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KR20180103338A - 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치, 그 방법 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

삼상 모터의 상간 단락 검출 장치, 그 방법 및 이를 포함하는 공기 조화기 Download PDF

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KR20180103338A
KR20180103338A KR1020170030140A KR20170030140A KR20180103338A KR 20180103338 A KR20180103338 A KR 20180103338A KR 1020170030140 A KR1020170030140 A KR 1020170030140A KR 20170030140 A KR20170030140 A KR 20170030140A KR 20180103338 A KR20180103338 A KR 20180103338A
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KR
South Korea
Prior art keywords
phase
time
inverter
current
phases
Prior art date
Application number
KR1020170030140A
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English (en)
Inventor
정용찬
이원우
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to EP18150262.6A priority patent/EP3396804A1/en
Priority to US15/868,133 priority patent/US10495694B2/en
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Abstract

본 발명은 상간 단락 검출에 관한 것으로 특히, 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치, 그 방법 및 이를 포함하는 공기 조화기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치에 있어서, 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 공급하는 전원부; 상기 직류 전원을 이용하여 삼상 모터를 구동하는 삼상 전류를 생성하는 것으로, 삼상에 해당하는 상측 스위칭 소자들 및 하측 스위칭 소자들을 포함하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 공통으로 연결되는 전류 감지부를 포함하는 인버터; 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및 상기 상측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류와 상기 하측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 단락되도록 상기 게이트 구동부를 제어함으로써, 상기 전류 감지부에 흐르는 전류의 양을 감지하여 상간 단락을 판단하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

삼상 모터의 상간 단락 검출 장치, 그 방법 및 이를 포함하는 공기 조화기 {Method and apparatus for detecting inter-phase short circuit of three-phase motor and air conditioner including the same}
본 발명은 상간 단락 검출에 관한 것으로 특히, 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치, 그 방법 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 인버터를 포함하는 것으로 일반적으로 알려져 있다.
우선, 상용 전원으로부터 출력되는 교류의 상용 전압은, 정류부에 의하여 정류된다. 이러한 정류부에서 정류된 전압은 인버터에 공급된다. 이때, 인버터에서는 정류부에서 출력된 전압을 이용하여 모터를 구동하기 위한 삼상 교류 전력을 생성한다.
경우에 따라, 정류부와 인버터 사이에는 역률 개선을 위한 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)가 구비될 수 있다.
한편, 여러 가지 원인에 의하여, 인버터를 통하여 모터에 흐르는 전류 경로에 단락이 발생할 수 있다.
이와 같은 상간 단락에 의하여 과전류가 발생할 수 있으며, 이러한 상태에서는 순간적으로 매우 큰 전류가 흘러 짧은 시간에 소자가 소손될 위험성이 있다.
따라서, 이와 같은 상간 단락을 신속하게 효율적으로 감지하여 보호 동작을 수행할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공기 조화기에 있어서 상간 단락을 신속하게 효율적으로 감지할 수 있는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치, 그 방법 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치에 있어서, 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 공급하는 전원부; 상기 직류 전원을 이용하여 삼상 모터를 구동하는 삼상 전류를 생성하는 것으로, 삼상에 해당하는 상측 스위칭 소자들 및 하측 스위칭 소자들을 포함하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 공통으로 연결되는 전류 감지부를 포함하는 인버터; 상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및 상기 상측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류와 상기 하측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 단락되도록 상기 게이트 구동부를 제어함으로써, 상기 전류 감지부에 흐르는 전류의 양을 감지하여 상간 단락을 판단하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 삼상 중 제1상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제2상 및 제3상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 상기 게이트 구동부를 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 삼상 중 제3상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제1상 및 제2상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 상기 게이트 구동부를 추가 제어할 수 있다.
이때, 상기 제1시간은, 상기 제어부가 형성할 수 있는 펄스 신호의 최소 시간일 수 있다.
