KR102612830B1 - 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전력변환장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치는, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터, 복수의 스위칭 소자의 구동을 위한 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부 및 인버터 및 게이트 구동부 사이에 접속되고, 구동 신호에 기초하여, 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 복수의 스위칭 소자에 각각 출력하는 게이트 신호 출력부를 포함하고, 게이트 신호 출력부는, 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 턴-온 동작을 위한 구동 신호가 입력되는 경우, 구동 신호의 레벨 보다 높은 레벨의 스위칭 신호를 출력하고, 구동 신호 보다 높은 레벨의 스위칭 신호가 출력된 후, 구동 신호가 입력되는 동안 기 설정된 조건에 따라 구동 신호의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자에 흐르는 전류 및 스위칭 소자의 양단에 인가되는 전압의 변경을 제어할 수 있고, 이를 통해 스위칭 소자의 턴-온 동작 시 발생하는 손실을 저감할 수 있다. 그 외에 다양한 실시 예들이 가능하다.

Description

전력변환장치{POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은, 전력변환장치에 관한 것으로, 특히, 스위칭 소자의 턴-온 동작 시 발생하는 손실을 저감하고, 전자파 적합성(electromagnetic compatibility; EMC)을 개선할 수 있는 전력변환장치에 관한 것이다.
전력변환장치는, 공급되는 전력을 변환하여 출력하는 장치를 의미하며, 일 예로 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터 및 인버터의 동작을 제어하는 제어회로가 예시될 수 있다.
한편, 공급되는 전력을 변환하기 위해 전력변환장치가 동작하는 경우, 예를 들면, 인버터에 구비된 스위칭 소자의 턴-온/오프 시, 전자파 장해(electromagnetic interference; EMI) 노이즈가 발생할 수 있다. 여기서, EMI 노이즈란, 전자기기에서 발생하는 전자파 형태의 전자기 잡음을 의미한다.
EMI 노이즈는, 전가기기의 정상적인 제어신호, 통신신호 등에 영향을 미쳐, 전자기기의 오작동, 통신장애 등의 문제를 야기할 수 있어, 이러한 EMI 노이즈를 저감하기 위한 다양한 방안이 제안되고 있다.
예를 들면, 종래기술 1(한국공개특허 제10-2015-0142086호)는, 구동 모터와 휠을 연결하는 구동 샤프트와 구동 모터의 프레임 사이의 공통모드 전압을 검출하고, 검출 결과에 따라 스위칭 소자에 연결된 게이트 저항의 크기를 변경하여 EMI 노이즈를 저감하는 구성에 대해서 개시하고 있다. 그러나 종래기술 1과 같은 종래 방안들의 경우, MCU(microcontroller unit)와 같은 제어부에서 검출 결과를 확인하고, 검출 결과에 따라 전자기기의 각 구성을 제어하여 EMI 노이즈를 저감하므로, 각 구성을 신속하게 제어하기 어려운 문제점 등이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 제어하는 구동 신호의 레벨을 변환하여, 스위칭 소자의 턴-온 동작 시 발생하는 손실을 저감하고, 전자파 적합성(EMC)을 개선할 수 있는 전력변환장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터, 복수의 스위칭 소자의 구동을 위한 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부 및 인버터 및 게이트 구동부 사이에 접속되고, 구동 신호에 기초하여, 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 복수의 스위칭 소자에 각각 출력하는 게이트 신호 출력부를 포함하고, 게이트 신호 출력부는, 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 턴-온 동작을 위한 구동 신호가 입력되는 경우, 구동 신호의 레벨 보다 높은 레벨의 스위칭 신호를 출력하고, 구동 신호 보다 높은 레벨의 스위칭 신호가 출력된 후, 구동 신호가 입력되는 동안 기 설정된 조건에 따라 구동 신호의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 전력변환장치는, 스위칭 소자에 입력되는 신호의 레벨을 변환함으로써, 스위칭 소자에 흐르는 전류 및 스위칭 소자의 양단에 인가되는 전압의 변경을 제어할 수 있어, 이를 통해 스위칭 소자의 턴-온 동작 시 발생하는 손실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 전력변환장치는, 스위칭 소자에 입력되는 신호의 레벨을 변환함으로써, 스위칭 소자에 흐르는 전류의 피크 레벨을 줄일 수 있어, 전자파 적합성(EMC)을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 전력변환장치는, MCU와 같은 일반적인 제어부가 스위칭 소자에 입력되는 신호의 레벨 변환을 제어하는 것이 아니라, 별도의 FPGA(field programmable gate array)를 통해, 스위칭 소자에 입력되는 신호의 레벨을 변환하므로, 보다 신속하게 스위칭 소자의 동작을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력변환장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 인버터 제어부의 내부 블록도의 일 예이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 게이트 신호 출력부의 내부 블록도의 일 예이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력변환장치의 동작의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 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.
