KR101176983B1 - 전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터를 구비한 자동차용 모터 구동 장치 - Google Patents

전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터를 구비한 자동차용 모터 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터와 그를 이용한 모터 구동 장치에 관한 것으로, 자동차용 모터 구동 장치에서 인버터로부터 발생되는 라디오 주파수 대역(특히, AM 및 FM 주파수 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 감소시키고, 추가적으로 U,V,W상의 출력 접속점에 Y-cap을 형성하는 캐패시터를 연결하여 고주파 영역에 대한 전자파 노이즈도 감소시키기 위한, 전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터와 그를 이용한 모터 구동 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 자동차의 모터 구동용 인버터로서, 위상에 따른 구동전압을 제공하기 위한 적어도 하나의 구동회로를 포함하며, 상기 구동회로는, 상부 및 하부에 토템폴 구조로 상호 연결되는 출력 접속점을 통해 구동전압을 출력하기 위한 한 쌍의 스위칭소자; 상기 한 쌍의 스위칭소자의 전원 양단에 배치되어 X-cap을 구성하여 일차로 전자파 노이즈를 감소하기 위한 제1 캐패시터(capacitor); 상기 한 쌍의 스위칭소자 각각의 드레인과 소스 사이에 병렬 접속되어, 상기 제1 캐패시터에 의해 감소된 전자파 노이즈 레벨에 기초하여 이차로 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 스너버(snubber) 회로;를 포함한다.

Description

전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터를 구비한 자동차용 모터 구동 장치{MOTOR DRIVE APPARATUS HAVING MOTOR DRIVING INVERTER FOR REDUCING ELECTROMAGNETIC NOISE}
본 발명은 전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터를 구비한 자동차용 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자동차용 모터 구동 장치에서 인버터로부터 발생되는 라디오 주파수 대역(특히, AM 및 FM 주파수 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 감소시키고, 추가적으로 U,V,W상의 출력 접속점에 Y-cap을 형성하는 캐패시터를 연결하여 고주파 영역에 대한 전자파 노이즈도 감소시키기 위한, 전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터를 구비한 자동차용 모터 구동 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 브러쉬레스 직류 모터((Brushless DC Motor)는 동기 모터의 구조에 직류모터와 유사한 전류 대 토크, 속도 대 전압의 특성을 가지며, 고효율, 높은 전력 밀도 때문에 가전용 기기로부터 산업용 기기에 이르기까지 활용분야가 점점 확대되고 있는 추세이다.
브러쉬레스 직류 모터는 무정류자 모터(commutatorless motor)라고도 하며, 통상 직류 모터의 중요한 부품인 브러쉬와 정류자 대신 인버터를 구성하는 전력 스위칭 반도체 소자(예를 들어, 트랜지스터, FET, IGBT 등)에 의한 스위칭을 통해 고정자 권선에 흐르는 전류를 절환하여 토크를 발생시켜 구동한다. 이러한 브러쉬레스 직류 모터는 주로 3상(U상,W상,V상)으로 구동되어 단상에 비해 토크 제어가 용이하며 효율이 높고 소음이 거의 없다.
브러쉬레스 직류 모터는 3개의 코일을 전기적으로 120도의 위상차를 갖도록 권선한 스테이터(stator)를 영구자석이 부착된 로터(rotor)에 대향하여 배치하며, 스위칭 소자를 통해 각 상의 코일들에 선택적으로 전원을 인가함에 따라 자화되는 스테이터 코어와 영구자석 상호간에 작용하는 자기력에 의하여 로터를 회전시킨다. 이때, 브러쉬레스 직류 모터는 로터와 스테이터 간의 상대적인 위치를 검출하여 구동을 제어하며, 이를 위해 인버터를 통해 홀 센서(Hall sensor) 등의 위치인식장치로부터 확인된 로터와 스테이터 상호간의 위치정보에 의해 스테이터 코일에 적절한 전압을 인가한다.