이때, 상기 최소 시간은, 10 내지 20 ㎲일 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 전류 감지부에 흐르는 전류의 양을 미리 설정된 임계값과 비교하여 상간 단락을 판단할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 삼상에 해당하는 상측 스위칭 소자들 및 하측 스위칭 소자들을 포함하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터 또는 상기 인버터에 의하여 생성되는 삼상 전류에 의하여 구동되는 모터의 상간 단락 검출 방법에 있어서, 상기 상측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류와 상기 하측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 단락되도록 인버터 전류를 흘리는 단계; 상기 인버터 전류의 양을 감지하는 단계; 및 상기 인버터 전류의 양을 미리 설정된 임계값과 비교하여 상간 단락을 판단하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 인버터 전류를 흘리는 단계는, 상기 삼상 중 제1상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제2상 및 제3상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 인버터 전류를 흘리는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 인버터 전류를 흘리는 단계는, 상기 삼상 중 제3상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제1상 및 제2상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 인버터 전류를 흘리는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1시간은, 상기 인버터의 제어부가 형성할 수 있는 펄스 신호의 최소 시간일 수 있다.
이때, 상기 최소 시간은, 10 내지 20 ㎲일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 상기 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치 또는 상기 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법이 구현된 제어부를 포함하는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 매우 짧은 시간 동안 인버터 회로 경로의 일부를 단락시켜 단락을 판단함으로 순간 과전류에 의한 소자 소손을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 인버터를 구성하는 스위칭 소자의 게이트 구동 신호만을 통해 동작 전에 상간 단락 상태를 판단할 수 있다. 따라서, 상간 단락으로 인한 소자 소손 가능성을 최소화할 수 있다.
이러한 상단 단락 판단은 별도의 회로 구성없이 제어부에 의한 게이트 구동부의 구동 제어만으로 판단이 가능하다.
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 세부를 나타내는 회로도이다.
도 4는 모터와 인버터의 연결 구성에 있어서 단락이 발생할 수 있는 경로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호 흐름도이다.
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 본 발명에 적용될 수 있는 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 전력 변환 장치를 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 DC-링크(DC-link) 캐패시터(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 DC-링크 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, DC-링크 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.
컨버터 제어부(130)는 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver)와, 이러한 게이트 구동부에 구동 신호를 전달하는 제어부를 포함한 구성일 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 transistor)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(D)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 컨버터(120)를 거치지 않고 DC-링크 캐패시터(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 DC-링크 캐패시터(C)의 맥동하는 전압(Vdc)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 캐패시터(C)의 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 캐패시터(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 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 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 DC-링크 캐패시터(C) 양단인 DC-링크 전압(Vdc)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 검출부(E)로부터 검출될 수 있으며, DC-링크 전압(Vdc)은 DC-링크 전압 검출부(B)로부터 검출될 수 있다.
인버터 제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 151; 도 3 참조)와, 이러한 게이트 구동부(151)에 구동 신호를 전달하는 제어부(152)를 포함한 구성일 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 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 세부를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 모터(200)를 구동하기 위한 전력 변환 장치(100)는 도 3과 같이 간략하게 표현될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 도시된 교류 전원(10)에 연결된 정류부(110), DC-링크 캐패시터(C) 및 컨버터(120)를 포함하는 구성은 도 3에서 전원부(111)로 표현되어 있다. 여기서, 전원부(111)는 정류부(110) 및 DC-링크 캐패시터(C) 만을 포함할 수도 있다.
또한, 인버터(140)의 스위칭 소자는 상측 스위칭 소자 그룹(141)과 하측 스위칭 소자 그룹(142)으로 구분되어 도시된다.
이때, 각 스위칭 소자는 전류 감지부(Rs)에 연결되는데, 이러한 전류 감지부(Rs)는 션트 저항(Shunt registor)으로 구현될 수 있다. 즉, 션트 저항(Rs)에 인가되는 전류는 오옴의 법칙에 의하여 전류와 저항의 곱으로서 전압 신호로 변환되어 제어부(152)로 인가된다.
위에서 설명한 바와 같이, 인버터 제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 151)와, 이러한 게이트 구동부(151)에 구동 신호를 전달하는 제어부(152)를 포함한 구성일 수 있다.
즉, 게이트 구동부(151)는 상측 스위칭 소자 그룹(141)과 하측 스위칭 소자 그룹(142)에 포함된 스위칭 소자의 게이트 단에 온/오프(on/off, 또는 하이(high)/로우(low)) 신호를 공급하여 각 스위칭 소자를 온/오프(on/off) 제어한다.
