KR102004192B1 - 저전압 배터리 충전 기능을 구비하는 절연형 모터 구동 장치 - Google Patents

저전압 배터리 충전 기능을 구비하는 절연형 모터 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 배터리 충전 모드에서, 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 출력하는 정류기, 배터리 충전 모드에서, 정류 전압에 의해 충전되는 입력측 절연 커패시터부, 배터리 충전 모드에서, 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압이 모터로 인가되도록 스위칭 동작하는 입력측 스위치부, 배터리 충전 모드에서, 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압에 의해 모터의 적어도 하나의 코일에 충전되는 전력이 배터리로 전달되도록 스위칭 동작하는 인버터, 및 배터리 충전 모드에서, 상기 모터에 인가된 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압에 의해 충전되는 출력측 절연 커패시터부를 포함하는 절연형 모터 구동 장치가 게시된다.

Description

저전압 배터리 충전 기능을 구비하는 절연형 모터 구동 장치{Isolated motor driving device having charge function of low voltage battery}
본 발명의 기술적 사상은 모터 구동 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 충전 기능을 구비하면서도 입력측과 출력측이 절연되는 모터 구동 장치에 관한 것이다.
최근, 전기 이륜차, 전기 자전거, 전동 휠체어 및 소형 전기 자동차 등과 같이 전기 에너지를 구동 에너지로 이용하는 개인용 이동 수단이 근거리 교통 수단이나 물류 배달 수단 등으로 주목받고 있다.
그러나, 개인용 이동 수단은, 내부에 장착되는 핵심 모듈, 예를 들면, 배터리 셀 모듈, 배터리 충전 회로 모듈 등의 부피가 크고, 무거우며, 값이 비싸, 보급 확산과 시장의 확대에 어려움을 겪고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 시도의 일환으로, 공개된 논문(Integrated Motor Drives and Battery Chargers for Electric or Plug-in Hybrid Electric Vehicles, Saeid Haghbinl, 2013년 공개)에 배터리 충전 회로 모듈을 모터 구동 회로 모듈에 집적하는 방안이 제시되었으나, 여전히 고전압 배터리가 요구됨에 따라 배터리 셀 모듈의 부피, 무게가 증가하는 문제점과, 고전압 스트레스에 견딜 수 있는 인버터의 요구로 인해 제조 단가가 상승하는 문제점이 있다.
한편, 모터 구동 회로 모듈과 같은 컨버터, 인버터류는 사용자 안전을 위해 갈바닉 절연(galvanic)이 요구된다. 갈바닉 절연은 작업자의 안전을 보장하고, 저전압 장치들을 고전압으로부터 보호하기 위함이다.
도 1은 일반적인 절연 회로를 도시하고 있는데, 도 1(a)는 포토 커플러(photo-coupler)를 이용한 절연 회로로서, 이는 소전력, 약 1W 미만에 사용 가능하다. 또한, 도 1(b)는 트랜스포머를 이용한 절연 회로인데, 대용량에 적용될 수 있다는 장점 때문에 일반적으로 이용되고 있다. 그러나, 트랜스포머는 컨버터의 부피 및 무게를 증가시키며, 높은 비용의 요구와 함께 전력 변환 효율을 저하시키므로 온전한 대안이 되기는 어려운 면이 존재한다.
