KR20230069650A - Power converting apparatus and home appliance including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 인버터 스위칭 소자를 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion device and a home appliance including the same, and more particularly, to a power conversion device capable of protecting an inverter switching element and a home appliance including the same.
전력 변환 장치는, 입력 전원을 변환하여 변환된 전력을 공급하는 장치이다. 이러한 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스 내에 배치되어, 입력 전원을 홈 어플라이언스를 구동하기 위한 전원으로 변환할 수 있다.The power converter is a device that converts input power and supplies the converted power. Such a power conversion device may be disposed in a home appliance to convert input power into power for driving the home appliance.
한편, 전력 변환 장치는, 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환 장치가 구비하는 인버터 등은 다양한 반도체 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 등이 많이 사용되고 있다.Meanwhile, the power conversion device may include a switching element. For example, an inverter included in the power conversion device may include various semiconductor devices. For example, insulated gate bipolar transistors (IGBTs), metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs), and the like are widely used as switching elements.
대한민국 공개특허공보 제10-2000-0006447호는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 소자를 사용하는 전력변환장치를 개시하고 있다. 입력되는 제어 신호(예를 들어, PWM 신호)에 따라, 게이트 드라이버 IC(gate driver IC)는 소정 전압을 IGBT 스위치로 공급하여 IGBT 스위치를 켤 수 있다. IGBT 스위치의 게이트 전압이 문턱 전압을 초과하면 IGBT 스위치는 온(On)될 수 있다. Korean Patent Publication No. 10-2000-0006447 discloses a power conversion device using an insulated gate bipolar transistor (IGBT) device. According to an input control signal (eg, a PWM signal), a gate driver IC may supply a predetermined voltage to the IGBT switch to turn on the IGBT switch. When the gate voltage of the IGBT switch exceeds the threshold voltage, the IGBT switch may be turned on.
한편, 전력 변환 장치는, 스위칭 소자를 보호하는 보호 회로를 포함할 수 있다. 통상적으로 보호 회로는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하여 스위칭 소자에 일정 전류량 이상이 흐르는 것으로 감지되면 스위칭 소자의 구동을 차단하는 방식을 이용한다.Meanwhile, the power conversion device may include a protection circuit that protects the switching element. In general, the protection circuit detects the current flowing through the switching element and blocks driving of the switching element when it is sensed that a certain amount of current or more flows through the switching element.
본 발명의 목적은, 스위칭 소자를 효과적으로 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a power conversion device capable of effectively protecting a switching element and a home appliance including the same.
본 발명의 목적은, 스위칭 소자의 온도 변화에 의한 영향을 최소화하면서 스위칭 소자를 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a power conversion device capable of protecting a switching element while minimizing the influence of a temperature change of the switching element and a home appliance including the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터, 상기 스위칭 소자를 구동하는 게이트 드라이버, 상기 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 검출부, 및, 상기 전류 검출부에서 감지되는 데이터에 기초하는 전압과 기준 전압이 입력되고 출력단이 상기 게이트 드라이버에 연결되는 비교기를 포함한다. A power conversion device and home appliance according to an embodiment of the present invention for achieving the above object include a switching element, an inverter converting DC power into AC power to drive a motor, a gate driver driving the switching element, A current detector detecting a current flowing through the switching element, and a comparator inputting a voltage based on data detected by the current detector and a reference voltage and having an output terminal connected to the gate driver.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 상기 비교기의 출력단에 일단이 연결되고, 타단이 정전압에 연결되는 풀업 저항을 더 포함할 수 있다.Power converters and home appliances according to embodiments of the present invention may further include a pull-up resistor having one end connected to an output terminal of the comparator and the other end connected to a constant voltage.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 상기 비교기의 출력단과 상기 풀업 저항에 연결되는 커패시터를 더 포함할 수 있다.The power conversion device and home appliance according to an embodiment of the present invention may further include a capacitor connected to an output terminal of the comparator and the pull-up resistor.
