KR101454567B1 - 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템 - Google Patents

저손실 저노이즈 모터 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

일 실시예에서, 자동차의 모터에서 구성요소 노이즈를 감소시키는 시스템은 제1 게이트 구동 장치 및 제2 게이트 구동 장치, 하이측 FET, 로우측 FET, 차지 펌프 회로, 고주파수 감소 구성요소, 및 타이밍 신호 소스를 포함한다. 타이밍 소스 신호는 차지 펌프, 제1 게이트 구동 장치, 및 제2 게이트 구동 장치에 상호 연결되고, 제1 게이트 구동 장치는 차지 펌프에 상호 연결되며, 제1 게이트 구동 장치는 하이측 FET에 상호 연결되고, 하이측 FET와 로우측 FET는 고주파수 감소 구성요소에 상호 연결되며, 타이밍 신호 소스는 제1 게이트 구동 장치, 제2 게이트 구동 장치, 및 차지 펌프 회로에 대한 신호에 타이밍 신호를 제공하여, PWM 기울기가 RE EMC를 방지하기에 충분히 무디게 되고, 제한 신호 소스는 3개의 타이밍 신호를 제공하며, 3개의 타이밍 신호는 제1 게이트 구동 장치에 제공되는 제1 타이밍 신호, 제2 게이트 구동 장치에 제공되는 제2 타이밍 신호, 및 차지 펌프에 제공되는 제3 타이밍 신호를 포함하고, 제1 신호는 하이측 FET를 위한 HSD PWM 신호이며, 제2 신호는 하이측 FET를 위한 LSD PWM 신호이다.

Description

저손실 저노이즈 모터 제어 시스템{LOW LOSS LOW NOISE MOTOR CONTROL SYSTEM}
본 발명은 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템에 관한 것이다.
자동차 시스템의 자동화는 많은 타입의 자동차 및 기타 차량에 있어서 인기를 얻어 왔다. 파워 리프트 게이트(power lift-gate), 파워 윈도우 및 파워 슬라이딩 도어 등의 자동차 무빙 시스템은 모터 속도 제어를 필요로 하는 하나 이상의 브러시 타입의 DC 모터를 포함한다. 자동차 시스템의 자동화를 위한 모터 속도 제어의 타겟은 일정한 모터 속도를 달성하기 위한 것이 아니라, 타겟 속도가 기계적 시스템의 측방향 또는 각도 위치에 따라 변동하는 모터 속도 프로파일을 달성하기 위한 것이다.
속도 제어를 달성하기 위해서는, 모터에 인가되는 파워가 제어되어야 한다. 듀티 사이클이 타겟 속도 제어를 달성하도록 프로그램된 마이크로프로세서 유닛에 의해 변동되는 동안에 인가된 모터 전압이 일정한 주파수에서 스위칭되는 펄스 폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)가 가장 일반적으로 이용되고 있다. 제어 모듈이 PWM을 수행하고 PWM 파워를 모터에 공급한다.
PWM 제어의 부작용들 중 한가지는 그 주파수에 따라 귀찮게 되는, 기계적 시스템으로부터 나오는 노이즈를 생성한다는 것이다. 청각적 노이즈를 제거하기 위하여, PWM 주파수에 대해 2KHz 이상의 주파수가 일반적으로 사용되고 있다. 종래의 PWM 제어에서, PWM 펄스 트레인 신호는 와이어를 통해 모터로 전송된다. 그 경우에 모터 인터페이스 와이어에서 PWM 펄스 트레인 신호의 높은 주파수의 고조파 성분은 AM 대역(500 KHz 내지 1.6 MHz) 복사 방출(RE; radiated emission) 문제를 유발하고, PWM 파형은 그러한 날카로운 에지가 10 μsec보다 짧은 상승 및 하강 시간을 갖게 한다.
공진 또는 기타 진동 문제를 방지하는 한가지 방법은 RE EMC 문제가 발생하는 것을 방지하기에 충분히 무딘 PWM 파형 기울기를 제공하는 것이다. 최대 작동 전류가 10 A 이상인 대부분의 자동차 무빙 시스템 용례에서, RE EMC 문제를 방지하기에 충분히 무딘 PWM 기울기의 세팅은 양호한 열적 특성의 히트 싱크 및 금속 하우징을 이용하지 않고는 달성할 수 없다. 상승 또는 하강 시간을 더 길게 하면 FET의 파워 소산이 증가되고 세팅에 적절한 최대 상승 또는 하강 시간은 FET의 열적 능력 및 제어의 작동 대기 온도 요건에 의해 제한된다.
일 실시예에서, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템은 자동차 무빙 제어 설계에서 PWM에 의해 발생되는 노이즈 성분을 파워 효율적이고 비용 효율적으로 제한하는 것을 처리한다. 다른 실시예에서, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템은 전기 모터 구성요소에서의 노이즈를 감소시킨다.
일 실시예에서, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템은, 청각적 노이즈를 방지하고, 필터 구성요소 크기를 감소시켜 필터 구성요소 및 기타 모든 모듈 구성요소를 모듈 크기의 제약으로 수용하도록 PWM 주파수에 대해 50 KHz 이상을 제공하고; RE 방출 문제가 발생하는 것을 방지하기에 충분한 모터로 공급되는 PWM 파워로부터 고주파수 성분을 감소시키며; 열적 관리 제어를 필요로 하지 않는 히트 싱크를 구비하는 일 없이 FET의 파워 소산이 FET의 열적 능력을 초과하는 것을 방지하도록 스위칭 손실을 감소시키고, PWM 제어 회로는 자동차 부하 덤프(automotive Load Dump)를 비롯한 자동차 천이부와 양립해야 한다.
