KR102437471B1

KR102437471B1 - 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR102437471B1
Application number: KR1020150034741A
Authority: KR
Inventors: 조제형; 김선진; 서한솔
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2022-09-01
Also published as: CN107408913A; EP3254371A1; EP3254371B1; CN107408913B; EP3254371A4; US10084368B2; US20160268951A1; RU2678834C1; KR20160109745A; BR112017019581B1; WO2016148423A1; BR112017019581A2

Abstract

모터 구동 장치는 외부 교류 전원으로부터 공급받은 교류 전력을 정류하는 교류-직류 변환부, 상기 교류-직류 변환부에 의하여 정류된 전압을 안정화시키는 직류 연결부, 상기 직류 연결부로부터 직류 전압을 공급받아 모터에 교류 전력을 공급하는 직류-교류 변환부를 포함하고, 상기 직류 연결부는 상기 정류된 전압의 리플을 제거하는 한 쌍의 필름 캐패시터를 포함하고, 상기 직류-교류 변환부는 상기 한 쌍의 필름 캐패시터로부터 직류 전압을 공급받아 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 3레벨 인버터를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS}

개시된 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 3상 모터를 구동/제어하는 모터 구동 장치에 관한 발명이다.

모터는 세탁기, 냉장고, 공기조화기, 청소기 등의 가전기기 전반에서 널리 이용될 뿐만 아니라, 최근 주목 받고 있는 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등에도 이용되고 있다.

이 가운데 영구 자석을 이용하는 영구 자석형 모터(Permanent Magnet Motor)는 전류가 도통하는 코일에 의한 자기장과 영구 자석에 의한 자기장 사이의 자기적 상호 작용을 이용하여 회전자를 회전시킨다.

이와 같은 영구 자석 모터를 구동하기 위해서는 구동 전압을 인가해 줄 수 있는 인버터 등의 구동 장치가 요구된다. 영구 자석형 모터의 회전자가 생성하는 자기장은 회전자의 위치에 따라 정해지므로 인버터는 회전자의 위치를 고려하여 구동 전압을 인가해 주어야 한다.

또한, 가정 및 기업에는 주파수가 정해진 교류 전력이 공급된다. 이에 비하여, 모터 구동 장치는 영구 자석형 모터에는 주파수와 크기를 변화시킬 수 있는 교류 전력을 공급함으로써 영구 자석형 모터를 회전시킨다.

이를 위하여 상업적으로 이용되는 교류 전력을 정류하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환시키고, 직류 전력을 인버터 등의 구동 장치를 이용하여 원하는 주파수 및 크기의 교류 전력으로 재변환시킨다.

이때, 교류 전력으로부터 정류된 직류 전력을 안정화시키기 위해서 전해 캐패시터가 널리 이용되고 있다. 그러나, 전해 캐패시터는 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한, 안정적인 직류 전력의 공급을 위하여 대용량의 캐패시터를 이용하나, 대용량의 캐패시터는 부피가 큰 문제점이 있다.

개시된 발명의 일 측면은 충분한 수명과 작은 부피를 갖는 모터 구동 장치를 제공하고자 한다.

개시된 발명의 다른 일 측면은 직류단에 소용량 캐패시터를 이용하더라도 안정적으로 직류 전압과 중성단 전압을 3레벨 인버터에 제공할 수 있는 모터 구동 장치를 제공하고자 한다.

개시된 발명의 일 측면에 따른 모터 구동 장치는 외부 교류 전원으로부터 공급받은 교류 전력을 정류하는 교류-직류 변환부, 상기 교류-직류 변환부에 의하여 정류된 전압을 안정화시키는 직류 연결부, 상기 직류 연결부로부터 직류 전압을 이용하여 모터에 교류 전력을 공급하는 직류-교류 변환부를 포함하고, 상기 직류 연결부는 상기 정류된 전압의 리플을 제거하는 적어도 하나의 필름 캐패시터를 포함하고, 상기 직류-교류 변환부는 상기 적어도 하나의 필름 캐패시터로부터 직류 전압을 이용하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 3레벨 인버터를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류 연결부는 서로 직렬로 연결되는 제1 필름 캐패시터와 제2 필름 캐패시터를 포함하고, 상기 제1 필름 캐패시터와 상기 제2 필름 캐패시터 사이의 직류 전압과 상기 제2 필름 캐패시터 양단 사이의 중성단 전압을 출력할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류-교류 변환부는 상기 모터에 공급되는 교류 전력, 상기 직류 전압 및 상기 중성단 전압을 제어하는 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 제어 모듈은 상기 모터가 외부 장치로부터 입력된 목표 속도로 회전하도록 상기 3레벨 인버터는 제어하는 모터 속도 제어 모듈, 상기 직류 전압이 안정화되도록 상기 3레벨 인버터를 제어하는 직류 전압 제어 모듈, 상기 중성단 전압이 안정화되도록 상기 3레벨 인버터를 제어하는 중성단 전압 제어 모듈을 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 모터 속도 제어 모듈은 상기 외부 장치로부터 입력되는 목표 속도, 상기 3레벨 인버터가 출력하는 구동 전류에 따라 상기 3레벨 인버터를 제어하는 전압 지령을 출력할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 모터 속도 제어 모듈은 상기 목표 속도와 상기 모터의 회전 속도의 차이를 기초로 전류 지령을 산출하는 속도 제어기, 상기 전류 지령과 상기 구동 전류 사이의 차이를 기초로 상기 전압 지령을 산출하는 전류 제어기를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류 전압 제어 모듈은 상기 직류 전압과 상기 전압 지령을 기초로 상기 직류 전압의 발산을 방지하는 억제 전압(damping voltage)을 출력할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류 전압 제어 모듈은 상기 외부 교류 전원으로부터 인가된 전압의 평균값과 상기 직류 전압 사이의 차이를 기초로 상기 억제 전압을 산출할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 중성단 전압 제어 모듈은 상기 직류 전압, 상기 중성단 전압, 상기 전압 지령 및 전류 지령을 기초로 상기 중성단 전압을 맥동을 감소시키는 영전압(zero-sequence voltage)을 출력할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 중성단 전압 제어 모듈은 상기 직류 전압 및 상기 중성단 전압을 기초로 중성단 전류를 산출하는 중성단 전류 산출기, 상기 전류 지령, 상기 중성단 전류 및 상기 전압 지령을 기초로 상기 중성단 전압을 안정시키는 영전압을 산출하는 영전압 산출기를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 3레벨 인버터는 상기 제1 필름 캐패시터와 상기 제2 필름 캐패시터의 양단으로부터 상기 직류 전압을 인가받고, U상 단자, V상 단자 및 W상 단자를 통하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 6-스위치 인버터 모듈, 상기 제1 필름 캐패시터와 상기 제2 필름 캐패시터가 연결되는 중성단으로부터 중성단 전압을 인가받고, U상 단자, V상 단자 및 W상 단자를 통하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 중성단 스위치 모듈을 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 6 스위치 인버터 모듈은 상기 제1 필름 캐패시터와 연결되는 3개의 상측 스위칭 소자와 상기 제2 필름 캐패시터와 연결되는 3개의 하측 스위칭 소자를 포함하고, 상기 3개의 상측 스위칭 소자와 상기 3개의 하측 스위칭 소자는 각각 직렬 연결되고, 상기 3개의 상측 스위칭 소자와 상기 3개의 하측 스위칭 소자가 직렬 연결되는 출력 노드는 상기 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자와 각각 연결될 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 중성단 스위치 모듈은 상기 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자 각각과 상기 중성단 사이에 마련되는 3쌍의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 6-스위치 인버터 모듈과 상기 중성단 스위치 모듈은 별도의 칩으로 구성될 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 6-스위치 인버터 모듈과 상기 중성단 스위치 모듈은 단일의 칩으로 구성될 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 6-스위치 인버터 모듈의 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자와 상기 중성단 스위치 모듈의 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자 각각 연결될 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류-교류 변환부는 상기 제어 모듈로부터 제어 신호를 입력받고, 상기 3레벨 인버터를 구동하는 구동 회로를 더 포함하고, 상기 구동 회로는 상기 3레벨 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자 각각에 구동 신호를 제공하는 복수의 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 모터 구동 장치는 상기 제어 모듈과 상기 구동 회로에 직류 전력을 공급하는 직류 전원부를 더 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류 전원부는 상기 교류 전력을 정류하는 단상 정류 회로, 상기 단상 정류 회로에 의하여 정류된 전압을 안정화시키는 직류 연결 회로, 상기 직류 연결 회로부터 인가된 직류 전압의 전압값을 변경하여 상기 복수의 게이트 드라이버 각각에 전압값이 변경된 직류 전력을 인가하는 직류-직류 변환 회로를 포함할 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 복수의 스위칭 소자와 상기 복수의 게이트 드라이버는 스위칭 소자의 에미터 단자가 서로 연결되는지에 따라 복수의 그룹으로 구분될 수 있다.

실시 형태에 따라 상기 직류 전원부는 상기 복수의 그룹에 속하는 게이트 드라이버 각각에 독립된 직류 전력을 공급할 수 있다.

개시된 발명의 일 측면에 따르면, 소용량 필름 캐패시터를 이용함으로써 충분한 수명과 작은 부피를 갖는 모터 구동 장치를 제공할 수 있다.

개시된 발명의 다른 일 측면은 억제 전류를 이용하여 직류 전압을 제어하고 영전압을 이용하여 중성단 전압을 제어함으로써, 직류단에 소용량 캐패시터를 이용하더라도 안정적으로 직류 전압과 중성단 전압을 3레벨 인버터에 제공할 수 있는 모터 구동 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 교류-직류 변환부의 일 예를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 교류-직류 변환부의 다른 일 예를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 연결부의 일 예를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 연결부의 다른 일 예를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류-교류 변환부를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 일 예를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 구성을 도시한다.
도 9는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 결선을 도시한다.
도 10은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 다른 일 예를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 구동 회로를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 제어 모듈의 하드웨어 구성을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 제어 모듈의 소프트웨어 구성을 도시한다.
도 14는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 모터 속도 제어 모듈의 구성을 도시한다.
도 15는 외부 전원, 모터 구동 장치 및 모터를 간략히 모델링한 등가 회로이다.
도 16은 직류 전압의 발산을 방지하기 위한 억제 전류원을 포함하는 등가 회로이다.
도 17은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 전압 제어 모듈의 구성을 도시한다.
도 18은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 연결부의 중성단에 흐르는 전류를 도시한다.
도 19는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치가 출력하는 상전압을 도시한다.
도 20은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 중성단 전압 제어 모듈의 구성을 도시한다.
도 21은 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치를 도시한다.
도 22는 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치의 직류 전원부의 구성을 도시한다.
도 23a 및 도23b은 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치의 직류-직류 변환 회로의 구성을 도시한다.
도 24은 다른 일 실시예에 모터 구동 장치의 3레벨 인버터에 포함된 스위칭 소자를 복수의 그룹으로 분류한 도면이다.
도 25, 도26 및 도 27는 다른 일 실시예 모터 구동 장치의 구동 회로에 공급되는 전력을 도시한다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, 본 명세서 전체에서 사용되는 "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어를 의미할 수 있다. 그러나, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등은 접근할 수 있는 저장 매체에 저장되고 하나 또는 그 이상의 프로세서에 의하여 수행되는 구성일 수 있다.

또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치를 도시한다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1)는 모터(MO)를 회전시키기 위하여 외부 전원(ES)으로부터 교류 전력을 공급받고 모터(MO)에 구동 전력을 공급한다.

여기서, 외부 전원(ES)은 가정용으로 널리 이용되는 110[V] 또는 220[V]의 단상 교류 전원 또는 산업용으로 널리 이용되는 380[V], 400[V] 또는 460[V]의 3상 교류 전원일 수 있다. 또한, 외부 전원(ES)은 태양광 발전기 등에 의하여 공급되는 직류 전원일 수 있다.

또한, 모터(MO)는 영구 자석을 포함하는 영구 자석형 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor) 또는 전자기 유도를 이용하는 유도 모터(Induction Motor)일 수 있다.

영구 자석형 동기 모터는 영구 자석을 구비한 회전자와 코일을 구비한 고정자를 포함할 수 있다. 코일에 교류 전류를 공급하면 회전하는 자기장이 생성되고, 영구 자석의 자기장과 코일의 회전 자기장 사이의 자기적 상호 작용에 의하여 회전자가 회전할 수 있다.

유도 모터는 도체인 회전자와 코일을 구비한 고정자를 포함한다. 코일에 교류 전류를 공급하면 회전하는 자기장과 함께 회전자 도체에 유도 전류가 발생한다. 또한, 유도 전류에 의한 자기장과 코일에 의한 자기장 사이의 자기적 상호 작용에 의하여 회전자가 회전할 수 있다.

또한, 모터(MO)는 회전자의 회전 변위를 검출하는 홀 센서(Hall sensor)를 포함할 수 있다. 홀 센서는 모터(MO)에 포함된 고정자의 적절한 위치에 배치되어 회전자의 회전에 따른 자기장의 변화를 감지하고, 감지된 자기장을 기초로 회전자의 위치를 검출한다.

모터(MO)의 회전자의 회전 변위를 검출하는 구성은 홀 센서에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 모터(MO)는 엔코더(encoder)를 포함할 수 있다. 엔코더는 회전자의 회전에 따라 펄스 형태의 신호를 출력하여 펄스의 주기 및 개수를 기초로 회전자의 회전 변위 또는 회전 속도를 검출할 수 있다.

다른 예로, 모터(MO)는 리졸버(resolver)를 포함할 수 있다. 리졸버는 회전자의 회전에 따라 정형파를 출력하며, 정형파의 주기 및 개수를 기초로 회전자의 회전 변위 또는 회전 속도를 검출할 수 있다.

모터(MO)는 검출된 회전자의 회전 변위를 아래에서 설명할 모터 구동 장치(1)에 제공한다.

이와 같은 모터 구동 장치(1)는 외부 전원(ES)으로부터 인가된 교류 전압과 교류 전류를 직류 전압과 직류 전류를 변환하는 교류-직류 변환부(2), 변환된 직류 전압과 직류 전류를 특정한 주파수의 교류 전압과 교류 전류로 변환하는 직류-교류 변환부(100), 교류-직류 변환부(2)와 직류-교류 변환부(100) 사이에 마련되어 교류-직류 변환부(2)가 출력하는 직류 전압(Vdc)을 안정화시켜 직류-교류 변환부(100)에 전달하는 직류 연결부(6)를 포함한다.

교류-직류 변환부(2)는 외부 전원(ES)으로부터 R상 단자(R), S상 단자(S), T상 단자(T), 접지 단자(G)를 통하여 3상 교류 전력을 공급받고, 3상 교류 전력을 정류하여 양의 단자(H)와 음의 단자(L) 사이에 직류 전압(Vdc) 및 직류 전류를 출력한다. 여기서, 외부 전원(ES)와 교류-직류 변환부(2) 사이의 접지 단자(G)는 선택 사항에 해당한다. 다시 말해, 외부 전원(ES)가 접지 단자를 포함하지 않는 경우, 교류-직류 변환부(2)는 접지 단자(G)를 포함하지 않을 수 있다.

직류 연결부(6)는 교류-직류 변환부(2)로부터 양의 단자(H)와 음의 단자(L) 사이에 직류 전압(Vdc) 및 직류 전류를 입력받고, 직류 전압(Vdc)의 리플을 제거하여 양의 직류 단자(P), 중성 단자(C) 및 음의 직류 단자(N)를 통하여 안정화된 직류 전압(Vdc) 및 직류 전류를 출력한다.

직류-교류 변환부(100)는 직류 연결부(6)로부터 직류 전압(Vdc) 및 직류 전류를 입력받고, 펄스 폭 변조를 통하여 U상, V상, W상을 포함하는 3상 교류 전력을 모터(MO)에 공급한다.

이처럼, 모터 구동 장치(1)는 모터(MO)를 회전시키고 모터(MO)의 회전 속도를 제어하기 위하여 외부 전원(ES)의 교류 전력을 특정한 주파수의 교류 전력을 변환하여 모터(MO)에 공급한다.

