KR19990033905A - 모터용 인버터의 게이트 구동장치 - Google Patents

모터용 인버터의 게이트 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터용 인버터의 게이트 구동장치에 관한 것으로, 모터제어부(20)로부터의 제어신호(P1),(N1)에 따라 구동되는 포토커플러(211a)와; 컬렉터단자전압(TC1)에 따라 구동되는 제1제너다이오드(Z1)와; 전원전압(Vcc)에 따라 구동되는 제2제너다이오드(Z2)와; 그 제2제너다이오드(Z2) 및 상기 제1제너다이오드(Z1)를 통하여 공급되는 전압에 의하여 구동되는 제1트랜지스터(T1)와; 그 제1트랜지스터(T1)와 연결되는 제2트랜지스터(T2)와; 상기 포토커플러(211a)와 연결되고 전원전압(Vcc)을 공급받는 제3트랜지스터(T3)와; 상기 제2트랜지스터(T2)의 컬렉터와 연결되고 전원전압(Vcc)를 공급받는 제4트랜지스터(T4)와; 상기 제3트랜지스터(T3)의 컬렉터에 공급되는 전압에 의하여 구동되고, 상기 제4트랜지스터(T4)와 연결되는 제5트랜지스터(T5)와; 상기 제4트랜지스터(T4)의 컬렉터와 상기 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)의 게이트 사이에 연결되고, 서로 병렬연결된 저항(R10),(R11);을 구비한다. 제1제너다이오드(Z1)는 과전류에 따른 고전위의 전압(TC1)에 의하여 턴온되고, 제2제너다이오드(Z2)는 저전위의 전원전압(Vcc)에 의하여 턴온된다. 이때, 제1트랜지스터(T1)는 턴온되고 제2 및 제4트랜지스터(T4)는 턴오프되어, 인버터(22)의 트랜지스터(TR1)가 턴오프되도록 한다.

Description

모터용 인버터의 게이트 구동장치
본 발명은 모터 구동장치에 관한 것으로, 특히 인버터 및 모터에과전류가 흐르는 것을 감지하고 또한 저전위의 전원전압을 감지하여, 인버터에 포함된 트랜지스터를 턴오프시킴으로써, 인버터에 포함된 트랜지스터의 손상 및 오동작을 방지할 수 있는 모터용 인버터의 게이트 구동장치에 관한 것이다.
일반적인 BLDC 모터 구동장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력된 제어신호(INPUT)를 버퍼링하는 버퍼(10)와, 그 버퍼(10)의 출력신호에 따라 게이트구동신호를 출력하는 게이트구동부(11)와, 그 게이트구동부(11)로부터 출력된 게이트구동신호에 의하여 턴온되어 3상의 교류전원을 모터(12)에 공급하는 트랜지스터(Q1-Q6)로 구성된다.
상기 게이트구동부(11)는 상기 버퍼(10)의 출력신호에 의하여 구동되어 빛을 발생하는 발광다이오드(111)와, 그 발광다이오드(111)로부터의 빛을 수광하여 구동되는 수광다이오드(112)와, 그 수광다이오드(112)의 구동에 따라 트랜지스터(114),(115)를 구동하여, 전원전압(Vcc)에 의하여 상기 게이트구동신호가 출력되도록 하는 스위칭회로(113)를 포함한다.
도 1에 있어서, "R1"은 저항이고, "C1"은 캐패시터이다.
또한, 상기 게이트구동부(11)와 동일하게 구성되고, 트랜지스터(Q1-Q6)을 각각 구동시키기 위한 회로가 복수개 포함되고, 트랜지스터(Q1-Q6)는 모터(12)를 구동하기 위한 인버터를 구성한다.
상기와 같이 구성되는 일반적인 모터 구동장치에 있어서, 버퍼(10)를 통하여 인가된 제어신호(INPUT)에 의하여 다이오드(111)가 턴온되면, 다이오드(112)는 다이오드(111)에서 발생된 빛에 의하여 턴온된다.
다이오드(112)가 구동되면, 스위칭회로(113)는 트랜지스터(114),(115)를 턴온시켜, 전원전압(Vcc)에 의한 게이트구동신호를 인버터에 포함된 트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가한다.
이때, 인버터의 트랜지스터(Q4) 또는 트랜지스터(Q6)가 턴온되어, 전원전압(+HVDC)에 의한 전류가 트랜지스터(Q1) 및 저위전압(-HVDC)단자측으로 흐르게 된다. 이와 같은 방식으로 다른 트랜지스터(Q4),(Q5),(Q1)를 구성하여 모터(12)에 3상의 교류전원을 공급함으로써 모터(12)가 구동되도록 한다.
