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KR102350484B1 - 모터 구동 장치, 이를 포함하는 공기조화기 및 그의 제어방법 - Google Patents

모터 구동 장치, 이를 포함하는 공기조화기 및 그의 제어방법 Download PDF

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KR102350484B1
KR102350484B1 KR1020140169832A KR20140169832A KR102350484B1 KR 102350484 B1 KR102350484 B1 KR 102350484B1 KR 1020140169832 A KR1020140169832 A KR 1020140169832A KR 20140169832 A KR20140169832 A KR 20140169832A KR 102350484 B1 KR102350484 B1 KR 102350484B1
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이병국
김민국
김선진
박현수
우동균
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삼성전자주식회사
성균관대학교 산학협력단
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Abstract

모터 구동 장치가 개시된다. 본 모터 구동 장치는, 교류 전원을 직류로 정류하여 입력 전압을 출력하는 정류부, 입력 전압을 컨버팅하기 위한 복수의 스위치를 포함하고, 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖는 제1 벅-부스트 컨버터, 제1 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 전달하는 인버터 및 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압과 입력 전압의 크기를 비교하여기 제1 벅-부스트 컨버터를 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록기 복수의 스위치 중 어느 하나만을 스위칭하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

모터 구동 장치, 이를 포함하는 공기조화기 및 그의 제어방법{MOTER DRIVING APPARATUS, AIRCONDITIONER HAVING THE SAME AND CONTROL METHOD THEREOF}
모터 구동 장치, 이를 포함하는 공기조화기 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 부하에 따라 전력 변환 모드를 달리하여 넓은 부하 영역에서 전력 변환 효율을 개선하는 모터 구동 장치, 이를 포함하는 공기조화기 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
전기 모터(이하, 모터로만 지칭함)는 다양한 산업 분야에서 전기/전자 장치의 동력을 발생하는 수단으로서 널리 사용되고 있으며, 더불어, 환경 친화적인 제품의 구현 및 각 제조사의 경쟁력의 지표로서 소비 전력을 절감하려는 노력이 이루어 지고 있다.
종래에는, 모터를 구동하기 위한 모터 구동 장치는 부스트 컨버터를 채용하였다.
이러한, 종래의 부스트 컨버터를 이용한 모터 구동 장치는 전부하 영역에서 부스트 컨버터가 출력하는 직류 링크 전압을 일정하게 제어하므로 시스템 설계 및 제어가 간단한 장점이 있지만, 저속 구간에서 토크(torque)의 리플(ripple) 및 속도 리플이 크게 나타나고, 고속 구간에서는 큰 모터의 역기전력(Back-EMF)으로 인해 약계자 제어(weak-field control)를 적용하지 않게 되면 일정 속도 이상 제어가 불가능하다는 단점이 동시에 존재하였다.
종래의 모터를 구동하기 위한 다른 모터 구동 장치는 직렬형 벅-부스트 컨버터를 채용하였다.
벅-부스트 컨버터를 이용한 모터 구동 장치는 모터의 회전 속도에 따라 벅-부스트 컨버터에 포함된 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 직류 링크 전압을 가변하고, 가변되는 직류 링크 전압과 인버터의 스위칭 패턴의 제어에 의해 모터의 회전 속도를 제어할 수 있게 된다. 승압과 강압이 가능한 벅-부스트 컨버터는 넓은 부하 범위가 요구되는 DC-link 전압 가변형 인버터 시스템에 적용이 가능하다. 즉, 모터가 저속으로 구동하는 구간에서는 직류 링크 전압을 낮춰서 모터의 구동 성능을 개선할 수 있고, 고속 회전 구간에서는 모터의 역기전력보다 높은 직류 링크 전압으로 승압하여 약계자 영역에서 추가적인 약계자 운전 알고리즘 없이도 모터의 제어가 가능하다는 장점이 있었다.
한편, 종래에 벅-부스트 컨버터를 채용한 모터 구동 장치는 벅 부스트 컨버터가 입력 전압을 컨버팅 하는 두 가지 제어 방식으로서 부스트 제어와 벅-부스트 동기 제어를 사용하였다. 두 가지 부스트 제어와 벅-부스트 동기 제어 중 제어 방식의 결정은 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력전압의 최대치 Boundary를 기준으로, 그 이하의 범위에서 직류 링크 전압을 가변하고자 하는 경우에 벅-부스트 동기 제어를 사용하고, 그 이상의 범위에서 직류 링크 전압을 가변하고자 하는 경우에 부스트 제어를 사용하였다.
보다 구체적으로 부스트 제어는 입력 전압을 승압하는 스위치를 온 상태로 유지하고 다른 스위치를 스위칭하여 입력 전압을 승압하는 부스트 제어를 수행하였다. 그리고, 두 스위치2를 동시에 스위칭하는 PWM 제어신호를 이용하여 듀티 비에 따라 입력 전압을 강압시켰다.
모터가 저속으로 구동하는 부하가 낮은 영역에서는 인버터에 입력되는 직류 링크 전압을 낮추면 인버터에 포함된 스위치들의 각 스위칭 전압이 낮아져서 스위칭 손실이 감소하므로, 인버터 자체의 인버팅 효율은 증가하지만, 벅-부스트 동기 제어 방식의 경우에는 스위치 2개를 동시에 On/Off 하므로 스위칭 손실이 증가하였다. 또한, 입력 전류가 항상 불연속이므로 역률 및 THD(Total Harmonic Distortion) 성능이 낮았다. 결국, 벅-부스트 컨버터를 통해 입력전압을 강압하는 경부하(light load) 영역에서, 인버터 및 모터의 효율은 증가시킬 수 있었으나, 모터 구동 장치 전체의 시스템 효율은 개선되지 않았다.
공개특허공보 제10-2004-0020760호(공개일자 2004.03.09)
본 발명은 상술한 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 부하에 따라 전력 변환 모드를 달리하여 넓은 부하 영역에서 전력 변환 효율을 개선하는 모터 구동 장치, 그 제어 방법 및 공기조화기에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 교류 전원을 직류로 정류하여 입력 전압을 출력하는 정류부, 상기 입력 전압을 컨버팅하기 위한 복수의 스위치를 포함하고, 상기 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖는 제1 벅-부스트 컨버터, 상기 제1 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 전달하는 인버터 및 상기 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압과 상기 입력 전압의 크기를 비교하여 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 상기 복수의 스위치 중 어느 하나만을 스위칭하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
이 경우, 상기 제어부는, 시간에 따라 가변하는 상기 입력 전압의 순시값과 상기 희망 직류 링크 전압과의 크기를 비교하여, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 크면, 상기 벅-부스트 컨버터를 벅 모드로 동작하도록 제어하고, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 상기 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드로 동작하도록 제어할 때, 상기 복수의 스위치 중 하나의 스위치만 스위칭하고, 나머지 스위치는 오프(off)되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 모터 구동 장치는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터와 병렬 연결된 제2 벅 부스트 컨버터를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는, 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터 중 어느 하나를 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 제어하고, 다른 하나는 컨버팅 동작을 수행하지 않는 유휴(idle) 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값에 대응하여 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터의 동작을 히스테리시스(hysteresis)하게 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 모터가 갖는 복수의 구동 속도 및 상기 복수의 구동 속도 각각에 대응되는 직류 링크 전압의 값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여, 상기 모터의 구동 속도를 포함하는 상기 수신된 모터 정보에 따라 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 제어하여 상기 직류 링크 전압을 가변할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 벅-부스트 컨버터는, 상기 입력 전압을 강압하는 제1 스위치 및 상기 입력 전압을 승압하는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터의 벅 모드로 동작시에, 상기 제2 스위치를 오프 상태로 유지하고, 상기 제1 스위치가 스위칭되도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 모터 정보는, 상기 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력 전류의 전류량, 상기 모터가 구동하는 각속도, 상기 모터의 위상 및 상기 모터와 연결된 다이너모(dynamo)의 회전에 의해 생성된 전류량을 적어도 하나 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 정류부, 제1 벅-부스트 컨버터 및 인버터를 포함하는 모터 구동 장치의 제어방법에 있어서, 상기 정류부는, 교류 전원을 직류로 정류하여 입력 전압을 출력하고, 상기 제1 벅-부스트 컨버터는, 상기 입력 전압을 컨버팅하기 위한 복수의 스위치를 포함하고, 상기 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖고, 상기 인버터는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 전달하며, 상기 제어방법은, 상기 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하는 단계 및 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압과 상기 입력 전압의 크기를 비교하여 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 상기 복수의 스위치 중 어느 하나만을 스위칭하도록 제어하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 제어하는 단계는, 시간에 따라 가변하는 상기 입력 전압의 순시값과 상기 희망 직류 링크 전압과의 크기를 비교하여, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 크면, 상기 벅-부스트 컨버터를 벅 모드로 동작하도록 제어하고, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 상기 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 제어하는 단계는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드로 동작하도록 제어할 때, 상기 복수의 스위치 중 하나의 스위치만 스위칭하고, 나머지 스위치는 오프(off)되도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 모터 구동 장치는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터와 병렬 연결된 제2 벅 부스트 컨버터를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제어하는 단계는, 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어하는 단계는, 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터 중 어느 하나를 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 제어하고, 다른 하나는 컨버팅 동작을 수행하지 않는 유휴(idle) 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어하는 단계는, 상기 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값에 대응하여 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터의 동작을 히스테리시스(hysteresis)하게 제어할 수 있다.