일반적으로, 브러쉬레스 직류 모터를 구동하는 데 필요한 모터 구동 장치는, 6개의 전력 스위칭 반도체 소자를 이용한 전압형 인버터를 구비한다. 이때, 인버터는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식에 따라 주로 제어된다. 이러한 펄스 폭 변조 방식은 전압을 일정하게 유지하면서 전류를 펄스방식으로 인가하여 평균전류를 제어하는 것으로서, 펄스 폭의 비율을 제어하는 방식이다.
전술한 바와 같이, 모터 구동 장치의 인버터는 전력 스위칭 반도체 소자의 고속 스위칭(ON/OFF)에 의한 펄스 폭 변조 방식을 실시하여 3상 구동 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.
이에 따라, 종래에는 인버터 회로의 전원 양단에 적어도 하나의 캐패시터(capacitor)를 연결함으로써, 전력 스위칭 반도체 소자의 스위칭 동작에 의한 역기전력을 줄이고, 발생된 전자파 노이즈를 바이패스(by-pass)시켜 외부로 방출하여 전체적으로 전자파 노이즈 감소를 유도하였다. 이는 모터 구동 장치의 인버터 회로에서 전반적으로 전자파 노이즈의 폭이 크지 않을 때 전자파 노이즈를 감소시키는 보편적인 방식으로 적용할 수 있으나, 전자파 노이즈의 폭이 클 때 특정 주파수 대역[특히, 라디오 주파수 대역 - 즉, AM 주파수 대역(520㎑～1.8㎒) 및 FM 주파수 대역(78㎒～108㎒)]에 있어서 원하는 규제 기준에 적합하도록 전자파 노이즈를 감소시키지 못하였다.
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. 예를 들어, 자동차의 급발진 현상은 전자기기의 오동작으로 인한 대표적인 사례로 알려져 있다. 즉, 급발진 현상은 자동변속 자동차의 시동시나 정차 후 출발시 엔진의 회전속도가 급격히 상승하여 급가속되는 것으로서, 전자기기에 비정상적인 전기신호가 전달되어 가속 페달을 밟지 않아도 비정상적인 동력 전달이 유발되는 것으로 알려져 있다. 상기와 같은 이유로, 자동체 업계에서는 자동차에 전자파 노이즈 규제 기준을 엄격히 적용하고 있는 실정이다.
최근의 자동차는 전자제어 기술의 발달로 인해 기계적 방식으로 동작되던 각종 장치들이 운전자의 편리성 및 운행의 안전성 등의 이유로 전기적인 방식으로 구동되고 있다.
예를 들어, 최근의 자동차는 자동차의 운행 조건에 따라 자동차의 주행속도 및 토크를 변화시키는 변속 제어 장치(Transmission Control Unit: TCU), 운전자의 브레이크 페달 조작 이외에도 주행중인 자동차의 각종 운행 정보에 따라 자동차를 제동하는 브레이크 잠김 방지 장치(Anti-lock Braking System: ABS), 직접 연료 분사(Gasoline Direct Injector: GDI) 엔진에서 공연비 전환시 엔진 토크의 급변동을 억제하기 위해 자동차 운행정보에 따라 스로틀 밸브 개도율을 제어하는 전자식 스로틀 제어 장치(Electronic Throttle Controller: ETC) 등과 같이 전기적 제어 방식으로 구동되고 있다. 이때, TCU, ABS, ETC 등의 전자 제어 장치는, 캔(Controller Area Neteork: CAN) 통신 방식을 통해 엔진 제어 장치(Engine Control Unit: ECU)와 통신하여 자동차의 운행 정보 등을 제공받는다. 여기서, 캔 통신 방식은 하이 통신 라인 및 로우 통신 라인에 의해 자동차의 전자 제어 장치들 간에 디지털 직렬 통신을 제공하기 위한 차량용 네트워크 시스템을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 엔진 제어 장치(ECU)는 TCU, ABS, ETC 등의 전자 제어 장치를 캔 통신에 의한 전기적 통신을 통해 제어한다는 점에서 전자파 간섭으로부터 자유로울 수 없다. 특히, 캔 통신 방식은 88㎒ 내지 108㎒의 FM 주파수 대역의 전자파 노이즈에 매우 취약하기 때문에, 자동차에서는 FM 주파수 대역의 전자파 노이즈를 집중적으로 차단하도록 설계할 필요가 있다. 즉, 자동차는 운전자의 생명과 밀접한 관련이 있기 때문에 운전자의 안전을 담보할 수 있도록, 전자파 간섭에 의한 오동작 가능성을 사전에 방지해야 한다.
