KR101360436B1

KR101360436B1 - Ｐｗｍ제어기

Info

Publication number: KR101360436B1
Application number: KR20120046072A
Authority: KR
Inventors: 장상현; 송호득; 채종훈
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2014-02-12
Also published as: CN103166185A; DE102012216806A1; JP2013123364A; US9124092B2; US20130147414A1; KR20130065569A

Abstract

복수의 FET 및 FET드라이버; FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기; 및 모터제어와 회로보호기능을 수행하고, 상기 비교기의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 FET드라이버를 오프하는 마이컴;을 포함하는 PWM제어기가 소개된다.

Description

ＰＷＭ제어기 {PULSE WIDTH MODULATION CONTROLLER}

본 발명은 모터 제어기에서 발생할 수 있는 전원단이나 신호선의 단락에 대한 보호 기능을 별도의 소자 없이 구현하여 모터 제어기의 가격을 낮추고, 신뢰성을 향상시키는 PWM제어기에 관한 것이다.

현재 차량의 블로워 모터 등에 사용되고 있는 모터 제어기는 Linear 제어 타입으로 하나의 용량이 큰 FET를 사용하여 제어하고 있다. 용량이 크기 때문에 FET 제어기의 전원선 및 신호선의 단락(Short)이 발생해도 FET가 파손되지 않는다.

또한, 하나의 FET만을 사용하기 때문에 구성이 간단하고 제어가 쉬운 점이 있지만 전력손실이 많은 단점이 있다. 그리고, 전력 손실이 많게 되면 에어컨 작동시 연비가 나쁘기 때문에 PWM 제어 방식을 적용하여 전력손실을 줄이고 연비를 향상시키는 방향으로 연구가 진행되고 있는 추세이다.

따라서, PWM 제어방법을 적용하게 되면 제어기 가격이 상승하게 되는데, FET제어기에서 사용하는 큰 용량의 FET 대신에 적정용량의 FET와 로직으로 단락 보호기능을 구현하고 PWM 제어기 원가 상승을 최소화할 수 있는 PWM제어기가 필요하였던 것이다.

도 2는 PWM제어기에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이고, 도 3은 종래의 PWM제어기를 나타낸 회로도로서, 도 2에 따라 PWM 제어기의 전류값은 듀티비에 따른 전류 상승의 추세를 가진다. 그리고 일반상태 및 과전류상태 그리고, 단락의 상태를 갖는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 만약 모터의 양단이 작업자의 실수 등으로 단락되는 경우에는, Lowside FET(L)가 ON인 경우 과전류가 흘러서 Lowside FET(L)가 타버릴 수 있다. 따라서, 전류센서에 의해서 과전류라고 판단이 되면, Lowside FET(L)가 견딜수 있는 시간 내에 Lowside FET(L)를 강제 Off 시켜주어야 하는데, 보통 이 시간은 수십 μs 이내이다. 따라서, 이러한 과전류 보호회로를 저렴하면서 안정적으로 구현하는 방법이 필요하였던 것이다. 다만, 도시된 PWM제어기의 회로는 출원인에 의한 내부기술인바, 아직 공개된 것을 의미하는 것은 아님이 분명함을 밝혀둔다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 모터 제어기에서 발생할 수 있는 전원단이나 신호선의 단락에 대한 보호 기능을 별도의 소자 없이 구현하여 모터 제어기의 가격을 낮추고, 신뢰성을 향상시키는 PWM제어기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PWM제어기는, 복수의 FET 및 FET드라이버; FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기; 및 모터제어와 회로보호기능을 수행하고, 상기 비교기의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 FET드라이버를 오프하는 마이컴;을 포함한다.

본 발명의 또 다른 PWM제어기는, 복수의 FET 및 FET드라이버; FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기; 모터제어와 회로보호기능을 수행하는 마이컴; 및 상기 비교기의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 마이컴과 FET드라이버의 연결을 오프하는 스위치;를 포함한다.

상기 비교기의 과전류 기준값은 가장 큰 용량의 FET를 기준으로 설정될 수 있다.

상기 비교기는 모터(M)의 양단(M+,M-)이 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단할 수 있다.

상기 비교기는 모터(M)의 마이너스 단자(M-)와 배터리 바이어스 전압단자(VS)가 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단할 수 있다.

한편, 상기 복수의 FET는 Lowside FET 및 Highside FET로 구성될 수 있으며, 상기 비교기의 과전류 기준값은 Lowside FET의 용량을 기준으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 비교기는 모터의 양단이 단락된 경우 Lowside FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단할 수 있다.