도 1(c)는 커패시터를 이용한 절연 회로인데, 커패시터 절연은 고주파에서 사용 가능하며, 가격도 저렴하기 때문에 트랜스포머 절연의 문제점을 해결하기 위한 방안이 될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 경량화 및 부피 저감이 가능하며 제조 단가를 낮출 수 있는 배터리 충전 기능을 구비하는 모터 구동 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 갈바닉 절연이 가능한 모터 구동 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 저전압 배터리 충전 기능을 구비하는 절연형 모터 구동 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 절연형 모터 구동 장치는, 배터리 충전 모드에서, 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 출력하는 정류기; 상기 배터리 충전 모드에서, 상기 정류 전압에 의해 충전되는 입력측 절연 커패시터부; 상기 배터리 충전 모드에서, 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압이 모터로 인가되도록 스위칭 동작하는 입력측 스위치부; 상기 배터리 충전 모드에서, 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압에 의해 상기 모터의 적어도 하나의 코일에 충전된 전력이 배터리로 전달되도록 스위칭 동작하는 인버터; 및 상기 배터리 충전 모드에서, 상기 모터에 인가된 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압에 의해 충전되는 출력측 절연 커패시터부;를 포함한다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 정류기, 상기 입력측 절연 커패시터부 및 상기 입력측 스위치부는, 입력측 회로를 구성할 수 있고, 상기 인버터 및 상기 출력측 절연 커패시터부는, 출력측 회로를 구성할 수 있으며, 상기 입력측 회로와 상기 출력측 회로는, 상기 입력측 절연 커패시터부와 상기 출력측 절연 커패시터부에 의해 절연될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 배터리 충전 모드에서 상기 입력측 스위치부의 스위칭 동작과 상기 인버터의 스위칭 동작은, 소정의 위상 차이를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 입력측 절연 커패시터부는, 상기 정류기의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 입력측 커패시터와 제2 입력측 커패시터를 포함할 수 있고, 상기 출력측 절연 커패시터부는, 상기 배터리의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 출력측 커패시터와 제2 출력측 커패시터를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 입력측 스위치부는, 상기 정류기의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결되고 상기 배터리 충전 모드에서 서로 상보적으로 스위칭 동작하는 제1 입력측 스위치와 제2 입력측 스위치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 입력측 스위치와 상기 제2 입력측 스위치 사이의 공통 노드는, 출력측 절연 커패시터부의 제1 출력측 커패시터와 제2 출력측 커패시터 사이의 공통 노드에 연결될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 인버터는, 상기 배터리의 양단 사이에서 서로 직렬 연결되고 상기 배터리 충전 모드에서 서로 상보적으로 스위칭 동작하는 상단 스위치부와 하단 스위치부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 상단 스위치부는, 제1 출력측 스위치, 제2 출력측 스위치 및 제3 출력측 스위치를 포함할 수 있고, 상기 하단 스위치부는, 상기 제1 출력측 스위치와 직렬로 연결된 제4 출력측 스위치, 상기 제2 출력측 스위치와 직렬로 연결된 제5 출력측 스위치 및 상기 제3 출력측 스위치와 직렬로 연결된 제6 출력측 스위치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 모터의 적어도 하나의 코일은, 제1 코일, 제2 코일 및 제3 코일을 포함할 수 있고, 상기 제1 코일, 상기 제2 코일 및 상기 제3 코일 각각의 일측은, 상기 입력측 절연 커패시터부를 구성하는 제1 입력측 커패시터와 제2 입력측 커패시터의 공통 노드에 연결될 수 있고, 상기 제1 코일의 타측은, 상기 제1 출력측 스위치와 상기 제4 출력측 스위치의 공통 노드에 연결될 수 있고, 상기 제2 코일의 타측은, 상기 제2 출력측 스위치와 상기 제5 출력측 스위치의 공통 노드에 연결될 수 있고, 상기 제3 코일의 타측은, 상기 제3 출력측 스위치와 상기 제6 출력측 스위치의 공통 노드에 연결될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 입력측 스위치부는, 모터 구동 모드에서 턴 오프 될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 절연형 모터 구동 장치는 상기 교류 전압의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거용 커패시터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 저전압 배터리 충전 기능을 구비하는 절연형 모터 구동 장치는, 저전압 배터리 채용이 가능하여 경량화와 부피 저감이 가능하며, 제조 단가를 크게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 저전압 배터리 충전 기능을 구비하는 절연형 모터 구동 장치는, 간단한 회로 구성으로도 갈바닉 절연을 가능케 할 수 있어 안전성을 개선시킬 수 있다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 컨버터에 적용 가능한 절연 회로를 도시하는 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 절연형 모터 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 절연형 모터 구동 장치의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 절연형 모터 구동 장치에서의 각 신호 파형을 도시하는 도면이다.