그런데, 상기와 같은 일반적인 모터 구동장치의 게이트구동부(11)에 의하면, 인버터의 상위 트랜지스터(Q1),(Q3),(Q5)와 그 상위 트랜지스터(Q1),(Q3),(Q5)에 각각 대응하는 상위 트랜지스터(Q2),(Q4),(Q6)가 동시에 턴온될 수 있다. 이러한 상태를 일반적으로 암쇼트(arm short)라 칭하는데, 예를 들어 상위 트랜지스터(Q1)와 하위 트랜지스터(Q2)가 동시에 턴온되는 경우를 의미한다. 이러한 암쇼트가 발생되면, 트랜지스터(Q1),(Q2)에 과전류가 흐르게 되어 트랜지스터(Q1),(Q2)가 소손될 수 있었다.
그러나, 전술한 바와 같은 일반적인 모터 구동장치에는 암쇼트를 방지할 수 있는 회로가 구비되지 않아 암쇼트에 의한 트랜지스터(Q1),(Q2)의 소손을 미리 방지할 수 없는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 인버터 및 모터에과전류가 흐르는 것을 감지하고 또한 저전위의 전원전압을 감지하여, 인버터에 포함된 트랜지스터를 턴오프시킴으로써, 인버터에 포함된 트랜지스터의 손상 및 오동작을 방지할 수 있는 모터용 인버터의 게이트 구동장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인버터에 포함된 트랜지스터가 턴오프될 경우 순간적으로 발생되는 과전압을 방전시킬 수 있는 방전패스를 형성하여 인버터에 포함된 트랜지스터의 손상을 방지할 수 있는 모터용 인버터의 게이트 구동장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상기 모터제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라 구동되는 포토커플러와; 상기 인버터에 포함된 트랜지스터의 컬렉터단자전압에 따라 구동되는 제1제너다이오드와; 상기 포토커플러를 통하여 공급되는 전원전압에 따라 구동되는 제2제너다이오드와; 그 제2제너다이오드 및 상기 제1제너다이오드를 통하여 공급되는 전압에 의하여 구동되는 제1트랜지스터와; 그 제1트랜지스터와 연결된 베이스를 갖는 제2트랜지스터와; 상기 포토커플러와 연결된 베이스와 전원전압을 공급받는 컬렉터를 갖는 제3트랜지스터와; 상기 제2트랜지스터의 컬렉터와 연결된 베이스와 전원전압을 공급받는 에미터를 갖는 제4트랜지스터와; 상기 제3트랜지스터의 컬렉터에 공급되는 전압에 의하여 구동되고, 상기 제4트랜지스터의 컬렉터와 연결되는 드레인을 갖는 제5트랜지스터와; 상기 제4트랜지스터의 컬렉터와 상기 인버터에 포함된 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되어 방전패스를 형성하는 저항;으로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 모터 구동장치의 회로도.
도 2는 본 발명이 적용되는 모터 구동장치의 구성을 보인 블럭도.
도 3은 도 2의 게이트구동부의 상세 블럭도.
도 4는 도 3의 상위 구동부의 구성을 보인 상세 회로도.
도 5는 도 3의 하위 구동부의 구성을 보인 상세 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 버퍼 11 : 게이트구동부
20 : 모터제어부 21 : 게이트구동부
22 : 인버터 23 : 모터
211,212,213 : 상위 구동부 214,215,216 : 하위 구동부
211a,211b : 포토커플러
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명이 적용되는 모터 구동장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 입력된 에러신호(F1-F3)에 따라, 모터(23)의 구동을 제어하기 위한 제어신호(P1-P6),(N1-N6)를 출력하는 모터제어부(20)와, 그 모터제어부(20)로부터 출력된 제어신호(P1-P6),(N1-N6)에 따라 게이트구동신호(TG1-TG6)를 출력하고, 컬렉터단자전압(TC1-TC6)을 공급받으며, 상기 에러신호(F1-F3)를 상기 모터제어부(20)에 인가하는 게이트구동부(21)와, 그 게이트구동부(21)로부터 인가되는 게이트구동신호(TG1-TG6)에 의하여 턴온되는 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)(TR1-TR6)를 포함하고, 상기 모터(23)에 3상교류전원을 공급하는 인버터(22)로 구성된다.