한편, 상기 모터가 갖는 복수의 구동 속도 및 상기 복수의 구동 속도 각각에 대응되는 직류 링크 전압의 값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여, 상기 모터의 구동 속도를 포함하는 상기 수신된 모터 정보에 따라 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 제어하여 상기 직류 링크 전압을 가변할 수 있다.
한편, 상기 제1 벅-부스트 컨버터는, 상기 입력 전압을 강압하는 제1 스위치 및 상기 입력 전압을 승압하는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제어하는 단계는, 상기 제1 벅-부스트 컨버터의 벅 모드로 동작시에, 상기 제2 스위치를 오프 상태로 유지하고, 상기 제1 스위치가 스위칭되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터를 이용하여, 흡입한 냉매를 압축시켜 토출하는 압축기를 포함하는 공기조화기는, 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류부, 상기 정류된 직류 전압을 평활하는 평활부, 상기 평활된 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖는 벅-부스트 컨버터, 상기 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 모터에 전달하는 인버터 및 실내 온도와 사용자가 입력한 희망 온도와의 온도차에 따라 상기 모터의 구동 속도를 가변하고, 상기 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 상기 수신된 모터 정보에 따라 상기 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드, 부스트 모드 중 어느 하나로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 포함하는 공기조화기의 구성을 나타내는 블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도,
도 4는 도 3의 직류 링크 전압을 가변하는 제어를 설명하기 위한 그래프,
도 5 내지 도 6은 인버터의 효율을 설명하기 위한 그래프,
도 7은 모터의 효율을 설명하기 위한 그래프,
도 8은 도 6의 모터 구동 장치를 제어하기 위한 제어 신호 및 입출력 신호를 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 블록도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성을 나타내는 블럭도,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 제어할 제어신호의 상의 개수를 설명하기 위한 그래프,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 제어할 제어신호의 상의 개수를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도,
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 그래프, 그리고,
도 17은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치를 포함하는 공기조화기의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 공기조화기(90)는 입력필터(2), 정류부(3), 평활부(4), 모터 구동 장치(50), 압축기(11), 실내 열 교환기(12), 실내 팬 구동부(13), 사용자 입력 수신부(9), 실내 온도 감지부(10)를 포함한다. 그리고, 모터 구동 장치(50)는 PFC부(5), 인버터(6) 및 제어부(8)를 포함한다. 그리고, 압축기(11)는 모터(7)를 포함한다.
공기 조화기(90)는 외부로부터 AC 전원(1)을 입력 받는다. AC 전원은 가정으로 공급되는 상용의 교류 신호일 수 있다.
입력필터(2)는 외부로부터 입력된 교류의 전원에 포함된 노이즈를 제거하거나 내부 회로를 보호한다. 입력필터(2)는 인덕터와 커패시터로 구성된 회로일 수 있다.
정류부(3)는 입력된 교류신호를 직류로 정류한다. 정류부(3)는 반파 또는 전파 정류 회로일 수 있으며, 복수의 스위치 또는 다이오드로 구성될 수 있다.
평활부(4)는 정류된 교류신호를 평활한다. 구체적으로, 평활부(4)는 커패시터로 구성될 수 있으며, 시간에 대한 전압의 변화량을 지연시킬 수 있다.
압축기(11)는 냉매를 압축한다. 구체적으로, 압축기(11)는 실내 온도에 대응하는 고온 저압의 냉매를 고온 고압으로 압축하여 공기조화기의 냉매사이클에 따라 실외로 전달할 수 있다.
압축기(11)에 포함된 모터(7)는 전기적 에너지를 동적 에너지로 전환한다. 구체적으로, 모터(7)는 회전 동력을 이용하여 압축기로 입력된 냉매를 압축할 수 있다.
실내 열 교환기(12)는 실내의 열을 흡수한다. 구체적으로, 저온의 냉매가 실내 열 교환기(12)에서 실내의 열을 흡수하여 팽창할 수 있다.
실내 팬 구동부(13)는 공기의 유로를 따라 실내 공기가 실내 열 교환기를 거칠 수 있도록 한다. 구체적으로, 실내 팬 구동부(13)는 팬을 구동시켜 바람을 형성하고, 실내 공기가 실내 열 교환기(12)를 거쳐 열을 빼앗기도록 할 수 있다.
사용자 입력 수신부(9)는 사용자가 공기 조화기(90)를 동작하는 명령을 수신한다. 구체적으로 사용자 입력 수신부(9)는 전원을 켜는 입력, 타이머 입력 및 희망 온도 조절 입력이 될 수 있다. 그리고 사용자 입력 수신부(9)는 물리적 버튼을 구비할 수 있으며, 또는 적외선을 이용한 원격 제어 장치에서 송신된 명령 신호를 수신할 수 있다.
실내 온도 감지부(10)는 실내 온도를 감지한다.
모터 구동 장치(50)는 모터를 구동하기 위한 전력 변환을 한다. 구체적인 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기는, 환경에 따라 가변하는 실내 온도와 사용자 입력에 의해 원하는 희망 온도 차에 따라 압축기의 모터가 요구되는 부하량이 시간 및 사용자의 선호도에 따라 달라질 수 있으며, 공기 조화기의 경우 실내온도를 유지하는데 장시간 구동시키는 경우가 빈번한 점에서, 넓은 부하 범위에서 압축기의 모터를 구동시키기 위한 전력 변환 효율을 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(200)는 정류부(210), PFC부(220), 인버터(230) 및 제어부(240)를 포함한다. 그리고 PFC부(220)는 제1 벅-부스트 컨버터(221)를 포함한다.
정류부(210)는 교류 전압을 직류로 정류한다. 구체적으로, 정류부(210)는 일정한 주기로 방향이 전환되는 교류 신호의 전압을 한 방향의 직류 전압으로 정류할 수 있다. 여기서, 정류부(210)는 반파 또는 전파 정류 회로일 수 있다.
여기서, 정류부(210)에서 출력된 정류 전압은 평활부(미도시)를 거쳐 시간에 따라 가변하는 맥동(ripple)신호를 평활하도록 할 수 있다.
PFC부(220)는 입력된 직류 전압을 변환한다. 구체적으로, PFC부(220)는 정류부(210)에서 정류된 직류 전압을 입력받아 컨버팅 동작을 통해 입력된 직류 전압의 크기를 변환할 수 있다. 나아가 PFC부(220)는 입력된 입력 전압 및 입력 전류의 어긋난 위상을 동상으로 조절하여 무효전력(reactive power)에 의한 손실을 줄일 수 있다. 즉, PFC부(220)는 능동 PFC(Active Power Factor Correction) 제어를 통해 모터 구동 장치(200)의 역률(power factor)을 개선할 수 있다.
PFC부(220)는 제1 벅-부스트 컨버터(221)를 포함할 수 있다. 구체적으로, PFC부(220)는 직류의 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드 및 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖는 제1 벅-부스트 컨버터(221)를 포함할 수 있다.
도 2의 실시예에 따른 PFC부(220)에는 직접 연결형 제1 벅-부스트 컨버터(221)가 포함되는 것으로 설명하였지만 구현시에 PFC부(220)는 전압을 가변할 수 있고 전류와의 위상을 조절하여 역률을 개선시킬 수 있는 다른 토폴로지의 전압 컨버터가 포함될 수 있다.