이하에서는 모터 구동 장치(1)를 구성하는 교류-직류 변환부(2), 직류 연결부(6) 및 직류-교류 변환부(100)에 대하여 더욱 자세하게 설명한다.

도 2는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 교류-직류 변환부의 일 예를 도시하고, 도 3은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 교류-직류 변환부의 다른 일 예를 도시한다.

교류-직류 변환부(2)는 도 2에 도시된 바와 같이 외부 전원(ES)의 교류 전력을 정류하는 정류 회로(3)를 포함할 수 있다.

정류 회로(3)는 6개의 다이오드(D31~D36)를 포함하는 다이오드 브리지를 채용할 수 있다. 구체적으로, 양의 단자(H)에 3개의 상단 다이오드(D31, D33, D35)가 연결되고, 음의 단자(L)에 3개의 하단 다이오드(D32, D34, D36)가 연결된다.

또한, 3개의 상단 다이오드(D31, D33, D35)와 3개의 하단 다이오드(D32, D34, D36)는 서로 일대일로 직렬 연결되며, 3개의 상단 다이오드(D31, D33, D35)와 3개의 하단 다이오드(D32, D34, D36)가 직렬 연결되는 3개의 연결 노드는 외부 전원(ES)의 R상 단자(R), S상 단자(S) 및 T상 단자(T)와 각각 연결된다.

여기서, 6개의 다이오드(D31~D36)는 외부 전원(ES)으로부터 인가된 교류 전압이 한 방향으로 인가되고, 교류 전류가 한 방향으로 공급되도록 배치된다. 다시 말해, 6개의 다이오드(D31~D36) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이 외부 전원(ES)으로부터 인가된 교류 전압이 양의 단자(H)로 인가되고 교류 전류가 양의 단자(L)를 향하여 흐르도록 배치된다.

교류-직류 변환부(2)의 구성이 정류 회로(3)에 한정되는 것은 아니다.

교류-직류 변환부(2)는 도 3에 도시된 바와 같이 정류 회로(3)와 함께 외부 전원(ES)으로부터 공급되는 교류 전력에 포함된 노이즈를 제거하는 전자기 간섭 필터(Electromagnetic Interference Filter, EMI Filter)(4)와 역률을 개선하는 역률 개선 회로(Power Factor Corrector, PFC)(5)를 더 포함할 수 있다.

전자기 간섭 필터(4)는 도 3에 도시된 바와 같이 정류 회로(3)의 앞 단에 마련될 수 있으며, 외부 전원(ES)으로부터 공급되는 교류 전력에 포함된 고주파 노이즈를 제거할 수 있다.

고주파 노이즈를 제거하기 위하여 전자기 간섭 필터(4)는 고주파 신호는 차단하고 저주파 신호를 통과시키는 저역 통과 필터(Low pass filter)의 형태를 갖는 것이 일반적이다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 외부 전원(ES)으로부터 전력이 공급되는 R상 단자(R), S상 단자(S) 및 T상 단자(T) 각각에 직렬 연결되는 3개의 인덕터(L41, L42, L43)와 3개의 인덕터(L41, L42, L43)와 접지 단자(G) 사이에 마련되는 3개의 캐패시터(C41, C42, C43)를 포함할 수 있다.

다만, 도 3에 도시되는 전자기 간섭 필터(4)는 채용 가능한 필터의 일 예에 불과할 뿐이며, 전자기 간섭 필터(4)는 다양한 형상을 갖을 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시되는 시리즈-션트 형상(series shunt configuration) 뿐만 아니라, 전자기 간섭 필터(4)는 션트-시리즈 형상(shunt series configuration), Π 형상(Π configuration), T 형상(T configuration)을 갖을 수 있다.

역률 개선 회로(5)는 도 3에 도시된 바와 같이 정류 회로(3)의 뒷 단에 마련될 수 있으며, 모터 구동 장치(1)의 역률을 개선시킨다.

역률이란 피상 전력에 대한 유효 전력을 의미한다. 즉, 역률은 외부 전원(ES)으로부터 공급되는 전력에 대하여 모터 구동 장치(1)가 실제로 사용하는 전력의 비율로 볼 수 있다. 역률이 높다는 것은 모터 구동 장치(1)가 외부 전원(ES)으로부터 공급되는 전력 가운데 많은 부분을 사용함을 의미하고, 역률이 낮다는 것은 모터 구동 장치(1)가 공급 전력 가운데 적은 부분만을 이용함을 의미한다.

교류 전력을 이용하기 위해서는 외부 전원(ES)으로부터 인가되는 교류 전압과 모터 구동 장치(1)에 공급되는 전류 사이에 위상이 일치해야 한다. 인가되는 교류 전압의 위상과 공급되는 전류의 위상이 일치하지 않으면 전력이 외부 전원(ES)으로부터 모터 구동 장치(1)으로 공급되는 전력의 효율이 감소하거나 심지어 전력이 공급되지 않을 수 있다. 이와 같이 인가되는 교류 전압의 위상과 공급되는 전류의 위상이 일치하지 않아서 모터 구동 장치(1)가 이용하지 못하는 전력을 무효 전력이라 하고, 인가되는 교류 전압의 위상과 공급되는 전류의 위상이 동일하여 모터 구동 장치(1)에 전달되는 전력을 유효 전력이라 한다.

역률 개선 회로(5)는 인덕터(L5)와 캐패시터(C5)를 이용하여 외부 전원(ES)으로부터 인가되는 교류 전압과 아래에서 설명할 직류 연결부(6) 및 직류-교류 변환부(100)에 공급되는 전류 사이에 위상을 일치시킨다. 그 결과, 역률 개선 회로(5)는 외부 전원(ES)으로부터 공급되는 교류 전력의 역률을 향상시킬 수 있다.

다만, 역률 개선 회로(5)가 도 5에 도시된 패시브 역률 개선 회로에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 역률 개선 회로(5)는 스위치(미도시) 및 다이오드(미도시)를 포함하는 액티브 역률 개선 회로를 채용할 수 있다. 또한, 다이오드(미도시)는 스위치(미도시)로 대체될 수 있다.

뿐만 아니라, 역률 개선 회로(5)가 정류 회로(3)의 뒷단에 마련되는 것에 한정되는 것은 아니며, 역률 개선 회로(5)가 정류 회로(3)의 앞단에 마련되거나 정류 회로(3)와 일체로 마련될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 교류-직류 변환부(2)는 정류 회로(3), 전자기 간섭 필터(4) 및 역률 개선 회로(5)를 포함할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 연결부의 일 예를 도시하고, 도 5는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 연결부의 다른 일 예를 도시한다.

직류 연결부(6)는 도 4에 도시된 바와 같이 교류-직류 변환부(2)에 의하여 정류된 전압에 포함된 리플을 제거하는 평탄화 회로(7)를 포함할 수 있다.

평탄화 회로(7)는 서로 직렬 연결되는 상측 캐패시터(C7a)와 하측 캐패시터(C7b)를 포함할 수 있다. 여기서, 한 쌍의 캐패시터(C7a, C7b)는 동일한 캐패시턴스를 갖을 수 있다.

평탄화 회로(7)는 교류-직류 변환부(2)에 의하여 정류된 전압에 포함된 리플을 제거하고, 직류-교류 변환부(100)에 안정된 직류 전압(Vdc)을 출력한다. 구체적으로, 직류 연결부(6)는 양의 직류 단자(P)와 중성 단자(C) 사이에 상측 캐패시터(C7a)의 전압을 출력하고, 중성 단자(C)와 음의 직류 단자(N) 사이에 하측 캐패시터(C7b)의 전압을 출력한다.

또한, 평탄화 회로(7)는 직류-교류 변환부(100)에 직류 전력을 공급하는 직류 전원으로써의 역할도 수행한다. 구체적으로, 평탄화 회로(7)를 구성한 한 쌍의 캐패시터(C7a, C7b)는 교류-직류 변환부(2)가 제공하는 전기 에너지를 저장하고, 저장된 전기 에너지를 직류-교류 변환부(100)에 공급한다.

또한, 직류-교류 변환부(100)에 안정적인 직류 전력을 제공하기 위하여 종래의 모터 구동 장치는 평탄화 회로(7)로서 대용량의 캐패시터를 이용하였다. 예를 들어, 종래의 모터 구동 장치는 수 mF(milli-Farad)의 캐패시턴스를 갖는 전해 캐패시터(electrolytic condenser)를 이용하였다.

전해 캐패시터는 그 특성상 단위 부피당 큰 캐패시턴스를 얻을 수 있다. 그러나 전해 캐패시터는 큰 등가 저항을 갖는다. 이처럼 큰 등가 저항으로 인하여 높은 열 손실이 발생하였으며, 높은 열 손실로 인하여 전해액이 증발되고 캐패시터의 수명이 단축되었다.

그 결과, 전해 캐패시터의 허용 가능한 실효치(RMS) 전류는 여타 캐패시터에 대하여 작다. 종래에는 허용 가능한 실효치 전류를 증가시키기 위하여 여러 개의 전해 캐패시터를 병렬로 연결하였으나, 그 결과 모터 구동 장치의 부피가 커졌다.

이러한 이유로 일 실시예에 의한 모터 구동 회로(1)는 직류 연결부(6)를 구성하는 평탄화 회로(7)로서 저용량(수십 uF)의 필름 캐패시터를 이용한다. 다시 말해, 평탄화 회로(7)를 구성하는 한 쌍의 캐패시터(C7a, C7b)는 소용량 필름 캐패시터를 이용한다.

필름 캐패시터는 전해 캐패시터에 비하여 약 1/10 정도의 작은 등가 저항을 갖다. 그 결과, 전해 캐패시터가 대략 5,000시간 내지 10,000시간 정도의 수명을 갖는 반면 필름 캐패시터는 대략 100,000시간의 수명을 갖는다.

직류 연결부(6)의 구성이 평탄화 회로(7)에 한정되는 것은 아니다.

직류 연결부(6)는 도 5에 도시된 바와 같이 평탄화 회로(7)와 함께 평탄화 회로(7)의 과전압을 방지하는 과전압 보호 회로(8)를 더 포함할 수 있다.

과전압 보호 회로(8)는 전력을 소모하는 저항성 소자(R8), 역전류를 방지하는 다이오드(D8), 과전압이 감지되면 턴온되는 스위칭 소자(Q8)를 포함할 수 있다. 또한, 저항성 소자(R8)와 다이오드(D8)는 양의 단자(H)에 병렬로 연결되고, 스위칭 소자(Q8)는 저항성 소자(R8) 및 다이오드(D8)와 직렬 연결된다. 여기서, 저항성 소자(R8)는 일정한 전기적 저항값을 갖는 저항(resistor) 또는 인가 전압에 따라 전기적 저항값이 변화하는 바리스터(varistor)를 채용할 수 있다.

평탄화 회로(7)의 과전압이 감지되면, 스위칭 소자(Q8)가 턴온되고 평탄화 회로(7)로부터 저항성 소자(R8)와 스위칭 소자(Q8)를 통과하여 전류가 흐른다. 그 결과, 평탄화 회로(7)에 저장된 전기 에너지가 소모되고 평탄화 회로(7)의 전압은 감소한다.

이상에서 설명한 바와 같이 직류 연결부(6)는 평탄화 회로(7)와 과전압 보호 회로(8)를 포함할 수 있으며, 특히 평탄화 회로(7)는 필름 캐패시터로 구성된 상측 캐패시터(C7a)와 하측 캐패시터(C7b)를 포함한다.

도 6은 일 실시예에 의함 모터 구동 장치에 포함되는 직류-교류 변환부를 도시한다. 또한, 도 7은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 일 예를 도시하고, 도 8은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 구성을 도시하며, 도 9는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 결선을 도시한다. 또한, 도 10은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 3레벨 인버터의 다른 일 예를 도시한다.

직류-교류 변환부(100)는 모터(MO)에 구동 전압 및 구동 전류를 공급하는 3레벨 인버터(110), 모터(MO)에 공급되는 구동 전류를 검출하는 전류 검출부(120), 3레벨 인버터(110)에 인가되는 직류 전압(Vdc)을 검출하는 전압 검출부(130), 전류 검출부(120)와 전압 감지부(130)의 감지 결과를 기초로 3레벨 인버터(110)를 제어하는 제어 신호를 출력하는 제어 모듈(200), 제어 모듈(200)의 제어 신호에 따라 3레벨 인버터(110)에 구동 신호를 출력하는 구동 회로(140)를 포함한다.

3레벨 인버터(110)에는 양의 직류 단자(P), 중성 단자(C) 및 음의 직류 단자(N)를 통하여 직류 연결부(6)로부터 직류 전압(Vdc)이 인가된다. 또한, 구동 회로(140)의 구동 신호에 따라 모터(MO)에 구동 전압 및 구동 전류를 공급한다. 이때, 3레벨 인버터(110)가 출력하는 구동 전압 및 구동 전류는 교류 전압 및 교류 전류의 형태를 갖는다.

이와 같은 3레벨 인터버(110)는 다양한 토폴로지(topology)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 3레벨 인버터(110)는 T타입 중성점 클램프드 인버터(T-type neutral point clamped inverter)(110a), 다이오드 클램프드 인터버(Diode-clamped inverter)(110b) 등을 채용할 수 있다.

우선, 도 7에 도시된 바와 같은 T타입 중서정 클램프드 인버터(110a)에 대하여 설명한다.

T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)는 6스위치 인버터(6 switch inverter)(Q11, Q12, Q21, Q22, Q31, Q32), 중성 단자(C)와 U상 단자(U) 사이를 연결하는 한 쌍의 중성 스위칭 소자(Q14, Q13), 중성 단자(C)와 V상 단자(V) 사이를 연결하는 한 쌍의 중성 스위칭 소자(Q24, Q23), 중성 단자(C)와 W상 단자(W) 사이를 연결하는 한 쌍의 중성 스위칭 소자(Q34, Q33)를 포함할 수 있다. 이때, 한 쌍의 중성 스위칭 소자(Q14와 Q13, Q24와 Q23, Q34와 Q33)는 그 순서가 변경될 수 있다.

구체적으로, 3개의 출력 단자(U, V, W) 각각과 양의 직류 단자(P) 사이에는 제1, 제2 및 제3 상측 스위칭 소자(Q11, Q21, Q31)가 마련되고, 3상의 출력 단자(U, V, W) 각각과 음의 직류 단자(N) 사이에는 제1, 제2 및 제3 하측 스위칭 소자(Q12, Q22, Q32)가 마련된다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 3상의 출력 단자(U, V, W)와 중성 단자(C) 사이에는 각각 3쌍의 중성 스위칭 소자(Q14과 Q13, Q24와 Q23, Q34와 Q33)가 마련된다. 구체적으로, 중성 단자(C)와 U상 단자(U) 사이에는 제1 좌측 스위칭 소자(Q14)와 제1 우측 스위칭 소자(Q13)가 마련되고, 중성 단자(C)와 V상 단자(V) 사이에는 제2 좌측 스위칭 소자(Q24)와 제2 우측 스위칭 소자(Q23)가 마련되고, 중성 단자(C)와 W상 단자(W) 사이에는 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)와 제3 우측 스위칭 소자(Q33)가 마련된다.

3개의 상측 스위칭 소자(Q11, Q21, Q31), 3개의 하측 스위칭 소자(Q12, Q22, Q32) 및 3쌍의 중성 스위칭 소자(Q14과 Q13, Q24와 Q23, Q34와 Q33)는 구동 회로(140)가 출력하는 구동 신호에 의하여 개폐된다.

예를 들어, 제1 상측 스위칭 소자(Q11)와 제2 좌측 스위칭 소자(Q24)가 폐쇄되면, 구동 전류는 양의 직류 단자(P)로부터 제1 상측 스위칭 소자(Q11)와 U상 단자(U)를 통하여 모터(MO)로 흘러가고, 모터(MO)로부터 V상 단자(V)와 제2 좌측 스위치 소자(Q24)를 통하여 중성 단자(C)로 흘러 갈수 있다.

다른 예로, 제1 우측 스위칭 소자(Q13)와 제2 하측 스위칭 소자(Q22)가 폐쇄되면, 구동 전류는 중성 단자(C)로부터 제1 우측 스위칭 소자(Q13)와 U상 단자(U)를 통하여 모터(MO)로 흘러가고, 모터(MO)로부터 V상 단자(V)와 제2 하측 스위칭 소자(Q22)를 통하여 음의 직류 단자(N)로 흘러 갈수 있다.

