KR101299247B1 - Ｄｃ_링크 전압 감지용 전원 전압을 제공하는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 인버터를 구비하는 모터 구동 시스템에 VDC_LINK 전압을 센싱하기 위한 별도의 DC-DC 컨버터를 사용하지 않게 해주는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로를 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 인버터에 사용되는 게이트 드라이브 전원 공급 회로에 있어서, 입력 전압이 인가되는 입력단과 복수개의 출력 전압들을 출력하는 복수개의 출력단들을 구비하고, 상기 입력 전압을 변환하여 상기 복수개의 출력 전압들을 전압 레벨이 각기 다르게 만들어서 출력하는 DC-DC 변환부; 상기 복수개의 출력단들 중 하나에 연결되며, 입력되는 전압이 특정 레벨 이하일 때는 그대로 출력하고, 상기 입력되는 전압이 상기 특정 레벨을 초과할 때는 상기 특정 레벨로써 출력하는 클램핑부; 및 상기 클램핑부로부터 출력되는 전압을 받아서 이를 항상 일정한 전압 레벨로써 변환하여 출력하는 레귤레이터를 구비하는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로를 제공한다.

Description

ＤＣ_링크 전압 감지용 전원 전압을 제공하는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로{Circuit for providing gate drive supply voltage to inverter and DC_link voltage sensing circuit}
본 발명은 인버터의 게이트 드라이브에 전원 전압을 공급하는 전원 공급 회로에 관한 것으로서, 특히 인버터에 입력되는 DC_링크 전압을 감지하는 회로에 전원 전압을 공급하는 전원 공급 회로에 관한 것이다.
DC(Direct Current)를 AC(Alternating current)로 변환하는 전력 변환 장치에서 인가되는 DC_링크(link) 전압을 감지하여 과전압 보호기능 용도로 사용하고 있으며, 스위칭 파워소자의 전류제어를 위해 상기 감지된 전압 정보를 이용하고 있다. 특히, 상용 AC 전원을 입력으로 하는 시스템과 가변폭이 큰 배터리(battery) 전압을 이용하는 시스템에서는 DC_링크 전압을 감지하여 제어에 반영하지 않으면 전류 제어 특성이 저하될 수 있다.
DC를 AC로 변환하는 전력변환 장치에서는 필수적으로 파워 스위칭 소자를 사용하고 있다. 인버터는 일반적으로 3상 AC를 출력하며, 이를 위해 복수개의 스위칭 소자들을 사용한다. 복수개의 스위칭 소자들을 위해 독립적인 복수개의 전원 전압들과 독립된 하나의 전원 전압이 필요하게 된다. 즉, 총 4개의 독립적인 전원 전압이 필요하게 된다. 이러한 독립된 전원 전압은 별도의 DC-DC 컨버터를 사용하여 만들 수 있다.
수[KW] 이상의 인버터에서는 안전 및 노이즈 문제로 인해 제어 그라운드와 메인 전원 그라운드를 분리하는 것이 일반적이며, 분리된 메인 전원 전압을 감지하기 위해서는 별도의 독립전원이 필요하며, 이는 별도의 DC-DC 컨버터를 추가해서 구현하는 것이 일반적이었다. 소용량 인버터에서는 제어 전원과 메인 전원을 공통 그라운드로 사용하는 경우가 더러 있다. 이 경우에는 메인 DC 전압을 감지하기 위한 별도의 그라운드와 분리된 DC-DC 컨버터가 필요하지는 않다. 하지만, 수[KW] 이상의 대용량 인버터에서는 안전 및 노이즈 문제로 인해 제어 그라운드와 메인 전원 그라운드를 분리하고 있어 메인 DC 전압을 감지하기 위해서는 제어 전원과 분리된 별도의 독립 전원이 필요하게 된다.
종래에는 별도의 DC-DC 컨버터를 추가함으로써 시스템을 복잡하게 만들었으며, 추가 비용 부담으로 인해 항상 문제시 되고 있다. 제어 전원을 위해 메인 DC 전원을 입력으로 한 DC-DC 컨버터를 사용하는 시스템에서는 별도의 DC-DC 컨버터를 사용하지 않는 방법이 있으나 차량용 인버터와 같이 별도의 제어 전원을 공급하는 시스템에서는 이 또한 불가능하게 된다.