이때, 제어부(152)는 게이트 구동부(151)에 PWM 신호와 같은 구동 신호를 전달하여 게이트 구동부(151)를 제어할 수 있다.
그 외에 설명되지 않은 부분은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 사항이 그대로 적용될 수 있다. 이하, 중복되는 설명은 생략한다.
인버터(140)는 모터(200)에 삼상 교류 전력을 생성하여 공급한다. 이러한 삼상 전원은, 도 3에 도시된 바와 같이, U상, V상 및 W상으로 표현될 수 있다. 경우에 따라, 이러한 삼상 전원은 제1상, 제2상 및 제3상으로 표현될 수 있다. 이때, 제1상, 제2상 및 제3상은 각각 U상, V상 및 W상을 의미할 수 있으나, 다른 순서로 대응될 수도 있다. 즉, 제1상, 제2상 및 제3상은 경우에 따라, W상, U상 및 V상을 의미할 수도 있다.
도 4는 모터와 인버터의 연결 구성에 있어서 단락이 발생할 수 있는 경로를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 모터(200)와 인버터(140) 사이의 경로에서, U상과 V상 사이(1), V상과 W상 사이(2), 그리고 W상과 U상 사이(3)의 경로에서 단락이 발생할 가능성이 있다.
일례로, 상측 스위칭 소자 그룹(141)의 U상에 해당하는 첫 번째 스위칭 소자(Qa)로부터 전류가 흐를 경우에, 모터(200)를 지나 V상으로 전류가 흐를 경우에는 U상과 V상 사이의 단락 경로(1)를 지날 수 있으며, 모터(200)를 지나 W상으로 전류가 흐를 경우에는 U상과 W상 사이의 단락 경로(3)를 지날 수 있다.
따라서, 상측 스위칭 소자 그룹(141)의 V상이나 W상에 해당하는 두 번째 스위칭 소자(Qb) 또는 세 번째 스위칭 소자(Qc)로부터 전류가 흐를 경우에 나머지 한 단락 경로(V상과 W상 사이; 2)를 지날 수 있다.
결국, 세 경로 상의 단락을 모두 확인하기 위해서는 서로 다른 스위칭 소자에 총 두 번 신호를 인가하면 된다.
이와 같이, 상측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류와 하측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 단락되도록 게이트 구동부(151)를 제어하고, 이때 전류 감지부(Rs)에 흐르는 전류의 양을 감지하여 제어부(152)에서 상간 단락을 판단할 수 있다.
즉, 위에서 설명한 바와 같이, 전류가 단락 경로(1, 2, 3)를 각각 지나도록 하면서 전류가 부분적으로 단락되도록 하고, 이때의 전류의 양을 감지하여 상간 단락을 판단할 수 있다.
이하, 이와 같이 상간 단락을 판단하는 방법 및 구성에 대하여, 도면을 참조하여 자세히 후술한다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호 흐름도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제어부(152)는 삼상 중 U상에 해당하는 상측(High side) 스위칭 소자(IGBT; Qa)를 온(On) 시키고, V상 및 W상에 해당하는 하측(Low side) 스위칭 소자들(IGBT; Qb', Qc')의 온(On) 타임이 제1시간(a) 동안 겹치도록 게이트 구동부(151)를 제어하여, U상과 V상 사이의 단락 경로(1) 및 U상과 W상 사이의 단락 경로(3) 상의 단락 여부를 판단할 수 있다.
도 6을 참조하면, 이때, 삼상 중 U상에 해당하는 상측 스위칭 소자(Qa)를 통하여 흐르기 시작한 전류는 U상과 V상 사이의 단락 경로(1)를 지나 V상에 해당하는 하측 스위칭 소자(Qb')를 통과하여 션트 저항(Rs)으로 흐를 수 있다.
또한, 삼상 중 U상에 해당하는 상측 스위칭 소자(Qa)를 통하여 흐르기 시작한 전류는 U상과 W상 사이의 단락 경로(3)를 지나 W상에 해당하는 하측 스위칭 소자(Qc')를 통과하여 션트 저항(Rs)으로 흐를 수 있다.
이와 같이, 상측(High Side)과 하측(Low side)의 게이트 온(On) 신호가 동시에 겹치는 시간을 짧게 구동하여, 단락을 판단하기 위한 최소 시간 동안에만 전류가 흐르도록 할 수 있다.