상기 비교기의 출력단은 상기 게이트 드라이버의 DESAT핀에 연결되고, 상기 DESAT핀에 일정 전압 이상이 인가되는 경우에 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 멈출 수 있다.An output terminal of the comparator is connected to the DESAT pin of the gate driver, and a switching operation of the switching element may be stopped when a predetermined voltage or more is applied to the DESAT pin.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 상기 비교기의 출력단과 상기 게이트 드라이버의 DESAT핀 사이에 배치되는 DESAT 저항을 더 포함할 수 있다.The power converter and home appliance according to an embodiment of the present invention may further include a DESAT resistor disposed between an output terminal of the comparator and a DESAT pin of the gate driver.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 상기 비교기의 출력단과 상기 게이트 드라이버의 DESAT핀 사이에 배치되는 역류 방지 다이오드를 더 포함할 수 있다.The power conversion device and home appliance according to an embodiment of the present invention may further include a reverse flow prevention diode disposed between an output terminal of the comparator and a DESAT pin of the gate driver.
상기 스위칭 소자는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)일 수 있다.The switching element may be an insulated gate bipolar transistor.
상기 전류 검출부는 상기 스위칭 소자에 연결되는 션트(shunt) 저항을 포함할 수 있다.The current detector may include a shunt resistor connected to the switching element.
상기 전류 검출부 및 상기 비교기는 상기 인버터의 하암 스위칭 소자에 연결될 수 있다.The current detector and the comparator may be connected to a lower arm switching element of the inverter.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 소자를 효과적으로 보호할 수 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, the switching element can be effectively protected.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 소자의 온도 변화에 의한 영향을 최소화할 수 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, the influence of the temperature change of the switching element can be minimized.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.Meanwhile, other various effects will be disclosed directly or implicitly in detailed descriptions according to embodiments of the present invention to be described later.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 3은 스위칭 소자의 온도에 따른 전압과 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자 보호 회로에 대한 설명에 참조되는 도면이다.1 is an example of a circuit diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
2 is an example of a circuit diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the relationship between voltage and current according to the temperature of a switching element.
4 to 7 are diagrams referenced for description of a switching element protection circuit according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these embodiments and can be modified in various forms.
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. In the drawings, in order to clearly and concisely describe the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or extremely similar parts throughout the specification.
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.On the other hand, the suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are simply given in consideration of the ease of preparation of this specification, and do not themselves give a particularly important meaning or role. Accordingly, the “module” and “unit” may be used interchangeably.
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.Also, in this specification, terms such as first and second may be used to describe various elements, but these elements are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another.
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 포함할 수 있다. Meanwhile, the power conversion device described in this specification may be a power conversion device included in a home appliance. Home appliances may include refrigerators, washing machines, dryers, air conditioners, dehumidifiers, cooking appliances, vacuum cleaners, and the like.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.1 is an example of a circuit diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 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. Referring to FIG. 1, a
한편, 도 1 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 4에서는 전력 변환 장치(400)가 모터 구동 장치로 실시되는 예를 중심으로 기술하지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.Meanwhile, in FIG. 1 and below, a case in which the
컨버터(410)는, 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(410)는, 정류부(도 2의 510)를 구비할 수 있다. 그외, 리액터(미도시)를 더 구비하는 것도 가능하다.The
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.A smoothing capacitor C is connected to the output terminal of the
상기 인버터(420)는, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력할 수 있다.The
도 1을 참조하면, 입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the input voltage detector A may detect an input voltage Vs from an input
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. The input voltage detector A may include a resistance element, an OP AMP, or the like for voltage detection. The detected input voltage Vs may be applied to the inverter controller 230 as a discrete signal in a pulse form.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.Meanwhile, the zero crossing point of the input voltage can also be detected by the input voltage detector A.
