KR101707597B1 - 홀 센서리스 ｂｌｄｃ 모터용 전원 공급 모듈 - Google Patents

홀 센서리스 ｂｌｄｃ 모터용 전원 공급 모듈 Download PDF

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    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Abstract

본 발명은 홀 센서리스 ＢＬＤＣ 모터용 전원 공급 모듈에 관한 것으로서, 고전압/대전류가 인가되어, 홀 센서리스 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를 구동하는 복수의 파워소자를 포함하는 고전압/대전류 파워소자; 상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호 또는 속도 신호를 감지 및 제어하고, 상기 홀 센서리스 BLDC 모터를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 모터 구동회로; 및 상기 모터 구동회로의 PWM 제어 신호에 따라 상기 고전압/대전류 파워소자를 구동하는 파워소자 구동회로를 포함하고, 상기 고전압/대전류 파워소자, 상기 파워소자 구동회로 및 상기 모터 구동회로는 동일한 기판 상에 CMOS 집적화되는 것을 특징으로 한다.

Description

홀 센서리스 ＢＬＤＣ 모터용 전원 공급 모듈{Power Supply Module for Hall Sensorsless Brushless Direct Current Motor}
본 발명은 전원 공급 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압/대전류 파워소자, 파워소자 구동회로 및 모터 구동회로가 CMOS 집적화된 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈에 관한 것이다.
모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로서, 최근 그린오션 환경의 도래에 따라 친환경 절전형 부품/시스템의 개발이 필요하고, 이에 대해 기존의 브러시형 DC 모터보다 에너지 절감 기능이 우수하고 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 저소음, 장수명, 고효율 및 고내구성 특징을 갖는 브러시 없는 DC(BrushLess Direct Current, 이하, 'BLDC'라 칭함) 모터에 대한 수요가 증가하고 있다.
BLDC 모터는 기존의 DC 모터의 브러시나 정류자 대신에 내장된 전력반도체 소자를 사용하므로, 고전압/대전류 파워소자, 파워소자 구동회로 및 모터 구동회로를 포함하는 BLDC 모터용 전원 공급 모듈을 요구한다. BLCD 모터용 전원 공급 모듈은 고전압/대전류 파워소자 칩, 파워소자 구동회로 칩 및 모터 구동회로 칩으로 구성되고, 응용 분야에 따라 3칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈 또는 2칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈이 현재 양산되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 3칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 내부 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.
도 1을 참조하면, 3칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈은 고전압/대전류 파워소자 칩(110), 파워소자 구동회로 칩(120) 및 모터 구동회로 칩(130)으로 구성되고, 각각의 칩들이 하나의 보드에 모듈로 구성된다.
도 2는 종래 기술에 따른 2칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 내부 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 2칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈은 고전압/대전류 파워소자 내장형 파워소자 구동회로 칩(210)과 모터 구동회로 칩(220)으로 구성되거나 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 고전압/대전류 파워소자 칩(230)과 파워소자/모터 구동회로 칩(240)으로 구성되어, 각각의 칩들이 하나의 보드에 모듈로 구성될 수 있다. 즉, 고전압/대전류 파워소자와 파워소자 구동회로가 하나의 칩으로 구현되거나 파워소자 구동회로와 모터 구동회로가 하나의 칩으로 구현될 수 있다.