아울러, 자동차는 운전자의 라디오 감청 환경을 제공할 수 있도록 인버터로부터 발생된 전자파 노이즈를 감소시켜 라디오 주파수 대역에 전자파 노이즈로 인한 영향없이 운전자로 하여금 쾌적한 라디오 청취가 가능한 환경을 제공해야 한다.
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 자동차 전자장치의 오작동을 방지할 뿐만 아니라, 운전자에게 쾌적한 라디오 청취 환경을 제공할 필요가 있다.
따라서 상기와 같은 종래 기술은 자동차에서 전자기기에 영향을 미치는 라디오 주파수 대역의 전자파 노이즈를 중점적으로 관리할 필요가 있으나, 라디오 주파수 대역의 전자파 노이즈를 소정의 레벨 이하로 감소시키기 어려운 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서 본 발명은 자동차용 모터 구동 장치에서 인버터로부터 발생되는 라디오 주파수 대역(특히, AM 및 FM 주파수 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 감소시키고, 추가적으로 U,V,W상의 출력 접속점에 Y-cap을 형성하는 캐패시터를 연결하여 고주파 영역에 대한 전자파 노이즈도 감소시키기 위한, 전자파 노이즈를 저감하는 모터 구동용 인버터를 구비한 자동차용 모터 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자동차의 모터 구동용 인버터로서, 위상에 따른 구동전압을 제공하기 위한 적어도 하나의 구동회로를 포함하며, 상기 구동회로는, 상부 및 하부에 토템폴 구조로 상호 연결되는 출력 접속점을 통해 구동전압을 출력하기 위한 한 쌍의 스위칭소자; 상기 한 쌍의 스위칭소자의 전원 양단에 배치되어 X-cap을 구성하여 일차로 전자파 노이즈를 감소하기 위한 제1 캐패시터(capacitor); 상기 한 쌍의 스위칭소자 각각의 드레인과 소스 사이에 병렬 접속되어, 상기 제1 캐패시터에 의해 감소된 전자파 노이즈 레벨에 기초하여 이차로 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 스너버(snubber) 회로;를 포함한다.
상기 스너버 회로는, 저항과 제2 캐패시터를 직렬로 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구동회로는, 라디오 주파수 대역인 AM 주파수 대역 및 FM 주파수 대역의 전자파 노이즈를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 구동회로는, 상기 한 쌍의 스위칭소자의 출력 접속점과 접지 사이에 연결되어, 고주파 대역의 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 Y-cap을 구성하는 제3 캐패시터;를 포함한다.
한편, 본 발명은 모터 구동 장치로서, 마이컴, 로직부, 게이트 드라이버부, 인버터 및 모터;를 포함하며, 상기 인버터는, U상, V상, W상의 3상 구동전압을 제공하기 위해 3개의 구동회로를 병렬로 연결하며, 상기 구동회로는, 상부 및 하부에 토템폴 구조로 상호 연결되는 출력 접속점을 통해 구동전압을 출력하기 위한 한 쌍의 스위칭소자; 상기 한 쌍의 스위칭소자의 전원 양단에 배치되어 X-cap을 구성하여 일차적으로 전자파 노이즈를 감소하기 위한 제1 캐패시터; 상기 한 쌍의 스위칭소자 각각의 드레인과 소스 사이에 병렬 접속되어, 상기 제1 캐패시터에 의해 감소된 전자파 노이즈 레벨에 기초하여 이차적으로 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 스너버 회로;를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 전력 스위칭 반도체 소자의 고속 스위칭 동작에 따른 전자파 노이즈(특히, 라디오 주파수 대역의 전자파 노이즈)를 중점적으로 감소시켜 전자파 간섭에 의한 자동차 전자장치의 오작동을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 운전자에게 전자파 노이즈에 의한 영향이 감소된 라디오 청취 환경을 제공하는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 라디오 주파수 대역 - 즉, AM 주파수 대역(520㎑～1.8㎒) 및 FM 주파수 대역(78㎒～108㎒)에 있어서 원하는 규제 기준에 적합하도록 전자파 노이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 U상,V상,W상의 출력 접속점에 Y-cap을 구비하여 고주파 대역의 전자파 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 장치에 대한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 인버터에 대한 회로도,
도 3a 및 도 3b는 스너버 회로에 의한 스위칭소자의 온오프시 시간에 따른 구동전압의 변화를 나타낸 그래프,
도 4a 및 도 4b는 스너버 회로에 대한 전자파 노이즈 감소를 나타낸 그래프,
도 5a 내지 도 5c는 FM 주파수 대역에 대한 전자파 노이즈 감소를 나타낸 그래프,
도 6a 및 도 6b는 Y-cap에 의한 전자파 노이즈 감소를 나타낸 그래프이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 장치에 대한 구성도이다.