본 발명의 목적은 인버터를 구비하는 모터 구동 시스템에 메인 DC 전압을 감지하기 위한 별도의 DC-DC 컨버터를 사용하지 않게 해주는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
인버터에 사용되는 게이트 드라이브 전원 공급 회로에 있어서, 입력 전압이 인가되는 입력단과 복수개의 출력 전압들을 출력하는 복수개의 출력단들을 구비하고, 상기 입력 전압을 변환하여 상기 복수개의 출력 전압들을 전압 레벨이 각기 다르게 만들어서 출력하는 DC-DC 변환부; 상기 복수개의 출력단들 중 하나에 연결되며, 입력되는 전압이 특정 레벨 이하일 때는 그대로 출력하고, 상기 입력되는 전압이 상기 특정 레벨을 초과할 때는 상기 특정 레벨로써 출력하는 클램핑부; 및 상기 클램핑부로부터 출력되는 전압을 받아서 이를 항상 일정한 전압 레벨로써 변환하여 출력하는 레귤레이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로를 제공한다.
바람직하기는, 상기 DC-DC 변환부에 3상 교류 전압을 출력하는 파워스위칭 소자가 추가적인 게이트 IC를 사용하여 연결되며, 파워스위칭 소자 출력 전압들은 모터에 인가된다. 상기 인버터에는 상기 인버터에 입력되는 DC_링크 전압을 감지하는 DC_링크 전압 감지 회로가 연결되며, 상기 레귤레이터로부터 출력되는 전압은 상기 DC_링크 전압 감지 회로에 인가되어 상기 DC_링크 전압 감지 회로의 전원 전압으로써 사용된다. 또한, 상기 인버터는 상기 3상 교류 전압을 생성하기 위하여 제1 내지 제6 스위칭 소자들을 구비하며, 상기 DC-DC 변환부는 제1 내지 제4 출력 전압들을 출력하고, 상기 제1 내지 제3 출력 전압들은 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자들에 인가되고, 상기 제4 출력 전압은 상기 제4 내지 제6 스위칭 소자들에 공통으로 인가된다.
바람직하기는, 상기 클램핑부는 상기 복수개의 출력단들 중 하나와 접지단 사이에 연결되어 상기 복수개의 출력단들 중 하나로부터 출력되는 전압을 플러스 전원과 마이너스 전원으로 분리하여 상기 레귤레이터로 전달한다. 또한, 상기 클램핑부와 상기 접지단 사이에 연결되어 상기 접지단으로부터 전송되는 과전압이 상기 레귤레이터로 인가되는 것을 차단하는 저항을 구비한다.
바람직하기는, 상기 클램핑부는 제너 다이오드이며, 상기 게이트 드라이브 전원 공급 회로가 차량에 설치될 경우에 상기 DC-DC 변환부에 인가되는 입력 전압은 상기 차량에 장착된 차량 배터리의 출력 전압이다.
본 발명은 복수개의 출력 전압들을 출력하는 DC-DC 변환부의 복수개의 출력단들 중 하나에 클램핑부와 저항 및 레귤레이터를 연결하고, 상기 레귤레이터로부터 출력되는 일정한 전압을 인버터에 인가되는 DC_링크 전압을 감지하는 DC_링크 전압 감지 회로의 전원 전압으로써 인가한다.
따라서, 인버터를 구비하는 모터 구동 시스템은 DC_링크 전압 감지 회로의 전원 전압을 위한 별도의 DC-DC 컨버터(converter)를 구비할 필요가 없다. 이와 같이 모터 구동 시스템은 별도의 DC-DC 컨버터가 필요없기 때문에 모터 구동 시스템의 제조 비용이 감소되며, 상기 별도의 DC-DC 컨버터를 위한 공간 확보가 불필요하여 모터 구동 시스템의 크기가 축소될 수 있고, 모터 구동 시스템에 장착되는 부품들의 배치도 용이하여 설계 비용이 절약된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명이 적용되는 모터 구동 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 모터 구동 시스템(101)은 DC_링크부(111), 인버터(121), 모터(131), DC_링크 전압 감지 회로(141), 제어부(151) 및 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)를 구비한다. 모터(131)는 다른 구동 장치로 대체될 수 있다.
