KR101639511B1 - 3상 bldc 모터 구동소자의 보호회로 - Google Patents

Abstract

3상 BLDC모터 구동회로에서, 구동 트랜지스터가 소손되는 문제를 해결하기 위하여 트랜지스터(16-18), 저항(R1-R6)을 회로에 추가하여 해결하였다. 더 상세하게 설명하면, 구동 트랜지스터(10,13)의 입력(Vb1, Vb2)에 전압이 HIGH가 입력되면, 트랜지스터(16)이 동작하는 형태를 설명하면, 구동 트랜지스터(10)에 HIGH가 입력되면, 이 전압은 저항(R1,R2)에 의해 트랜지스터(16)의 게이트 전압에 인가되어 트랜지스터(16)을 ON시켜, 구동 트랜지스터(13)의 입력전압(Vb2)을 강제적으로 LOW로 유지하게 된다. 따라서, 구동 트랜지스터(10,13)의 입력전압(Vb1, Vb2)이 모두 HIGH인 경우에도, 트랜지스터(16)에 의하여 입력전압(Vb2)는 LOW로 유지하여 구동 트랜지스터(10,13)을 보호하게 된다. 이하, 구동 트랜지스터(11,14), 트랜지스터(17), 저항(R3,R4)의 경우, 구동 트랜지스터(12,15), 트랜지스터(18), 저항(R5,R6)의 경우도 상기 구동 트랜지스터(10,13), 트랜지스터(16), 저항(R1,R2)의 경우와 동일한 원리에 의해 구동 트랜지스터들을 보호하는 방법에 관한 것이다.

Description

3상 BLDC 모터 구동소자의 보호회로{PROTECTION CIRCUIT OF THREE-PHASE BLDC MOTOR DRIVING DEVICE}

본 발명은 게이트 드라이버 및 이를 이용한 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3상 구동방식의 모터를 인버터를 사용하여 구동할 때 구동드라이버 회로가 노이즈, 시스템 오류로 인한 오동작으로 드라이버 회로가 소손되는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.

최근 에너지 효율을 높이기 위해 자동차, 가전제품(에어컨, 세탁기, 냉장고 등)에 인버터에 의해 제어되는 3상 브러쉬레스 직류 모터를 사용하는 경우가 많아지고 있다. 브러쉬레스 직류 모터(Brushless DC motor, BLDC motor)는 무정류자 모터(commutatorless motor)라고도 하며, 통상 직류 모터의 중요한 부품인 브러쉬와 정류자 대신 트랜지스터, MOSFET, IGBT와 같은 전력 스위칭 반도체 소자를 사용한 전자회로의 스위칭에 의해 고정자 권선에 흐르는 전류를 절환하여 토크를 발생시켜 구동하는 모터이다.

따라서 브러쉬레스 직류 모터는 동기 모터의 구조에 직류모터와 유사한 전류 대 토크, 속도 대 전압의 특성을 갖고 있으며, 고효율, 높은 전력 밀도 때문에 가전용 기기에서 산업용 기기에 이르기까지 사용분야가 점점 확대되고 있는 추세이다. 3상 브러쉬레스 직류 모터는 단상에 비해 토크 제어가 용이하며 효율이 높고 소음면에서도 유리하여 대용량은 대부분 3상으로 구동된다. 이러한 브러쉬레스 직류 모터는 고정자로서 3개의 코일이 전기적으로 120도의 위상차를 갖도록 회전자인 영구자석과 대향하여 배치되며, 스위칭 소자를 통해 각 상의 고정자 코일들을 선택적으로 통전시킬 때 그에 따라 자화되는 코어와 영구자석의 자극 상호간에 작용하는 자기력에 의하여 회전자가 회전하게 된다.

그러므로 브러쉬레스 직류 모터의 구동을 제어하기 위해서는 회전자의 자극과 고정자 각 상 코어와의 상대적인 위치를 검출하는 것이 필요하며, 이를 위해 홀소자(Hall device)를 사용한 위치검출 센서가 사용되고 홀소자에 의해 검출된 위치정보에 의해 고정자 권선에 적절한 전압을 인버터를 통해 인가한다. 상기한 브러쉬레스 직류 모터를 구동하는 데 사용되는 모터 구동 장치는 FET 또는 IGBT와 같은 6개의 전력 스위칭 소자를 사용한 전압형 인버터가 사용된다. 이러한 인버터는 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation) 구동방법에 의해 주로 제어된다. 일반적으로 PWM 구동방법은 전압을 일정하게 놓고 전류를 펄스방식으로 주어서 평균전류를 제어하는 것으로 이때 펄스폭의 비율을 제어하는 방식이 PWM 제어이다.