도 1에 도시된 모터 구동 장치는 마이컴(10), 로직부(20), 게이트 드라이버부(30), 인버터(40)로 구성되어, 모터(50)에 구동 전원을 인가한다. 이때, 모터 구동 장치는 3상 구동 방식으로 모터(50)를 구동하는 경우를 예시한 것으로, 3쌍의 전력 스위칭 반도체 소자 즉, 3개의 상부 스위칭부[즉, 제1 스위칭부(41H), 제3 스위칭부(42H), 제5 스위칭부(43H)]와 3개의 하부 스위칭부[즉, 제2 스위칭부(41L), 제4 스위칭부(42L), 제6 스위칭부(43L)]에 대해 U상, V상, W상의 3상에 대한 토템폴(totem pole) 구조로 인버터(40)를 형성함으로써, 각 상의 출력 접속점(PU,PV,PW)으로부터 인버터 출력을 발생시켜 모터(50)의 3상 구동코일에 교대로 3상 구동 전압(즉, OUT1, OUT2, OUT3)을 인가한다.
여기서, 상부 스위칭부(41H,42H,43H) 및 하부 스위칭부(41L,42L,43L)는 전력 스위칭 반도체소자의 일례로서 'FET'를 적용하는 경우를 설명하나, 이에 한정되지 않는다.
부가적으로, 전력 스위칭 반도체소자로서 FET를 적용하는 경우에, 상부 스위칭부(41H,42H,43H)는 P 채널 소자를 사용하고 하부 스위칭부(41L,42L,43L)는 N 채널 소자를 사용하여 구동회로를 간단하게 조합할 수 있으나, P 채널 소자는 N 채널 소자에 비해 1.5~2.5배 고가이기 때문에, 통상적으로 상부 스위칭부(41H,42H,43H)의 경우에도 N 채널 소자를 사용한다.
이하, 모터 구동 장치의 구성요소에 대해 설명한다.
먼저, 마이컴(10)은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 로직부(20)로 출력한다.
다음으로, 로직부(20)는 마이컴(10)으로부터 출력된 펄스 폭 변조 신호, 모터(50)의 위치인식장치(홀 센서 등)가 로터의 자석 극성을 검출한 3개의 검출 신호(HS)를 조합하여 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 형성한다. 이때, 로직부(20)는 제1 게이트 드라이버(31) 내지 제3 게이트 드라이버(33) 각각으로 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 출력한다. 또는, 로직부(20)는 모터(50)의 위치 인식장치(홀 센서 등)에서 인식된 로터의 자석 극성을 검출한 검출 신호(HS)와 원래 모터 구동 지령을 조합하여 마이컴(10)으로부터 출력된 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 입력받아, 제1 게이트 드라이버(31) 내지 제3 게이트 드라이버(33) 각각에 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 출력할 수도 있다.
