KR102063633B1 - 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터, 컨버터의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터, 및, 스위칭 소자를 구비하며, 평활 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터를 포함하고, 컨버터는, 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 포함할 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스{Power converting apparatus and home appliance including the same}
본 발명은 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스에 관한 것이다.
전력 변환 장치는, 입력 전원을 변환하여 변환된 전력을 공급하는 장치이다. 이러한 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스 내에 배치되어, 입력 전원을 홈 어플라이언스를 구동하기 위한 전원으로 변환할 수 있다.
한편, 전력 변환 장치에 구비되는 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프시, 전자파(EMI) 노이즈가 발생하게 된다.
이러한 전자파 노이즈를 저감하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다.
한편, 종래 기술 1(한국 공개특허공보 제2003-0026211호)는, 전자파 노이즈의 저감을 위해, 스위칭 주파수 변경에 따라, 주파수 변조 위상 지연을 위한 회로를 별도로 구비한다. 이러한 회로는, 복잡도가 증가하며, 제조 비용 등이 증가하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 전자파(electromagnetic interference: EMI) 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 스위칭 손실과 링잉(ringing)을 방지할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터, 컨버터의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터, 및, 스위칭 소자를 구비하며, 평활 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터를 포함하고, 컨버터는, 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 전자파 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 손실과 링잉(ringing)을 방지할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 간략한 내부 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 특성에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 다양한 예를 도시한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
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 전력 변환 장치는, 홈 어플라이언스 내에 구비되는 전력 변환 장치일 수 있다. 홈 어플라이언스는, 냉장고, 세탁기, 건조기, 에어컨, 제습기, 조리기기, 청소기 등을 포함하는 것으로서, 이하에서는, 다양한 홈 어플라이언스 중 공기조화기를 중심으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기조화기(100)는, 실내기(21), 실내기(21)에 연결되는 실외기(31)를 포함할 수 있다.
공기조화기의 실내기(21)는 스탠드형 공기조화기, 벽걸이형 공기조화기 및 천장형 공기조화기 중 어느 것이라도 적용 가능하나, 도면에서는, 스탠드형 실내기(21)를 예시한다.
한편, 공기조화기(100)는 환기장치, 공기청정장치, 가습장치 및 히터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 실내기 및 실외기의 동작에 연동하여 동작할 수 있다.
실외기(31)는 냉매를 공급받아 압축하는 압축기(미도시)와, 냉매와 실외공기를 열교환하는 실외 열교환기(미도시)와, 공급되는 냉매로부터 기체 냉매를 추출하여 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(미도시)와, 난방운전에 따른 냉매의 유로를 선택하는 사방밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 다수의 센서, 밸브 및 오일회수기 등을 더 포함하나, 그 구성에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
실외기(31)는 구비되는 압축기 및 실외 열교환기를 동작시켜 설정에 따라 냉매를 압축하거나 열교환하여 실내기(21)로 냉매를 공급한다. 실외기(31)는 원격제어기(미도시) 또는 실내기(21)의 요구(demand)에 의해 구동될 수 있다. 이때, 구동되는 실내기에 대응하여 냉/난방 용량이 가변 됨에 따라 실외기의 작동 개수 및 실외기에 설치된 압축기의 작동 개수가 가변 되는 것도 가능하다. 또한, 도 1에서는 하나의 실내기(21)와 실외기(31)를 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 실외기(31)에 여러 실내기(21)가 냉매배관으로 연결될 수 있다.
이때, 실외기(31)는, 연결된 실내기(21)로 압축된 냉매를 공급한다.
실내기(21)는, 실외기(31)로부터 냉매를 공급받아 실내로 냉온의 공기를 토출한다. 실내기(21)는 실내 열교환기(미도시)와, 실내기팬(미도시), 공급되는 냉매가 팽창되는 팽창밸브(미도시), 다수의 센서(미도시)를 포함한다.
