KR102612829B1 - 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 구동부와, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부를 구비한다. 이에 따라, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.

Description

전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량{Power converting device, and vehicle including the same}
본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다.
전기를 동력으로 하는 전기 차량이나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 차량 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있다.
한편, 모터 구동을 위해, 교류 전원을 모터로 구동하는 전력변환장치가 필요하다.
한편 전력변환장치는 복수의 스위칭 소자를 구비하는 인버터 등을 구비하며, 스위칭 소자의 스위칭시 스위칭 손실이 발생한다. 이러한 스위칭 손실을 저감하려면, 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결되는 게이트 저항의 저항값을 작게 하면 해결한다.
그러나, 게이트 저항을 작게 하면, 기생 인덕턴스에 의한 전압의 영향으로 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 전압 서지(surge)에 따라, 스위치 소자의 파괴와, 드레인 전류의 전류 서지로 인한 과도한 열이 발생하게 된다.
이 문제를 해결하기 위해, 일본 공개특허공보 특개2007-228769호에서는, 전력변환장치 내의 스위칭 소자의 소스에 인덕턴스가 배치되고, 인덕턴스 전압 검출부를 통해, 인덕턴스에서 발생하는 전압을 측정하여 그 측정 결과로부터, 스위칭 소자의 게이트 단자에 배치되는 게이트 저항을 가변하는 것이 개시된다.
그러나, 스위칭 속도가 고속인 경우, 상기의 인덕턴스 전압 검출이 용이하지 않다는 단점이 있다.
특히, MOS 또는 HEMT 구조의 고속 스위칭 가능한 스위칭 소자를 이용하는 경우, 검출 전압의 오차가 상당히 커지게 된다.
본 발명의 목적은, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있는 액티브 게이트 기반의 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압을 이용하여 게이트 저항의 가변 타이밍을 결정할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자와, 스위칭 소자의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부와, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부를 구비한다.
한편, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이 임계치 이상인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되고, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이 임계치 미만 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부를 더 포함할 수 있다.
한편, 게이트 저항 가변부는, 스위칭 소자의 드레인 전류의 피크 시점 이전인 제1 시점에, 게이트 저항값을 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가시키며, 스위칭 소자의 드레인 전류의 피크 시점 이후인 제2 시점에, 게이트 저항값을 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소시킬 수 있다.
한편, 게이트 저항 가변부는, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 피크 시점 이전인 제3 시점에, 게이트 저항값을 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가시키며, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 피크 시점 이후인 제4 시점에, 게이트 저항값을 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소시킬 수 있다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자에 직렬 접속되는 하암 스위칭 소자와, 하암 스위칭 소자의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 제2 게이트 구동부와, 하암 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 제2 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 하암 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 제2 게이트 저항 가변부를 더 구비할 수 있다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자 주변의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 온도 검출부에서 검출된 온도가 임계 온도 미만인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 검출된 온도가 임계 온도 이상인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부를 더 포함할 수 있다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자의 소스 전류를 검출하는 전류 검출부와, 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨이 제2 임계치 이상인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨이 제2 임계치 미만인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부를 더 포함할 수 있다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터를 더 포함하며, 스위칭 소자는, 인버터 내의 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 출력 전류 검출부에서 검출되는 출력 전류에 기초하여, 토크 지령치를 연산하며, 토크 지령치에 기초하여, 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 구동부와, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부를 구비한다. 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다. 이에 따라, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
특히, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압을 이용하여 게이트 저항의 가변 타이밍을 결정할 수 있게 되므로, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이 임계치 이상인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되고, 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이 임계치 미만 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압을 이용하여 게이트 저항의 가변 타이밍을 결정할 수 있게 되므로, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 게이트 저항 가변부는, 스위칭 소자의 드레인 전류의 피크 시점 이전인 제1 시점에, 게이트 저항값을 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가시키며, 스위칭 소자의 드레인 전류의 피크 시점 이후인 제2 시점에, 게이트 저항값을 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 드레인 전류의 오버슈트(overshoot) 전류 피크를 억제할 수 있으며, 그 이후, 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있다.
