 자동차의 전력변환장치 등에 사용될 수 있다. 자동차의 전력변환장치의 입력측에는 배터리가 연결되고 출력측에는 모터가 연결된다. 이때, 양방향 컨버터는 모터 구동시 배터리의 방전에 따른 전원을 승압하여 모터로 전력을 전달하는 부스트 모드와 모터의 회생 에너지를 강압하여 배터리를 충전하는 벅 모드로 동작할 수 있다. 또는, 양방향 컨버터는, 다양한 전원 환경에 대응하기 위하여 사용될 수 있다. 입력 전원의 크기에 따라 양방향 컨버터는 입력 전원을 승압하는 부스트 모드 및/또는 입력 전원을 강압하는 벅 모드로 동작할 수 있다. 이에 따라 컨버터를 다양한 환경에서 사용할 수 있고, 공용으로 사용할 수 있어 설계, 제조, 부품 관리 비용을 절감할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터(410)는, 다상 인터리브드(interleaved) 양방향 컨버터일 수 있다.
컨버터(410)는, 직렬로 배치되는 제1 상단 스위칭 소자(Sa)와 제1 하단 스위칭 소자(Sa')를 포함하는 제1 상(A상) 레그(leg), 직렬로 배치되는 제2 상단 스위칭 소자(Sb)와 제2 하단 스위칭 소자(Sb')를 포함하는 제2 상(B상) 레그, 직렬로 배치되는 제3 상단 스위칭 소자(Sc)와 제3 하단 스위칭 소자(Sc')를 포함하는 제3 상(C상) 레그를 포함할 수 있다.
또한, 컨버터(410)는, 상기 제1 상단 스위칭 소자(Sa)와 제1 하단 스위칭 소자(Sa') 사이에 연결되는 제1 인덕터(L1), 상기 제2 상단 스위칭 소자(Sb)와 제2 하단 스위칭 소자(Sb') 사이에 연결되는 제2 인덕터(L2), 상기 제3 상단 스위칭 소자와 상기 제3 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제3 인덕터(L3)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 내지 제3 인덕터(L1, L2, L3)의 일단은 소정 노드에 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제3 인덕터(L1, L2, L3)의 일단은 상기 부스트 모드의 입력단 또는 상기 벅 모드의 출력단에 연결될 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 컨버터(410)를 제어하여, 부스트 모드로 저전압(Vlow) 측에서 고전압(Vhigh) 측으로 전류가 흐르도록 제어할 수 있다. 또한, 컨버터 제어부(415)는, 컨버터(410)를 제어하여, 벅 모드로 고전압((Vhigh) 측에서 저전압(Vlow) 측으로 전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
컨버터 제어부(415)는, 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')들의 스위칭 동작을 제어하여, 동작 모드 및 전류 방향을 제어할 수 있다.
컨버터(410)에 포함되는 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')은, 상기 부스트 모드의 출력단 또는 상기 벅 모드의 입력단에 직접 연결되고, 상기 제1 내지 제3 인덕터(L1, L2, L3)를 통하여 상기 부스트 모드의 입력단 또는 상기 벅 모드의 출력단에 연결될 수 있다.
한편, 고전압((Vhigh)과 저전압(Vlow) 측에는 각각 평활용 커패시터가 배치될 수도 있다.
한편, 상기 제1 상단 스위칭 소자(Sa), 제1 하단 스위칭 소자(Sa') 및, 제1 인덕터(L1)는 제1 상 컨버터, 상기 제2 상단 스위칭 소자(Sb), 제2 하단 스위칭 소자(Sb'), 및, 제2 인덕터(L2)는 제2 상 컨버터, 상기 제3 상단 스위칭 소자, 상기 제3 하단 스위칭 소자 사이, 및, 제3 인덕터(L3)는 제3 상 컨버터로 명명될 수 있다.
