KR20180036096A - 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과전류로부터 스위칭 소자를 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치에 있어서, 상기 스위칭 소자를 구동하며 상기 스위칭 소자를 보호하는 보호 회로 기능을 포함하는 드라이버 IC; 및 상기 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부 및 상기 전류 감지부를 통하여 감지된 전압 값을 기준 전압 값과 비교하며 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 연결되는 비교기를 포함하여, 상기 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 경우에 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 신호가 인가되어 상기 보호 회로 기능이 작동하도록 하는 소자 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기 {Power transforming apparatus and air conditioner including the same}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로 특히, 과전류로부터 스위칭 소자를 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 조화기의 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 이러한 모터에는 전력 변환 장치로부터 교류 전력이 공급된다.
이와 같은 전력 변환 장치는 주로, 정류부, 역률 제어부 및 인버터 방식의 전력 변환부를 구성하는 것이 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터와 같은 전력 변환부에 공급된다. 이때, 전력 변환부는, 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 교류 전력을 생성한다.
경우에 따라, 정류부와 인버터 사이에는 역률 개선을 위한 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)가 구비될 수 있다.
이와 같은 직류-직류 컨버터에 이용되는 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동부(일례로, 드라이버 IC)는 스위칭 소자의 소손을 방지하기 위해 과전류 보호 회로를 포함할 수 있다.
이러한 과전류 보호 회로는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하여 스위칭 소자에 일정 전류량 이상이 흐르는 것으로 감지되면 스위칭 소자의 구동을 차단하는 방식을 이용한다.
그러나, 이와 같이 스위칭 소자에 걸리는 전류를 모니터링 함에 있어서, 스위칭 소자의 온도나 주변 회로 소자들에 따라 모니터링의 오차 범위가 커질 수 있다.
따라서, 이러한 오차 범위를 축소함으로써 스위칭 소자를 효과적으로 보호할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 따라서, 스위칭 소자에 흐르는 전류를 모니터링할 때 오차 범위를 축소함으로써 스위칭 소자 효과적으로 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
또한, 다수의 스위칭 소자가 구비된 인버터 장치와 같은 요소에서 개별 스위칭 소자를 효과적으로 보호할 수 있는 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치에 있어서, 상기 스위칭 소자를 구동하며 상기 스위칭 소자를 보호하는 보호 회로 기능을 포함하는 드라이버 IC; 및 상기 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부 및 상기 전류 감지부를 통하여 감지된 전압 값을 기준 전압 값과 비교하며 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 연결되는 비교기를 포함하여, 상기 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 경우에 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 신호가 인가되어 상기 보호 회로 기능이 작동하도록 하는 소자 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 전류 감지부는, 상기 스위칭 소자의 에미터 단 또는 소스 단에 연결되는 션트 저항을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 소자 보호부는, 상기 비교기와 상기 보호 회로 기능의 입력 핀 사이에는 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 인가되는 신호의 레벨을 조절하는 레벨 조절부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 레벨 조절부는, 전압을 강하시키기 위한 저항; 상기 신호의 레벨을 결정하는 제너 다이오드; 및 상기 저항과 제너 다이오드 사이에 위치하는 역류 방지 다이오드를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 소자는, 모터를 구동하는 인버터 장치에 구비되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)일 수 있다.
이때, 상기 인버터 장치는, 다수의 스위칭 소자; 및 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 다수의 드라이버 IC를 포함할 수 있다.
이때, 상기 소자 보호부는, 상기 다수의 드라이버 IC의 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 공통으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 소자는, 교류 전원에 연결되어 역률을 조절하기 위한 직류-직류 컨버터에 구비되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)일 수 있다.
여기서, 상기 보호 회로 기능은, 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 일정 전압 이상이 인가되는 경우에 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 멈추는 Desaturation 기능일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 위와 같은 전력 변환 장치를 포함하는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 접합부 온도, 게이트(베이스) 전압 등에 의하여 발생하는 스위칭 소자의 Vce 전압의 편차에 관계없이, 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 실제 전류를 감지하여 스위칭 소자 보호의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 여러 개의 스위칭 소자가 구비된, 예를 들어, 6개의 스위칭 소자가 구비된 인버터 장치의 경우에 개별 스위칭 소자를 효과적으로 보호할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 과전류로부터 스위칭 소자(Q1)를 충분히 보호할 수 있고, 이로 인한 모터의 소손(감자, 열화, 등)을 방지할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 4는 스위칭 소자의 온도에 따른 전압과 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 의한 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 블록도이고, 도 2는 전력 변환 장치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 교류 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 정류부(110)에서 정류된 DC 전압을 승/강압하거나 역률을 제어하는 컨버터(120), 컨버터(120)를 제어하는 컨버터 제어부(130), 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150)와, 그리고 컨버터(120)와 인버터(140) 사이의 DC단 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터(140)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터이고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 압축기 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다.
