KR20010010415A - 인버터의 역률보정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것으로, 종래에는 역률보정을 위해 아날로그용 칩을 사용하므로 부품수가 많아 주변회로가 복잡하고, 또한 초크코일에 보조권선등이 필요하게 되어 비용이 증가하므로 경제성이 저하되는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부와; 전파 정류된 신호를 저항을 통해 입력받아 부하에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 전류검출부로부터 전류검출신호를 입력받아 이를 기설정된 기준전류와 비교하여 그에 따른 비교신호를 출력하는 비교기와; 소정 주파수단위로 입력 상용교류전원에 대한 사인값이 기저장되는 롬과; 상기 비교기의 비교신호를 입력받아 이를 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형의 지연을 판단하여 그에 따라 해당되는 롬의 사인데이터를 최적의 펄스폭변조신호로 상기 PAM제어용트랜지스터의 게이트에 인가하는 펄스폭변조제어부를 포함하여 구성하여 인가전압의 주파수를 알기 위한 제로 검출전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하고 그에 따라 펄스폭변조 제어함으로써 부하변화 및 커패시터의 용량변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.

Description

인버터의 역률보정장치 및 방법{POWER FACTOR CORRECTING APPARATUS AND METHOD OF INVERTER}

본 발명은 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 인가전압의 주파수를 알기위한 제로 크로싱전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하여 펄스폭변조를 제어함으로써 부하의 변화및 평활용커패시터의 용량 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있도록 한 인버터의 역률보정장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 가전제품의 에너지 절약, 출력제어 용이성 때문에 급속하게 인버터화가 추진되어 인버터 구동 모터를 적용한 세탁기 및 냉장고 등이 개발되고 있으며, 인버터는 장치의 특성상 상용전원(국내에는 220V/60㎐)을 먼저 직류(DC)화한 후, 이를 스위칭소자를 사용하여 원하는 전압 및 주파수로 전환시키므로 직류화 과정에서 용량이 큰 커패시터가 필요로 하게 되는데, 이와같은 종래 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 인버터 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 상용교류전원(100)과; 브리지 다이오드(111)와 초크코일(choke coil, 112)로 구성되어 상기 상용교류전원(100)을 정류하는 정류부(110)와; 상기 정류부(110)의 출력 전압을 평활하는 평활용 커패시터(120)와; 상기 평활용 커패시터(120)의 직류 전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 가변 주파수 및 가변 전압으로 바꾸어주는 인버터(130)와; 상기 인버터(130)의 제어에 따라 구동되는 모터(140)로 구성되는데, 도 2는 도 1의 인버터 장치의 입력전압 및 전류의 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 전류파형에서 시간 t는 상기 초크코일(112)과 평활용 커패시터(120)의 시정수에 의해 결정되며, 보통 상용전원주기의 1/5 이하이다. 그리고 이상적인 역률제어시 전류파형은 교류전압과 동일한 위상을 가지며, 또한 상용전원의 전류 최대 크기보다 작은 피크(peak) 전류를 가져 이와 같이 전류파형과 전압파형을 동일하게 하면 노이즈 저감과 무효전력감소 등의 효과를 가져오게 된다.

도 3은 종래 역률보정을 위한 역률보정장치를 적용한 인버터 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 상기 도 1에서 설명한 상용교류전원(100)과; 브리지 다이오드(111)와; 평활용 커패시터(120)와; 인버터(130)와; 모터(140)로 구성된 인버터 장치에 초크코일(220), 저항(R1∼R11), 다이오드(D1,D2), 커패시터(C1∼C3), 아날로그 역률보정 집적회로(IC, 210) 및 스위칭 소자(Q1)로 구성되어 듀티를 가변하여 스위칭 함으로써, 전체적인 입력전류와 전압의 파형을 동일하게 하는 역률보정부(200)를 더 포함하여 구성한 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이 브리지 다이오드(111)의 출력전압 파형이 사인파의 형태를 가지고, 이 파형과 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류가 사인파 형태로 도 5a에서와 같이 비교된다. 즉 도 4에 도시된 역률보정 IC(210)의 비교기(216)의 두 입력신호(MO, CS)에 의해 상기 스위칭 소자(Q1)의 게이트 파형이 도 5b와 같이 나타나며, 이는 사인파의 낮은 부분에서는 듀티가 커지고, 사인파가 높은 곳에서는 듀티가 낮도록 스위칭하여 전체적인 입력전류 및 입력전압 파형과 동일하도록 한다.

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 역률보정을 위해 아날로그용 칩을 사용하므로 부품수가 많아 주변회로가 복잡하고, 또한 초크코일에 보조권선등이 필요하게 되어 비용이 증가하므로 경제성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 디지탈회로를 이용하여 반도체 제조공정을 간단화함으로써 비용을 절감할 수 있고 아울러 인가전압의 주파수를 알기위한 제로 크로싱전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하여 펄스폭변조를 제어함으로써 부하의 변화및 평활용커패시터의 용량 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있도록 한 인버터의 역률보정장치및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 인버터 장치의 구성을 보인 예시도.