일 실시예에서, 자동차의 모터에서 구성요소 노이즈를 감소시키는 시스템은 제1 게이트 구동 장치 및 제2 게이트 구동 장치, 하이측 FET, 로우측 FET, 차지 펌프 회로, 고주파수 감소 구성요소, 및 타이밍 신호 소스를 포함한다. 타이밍 소스 신호는 차지 펌프, 제1 게이트 구동 장치, 및 제2 게이트 구동 장치에 상호 연결되고, 제1 게이트 구동 장치는 차지 펌프에 상호 연결되며, 제1 게이트 구동 장치는 하이측 FET에 상호 연결되고, 하이측 FET와 로우측 FET는 고주파수 감소 구성요소에 상호 연결되며, 타이밍 신호 소스는 제1 게이트 구동 장치, 제2 게이트 구동 장치, 및 차지 펌프 회로에 대한 신호에 타이밍 신호를 제공하고, 타이밍 신호 소스는 3개의 타이밍 신호를 제공하며, 3개의 타이밍 신호는 제1 게이트 구동 장치에 제공되는 제1 타이밍 신호, 제2 게이트 구동 장치에 제공되는 제2 타이밍 신호, 및 차지 펌프에 제공되는 제3 타이밍 신호를 포함하고, 제1 신호는 하이측 FET를 위한 HSD PWM 신호이며, 제2 신호는 하이측 FET를 위한 LSD PWM 신호이다. 한가지 변형예에서, 시스템은 감지 레지스터; 및 정방향 및 역방향 전류를 모니터하고 하이측 및 로우측 FET를 보호하는 MCU를 위한 제1 및 제2 작동 증폭기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 모터용 노이즈 감소 구성요소에 대한 개선은 제1 FET가 오프된 동안에 환류(freewheeling)를 위해 사용되는 제1 FET와 파워 정류기를 포함하는데, 이 개선은 파워 정류기를 제2 FET로 대체하는 것을 포함하고, 제2 FET는 제1 FET가 온인 동안에 스위치 오프하고 제1 FET가 오프인 동안에 스위치 온하도록 구성된다. 한가지 변형예에서, 개선은 마이크로프로세서를 제공하는 것을 더 포함하고, 마이크프로세서는 3개의 타이밍 신호를 발하는데, 3개의 타이밍 신호는 제1 게이트 구동 장치에 제공되는 제1 타이밍 신호, 제2 게이트 구동 장치에 제공되는 제2 타이밍 신호, 및 차지 펌프에 제공되는 제3 타이밍 신호를 포함하고, 제1 신호는 제2 FET를 위한 HSD PWM 신호이며, 제2 신호는 제2 FET를 위한 LSD PWM 신호이다.
일 실시예에서, 모터를 위한 노이즈 감소 구성요소는 회로 파워에 대해 10% 미만의 손실률을 특징으로 하는 제1 및 제2 FET를 포함한다. 선택적으로, 노이즈 감소 구성요소는 회로 파워에 대해 5% 미만의 손실률을 특징으로 한다. 선택적으로, 제2 FET는 제1 FET가 온인 동안에 스위치 오프하고 제1 FET가 오프인 동안에 스위치 온하도록 구성된다. 선택적으로, 노이즈 감소 구성요소는 제1 게이트 구동 장치 및 제2 게이트 구동 장치; 차지 펌프 회로; 고주파수 감소 구성요소; 및 타이밍 신호 소스를 더 포함하고, 타이밍 소스 신호는 차지 펌프, 제1 게이트 구동 장치, 및 제2 게이트 구동 장치에 상호 연결되고, 제1 게이트 구동 장치는 차지 펌프에 상호 연결되며, 제1 게이트 구동 장치는 제1 FET에 상호 연결되고, 제1 FET와 제2 FET는 고주파수 감소 구성요소에 상호 연결되고, 타이밍 신호 소스는 제1 게이트 구동 장치, 제2 게이트 구동 장치, 및 차지 펌프 회로에 대한 신호에 타이밍 신호를 제공한다.
다른 실시예에서, 모터의 구성요소 노이즈를 감소시키는 시스템은, 제1 게이트 구동 장치 및 제2 게이트 구동 장치; 하이측 FET; 로우측 FET; 차지 펌프 회로; 고주파수 감소 구성요소; 및 타이밍 신호 소스를 더 포함하고, 타이밍 소스 신호는 차지 펌프, 제1 게이트 구동 장치, 및 제2 게이트 구동 장치에 상호 연결되고, 제1 게이트 구동 장치는 차지 펌프에 상호 연결되며, 제1 게이트 구동 장치는 하이측 FET에 상호 연결되고, 하이측 FET와 로우측 FET는 고주파수 감소 구성요소에 상호 연결되고, 타이밍 신호 소스는 제1 게이트 구동 장치, 제2 게이트 구동 장치, 및 차지 펌프 회로에 대한 신호에 타이밍 신호를 제공한다. 한가지 변형예에서, 시스템은 감지 레지스터; 및 정방향 및 역방향 전류를 모니터하고 하이측 및 로우측 FET를 보호하는 MCU를 위한 제1 및 제2 작동 증폭기를 더 포함한다. 선택적으로, 타이밍 신호 소스는 3개의 타이밍 신호를 제공한다. 대안적으로, 3개의 타이밍 신호는 제1 게이트 구동 장치에 제공되는 제1 타이밍 신호를 포함하고, 제1 신호는 하이측 FET를 위한 HSD PWM 신호이다. 다른 변형예에서, 3개의 타이밍 신호는 제2 게이트 구동 장치에 제공되는 제2 타이밍 신호를 포함하고, 제2 신호는 하이측 FET를 위한 LSD PWM 신호이다. 대안적으로, 3개의 타이밍 신호는 차지 펌프에 제공되는 제3 타이밍 신호를 포함한다. 다른 변형예에서, 고주파수 감소 구성요소는 인덕터와 캐패시터이다. 선택적으로, 타이밍 신호 소스는 마이크로프로세서이다. 한가지 변형예에서, 시스템은 양방향 모터 작동을 가능하게 하는 릴레이를 포함한다.