상기 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1-TR6)의 컬렉터는 상기 게이트구동부(21)와 연결되어, 전원전압(Vcc)에 의한 컬렉터단자전압(TC1-TC6)이 상기 게이트구동부(21)에 공급되도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 게이트구동부(21)는 상기 인버터(22)에 포함된 상위 트랜지스터(TR1-TR3)를 구동하는 상위 구동부(211-213)와, 상기 인버터(22)에 포함된 하위 트랜지스터(TR4-TR6)를 구동하는 하위 구동부(214-216)로 구성된다.
도 4를 참조하면, 상기 상위 구동부(211)는 상기 모터제어부(20)로부터 공급되는 제어신호(P1),(N1)에 의하여 구동되어 전원전압(Vcc)을 공급하고, 저항(R1)과 다이오드(D3) 및 캐패시터(C1)를 통하여 접지측과 연결되는 포토커플러(211a)와, 다이오드(D1)를 통한 상기 컬렉터단자전압(TC1)에 따라 턴온/오프되는 제1제너다이오드(Z1)와, 상기 포토커플러(211a) 및 저항(R2)을 통한 상기 전원전압(Vcc)에 따라 턴온/오프되는 제2제너다이오드(Z2)와, 그 제2제너다이오드(Z2) 및 상기 제1제너다이오드(Z1)를 통하여 공급되는 전압에 의하여 구동되고, 저항(R3)을 통하여 상기 포토커플러(211a)와 연결되는 컬렉터를 갖는 제1트랜지스터(T1)를 포함한다.
또한, 상기 상위 구동부(211)는 저항(R4)를 통하여 상기 제1트랜지스터(T1)와 연결된 베이스를 갖는 제2트랜지스터(T2)와, 저항(R5),(R6)을 통하여 상기 포토커플러(211a)와 연결되는 베이스와 저항(R7)을 통하여 상기 전원전압(Vcc)를 공급받은 컬렉터를 갖는 제3트랜지스터(T3)와, 저항(R8)을 통하여 상기 제2트랜지스터(T2)와 연결된 베이스와 상기 전원전압(Vcc)를 공급받은 에미터를 갖는 제4트랜지스터(T4)와, 상기 제3트랜지스터(T3)의 컬렉터에 공급되는 전압에 의하여 구동되고 상기 제4트랜지스터(T4)의 컬렉터와 연결되는 드레인을 갖는 제5트랜지스터(T5)와, 상기 제4트랜지스터(T4)의 컬렉터와 상기 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)의 게이트 사이에 연결되고 서로 병렬연결된 저항(R10),(R11)을 포함한다.
상기 제1 내지 제3트랜지스터(T1-T3)의 에미터, 상기 저항(R11) 그리고 제5트랜지스터(T5)의 소스는 각각 접지측과 연결되고, 상기 제3트랜지스터(T3)는 다이오드(D2)를 통하여 상기 다이오드(D1)와 연결된다.
또한, 상기 상위 구동부(211)는 상기 제1트랜지스터(T1)의 컬렉터로부터 인가된 전압에 의하여 구동되는 제6트랜지스터(T6)와, 그 제6트랜지스터(T6)의 구동에 따라 저항(R13),(R14)을 통하여 공급된 전원전압(Vcc)에 의하여 구동되어, 에러신호(F1)를 상기 모터제어부(20)에 공급하는 포토커플러(211b)를 포함한다. 상기 제6트랜지스터(T6)의 베이스는 저항(R12)을 통하여 상기 전원전압(Vcc)단자와 연결되어 있다.
그리고, 그 나머지 상위 구동부(212),(213)는 모터제어부(20)로부터 제어신호(P2),(N2)와 제어신호(P3),(N3)를 각각 입력받고, 전술한 상위 구동부(211)와 동일하게 구성된다.
한편, 도 3의 하위 구동부(214)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 모터제어부(20)로부터 공급되는 제어신호(P4),(N4)에 의하여 구동되어 전원전압(Vcc)을 공급하고, 저항(R15)과 다이오드(D7) 및 캐패시터(C2)를 통하여 접지측과 연결되는 포토커플러(214a)와, 다이오드(D5)를 통한 상기 컬렉터단자전압(TC4)에 따라 턴온/오프되는 제너다이오드(Z3)와, 상기 포토커플러(214a) 및 저항(R16)을 통한 상기 전원전압(Vcc)에 따라 턴온/오프되는 제너다이오드(Z4)와, 그 제너다이오드(Z4) 및 상기 제너다이오드(Z3)를 통하여 공급되는 전압에 의하여 구동되고, 저항(R17)을 통하여 상기 포토커플러(214a)와 연결되는 컬렉터를 갖는 제7트랜지스터(T7)를 포함한다.