이때, 실외기(31) 및 실내기(21)는 유선 또는 무선으로 연결되어 상호 데이터를 송수신하며, 실외기 및 실내기는 원격제어기(미도시)와 유선 또는 무선으로 연결되어 원격제어기(미도시)의 제어에 따라 동작할 수 있다.
리모컨(미도시)은 실내기(21)에 연결되어, 실내기로 사용자의 제어명령을 입력하고, 실내기의 상태정보를 수신하여 표시할 수 있다. 이때 리모컨은 실내기와의 연결 형태에 따라 유선 또는 무선으로 통신할 수 있다.
도 2는 도 1의 실외기와 실내기의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 공기조화기(100)는, 크게 실내기(21)와 실외기(31)로 구분된다.
실외기(31)는, 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기(102)와, 압축기를 구동하는 압축기용 전동기(102b)와, 압축된 냉매를 방열시키는 역할을 하는 실외측 열교환기(104)와, 실외 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진 시키는 실외 팬(105a)과 실외 팬(105a)을 회전시키는 모터(250)로 이루어진 실외 송풍기(105)와, 응축된 냉매를 팽창하는 팽창기구 또는 팽창 밸브(106)와, 압축된 냉매의 유로를 바꾸는 냉/난방 절환밸브 또는 사방밸브(110)와, 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터(103) 등을 포함할 수 있다.
실내기(21)는 실내에 배치되어 냉/난방 기능을 수행하는 실내측 열교환기(109)와, 실내측 열교환기(109)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진시키는 실내 팬(109a)과 실내 팬(109a)을 회전시키는 전동기(109b)로 이루어진 실내 송풍기(109) 등을 포함한다.
실내측 열교환기(109)는 적어도 하나가 설치될 수 있다. 압축기(102)는 인버터 압축기, 정속 압축기 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
또한, 공기조화기(100)는 실내를 냉방시키는 냉방기로 구성되는 것도 가능하고, 실내를 냉방시키거나 난방시키는 히트 펌프로 구성되는 것도 가능하다.
한편, 실외기(31) 내의 실외 팬(105a)은, 모터(250)를 구동하는 실외 팬 구동부(200)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실외기(31) 내의 압축기(102)는, 압축기 모터(미도시)를 구동하는 압축기 모터 구동부(도 3의 113)에 의해 구동될 수 있다.
한편, 실내기(21) 내의 실내 팬(109a)은, 실내 팬 모터(109b)를 구동하는 실내 팬 구동부(300)에 의해 구동될 수 있다.
이하에서는 실외 팬 구동부(200)를 실외 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다. 또한, 실내 팬 구동부(300)를 실내 팬 구동 장치로 명명할 수도 있다.
도 3은 도 1의 공기조화기의 간략한 내부 블록도이다.
도 3을 참조하면, 공기조화기(100)는, 압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a), 제어부(170), 토출 온도 감지부(118), 실외 온도 감지부(138), 실내 온도 감지부(158), 메모리(140)를 포함할 수 있다. 또한, 공기조화기(100)는, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 실내 팬 구동부(300), 절환 밸브(110), 팽창 밸브(106), 표시부(130), 및 입력부(120)를 더 포함할 수 있다.
압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a) 등은 도 2를 참조하여 상술한 것과 같이 동작할 수 있다.
입력부(120)는, 다수개의 조작 버튼을 구비하여, 입력되는 공기조화기의 운전 목표 온도에 대한 신호를 제어부(170)로 전달한다.
표시부(130)는, 공기조화기(100)의 동작 상태를 표시할 수 있다. 예를 들어, 표시부(130)는, 실내기(21)의 동작상태를 출력하는 표시수단을 구비하여, 운전상태 및 에러를 표시할 수 있다.
표시부(130)는, 실내기(21)와 실외기(31)의 결선 상태를 표시할 수도 있다. 예를 들어, 표시부(130)는, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 구비할 수 있고, 발광 다이오드(LED)는 통신선 및/또는 전원 라인의 결선 상태가 정상인 경우 점등하고, 통신선 및/또는 전원 라인의 결선 상태가 이상인 경우 소등할 수 있다.