저손실 저노이즈 모터 제어 시스템의 특징 및 이점의 보다 완벽한 이해를 위해, 이하, 여러 도면에서의 대응하는 번호가 대응하는 부분을 가리키는 첨부 도면과 함께 상세한 설명을 참조한다. 도면에서:
도 1은 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템의 일 실시예를 도시하고;
도 2는 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템에 사용되는 차지 펌프의 일 실시예를 도시하며;
도 3a는 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템에 사용되는 전류 피드백 발생기의 일 실시예를 도시하고;
도 3b는 전류 피드백 발생기의 다른 실시예를 도시하며;
도 4는 제1 게이트 구동 장치의 일 실시예를 도시하고;
도 5는 전류 피드백 발생기의 일 실시예를 도시하며;
도 6은 제2 게이트 구동 장치 설계의 일 실시예를 도시하고;
도 7은 저손실 저노이즈 자동차 모터 제어 시스템의 일 실시예를 위한 타이밍 다이어그램을 도시한다.
예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명에서, 그 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템 및 관련 시스템과 방법을 실시하게 할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되고, 다른 실시예가 사용될 수 있다는 것과, 논리 구조, 기계적, 전기적, 및 화학적 변화가 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 이해된다. 당업자가 본 명세서에서 설명된 실시예를 실시할 수 있는 데에 필요하지 않는 상세를 피하기 위하여, 설명에서는 당업자에게 공지된 특정한 정보가 생략될 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한의 의미로 취하지 않는다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템 및 관련 시스템과 방법의 양태는 집적 회로, FPGA, 또는 기타 하드 또는 소프트 프로그래머블 프로세서에서 구현될 수 있다. 따라서, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템 및 관련 시스템과 방법의 양태는 전체적으로 하드웨어 실시예 또는 소프트웨어와 하드웨어 양태를 조합한 실시예의 형태를 취할 수 있다.
배경 기술에서 전술한 바와 같이, 많은 자동차 용례 뿐만 아니라 전기 모터를 이용하는 기타 시스템들에서, 시스템의 적절한 기능을 위해 전기 모터의 속도 제어가 요구된다. 제어를 위해 일반적으로 사용되는 기술은, 듀티 사이클이 소프트웨어에서 실시되는 전략으로서 제어를 수행하는 마이크로프로세서 유닛에 의해 변동되는 동안에 인가된 모터 전압이 일정한 주파수에서 스위칭되는 펄스 폭 변조(PWM)이다.
PWM의 부작용은, 특정한 변조 주파수에서의 작동이 들리거나 AM 대역(500 KHz 내지 1.6 MHz)과 같이 다른 일반적으로 사용되는 주파수를 간섭한다는 것이다. 그 원인은 부분적으로 파형의 날카로운 상승 및 하강에 있다.
따라서, 그러한 간섭을 제거하는 한가지 방법은, 기울기가 RE EMC 간섭을 생성하지 않기에 충분히 점진적으로 되도록 파형을 무디게 하는 것이다. 공진 또는 기타 진동 문제를 방지하는 한가지 방법은, RE EMC 문제가 발생하는 것을 방지하기에 충분히 무딘 PWM 파형 기울기를 제공하는 것이다. 최대 작동 전류가 10 A 이상인 자동차 무빙 시스템 용례에서 그렇게 행하는 한가지 방법은, 양호한 열적 특정의 히트 싱크와 금속 하우징을 이용함으로써 RE EMC 문제를 방지하기에 충분히 무딘 PWM 기울기를 세팅하는 것이다. 상승 또는 하강 시간을 더 길게 하면 FET의 파워 소산이 증가되고 세팅에 적절한 최대 상승 또는 하강 시간은 FET의 열적 능력 및 제어의 작동 대기 온도 요건에 의해 제한된다.
이 방법론의 단점은 상당한 양의 에너지가 열의 형태로 손실된다는 것이다. 이 손실을 방지하기 위하여, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템의 실시예가 이용될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템은 후술되는 요건 및 제약을 만족시키면서 보다 높은 주파수의 PWM 파워를 차량 무빙 시스템을 위한 브러시 타입의 DC 모터에 공급함으로써 모터 제어를 제공할 수 있는 제어 모듈 회로를 제공한다:
청각적 노이즈를 방지하고, 필터 구성요소 크기를 감소시켜 필터 구성요소 및 기타 모든 모듈 구성요소를 모듈 크기의 제약으로 수용하도록 PWM 주파수에 대해 50 KHz 이상을 제공한다.
RE 방출 문제가 발생하는 것을 방지하기에 충분한 모터로 공급되는 PWM 파워로부터 고주파수 성분을 감소시킨다.
열적 관리 제어를 필요로 하지 않는 히트 싱크를 구비하는 일 없이 FET의 파워 소산이 FET의 열적 능력을 초과하는 것을 방지하도록 스위칭 손실을 감소시킨다.
PWM 제어 회로는 자동차 부하 덤프(automotive Load Dump)를 비롯한 자동차 천이부와 양립해야 한다.
모터에 공급된 PWM 파워로부터 고주파수 성분을 감소하기 위하여, PWM 파워 발생기의 출력부에서 인덕터 캐패시터 필터가 사용된다. FET에 충분한 전하를 제공하고 부하 덤프 천이부와 양립할 수 있는 게이트 구동 장치와 차지 펌프가 개시된다.
