KR20140076322A - 인버터의 게이트 드라이브 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경차량용 인버터의 게이트 드라이브 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터 각 상의 스위칭 소자의 게이트와 에미터 간 전원공급구조의 변경을 통해 원가 절감 및 사이즈 축소를 가능하도록 한 인버터의 게이트 드라이브 회로에 관한 것이다.
이에 본 발명은, 6상 인버터의 각 상에 게이트 전원을 공급하기 위한 것으로, 변압기의 2차측에는 제1,제2,제3,제4 전원공급부가 구성되고, 상기 제4 전원공급부는 생성된 전원을 인버터의 3상의 바텀상에 공통으로 공급가능하게 연결 구성되어, 각 바텀상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 동일 전원을 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 인버터의 게이트 드라이브 회로를 제공한다.

Description

인버터의 게이트 드라이브 회로 {GATE DRIVE CIRCUIT OF INVERTER}

본 발명은 환경차량용 인버터의 게이트 드라이브 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터 각 상의 스위칭 소자의 게이트와 에미터 간 전원공급구조의 변경을 통해 원가 절감 및 사이즈 축소를 가능하도록 한 인버터의 게이트 드라이브 회로에 관한 것이다.

환경차량의 모터 제어기인 인버터는 U,V,W의 3상으로 구분되고 또한 각 상은 탑(Top)과 바텀(Bottom)으로 구분되어 총 6개 상으로 구분될 수 있다.

기존에는 인버터의 각 상에 IGBT의 게이트와 에미터 간 스위칭 전원을 개별적으로 6개를 공급하고 있다.

하이브리드 차량 및 전기자동차에서 배터리 전원과 IGBT의 단자와의 절연은 안전, 단품 신뢰성에서 매우 중요한 요소이며, 단품 시험기준에서도 절연저항, 절연내력 항목으로 관리되는 중요 요소이다.

종래에는 IGBT와 배터리 전원 간 절연을 위해 게이트 전원 구조에서 트랜스포머(이하, '변압기'라고 함)를 사용하며, 변압기의 절연된 2차측으로부터 각 상의 게이트 전원을 생성한다.

이때 변압기 2차측의 각 상의 전원단은 정류 다이오드와 커패시터 뱅크, 일정 전압 유지를 위한 제너 다이오드 등의 소자로 구성되는데, 6상의 전원 생성을 위해서 각 상의 전원단마다 상기 다이오드, 커패시터, 제너 다이오드 등이 개별적으로 구성됨으로 인해 사이즈 축소, 재료비 절감, 부품 공정 관리의 개선이 어려운 문제점이 있다.

도 1은 종래의 인버터 게이트 드라이브 회로를 포함한 모터 제어기를 나타낸 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 종래에는 IGBT 즉, 인버터 각 상(11~16)의 스위칭 소자와 차량측 배터리 전원(B+) 간 절연분리를 위해 변압기(21)를 사용하며, 이 변압기(21)의 턴비와 스위칭을 통해 2차측의 6상에 개별 전원을 생성 공급하고 있다.

상기 변압기(21)의 2차측 전원으로 A,B,C,A’,B’,C’의 6상 전원이 생성되며, 각각의 전원은 U/V/W 3상의 탑(Top)상(11~13)과 바텀(Bottom)상(14~16)에 공급된다.

이때 각각의 상에 공급되는 전원레벨은 각 상의 IGBT에 따라 다르나, 일반적으로 게이트 온 전압은 +15V, 게이트 오프 전압은 -5V를 사용하게 되며, 게이트 오프 전압의 경우 0V를 사용하고 별도의 회로 구성을 통해 동일한 성능 확보가 가능하다.

상기와 같은 종래의 인버터 게이트 드라이브 회로의 경우, 각 상의 게이트 단자에 공급되는 6상의 전원을 각각 생성함에 따라 정류 다이오드, 커패시터, 제너 다이오드와 같이 일반적인 회로구성이 각각 수반되는데, 이에 따라 부품 소요에 따른 재료비 상승 및 부품 실장을 위한 PCB 면적 증가의 문제가 있으며, 또한 부품 배치, PCB 설계, 제조(SMT) 공정상 부품 관리 산포의 증대, 공정 공수 증가의 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 인버터 게이트 드라이브의 바텀 3상의 그라운드를 공동으로 연결하여 통합함으로써 부품 축소에 의한 원가 절감 및 패키지화에 유리한 인버터의 게이트 드라이브 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 6상 인버터의 각 상에 게이트 전원을 공급하기 위한 것으로, 변압기의 2차측에는 제1,제2,제3,제4 전원공급부가 구성되고, 상기 제4 전원공급부는 생성된 전원을 인버터의 3상의 바텀상에 공통으로 공급가능하게 연결 구성되어, 각 바텀상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 동일 전원을 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 인버터의 게이트 드라이브 회로를 제공한다.

