KR100689328B1 - 인버터 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 보호 장치에 관한 것으로, 종래에는 인버터 보호 장치는 과전류 검출 기능을 구비하는 인버터 드라이버를 각 상별로 한 쌍씩 사용하여 순간적인 과전류를 검출하고 인버터 드라이버의 고정된 기준전압을 사용할 수밖에 없는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 인버터의 전력 반도체 스위치를 경유하는 전류 루프에 연결되어 전류량에 따른 전압를 검출하는 병렬 저항과; 상기 병렬 저항에 의해 검출된 전압과 미리 설정된 전압 레벨을 비교하여 과전류 검출 신호를 출력하는 비교기와; 상기 과전류 검출 신호를 래치하여 구동신호 버퍼로 출력하는 래치와; 상기 래치의 출력 레벨 변화에 의해 구동 신호의 출력을 차단하는 구동신호 버퍼로 구성되어 과전류 검출과 PWM 신호의 출력 차단을 디지털 로직 회로로 간단하게 구성함으로써 과전류 검출 기능을 구비하는 인버터 드라이버를 사용하지 않고 비교기와 래치로 구성된 디지털 로직 회로에 의해 인버터의 순간적인 과전류 발생을 검출하고 과전류 흐름을 차단하는 효과가 있다.

Description

인버터 보호 장치{PROTECTION APPARATUS FOR INVERTER}

도 1은 종래 교류 모터를 구동하는 제어 장치의 구성을 보인 블록도.

도 2는 도 1의 인버터 보호 장치의 구성을 보인 블록도.

도 3은 도 2의 인버터에 발생한 과전류 검출에 대처하여 발생된 입출력 신호 파형을 보인 예시도.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 보호 장치의 구성을 보인 블록도.

도 5는 도 4의 인버터에 발생한 과전류 검출에 의한 과전류 검출 장치의 입출력 신호 파형을 보인 예시도.

도 6은 도 4에 도시된 PWM 단락 검출기의 주제어기로부터 출력되는 PWM 신호의 단락 검출에 의한 입출력 신호 파형을 보인 예시도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

41 : 병렬 저항 42 : 비교기

43 : 래치 44: PWM 버퍼

45 : PWM 단락 검출기

본 발명은 인버터 보호 장치에 관한 것으로, 특히 인버터 운전 중 과전류 발생에 대처하여 전력용 반도체 스위치의 소손을 방지할 수 있게 한 인버터 보호 장치에 관한 것이다.

교류 전동기는 교류 전원을 입력받아 동력을 발생하는 장치이다. 상기 교류 전동기를 구동하는 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 교류 전원(1)을 직류로 변환하는 다이오드 컨버터(2)와; 전원 입력시 돌입 전류의 유입을 방지하는 초기 충전저항(3)과; 상기 돌입 전류가 억제된 후 초기 충전저항을 회로에서 분리하는 전자 접촉기(4)와; 상기 다이오드 컨버터(2)의 직류 전압을 평활하는 직류단 커패시터(5)와; 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(6)와; 상기 인버터(6)에 의해 운전되는 교류 전동기(7)로 구성된 것으로 이하, 종래 전동기 제어 장치를 설명한다.

전동기 제어 장치는 교류 전동기의 속도, 위치, 전류를 검출하여 전동기의 운전을 제어하고, 인버터(6)의 스위치 양단 전압을 검출하여 순간적인 단락 전류를 검출하고 순간 단락 전류가 발생되면 인버터(6)에 대한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 출력을 차단한다.

전동기 제어 장치의 전압 검출기(8)는 직류단 커패시터(5)의 전압을 검출하고, 전류 검출기(9)는 각 U, V, W 상에 흐르는 전류를 검출하고, 전동기 제어 장치는 상기 검출된 전압의 이상 또는 전류 이상을 판단하여 인버터(6) 구동을 정지시킨다.

인버터 제어부(10)는 인버터(6)의 전력 반도체 스위치의 양단 전압을 검출하 여 순간적인 단락전류를 검출하고 인버터(6)에 순간 단락 전류가 발생되면 PWM 신호 출력을 차단한다. 즉, 인버터 제어부(10)는 암-단락(Arm short), 출력 단락 등의 이유로 인버터(6)에 과도한 전류가 흐를 때 과전류 흐름을 감지하여 인버터(6)의 소손을 방지한다.

상기 인버터 제어부(10)의 과전류 감지에 의한 인버터 소손을 방지하는 장치를 상세히 설명하면, 전동기 제어 장치에서 인버터(6)의 과전류를 검출하는 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 정류된 직류 전압을 저장하는 직류단 커패시터(5)와; 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(6)와; 상기 인버터(6)에 의해 구동되는 교류 전동기(7)와; 출력 전류를 검출하는 전류 센서(9)와; 상기 인버터(6)를 제어하는 주제어기(12)와; 상기 주제어기(12)로부터 PWM 신호를 입력받아 전달하는 PWM 버퍼(11)와; 전력 반도체 스위치를 구동하는 인버터 드라이버(10)로 구성된 것으로, 이하 인버터(6)의 과전류 검출 장치를 설명한다.