그러나, 종래의 3칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈 또는 종래의 2칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈은 향후 부품/시스템의 지능화, 다기능화, 고기능화 및 고집적화 요구에 부응하기 어렵다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고집적, 저전력, 고효율, 고생산성 및 고신뢰성이 가능한 고전압/대전류 파워소자, 파워소자 구동회로 및 모터 구동회로가 CMOS 집적화된 고효율 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈은, 고전압/대전류가 인가되어, 홀 센서리스 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를 구동하는 복수의 파워소자를 포함하는 고전압/대전류 파워소자; 상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호 또는 속도 신호를 감지 및 제어하고, 상기 홀 센서리스 BLDC 모터를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 모터 구동회로; 및 상기 모터 구동회로의 PWM 제어 신호에 따라 상기 고전압/대전류 파워소자를 구동하는 파워소자 구동회로를 포함하고, 상기 고전압/대전류 파워소자, 상기 파워소자 구동회로 및 상기 모터 구동회로는 동일한 기판 상에 CMOS 집적화되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고전압/대전류 파워소자, 파워소자 구동회로 및 모터 구동회로가 동일한 기판 상에 CMOS 집적화된 고효율 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈을 제공함으로써, 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 지능화, 다기능화, 고기능화 및 고집적화가 가능하고, 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 3칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 내부 구성을 나타낸 블럭 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 2칩 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 내부 구성을 나타낸 블럭 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 내부 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
일반적으로 브러시 없는 DC(BrushLess Direct Current, 이하, 'BLDC'라 칭함) 모터의 속도 및 위치 제어는 홀 센서 또는 홀 센서리스를 이용하여 제어한다. 즉, 홀 센서 BLDC 모터의 경우, 홀 센서를 이용하여 BLDC 모터의 속도와 위치를 감지하는 반면, 홀 센서리스 BLDC 모터의 경우, BEMF(Back Electro Motive Force) 알고리즘을 이용하여 모터의 속도와 위치를 감지한다.
한편, 홀 센서리스 BLDC 모터는 모터와 홀 센서의 연결선이 없어서 홀 센서 BLDC 모터보다 제조 비용이 적게 들고, 신뢰성이 높다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 이러한 홀 센서리스 BLDC 모터를 위한 전원 공급 모듈을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈의 내부 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈(300)은 고전압/대전류가 인가되어, 홀 센서리스 BLDC 모터(400)를 구동하는 고전압/대전류 파워소자(310), 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 위치 신호 또는 속도 신호를 감지 및 제어하고, 홀 센서리스 BLDC 모터(400)를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 모터 구동회로(320) 및 모터 구동회로(320)의 PWM 제어 신호에 따라 고전압/대전류 파워소자(310)를 구동하는 파워소자 구동회로(330)를 포함한다. 여기서, 고전압/대전류 파워소자(310), 파워소자 구동회로(330) 및 모터 구동회로(320)는 동일한 기판 상에 CMOS 집적화된다.
고전압/대전류 파워소자(310)는 파워소자 구동회로(330)의 제어에 의하여 홀 센서리스 BLDC 모터(400)에 전압과 전류를 직접 인가하기 때문에, 낮은 온 저항, 높은 항복전압 및 큰 구동전류가 가능한 초접합 수직형(Super Junction Vertical) 또는 초접압 트렌치(Super Junction Trench) 파워소자로 구성된다.