상기한 PWM 구동 방식으로서, 삼각파 슬라이스방식과 피크전류 검출방식이 알려져 있다. 삼각파 슬라이스 방식은 코일전류를 검출저항으로 보내, 검출저항에 발생하는 전압과 토크지령전압의 차분을 슬라이스레벨로서 출력하는 에러증폭기를 이용하여, 이 슬라이스레벨로 일정 주기의 삼각파를 슬라이스하여 코일로의 통전기간을 결정하는 방식이다. 피크전류 검출방식은, 에러증폭기를 이용하지 않으며, 코일전류가 흐르는 전류검출저항에 발생한 전압이 토크지령전압에 달하면, 코일로의 전류 공급을 정지하고 회생전류모드로 하는 방식이다.

6개의 인버터를 사용하는 종래의 모터 구동 장치는 크게 마이컴, 로직부, 3개의 게이트 드라이버부 및 6개의 FET(field effect transistor)를 포함하는 인버터로 구성된다. 출력 구동부를 형성하는 6개의 FET 소자는 상측(High Side)은 P 채널 소자를 사용하고 하측(Low Side)에 N 채널소자를 사용하여 조합된 경우 구동회로가 간단하게 이루어지는 장점이 있는 반면에 P 채널 소자는 N 채널 소자에 비하여 1.5~2.5배로 가격이 비싼 단점이 있다. 따라서, 상측의 FET도 가격이 저렴한 N 채널 소자를 사용하여 출력 구동부를 갖는 모터 구동 장치가 많이 사용되고 있다. 이하에 6개의 N 채널 FET를 사용한 모터 구동 장치를 예를 들어 설명한다.

도 1은 예를 들어, 자동차용 블로워 모터, 로봇 청소기에 사용되는 모터 구동 장치를 설명하기 위한 개략 블록도이다.

도 1을 참조하면, 모터 구동 장치는, 마이컴(10)과, 로직부(20)와, 3개의 게이트 드라이버(31,32,33) 및 6개의 N 채널 FET로 이루어진 인버터(40)로 구성되어, 모터(50)에 구동 전압을 인가한다. 상기 도 1에 도시된 모터 구동 장치는 모터(50)가 3상 구동 방식으로 구동되는 경우를 예시한 것으로, 3개의 상측(High Side) FET(FET1~FET3)와 3개의 하측 FET(FET4~FET6)가 3쌍의 인버터를 형성하여 이들의 3 접속점으로부터 인버터 출력이 발생되어 모터(50)의 3상 구동코일에 교대로 3상 구동 전압(OUT1~OUT3)을 인가한다. 마이컴(10)은 0 내지 5 볼트(Volt)의 가변 전압을 입력받아 PWM(펄스폭변조) 신호를 로직부(20)로 출력한다. 로직부(20)는 마이컴(10)으로부터 출력되는 PWM 신호와, 모터(50)의 홀 소자가 회전자의 자석 극성을 검출한 3개의 검출 신호(HS)를 조합하여 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 형성한다.

3개의 게이트 드라이버(31~33)는 각각 로직부(20)로부터 출력되는 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 상측 및 하측 FET를 구동할 수 있는 상측 및 하측 드라이버 출력(HO,LO)으로 변환하여 상측 FET(FET1~FET3)의 게이트 단자로 인가한다. 6개의 FET(FET1~FET6)는 파워 소자로 구현되며, 상측 FET(FET1~FET3) 및 하측 FET(FET4~FET6) 각각은 대응하는 모터(50)의 3상, 예를 들어, U, W, V 상 구동 코일에 각각 연결되어, 게이트 단자로 인가되는 상측 및 하측 드라이버 출력(HO,LO)에 따라 모터(50)에 3상 구동 전압(OUT1~OUT3)을 인가하여 모터(50)를 구동시킨다. 이 경우, 상기 도 1에 예시된 종래의 모터 구동 장치에서 게이트 드라이버(31~ 33)는 각각 내부적으로 상측 및 하측 드라이버를 구비하고, 상측 FET(FET1~FET3) 및 하측 FET(FET4~FET6)를 구동하기 위한 상측 및 하측 드라이버 출력신호(HO,LO)를 발생하며, 또한 플로팅 채널은 부트스트랩 동작(Bootstrap Operation)을 수행하도록 설계되어 있다.