본 발명의 기술적 사상은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 기술적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 기술적 사상을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 기술적 사상의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 절연형 모터 구동 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2에 절연형 모터 구동 장치(100)를 도시함에 있어서, 절연형 모터 구동 장치(100)가 장착되는 대상 장치, 예를 들면, 소형 전기 자동차, 전기 자전거 등의 모터(150)가 절연형 모터 구동 장치(100)에 포함되는 것으로 도시하였다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 모터(150)는 절연형 모터 구동 장치(100)와 별개로 구현될 수 있다. 한편, 모터(150)는 제1 코일(151) 내지 제3 코일(153)이 Y 결선된 영구 자석 동기식 모터(Permanent Magnet Synchronous Machine; PMSM)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 절연형 모터 구동 장치(100)는 정류기(120), 입력측 절연 커패시터부(130), 입력측 스위치부(140), 인버터(160) 및 출력측 절연 커패시터부(170)를 포함할 수 있다. 여기서, 정류기(120), 입력측 절연 커패시터부(130) 및 입력측 스위치부(140)는 입력측 회로를 구성하고, 인버터(160) 및 출력측 절연 커패시터부(170)는 출력측 회로를 구성한다. 후술하겠지만, 입력측 회로와 출력측 회로는 입력측 절연 커패시터부(130) 및 출력측 절연 커패시터부(170)에 의해 서로 절연될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 절연형 모터 구동 장치(100)는 교류 전압원(110)으로부터 출력되는 교류 전압을 저전압으로 변환하여 배터리(180)를 충전하고, 배터리(180)에 충전된 전력을 이용하여 모터(150)를 구동시킨다. 즉, 절연형 모터 구동 장치(100)는 배터리 충전 모드 및 모터 구동 모드로 구분되어 동작할 수 있다.
이하에서는 갈바닉 절연 구현 및 저전압 배터리 충전이 가능한 배터리 충전 모드를 중심으로 각 구성들을 설명하고, 모터 구동 모드에 대해서는 간략히 설명한다.
정류기(120)는 교류 전압원(110)으로부터 출력되는 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 출력한다. 도 2는 정류기(120)로서 브리지 정류기를 도시하고 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 구현예에 따라서는, 정류기(120)는 반파 정류 회로, 전파 정류 회로 또는 배전압 정류 회로 등으로 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 절연형 모터 구동 장치(100)는 노이즈 제거용 커패시터(190)를 더 포함할 수 있다. 노이즈 제거용 커패시터(190)는 교류 전압원(110)으로부터 출력되는 교류 전원의 노이즈를 제거한다.
입력측 절연 커패시터부(130)는 정류기(120)로부터 출력된 상기 정류 전압에 의해 충전되고, 충전된 전력에 따른 출력 전압을 입력측 스위치부(140)를 통해서 모터(150)로 인가한다.
구체적으로, 입력측 절연 커패시터부(130)는 정류기(120)의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 입력측 커패시터(131)와 제2 입력측 커패시터(132)를 포함하고, 상기 정류 전압에 의해 충전된 제1 입력측 커패시터(131)와 제2 입력측 커패시터(132) 각각의 양단 전압을 입력측 스위치부(140)를 통해서 모터(150)로 인가한다.
입력측 스위치부(140)는 정류기(120)의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142)를 포함하고, 입력측 절연 커패시터부(130)의 출력 전압이 모터(150)로 인가되도록 스위칭 동작 한다.
제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142)는 서로 상보적으로 스위칭 동작할 수 있다. 구체적으로, 제1 입력측 스위치(141)가 턴 오프 되면, 제2 입력측 스위치(142)는 턴 온 될 수 있고, 반대로 제1 입력측 스위치(141)가 턴 온 되면, 제2 입력측 스위치(142)는 턴 오프 될 수 있다. 이에 따라, 제1 입력측 커패시터(131) 또는 제2 입력측 커패시터(132)의 양단 전압이 모터(150)로 인가될 수 있다.
제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142)는 FET(Field Effect Transistor)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142)는 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 등과 같은 다른 스위치 소자로 구성될 수 있다.
모터(150)의 제1 코일(151) 내지 제3 코일(153) 각각의 일단(즉, 중성점)은 제1 입력측 커패시터(131)와 제2 입력측 커패시터(132) 사이의 공통 노드인 노드(A)에 연결된다.
상술한 바와 같이 제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142)가 상보적으로 스위칭 동작함에 따라, 제1 입력측 커패시터(131)의 양단 전압과 제2 입력측 커패시터(132)의 양단 전압이 모터의(150)의 중성점인 노드(A)와 출력측 절연 커패시터부(170)의 노드(B) 사이(여기서, 노드(B)는 제1 출력측 커패시터(171)와 제2 출력측 커패시터(172) 사이의 공통 노드)에 교번적으로 인가된다.
