KR100286296B1 - 인버터일체형모터의구동장치 - Google Patents

인버터일체형모터의구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터 일체형 모터의 구동장치에 관한 것으로, 종래의 인버터는 디스크리트 소자로 구성됨에 따라 부피가 커서 일체형에는 적합하지 않고, 정류부를 보호하기 위한 돌입전류 방지부가 파워릴레이와 파워 저항으로 구성되어 있어서 부피가 커지고 내노이즈가 증가하는 문제점이 있고, 인버터부의 스위칭소자를 구동하기 위하여 게이트 드라이버와 절연부가 각각 별도로 구성되어 부품수가 증가하여 내노이즈의 증가와 조립공정의 증가로 인한 불량률이 증가하는 문제점이 있고, 과전류 검출을 위해 포지티브 사이트에서 검출하고자 할 경우 별도의 전원부와 절연부를 갖추어야 하는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 과전류, 이상온도 및 부족전압중 어느하나가 검출되면 인버터의 구동전원을 하드웨어적으로 직접 차단시켜 스위칭소자가 파괴되는 것을 방지하고, 돌입전류 방지부를 제거하여 부피를 줄이고, 게이트 드라이브와 절연부를 트랜지스터 및 포토커플러에 의해 인버터내에 구성함으로써 내노이즈를 줄여 신뢰성을 향상시킴과 아울러 부피를 줄이고, 과전류 검출방법을 최적화하여 회로를 단순화한 것이다.

Description

인버터 일체형 모터의 구동장치{APPARATUS FOR DRIVING OF INVERTER BUILT-IN MOTOR}
본 발명은 소형화가 가능한 인버터 일체형 모터의 구동장치에 관한 것으로, 특히 소형화를 이루고 가격을 낮춤과 아울러 내노이즈와 불량률을 감소시켜 신뢰성을 향상시키도록 한 인버터 일체형 모터의 구동장치에 관한 것이다.
종래의 인버터 모터 구동장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력되는 교류의 전압을 직류의 전압으로 정류시켜 출력하는 정류부(11)와, 상기 정류부(11)의 뒷단에 구비되어 상기 정류부(11)를 통해 흐르는 돌입전류를 방지하여 그 정류부(11)를 보호하기 위한 돌입전류 방지부(12)와, 상기 돌입전류 방지부(12)를 거친 전압에 대하여 노이즈를 제거하기 위한 필터부(13)와, 상기 필터부(13)를 거쳐 입력되는 직류전압을 다시 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(15)를 구동하기 위한 게이트 드라이버(25~30)와 스위칭소자(31~36)로 이루어진 인버터(14)와, 상기 모터(15)의 위치를 검출하여 출력하는 위치 검출기(16)와, 상기 위치 검출기(16)의 위치검출출력에 따라 상기 모터(15)의 속도를 제어하기 위한 펄스폭 변조(PWM)파형을 발생하는 마이크로 컨트롤러(17)와, 상기 마이크로 컨트롤러(17)에서 출력되는 PWM파형을 상기 인버터(14)의 게이트 드라이버(25~30)로 전송하여 주기 위한 절연부(18)와, 상기 필터부(13)와 인버터(14) 사이의 포지티브 사이트(POSITIVE SITE)에서 과전류를 검출하는 과전류 검출부(19), 정격온도 이상의 온도를 검출하는 이상온도 검출부(20) 및 정격이하의 전압을 검출하는 부족전압 검출부(21)와, 상기 검출부(19,20,21)에서 과전류, 이상온도 및 부족전압이 검출되면 게이트정지신호를 상기 마이크로 컨트롤러(17)로 출력하여 상기 스위칭소자(31~36)의 구동을 정지시키도록 하는 보호회로부(22)와, 상기 정류부(11)에서 공급되는 전압을 받아 상기 마이크로 컨트롤러(17)와 필요한 각 부에 공급하기 위한 시스템 파워공급부(24)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
정류부(11)는 입력되는 교류의 전압을 직류의 전압으로 정류하여 출력하고, 이 출력전압을 필터부(13)에서 필터링하여 인버터(14)로 출력한다.
