KR101301221B1 - 3상 모터 드라이브용 전력회로 및 3상 모터 드라이브용 전력모듈 - Google Patents

3상 모터 드라이브용 전력회로 및 3상 모터 드라이브용 전력모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하암 스위칭 소자의 턴 온 시, 전류 모니터용 저항과 하암 스위칭 소자의 공통노드에 강하되는 전압의 증가율을 감소시켜 하암 스위칭 소자의 턴 온 손실을 최소화한 3상 드라이브용 전력회로 및 3상 드라이브용 전력회로를 포함하는 3상 드라이브용 전력모듈을 개시(introduce)한다. 상기 3상 드라이브용 전력회로는, 게이트 구동 집적회로, 상암 IGBT 스위칭 소자, 하암 IGBT 스위칭 소자, 모니터 저항 및 스위칭 손실 최소화 커패시터를 포함한다.

Description

3상 모터 드라이브용 전력회로 및 3상 모터 드라이브용 전력모듈 {Power circuit and Power module for 3 phase motor driving}
본 발명은 3상 모터 드라이브용 전력회로에 관한 것으로, 특히 하암 스위칭 소자의 턴 온 손실을 최소한으로 하는 3상 모터 드라이브용 전력회로에 관한 것이다.
3상 모터(Three Phase Motor) 드라이브용 IPM(Intelligent Power Module)에서는 스위칭 소자로서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 주로 사용된다. IGBT는 에미터, 컬렉터, 게이트 단자를 포함하며, 게이트 단자가 절연된 트랜지스터로서 고전압 및 대전류 장치에서 스위칭소자로 많이 사용된다.
3상 모터의 어느 한 상에서 180°구동 기준의 상암(upper arm) 스위치 기능을 하는 IGBT와 하암(under arm) 스위칭 기능을 하는 IGBT는 직렬로 연결되어 있다. 상암 IGBT의 게이트에는 하암 IGBT의 게이트에 인가되는 전압에 비해 상대적으로 높은 전압이 인가된다.
도 1은 종래의 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 구성을 나타낸다.
도 1에 도시된 전력모듈의 동작 및 전기적인 특성을 일반적으로 알려져 있으므로, 여기서는 자세하게 설명하지 않는다. 이하에서는 발명을 이해하는데 필요한 정도의 설명만 할 것이다.
도 1을 참조하면, 두 개의 IGBT 스위칭 소자(102, 103)는 어느 하나의 상에서 180°구동기준으로 동작하게 되므로, 상암 IGBT 스위칭 소자(102)와 하암 IGBT 스위칭 소자(103)는 서로 배타적으로(exclusively) 동작한다. 즉, 상암 IGBT 스위칭 소자(102)가 턴 온(turn on) 된 상태이면 하암 IGBT 스위칭 소자(103)는 턴 오프(turn off) 상태가 되고, 반대로 하암 IGBT 스위칭 소자(103)가 턴 온 된 상태이면 상암 IGBT 스위칭 소자(102)는 턴 오프 상태가 된다.
도 1을 참조하면, 종래의 3상 모터 드라이브용 전력모듈(100)은, 하암 스위칭 소자(103)로 사용되는 전력스위칭 소자의 에미터 단자인 N형 확산영역에 저항(R2)을 연결함으로써, 상암 스위칭 소자(102) 및 하암 스위칭 소자(103)에 흐르는 전류의 양을 감지하고 과전류로부터 회로를 보호한다.