PWM FET의 열적 능력을 효과적으로 사용하기 위하여, 2개의 N-채널 FET, HSD FET 및 LSD FET가 LSD FET 드레인에 연결되는 HSD FET 소스를 갖는 푸시-풀 파워 스위치로서 작용하도록 구성된다. LSD FET는 종래의 PWM 파워 발생기에서 환류(freewheeling)를 위해 사용되는 다이오드를 대체한다. LSD FET는 환류 다이오드 소산 파워의 10% 또는 20%만을 소산한다. HSD FET 및 LSD FET 쌍은 FET와 다이오드 쌍보다 훨씬 적은 파워를 소산시키는데, 이는 모듈 내측의 공기 온도를 감소시키고 파워 소산 비축을 증가시킨다.
스위칭 디바이스, 전계 효과 트랜지스터(FET; Field Effect Transistor)의 파워 소산은 주파수 및 인가된 PWM 파형의 상승/하강 시간에 비례한다. PWM에 대해 20 KHz를 그리고 10 A 이상의 작동 전류를 필요로 하는 시스템에 대해 10 μsec를 인가하면, FET에 대한 파워 소산이 디바이스 규격 한계를 넘게 하여, 대부분의 경우에 FET가 금속 하우징 내의 양호한 열적 특성의 히트 싱크 상에 장착되지 않는 한 이용될 수 없다.
인덕터-캐패시터 필터(LC 필터)가 PWM 발생기의 출력부에 위치될 수 있는데, 이 필터는 모터 와이어로부터 고주파수 성분을 감소시켜 가이드 라인보다 짧은 PWM 파형의 상승/하강 시간을 갖는 시스템이더라도 RE 문제를 방지한다. 그러나, 후술되는 도전 과제가 이 기술의 이용 가능성을 방지 또는 제한한다.
인덕터 및 캐패시터의 구성요소 크기는 차량 OEM 요건을 만족시키거나 모듈을 경쟁력 있게 하도록 적용되는 일반적으로 적용된 제어 모듈 크기(모듈의 W×H×D 제약에 대해 5.5"×3.5"×1") 내에 수용하기에 너무 크다.
따라서, FET의 파워 소산을 제한하고 히트 싱크에 10 A의 작동 전류 시스템을 필요로 하는 것을 방지하는 데에 요구되는 상승 시간/하강 시간의 듀티 사이클은 주기(50 KHz PWM에 대해 0.5 μsec 또는 100 KHz PWM에 대해 0.25 μsec)의 2.5%보다 작다.
일 실시예에서, 게이트 구동 장치 IC가 자동차 용례에 적합한 고전압(50 V 이상) FET에 대한 상승 시간/하강 시간 요건을 만족시킨다. IC는 일반적으로 50 V의 피크 전압과 200 msec 기간을 갖는 차량 부하 덤프 천이부를 견디는 데에 요구되는 충분한 천이 파워 소산 능력을 갖지 못하기 때문에, 자동차 천이 파워와 양립할 수 있는 맞춤식 IC를 설계하는 것이 큰 도전 과제이다.
도 1을 참조하면, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템(100)의 일 실시예는 마이크로프로세서 유닛(145), 차지 펌프(165), 제1 게이드 구동 장치(105), 제2 게이트 구동 장치(110), 하이측 FET(115), 로우측 FET(125), 제너 다이오드(142), 다이오드(143)[제너 다이오드(142), 다이오드(143)는 게이트 소스 전압 억제자이고 대안은 본 개시의 관점에서 당업자에게 명백할 것이다], 인덕터(135), 캐패시터(140), 전류 감지 레지스터(171), 작동 증폭기 IC(175, 180), H-브릿지 릴레이(185) 및 릴레이 코일 구동 장치(190, 195), 모터(198), 및 전력 공급원 Vbatt(144)를 포함한다.
몇몇의 경우, PWM 제어에 대해 아래를 비롯한 부작용이 존재한다.
1. 모터에 대한 PWM 파워의 제공은 기계적 시스템이 청각적 노이즈를 생성하게 할 수 있는데, 청각적 노이즈는 그 주파수에 따라 귀찮게 된다. 청각적 노이즈를 제거하기 위하여, 20 KHz 이상의 주파수가 PWM 제어에 사용된다.
2. 모터에 대한 PWM 파워의 제공은 복사 전자기 방출(RE)을 일으키고, 이 전자기 방출은 AM 대역(500 KHz 내지 1.6 MHz) 수신기 유닛에 대해 잠재적인 간섭 노이즈 소스가 된다.
저손실 저노이즈 모터 제어 시스템의 구성요소들의 기능에 관하여 아래와 같이 설명한다. 차지 펌프(165), 제1 게이트 구동 장치(105), 제2 게이트 구동 장치(110), 하이측 FET(115), 로우측 FET(125), 제너 다이오드(142), 다이오드(143)[제너 다이오드(142), 다이오드(143)는 게이트 소스 전압 억제자로서 기능하고 대안이 존재한다], 인덕터(135), 캐패시터(140), 전류 감지 레지스터(171), 작동 증폭기 IC(175, 180), H-브릿지 릴레이(185) 및 릴레이 코일 구동 장치(190, 195), 모터(198), 및 전력 공급원 Vbatt(144).
마이크로프로세서 유닛(145):
차지 펌프(165), 제1 게이트 구동 장치(105) 및 제2 게이트 구동 장치(110)에 대해 타이밍 신호를 제공한다.
이중 모드에 대한 모터 전류들, 즉 모터가 구동되는 액티브 전류와, 모터가 제동 모드에 있는 패시브 전류를 모니터한다.