한편, 게이트 저항 가변부는, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 피크 시점 이전인 제3 시점에, 게이트 저항값을 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가시키며, 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 피크 시점 이후인 제4 시점에, 게이트 저항값을 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 레인 - 소스 전압의 오버슈트(overshoot) 전압 피크를 억제할 수 있으며, 그 이후, 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자에 직렬 접속되는 하암 스위칭 소자와, 하암 스위칭 소자의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 제2 게이트 구동부와, 하암 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 제2 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 하암 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 제2 게이트 저항 가변부를 더 구비할 수 있다. 이에 따라, 하암 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자 주변의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 온도 검출부에서 검출된 온도가 임계 온도 미만인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 검출된 온도가 임계 온도 이상인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 검출된 온도 정보에 기초하여 액티브 게이트 모드를 선택적으로 수행할 수 있게 되어, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
한편, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 스위칭 소자의 소스 전류를 검출하는 전류 검출부와, 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨이 제2 임계치 이상인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨이 제2 임계치 미만인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 소스 전류의 레벨에 기초하여 액티브 게이트 모드를 선택적으로 수행할 수 있게 되어, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 일예이다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도 7은 도 6의 설명에 참조되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도 10은 도 8 또는 도 9의 설명에 참조되는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도 12는 도 11의 설명에 참조되는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도 14는 도 13의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량(100)은, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165), 차체의 경사각을 검출하는 경사각 검출부(190)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 기초하여, 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
경사각 검출부(190)는, 차체의 경사각을 검출하며, 검출된 경사각은 후술하는 전자 제어부(410)에 입력된다. 경사각 검출부(190)는, 자이로 센서 또는 수평 게이지 센서 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도면에서는 경사각 검출부(190)가 배터리(205) 상에 배치되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 앞바퀴(150), 뒷바퀴(155) 또는 앞바퀴(150)와 뒷바퀴(155) 모두에 배치될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 인버터 제어부(250)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류전원을 공급한다.
도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상 출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 3 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류전원을 인가 받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 기초하여, 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 기초하여, 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 차량(100)이 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 차량(100)을 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 차량(100)은, 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 차량(100)의 경사각 검출하는 경사각 검출부(미도시), 차량(100)의 속도를 검출하는 속도 검출부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 검출부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 검출부(미도시) 등으로부터의 검출 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치치는, 예를 들어, 토크 지령치치 또는 토크 지령치치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량(100)은, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다. 이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다. 한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예 따른 모터 구동 시스템(10)은, 차량(100)과, 서버(500)를 구비할 수 있다.
여기서, 서버(500)는, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 제조사가 운영하는 서버이거나, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 운전자의 이동 단말기 등에 대응할 수 있다.
한편, 차량(100)은, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 제어부(170), 모터 구동부(200)를 구비할 수 있다.
입력부(120)는, 조작 버튼, 키 등을 구비하며, 차량(100)의 전원 온/오프, 동작 설정 등을 위한 입력 신호를 출력할 수 있다.
통신부(130)는, 주변 기기, 예를 들어, 서버(500)와, 유선 또는 무선으로 데이터를 교환하거나, 원격지의 서버 등과, 무선으로 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 4G 또는 5G 등의 이동 통신, 적외선(IR) 통신, RF 통신, 블루투스 통신, 지그비 통신, WiFi 통신 등을 수행할 수 있다.
한편, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 구동부(200)의 동작시의 동작 시간, 동작 모드 등에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 소비 전력 정보, 추천 운전 정보, 현재 운전 정보, 관리 정보를 포함하는 관리 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 동작 정보, 운전 정보, 에러 정보를 포함하는 진단 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170)는, 차량(100) 내의 각 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 구동부(200) 등을 제어할 수 있다.
모터 구동부(200)는, 모터(250)를 구동하기 위해, 구동부로서, 모터 구동장치라 명명될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)를 검출하는 출력 전류 검출부(E)와, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
한편, 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)는, 외부의 서버(500)로 전송될 수 있으며, 서버(500)로부터 전류 지령치(i*d,i*q)를 수신할 수도 있다. 그리고, 통신부(130)로부터 수신되는 전류 지령치에 기초하여, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력할 수도 있다.