결국 구동 전류는 양의 직류 단자(P)로부터 모터(MO)를 거쳐 중성 단자(C)로 흘러가거나, 중성 단자(C)로부터 모터(MO)를 거쳐 음의 직류 단자(N)로 흘러간다.

T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)를 형성하는 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)는 고전압 대전류를 차단 또는 도통시키기 위한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT) 또는 전력 전계 효과 트랜지스터(Power Field Effect Transistor: Power FET)를 채용할 수 있다.

T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)는 도 8에 도시된 바와 같이 6 스위치 인버터 모듈(111a)과 6 중성 스위치 모듈(112a)로 구성될 수 있다. 또한, 6 스위치 인버터 모듈(111a)과 6 중성 스위치 모듈(112a)은 각각 독립된 칩으로 구성될 수 있다.

6 스위치 인버터는 상업적으로 널리 이용된다. 그에 비하여 T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)는 상업적으로 널리 이용되지 못하는 편이다. 그 결과, 6 스위치 인버터는 시장에서 다양한 스펙의 제품이 공급되는 반면, T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)는 많은 제품이 공급되지 않으며, 수요 또한 적은 편이다.

이러한 점에 비추어 6개의 상측/하측 스위칭 소자(Q11과 Q12, Q21과 Q22, Q31과 Q32)로 구성된 6 스위치 인버터 모듈(111a)와 6개의 중성 스위칭 소자(Q14과 Q13, Q24와 Q23, Q34와 Q33)로 구성된 6 중성 스위치 모듈(112a)을 조합하여 T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)를 생성할 수 있다.

6 스위치 인버터 모듈(111a)는 도 8에 도시된 바와 같이 일반적인 6 스위치 인버터의 형태를 갖을 수 있다.

구체적으로, 6 스위치 인버터 모듈(111a)은 그 외부에 구동 전류가 입/출력되는 제1 U상 단자(U1), 제1 V상 단자(V1) 및 제1 W상 단자(W1), 직류 전력이 공급되는 양의 직류 단자(P)와 음의 직류 단자(N), 구동 신호가 입력되는 복수의 스위칭 신호 단자(V11, V21, V31, V12, V22, V32)가 마련될 수 있다.

6 스위치 인버터 모듈(111a)의 내부에는 제1, 제2 및 제3 상측 스위칭 소자(Q11, Q21, Q31)와 제1, 제2 및 제3 하측 스위칭 소자(Q12, Q22, Q32)가 마련될 수 있다.

또한, 제1 상측 스위칭 소자(Q11)와 제1 하측 스위칭 소자(Q12)가 연결되는 노드는 외부의 제1 U상 단자(U1)와 연결되고, 제2 상측 스위칭 소자(Q21)와 제2 하측 스위칭 소자(Q22)가 연결되는 노드는 외부의 제1 V상 단자(V1)와 연결되고, 제3 상측 스위칭 소자(Q31)와 제3 하측 스위칭 소자(Q32)가 연결되는 노드는 외부의 제1 W상 단자(W1)와 연결될 수 있다.

또한, 제1 상측 스위칭 소자(Q11)는 제1 상측 스위칭 신호 단자(V11)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되고, 제2 상측 스위칭 소자(Q21)는 제2 상측 스위칭 신호 단자(V21)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되며, 제3 상측 스위칭 소자(Q31)는 제3 상측 스위칭 신호 단자(V31)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐될 수 있다. 또한, 제1 하측 스위칭 소자(Q12)는 제1 하측 스위칭 신호 단자(V12)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되고, 제2 하측 스위칭 소자(Q22)는 제2 하측 스위칭 신호 단자(V22)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되며, 제3 하측 스위칭 소자(Q32)는 제3 하측 스위칭 신호 단자(V32)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐될 수 있다.

6 중성 스위치 모듈(112a)은 도 8에 도시된 바와 같이 그 외부에 구동 전류가 입/출력되는 제2 U상 단자(U2), 제2 V상 단자(V2) 및 제2 W상 단자(W2), 직류 전력이 공급되는 중성 단자(C), 구동 신호가 입력되는 복수의 스위칭 신호 단자(V13, V14, V23, V24, V33, V34)가 마련될 수 있다.

또한, 6 중성 스위칭 모듈(112a)의 내부에는 3쌍의 중성 스위칭 소자(Q14와 Q13, Q24와 Q23, Q34와 Q33)가 마련될 수 있다. 제1 좌측 스위칭 소자(Q14)와 제1 우측 스위칭 소자(Q13)는 서로 직렬 연결되고, 제2 좌측 스위칭 소자(Q24)와 제2 우측 스위칭 소자(Q23)는 서로 직렬 연결되며, 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)와 제3 우측 스위칭 소자(Q33)는 서로 직렬 연결된다.

또한, 제1 좌측 스위칭 소자(Q14), 제2 좌측 스위칭 소자(Q24) 및 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)는 외부 중성 단자(C)와 연결된다.

또한, 제1 우측 스위칭 소자(Q13)는 제2 U상 단자(U2)와 연결되고, 제2 우측 스위칭 소자(Q23)는 제2 V상 단자(V2)와 연결되고, 제3 우측 스위칭 소자(Q33)는 제2 W상 단자(W2)와 연결된다.

또한, 제1 좌측 스위칭 소자(Q14)는 제1 좌측 스위칭 신호 단자(V14)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되고, 제1 우측 스위칭 소자(Q13)는 제1 우측 스위칭 신호 단자(V13)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐될 수 있다. 또한, 제2 좌측 스위칭 소자(Q24)는 제2 좌측 스위칭 신호 단자(V24)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되고, 제2 우측 스위칭 소자(Q23)는 제2 우측 스위칭 신호 단자(V23)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐될 수 있다. 또한, 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)는 제3 좌측 스위칭 신호 단자(V34)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐되고, 제3 우측 스위칭 소자(Q33)는 제3 우측 스위칭 신호 단자(V33)를 통하여 입력되는 구동 신호에 의하여 개폐될 수 있다.

이와 같이 T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)는 6 스위치 인버터 모듈(111a)과 6 중성 스위치 모듈(112a)의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 6 스위치 인버터 모듈(111a)과 6 중성 스위치 모듈(112a) 각각은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 상에 실장되는 단일의 칩일 수 있다.

6 스위치 인버터 모듈(111a)과 6 중성 스위치 모듈(112a)은 도 9에 도시된 바와 같이 결선될 수 있다.

구체적으로, 6 스위치 인버터 모듈(111a)의 제1 U상 단자(U1)와 6 중성 스위치 모듈(112a)의 제2 U상 단자(U2)가 연결되고, 6 스위치 인버터 모듈(111a)의 제1 V상 단자(V1)와 6 중성 스위치 모듈(112a)의 제2 V상 단자(V2)가 연결되고, 6 스위치 인버터 모듈(111a)의 제1 W상 단자(W1)와 6 중성 스위치 모듈(112a)의 제2 W상 단자(W2)가 연결된다.

또한, 6 스위치 인버터 모듈(111a)의 양의 직류 단자(P)는 직류 연결부(6)의 양의 직류 단자(P)와 연결되고, 6 스위치 인버터 모듈(111a)의 음의 직류 단자(N)는 직류 연결부(6)의 음의 직류 단자(N)와 연결된다. 또한, 6 중성 스위치 모듈(112a)의 중성 단자(C)는 직류 연결부(6)의 중성 단자(C)와 연결된다.

6 스위치 인버터 모듈(111a)은 제1 상측 스위칭 신호 단자(V11), 제2 상측 스위칭 신호 단자(V21), 제3 상측 신호 단자(V31), 제1 하측 스위칭 신호 단자(V12), 제2 하측 스위칭 신호 단자(V22), 제3 하측 신호 단자(V32)를 통하여 구동 회로(140)로부터 구동 신호를 입력받는다.

또한, 6 중성 스위치 모듈(112a)은 제1 좌측 스위칭 신호 단자(V14), 제1 우측 스위칭 신호 단자(V13), 제2 좌측 스위칭 신호 단자(V24), 제2 우측 스위칭 신호 단자(V23), 제3 좌측 스위칭 신호 단자(V34), 제3 우측 스위칭 신호 단자(V33)를 통하여 구동 신호를 입력받는다.

3레벨 인버터(110)는 T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)를 포함하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 3레벨 인버터(110)는 도 10에 도시된 바와 같이 다이오드 클램프드 인버터(diode clamped inverter)(110b)를 포함할 수 있다.

양의 직류 단자(P)와 3개의 출력 단자(U, V, W) 사이에는 3쌍의 상측 스위칭 소자(Q41과 Q42, Q51과 Q52, Q61과 Q62)가 마련되고, 3개의 출력 단자(U, V, W)과 음의 직류 단자(N) 사이에는 3쌍의 하측 스위칭 소자(Q43과 Q44, Q53과 Q54, Q63과 Q64)가 마련된다.

3쌍의 상측 스위칭 소자(Q41과 Q42, Q51과 Q52, Q61과 Q62)가 서로 연결되는 노드와 중성 단자(C) 사이에는 각각 3개의 상측 다이오드(D41, D51, D61)이 마련되고, 3쌍의 하측 스위칭 소자(Q43과 Q44, Q53과 Q54, Q63과 Q64)가 서로 연결되는 노드와 중성 단자(C) 사이에는 각각 3개의 하측 다이오드(D43, D53, D63)이 마련된다.

또한, 3쌍의 상측 스위칭 소자(Q41과 Q42, Q51과 Q52, Q61과 Q62)와 3쌍의 하측 스위칭 소자(Q43과 Q44, Q53과 Q54, Q63과 Q64)는 구동 회로(140)로부터 출력되는 구동 신호에 의하여 개폐될 수 있다.

다만, 이하에서는 이해를 돕기 위하여 3레벨 인버터(110)는 T타입 중성점 클램프드 인버터(110a)를 포함하는 것으로 가정한다.

전류 검출부(120)는 적어도 2개의 전류 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 검출부(120)는 U상 단자를 통하여 모터(MO)에 공급되는 a상 전류를 검출하는 a상 전류 센서(121)와 V상 단자를 통하여 모터(MO)에 공급되는 b상 전류를 검출하는 b상 전류 센서(123)를 포함할 수 있다. 또한, W상 단자를 통하여 모터(MO)에 공급되는 c전류는 아래에서 설명할 제어 모듈(200)이 a상 전류와 b상 전류를 기초로 c상 전류를 산출할 수 있다.

전류 검출부(120)가 a상 전류 센서(121)와 b상 전류 센서(123)를 포함하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전류 검출부(120)는 b상 전류를 검출하는 b상 전류 센서와 c상 전류를 검출하는 c상 전류 센서를 포함하거나, 전류 검출부(120)는 c상 전류를 검출하는 c상 전류 센서와 a상 전류를 검출하는 a상 전류 센서를 포함할 수도 있다.

모터(MO)에는 수 암페어(Ampere: A)에서 수백 암페어(A)에 이르는 대전류가 공급된다. 이와 같은 대전류를 검출하기 위해서 전류 검출부(120)에 포함되는 적어도 2개의 전류 센서는 구동 전류의 크기를 비례 감소시키는 변류기(current transformer: CT)와 비례 감소된 전류의 크기를 검출하는 전류계(ampere meter)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 전류 센서는 변류기를 이용하여 구동 전류의 크기를 비례 감소시킨 후 비례 감소된 전류의 크기를 측정함으로써 구동 전류를 검출할 수 있다.

전류 검출부(120)와 관련하여 변류기와 전류계를 포함하는 전류 센서를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 션트 저항(shunt resistor)를 포함하는 전류 센서를 포함할 수도 있다.

전압 검출부(130)는 양의 직류 단자(P)와 음의 직류 단자(N) 사이의 전압을 검출하는 직류단 전압 센서(131)와 중성 단자(C)와 음의 직류 단자(N) 사이의 중성단 전압(Vdcn)을 검출하는 중성단 전압 센서(133)를 포함할 수 있다.

외부 전원(ES)이 380[V]의 3상 전원인 경우, 양의 직류 단자(P)와 음의 직류 단자(N) 사이의 전압은 대략 540[V]가 된다. 또한, 중성 단자(C)와 음의 직류 단자(N) 사이의 전압은 대략 270[V]가 된다.

이와 같은 고전압을 검출하기 위하여 직류단 전압 센서(131)와 중성단 전압 센서(133)는 전압 분배기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 직류단 전압 센서(131)는 전압 분배기를 이용하여 양의 직류 단자(P)와 음의 직류 단자(N) 사이의 전압을 비례 감소시키고, 비례 감소된 전압을 측정할 수 있다. 또한, 중성단 전압 센서(133)는 전압 분배기를 이용하여 중성 단자(C)와 음의 직류 단자(N) 사이의 전압을 비례 감소시키고, 비례 감소된 전압을 측정할 수 있다.

구동 회로(140)는 아래에서 설명할 제어 모듈(200)의 제어 신호에 따라 3레벨 인버터(110)에 포함된 복수의 스위치(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 개폐하기 위한 구동 신호를 3레벨 인버터(110)에 제공한다.

예를 들어, 구동 회로(140)는 도 11에 도시된 바와 같이 복수의 스위치(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34) 각각을 개폐하기 위한 복수의 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 상측 게이트 드라이버(141a)는 3레벨 인버터(110)의 제1 상측 스위치 소자(Q11)를 개폐하는 제1 상측 스위칭 신호를 생성하고, 제1 하측 게이트 드라이버(141b)는 제1 하측 스위치 소자(Q12)를 개폐하는 제1 하측 스위칭 신호를 생성하고, 제1 우측 게이트 드라이버(141c)는 제1 하측 스위치 소자(Q13)를 개폐하는 제1 우측 스위칭 신호를 생성하며, 제1 좌측 게이트 드라이버(141d)는 제1 좌측 스위치 소자(Q14)를 개폐하는 제1 좌측 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

또한, 제2 상측 게이트 드라이버(142a)는 3레벨 인버터(110)의 제2 상측 스위치 소자(Q21)를 개폐하는 제2 상측 스위칭 신호를 생성하고, 제2 하측 게이트 드라이버(142b)는 제2 하측 스위치 소자(Q22)를 개폐하는 제2 하측 스위칭 신호를 생성하고, 제2 우측 게이트 드라이버(142c)는 제1 하측 스위치 소자(Q23)를 개폐하는 제2 우측 스위칭 신호를 생성하며, 제2 좌측 게이트 드라이버(142d)는 제2 좌측 스위치 소자(Q24)를 개폐하는 제2 좌측 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

또한, 제3 상측 게이트 드라이버(143a)는 3레벨 인버터(110)의 제3 상측 스위치 소자(Q31)를 개폐하는 제3 상측 스위칭 신호를 생성하고, 제3 하측 게이트 드라이버(143b)는 제3 하측 스위치 소자(Q32)를 개폐하는 제3 하측 스위칭 신호를 생성하고, 제3 우측 게이트 드라이버(143c)는 제1 하측 스위치 소자(Q33)를 개폐하는 제3 우측 스위칭 신호를 생성하며, 제3 좌측 게이트 드라이버(143d)는 제3 좌측 스위치 소자(Q34)를 개폐하는 제3 좌측 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

제어 모듈(200)은 전류 검출부(120)의 출력과 전압 검출부(130)의 출력을 기초로 3레벨 인버터(110)에 포함된 복수의 스위치(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 개폐하기 위한 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 구동 회로(140)에 제공한다.

이와 같은 제어 모듈(200)의 구성 및 동작은 아래에서 더욱 자세하게 설명한다.

도 12는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 제어 모듈의 하드웨어 구성을 도시하고, 도 13은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 제어 모듈의 소프트웨어 구성을 도시한다.

우선, 도 12를 참조하면, 제어 모듈(200)는 전류 검출부(120)가 검출한 구동 전류값과 전압 검출부(130)가 검출한 직류 전압값을 디지털 신호로 변환하는 AD변환기(Analog-Digital Convertor: ADC)(205), 3레벨 인버터(110)를 제어하기 위한 프로그램 및 데이터를 저장하는 메모리(203), 구동 전류값과 직류 전압값을 기초로 3레벨 인버터(110)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 프로세서(201)를 포함한다.