메모리(140)는, 공기조화기(100) 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다.
토출 온도 감지부(118)는, 압축기(102)에서의 냉매 토출 온도(Tc)를 감지할 수 있으며, 감지된 냉매 토출 온도(Tc)에 대한 신호를 제어부(170)로 전달할 수 있다.
실외 온도 감지부(138)는, 공기조화기(100)의 실외기(31) 주변의 온도인, 실외 온도(To)를 감지할 수 있으며, 감지된 실외 온도(To)에 대한 신호를 제어부(170)로 전달할 수 있다.
실내 온도 감지부(158)는, 공기조화기(100)의 실내기(21) 주변의 온도인, 실내 온도(Ti)를 감지할 수 있으며, 감지된 실내 온도(Ti)에 대한 신호를 제어부(170)로 전달할 수 있다.
제어부(170)는, 감지된 냉매 토출 온도(Tc), 감지된 실외 온도(To), 감지된 실내 온도(Ti) 중 적어도 하나, 및 입력된 목표 온도에 기초하여, 공기조화기(100)가 운전하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 최종 목표 과열도를 산출하여, 공기조화기(100)가 운전하도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 압축기(102), 실내 팬(109a), 실외 팬(105a)의 동작 제어를 위해, 도면에서 도시된 바와 같이, 각각, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 실내 팬 구동부(300)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(170)는, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 또는 실내 팬 구동부(300)에, 목표 온도에 기초하여, 각각 해당하는 속도 지령치 신호를 출력할 수 있다.
그리고 각각의 속도 지령치 신호에 기초하여, 압축기 모터(미도시), 모터(250), 실내 팬 모터(109b)는, 각각, 목표 회전 속도로 동작 될 수 있다.
한편, 제어부(170)는, 압축기 구동부(113), 실외 팬 구동부(200), 또는 실내 팬 구동부(300)에 대한 제어 이외에, 공기조화기(100) 전반의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(170)는, 냉/난방 절환밸브 또는 사방밸브(110)의 동작을 제어할 수 있다. 또는, 제어부(170)는, 팽창기구 또는 팽창 밸브(106)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 공기조화기는, 압축기(102), 실외 팬(105a), 실내 팬(109a), 제어부(170), 메모리(140) 등 각 유닛에 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전원 공급부는 입력 전원을 각 유닛의 구동에 필요한 전원으로 변환하여 공급할 수 있다. 따라서, 전원 공급부의 적어도 일부 구성은 전력 변환 장치로 명명될 수도 있다.
또한, 전력 변환 장치는 전력을 변환하여 각종 모터를 구동하는 모터 구동 장치로 실시될 수 있다.
이하에서 설명되는 전력 변환 장치는 홈 어플라이언스의 구동부(200, 300, 113), 전원 공급부 등에 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)의 회로도의 일예이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(400)는, 입력 전원을 직류 전원으로 변환하여 dc단에 출력하는 컨버터(410), 컨버터 제어부(415), 상기 dc단에 접속되는 커패시터(C), 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터(C)로부터의 직류 전원을 교류 변환하는 인버터(420), 및 상기 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다. 전력 변환 장치(400)는, 입력 전압 검출부(A), dc단 전압 검출부(B), 입력 전류 검출부(D), 및 출력전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 4 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.
컨버터(410)는, 상용 교류 전원(201)을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(410)는, 정류부(도 5의 510)를 구비할 수 있다. 그외, 리액터(미도시)를 더 구비하는 것도 가능하다.
컨버터(410)의 출력단에는, 평활 커패시터(C)가 접속된다. 커패시터(C)는, 컨버터(410)에서 출력되는 전원을 저장할 수 있다. 컨버터(410)에서 출력되는, 전원은 dc 전원이므로, dc단 커패시터라 명명할 수 있다.
상기 인버터(420)는, 상기 변환된 교류 전원을 모터(250)로 출력할 수 있다.
