KR20080003142A

KR20080003142A - 3상 모터에 있어서 아이지비티 구동 장치

Info

Publication number: KR20080003142A
Application number: KR1020060061701A
Authority: KR
Inventors: 이용희
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-07-01
Filing date: 2006-07-01
Publication date: 2008-01-07

Abstract

3상 모터에 있어서 IGBT 구동 장치가 제공된다. 본 발명은 3상 모터의 어느 한 상에서 180도 구동 기준의 상암 스위치 기능을 하는 제1 IGBT를 제어하기 위한 제1 PWM 신호가 입력되고, 제1 PWM 신호 레벨을 플로우팅 그라운드 레벨과 매칭시키기 위한 레벨 시프트와, 제1 IGBT의 게이트에 연결되어 있으며, 상기 레벨 시프트에서 출력된 신호의 전류량을 증폭시켜서 제1 IGBT의 게이트를 구동시키기 위한 제1구동신호를 출력하는 제1게이트 드라이브와, 상기 제1 IGBT와 같은 상에서 180도 구동 기준의 하암 스위치 기능을 하는 제2 IGBT를 제어하기 위한 제2 PWM 신호가 입력되고, 제2 IGBT의 게이트에 연결되어 있으며, 제2 PWM 신호의 전류량을 증폭시켜서 제2 IGBT의 게이트를 구동시키기 위한 제2구동신호를 출력하는 제2게이트 드라이브를 포함한다. 본 발명에 의하면 3상 모터에 있어서 레벨 시프트와 게이트 드라이버를 사용하여 IGBT를 구동할 수 있으므로, 부트 스트랩 커패시터로 인한 노이즈 발생을 방지하고, 포토커플러의 사용에 따른 제작비용을 절감하며 IGBT 구동장치의 크기를 축소할 수 있다는 효과가 있다.

3상 모터, 그라운드, IGBT, IPM, 게이트, 레벨, HVIC, LVIC.

Description

3상 모터에 있어서 아이지비티 구동 장치 {Apparatus for driving Insulated Gate Bipolar Transistor in three phase motor}

도 1은 종래 3상 모터에 있어서 HVIC를 이용한 IGBT 구동 장치를 보여주는 도면이다.

도 2는 종래 3상 모터에 있어서 LVIC를 이용한 IGBT 구동 장치를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 모터에 있어서 IGBT 구동 장치를 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레벨 시프트를 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이브의 내부구조를 보여주는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 IGBT 구동 장치 110 레벨 시프트

120 제1게이트 드라이브 130 제2게이트 드라이브

140 제1 IGBT 150 제2 IGBT

본 발명은 3상 모터에 있어서 IGBT 구동 장치에 관한 것이다.

종래 3상 모터 드라이브용 IPM(Intelligent Power Module)에서 스위칭 기능을 위하여 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)가 주로 사용되었다. IGBT는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터라고 하며, 에미터, 콜렉터, 게이트 단자를 포함하고, 게이트 단자가 절연된 트랜지스터로서, 고전압, 대전류 장치에서 스위칭 기능을 위하여 많이 사용된다.

종래 이러한 IGBT를 구동하기 위한 장치로서 HVIC(High Voltage IC)를 사용하여 구현하는 장치와, LVIC(Low Voltage IC)를 사용하여 구현하는 장치가 있었다.

도 1은 종래 3상 모터에 있어서 HVIC를 이용한 IGBT 구동 장치를 보여주는 도면이고, 도 2는 종래 3상 모터에 있어서 LVIC를 이용한 IGBT 구동 장치를 보여주는 도면이다.

도 1에서는 3상 모터의 어느 한 상에서 180도 구동 기준의 상암(上 arm) 스위치 기능을 하는 제1 IGBT(20)와, 하암(下 arm) 스위치 기능을 하는 제2 IGBT(30)를 구동시키기 위하여 HVIC(10)가 사용되었다. HVIC(10)는 레벨 시프트(11), 제1게이트 드라이브(12), 제2게이트 드라이브(13)를 포함하여 구성된다.

