KR100438278B1 - 비엘디씨모터 구동 장치 - Google Patents

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KR100438278B1
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Abstract

본 발명에 따른 비엘디씨모터 구동 장치는 비엘디씨모터 구동에 필요한 구형파를 생성하기 위한 스위치의 스위칭 과정에서 불필요하게 생성되는 서지 전압을 처리하는 스너버부의 스너버 커패시터를 전원 공급부의 평활 커패시터가 겸하도록 함으로써, 각 스위치에 설치되는 스너버 커패시터를 생략할 수 있다.
또한, 상기 스너버부가 전원 공급부에 연결되어 있으므로, 상기 전원 공급부에 인가되는 교류 전압이 충방전 커패시터에 의하여 감압된 전압인 경우에 필요한 구동 저항의 역할도 겸하게 되어 별도의 구동 저항을 생략할 수 있다.
따라서, 생산 원가가 절감되는 장점이 있다.

Description

비엘디씨모터 구동 장치{Apparatus for BLDC motor drive}
본 발명은 비엘디씨모터 구동 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 모터 구동을 위한 스위칭시 발생되는 서지 전압을 효율 저하 없이 방지하며, 이 때 사용되는 커패시터를 공통 커패시터로 대치한 비엘디씨모터 구동 장치에 관한 것이다.
모터 구동 장치, 특히 비엘디씨모터의 구동 장치는 상기 모터의 구동을 위하여 구형파가 필요한데 이를 위하여 내부에 인버터가 구비되어 있어 입력 전원을 스위칭하여 상기 구형파를 생성하고 있다.
그러나, 이 때의 스위칭은 불필요한 서지 전압을 유발시켜 시스템의 안정을 해칠 수 있으므로 이를 해결하기 위하여 서지 전압을 흡수하는 스너버가 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 스너버를 나타낸 개략도로서, 먼저 스위치(11)의 입력단과 출력단에 연결되어 있는 작은 용량의 커패시터(12)만으로 구성된 스너버가 있다. 이러한 구성의 특성을 우측의 그래프에 나타내었는데, 살펴보면 스너버로써의 역할은 수행하고 있으나 작은 용량의 커패시터(12)로 인한 임피던스의 증가로 그 반응이 늦어져 스위칭의 효율을 저하시키고 있다.
이를 해결한 것이 다음에 도시된 커패시터(12'), 저항(14) 및 다이오드(13)로 구성된 스너버로서, 상기 구성과의 가장 큰 차이점이라면 큰 용량의 커패시터(12')를 사용한다는 점이다. 동작을 살펴보면, 용량이 크기 때문에 낮은 임피던스를 갖게 되어 교류파인 서지 전압을 스위칭 전압까지는 그대로 통과시키게 된다. 따라서 스위치 양단의 전압을 나타낸 우측 그래프와 같이 스위칭 전압까지는 서지 전압의 상승곡선대로 상승하다 정격 전압에서 서지 전압의 오버 슈트 부분이 잘려지는 모양으로 스위치 양단 전압이 형성된다. 그러나, 이와 같이 큰 용량의 커패시터(12')를 사용함으로써 작동중에 상당량의 전력이 충전이 되는데, 이는 곧 상기 스위치(11)의 입력단 및 모터에 가해져 시스템의 오동작을 유발시키는 문제점이 발생될 수 있다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 다이오드(13)가 추가로 요구되며, 상기 다이오드(13)의 설치에 따라 내부에 충전된 전력을 방전하지 못하게 된 상기 커패시터(12')의 정상적인 동작을 위하여 상기 커패시터(12')와 병렬로 방전용 저항(14)을 추가로 설치한다. 그러나 이러한 저항의 설치는 또다른 저항 손실을 유발시키고 있다.
다음은 제너 다이오드(15) 단독으로 구성된 스너버를 나타내고 있는데, 그 특성은 큰 용량의 커패시터(12'), 다이오드(13) 및 저항(14)으로 이루어진 스너버와 유사하다. 저항이 필요치 않아 저항으로 인한 손실은 없으나 다만, 단독으로 사용될 경우에는 높은 정격의 제너 다이오드가 요구되므로 발열 및 생산 원가 등의 문제를 고려하여 낮은 정격의 제너 다이오드와 이를 보완하는 콘덴서 및 다이오드로 구성된 스너버가 많이 사용된다.