구체적으로, 제1 입력측 스위치(141)가 턴 온 되고 제2 입력측 스위치(142)가 턴 오프 되면, 제1 입력측 커패시터(131)의 양단 전압이 노드(A)와 노드(B) 사이에 인가되고, 제1 입력측 스위치(141)가 턴 오프 되고 제2 입력측 스위치(142)가 턴 온 되면, 제2 입력측 커패시터(132)의 양단 전압이 노드(A)와 노드(B) 사이에 인가된다.
후술되는 바와 같이, 노드(A)와 노드(B) 사이의 전압과, 출력측 회로에서 제1 코일(151) 내지 제3 코일(153) 각각의 타단에 인가되는 전압, 예컨대, 노드(C1) 내지 노드(C3) 각각과 노드(D) 사이의 전압의 차이로 인해 제1 코일(151) 내지 제3 코일(153)에는 전류가 흘러 에너지가 축적될 수 있다.
인버터(160)는 모터(150)의 적어도 하나의 코일에 충전되는 전력이 배터리(180)로 전달되도록 스위칭 동작 한다. 인버터(160)는 상단 스위치부와 하단 스위치부를 포함하는데, 상기 상단 스위치부와 상기 하단 스위치부는 서로 상보적으로 스위칭 동작 한다.
모터(150)가 3개의 코일(151, 152, 153)을 포함하는 경우, 상기 상단 스위치부는 제1 출력측 스위치(161), 제2 출력측 스위치(162) 및 제3 출력측 스위치(163)를 포함하고, 상기 하단 스위치부는, 제1 출력측 스위치(161)와 직렬로 연결된 제4 출력측 스위치(164), 제2 출력측 스위치(162)와 직렬로 연결된 제5 출력측 스위치(165) 및 제3 출력측 스위치(163)와 직렬로 연결된 제6 출력측 스위치(166)를 포함할 수 있다.
제1 출력측 스위치(161) 내지 제6 출력측 스위치(166)는 FET일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 출력측 스위치(161) 내지 제6 출력측 스위치(166)는 BJT 등과 같은 다른 스위치 소자로 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 상단 스위치부와 상기 하단 스위치부는 서로 상보적으로 스위칭 동작 하므로, 제1 출력측 스위치(161), 제2 출력측 스위치(162) 및 제3 출력측 스위치(163)가 턴 온 되면, 제4 출력측 스위치(164), 제5 출력측 스위치(165) 및 제6 출력측 스위치(166)가 턴 오프 되고, 반대로, 제1 출력측 스위치(161), 제2 출력측 스위치(162) 및 제3 출력측 스위치(163)가 턴 오프 되면, 제4 출력측 스위치(164), 제5 출력측 스위치(165) 및 제6 출력측 스위치(166)가 턴 온 된다.
구현예에 따라서, 모터(150)가 2개의 코일을 포함하는 경우에는, 상기 상단 스위치부와 상기 하단 스위치부 각각이 2개의 스위치를 포함할 수 있다.
출력측 절연 커패시터부(170)는 모터(150)에 인가된 입력측 절연 커패시터부(130)의 전압에 의해 충전된다.
구체적으로, 출력측 절연 커패시터부(170)는 배터리(180)의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 출력측 커패시터(171)와 제2 출력측 커패시터(172)를 포함하고, 입력 스위치부(130)와 인버터(160)의 스위칭 동작에 따라 입력측 절연 커패시터부(130)의 제1 입력측 커패시터(131)의 양단 전압이 모터(150)에 인가되면 제1 출력측 커패시터(171)가 충전되고, 입력측 절연 커패시터부(130)의 제2 입력측 커패시터(132)의 양단 전압이 모터(150)에 인가되면 제2 출력측 커패시터(172)가 충전된다.
이와 같이, 출력측 절연 커패시터부(170)는, 입력 스위치부(130)와 인버터(160)의 스위칭 동작에 따라 입력측 절연 커패시터부(130)의 전압이 모터(150)에 인가되면, 입력측 절연 커패시터부(130)의 전압에 대응하는 소정 전압으로 충전되면서 전류의 환류 경로를 제공하는 것이다.
도 2를 보면, 모터(150)의 제1 코일(151)의 타단은 제1 출력측 스위치(161)와 제4 출력측 스위치(164) 사이의 공통 노드인 노드(C1)에 연결되고, 제2 코일(152)의 타단은 제2 출력측 스위치(162)와 제5 출력측 스위치(165) 사이의 공통 노드인 노드(C2)에 연결되고, 제3 코일(153)의 타단은 제3 출력측 스위치(163)와 제6 출력측 스위치(166) 사이의 공통 노드인 노드(C3)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 출력측 커패시터(171)와 제2 출력측 커패시터(172) 사이의 노드(D)는 제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142) 사이의 노드(B)에 연결될 수 있다.