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.The input current detector D may detect the input current is input from the commercial
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.Next, a capacitor C may be provided at an output terminal of the
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.Meanwhile, the
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. The dc terminal voltage detector (B) may detect the dc terminal voltage (Vdc) of both ends of the smoothing capacitor (C). To this end, the dc link voltage detection unit (B) may include a resistance element, an amplifier, and the like. The detected dc link voltage (Vdc) may be input to the
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. The
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. In the
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. The switching elements in the
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.The
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. The
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.The output current detector E detects the output current io flowing between the
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. The output current detector E may be positioned between the
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.When shunt resistors are used, it is possible that three shunt resistors are located between the
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. The detected output current (i o ) may be applied to the
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. Meanwhile, the
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. Such a
한편, 컨버터(410)와 인버터(420)는 스위칭 소자들을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(410)와 인버터(420)는 IGBT 스위칭 소자들을 포함할 수 있다.Meanwhile, the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.2 is an example of a circuit diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터(410), 상기 컨버터(410)의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터(C), 및, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 평활 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터(420)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 , the power conversion device according to an embodiment of the present invention includes a
실시예에 따라서, 컨버터(410)는, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L)와 다이오드(D)를 더 포함하고, 상기 스위칭 소자(S)는 상기 인덕터(L)와 다이오드(D) 사이에 접속될 수 있다.According to an embodiment, the
한편, 컨버터(410)는, 입력 교류 전원을 정류하여 상기 컨버터로 출력하는 정류부(510), 및, 상기 정류부(510)와 상기 평활 커패시터(C) 사이에, 상기 정류부(510)로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터(520)를 포함할 수 있다.Meanwhile, the
부스트 컨버터(520)는, 정류부(510)와 인버터(420) 사이에, 서로 직렬 접속되는 인덕터(L)와 다이오드(D), 인덕터(L)와 다이오드(D) 사이에 접속되는 스위칭 소자(S)를 구비한다. 이러한 스위칭 소자(S)의 온에 의해, 인덕터(L)에 에너지가 저장되다가, 스위칭 소자(S)의 오프에 의해, 인덕터(L)에 저장된 에너지가 다이오드(D)를 거쳐, 출력될 수 있다.The
특히, 저용량의 dc단 커패시터(C)를 사용하는 전력 변환 장치에 있어, 부스트 컨버터(520)로부터, 일정 전압이 승압된, 즉 오프셋된, 전압이 출력될 수 있다.In particular, in the power conversion device using the low-capacity dc capacitor (C), a boosted voltage, that is, an offset voltage, may be output from the
컨버터 제어부(415)는, 부스트 컨버터(520) 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.The
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)(S'a, S'b, S'c)가 서로 병렬로 연결된다. 각 스위칭 소자에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다. In the
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. The output current detector E may be positioned between the
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(250) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. When a shunt resistor is used, three shunt resistors are located between the
상기 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)(S'a, S'b, S'c)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)일 수 있고, 게이트 드라이버 (gate driver)는 IGBT 스위치를 구동할 수 있다.The switching elements Sa, Sb, and Sc (S'a, S'b, and S'c) may be insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and a gate driver is an IGBT switch. can drive
한편, 압축기, 모터, 및 IC 보호를 위해 IGBT 과전류를 차단할 필요가 있다. 상기 게이트 드라이버는 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)(S'a, S'b, S'c)를 보호하는 보호 회로 기능을 포함할 수 있다. 구체적으로, 이러한 보호 회로 기능은 게이트 드라이버의 입력핀(Desat단, Desat핀 등으로 불리고, 이하에서는 Desat핀이라함)에 일정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우에 스위칭 소자의 스위칭 동작을 멈추는 Desaturation 기능일 수 있다. 이러한 보호 회로 기능에 스위칭 소자의 컬렉터단(C)과 이미터단(E) 사이의 포화 전압(Vce)을 사용하기도 하였다.On the other hand, it is necessary to cut off the IGBT overcurrent to protect the compressor, motor, and IC. The gate driver may include a protection circuit function to protect the switching elements Sa, Sb, and Sc (S'a, S'b, and S'c). Specifically, this protection circuit function is a desaturation function that stops the switching operation of the switching element when a voltage higher than a certain level is applied to the gate driver's input pin (called Desat stage, Desat pin, etc., hereinafter referred to as Desat pin). can For this protection circuit function, the saturation voltage (Vce) between the collector terminal (C) and the emitter terminal (E) of the switching element was used.
도 3은 스위칭 소자의 온도에 따른 전압과 전류의 관계를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing the relationship between voltage and current according to the temperature of a switching element.
도 3을 참조하면, 스위칭 소자의 컬렉터단(C)과 이미터단(E) 사이의 포화 전압(Vce)은, 내부 온도(Tvj)에 따라 변한다. 따라서, 상기 위칭 소자의 컬렉터단(C)과 이미터단(E) 간의 포화 여부는 내부 온도(Tvj)에 따라 다르게 판단될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the saturation voltage (Vce) between the collector terminal (C) and the emitter terminal (E) of the switching element changes according to the internal temperature (Tvj). Accordingly, saturation between the collector terminal (C) and the emitter terminal (E) of the switching element may be determined differently according to the internal temperature (Tvj).