이때 정류부(11)의 뒷단에 연결되어 있는 돌입전류 방지부(12)는 미도시 되었지만 파워릴레이와 파워 저항으로 구성되며, 상기 정류부(11)를 돌입전류의 흐름으로 부터 보호하기 위한 것이다.
여기서, 정류부(11)는 200A 정도 흐르면 견딜 수 있으나 그 이상 흐르면 소자가 파괴되므로 상기 돌입전류 방지부(12)에서 돌입전류의 흐름을 제한하여 그 정류부(11)를 보호한다.
상기 정류부(11)와 돌입전류 방지부(12)를 거쳐 공급되는 전압을 시스템 파워 공급부(24)에서 입력받아 마이크로 컨트롤러(17)에 구동전압을 공급하여 구동가능한 상태를 만들어주고, 아울러 미도시된 필요한 각 부에 구동전압을 공급한다.
그리고, 상기 정류부(11)와 돌입전류 방지부(12)를 거쳐 공급되는 직류전압을 필터부(13)에서 받아 필터링하여 저항(R)을 거쳐 인버터(14)로 공급한다.
이때 마이크로 컨트롤러(17)에서 모터(15)를 구동시키기 위한 PWM파형을 출력하면, 상기 PWM파형을 절연부(18)에서 입력받아 상기 인버터(14)의 게이트 드라이버(25~30)로 각각 출력한다.
이에 따라, 상기 인버터(14)의 스위칭소자(31~36)는 게이트 드라이버(25~30)에 의해 온 또는 오프하여 3상 교류전압을 출력함으로써 모터(15)를 구동한다.
상기 모터(15)가 구동함에 따라 위치검출기(16)에서 회전자의 위치를 검출하여 마이크로 컨트롤러(17)에 전달한다.
그러면, 상기 마이크로 컨트롤러(17)는 위치검출기(16)의 출력에 따라 모터속도를 제어하기 위하여 PWM파형을 조절하여 절연부(18)를 통해 인버터(14)의 게이트 드라이버(25-30)로 공급한다.
이때 필터부(13)와 인버터(14) 사이에 과전류 검출부(19), 이상온도 검출부(20) 및 부족전압 검출부(21)가 위치하고, 그 위치한 검출부(19~21)는 포지티브 사이트에서 과전류, 이상온도, 부족전압을 검출한다.
상기의 검출 결과, 과전류가 검출되거나 정격온도 이상의 이상온도가 검출되거나 정격전압 이하로 전압이 다운되면, 보호회로부(22)는 상기 마이크로 컨트롤러(17)로 게이트 정지신호를 출력하며, 이 게이트 정지신호를 입력받은 마이크로 컨트롤러(17)는 인버터(14)의 구동을 정지시키기 위해 PWM파형을 출력하지 않는다. 따라서, 이때 인버터(14)의 게이트 드라이버(25~30)와 스위칭소자(31~36)가 동작하지 않게 되어, 모터(15)의 구동이 정지되고, 이에 따라 인버터(14)의 스위칭소자(31-36)를 보호하게 된다.
상기와 같은 인버터 구동장치의 소형화를 위해서는 도 3에서와 같이 개별(Discrete)소자인 파워소자(P), 다이오드(D), 보호회로(T) 및 게이트회로(G)등을 모듈 및 인텔리전트(Intelligent)파워모듈로 집적화하여야 한다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서 인버터 일체형 모터는 도 2에서와 같이 인버터가 모터속으로 들어가므로 필연적으로 인버터의 사이즈가 작아야 하는데, 종래 인버터 구동장치에 있어서는 전체구성을 단일칩화시킬 수 없게 됨에 따라 부피가 커서 일체형에는 적합하지 않고, 도 1에서 정류부를 보호하기 위한 돌입전류 방지부가 파워릴레이와 파워 저항으로 구성되어 있어서 부피가 커지고 내노이즈가 증가하는 문제점이 있고, 인버터의 스위칭소자를 구동하기 위하여 게이트 드라이버와 절연부가 각각 별도로 구성되어 부품수가 증가하여 내노이즈의 증가와 조립공정의 증가로 인한 불량률이 증가하는 문제점이 있고, 또한 과전류 검출을 위해 포지티브 사이트에서 검출하고자 할 경우 별도의 전원부와 절연부를 갖추어야 하는 문제점이 있었다.