이에 따라, 서버(500)에서 실시간으로 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치에 기초하여 모터(250)를 구동할 수 있게 된다. 따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200) 내의 통신부(130)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 관한 전압 정보를 서버(500)로 전송할 수 있다. 이에 따라, 다양한 조건 하의 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)의 상세한 동작에 대해서는, 도 3을 참조하여 기술한다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 모터(250)를 구동하기 위한 구동장치로서, 복수의 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다, 또한, 인버터 제어부(430)에 각종 저장된 데이터를 제공하는 메모리(270)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B), 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(E)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 모터(250)는, 인버터(420)에 의해 구동되는 3상 모터일 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 실시간으로 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)를 연산하고, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B)를 더 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420), 인버터 제어부(430), 출력전류 검출부(E), dc단 전압 검출부(Vdc), 위치 검출 센서(105)를 포함할 수 있다.
dc단 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, dc단 커패시터(C)에 공급되는 입력 전원은, 배터리(205)에 저장된 전원 또는 컨버터(미도시)에서 레벨 변환된 전원일 수 있다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)의 온/오프 동작에 의해 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(Va,Vb,Vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)의 각 게이트 단자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 게이트 구동 신호라 명명할 수도 있다.
한편, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 삼상 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a, b, c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터(250)는, 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)를 위주로 기술한다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 5의 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(320)로부터, 검출되는 출력 전류(io)를 입력받고, 위치 검출 센서(105)로부터 모터(250)의 회전자 위치 정보(θ)를 수신할 수 있다.
위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 자극 위치(θ)를 검출할 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
이를 위해, 위치 검출 센서(105)는, 인코더(encoder)나 리졸버(resolver) 등을 포함할 수 있다.
다음의 설명에서 사용 좌표계와 좌표축에 대해 여기에서 정의한다.
αβ 좌표계는, 고정축인 α와 β 축을 축으로 하는 이차원 고정 좌표계이다. α 및 β 축은 서로 직교하며, β 축은 α 축으로부터 전기각 90˚ 만큼 앞선다.
dq 좌표계는 회전축인 d와 q축 축으로 하는 이차원 회전 좌표계이다. 모터(250)의 영구 자석이 만드는 자속의 회전 속도와 같은 속도로 회전하는 회전 좌표계에서 영구 자석이 만드는 자속의 방향에 따른 축이 d축이며, d축에서 전기각 90˚ 위상이 앞선 축이 q축이다.
도 5를 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 속도 연산부(320), 축변환부(310), 토크 연산부(325), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치()를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치()에 기초하여, 연산된 속도()를 출력할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 토크 연산부(325)는, 연산된 속도()에 기초하여, 현재의 토크(T)를 연산할 수 있다
인버터 제어부(430) 내의 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i*d,i*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i*q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(V*q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i*d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(V*d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(V*d)의 값은, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치()와, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치()가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
한편, 도 3 내지 도 5의 인버터의 스위칭 소자의 스위칭시 스위칭 손실이 발생한다. 이러한 스위칭 손실을 저감하려면, 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결되는 게이트 저항의 저항값을 작게 하면 해결한다.
그러나, 게이트 저항을 작게 하면, 기생 인덕턴스에 의한 전압의 영향으로 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 전압 서지(surge)에 따라, 스위치 소자의 파괴와, 드레인 전류의 전류 서지로 인한 과도한 열이 발생하게 된다.
이에 따라, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있는 액티브 게이트 기반하에, 스위칭 소자를 구동하는 것이 바람직하다. 이하에서는, 스위칭 소자의 구동을 위한 전력변환장치에 대해 설명한다.
한편, 이하에서 기술하는 전력변환장치는, 모터 구동장치의 내부에 포함되는 개념이거나 또는 모터 구동장치에 대응하는 개념일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이고, 도 7은 도 6의 설명에 참조되는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(600)는, 스위칭 소자(SW)와, 스위칭 소자(SW)의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부(612)와, 스위칭 소자(SW)의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부(615)와, 전압 검출부(615)에서 검출된 전압에 기초하여, 스위칭 소자(SW)의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부(613)를 구비할 수 있다.