다음으로, 게이트 드라이버부(30)는 로직부(20)로부터 출력되는 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 인버터(40)의 상부 스위칭부(41H,42H,43H) 및 하부 스위칭부(41L,42L,43L)를 구동할 수 있는 각각의 드라이버 신호(UH-UL,VH-VL,WH-WL)로 변환하여 상부 스위칭부(41H,42H,43H) 및 하부 스위칭부(41L,42L,43L)의 게이트 단자로 인가한다.
다음으로, 인버터(40)는 상부 스위칭부(41H,42H,43H)와 하부 스위칭부(41L,42L,43L) 사이의 각 출력 접속점(PU,PV,PW)이 각각에 대응하는 모터(50)의 3상 구동코일에 각각 연결되어, 게이트 단자로 순차적 또는 선택적으로 인가되는 각각의 드라이버 신호(UH-UL,VH-VL,WH-WL)에 따라 각 출력 접속점(PU,PV,PW)을 통해 3상 구동전압을 모터(50)로 출력한다.
간략하게, 상부 스위칭부(41H,42H,43H)와 하부 스위칭부(41L,42L,43L)에 대한 동작을 설명한다. 먼저, 상부에 제1 스위칭부(41H)가 턴온되는 경우를 가정하면, 제1 스위칭부(41H)에 대응하는 하부에 제2 스위칭부(41L)는 턴오프 상태로 설정된다. 이로 인해, 제1 스위칭부(41H)의 게이트에 하이레벨 신호가 인가되어 턴온되면, 모터 구동전류는 제1 스위칭부(41H)를 통해 출력 접속점(PU)로부터 U상 코일(51)로 흐른다. 이때, U상 구동전압은 모터(50)에 인가된다. U상 코일(51)로 흐른 모터 구동전류는 제4 스위칭부(42L) 및 제6 스위칭부(43L) 중 하나를 턴온시켜 V상 코일(52) 및 W상 코일(53) 중 하나를 통해 접지로 흐른다. 마찬가지로, 제3 스위칭부(42H) 또는 제5 스위칭부(43H)가 턴온되는 경우에도 제1 스위칭부(41H)가 턴온되는 경우와 같이 적용된다.
다음으로, 모터(50)는 3상 구동방식으로 구동이 이루어지도록 스테이터에 U상 코일(51), V상 코일(52), W상 코일(53)을 구비하며, 스타(star) Y결선 방식으로 연결된 BLDC 모터이다.
이하, 도 2를 참조하여 인버터(40)의 구조에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터에 대한 회로도이고, 도 3a 및 도 3b는 스너버 회로에 의한 스위칭소자의 온오프시 시간에 따른 구동전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터(40)는, 3상 구동전압 즉, U상 구동전압(OUT1), V상 구동전압(OUT2) 및 W상 구동전압(OUT3)을 각각 생성하여 순차적으로 모터(50)의 코일(51,52,53)로 출력하기 위한 동일한 구조의 구동회로를 병렬로 배치한다. 이때, 각 구동회로는 상단이 서로 연결되어 전원전압(VDD)이 공통으로 인가되며, 하단이 서로 연결되어 접지된다.
이하 설명의 편의상, U상 구동전압(OUT1)을 출력하기 위한 구동회로를 "U상 구동회로(UC)", V상 구동전압(OUT2)을 출력하기 위한 구동회로를 "V상 구동회로(VC)", W상 구동전압(OUT3)을 출력하기 위한 구동회로를 "W상 구동회로(WC)"라 통칭하기로 한다.
먼저, U상 구동회로(UC)에 대해 설명한다.
U상 구동회로(UC)는 상부에 제1 스위칭부(41H)와 하부에 제2 스위칭부(41L)를 전원전압(VDD)와 접지 사이에서 토템폴 구조로 연결하여, U상 구동전압(OUT1)에 대한 출력회로를 구성한다. 이때, U상 구동전압(OUT1)은 제1 스위칭부(41H)와 제2 스위칭부(41L) 사이의 출력 접속점(PU)을 통해 출력된다.