제1 벅-부스트 컨버터(221)는 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 그리고, 벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 복수의 스위치는 제어부(240)의 제어 신호에 의한 ON/OFF 스위칭 동작을 할 수 있다.
인버터(230)는 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환한다. 구체적으로, 인버터(230)는 PFC부(220)에 포함된 제1 벅-부스트 컨버터(221)의 스위칭 동작에 의해 가변된 직류 링크 전압을 복수의 스위치의 스위칭 동작에 의해 모터를 구동하는 교류 신호로 변환할 수 있다.
인버터(230)는 입력받은 직류로부터 원하는 크기의 전압 및 주파수를 갖는 교류를 생성하도록 인버터(230)에 포함된 복수의 스위치를 스위칭하는 제어 신호를 제어부(240)로부터 수신할 수 있다.
인버터(230)는 통상의 전압형 인버터 회로 또는 전류형 인버터 회로가 사용될 수 있다.
제어부(240)는 모터 구동 장치(200)의 각 구성들을 제어한다. 구체적으로, 제어부(240)는 모터(7)의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 수신된 모터 정보에 따라 PFC부(220)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(240)는 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압을 출력하도록, PFC부(220)가 출력하는 직류 링크 전압을 가변하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 직류 링크 전압은 제어부(240)가 PFC부(220)에 포함된 제1 벅-부스트 컨버터(221)의 동작 모드를 제어하는 제어신호에 의해 가변될 수 있다.
여기서, 희망 직류 링크 전압이란, 모터의 구동에 요구되는 직류 링크 전압을 말한다. 예를 들어, 공기조화장치에 있어서, 급속냉방이 필요한 경우, 모터에 큰 부하가 작용하고 이를 소화하기 위해, 모터(7)의 동력원으로서 필요한 인버터(230)로 입력되는 직류 링크 전압을 말한다.
제어부(240)는 정류부(210)에서 출력된 입력 전압의 크기에 따라 제1 벅-부스트 컨버터(221)의 동작 모드를 제어한다. 구체적으로, 제어부(240)는 모터 구동 정보에 따른 희망 직류 링크 전압에 해당하는 직류 링크 전압을 PFC부(220)가 출력하도록 벅-부스트 컨버터(221)의 동작 모드를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는 시간에 따라 가변하는 입력 전압의 순시값(instantaneous value)이 희망 직류 링크 전압을 비교하여, 입력 전압의 순시값이 희망 직류 링크 전압보다 크면, 벅-부스트 컨버터(221)를 벅 모드로 동작하도록 제어하고, 순시값이 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 벅-부스트 컨버터(221)를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는 제1 벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 복수의 스위치를 on/off 스위칭하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제어부(240)는 복수의 벅-부스트 컨버터(221) 각각을 벅 모드, 부스트 모드 및 유휴 모드 중 어느 하나로 동작하도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(240)는 입력 전압을 강압하기 위하여 제1 벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치를 스위칭하는 PWM 신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(240)는 입력 전압을 승압하기 위하여 제1 벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치를 스위칭하는 PWM 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 제어부(240)는 입력 전압으로부터 승압 또는 강압하는 크기에 따라 벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 스위치들을 제어하기 위한 PWM 신호의 듀티비를 달리할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(240)는 벅-부스트 컨버터(221)를 벅 모드로 동작하도록 제어하기 위하여, 벅-부스트 컨버터(221)의 복수의 스위치 중 하나의 스위치만 스위칭하고, 나머지 스위치는 오프(off)되도록 제어할 수 있다.
그리고, 제어부(240)는 벅-부스트 컨버터(221)를 부스트 모드로 동작하도록 제어하기 위하여, 벅-부스트 컨버터(221)의 복수의 스위치 중, 벅 모드 동작시에 스위칭시킨 스위치와 상이한, 다른 하나의 스위치만 스위칭하고, 나머지 스위치는 온(on)되도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는 모터(7)가 갖는 복수의 구동 속도 및 복수의 구동 속도 각각에 대응되는 직류 링크 전압의 값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여, 모터(7)의 구동 속도를 포함하는 수신된 모터 정보에 따라 벅-부스트 컨버터(221)를 제어하여 상기 직류 링크 전압을 가변할 수 있다. 즉, 제어부(240)는 모터(7)의 구동 속도에 따라 최적의 효율로 모터(7)를 구동할 수 있는 직류 링크 전압을 매핑시킨 테이블을 이용하여 직류 링크 전압을 가변할 수 있다.
여기서, 제어부(240)가 수신하는 모터 정보는, 복수의 벅-부스트 컨버터(221)로 입력되는 입력 전류의 전류량, 모터(7)가 구동하는 각속도, 모터(7)의 위상 및 모터(7)와 연결된 다이너모(dynamo)의 회전에 의해 생성된 전류량을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(7)의 외부에 별도로 마련된 기설정된 주파수를 갖는 광센서가 모터의 회전속도를 감지하여 제어부(240)에 모터 회전 속도 정보를 전달할 수 있다. 그 외 모터 속도를 결정할 수 있는 요소로서 사용될 수 있는 다양한 정보들이 모터 정보에 포함될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부하량에 따른 인버터의 직류 링크 전압을 가변하여 인버터의 효율을 상승시키고 더불어, 복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드를 부하 및 입력 전압에 따라 각각 제어함으로써, 전부하 범위에서 모터 구동 장치의 전체 효율을 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 모터 구동 장치(200)의 회로는, AC 전원(1), 입력 필터(2), 정류부(210), 평활부(4), 벅-부스트 컨버터(221), 인버터(230), 모터(7) 및 제어부(240)를 포함한다.
AC 전원(1)은 교류 전압을 출력한다. 구체적으로 AC 전원(1)은 220Vrms 60Hz의 상용 교류 전원을 출력할 수 있다.
AC 전원(1)은 교류 신호의 전압 및 전류를 입력 필터(2)에 입력하고, 입력 필터(2)는 입력된 교류 신호의 노이즈나 AC 전원(1) 연결시에 발생할 수 있는 강한 피크 전력을 완화하여 모터 구동 장치(200)의 소자들을 보호할 수 있다. 구체적으로, 입력필터(2)는 노이즈를 제거하고 AC 전원(1)이 연결되면서 발생하는 펄스 신호에 의해 내부 회로가 망가지는 것을 회피할 수 있도록 설계될 수 있다. 입력필터(2)는 직렬 연결된 인덕터 또는 병렬 연결된 커패시터로 구성될 수 있다.
정류부(210)는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환할 수 있다. 구체적으로, 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성된 전파 정류 회로일 수 있다. 여기서, 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)는 각각 직렬 연결된 두 다이오드를 연결하는 노드에 교류 신호가 입력될 수 있다. 그리고, 직렬 연결된 두 다이오드가 병렬 연결되어 양 끝단으로 정류된 신호를 출력할 수 있다.
평활부(4)는 한 방향으로 정류된 직류신호를 평활하며, 병렬 연결된 제1 커패시터(C1)으로 구성될 수 있다. 본 평활부(4)는 병렬 연결된 제1 커패시터 하나로 구성되었으나, 직렬 또는 병렬 연결된 하나 또는 복수의 커패시터 및 인덕터 소자를 더 포함할 수 있다.
벅-부스트 컨버터(221)는 입력된 직류 전압을 두 개의 스위치(S1, S2)의 스위칭 동작에 의해 승압 또는 강압할 수 있다. 구체적으로, 벅-부스트 컨버터(221)는 제1 스위치 S1가 스위칭되고 제2 스위치 S2가 오프된 경우, 직류 전압을 강압하는 벅 모드로 동작할 수 있고, 제2 스위치 S2가 스위칭되고 제1 스위치 S1이 온되는 경우, 직류 전압을 승압하는 부스트 모드로 동작할 수 있다. 벅-부스트 컨버터(221)는 인버터(230)의 입력단에 병렬 연결된 제2 커패시터 C2로 입력된 직류 전압을 승압 또는 강압한 직류 링크 전압을 출력할 수 있다.
제1 벅-부스트 컨버터(221)는 컨버터로 입력되는 입력 전원에 직렬 연결된 제1 스위치 S1, 제1 인덕터 L1 및 제6 다이오드 D6와 제1 스위치와 제1 인덕터 연결 노드에 애노드가 연결된 제5 다이오드 그리고 제1 인덕터와 제6 다이오드를 연결하는 노드에 연결된 제2 스위치로 구성될 수 있다.
벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 복수의 스위치(S1, S2)는 모스펫(MOSFET) 전력용 반도체 스위치로 도시하였지만, JFET, IGBT 및 BJT가 이용될 수 있다.
인버터(230)는 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터(7)에 전달할 수 있다. 구체적으로, 인버터(330)는 직류 신호를 교류 신호로 변환하기 위한 6개의 스위치(S3, S4, S5, S6, S7, S8)를 포함하는 인버터 회로일 수 있다.
구체적으로 인버터(230)는 두 개의 스위치가 직렬 연결된 3개의 스위치 단이 직류 링크 전압단과 병렬 연결된 회로일 수 있다. 그리고, 각 스위치 단에 두 스위치를 직렬 연결하는 노드는 모터와 연결되어 모터의 3상 구동을 위한 전력 신호를 전달할 수 있다.
인버터(230)는 병렬 연결된 제2 커패시터 C2의 직류 링크 전압을 통해 인버팅을 수행하는 전압형 인버터 회로일 수 있으며, 한편으론 직렬 연결된 인덕터로부터 입력받은 직류 인덕터 전류를 통해 인버팅을 수행하는 전류형 인버터 회로일 수 있다. 도 3의 실시예에서는 인버터(230)는 6 스위치 인버터(6 switch intverter) 회로를 사용하였으나, 4개의 스위치로 구성될 수 있다.
도 3에서 인버터(230)는 전압형 인버터로서 제2 커패시터 C2로부터 직류 링크 전압을 입력받아 모터를 구동할 교류 신호로 인버팅을 수행하지만 전류형 인버터의 경우 직렬 연결된 인덕터와 6개 또는 4개의 사이리스터 스위치로 구성된 전류형 인버터일 수 있다.
제어부(240)는 벅-부스트 컨버터(221) 및 인버터(230)를 제어하기 위한 각종 정보들을 수신하여 그 정보에 대응하는 직류 링크 전압 및 모터 구동을 가변할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는 벅-부스트 컨버터(221)로 입력되는 입력 전압 Vin 및 입력 전류 Iin와 벅-부스트 컨버터(221)가 출력하는 직류 링크 전압의 아날로그 정보를 디지털 신호 정보로 수신할 수 있다. 그리고, 제어부(240)는 모터(7)에 인가되는 전류 및 모터(7)의 속도를 나타내는 아날로그 정보를 디지털 신호 정보로 수신할 수 있다. 위와 같은 제어부(240)가 수신하는 정보들은 모터 구동 회로(200) 외부에 구비된 각종 센서들로부터 감지된 정보들일 수 있다.
제어부(240)는 벅-부스트 컨버터(221)의 두 스위치(S1, S2)를 제어하기 위한 두 PWM 신호(PWM_S1, PWM_S2)를 생성할 수 있다. 그리고, 제어부(240)는 인버터의 여섯 스위치(S3, S4, S5, S6, S7, S8)를 제어하기 위한 6개의 PWM 신호(PWM_3, PWM_4, PWM_5, PWM_6, PWM_7, PWM_8)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는 입력 전류, 모터(7)의 속도, 직류 링크 전압에 기초하여 최적의 효율로 모터를 구동시킬 수 있는 직류 링크 전압 값을 산출할 수 있다. 그리고, 산출된 직류 링크 전압으로 가변하기 위하여 제어부(240)는 제1 벅-부스트 컨버터(221)의 스위치(S1, S2)를 제어하는 PWM 신호의 듀티 비 또는 온/오프 여부를 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(240)는 모터(7)의 회전 속도를 일정하게 유지하도록 인버터(230)의 스위치(S3, S4, S5, S6, S7, S8)의 듀티 비를 제어할 수 있다.
그리고, 제어부(240)는 산출된 직류 링크 전압으로 가변하기 위하여 제1 벅-부스트 컨버터(221)에 포함된 부스트 스위치 S1 또는 벅 스위치 S2 중 어느 하나만을 스위칭하도록 제어할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부하량에 따른 인버터의 직류 링크 전압을 가변하여 인버터의 효율을 상승시키고, 벅-부스트 컨버터의 승압 또는 강압시에 스위칭하는 스위치의 개수를 제한함으로써, 모터 구동 장치의 효율을 개선할 수 있다.
도 4는 직류 링크 전압을 가변하는 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 시간에 대하여 모터의 속도가 최대 속도까지 상승할 때, 입력 전압의 peak값과 모터 속도에 대응하여 최적의 효율로 인버터를 구동할 수 있는 직류 링크 전압값을 함께 도시하고 있다.
직류 링크 전압은 최소값(Min) 부터 최대값(Max)까지 가변될 수 있다. 그리고, 모터 속도에 따라 직류 링크 전압이 가변되는 시구간은 모터 속도를 가장 느리게 유지할 수 있는 직류 링크 전압 Min을 유지하는 모드 I 구간, 모터 속도의 상승에 따라 직류 링크 전압을 증가시키는 모드 II구간 그리고 모터의 최대 속도를 유지할 수 있는 직류 링크 전압 Max를 유지하는 제III구간으로 분류할 수 있다.
여기서, 직류 링크 전압과 입력전압 Peak값을 비교하였을 때, 시구간은 직류 링크 전압이 입력전압 Peak 값보다 작은 강압 영역과 직류 링크 전압이 입력전압 Peak 값보다 큰 승압 영역으로 구분될 수 있다.
이와 같이 모터 속도에 따른 직류 링크 전압과 입력전압의 최대 값의 비교를 통해 벅-부스트 컨버터가 입력전압을 강압하는 시간과 승압하는 시간을 구분할 수 있다.
도 5 내지 도 6은 인버터의 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 모터의 토크가 2Nm 및 4Nm인 경우, 상이한 직류 링크 전압 조건에서 모터의 속도에 따른 인버터의 효율을 함께 도시하고 있다.
구체적으로, 모터의 속도는 분당 회전수 rpm으로 나타내었으며, 인버터의 효율은 인버터로 입력되는 전력 대비 인버터가 교류신호로 인버팅하는 출력 전력의 백분율 %로 나타내었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모터의 토크가 2Nm로 동작할 때 270V, 300V, 330V, 380V 및 400V의 직류 링크 전압이 인버터에 입력되는 경우, 인버터의 효율은 직류 링크 전압이 낮을수록 모터의 모든 속도 범위에서 더 높다는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 모터의 토크가 4Nm로 동작할 때 270V, 300V, 330V 및 380V의 직류 링크 전압이 인버터에 입력되는 경우, 인버터의 효율은 직류 링크 전압이 낮을수록 모터의 속도가 낮은 경부하 영역에서는 더 높다는 것을 확인할 수 있다.
위와 같은 결과는 동일한 속도로 모터를 구동하는 부하조건에서는 인버터의 스위치에 흐르는 전류가 동일하기 때문에 직류 링크 전압이 낮을수록 스위칭 손실이 작아져 경부하 영역에서 인버터 효율이 상승되기 때문이다.
도 7은 모터의 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상이한 직류 링크 전압 조건에서 모터의 속도에 따른 모터의 효율을 함께 도시하고 있다.
구체적으로, 모터의 속도는 분당 회전수 rpm으로 나타내었으며, 모터의 효율은 인버터로 입력되는 전력 대비 모터가 출력하는 파워의 백분율 %로 나타내었다. 그리고, 직류 링크 전압의 크기는 270V, 300V 및 360V가 적용되었다.
도 7에 도시된 바와 같이 모터의 구동 효율에 있어서도, 모터는 동일한 부하조건에서는 동손이 동일하지만 철손이 직류 링크 전압에 비례하여 증가하기 때문에 모터의 속도가 낮은 경부하 영역에서는 직류 링크 전압이 낮을 수록 모터의 효율이 더 높다는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 도 2의 모터 구동 장치를 제어하기 위한 제어 신호 및 입출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 교류 전압이 직류로 정류되어 시간에 대해 완만히 상승하였다가 하강하는 곡선 형태로 전압이 가변하는 입력전압과 직류 링크 전압을 그래프에 함께 도시하고, 두 전압값을 비교하여 두 그래프가 교차하는 시점에서 제어 방식을 부스트 제어와 벅 제어로 달리하는 제어부의 제어신호를 전압 그래프 밑에 타이밍 그래프로 도시하고 있다.
입력전압 peak값이 직류 링크 전압 보다 큰 경우에는, 반 사이클의 시간 동안 가변하는 입력전압과 원하는 직류 링크 전압이 두 시점에서 교차한다.