AD 변환기(130)는 아날로그 신호인 구동 전류값과 직류 전압값을 프로세서(201)가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환한다.

앞서 설명한 전류 검출부(120)는 구동 전류값에 대응하는 크기의 전기적 신호를 출력하고, 전압 검출부(130) 역기 직류 전압값에 대응하는 크기의 전기적 신호를 출력한다. 전류 검출부(120) 및 전압 검출부(130)가 출력하는 전기적 신호는 아날로그 신호에 해당하며, 프로세서(201)는 아날로그 신호를 처리하지 못한다.

이러한 이유로 제어 모듈(200)는 전류 검출부(120) 및 전압 검출부(130)가 출력하는 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기(205)를 포함한다.

메모리(203)는 모터 구동 장치(1)의 동작을 제어하기 위한 제어 프로그램 및 제어 데이터를 저장하거나, 프로세서(201)가 출력하는 제어 신호, 전류 검출부(120)가 검출한 구동 전류값, 전압 검출부(130)가 검출한 직류 전압값 등을 기억할 수 있다.

이와 같은 메모리(203)는 S램(Static Random Access Memory, S-RAM), D랩(Dynamic Random Access Memory, D-RAM 등의 휘발성 메모리와 플래시 메모리, 롬(Read Only Memory), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory: EEPROM) 등의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.

비휘발성 메모리는 휘발성 메모리의 보조 기억 장치로서 동작할 수 있으며, 모터 구동 장치(1)의 동작을 제어하기 위한 제어 프로그램 및 제어 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 모터 구동 장치(1)의 전원이 오프되더라도 비휘발성 메모리에 저장된 데이터는 소멸되지 않는다.

휘발성 메모리는 비휘발성 메모리로부터 제어 프로그램 및 제어 데이터를 로딩하거나, 프로세서(201)가 출력하는 제어 신호, 전류 검출부(120)가 검출한 구동 전류값, 전압 검출부(130)가 검출한 직류 전압값을 기억할 수 있다. 비휘발성 메모리와 달리 휘발성 메모리의 경우, 모터 구동 장치(1)의 전원이 오프되면 휘발성 메모리에 기억된 데이터가 소멸된다

프로세서(201)는 전류 검출부(120)가 검출한 구동 전류값, 전압 검출부(130)가 검출한 직류 전압값 및 메모리(203)에 저장된 프로그램과 데이터를 기초로 3레벨 인버터(110)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.

구체적으로, 프로세서(201)는 모터(MO)가 목표 속도로 회전하고 직류 전압과 중성단 전압(Vdcn)이 안정화되도록 전류 검출부(120)가 검출한 구동 전류값, 전압 검출부(130)가 검출한 직류 전압값을 처리하고, 3레벨 인버터(110)를 제어하는 제어 신호를 생성한다.

이상에서 설명한 바와 같이 하드웨어 측면에서 제어 모듈(200)은 AD변환기(205), 메모리(203) 및 프로세서(201)를 포함한다.

또한, 소프트웨어 측면에서 제어 모듈(200)은 다양한 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 프로세서(201)는 모터 구동 장치(1)를 제어하기 위하여 다양한 처리 기능을 수행할 수 있다.

또한, 제어 모듈(200)은 프로세서(201)가 수행하는 다양한 처리 기능에 따라 복수의 소프트웨어 모듈로 구분할 수 있다.

구체적으로, 제어 모듈(200)는 도 13에 도시된 바와 같이 모터(MO)의 회전 속도를 제어하는 모터 속도 제어 모듈(210), 직류 전압(Vdc)을 안정화시키는 직류 전압 제어 모듈(220), 중성단 전압(Vdcn)을 안정화시키는 중성단 전압 제어 모듈(230), 모터 속도 제어 모듈(210), 직류 전압 제어 모듈(220) 및 중성단 전압 제어 모듈(230)의 출력을 합성하는 덧셈기(240), 덧셈기(240)의 출력을 제한하는 전압 제한기(260), 전압 제한기(260)의 출력을 펄스 폭 변조하는 펄스 폭 변조기(250)를 포함할 수 있다.

모터 속도 제어 모듈(210)는 외부 장치로부터 속도 지령(ω*)를 입력받고, 모터(MO)로부터 회전 변위(θ)를 입력받고, 전류 검출부(120)로부터 구동 전류(Iabc)를 입력받고, 모터(MO)를 속도 지령(ω*)에 대응하는 회전 속도로 회전시키기 위한 제1 전압 지령(Vabcs*), d축q축 전압 지령(Vdq*) 및 전류 지령(Iabcs*)을 출력한다.

여기서, 속도 지령(ω*)은 모터 구동 장치(1)를 포함하는 외부 장치로부터 입력받을 수 있다. 예를 들어, 모터(MO)와 모터 구동 장치(1)가 에어컨(미도시)에 포함되는 경우, 에어컨의 제어 장치(미도시)는 모터(MO)가 목표 속도로 회전하도록 모터 구동 장치(1)에 속도 지령(ω*)을 제공할 수 있다. 다시 말해, 모터 속도 제어 모듈(210)는 모터 구동 장치(1)를 포함하는 제품(예를 들어, 에어컨, 냉장고, 차량 등)으로부터 속도 지령(ω*)을 입력받을 수 있다.

또한, 직류 전압 제어 모듈(220)는 모터 속도 제어 모듈(210)로부터 d축q축 전압 지령(Vdq*)을 입력받고, 전압 검출부(130)로부터 직류 전압(Vdc)를 입력받고, 모터(MO)로부터 회전 변위(θ)를 입력받고, 직류 전압(Vdc)을 안정화시키기 위한 제2 전압 지령(Vabch*)를 출력한다.

여기서, d축q축 전압 지령(Vdq*)은 모터 속도 제어 모듈(210)가 모터(MO)의 속도를 제어하기 위한 연산 과정에서 생성된다. d축q축 전압 지령(Vdq*)은 모터 속도 제어 모듈(210)와 함께 아래에서 자세하게 설명한다.

또한, 중성단 전압 제어 모듈(230)는 모터 속도 제어 모듈(210)로부터 제1 전압 지령(Vabcs*)을 입력받고, 전압 검출부(130)로부터 직류 전압(Vdc)와 중성단 전압(Vdcn)를 입력받고, 모터 속도 제어 모듈(210)로부터 전류 지령(Iabcs*)을 입력받고, 중성단 전압(Vdcn)을 안정화시키기 위한 제3 전압 지령(Vsn)을 출력한다.

덧셈기(240)는 모터 속도 제어 모듈(210)가 출력하는 제1 전압 지령(Vabcs*), 직류 전압 제어 모듈(220)가 출력하는 제2 전압 지령(Vabch*), 중성단 전압 제어 모듈(230)가 출력하는 제3 전압 지령(Vsn)을 합성하고, 합성된 제4 전압 지령(Vabcn*)을 출력한다.

여기서, 제1 전압 지령(Vabcs*) 및 제2 전압 지령(Vabch*)은 모터(MO)의 U상 단자(U), V상 단자(V) 및 W상 단자(W)에 인가되는 a상 전압, b상 전압, c상 전압이고, 제3 전압 지령(Vsn)은 하나의 전압값이다.

따라서, 덧셈기(240)는 제1 전압 지령(Vabcs*)의 a상 전압, b상 전압, c상 전압과 제2 전압 지령(Vabch*)의 a상 전압, b상 전압, c상 전압을 각각 더하고, 제1 전압 지령(Vabcs*)과 제2 전압 지령(Vabch*)의 합에 각각 제3 전압 지령(Vsn)을 더한다. 다시 말해, 제1 전압 지령(Vabcs*)의 a상 전압, 제1 전압 지령(Vabcs*)의 a상 전압 및 제3 전압 지령(Vsn)을 합하고, 제1 전압 지령(Vabcs*)의 b상 전압, 제1 전압 지령(Vabcs*)의 b상 전압 및 제3 전압 지령(Vsn)을 합하고, 제1 전압 지령(Vabcs*)의 c상 전압, 제1 전압 지령(Vabcs*)의 c상 전압 및 제3 전압 지령(Vsn*)을 합한다.

전압 제한기(260)는 덧셈기(240)가 출력하는 제4 전압 지령(Vabcn*)를 직류 전압(Vdc)으로 제한한다.

직류-교류 변환부(100)는 직류 연결부(6)로부터 공급받은 직류 전력을 이용하여 모터(MO)에 교류 전력을 공급한다. 따라서, 직류-교류 변환부(100)가 모터(MO)에 공급하는 교류 전력을 직류 연결부(6)로부터 공급받는 직류 전력에 의하여 제한된다. 구체적으로, 직류-교류 변환부(100)가 모터(MO)에 공급하는 구동 전압은 직류-교류 변환부(100)가 직류 연결부(6)로부터 인가되는 직류 전압(Vdc)보다 클 수 없다.

따라서, 전압 제한기(260)는 제4 전압 지령(Vabcn*)을 직류 전압(Vdc)으로 제한한다. 예를 들어, 제4 전압 지령(Vabcn*)이 직류 전압(Vdc)보다 작거나 같으면 전압 제한기(260)는 제4 전압 지령(Vabcn*)을 출력하고, 제4 전압 지령(Vabcn*)이 직류 전압(Vdc)보다 크면 전압 제한기(260)는 직류 전압(Vdc)를 출력한다.

펄스 폭 변조기(250)는 전압 제한기(260)의 출력을 기초로 구동 회로(140)에 제공할 제어 신호를 생성한다. 구체적으로, 펄스 폭 변조기(250)는 전압 제한기(260)의 출력의 a, b 및 c상 전압 각각을 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM)하여 제어 신호를 출력한다.

아래에서는 제어 모듈(200)에 포함된 모터 속도 제어 모듈(210), 직류 전압 제어 모듈(220) 및 중성단 전압 제어 모듈(230)의 동작에 대하여 더욱 자세하게 설명한다.

우선, 모터 속도 제어 모듈(210)에 대하여 설명한다.

도 14는 일 실시예에 의함 모터 구동 장치에 포함되는 모터 속도 제어 모듈의 구성을 도시한다.

도 14를 참조하면, 모터 속도 제어 모듈(210)는 속도 연산기(212), 좌표계 변환기(213), 속도 제어기(214), 전류 제어기(215), 역좌표계 변환기(216)를 포함할 수 있다.

속도 연산기(212)는 모터(MO)에 포함된 회전자의 회전 변위(θ)를 기초로 모터(MO)의 회전 속도(ω)를 산출한다. 여기서, 회전자의 회전 변위(θ)는 앞서 설명한 바와 같이 모터(MO)에 포함된 홀 센서, 엔코더, 리졸버 등의 회전 변위 검출 센서로부터 입력받을 수 있다.

뿐만 아니라, 모터(MO)가 회전 변위 검출 센서를 포함하지 않는 경우, 속도 연산기(212)는 전류 검출기(120)가 검출한 구동 전류(Iabc)를 기초로 모터(MO)의 회전 속도(ω)를 산출할 수도 있다. 이와 같이 구동 전류(Iabc)를 이용하여 모터(MO)의 회전 속도를 산출하는 것을 '센서리스 제어'라 한다.

구체적으로 속도 연산기(212)는 회전자의 회전 변위(θ)를 시간에 대하여 미분하여 모터(MO)의 회전 속도(ω)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 속도 연산기(212)가 미리 정해진 샘플링 주기마다 회전자의 회전 변위(θ)를 입력받는 경우, 속도 연산기(212)는 이전의 샘플링 타임에 입력된 회전자의 회전 변위(θ)와 현재 입력된 회전자의 회전 변위(θ) 사이의 차이를 샘플링 주기로 나눔으로써 모터(MO)의 회전 속도(ω)를 산출할 수 있다.

좌표계 변환기(213)는 회전자의 회전 변위(θ)에 따라 3상 구동 전류(Iabc)를 회전자 기준의 d축q축 전류(Idq)로 변환한다.

여기서, d축는 모터(MO)의 회전자가 생성하는 자기장의 방향과 일치하는 방향의 축을 의미하고, q축은 모터(MO)의 회전자가 생성하는 자기장의 방향과 90도 차이나는 방향의 축을 의미한다. 여기서, 90도는 회전자의 기계적인 각도가 아닌 회전자에 포함된 인접한 N극 사이의 각도 또는 인접한 S극 사이의 각도를 360도로 환산한 전기각을 의미한다.

또한, d축 전류(Id)는 3상 구동 전류(Iabc) 가운데 d축 방향의 자기장을 생성하는 전류 성분을 의미한다. 앞서 설명한 바와 같이 모터(MO)의 고정자는 복수의 코일을 포함하며, 코일에 전류가 공급되면 코일은 자기장을 생성한다. 이때, 코일에 공급되는 전류 가운데 d축 방향의 자기장을 생성하는 전류 성분이 d축 전류(Id)가 된다.

또한, q축 전류(Iq)는 3상 구동 전류(Iabc) 가운데 q축 방향의 자기장을 생성하는 전류 성분을 의미한다. 다시 말해, 코일에 공급되는 전류 가운데 q축 방향의 자기장을 생성하는 전류 성분이 q축 전류(Iq)가 된다.

좌표계 변환기(213)은 [수학식 1]을 이용하여 3상 구동 전류(Iabc)로부터 dq축 전류(Idq)를 산출할 수 있다.

[수학식 1]

(단, Id는 d축 전류, Iq는 q축 전류, θ은 회전자의 회전 변위, Ia는 a상 전류, Ib는 b상 전류, Ic는 c상 전류이다.)

속도 제어기(214)는 외부에서 입력되는 속도 지령(ω*)과 모터(MO)의 회전 속도(ω)를 비교하고, 비교 결과에 따라 dq축 전류 지령(Idq*)을 출력한다. 구체적으로, 속도 제어기(214)는 속도 지령(ω*)와 회전 속도(ω) 사이의 차이를 감소시키기 위하여 모터(MO)에 공급되어야 할 dq축 전류를 출력할 수 있다.

q축 전류 지령(lq*)은 모터(MO)가 생성하는 회전력(토크)와 직접적으로 관련된다. 다시 말해, q축 전류 지령(Iq*)이 증가함에 따라 모터(MO)가 생성하는 회전력이 증가한다. 또한, d축 전류 지령(Id*)은 모터(MO)가 생성하는 회전력(토크)과 무관한 성분이다. 다만, d축 전류 지령(Id*)에 의하여 모터(MO)에 인가되는 구동 전압(Vabc)이 변화할 수 있다. 속도 제어기(214)는 에너지 손실을 감소시키기 위하여 d축 전류 지령(Id*)을 "0"으로 출력할 수 있다.

이때, 모터(MO)의 회전 속도가 증가함에 따라 역기전력이 증가하고, 역기전력의 증가에 따라 모터(MO)에 인가되는 구동 전압(Vabc) 역시 함께 증가한다. 이때, 구동 전압(Vabc)은 직류 연결부(6)로부터 인가되는 직류 전압(Vdc)에 의하여 제한된다. 즉, 구동 전압(Vabc)은 직류 전압(Vdc)보다 클 수 없다.

구동 전압(Vabc)이 직류 전압(Vdc)에 의하여 제한되는 상황에서, 모터(MO)가 더 큰 회전력을 생성하기 위하여 속도 제어기(214)는 음의 d축 전류 지령(Id*)을 출력할 수 있다. 속도 제어기(214)가 음의 d축 전류 지령(Id*)을 출력하면 구동 전압(Vabc)이 감소될 수 있다.

이와 같이 모터(MO)의 고속 회전 영역에서 속도 제어기(214)가 음의 d축 전류 지령(Id*)을 출력하는 것을 통상 "약자속 제어"라 불린다.

이와 같은 속도 제어기(214)는 비례 제어기, 비례 적분 제어기 및 비례 적분 미분 제어기 가운데 적어도 하나를 포함할 수 있다.