제1 내지 제3 상 컨버터들은 서로 병렬 접속되어, 인터리빙(Interleaving) 동작을 수행할 수 있다. 복수의 컨버터가 서로 병렬 접속되어, 인터리빙에 의한 전압 제어를 수행함으로써, 전류 분배에 의한 전압 제어가 가능해진다. 이에 따라, 컨버터(410) 내의 회로 소자 내구성이 향상될 수 있다. 또한, 입력 전류의 리플을 저감할 수 있어 스위칭 소자의 수명 및 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 다상 인터리브드 컨버터는, DCM(discontinuous conduction mode)으로 동작할 때 커질 수 있는 인덕터 전류 리플을 저감할 수 있다.
또한, 다상 인터리브드 양방향 컨버터의 경우 부하크기에 따라 제어하는 상의 개수를 조절하여 효율을 향상할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동 회로는, 상기 컨버터(410)에 포함되는 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')을 구동하는 게이트 드라이버(GD)들과 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동 회로는, 상기 제1 하단 스위칭 소자(Sa')의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제1 상단 스위칭 소자(Sa)의 게이트 드라이버(520)에 구동전압을 공급하는 제1 부트스트랩(bootstrap) 커패시터(Cbs1), 상기 제2 하단 스위칭 소자(Sb')의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제2 상단 스위칭 소자(Sb)의 게이트 드라이버(520)에 구동전압을 공급하는 제2 부트스트랩 커패시터(Cbs2), 및, 상기 제3 하단 스위칭 소자(Sc')의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제3 상단 스위칭 소자(Sc)의 게이트 드라이버(520)에 구동전압을 공급하는 제3 부트스트랩 커패시터(Cbs3)를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동 회로는, 상기 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)에 전원을 공급하는 직류 전압원(Switching Mode Power Supply, SMPS, 510)과, 상기 직류 전압원(510)으로부터 상기 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)로 흐르는 전류의 경로를 형성하는 부트스트랩 저항들(Rbs)을 더 포함할 수 있다. 또한, 부트스트랩 저항들(Rbs)에 직렬로 부트스트랩 다이오드들(Dbs)이 연결될 수 있다.
부트스트랩 저항들(Rbs)은 직류 전압원(510)과 부트스트랩 커패시터(Cbs1,2,3) 사이의 전압차에 따른 전류의 경로를 형성할수 있고 전류의 크기를 제한할 수 있다. 부트스트랩 다이오드들(Dbs)은 부트스트랩 전류가 직류 전압원(510)으로부터 부트스트랩 커패시터(Cbs1,2,3) 방향으로 흐르도록 전류의 경로를 제한할 수 있다.
컨버터 제어부(415)는 상단 및 하단 스위칭 소자(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')의 스위칭 동작을 제어하여 부트스트랩 커패시터(Cbs1,2,3)를 충전할 수 있다.
[0076] 보다 구체적으로, 스위치 제어부(140)는 전술한 게이트 드라이버(HGD, LGD)에 PWM 제어를 위한 스위칭 신호를
제공할 수 있고, 게이트 드라이버(HGD, LGD)는 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자들(Sa,Sa',Sb,Sb',Sc,Sc')에 게이트 구동 전압을 인가함으로써 턴 온시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 하단 스위칭 소자들(Sa', Sb', Sc')은 하나의 직류 전압원(510)으로부터 전류가 공급되어 스위칭될 수 있다. 하단 스위칭 소자들(Sa', Sb', Sc')은 공통의 접지단에 연결될 수 있다.
한편, 상단 스위칭 소자들(Sa, Sb, Sc)은, 접지단에 접속이 안되며, 플로팅(floating)되어 있으므로, 부트스트랩(bootstrap)의 방식을 이용하여, 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)에 게이트 구동 전압을 충전한다.
부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3), 부트스트랩 저항(Rbs), 부트스트랩 다이오드(Dbs), 및 접지단(GND)을 흐르는 전류가 형성되며, 이에 의해, 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)에 게이트 구동 전압이 충전될 수 있다.