그러나 모터(200)는 압축기 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차, 청소기 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
한편, 모터 구동장치(100)는, DC단 전압 검출부(B), 입력 전압 검출부(A), 입력 전류 검출부(D), 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급한다.
컨버터(120)는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터(120)는 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터를 이용할 수 있다. 또한, 이러한 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 승압 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 경우에 따라, 컨버터(120)는 정류부(110)를 포함하는 개념일 수 있다. 이하, 컨버터(120)는 승압 컨버터를 이용하는 예를 들어 설명한다.
정류부(110)는, 단상 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전원을 컨버터(120) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이와 같이, 컨버터(120)는 정류부(110)에서 정류된 전압을 승압 및 평활하는 과정에서 역률 개선 동작을 행할 수 있다.
이러한 컨버터(120)는, 정류부(110)에 연결되는 인덕터(L1), 이 인덕터(L1)에 연결되는 스위칭 소자(Q1), 이러한 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 연결되는 캐패시터(C), 및 스위칭 소자(Q1)와 캐패시터(C) 사이에 연결되는 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
승압 컨버터(120)는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻을 수 있는 컨버터로서, 스위칭 소자(Q1)가 도통되면 다이오드(D1)가 차단되면서 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, 캐패시터(C)에 저장되어 있던 전하가 방전하면서 출력단에 출력전압을 발생시킨다.
또한, 스위칭 소자(Q1)가 차단되면 스위칭 소자(Q1) 도통 시 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지가 더해져서 출력단으로 전달된다.
여기서, 스위칭 소자(Q1)는 별도의 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 즉, 컨버터 제어부(130)에서 전달되는 PWM 신호가 스위칭 소자(Q1)의 베이스(base; 또는 게이트) 단에 연결되어, 이 PWM 신호에 의하여 스위칭 동작을 할 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
IGBT는 전력 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)과 바이폴라 트랜지스터(bipolar transitor)의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자로서, 구동전력이 작고, 고속 스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 소자이다.
이와 같이, 컨버터 제어부(130)는 컨버터(120) 내의 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 타이밍을 위한 컨버터 제어 신호(Sc)를 출력할 수 있다.
이를 위해, 컨버터 제어부(130)는 입력 전압 검출부(A)와 입력 전류 검출부(B)로부터 각각, 입력 전압(Vs)과, 입력 전류(Is)를 수신할 수 있다.
경우에 따라, 이러한 컨버터(120) 및 컨버터 제어부(130)는 생략될 수 있다. 즉, 정류부(110)를 거친 출력 전압이 DC단 커패시터(C)에 충전되거나 인버터(140)를 구동할 수 있다.
입력 전압 검출부(A)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(110) 전단에 위치할 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, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해, 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 검출부(D)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전류 검출부(D)는 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current transformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 컨버터 제어 신호(Sc)의 생성을 위해 컨버터 제어부(130)에 인가될 수 있다.
DC 전압 검출부(B)는 DC단 커패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC단 커패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC단 커패시터(C)의 직류 전압(Vdc)에 기초하여 인버터 제어신호(Si)가 생성될 수 있다.
한편, 도면과 달리, 검출되는 DC 전압은, 컨버터 제어부(130)에 인가되어, 컨버터 제어신호(Sc)의 생성에 사용될 수도 있다.
인버터(140)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하암 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(120)와 마찬가지로, 인버터의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
인버터 제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어신호(Si)를 인버터(140)에 출력할 수 있다. 인버터 제어신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC단 커패시터(C) 양단인 DC단 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC단 전압(Vdc)은 DC단 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(200)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(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3에서 도시하는 바와 같은 스위칭 소자(Q1)는 전력 변환 장치에 사용되는 직류-직류 컨버터(DC-DC converter; 120; 도 1 및 도 2 참고) 및 인버터(140; 도 1 및 도 2 참고)에 이용될 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는 전압 레벨(오프셋 전압)을 조절하는 레벨 조절부(134)를 통하여 컨버터 제어부(130) 또는 인버터 제어부(150)를 구현하는 드라이버 IC에 연결될 수 있다. 이하, 드라이버 IC는 컨버터 제어부(130)를 이루는 예를 들어 설명한다.