그러나, 전류를 모니터하기 위한 저항(R2)을 구현한 패키지 본딩 와이어, PCB 패턴 및 저항(2)에 의한 기생 인덕턴스가 생성되는데, 상기 기생 인덕터스는 하암 스위칭 소자(103)가 턴 온(turn ON) 될 때의 전류의 시간에 따른 변화(di/dt)를 반대하는 크기의 전압이 모니터 용 저항(R2)과 와이어 및 PCB 패턴에 의해서 강하된다. 하암 스위칭 소자(103)에 흐르는 전류의 크기는 게이트 단자에 인가되는 게이트 구동전압의 크기에 의해 결정되지만, 하암 스위칭 소자(103)의 에미터 단자와 모니터 용 저항(R2)의 공통 노드(common node)의 전압에 의해서도 영향을 받는다. 즉, 상기 공통노드의 전압이 높으면 높을 수록 하암 스위칭 소자(103)에 흐르는 전류의 크기는 감소하게 되며, 결국 턴 온 스위칭 손실이 발생하게 된다.
결과적으로 높은 전류에서 동작하는 경우, 3상 모터 드라이브용 전력모듈(100)을 사용하는 전체 시스템의 효율을 감소시키는 원인을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하암 스위칭 소자의 턴 온 시, 전류 모니터용 저항과 하암 스위칭 소자의 공통노드에 강하되는 전압의 증가율을 감소시켜 하암 스위칭 소자의 턴 온 손실을 최소화한 3상 드라이브용 전력회로를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 하암 스위칭 소자의 턴 온 시, 전류 모니터용 저항과 하암 스위칭 소자의 공통노드에 강하되는 전압의 증가율을 감소시켜 하암 스위칭 소자의 턴 온 손실을 최소화한 3상 드라이브용 전력회로를 포함하는 3상 드라이브용 전력모듈을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 3상 드라이브용 전력회로는, 게이트 구동 집적회로, 상암 IGBT 스위칭 소자, 하암 IGBT 스위칭 소자, 모니터 저항 및 스위칭 손실 최소화 커패시터를 포함한다.
상기 게이트 구동 집적회로는 제1공급전압을 이용하여 HV 게이트 전압 및 LV 게이트 전압을 생성한다. 상기 상암 IGBT 스위칭 소자는 일 단자가 제2공급전압에 연결되고 게이트 단자에 상기 HV 게이트 전압이 인가된다. 상기 하암 IGBT 스위칭 소자는 일 단자가 상기 상암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에 상기 LV 게이트 전압이 인가된다. 상기 모니터 저항은 상기 하암 스위칭 소자의 다른 일 단자와 상기 접지전압 사이에 연결된다. 상기 스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압 및 상기 하암 스위치와 상기 모니터 저항의 공통노드에 연결된다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 3상 드라이브용 전력모듈은, 제1게이트 구동 집적회로, 제2게이트 구동 집적회로, 제3게이트 구동 집적회로, 제1상 공급용 IGBT 스위칭 블록, 제2상 공급용 IGBT 스위칭 블록 및 제3상 공급용 IGBT 스위칭 블록을 구비하며, 제1스위칭 손실 최소화 커패시터 내지 제3스위칭 손실 최소화 커패시터 중 적어도 하나를 더 구비한다.
상기 제1게이트 구동 집적회로는 제1공급전압을 이용하여 제1HV 게이트 전압 및 제1LV 게이트 전압을 생성한다. 상기 제2게이트 구동 집적회로는 제1공급전압을 이용하여 제2HV 게이트 전압 및 제2LV 게이트 전압을 생성한다. 상기 제3게이트 구동 집적회로는 제1공급전압을 이용하여 제3HV 게이트 전압 및 제3LV 게이트 전압을 생성한다. 상기 제1상 공급용 IGBT 스위칭 블록은 상기 제1HV 게이트 전압 및 상기 제1LV 게이트 전압을 이용하여 3개의 상 중 하나의 상에 대한 구동전압을 생성한다. 상기 제2상 공급용 IGBT 스위칭 블록은 상기 제2HV 게이트 전압 및 상기 제2LV 게이트 전압을 이용하여 3개의 상 중 다른 하나의 상에 대한 구동전압을 생성한다. 상기 제3상 공급용 IGBT 스위칭 블록은 상기 제3HV 게이트 전압 및 상기 제3LV 게이트 전압을 이용하여 3개의 상 중 나머지 하나의 상에 대한 구동전압을 생성한다.