과전류 검출 장치의 인버터 드라이버(10)는 인버터(6)의 전력 반도체 스위치의 양단 전압을 검출하여 순간적인 단락전류를 검출하고 인버터(6)에 순간 단락 전류가 발생되면 PWM 신호 출력을 차단한다.

인버터(6)의 과전류 흐름을 검출하기 위한 과전류 검출 장치의 입출력 신호 파형을 살펴보면, 도 3은 도 2의 인버터(6)에 발생한 과전류 검출에 대처하여 발생된 입출력 신호 파형을 보인 예시도이다. 이하, 도 3을 참조하여 과전류 검출 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

인버터(6)의 전력 반도체 스위치에 PWM 신호가 인가되어 운전 중 암-단락 또 는 출력 단락 등이 발생하면 전력 반도체 스위치에 도 3의 (b)와 같이 순간적인 과전류가 흐르게 된다. 또한 전력 반도체 스위치의 특성상 정격 전류 이상의 전류가 흐를 때 전력 반도체 스위치의 양단 전압(Vce)은 도 3의 (c)와 같이 상승하게 된다.

이때, 인버터 드라이버(10)는 과전류 흐름을 검출하여 도 3의 (a)와 같이 PWM 신호의 출력을 차단하고 도 3의 (d)와 같은 과전류 발생 신호를 주제어기(12)로 출력한다.

그러나 상기와 같은 종래 기술에 있어서, 인버터 보호 장치는 과전류 검출 기능을 구비하는 인버터 드라이버를 각 상별로 한 쌍씩 사용하여 순간적인 과전류를 검출하고 인버터 드라이버의 고정된 기준전압을 사용할 수밖에 없는 문제점이 있다.

또한, 인버터 드라이버는 특성상 정격 용량과 제조사에 따라 전력 반도체 스위치의 양단 전압 특성이 다르므로 고정된 양단 기준전압을 사용할 경우 전력 반도체 스위치의 특성에 맞는 과전류 차단 레벨을 설정하지 못하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 고가의 인버터 드라이버를 사용하지 않고 과전류 검출과 PWM 신호의 출력 차단을 디지털 로직 회로로 간단하게 구성할 수 있도록 한 인버터 보호 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인버터의 전력 반도체 스위치를 경유하는 전류 루프에 연결되어 전류량에 따른 전압를 검출하는 병렬 저항과; 상기 병렬 저항에 의해 검출된 전압과 미리 설정된 전압 레벨을 비교하여 과전류 검출 신호를 출력하는 비교기와; 상기 과전류 검출 신호를 래치하여 구동신호 버퍼로 출력하는 래치와; 상기 래치의 출력 레벨 변화에 의해 구동 신호의 출력을 차단하는 구동신호 버퍼로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 보호 장치의 구성을 보인 블록도이고, 도 5는 도 4의 인버터에 발생한 과전류 검출에 의한 과전류 검출 장치의 입출력 신호 파형을 보인 예시도이고, 도 6은 도 4에 도시된 PWM 단락 검출기의 주제어기로부터 출력되는 PWM 신호의 단락 검출에 의한 입출력 신호 파형을 보인 예시도이다.

본 발명의 실시 예에서 과전류 검출 장치는 비교기에 의해 과전류 흐름을 검출하고 디지털 온/오프에 의해 PWM 버퍼의 출력을 차단하고 PWM 신호의 단락을 검출하여 PWM 신호 출력을 차단하는데 필요한 장치 구성을 설명한다.

이하, 본 발명에 의한 것으로, 인버터 보호 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

상기 첨부된 도 4를 참조하여, 본 발명에 의한 인버터 보호 장치를 설명하면, 인버터 보호 장치(40)에서 병렬 저항(41)은 직류단 커패시터와 인버터의 전류 루프에 연결되어 직류단 전류를 검출하고, 비교기(42)는 미리 설정된 과전류 레벨과 상기 병렬 저항(41)에 의해 검출된 전압을 비교하여 과전류 신호를 출력하고, 래치(43)는 상기 과전류 신호를 입력받아 PWM 버퍼(44)와 주제어기로 출력하고, PWM 버퍼(44)는 상기 과전류 신호에 의해 PWM 신호의 출력을 차단하고, PWM 단락 검출기(45)는 주제어기의 오동작 또는 다른 이상으로 인한 단락 PWM 신호 발생시 단락 신호 동안 PWM 신호의 출력을 차단하는 구성이다.

