KR101996614B1

KR101996614B1 - 역기전력 보호 회로

Info

Publication number: KR101996614B1
Application number: KR1020190062111A
Authority: KR
Inventors: 한수영
Original assignee: 한화시스템 주식회사
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2019-07-04

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 역기전력 보호 회로는 전원과 모터 사이에 마련되어 모터로부터 생성되어 전원으로 인가되는 역기전력으로부터 전원을 보호하기 위한 회로로서, 전원과 모터 사이의 전원 라인에 연결된 제 1 다이오드와, 전원 라인과 접지 라인 사이에 마련된 TVS 또는 제너 다이오드와, 전원 라인과 접지 라인 사이에 마련된 제 1 및 제 2 저항과, 제 1 및 제 2 저항 사이의 출력을 게이트 단자의 입력으로 하는 트랜지스터와, 전원 단자와 트랜지스터 사이에 마련된 제 3 저항과, 트랜지스터와 접지 단자 사이에 마련된 캐패시터와, 트랜지스터와 접지 단자 사이에 마련되며 캐패시터와 병렬 연결된 제 4 저항을 포함한다.

Description

역기전력 보호 회로{Circuit for protecting against counter electromotive force}

본 발명은 역기전력 보호 회로에 관한 것으로, 특히 모터로부터 발생되는 역기전력으로부터 전원 등을 보호하며 발열량을 줄이고 효율을 향상시킬 수 있는 역기전력 보호 회로에 관한 것이다.

변압기, 직류용 모터 또는 교류용 모터와 같이 인덕턴스를 갖는 전기회로는전원 전압과 반대 방향으로 생기는 기전력인 역기전력이 발생한다. 즉, 역기전력은 전기 회로에 입력 전압을 공급하는 순간 급격히 전류가 흐르기 시작하므로 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의해 전류의 변화 크기에 비례하는 기전력이 걸려진 전압과 반대 방향으로 발생한다.

모터 등의 기동 및 정지 시 발생하는 역기전력을 제거하기 위해 종래에는 트랜지스터, 증폭기, 비교기, 마이컴, 저항 등 복수의 소자들을 적용하였다. 그런데, 이러한 종래 기술은 복수의 소자를 적용하므로 단가가 상승하고 신뢰성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 구성이 복잡하기 때문에 디버깅 작업을 실시해야 하고, 그로 인해 납기 지연 및 개발 위험(Risk)이 증가하는 문제가 있다.

또한, 역기전력을 제거하기 위한 종래의 다른 예로는, 모터로 전원을 공급하는 전원 공급 회로에 역방향 다이오드(Blocking Diode)만을 장착하여 모터로부터 전원으로 인가되는 역기전력을 차단하였다. 그러나, 이러한 종래 기술은 고속으로 구동하는 모터 운용 시 큰 역기전력이 발생하지만 역방향 다이오드로 인하여 다시 역으로, 즉 모터로 역기전력이 인가된다. 따라서, 모터 공급 전압이 크게 상승하게 되고, 그에 따라 모터 내부 소자의 내압을 초과하여 소자 또는 제품이 소손되거나, 모터 보호 기능이 동작하여 모터의 구동을 멈추게 하는 문제가 발생된다.

일본공개특허 제2007-306673호

본 발명은 모터로부터 발생하는 역기전력으로부터 전원 등을 보호할 수 있는 역기전력 보호 회로를 제공한다.

본 발명은 부품의 종류와 수를 줄이는 동시에 구동을 간소화할 수 있는 역기전력 보호 회로를 제공한다.

본 발명은 모터로부터 발생된 역기전력을 역으로 모터로 재공급하여 발열량을 줄이고 효율을 증대시킬 수 있는 역기전력 보호 회로를 제공한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 역기전력 보호 회로는 저항, 다이오드, 트랜지스터, 캐패시터 등으로 회로를 구성함으로써 부품의 종류와 수를 획기적으로 줄이고 그에 따라 구동을 간소화할 수 있다. 따라서, 신뢰성을 증대시키고 단가를 절감시킬 수 있으며, 고속으로 구동하는 모터의 경우도 안정적으로 운용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로는 역기전력이 발생하면 역기전력을 충전부를 이용하여 충전함과 동시에 방전부를 이용하여 방전하고, 충전부의 충전 전압을 공급부를 이용하여 모터에 공급할 수 있다. 즉, 충전부의 충전 전압이 입력 전압보다 높은 전압을 유지하는 상태로부터 충전 전압이 입력 전압 미만이 될 때까지 충전부에 충전된 전압을 모터에 공급할 수 있다. 따라서, 모터로부터 발생한 역기전력을 단순히 제거하지 않고, 역으로 모터로 재공급함으로써 발열량을 줄이고 효율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로의 구성도.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기적력 보호 회로의 구동을 설명하기 위한 회로도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 역기전력 보호 회로의 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로의 구성도이다. 또한, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기적력 보호 회로의 구동을 설명하기 위한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로는 전원(10)과 모터(20) 사이에 마련되어 모터(20)로부터 전원(10)로의 역전류를 방지하는 역전류 방지부(100)와, 역기전력, 써지(surge) 등의 과도 전압으로부터 역기전력 제거 회로를 보호하는 보호부(200)와, 역기전력을 분배하여 구동 전압을 생성하는 구동부(300)와, 구동 전압에 의해 구동되는 스위칭부(400)와, 스위칭부(400)에 의해 동작되어 역기전력을 충전 및 방전하는 충방전부(500)와, 스위칭부(400)에 의해 동작되어 역기전력에 의한 전압을 모터(20)에 공급하는 공급부(600)를 포함할 수 있다.