예를 들어, 내부 온도(Tvj)가 25℃인 경우, 90A의 컬렉터 전류(IC)가 흐르기 위한 포화 전압(Vce)은 2.0V이지만, 내부 온도(Tvj)가 150℃인 경우에, 2.5V가 된다. 또한, 동일한 Vce 전압에서 내부 온도(Tvj)가 25℃인 경우 Desat 감지전류는 53A이고, 내부 온도(Tvj)가 150 ℃인 경우에 40A가 된다. 따라서, 온도에 따라 전류가 변한다. 오동작/오감지를 방지하기 위해서는 일정한 레벨에서 과전류를 차단해야 한다. Desat 감지회로의 IGBT 전류와 Vce 전압은 비례하는 특성을 가지나, IGBT의 Tj 온도에 따라서 Ic-Vce 전압의 특성이 변하므로 이를 반영한 설계가 필요하다.For example, when the internal temperature (Tvj) is 25°C, the saturation voltage (Vce) for a 90A collector current (IC) to flow is 2.0V, but when the internal temperature (Tvj) is 150°C, the saturation voltage (Vce) is 2.5V. do. In addition, at the same Vce voltage, the Desat sensing current is 53A when the internal temperature (Tvj) is 25°C, and 40A when the internal temperature (Tvj) is 150°C. Therefore, the current changes with temperature. In order to prevent malfunction/false detection, overcurrent must be blocked at a certain level. The IGBT current and Vce voltage of the Desat sensing circuit have proportional characteristics, but the characteristics of the Ic-Vce voltage change according to the Tj temperature of the IGBT, so a design reflecting this is necessary.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자 보호 회로에 대한 설명에 참조되는 도면이다.4 to 7 are diagrams referenced for description of a switching element protection circuit according to an embodiment of the present invention.
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 소정 스위칭 소자(SW)와, 상기 스위칭 소자(SW)를 구동하는 게이트 드라이버(110)와 상기 게이트 드라이버(110)에 연결되는 비교기(120)를 포함한다.Referring to FIGS. 4 and 5 , the power conversion device according to an embodiment of the present invention includes a predetermined switching element (SW), a
상기 스위칭 소자(SW)는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터(250)를 구동하는 인버터(420)에 구비되는 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)(S'a, S'b, S'c) 중 적어도 하나일 수 있다. 즉, 상기 스위칭 소자(SW)는, 상암 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 스위칭 소자(SW)는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)일 수 있다. The switching element (SW) is a switching element (Sa, Sb, Sc) (S'a, S'b, S' provided in the
한편, 전류 검출부(E)는 상기 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 상기 비교기(120)에는 상기 전류 검출부(E)에서 감지되는 데이터에 기초하는 전압과 기준 전압이 입력될 수 있다. 상기 비교기(120)의 출력단은 상기 게이트 드라이버(110)에 연결되어 상기 전류 검출부(E)에서 감지되는 데이터에 기초하는 전압과 기준 전압의 비교 결과를 출력할 수 있다. Meanwhile, the current detector E may sense the current flowing through the switching element SW. A voltage based on data sensed by the current detector E and a reference voltage may be input to the
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 전류 검출부(E)는 상기 스위칭 소자(SW)에 연결되는 션트(shunt) 저항(Rs)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 스위칭 소자(SW)는, 션트 저항(Rs)이 연결되는 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c) 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 전류 검출부(E) 및 상기 비교기(120)는 상기 인버터(420)의 하암 스위칭 소자에 연결될 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the current detector E may include a shunt resistor Rs connected to the switching element SW. In this case, the switching element SW may be at least one of the lower arm switching elements S'a, S'b, and S'c to which the shunt resistor Rs is connected. The current detector E and the
하나의 션트 저항(Rs)이 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)에 연결될 수 있다. 이 경우에, 상기 비교기(120)의 한 입력단은 상기 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)와 상기 션트 저항(Rs) 사이의 노드에 연결되어, 상전류 감지전압(VOC_CURRENT)이 상기 비교기(120)에 입력될 수 있다.One shunt resistor Rs may be connected to the lower arm switching elements S'a, S'b, and S'c. In this case, one input terminal of the