인버터 보호 장치(40)는 비교기(42)와 래치(43)로 구성된 디지털 로직 회로를 구성하여 과전류 흐름을 검출하고 PWM 신호 출력을 차단하여 인버터의 전력 반도체 스위치를 보호한다.

또한, 인버터 보호 장치(40)는 인버터의 전력 반도체 스위치에 흐르는 전류에 따라 양단 전압이 변하는 병렬 저항(41)을 전류 루프에 연결하여 병렬 저항(41)의 전압을 검출하고 비교기(42)에 의해 검출된 전압과 미리 설정된 과전류 레벨을 비교하여 과전류 흐름을 검출한다. 이때, 과전류 검출시 비교기(42)의 출력은 하이 레벨 또는 로우 레벨을 나타낸다.

또한, 인버터 보호 장치(40)는 과전류 흐름을 검출하면 즉, 비교기(42)의 출력을 래치하여 래치(43)의 온/오프 신호에 의해 PWM 버퍼(44)의 동작을 오프하여 PWM 신호 출력을 차단하여 전력 반도체 스위치에 흐르는 과전류를 억제한다.

또한, 인버터 보호 장치(40)는 주제어기에 의해 생성된 PWM 신호에 단락이 발생할 때 PWM 신호 출력을 차단하여 전력 반도체 스위치에 흐르는 과전류를 억제한다. 여기서, 주제어기의 오동작, 또는 잡음, 또는 기타 이상으로 인해 상기 PWM 신호에 단락이 발생할 수 있다. 이때 인버터가 PWM 신호의 로우 레벨 구동인 경우 인버터 보호 장치(40)는 PWM 신호를 모두 하이 레벨로 전이하여 인버터를 보호한다.

상기 장치 구성의 인버터 보호 장치(40)는 비교기(42)에 의해 과전류 흐름을 검출하고 래치(43)에 의해 과전류 검출 신호를 래치하여 PWM 버퍼(44)의 PWM 신호 출력을 차단하는데 인버터의 과전류 흐름을 검출하기 위한 과전류 검출 장치의 입출력 신호 파형을 참조하여 과전류 검출 장치의 동작을 설명한다.

도 5는 도 4의 인버터에 발생한 과전류 검출에 의한 인버터 보호 장치(40)의 입출력 신호 파형을 보인 예시도이다.

인버터 보호 장치(40)는 인버터의 과전류 흐름을 감지하면 PWM 신호의 출력을 차단하는데 도 5의 (a)는 전력 반도체 스위치에 인가되는 PWM 신호를 나타내며 과전류 발생으로 인해 온 액티브인 PWM 신호는 오프됨을 도시한다.

암-단락이나 출력 단락 시 전력 반도체 스위치에는 정격 전류의 수백 퍼센트의 큰 전류가 흐르며 도 5의 (b)는 과전류 발생 시점을 나타낸다. 과전류 발생은 병렬 저항(41)을 통해 흐르는 전류를 감소시키고 이는 병렬 저항(41)의 전압을 감소시킨다. 도 5의 (c)는 과전류 발생으로 인한 병렬 저항(41)의 전압이 낮아짐을 도시한다.

병렬 저항(41)의 전압 하강은 비교기(42)의 출력에 영향을 주며 비교기(42)는 병렬 저항(41)의 전압과 과전류 발생으로 인한 전압 하강을 검출하기 위해 미리 설정된 과전류 레벨을 비교하므로 과전류 발생시 비교기(42)의 출력은 도 5의 (d) 와 같이, 하이 레벨에서 로우 레벨로 떨어진다.

비교기(42)의 로우 레벨은 래치(43)에 입력되어 도 5의 (e)와 같이, 래치(43)의 인에이블 출력을 하이 레벨로 전환시키고 도 5의 (f)와 같이, 래치(43)의 트립(Trip) 출력을 로우 레벨로 전환시킨다. 래치(43)의 인에이블(EN) 출력은 하이 레벨일 때 과전류 검출을 나타내고, PWM 버퍼(44)로 전달된다. 또한, 래치(43)의 트립 출력은 로우 레벨일 때 과전류 검출을 나타내고, 주제어기로 전달된다.

래치(43)의 인에이블 출력은 PWM 버퍼(44)의 인에이블 단자에 연결되어 과전류 발생시 PWM 신호의 출력을 차단시켜 전력 반도체 스위치의 소손을 방지한다. 그리고 래치(43)의 트립 출력은 인에이블 출력과 동시에 발생하여 주제어기에 과전류 발생을 알린다.

과전류 발생시 래치(43)는 PWM 버퍼(44)에 인에이블 출력을 하이 레벨로 출력하여 PWM 버퍼(44)의 PWM 신호 출력 동작을 차단시킨다. 최종 PWM 신호는 하이 레벨을 유지하며 PWM 신호의 하이 레벨로 인해 과전류 발생은 억제된다.