도 2a는 스너버가 구비되어 있는 종래의 비엘디씨모터 구동 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2a를 참조하면, 종래의 비엘디씨모터 구동 장치는 제 1 및 제 2 충방전 커패시터(21)(22)가 구비된 교류 전원부(20)와; 상기 제 1 커패시터(21)에 의하여 감압된 전원을 입력받아 정류 및 평활 회로를 거쳐 직류 전압을 생성 출력하는 모터 전원 공급부(30)와; 상기 모터 전원 공급부(30)에서 출력되는 직류 전압을 비엘디씨모터 구동에 적합한 구형파로 변환시키는 인버터부(40)와; 상기 인버터부(40)를 제어하는 제어부(60)와; 상기 제 2 충방전 커패시터(22)에 의하여 감압된 전원을 정류 및 평활 처리하여 상기 제어부(60)에 공급하는 제어부 전원 공급부(50) 및 상기 인버터부(40)와 제어부 전원 공급부(50)의 사이에 위치하는 구동 저항(70)으로 이루어져 있다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 교류 전원부(20)는 일반 상용 교류 전원을 상기 모터 전원 공급부(30) 및 제어부 전원 공급부(50)로 감압시켜 전송하는 부재로서, 이를 위하여 상기 모터 전원 공급부(30)로의 전원 공급을 위한 제 1 충방전 커패시터(21)와, 상기 제어부 전원 공급부(50)로의 전원 공급을 위한 제 2 충방전 커패시터(22)가 구비되어 있다.
상기 모터 전원 공급부(30)는 상기 교류 전원부(20)에서 감압된 교류 전원을 인가받아 직류 전원으로 변환시키는 부재로써, 이를 위하여 상기 교류 전원을 전파 정류하는 브릿지 다이오드(D2, D3, D6, D7)와 상기 정류된 전원에 남아 있는 맥동분을 제거하는 평활 커패시터(31) C2로 구성된 평활부가 구비되어 있다.
상기 인버터부(40)는 모터에 직접 구동 전원을 공급하는 부재로서, 비엘디씨모터가 구형파로 구동되는 관계로 상기 모터 전원 공급부(30)에서 인가된 직류 전원을 스위치를 이용하여 구형파로 변환시킨다. 즉, 직류 전원을 스위치인 MOS-FET(41)의 드레인 단자에 연결한 후 게이트의 신호에 의하여 스위칭함으로써 구형파를 생성한다. 그런데, 이러한 스위칭은 원하지 않는 서지 전압을 발생시키므로 이를 해결하기 위하여 스너버로써 한개의 저용량의 스너버 커패시터(42)가 사용되고 있다. 물론 상기 스너버 커패시터(42)는 상기한 바와 같은 다양한 구성의 스너버로 대치 가능하다.
상기 제어부(60)는 상기 인버터부(40)의 스위칭을 제어하는 부재로서, 구체적으로는 상기 인버터부(40) 내의 MOS-FET(41) 게이트 단자에 제어 신호를 가함으로써 제어하게 되며, 상기 제어 신호는 모터의 속도를 감지할 수 있는 홀센서(61)를 이용하여 생성된다.
상기 제어부 전원 공급부(50)는 상기 교류 전원부(20)에서 감압된 전원을 인가받아 정류 및 평활 처리하여 직류 전원을 생성 상기 제어부(60)에 공급하는 부재로서, 제어부에 보다 정확한 직류를 공급하기 위하여 제너 다이오드 ZD1이 구비되어 있다.
상기 구동 저항(70)은 전압 강하를 충방전 커패시터(21)(22)에 의하여 행하는 경우에 필요한 부재로서, 그 역할은 평활 커패시터(31)에 충전되는 전력을 방전시켜 시스템이 정상적으로 동작되도록 하는 것이다.
만약, 상기 구동 저항(70)이 없다면 비엘디씨모터 구동 전에는 상기 모터 전원 공급부(30)의 평활 커패시터(31)에 충전된 전압의 방전 경로가 없기 때문에 상기 평활 커패시터에는 입력 전압의 두배에 상당하는 전압이 충전된다. 이는 비엘디씨모터의 제어부 전원 공급부 충방전 경로를 나타낸 도 2b에 나타나 있듯이 제어부 전원 공급부의 방전 경로가 상기 평활 커패시터(31)를 충전하게 되어 배전압 효과를 가져오기 때문이다.
이러한 평활 커패시터의 전압 상승은 비엘디씨모터 구동 전, 즉 제어부의 구동전에 발생되어 상기 충방전 커패시터(22)의 정상적인 동작을 방해하여 모터의 구동이 이루어지지 않게 한다.
따라서, 상기 구동 저항(70)을 상기 평활 커패시터와 제어부 전원 공급부의 사이에 설치하여 모터 구동 전까지 평활 커패시터가 방전될 수 있도록 해야 한다.