전류 제어기(215)는 속도 제어기(214)가 출력하는 dq축 전류 지령(Idq*)과 모터(MO)의 dq축 전류(Idq)를 비교하고, 비교 결과에 따라 dq축 전압 지령(Vdq*)을 출력한다. 구체적으로, 전류 제어기(215)는 dq축 전류 지령(Idq*)와 dq축 구동 전류(Idq) 사이의 차이를 감소시키기 위하여 모터(MO)에 인가되어야 할 dq축 전압을 출력한다.

여기서, dq축 전류(Idq)는 앞서 설명한 좌표계 변환기(213)가 출력한 dq축 전류(Idq)이다. 또한, dq축 전압 지령(Vdq*)은 dq축 전류 지령(Idq*)에 대응한 전압을 의미한다. 다시 말해, dq축 전압 지령(Vdq*)은 모터(MO)에 dq축 전류 지령(Idq*)을 공급하기 위하여 모터(MO)에 인가되어야 하는 dq축 전압을 의미한다.

이와 같은 전류 제어부(215) 역시 비례 제어기, 비례 적분 제어기 및 비례 적분 미분 제어기 가운데 적어도 하나를 포함할 수 있다.

역좌표계 변환기(216)은 회전자의 회전 변위(θ)에 따라 dq축 전압 지령(Vdq)를 제1 전압 지령(Vabcs*)로 변환한다.

dq축 전압 지령(Vdq)은 앞서 설명한 바와 같이 모터(MO)에 dq축 전류 지령(Idq*)을 공급하기 위하여 모터(MO)에 인가되어야 하는 dq축 전압을 의미한다.

역좌표계 변환기(216)은 [수학식 2]를 이용하여 dq축 전압(Vdq)로부터 제1 전압 지령(Vabcs*)을 산출할 수 있다. 구체적으로, 역좌표계 변환기(216)는 모터(MO)에 dq축 전압 지령(Vdq*)이 인가되기 위하여 모터(MO)의 U상 단자(U), V상 단자(V) 및 W상 단자(W)에 실제로 인가되어야 하는 구동 전압을 출력한다.

[수학식 2]

(단, Vd는 d축 전압, Vq는 q축 전압, θ은 회전자의 회전 변위, Va는 a상 전압, Vb는 b상 전압, Vc는 c상 전압이다.)

또한, 역좌표계 변환기(216)은 dq축 전류(Idq)로부터 전류 지령(Iabcs*)을 산출한다. 구체적으로, 역좌표계 변환기(216)는 [수학식 2]의 관계를 이용하여 dq축 전류(Idq)로부터 전류 지령(Iabcs*)을 산출할 수 있다.

이처럼, 모터 속도 제어 모듈(210)는 모터(MO)의 회전자의 회전 변위(θ), 모터(MO)의 각 상에 공급되는 구동 전류(Iabc) 및 외부 장치로부터 입력되는 속도 지령(ω*)을 기초로 모터(MO)를 속도 지령(ω*)의 속도로 회전시키기 위한 제1 전압 지령(Vabcs*)을 덧셈기(240)로 출력한다. 또한, 모터 속도 제어 모듈(210)은 dq축 전압 지령(Vdq*)을 아래에서 설명할 직류 전압 제어 모듈(220)로 출력한다.

다음으로 직류 전압 제어 모듈(220)에 대하여 설명한다.

도 15는 외부 전원, 모터 구동 장치 및 모터를 간략히 모델링한 등가 회로이고, 도 16은 직류 전압의 발산을 방지하기 위한 억제 전류원을 포함하는 등가 회로이고, 도 17은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 전압 제어 모듈의 구성을 도시한다.

우선, 도 15를 참조하여 직류 전압(Vdc)의 변화에 대하여 설명한다.

외부 전원(ES)는 도 15의 (a)에 도시된 바와 같이 등가 전압원(Vs), 등가 저항(Rs) 및 등가 인덕터(Ls)로 단순 모델링될 수 있고, 직류 연결부(7)는 등가 캐패시터(Cdc)로 단순 모델링될 수 있으며, 모터(MO) 및 직류-교류 변환부(100)는 전류원(Iinv)으로 단순 모델링될 수 있다.

여기서 등가 전압원(Vs)은 도 15의 (b)에 도시된 바와 같은 전압을 등가 캐패시터(Cdc)에 인가한다. 구체적으로, 등가 전압원(Vs)은 3상 교류 전압이 정류 회로(3)에 의하여 정류된 형태의 전압을 캐패시터(Cdc)에 인가한다. 그러나, 등가 인덕터(Ls)와 등가 캐패시터(Cdc)에 의하여 등가 전압원(Vs)이 출력하는 전압을 측정하는 것이 불가능하다.

이러한 이유로 이하에서는 등가 전압원(Vs)이 출력하는 전압은 외부 전원(ES)으로부터 인가되는 전압의 평균값인 것으로 가정한다.

또한, 등가 인덕터(Ls)는 외부 전원(ES) 내부의 인덕턴스를 나타내고, 등가 저항(Rs)은 전원선 등에 의한 저항을 나타낸다.

또한, 모터 구동 장치(1)의 등가 캐패시터(Cdc)는 모터 구동 장치(1)의 직렬 연결부(6)에 포함된 필름 캐패시터(C7a, C7b)를 나타낸다.

도 15의 (a)에 도시된 바와 같이 외부 전원(ES), 모터 구동 장치(1) 및 모터(MO)의 등가 회로에는 외부 전원(ES)의 등가 인덕터(Ls)와 모터 구동 장치(1)의 등가 캐패시터(Cdc)를 포함한다. 그 결과, 등가 인덕터(Ls)와 등가 캐패시터(Cdc) 사이의 공진 현상이 발생하며 등가 캐패시터(Cdc) 양단 사이의 전압을 불안정하게 한다.

이와 같은 공진 현상을 수학적으로 살펴본다.

도 15의 (a)에 도시된 등가 회로는 [수학식 3]과 [수학식 4]으로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

(단, Vdc는 직류 전압, Cdc는 등가 캐패시터의 캐패시턴스, Is는 전압원으로부터 공급되는 공급 전류, Iinv는 모터에 공급되는 구동 전류를 나타낸다.)

[수학식 4]

(단, Is는 전압원으로부터 공급되는 공급 전류, Ls는 등가 인덕터의 인덕턴스, Vs는 전압원으로부터 인가되는 전압원 전압, Vdc는 직류 전압, Rs는 등가 저항의 저항값을 나타낸다.)

또한, 직류 전압(Vdc)이 변동하는 경우, 전압의 안정성을 분석하기 위하여 소신호 분석을 수행할 수 있다.

도 15의 (a)의 회로를 소신호 분석하면 [수학식 5]와 같다.

[수학식 5]

(단, Iinv는 모터에 공급되는 등가 구동 전류, Pinv는 모터의 소비 전력, Vdc는 리플을 포함한 직류 전압, Vdc(0)는 직류 전압의 직류 성분, Rinv은 모터의 등가 저항, Iinv(0)은 직류 전압의 직류 성분에 의한 구동 전류를 나타낸다.)

[수학식 5]을 [수학식 3]에 대입하면 [수학식 6]과 같다.

[수학식 6]

(단, Vdc는 리플을 포함한 등가 구동 직류 전압, Cdc는 등가 캐패시터의 캐패턴스, Is는 등가 전압원으로부터 공급되는 전류, Iinv는 모터에 공급되는 구동 전류, Rinv은 모터의 등가 저항을 나타낸다.)

[수학식 6]에 나타난 미분 방정식의 해는 지수 함수의 형태를 갖으므로 직류 전압(Vdc)는 시간에 따라 점점 커진다. 즉, 직류 전압(Vdc)은 안정화되지 못하고 발산한다.

이와 같은 직류 전압(Vdc)의 발산을 방지하기 위하여 도 16에 도시된 바와 같이 억제 전류원(Idamp)가 마련될 수 있다.

[수학식 6]에 의하며 직류 전압(Vdc)의 발산을 방지하지 위하여 억제 전류원(Idamp)의 억제 전류는 [수학식 7]과 같이 정할 수 있다.

[수학식 7]

(단, Idamp는 억제 전류원의 억제 전류, k는 1보다 큰 임의의 상수, Pinv는 모터의 소비 전력, Vdc는 리플을 포함한 직류 전압, Vdc(0)는 직류 전압의 직류 성분을 나타낸다.)

도 16의 회로를 소신호 분석하면 [수학식 8]과 같다.

[수학식 8]

(단, Iinv는 모터에 공급되는 등가 구동 전류, Pinv는 모터의 소비 전력, Vdc는 리플을 포함한 직류 전압, Vdc(0)는 직류 전압의 직류 성분, k는 1보다 큰 임의의 상수, Rinv은 모터의 등가 저항, Iinv(0)는 직류 전압의 직류 성분에 의한 구동 전류를 나타낸다.)

[수학식 8]을 [수학식 3]에 대입하면 [수학식 9]와 같다.

[수학식 9]

(단, Vdc는 리플을 포함한 직류 전압, Cdc는 등가 캐패시터의 캐패턴스, Is는 등가 전압원으로부터 공급되는 전류, Iinv는 모터에 공급되는 구동 전류, Rinv은 모터의 등가 저항, k는 1보다 큰 임의의 상수, Iinv(0)는 직류 전압의 직류 성분에 의한 구동 전류를 나타낸다.)

[수학식 9]에 의하면, k값이 1보다 크면 직류 전압(Vdc)은 발산하지 않고, 일정한 값에 수렴한다. 또한, 임의의 상수 k값이 클수록 직류 전압(Vdc)은 더욱 안정된다.

직류 전압 제어기(220)는 직류 전압(Vdc)을 안정화시키기 위하여 억제 전류(Idamp)에 대응하는 전압 지령(Vabch*)을 출력할 수 있다.

억제 전류(Idamp)에 대응하는 억제 전압(Vdamp)은 [수학식 7], [수학식 10] 및 [수학식 11]을 이용하여 산출할 수 있다.

[수학식 10]

(단, Vdamp,d는 d축 억제 전압 지령, Id는 d축 전류 지령, Vdamp,q는 q축 억제 전압 지령, Iq는 q축 전류 지령을 나타낸다.)

[수학식 11]

(단, Pinv는 모터의 소비 전력, Vdc는 직류 전압, Iinv는 모터에 공급되는 구동 전류, Id는 d축 전류 지령, Iq는 q축 전류 지령, Vd는 d축 전압 지령, Vq는 q축 전압 지령을 나타낸다.)

[수학식 10]을 정리하고, [수학식 7] 및 [수학식 11]을 대입하면 [수학식 12]과 같다.

[수학식 12]

(단, Vdamp,dq는 dq축 억제 전압 지령, Idq는 dq축 전류 지령, Vdc는 직류 전압, Vdc(0)는 직류 전압의 직류 성분, Vs는 전압원의 전압, k는 1보다 큰 임의의 상수를 나타낸다.)

[수학식 12]에 의하면, dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)를 산출하기 위하여 등가 전압원(Vs)의 출력 전압을 산출하여야 한다.

등가 전압원(Vs)의 전압은 [수학식 3]과 [수학식 4]으로부터 산출될 수 있다. 다시 말해, 등가 전압원(Vs)의 출력 전압은 모터(MO)에 공급되는 등가 구동 전류(Iinv)와 직류 전압(Vdc)을 이용하여 추정할 수 있다. 뿐만 아니라, 등가 전압원(Vs)의 전압은 외부 전원(ES)의 출력 전압과 모터(MO)의 정격 전류에 따라 설계자에 의하여 주어질 수 있다. 예를 들어, 등가 전압원(Vs)의 전압은 외부 전원(ES)으로부터 인가되는 전압의 평균값으로 정할 수 있다.이하에서는 이해를 돕기 위하여 등가 전압원(Vs)의 전압은 외부 전원(ES)으로부터 인가되는 전압의 평균값으로 가정한다.

또한, dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)를 역좌표 변환하면 제2 전압 지령(Vabch*)이 산출된다. 다시 말해, dq축 좌표계의 dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)를 abc상으로 변환하면, 제2 전압 지령(Vabch*)이 획득된다.

이상에서 설명한 이론에 기초하면 직류 전압 제어 모듈(220)은 [수학식 12]를 이용하여 dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)를 산출하고, dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)를 기초로 제2 전압 지령(Vabch*)를 산출할 수 있다.

구체적으로, 직류 전압 제어 모듈(220)은 도 17에 도시된 바와 같이 뺄셈기(221), 디바이더(223), 멀티플라이어(225), 증폭기(227) 및 역좌표계 변환기(229)를 포함할 수 있다.

뺄셈기(221)는 전압원 전압(Vs)와 직류 전압(Vdc) 사이의 차이를 산출하고, 디바이더(223)는 전압원 전압(Vs)와 직류 전압(Vdc) 사이의 차이를 전압원 전압(Vs)의 제곱으로 나눈 값을 산출한다. 또한, 멀티플라이어(225)는 디바이더(223)의 출력과 직류 전압(Vdc)과 d축q축 전압 지령(Vdq)의 곱을 산출하고, 또한, 증폭기(227)는 멀티플라이어(225)의 출력을 '-k'배 증폭한다.

뺄셈기(221), 디바이더(223), 멀티플라이어(225) 및 증폭기(227)에 의하여 [수학식 12]가 구현된다. 그 결과, 증폭기(227)의 출력은 dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)과 같다.

역좌표계 변환기(229)는 회전자의 회전 변위(θ)에 따라 dq축 억제 전압 지령(Vdamp,dq)을 제2 전압 지령(Vabch*)로 변환한다.

이상에서 설명한 바와 같이 직류 전압 제어 모듈(220)은 직류 전압(Vdc)를 안정화시키는 억제 전압(Vdamp,dq) 즉 제2 전압 지령(Vabch*)를 산출할 수 있다.

다음으로 중성단 전압 제어 모듈(230)에 대하여 설명한다.

도 18은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 직류 연결부의 중성단에 흐르는 전류를 도시하고, 도 19는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치가 출력하는 상전압을 도시한다. 또한, 도 20은 일 실시예에 의한 모터 구동 장치에 포함되는 중성단 전압 제어 모듈의 구성을 도시한다.

앞서 설명한 바와 같이 3레벨 인버터(110)의 동작에 따라 전류는 직류 연결부(6)의 중성 단자(C)로 흘러가거나 직류 연결부(6)의 중성 단자(C)로부터 흘러 나온다.

예를 들어, 3레벨 인버터(110)의 제1 상측 스위칭 소자(Q11)와 제2 좌측 스위칭 소자(Q24)가 폐쇄되면, 구동 전류는 양의 직류 단자(P)로부터 제1 상측 스위칭 소자(Q11)와 U상 단자(U)를 통하여 모터(MO)로 흘러가고, 모터(MO)로부터 V상 단자(V)와 제2 좌측 스위치 소자(Q24)를 통하여 중성 단자(C)로 흘러 갈수 있다.

다른 예로, 3레벨 인버터(110)의 제1 우측 스위칭 소자(Q13)와 제2 하측 스위칭 소자(Q22)가 폐쇄되면, 구동 전류는 중성 단자(C)로부터 제1 우측 스위칭 소자(Q13)와 U상 단자(U)를 통하여 모터(MO)로 흘러가고, 모터(MO)로부터 V상 단자(V)와 제2 하측 스위칭 소자(Q22)를 통하여 음의 직류 단자(N)로 흘러 갈수 있다.

구체적으로, 중성 단자(C)에 흐르는 전류는 도 18에 같은 계단파의 형태를 갖는다. 다시 말해, 모터(MO)를 구동시키기 위하여 중성 단자(C)에 주기적으로 전류가 흘러 들어가고 전류가 흘러 나온다.

중성 단자(C)를 통하여 상측 캐패시터(C7a)와 하측 캐패시터(C7b)가 연결되므로 중성 단자(C)에 흐르는 전류에 따라 상측 캐패시터(C7a)와 하측 캐패시터(C7b)에 저장되는 전하량이 변화하고, 상측 캐패시터(C7a) 양단 사이의 전압과 하측 캐패시터(C7b) 양단 사이의 전압도 달라진다.