한편, 스위칭 소자(SW)에는, 다이오드 소자(DD)가 병렬로 접속된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(600)는, 게이트 구동부(612)를 제어하는 제어부(611)와, 전압 검출부(615)에서 검출된 전압에 기초하여 전압을 판정하는 전압 판정부(614)를 더 구비할 수 있다.
한편, 도 7의 (a)는, 제어부(611)의 출력 신호 파형(Wa1)을 나타내며, 도 7의 (b)는, 게이트 저항값의 파형(Wa2)을 나타내며, 도 7의 (c)는, 스위칭 소자(SW)의 게이트 - 소스 간의 전압 파형(Wa3)을 나타내며, 도 7의 (d)는, 드레인 전류 파형(Wa4)과, 드레인 - 소스 간의 전압 파형(Wa5)을 나타낸다.
도 6의 제어부(611)의 출력 신호가 게이트 구동부(612)에 입력되면, 게이트 저항 가변부(613)의 게이트 저항을 통해, 전력변환장치(600)에 게이트 구동 전압이 인가되어, 스위칭 소자(SW)의 드레인 - 소스가 단락된다. 이때, 스위칭 소자(SW)에 병렬로 연결된 다이오드 소자(DD)에 환류 전류가 흐를 수 있다.
한편, 스위칭 소자(SW)의 드레인 - 소스 전압을 단락시키는 게이트 온 동작 동안 또는 드레인 - 소스 전압을 개방시키는 게이트 오프 동작 동안, 전압 검출부(615는, 스위칭 소자(SW)의 드레인 - 소스 전압을 검출할 수 있다.
전압 판정부(614)는, 전압 검출부(615)에서 검출된 전압이, 임의로 설정한 전압에 도달하는 경우, 게이트 저항 가변부(613)의 게이트 저항을 가변하도록 제어할 수 있다.
한편, 전압 판정부(614)의 동작 설명을 위해, 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 전압 판정부(614)는, 게이트 온 구간 중 임의로 설정된 제1 시점(ta1)과 제2 시점(ta2)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613)는, 제1 시점(ta1)과 제2 시점(ta2) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
특히, 게이트 저항 가변부(613)는, 도 7의 (d)와 같이, 드레인 전류가 피크가 되기 전인, 제1 시점(ta1)에 게이트 저항값이 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되도록 가변하고, 드레인 전류가 피크된 이후인 제2 시점(ta2)에 게이트 저항값이 다시 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소되도록 가변할 수 있다.
도 7의 (b)와 같이, 제1 시점(ta1)과 제2 시점(ta2) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가하도록 하면, 도 7의 (d)와 같이, 드레인 전류의 오버슈트(overshoot) 전류 피크를 억제할 수 있으며, 그 이후, 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있다.
한편, 전압 판정부(614)가, 게이트 오프 구간 중 임의로 설정된 제3 시점(ta3)과 제4 시점(ta4)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613)는, 제3 시점(ta3)과 제4 시점(ta4) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
특히, 게이트 저항 가변부(613)는, 도 7의 (d)와 같이, 드레인 - 소스 전압이 피크가 되기 전인, 제3 시점(ta3)에 게이트 저항값이 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되도록 가변하고, 드레인 - 소스 전압이 피크된 이후인 제4 시점(ta4)에 게이트 저항값이 제2 레벨에서 제1 레벨로 다시 감소되도록 가변할 수 있다.
도 7의 (b)와 같이, 제3 시점(ta3)과 제4 시점(ta4) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가하도록 하면, 도 7의 (d)와 같이, 드레인 - 소스 전압의 오버슈트(overshoot) 전압 피크를 억제할 수 있으며, 그 이후, 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치(600b)는, 도 6의 전력변환장치(600)와 달리, 서로 직렬 접속되는 상암 스위칭 소자(SWa), 하암 스위칭 소자(SWb)를 구비한다.