직류 링크 전압보다 입력전압이 낮은 시구간에서 제어부는 부스트 제어를 적용하여 벅-부스트 컨버터가 부스트 모드로 동작하도록, 스위치 S1과 S2에 PWM 신호를 도시된 타이밍 그래프와 같이 생성할 수 있다.
반대로 직류 링크 전압보다 입력전압이 큰 시구간에서 제어부는 벅 제어를 적용하여 벅-부스트 컨버터가 벅 모드로 동작하도록, 스위치 S1과 S2에 PWM 신호를 도시된 타이밍 그래프와 같이 생성할 수 있다.
이 경우, 제어부는, 벅-부스트 컨버터가 입력전압을 승압한 직류 링크 전압을 출력할 수 있도록 하는 부스트 제어시, 스위치 S1을 온 시킨 상태에서, 스위치 S2 만을 스위칭하도록 PWM 제어신호를 생성하고, 벅-부스트 컨버터가 입력전압을 강압한 직류 링크 전압을 출력할 수 있도록 하는 벅 제어시에는, 스위치 S2를 오프시킨 상태에서, 스위치 S1 만을 스위칭하도록 PWM 제어신호를 생성할 수 있다.
입력전압 peak 값이 직류 링크 전압보다 작은 경우에는, 반 사이클의 가변하는 입력전압 전체에 대해 승압을 하여야 하므로, 제어부는 전 시구간에서 벅-부스트 컨버터가 부스트 모드로 동작하도록 제어한다.
이러한, 본 발명의 실시예에 따른 제어 방식을 통한 직류 링크 전압 및 입력 전압/전류의 그래프를 아래에 도시하고 있으며, 이는 종래에 벅-부스트 컨버터의 두 스위치를 동시에 스위칭한 벅-부스트 동기 제어방식에 따른 직류 링크 전압 및 입력 전압/전류의 파형과는 차이가 있음을 확인할 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 종래의 벅-부스트 동기 제어 방식과 구분하기 위해, 직류 링크 전압과 입력전압의 크기를 비교하여 벅 제어 또는 부스트 제어 중 하나를 적용하여 직류 링크 전압의 크기를 가변하는 방식을 벅 + 부스트 제어라 칭하기로 한다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 벅 + 부스트 제어 방식은 벅-부스트 컨버터에 포함된 복수의 스위치 중 일부만 스위칭하므로, 종래에 경부하 영역에서 직류 링크 전압으로 입력 전압을 강압하기 위해 벅-부스트 컨버터의 모든 스위치를 동시에 스위칭함에 따라 발생하였던 컨버터의 스위칭 손실을 경감할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 블록도이다.
도 9를 참조하면, 제어 블록도를 좌측과 우측으로 나눈 점선을 기준으로 구분하였을 때, 좌측은 변경하고자 하는 직류 링크 전압차를 계산하고, 입력 전압 Vin과 입력 전류Iin을 동상으로 맞추어 역률을 높이는 PFC 제어를 나타내는 블록이다. 그리고 오른쪽은 입력전압과 직류링크전압과의 비교한 결과를 통해 벅-부스트 컨버터에 포함된 두 스위치 (S1, S2)를 제어할 제어 신호 PWM_S1 및 PWM_S2를 결정하는 제어 블록이다.
수신된 모터 정보에 기초하여 본 제어 블록이 추종할 직류 링크 전압이 피드백 경로를 따라 입력된 현재 직류 링크 전압의 오차를 계산한다(905). 오차값은 PI 제어 블록(910)과 저대역 통과 필터(915)를 거쳐, 입력전압의 피크값 대비 입력전압의 비율과의 곱연산을 수행하고(925), 입력전류와의 오차를 산출한다(930).
오른쪽 제어 블록의 상단에서는, 입력전류 오차가 PI 제어 블록(935)을 통과하여 목적하는 전류 및 위상을 추종하고, 리미터(940)가 기설정된 상한과 하한의 범위로 제한하여 과도응답시 신호의 급격한 상승 또는 하강이 일어나는 트렌전트 문제를 방지하고, 입력된 직류의 신호와 삼각파 형태의 캐리어 신호(Carr)와의 크기 비교(945)를 통해 듀티비가 계산되어 나온 결과 신호와 직류 링크 전압과 입력 전압과 비교(950)한 결과를 논리 OR 연산(논립 합 연산)(955)함으로써, 제1 스위치를 제어할 PWM 신호를 결정한다.
오른쪽 제어 블록의 하단에서는, 입력전류 오차가 PI 제어 블록(960)을 통과하고, 기설정된 상한과 하한의 범위 내에서(965) 삼각파의 캐리어 신호(Carr)과 비교(970)를 통해 나온 결과 값과 직류 링크 전압과 입력 전압과 비교(975)한 결과를 논리 AND 연산(논리 곱 연산)(980)함으로써, 제2 스위치를 제어할 PWM 신호를 결정한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 모터 구동 장치의 제어 방법은, 먼저, 모터 정보를 수신한다(S1010). 구체적으로, 수신되는 모터 정보는 모터가 구동하는 속도 정보, 모터에 흐르는 전류량 등이 될 수 있다. 여기서, 센싱된 모터의 구동 속도는 모터 구동 장치의 부하를 결정하는 파라미터로서 사용될 수 있다. 그리고, 모터 정보는 센싱한 모터 구동 속도의 아날로그 정보를 디지털 신호 정보로 변환한 것일 수 있다. 또한, 모터 정보는 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력 전류의 전류량, 모터가 구동하는 각속도, 모터의 위상 및 모터와 연결된 다이너모(dynamo)의 회전에 의해 생성된 전류량을 적어도 하나 포함할 수 있다.
그리고, 벅-부스트 컨버터의 복수의 스위치 중 어느 한 스위치만 스위칭 하도록 제어한다(S1020).
이 경우, 제어하는 단계(S1020)는, 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력 전압이 수신된 모터 정보에 대응하는 희망 직류 링크 전압보다 크면, 벅-부스트 컨버터를 벅 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어하는 단계(S1020)는, 벅-부스트 컨버터로 입력 전압이 수신된 모터 정보에 대응하는 직류 링크 전압보다 작으면, 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어방법은 부하량에 따른 인버터의 직류 링크 전압을 가변하여 인버터의 효율을 상승시키고 더불어, 복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드를 부하 및 입력 전압에 따라 각각 제어함으로써, 전부하 범위에서 모터 구동 장치의 전체 효율을 개선할 수 있다.
이러한 모터 구동 장치의 제어 방법은 도 1에서 모터를 이용하여 흡입한 냉매를 압축시켜 토출하는 압축기를 포함하는 공기조화기에서, 압축기의 모터를 제어하는 모터 구동 장치(50)에 이용될 수 있다. 또한, 도 2의 모터 구동 장치에 이용될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어방법은, 다양한 유형의 기록 매체에 저장되어 CPU 등에 의해 실행되는 프로그램 코드에 의해 구현될 수도 있다.
구체적으로는, 상술한 방법들을 수행하기 위한 코드는, RAM(Random Access Memory), 플레시메모리, ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electronically Erasable and Programmable ROM), 레지스터, 하드디스크, 리무버블 디스크, 메모리 카드, USB 메모리, CD-ROM 등과 같이, 단말기에서 판독 가능한 다양한 유형의 기록 매체에 저장되어 있을 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 11을 참조하면, 모터 구동 장치(200')는 정류부(210), PFC부(220'), 인버터(230) 및 제어부(240')를 포함한다. 여기서, 정류부(210)와 인버터(230)의 동작 또는 기능은 도 2의 정류부(210)와 인버터(230)의 동작 또는 기능과 동일한바 구체적인 설명은 생략한다.
PFC부(220')는 입력된 직류 전압을 변환한다. 구체적으로, PFC부(220')는 정류부(210)에서 정류된 직류 전압을 입력받아 컨버팅 동작을 통해 입력된 직류 전압의 크기를 변환할 수 있다. 나아가 PFC부(220')는 입력된 입력 전압 및 입력 전류의 어긋난 위상을 동상으로 조절하여 무효전력(reactive power)에 의한 손실을 줄일 수 있다. 즉, PFC부(220')는 능동 PFC(Active Power Factor Correction) 제어를 통해 모터 구동 장치(200')의 역률(power factor)을 개선할 수 있다.
PFC부(220')는 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)를 포함할 수 있다. 구체적으로, PFC부(220')는 직류의 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드 및 컨버팅 동작을 수행하지 않는 유휴(idle) 모드를 각각 갖는 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)를 포함할 수 있다.