상기 제1스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압과 상기 제1IGBT 스위칭 블록의 내부노드와 연결된다. 상기 제2스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압과 상기 제2IGBT 스위칭 블록의 내부노드와 연결된다. 상기 제3스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압과 상기 제3IGBT 스위칭 블록의 내부노드와 연결된다.
본 발명에 따른 3상 드라이브용 전력회로는 하암 스위칭 소자의 전력 손실을 최소화할 수 있으므로, 고전력 시스템에 적용될 경우 전력의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 필요에 따라 커패시터를 연결시켜 주기만 하면 되므로, 시스템에서의 적용도 용이하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 3상 모터 드라이브 전력회로의 구성이다.
도 3은 스위칭 손실 최소화 커패시터의 존부에 따른 턴 온 스위칭 손실의 양에 대한 모의실험 결과를 나타낸다.
도 4는 하암 스위칭 소자의 턴 온 전류에 따른 하암 스위칭 소자의 턴 온 손실을 비교한 그래프이다.
도 5는 3상 모터 드라이브 전력회로를 구비하는 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 회로도이다.
도 6은 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 기판을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 3상 모터 드라이브 전력회로의 구성이다.
도 2를 참조하면, 3상 모터 드라이브 전력회로(200)는 게이트 구동 집적회로(201), 상암 IGBT 스위칭 소자(202), 하암 IGBT 스위칭 소자(203), 모니터 저항(R2) 및 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)를 포함한다.
게이트 구동 집적회로(201)는 제1공급전압(VDD)을 이용하여 HV 게이트 전압(HO) 및 LV 게이트 전압(LO)을 생성한다. 상암 IGBT 스위칭 소자(202)는 일 단자가 제2공급전압(V2)에 연결되고 게이트 단자에 HV 게이트 전압(HO)이 인가된다. 하암 IGBT 스위칭 소자(203)는 일 단자가 상암 IGBT 스위칭 소자(202)의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에 LV 게이트 전압(LO)이 인가된다. 모니터 저항(R2)은 하암 스위칭 소자(203)의 다른 일 단자와 접지전압 사이에 연결된다. 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)는 제1공급전압(VDD) 및 하암 스위치(203)와 모니터 저항(R2)의 공통노드에 연결된다.
스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)는 일 단자는 제1공급전압(VDD)에 연결되어 있으며 다른 일 단자는 모니터 저항(R2)을 경유하여 접지전압(GND)에 연결되어 있으므로, 제1공급전압(VDD)의 전압준위 보다는 낮은 전압준위로 충전되어 있다.
하암 IGBT 스위칭 소자(203)가 턴 온 되기 시작하여 전류가 급격히 증가하게 되면, 급격히 증가하는 전류를 억제하는 방향으로 하암 IGBT 스위칭 소자(203)와 모니터 저항(R2)의 공통노드의 전압준위가 상승하게 되는데, 이는 모니터 저항(R2)의 패턴에 의한 인덕턴스와 저항 성분에 의한 것이라는 것은 이미 설명하였다.
본 발명에서는 하암 IGBT 스위칭 소자(203)에 전류가 급격히 흐르더라도 공통노드의 전압이 상승하는 것을 억제하기 위하여, 공통노드와 제1공급전압(VDD) 사이에 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)를 연결할 것을 제안한다. 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)는 하암 IGBT 스위칭 소자(203)에 흐르는 급격한 전류의 흐름에도 불구하고 공통노드의 전압준위가 급격히 상승하는 것을 방지한다.
물론 모니터 저항(R2)의 패턴을 최적화하여 상기 패턴으로 인한 기생 인덕턴스의 크기를 최소한으로 하는 것이 가능하기는 하지만, 일정한 양의 기생 인덕턴스가 생성되는 것을 방지할 수는 없다.