디스크리트 파워소자보다 내장 파워소자에 있어서, 온 저항은 발열 때문에 매우 중요한 설계 인자 중에 하나이고, 온 저항과 항복 전압은 상반(trade-off) 관계이므로 응용 분야에 따라 파워소자를 적절하게 설계해야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 고전압/대전류 파워소자(310)는 큰 사이즈의 파워소자 한 개보다 작은 사이즈의 파워소자 여러 개로 구성되는 것이 바람직하다.
모터 구동회로(320)는 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 위치 신호 또는 속도 신호를 감지 및 제어하여 홀 센서리스 BLDC 모터(400)를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 파워소자 구동회로(330)의 입력 신호로 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 모터 구동회로(320)는 위치 신호 검출 및 제어부(321), 정현파 모듈부(322), 타이밍 발생부(323), PWM 제어부(324), 외부 인터페이스부(325) 등을 포함한다.
위치 신호 검출 및 제어부(321)는 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 위치 신호를 검출하고 제어한다. 이를 위해, 위치 신호 검출 및 제어부(321)는 BEMF(Back Electro Motive Force) 알고리즘을 이용하여 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 위치 및 전류를 센싱하는 위치 및 전류 센싱부(321a), 센싱된 전류의 부호 변환점(Zero-Crossing) 및 위치를 감지하는 부호 변환점 및 위치 감지부(321b), 부호 변환점 발생 시점에 홀 센서리스 BLDC 모터(400)에 인가되는 고전압/대전류의 전압 레벨을 샘플링하여 필터링하고, 필터링된 값을 이용하여 부호 변환점 발생 여부를 판단하는 레귤레이터 제어부(321c) 및 부호 변환점 및 위치 감지부(321b)와 레귤레이터 제어부(321c)를 이용하여 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 위치 신호를 추적하는 위치 추적부(321d)를 포함할 수 있다.
정현파 모듈부(322)는 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 위치 신호와 부동소수점 PLL부(Fractional-N PLL)(326)의 부동소수점 PLL 기준 신호를 이용하여 180°의 정현파 신호를 발생한다. 여기서, 부동소수점 PLL부(326)는 클럭 발생부(327)에서 발생된 클럭 신호를 1/N 분주시켜 부동소수점 PLL 기준 신호를 생성한다.
타이밍 발생부(323)는 고전압/대전류 파워소자(310)에 포함된 복수의 파워소자(311)의 온오프 타이밍을 설정하기 위한 타이밍 신호를 발생한다.
PWM 제어부(324)는 정현파 모듈부(322)의 정현파 신호 및 타이밍 발생부(323)의 타이밍 신호에 따라 홀 센서리스 BLDC 모터(400)를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생한다.
외부 인터페이스부(325)는 외부와 직렬 또는 병렬로 접속되어, 외부로부터 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 구동, 회전 및 속도를 조절하기 위한 외부 제어 신호를 수신한다. 여기서, 홀 센서리스 BLDC 모터(400)의 구동, 회전 및 속도를 제어하기 위한 각각의 외부 제어 신호는 구동 제어부(325a), 회전 선형적분 제어부(325b) 및 속도 선형적분 제어부(325c) 각각에 인가된다.
파워소자 구동회로(330)는 모터 구동회로(320)의 PWM 제어 신호에 따라 고전압/대전류 파워소자(310) 즉, 고전압/대전류 파워소자(310)에 포함된 복수의 파워소자(311)를 구동한다.
파워소자 구동회로(330)는 파워소자의 출력 부하가 크면 즉, 구동 전류가 많이 흐르면, 복수의 파워소자(311)를 많이 최대로 턴 온오프시키고, 구동 전류가 적으면, 복수의 파워소자(311)를 최소로 턴 온오프시켜서 파워소자의 출력 부하에 따라 구동 전류를 제어하여 파워소자 구동회로(330)의 소비 전력을 최소화한다.
파워소자 구동회로(330)는 복수의 파워소자(311)가 동시에 턴 온오프되는 것을 방지하여 고전압/대전류 파워소자(310)의 단락 전류를 감소시키는 슬루 레이트(Slew Rate) 제어부(331), 복수의 파워소자(311)를 턴 온오프시키는 멀티입력구동회로부(332) 및 고전압/대전류 파워소자(310)의 출력 부하에 따라 멀티입력구동회로부(332)를 제어하는 적응형 전압 제어부(333)를 포함한다. 여기서, 파워소자 구동회로(330)는 고전압/대전류 파워소자(310)를 과전압, 과전류 및 과온도로부터 보호하는 보호회로부(334)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
310: 고전압/대전류 파워소자 320: 모터 구동회로
330: 파워소자 구동회로