상기 비교기는 모터의 마이너스 단자와 배터리 바이어스 전압단자가 단락된 경우 Lowside FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 PWM제어기에 따르면, 모터 제어기에서 발생할 수 있는 전원단이나 신호선의 단락에 대한 보호 기능을 별도의 소자 없이 구현하여 모터 제어기의 가격을 낮추고, 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM제어기를 나타낸 회로도.
도 2는 PWM제어기에 흐르는 전류를 나타낸 그래프.
도 3은 종래의 PWM제어기를 나타낸 회로도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 PWM제어기에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM제어기를 나타낸 회로도로서, 본 발명의 PWM제어기는, 복수의 FET 및 FET드라이버(500); FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기(400); 및 모터(M)제어와 회로보호기능을 수행하고, 상기 비교기(400)의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 FET드라이버(500)를 오프하는 마이컴(200);을 포함한다.

일반적으로, MOS FET는 고주파 동작시 구조적으로 소스단에서 드레인단의 방향으로 다이오드 성분이 존재하게 되므로 스위칭 소자를 MOS FET로 하면 스위칭 소자와 병렬로 접속해야 하는 다이오드를 생략할 수 있어 편리하다. 그리고, FET가 ON되면 드레인단과 소스단이 도통되어 전류가 양방향으로 흐를 수 있지만 FET가 OFF되면 전류가 드레인단에서 소스단으로는 흐르지 못하고 소스단에서 드레인단 방향으로 기생 다이오드를 통하여 전류가 흐를 수 있게 된다.

본 발명은 이러한 MOS FET에서 적용될 수 있는 것으로서, 도시된 회로와 같이, 모터(M)의 양단(M+,M-)간 단락(케이스A) 내지 모터(M)의 마이너스단(M-)과 배터리의 바이어스 전압단(VS) 간에 단락이 발생되었을 경우(케이스B) 회로의 파괴를 방지하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 종래에는 고용량의 별도의 FET를 두어 보호회로를 구현하였으나, 본 발명의 경우 FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기(400)를 설정하고, 마이컴(200)에서 기본적으로 모터(M)제어와 회로보호기능을 수행하되, 상기 비교기(400)의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 FET드라이버(500)를 오프하도록 하는 프리-FET드라이버를 설정함으로써 보호기능을 수행할 수 있도록 한다.

FET의 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 듀티비가 높을수록 전류값이 증가하는 경향을 가지며, 또한 어느 정도의 전류값은 과전류값으로서 임계선을 갖게 된다.

따라서, 이러한 FET의 특성을 이용하여 이를 초기에 발견하고 신호를 차단할 경우 상기 예시된 케이스에 따른 단락시 회로를 보호할 수 있게 되는 것이다.

구체적으로는, 도 1과 같이 본 발명의 복수의 FET는 Lowside FET(L, 그라운드측 스위칭을 담당함) 및 Highside FET(H, 전원 Vs측 스위칭을 담당함)로 구성되고, Lowside FET(L)의 ON/OFF에 의해서 모터가 동작하게 된다. 또한, Lowside FET(L)가 ON 되어야 션트 저항에 전류가 흐르기 때문에 이때에 비교기(400)로 전류가 들어가게 된다. 한편, Highside FET(H)의 경우 Lowside FET(L)가 OFF인 경우(즉, 모터의 속도제어를 위해서 모터에 전원이 인가되지 않는 구간) 모터 내의 에너지가 흐르는 Pass를 만들어주는 역할을 하는 FET로서 원가절감, 제어의 용이성 등의 이유로 다이오드를 이용하여 구성하기도 한다. 이 Pass를 만들어주지 않는 경우 Lowside FET(L) OFF시에 모터에 역방향의 큰 전압이 유기되어 Lowside FET(L)가 파손될 수 있다.

그에 따라, 비교기(400)의 과전류 기준값은 Lowside FET(L)의 용량을 기준으로 설정될 수 있으며, 비교기(400)는 모터(M)의 양단(M+,M-)이 단락된 경우 Lowside FET(L)의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단할 수 있는 것이다.

또는, 비교기(400)는 모터(M)의 마이너스 단자(M-)와 배터리 바이어스 전압단자(VS)가 단락된 경우 Lowside FET(L)의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단할 수도 있다.

한편, 이러한 기능은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서도 구현이 가능한데, 본 발명의 또 다른 PWM제어기는, 복수의 FET 및 FET드라이버(500); FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기(400); 모터제어와 회로보호기능을 수행하는 마이컴(200); 및 상기 비교기의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 마이컴과 FET드라이버의 연결을 오프하는 스위치(300);를 포함한다.

이 경우에는 비교기의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 마이컴과 FET드라이버의 연결을 오프하는 스위치(300)를 설정함으로써 마이컴과 FET 드라이버간의 연결을 끊어 회로를 보호하는 것이다.

그리고, 상기와 같은 본 발명의 PWM제어기는 상기 비교기(400)의 과전류 기준값을 가장 큰 용량의 FET를 기준으로 설정함으로써 좀 더 안정적이고 보수적으로 보호기능을 구현할 수 있게 된다.