즉, 전력변환장치(600a)는, 상암 스위칭 소자(SWa)와, 상암 스위칭 소자(SWa)의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부(612a)와, 상암 스위칭 소자(SWa)의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부(615a)와, 전압 검출부(615a)에서 검출된 전압에 기초하여, 상암 스위칭 소자(SWa)의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부(613a)를 구비할 수 있다.
한편, 상암 스위칭 소자(SWa)에는, 상암 다이오드 소자(DDa)가 병렬로 접속된다.
또한, 전력변환장치(600a)는, 하암 스위칭 소자(SWb)와, 하암 스위칭 소자(SWb)의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부(612b)와, 하암 스위칭 소자(SWb)의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부(615b)와, 전압 검출부(615b)에서 검출된 전압에 기초하여, 하암 스위칭 소자(SWb)의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부(613b)를 구비할 수 있다.
한편, 하암 스위칭 소자(SWb)에는, 하암 다이오드 소자(DDb)가 병렬로 접속된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(600b)는, 게이트 구동부(612a),게이트 구동부(612b)를 각각 제어하는 제어부(611a), 제어부(611b)와, 전압 검출부(615a), 전압 검출부(615b)에서 각각 검출된 전압에 기초하여 전압을 판정하는 전압 판정부(614a), 전압 판정부(614b)를 더 구비할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치(600c)는, 도 8의 전력변환장치(600b)와 유사하나, 전압 검출부(615a)에서 검출된 상암 스위칭 소자(SWa)의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이, 전압 판정부(614a)는 물론 전압 판정부(614b)에도 입력되는 것에 그 차이가 있다.
또한, 전압 검출부(615b)에서 검출된 하암 스위칭 소자(SWb)의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이, 전압 판정부(614b)는 물론 전압 판정부(614a)에도 입력되는 것에 그 차이가 있다.
한편, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614a)는, 전압 검출부(615a) 또는 전압 검출부(615b)에서 검출된 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 드레인 - 소스 전압이 임계치(ref1) 이상인 경우, 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 드레인 - 소스 전압이 임계치 미만인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614a)는, 액티브 게이트 모드가 활성화된 상태에서, 게이트 저항값이, 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되거나, 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소되도록 제어할 수 있다.
도 10은 도 8 또는 도 9의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 10의 (a)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 드레인 - 소스 전압 파형(Wb1)을 나타내며, 도 10의 (b)는, 제어부(611a) 또는 제어부(611b)의 출력 신호 파형(Wb2)을 나타내며, 도 10의 (c)는, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)의 게이트 저항값의 파형(Wb3)을 나타내며, 도 10의 (d)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 게이트 - 소스 간의 전압 파형(Wb4)을 나타내며, 도 10의 (e)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 드레인 전류 파형(Wb5)과, 드레인 - 소스 간의 전압 파형(Wb6)을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 제1 시점(tb1) 내지 제4 시점(tb4) 동안은, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 게이트 - 소스 간의 전압 레벨이 임계치 이상이므로, 액티브 게이트 모드가 활성화되며, 제4 시점(tb4) 이후의 소정 시점 부터 게이트 - 소스 간의 전압 레벨이 임계치 미만이므로 액티브 게이트 모드가 비활성화된다.
도 10을 참조하면, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)는, 액티브 게이트 모드의 게이트 온 구간 중 임의로 설정된 제1 시점(tb1)과 제2 시점(tb2)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 제1 시점(tb1)과 제2 시점(tb2) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
특히, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 도 10의 (e)와 같이, 드레인 전류가 피크가 되기 전인, 제1 시점(tb1)에 게이트 저항값이 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되도록 가변하고, 드레인 전류가 피크된 이후인 제2 시점(tb2)에 게이트 저항값이 다시 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소되도록 가변할 수 있다.
도 10의 (c)와 같이, 제1 시점(tb1)과 제2 시점(tb2) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가하도록 하면, 도 10의 (e)와 같이, 드레인 전류의 오버슈트(overshoot) 전류 피크를 억제할 수 있으며, 그 이후, 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있다.