하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c) 각각에 션트 저항(Rs)이 연결될 수 있다. 이 경우에, 상기 비교기(120)의 한 입력단은 상기 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)와 션트 저항(Rs)들 사이의 노드 각각에 연결되어, 상전류 감지전압(VOC_CURRENT)이 상기 비교기(120)에 입력될 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 비교기(120)가 복수개 구비되어, 각 션트 저항(Rs)마다 연결될 수 있다.A shunt resistor Rs may be connected to each of the lower arm switching elements S'a, S'b, and S'c. In this case, one input terminal of the
한편, 상기 비교기(120)의 출력단은 상기 게이트 드라이버(110)의 Desat핀(VDESAT)에 연결될 수 있다. 상기 비교기(120)의 두 입력단에는 상전류 감지전압(VOC_CURRENT)과 기준 전압(VOC_REF)이 입력되고, 상기 비교기(120)는 Desat핀(VDESAT)으로 비교 결과를 출력할 수 있다. 상기 기준 전압(VOC_REF)은 기준 전압 생성부(160)에서 생성될 수 있다. 예를 들어, 기준 전압 생성부(160)는 정전압과 분배 저항으로 구성되어 간단히 기준 전압을 생성할 수 있다.Meanwhile, an output terminal of the
한편, 상기 비교기(120)의 출력단은 상기 게이트 드라이버(110)의 DESAT핀에 연결되고, 상기 DESAT핀에 일정 전압 이상이 인가되는 경우에 상기 스위칭 소자(SW)의 스위칭 동작을 멈추는 Desat 동작을 수행할 수 있다.Meanwhile, the output terminal of the
한편, 상기 비교기(120)의 출력단에는 풀업 저항(140)이 연결될 수 있다. 상기 풀업 저항(140)은 일단이 상기 비교기(120)의 출력단에 연결되고, 타단이 정전압에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 비교기(120)의 출력이 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 풀업 저항(140)이 5V 정전압에 연결되고, 상기 비교기(120)에서 하이(high)가 출력되면, 상기 비교기(120)의 출력단은 5V 전압을 고정적으로 유지할 수 있다.Meanwhile, a pull-up
이에 따라, 상기 게이트 드라이버(110)의 Desat핀(VDESAT)에 일정한 5V 전압을 인가할 수 있고, 오동작/오감지 없이 Desat 동작을 수행할 수 있다.Accordingly, a constant 5V voltage may be applied to the Desat pin (V DESAT ) of the
한편, 상기 비교기(120)의 출력단과 상기 게이트 드라이버(110)의 DESAT핀 사이에 배치되는 DESAT 저항(130)을 더 포함할 수 있다. Meanwhile, a
상기 게이트 드라이버(110)의 DESAT핀에는 과전류/과전압 시 상기 비교기(120)의 출력단에 형성되는 5V 전압과 DESAT 저항(130)에 걸리는 전압의 합에 해당하는 전압이 입력될 수 있다. 이에 따라, 오동작/오감지 없이 Desat 동작을 수행할 수 있다.A voltage corresponding to the sum of the 5V voltage formed at the output terminal of the
한편, 상기 비교기(120)의 출력단과 상기 게이트 드라이버(110)의 DESAT핀 사이에 역류 방지 다이오드(190)가 더 배치될 수 있다.Meanwhile, a
상기 게이트 드라이버(110)는 DESAT핀에 9V 이상이 들어올 경우에 과전류로 감지하고 보호 동작을 수행하는 경우를 예로 들면, 역류 방지 다이오드(190)에 걸리는 전압(Vf)과 DESAT 저항(130)에 걸리는 전압과 상기 비교기(120)의 출력단에 형성되는 5V 전압의 합이 9V 이상이 되면, 상기 스위칭 소자(SW)의 스위칭 동작을 멈추는 Desat 동작을 수행할 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따르면, 보호 동작을 수행하는 기준에 온도에 영향을 ㅂ받는 e가 포함되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따르면, Vce를 사용하지 않고, 션트 저항(Rs)을 이용하여 전류감지 후, 일정 수준 이상인 경우에, 비교기(120)를 통해 출력이 High(5V)가 되도록 구성함으로써 온도의 영향을 받지 않고 안정적인 제어가 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the criterion for performing the protection operation does not include e, which is affected by temperature. According to the embodiment of the present invention, after sensing the current using the shunt resistor (Rs) without using Vce, when the current is above a certain level, the output is configured to be High (5V) through the
만약 IGBT 과전류가 발생한다면, 션트 저항(Rs) 양단 전압이 기준 전압보다 크게 발생하고, 비교기(120)는 레벨(Level) 비교 후 하이(High) 신호를 출력할 수 있다. Desat 단에 기준치(예를 들어, 9V) 이상의 전압이 입력되므로 에러로 판단하고, IGBT으로의 PWM 신호 공급을 차단하고 폴트(Fault)를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 온도 영향으로 인한 오감지, 오동작을 방지하고, 제품품질을 향상할 수 있다.If the IGBT overcurrent occurs, the voltage across the shunt resistor Rs is greater than the reference voltage, and the
한편, 상기 비교기(120)의 출력단과 상기 풀업 저항(140)에는 커패시터(150)가 연결되어 노이즈를 저감하고 출력을 유지할 수 있다.Meanwhile, a
게이트 드라이브 IC 의 Desat 감지 회로는 게이트 드라이브 IC의 Desat 핀을 통해 모니터링 된 전압이 사전에 설정해 놓은 임계전압 값에 도달 된 경우 PWM 신호를 차단하는 보호회로이다.The Desat detection circuit of the gate drive IC is a protection circuit that cuts off the PWM signal when the voltage monitored through the Desat pin of the gate drive IC reaches a preset threshold voltage value.