따라서 상기에서와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 모터에 합체시킬 수 있는 소형의 인버터를 제작하기 위한 인버터 일체형 모터의 구동장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 개별소자로 부터 탈피하여 일체형에 적합하게 단일칩화 시킬 수 있는 인버터 일체형 모터의 구동장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 인버터의 스위칭소자를 구동하기 위한 게이트 드라이버와 절연부를 하나로 합체하여 내노이즈를 줄이고, 부피를 줄이도록 한 인버터 일체형 모터의 구동장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 과전류 검출시 스위칭소자의 동작정지를 위한 처리를 별도의 보호회로를 두지않고 시간 지연회로를 내장하여 하드웨어적으로 처리할 수 있도록 하여 부피를 줄이고, 가격을 낮추도록 한 인버터 일체형 모터의 구동장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 인버터 모터 구동장치 블록 구성도.
도 2는 인버터 일체형 모터를 보여주는 개략 설명도.
도 3은 도 2를 위해, 인버터모터 구동장치의 소형화 과정을 보여주는 설명도.
도 4는 본 발명 인버터 일체형 모터의 구동장치 블록 구성도.
도 5는 종래의 구동회로에서 과전류의 종류를 보여주는 모터 구동장치 블록 구성도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
41 : 정류부 42 : 필터부
43 : 인버터 44 : 과전류 검출부
45 : 부족전압 검출부 46 : 이상온도 검출부
47 : 시간 지연부 48 : 인버터 보호부
49 : 노아게이트 50 : 포토커플러
51 : 엔모스 트랜지스터 52~57 : 게이트구동/절연부
58~63 : 스위칭소자
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력되는 교류전원을 직류전압으로 정류하여 출력하는 정류부와, 상기 정류부에서 출력되는 직류전압에 대하여 필터링하여 입력시 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 필터부와, 마이크로컴퓨터에서 제공되는 게이트 구동신호에 따라 동작하여 상기 필터부에서 출력되는 직류전압을 다시 3상 교류전압으로 바꾸어 모터를 구동하는 인버터와, 상기 필터부와 인버터 사이의 네가티브 사이트(NEGATIVE SITE)에서 과전류를 검출하는 과전류 검출부와, 상기 과전류 검출부에서 과전류 검출시 소정시간 동안의 과전류 발생신호를 출력하는 시간 지연부와, 상기 시간 지연부에서 과전류 발생신호가 입력되면 상기 인버터의 동작을 차단시키기 위한 인버터 보호부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명 인버터 일체형 모터의 구동장치 블록 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 3상 교류전원을 직류전압으로 정류하는 정류부(41)와, 상기 정류부(41)에서 출력되는 직류전압에 대하여 필터링하여 입력시 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 필터부(42)와, 마이크로컴퓨터에서 출력되는 게이트 구동신호(HU,LU,VU)(HV,LV,VV)(HW,LW,VW)에 따라 동작하여 상기 필터부(42)에서 출력되는 직류전압을 다시 3상 교류전압으로 바꾸어 모터(M)를 구동하기 위한 인버터(43)와, 상기 필터부(42)와 인버터(43) 사이의 네가티브 사이트에서 과전류가 흐르는지 검출하는 과전류 검출부(44)와, 상기 과전류 검출부(44)의 과전류 검출신호를 소정시간 동안 지연시켜 출력하는 시간 지연부(47)와, 정격온도 이상의 온도를 검출하는 이상온도 검출부(46)와, 정격이하의 전압을 검출하는 부족전압 검출부(45)와, 상기 시간 지연부(47), 이상온도 검출부(46) 및 부족전압 검출부(45)의 출력에 따라 상기 인버터(43)의 동작을 제어하여 각각의 소자들을 보호하기 위한 인버터 보호부(48)로 구성한다.