따라서, 상기 게이트 드라이버(31~33)는 기본적으로 인버터(40)의 FET를 구동하는데 필요한 전류 증폭의 역할과, 모터 상 포인트에서 마이컴(10)으로부터 발생된 PWM 구동신호가 온(ON)인 경우 인버터(40)의 상측(High Side) FET(FET1~FET3)의 게이트 단자가 상측 FET(FET1~FET3)와 하측 FET(FET4~FET6) 사이의 접속점(즉, 인버터 출력)보다 (+)15V가 더 높게 유지되도록 하며, 마이컴(10)으로부터 오프(OFF)신호가 출력된 경우 게이트 단자가 출력상과 동일한 전압, 즉 0V가 되도록 제어하는 역할을 한다. 이러한 역할을 하기 위하여 종래에 개발된 게이트 드라이버는 입/출력 핀이 각각 2개씩으로 구현되는 IC 칩을 이용하거나 또는 3개의 게이트 드라이버를 하나의 IC 칩으로 구현하고 있다.

예컨대, FAIRCHILD SEMICONDUCTOR사의 'FAN 7382'(High-and Low-Side Gate Driver), 또는 International Rectifier 사의 'IR 2101' 또는 'IR2106' 와 같은 IC 칩 제품을 이용하여 각각의 게이트 드라이버(31~33)를 구현하고 있으나, 이러한 게이트 드라이버 IC 칩 자체의 가격이 고가이기 때문에 모터 구동 장치의 생산 단가가 크게 비싸지게 되는 원인이 된다. 즉, 3상 구동 방식의 모터를 구동시키기 위해서는 3개의 고가 게이트 드라이버 칩을 사용하여 구현되기 때문에 모터 구동 장치의 생산 단가가 올라감에 따라 이를 채용하는 전자 기기, 특히, 로봇청소기와 같이 밧데리를 구동전원으로 사용하는 전기제품의 생산 단가 역시 상승하게 되어 경쟁력을 낮추는 원인이 된다.

또한, 도2는 종래의 자동차용 모터드라이버 회로로서, 모터컨트롤러에서 게이트신호를 인가하여 6개의 트랜지스터를 구동하여 모터의 속도를 제어하는 것으로서, 이러한 트랜지스터가 노이즈, 시스템 오류 등으로 제어회로의 오동작이 발생하여 트랜지스터 (2와 5), (3과 6), (4와 7)이 동시에 턴온되는 경우에 과전류가 흘러서 구동 트랜지스터가 소손되는 문제가 있었다. 본 발명은 이러한 트랜지스터가 소손되는 문제를 해결할 필요가 있다.

KR 10-2009-0048236A US2010/0164419A1 JP18042423A KR10-141318B1

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모터 구동 트랜지스터의 게이트 단자에 트랜지스터를 설치하여 전원에 연결된 트랜지스터가 동시에 동작하지 않도록 할 필요가 있다. 더 상세하게는 잡음, 시스템 오류 등의 오동작에 의해 구동 트랜지스터(10,13), 구동 트랜지스터(11,14), 구동 트랜지스터(12,15)가 동시에 ON되는 경우, 구동전압은 트랜지스터를 통해 직접 접지로 흘러 구동 트랜지스터를 소손하게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않을 것이다.

이러한 구동 트랜지스터가 소손되는 문제를 해결하기 위하여 트랜지스터(16-18), 저항(R1-R6)을 회로에 추가하여 해결하였다. 더 상세하게 설명하면, 구동 트랜지스터(10,13)의 입력(Vb1, Vb2)에 전압이 HIGH가 입력되면, 트랜지스터(16)이 동작하는 형태를 설명하면, 구동 트랜지스터(10)에 HIGH가 입력되면, 이 전압은 저항(R1,R2)에 의해 트랜지스터(16)의 게이트 전압에 인가되어 트랜지스터(16)을 ON시켜, 구동 트랜지스터(13)의 입력전압(Vb2)을 강제적으로 LOW로 유지하게 된다. 따라서, 구동 트랜지스터(10,13)의 입력전압(Vb1, Vb2)이 모두 HIGH인 경우에도, 트랜지스터(16)에 의하여 입력전압(Vb2)는 LOW로 유지하여 구동 트랜지스터(10,13)을 보호하게 된다.

이하, 구동 트랜지스터(11,14), 트랜지스터(17), 저항(R3,R4)의 경우, 구동 트랜지스터(12,15), 트랜지스터(18), 저항(R5,R6)의 경우도 상기 구동 트랜지스터(10,13), 트랜지스터(16), 저항(R1,R2)의 경우와 동일한 원리에 의해 구동 트랜지스터들을 보호하게 되는 방법으로 이 문제를 해결하고자 한다.

구동 트랜지스터 입력단에 보호회로를 추가하여 잡음, 시스템 오류 등에 의하여 구동 트랜지스터가 소손되는 문제를 해결하였으며, 이로 인하여 자동차용 BLDC 모터의 신뢰성이 높아질 것이다.