예를 들어, 전류가 양의 직류 단자(P)로부터 모터(MO)를 거쳐 중성 단자(C)로 흐르는 경우, 상측 캐패시터(C7a)에 저장되는 전하량은 감소하고, 하측 캐패시터(C7b)에 저장되는 전하량은 증가한다. 다시 말해, 중성 단자(C)에 흐르는 중성단 전류(Idcn)가 증가하면, 도 18에 도시된 바와 같이 상측 캐패시터(C7a)와 하측 캐패시터(C7b) 사이에 전하량의 차이(ΔQ)가 발생한다. 하측 캐패시터(C7b)에 저장되는 전하량이 상측 캐패시터(C7a)에 저장되는 전하량보다 ΔQ 만큼 컨진다.

이와 같은 전하량의 차이(ΔQ)는 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압과 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압 사이에 차이(ΔVdc)를 발생시킨다. 다시 말해, 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압(VdcL)이 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압(VdcH)보다 ΔVdc 만큼 커진다.

또한, 전류가 중성 단자(C)로부터 모터(MO)를 거쳐 음의 직류 단자(N)로 흐르는 경우, 앞서 설명한 바와 반대 현상이 발생한다. 다시 말해, 중성 단자(C)에 흐르는 중성단 전류(Idcn)가 음의 방향으로 증가하면, 상측 캐패시터(C7a)에 저장되는 전하량이 하측 캐패시터(C7b)에 저장되는 전하량보다 ΔQ 만큼 커진다. 또한, 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압(VdcH)이 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압(VdcL)보다 ΔVdc 만큼 커진다.

이와 같이 중성단 전류(Idcn)로 인하여 중성단 전압(Vdcn)은 안정되지 못하고 진동한다.

특히, 상측 캐패시터(C7a)와 하측 캐패시터(C7b)를 소용량 필름 캐패시터를 이용하는 경우, 중성단 전류(Idcn)로 인한 중성단 전압(Vdcn)의 진동의 진폭은 더욱 커질 수 있다.

그 결과, 모터(MO)의 회전 속도를 안정적으로 제어하기 곤란할 뿐만 아니라 3레벨 인버터(110)에 포함된 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 파손시킬 염려가 있다.

이와 같은 중성단 전압(Vdcn)의 진동을 살펴본다.

중성단 전류(Idcn)에 의한 중성단 전압(Vdcn)의 변화는 [수학식 13]으로 표현될 수 있다.

[수학식 13]

(단, ΔVdcH는 상측 캐패시터의 전압 변화, Cdc는 상측 및 하측 캐패시터의 캐패시턴스, IdcH는 상측 캐패시터에 흐르는 전류, ΔVdcL는 하측 캐패시터의 전압 변화, IdcL는 하측 캐패시터에 흐르는 전류, ΔVdcn은 중성단 전압의 변화, Idcn은 중성단 전류를 나타낸다.)

[수학식 13]에 의하면, 중성단 전압의 변화(ΔVdcn)는 중성단 전류(Idcn)에 의하여 결정된다.

또한, 3레벨 인버터(110)에 포함된 중립 스위칭 소자(Q14, Q13, Q24, Q23, Q34, Q33)의 온/오프 주기동안의 중성단 전류(Idcn)은 [수학식 14]로 표현할 수 있다.

[수학식 14]

(단, Idcn은 중성단 전류, Txn은 중성단 스위치의 온타임, Tsw는 스위치의 온/오프 주기, Ix는 상전류를 나타낸다.)

만일, 중성단 전압(Vdcn)이 직류 전압(Vdc)의 절반으로 유지한다면, [수학식 14]는 [수학식 15]로 표현될 수 있다.

[수학식 15]

(단, Idcn은 중성단 전류, Vx는 상전압, Ix는 상전류, Vdc는 직류 전압, Vx,norm는 정규화된 상전압을 나타낸다.)

[수학식 15]에 의하면, 중성단 전류(Idcn)는 상전압(Va, Vb, Vc)과 상전류(Ia, Ib, Ic)에 의하여 결정된다. 또한, [수학식 15]에서 정규화된 상전압(Vx.norm)은 -1과 +1 사이의 값을 갖을 수 있다. 정규화된 상전압(Vx.norm)이란 직류 전압(Vdc)의 절반에 대한 상전압(Va, Vb, Vc)의 비율을 의미한다.

여기서, 상전류(Ia, Ib, Ic)는 모터(MO)의 토크와 관련된 중요한 요소이며, 앞서 설명한 모터 속도 제어 모듈(210)에 의하여 제어된다. 따라서, 중성단 전압 제어 모듈(230)이 상전류(Ia, Ib, Ic)를 제어하는 것은 곤란하다.

상전압(Va, Vb, Vc)은 상전류(Ia, Ib, Ic)와 관련된다. 구체적으로, 상전압(Va, Vb, Vc) 사이의 차이에 의하여 상전류(Ia, Ib, Ic)가 변화한다.

만일, 상전압(Va, Vb, Vc) 사이의 차이를 일정하게 유지한 채 상전압(Va, Vb, Vc)이 변화한다면 상전류(Ia, Ib, Ic)에는 변화가 발생하지 않는다. 다시 말해, 상전압(Va, Vb, Vc) 모두가 동일한 크기로 변화한다면 상전류(Ia, Ib, Ic)에는 변화가 발생하지 않을 수 있다.

이러한 이유로, 모든 상전압(Va, Vb, Vc)에 영전압(Voffset)을 부가함으로써 상전압(Va, Vb, Vc)을 변화시킬 수 있으며, 이때 상전류(Ia, Ib, Ic)는 변화하지 않는다.

따라서, 모든 상전압(Va, Vb, Vc)에 영전압(zero-sequence voltage, Voffset)을 부가하고, 영전압(Voffset)을 제어하면, 중성단 전류(Idcn)와 중성단 전압(Vdcn)을 제어할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 [수학식 15]에 의하면 중성단 전류(Idcn)는 상전압(Va, Vb, Vc)과 상전류(Ia, Ib, Ic) 사이의 곱에 의하여 결정된다.

또한, 상전압(Va, Vb, Vc)과 상전류(Ia, Ib, Ic)는 싸인파의 형태를 갖는다. 이때, 각각의 샘플링 타임(T1, T2, T3)에 최대 전압(Vmax), 중간 전압(Vmid) 및 최소 전압(Vmin)을 정할 수 있다.

예를 들어, 도 19의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 샘플링 타임(T1)에는 a상의 전압(Va)이 최대 전압(Vmax)이 되고, c상의 전압(Vc)이 중간 전압(Vmid)이 되고, b상의 전압(Vb)가 최소 전압(Vmin)이 된다. 또한, 제2 샘플링 타임(T2)에는 b상의 전압(Vb)이 최대 전압(Vmax)이 되고, a상의 전압(Va)이 중간 전압(Vmid)이 되고, c상의 전압(Vc)이 최소 전압(Vmin)이 된다. 또한, 제3 샘플링 타임(T3)에는 c상의 전압(Vc)이 최대 전압(Vmax)이 되고, b상의 전압(Vb)이 중간 전압(Vmid)이 되고, a상의 전압(Va)이 최소 전압(Vmin)이 된다.

만일, 도 19의 (a)와 같은 상전압(Va, Vb, Vc)이 출력되는 경우, 최대 전압(Vmax), 중간 전압(Vmid) 및 최소 전압(Vmin)은 도 19의 (b)에 도시된 바와 같이 결정될 수 있다.

또한, 최대 전압(Vmax)와 동일한 상(예를 들어, 제1 샘플링 타입의 a상, 제2 샘플링 타임의 b상, 제3 샘플링 타임의 c상)의 상전류를 최대 전류(Imax)로 정의하고, 중간 전압(Vmid)와 동일한 상의 상전류를 중간 전류(Imid)로 정의하고, 최소 전압(Vmin)와 동일한 상의 상전류를 최소 전류(Imin)로 정의할 수 있다.

예를 들어, 제1 샘플링 타임(T1)에는 a상의 전류(Ia)가 최대 전류(Imax)이 되고, c상의 전류(Ic)가 중간 전류(Imid)이 되고, b상의 전류(Ib)가 최소 전류(Imin)이 된다. 또한, 제2 샘플링 타임(T2)에는 b상의 전류(Ib)가 최대 전류(Imax)이 되고, a상의 전류(Ia)가 중간 전류(Imid)이 되고, c상의 전류(Ic)가 최소 전류(Imin)이 된다. 또한, 제3 샘플링 타임(T3)에는 c상의 전류(Ic)가 최대 전류(Imax)이 되고, b상의 전류(Ib)가 중간 전류(Imid)이 되고, a상의 전류(Ia)가 최소 전류(Imin)이 된다.

다시 말해, 각각의 상전압(Va, Vb, Vc)의 크기에 따라 최대 전압(Vmax), 중간 전압(Vmid) 및 최소 전압(Vmin)이 정해지고, 상전압(Va, Vb, Vc)의 크기에 따라 최대 전류(Imax), 중간 전류(Imid) 및 최소 전류(Imin)이 정해질 수 있다.

또한, 중성단 전류(Idcn)는 최대 전압(Vmax)과 최대 전류(Imax)의 곱, 중간 전압(Vmid)과 중간 전류(Imid)의 곱, 최소 전압(Vmin)과 최소 전류(Imin)의 곱 사이의 합으로 나타낼 수 있다.

이때, 각각의 상전압(Va, Vb, Vc)에 영전압(Voffset)을 부가하는 경우, 영전압(Voffset)의 크기에 따라 중성단 전류(Idcn)가 달라질 수 있다.

영전압(Voffset)의 크기에 따라 경우를 나누어 중성단 전류(Idcn)를 분석한다. 이하에서는, 영전압(Voffset)이 부가되지 않는 최대 전압, 중간 전압, 최소 전압은 각각 Vmax, Vmid, Vmin로 나타내고, 영전압(Voffset)이 부가된 최대 전압, 중간 전압, 최소 전압은 각각 Vmax1, Vmid1, Vmin1으로 나타낸다.

다시 말해, 영전압(Voffset)이 부가되지 않는 최대 전압(Vmax), 중간 전압(Vmid), 최소 전압(Vmin)과 영전압(Voffset)이 부가된 상전압(Va, Vb, Vc)의 최대 전압(Vmax1), 중간 전압(Vmid1), 최소 전압(Vmin1) 사이에는 [수학식 16]과 같은 관계가 있다.

[수학식 16]

(단, Vmax1는 영전압이 부가된 최대 전압, Vmid1는 영전압이 부가된 중간 전압, Vmin1는 영전압이 부가된 최소 전압, Vmax는 영전압이 부가되지 않은 최대 전압, Vmid는 영전압이 부가되지 않은 중간 전압, Vmin1는 영전압이 부가되지 않은 최소 전압, Voffset은 영전압을 나타낸다.)

그러나, 영전압(Voffset)이 부가되더라도 상전류는 차이가 없으므로, 최대 전류(Imax), 중간 전류(Imid) 및 최소 전류(Imin)는 변화가 없다. 또한, 상전류(Ia, Ib, Ic)의 합은 "0"이 되므로, 최대 전류(Imax), 중간 전류(Imid) 및 최소 전류(Imin)의 합 역시 "0"이 된다.

우선, -Vmin < Voffset 인 경우에 대하여 설명한다.

-Vmin < Voffset 인 경우, 영전압(Voffset)이 부가된 최대 전압(Vmax1), 중간 전압(Vmid1), 최소 전압(Vmin1)이 모두 양의 값이 된다.

그 결과, 중성단 전류(Idcn)는 [수학식 17]로 나타낼 수 있다.

[수학식 17]

(단, Vmax1는 영전압이 최대 전압, Vmid1는 영전압이 부가된 중간 전압, Vmin1는 영전압이 부가된 최소 전압, Vmax는 영전압이 부가되지 않은 최대 전압, Vmid1는 영전압이 부가되지 않은 중간 전압, Vmin1는 영전압이 부가되지 않은 최소 전압, Imax는 최대 전류, Imid는 중간 전류, Imin는 최소 전류, Voffset은 영전압을 나타낸다.)

-Vmin < Voffset 인 경우, [수학식 17]에 의하면 중성단 전류(Idcn)는 영전압(Voffset)의 크기에 무관하게 일정한 값을 갖는다.

다음으로, -Vmid < Voffset < -Vmin 인 경우에 대하여 설명한다.

-Vmid < Voffset < -Vmin 인 경우, 영전압(Voffset)이 부가된 최대 전압(Vmax1) 및 중간 전압(Vmid1)은 양의 값이고, 영전압(Voffset)이 부가된 최소 전압(Vmin1)은 음의 값이 된다.

그 결과, 중성단 전류(Idcn)는 [수학식 18]로 나타낼 수 있다.

[수학식 18]

-Vmid < Voffset < -Vmin 인 경우, [수학식 18]에 의하면 중성단 전류(Idcn)는 영전압(Voffset)의 크기에 따라 선형적으로 변화한다.

다음으로, -Vmax < Voffset < -Vmid 인 경우에 대하여 설명한다.

-Vmax < Voffset < -Vmid 인 경우, 영전압(Voffset)이 부가된 최대 전압(Vmax1)은 양의 값이고, 영전압(Voffset)이 부가된 중간 전압(Vmid1)과 최소 전압(Vmin1)은 음의 값이 된다.

그 결과, 중성단 전류(Idcn)는 [수학식 19]로 나타낼 수 있다.

[수학식 19]

-Vmax < Voffset < -Vmid 인 경우, [수학식 19]에 의하면 중성단 전류(Idcn)는 영전압(Voffset)의 크기에 따라 선형적으로 변화한다.

다음으로, Voffset < -Vmax 인 경우에 대하여 설명한다.

Voffset < -Vmax 인 경우, 영전압(Voffset)이 부가된 최대 전압(Vmax1), 중간 전압(Vmid1), 최소 전압(Vmin1)이 모두 음의 값이 된다.

그 결과, 중성단 전류(Idcn)는 [수학식 20]으로 나타낼 수 있다.

[수학식 20]

Voffset > -Vmax 인 경우, [수학식 20]에 의하면 중성단 전류(Idcn)는 영전압(Voffset)의 크기에 무관하게 일정한 값을 갖는다.

이상에서 설명한 바와 같이 중성단 전류(Idcn)는 영전압(Voffset)에 따라 변화한다. 따라서, 영전압(Voffset)를 기초로 중성단 전류(Idcn)가 산출될 수 있다.

뿐만 아니라, 중성단 전압(Vdcn)의 변화를 최소화시키기 위한 중성단 전류(Idcn)가 결정되면, 결정된 중성단 전류(Idcn)을 기초로 영전압(Voffset)이 결정될 수 있다.

또한, 중성단 전류(Idcn)는 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압(VdcH)과 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압(VdcL) 사이의 차이(ΔVdcn)를 기초로 산출될 수 있다.

이상에서 설명한 이론에 기초하면 중성단 전압 제어 모듈(230)은 도 20에 도시된 바와 같이 중성단 전류 산출기(231), 영전압 산출기(233)를 포함할 수 있다.

중성단 전류 산출기(231)는 전압 검출부(130)가 검출한 직류 전압(Vdc)과 측정된 중성단 전압(Vdcn)을 기초로 중성단 전류(Idcn)을 산출한다.

구체적으로, 중성단 전류 산출기(231)는 직류 전압(Vdc)과 중성단 전압(Vdcn)를 기초로 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압(VdcH)과 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압(VdcL) 사이의 차이(ΔVdcn)를 산출하고, 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압(VdcH)과 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압(VdcL) 사이의 차이(ΔVdcn)를 기초로 중성단 전류 지령(Idcn*)을 산출할 수 있다.

이와 같은 중성단 전류 산출기(231)는 상측 캐패시터(C7a) 양단의 전압(VdcH)과 하측 캐패시터(C7b) 양단의 전압(VdcL) 사이의 차이(ΔVdcn)를 입력으로 하고 중성단 전류 지령(Idcn*)을 출력하는 비례 제어기, 비례 적분 제어기 및 비례 적분 미분 제어기 가운데 적어도 하나를 포함할 수 있다.

영전압 산출기(233)는 모터 속도 제어 모듈(210)이 출력하는 제1 전압 지령(Vabcs*)과 중성단 전류 산출기(231)가 출력하는 중성단 전류(Idcn)를 기초로 제3 전압 지령(Vsn*) 즉 영전압(Voffset)을 산출한다.