구체적으로, 제1 스위칭부(41H)는 전력 스위칭 반도체소자로서 N형 FET로 이루어진 제1 스위칭소자(Q1), 제1 게이트 드라이버(31)의 출력에 대한 전류를 제한하기 위한 제1 저항(R1)를 포함하며, 특히, 제1 스위칭소자(Q1)의 드레인(drain)과 소스(source) 사이를 연결하여 라디오 주파수 대역의 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 제1 스너버 회로(snubber, S1)를 포함한다.
우선, 제1 스위칭소자(Q1)는 드레인과 소스 사이에 턴오프시에 모터(50)의 코일(51 내지 53)로부터 발생된 역기전력을 프리 휠링(free wheeling)시키기 위한 다이오드(D1)가 역방향으로 접속되어 있다. 이때, 제1 스위칭소자(Q1)는 드레인에 전원전압(VDD)이 연결된다.
또한, 제1 저항(R1)은 제1 게이트 드라이버(31)의 출력과 제1 스위칭소자(Q1)의 게이트 사이에 연결된다.
또한, 제1 스너버 회로(S1)는 제1 스위칭소자(Q1)의 드레인과 소스 사이에 연결하여 제1 스위칭소자(Q1)과 병렬로 배치하며, 제7 저항(R7)과 제1 캐패시터(C1)를 직렬로 연결한 R-C 회로를 구성한다. 이때, 제1 스너버 회로(S1)는 제1 스위칭소자(Q1)의 온(on)/오프(off)시에 오버슈팅(overshooting)을 줄여 FM 주파수 대역의 전자파 노이즈를 감소시킨다(도 3a 및 도 3b 참조). 즉, 제1 스너버 회로(S1)는 제1 스위칭소자(Q1)의 온/오프시 시간변화에 따른 전압 상승률(dV/dt)을 줄임에 따라 피크(peak) 성분의 전자파 노이즈를 억제하여, 모터 구동 회로로부터 발생되는 전자파 노이즈를 감소시킨다.
한편, 제1 스위칭부(41H)의 하부에 배치된 제2 스위칭부(41L)는, 제2 스위칭소자(Q2), 제2 저항(R2)를 포함하며, 특히, 제2 스위칭소자(Q2)의 드레인과 소스 사이를 연결하는 제2 스너버 회로(S2)를 포함한다. 이때, 제2 스위칭소자(Q2)는 소스가 접지된다.
이때, 제2 스위칭부(41L)는 제1 스위칭부(41H)와 동일한 구조를 가지며, 그에 따라 제1 스위칭부(41H)와 각 구성요소가 대응된다. 즉, 제2 스위칭부(41L)의 구성요소인 제2 스위칭소자(Q2), 제2 저항(R2) 및 제2 스너버 회로(S2)는, 제1 스위칭부(41H)의 구성요소인 제1 스위칭소자(Q1), 제1 저항(R1) 및 제1 스너버 회로(S1) 각각에 대해 대응한다. 이에 따라, 제2 스위칭부(41L)는 전술한 제1 스위칭부(41H)에 대한 설명을 통해 당업자에게 쉽게 이해될 수 있으므로 중첩되는 설명을 생략하기로 한다.
다만, 상부의 제1 스위칭부(41H)에서 제1 스위칭소자(Q1)의 소스와 하부의 제2 스위칭부(41L)에서 제2 스위칭소자(Q2)의 드레인 사이에 형성된 출력 접속점(PU)에서는, 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)의 온/오프 스위칭 동작에 따라 0V로부터 전원전압(VDD)까지의 전압 변동이 이루어진다. 여기서, 5V에서 동작하는 제1 스위칭소자(Q1)를 턴온시키는 경우를 가정하면, 제1 스위칭소자(Q1)의 게이트를 출력 접속점(PU)보다 +5V가 되도록 제1 게이트 드라이버(31)의 게이트 신호(UH)가 발생되는 것이 요구된다.
또한, 제1 스위칭부(41H)와 제2 스위칭부(41L)의 전원 전압 양끝단에는 X-cap을 이루는 제7 캐패시터(C7)를 연결하여 전원전압(VDD)의 고주파 노이즈를 감소시킨다.