도 1은 종래의 BLDC 모터의 제어회로에 대한 블록도
도 2는 종래의 모터 구동 트랜지스터 회로도
도 3은 본 발명의 실시예의 도면이다;

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도3를 참조하면, 트랜지스터(10-15)는 모터속도제어회로(9)에 의하여 PWM방식에 의해 모터(19)를 구동한다.

더 상세하게 모터(19)가 구동되는 원리설명하면, BLDC 모터(19)를 3상 방식으로 구동하기 위한 구동전압(미도시)은 트랜지스터(10)이 ON되면, 이 전압은 모터(19)에 공급되고 이는 다시 트랜지스터(14)가 ON되어 모터에 전력을 공급하게 된다.

또한, 각각의 모터(19) 구동 트랜지스터는 PWM 3상 방식으로 모터(19)를 구동하며, 구동 트랜지스터가 동작되는 쌍은 트랜지스터(10,14), 트랜지스터(11,15), 트랜지스터(12,13)이 각각 구동되는 형태이다.

그러나, 잡음, 시스템 오류 등의 오동작에 의해 구동 트랜지스터(10,13), 구동 트랜지스터(11,14), 구동 트랜지스터(12,15)가 동시에 ON되는 경우, 구동전압은 트랜지스터를 통해 직접 접지로 흘러 구동 트랜지스터를 소손하게 된다.

이를 방지하기 위하여 트랜지스터(16-18), 저항(R1-R6)을 회로에 추가하여 해결하였다. 더 상세하게 설명하면, 구동 트랜지스터(10,13)의 입력(Vb1, Vb2)에 전압이 HIGH가 입력되면, 트랜지스터(16)이 동작하는 형태를 설명하면, 구동 트랜지스터(10)에 HIGH가 입력되면, 이 전압은 저항(R1,R2)에 의해 트랜지스터(16)의 게이트 전압에 인가되어 트랜지스터(16)을 ON시켜, 구동 트랜지스터(13)의 입력전압(Vb2)을 강제적으로 LOW로 유지하게 된다. 따라서, 구동 트랜지스터(10,13)의 입력전압(Vb1, Vb2)이 모두 HIGH인 경우에도, 트랜지스터(16)에 의하여 입력전압(Vb2)는 LOW로 유지하여 구동 트랜지스터(10,13)을 보호하게 된다.

이하, 구동 트랜지스터(11,14), 트랜지스터(17), 저항(R3,R4)의 경우, 구동 트랜지스터(12,15), 트랜지스터(18), 저항(R5,R6)의 경우도 상기 구동 트랜지스터(10,13), 트랜지스터(16), 저항(R1,R2)의 경우와 동일한 원리에 의해 구동 트랜지스터들을 보호하게 된다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

9 : 모터속도제어회로
10~18 : 구동 트랜지스터

Claims (2)

1. 모터속도제어회로(9)에 의하여 구동트랜지스터(10-15)를 동작시켜 모터(19)를 구동하는 3상 BLDC모터의 구동회로에 있어서,
   구동 트랜지스터(10,13), 구동 트랜지스터(11,14), 구동 트랜지스터(12,15)가 모터(19)에 직접 연결되고,
   상기 구동 트랜지스터(10)의 입력단(Vb1)에는 저항(R1)이 연결되고, 상기 구동 트랜지스터(13)의 입력단은 트랜지스터(16)의 콜렉터단에 연결되고, 저항(R2)는 트랜지스터(16)의 게이트와 접지 사이 연결되며,
   상기 구동 트랜지스터(11)의 입력단(Vb3)에는 저항(R3)가 연결되고, 상기 구동 트랜지스터(14)의 입력단은 트랜지스터(17)의 콜렉터단에 연결되고, 저항(R4)는 트랜지스터(17)의 게이트와 접지 사이에 연결되며,
   상기 구동 트랜지스터(12)의 입력단(Vb5)에는 저항(R5)가 연결되고, 상기 구동 트랜지스터(15)의 입력단은 트랜지스터(18)의 콜렉터단에 연결되고, 저항(R6)는 트랜지스터(18)의 게이트와 접지 사이에 연결되며,
   상기 구동 트랜지스터(10-15)는 MOSFET, IGBT 중 선택되는 전력 스위칭 반도체 소자이고,
   상기 트랜지스터(16)는, 구동 트랜지스터(10)에 HIGH가 입력되면, 이 전압은 저항(R1,R2)에 의해 트랜지스터(16)의 게이트 전압에 인가되어 트랜지스터(16)을 ON시켜, 구동 트랜지스터(13)의 입력전압(Vb2)을 강제적으로 LOW로 유지하는것을 특징으로 하는 3상 BLDC 모터 구동회로.
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