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.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력변환장치의 내부 블록도의 일 예이다.
도 1을 참조하면, 전력변환장치(100)는, 예를 들면, 인버터(110), 인버터 제어부(120), 게이트 구동부(130), 및 게이트 신호 출력부(140)를 포함할 수 있다. 한편, 전력변환장치(100)는, 예를 들면, 입력전압 검출부(A) 및/또는 출력전류 검출부(B)를 더 포함할 수 있다.
인버터(110)는, 예를 들면, 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있고, 게이트 신호 출력부(140)로부터 입력 받은 신호에 기초하여 직류 전원을 모터(150)에 출력할 수 있다. 모터(150)는, 예를 들면, 삼상 동기 모터를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 인버터(110)는, 예를 들면, 복수의 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변경하여, 모터(150)에 출력할 수 있다.
예를 들면, 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자가 서로 직렬 연결되어 한 쌍이 되는 경우, 인버터(110)는, 서로 병렬 연결된 총 세 쌍의 상, 하암 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 인버터(110)에 포함되는 각 스위칭 소자에는, 예를 들면, 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
dc 단 전압 검출부(A)는, 예를 들면, 직류 전원이 공급되는 dc 단 양단의 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(A)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 예를 들면, 펄스 형태의 이산 신호로서, 인버터 제어부(120)에 입력될 수 있다.
출력전류 검출부(B)는, 예를 들면, 모터(150)에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 출력전류 검출부(B)는, 예를 들면, 모터(150)에 흐르는 전류를 검출하기 위해, 인버터(120)와 모터(150) 사이에 배치될 수 있다.
출력전류 검출부(B)는, 예를 들면, 3개의 저항 소자를 통해, 모터(150)에 흐르는 각 상의 출력전류(io)인 상 전류(phase current)를 검출할 수 있다. 검출된 출력전류(io)는, 예를 들면, 펄스 형태의 이산 신호로서, 인버터 제어부(120)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성될 수 있다.
한편, 출력전류 검출부(B)는, 예를 들면, 2개의 저항 소자를 구비할 수도 있다. 이때, 나머지 한 상의 상전류는, 3상 평형을 이용하여, 연산될 수 있다.
인버터 제어부(120)는, 예를 들면, 인버터(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 출력할 수 있다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식(pulse width modulation; PWM)의 제어신호일 수 있다.
인버터 제어부(120)는, 예를 들면, 모터(150)에 흐르는 출력전류(io) 및/또는 dc 단 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
게이트 구동부(130)는, 예를 들면, 인버터 제어부(120)에 연결될 수 있고, 인버터 제어부(120)로부터 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 수신할 수 있다. 게이트 구동부(130)는, 예를 들면, 인버터 제어부(120)로부터 출력된 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여, 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호(Si)를 생성하여 출력할 수 있다. 게이트 구동 신호(Si)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 제어신호일 수 있다.
게이트 구동부(130)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si)를 생성하여 출력하는 복수의 게이트 드라이버(gate driver)(미도시)를 구비할 수 있다. 복수의 게이트 드라이버는, 예를 들면, 인버터 제어부(120)로부터 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 각각 수신할 수 있다.