도 2는 도 1의 인버터 장치의 입력전압 및 전류의 파형도.

도 3은 종래 역률개선을 위한 역률보정장치를 적용한 인버터 장치의 구성을 보인 예시도.

도 4는 도 3에서 아날로그 역률개선 IC의 구성을 보인 예시도.

도 5는 도 3에서 아날로그 역률개선 IC의 동작 파형도.

도 6은 본 발명 인버터의 역률보정장치의 구성을 보인 블록도.

도 7은 본 발명 인버터의 역률보정방법에 대한 동작 흐름도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

600:정류부 610:인버터부

620:모터 630:전류검출부

640:비교기 650:제로전압검출부

660:펄스폭변조제어부 670:롬

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부와; 전파 정류된 신호를 저항을 통해 입력받아 부하에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 전류검출부로부터 전류검출신호를 입력받아 이를 기설정된 기준전류와 비교하여 그에 따른 비교신호를 출력하는 비교기와; 소정 주파수단위로 입력 상용교류전원에 대한 사인값이 기저장되는 롬과; 상기 비교기의 비교신호를 입력받아 이를 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형의 지연을 판단하여 그에 따라 해당되는 롬의 사인데이터를 최적의 펄스폭변조신호로 상기 PAM제어용트랜지스터의 게이트에 인가하는 펄스폭변조제어부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력상용교류전원의 제로전압을 검출하는 제1 단계와; 부하에 공급되는 일정레벨 이상의 전류를 검출하는 제2 단계와; 상기 제1 단계에서 검출된 제로전압과 상기 제2 단계에서 검출된 전류의 위상을 비교하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 비교결과에 따른 전압과 동위상의 사인파전류를 롬으로부터 가져와서 적절한 펄스폭변조신호를 출력하는 제4 단계로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 인버터의 역률보정장치및 방법에 대한 작용및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도6은 본 발명 인버터의 역률보정장치에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 상용교류전원(AC)을 정류하는 정류부(600)와; 상기 정류부(600)의 출력 전압을 평활하는 인덕터(L1)와; 상기 인덕터(L1)의 출력전압을 정류용 다이오드(D1)를 통해 입력받아 다시 평활하는 평활용 커패시터(C1)와; 상기 평활용 커패시터(C1)의 직류 전압을 펄스폭변조(PWM)를 통해 가변 주파수 및 가변 전압으로 바꾸어주는 인버터부(610)와; 상기 인버터부(610)의 제어에 따라 구동되는 모터(620)와; 드레인이 인덕터(L1)의 후단에 접속되고, 소스가 접지되어, 게이트에 인가되는 펄스폭변조신호에 의해 도통제어되는 PAM제어용트랜지스터(N1)와; 상기 정류부(600)의 정류신호를 저항(R1)을 통해 입력받아 부하에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하는 전류검출부(630)와; 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 출력하는 제로전압검출부(650)와; 상기 전류검출부(630)로부터 전류검출신호를 입력받아 이를 기설정된 기준전류와 비교하여 그에 따른 비교신호를 출력하는 비교기(640)와; 소정 주파수단위로 입력 상용교류전원에 대한 사인값이 기저장되는 롬(670)과; 상기 비교기(640)의 비교신호를 입력받아 이를 상기 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형의 지연을 판단하여 그에 따라 해당되는 롬의 사인데이터를 최적의 펄스폭변조신호로 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)의 게이트에 인가하는 펄스폭변조제어부(660)로 구성한다.

도7은 본 발명 인버터의 역률보정방법에 대한 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와같이 입력상용교류전원(AC)의 제로전압을 검출하는 제1 단계와; 부하에 공급되는 일정레벨 이상의 전류를 검출하는 제2 단계와; 상기 제1 단계에서 검출된 제로전압과 상기 제2 단계에서 검출된 전류의 위상을 비교하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 비교결과에 따른 전압과 동위상의 사인파전류를 롬(670)으로부터 가져와서 적절한 펄스폭변조신호를 출력하는 제4 단계로 이루어지며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 전류검출부(630)는 정류부(600)의 정류신호를 저항(R1)을 통해 입력받아 부하(모터:620)에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하여 그 검출전류를 비교기(640)에 인가하고, 그러면 상기 비교기(640)는 사용자에 의해 기설정된 기준전류(Ref)와 상기 검출전류를 비교하여 일정레벨(기준전류) 이상일 경우 그 검출전류를 펄스폭변조제어부(660)에 인가한다.