역전류 방지부(100)는 역전류로부터 전원(10)을 보호하기 위해 마련될 수 있다. 역전류 방지부(100)는 전원(10)과 모터(20) 사이의 전원 라인에 마련될 수 있다. 이러한 역전류 방지부(100)로는 전원(10)과 보호부(200) 사이에 마련된 다이오드(D11)를 포함할 수 있다. 다이오드(D11)는 전원(10)으로부터 모터(20) 방향으로 정방향 마련된다. 따라서, 전원(10)으로부터 모터(20)로 전류가 흐르게 하고, 모터(20)로부터 전원(10)으로 역전류가 유입되는 것을 방지한다. 물론, 역전류 방지부(100)는 다이오드(D11) 이외에 다양한 소자가 이용될 수 있다. 예를 들어, 두개의 다이오드가 병렬 설치되어 역전류 방지부(100)로서 기능할 수 있다. 즉, 두개의 다이오드가 병렬로 전원(10)으로부터 모터(20) 방향으로 정방향 마련될 수 있다.

보호부(200)는 입력 전압보다 높은 전압으로부터 본 발명의 역기전력 보호 회로를 보호하기 위해 마련될 수 있다. 보호부(200)는 입력 전압보다 높은 써지 등에 의한 과도 전압, 역기전력 전압이 발생되면 과도 전압 또는 역기전력 전압을 접지 단자로 출력시킨다. 즉, 보호부(200)는 소정의 동작 전압이 설정되는데, 설정 전압보다 높은 전압이 발생되면 해당 전압을 접지 단자로 출력한다. 따라서, 보호부(200)의 양단 전압은 설정 전압으로 유지된다. 이러한 보호부(200)는 전원 라인과 접지 라인 사이에 마련된 과도 전압 서프레서(Transient Voltage Suppressors; TVS)(D12)를 포함할 수 있다. 또한, 보호부(200)로는 제너 다이오드를 이용할 수도 있다. 제너 다이오드는 역기전력 전압이 캐소드 단자를 통해 입력되고, 역기전력 전압을 설정 전압만큼 하강시키는 정전압 동작에 의한 제너 전압을 애노드 단자를 통해 출력시킨다. 한편, TVS 또는 제너 다이오드 등을 이용한 보호부(200)는 설정 전압보다 낮은 전압이 인가될 때는 아무런 동작도 하지 않는다. 즉, 보호부(200)는 설정 전압 이하에서 플로팅되며, 설정 전압 이상에서 접지 단자로 전류 패스를 형성한다.

구동부(300)는 모터(20)로부터 역기전력 전압이 발생되면 역기전력 전압으로부터 스위칭부(400)의 구동에 필요한 구동 전압을 생성한다. 이러한 구동부(300)는 전원 라인과 접지 라인 사이에 마련된 제 1 및 제 2 저항(R11, R12)를 포함할 수 있다. 즉, 구동부(300)는 역기전력 전압을 분배하여 구동 전압을 생성하는 전압 분배 수단을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 저항(R11, R12)는 병렬 연결되고 제 1 및 제 2 저항(R11, R12)의 분배 전압은 스위칭부(400)를 구동시킨다.

스위칭부(400)는 구동부(300)로부터 인가되는 구동 전압에 의해 구동된다. 즉, 역기전력이 발생되어 구동부(300)에 의해 분배된 전압에 따라 스위칭부(400)는 구동된다. 이러한 스위칭부(400)는 구동부(300)의 분배 단자와 게이트 단자가 연결된 트랜지스터(T11)를 포함할 수 있다. 트랜지스터(T11)는 게이트 단자가 구동부(300)와 연결되고, 드레인 단자가 제 3 저항(R13)를 통해 전원 라인과 연결되며, 소오스 단자는 충방전부(500)와 연결된다. 따라서, 역기전력이 발생되면 트랜지스터(T11)를 포함하는 스위칭부(400)는 구동부(300)에 의해 구동되고, 제 3 저항(R13)을 통해 역기전력 전압을 충방전부(500)로 공급한다.