이와 같이, U상 구동회로(UC)는 1차적으로 X-cap을 이루는 제7 캐패시터(C7)에 의한 전자파 노이즈 감소에 기초하여, 2차적으로 제1 스너버 회로(S1)에 의해 전자파 노이즈를 감소시키는 상호 작용을 통해 궁극적으로 150㎑～200㎒ 주파수 대역(특히, 라디오 주파수 대역 - 즉, AM 및 FM 주파수 대역)에 대한 전반적인 광대역 주파수 대역의 전자파 노이즈 감소를 유도한다(후술할 도 4a 내지 도 4c, 도 5a 내지 도 5c참조).
또한, 제1 스위칭부(41H)와 제2 스위칭부(41L) 사이의 출력 접속점(PU)에는 Y-cap을 적용하여 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)의 온/오프시 지연 효과로 인한 200㎒～300㎒의 고주파 노이즈를 감소시키기 위해 전자파 노이즈를 그라운드로 흘려보낸다.
한편, V상 구동회로(VC) 및 W상 구동회로(WC)는 U상 구동회로(UC)와 동일한 구조를 가지며 각 구성요소가 대응하므로, V상 구동회로(VC) 및 W상 구동회로(WC)의 구체적인 설명은 전술한 U상 구동회로(UC)의 설명으로 갈음한다.
V상 구동회로(VC)는 상부에 제3 스위칭부(42H)와 하부에 제4 스위칭부(42L)를 포함하며, W상 구동회로(WC)는 상부에 제5 스위칭부(43H)와 하부에 제6 스위칭부(43L)를 포함한다. 이때, 제3 스위칭부(42H)와 제5 스위칭부(43H)는 제1 스위칭부(41H)에 대응하며, 제4 스위칭부(42L)와 제6 스위칭부(43L)는 제2 스위칭부(41L)에 대응한다. 즉, 제2 내지 제6 스위칭소자(Q2~Q6)는 제1 스위칭소자(Q1)에 대응한다. 제2 내지 제6 저항(R2~R6)은 제1 저항(R1)에 대응한다. 제2 내지 제6 스너버 회로(S2~S6)는 제1 스너버 회로(S1)에 대응한다.
이는 자동차용 모터 구동 회로에서만 적용하는 것이 아니라, 통상의 모터 구동 회로에서도 전자파 노이즈 제거를 위해 적용될 수 있다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 AM 주파수 대역에 대한 전자파 노이즈 감소를 나타낸 그래프이다. 도 4a는 X-cap의 캐패시터만 사용한 경우를 나타내고, 도 4b는 스너버 회로만 사용한 경우를 나타내며, 도 4c는 X-cap의 캐패시터 및 스너버 회로를 함께 사용하는 경우를 나타낸다.
도 4c의 X-cap의 캐패시터 및 스너버 회로를 함께 사용하는 경우에는, 도 4a의 X-cap의 캐패시터만 사용할 경우보다 150㎑ 영역 및 AM 영역(520㎑～1.8㎒)에서 전자파 노이즈가 3㏈정도 감소하였으며, 도 4b의 스너버 회로만 사용할 경우보다 150㎑ 영역 및 AM 영역(520㎑～1.8㎒)에서 전자파 노이즈가 1㏈정도 감소하였다.
도 4c와 같이 X-cap의 캐패시터 및 스너버 회로를 동시에 사용하는 경우에는, 자동차용 모터 구동 회로에서 AM 주파수 대역의 전자파를 감소시킨다.
도 5a 내지 도 5c는 FM 주파수 대역에 대한 전자파 노이즈 감소를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 X-cap의 캐패시터만 사용한 경우를 나타내고, 도 5b는 스너버 회로만 사용한 경우를 나타내며, 도 5c는 X-cap의 캐패시터 및 스너버 회로를 함께 사용하는 경우를 나타낸다.
도 5c의 X-cap의 캐패시터 및 스너버 회로를 함께 사용하는 경우에는, 도 5a의 X-cap의 캐패시터만 사용할 경우보다 FM 영역(76㎒～108㎒)에서 전자파 노이즈가 10㏈정도 감소하였으며, 도 5b의 스너버 회로만 사용할 경우보다 40㎒～75㎒ 영역 및 108㎒～200㎒ 영역에서 전자파 노이즈가 감소하였다.