본 발명의 실시예에 따른 게이트 드라이브 IC의 Desat 감지 회로는 IGBT 의 Vce 전압을 이용하지 않고, 션트 저항(Rs)을 통해 과전류를 센싱한다.The Desat detection circuit of the gate drive IC according to the embodiment of the present invention senses an overcurrent through a shunt resistor (Rs) without using the Vce voltage of the IGBT.
한편, 상기 게이트 드라이버(110)의 DESAT핀에는 비교기(111), 전류원(Isource), 입력 저항(112), 다이오드(113), 및 전류원(Isource)의 전류 흐름 방향을 스위칭하는 스위치 소자(114)가 연결될 수 있다.Meanwhile, the DESAT pin of the
DESAT핀과 역류 방지 다이오드(190) 사이에는 병렬로 연결된 커패시터(170)과 다이오드(180)가 배치될 수 있다. DESAT핀으로 인가되는 전압은 상기 커패시터(170)에 충전된 후에 DESAT핀에 인가됨으로써, 오동작을 방지할 수 있다.A
상기 게이트 드라이버(110)의 비교기(111)는 일정 레벨 이상(예를 들어, 9V)가 인가되는 지 판정하고, DESAT핀에 일정 레벨 이상의 전압이 인가되면 보호 기능이 동작한다.The
도 6을 참조하면, 스위치 소자(114)의 동작에 따라, 스위칭 소자(SW)가 오프(off) 상태에서는 전류원의 전류가 스위치 소자(114)를 향하는 방향(610)으로 흐른다.Referring to FIG. 6 , according to the operation of the
도 7을 참조하면, 스위치 소자(114)의 동작에 따라, 스위칭 소자(SW)가 온(On) 상태에서는 전류원의 전류가 비교기(120)를 향하는 방향(620)으로 흐른다.Referring to FIG. 7 , according to the operation of the
하지만, 본 발명에서는 Vce 전압을 보호 동작의 기준으로 사용하지 않고, DESAT 기능만 사용할 수 있다. However, in the present invention, only the DESAT function can be used without using the Vce voltage as a criterion for protection operation.
구체적으로 감지부 출력 전압(VOC_CURRENT)을 비교기 입력 전압으로, 과전류 폴트 레벨(Fault Level)을 비교기 기준 전압기준 전압(VOC_REF)으로 설정하여 폴트 레벨(Fault Level) 이상의 과전류 발생 시 비교기 출력이 하이(high)가 되도록 구성한다.Specifically, by setting the detector output voltage (VOC_CURRENT) as the comparator input voltage and the overcurrent fault level (Fault Level) as the comparator reference voltage reference voltage (VOC_REF), the comparator output is high when an overcurrent above the fault level occurs. ) is configured to be
예를 들어, 상전류 감지전압(VOC_CURRENT)가 기준전압(VOC_REF)보다 크면, 비교기(120)의 출력 전압은 5V 상승한다. For example, when the phase current sensing voltage VOC_CURRENT is greater than the reference voltage VOC_REF, the output voltage of the
만약 역류 방지 다이오드(190)가 500uA에 0.65V이면, 정상 운전 중일때의 Desat단 전압은 다음과 같다.If the
- VDESAT(정상 운전 중) = 10[kohm] X 500[uA] + 0.65V = 5.65V- VDESAT (during normal operation) = 10[kohm] X 500[uA] + 0.65V = 5.65V
과전류/과전압이 발생하여 비교기(120) 출력이 하이(high)가 되면, 비교기(120)의 출력 전압은 5V이 합산되어 Desat단 전압은 다음과 같다.When an overcurrent/overvoltage occurs and the output of the
- VDESAT(과전압/과전류에 의한 비교기 동작시) = 5.65V + 5V = 10.65V - VDESAT (when the comparator operates due to overvoltage/overcurrent) = 5.65V + 5V = 10.65V
따라서, VDESAT이 9V보다 커져 과전류/과전압에 대응하여 보호 동작을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, IGBT 온도에 영향을 받지 않고 일정한 레벨의 과전류를 감지하고 제품을 보호할 수 있다. Therefore, VDESAT becomes larger than 9V, and a protection operation can be performed in response to overcurrent/overvoltage. According to an embodiment of the present invention, it is possible to detect an overcurrent of a certain level without being affected by the IGBT temperature and to protect the product.