충방전부(500)는 스위칭부(400)를 통해 공급되는 역기전력 전압을 충전 및 방전한다. 즉, 충방전부(500)는 역기전력 전압을 충전하는 충전부(510)와, 역기전력 전압을 방전하는 방전부(520)를 포함할 수 있다. 충전부(510)는 캐패시터(C11)를 포함할 수 있고, 방전부(520)는 제 4 저항(R14)를 포함할 수 있다. 이때, 캐패시터(C11) 및 제 4 저항(R14)은 스위칭부(400)와 접지 단자 사이에 병렬 연결될 수 있다. 캐패시터(C11)를 포함하는 충전부(510)는 스위칭부(400)를 통해 공급되는 역기전력 전압을 충전하고, 이와 동시에 제 4 저항(R14)를 포함하는 방전부(520)는 역기전력 전압을 방전한다.

공급부(600)는 충방전부(500)의 충전부(510)에 저장된 전압을 모터(20)에 공급한다. 즉, 충방전부(500)의 캐패시터(C11)에 저장된 전하는 전원(10)로부터의 입력 전압보다 높은 전압을 유지하면 역전류 방지부(100)가 차단 상태를 유지한다. 이와 동시에 캐패시터(C11)에 저장된 전하는 양단 전압이 입력 전압 미만으로 내려갈 때까지 공급부(600)를 통해 모터(20)측으로 방전되어 모터(20)에 전원을 공급한다. 이러한 공급부(600)는 다이오드(D13)를 포함할 수 있다. 즉, 다이오드(D13)는 방전부(520)로 기능하는 제 4 저항(R14)와 병렬 연결되며, 스위칭부(400)와 전원 라인 사이에 정방향 연결된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로의 구동 방법을 도 2 내지 도 5를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

정상 동작의 경우, 즉 역기전력이 발생되지 않는 경우 도 2에 도시된 바와 같이 전원(10)으로부터 모터(20)로 전원이 공급된다.

그런데, 모터 기동 및 정상 상태 돌입 또는 구동 정지 시 도 3에 도시된 바와 같이 모터(20)로부터 전원(10) 방향으로 역기전력이 발생하게 된다. 이때, 역전류 방지부(100)의 다이오드(D11)에 의해 역전류가 차단된다. 또한, 보호부(200)의 양단 전압(VD2)이 급격하게 상승하게 된다. 이때, 보호부(200)는 양단 전압(VD12)이 설정 전압 이상의 경우 설정 전압 이하가 되도록 방전시킨다. 그러나, 보호부(200)는 설정 전압 이하의 경우 설정 전압의 전위를 유지하게 된다. 또한, 구동부(300)의 제 2 저항(R12)의 양단 전압(VR12)이 상승하게 되고, 그에 따라 스위칭부(400)의 트랜지스터(T11)가 턴온된다. 즉, 스위칭부(400) 트랜지스터(T11)의 턴온 전압 이상으로 구동부(300) 제 2 저항(R12)의 양단 전압(VR12)이 상승하게 되면 트랜지스터(T11)를 턴온시킨다.

트랜지스터(T11)가 턴온되면 모터(20)에서 발생된 역기전력은 도 4에 도시된 바와 같이 제 3 저항(R13)을 통해 공급되어 충전부(510)의 캐패시터(C11)를 충전한다. 이와 동시에 캐패시터(C11)와 병렬 연결된 방전부(520)의 저항(R14)을 통해 방전된다. 즉, 스위칭부(400)를 통해 공급되는 역기전력은 충전부(510)를 충전하는 동시에 방전부(520)를 통해 방전된다. 역기전력이 충방전부(500)에 충전 및 방전되고, 그에 따라 역기전력은 소실된다. 역기전력이 소실되므로 보호부(200)의 양단 전압(VD2) 및 구동부(300)의 양단 전압(VR2)이 감소하여 트랜지스터(T11)가 턴오프된다.