이때, 모든 전류는 션트(Shunt) 저항(Rs)을 통과하며, 이때 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압 값은 통상적으로 마이컴(Micom)과 같은 반도체 집적 회로 소자(IC)로 구현되는 제어부(152)의 입력 포트 핀(Input port pin)을 통해 전달된다.
그러면, 제어부(152)는 이때 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압 값을 미리 설정된 임계 전압값과 비교하여 단락을 판단할 수 있다.
이때, 제1시간은, 제어부(152)가 형성할 수 있는 펄스 신호의 최소 시간일 수 있다. 즉, 마이컴에서 만들어낼 수 있는 가장 짧은 펄스 신호의 지속시간일 수 있다.
이러한, 펄스 신호의 최소 시간은, 10 내지 20 ㎲일 수 있다. 그러나, 제어부(152)를 구현하는 집적 회로 소자(마이컴)의 성능에 따라 이러한 펄스 신호의 최소 시간은 달라질 수도 있을 것이다.
이와 같은 인버터(140)의 구동에 의하여 삼상 중 두 상 간의 단락 여부를 판단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호도이다. 또한, 도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 상간 단락을 판단하기 위한 인버터의 구동 신호를 나타내는 신호 흐름도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제어부(152)는 삼상 중 W상에 해당하는 상측(High side) 스위칭 소자(Qc)의 온(On) 타임과 나머지 U상 및 V상에 해당하는 하측(Low side) 스위칭 소자들(Qa', Qb')의 온(On) 타임이 제2시간(a') 동안 겹치도록 게이트 구동부(151)를 제어할 수 있다.
도 8을 참조하면, 이때, 삼상 중 W상에 해당하는 상측 스위칭 소자(Qc)를 통하여 흐르기 시작한 전류는 U상과 W상 사이의 단락 경로(3)를 지나 U상에 해당하는 하측 스위칭 소자(Qa')를 통과하여 션트 저항(Rs)으로 흐를 수 있다.
또한, 삼상 중 W상에 해당하는 상측 스위칭 소자(Qc)를 통하여 흐르기 시작한 전류는 V상과 W상 사이의 단락 경로(2)를 지나 V상에 해당하는 하측 스위칭 소자(Qb')를 통과하여 션트 저항(Rs)으로 흐를 수 있다.
이와 같이, 상측(High Side)과 하측(Low side)의 게이트 온(On) 신호가 동시에 겹치는 시간을 짧게 구동하여, 단락을 판단하기 위한 최소 시간 동안에만 전류가 흐르도록 할 수 있다.
이때, 모든 전류는 션트(Shunt) 저항(Rs)을 통과하며, 이때 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압 값은 통상적으로 마이컴(Micom)과 같은 반도체 집적 회로 소자(IC)로 구현되는 제어부(152)의 입력 포트 핀(Input port pin)을 통해 전달된다.
그러면, 제어부(152)는 이때 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압 값을 미리 설정된 임계 전압값과 비교하여 단락을 판단할 수 있다.
이때, 제2시간(a')은, 상기 제어부가 형성할 수 있는 펄스 신호의 최소 시간일 수 있다. 또한, 제2시간(a')은 위에서 설명한 제1시간(a)과 동일할 수 있다. 이러한 제2시간(a')에 대한 설명은 위의 제1실시예의 제1시간(a)에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있다.
이상과 같이, 제1실시예에 의한 회로의 동작에 의하여, U상과 V상 사이의 단락 경로(1) 및 U상과 W상 사이의 단락 경로(3)의 단락 여부를 판단할 수 있다.
또한, 제2실시예에 의한 회로의 동작에 의하여, U상과 W상 사이의 단락 경로(3) 및 V상과 W상 사이의 단락 경로(2)의 단락 여부를 판단할 수 있다.
따라서, 이러한 두 번의 동작에 의하여, 전체 단락 경로(1, 2, 3) 상의 단락 여부를 판단할 수 있다.
경우에 따라, 제2실시예에서, 삼상 중 V상에 해당하는 상측(High side) 스위칭 소자(Qb)의 온(On) 타임과 나머지 U상 및 W상에 해당하는 하측(Low side) 스위칭 소자들(Qa', Qc')의 온(On) 타임이 제2시간(a') 동안 겹치도록 게이트 구동부(151)를 제어할 수도 있을 것이다.