복수의 게이트 드라이버는, 예를 들면, 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자에 각각 대응될 수 있고, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여, 대응되는 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호(Si)를 각각 출력할 수 있다.
게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 게이트 구동부(130)에 연결될 수 있고, 게이트 구동부(130)로부터 게이트 구동 신호(Si)를 수신할 수 있다.
게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 게이트 구동부(130)로부터 출력된 게이트 구동 신호(Si)에 기초하여, 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 신호(Ssw)를 생성할 수 있고, 생성된 스위칭 신호(Ssw)를 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자에 각각 출력할 수 있다. 스위칭 신호(Ssw)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 제어신호일 수 있다.
게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si)의 입력을 감지할 수 있다.
예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 게이트 구동 신호(Si)가 로우(low) 레벨(예: 0 V)에서 하이(high) 레벨(예: 5 V)로 천이되는, 게이트 구동 신호(Si)의 라이징 엣지(rising edge)가 감지되는 경우, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)가 입력된 것으로 판단할 수 있다.
예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 게이트 구동 신호(Si)가 하이(high) 레벨(예: 5 V)에서 로우(low) 레벨(예: 0 V)로 천이되는, 게이트 구동 신호(Si)의 폴링 엣지(falling edge)가 감지되는 경우, 스위칭 소자의 턴-오프 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)가 입력된 것으로 판단할 수 있다.
게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)가 입력된 경우, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)를 생성하여 출력할 수 있다. 한편, 게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)를 기 설정된 시간 동안 출력할 수도 있다.
예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 5 V의 게이트 구동 신호(Si)가 입력된 경우, 10 V의 스위칭 신호(Ssw)를 생성하여, 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나에 출력할 수 있다.
한편, 게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si) 보다 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 출력된 후, 게이트 구동 신호(Si)가 입력되는 동안 기 설정된 조건에 따라 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)를 생성하여 출력할 수 있다.
예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 게이트 구동 신호(Si) 보다 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 출력된 스위칭 소자에 흐르는 전류(isw)의 전류 값이 기 설정된 제1 전류 값 이상인 경우, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)를 생성하여 출력할 수 있다.
한편, 예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 출력되는 동안, 스위칭 소자에 흐르는 전류(isw)의 전류 값이 기 설정된 제2 전류 값인 경우, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)의 출력을 중단할 수 있다.
예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)가 입력된 시점 또는 게이트 구동 신호(Si) 보다 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 출력된 시점으로부터 소정 시간이 경과된 경우, 기 설정된 시간 동안 게이트 구동 신호(Si)의 레벨 보다 낮은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)를 생성하여 출력할 수도 있다.
모터(150)는, 예를 들면, 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 구비하며, 각 상(a, b, c상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각 상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 할 수 있다.
모터(150)는, 예를 들면, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interidcr Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 인버터 제어부의 내부 블록도이다. 도 1에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 인버터 제어부(120)는, 축변환부(210), 속도 연산부(220), 전류 지령 생성부(230), 전압 지령 생성부(240), 축변환부(250), 및 스위칭 제어신호 출력부(260)를 포함할 수 있다.
축변환부(210)는, 예를 들면, 출력 전류 검출부(B)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia, ib, ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)로 변환할 수 있다.
한편, 축변환부(210)는, 예를 들면, 정지좌표계의 2상 전류(iα, iβ)를 회전 좌표계의 2상 전류(id, iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(220)는, 예를 들면, 축변환부(210)에서 축 변화된 정지 좌표계의 2상 전류(iα, iβ)에 기초하여, 연산된 위치()와 연산된 속도()를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(230)는, 예를 들면, 연산 속도()와 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(230)는, 연산 속도()와 속도 지령치(ω* r)의 차이에 기초하여, PI 제어기(235)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 도시하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성할 수도 있다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(230)는, 예를 들면, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(240)는, 예를 들면, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id, iq)와, 전류 지령 생성부(230) 등에서의 전류 지령치(i* d, i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(240)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(244)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(240)는, 예를 들면, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(248)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, 전압 지령 생성부(240)는, 예를 들면, d 축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)는, 예를 들면, 축변환부(250)에 입력될 수 있다.