트랜지스터(T11)가 턴오프된 후 충전부(510)의 캐패시터(C11)의 전하 충전량, 즉 충전 전하에 의한 캐패시터(C11)의 양단 전압(VC11)이 입력 전압보다 높은 상태(즉, VC11>Vin)을 유지하여 역전류 보호부(100)의 다이오드(D11)은 차단 상태를 유지한다. 이와 동시에 도 5에 도시된 바와 같이 캐패시터(C11)에 충전된 전하는 공급부(600)의 다이오드(D13)을 통하여 모터(20)측으로 방전하며 모터(20)에 전원을 공급한다. 캐패시터(C11)의 양단 전압(VC11)이 입력 전압 미만으로 내려갈 때까지(즉, VC11<Vin) 공급부(600)를 통해 모터(20)로 공급된다.

캐패시터(C11)의 양단 전압(VC11)이 입력 전압(Vin) 미만으로 완전 방전된 후 도 2에 도시된 바와 같이 전원(10)으로부터 모터(20)로 전원이 다시 공급되어 정상 동작을 유지한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로는 역기전력이 발생하면 역기전력을 충전부를 이용하여 충전함과 동시에 방전부를 이용하여 방전하고, 충전부의 충전 전압을 공급부를 이용하여 모터에 공급할 수 있다. 즉, 충전부의 충전 전압이 입력 전압보다 높은 전압을 유지하는 상태로부터 충전 전압이 입력 전압 미만이 될 때까지 충전부에 충전된 전압을 모터에 공급할 수 있다. 따라서, 모터로부터 발생한 역기전력을 단순히 제거하지 않고, 역으로 모터로 재공급함으로써 발열량을 줄이고 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 저항, 다이오드, 트랜지스터, 캐패시터 등으로 회로를 구성함으로써 부품의 종류와 수를 획기적으로 줄이고 그에 따라 구동을 간소화할 수 있다. 따라서, 신뢰성을 증대시키고 단가를 절감시킬 수 있으며, 고속으로 구동하는 모터의 경우도 안정적으로 운용할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 역기전력 보호 회로의 구성도이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로는 전원(10)과 모터(20) 사이에 마련되어 모터(20)로부터 전원(10)으로의 역전류를 방지하는 역전류 방지부(100)와, 역기전력 등의 과도 전압으로부터 역기전력 제거 회로를 보호하는 보호부(200)와, 역기전력을 분배하여 구동 전압을 생성하는 구동부(300)와, 구동 전압에 의해 구동되는 스위칭부(400)와, 스위칭부(400)에 의해 동작되어 역기전력을 방전하는 방전부(520)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예에 비해 충전부(510) 및 공급부(600)를 포함하지 않는다. 이러한 본 발명의 다른 실시 예는 역기전력이 발생되어 구동부(300)의 제 2 저항(R12)의 양단 전압이 상승하여 스위칭부(400)의 트랜지스터(T11)가 턴온되면, 제 3 저항(R13)을 통해 공급되는 역기전력이 방전부(520)의 제 4 저항(R14)을 통해 방전된다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 역기전력 보호 회로는 역전류 방지부(100), 보호부(200), 구동부(300), 스위칭부(400) 및 충방전부(500)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 또다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예에 비해 공급부(600)를 포함하지 않고, 본 발명의 다른 실시 예에 비해 충전부(510)를 더 포함한다. 이러한 본 발명의 또다른 실시 예는 역기전력이 발생되어 구동부(300)의 제 2 저항(R12)의 양단 전압이 상승하여 스위칭부(400)의 트랜지스터(T11)가 턴온되면, 제 3 저항(R13)을 통해 공급되는 역기전력이 충전부(510)의 캐패시터(C11)에 충전되는 동시에 방전부(520)의 제 4 저항(R14)을 통해 방전된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 보호부(200), 구동부(300), 스위칭부(400) 및 방전부(520)를 기본으로 충전부(510) 및 공급부(600)의 적어도 하나를 더 구비할 있다.

본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 전원 20 : 모터
100 : 역전류 방지부 200 : 보호부
300 : 구동부 400 : 스위칭부
500 : 충방전부 500 : 공급부

Claims

전원과 모터 사이에 마련되어 모터로부터 생성되어 전원으로 인가되는 역기전력으로부터 전원을 보호하기 위한 회로로서,
전원과 모터 사이의 전원 라인에 연결된 제 1 다이오드와,
전원 라인과 접지 라인 사이에 마련된 TVS 또는 제너 다이오드와,
전원 라인과 접지 라인 사이에 마련된 제 1 및 제 2 저항과,
제 1 및 제 2 저항 사이의 출력을 게이트 단자의 입력으로 하는 트랜지스터와,
전원 단자와 트랜지스터 사이에 마련된 제 3 저항과,
트랜지스터와 접지 단자 사이에 마련된 캐패시터와,
트랜지스터와 접지 단자 사이에 마련되며 캐패시터와 병렬 연결된 제 4 저항을 포함하는 역기전력 보호 회로.