구체적으로, 영전압 산출기(233)는 모터 속도 제어 모듈(210)의 제1 전압 지령(Vabcs*)과 전류 지령(Iabcs*)을 기초로 최대 전압(Vmax), 중간 전압(Vmin), 최소 전압(Vmin), 최대 전류(Imax), 중간 전류(Imid) 및 최소 전류(Imin)를 산출할 수 있다. 이후, 영전압 산출기(233)는 최대 전압(Vmax), 중간 전압(Vmin), 최소 전압(Vmin), 최대 전류(Imax), 중간 전류(Imid) 최소 전류(Imin) 및 중성단 전류(Idcn)를 [수학식 17] 내지 [수학식 20]에 적용하여 영전압(Voffset) 즉 제3 전압 지령(Vsn*)을 산출할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 중성단 전압 제어 모듈(230)은 중성단 전압(Vdcn)을 안정화시키는 영전압(Voffset) 즉 제3 전압 지령(Vsn*)을 산출할 수 있다.

제어 모듈(200)은 모터 속도 제어 모듈(210)이 출력하는 제1 전압 지령(Vabcs*), 직류 전압 제어 모듈(220)이 출력하는 제2 전압 지령(Vabch*), 중성단 전압 제어 모듈(230)이 출력하는 제3 전압 지령(Vsn*)를 합산하고, 합산된 제4 전압 지령(Vabsn*)을 펄스 폭 변조한다.

그 결과, 제어 모듈(200)은 모터(MO)의 회전 속도를 제어하고, 직류 전압(Vdc) 및 중성단 전압(Vdcn)을 안정화시키는 제어 신호를 구동 회로(140)에 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 모터 구동 장치(1)는 교류-직류 변환부(2), 직류 연결부(6) 및 직류-교류 변환부(100)를 포함한다. 또한, 직류 연결부(6)는 한 쌍의 소용량 필름 캐패시터(C7a, C7b)를 포함하고, 직류-교류 변환부(100)는 3레벨 인버터(110)를 포함한다.

이처럼 직류 연결부(6)에 소용량 필름 캐패시터(C7a, C7b)를 이용하면, 직류 연결부(6)가 직류-교류 변환부(100)를 안정된 직류 전압을 인가하기 어려운 것으로 알려져 있다. 더욱이, 직류-교류 변환부(100)가 3레벨 인버터(110)를 포함하므로 직류 연결부(6)는 안정된 직류 전압 뿐만 아니라 안정된 중성단 전압을 직류-교류 변환부(100)에 인가하여야 한다.

이와 같이 직류 연결부(6)가 직류-교류 변환부(100)에 안정된 직류 전압과 함께 안정된 중성단 전압을 인가하여야 하므로 모터 구동 장치(1)가 직류 전압과 중성단 전압을 모두 제어하기 곤란한 면이 있었다. 이러한 이유로 지금까지 직류 연결부(6)가 소용량 필름 캐패시터(C7a, C7b)를 포함하고 직류-교류 변환부(100)가 3레벨 인버터(110)를 포함하는 것이 시도되지 못 하였다.

그러나, 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1)는 앞서 설명한 바와 같이 직류 전압의 제어와 중성단 전압의 제어를 독립적으로 수행함으로써 직류 연결부(6)가 직류-교류 변환부(100)에 안정된 직류 전압과 안정된 중성단 전압을 제공할 수 있다.

직류 연결부(6)가 소용량 필름 캐패시터(C7a, C7b)를 포함함으로써 모터 구동 장치(1)의 내구성이 향상되고 모터 구동 장치(1)의 전체 부피를 감소시킬 수 있다. 소용량 필름 캐패시터(C7a, C7b)를 이용함으로써 모터 구동 장치(1)는 대용량의 전해 캐패시터를 충전하기 위한 초기 충전 회로를 제거할 수 있다.

또한, 직류-교류 변환부(100)가 3레벨 인버터(110)를 포함함으로써 직류-교류 변환부(100)의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.소용량 필름 캐패시터와 2레벨 인버터를 함께 사용하는 경우, 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.

캐패시터의 용량이 작으므로 모터의 구동 시에 정궤환(positive feedback) 현상이 발생할 수 있다. 정궤환 현상으로 인하여 직류 전압이 발산할 염려가 있다.

또한, 캐패시터의 용량이 작으므로 외부 전원의 인덕턴스와 캐패시터 사이의 공진 발생한다. 이러한 공진 현상으로 인하여 직류 전압이 변동하고, 전자 잡음 노이즈(Electro-Magnetic Interference, Electro-Magnetic Susceptibility, Electro-Magnetic Compatibility)가 발생한다.

특히, 펄스 폭 변조의 한 주기 내에서 직류 전압이 변동하면 전압 지령(Vabcs*)에 의하여 실제 모터(MO)에 인가되는 전압이 전압 지령(Vabcs*)과 상이해진다. 이와 같이 펄스 폭 변조의 한 주기 내에서 직류 전압이 변동하는 것을 감소시키기 위하여 펄스 폭 변조의 주파수를 증가시킬 수 있다. 그러나, 2레벨 인버터의 경우 펄스 폭 변조의 주파수 증가로 스위칭 손실이 증가한다.

이에 비하여 3레벨 인버터는 그 구조적인 특징으로 인하여 스위칭 손실이 적으므로 펄스 폭 변조의 주파수를 충분히 증가시킬 수 있다.

또한, 3레벨 인버터를 이용함으로 모터(MO)의 철손을 감소시킬 수 있다.

이상에서는 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1)의 구성 및 동작에 대하여 설명하였다.

이하에서는 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1')의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.

도 21은 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치를 도시한다.

도 21을 참조하면, 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1')는 외부 전원(ES)으로부터 인가되는 교류 전압과 교류 전류를 직류 전압과 직류 전류를 변환하는 교류-직류 변환부(2), 변환된 직류 전압과 직류 전류를 특정한 주파수의 교류 전압과 교류 전류로 변환하는 직류-교류 변환부(100), 교류-직류 변환부(2)와 직류-교류 변환부(100) 사이에 마련되어 교류-직류 변환부(2)가 출력하는 직류 전압(Vdc)을 안정화시켜 직류-교류 변환부(100)에 전달하는 직류 연결부(6), 직류-교류 변환부(100)에 저전압 직류 전력을 공급하는 직류 전원부(10)를 포함할 수 있다.

교류-직류 변환부(2), 직류-교류 변환부(100) 및 직류 연결부(6)는 앞서 설명한 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1, 도 1 참조)와 동일하다. 구체적으로, 교류-직류 변환부(2)는 전자기 간섭 필터(4, 도 3 참조), 정류 회로(3, 도 3 참조) 및 역률 개선 회로(5, 도 3 참조)를 포함하고, 직류 연결부(6, 도 1 참조)는 과전압 보호 회로(8, 도 5 참조), 평탄화 회로(7, 도 5 참조)를 포함할 수 있다. 또한, 직류-교류 변환부(100)는 3레벨 인버터(110), 전류 검출부(120), 전압 검출부(130), 구동 회로(140) 및 제어 모듈(200)을 포함할 수 있다.

직류 전원부(110)는 교류-직류 변환부(2)로부터 정류되지 않는 교류 전력을 입력받고, 직류-교류 변환부(100)에 저전압 직류 전력을 공급한다.

직류-교류 변환부(100)는 앞서 설명한 바와 같이 직류-교류 변환부(100)는 3레벨 인버터(110), 전류 검출부(120), 전압 검출부(130), 구동 회로(140) 및 제어 모듈(200)을 포함할 수 있다.

3레벨 인버터(110)는 직류 연결부(6)로부터 직접 직류 전력을 공급받는다. 예를 들어, 외부 전원(ES)이 220[V] 단상 교류 전원인 경우, 직류 연결부(6)는 3레벨 인버터(110)에 310[V] 직류 전력을 공급한다. 또한, 외부 전원(ES)이 380[V] 3상 교류 전원인 경우, 직류 연결부(6)는 3레벨 인버터(110)에 540[V] 직류 전력 공급한다.

이에 반하여, 구동 회로(140) 및 제어 모듈(200)는 직류 전원부(10)로부터 저전압 직류 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 구동 회로(140)는 직류 전원부(10)로부터 대략 12[V] 내지 18[V]의 직류 전력을 공급받고, 제어 모듈(200)는 직류 전원부(10)로부터 대략 3.3[V] 내지 5[V]의 직류 전력을 공급받을 수 있다.

이처럼, 직류 전원부(10)는 3레벨 인버터(110)를 제어하고 구동하는 구동 회로(140) 및 제어 모듈(200)에 12[V] 내지 18[V] 및 3.3[V] 내지 5[V] 등 다양한 전압의 직류 전력을 공급할 수 있다.

이하에서는 직류 전원부(10)의 구성을 설명한다.

도 22는 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치의 직류 전원부의 구성을 도시하고, 도 23a 및 도23b은 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치의 직류-직류 변환 회로의 구성을 도시한다.

도 22, 도 23a 및 도23b을 참조하면, 직류 전원부(10)는 단상 정류 회로(11), 직류 연결 회로(12), 직류-직류 변환 회로(13)를 포함할 수 있다.

단상 정류 회로(11)는 교류-직류 변환부(2)의 전자기 간섭 필터(4)로부터 교류 전력을 공급받고, 교류 전력을 정류하여 출력한다.

구체적으로, 단상 정류 회로(11)는 교류-직류 변환부(2)에 포함된 전자기 간섭 필터(4)의 R상 단자(R), T상 단자(T) 및 S상 단자(S) 가운데 어느 하나의 단자와 접지 단자(G)로부터 교류 전력을 입력받을 수 있다. 직류 전원부(10)로부터 직류 전력을 공급받는 구동 회로(140)와 제어 모듈(200)은 3레벨 인버터(110)에 비하여 적은 전력을 소비하므로 직류 전원부(10)는 R상 단자(R), T상 단자(T) 및 S상 단자(S) 가운데 어느 하나의 단자와 접지 단자(G)을 통하여 교류 전력을 공급받더라도 구동 회로(140)와 제어 모듈(200)에 충분한 직류 전력을 공급할 수 있다.

또한, 단상 정류 회로(11)는 전자기 간섭 필터(4)로부터 공급받은 교류 전압과 교류 전류를 정류하고, 전파 정류된 전압 및 전류를 출력한다. 이와 같은 단상 정류 회로(11)는 앞서 설명한 정류 회로(3, 도 3 참조)와 같이 다이오드 브리지(미도시)를 채용할 수 있다.

직류 연결 회로(12)는 단상 정류 회로(11)로부터 정류된 전압을 입력받고, 정류된 전압에 포함된 리플을 제거하여 직류 전압을 직류-직류 변환부(13)에 인가한다.

이와 같은 직류 연결 회로(12)는 정류된 전압에 포함된 리플을 제거하는 평탄화 캐패시터(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 평탄화 캐패시터는 저용량(수십 uF)의 전해 또는 필름 캐패시터를 채용할 수 있다.

직류-직류 변환부(13)는 직류 연결 회로(12)로부터 입력받는 직류 전압의 전압값을 변환하고, 다양한 전압의 직류 전력을 출력한다. 예를 들어, 직류-직류 변환부(13)는 직류 연결 회로(13)로부터 직류 전압을 입력받고, 구동 회로(140)에 12[V] 내지 18[V] 직류 전력을 공급하고 제어 모듈(200)에 3.3[V] 내지 5[V] 직류 전력을 공급할 수 있다.

이와 같은 직류-직류 변환부(13)는 직류 연결 회로(13)로부터 입력받은 직류 전력의 전압을 변경시키는 복수의 dc-dc 컨버터(Direct Current-Direct Current Converter)(미도시)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 23a에 도시된 바와 같이 직류-직류 변환부(13)는 제1 직류 단자(Vdc1)와 제1 접지 단자(GND1)를 통하여 제1 직류 전력을 출력하는 제1 컨버터(13a), 제2 직류 단자(Vdc2)와 제2 접지 단자(GND2)를 통하여 제2 직류 전력을 출력하는 제2 컨버터(13b), 제3 직류 단자(Vdc3)와 제3 접지 단자(GND3)를 통하여 제3 직류 전력을 출력하는 제3 컨버터(13c), 제4 직류 단자(Vdc4)와 제4 접지 단자(GND4)를 통하여 제4 직류 전력을 출력하는 제4 컨버터(13d), 제5 직류 단자(Vdc5)와 제5 접지 단자(GND5)를 통하여 제1 직류 전력을 출력하는 제5 컨버터(13e), 제6 직류 단자(Vdc6)와 제6 접지 단자(GND6)를 통하여 제6 직류 전력을 출력하는 제6 컨버터(13f)를 포함할 수 있다.

또한, 제1 내지 제5 컨버터(13a~13e)는 12[V] 내지 18[V]의 직류 전력을 출력할 수 있으며, 제1 내지 제5 컨버터(13a~13e)가 출력하는 직류 전력은 구동 회로(140)에 공급될 수 있다. 또한, 제6 컨버터(13f)는 3.3[V] 내지 5[V]의 직류 전력을 출력할 수 있으며, 제6 컨버터(13f)가 출력하는 직류 전력은 제어 모듈(200)에 공급될 수 있다.

또한, 각각의 dc-dc 컨버터는 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter), 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter), 플라이백 컨버터(flyback converter) 등을 채용할 수 있다.

다른 예로, 도 23a에 도시된 바와 같이 직류-직류 변환부(13)는 다중 출력 플라이백 컨버터(multi-output Flyback converter)를 채용할 수 있다. 다중 출력 플라이백 컨버터는 단일의 1차 코일(L13a)과 복수의 2차 코일(L13b, L13c, L13d, L13e, L13f, L13g)을 포함할 수 있다.

1차 코일(L13a)의 턴수와 복수의 2차 코일(L13b, L13c, L13d, L13e, L13f, L13g)의 턴수의 비율에 따라 다중 출력 플라이백 컨버터는 서로 다른 전압을 출력할 수 있다.이상에서 설명한 바와 같이 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1')는 교류-직류 변환부(2), 직류 연결부(6), 직류-교류 변환부(100)와 함께 직류 전원부(10)를 더 포함하며, 직류 전원부(10)는 직류-교류 변환부(100)에 포함된 구동 회로(140) 및 제어 모듈(200)에 저전압 직류 전력을 공급한다.

이하에서는 직류 전원부(10)가 구동 회로(140)에 12[V] 내지 18[V] 직류 전력을 공급하는 것에 대하여 설명한다.

도 24은 다른 일 실시예에 모터 구동 장치의 3레벨 인버터에 포함된 스위칭 소자를 구동 회로의 직류 전력 공급에 따라 분류한 도면이고, 도 25, 도 26 및 도 27는 다른 일 실시예 모터 구동 장치의 구동 회로에 공급되는 전력을 도시한다.

도 24에 도시된 바와 같이 구동 회로(140)에 포함된 복수의 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d) 각각은 3레벨 인버터(110)에 포함된 복수의 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)에 구동 신호를 제공한다. 또한, 직류 전원부(10)는 복수의 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d) 각각에 12[V] 내지 18[V]의 직류 전력을 공급할 수 있다.

특히, 복수의 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 개폐하는 구동 신호는 복수의 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)의 게이트(G11~G14, G21~G24, G31~G34)와 에미터(E11~E14, E21~E24, E31~E34) 사이의 전압으로 인가된다.

에미터(E11~E14, E21~E24, E31~E34)의 전위가 구동 신호의 기준점이 된다. 다시 말해, 게이트(G11~G14, G21~G24, G31~G34)에 에미터(E11~E14, E21~E24, E31~E34)와 동일한 전압이 인가되면 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)는 오프된다. 또한, 게이트(G11~G14, G21~G24, G31~G34)에 에미터(E11~E14, E21~E24, E31~E34)를 기준으로 12[V] 내지 18[V]의 전압이 인가되면 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)는 온된다.

따라서, 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 턴온 또는 턴오프시키기 위하여 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d)는 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)의 에미터(E11~E14, E21~E24, E31~E34)를 기준으로 12[V] 내지 18[V]의 구동 신호를 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)의 게이트(G11~G14, G21~G24, G31~G34)에 제공하여야 한다.