상기 게이트 드라이브 회로에서, 상기 제1 전원공급부는 생성된 전원을 U 탑상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 연결 구성되고, 제2 전원공급부는 생성된 전원을 V 탑상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 연결 구성되고, 제3 전원공급부는 생성된 전원을 W 탑상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 연결 구성된다.

본 발명에 의하면 회로 및 부품 축소에 의한 원가 절감 및 사이즈 축소와 더불어, 불량률 저감과 신뢰성 향상, 그리고 생산성 향상의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 부품 삭제에 의한 보드 면적 축소로 패키지화한 단품조립체 상태의 출력밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 인버터 게이트 드라이브 회로를 포함한 모터 제어기를 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 인버터 게이트 드라이브 회로를 포함한 모터 제어기를 나타낸 도면
도 3은 도 2의 인버터 게이트 드라이브 회로를 확대 도시한 도면

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명은 하이브리드 차량 및 전기자동차 등의 환경차량에 사용되는 인버터의 게이트 드라이브 회로에 관한 것으로, 인버터의 각 상에 구성되는 스위칭 소자의 게이트와 에미터 간 전원공급구조를 통합형으로 변경 구성함으로써 원가 절감 및 사이즈 축소의 이점을 얻을 수 있도록 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 게이트 드라이브 회로의 바텀 3상(혹은 3상의 바텀상)을 공통 전원으로 연결 구성하여 통합하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 인버터 게이트 드라이브 회로를 포함한 모터 제어기를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 인버터 게이트 드라이브 회로를 확대 도시한 도면이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 모터 제어기는 모터(M)와 전기적으로 연결되는 6상 인버터(10)와, 이 인버터(10)의 각 상에 게이트 전원을 공급하기 위한 게이트 드라이브(20)를 포함하여 구성된다.

상기 인버터(10)에는 IGBT와 같은 스위칭 소자를 이용한 6상이 구성되며, 구체적으로 U상의 탑상(혹은 U 탑상)(11), V상의 탑상(혹은 V 탑상)(12), W상의 탑상(혹은 W 탑상)(13)과, U상의 바텀상(혹은 U 바텀상)(14), V상의 바텀상(혹은 V 바텀상)(15), W상의 바텀상(혹은 W 바텀상)(16)이 구성된다.

상기 게이트 드라이브(20)는 인버터의 각 상(11~16)에 게이트 전원을 공급할 수 있도록 구성되며, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, IGBT와 차량측 배터리 전원 간 절연분리를 위해 변압기(21)가 사용된다.

게이트 드라이브(20)는 상기 변압기(21)의 턴비와 스위칭을 통해 2차측 출력탭에 전원을 생성 공급하게 되며, 구체적으로 U/V/W 3상의 탑상(11~13)에는 각각 개별 전원을 공급하고, U/V/W 3상의 바텀상(14~16)에는 공통의 전원을 공급하게 된다.

도 3에서 변압기의 2차측 출력탭(혹은 전원단)을 구성하고 있는 회로를 위에서부터 각각 순차적으로 제1,제2,제3,제4 전원공급부라고 가정하고, 상기 제1,제2,제3,제4 전원공급부에서 생성되는 전원을 각각 A,B,C,D의 전원이라고 가정하여 설명한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 변압기(21)의 1차측 입력탭에는 차량의 배터리 전원(B+)이 구성되고, 2차측 출력탭에는 상기 배터리 전원(B+)으로부터 전원이 유도 생성되는 제1,제2,제3,제4 전원공급부(22~25)가 구성된다.

다시 말해, 상기 변압기(21)의 2차측 전원으로 A,B,C,D의 4상 전원이 생성되며, 각각의 전원은 변압기(21)의 2차측 출력탭인 제1,제2,제3,제4 전원공급부(22~25)를 통해 3상의 탑상(11~13)과 바텀상(14~16)에 공급된다.

구체적으로, A 전원은 U 탑상(11)의 게이트 단자에 공급되고, B 전원은 V 탑상(12)의 게이트 단자에 공급되고, C 전원은 W 탑상(13)의 게이트 단자에 공급되며, D 전원은 U 바텀상(14), V 바텀상(15), W 바텀상(16)의 게이트 단자에 공통으로 공급된다.