축변환부(250)는, 예를 들면, 속도 연산부(220)에서 연산된 위치()와, d축, q축 전압 지령치(v* d, v* q)를 입력받아, 축변환을 수행할 수 있다.
먼저, 축변환부(250)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(220)에서 연산된 위치()가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(250)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행할 수 있다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(250)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력할 수 있다.
스위칭 제어 신호 출력부(260)는, 예를 들면, 3상 출력 전압 지령치(v*a, v*b, v*c)에 기초하여 펄스폭 변조 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 예를 들면, 게이트 구동부(130)로 출력될 수 있고, 게이트 구동부(130)에서 게이트 구동 신호(Si)로 변환되어 게이트 신호 출력부(140)로 출력될 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 게이트 신호 출력부의 내부 블록도의 일 예이다. 도 1 및 2에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
도 3a를 참조하면, 게이트 구동부(130)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si)를 생성하여 출력하는 게이트 드라이버(131)를 포함할 수 있다.
본 발명의 도면에서는 하나의 게이트 드라이버(131)만 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 게이트 구동부(130)는, 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자에 각각 대응되는 복수의 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 신호 출력부(141) 및 신호 조합부(142)를 포함할 수 있다.
본 발명의 도면에서는 신호 출력부(141)와 신호 조합부(142)를 각각 하나씩 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)는, 게이트 구동부(130)가 복수의 게이트 드라이버를 포함하는 경우, 복수의 게이트 드라이버에 각각 대응되는, 복수의 신호 출력부 및 복수의 신호 조합부를 포함할 수 있다.
신호 출력부(141)는, 예를 들면, 게이트 드라이버(131)로부터 게이트 구동 신호(Si)를 수신할 수 있고, 수신된 게이트 구동 신호(Si)에 기초하여 기 설정된 레벨의 보상 신호(Sf)를 생성하여 출력할 수 있다.
예를 들면, 신호 출력부(141)는, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 5 V의 게이트 구동 신호(Si)가 입력되는 경우, 제1 레벨(예: 5 V)의 보상 신호(Sf)를 생성하여 출력할 수 있다. 이때, 신호 출력부(141)는, 기 설정된 시간 동안 제1 레벨의 보상 신호(Sf)를 출력할 수도 있다.
한편, 신호 출력부(141)는, 예를 들면, 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)가 입력된 시점 또는 기 설정된 제1 레벨의 보상 신호(Sf)가 출력된 시점으로부터 기 설정된 시간이 경과된 경우, 제1 레벨과 상이한 제2 레벨(예: -2 V)의 보상 신호(Sf)를 생성하여 출력할 수 있다. 이때, 신호 출력부(141)는, 예를 들면, 소정 시간 동안 제2 레벨의 보상 신호(Sf)를 출력할 수도 있다.
신호 조합부(142)는, 예를 들면, 게이트 드라이버(131)로부터 게이트 구동 신호(Si)를 수신할 수 있고, 신호 출력부(141)로부터 보상 신호(Sf)를 수신할 수 있다. 신호 조합부(142)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si)와 보상 신호(Sf)를 합산하여, 스위칭 신호(Ssw)로 출력할 수 있다.
신호 조합부(142)는, 예를 들면, 복수의 신호를 합산하는 합산기(미도시)를 포함할 수 있다.
인버터(110)는, 예를 들면, 게이트 신호 출력부(140)에서 출력되는 스위칭 신호(Ssw)에 따라 동작하는 스위칭 소자(SW)를 포함할 수 있다. 본 발명의 도면에서는 하나의 스위칭 소자(SW)만 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 교류 전원을 출력하기 위한 복수의 스위칭 소자를 구비할 수 있다.