입력 스위치부(140)의 제1 입력측 스위치(141), 제1 출력측 스위치(161), 제2 출력측 스위치(162) 및 제3 출력측 스위치(163)가 턴 온 되고, 입력 스위치부(140)의 제2 입력측 스위치(142), 제4 출력측 스위치(164), 제5 출력측 스위치(165) 및 제6 출력측 스위치(166)가 턴 오프 되면, 제1 입력측 커패시터(131)의 양단 전압에 의해 충전된 제1 출력측 커패시터(171)의 양단 전압이 노드(C1)와 노드(D), 노드(C2)와 노드(D), 그리고, 노드(C3)와 노드(D) 사이에 인가된다.
반대로, 입력 스위치부(140)의 제1 입력측 스위치(141), 제1 출력측 스위치(161), 제2 출력측 스위치(162) 및 제3 출력측 스위치(163)가 턴 오프 되고, 입력 스위치부(140)의 제2 입력측 스위치(142), 제4 출력측 스위치(164), 제5 출력측 스위치(165) 및 제6 출력측 스위치(166)가 턴 온 되면, 제2 입력측 커패시터(132)의 양단 전압에 의해 충전된 제2 출력측 커패시터(172)의 양단 전압이 노드(C1)와 노드(D), 노드(C2)와 노드(D), 그리고, 노드(C3)와 노드(D) 사이에 인가된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력측 스위치부(140)의 스위칭 동작과 인버터(160)의 스위칭 동작은 소정 위상 차이를 가질 수 있다. 다시 말하면, 제1 입력측 스위치(141)가 턴 온 되고 제2 입력측 스위치(142)가 턴 오프 되는 시점으로부터 소정 위상 차이 이후에 인버터(160)의 상기 상단 스위치부의 스위치들이 턴 온 되고 인버터(160)의 상기 하단 스위치부의 스위치들이 턴 오프 될 수 있는 것이다.
입력측 스위치부(140)와 인버터(160)의 소정 위상 차이를 갖는 스위칭 동작에 의해서, 입력측 회로에서 코일의 일단에 인가되는 전압(예컨대, 노드(A)와 노드(B) 사이의 전압)과, 출력측 회로에서 코일의 타단에 인가되는 전압(예컨대, 노드(C1) 내지 노드(C3) 각각과 노드 (D) 사이의 전압)은 상기 소정 위상 차이에 대응하는 위상 차이를 갖게 되고, 이로 인해 모터(150)의 각 코일에 전류가 흐르게 된다.
모터(150)의 각 코일에 흐르는 전류는 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112017094773710-pat00001
상기 수학식 1에서 iL은 각 코일(151, 152, 153)에 흐르는 전류를 나타내며, L은 각 코일(151, 152, 153)의 인덕턴스 값, V1은 입력측 회로에서 각 코일(151, 152, 153)의 일단에 인가되는 전압, V2는 출력측 회로에서 각 코일(151, 152, 153)의 타단에 인가되는 전압을 나타낸다.
상기와 같이 입력측 스위치부(140)와 인버터(160)의 위상 차이를 갖는 스위칭 동작에 따라 모터(150)의 각 코일(151, 152, 153)에 전류가 흐르면서 전력이 저장되고, 또 저장된 전력이 배터리(180)로 전달되면서 배터리(180)가 충전될 수 있는 것이다. 이 때, 배터리(180) 양단에 인가되는 전압은 초기 값으로부터 소정 값이 될 때까지 증가하는데, 상기 소정 값은 입력 전원인 교류 전압원(110)의 최대값보다 작은 값을 갖게 된다.