이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
정류부(41)에서 입력되는 3상 교류전원을 정류하여 직류전압으로 만들고, 이 만들어진 직류전압을 필터부(42)로 출력하며, 이에따라 필터부(42)는 정류부(41)에서 출력되는 직류전압을 입력받아 필터링하여 입력시 포함되는 노이즈를 제거한 후 인버터(43)로 출력한다.
본 발명에서는 정류부(41)를 보호하기 위한 돌입전류 방지부를 제거하였는데, 이는 최근에 상기 정류부(41)에 5ms이내에 250A가 흘러도 충분히 견딜 수 있는 내압을 가진 다이오드로 상기 정류부(41)를 구성할 수 있기 때문이다.
이때, 인버터(43)는 마이크로컴퓨터로 부터 제공되는 게이트 구동신호(HU,LU,VU)(HV,LV,VV)(HW,LW,VW)에 따라 게이트구동/절연부(52~57)에서 스위칭소자(58~63)를 온 또는 오프시켜 모터(M)의 속도를 제어한다.
이때 과전류 검출부(44)는 필터부(42)와 인버터(43) 사이의 네가티브 사이트에서 과전류를 검출한다.
검출 결과, 과전류가 검출되면 상기 과전류 검출부(44)는 과전류 검출신호를 시간지연부(47)로 출력하며, 이에 따라 상기 시간 지연부(47)는 과전류 검출부(44)에서 출력되는 과전류 검출신호를 소정의 시간동안 지연하여 하이레벨의 과전류 발생신호를 출력한다.
마찬가지로 이상온도 검출부(46)는 정격온도 이상의 온도가 검출되면 하이레벨의 이상온도 검출신호를 출력하고, 부족전압 검출부(45)는 정격전압 이하의 전압이 검출되면 하이레벨의 부족전압 검출신호를 출력한다.
따라서, 인버터 보호부(48)의 노아게이트(49)는 시간 지연부(47), 이상온도 검출부(46) 및 부족전압 검출부(45)중 최소한 어느하나에서 하이레벨의 검출신호가 입력되면 로우레벨의 제어신호를 출력한다.
이와같이 노아게이트(49)에서 로우레벨의 제어신호가 출력되면, 포토커플러(50)의 포토 다이오드가 온되어 광을 발생하고, 이에 따라 포트 트랜지스터가 턴온되며, 이 포트 트랜지스터가 턴온됨에 따라 엔모스 트랜지스터(51)가 턴온되어, 상기 엔모스 트랜지스터(51)의 에미터측으로 공급되는 전원전압(+5V)은 상기 엔모스 트랜지스터(51)를 거쳐 접지측으로 바이패스 되므로 인버터(43)로 로우레벨의 신호가 공급된다.
따라서 인버터(43)의 게이트구동/절연부(52~57)가 동작하지 않게 되고, 상기 게이트구동/절연부(52~57)가 동작하지 않음에 따라 스위칭소자(58~63)를 오프시켜 상기 스위칭소자(58~63)를 보호한다.
그리고, 과전류 검출부(44), 이상온도 검출부(46) 및 부족전압 검출부(45)중 한곳에서도 검출되는 신호가 없으면 인버터 보호부(48)의 노아게이트(49)는 하이레벨의 제어신호를 출력하므로 포토커플러(50)의 포토 다이오드가 오프되어 포토 트랜지스터도 동작하지 않는다.
따라서, 엔모스 트랜지스터(51)가 턴오프되어 전원전압(+5V)은 그대로 인버터(43)의 게이트구동/절연부(52~57)로 공급되므로, 상기 게이트구동/절연부(52~57)가 마이크로 컴퓨터의 게이트 구동신호에 따라 동작하여 스위칭소자(58~63)를 온 또는 오프시켜 모터의 속도를 제어하는 정상적인 동작을 행한다.