스위칭 소자(SW)는, 예를 들면, 트랜지스터(transistor) 소자일 수 있다. 스위칭 소자(SW)는, 예를 들면, 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor; BJT) 및/또는 전계 효과 트랜지스터(Field Effective Transistor; FET)를 포함할 수 있다. 본 발명의 도면에서는 인버터(110)가 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT)를 구비하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
신호 조합부(142)는, 예를 들면, 스위칭 소자(SW)의 입력단(G)으로 스위칭 신호(Ssw)를 출력할 수 있다. 한편, 신호 조합부(142)와 스위칭 소자(SW) 사이에는, 예를 들면, 게이트 저항(Rg)이 배치될 수 있다.
스위칭 소자(SW)는, 예를 들면, 스위칭 신호(Ssw)에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 소자(SW)의 턴-온 동작을 위한 스위칭 신호(Ssw)가 입력단(G)에 입력되는 경우, 스위칭 소자(SW)의 일단(C)에서 타단(E)으로 전류(isw)가 흐를 수 있고, 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압의 전압 값이 변경될 수 있다.
한편, 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압의 전압 값 변화량 및 스위칭 소자(SW)의 일단(C)에서 타단(E)으로 흐르는 전류(isw)의 전류 값 변화량은, 예를 들면, 입력단(G)에 입력되는 스위칭 신호(Ssw)의 레벨에 따라 변경될 수 있다.
예를 들면, 입력단(G)에 입력되는 스위칭 신호(Ssw)의 레벨이 증가하는 경우, 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압의 전압 값 변화량이 증가할 수 있다.
예를 들면, 입력단(G)에 입력되는 스위칭 신호(Ssw)의 레벨이 증가하는 경우, 스위칭 소자(SW)의 일단(C)에서 타단(E)으로 흐르는 전류(isw)의 전류 값 변화량이 증가할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 게이트 신호 출력부(140)는, 예를 들면, 전류 검출부(143)를 더 포함할 수 있다.
전류 검출부(143)는, 예를 들면, 스위칭 소자(SW)의 일단(C)에서 타단(E)으로 흐르는 전류(isw)를 검출할 수 있다. 전류 검출부(143)는, 예를 들면, 스위칭 소자(SW)에 전류(isw)의 검출을 위해, 전류센서, 변류기(current transformer; CT), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 전류 검출부(143)에서 검출된 전류(isw)는, 예를 들면, 신호 출력부(141)로 입력될 수 있다.
신호 출력부(141)는, 예를 들면, 전류 검출부(143)에서 검출된 전류(isw)에 기초하여, 제1 레벨과 상이한 제2 레벨의 보상 신호(Sf)를 생성하여 출력할 수 있다.
예를 들면, 신호 출력부(141)는, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)의 전류 값이 기 설정된 제1 전류 값 이상인 경우, 제2 레벨의 보상 신호(Sf)를 생성하여 출력할 수 있다.
예를 들면, 신호 출력부(141)는, 제2 레벨의 보상 신호(Sf)가 출력되는 동안, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)의 전류 값이 기 설정된 제2 전류 값에 해당하는 경우, 제2 레벨의 보상 신호(Sf)의 출력을 중단할 수 있다.
본 발명의 도면에서는 전류 검출부(143)가 스위칭 소자(SW)의 타단에 흐르는 전류를 검출하는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 스위칭 소자(SW)의 일단에 흐르는 전류를 검출할 수도 있다.
한편, 본 발명에서는 게이트 신호 출력부(140)가 제1 레벨 및 제2 레벨의 보상 신호(Sf)를 생성하여 출력하는 신호 출력부(141)와 게이트 구동 신호(Si)와 보상 신호(Sf)를 합산하는 신호 조합부(142)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 신호 출력부(141)는, 스위칭 소자(SW)의 턴-온 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)의 입력에 따라 신호를 출력하는 필터(filter)(예: 고역 통과 필터(high pass filter; HPF))일 수 있다. 이 경우, 필터는 필터링 특성에 따라, 게이트 구동 신호(Si)의 라이징 엣지에 기초하여, 소정 시간 동안 소정의 변화량에 따라 레벨이 변경되는 신호를 출력할 수 있다.