또한, 상기 하위 구동부(214)는 저항(R18)을 통하여 상기 제7트랜지스터(T7)와 연결된 베이스를 갖는 제8트랜지스터(T8)와, 저항(R19),(R20)을 통하여 상기 포토커플러(214a)와 연결되는 베이스와 저항(R21)을 통하여 상기 전원전압(Vcc)를 공급받은 컬렉터를 갖는 제9트랜지스터(T9)와, 저항(R22)을 통하여 상기 제8트랜지스터(T8)와 연결된 베이스와 상기 전원전압(Vcc)를 공급받은 에미터를 갖는 제10트랜지스터(T10)와, 상기 제9트랜지스터(T9)의 컬렉터에 공급되는 전압에 의하여 구동되고 상기 제10트랜지스터(T10)의 컬렉터와 연결되는 드레인을 갖는 제11트랜지스터(T11)와, 상기 제10트랜지스터(T10)의 컬렉터와 상기 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR4)의 게이트 사이에 연결되고 서로 병렬연결된 저항(R24),(R25)을 포함한다.
상기 제7 내지 제9트랜지스터(T7-T9)의 에미터, 상기 저항(R25) 그리고 제11트랜지스터(T11)의 소스는 각각 접지측과 연결되고, 상기 제9트랜지스터(T9)는 다이오드(D6)를 통하여 상기 다이오드(D5)와 연결된다.
그리고, 그 나머지 하위 구동부(215),(216)는 모터제어부(20)로부터 제어신호(P5),(N5)와 제어신호(P6),(N6)를 각각 입력받고, 전술한 하위 구동부(214)와 동일하게 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 모터용 인버터의 게이트 구동장치에 대한 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
게이트구동부(21)에 포함된 상위 구동부(211)의 동작을 일예로써 설명하면, 포토커플러(211a)는 모터제어부(20)로부터 인가된 제어신호(P1),(N1)에 의하여 구동된다. 이에 따라 제3트랜지스터(T3)는 턴온되고, 제5트랜지스터(T5)는 턴오프된다.
이러한 상태에서, 다이오드(D1)를 통하여 제1제너다이오드(Z1)에 인가된 컬렉터단자전압(TC1), 즉 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)의 컬렉터와 에미터간의 전압이 정상적이면, 제1트랜지스터(T1)는 턴오프된다. 이때, 제2트랜지스터(T2)의 베이스에는 하이레벨의 전원전압(Vcc)가 포토커플러(211a)를 통하여 공급되므로, 제2트랜지스터(T2)는 턴온된다. 이에 따라 제4트랜지스터(T4)의 베이스의 전위는 로우레벨이 되어 제4트랜지스터(T4)도 또한 턴온된다.
결과적으로, 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)의 게이트에는 전원전압(Vcc)에 의한 하이레벨의 전압이 공급되어 턴온된다. 이때, 제1트랜지스터(T1)의 컬렉터전위는 하이레벨이 되어 제6트랜지스터(T6)는 턴온되고 이에 따라 포토커플러(211b)가 구동되어, 로우레벨의 에러신호(F1)가 모터제어부(20)에 인가된다.
그런데, 인버터(20)에서 암쇼트가 발생되면, 인버터(22)의 트랜지스터(TR1)에는 과전류가 흐로게 된다. 이때 제1제너다이오드(Z1)에는 과전류에 따른 일정전위이상의 고전압이 다이오드(D1)를 통하여 공급되어, 제1제너다이오드(Z1)가 턴온되고 이에 따라 제1트랜지스터(T1)는 턴온된다. 그리고, 제1트랜지스터(T1)의 컬렉터전위는 로우레벨이 되므로, 제2트랜지스터(T3) 및 제4트랜지스터(T4)는 각각 턴오프된다.
그러므로, 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)의 게이트로의 전원전압(Vcc) 공급이 차단되도록 하여, 트랜지스터(TR1)는 턴오프된다. 이때, 제1트랜지스터(T1)의 컬렉터전위는 로우레벨이 되어 제6트랜지스터(T6)는 턴오프되고 이에 따라 하이레벨의 에러신호(F1)가 모터제어부(20)에 인가된다.