이와 같은 드라이버 IC(130)는 스위칭 소자(Q1)를 보호하는 보호 회로 기능을 포함할 수 있다. 구체적으로, 이러한 보호 회로 기능은 해당 보호 회로 기능의 입력 핀(Desat 단 또는 Desat 핀이라 칭한다)에 일정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우에 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작을 멈추는 디세츄레이션(Desaturation) 기능일 수 있다.
이러한 Desat 단에는 전류원(Isource)을 포함하는 보호 회로(131)와, 비교기(132) 및 보호 회로 로직(133)이 연결된다.
보호 회로(131)는 전류원(Isource)과 입력 저항(Rin) 및 전류원의 전류 흐름 방향을 스위칭하는 스위치 소자(MosFET)를 포함할 수 있다.
비교기(132)는 일정 전압 레벨, 예를 들어, 9 V로 설정되어, Desat 단에 9 V 이상의 전압이 인가되는 경우에는 보호 기능이 동작한다.
이러한 과전류 보호 회로(131)인 Desat 회로는 스위치 소자(MosFET)를 작동하여 전류원의 전류가 스위칭 소자(Q1)가 오프(off) 상태에서는 'a'와 같은 방향으로 흐르고 스위칭 소자(Q1)가 온(On) 상태에서는 'b'와 같은 방향으로 흐르도록 동작한다.
이와 같은 'b' 방향으로 흐르는 전류는 스위칭 소자(Q1)에 인가되어 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터-에미터(collector-emitter) 단의 전압(Vce; 포화 전압이라 한다)을 검출할 수 있게 한다.
따라서, 이와 같은 전압 검출 과정에서 스위칭 소자(Q1)에 과전압이 걸리는 것을 검출하게 되면, 레벨 조절부(134)를 통하여 일정 전압(9 V) 이상의 전압이 드라이버 IC(130)의 Desat 단으로 인가된다. 이로 인해 스위칭 소자(Q1)의 스위칭이 멈추게 되어 스위칭 소자(Q1)를 과전류로부터 보호할 수 있는 것이다.
Desat 단으로 인가되는 전압은 먼저 드라이버 IC(130)와 레벨 조절부(134) 사이에 연결된 캐패시터(CBlank)에 충전된 후에 레벨 조절부(134)를 통하여 드라이버 IC(130)에 인가될 수 있도록 한다. 이로 인해 보호 회로의 오동작을 방지할 수 있다.
이러한 레벨 조절부(134)는, 전압을 강하시키기 위한 저항(RDESAT), 신호의 레벨을 결정하는 제너 다이오드(ZDESAT) 및 저항과 제너 다이오드 사이에 위치하는 역류 방지 다이오드(DDESAT)를 포함할 수 있다.
또한, 드라이버 IC(130)와 레벨 조절부(134) 사이에 연결된 제너 다이오드(Dz)는 드라이버 IC(130)에 과도한 전압이 인가되는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다.
이와 같은 스위칭 소자(Q1)의 Vce 포화 전압을 감지하여 보호 회로(131) 기능을 이용하는 경우에, 쇼트와 같은 상황에 대해서는 스위칭 소자(Q1)를 충분히 보호할 수 있다.
그러나, 도 4에서 도시하는 바와 같이, Vce 포화 전압은 전류와의 관계에 있어서 온도에 따른 큰 편차를 보인다. 즉, Vce 포화 전압은 스위칭 소자(Q1)의 접합부 온도, 베이스(게이트) 전압 등에 영향을 받는다.
도 4를 참조하면, 온도가 25℃인 경우에 Vce 전압이 2.5 V일 때, 전류는 40 A 정도이나, 온도가 150 ℃인 경우에는 Vce 전압이 2.5 V일 때 전류가 60 A 이상으로 상승함을 알 수 있다.
따라서, 이와 같은 Vce 포화 전압의 편차에 의하여 보호 회로(131)의 기능이 작동함에 있어서 오차 범위가 클 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 5에서 도시하는 바와 같은 스위칭 소자(Q1)는 전력 변환 장치에 사용되는 직류-직류 컨버터(120) 및 인버터(140)에 이용될 수 있다.