한편, 모터 구동 모드 하에서는, 입력측 스위치부(140)의 제1 입력측 스위치(141)와 제2 입력측 스위치(142)가 모두 턴 오프 되고, 인버터(160)는, 제1 출력측 스위치(161) 내지 제3 출력측 스위치(163) 중 적어도 어느 하나와 제4 출력측 스위치(164) 내지 제6 출력측 스위치(166) 중 적어도 어느 하나가 미리 정해진 순서에 따라 동시에 턴 온 되어, 배터리(180)에 충전된 전력이 모터(150)로 전달될 수 있다. 이에 따라, 모터(150)가 구동될 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(100)는 제어기(195)를 더 포함할 수 있으며, 제어기(195)는 배터리 충전 모드 및 모터 구동 모드 하에서 입력측 스위치부(140)와 인버터(160)의 스위치들(141, 142, 161, 162, 163, 164, 165, 166)로 스위칭 제어 신호를 인가하여 이들의 턴 온 및 턴 오프를 제어할 수 있다.
제어기(195)는 프로세서(Processor), 마이크로 프로세서(Micro Processer), 마이크로 컨트롤러(Micro Controller), CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphics Processing Unit), APU(Accelerate Processor Unit), DSP(Digital Signal Processor), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등으로 구현될 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 절연형 모터 구동 장치(100)의 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 3 및 도 4는 입력측 스위치부(140)의 제1 입력측 스위치(141)와 인버터(160)의 제1 내지 제3 출력측 스위치들(161, 162, 163)이 턴 오프 되고, 입력측 스위치부(150)의 제2 입력측 스위치(142)와 인버터(160)의 제4 내지 제6 출력측 스위치들(164, 165, 166)이 턴 온 되는 경우의 절연형 모터 구동 장치(100)에 대한 등가 회로를 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 입력측 스위치부(140)의 제2 입력측 스위치(142)에 걸리는 전압을 등가적으로 Vi_pulse로 나타낼 수 있고, 인버터(160)의 제4 내치 제6 출력측 스위치들(164, 165, 166)에 걸리는 전압을 등가적으로 Vo_pulse로 나타낼 수 있다.
이러한 등가 표현에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 입력측 회로와 출력측 회로가 제1 입력측 커패시터(131), 제2 입력측 커패시터(132), 제1 출력측 커패시터(171) 및 제2 출력측 커패시터(172)에 의해 절연될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는 입력측 절연 커패시터부(130)와 출력측 절연 커패시터부(170)에 의해 갈바닉 절연을 달성할 수 있는 것이다.
이와 같이, 절연형 모터 구동 장치(100)는 모터 구동 기능 외에도, 트랜스포머 없이 커패시터들만으로 입력측 회로와 출력측 회로가 절연되면서 입력된 교류 전압을 저전압 레벨로 변환하여 배터리를 충전할 수 있는 기능을 갖는다.
이에 따라 절연형 모터 구동 장치(100)는 안전성 보장은 물론 경량화, 제조 비용 저감 등이 가능한 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 절연형 모터 구동 장치(100)에서의 각 신호 파형을 도시하는 도면이다.
도 5에 도시된 각 신호 파형은 절연형 모터 구동 장치(100)가 배터리 충전 모드로 동작할 때에 해당한다. 도 5에서 Qi1은 제1 입력측 스위치(141)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 파형이고, Qi2는 제2 입력측 스위치(142)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 파형이고, Qo1은 제1 출력측 스위치(161)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 파형이다. 또한, Qo4는 제4 출력측 스위치(164)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 파형이다. 도 5는 제2 출력측 스위치(162), 제3 출력측 스위치(163), 제5 출력측 스위치(165) 및 제6 출력측 스위치(166)의 스위칭 제어 신호의 파형을 도시하고 있지는 않지만, 이들 스위치 각각의 스위칭 제어 신호 파형은 제1 출력측 스위치(161) 및 제4 출력측 스위치(164)와 동일할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, Qi1과 Qi2, Qo1와 Qo4는 서로 간에 상보적이며, Qi1과 Qi2, 그리고, Qo1과 Qo4는 서로 간에 소정 위상 차이(φ)가 있는 것을 알 수 있다.
스위칭 제어 신호에 따라 노드(A)와 노드(B) 사이에 인가되는 전압(V1)과, 노드(C1)와 노드(D) 사이에 인가되는 전압(V2)은 상기 위상 차이(φ)에 상응하는 위상 차이를 갖는 구형파들로 출력될 수 있고, 전압(V1)과 전압(V2)의 차이에 따라 제1 코일(151)에는 그에 대응하는 전류(iL)가 흐를 수 있다. 도 5는 제2 코일(152) 및 제3 코일(153)에 흐르는 전류의 파형을 도시하고 있지는 않지만, 제1 코일(151)에 흐르는 전류 파형과 동일할 수 있다.