한편, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)가, 액티브 게이트 모드의 게이트 오프 구간 중 임의로 설정된 제3 시점(tb3)과 제4 시점(tb4)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 제3 시점(tb3)과 제4 시점(tb4) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
특히, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 도 10의 (e)와 같이, 드레인 - 소스 전압이 피크가 되기 전인, 제3 시점(tb3)에 게이트 저항값이 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되도록 가변하고, 드레인 - 소스 전압이 피크된 이후인 제4 시점(tb4)에 게이트 저항값이 제2 레벨에서 제1 레벨로 다시 감소되도록 가변할 수 있다.
도 10의 (c)와 같이, 제3 시점(tb3)과 제4 시점(tb4) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가하도록 하면, 도 10의 (e)와 같이, 드레인 - 소스 전압의 오버슈트(overshoot) 전압 피크를 억제할 수 있으며, 그 이후, 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치(600d)는, 도 10의 전력변환장치(600b)와 유사하나, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb) 주변의 온도를 검출하는 온도 검출부(616a) 또는 온도 검출부(616b)를 더 구비하는 것에 그 차이가 있다.
예를 들어, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)는, 온도 검출부(616a) 또는 온도 검출부(616b)에서 검출된 온도가 임계 온도(refT) 미만인 경우, 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 검출된 온도가 임계 온도 이상인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614a)는, 액티브 게이트 모드가 활성화된 상태에서, 게이트 저항값이, 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되거나, 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소되도록 제어할 수 있다.
도 12는 도 11의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 12의 (a)는, 온도 검출부(616a) 또는 온도 검출부(616b)에서 검출된 온도 파형(Wc1)을 나타내며, 도 12의 (b)는, 제어부(611a) 또는 제어부(611b)의 출력 신호 파형(Wc2)을 나타내며, 도 12의 (c)는, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)의 게이트 저항값의 파형(Wc3)을 나타내며, 도 12의 (d)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 게이트 - 소스 간의 전압 파형(Wc4)을 나타내며, 도 12의 (e)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 드레인 전류 파형(Wc5)과, 드레인 - 소스 간의 전압 파형(Wc6)을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 제1 시점(tc1) 내지 제4 시점(tc4) 동안은, 온도 검출부(616a) 또는 온도 검출부(616b)에서 검출된 온도가 임계 온도 이하이므로, 액티브 게이트 모드가 활성화되며, 제4 시점(tc4) 이후의 소정 시점 부터 검출된 온도가 임계 온도 이상이므로 액티브 게이트 모드가 비활성화된다.
도 12를 참조하면, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)는, 액트브 게이트 모드의 게이트 온 구간 중 임의로 설정된 제1 시점(tc1)과 제2 시점(tc2)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 제1 시점(tc1)과 제2 시점(tc2) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
한편, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)가, 액티브 게이트 모드의 게이트 오프 구간 중 임의로 설정된 제3 시점(tc3)과 제4 시점(tc4)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 제3 시점(tc3)과 제4 시점(tc4) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력변환장치(600e)는, 도 10의 전력변환장치(600b)와 유사하나, 하암 스위칭 소자(SWb)의 일단에 접속되는 전류 검출부(618b)를 더 구비하는 것에 그 차이가 있다.
예를 들어, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)는, 전류 검출부(618b)에서 검출된 하암 스위칭 소자(SWa)의 소스 전류의 레벨이 제2 임계치(ref2) 이상인 경우, 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 소스 전류의 레벨이 제2 임계치 미만인 경우, 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614a)는, 액티브 게이트 모드가 활성화된 상태에서, 게이트 저항값이, 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가되거나, 제2 레벨에서 제1 레벨로 감소되도록 제어할 수 있다.
도 14는 도 13의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 14의 (a)는, 전류 검출부(618b)에서 검출된 하암 스위칭 소자(SWa)의 소스 전류 파형(Wd1)을 나타내며, 도 14의 (b)는, 제어부(611a) 또는 제어부(611b)의 출력 신호 파형(Wd2)을 나타내며, 도 14의 (c)는, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)의 게이트 저항값의 파형(Wd3)을 나타내며, 도 14의 (d)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 게이트 - 소스 간의 전압 파형(Wd4)을 나타내며, 도 14의 (e)는, 상암 스위칭 소자(SWa) 또는 하암 스위칭 소자(SWb)의 드레인 전류 파형(Wd5)과, 드레인 - 소스 간의 전압 파형(Wd6)을 나타낸다.