이러한 스위칭 소자(Q1)는 전압 레벨(오프셋 전압)을 조절하는 레벨 조절부(330)를 통하여 컨버터 제어부(130) 또는 인버터 제어부(150)를 구현하는 드라이버 IC에 연결될 수 있다. 이하, 드라이버 IC는 컨버터 제어부(130)를 이루는 예를 들어 설명한다.
또한, 도 3과 공통되는 부분에는 동일한 설명이 적용될 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 스위칭 소자(Q1)에는 이 스위칭 소자(Q1)에 과전류가 흐르는 경우에 보호 회로 기능이 작동하도록 하는 소자 보호부(300)가 연결된다.
위에서 설명한 바와 같이, 이러한 보호 회로 기능은 해당 보호 회로 기능의 입력 핀(Desat 단)에 일정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우에 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작을 멈추는 디세츄레이션(Desaturation) 기능일 수 있다.
이러한 소자 보호부(300)는 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부(310) 및 이 전류 감지부(310)를 통하여 감지된 전압 값을 기준 전압 값과 비교하며 보호 회로 기능의 입력 핀(Desat 단)에 연결되는 비교기(320)를 포함할 수 있다.
이러한 소자 보호부(300)에 의하여, 스위칭 소자(Q1)에 과전류가 흐르는 경우에 보호 회로 기능의 입력 핀(Desat 단)에 신호가 인가되어 보호 회로 기능이 작동할 수 있다.
이때, 전류 감지부(310)는, 스위칭 소자(Q)의 에미터 단 또는 소스 단에 연결되는 션트 저항(Rs)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 전류 감지부(310)에 의하여 감지된 전압은 비교기(320)로 입력되고, 이 비교기(320)는 OP Amp(321)과, 과전류 판단을 위한 전압을 설정하는 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 포함할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 비교기(320)의 출력 전압은 전압 레벨(오프셋 전압)을 조절하는 레벨 조절부(330)를 통하여 드라이버 IC(130)의 Desat 단에 인가될 수 있다.
도 5에서, 일례로서, 션트 저항(Rs)은 10 mΩ의 저항값을 가지며, 예를 들어, 30 A의 전류가 감지된다면, 오옴의 법칙에 의하여 0.3 V의 전압이 감지될 수 있다.
여기서 통상 사용되는 비교기(320)는 하이(high) 신호일 때, 즉, 과전류가 감지된 경우, 5 V의 출력값을 가질 수 있으며, Desat 단에는 9 V 이상의 전압이 입력되는 경우에 보호 회로가 작동할 수 있으므로, 이 사이의 오프셋 전압을 보상하기 위한 레벨 조절부(330)가 연결될 수 있다. 이러한 오프셋 전압은 예를 들어, 5.5 V로 설정될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 이러한 레벨 조절부(330)는, 전압을 강하시키기 위한 저항(RDESAT), 신호의 레벨을 결정하는 제너 다이오드(ZDESAT) 및 저항과 제너 다이오드 사이에 위치하는 역류 방지 다이오드(DDESAT)를 포함할 수 있다.
또한, 드라이버 IC(130)와 레벨 조절부(330) 사이에 연결된 제너 다이오드(Dz)는 드라이버 IC(130)에 과도한 전압이 인가되는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다. 그리고 캐패시터(CBlank)는 순간적인 노이즈 등으로 인하여 보호 회로가 작동하지 않도록 하여 보호 회로의 오동작을 방지할 수 있다.
한편, 비교기(320)는 하이(high) 신호일 때 9 V 이상의 전압이 출력된다면 레벨 조절부(330)는 생략될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 의한 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 6개의 IGBT(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 이용하며 모터(200)를 구동하기 위한 인버터 장치(150)에 소자 보호부(300)가 구비된 상태를 나타내고 있다.
이와 같이, 다수의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc') 및 이러한 다수의 스위칭 소자를 구동하는 다수의 드라이버 IC(151, 152, 153, 154, 155, 156)가 설치된 상태에서도 하나의 소자 보호부(300)를 설치할 수 있다.
즉, 소자 보호부(300)는, 다수의 드라이버 IC(151, 152, 153, 154, 155, 156)의 각 보호 회로 기능의 입력 핀(Desat pin)에 공통으로 연결될 수 있다.