도 5를 참조하면, 한 쌍의 스위칭 소자(Sa,Sa')들 중 상단 스위칭 소자(Sa)는 오프되고, 하단 스위칭 소자(Sa') 온된 경우, 부트스트랩 커패시터(Cbs1), 하단 스위칭 소자(Sa'), 저항 소자(Rbs), 및 접지단(GND)을 흐르는 전류가 형성되며, 이에 의해, 부트스트랩 커패시터(Cbs1)에 게이트 구동 전압이 충전된다. 즉, 부트스트랩(bootstrap) 방식에 의해, 부트스트랩 커패시터(Cbs1)에 게이트 구동 전압이 충전되게 된다.
한편, 상단 스위칭 소자(Sa)에 대응하는 게이트 구동부(520)의 부트스트랩 커패시터(Cbs1) 충전 방법은, 컨버터 제어부(415)에 의해 제어될 수 있다.
즉, 컨버터 제어부(415)는, 특정 상 레그의 동작 전에 컨버터(120) 내의 상단 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sc) 및 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc') 중 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')을 턴 온시켜, 상단 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sc)에 대응하는 게이트 드라이버(520)에 접속되는 부트스트랩 커패시터들(Cbs1,2,3)에, 게이트 구동 전압이 충전되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')은 공통의 접지단에 연결시켜 하나의 직류 전압원(SMPS)으로 동작 가능하다.
종래에는 상단 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sc)의 구동을 위해서 각 게이트 드라이버(520)로 절연된 전원을 공급하는 복수의 직류 전압원(SMPS)을 구비하였다.
하지만, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상단 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sc)의 게이트 드라이버(520)에는 부트스트랩 커패시터(Cbs1,2,3)가 연결되고, 게이트 드라이버(520)는 부트스트랩 커패시터(Cbs1,2,3)에 충전된 전압을 이용하여 상단 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc)에 게이트 구동 전압을 인가한다. 이와 같이, 상단 스위칭 소자들(Sa,Sb,Sc)은 하단 스위칭 소자들(Sa',Sb',Sc')을 켜서 부트스트랩(bootstrap) 방식으로 구동하여 복수의 직류 전압원(SMPS)을 제거할 수 있다. 이에 따라, 회로가 단순해지고 가격을 줄일 수 있다.
한편, 다상 인터리브드 양방향 컨버터에서 동작하고 있는 상 이외의 추가적으로 다른 상을 동작시킬 경우 스위칭 동작을 위한 부트스트랩(Bootstrap) 동작에서 하단스위칭 소자를 온 할 때 발생하는 상간 전류 패스(Path)가 발생할 수 있고, 이러한 스위칭 동작에 따라 입력 또는 출력 전압 전류에 영향을 미칠 수 있다.
도 6과 도 7은 다른 상의 스위칭 동작의 영향에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 6을 참조하면, A상이 동작하고 있어, A상 상단 스위칭 소자(Sa)가 온(on) 상태일 때, 다음에 동작할 B상의 하단 스위칭 소자(Sb')가 온(on)되면, B상의 하단 스위칭 소자(Sb')와 제2 인덕터(L2)를 통한 전류 패스(Path)가 생성될 수 있다. 이에 따라, A상 상단 스위칭 소자(Sa)와 B상 하단 스위칭 소자(Sb')에게 단일 레그(leg)에서 발생하는 암 쇼트(arm short)와 같은 소손이 발생할 수 있다.
도 7을 참조하면, A상이 동작하고 있어, A상 하단 스위칭 소자(Sa')가 온(on) 상태일 때, 다음에 동작할 B상 하단 스위칭 소자(Sb')가 온(on)되면, B상의 하단 스위칭 소자(Sb')와 제2 인덕터(L2)를 통한 전류 패스(Path)가 생성될 수 있다. 이에 따라, 하강 전류의 저류 하강 속도가 빨라져 출력이 저하될 수 있다.