도 1에서 플로우팅 그라운드(Floating ground)를 위하여 부트 스트랩 커패시터(Boot strap capacitor)(C1)가 사용되는데, 이로 인하여 노이즈가 발생되는 문제 점이 있었다. 또한, 한 상에 다이오드(D1), 저항(R1), 커패시터(C1)가 각각 1개씩 구비되어, 결국 3상에 총 3개의 다이오드, 저항, 커패시터가 필요하므로 회로가 복잡해진다고 하는 문제점도 있었다.

한편, 도 2의 종래 장치에서는 3상 모터의 어느 한 상에서 180도 구동 기준의 상암 스위치 기능을 하는 제1 IGBT(20)를 구동시키기 위하여 제1포토 커플러(40)와 제1 LVIC(50)가 사용되고, 하암 스위치 기능을 하는 제2 IGBT(30)를 구동시키기 위하여 제2포토 커플러(60)와 제2 LVIC(70)가 사용된다.

도 2에서는 부트 스트랩 커패시터를 사용하지 않아서 노이즈 발생의 문제는 없으나, 한 상에 2개의 포토 커플러와 2개의 LVIC가 구비되므로, 결국 3상에 총 6개의 포토 커플러와 6개의 LVIC가 필요하게 된다. 따라서, 제작 비용이 상승하고 크기가 커진다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 3상 모터에 있어서 HVIC를 사용한 IGBT 구동장치와 LVIC를 이용한 IGBT 구동장치의 장점을 합친 구동장치로서, 레벨 시프트 및 게이트 드라이브를 포함하여 구성된 IGBT 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 3상 모터의 어느 한 상에서 180 도 구동 기준의 상암(上 arm) 스위치 기능을 하는 제1 IGBT를 제어하기 위한 제1 PWM 신호가 입력되고, 제1 PWM 신호 레벨을 플로우팅 그라운드(floating ground) 레벨과 매칭시키기 위한 레벨 시프트와, 제1 IGBT의 게이트에 연결되어 있으며, 상기 레벨 시프트에서 출력된 신호의 전류량을 증폭시켜서 제1 IGBT의 게이트를 구동시키기 위한 제1구동신호를 출력하는 제1게이트 드라이브와, 상기 제1 IGBT와 같은 상에서 180도 구동 기준의 하암(下 arm) 스위치 기능을 하는 제2 IGBT를 제어하기 위한 제2 PWM 신호가 입력되고, 제2 IGBT의 게이트에 연결되어 있으며, 제2 PWM 신호의 전류량을 증폭시켜서 제2 IGBT의 게이트를 구동시키기 위한 제2구동신호를 출력하는 제2게이트 드라이브를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3에서 제1 IGBT(140)와 제2 IGBT(150)는 3상 모터의 어느 한 상에서 180도 구동 기준으로 동작한다. 즉, 제1 IGBT(140)가 턴 온(turn on)된 상태이면, 제2 IGBT(150)는 턴 오프(turn off)된 상태이고, 반대로 제1 IGBT(140)가 턴 오프된 상태이면, 제2 IGBT(150)는 턴 온된 상태이다. 도 3에서 제1 IGBT(140)는 상암(上 arm) 스위치 기능을 하고, 제2 IGBT(150)는 하암(下 arm) 스위치 기능을 한다.

도 3에서 IGBT 구동 장치(100)는 레벨 시프트(110), 제1게이트 드라이브(120), 제2게이트 드라이브(130), 제1전원(15V-U,V,W), 제2전원(15V-N Channel)을 포함하여 구성된다.