도 14를 참조하면, 제1 시점(tb1) 내지 제4 시점(tb4) 동안은, 하암 스위칭 소자(SWa)의 소스 전류의 레벨이 제2 임계치 미만이므로, 액티브 게이트 모드가 활성화되며, 제4 시점(tb4) 이후의 소정 시점 부터 소스 전류의 레벨이 제2 임계치 이상이므로 액티브 게이트 모드가 비활성화된다.
도 14를 참조하면, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)는, 액트브 게이트 모드의 게이트 온 구간 중 임의로 설정된 제1 시점(td1)과 제2 시점(td2)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 제1 시점(td1)과 제2 시점(td2) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
한편, 전압 판정부(614a) 또는 전압 판정부(614b)가, 액티브 게이트 모드의 게이트 오프 구간 중 임의로 설정된 제3 시점(td3)과 제4 시점(td4)의 전압을 판별할 수 있으며, 게이트 저항 가변부(613a) 또는 게이트 저항 가변부(613b)는, 제3 시점(td3)과 제4 시점(td4) 사이의 구간 동안, 게이트 저항값이 증가되도록 가변시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 의하면, 스위칭 소자의 스위칭에 의한 서지 전압과 서지 전류를 억제하면서 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량은, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량의 동작방법은, 전력변환장치, 및 이를 구비하는 차량에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (10)

  1. 스위칭 소자;
    상기 스위칭 소자의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부;
    상기 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 전압 검출부;
    상기 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 상기 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부;를 구비하며,
    상기 게이트 저항 가변부는,
    상기 스위칭 소자의 드레인 전류의 피크 시점 이전인 제1 시점에, 상기 게이트 저항의 저항값을 제1 레벨에서 제2 레벨로 증가시키며, 상기 스위칭 소자의 드레인 전류의 상기 피크 시점 이후인 제2 시점에, 상기 게이트 저항의 저항값을 상기 제2 레벨에서 상기 제1 레벨로 감소시키며,
    상기 게이트 저항 가변부는,
    상기 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 피크 시점 이전인 제3 시점에, 상기 게이트 저항의 저항값을 상기 제1 레벨에서 상기 제2 레벨로 증가시키며, 상기 스위칭 소자의 드레인 - 소스 전압의 상기 피크 시점 이후인 제4 시점에, 상기 게이트 저항의 저항값을 상기 제2 레벨에서 상기 제1 레벨로 감소시키며,
    상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 기간 보다, 상기 제3 시점과 상기 제4 시점 사이의기간이 더 긴 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이 임계치 이상인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되고, 상기 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압이 임계치 미만 경우, 상기 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 직렬 접속되는 하암 스위칭 소자;
    상기 하암 스위칭 소자의 게이트 단자에 게이트 구동 신호를 인가하는 제2 게이트 구동부;
    상기 하암 스위칭 소자의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 전압을 검출하는 제2 전압 검출부;
    상기 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여, 상기 하암 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 제2 게이트 저항 가변부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자 주변의 온도를 검출하는 온도 검출부;
    상기 온도 검출부에서 검출된 온도가 임계 온도 미만인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 검출된 온도가 임계 온도 이상인 경우, 상기 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 소스 전류를 검출하는 전류 검출부;
    상기 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨이 제2 임계치 이상인 경우, 게이트 저항의 저항값이 가변되는 액티브 게이트 모드가 활성화되도록 제어하며, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류 레벨이 제2 임계치 미만인 경우, 상기 액티브 게이트 모드가 비활성화되도록 제어하는 전압 판정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;를 더 포함하며,
    상기 스위칭 소자는, 상기 인버터 내의 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부; 및
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 출력 전류에 기초하여, 토크 지령치를 연산하며, 상기 토크 지령치에 기초하여, 상기 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제1항, 제2항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전력변환장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
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