그러나, 상술한 바와 같이 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)를 삽입하는 경우, 게이트 구동 전압의 강하가 억제된다는 것을 실험으로 알 수 있었다.
도 3은 스위칭 손실 최소화 커패시터의 존부에 따른 턴 온 스위칭 손실의 양에 대한 모의실험 결과를 나타낸다.
도 3(a)는 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)을 포함하지 않는 종래의 3상 모터 드라이브 전력회로(100)에 대한 모의실험 결과이고, 도 3(b)는 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)을 포함하는 본 발명에 따른 3상 모터 드라이브 전력회로(200)에 대한 모의실험의 결과를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)을 포함하는 경우(b) 하암 스위칭 소자의 턴 온 전류의 증가 속도가 상대적으로 급하게 발생함에도 불구하고, 하암 스위칭 소자의 턴 온 스위칭 손실은 감소하였다는 것을 알 수 있다. 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)을 포함하지 않는 경우의 턴 온 스위칭 손실이 6.01mJ인데 반해 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)를 포함하는 경우의 턴 온 스위칭 손실이 4.15mJ이므로 턴 온 스위칭 손실이 45%나 감소하였다는 것을 알 수 있다.
도 4는 하암 스위칭 소자의 턴 온 전류에 따른 하암 스위칭 소자의 턴 온 손실을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)를 사용하는 본 발명의 경우가 스위칭 손실 최소화 커패시터(C6)를 사용하지 않는 기존회로의 경우에 비해 턴 온 손실의 증가율이 감소한다는 것을 알 수 있다.
도 2에는 3상 중 하나의 상에 대한 3상 모터 드라이브 전력회로를 나타낸 것이고, 3상 모두에 대한 3상 모터 드라이브 전력회로는 도 2에 도시된 전력회로로 부터 용이하게 추출할 수 있다.
도 5는 3상 모터 드라이브 전력회로를 구비하는 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3상 모터 드라이브용 전력모듈(500)은 3개의 게이트 구동 집적회로(501, 502, 503), 6개의 IGBT 스위칭 소자(504 ~ 509) 및 커패시터 블록(510)을 구비한다.
커패시터 블록(510)은 3개의 스위칭 손실 최소화 커패시터를 포함하며, 각각 3개의 하암 IGBT 스위칭 소자(507, 508, 509)의 일 단자와 제1공급전압(VDD) 사이에 설치된다. 설치 기준은 도 2에 도시된 일 실시 예를 바탕으로 쉽게 유추할 수 있으므로, 여기서는 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 효과를 극대화시키기 위해서는, 각각의 커패시터들의 일 단자는 IGBT 스위칭 소자(507, 508, 509)의 일 단자와 가장 가까운 곳에 연결되어야 할 것이다.
도 6은 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 기판을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 3상 모터 드라이브용 전력모듈의 기판(600)에는 게이트 구동 집적회로(501, 502, 503), 6개의 IGBT 스위칭 소자(504 ~ 509) 및 커패시터 블록(510)이 각각 장착되는데, 이들을 전기적으로 연결하는 선들을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
101, 201: 게이트 구동 집적회로 102, 202: 상암 IGBT 스위칭 소자
103, 203: 하암 IGBT 스위칭 소자 R2: 모니터 저항
C6: 스위칭 손실 최소화 커패시터

Claims (3)

  1. 제1공급전압을 이용하여 HV 게이트 전압 및 LV 게이트 전압을 생성하는 게이트 구동 집적회로;
    일 단자가 제2공급전압에 연결되고 게이트 단자에 상기 HV 게이트 전압이 인가되는 상암 IGBT 스위칭 소자;
    일 단자가 상기 상암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에 상기 LV 게이트 전압이 인가되는 하암 IGBT 스위칭 소자; 및
    상기 하암 스위칭 소자의 다른 일 단자와 접지전압 사이에 연결된 모니터 저항;을 포함하며,
    상기 제1공급전압 및 하암 스위치와 상기 모니터 저항의 공통노드에 연결된 스위칭 손실 최소화 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 모터 드라이브 전력회로.