릴레이 코일 구동 장치(190, 195)에 대해 ON 또는 OFF 신호를 제공한다.
차지 펌프(165): 제1 게이트 구동 장치(105)를 위한 전원에 사용되는 7V 공칭 전압 플러스 Vbatt 전압으로 출력 VCP로서 생성한다
제1 게이트 구동 장치(105): 하이측 FET(115)에 대한 게이트 신호를 생성한다.
제2 게이트 구동 장치(110): 로우측 FET(125)에 대한 게이트 신호를 생성한다.
하이측 FET(115): 게이트 신호가 하이에 있는 동안에 모터 파워에 높은 전압과 액티브 전류를 제공한다.
로우측 FET(125): 게이트 신호가 하이에 있는 동안에 모터에 낮은 전압과 패시브 전류를 제공한다.
대안적인 억제 회로에 의해 대체될 수 있는 제너 다이오드(142), 다이오드(143): 게이트를 소스 전압으로 억제하고 하이측 FET(115)를 하이 전압으로부터 보호한다.
레지스터(135)와 캐패시터(140): 모터에 공급되는 PWM 파워로부터 고주파수 성분을 감소시킨다.
레지스터(171): 모터 전류에 비례하는 모터 전류 피드백 신호를 제공한다.
작동 증폭기 IC(175): 모터 전류 피드백 신호를 증폭시키고 액티브 전류 모니터링 입력값, Active_C_MON(176)으로 변환시킨다.
작동 증폭기 IC(180): 모터 전류 피드백 신호를 증폭시키고 패시브 전류 모니터링 입력값, Passive_C_MON(177)으로 변환시킨다.
릴레이(185): 온-오프 스위치를 제공하고 모터에 대한 제어를 지시한다.
릴레이 코일 구동 장치(190): CW 하이(196)에 높은 전압을 제공하기 위해 릴레이 스위치를 턴온시키도록 릴레이 코일에 파워를 제공한다.
릴레이 코일 구동 장치(195): CCW 하이(197)에 높은 전압을 제공하기 위해 릴레이 스위치를 턴온시키도록 릴레이 코일에 파워를 제공한다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템 및 관련 시스템과 방법의 양태는 집적 회로, FPGA, 또는 기타 하드 또는 소프트 프로그래머블 프로세서에서 구현될 수 있다. 따라서, 저손실 저노이즈 자동차 모터 제어 시스템 및 관련 시스템과 방법의 양태는 전체적으로 하드웨어 실시예 또는 소프트웨어와 하드웨어 양태를 조합한 실시예의 형태를 취할 수 있다.
별개의 구성요소들로 게이트 구동 장치를 설계하는 방법의 한가지 실시예는 이하의 단계를 포함한다.
FET의 게이트 차지 사양을 확인하는 단계.
게이트 구동 장치에 요구되는 차지 전달을 확인하는 단계.
아래에서 상세하게 개시되는 바와 같이 차지 펌프(165)를 실시하는 단계.
아래의 설계 상세에 개시되는 바와 같이 제1 게이트 구동 장치(105)를 실시하는 단계.
아래의 설계 상세에 개시되는 바와 같이 제2 게이트 구동 장치(110)를 실시하는 단계.
아래의 설계 상세에 개시되는 바와 같이 게이트 소스 전압 억제자[예컨대, 제너 다이오드(142), 다이오드(143)]를 실시하는 단계.
한가지 변형예에서, 전류 감지 레지스터(171)와 작동 증폭기(175, 180)는 [신호 F MC MOM(196)과 F MC MOM(197)을 각각 이용하여] 정방향 또는 역방향 전류를 모니터하고 FET(115)와 FET(125)를 보호하는 MCU에 선택적으로 사용된다. 다른 변형예에서, 릴레이 코일 구동 장치(185)는 다이오드 또는 자립형 디바이스를 갖는 BJT, 구동 장치(190) 및 구동 장치(195)를 위한 작은 신호 FET 통합형 릴레이 코일 구동 장치를 포함한다. 릴레이(185)는 양방향 모터 작동의 경우에 사용되는 H 브릿지 릴레이이다.
차지 펌프(165)의 설계 상세
도 2를 참조하면, 차지 펌프 회로는 BJT(205, 210, 215), 다이오드(220, 225), 캐패시터(230, 235), 레지스터(240, 245, 250, 255, 260, 265), 및 전류 피드백 발생기(270)로 이루어진다.
구성요소들의 기능을 아래와 같이 설명한다:
레지스터(240): BJT(205) 베이스 전류를 제한한다.
레지스터(245): 전압이 BJT(205)의 이미터 전류에 비례하는 피드백 신호를 제공한다.
전류 피드백 발생기(270): 피드백 신호를 BJT(205)의 베이스에 적절한 제어 신호로 변환시키고, 이 신호는 BJT(205) 베이스 전압을 조정하고 CP_PWM2(285) 신호가 하이에 있는 동안에 BJT(205)가 일정한 전류를 공급하게 한다.
BJT(205): Vbatt(275)로부터 경로 다이오드(220), 캐패시터(230), BJT(205)의 컬렉터, BJT(205)의 이미터, 레지스터(245) 및 GND로 제공되는 전류를 제공하는데, 이 전류는 CP_PWM2(285)가 하이에 있을 때에 캐패시터(230)를 충전한다.
BJT(210): CP_PWM1(280)이 하이에 있을 때에 BJT(215)의 베이스에 제공되는 전류를 제공하는데, 이 전류는 BJT(215)를 턴온시킨다.
레지스터(250): BJT(215) 베이스 전류와 BJT(210) 컬렉터 전류를 제한한다.