도 2에 보이듯이, 인버터(10)의 U/V/W 3상의 바텀상(14~16) 스위치는 각 스위칭 소자의 에미터 단자가 고전압전원부(V)의 음극단에 연결되어 있고, 동일 그라운드를 형성하고 있다. 동일 그라운드의 경우 보통 절연분리가 필요치 않고 또한 동전위이기 때문에 별도 분리가 필요치 않게 된다.

따라서, U/V/W 3상의 바텀상(14`16)에 공급하는 게이트 전원을 단일 전원공급부(제4 전원공급부)를 통해 공급할 수 있게 되며, 도 3과 같이 변압기(21) 2차측의 전원공급부를 4상으로 구성할 수 있게 된다.

한편, U/V/W 3상의 탑상(11~13)의 스위치는 각 스위칭 소자의 에미터 단자에 해당하는 U 탑상(11)의 그라운드, V 탑상(12)의 그라운드, W 탑상(13)의 그라운드가 별도로 구성되어 존재하며, 공통구조로 연결이 불가능하다.

따라서 U/V/W 3상의 탑상(11~13)에 공급되는 게이트 전원은 제1,제2,제3 전원공급부(22~25)를 통해 각각 개별적으로 공급된다.

여기서, 제1 전원공급부(22)는 생성된 전원을 U 탑상(11) 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 되고, 제2 전원공급부(23)는 생성된 전원을 V 탑상(12) 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 되고, 제3 전원공급부(24)는 생성된 전원을 W 탑상(13) 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 되며, 마지막으로 제4 전원공급부(25)는 생성된 전원을 U/V/W 3상의 바텀상(14~16) 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 된다.

상기 제1,제2,제3 전원공급부(22~24)는 각 탑상(11~13) 스위칭 소자의 게이트와 에미터 간에 개별적으로 전원공급이 가능하도록 각각 연결되어 구성되고, 제4 전원공급부(25)는 3상 바텀상(14~16) 스위칭 소자의 게이트와 에미터 간에 공통으로 전원공급이 가능하도록 연결 구성된다. 즉, 제4 전원공급부(25)는 각 바텀상(14~16) 스위칭 소자에 동일 게이트 전원(D 전원)을 공급할 수 있게 연결된다.

이와 같이 본 발명에서는 인버터의 3상 바텀상 스위치의 게이트와 에미터 간 전원공급구조를 공통 전원으로 통합하여 구성함으로써 변압기 사이즈 축소, 변압기 2차측 전원단의 소자 사용량 절감, 회로기판(PCB) 면적 축소 등을 통해 원가 절감 및 사이즈 축소의 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 3에 보이듯이, 제1,제2,제3,제4 전원공급부(22~25)는 변압기(21)의 2차측 출력탭(혹은 전원단)으로서 4상의 전원을 각각 생성하기 위해 정류 다이오드, 커패시터, 제너 다이오드와 같이 일반적인 회로구성이 각각 수반되는데, 종래 대비 2상의 전원단이 생략 가능하게 됨에 따라 상기 부품들의 소요량을 축소시키고 회로부품 삭제에 따른 부품실장 면적을 축소시켜, 상기와 같은 원가 절감 및 사이즈 축소의 효과를 이룰 수 있게 된다.

10 : 인버터
11 : U 탑상
12 : V 탑상
13 : W 탑상
14 : U 바텀상
15 : V 바텀상
16 : W 바텀상
20 : 게이트 드라이브
21 : 변압기
22 : 제1 전원공급부
23 : 제2 전원공급부
24 : 제3 전원공급부
25 : 제4 전원공급부

Claims (2)

1. 6상 인버터의 각 상에 게이트 전원을 공급하기 위한 것으로,
   변압기의 2차측에는 제1,제2,제3,제4 전원공급부가 구성되고, 상기 제4 전원공급부는 생성된 전원을 인버터의 3상의 바텀상에 공통으로 공급가능하게 연결 구성되어, 각 바텀상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 동일 전원을 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 인버터의 게이트 드라이브 회로.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 전원공급부는 생성된 전원을 U 탑상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 연결 구성되고, 제2 전원공급부는 생성된 전원을 V 탑상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 연결 구성되고, 제3 전원공급부는 생성된 전원을 W 탑상 스위칭 소자의 게이트와 에미터 사이에 공급할 수 있게 연결 구성된 것을 특징으로 하는 인버터의 게이트 드라이브 회로.
   

Images