  2. 제1공급전압을 이용하여 제1HV 게이트 전압 및 제1LV 게이트 전압을 생성하는 제1게이트 구동 집적회로;
    제1공급전압을 이용하여 제2HV 게이트 전압 및 제2LV 게이트 전압을 생성하는 제2게이트 구동 집적회로;
    제1공급전압을 이용하여 제3HV 게이트 전압 및 제3LV 게이트 전압을 생성하는 제3게이트 구동 집적회로;
    상기 제1HV 게이트 전압 및 상기 제1LV 게이트 전압을 이용하여 3개의 상 중 하나의 상에 대한 구동전압을 생성하는 제1상 공급용 IGBT 스위칭 블록;
    상기 제2HV 게이트 전압 및 상기 제2LV 게이트 전압을 이용하여 3개의 상 중 다른 하나의 상에 대한 구동전압을 생성하는 제2상 공급용 IGBT 스위칭 블록; 및
    상기 제3HV 게이트 전압 및 상기 제3LV 게이트 전압을 이용하여 3개의 상 중 나머지 하나의 상에 대한 구동전압을 생성하는 제3상 공급용 IGBT 스위칭 블록을 포함하며,
    상기 제1공급전압과 제1IGBT 스위칭 블록의 내부노드와 연결된 제1스위칭 손실 최소화 커패시터;
    상기 제1공급전압과 제2IGBT 스위칭 블록의 내부노드와 연결된 제2스위칭 손실 최소화 커패시터; 및
    상기 제1공급전압과 제3IGBT 스위칭 블록의 내부노드와 연결된 제3스위칭 손실 최소화 커패시터; 중
    적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 모터 드라이브용 전력모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1상 공급용 IGBT 스위칭 블록은,
    일 단자가 제2공급전압에 연결되고 게이트 단자에 상기 제1HV 게이트 전압이 인가되는 제1상암 IGBT 스위칭 소자;
    일 단자가 상기 제1상암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에 상기 제1LV 게이트 전압이 인가되는 제1하암 IGBT 스위칭 소자; 및
    상기 제1하암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자와 접지전압 사이에 설치된 제1모니터 저항;을 포함하며,
    상기 제2상 공급용 IGBT 스위칭 블록은,
    일 단자가 제2공급전압에 연결되고 게이트 단자에 상기 제2HV 게이트 전압이 인가되는 제2상암 IGBT 스위칭 소자;
    일 단자가 상기 제2상암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에 상기 제2LV 게이트 전압이 인가되는 제2하암 IGBT 스위칭 소자; 및
    상기 제2하암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자와 접지전압 사이에 설치된 제2모니터 저항;을 포함하며,
    상기 제3상 공급용 IGBT 스위칭 블록은,
    일 단자가 제2공급전압에 연결되고 게이트 단자에 상기 제3HV 게이트 전압이 인가되는 제3상암 IGBT 스위칭 소자;
    일 단자가 상기 제3상암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자에 연결되고 게이트 단자에 상기 제3LV 게이트 전압이 인가되는 제3하암 IGBT 스위칭 소자; 및
    상기 제3하암 IGBT 스위칭 소자의 다른 일 단자와 접지전압 사이에 설치된 제3모니터 저항;을 포함하며,
    상기 제1스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압 및 상기 제1하암 IGBT 스위칭 소자와 상기 제1모니터 저항의 공통노드와 연결되며,
    상기 제2스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압 및 상기 제2하암 IGBT 스위칭 소자와 상기 제2모니터 저항의 공통노드와 연결되며,
    상기 제3스위칭 손실 최소화 커패시터는 상기 제1공급전압 및 상기 제3하암 IGBT 스위칭 소자와 상기 제3모니터 저항의 공통노드와 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 모터 드라이브용 전력모듈.
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