PWM 버퍼(44)는 래치(43)의 인에이블 출력 레벨에 의해 PWM 신호의 출력을 차단하거나 전달하며 PWM 신호의 단락 발생시의 PWM 버퍼(44)의 입출력 신호 파형을 참조하여 PWM 단락 검출기(45)의 동작을 설명한다.

도 6은 도 4에 도시된 PWM 단락 검출기(45)의 주제어기로부터 출력되는 PWM 신호의 단락 검출에 의한 입출력 신호 파형을 보인 예시도이다.

인버터는 액티브 로우로 동작하는 PWM 신호를 사용하며 PWM 신호가 로우 레벨일 때 전력 반도체 스위치는 도통하여 전류를 교류 전동기에 공급한다. 따라서 PWM 신호가 하이 레벨이면 전력 반도체 스위치는 오프되어 전류를 교류 전동기에 공급하지 않고 전력 반도체 스위치의 소손은 방지된다.

도 6의 (a)와 (b)는 주제어기에서 생성된 PWM 신호를 나타내고, 도 6의 (c)는 상기 주제어기에 의해 생성된 PWM 신호에 단락이 발생할 때 PWM 단락 검출기(45)로부터 출력되는 PWM 버퍼(44)를 동작 오프시키는 인에이블 출력을 나타내고, 도 6의 (d)와 (e)는 상기 PWM 신호에 단락이 발생할 때 PWM 신호가 모두 하이 레벨로 전이함을 나타낸다.

PWM 단락 검출기(45)는 주제어기로부터 PWM 신호에 단락이 발생했는지를 판단하여 단락이 발생하면 인에이블 출력을 하이 레벨로 출력하여 PWM 신호를 모두 하이 레벨로 전이시킨다. PWM 버퍼(44)는 상기 PWM 단락 검출기(45)로부터 출력되는 인에이블 출력을 입력받아 PWM 신호 출력을 차단한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 과전류 검출과 PWM 신호의 출력 차단을 디지털 로직 회로로 간단하게 구성함으로써 과전류 검출 기능을 구비하는 인버터 드라이버를 사용하지 않고 비교기와 래치로 구성된 디지털 로직 회로에 의해 인버터의 순간적인 과전류 발생을 검출하고 과전류 흐름을 차단하는 효과가 있다.

또한, 디지털 로직 회로의 빠른 응답 특성은 과전류 검출과 PWM 신호의 출력 차단을 동시에 처리하여 인버터의 과전류 흐름을 단시간 내에 차단하여 전력 반도체 스위치의 소손을 방지하는 효과가 있다.

또한, 주제어기에 의해 생성된 PWM 신호의 단락 발생을 판단하여 단락 발생시 PWM 신호의 출력 차단하여 상기 PWM 신호의 단락으로 인한 전력 반도체 스위치의 소손을 방지하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 인버터의 전력 반도체 스위치에 구동신호로서 펄스 폭 변조신호를 출력하는 PWM(펄스 폭 변조) 버퍼와;

   상기 PWM 버퍼에 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 제공하는 주제어기와;

   상기 PWM 버퍼와 상기 주제어기 사이에 접속되어, 상기 주제어기의 PWM 신호에 단락이 발생함을 검출하여, 단락 검출시 상기 PWM 버퍼의 출력을 차단하는 PWM 단락 검출기와;

   상기 전력 반도체 스위치를 경유하는 전류 루프에 연결되어 전류량에 따른 전압를 검출하는 병렬 저항과;

   상기 병렬 저항에 의해 검출된 전압과 미리 설정된 전압 레벨을 비교하여 과전류 검출 신호를 출력하는 비교기와;

   상기 비교기의 출력단 및 상기 PWM 버퍼에 접속되어, 상기 비교기가 과전류 검출 신호를 출력하면 상기 과전류 검출 신호를 래치하여 상기 PWM 버퍼의 출력을 차단하도록 제어하는 신호를 출력하는 래치;로 구성된 것을 특징으로 하는 인버터 보호 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 비교기는

   병렬 저항에 의해 검출된 전압이 내려가면 인버터의 전력 반도체 스위치에 과전류가 흐르는 것으로 판단하게 구성된 것을 특징으로 하는 인버터 보호 장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 PWM 버퍼는

   래치의 출력 레벨인 하이 레벨 또는, 로우 레벨에 의해 구동 신호의 출력을 온/오프하게 구성된 것을 특징으로 하는 인버터 보호 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 래치는

   트립신호를 상기 주제어기로 출력하게 연결구성된 것을 특징으로 하는 인버터의 과전류 검출 장치.

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