도 11의 실시예에 따른 PFC부(220')에는 제1 벅-부스트 컨버터(221) 및 제2 벅-부스트 컨버터(222)가 포함되는 것으로 설명하였지만 구현시에 PFC부(220')에는 셋 이상의 벅-부스트 컨버터가 포함될 수 있다.
여기서, 제1 벅-부스트 컨버터(221) 및 제2 벅-부스트 컨버터(222)는 병렬연결될 수 있다. 그리고, 각 벅-부스트 컨버터(221, 222)는 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 그리고, 각 벅-부스트 컨버터(221, 222)에 포함된 복수의 스위치는 제어부(240)의 제어 신호에 의한 ON/OFF 스위칭 동작을 할 수 있다.
제어부(240')는 모터 구동 장치(200')의 각 구성들을 제어한다. 구체적으로, 제어부(240')는 모터(7)의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 수신된 모터 정보에 따라 PFC부(220')를 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(240)는 수신된 모터 정보에 따라 직류 링크 전압을 가변할 수 있다. 이 경우, 직류 링크 전압은 제어부(240')가 PFC부(220')에 포함된 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)의 동작 모드를 제어하는 제어신호에 의해 가변할 수 있다.
제어부(240')는 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)에 포함된 복수의 스위치를 스위칭하는 제어신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제어부(240')는 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222) 각각을 벅 모드, 부스트 모드 및 유휴 모드 중 어느 하나로 동작하도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(240')는 입력 전압을 강압하기 위하여 각각의 벅-부스트 컨버터(221, 222)에 포함된 복수의 스위치 중 일부의 스위치를 스위칭하는 PWM 신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(240')는 입력 전압을 승압하기 위하여 각각의 벅-부스트 컨버터(221, 222)에 포함된 복수의 스위치 중 일부의 스위치를 스위칭하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
제어부(240')는 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)마다 위상이 상이한 복수의 제어신호를 생성할 수 있다. 여기서 제어부(240')는 통상의 인터리브드 PWM 제어 방식으로 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)를 제어할 수 있다.
제어부(240')는 입력 전압이 수신된 모터 정보에 대응하는 희망 직류 링크 전압보다 크면, 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222) 중 적어도 하나를 벅 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(240')는 입력 전압이 수신된 모터 정보에 대응하는 직류 링크 전압보다 작으면, 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222) 중 적어도 하나를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240')는 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222) 중 어느 하나만 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하고, 나머지 벅-부스트 컨버터는 유휴 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(240')는 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222) 중 일부만 컨버팅 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(240')는 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 제1 및 제2 벅 부스트 컨버터(221, 222)를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
여기서, 제어부(240')는 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값에 대응하여 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)를 히스테리시스(hysteresis)하게 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(240')는 빈번한 구동 벅-부스트 컨버터의 개수 전환에 의해 시스템의 효율이 오히려 떨어지는 것을 방지하기 위하여 기설정된 상한값과 하한값의 범위에 해당하는 부하값에 대해서는 기존에 구동하는 벅-부스트 컨버터를 유지할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 14를 참조하여 후술한다.
제어부(240')는 모터(7)가 갖는 복수의 구동 속도 및 복수의 구동 속도 각각에 대응되는 직류 링크 전압의 값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여, 모터(7)의 구동 속도를 포함하는 수신된 모터 정보에 따라 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)를 제어하여 상기 직류 링크 전압을 가변할 수 있다. 즉, 제어부(240')는 모터(7)의 구동 속도에 따라 최적의 효율로 모터(7)를 구동할 수 있는 직류 링크 전압을 매핑시킨 테이블을 이용하여 직류 링크 전압을 가변할 수 있다.
여기서, 제어부(240')가 수신하는 모터 정보는, 복수의 벅-부스트 컨버터(221, 222)로 입력되는 입력 전류의 전류량, 모터(7)가 구동하는 각속도, 모터(7)의 위상 및 모터(7)와 연결된 다이너모(dynamo)의 회전에 의해 생성된 전류량을 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(7)의 외부에 별도로 마련된 기설정된 주파수를 갖는 광센서가 모터의 회전속도를 감지하여 제어부(240')에 모터 회전 속도 정보를 전달할 수 있다. 그 외 모터 속도를 결정할 수 있는 요소로서 사용될 수 있는 다양한 정보들이 모터 정보에 포함될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부하량에 따른 인버터의 직류 링크 전압을 가변하여 인버터의 효율을 상승시키고 더불어, 복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드를 부하 및 입력 전압에 따라 각각 제어함으로써, 전부하 범위에서 모터 구동 장치의 전체 효율을 개선할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 12를 참조하면, 모터 구동 장치(200)의 회로는, AC 전원(1), 입력 필터(2), 정류부(210), 평활부(4), 제1 벅-부스트 컨버터(221), 제2 벅-부스트 컨버터(222), 인버터(230) 및 모터(7)를 포함한다. 도 12에서는 설명의 간략화를 위하여 도 11의 제어부(240')의 도시를 생략한다. 그리고, AC 전원(1), 입력 필터(2), 정류부(210), 평활부(4),인버터(230) 및 모터(7)는 도 3의 모터 구동 장치(200)의 회로도의 구성인 AC 전원(1), 입력 필터(2), 정류부(210), 평활부(4),인버터(230) 및 모터(7)와 동일한바 구체적인 기능 및 동작에 대한 설명은 생략한다.
제1 벅-부스트 컨버터(221)는 컨버터로 입력되는 입력 전원에 직렬 연결된 제1 스위치 S1, 제1 인덕터 L1 및 제6 다이오드 D6와 제1 스위치와 제1 인덕터 연결 노드에 애노드가 연결된 제5 다이오드 그리고 제1 인덕터와 제6 다이오드를 연결하는 노드에 연결된 제2 스위치로 구성될 수 있다.
제2 벅-부스트 컨버터(222)의 회로 구성은 제1 벅-부스트 컨버터(221)와 동일하며, 전원을 입력받는 입력단과 직류 링크 전압으로 출력하는 출력단이 병렬 연결될 수 있다.
제어부(240')는 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터(221, 222)의 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4)를 제어하기 위한 PWM 신호(PWM_S1, PWM_S2, PWM_S3, PWM_S4)를 생성할 수 있다.
제어부(240')는 입력 전류 Iin, 모터(7)의 속도, 직류 링크 전압에 기초하여 최적의 효율로 모터를 구동시킬 수 있는 희망 직류 링크 전압 값을 산출할 수 있다. 그리고, 희망 직류 링크 전압으로 직류 링크 전압 Vdc-link를 가변하기 위하여 제어부(240')는 제1 벅-부스트 컨버터(221)의 스위치(S1, S2) 및 제2 벅-부스트 컨버터(222)의 스위치(S3, S4)를 제어하는 PWM 신호의 듀티 비 또는 온/오프 여부를 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(240')는 모터(7)의 회전 속도를 일정하게 유지하도록 인버터(230)의 스위치(S3, S4, S5, S6, S7, S8)의 듀티 비를 제어할 수 있다.
제어부(240')는 각 벅-부스트 컨버터(221, 222)의 동작 모드에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4)를 제어한다. 구체적으로, 제어부(240')는 모터 정보에 따라 요구되는 희망 직류 링크 전압과 정류된 또는 평활된 입력 전압 Vin의 크기를 비교하여 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터(221, 222) 모두 컨버팅을 수행하도록 제어할지, 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터(221, 222) 중 어느 하나만 컨버팅을 수행하도록 제어할지 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(240')는 예를 들어, 제어부(240')는 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터(221, 222) 모두 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 예를 들어, 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 제어부(240')는 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터 중 제1 벅-부스트 컨버터(221)만 컨버팅 동작을 수행하도록 제어하고, 제2 벅-부스트 컨버터(222)는 컨버팅 동작을 수행하지 않는 유휴(idle) 모드로 동작하도록, 스위치(S3, S4)를 오프시킬 수 있다.
여기서, 컨버팅을 수행하는 제1 벅-부스트 컨버터(221)는 제어부(240')의 제어에 따라 입력 전압 Vin의 순시값에 따라 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 부하량에 따른 인버터의 직류 링크 전압을 가변하여 인버터의 효율을 상승시키고 더불어, 복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드를 부하 및 입력 전압에 따라 각각 제어함으로써, 전부하 범위에서 모터 구동 장치의 전체 효율을 개선할 수 있다.