이때, 위에서 설명한 바와 같이, 각 드라이버 IC(151, 152, 153, 154, 155, 156)의 보호 회로 기능의 입력 핀(Desat pin)과 소자 보호부(300) 사이에는 레벨 조절부(330)가 구비될 수 있고, 비교기(320)의 출력 전압에 따라 이러한 레벨 조절부(330)는 생략될 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6에서 도시하는 회로에서 작동하는 보호 기능의 동작을 예를 들어 설명한다.
일례로, 30 A 이상의 전류가 흐르면 과전류로 판단하는 상황을 가정하여 설명한다.
션트 저항(Rs)을 통해 이러한 과전류에 해당하는 30 A가 흐를 경우, 션트 저항(Rs) 양단의 전압은 오옴의 법칙에 의하여 0.3 V가 된다.
비교기(320)의 과전류 판단을 위한 전압은 R1(2.4KΩ)과 R2(6.2KΩ)에 의하여 전압 분배되어 3.6 V로 설정되어 있다.
이때, 비교기(320)에 입력된 0.3 V는 OP Amp(321)에서 3.6 V로 증폭되어 과전류 판단을 위한 판단 전압과 비교되어, 비교기(320)에서 5 V의 전압이 출력된다.
이 비교기(320)의 출력 전압(5 V)은 레벨 조절부(330)의 오프셋 전압(5.5 V)과의 합으로 Desat pin에 인가되어 보호 회로가 동작하게 된다.
도 6의 경우에는 어느 하나의 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 경우에 과전류가 흐른 해당 드라이버 IC에서만 보호 동작이 수행될 수 있다.
만일, 도 6과 같이, 소자 보호부(300)를 구성하지 않으면 다수의 스위칭 소자를 이용하는 경우에 모든 스위칭 소자를 보호할 수 없거나, 스위치 또는 추가적인 회로를 구성하여 나머지 스위칭 소자를 보호하는 경우에는 보호 동작의 시간 차이로 인하여 스위칭 소자의 소손의 우려가 있다.
그러나, 본 발명에 의하면 접합부 온도, 게이트(베이스) 전압 등에 의하여 발생하는 Vce 전압의 편차에 관계없이, 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 실제 전류를 감지하여 스위칭 소자 보호의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 위에서 설명한 바와 같이, 여러 개의 스위칭 소자가 구비된, 예를 들어, 6개의 스위칭 소자가 구비된 인버터 장치의 경우에 개별 스위칭 소자를 효과적으로 보호할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 과전류로부터 스위칭 소자(Q1)를 충분히 보호할 수 있고, 이로 인한 모터의 소손(감자, 열화, 등)을 방지할 수 있는 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 전력 변환 장치 110: 정류부
120: 컨버터 130: 컨버터 제어부
140: 인버터 150: 인버터 제어부
200: 모터 300: 소자 보호부
310: 전류 감지부 320: 비교기
330: 레벨 조절부

Claims (10)

  1. 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 스위칭 소자를 구동하며 상기 스위칭 소자를 보호하는 보호 회로 기능을 포함하는 드라이버 IC; 및
    상기 스위칭 소자에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지부 및 상기 전류 감지부를 통하여 감지된 전압 값을 기준 전압 값과 비교하며 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 연결되는 비교기를 포함하여, 상기 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 경우에 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 신호가 인가되어 상기 보호 회로 기능이 작동하도록 하는 소자 보호부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 감지부는, 상기 스위칭 소자의 에미터 단 또는 소스 단에 연결되는 션트 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소자 보호부는,
    상기 비교기와 상기 보호 회로 기능의 입력 핀 사이에는 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 인가되는 신호의 레벨을 조절하는 레벨 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 레벨 조절부는,
    전압을 강하시키기 위한 저항;
    상기 신호의 레벨을 결정하는 제너 다이오드; 및
    상기 저항과 제너 다이오드 사이에 위치하는 역류 방지 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는,
    모터를 구동하는 인버터 장치에 구비되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 인버터 장치는,
    다수의 스위칭 소자; 및
    상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 다수의 드라이버 IC를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 소자 보호부는, 상기 다수의 드라이버 IC의 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는, 교류 전원에 연결되어 역률을 조절하기 위한 직류-직류 컨버터에 구비되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 보호 회로 기능은, 상기 보호 회로 기능의 입력 핀에 일정 전압 이상이 인가되는 경우에 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 멈추는 Desaturation 기능인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
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