레지스터(255): BJT(210)를 통한 누출 전류에 의한 BJT(215)의 의도치 않은 턴온을 방지한다.
BJT(215): 온에 있는 경우에 레지스터(260), 캐패시터(230) 및 다이오드(225)를 통해 VCP 노드(290)에 고전압 차지 전류를 제공한다.
레지스터(260): BJT(215)가 온일 때에 레지스터(260), 캐패시터(230) 및 다이오드(225)를 통해 VCP 노드(290)로 공급되는 Vbatt(275) 소스 전류를 제한한다.
캐패시터(230): BJT(205)가 온인 동안에 차지가 증가되고 증가된 차지는 BJT(215)가 온인 동안에 VCP 노드(290)로 전달된다.
캐패시터(235): BJT(215)가 온인 동안에 차지가 증가되고 BJT(215)가 오프일 때에 VCP 노드(290)의 부하로 증가된 차지를 제공한다.
다이오드(220): BJT(215)가 온인 동안에 Vbatt(275)로 유동하는 전류를 방지한다.
다이오드(225): BJT(205)가 온인 동안에 캐패시터(235)로부터 캐패시터(230)로 유동하는 전류를 방지한다.
레지스터(265): VCP 노드(290)가 오프일 때에 방전 캐패시터(235)에 전류를 제공한다.
차지 펌프(165)의 기능은 제1 게이트 구동 장치(105)의 전원인 차지 펌프 출력 VCP(290), 7V 공칭 플러스 Vbatt(275)를 생성하는 것이다. Vbatt, 9.5V 내지 16V의 작동 전압 범위에 걸쳐 조절되는 VCP(290)를 얻기 위하여, 전달된 차지는 제어될 필요가 있다.
차지 전달은 CP_PWM 신호의 PWM 듀티를 변경시킴으로써 제어된다.
전달된 차지가 PWM 신호의 듀티에 선형으로 종속하게 하도록 차지 전류는 일정하게 조절될 필요가 있다.
이 목적을 위해, 전류 피드백 발생기(270)가 사용된다.
MCU(145)는 Vbatt를 주기적으로 모니터하고 과전압 천이부를 검출하며 천이 에너지로부터 BJT(205)를 보호하기에 충분히 짧은 기간 내에 신호를 턴오프시킨다.
MCU(145)는 VCP 전압을 모니터하고 타겟, 7V±0.5V 내에 조절된 VCP를 얻기 위하여 CP_PWM1(160)과 CP_PWM2(161)의 듀티를 동역학적으로 조정한다.
차지 펌프(305)의 전류 피드백 발생기(270), 옵션 1의 설계 상세
도 3a를 참조하면, 전류 피드백 발생기(270)는 BJT(310)와 제너 다이오드(315)로 이루어진다.
2V 제너 다이오드(315)는 피드백 신호를 제너 전압과 비교하여 BJT(310) 베이스에 전류를 제공하도록 사용되는데, 이 전류는 BJT(310)를 구동시켜 차지 펌프의 BJT(310) 베이스로 제공되는 피드백 전류를 생성시킨다.
전류 피드백 발생기(270), 옵션 2의 설계 상세
도 3b를 참조하면, 전류 피드백 발생기(270)는 비교기(350), 다이오드(355), 레지스터(360, 365), 및 Vref(370)의 전원으로 이루어지고, 전원은 5V 레귤레이터와 한쌍의 레지스터를 구비하는 전압 분할기로 구성된다.
비교기(350)는 피드백 신호를 기준 전압 Vref(370)와 비교하여 차지 펌프의 BJT(205) 베이스에 제공되는 피드백 전류를 생성하도록 다이오드(355)에 전류를 제공한다.
제1 게이트 구동 장치(105)의 설계 상세
제1 구동 장치는 캐패시터(426), 레지스터(415), 레지스터(410), 전류 피드백 발생기(416), BJT(422), BJT(405), BJT(430) 및 레지스터(423)로 이루어진다.
구성요소들의 기능을 다음과 같이 설명한다:
캐패시터(426): VCP, 차지 펌프 출력 전압으로부터 리플 전류(ripple current)를 분리한다.
레지스터(415): 디지털 BJT(405)를 통과하는 누출 전류에 의해 BJT(422)의 의도치 않은 턴온을 방지한다.
레지스터(410): BJT(422)의 베이스 전류와 디지털 BJT(405)의 컬렉터 전류를 제한한다.
전류 피드백 발생기(416): FET의 천이 중에 HSD_게이트 신호에 일정한 전류를 제공한다.
BJT(422): HSD_게이트 신호에 하이 레벨을 제공한다.
BJT(430): HSD_게이트 신호에 로우 레벨을 제공한다.
레지스터(423): 노이즈에 의해 FET를 의도치 않게 턴온하는 것을 방지하도록 저 임피던스를 제공한다.
제1 게이트 구동 장치(105)의 기능은 하이측 FET(115)용 게이트 신호를 생성하는 것인데, 이 신호는 2.5% 미만의 스위칭의 상승 시간/하강 시간을 갖는 것이 요구된다: 50 KHz PWM에 대해 0.5 μsec 또는 100 KHz PWM에 대해 0.25 μsec.
요구되는 하강 시간을 달성하기 위하여, BJT의 신속 턴온 특성이 이용된다.
이 목적을 위해, NPN BJT(430)가 사용된다.
NPN BJT(430)가 OFF로부터 ON으로 천이되는 동안에, PNP BJT(422)는 여전히 ON이고, 이는 BJT(430)에서 상당한 파워 소산을 만든다.