그리고, 모터 구동 장치는 출력 전력을 복수의 벅-부스트 컨버터로 분산하게 되므로 컨버터 회로의 안정성 및 강인성을 확보할 수 있다. 그리고, 복수의 벅-부스트 컨버터를 제어하는 제어신호를 인터리브드하면 컨버팅된 출력 전압의 맥동 성분을 줄일 수 있고, 스위칭 주파수보다 높은 출력 주파수를 얻을 수 있어, 입출력 필터 소자들의 크기를 줄일 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치를 제어할 제어신호의 상의 개수를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 벅-부스트 컨버터를 하나만 이용할 때 벅-부스트 컨버터의 부하에 따른 효율(1310)과 벅-부스트 컨버터를 두개 이용할 때 벅-부스트 컨버터의 부하에 따른 효율(1320)을 함께 도시하고 있다.
그래프에 따를 때, 컨버터의 효율은 부하가 낮은 경부하 영역에서는 하나의 벅-부스트 컨버터로 입력전압을 컨버팅하는 효율(1310)보다 두 벅-부스트 컨버터를 이용하여 입력전압을 컨버팅하는 효율(1320)이 더 낮다.
그러나, 부하가 높은 중부하 영역에서는 두개의 벅-부스트 컨버터로 입력전압을 컨버팅하는 효율(1320)이 하나의 벅-부스트 컨버터를 이용하여 입력전압을 컨버팅하는 효율(1310)보다 높다.
두 곡선이 교차하는 지점에서의 부하값을 기준으로 경부하 영역에서는 두개의 벅-부스트 컨버터 중 동작을 수행할 상(phase) 수를 1로 결정하고, 중부하 영역에서는 2로 결정할 수 있다. 그리고, 결정된 동작 상수에 따라 컨버팅을 수행할 벅-부스트 컨버터의 개수를 결정하고, 나머지 벅-부스트 컨버터는 유휴 모드로 동작하도록 제어할 수 있게 된다.
이상과 같은 벅-부스트 컨버터 개수의 결정에 의해 보다 높은 전력 변환 효율로 컨버터의 컨버팅 동작을 수행할 수 있게 된다.
도 14는 본 발명의 모터 구동 장치를 제어할 제어신호의 상의 개수를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 제어부가 수신하는 모터 정보 중 하나로서, 모터의 속도를 결정할 수 있는 입력전류 i_in를 센싱한다(S1410).
센싱된 입력전류 i_in은 저역 통과 필터를 거쳐 입력전류의 시간에 대한 평균 값 i_in_avg을 구한다(S1420).
입력전류의 평균 값 i_in_avg은 기설정된 상한 HL 과 하한 LL과의 비교를 통해 두 개의 벅-부스트 컨버터 중 컨버팅 동작을 수행할 벅-부스트 컨버터의 개수를 결정할 수 있다.
구체적으로, 입력전류의 평균 값 i_in_avg를 상한 HL과 비교하여(S1430) 상한 HL보다 큰 경우(Y), 2상 구동을 유효화하는 변수 2_Phase_drive에 1을 대입한다. 그리고, 두 개의 벅-부스트 컨버터가 컨버팅 동작을 수행할 수 있도록 2상 동작 제어를 한다(S1480).
입력전류의 평균값 i_in_avg이 상한 HL보다 작은 경우(S1430: N), 입력전류의 평균값 i_in_avg을 하한 LL과 비교한다(S1450).
만약, 입력전류의 평균값 i_in_avg이 하한 LL보다 크거나 같고 상한 HL보다 작은 경우, 2상 동작을 수행하고 있었는지 여부를 판단한다(S1460). 2상 동작을 수행하고 있었는지 여부는 2_Phase_drive 변수가 1로 유효화 되어 있는지로 판단할 수 있다(S1460). 2_Phase_drive 가 1인 경우(S1460: Y), 기존의 2상 동작을 계속 수행하도록 제어하고(S1480), 2_Phase_drive 가 1이 아닌 경우(S1460: N), 기존의 1상 동작을 계속 수행하도록 제어한다(S1490).
입력전류의 평균값 i_in_avg이 하한 LL 보다 작은 경우(S1450: N), 하나의 벅-부스트 컨버터만 사용하는 단상 동작을 위해 2_Phase_drive 변수에 0을 대입하여 무효화한다(S1470). 그리고, 하나의 벅-부스트 컨버터가 컨버팅 동작을 수행할 수 있도록 1상 동작 제어를 한다(S1490).
이상과 같은 복수의 벅-부스트 컨버터를 동작시키는 동작상수의 결정에 의해 최적의 효율로 컨버팅을 수행할 수 있는 벅-부스트 컨버터의 개수를 결정할 수 있으며, 더불어, 입력전류의 평균값을 이용한 히스테리시스 제어 방식을 사용함으로써 빈번한 벅-부스트 컨버터 개수의 변화에 의해 오히려 전력 변환 효율이 떨어지는 점을 방지할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 먼저, 모터 정보를 수신한다(S1510). 센싱된 모터의 구동 속도는 모터 구동 장치의 부하를 결정하는 파라미터로서 사용하기 위하여 모터 정보로서 수신될 수 있다. 그리고, 모터 정보는 센싱한 모터 구동 속도의 아날로그 정보를 디지털 신호 정보로 변환한 것일 수 있다. 여기서 모터 정보는 복수의 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력 전류의 전류량, 모터가 구동하는 각속도, 모터의 위상 및 모터와 연결된 다이너모(dynamo)의 회전에 의해 생성된 전류량을 적어도 하나 포함할 수 있다.
그리고, 복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드를 결정한다(S1520). 구체적으로, 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압의 크기에 따라 복수의 벅-부스트 컨버터 각각을 벅 모드, 부스트 모드 및 유휴 모드 중 어느 한 모드로 동작하도록 결정할 수 있다.
예를 들어, 복수의 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력 전압이 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압보다 크면, 복수의 벅-부스트 컨버터 중 적어도 하나를 벅 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 복수의 벅-부스트 컨버터로 입력 전압이 수신된 모터 정보에 대응하는 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 복수의 벅-부스트 컨버터 중 적어도 하나를 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 여기서, 수신된 모터로부터 산출된 부하값이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 상기 복수의 벅-부스트 컨버터 중 둘 이상을 부스트 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 즉, 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하량에 기초하여 최적의 효율을 제공할 수 있는 벅-부스트 컨버터의 개수를 결정할 수 있다.
한편, 제어하는 단계는, 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 복수의 벅-부스트 컨버터 중 어느 하나만 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하고, 나머지 벅-부스트 컨버터는 유휴 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 여기서 제2 임계값은 위의 제1 임계값과 같은 값일 수 있고 다른 값일 수 있다.
그리고, 단계 S1520은, 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값에 대응하여 복수의 벅-부스트 컨버터 중 컨버팅을 수행할 컨버터를 히스테리시스(hysteresis)하게 결정할 수 있다. 구체적으로, 기설정된 상한 값과 하한 값 사이의 범위에 해당하는 부하값에 대해서는 복수의 벅-부스트 컨버터 중 컨버팅 동작을 수행할 컨버터의 개수를 변환하지 아니하고 개수를 유지하여, 빈번한 컨버팅 동작을 수행하는 벅-부스트 컨버터의 개수 전환으로 인한 추가 손실을 방지할 수 있다.
복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드가 결정되면, 다음으로, 컨버팅을 수행하는 벅-부스트 컨버터에 포함된 복수의 스위치 중 어느 한 스위치만 스위칭하도록 제어한다(S1530).
예를 들어, 기설정된 제1 임계값 이상의 직류 링크 전압이 필요한 경우에는 복수의 벅-부스트 컨버터 모두를 부스트 모드로 동작하도록 복수의 스위치를 온 시킨 상태에서 승압을 위한 스위치 하나만을 스위칭하도록 제어할 수 있다. 그리고, 승압이 필요하지만 복수의 벅-부스트 컨버터 모두 승압을 위한 컨버팅을 수행할 필요가 없는 경우, 일부의 벅-부스트 컨버터만 부스트 모드로 동작하도록 어느 한 스위치만 스위칭하도록 제어할 수 있다. 그리고, 강압이 필요한 경우, 복수의 벅-부스트 컨버터 중 어느 한 컨버터만 강압을 위한 벅 모드로 동작하도록 복수의 스위치를 오프시킨 상태에서 강압을 위한 스위치 하나만 스위칭하도록 제어할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어방법은 부하량에 따른 인버터의 직류 링크 전압을 가변하여 인버터의 효율을 상승시키고 더불어, 복수의 벅-부스트 컨버터의 동작 모드를 부하 및 입력 전압에 따라 각각 제어함으로써, 전부하 범위에서 모터 구동 장치의 전체 효율을 개선할 수 있다.