이때, 상기 비교기(640)는 아나로그/디지탈변환기로 대체할 수 있는 데, 즉 상기 아나로그/디지탈변환기는 전류검출부(630)로부터 아나로그신호인 검출전류를 입력받아 이를 디지탈신호로 변환하여 펄스폭변조제어부(660)에 인가한다.(여기서, 본 발명은 비교기를 사용할 경우에 대하여 설명한다.)

그리고, 제로전압검출부(650)는 정류부(600)로부터 음의 파형만 정류된 신호를 입력받아 그 신호의 제로전압을 검출하여 그에 따른 제로전압검출신호를 펄스폭변조제어부(660)로 출력한다.

그러면, 상기 펄스폭변조제어부(660)는 상기 제로검출신호를 기준으로 하여 상기 비교기(640)를 통해 입력된 검출전류의 파형이 어느정도의 지연이 발생하였는지를 판단하여 그에 해당되는 롬(670)의 번지에 기저장된 펄스폭변조신호를 PAM제어용트랜지스터(N1)의 게이트에 인가한다.

이에따라, 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)는 온/오프 제어되어 듀티비가 변화하게 되어 이상적이 전류파형이 부하에 공급되는데, 즉 역률이 개선된다.

상술한 바와같이, 본 발명은 전류검출부(630)의 전류검출 신호를 비교기(640)에서 기준전류(Ref)와 비교하여 그 기준전류(Ref)보다 크면 펄스폭변조제어부(650)에 인가하고, 그러면 상기 펄스폭변조제어부(650)는 상기 비교기(640)의 비교신호를 입력받아 이를 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형이 어느정도 지연되었는지를 판단하여 해당되는 롬(670)의 번지에 기저장된 최적의 펄스폭변조신호를 출력한다.

다시 말하면, 평활용커패시터(C1)의 용량에 따라 전류의 충방전되는 시간이 변화하게 되어 부하에 공급되는 전류파형도 변화하게 되고, 전류검출부(630)는 상기 부하에 공급되는 전류를 검출하게 되며, 이때 비교기(640)는 상기 전류검출부(630)의 검출전류와 사용자에 의해 기 설정된 기준전류를 비교하여 일정레벨 이상의 검출전류를 펄스폭변조제어부(660)에 인가하고, 그러면 상기 펄스폭변조제어부(660)는 제로전압검출부(650)의 제로전압검출신호를 기준으로 현재 공급되는 전류위상을 체크하여 그 체크결과에 따라 롬(670)의 소정 번지의 사인값을 리드하여 그에따른 펄스폭변조신호를 PAM제어용트랜지스터(N1)에 인가하고, 이에 의해 상기 PAM제어용트랜지스터(N1)가 온/오프 제어되면 듀티비가 변화하여 이상적인 전류파형에 근접하게 전류가 부하에 공급되도록 역률이 능동적으로 보정된다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 인가전압의 주파수를 알기 위한 제로 검출전압과 전류의 크기 변화를 순시적으로 비교하여 그에 따라 펄스폭변조 제어함으로써 부하변화 및 커패시터의 용량변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 상용교류전원을 정류및 평활하여 그에 따른 직류전압을 인버터부의 스위칭소자의 온/오프에 따라 3상으로 가변되어 모터를 구동하면서 PAM제어용스위칭소자의 온/오프에 따라 듀티를 가변함으로써 전체적인 입력전류와 전압의 파형이 동일하게 되도록 동작하는 인버터장치에 있어서, 입력되는 상용교류전원의 제로전압을 검출하는 제로전압검출부와; 전파 정류된 신호를 저항을 통해 입력받아 부하에 전류가 공급되는 시점을 알기 위한 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 전류검출부로부터 전류검출신호를 입력받아 이를 기설정된 기준전류와 비교하여 그에 따른 비교신호를 출력하는 비교기와; 상기 비교기의 비교신호를 입력받아 이를 상기 제로전압검출부의 제로전압검출신호를 기준으로 전류파형의 지연을 판단하여 최적의 펄스폭변조신호를 상기 PAM제어용스위칭소자로 출력하는 펄스폭변조제어부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 인버터의 역률보정장치.
2. 제1 항에 있어서, 비교기는 전류검출부로부터 아나로그신호인 검출전류를 입력받아 이를 디지탈신호로 변환하는 아나로그/디지탈변환기로 대체되는 것을 특징으로 하는 인버터의 역률보정장치.
3. 입력상용교류전원의 제로전압을 검출하는 제1 단계와; 부하에 공급되는 일정레벨 이상의 전류를 검출하는 제2 단계와; 상기 제1 단계에서 검출된 제로전압과 상기 제2 단계에서 검출된 전류의 위상을 비교하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 비교결과에 따른 전압과 동위상의 사인파전류가 되도록 하는 신호데이터를 롬으로부터 가져와서 적절한 펄스폭변조신호를 출력하는 제4 단계로 수행함을 특징으로 하는 인버터의 역률보정방법.