이상에서 비엘디씨모터 구동 장치에 대하여 살펴보았다. 그런데, 이에는 개선해야할 점이 있는데 다음과 같다.
인버터부의 각 스위치마다 스너버가 구비되어 있는데, 단일 콘덴서로 구성하는 경우에는 효율 저하의 문제가 있으며, 커패시터와 저항 및 다이오드로 구성된 경우에는 스위치 수만큼 설치를 하여야 하므로 생산 원가가 상승되는 문제점이 있다.
제너 다이오드를 단독으로 사용하는 경우에는 높은 정격을 제너 다이오드를 사용해야 하는 관계로 원가가 상승되며, 다이오드와 커패시터를 병행하여 사용하는 경우에도 원가 상승의 문제는 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 효율의 저하없이 신뢰성 있는 스너버 성능을 제공함과 동시에 생산 원가를 저감시킬 수 있는 스너버가 구비된 비엘디씨모터 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 스너버를 나타낸 개략도.
도 2a는 스너버가 구비되어 있는 종래의 비엘디씨모터 구동 장치를 나타낸 회로도.
도 2b는 종래의 비엘디씨모터의 제어부 전원 공급부 충방전 경로를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 비엘디씨모터 구동 장치를 개략적으로 나타낸 블럭도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 비엘디씨모터 구동 장치를 나타낸 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11, 41, 141...스위치 12, 12'...커패시터
13...다이오드 14...저항
15...제너 다이오드 20...교류 전원부
21...제 1 충방전 커패시터 22...제 2 충방전 커패시터
30, 130...모터 전원 공급부 31...평활 커패시터
40, 140...인버터부 42...스너버 커패시터
50, 150...제어부 전원 공급부 60, 160...제어부
61...홀센서 70...구동 저항
200...스너버부
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비엘디씨모터 구동 장치는 비엘디씨모터 구동에 적정한 전압을 생성 출력하는 모터 전원 공급부와; 상기 출력 전압을 스위치의 스위칭을 통하여 비엘디씨모터 구동에 필요한 구형파로 변환시키는 인버터부와; 상기 인버터부의 스위칭을 제어하는 제어부와; 상기 제어부의 구동 전압을 생성 공급하는 제어부 전원 공급부로 이루어져 있으며,
특히 상기 인버터부내 스위치의 스위칭에 의하여 발생되는 서지 전압으로부터 회로를 보호하기 위하여 상기 스위치 입력단에 제너 다이오드와 정류 다이오드 및 상기 모터 전원 공급부 또는 제어부 전원 공급부의 평활 회로를 형성하는 커패시터로 구성된 스너버부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터 전원 공급부와 제어부 전원 공급부는 동일한 교류 전원을 사용하며, 각각 상기 교류 전원에 의해 충전 및 방전되어 전력공급을 제한할 수 있는 커패시터가 구비되어 있는 것을 다른 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 비엘디씨모터 구동 장치를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 비엘디씨모터 구동 장치는 비엘디씨모터 구동에 적정한 전압을 생성 출력하는 모터 전원 공급부(130)와; 상기 출력 전압을 스위치(141)의 스위칭을 통하여 비엘디씨모터 구동에 필요한 구형파로 변환시키는 인버터부(140)와; 상기 인버터부(140)의 스위칭을 제어하는 제어부(160)와; 상기 제어부(160)의 구동 전압을 생성 공급하는 제어부 전원 공급부(150)로 이루어져 있으며, 특히 상기 인버터부(140)내 스위치(141)의 스위칭에 의하여 발생되는 서지 전압으로부터 회로를 보호하기 위하여 상기 스위치 입력단에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드와, 상기 제너 다이오드의 애노드에 애노드가 연결되는 정류 다이오드와, 상기 정류 다이오드의 캐소드에 양극이 연결되며 또한 상기 모터 전원 공급부(130) 또는 제어부 전원 공급부(150)의 평활 회로를 형성하는 커패시터로 구성된 스너버부(200)를 포함하고 있다.
상기 스너버부를 보다 상세하게 설명하면, 상기 인버터부(140)내의 각 스위치(141)의 입력단에 제너 다이오드와 다이오드가 병렬로 연결되며, 이러한 그룹은 제어부 전원 공급부(150)내의 평활 회로로 사용되는 평활 커패시터에 공통으로 연결된다.
즉, 평활 커패시터가 스너버 커패시터의 역할을 겸하고 있다.