또한, 예를 들면, 신호 조합부(142)는, 필터에서 출력되는 신호와 게이트 구동 신호(Si)를 합산할 수도 있고, 필터로부터 출력되는 신호가 입력되지 않는 경우에도, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)의 변화와 같은 기 설정된 조건에 따라 게이트 구동 신호(Si)의 레벨을 저감하여 출력할 수도 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력변환장치의 동작의 설명에 참조되는 도면이다
도 4a를 참조하면, 종래 전력변환장치의 경우, 신호 출력부(140)를 구비하지 않아, 게이트 구동부(130)에서 출력된 게이트 구동 신호(Si)가 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자(SW)에 직접 입력될 수 있다.
도면부호 (a)를 참조하면, t1 시점에, 게이트 구동부(130)로부터 스위칭 소자(SW)의 턴-온 동작을 위한 5 V의 게이트 구동 신호(Si)가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
도면부호 (b)를 참조하면, 5 V의 게이트 구동 신호(Si)가 인버터(110)에 구비된 스위칭 소자(SW)의 입력단(G)에 입력되는 시점부터, 입력단(G)의 전압(Vg)의 전압 값이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
도면부호 (c)를 참조하면, 입력단(G)의 전압(Vg)이 문턱 전압(threshold voltage; Vth) 이상인 t2 시점부터, 스위칭 소자(SW)에 전류(isw)가 흐르는 것을 확인할 수 있다.
도면 부호 (d)를 참조하면, 스위칭 소자(SW)에 전류(isw)가 흐르는 t2 시점부터, 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압(Vce)의 전압 값이 변경되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)가 피크(peak) 값(i1)에 도달하는 t4 시점부터, 일정한 전류 값(i2)을 가지는 전류(isw)가 스위칭 소자(SW)에 흐르는 것을 확인할 수 있다.
또한, 스위칭 소자(SW)에 일정한 전류 값(i2)을 가지는 전류(isw)가 흐르는 t4 시점부터, 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압(Vce)의 전압 값 변화량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 전력변환장치(200)은 게이트 구동부(130)와 인버터(110) 사이에 접속되는 게이트 신호 출력부(140)를 구비하므로, 게이트 신호 출력부(140)에서 출력된 스위칭 신호(Ssw)가 인버터(110)에 구비된 복수의 스위칭 소자(SW)에 입력될 수 있다.
도면부호 (a)를 참조하면, t1 시점에, 게이트 구동부(130)로부터 스위칭 소자(SW)의 턴-온 동작을 위한 5 V의 게이트 구동 신호(Si)가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
도면부호 (b)를 참조하면, 게이트 구동 신호(Si)가 로우(low) 레벨(예: 0 V)에서 하이(high) 레벨(예: 5 V)로 천이되는, 게이트 구동 신호(Si)의 라이징 엣지가 t1 시점에 감지됨에 따라, 신호 출력부(141)로부터 V1 레벨(예: 5 V)의 보상 신호(Sf)가 출력되는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 스위칭 소자(SW)의 입력단(G)에는 게이트 구동 신호(Si)의 레벨보다 V1 레벨 만큼 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 입력될 수 있다.
한편, t1 시점에 스위칭 소자(SW)의 입력단(G)에 입력되는, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨보다 V1 레벨 만큼 높은 레벨은, 예를 들면, t1 시점에 입력단(G)의 전압(Vg)이 문턱 전압(Vth) 이상이 되도록 하는 레벨일 수 있다.