컨버터 효율 상승을 위한 ZVC(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching) 기법 적용이나 벅-부스트 양방향 동작을 위해서는 상하단에 스위칭 소자가 존재해야한다. 이때, 스위칭 소자들의 구동을 위해서는 구동 전 게이트 드라이버(Gate Driver)의 전원이 공급되어야하는데, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하단 스위칭 소자의 턴 온(Turn On) 동작을 통해 상단 부트스트랩 커패시터를 충전하여 전원 공급함으로써, 재료비를 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 레그(Leg)가 다른 시점에 동작 할 때에 다른 상의 동작에 영향을 최소화하며 연속동작이 가능한 부트스트랩 기법을 제공할 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하여 설명한 소손 및 출력 저하를 방지하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자 듀티를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 컨버터 제어부(415)는, 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자로 소정 듀티(duty)를 가지는 펄스를 반복 인가하여 상기 동작시키려는 상 레그에 포함되는 상단 스위칭 소자의 부트스트랩 커패시터를 충전시킬 수 있다.
더욱 바람직하게, 컨버터 제어부(415)는, 현재 동작중인 상 레그와는 다른 상 레그를 동작시킬 때, 상기 소정 듀티를 가지는 펄스를 반복 인가할 수 있다. 즉, 어느 한 상 레그가 동작 중인 상태에서, 다른 상 레그의 동작을 위하여 부트스트랩 커패시터 충전을 위한 동작 시 발생할 수 있는 문제점을 방지하기 위해, 컨버터 제어부(415)는, 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자로 소정 듀티(duty)를 가지는 펄스를 반복 인가할 수 있다.
컨버터(410)가 동작 중인 상 이외의 다른 상을 동작시키기 위하여 하단 스위칭 소자를 턴 온하는 경우, 초기에 상단 스위칭 소자의 커패시터가 충전될 때까지 동작할 상의 하단 스위칭 소자를 풀 듀티(Full Duty) 턴 온이 아닌, 짧은 듀티를 가지고 턴 온 동작을 반복할 수 있다. 예를 들어, A상 동작 중 B상 하단 스위칭 소자에 작은 듀티를 가진 펄스(pulse) 신호로 동작시키는 동작을 상단 스위칭 소자의 커패시터가 충전될만큼 충분한 횟수로 반복할 수 있다.
한편, 상기 컨버터 제어부(415)는, 상기 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자의 턴 온으로 발생하는 전류 패스(path)의 전류 최대값, 상기 동작시키려는 상 레그의 인덕터, 상기 컨버터(410)의 출력 전압에 기초하여 상기 소정 듀티를 결정할 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부(415)는, 상기 동작시키려는 상 레그의 부트스트랩 커패시터와 부트스트랩 저항에 의한 시정수값의 5배를 상기 소정 듀티로 나눈 값에 대응하는 횟수만큼 상기 펄스를 반복 인가할 수 있다.
도 8 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 스위칭 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8돠 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부트스트랩 기법 중 듀티 및 펄스의 인가 횟수 결정에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
기존 부트스트랩 기법의 경우 전체의 레그(Leg) 하단 스위칭 소자를 턴 온하여 모든 상의 상단 커패시터 전압을 충전한 뒤 동작하였다. 이 때, 개별 동작을 할 경우, 수 초 동안 하단 스위칭 소자가 턴 온 동작하지 않는 상의 상단 커패시터에 충전된 전압이 자연방전되어 전압이 하강해 동작하지 않을 가능성이 높다.
또한, 방전된 상단 커패시터 전압을 충전하기 위해 동작할 레그의 하단 스위칭 소자를 상단 커패시터가 충전될 때까지 풀(full)로 온(On)할 경우 원하지 않는 전류 패스(Path)가 발생하기 때문에 스위칭 소자와 부하에 영향이 발생한다.
따라서 부트스트랩 동작을 실시하되 전체적인 시스템에 영향을 최소화하는 기법이 필요하다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자에 소정 듀티를 가지는 펄스를 반복 인가하여, 상단 커패시터, 즉 상단 스위칭 소자의 부트스트랩 커패시터를 충전한다.