이상과 같은 상간 단락 판단은 모터(200) 시동 전에 제어부(152)의 제어에 의하여 이루어질 수 있다. 즉, 이러한 모터(200) 및 전력 변환 장치(100)가 장착된 공기 조화기의 정상 동작 이전에 상간 단락 판단이 이루어질 수 있다.
그러면, 상간 단락의 발생 여부에 따라서 보호 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 단락 여부를 표시하고 공기 조화기의 정상 구동이 이루어지지 않도록 할 수 있고, 경우에 따라 어느 상의 경로 상에서 단락이 발생하였는지를 표시할 수도 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 매우 짧은 시간 동안 인버터 회로 경로의 일부를 단락시켜 단락을 판단함으로 순간 과전류에 의한 소자 소손을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 인버터를 구성하는 스위칭 소자의 게이트 구동 신호만을 통해 동작 전에 상간 단락 상태를 판단할 수 있다. 따라서, 상간 단락으로 인한 소자 소손 가능성을 최소화할 수 있다. 이러한 상단 단락 판단은 별도의 회로 구성없이 제어부에 의한 게이트 구동부의 구동 제어만으로 판단이 가능하다.
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
111: 전원부 120: 컨버터
140: 인버터 141: 상측 스위칭 소자 그룹
142: 하측 스위칭 소자 그룹 150: 인버터 제어부
151: 게이트 구동부 152: 제어부
200: 모터

Claims (12)

  1. 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치에 있어서,
    교류 전원을 정류하여 직류 전원을 공급하는 전원부;
    상기 직류 전원을 이용하여 삼상 모터를 구동하는 삼상 전류를 생성하는 것으로, 삼상에 해당하는 상측 스위칭 소자들 및 하측 스위칭 소자들을 포함하는 다수의 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 공통으로 연결되는 전류 감지부를 포함하는 인버터;
    상기 다수의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 구동부; 및
    상기 상측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류와 상기 하측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 단락되도록 상기 게이트 구동부를 제어함으로써, 상기 전류 감지부에 흐르는 전류의 양을 감지하여 상간 단락을 판단하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 삼상 중 제1상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제2상 및 제3상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 상기 게이트 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 삼상 중 제3상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제1상 및 제2상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 상기 게이트 구동부를 추가 제어하는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1시간은, 상기 제어부가 형성할 수 있는 펄스 신호의 최소 시간인 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 최소 시간은, 10 내지 20 ㎲인 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 전류 감지부에 흐르는 전류의 양을 미리 설정된 임계값과 비교하여 상간 단락을 판단하는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치.
  7. 삼상에 해당하는 상측 스위칭 소자들 및 하측 스위칭 소자들을 포함하는 다수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터 또는 상기 인버터에 의하여 생성되는 삼상 전류에 의하여 구동되는 모터의 상간 단락 검출 방법에 있어서,
    상기 상측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류와 상기 하측 스위칭 소자를 통하여 흐르는 전류가 부분적으로 단락되도록 인버터 전류를 흘리는 단계;
    상기 인버터 전류의 양을 감지하는 단계; 및
    상기 인버터 전류의 양을 미리 설정된 임계값과 비교하여 상간 단락을 판단하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 인버터 전류를 흘리는 단계는, 상기 삼상 중 제1상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제2상 및 제3상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 인버터 전류를 흘리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 인버터 전류를 흘리는 단계는, 상기 삼상 중 제3상에 해당하는 상측 스위칭 소자의 온(On) 타임과 나머지 제1상 및 제2상에 해당하는 하측 스위칭 소자들의 온(On) 타임이 제1시간 동안 겹치도록 인버터 전류를 흘리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1시간은, 상기 인버터의 제어부가 형성할 수 있는 펄스 신호의 최소 시간인 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최소 시간은, 10 내지 20 ㎲인 것을 특징으로 하는 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법.
  12. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 삼상 모터의 상간 단락 검출 장치 또는 상기 삼상 모터의 상간 단락 검출 방법이 구현된 제어부를 포함하는 공기 조화기.
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