이때, 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d)가 출력하는 구동 신호의 기준 전위가 상이하므로 직류 전원부(10)는 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d) 각각에 직류 전력을 공급하는 것이 일반적이다.

그러나, 직류 전원부(10)가 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d) 각각에 직류 전력을 공급하면 회로의 크기가 커지고, 소비 전력이 증가한다.

이를 보완하기 위하기 다른 일 실시예에 의한 모터 구동 장치(1')에 포함되는 직류 전원부(10)는 에미터(E11~E14, E21~E24, E31~E34)가 서로 연결되는 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 복수의 그룹으로 분류할 수 있다.

예를 들어, 도 23에 도시된 바에 의하면, 제1 상측 스위칭 소자(Q11)의 에미터 단자(E11)와 제1 우측 스위칭 소자(Q13)의 에미터 단자(E13)는 서로 연결된다. 따라서, 제1 상측 스위칭 소자(Q11)와 제1 우측 스위칭 소자(Q13)는 제1 그룹(G1)으로 분류할 수 있다. 또한, 제1 그룹(G1)에 속하는 제1 상측 스위치 소자(Q11)와 제1 우측 스위칭 소자(Q13)에 구동 신호를 제공하는 제1 상측 게이트 드라이버(141a)와 제1 우측 게이트 드라이버(141c)도 제1 그룹(G1)으로 분류할 수 있다.

또한, 제2 상측 스위칭 소자(Q21)의 에미터 단자(E21)와 제2 우측 스위칭 소자(Q23)의 에미터 단자(E23)는 서로 연결된다. 따라서, 제2 상측 스위칭 소자(Q21)와 제2 우측 스위칭 소자(Q23)는 제2 그룹(G2)으로 분류할 수 있다. 또한, 제2 그룹(G2)에 속하는 제2 상측 스위치 소자(Q21)와 제2 우측 스위칭 소자(Q23)에 구동 신호를 제공하는 제2 상측 게이트 드라이버(142a)와 제1 우측 게이트 드라이버(142c)도 제2 그룹(G2)으로 분류할 수 있다.

또한, 제3 상측 스위칭 소자(Q31)의 에미터 단자(E31)와 제3 우측 스위칭 소자(Q33)의 에미터 단자(E33)는 서로 연결된다. 따라서, 제3 상측 스위칭 소자(Q31)와 제3 우측 스위칭 소자(Q33)는 제3 그룹(G3)으로 분류할 수 있다. 또한, 제3 그룹에 속하는 제3 상측 스위치 소자(Q31)와 제3 우측 스위칭 소자(Q33)에 구동 신호를 제공하는 제3 상측 게이트 드라이버(143a)와 제3 우측 게이트 드라이버(143c)도 제3 그룹(G3)으로 분류할 수 있다.

또한, 제1 하측 스위칭 소자(Q12)의 에미터(E12), 제2 하측 스위칭 소자(Q22)의 에미터(E22) 및 제3 하측 스위칭 소자(Q32)의 에미터(E32)는 서로 연결된다. 따라서, 제1 하측 스위칭 소자(Q12), 제2 하측 스위칭 소자(Q22) 및 제3 하측 스위칭 소자(Q32)는 제4 그룹(G4)으로 분류할 수 있다. 또한, 제4 그룹(G4)에 속하는 제1 하측 스위칭 소자(Q12), 제2 하측 스위칭 소자(Q22) 및 제3 하측 스위칭 소자(Q32)에 구동 신호를 제공하는 제1 하측 게이트 드라이버(141b), 제2 하측 게이트 드라이버(142b) 및 제3 하측 게이트 드라이버(143b)도 제4 그룹(G4)으로 분류할 수 있다.

또한, 제1 좌측 스위칭 소자(Q14)의 에미터(E14), 제2 좌측 스위칭 소자(Q24)의 에미터(E24) 및 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)의 에미터(E34)는 서로 연결된다. 따라서, 제1 좌측 스위칭 소자(Q14), 제2 좌측 스위칭 소자(Q24) 및 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)는 제5 그룹(G4)으로 분류할 수 있다. 또한, 제5 그룹(G5)에 속하는 제1 좌측 스위칭 소자(Q14), 제2 좌측 스위칭 소자(Q24) 및 제3 좌측 스위칭 소자(Q34)에 구동 신호를 제공하는 제1 좌측 게이트 드라이버(141d), 제2 좌측 게이트 드라이버(142d) 및 제3 좌측 게이트 드라이버(143d)도 제5 그룹(G5)으로 분류할 수 있다.

또한, 직류 전원부(10)는 제1 내지 제5 그룹(G1~G5) 각각에 구동 신호를 공급하는 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d)에 제1 내지 제5 직류 전력을 공급할 수 있다.

예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이 직류 전원부(10)는 제1 그룹(G1)에 속하는 제1 상측 게이트 드라이버(141a)와 제1 우측 게이트 드라이버(141c)에 제1 직류 전력을 공급할 수 있다. 다시 말해, 제1 상측 게이트 드라이버(141a)와 제1 우측 게이트 드라이버(141c)는 제1 직류 단자(Vdc1)와 제1 접지 단자(GND1)를 통하여 직류 전력을 공급받을 수 있다.

또한, 도 26에 도시된 바와 같이 직류 전원부(10)는 제2 그룹(G2)에 속하는 제2 상측 게이트 드라이버(142a)와 제2 우측 게이트 드라이버(142c)에 제2 직류 전력을 공급할 수 있다. 다시 말해, 제2 상측 게이트 드라이버(142a)와 제2 우측 게이트 드라이버(142c)는 제2 직류 단자(Vdc2)와 제2 접지 단자(GND2)를 통하여 직류 전력을 공급받을 수 있다.

또한, 도 27에 도시된 바와 같이 직류 전원부(10)는 제3 그룹(G3)에 속하는 제3 상측 게이트 드라이버(143a)와 제3 우측 게이트 드라이버(143c)에 제3 직류 전력을 공급할 수 있다. 다시 말해, 제3 상측 게이트 드라이버(143a)와 제3 우측 게이트 드라이버(143c)는 제3 직류 단자(Vdc3)와 제3 접지 단자(GND3)를 통하여 직류 전력을 공급받을 수 있다.

또한, 도 25 내지 도 27에 도시된 바와 같이 직류 전원부(10)는 제4 그룹(G4)에 속하는 제1 하측 게이트 드라이버(141b), 제2 하측 게이트 드라이버(142b) 및 제3 하측 게이트 드라이버(143b)에 제4 직류 전력을 공급할 수 있다. 다시 말해, 제1 하측 게이트 드라이버(141b), 제2 하측 게이트 드라이버(142b) 및 제3 하측 게이트 드라이버(143b)는 제4 직류 단자(Vdc4)와 제4 접지 단자(GND4)를 통하여 직류 전력을 공급받을 수 있다.

또한, 도 24 내지 도 26에 도시된 바와 같이 직류 전원부(10)는 제5 그룹(G5)에 속하는 제1 좌측 게이트 드라이버(141d), 제2 좌측 게이트 드라이버(142d) 및 제3 좌측 게이트 드라이버(143d)에 제5 직류 전력을 공급할 수 있다. 다시 말해, 제1 좌측 게이트 드라이버(141d), 제2 좌측 게이트 드라이버(142d) 및 제3 좌측 게이트 드라이버(143d)는 제5 직류 단자(Vdc5)와 제5 접지 단자(GND5)를 통하여 직류 전력을 공급받을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 에미터 단자(E11~E14, E21~E24, E31~E34)가 서로 연결되는지에 따라 스위칭 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)를 복수의 그룹(G1~G5)으로 분류하고, 직류 전원부(10)는 각각의 그룹(G1~G5)에 속하는 스위치 소자(Q11~Q14, Q21~Q24, Q31~Q34)에 구동 신호를 제공하는 게이트 드라이버(141a~141d, 142a~142d, 143a~143d) 각각에 제1 내지 제5 직류 전력을 공급할 수 있다.

그 결과, 직류 전원부(10)에 포함되는 dc-dc 컨버터(13a~13f)의 개수를 감소시키고, 직류 전원부(10)를 구현하는 회로의 면적을 감소시킬 수 있다.

이상에서는 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명으로부터 개별적으로 이해될 수 없다.

1: 모터 구동 장치 2: 교류-직류 변환부
3: 정류 회로 4: 전자기 간섭 필터
5: 역률 개선 회로 6: 직류 연결부
7: 평탄화 회로 8: 과전압 보호 회로
10: 직류 전원부 11: 단상 정류 회로
12: 직류 연결 회로 13: 직류-직류 변환 회로
100: 직류-교류 변환부 110: 3레벨 인버터
120: 전류 검출부 130: 전압 검출부
140: 구동 회로 200: 제어 모듈
210: 모터 속도 제어 모듈 220: 직류 전압 제어 모듈
230: 중성단 전압 제어 모듈 240: 덧셈기
250: 펄스 변조기 260: 전압 제한기

Claims

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외부 교류 전원으로부터 공급받은 교류 전력을 정류하는 교류-직류 변환부;
상기 교류-직류 변환부에 의하여 정류된 전압을 안정화시키는 직류 연결부;
상기 직류 연결부로부터 직류 전압을 이용하여 모터에 교류 전력을 공급하는 직류-교류 변환부를 포함하고,
상기 직류 연결부는 상기 정류된 전압의 리플을 제거하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 제1 필름 캐패시터 및 제2 필름 캐패시터를 포함하고, 상기 제1 필름 캐패시터 및 상기 제2 필름 캐패시터 사이의 직류 전압과 상기 제2 필름 캐패시터 양단 사이의 중성단 전압을 출력하고,
상기 직류-교류 변환부는 상기 제1 필름 캐패시터 및 제2 필름 캐패시터로부터 직류 전압을 이용하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 3레벨 인버터와 상기 모터에 공급되는 교류 전력, 상기 직류 전압 및 상기 중성단 전압을 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
상기 제어 모듈은,
상기 모터가 외부 장치로부터 입력된 목표 속도로 회전하도록 상기 3레벨 인버터는 제어하는 모터 속도 제어 모듈;
상기 직류 전압이 안정화되도록 상기 3레벨 인버터를 제어하는 직류 전압 제어 모듈;
상기 중성단 전압이 안정화되도록 상기 3레벨 인버터를 제어하는 중성단 전압 제어 모듈을 포함하는 모터 구동 장치.
제4항에 있어서,
상기 모터 속도 제어 모듈은 상기 외부 장치로부터 입력되는 목표 속도, 상기 3레벨 인버터가 출력하는 구동 전류에 따라 상기 3레벨 인버터를 제어하는 전압 지령을 출력하는 모터 구동 장치.
제5항에 있어서,
상기 모터 속도 제어 모듈은,
상기 목표 속도와 상기 모터의 회전 속도의 차이를 기초로 전류 지령을 산출하는 속도 제어기;
상기 전류 지령과 상기 구동 전류 사이의 차이를 기초로 상기 전압 지령을 산출하는 전류 제어기를 포함하는 모터 구동 장치.
제5항에 있어서,
상기 직류 전압 제어 모듈은 상기 직류 전압과 상기 전압 지령을 기초로 상기 직류 전압의 발산을 방지하는 억제 전압(damping voltage)을 출력하는 모터 구동 장치.
제7항에 있어서,
상기 직류 전압 제어 모듈은, 상기 외부 교류 전원으로부터 인가된 전압의 평균값과 상기 직류 전압 사이의 차이를 기초로 상기 억제 전압을 산출하는 모터 구동 장치.
제5항에 있어서,
상기 중성단 전압 제어 모듈은 상기 직류 전압, 상기 중성단 전압, 상기 전압 지령 및 전류 지령을 기초로 상기 중성단 전압을 맥동을 감소시키는 영전압(zero-sequence voltage)을 출력하는 모터 구동 장치.
제9항에 있어서,
상기 중성단 전압 제어 모듈은
상기 직류 전압 및 상기 중성단 전압을 기초로 중성단 전류를 산출하는 중성단 전류 산출기;
상기 전류 지령, 상기 중성단 전류 및 상기 전압 지령을 기초로 상기 중성단 전압을 안정시키는 영전압을 산출하는 영전압 산출기를 포함하는 모터 구동 장치.
외부 교류 전원으로부터 공급받은 교류 전력을 정류하는 교류-직류 변환부;
상기 교류-직류 변환부에 의하여 정류된 전압을 안정화시키는 직류 연결부;
상기 직류 연결부로부터 직류 전압을 이용하여 모터에 교류 전력을 공급하는 직류-교류 변환부를 포함하고,
상기 직류 연결부는 상기 정류된 전압의 리플을 제거하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 제1 필름 캐패시터 및 제2 필름 캐패시터를 포함하고,
상기 직류-교류 변환부는 상기 제1 필름 캐패시터 및 제2 필름 캐패시터로부터 직류 전압을 이용하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 3레벨 인버터를 포함하고,
상기 3레벨 인버터는,
상기 제1 필름 캐패시터와 상기 제2 필름 캐패시터의 양단으로부터 상기 직류 전압을 인가받고, U상 단자, V상 단자 및 W상 단자를 통하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 6-스위치 인버터 모듈;
상기 제1 필름 캐패시터와 상기 제2 필름 캐패시터가 연결되는 중성단으로부터 중성단 전압을 인가받고, U상 단자, V상 단자 및 W상 단자를 통하여 상기 모터에 교류 전력을 공급하는 중성단 스위치 모듈을 포함하고,
상기 6-스위치 인버터 모듈과 중성단 스위치 모듈은 별도로 마련되는 모터 구동 장치.
제11항에 있어서,
상기 6 스위치 인버터 모듈은,
상기 제1 필름 캐패시터와 연결되는 3개의 상측 스위칭 소자와 상기 제2 필름 캐패시터와 연결되는 3개의 하측 스위칭 소자를 포함하고,
상기 3개의 상측 스위칭 소자와 상기 3개의 하측 스위칭 소자는 각각 직렬 연결되고, 상기 3개의 상측 스위칭 소자와 상기 3개의 하측 스위칭 소자가 직렬 연결되는 출력 노드는 상기 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자와 각각 연결되는 모터 구동 장치.
제11항에 있어서,
상기 중성단 스위치 모듈은
상기 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자 각각과 상기 중성단 사이에 마련되는 3쌍의 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치.
◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제11항에 있어서,
상기 6-스위치 인버터 모듈과 상기 중성단 스위치 모듈은 별도의 칩으로 구성되는 모터 구동 장치.
◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제11항에 있어서,
상기 6-스위치 인버터 모듈과 상기 중성단 스위치 모듈은 단일의 칩으로 구성되는 모터 구동 장치.
◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제11항에 있어서,
상기 6-스위치 인버터 모듈의 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자와 상기 중성단 스위치 모듈의 U상 단자, V상 단자 및 W상 단자 각각 연결되는 모터 구동 장치.
◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제4항에 있어서,
상기 직류-교류 변환부는 상기 제어 모듈로부터 제어 신호를 입력받고, 상기 3레벨 인버터를 구동하는 구동 회로를 더 포함하고,
상기 구동 회로는 상기 3레벨 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자 각각에 구동 신호를 제공하는 복수의 게이트 드라이버를 포함하는 모터 구동 장치.
◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제17항에 있어서,
상기 제어 모듈과 상기 구동 회로에 직류 전력을 공급하는 직류 전원부를 더 포함하는 모터 구동 장치.
◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제18항에 있어서,
상기 직류 전원부는,
상기 교류 전력을 정류하는 단상 정류 회로;
상기 단상 정류 회로에 의하여 정류된 전압을 안정화시키는 직류 연결 회로;
상기 직류 연결 회로부터 인가된 직류 전압의 전압값을 변경하여 상기 복수의 게이트 드라이버 각각에 전압값이 변경된 직류 전력을 인가하는 직류-직류 변환 회로를 포함하는 모터 구동 장치.
◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제18항에 있어서,
상기 복수의 스위칭 소자와 상기 복수의 게이트 드라이버는 스위칭 소자의 에미터 단자가 서로 연결되는지에 따라 복수의 그룹으로 구분되는 모터 구동 장치.
◈청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제20항에 있어서,
상기 직류 전원부는 상기 복수의 그룹에 속하는 게이트 드라이버 각각에 독립된 직류 전력을 공급하는 모터 구동 장치.