이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: 절연형 모터 구동 장치 110: 교류 전압원
120: 정류기 130: 입력측 절연 커패시터부
131: 제1 입력측 커패시터 132: 제2 입력측 커패시터
140: 입력측 스위치부 141: 제1 입력측 스위치
142: 제2 입력측 스위치 150: 모터
151: 제1 코일 152: 제2 코일
153: 제3 코일 160: 인버터
161: 제1 출력측 스위치 162: 제2 출력측 스위치
163: 제3 출력측 스위치 164: 제4 출력측 스위치
165: 제5 출력측 스위치 166: 제6 출력측 스위치
170: 출력측 절연 커패시터부 171: 제1 출력측 커패시터
172: 제2 출력측 커패시터 180: 배터리
190: 노이즈 제거용 커패시터

Claims (11)

  1. 배터리 충전 모드에서, 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 출력하는 정류기;
    상기 배터리 충전 모드에서, 상기 정류 전압에 의해 충전되는 입력측 절연 커패시터부;
    상기 배터리 충전 모드에서, 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압이 모터로 인가되도록 스위칭 동작하는 입력측 스위치부;
    상기 배터리 충전 모드에서, 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압에 의해 상기 모터의 적어도 하나의 코일에 충전되는 전력이 배터리로 전달되도록 스위칭 동작하는 인버터; 및
    상기 배터리 충전 모드에서, 상기 모터에 인가된 상기 입력측 절연 커패시터부의 출력 전압에 의해 충전되는 출력측 절연 커패시터부;
    를 포함하는 절연형 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 정류기, 상기 입력측 절연 커패시터부 및 상기 입력측 스위치부는, 입력측 회로를 구성하고,
    상기 인버터 및 상기 출력측 절연 커패시터부는, 출력측 회로를 구성하며,
    상기 입력측 회로와 상기 출력측 회로는, 상기 입력측 절연 커패시터부와 상기 출력측 절연 커패시터부에 의해 절연되는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 충전 모드에서 상기 입력측 스위치부의 스위칭 동작과 상기 인버터의 스위칭 동작은, 소정의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 입력측 절연 커패시터부는, 상기 정류기의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 입력측 커패시터와 제2 입력측 커패시터를 포함하고,
    상기 출력측 절연 커패시터부는, 상기 배터리의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결된 제1 출력측 커패시터와 제2 출력측 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 입력측 스위치부는, 상기 정류기의 양단 사이에서 서로 직렬로 연결되고 상기 배터리 충전 모드에서 서로 상보적으로 스위칭 동작하는 제1 입력측 스위치와 제2 입력측 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 입력측 스위치와 상기 제2 입력측 스위치 사이의 공통 노드는, 출력측 절연 커패시터부의 제1 출력측 커패시터와 제2 출력측 커패시터 사이의 공통 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터는, 상기 배터리의 양단 사이에서 서로 직렬 연결되고 상기 배터리 충전 모드에서 서로 상보적으로 스위칭 동작하는 상단 스위치부와 하단 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 상단 스위치부는, 제1 출력측 스위치, 제2 출력측 스위치 및 제3 출력측 스위치를 포함하고,
    상기 하단 스위치부는, 상기 제1 출력측 스위치와 직렬로 연결된 제4 출력측 스위치, 상기 제2 출력측 스위치와 직렬로 연결된 제5 출력측 스위치 및 상기 제3 출력측 스위치와 직렬로 연결된 제6 출력측 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 모터의 적어도 하나의 코일은, 제1 코일, 제2 코일 및 제3 코일을 포함하고,
    상기 제1 코일, 상기 제2 코일 및 상기 제3 코일 각각의 일측은, 상기 입력측 절연 커패시터부를 구성하는 제1 입력측 커패시터와 제2 입력측 커패시터의 공통 노드에 연결되고,
    상기 제1 코일의 타측은, 상기 제1 출력측 스위치와 상기 제4 출력측 스위치의 공통 노드에 연결되고,
    상기 제2 코일의 타측은, 상기 제2 출력측 스위치와 상기 제5 출력측 스위치의 공통 노드에 연결되고,
    상기 제3 코일의 타측은, 상기 제3 출력측 스위치와 상기 제6 출력측 스위치의 공통 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 입력측 스위치부는, 모터 구동 모드에서 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 교류 전압의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거용 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 모터 구동 장치.
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