한편, 신호 출력부(141)는 기 설정된 시간인 T1 구간 동안 V1 레벨의 보상 신호(Sf)를 출력할 수 있다. 또는, 신호 출력부(141)가 필터인 경우, 필터링 특성에 따라, 게이트 구동 신호(Si)의 라이징 엣지에 기초하여 T1 구간 동안 소정의 변화량에 따라 레벨이 변경되는 신호를 출력할 수도 있다.
도면부호 (c)를 참조하면, 게이트 구동 신호(Si)의 레벨보다 V1 레벨 만큼 높은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 스위칭 소자(SW)의 입력단(G)에 입력되는 t1 시점부터, 입력단(G)의 전압(Vg)의 전압 값이 문턱 전압(Vth)에서부터 상승하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 4a의 도면부호 (b)의 T1 구간과 비교하면, 게이트 신호 출력부(140)를 구비하는 경우의 전압 변화량이 종래 게이트 신호 출력부(140)를 구비하지 않는 경우의 전압 변화량보다 다소 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4a의 도면부호 (b)와 비교하면, 게이트 신호 출력부(140)를 구비하는 경우, 게이트 구동부(130)로부터 스위칭 소자(SW)의 턴-온 동작을 위한 게이트 구동 신호(Si)가 출력되는 t1 시점에 입력단(G)의 전압(Vg)이 이미 문턱 전압(Vth) 이상이므로, 종래에 비해 스위칭 소자(SW)가 빠르게 턴-온 되도록 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
도면부호 (d)를 참조하면, 입력단(G)의 전압(Vg)이 문턱 전압(Vth) 이상인 t1 시점부터, 스위칭 소자(SW)에 전류(isw)가 흐르는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 4a의 도면부호 (c)와 비교하면, 신호 출력부(141)에서 제1 레벨의 보상 신호(Sf)가 출력되는 경우에 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)의 전류 값 변화량은, 종래 게이트 신호 출력부(140)를 구비하지 않는 경우의 전류 변화량보다 다소 큰 것을 확인할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)의 전류 값이 종래 피크 값(i1)보다 작은 소정 전류 값(i1')에 도달하는 t3' 시점부터, 신호 출력부(141)로부터 V2 레벨(예: -2 V)의 보상 신호(Sf)가 출력되는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 스위칭 소자(SW)의 입력단(G)에는 게이트 구동 신호(Si)의 레벨보다 V2 레벨 만큼 낮은 레벨의 스위칭 신호(Ssw)가 입력될 수 있다.
또한, T3'' 구간 동안 입력단(G)의 전압(Vg)의 전압 값이 감소하고, 종래 피크 값(i1)보다 작은 소정 전류 값(i1')의 전류(isw)가 스위칭 소자(SW)에 흐르는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도면부호 (d)를 참조하면, 종래 전력변환장치의 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)가 피크 값(i1)에 도달하는 t4 시점부터, 스위칭 소자(SW)에 일정한 전류 값(i2)을 가지는 전류(isw)가 흐르는 것을 확인할 수 있다.
또한, 스위칭 소자(SW)에 일정한 전류 값(i2)을 가지는 전류(isw)가 흐르는 t4 시점부터, V2 레벨의 보상 신호(Sf)의 출력이 중단되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 신호 출력부(141)는, 기 설정된 시간인 T3'' 구간 동안 V2 레벨의 보상 신호(Sf)를 출력할 수도 있고, V2 레벨의 보상 신호(Sf)가 출력되는 동안, 스위칭 소자(SW)를 통해 흐르는 전류(isw)의 전류 값이 i2에 도달하는 경우, 제2 레벨의 보상 신호(Sf)의 출력을 중단할 수도 있다.