상기 과전류에는 도 5에서와 같이 3가지의 종류가 있는데, 첫째는 암쇼트로써 위아래의 스위치소자 2개(31,33 또는 33,34 또는 35,36)가 동시에 온되는 경우이고(A경로), 두 번째는 출력쇼트로써 인버터(14)의 출력이 쇼트되어 흐르는 경우이며(B경로), 세 번째는 지락쇼트로써 인버터와 모터에 연결된 전선이 지면 등에 떨어져서 위쪽 스위치에서 접지의 지면 등을 통해서 흐르는 경우(C경로)이다.
상기에서와 같은 전류는 인버터(14)의 소손을 가져오는 치명적인 과전류이다.
상기에서와 같은 3가지 전류를 전부 검출하기 위해서는 포지티브 사이트에서 전류를 검출해야 한다.
그러나, 도2에서와 같은 일체형에서는 모터와 인버터가 합체되어서 지락전류는 발생하지 않게되며, 이에따라 본 발명에서는 과전류 검출부(44)를 네거티브 사이트에 위치시켜 입력쇼트 및 출력쇼트에 따른 과전류를 검출하게 한 것이다.
상기에서와 같이 네거티브 사이트로 전류검출위치를 옮김에 따라 별도의 전원부와 절연부를 필요로 하지 않는다.
이와같이 인버터 보호부(48)가 바로 과전류, 이상온도 및 부족전압을 검출 여부에 따라 인버터(43)의 동작을 제어하므로, 종래에 필요로 했던 보호회로부를 필요없게 한다.
이상에서와 같이 과전류, 이상온도 및 부족전압이 검출되지 않으면 정상적으로 모터가 구동하고, 상기 과전류, 이상온도 및 부족전압중 어느하나가 검출되면 인버터의 동작을 차단시켜 스위칭소자가 파괴되는 것을 방지하고, 돌입전류 방지부를 제거하여 부피를 줄이고, 게이트 드라이브버 절연부를 인버터에 하나로 합체하여 내노이즈를 줄여 신뢰성을 향상시킴과 아울러 단일칩화가 가능하여 부피를 줄이고, 과전류 검출방법을 최적화하여 회로를 단순화할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 부품의 집적화로 부피를 줄여 일체형에 적합하도록 하고, 일부의 회로를 제거하여 내노이즈를 줄임과 아울러 가격을 낮추어 신뢰성을 향상시킨 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 입력되는 3상 교류전원을 직류전압으로 정류하는 정류부와, 상기 정류부의 직류전압에 대하여 필터링하여 입력시 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 필터부와, 마이크로컴퓨터에서 출력되는 게이트 구동신호(HU,LU,VU)(HV,LV,VV)(HW,LW,VW)에 따라 동작하여 상기 필터부(42)에서 출력되는 직류전압을 3상 교류전압으로 바꾸어 모터를 구동하 는 게이트 구동/절연부 및 스위칭소자가 합체화된 인버터와, 상기 필터부와 인버터 사이의 네가티브 사이트에서 과전류가 흐르는지 검출하는 과전류 검출부와, 상기 과전류 검출부에서 과전류 검출시 소정시간 동안 과전류 발생신호를 발생시키는 시간 지연부와, 상기 네가티브 사이트에서 정격온도 이상의 온도를 검출하는 이상온도 검출부 및 정격이하의 전압을 검출하는 부족전압 검출부와, 상기 시간 지연부, 이상온도 검출부 및 부족전압 검출부중 적어도 어느하나에서 검출신호가 출력될 때 상기 인버터(43)의 구동전압공급을 차단하여 소자들을 보호하기 위한 인버터 보호부(48)로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 모터의 구동장치.
  2. 제1항에 있어서, 인버터 보호부는 하나 이상의 검출신호가 입력되면 로우레벨의 제어신호를 출력하는 노아게이트와, 상기 노아게이트의 출력에 따라 구동 또는 차단되어 인버터의 구동전압을 공급 또는 차단하도록 하는 포토커플러와 엔모스 트랜지스터로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 인버터 일체형 모터의 구동장치.
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