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.The power conversion device according to the present invention and a home appliance having the same are not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but the above embodiments are all of the embodiments so that various modifications can be made. Alternatively, some of them may be selectively combined.
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.In addition, although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
컨버터 : 410
컨버터 제어부 : 415
인버터 : 420
인버터 제어부 : 430Converter: 410
Converter control: 415
Inverter: 420
Inverter Control: 430
Claims (10)
상기 스위칭 소자를 구동하는 게이트 드라이버;
상기 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 검출부; 및,
상기 전류 검출부에서 감지되는 데이터에 기초하는 전압과 기준 전압이 입력되고 출력단이 상기 게이트 드라이버에 연결되는 비교기;를 포함하는 전력 변환 장치. an inverter having a switching element and converting DC power into AC power to drive a motor;
a gate driver driving the switching element;
a current detector detecting a current flowing through the switching element; and,
and a comparator inputting a voltage based on the data sensed by the current detector and a reference voltage and having an output terminal connected to the gate driver.
상기 비교기의 출력단에 일단이 연결되고, 타단이 정전압에 연결되는 풀업 저항;을 더 포함하는 전력 변환 장치. According to claim 1,
The power converter further comprising a pull-up resistor having one end connected to the output terminal of the comparator and the other terminal connected to a constant voltage.
상기 비교기의 출력단과 상기 풀업 저항에 연결되는 커패시터;를 더 포함하는 전력 변환 장치. According to claim 1,
The power conversion device further comprising a; capacitor connected to the output terminal of the comparator and the pull-up resistor.
상기 비교기의 출력단은 상기 게이트 드라이버의 DESAT핀에 연결되고,
상기 DESAT핀에 일정 전압 이상이 인가되는 경우에 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 멈추는 전력 변환 장치. According to claim 1,
The output terminal of the comparator is connected to the DESAT pin of the gate driver,
A power conversion device that stops the switching operation of the switching element when a predetermined voltage or more is applied to the DESAT pin.
상기 비교기의 출력단과 상기 게이트 드라이버의 DESAT핀 사이에 배치되는 DESAT 저항;을 더 포함하는 전력 변환 장치. According to claim 4,
A DESAT resistor disposed between the output terminal of the comparator and the DESAT pin of the gate driver;
상기 비교기의 출력단과 상기 게이트 드라이버의 DESAT핀 사이에 배치되는 역류 방지 다이오드;를 더 포함하는 전력 변환 장치. According to claim 4,
The power converter further comprising a reverse flow prevention diode disposed between the output terminal of the comparator and the DESAT pin of the gate driver.
상기 스위칭 소자는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)인 전력 변환 장치.According to claim 1,
The power conversion device of claim 1 , wherein the switching element is an insulated gate bipolar transistor.
상기 전류 검출부는 상기 스위칭 소자에 연결되는 션트(shunt) 저항을 포함하는 전력 변환 장치.According to claim 1,
The power conversion device of claim 1, wherein the current detector includes a shunt resistor connected to the switching element.
상기 전류 검출부 및 상기 비교기는 상기 인버터의 하암 스위칭 소자에 연결되는 전력 변환 장치.According to claim 1,
The current detector and the comparator are connected to the lower arm switching element of the inverter.
A home appliance comprising a; power conversion device according to any one of claims 1 to 9.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal |