KR100440223B1 - 전력변환기 드라이브 회로 - Google Patents

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Abstract

펄스폭변조(Pulse Width Modulation) 방법을 적용하는 전력변환기 드라이브 회로에 있어서, 절연된 전원공급이 필요하지 않은 다수의 전력용 MOSFET를 사용하고, 단일전원을 사용하여 상기 전력용 MOSFET의 게이트를 구동하며 모터의 전원신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력변환기 드라이브 회로.

Description

전력변환기 드라이브 회로{A power inverter driver circuit}
본 발명은 펄스폭변조 방식 전력변환기를 구성하고 있는 스위칭 소자의 게이트 구동 및 전원회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력변환기의 주 회로에서 MOSFET의 게이트 특성을 갖는 전력용 반도체 소자를 사용했을 때 게이트 구동전원을 절연된 전원공급이 필요하지 않는 게이트 전원회로에 관한 것이다.
일반적으로, 서보 모터(servo motor)는 통상적인 모터에 비해 시동 토크가 크고 입력변화에 대한 응답속도가 빠르기 때문에 로보트(robot)를 포함한 자동 제어기기에 널리 사용되고 있다. 이러한 서보 모터의 제어에 있어서 가장 중요한 요소는 모터에 유입되는 전압과 전류를 효율적으로 그리고 효과적으로 제어하는 것이다. 이때, 모터에 인가되는 전압과 전류를 제어하는 것을 전력제어라고 하며 전력제어는 전력제어 변환기에 의하여 제어된다.
도 1은 종래 기술에 의한 교류 서보 모터 드라이버의 블럭 구성도이다. 도시되어 있는 바와 같이, 종래 기술에 의하면 펄스폭변조 신호선에 입력단이 연결되어 있는 제 1포토커플러(1)와, 교류 신호선에 입력단이 연결되어 있는 정류부(2)와, 상기한 제 1 포토커플러(1)와 정류부(2)의 출력단에 입력단이 연결되어 있는 게이트 드라이브(3)와, 상기한 게이트 드라이브(3)의 출력단에 입력단이 연결되어 있는 파워 스위칭 소자부(4)와, 전류 센서(5)와, 과전류 검출부(6)와, 상기 과전류 검출부(6)의 출력단에 입력단이 연결되어 있는 제 2 포토 커플러(7)와, 각종 전압 검출부(8)와, 상기 각종 전압 검출부(8)의 출력단에 입력단이 연결되어 있는 제 3포토 커플러(9)를 포함하여 이루어진다.
이러한 구성의 종래 교류 서보모터 구동 제어장치의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
컨트롤러(도시되지 않음)로부터 펄스폭 변조신호가 입력되면, 상기 제 1 포토커플러(1)는 상기 펄스폭 변조신호에 포함되어 있는 노이즈를 제거한 뒤에 이를 게이트 드라이브(3)로 출력한다. 이때, 상기 게이트 드라이브(3)는 정류부(2)에 의해 직류전원을 공급받아서 이를 이용하여 상기 제 1 포토커플러(1)를 통해서 입력되는 펄스폭 변조신호를 구동신호로 변환하여 파워 스위칭 소자부(4)로 출력한다.
상기 파워 스위칭 소자부(4)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)로 구성되어있으며, 상기 게이트 드라이브(3)로부터 입력되는 구동신호에 의해 구동되어 3상의 교류모터 전원신호(U, V, W)를 교류서보모터(도시되지 않음)로 출력한다.
종래에는 상기 파워 스위칭 소자부(4)로서 일반적으로 절연 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor : IGBT)가 사용된다. IGBT는 이름에도 나타난 바와 같이 그 내부구조가 바이폴라 트랜지스터와 전력 MOSFET가 결합되어 있는 구조를 가지고 있다. 이것을 MOSFET의 제어하기 쉬운 특성과 고속의 스위칭 속도를 이용하고 바이폴러 트랜지스터의 고압 대용량의 특성을 살리기 위하여 고안된 전력 제어소자로서 최근 대용량 전력 제어소자로 많이 사용되고 있다.
서보 모터의 제어를 위한 전력변환기를 구성하기 위한 전력소자는 다음과 같은 두 가지 제어 요소를 필요로 한다.
① 높은 스위칭 용량
전력을 제어하기 위하여 필요한 것은 절연 전압과 낮은 도통 저항을 필요로 하게 되는데 절연전압은 전력소자가 동작하지 않고 있을 때 즉, 오프(off)되어 있을 때 소자 양단에 걸리는 전압에 의하여 소자가 파괴되지 않는 전압을 말한다.또한 낮은 도통 저항은 소자가 구동되어 질 때 소자의 양단에서 측정되어 지는 저항 값을 말하는데 이것은 소자를 통하여 대용량의 전류가 흐르게 되고 이때 소자의 저항성분이 손실로 나타나게 된다. 전류의 제곱과 저항의 곱에 의하여 손실이 나타나고 발열하게 된다. 따라서 이러한 손실은 열로서 발열하게 되고 동작 도통 저항이 크면 대용량의 전류를 흐르게 할 수 없다. 그러므로 전력 소자의 선정에 있어서 가장 중요한 것이 바로 용량의 선정이며, 모터를 구동하는 모터 드라이버 또한 용량이 증가하게 되면 상당부분 코스트 비용이 증가하게 되는 것이다.
② 높은 스위칭 주파수
전력을 제어하는 방법으로는 부하에 인가되는 공급 전압의 폭을 조절하여 제어하는 방법이 많이 사용되며 이를 펄스 폭 변조 (Pulse Width Modulation : PWM) 제어라고 한다. 이렇게 공급 전압의 폭을 제어하는 것은 부하에 공급되는 전압을 펄스 파형으로 인가하게 되며 이는 전압을 온-오프(on-off) 제어하여 공급하게 된다. 이렇게 온-오프(on-off) 제어되는 스위칭 전압 파형의 왜곡을 막기 위해서 고속의 스위칭 소자를 필요로 하게 된다. 일반적으로 서보 모터의 경우 수십 Khz 대역의 스위칭 주파수를 갖는다.
전력변환기의 회로에서 게이트 전위가 서로 다른 스위칭 소자들은 절연게이트바이폴라트랜지스터(IGBT)용 드라이버 회로의 예시도인 도 2에서 보는 바와 같이 각각 별도로 독립된 게이트 전원을 필요로 하고 있기 때문에 종래의 방법으로는 이들 회로를 소형화, 경량화 하기 위하여 고주파의 스위칭 전원을 사용해왔다. 그러나, 이 방법은 회로의 소형, 경량화의 한계를 가지고 있다.
본 발명은 펄스폭변조 방식을 적용하는 전력변환기의 게이트 구동용 전원을 단일전원만을 사용하는 전력변환기 드라이브 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 절연된 전원공급을 필요로 하는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 대신하여 전력용 MOSFET를 스위칭소자로 사용하여 회로를 소형화하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation) 방법을 적용하는 전력변환기 드라이브 회로에 있어서, 절연된 전원공급이 필요하지 않은 다수의 전력용 MOSFET를 사용하고, 단일전원을 사용하여 상기 전력용 MOSFET의 게이트를 구동하며 모터의 전원신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로의 세부적 특징은 상기 전력용 MOSFET의 게이트를 구동하기 위한 회로들이, 단일 전원에 의해 구동되는 정전압 집적회로(IC)와; 상기 단일전원에 의한 제 1 MOSFET의 통전을 위해 상기 전원에 직렬로 연결된 다이오드 및 제 1 캐패시터와; 상기 제 1 MOSFET가 통전상태일 때, 상기 정전압 IC를 거쳐 전달되는 전압을 충전하여 제 2 MOSFET의 게이트 구동 전원을 확보하기 위한 제 2 캐패시터와; 컨트롤러로부터 제공되는 펄스폭변조 신호를 각MOSFET의 게이트단에 전달하기 위해 병렬로 연결된 신호전달용 저항들을 포함하여 이루어지는 점이다.
본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로의 다른 세부적 특징은 상기 제 1 MOSFET가 오프상태일 때 상기 다이오드에 역전압이 인가되어 제 2 MOSFET의 게이트 전원이 상기 단일전원과 별도로 분리되는 점이다.
도 1은 종래 기술에 의한 교류 서보모터 드라이버의 블럭 구성도,
도 2는 절연게이트바이폴라트랜지스터(IGBT)용 드라이버 회로의 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로의 구성을 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로의 구성과 그에 따른 동작을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로의 구성을 나타낸 회로도이다. 도시된 바와 같이, 단일 전원(20V)을 사용하며 그 전원은 다수의 정전압 집적회로(7812)에 의해 각 게이트 구동회로(G1, G2, G3 …G6)가 안정되게 동작된다. 이하의 설명에서 동일한 기능을 수행하는 소자에 대하여는 동일 부호를 사용한다. 본 발명에서는 종래와 달리 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 사용하지 않고 전력 MOSFET를 사용한다.
전력 MOSFET는 게이트(gate) 단자에 인가되는 소신호 전압에 의하여 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이에 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 설계되어 있다. 이것은 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)에 비하여 그 구조에서 제어하기가 쉽도록 설계되어 있으며 온-오프(On-Off) 스위칭 속도가 빠르다.
게이트 구동회로 G4, G5 및 G6은 하나의 정전압 IC(7812)에 의해 구동되며 G1, G2 및 G3은 각각 정전압 IC를 구비한다.
G1, G2 및 G3은 동일한 구성을 이룬다. 이하의 설명에서 제 1 MOSFET는 G4에서의 T4, G5에서의 T5 및 G6에서의 T6을 나타내며, 제 2 MOSFET는 G1에서의 T1, G2에서의 T2 및 G3에서의 T3을 나타낸다.
상기 단일전원(20V)에 의한 제 1 MOSFET의 통전을 위해 상기 전원(20V)과 연결된 다이오드(D) 및 제 1 캐패시터 (C1)이 위치한다. 상기 제 1 MOSFET(T4, T5, T6)가 통전상태일 때, 상기 정전압 IC(7812)를 거쳐 전달되는 전압을 충전하여 제 2 MOSFET(T1, T2, T3)의 게이트 구동 전원을 확보하기 위해서 제 2 캐패시터(C2)가 상기 정전압 IC에 연결된다. 컨트롤러로부터 제공되는 펄스폭변조 신호를 각 MOSFET의 게이트단에 전달하기 위해 신호전달용 저항들(R1, R2)이 포토커플러와 각 MOSFET의 게이트(gate) 단 사이에 병렬로 연결된다.
컨트롤러로부터 게이트 단에 제공되는 신호에 의해 제 1 MOSFET(T4, T5, T6)가 통전 상태일 때 제 2 캐패시터(C2)에서 충전이 이루어진다. 이때 충전되는 전압에 의해 제 1 MOSFET(T1, T2, T3)의 게이트 전원이 확보된다. 상기 제 1 MOSFET(T4, T5, T6)가 오프 상태일 때, 다이오드(D)에 역전압이 인가되어 제 2 MOSFET(T1, T2, T3)의 게이트 전원이 전원(20V)과 별도로 분리된다. 각 정전압 IC에 의해 각 게이트 구동회로가 안정된 동작을 하여 MOSFET가 스위칭된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전력변환기 드라이브 회로를 적용하면 게이트 전원회로의 부피가 소형화되고 집적화 및 경량화를 이룰 수 있다. 또한, 전압 검출, 전류 검출 및 상단락 보호기능이 추가되어 외부의 회로 및 기기가 불필요하다.

Claims (3)

  1. 전력용 MOSFET를 사용하고 펄스폭변조(Pulse Width Modulation) 방법을 적용하는 전력변환기의 절연된 게이트 전원을 확보하기 위하여,
    전력변환기에 1개의 게이트용 전원을 사용하는 단일전원과;
    상기 MOSFET의 스위칭상태에 따라 충전과 절연기능을 갖는 다이오드와;
    상기 전력용 MOSFET의 게이트 구동전원을 확보하기 위해 상기 단일전원과 상기 다이오드에 의한 충전전압에서 정전압을 출력하는 정전압회로와;
    상기 정전압회로로부터 전압과 전류검출기에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력변환기 드라이브 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전력용 MOSFET의 게이트를 구동하기 위한 회로들은,
    단일 전원에 의해 구동되는 정전압 집적회로(IC)와;
    상기 단일전원에 의한 제 1 MOSFET의 통전을 위해 상기 전원에 직렬로 연결된 다이오드 및 제 1 캐패시터와;
    상기 제 1 MOSFET가 통전상태일 때, 상기 정전압 IC를 거쳐 전달되는 전압을 충전하여 제 2 MOSFET의 게이트 구동 전원을 확보하기 위한 제 2 캐패시터와;
    컨트롤러로부터 제공되는 펄스폭변조 신호를 각 MOSFET의 게이트단에 전달하기 위해 병렬로 연결된 신호전달용 저항들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력변환기 드라이브 회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 MOSFET가 오프상태일 때 상기 다이오드에 역전압이 인가되어 제 2 MOSFET의 게이트 전원이 상기 단일전원과 별도로 분리되는 것을 특징으로 하는 전력변환기 드라이브 회로.
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