DC 링크부(111)는 인버터(121)의 구동에 필요한 전압인 DC_링크 전압(Vdck)을 인버터(121)에 제공한다. DC 링크부(111)는 외부로부터 입력되는 DC 전압, 예컨대 220볼트와 같은 상용 AC 전압을 받아서 이를 DC_링크 전압(Vdck)으로 변환하여 인버터(121)에 제공한다. 예컨대, 상기 상용 AC 전압이 220볼트라고 하면, DC_링크부(111)는 그보다 높은 전압인 310볼트의 DC_링크 전압(Vdck)을 출력하여 인버터(121)로 제공한다.
인버터(121)는 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)로부터 복수개의 전원 전압들(Vut,Vvt,Vwt,Vuvw)을 받아서 동작하며, DC_링크부(111)로부터 DC_링크 전압(Vdck)을 받아서 이를 모터(131)를 구동하기에 적합한 전압으로 변환하여 모터(131)를 구동한다. 인버터(121)는 또한, 제어부(151)의 출력 신호를 받고 그에 응답하여 모터를 구동한다. 인버터(121)는 3상 교류 전압을 출력하여 모터(131)를 구동한다. 인버터(121)는 상기 3상 교류 전압을 생성하기 위하여 제1 내지 제6 스위칭 소자들(미도시)을 구비한다. 제1 내지 제6 스위칭 소자들은 각각 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor)를 구비하는 것이 바람직하다.
DC_링크 전압 감지 회로(141)는 DC_링크부(111)로부터 출력되는 DC_링크 전압(Vdck)을 감지하고, 그 결과를 제어부(151)로 전달한다. 즉, DC_링크 전압 감지 회로(141)는 DC_링크 전압(Vdck)을 감지하고, 상기 DC_링크 전압(Vdck)이 설정된 범위 이내인지 아니면 상기 범위를 벗어나는지를 판단하여 제어부(151)로 알려준다.
제어부(151)는 DC_링크 전압 감지 회로(141)로부터 출력되는 신호를 받아서 인버터(121)의 동작을 제어한다. 예컨대, DC_링크 전압 감지 회로(141)로부터 출력되는 DC_링크 전압(Vdck)이 상기 설정된 범위 이내이면 인버터(121)가 정상적으로 동작하도록 제어하고, DC_링크 전압(Vdck)이 상기 설정된 범위를 벗어날 경우에는 인버터(121)의 동작을 중지시키거나 DC_링크 전압(Vdck)을 상기 설정된 범위로 변환하도록 제어한다.
게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)는 입력 전압(Vb)을 받아서 인버 터(121)에 인가되는 복수개의 출력 전압들(Vut,Vvt,Vwt,Vuvw)과 상기 DC_링크 전압 감지 회로(141)의 동작에 필요한 전원 전압(Vdcn)을 출력한다.
이와 같이, 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)가 DC_링크 전압 감지 회로(141)용 전원 전압(Vdcn)을 출력함으로써, 모터 구동 시스템(101)은 DC_링크 전압 감지 회로(141)를 위한 별도의 DC-DC 컨버터(converter)를 구비할 필요가 없다.
따라서, 모터 구동 시스템(101)의 제조 비용이 감소된다. 또한, 모터 구동 시스템(101)은 상기 별도의 DC-DC 컨버터를 위한 공간 확보가 불필요함으로 그 크기가 축소될 수 있다. 또한, 부품들의 배치도 용이하여 모터 구동 시스템(101)의 설계 비용이 절약된다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)는 DC-DC 변환부(211), 클램핑(clamping)부(221), 저항(231) 및 레귤레이터(regulator)(241)를 구비한다. 도 1을 참조하여 도 2에 도시된 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)를 설명하기로 한다.
DC-DC 변환부(211)는 입력단(213)과 제1 내지 제4 출력단들(214~217)을 구비한다. DC-DC 변환부(211)는 입력단(213)을 통해서 외부로부터 입력 전압(Vb)을 입력하며, 제1 내지 제4 출력단들(214~217)을 통해서 제1 내지 제4 출력 전압들(Vut,Vvt,Vwt,Vuvw)을 출력한다. 입력 전압(Vb)은 게이트 드라이브 전원 공급 회로(161)가 차량에 설치될 경우에 상기 차량에 장착된 차량 배터리의 출력 전압, 예컨대 12볼트인 것이 바람직하다.
