KR101731564B1

KR101731564B1 - 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR101731564B1
Application number: KR1020150108287A
Authority: KR
Inventors: 이병상; 손홍엽
Original assignee: 주식회사 레보텍
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2017-05-11
Also published as: WO2017018832A1; KR20170014621A

Abstract

본 발명은 모터 구동 장치로, 모터 구동에 필요한 펄스폭변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호를 발생하는 제어부; 상기 게이트 제어신호를 증폭하여 한쌍의 드라이버 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및 상기 드라이버 신호가 인가됨에 따라 구동 트랜지스터들이 선택적으로 스위칭되면서 출력 접속점으로부터 구동전압을 발생하여 상기 모터를 구동시키는 인버터;를 포함하되, 상기 게이트 드라이버와 상기 인버터 사이에 반사파를 제거하는 임피던스 매칭부가 삽입된 형태로 설계된다.

Description

모터 구동 장치{Motor Driving Apparatus}

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 특히 반사되는 전자파 노이즈를 최소화할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다.

모터 구동 장치의 인버터는 전력 스위칭 반도체 소자의 고속 스위칭(ON/OFF)에 의한 펄스폭 변조 방식으로 모터를 제어한다. 이때, 인버터는 전력 스위칭 반도체 소자의 특성상 고속 스위칭 동작에 따라 수십 ㎒ 주파수 대역을 갖는 전자파 노이즈(noise)를 유발한다. 이러한 전자파 노이즈는 전력 스위칭 반도체 소자의 스위칭 동작시에 전압(또는 전류)의 시간당 변화율이 커질수록 커지는 특성이 있다.

이러한 모터 구동 장치의 인버터로부터 발생된 전자파 노이즈는 주변 전자기기에 영향을 미쳐 전자기기의 성능에 장애를 유발하는 원인이 된다. 더욱이, 자동차에서는 모터 구동 장치의 인버터로부터 발생된 전자파 노이즈를 억제하지 않을 경우에 전자기기의 오작동으로 인한 인명 및 재산상의 피해를 예상할 수 있다. 예컨대, 자동차의 급발진 현상은 전자기기의 오동작으로 인한 대표적인 사례로 알려져 있다. 이와 같은 이유로, 모터 구동 장치의 인버터는 전력 스위칭 반도체 소자의 고속 스위칭 동작에 따른 전자파 노이즈(특히, 라디오 주파수 대역의 전자파 노이즈)를 중점적으로 감소시켜 전자파 간섭에 의한 전자 장치의 오작동을 방지하여야 한다.

이에 따라, 종래에는 모터 구동 장치에서 인버터로부터 발생되는 라디오 주파수 대역(특히, AM 및 FM주파수 대역)의 전자파 노이즈를 집중적으로 감소시키기 위해, 전원 양단에 연결된 X-cap을 형성하는 캐패시터를 기반으로 각 스위칭소자에 R-C 스너버 회로를 삽입하여 라디오 주파수 대역의 주파수를 감소시킨다.

그런데, 이러한 스너버 회로는 인버터를 구성하는 한 쌍의 스위칭소자들의 후단에 각각의 드레인과 소스 사이에 병렬 접속되는 형태로 구성된다. 즉, 종래에는 모터 구동 장치의 후단에 별도의 칩 외부(off-chip)의 소자를 부착하는 형태를 갖는다. 그런데, 이러한 칩 외부(off-chip)의 소자의 사용으로 인해 별도의 비용이 발생될 뿐만 아니라, 별도의 설치 공간이 마련되어야 한다는 불편함이 있다.

공개특허공보 제10-2009-0048236호, 2009.05.13. 공개

본 발명은 전자파 노이즈 제거를 위해 별도의 칩 외부(off-chip)의 소자의 사용이 필요없는 모터 구동 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 모터 구동 장치는 전자파 노이즈를 제거하는 임피던스 매칭부를 하나의 칩 형태로 설계하여, 별도의 칩 외부(off-chip)의 소자가 필요없어 비용 및 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모터 구동 장치의 예시도이다.
도 3은 임피던스에 따른 파형 변화의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치를 도시한 회로도이고, 도 2는 본 발명에 따른 모터 구동 장치의 예시도이다.

도 1을 참조하면, 모터 구동 장치는 제어부(10), 드라이버(20) 및 인버터(30)로 구성되어 모터(40)에 구동 전압을 인가한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 인버터(30)에서 발생되는 반사파 노이즈를 제거하기 위해, 게이트 드라이버(20)와 인버터(30) 사이에 임피던스 매칭부(100)가 삽입되어 원칩으로 설계되는 특징을 가진다.

제어부(10)는 모터 구동에 필요한 펄스폭 변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호(HIN,LIN)를 발생시킨다.

게이트 드라이버(20)는 제어부(10)로부터 출력되는 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 인버터(30)를 구성하는 상측 및 하측 구동트랜지스터들(41, 42)을 구동할 수 있는 상측 및 하측 드라이버 출력(HO,LO)으로 변환하여 출력한다.

도 2에 도시된 예를 들어 상세히 설명하면, 게이트 드라이버(20)는 VCC 단자, HIN 단자, LIN 단자, GND 단자, BS 단자, HO 단자, VS단자 및 LO 단자를 포함한다. 또한, VCC 단자와 VS 단자 사이에 부트스트랩 저항(Rboot) 및 다이오드(Dboot)가 연결되고, BS 단자와 VS 단자의 사이에 부트 스트랩 캐패시터(CB)가 연결될 수 있다. 여기서, VCC 단자에는 내부 전원으로서, 예를 들면 15V가 공급될 수 있다.