도 5c와 같이 X-cap의 캐패시터 및 스너버 회로를 동시에 사용하는 경우에는, 전자파 파형이 전반적으로 평탄화하였으며, 특히 자동차용 모터 구동 회로에서 중요시하는 FM 주파수 대역의 전자파를 감소시킨다.
도 6a 및 도 6b는 Y-cap에 의한 전자파 노이즈 감소를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 Y-cap의 삽입전을 나타내고, 도 6b는 Y-cap의 삽입후를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b에서는 100W 모터에서 각 출력 접속점(PU,PV,PW)에 대해 0.001㎌ 캐패시터를 배치한 Y-cap의 전자파 노이즈 감소 효과를 확인할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, Y-cap은 전자파 노이즈를 감소시켜 전자파 노이즈 파형을 평탄화시키며, 특히 200㎒～300㎒의 고주파 대역에 대한 전자파 노이즈를 감소시킨다.
여기서, 도 4a 내지 도 6b에 도시된 그래프는 EMC(Electromagnetic Compatibility) 테스트의 RE 테스트 파형을 나타낸다. 이때, 인버터(40)의 발생 전자파 노이즈의 최대값(ⓐ)은 규제 최대 전자파 노이즈(ⓒ)보다 낮고, 발생 전자파 노이즈의 평균값(ⓑ)은 규제 평균 전자파 노이즈(ⓓ)보다 낮아야 한다. 하지만, 자동차에서는 다양한 부품들이 전자파 노이즈를 발생하여 전자파 노이즈 중첩에 의해 내부 전자기기에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 규제 전자파 노이즈보다 상당히 낮은 전자파 노이즈 레벨로 관리된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 마이컴 20: 로직부
30: 게이트 드라이버 40: 인버터
41H~43H: 제1,3,5 스위칭부 41L~43L: 제2,4,6 스위칭부
S1~S6: 제1 내지 제6 스너버 회로 Q1~Q6: 제1 내지 제6 스위칭소자
R1~R12: 제1 내지 제12 저항 C1~C12: 제1 내지 제12 캐패시터
50: 모터

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 3상 구동방식의 자동차용 모터 구동 장치로서,
    모터 구동에 필요한 구동신호를 펄스폭변조 신호(PWM)로 발생하는 마이컴;
    상기 모터의 로터 위치를 검출하여 제1 내지 제3 로터위치 검출신호를 출력하는 홀센서;
    상기 펄스폭변조 신호와 제1 내지 제3 로터위치 검출신호를 조합하여 제1 내지 제3 게이트 제어신호를 발생하는 로직부;
    각각 상기 제1 내지 제3 게이트 제어신호를 증폭하여 한쌍의 드라이버 신호를 출력하는 제1 내지 제3 게이트 드라이버; 및
    3쌍의 스위칭 소자가 각각 토템폴 구조로 접속되고 각각 상기 한쌍의 드라이버 신호가 인가됨에 따라 상기 스위칭 소자들이 선택적으로 스위칭되면서 각 상의 출력 접속점으로부터 3상 구동전압을 발생하여 상기 모터를 구동시키도록 병렬접속된 3상 구동회로를 구비하는 인버터;를 포함하며,
    상기 각상의 구동회로는,
    상부 및 하부에 토템폴 구조로 상호 연결되는 출력 접속점을 통해 선택적으로 구동전압을 출력하기 위한 한 쌍의 N 채널 FET 스위칭소자;
    상기 한 쌍의 스위칭소자의 전원 양단에 배치되어 X-cap을 구성하여 전원전압의 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 제1 캐패시터;
    상기 한 쌍의 스위칭소자 각각의 드레인과 소스 사이에 병렬 접속되어, AM 주파수 대역의 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 스너버 회로; 및
    상기 한 쌍의 스위칭소자의 출력 접속점과 접지 사이에 연결되어, FM 고주파 대역의 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 Y-cap을 구성하는 제3 캐패시터;
    를 포함하는 자동차용 모터 구동 장치.
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