BJT(430)의 파워 소산을 그 사양 한계값으로 제한하기 위하여, 222의 컬렉터 전류가 제한될 필요가 있다. 이 목적을 위해, 전류 피드백 발생기(416)가 사용되어 천이 중에 일정한 전류를 제공한다. 요구되는 상승 시간을 달성하기 위하여, BJT의 신속 턴온 특성이 이용된다. 이 목적을 위해, PNP BJT(422, 405)가 사용된다.
공급 전류는 아래의 식에 의해 정의된다.
상승 시간 = FET의 게이트 드레인 차지/공급 전류
전류 감지 레지스터(R1)와 전류 피드백 발생기(416)의 제너 다이오드(Z1)가 요구 전류를 제공하도록 세팅된다.
게이트 구동 장치가 차량 부하 덤프 천이, 즉 억제되지 않은 부하 덤프에 대해 50V 피크와 양립하게 하기 위하여, BJT 디바이스(405, 422, 430)의 Vce/Vbe 레이팅이 65V 이상이 될 필요가 있다.
전류 피드백 발생기(416)의 설계 상세
도 5를 참조하면, 전류 피드백 발생기(416)는 BJT(510), 제너 다이오드(515) 및 레지스터(520)로 이루어진다.
구성요소들의 기능을 아래와 같이 설명한다:
레지스터(520): 전압이 BJT(422)에 비례하는 피드백 신호를 제공한다.
2V 제너 다이오드(515): 피드백 신호를 제너 전압과 비교하고 BJT(510) 베이스에 전류를 제공하는데, 이 전류는 BJT(222)의 베이스에 제공되는 피드백 전류를 생성시키도록 BJT(510)를 구동시킨다.
전류 피드백 발생기(416)의 기능은 피드백을 제공하여 422의 컬렉터로부터의 전류를 제한하는 것이다.
422의 이미터 전류는 2% 미만의 공차를 갖는 컬렉터 전류를 나타내기 때문에 피드백으로서 사용된다.
피드백 성분의 값은 아래와 같이 설정된다:
BJT(510)는 2개의 레지스터를 갖는다.
하나는 베이스와 이미터 사이에 있는 R_be이다.
다른 하나는 BJT의 베이스와 베이스 단자 사이에 연결되는 R_bb이다.
BJT는 턴온 문턱 전압이 최소화될 수 있도록 R_be / R_bb >> 1를 갖게 선택된다.
Vth = 0.7V 공칭
I_이미터_222 × R1 = Vz1(Z1의 스니어(sneer) 전압) + Vth
I_이미터_222 = Vz1(Z1의 스니어 전압) + Vth
제너 다이오드(515)의 경우, 2V 제너 다이오드가 사용된다.
제2 게이트 구동 장치(110)의 설계 상세
도 6을 참조하면, 제2 게이트 구동 장치(110)는 PNP-NPN 듀얼 BJT(660), 분리 캐패시터(665), 레지스터(655, 650)으로 이루어진다.
구성요소들의 기능을 아래와 같이 설명한다:
PNP-NPN 듀얼 BJT(660): 입력 신호, LSD_PWM에 따라 하이 또는 로우 레벨을 제공한다.
레지스터(655): PNP-NPN 듀얼 BJT(660)의 베이스로의 또는 그 베이스로부터의 전류를 제한한다.
레지스터(650): 노이즈에 의한 660의 의도치 않은 작동을 방지하는 저 임피던스를 PNP-NPN 듀얼 BJT(660)에 제공한다.
660이 충분한 파워 소산 능력을 갖는지를 확인할 필요가 있다.
FET의 게이트 차지 사양으로부터 요구되는 파워 소산이 유도된다.
파워_소산 = FET의 게이트 차지 × 5V × PWM 주파수.
게이트-소스 전압 억제자:
제너 전압을 위한 14V 이하를 갖는 제너 다이오드(142)와 범용 다이오드(143)로 이루어진다.
하이측 FET(115)의 소스 전압을 사양 전압 16V 미만으로 억제하고 FET를 높은 전압으로부터 보호한다.
저손실 저노이즈 자동차 모터 제어 시스템은 PWM 게이트 구동 장치와 차지 펌프를 위한 마이크로프로세서 유닛(U1)에 의해 생성되는 이하의 타이밍 신호를 필요로 한다. 이들 타이밍 신호는 도 7에 도시되어 있다. 저손실 저노이즈 모터 제어 시스템은 MCU(145)로부터 적어도 3개의 타이밍 신호: HSD PWM(150), LSD PWM(155) 및 CP_PWM(160)의 사용을 포함한다. HSD PWM(150)은 하이측 FET U6을 위한 게이트 구동 장치(105)에 공급된다. LSD PWM(155)은 로우측 FET(125)를 위한 게이트 구동 장치(110)에 인가된다. CP_PWM(160)은 차지 펌프 회로(165)에 인가된다. ~HSD PWM(170)(역 HSD PWM)은 선택적이고, 게이트 구동 장치를 간소화하고 모터가 역방향으로 되게 하도록 사용될 수 있다.
기술된 주제를 달성하기 위하여 지금까지 설명된 방법, 구조 및 재료는 새로운 기술의 도입 및 개발의 다양한 범위를 제공하도록 제시되어 있다. 설명된 시스템 및 방법은 또한 조명 시스템에서 발생하는 울림을 감소시키도록 조광기에 적용될 수 있다. 여기에 설명되지 않은, 동일한 목적을 달성하는 주제 및 방법론의 임의의 변형예가 저손실 저노이즈 시스템의 실시예의 범위 하에 고려된다.