HIN 단자와 LIN 단자에는 제어부(10)로부터 PWM 신호가 입력된다. 예컨대, HIN 단자에 5V의 구형파 전압이 인가되고, LIN 단자에도 5V의 구형파 전압이 인가된다. 여기서, HIN 단자에 입력되는 구형파 전압과 LIN 단자에 입력되는 구형파 전압은 위상차가 대략 180도이다. HIN 단자에 인가되는 5V의 구형파 신호는 외부 전원의 레벨과 유사한 레벨이 되도록 쉬프트되어 출력된다. HO 단자에는 상측 구동트랜지스터(Q1)의 게이트 전극이 연결되고, LO 단자에는 하측 구동트랜지스터(Q2)의 게이트 전극이 연결된다.

인버터(30)는 상측 구동트랜지스터(Q1)(31)와 하측 구동트랜지스터(Q2)(32)가 각각 공급전원(VDD)과 접지 사이에 모터(40)에 접속된 출력회로를 형성하도록 상측 구동트랜지스터(Q1)(31)의 소스가 하측 구동트랜지스터(Q2)(32)의 드레인에 각각 접속되며, 접속점으로부터 모터(40)에 대한 출력신호가 발생된다. 여기서, 구동트랜지스터(Q1, Q2)는 스위칭 소자로서 동작하는 n형 파워 MOS FET로 이루어지며, 구동트랜지스터(Q1, Q2)의 드레인과 소스 사이에는 구동트랜지스터가 턴오프시에 모터(40)로부터 발생된 역기전력을 프리휠링시키기 위한 다이오드(D1, D2)가 역방향으로 접속되어 있다. 또한, 구동트랜지스터(Q1, Q2)의 게이트와 소스 사이에 접속된 저항(R1, R2)은 고용량 저항으로서 FET의 게이트와 소스 사이에 형성되는 기생 캐패시터에 충전된 전하에 의해 FET가 오동작하는 것을 방지하도록 기생 캐패시터에 충전된 전하를 방전시키기 위한 것이다. 이러한 저항(R1, R2)은 생략하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같이 본 발명에서는 인버터(30) 전단에 임피던스 매칭부(100)가 위치하도록 설계되는데, 이러한 임피던스 매칭부(100)는 신호원 임피던스(Zin)를 구성하는 드라이버(20)의 임피던스와 부하 임피던스(ZL)를 구성하는 인버터(30) 및 모터(40)의 임피던스를 매칭시키도록 설계된다. 또한, 임피던스 매칭부(100)는 게이트 드라이버(20)와 상측 구동 트랜지스터(31) 사이에 삽입되는 상측 필터(110)와, 게이트 드라이버와 하측 구동 트랜지스터(32) 사이에 삽입되는 하측 필터(120)를 포함한다.

도 2에는 필터 회로의 일 예가 도시되어 있는데, 커패시터(C) 및 인덕터(L)가 병렬 연결된 형태를 가지고, 일단이 게이트 드라이버(20)와 구동트랜지스터(31, 32)의 게이트 단자의 접속점에 연결되고, 타단이 구동트랜지스터(31, 32)의 소스 단자에 연결된 형태를 갖고, 반사파 노이즈에 해당하는 신호의 잡음을 제거한다.

여기서, 부하 임피던스(ZL)는 구동트랜지스터(31, 32)의 임피던스값과 모터(40)의 임피던스값으로 제조 업체에서 제공하는 정보를 통해 획득되거나, LCR 미터에 의해서 측정될 수 있다. 또한, 신호원 임피던스(Zin)는 게이트 드라이버(Driver) 출력값으로 제조 업체에서 제공하는 정보를 통해 획득되거나, 측정에 의해서 획득될 수 있다. 그러면, 전술한 바와 같이 획득된 입력단 임피던스(Zin) 및 출력단 임피던스(ZL)를 이용하여 하기의 <수학식 1>에서의 반사 계수(

)가 0에 가깝도록 매칭용 임피던스(Zo)를 선정한다. 이때, 최대 오차 10%를 고려하여 매칭용 임피던스(Zo)가 선정된다.

<수학식 1>

도 3은 임피던스에 따른 파형 변화의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 신호원 임피던스(Z)와 부하 임피던스(Z)가 일치하지 않을 때, 부하에서의 파형에 에지율의 변화, 링잉, EMI와 누화 등 원하지 않은 신호가 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나, 신호원 임피던스(Z)와 부하 임피던스(Z)가 임피던스 매칭 임피던스(Zo)에 매칭될 경우, 부하에서의 파형에 노이즈 신호가 발생되지 않음을 알 수 있다.

Claims

모터 구동에 필요한 펄스폭변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호를 발생하는 제어부;
상기 게이트 제어신호를 증폭하여 한 쌍의 드라이버 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및
상기 드라이버 신호가 인가됨에 따라 상측 구동 트랜지스터 및 하측 구동 트랜지스터 중 하나가 선택적으로 스위칭되면서 출력 접속점으로부터 구동전압을 발생하여 상기 모터를 구동시키는 인버터;를 포함하되,
상기 게이트 드라이버와 상기 인버터 사이에 반사파를 제거하는 임피던스 매칭부가 삽입되어, 상기 제어부, 드라이버 및 인버터와 하나의 칩으로 구성된 형태로 설계되고,
상기 임피던스 매칭부는
상기 게이트 드라이버와 상측 구동 트랜지스터 사이에 삽입되는 상측 필터와, 상기 게이트 드라이버와 하측 구동 트랜지스터 사이에 삽입되는 하측 필터를 포함하고,
상기 상측 필터 및 하측 필터 각각은
커패시터 및 인덕터가 연결된 형태로 설계됨을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
제 1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭부는
상기 게이트 드라이버에 해당하는 신호원 임피던스와 상기 인버터 및 모터에 해당하는 부하 임피던스가 매칭되도록 설계됨을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
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