도 4를 참조하면, 입력 전압 검출부(A)는, 입력 교류 전원(201)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는, 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있다.
한편, 입력 전압 검출부(A)에 의해, 입력 전압의 제로 크로싱 지점도 검출할 수 있게 된다.
입력 전류 검출부(D)는, 상용 교류 전원(201)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(D)로, CT(current trnasformer), 션트(Shunt) 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(digcrete signal)로서, 소비전력 연산을 위해, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
다음, 컨버터(410)의 출력단에는, 컨버터(410)에서 전력 변환된 전원을 저장 또는 평활하기 위한, 커패시터(C)가 구비될 수 있다. 이때의 커패시터(C) 양단은, dc단이라 명명할 수 있다. 따라서, 커패시터(C)를 dc단 커패시터라 할 수도 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 컨버터 스위칭 제어 신호(Scc)를 생성하고, 이를 컨버터(410)에 출력할 수 있다.
dc단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 모터(250)를 구동할 수 있다. 이를 위해, 인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된다. 각 스위칭 소자에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(250) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. 한편, 삼상 평형을 이용하여, 2개의 션트 저항이 사용되는 것도 가능하다. 한편, 1개의 션트 저항이 사용되는 경우, 상술한 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에서 해당 션트 저항이 배치되는 것도 가능하다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 모터(250)는, 삼상 모터일 수 있다. 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기모터(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 컨버터(410)와 인버터(420)는 스위칭 소자들을 포함한다. 예를 들어, 컨버터(410)와 인버터(420)는 IGBT 스위칭 소자들을 포함할 수 있다.
하지만, 이러한 스위칭 소자들이 스위칭을 하면서 필연적으로 RP(radiation power)가 악화되어 전자파(EMI) 노이즈가 일정 수준 이상 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 전자파(EMI) 노이즈 발생에 대한 대책으로 필터를 적용하는 경우에, 부품 가격이 상승하고 부피가 커지는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은, 컨버터(410)와 인버터(420)의 스위칭 소자가 스위칭할 때 발생하는 RP(radiation power)를 최소화하여 전자파(EMI) 노이즈 문제를 개선한 회로를 제안한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 4와 도 5를 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.
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.
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.
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.
특히, 저용량의 dc단 커패시터(C)를 사용하는 전력 변환 장치에 있어, 부스트 컨버터(520)로부터, 일정 전압이 승압된, 즉 오프셋된, 전압이 출력될 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(410)는, 스위칭 소자(S)와 상기 스위칭 소자(S)에 병렬로 연결되는 제1 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 제1 커패시터(C1)는 스위칭 타임을 지연함으로써 링잉 노이즈를 개선할 수 있다. 링잉이란 입력의 갑작스런 변화에 의해 생기는 출력이 흔들리는 현상으로, 스위칭 파형의 상쇄성 리플을 의미할 수 있다.
상기 제1 커패시터(C1)는 링잉 노이즈를 흡수하기 위한 노이즈 흡수용 커패시터일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 커패시터(C1)는, 상기 스위칭 소자(S)의 컬렉터 단자(c)와 이미터 단자(e) 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 커패시터(C1)는 상기 스위칭 소자(S)의 컬렉터 단자(c)와 이미터 단자(e) 사이 컬렉터 이미터 전압(Vce)의 링잉(ringing)을 방지할 수 있다.
상기 제1 커패시터(C1)는, 상기 스위칭 소자(S)의 컬렉터 단자(c)와 이미터 단자(e) 사이에 연결되어 Vce 전압이 급격히 변화하는 것을 막아 링잉 현상을 개선할 수 있다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 특성에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 도 6a는 제1 커패시터(C1)의 적용 전 전압, 전류 파형을 도시한 것이고, 도 6b는 제1 커패시터(C1)의 적용 후 전압, 전류 파형을 도시한 것이다.