이때, 소정 듀티는, 추가적으로 동작할 상의 하단 스위칭 소자 온(On) 상황시 발생하는 패스의 전류 피크(Peak), 스위칭 소자의 허용 전류 범위와 제어 안정성을 고려하여 결정될 수 있다.
도 8에서는, 벅 모드에서, A상 동작 중 추가로 동작할 B상 하단 스위칭 소자를 온(On)하는 경우를 예로 들어 설명한다.
B상 하단 스위칭 소자를 온(On)에 따라, B상 하단 스위칭 소자(Sb')를 포함하는 전류 패스가 추가될 수 있다. 이때, 도 8에 예시된 수식에 따라, 추가되는 전류 패스의 피크(Peak) 계산을 통하여 안정적인 듀티를 계산할 수 있다. 도 8에 예시된 수식은 전류가 DCM으로 동작할 경우를 예시한다.
만약, 제2 인버터(L2)의 인덕턱스, 출력 전압, 전류 최대값이 하기에 예시된 값인 경우에, 도 8에서 예시된 수식에 따라 듀티 Ton은 5us로 산출될 수 있다.
Ex) L=350uH , Vout=650V, Ipeak=9.28A, Ton=5us
도 9는, 하단 스위칭 소자가 켜졌을 때, 직류 전압원, 부트스트랩 커패시터(C), 부트스트랩 저항(R)으로 형성되는 패스 및, 부트스트랩 커패시터(C)에 충전되는 전압 방정식을 도시한 것이다.
만약, 부트스트랩 저항(R)의 저항값과 부트스트랩 커패시터(C)의 커패시턴스 값이 하기에 예시된 값인 경우에, 시정수(RC)는 2ms로 산출될 수 있다.
Ex) R=20Ω , C=100uF
또한, 도 9에서 예시된 충전 전압은 정상상태에 도달하기까지 시정수(RC)의 5배가 소요되므로, 시정수(RC)의 5배만큼인 총 10ms의 턴 온 동작이 필요하다.
한편, 자연방전의 경우, 누설전류로 인한 전압 강하(Voltage drop)가 일어날 수 있으나, 수십 us 동안의 변화량은 작으므로 충전시간을 충분히 확보할 수 있는 펄스 인가 횟수로 대응 가능하다.
하단 스위칭 소자의 1회 턴 온 듀티는 도 8을 참조하여 설명한 예시에서 5us로 산출될 수 있다. 또는, 스위칭 주기가 100us일 때, 하단 스위칭 소자의 턴 온 듀티는 100us*5% = 5us로 산출될 수 있다.
이 경우에, 필요한 펄스 인가 반복 횟수= 5RC/하단 On Duty = 10ms/하단 On Duty = 2000회 이상으로 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 인터리브드 양방향 컨버터에서 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버(Gate driver) 전원을 부트스트랩(Bootstrap)하는 조건에서, 부하에 따라 동작하는 상의 개수가 연속적으로 가변하는 경우, 동작할 상의 하단 스위칭 소자를 일정 듀티(Duty)를 가지고 반복적으로 턴 온(Turn On)하여 상단 부트스트랩 커패시터의 전압을 충전할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 부하 관계없이 상들 전부 동작하는 종래 인터리브드 양방향 컨버터와 달리, 부하에 따라 동작할 수 있는 상의 수를 조절할 수 있고, 효율적인 스위칭 동작이 가능하다.
도 10 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 부트스트랩 기법과 다른 방식의 부트스트랩 동작과 비교한 테스트 결과를 도시한 것으로, A상 동작 중 추가로 동작할 B상 하단 스위칭 소자를 온(On)하는 상황에서의 테스트 결과이다. 따라서, 도 10 내지 도 15에서 주 동작상은 A상이고, 주 동작 레그는 A상 레그이며, 동작할 레그는 B상 레그이다.