Claims (8)

  1. 전압/전류가 인가되어, 홀 센서리스 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를 구동하는 복수의 파워소자를 포함하는 전압/전류 파워소자;
    상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호 또는 속도 신호를 감지 및 제어하고, 상기 홀 센서리스 BLDC 모터를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 모터 구동회로; 및
    상기 모터 구동회로의 PWM 제어 신호에 따라 상기 전압/전류 파워소자를 구동하는 파워소자 구동회로;
    를 포함하고, 상기 전압/전류 파워소자, 상기 파워소자 구동회로, 및 상기 모터 구동회로는 동일한 기판 상에 CMOS 집적화되고,
    상기 파워소자 구동회로는,
    상기 복수의 파워소자가 동시에 턴 온되거나 턴 오프되는 것을 방지하는 슬루 레이트(Slew Rate) 제어부;
    상기 복수의 파워소자를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 멀티입력구동회로부; 및
    상기 전압/전류 파워소자의 출력 부하에 따라 상기 멀티입력구동회로부를 제어하는 적응형 전압 제어부;
    를 포함하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압/전류 파워소자는 초접합 수직형(Super Junction Vertical) 또는 초접합 트렌치(Super Junction Trench) 파워소자를 포함하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파워소자 구동회로는 상기 전압/전류 파워소자의 출력 부하에 따라 상기 전압/전류 파워소자의 구동 전류를 제어하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 파워소자 구동회로는,
    상기 전압/전류 파워소자를 과전압, 과전류, 및 과온도로부터 보호하는 보호회로부;
    를 더 포함하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  5. 전압/전류가 인가되어, 홀 센서리스 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를 구동하는 복수의 파워소자를 포함하는 전압/전류 파워소자;
    상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호 또는 속도 신호를 감지 및 제어하고, 상기 홀 센서리스 BLDC 모터를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 모터 구동회로; 및
    상기 모터 구동회로의 PWM 제어 신호에 따라 상기 전압/전류 파워소자를 구동하는 파워소자 구동회로;
    를 포함하고, 상기 전압/전류 파워소자, 상기 파워소자 구동회로, 및 상기 모터 구동회로는 동일한 기판 상에 CMOS 집적화되고,
    상기 모터 구동회로는,
    상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호를 검출하고 제어하는 위치 신호 검출 및 제어부;
    상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호와 부동소수점 PLL 기준 신호를 이용하여 180도의 정현파 신호를 발생하는 정현파 모듈부;
    상기 복수의 파워소자의 온 타이밍 또는 오프 타이밍을 설정하기 위한 타이밍 신호를 발생하는 타이밍 발생부;
    상기 정현파 신호 및 상기 타이밍 신호에 따라 상기 홀 센서리스 BLDC 모터를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 PWM 제어부; 및
    외부와 직렬 또는 병렬로 접속되어, 외부로부터 상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 구동, 회전 및 속도를 제어하기 위한 외부 제어 신호를 수신하는 외부 인터페이스부;
    를 포함하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위치 신호 검출 및 제어부는,
    BEMF(Back Electro Motive Force) 알고리즘을 이용하여 상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 및 전류를 센싱하는 위치 및 전류 센싱부;
    상기 센싱된 전류의 부호 변환점(Zero-Crossing) 및 위치를 감지하는 부호 변환점 및 위치 감지부;
    상기 부호 변환점 발생 시점에 상기 홀 센서리스 BLDC 모터에 인가되는 고전압/대전류의 전압 레벨을 샘플링하여 필터링하고, 필터링된 값을 이용하여 부호 변환점 발생 여부를 판단하는 레귤레이터 제어부; 및
    상기 부호 변환점 및 위치 감지부와 상기 레귤레이터 제어부를 이용하여 상기 홀 센서리스 BLDC 모터의 위치 신호를 추적하는 위치 추적부;
    를 포함하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전압/전류 파워소자는 초접합 수직형(Super Junction Vertical) 또는 초접합 트렌치(Super Junction Trench) 파워소자를 포함하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 파워소자 구동회로는 상기 전압/전류 파워소자의 출력 부하에 따라 상기 전압/전류 파워소자의 구동 전류를 제어하는 홀 센서리스 BLDC 모터용 전원 공급 모듈.
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