스위치를 MOS-FET로 설정한 경우 드레인단에 제너 다이오드의 캐소드가 연결되어 서지 전압을 효율적으로 방지하고 있으며, 이 때의 제너 다이오드를 정격이 작은 것으로 사용하기 위하여 스너버 커패시터를 사용하고 있는데, 제너 다이오드에 연결되어야 하는 이 스너버 커패시터를 상기 제어부 전원 공급부(150)의 평활 커패시터 한개로 모아 구성하고 있다. 다이오드는 캐소드가 상기 평활 커패시터의 양극에 연결되어 있어 제어부 전원 공급부에서 MOS-FET로의 전력 공급을 차단하는 역할을 한다.
이와 같이 전원 공급부의 평활 커패시터를 공통의 스너버 커패시터로 구성함으로써, 각각에 스위치에 연결되는 스위치 개수만큼의 스너버 커패시터를 생략할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 비엘디씨모터 구동 장치를 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 비엘디씨모터 구동 장치는 제 1 및 제 2 충방전 커패시터(21)(22)가 구비된 교류 전원부(20)와; 상기 제 1 커패시터(21)에 의하여 감압된 전원을 입력받아 정류 및 평활 회로를 거쳐 직류 전압을 생성 출력하는 모터 전원 공급부(30)와; 상기 모터 전원 공급부(30)에서 출력되는 직류 전압을 비엘디씨모터 구동에 적합한 구형파로 변환시키는 인버터부(140)와; 상기 인버터부(140)를 제어하는 제어부(60)와; 상기 제 2 충방전 커패시터(22)에 의하여 감압된 전원을 정류 및 평활 처리하여 상기 제어부(60)에 공급하는 제어부 전원 공급부(50)로 이루어져 있다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 교류 전원부(20)는 일반 상용 교류 전원을 상기 모터 전원 공급부(30) 및 제어부 전원 공급부(50)로 감압시켜 전송하는 부재로서, 이를 위하여 상기 모터 전원 공급부(30)로의 전원 공급을 위한 제 1 충방전 커패시터(21)와, 상기 제어부 전원 공급부(50)로의 전원 공급을 위한 제 2 충방전 커패시터(22)가 구비되어 있다.
상기 모터 전원 공급부(30)는 상기 교류 전원부(20)에서 감압된 교류 전원을 인가받아 직류 전원으로 변환시키는 부재로써, 이를 위하여 상기 교류 전원을 전파 정류하는 브릿지 다이오드(D2, D3, D6, D7)와 상기 정류된 전원에 남아 있는 맥동분을 제거하는 평활 커패시터(31) C2로 구성된 평활부가 구비되어 있다.
상기 인버터부(140)는 모터에 직접 구동 전원을 공급하는 부재로서, 비엘디씨모터가 구형파로 구동되는 관계로 상기 모터 전원 공급부(30)에서 인가된 직류 전원을 스위치를 이용하여 구형파로 변환시킨다. 즉, 직류 전원을 스위치인 MOS-FET의 드레인 단자에 연결한 후 게이트의 신호에 의하여 스위칭함으로써 구형파를 생성한다. 그런데, 이러한 스위칭은 원하지 않는 서지 전압을 발생시키므로 이를 해결하기 위하여 제너 다이오드(ZD11, ZD12)와 다이오드(D21, D22) 및 제어부 전원 공급부(50)의 평활 커패시터 C5로 구성된 스너버부(200)가 구비되어 있다.
상기 제어부(60)는 상기 인버터부(40)의 스위칭을 제어하는 부재로서, 구체적으로는 상기 인버터부(40) 내의 MOS-FET(41)(43) 게이트 단자에 제어 신호를 가함으로써 제어하게 되며, 상기 제어 신호는 모터의 속도를 감지할 수 있는 홀센서(61)를 이용하여 생성된다.
상기 제어부 전원 공급부(50)는 상기 교류 전원부(20)에서 감압된 전원을 인가받아 정류 및 평활 처리하여 직류 전원을 생성 상기 제어부(60)에 공급하는 부재로서, 제어부의 보다 정확한 구동을 위하여 제너 다이오드 ZD1이 구비되어 있다.여기서 평활 회로로써 사용되는 평활 커패시터 C5는 상기 스너버부(200)의 스너버 커패시터로써의 역할도 겸하고 있다.
동작을 살펴보면, 먼저 교류 전원부(20)의 교류 전압은 제 1 충방전 커패시터를 통하여 감압되어 상기 모터 전원 공급부(30)로 인가되며, 제 2 충방전 커패시터를 통하여 감압되어 상기 제어부 전원 공급부(50)로 인가된다.
상기 모터 전원 공급부는 상기 인가된 감압된 교류 전압을 브릿지 다이오드를 통하여 전파 정류한 후 평활 커패시터 C2를 통하여 맥동분을 제거하여 직류 전압으로 변환시킨다. 이러한 직류 전압은 상기 인버터부(141)에서 비엘디씨모터 구동에 적합한 구형파로 변환되는데, 이러한 변환은 상기 인버터부 내의 스위치(141)인 MOS-FET의 스위칭 작용에 의하여 이루어진다.
이 때의 스위칭에 의하여 함께 발생되는 서지 전압의 처리는 상기 스너버부(200)에서 이루어지며, 따라서 정격의 스위칭 전압이 상기 스위치(141)의 입력단에 가해지게 된다.
상기 스위치(141)의 동작은 제어단에 의하여 제어되는데, 상기 제어단에 가해지는 제어 전압은 상기 제어부 전원 공급부(50)의 전원을 공급받는 제어부(60)에서 생성되는데, 상기 제어부(60)는 비엘디씨모터의 속도를 측정하는 홀센서(61)를 구비하고 있어 적정 속도로 회전할 수 있도록 제어신호를 생성한다.
상기 동작 중 스너버부(200)의 동작과 역할에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
상기 스너버부는 스위칭 전압에서 서지 전압의 오버 슈트 부분을 제거하는역할의 제너 다이오드 ZD11, ZD12와 낮은 정격의 제너 다이오드의 사용을 가능하게 하기 위한 스너버 커패시터 C5와, 상기 스너버 커패시터 C5가 설치된 제어부 전원 공급부의 출력 전압이 스너버부를 통하여 인버터부에 가해지지 않도록 하는 다이오드 D21, D22로 구성된다.
즉, 스너버 커패시터로 제어부 전원 공급부의 평활 커패시터 C5를 공통으로 사용하고 있어 스너버 구성에 필요한 커패시터를 생략하였으며, 제너 다이오드 ZD11, ZD12를 사용하여 높은 스너버 성능을 제공한다.
또한, 본 실시예에서는 교류 전원부의 교류 전압의 감압을 별도의 감압 장치 대신 단순히 제 1 , 2 충방전 커패시터(21)(22)를 통하여 수행하고 있으므로, 별도의 구동 저항이 필요한데, 이 또한 상기 스너버부(200)가 수행하고 있다.
즉, 비엘디씨모터 구동전에 가해진 교류 전압의 충방전 과정에서 상기 모터 전원 공급부(30)의 평활 커패시터 C2에 충전되는 과전압이 상기 스너버부(200)에서 일정량 소모된 상태로 스너버부에 연결되어 있는 제어부 전원 공급부(50)로 유입됨으로써, 제어부 전원으로 사용되게 된다. 따라서, 별도의 구동 저항이 필요하지 않게 된다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 비엘디씨모터 구동 장치는 비엘디씨모터 구동에 필요한 구형파를 생성하기 위한 스위치의 스위칭 과정에서 불필요하게 생성되는 서지 전압을 처리하는 스너버부의 스너버 커패시터를 전원 공급부의 평활 커패시터가 겸하도록 함으로써, 각 스위치에 설치되는 스너버 커패시터를 생략할 수 있다.
또한, 상기 스너버부가 전원 공급부에 연결되어 있으므로, 상기 전원 공급부에 인가되는 교류 전압이 충방전 커패시터에 의하여 감압된 전압인 경우에 필요한 구동 저항의 역할도 겸하게 되어 별도의 구동 저항을 생략할 수 있다.
따라서, 생산 원가가 절감되는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 비엘디씨모터 구동에 적정한 전압을 생성 출력하는 모터 전원 공급부와;
    상기 모터 전원 공급부에 의해 공급된 전압을 내부에 구비된 복수개의 스위치의 스위칭을 통하여 비엘디씨모터의 구동을 제어하는 인버터부와;
    상기 인버터부의 스위칭을 제어하는 제어부와;
    상기 제어부의 구동 전압을 생성 공급하기 위해 내부에 평활 회로를 형성하는 커패시터를 구비한 제어부 전원 공급부와;
    상기 각 스위치의 스위칭에 의하여 발생되는 서지 전압으로부터 회로를 보호하기 위하여 각 스위치 입력단에 캐소드가 각각 연결된 제너 다이오드와, 상기 제어부 전원 공급부로부터 출력된 전압이 상기 인버터부에 인가되지 않도록 상기 제너 다이오드의 애노드에 애노드가 각각 연결된 정류 다이오드와, 상기 정류 다이오드의 캐소드에 공용으로 상기 평활 커패시터에 연결시킨 스너버부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨모터 구동 장치.
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