도면 부호 (e)를 참조하면, 스위칭 소자(SW)에 전류(isw)가 흐르는 t1 시점부터, 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압(Vce)의 전압 값이 변경되는 것을 확인할 수 있고, 입력단(G)에 입력되는 스위칭 신호(Ssw)의 레벨에 따라 전압 변화량이 변경되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 인버터(110)에 구비된 스위칭 소자(SW)에 입력되는 신호의 레벨을 변환함으로써, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw) 및 스위칭 소자(SW)의 양단(C, E)에 인가되는 전압(Vce)의 변경을 제어할 수 있어, 이를 통해 스위칭 소자(SW)의 턴-온 동작 시 발생하는 손실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 인버터(110)에 구비된 스위칭 소자(SW)에 입력되는 신호의 레벨을 변환함으로써, 스위칭 소자(SW)에 흐르는 전류(isw)의 피크 레벨을 줄일 수 있어, 전자파 적합성(EMC)을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, MCU와 같은 일반적인 제어부가 스위칭 소자(SW)에 입력되는 신호의 레벨 변환을 제어하는 것이 아니라, 게이트 신호 출력부(140)와 같은 별도의 FPGA(field programmable gate array)를 통해, 스위칭 소자(SW)에 입력되는 신호의 레벨을 변환하므로, 보다 신속하게 스위칭 소자(SW)의 동작을 제어할 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 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 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전력변환장치
110: 인버터
120: 인버터 제어부
130: 게이트 구동부
140: 게이트 신호 출력부
150: 모터
A: dc 단 전압 검출부
B: 출력전류 검출부

Claims (10)

  1. 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;
    상기 복수의 스위칭 소자의 구동을 위한 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부;
    상기 복수의 스위칭 소자에 흐르는 전류를 각각 검출하는 전류 검출부; 및
    상기 인버터 및 상기 게이트 구동부 사이에 접속되고, 상기 구동 신호에 기초하여, 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 상기 복수의 스위칭 소자에 각각 출력하는 게이트 신호 출력부를 포함하고,
    상기 게이트 신호 출력부는,
    상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 턴-온 동작을 위한 상기 구동 신호가 입력되는 경우, 상기 구동 신호의 레벨 보다 높은 레벨의 상기 스위칭 신호를 출력하고,
    상기 구동 신호 보다 높은 레벨의 스위칭 신호가 출력된 후, 상기 전류 검출부를 통해 기 설정된 제1 전류 값 이상의 전류가 검출되는 경우, 상기 구동 신호의 레벨 보다 낮은 레벨의 상기 스위칭 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 신호 출력부는,
    신호를 생성하여 출력하는 신호 출력부; 및
    상기 구동 신호와 상기 신호 출력부에서 출력되는 신호를 합산하여 상기 스위칭 신호로 출력하는 신호 조합부를 포함하고,
    상기 신호 출력부는,
    상기 턴-온 동작을 위한 구동 신호가 입력되는 경우, 제1 레벨의 신호를 생성하고,
    상기 제1 전류 값 이상의 전류가 검출되는 경우, 제2 레벨의 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 출력부는,
    기 설정된 제1 시간 동안 상기 제1 레벨의 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 출력부는,
    상기 구동 신호가 로우(low) 레벨에서 하이(high) 레벨로 천이되는, 라이징 엣지(rising edge)가 감지되는 경우, 상기 스위칭 소자의 턴-온 동작을 위한 구동 신호가 입력된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 신호는, 펄스폭 변조 방식(pulse width modulation; PWM)의 신호인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 신호 출력부는,
    상기 제2 레벨의 신호를 출력하는 동안 상기 제1 전류 값보다 낮은 기 설정된 제2 전류 값의 전류가 검출되는 경우, 상기 제2 레벨의 신호의 출력을 중단하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 신호 출력부는,
    상기 라이징 엣지가 감지되는 시점 또는 상기 제1 레벨의 신호가 출력되는 시점으로부터 기 설정된 제2 시간이 경과된 경우, 상기 제2 레벨의 신호를 기 설정된 제3 시간 동안 출력하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 구동부는,
    상기 복수의 스위칭 소자 중 대응되는 스위칭 소자에 상기 구동 신호를 각각 출력하는 복수의 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 게이트 신호 출력부는,
    상기 복수의 게이트 드라이버에 각각 대응되는, 복수의 신호 출력부 및 복수의 신호 조합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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