DC-DC 변환부(211)는 입력 전압(Vb)을 변환하여 제1 내지 제4 출력 전압들(Vut,Vvt,Vwt,Vuvw)을 전압 레벨이 각기 다르게 만들어서 출력한다. 입력 전압(Vb)과 제1 내지 제4 출력 전압들(Vut,Vvt,Vwt,Vuvw)은 모두 직류 전압으로 구성된다. 제1 내지 제3 출력 전압들(Vut,Vvt,Vwt)은 인버터(121)의 제1 내지 제3 스위칭 소자들에 인가되고, 상기 제4 출력 전압(Vuvw)은 인버터(121)의 제4 내지 제6 스위칭 소자들에 공통으로 인가된다.
클램핑부(221)는 DC-DC 변환부(211)의 제4 출력단(217)에 연결된다. 클램핑부(221)는 제4 출력단(217)으로부터 출력되는 제4 출력 전압(Vuvw)이 특정 레벨, 예컨대 10볼트 이하일 때는 그대로 출력하고, 제4 출력 전압(Vuvw)이 상기 특정 레벨을 초과할 때는 상기 특정 레벨로써 출력한다. 클램핑부(221)는 제너 다이오드를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제너 다이오드의 캐쏘드(cathode)는 제4 출력단(217)에 연결되고, 상기 제너 다이오드의 애노드(anode)는 저항(231)을 통해서 접지단(GND)에 연결된다. 클램핑부(221)는 제4 출력단(217)으로부터 출력되는 전압을 플러스(+) 전원과 마이너스(-) 전원으로 분리하여 출력한다. 즉, 클램핑부(221)는 제4 출력단(217) 및 저항(231)에 연결되고, 저항(231)은 접지단(GND)에 연결됨으로, 클램핑부(221)의 양단은 플러스(+) 전원과 마이너스(-) 전원으로 분리된다.
저항(231)은 클램핑부(211)와 접지단(GND) 사이에 연결된다. 저항(231)은 접지단(GND)으로부터 전송되는 과전압 즉, 서지 전압(surge voltage)이 레귤레이 터(241)로 인가되는 것을 막아준다. 상기 서지 전압이 레귤레이터(241)로 인가되면 레귤레이터(241)는 손상을 받아서 정상 동작을 수행하지 못할 수가 있다.
레귤레이터(241)는 클램핑부(221)로부터 출력되는 전압을 받아서 이를 항상 일정한 직류 전압(Vdcn), 예컨대 5볼트의 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 레귤레이터(241)로부터 출력되는 전압은 DC_링크 전압 감지 회로(141)에 인가되어 DC_링크 전압 감지 회로(141)의 동작에 필요한 전원 전압으로써 사용된다.
레귤레이터(241)는 리니어 레귤레이터(linear regulator)와 스위칭 레귤레이터를 포함하며, 이 중에서 배터리에 가까운 양질의 직류 전압과 구조가 간단한 리니어 레귤레이터를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이들로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 모터 구동 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로의 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101; 모터 구동 시스템, 111; DC_링크부
121; 인버터, 131; 모터
141; D_링크 전압 감지 회로, 151; 제어부
161; 게이트 드라이브 전원 공급 회로
211; DC_링크부, 221; 클램핑부
231; 저항, 241; 레귤레이터

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 인버터에 사용되는 게이트 드라이브 전원 공급 회로에 있어서,
    입력 전압이 인가되는 입력단과 복수개의 출력 전압들을 출력하는 복수개의 출력단들을 구비하고, 상기 입력 전압을 변환하여 상기 복수개의 출력 전압들을 전압 레벨이 각기 다르게 만들어서 출력하는 DC-DC 변환부;
    상기 복수개의 출력단들 중 하나에 연결되며, 입력되는 전압이 특정 레벨 이하일 때는 그대로 출력하고, 상기 입력되는 전압이 상기 특정 레벨을 초과할 때는 상기 특정 레벨로써 출력하는 클램핑부; 및
    상기 클램핑부로부터 출력되는 전압을 받아서 이를 항상 일정한 전압 레벨로써 변환하여 출력하는 레귤레이터를 구비하고,
    상기 클램핑부는 상기 복수개의 출력단들 중 하나와 접지단 사이에 연결되어 상기 복수개의 출력단들 중 하나로부터 출력되는 전압을 플러스 전원과 마이너스 전원으로 분리하여 상기 레귤레이터로 전달하는 것을 특징으로 하는 인버터용 게이트 드라이브 전원 공급 회로.
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HEWLETT PACKARD 데이터 쉬트(제목: 2.0 Amp Output Current IGBT Gate Drive Optocoupler), 발표일 1997년 *
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