또한, 상기 비교기(400)는 모터(M)의 양단(M+,M-)이 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단하거나, 모터(M)의 마이너스 단자(M-)와 배터리 바이어스 전압단자(VS)가 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단함으로써 고용량의 별도의 FET를 삭제할 수 있는 것이다.

한편, 이러한 본 발명의 PWM제어기는 부수적으로 아래와 같은 다양한 단락의 상황에서도 보호기능을 구현할 수 있게 된다.

(1) PWM / Diagnosis short인 경우 : 주제어기의 PWM 신호가 Diagnosis 신호로 주제어기에 입력되어 주제어기에서 PWM과 Diagnosis 라인이 short 됨을 판단할 수 있다.

(2) PWM / Vbatt(VS)가 short인 경우 : PWM과 Vbatt이 short인 경우 PWM제어기의 입력은 항상 0% 듀티를 가지게 된다. 이 경우에는 듀티가 항상 0%이기 때문에 PWM 제어기에 damage가 없으며, 모터에 이상이 있음을 감지할 수 있다.

(3) PWM / GND가 short인 경우 : PWM 제어기의 입력이 항상 100% 듀티를 가지며, PWM 제어기에 damage는 없고, 항상 최고속도로 움직이기 때문에 모터에 이상이 있음을 감지할 수 있다.

(4) PWM / M+가 short인 경우 : PWM / Vbatt short와 같음.

(5) Diagnosis / Vbatt가 short인 경우 : 진단신호는 항상 0% 듀티 값을 가지게 된다. PWM 제어기의 과전압, 과전류, 저전압, 고온 등 보호기능 동작시 주 제어기는 진단신호를 받을 수 없기 때문에 PWM 제어기의 고장 여부를 확인할 수 없지만, PWM 제어기의 보호기능 동작에 의해서 모터가 움직이지 않기 때문에 이상 유무를 감지할 수 있다. PWM 제어기에는 damage가 없다.

(6) Diagnosis / GND 가 short인 경우 : Diagnosis 신호가 항상 100%(low)이기 때문에 주제어기에서 이상 유무를 감지해서 PWM제어기를 정지시킬 수 있다.

(7) Diagnosis / M+ 가 short인 경우 : Diagnosis / Vbatt short와 같음.

(8) Diagnosis / M- 가 short인 경우 : M- 전압 레벨은 PWM 입력신호와 반전이 된다. M-전압이 진단신호로 주제어기에 입력되면 주제어기가 PWM 제어기가 이상있음을 판단할 가능성이 있으며, 이 경우 PWM 제어기에 damage는 없으나 모터 이상 유무를 판단할 수 있다.

(9) Vbatt(VS) / GND가 short인 경우 : PWM 제어기에 damage는 없으나 전원단 short에 의해서 fuse가 녹는다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 PWM제어기에 다르면, 모터 제어기에서 발생할 수 있는 전원단이나 신호선의 단락에 대한 보호 기능을 별도의 소자 없이 구현하여 모터 제어기의 가격을 낮추고, 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 마이컴 300 : 스위치
400 : 비교기 500 : FET드라이버
L : Lowside FET H : Highside FET

Claims

모터 제어기의 PWM제어를 위한 복수의 FET 및 FET드라이버(500);
FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기(400); 및
모터(M)제어를 수행하고, 상기 비교기(400)의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 FET드라이버(500)를 오프하는 마이컴(200);을 포함하고,
상기 비교기(400)는 모터(M)의 마이너스 단자(M-)와 모터구동용 배터리의 바이어스 전압단자(VS)가 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
모터 제어기의 PWM제어를 위한 복수의 FET 및 FET드라이버(500);
FET의 전류값을 과전류 기준값과 비교하는 비교기(400);
모터제어를 수행하는 마이컴(200); 및
상기 비교기의 결과에 따라 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 경우 마이컴과 FET드라이버의 연결을 오프하는 스위치(300);를 포함하고,
상기 비교기(400)는 모터(M)의 마이너스 단자(M-)와 모터구동용 배터리의 바이어스 전압단자(VS)가 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 비교기(400)의 과전류 기준값은 가장 큰 용량의 FET를 기준으로 설정된 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 비교기(400)는 모터(M)의 양단(M+,M-)이 단락된 경우 FET의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
삭제
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 복수의 FET는 Lowside FET(L) 및 Highside FET(H)로 구성된 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
청구항 6에 있어서,
상기 비교기(400)의 과전류 기준값은 Lowside FET(L)의 용량을 기준으로 설정된 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
청구항 7에 있어서,
상기 비교기(400)는 모터(M)의 양단(M+,M-)이 단락된 경우 Lowside FET(L)의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 PWM제어기.
청구항 7에 있어서,
상기 비교기(400)는 모터(M)의 마이너스 단자(M-)와 모터구동용 배터리의 바이어스 전압단자(VS)가 단락된 경우 Lowside FET(L)의 전류값이 과전류 기준값보다 큰 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 PWM제어기.