도 6a에서는 스위칭 오프(off) 시 전압이 급격히 흔들리는 링잉(ringing) 구간(T1)이 발생하고, 이때 30 내지 40MHz 구간에서 측정된 RP(radiation power)값은 약 15dB이였다.
하지만, 도 6b의 동일 구간(T2)에서는 전압이 완만하게 변하면서 링잉 현상이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, 30 내지 40MHz 구간에서 측정되는 RP(radiation power)값도 저감되었고, 전자파(EMI) 노이즈가 저감됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 커패시터(C1) 하나의 추가로 전자파 노이즈 개선 효과를 달성하여 EMI 필터 추가 비용을 절감할 수 있다.
다만, 경우에 따라서, 제1 커패시터(C1)의 추가로 인해, 스위칭 시점에 과다한 전류가 급격히 흐를 수 있다.
예를 들어, 도 6a의 제1 시점(P1)의 전류는 180mA이지만, 도 6b의 동일 시점(P2)의 전류는 640mA로 급격히 증가할 수 있다.
이것은 스위칭 온(on) 타이밍(timing)에 제1 커패시터(C1)에 충전된 전류가 스위칭 소자(S)로 급격히 흘러 들어가 발생하는 것으로, 이에 따라 스위칭 온(On) 손실이 증가할 수 있다.
또한, 급격한 과전류는 스위칭 소자(S)의 발열을 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치 및 홈 어플라이언스는, 온(on) 타이밍(timing)에 제1 커패시터(C1)에 충전된 전류가 스위칭 소자(S)에 흐르지 않도록 추가 스위칭 소자를 적용할 수 있다. 이에 따라, 온(On) 손실을 발생시키지 않고 RP(radiation power) 개선이 가능하다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 다양한 예를 도시한 도면들이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7 내지 도 10에서 예시된 회로도는 도 5에서 예시된 회로도 중 일부 구성이 변경된 것으로, 이하에서는 도 5와 차이점을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(410)는, 상기 제1 커패시터(C1)에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자(S1)를 더 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이, 제1 스위칭 소자(S1)는 제1 커패시터(C1)에 충전된 전류가 스위칭 소자(S)에 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 전자파 노이즈를 저감하면서도 발열 및 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
한편, 컨버터 제어부(415)는, 스위칭 소자(S)와 제1 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨버터 제어부(415)의 제어에 따라, 제1 스위칭 소자(S1)는 기존의 스위칭 소자(S)의 온(on) 구간에 오프(off)될 수 있다.
더욱 바람직하게, 컨버터 제어부(415)는 기존의 스위칭 소자(S)가 온(on)되는 시점에 상기 제1 스위칭 소자(S1)는 오프(off)되어 있도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 스위칭 소자(S)의 온(on) 시점에 제1 커패시터(C1)에 충전된 전류가 스위칭 소자(S)에 급격히 흐르는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(420)는, 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있다. 예를 들어, 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 소자가 서로 병렬(Sa&S'a, Sb&S'b, Sc&S'c)로 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위칭 소자(Sa, S'a, Sb, S'b, Sc, S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(420)는, 상기 복수의 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)에 병렬로 연결되는 커패시터들(C2, C3, C4)을 포함할 수 있다.
상기 커패시터들(S2, S3, S4)은, 상술한 제1 커패시터(S1)와 동일한 역할을 수행하여, 링잉 현상 및 전자파 노이즈를 저감할 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(410)는, 상기 제1 커패시터(C1)에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자(S1)를 더 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터(410)는 상기 제1 커패시터(C1) 및 상기 제1 커패시터(C1)에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자(S1)를 포함하고, 인버터(420)는, 상기 복수의 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)에 병렬로 연결되는 커패시터들(S2, S3, S4)을 포함할 수 있다.
또한, 인버터(420)도, 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(420)는, 상기 커패시터들(C2, C3, C4)에 각각 직렬로 연결되는 추가 스위칭 소자들(S2, S3, S4)을 더 포함할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)와 추가 스위칭 소자들(S2, S3, S4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 인버터 제어부(430)의 제어에 따라, 추가 스위칭 소자들(S2, S3, S4)은 대응하는 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)의 온(on) 구간에 오프(off)될 수 있다.