Claims (5)

  1. 제어된 파워를 자동차의 모터에 제공하는 시스템에 있어서,
    (a) 제1 게이트 구동 장치와 제2 게이트 구동 장치;
    (b) 하이측(high side) FET;
    (c) 로우측(low side) FET;
    (d) 차지 펌프 회로(charge pump circuit);
    (e) 인덕터 캐패시터 필터; 및
    (f) CP_PWM2 신호와 CP_PWM1 신호를 포함하는 복수 개의 타이밍 신호
    를 포함하고,
    상기 차지 펌프 회로는,
    제1 BJT의 전류를 제한하도록 구성되는 제1 레지스터;
    상기 제1 BJT의 이미터 전류에 비례하는 전압의 피드백 신호를 제공하도록 구성되는 제2 레지스터;
    상기 피드백 신호를 제어 신호로 변환시키는 전류 피드백 발생기로서, 상기 제어 신호는 상기 제1 BJT의 베이스 전압을 조정하여 CP-PWM2(285) 신호가 하이(high)에 있는 동안에 상기 제1 BJT가 일정한 전류를 공급하게 하는, 상기 전류 피드백 발생기;
    상기 제2 레지스터 및 지면에 연결되어, 상기 CP_PWM2 신호가 하이(high)일 때에 상기 제1 캐패시터를 충전하는 상기 제1 BJT의 이미터;
    상기 CP_PWM1 신호가 하이(high)일 때에 제3 BJT를 턴온시키는 전류를 상기 제3 BJT의 베이스에 제공하는 제2 BJT;
    상기 제3 BJT의 베이스 전류와 상기 제2 BJT의 컬렉터 전류를 제한하는 제3 레지스터;
    상기 제2 BJT를 통한 누출 전류에 의한 상기 제3 BJT의 의도치 않은 턴온을 방지하는 제4 레지스터;
    상기 제3 BJT가 온인 동안에 충전되고 상기 제3 BJT가 오프일 때에 VCP 노드에 증가된 차지(charge)를 제공하는 제2 캐패시터;
    상기 제1 BJT가 온인 동안에 상기 제2 캐패시터로부터 상기 제1 캐패시터로 유동하는 전류를 방지하는 제2 다이오드; 및
    상기 VCP 노드가 오프일 때에 상기 제2 캐패시터를 방전시키는 전류를 제공하는 제6 레지스터
    를 포함하고,
    상기 제1 BJT는 제1 배터리로부터 상기 제1 BJT의 컬렉터를 통해 제1 다이오드, 제1 캐패시터로 제공되는 전류를 제공하며,
    상기 제3 BJT는 상기 제3 BJT가 온일 때에 제5 레지스터, 상기 제1 캐패시터 및 상기 제1 다이오드를 통해 상기 VCP 노드에 전류를 충전하는 고전압을 제공하고,
    상기 제5 레지스터는 상기 제3 BJT가 온일 때에 상기 제5 레지스터, 상기 제1 캐패시터, 및 상기 제1 다이오드를 통해 상기 VCP 노드에 공급되는 제1 배터리 소스 전류를 제한하며,
    제1 캐패시터 차지(charge)는 상기 제1 BJT가 온인 동안에 증가되고, 증가된 차지(charge)는 상기 제3 BJT가 온인 동안에 상기 VCP 노드로 전달되고,
    상기 제1 다이오드는 상기 제3 BJT가 온인 동안에 상기 제1 배터리로 유동하는 전류를 방지하는 것인,
    제어된 파워를 자동차의 모터에 제공하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 타이밍 신호는 HSD PWM 신호와 LSD PWM 신호를 더 포함하고, 상기 HSD PWM 신호는 상기 제1 게이트 구동 장치에 인가되고 상기 LSD PWM 신호는 상기 로우측 FET(125)를 위한 상기 제2 게이트 구동 장치(110)에 인가되는 것인,
    제어된 파워를 자동차의 모터에 제공하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 게이트 구동 장치는, 제1 게이트 구동 장치 캐패시터; 제1 및 제2 게이트 구동 장치 레지스터; 제1 게이트 구동 장치 전류 피드백 발생기; 제1 게이트 구동 장치 BJT; 제2 게이트 구동 장치 BJT; 제3 게이트 구동 장치 BJT; 및 제3 게이트 구동 장치 레지스터를 포함하고, 상기 제1 게이트 구동 장치 캐패시터; 상기 제1 및 제2 게이트 구동 장치 레지스터; 상기 제1 게이트 구동 장치 전류 피드백 발생기; 상기 제1 게이트 구동 장치 BJT; 상기 제2 게이트 구동 장치 BJT; 상기 제3 게이트 구동 장치 BJT; 및 상기 제3 게이트 구동 장치 레지스터는 총괄적으로 상기 하이측 FET를 위한 게이트 신호를 생성하는 것인,
    제어된 파워를 자동차의 모터에 제공하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 게이트 구동 장치는, 제1 PNP-NPN 듀얼 BJT; 제1 및 제2 게이트 구동 장치 캐패시터; 및 제1 및 제2 게이트 구동 장치 레지스터를 포함하고, 상기 제1 PNP-NPN 듀얼 BJT; 상기 제1 및 제2 게이트 구동 장치 캐패시터; 및 상기 제1 및 제2 게이트 구동 장치 레지스터는 상기 로우측 FET를 위한 게이트 신호를 생성하는 것인,
    제어된 파워를 자동차의 모터에 제공하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    (g) 감지 레지스터; 및
    (h) 제1 및 제2 작동 증폭기(operational amplifier)를 더 포함하고,
    상기 감지 레지스터 및 상기 제1 및 제2 작동 증폭기는 액티브(active) 및 패시브(passive) 모터 전류를 모니터하고, 상기 하이측 FET와 상기 로우측 FET를 보호하는, MCU를 위해 사용되는 것인,
    제어된 파워를 자동차의 모터에 제공하는 시스템.
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