모터제어부(20)는 하이레벨의 에러신호(F1)를 입력받을 경우, 과전류발생을 인식하여 PWM신호인 제어신호(P1),(N1)가 게이트구동부(21)로 공급되는 것을 중단시킨다.
전술한 바와 같이, 암쇼트를 방지하기 위하여 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)를 턴오프시킬 경우, 모터(23)에서 인덕턴스가 발생되어 트랜지스터(TR1)의 게이트에는 순간적으로 과전압이 발생될 수 있다.
이러한 점을 감안하여 본 발명은 저항(R10),(R11)을 구비하는데, 이러한 저항(R10),(R11)은 스위칭-오프(switching-off)시간을 증가시켜 상기 과전압이 충분히 방전될 수 있도록 함으로써, 순간적인 과전압 발생으로 인하여 트랜지스터(TR1)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 상기 스위칭-오프시간은 저항(R10),(R11)과, 트랜지스터(TR1)의 게이트와 에미터간에 형성되는 기생 캐패시터에 의하여 결정되는 시정수로 설정될 수 있다.
한편, 전원전압(Vcc)의 전위가 일정레벨 이하일 경우, 제2제너다이오드(Z2)가 턴온됨에 따라 전술한 바와 같이 제1트랜지스터(T1)가 턴온되어여 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1)가 턴오프되도록 한다. 그러므로 저전위의 전원전압(Vcc)으로 인하여 인버터(22)에 포함된 트랜지스터(TR1-TR6)가 오동작되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 하위 구동부(214)는 에러신호(F1)의 발생과정을 제외하면 전술한 상위 구동부(211)과 동일하게 동작되므로, 그 동작에 관한 설명은 생략한다.
상기와 같이 본 발명은 인버터(23)에서 발생된 암쇼트로 인하여 과전류가 발생될 경우 이를 감지하여 인버터(23)에 포함된 트랜지스터(TR1-TR6)를 턴오프시킴으로써, 과전류에 의한 트랜지스터(TR1-TR6)의 소손을 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 전원전압의 전위가 낮을 경우 이를 감지하여 인버터(23)에 포함된 트랜지스터(TR1-TR6)를 턴오프시킴으로써, 트랜지스터(TR1-TR6)가 오동작되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 인버터(23)의 트랜지스터(TR1-TR6)가 턴오프될 경우 순간적으로 발생되는 과전압이 방전될 수 있도록, 저항(R10),(R11)에 의한 방전패스(path)를 형성함으로써, 트랜지스터(TR1-TR6)의 턴오프시 순간과전압에 의한 트랜지스터(TR1-TR6)의 손상을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 모터제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라, 모터에 교류전원을 공급하는 인버터를 구동하는 게이트 구동장치에 있어서,
    상기 모터제어부로부터 인가되는 제어신호에 따라 구동되는 포토커플러와;
    상기 인버터에 포함된 트랜지스터의 컬렉터단자전압에 따라 구동되는 제1제너다이오드와;
    상기 포토커플러를 통하여 공급되는 전원전압에 따라 구동되는 제2제너다이오드와;
    그 제2제너다이오드 및 상기 제1제너다이오드를 통하여 공급되는 전압에 의하여 구동되는 제1트랜지스터와;
    그 제1트랜지스터와 연결된 베이스를 갖는 제2트랜지스터와;
    상기 포토커플러와 연결된 베이스와 전원전압을 공급받는 컬렉터를 갖는 제3트랜지스터와;
    상기 제2트랜지스터의 컬렉터와 연결된 베이스와 전원전압을 공급받는 에미터를 갖는 제4트랜지스터와;
    상기 제3트랜지스터의 컬렉터에 공급되는 전압에 의하여 구동되고, 상기 제4트랜지스터의 컬렉터와 연결되는 드레인을 갖는 제5트랜지스터와;
    상기 제4트랜지스터의 컬렉터와 상기 인버터에 포함된 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되어 방전패스를 형성하는 저항;을 구비하는 것을 특징으로 하는 모터용 인버터의 게이트 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 상기 제1 내지 제3트랜지스터의 에미터, 상기 저항 그리고 제5트랜지스터의 소스는 각각 접지측과 연결되는 것을 특징으로 하는 모터용 인버터의 게이트 구동장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1트랜지스터의 컬렉터에 공급되는 전압에 의하여 구동되는 제6트랜지스터와;
    그 제6트랜지스터의 구동에 따라 소정 레벨의 에러신호를 상기 모터제어부에 인가하는 포토커플러;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모터용 인버터의 게이트 구동장치.
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