더욱 바람직하게, 인버터 제어부(430)는 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)가 온(on)되는 시점에 대응하는 추가 스위칭 소자들(S2, S3, S4)이 오프(off)되어 있도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)의 온(on) 시점에 추가 커패시터(C2, C3, C4)에 충전된 전류가 하암 스위칭 소자(S'a, S'b, S'c)에 급격히 흐르는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서도, 상기 스위칭 소자(S)에는 병렬로 제1 커패시터(C1)와 제1 스위칭 소자(S1)가 연결될 수 있다.
종래의 전자파(EMI) 노이즈 발생에 대한 대책으로 필터를 적용하는 경우에, 부품 가격이 상승하고 부피가 커지는 단점이 있었다.
이에 반하여, 본 발명에 따르면, 스위칭시 Vce 전압이 시간에 따라 변동함으로 발생하는 전자파 노이즈를 스위칭 소자들의 양단에 커패시터를 적용함으로써 저감할 수 있다.
또한, 추가 적용된 커패시터에 직렬로 추가 스위칭 소자들을 추가하여 온/오프(On/Off) 제어함으로써, 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
도 11의 상단에는 추가 스위칭 소자(S1)의 컬렉터 이미터 전압 파형(Vce)이 도시되고, 도 11의 하단에는 기존의 스위칭 소자(S)의 컬렉터 이미터 전압 파형(Vce)과 컬렉터 전류 파형(Ic)이 도시된다.
이 경우에, 컬렉터 이미터 전압 파형(Vce)이 하이(high) 구간일 때, 스위칭 소자들(S, S1)이 온(on)되고, 컬렉터 이미터 전압 파형(Vce)이 로우(low) 구간일 때, 스위칭 소자들(S, S1)이 오프(off)된다.
도 11을 참조하면, 스위칭 소자(S)가 온(on) 상태에서 오프(off) 상태로 전환될 때, 추가 스위칭 소자(S1)는 온(On) 상태를 유지한다.
이에 따라, 스위칭 소자(S)의 오프(off) 시 제1 커패시터(C1)를 스위칭 소자(S)에 병렬로 연결함으로써, 링잉(Ringing)을 방지하고, 전자파 노이즈를 저감할 수 있다.
도 11을 참조하면, 스위칭 소자(S)가 오프(off) 상태에서 온(on) 상태로 전환될 때, 추가 스위칭 소자(S1)는 오프(off) 상태를 유지한다.
이에 따라, 스위칭 소자(S)의 온(on) 시 제1 커패시터(C1)를 오픈(open)함으로써, 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
컨버터 : 410
컨버터 제어부 : 415
인버터 : 420
인버터 제어부 : 430

Claims (10)

  1. 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터의 출력 전원을 평활화하고 저장하는 평활 커패시터; 및,
    복수의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 커패시터로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터;를 포함하고,
    상기 컨버터는, 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자에 병렬로 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 인버터는,
    상기 복수의 스위칭 소자 중, 복수의 하암 스위칭 소자에 각각 병렬로 연결되는 복수의 제2 커패시터; 및
    상기 복수의 제2 커패시터에 각각 직렬로 연결되는 복수의 제2 스위칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는, 상기 스위칭 소자의 컬렉터 단자와 이미터 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는, 서로 직렬 접속되는 인덕터와 다이오드를 더 포함하고,
    상기 스위칭 소자는 상기 인덕터와 다이오드 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는, 상기 제1 커패시터에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    입력 교류 전원을 정류하여 상기 컨버터로 출력하는 정류부, 및,
    상기 정류부와 상기 평활 커패시터 사이에, 상기 정류부로부터 정류된 전원을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터를 포함하고,
    상기 스위칭 소자는 상기 부스트 컨버터에 구비되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제1항 내지 제4항, 및 제9항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 홈 어플라이언스.
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