도 10은 A상이 동작 중일 때, 동작할 상 하단 스위칭 소자를 풀 듀티(Full duty)로 턴 온하는 경우를 예시한다.
참고로 나머지 테스트 조건은 다음과 같다.
DC 전압 입력, 4kW저항부하, 입력전원 813V, Open Loop 650V제어,
L : 350uH, 출력 Capacitor 50uF
도 10을 참조하면, 일반적인 부트스트랩의 경우, B상 하단 스위칭 소자를 상단 커패시터 충전될 때까지 턴 온시킨다. 이 경우에 전류가 동작하는 상과 동작할 상의 전류가 크게 증가하는 현상이 발생할 수 있다.
도 11의 테스트 조건은, A상과 B상의 위상차 120도, 50% duty 조건이고, 도 12의 테스트 조건은, A상과 B상의 위상차 140도, 50% duty 조건이다.
도 11은, B상 하단 스위칭 소자를 스위칭 주기의 50% Duty로 턴 온하는 경우로, 추가로 동작할 상의 전류가 80A 이상 흐르게 되며(전류방향이 인덕터로 들어가는 전류가 발생하여 음의 값으로 표현) 주 동작 A상의 출력전류의 평균치 또한 상승하는 문제가 발생했다.
도 12는, B상 하단 스위칭 소자의 턴 온 시점을 변경하여 주 동작 A상 레그 의 하단 스위칭 소자를 턴 온한 경우를 포함하여, 50% Duty로 동작할 B상의 하단 스위칭 소자를 턴 온한 경우도, 추가로 동작할 상의 전류가 80A 이상 흐르게 되며(전류방향이 인덕터로 들어가는 전류가 발생하여 음의 값으로 표현) 주 동작 A상의 출력전류의 평균치 또한 상승하는 문제가 발생했다.
도 13은 B상 하단 스위칭 소자 A상 하단 스위칭 소자를 동기시켜, 같은 듀티로 하단 스위칭 소자들을 턴 온한 경우를 예시한다.
도 13을 참조하면, 동작할 상(B상) 전류가 턴 온(Turn On) 시간만큼 연결된 인덕터(L2)에 비례하여 다음 식과 같이 전류가 상승하게 된다.
Figure pat00001
테스트 조건에서는 약 40A 정도의 피크(Peak) 전류를 가지며, 동작중인 상(A상) 전류의 최소값이 0아래의 값을 가져야 스위치 효율이 좋지만 평균 전류치가 상승하여 최소값이 0보다 커져서 효율이 나빠지는 현상이 발생한다.
벅 모드에서 반적인 듀티는 D=V_out/V_in을 가지며 시스템에 따라 주 동작 상(A상)의 하단 스위칭 소자 온 시간이 길어질 수 있다. 이에 따라, 동작할 상(B상)에 흐르게 되는 전류가 더 커질 수 있는 상황이 발생할 수 있다.
도 14와 도 15는 B상 하단 스위칭 소자 턴 온(Turn On) 시 5us 듀티를 사용한 경우를 예시한다.
도 14를 참조하면, B상 하단 스위칭 소자의 턴 온 듀티를 5us로 설정하면, 주 동작 A상 레그의 하단 스위칭 소자는 온되고, 동작할 B상의 하단 스위칭 소자를 턴 온하는 경우, 부하단과 주 동작 A상, 동작할 B상의 영향을 최소화하며 동작할 B상의 부트스트랩이 가능함을 확인할 수 있다.
도 15는 B상 하단 스위칭 소자 턴 온(Turn On) 시 5us 듀티를 사용한 경우를 예시한다.
도 14를 참조하면, B상 하단 스위칭 소자의 턴 온 듀티를 5us로 설정하면, 주 동작 A상 레그의 상단 스위칭 소자는 온되고, 동작할 B상의 하단 스위칭 소자를 턴 온하는 경우, 부하단과 주 동작 A상, 동작할 B상의 영향을 최소화하며 동작할 B상의 부트스트랩이 가능함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는 상기한 바와 같이 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스의 동작 방법은, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 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.
410: 컨버터
420: 인버터
415: 컨버터 제어부
430: 인버터 제어부

Claims (13)

  1. 직렬로 배치되는 제1 상단 스위칭 소자와 제1 하단 스위칭 소자를 포함하는 제1 상 레그(leg), 직렬로 배치되는 제2 상단 스위칭 소자와 제2 하단 스위칭 소자를 포함하는 제2 상 레그, 직렬로 배치되는 제3 상단 스위칭 소자와 제3 하단 스위칭 소자를 포함하는 제3 상 레그, 상기 제1 상단 스위칭 소자와 상기 제1 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제1 인덕터, 상기 제2 상단 스위칭 소자와 상기 제2 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제2 인덕터, 상기 제3 상단 스위칭 소자와 상기 제3 하단 스위칭 소자 사이에 연결되는 제3 인덕터를 포함하는 컨버터; 및,
    상기 컨버터에 포함되는 스위칭 소자들을 구동하는 게이트 드라이버들, 상기 제1 하단 스위칭 소자의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제1 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버에 구동전압을 공급하는 제1 부트스트랩(bootstrap) 커패시터, 상기 제2 하단 스위칭 소자의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제2 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버에 구동전압을 공급하는 제2 부트스트랩 커패시터, 및, 상기 제3 하단 스위칭 소자의 턴 온에 따라 충전되어 상기 제3 상단 스위칭 소자의 게이트 드라이버에 구동전압을 공급하는 제3 부트스트랩 커패시터를 포함하는 게이트 구동 회로;를 포함하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는, 입력 전원을 승압하는 부스트(boost) 모드 또는 상기 입력 전원을 강압하는 벅(buck) 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 인덕터의 일단은 상기 부스트 모드의 입력단 또는 상기 벅 모드의 출력단에 연결되고,
    상기 컨버터에 포함되는 스위칭 소자들은 상기 부스트 모드의 출력단 또는 상기 벅 모드의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는, 상기 제1 내지 제3 인덕터의 일단은 소정 노드에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터에 포함되는 스위칭 소자들의 스위칭 동작을 제어하는 컨버터 제어부;를 더 포함하는 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자로 소정 듀티(duty)를 가지는 펄스를 반복 인가하여 상기 동작시키려는 상 레그에 포함되는 상단 스위칭 소자의 부트스트랩 커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    현재 동작중인 상 레그와는 다른 상 레그를 동작시킬 때, 상기 소정 듀티를 가지는 펄스를 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 동작시키려는 상 레그의 하단 스위칭 소자의 턴 온으로 발생하는 전류 패스(path)의 전류 최대값, 상기 동작시키려는 상 레그의 인덕터, 상기 컨버터의 출력 전압에 기초하여 상기 소정 듀티를 결정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 게이트 구동 회로는,
    상기 부트스트랩 커패시터들에 전원을 공급하는 직류 전압원과,
    상기 직류 전압원으로부터 상기 부트스트랩 커패시터들로 흐르는 전류의 경로를 형성하는 부트스트랩 저항들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는,
    상기 동작시키려는 상 레그의 부트스트랩 커패시터와 부트스트랩 저항에 의한 시정수값의 5배를 상기 소정 듀티로 나눈 값에 대응하는 횟수만큼 상기 펄스를 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 구동 회로는,
    상기 부트스트랩 커패시터들에 전원을 공급하는 직류 전압원과,
    상기 직류 전압원으로부터 상기 부트스트랩 커패시터들로 흐르는 전류의 경로를 형성하는 부트스트랩 저항들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터에 접속되며, 상기 컨버터의 출력 전원을 교류 전원을 변환하여 출력하는 인버터;를 더 포함하는 전력변환장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 전력변환장치;를 포함하는 홈 어플라이언스.
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