레벨 시프트(110)는 제1 IGBT(140)를 제어하기 위한 제1 PWM 신호가 입력되고, 제1 PWM 신호 레벨을 플로우팅 그라운드(floating ground) 레벨과 매칭시키는 역할을 한다. 즉, 도 4에서 일정한 5V 전위 레벨을 갖는 구형파의 제1 PWM신호가 레벨 시프트(110)에 입력되면, 레벨 시프트(110)는 플로우팅 그라운드 레벨과 매칭시킨 신호를 출력하게 된다. 도 4에서 보는 바와 같이, 레벨 시프트(110)의 출력신호는 입력신호의 전위 레벨이 플로우팅 그라운드에 따라 시프트 업 되어서 일정하지 않은 전위 레벨을 갖는다.

제1게이트 드라이브(120)는 제1 IGBT(140)의 게이트에 연결되어 있으며, 레벨 시프트(110)에서 출력된 신호의 전류량을 증폭시켜서 제1 IGBT(140)의 게이트를 구동시키기 위한 제1구동신호를 출력하는 역할을 한다.

제2게이트 드라이브(130)는 제2 IGBT(150)를 제어하기 위한 제2 PWM 신호가 입력되고, 제2 IGBT(150)의 게이트에 연결되어 있으며, 제2 PWM 신호의 전류량을 증폭시켜서 제2 IGBT(150)의 게이트를 구동시키기 위한 제2구동신호를 출력하는 역할을 한다. 도 3의 실시예에서 제2 IGBT(150) 측에는 제1 IGBT(140) 측과는 달리 플로우팅 그라운드가 없기 때문에 레벨 시프트가 사용되지 않는다.

제1전원(15V-U,V,W)은 제1게이트 드라이브(120)에 구동 전원을 공급하는 역할을 한다.

제2전원(15V-N Channel)은 제2게이트 드라이브(130)에 구동 전원을 공급하는 역할을 한다.

본 발명에서 게이트 드라이브는 IGBT의 게이트 구동시에 부족한 전류량을 보상해주는 것으로서, IGBT의 게이트에 입력되는 신호의 전류량을 증폭시켜서 출력하는 역할을 한다. 이러한 게이트 드라이브에는 다양한 소자가 사용되는 실시예가 있고, 그 중에서 한가지 실시예를 도면을 참조하여 설명하고자 한다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1게이트 드라이브(120)의 내부구조를 보여주는 도면이다. 도 5a에서 제1게이트 드라이브(120)는 레벨 시프트(110)에서 출력된 신호의 전류량을 증폭시키기 위한 제1 FET(122) 및 제2 FET(124)를 포함하여 이루어진다.

제1 FET(122)의 게이트에는 레벨 시프트(110)에서 출력된 신호가 입력된다. 제1 FET(122)의 드레인은 제1전원(15V-U,V,W)에 연결되고, 소스는 제2 FET(124)의 드레인에 연결되어 있다.

또한, 제2 FET(124)의 게이트에는 레벨 시프트(110)에서 출력된 신호와 크기는 같고 위상이 반대인 신호가 입력된다. 제2 FET(124)의 소스는 접지에 연결되고, 드레인은 제1 FET(122)의 소스에 연결된다.

도 5a에서 제1 FET(122)의 소스와 제2 FET(124)의 드레인 사이에서 제1구동신호가 출력된다. 제1 FET(122)와 제2 FET(124)에는 각각 크기는 같고 위상이 서로 반대인 신호가 입력되므로, 둘 중에 하나의 FET는 항상 동작상태가 되고, 전류가 증폭된 제1구동신호가 출력되게 된다.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2게이트 드라이브(130)의 내부구조를 보여주는 도면이다. 도 5b에서 제2게이트 드라이브(130)는 제2 PWM 신호의 전류량을 증폭시키기 위한 제3 FET(132) 및 제4 FET(134)를 포함하여 이루어진다.

제3 FET(132)의 게이트에는 제2 PWM 신호가 입력된다. 제3 FET(132)의 드레인은 제2전원(15V-N Channel)에 연결되고, 소스는 제4 FET(134)의 드레인에 연결되어 있다.