이러한 모터 구동 장치의 제어 방법은 도 1에서 모터를 이용하여 흡입한 냉매를 압축시켜 토출하는 압축기를 포함하는 공기조화기에서, 압축기의 모터를 제어하는 모터 구동 장치(50)에 이용될 수 있다. 또한, 도 12의 모터 구동 장치에 이용될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어방법은, 다양한 유형의 기록 매체에 저장되어 CPU 등에 의해 실행되는 프로그램 코드에 의해 구현될 수도 있다.
구체적으로는, 상술한 방법들을 수행하기 위한 코드는, RAM(Random Access Memory), 플레시메모리, ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electronically Erasable and Programmable ROM), 레지스터, 하드디스크, 리무버블 디스크, 메모리 카드, USB 메모리, CD-ROM 등과 같이, 단말기에서 판독 가능한 다양한 유형의 기록 매체에 저장되어 있을 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 부하 백분율에 따른 직류 링크 전압을 가변하였을 때의 컨버터의 효율(1610)과 380V로 승압하는 부스트 제어를 사용하였을 때의 컨버터의 효율(1620)의 곡선 그래프를 함께 도시하고 있다.
도 16의 그래프에 도시된 바와 같이 직류 링크 전압을 가변하였을 때 효율이 대체로 더 높은 것을 확인할 수 있으며, 경부하 영역에서 효율을 더욱 상승시키기 위해 본 발명에 따른 벅+부스트 제어(1630) 방식을 적용할 수 있다.
그리고, 일정 부하 이상에서는 단상으로 부스트 제어를 수행하고(1640), 부하가 더 높아지면 2상의 부스트 제어(1650)를 수행하도록 하여, 모터가 고속 회전하는 중부하 영역에서 약계자 제어와 같은 복잡한 제어 방식을 적용하지 않고도, 직류 링크 전압의 승압 범위가 넓어져서 모터의 고속 제어 영역을 확보할 수 있다.
도 17은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 17을 참조하면 벅-부스트 동기 제어를 적용하였을 때 부하에 따른 효율을 나타내는 그래프(1720)와 벅+부스트 제어를 적용하였을 때 부하에 따른 효율을 나타내는 그래프(1710)을 함께 도시하고 있다.
도 17에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 벅+부스트 제어는 기존의 벅-부스트 동기 제어 방식에 비해 3~4%의 효율을 개선할 수 있고, 역률 및 THD 성능도 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 개재의 범위 내에 있게 된다.
1: AC 전원 2: 입력필터
210: 정류부 4: 평활부
200: 모터 구동 장치 220: PFC부
211: 제1 벅-부스트 컨버터 212: 제2 벅-부스트 컨버터
230: 인버터 7: 모터
240: 제어부

Claims (20)

  1. 교류 전원을 직류로 정류하여 입력 전압을 출력하는 정류부;
    상기 입력 전압을 컨버팅하기 위한 복수의 스위치를 포함하고, 상기 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖는 제1 벅-부스트 컨버터;
    상기 제1 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 전달하는 인버터; 및
    상기 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압과 상기 입력 전압의 크기를 비교하여 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 상기 복수의 스위치 중 어느 하나만을 스위칭하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    시간에 따라 가변하는 상기 입력 전압의 순시값과 상기 희망 직류 링크 전압의 크기를 비교하여, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 크면, 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드로 동작하도록 제어하고, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 부스트 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드로 동작하도록 제어할 때, 상기 복수의 스위치 중 하나의 스위치만 스위칭하고, 나머지 스위치는 오프(off)되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터와 병렬 연결된 제2 벅-부스트 컨버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터 중 어느 하나를 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 제어하고, 다른 하나는 컨버팅 동작을 수행하지 않는 유휴(idle) 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값에 대응하여 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터의 동작을 히스테리시스(hysteresis)하게 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터가 갖는 복수의 구동 속도 및 상기 복수의 구동 속도 각각에 대응되는 직류 링크 전압의 값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여, 상기 모터의 구동 속도를 포함하는 상기 수신된 모터 정보에 따라 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 제어하여 상기 직류 링크 전압을 가변하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터는,
    상기 입력 전압을 강압하는 제1 스위치; 및
    상기 입력 전압을 승압하는 제2 스위치;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터의 벅 모드로 동작시에, 상기 제2 스위치를 오프 상태로 유지하고, 상기 제1 스위치가 스위칭되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모터 정보는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터로 입력되는 입력 전류의 전류량, 상기 모터가 구동하는 각속도, 상기 모터의 위상 및 상기 모터와 연결된 다이너모(dynamo)의 회전에 의해 생성된 전류량을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  11. 정류부, 제1 벅-부스트 컨버터 및 인버터를 포함하는 모터 구동 장치의 제어방법에 있어서,
    상기 정류부는,
    교류 전원을 직류로 정류하여 입력 전압을 출력하고,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터는,
    상기 입력 전압을 컨버팅하기 위한 복수의 스위치를 포함하고, 상기 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖고,
    상기 인버터는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터에 전달하며,
    상기 제어방법은,
    상기 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압과 상기 입력 전압의 크기를 비교하여 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 상기 복수의 스위치 중 어느 하나만을 스위칭하도록 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 제어하는 단계는,
    시간에 따라 가변하는 상기 입력 전압의 순시값과 상기 희망 직류 링크 전압의 크기를 비교하여, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 크면, 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드로 동작하도록 제어하고, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 부스트 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드로 동작하도록 제어할 때, 상기 복수의 스위치 중 하나의 스위치만 스위칭하고, 나머지 스위치는 오프(off)되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 모터 구동 장치는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터와 병렬 연결된 제2 벅-부스트 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제1 임계값 이상이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터를 부스트 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압이 기설정된 제2 임계값 미만이면, 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터 중 어느 하나를 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하도록 제어하고, 다른 하나는 컨버팅 동작을 수행하지 않는 유휴(idle) 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 수신된 모터 정보로부터 산출된 부하값에 대응하여 상기 제1 및 제2 벅-부스트 컨버터의 동작을 히스테리시스(hysteresis)하게 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 모터가 갖는 복수의 구동 속도 및 상기 복수의 구동 속도 각각에 대응되는 직류 링크 전압의 값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여, 상기 모터의 구동 속도를 포함하는 상기 수신된 모터 정보에 따라 상기 제1 벅-부스트 컨버터를 제어하여 상기 직류 링크 전압을 가변하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터는,
    상기 입력 전압을 강압하는 제1 스위치; 및
    상기 입력 전압을 승압하는 제2 스위치;를 포함하고,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 제1 벅-부스트 컨버터의 벅 모드로 동작시에, 상기 제2 스위치를 오프 상태로 유지하고, 상기 제1 스위치가 스위칭되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치의 제어방법.
  20. 모터를 이용하여, 흡입한 냉매를 압축시켜 토출하는 압축기를 포함하는 공기조화기에 있어서,
    상기 공기조화기는,
    교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류부;
    상기 정류된 직류 전압을 평활하는 평활부;
    상기 평활된 입력 전압을 강압(step-down)하는 벅 모드, 승압(step-up)하는 부스트 모드를 갖는 벅-부스트 컨버터;
    상기 벅-부스트 컨버터로부터 변압된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 모터에 전달하는 인버터; 및
    실내 온도와 사용자가 입력한 희망 온도와의 온도차에 따라 상기 모터의 구동 속도를 가변하고, 상기 모터의 구동과 관련된 모터 정보를 수신하여, 상기 수신된 모터 정보에 따라 상기 벅-부스트 컨버터를 상기 벅 모드, 부스트 모드 중 어느 하나로 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    시간에 따라 가변하는 상기 입력 전압의 순시값과 상기 수신된 모터 정보에 따른 희망 직류 링크 전압의 크기를 비교하여, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 크면, 상기 벅-부스트 컨버터가 상기 벅 모드로 동작하도록 제어하고, 상기 순시값이 상기 희망 직류 링크 전압보다 작으면, 상기 벅-부스트 컨버터가 상기 부스트 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
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