또한, 제4 FET(134)의 게이트에는 제2 PWM 신호와 크기는 같고 위상이 반대인 신호가 입력된다. 제4 FET(134)의 소스는 접지에 연결되고, 드레인은 제3 FET(132)의 소스에 연결된다.

도 5b에서 제3 FET(132)의 소스와 제4 FET(134)의 드레인 사이에서 제2구동신호가 출력된다. 제3 FET(132)와 제4 FET(134)에는 각각 크기는 같고 위상이 서로 반대인 신호가 입력되므로, 둘 중에 하나의 FET는 항상 동작상태가 되고, 전류가 증폭된 제2구동신호가 출력되게 된다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 3상 모터에 있어서 레벨 시프트와 게이트 드라이버를 사용하여 IGBT를 구동할 수 있으므로, 부트 스트랩 커패시터로 인한 노이즈 발생을 방지하고, 포토 커플러의 사용에 따른 제작비용을 절감하며 IGBT 구동장치의 크기를 축소할 수 있다는 효과가 있다.

Claims

3상 모터의 어느 한 상에서 180도 구동 기준의 상암(上 arm) 스위치 기능을 하는 제1 IGBT를 제어하기 위한 제1 PWM 신호가 입력되고, 제1 PWM 신호 레벨을 플로우팅 그라운드(floating ground) 레벨과 매칭시키기 위한 레벨 시프트;

제1 IGBT의 게이트에 연결되어 있으며, 상기 레벨 시프트에서 출력된 신호의 전류량을 증폭시켜서 제1 IGBT의 게이트를 구동시키기 위한 제1구동신호를 출력하는 제1게이트 드라이브;

상기 제1게이트 드라이브에 구동 전원을 공급하기 위한 제1전원;

상기 제1 IGBT와 같은 상에서 180도 구동 기준의 하암(下 arm) 스위치 기능을 하는 제2 IGBT를 제어하기 위한 제2 PWM 신호가 입력되고, 제2 IGBT의 게이트에 연결되어 있으며, 제2 PWM 신호의 전류량을 증폭시켜서 제2 IGBT의 게이트를 구동시키기 위한 제2구동신호를 출력하는 제2게이트 드라이브;

상기 제2게이트 드라이브에 구동 전원을 공급하기 위한 제2전원

을 포함하는 3상 모터에 있어서 IGBT를 구동하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1게이트 드라이브는 상기 레벨 시프트에서 출력된 신호의 전류량을 증폭시키기 위한 제1 FET 및 제2 FET를 포함하여 이루어지고, 제1 FET의 게이트에는 상기 레벨 시프트에서 출력된 신호가 입력되고, 제1 FET의 드레인은 제1전원에 연결되고, 제1 FET의 소스는 제2 FET의 드레인에 연결되며,

제2 FET의 게이트에는 상기 레벨 시프트에서 출력된 신호와 크기는 같고 위상이 반대인 신호가 입력되고, 제2 FET의 소스는 접지에 연결되고, 제2 FET의 드레인은 제1 FET의 소스에 연결되며, 상기 제1 FET의 소스와 제2 FET의 드레인 사이에서 상기 제1구동신호가 출력되며,

상기 제2게이트 드라이브는 상기 제2 PWM 신호의 전류량을 증폭시키기 위한 제3 FET 및 제4 FET를 포함하여 이루어지고, 제3 FET의 게이트에는 상기 제2 PWM 신호가 입력되고, 제3 FET의 드레인은 제2전원에 연결되고, 제3 FET의 소스는 제4 FET의 드레인에 연결되며,

제4 FET의 게이트에는 상기 제2 PWM 신호의 위상과 크기는 같고 위상이 반대인 신호가 입력되고, 제4 FET의 소스는 접지에 연결되고, 제4 FET의 드레인은 제3 FET의 소스에 연결되며, 상기 제3 FET의 소스와 제4 FET의 드레인 사이에서 상기 제2구동신호가 출력되는 것인 3상 모터에 있어서 IGBT를 구동하기 위한 장치.