KR20150040115A - 모터 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 에너지 저장부를 구비하고, 양방향으로 전원을 변환하는 양방향 컨버터; 상기 양방향 컨버터로부터 전원을 입력 받아 모터를 구동하는 인버터; 및 상기 양방향 컨버터의 상기 에너지 저장부에 저장된 에너지를 상기 인버터로 전달하는 전력 패스부;를 포함하는 모터 구동 장치에 관한 것이다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS}
본 발명은 효율이 향상된 모터 구동 장치에 관한 것이다.
인버터는 직류전원을 교류전원으로 변환하며, 평균전력이 직류측으로부터 교류측으로 전달되는DC/AC 전력변환기를 의미한다. 인버터는 전원의 형태에 따라 전압원 인버터와 전류원 인버터로 구분할 수 있다.
전압형 인버터는 직류 전압원(배터리)으로부터 전력을 받아서 전동기(모터) 로서 동작할 수 있다. 일반적으로, 인버터가 전동기로 동작 시에 배터리의 전압이 낮아지는 경향이 있고, 전동기는 계속 낮은 전압으로 동작함에 따라 성능 및 휴율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 인버터가 발전기로 동작하는 경우 회생되는 전압을 배터리에 충전시킴으로써 인버터에서 필요로 하는 전원을 충전시킨다. 그러나 회생되는 높은 전압은 불균일하고 반복 충전을 하기 때문에 배터리의 수명을 단축시키기도 한다.
한국공개특허 제10-2011-0062374호
본 발명에서는 전압형 인버터의 주 전원으로 사용하는 직류 링크단 캐패시터 앞에 양방향 스위칭 컨버터를 가지는 인버터 구조를 제안함으로써 고효율의 양방향 승압/강압이 가능한 모터 구동 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 장치는, 에너지 저장부를 구비하고, 양방향으로 전원을 변환하는 양방향 컨버터; 상기 양방향 컨버터로부터 전원을 입력 받아 모터를 구동하는 인버터; 및 상기 양방향 컨버터의 상기 에너지 저장부에 저장된 에너지를 상기 인버터로 전달하는 전력 패스부;를 포함한다.
상기 양방향 컨버터는, 제1 노드와 제2 노드 사이에 접속된 제1 인덕터; 상기 제2 노드와 기저 전원 사이에 접속되어 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭되는 제1 스위치; 상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 접속된 분리 커패시터;상기 제3 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 제2 인덕터; 및 상기 제3 노드와 제4 노드에 접속된 제2 스위치;를 포함할 수 있다.
상기 모터 구동 장치는 상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 입력 커패시터; 및 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 출력 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 패스부는, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이에 형성될 수 있다.
상기 전력 패스부는, 서로 직렬 연결된 제3 스위치, 제4 스위치 및 보조 인덕터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 에너지 저장부를 구비하고, 양방향으로 전원을 변환하는 SEPIC/ZETA 컨버터; 상기 SEPIC/ZETA 컨버터로부터 전원을 입력 받아 모터를 구동하는 인버터; 및 상기 양방향 컨버터의 상기 에너지 저장부에 저장된 에너지를 상기 인버터로 전달하는 전력 패스부;를 포함한다.
상기 SEPIC/ZETA 컨버터는, 제1 노드와 제2 노드 사이에 접속된 제1 인덕터;
상기 제2 노드와 기저 전원 사이에 접속되어 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭되는 제1 스위치; 상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 접속된 분리 커패시터; 상기 제3 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 제2 인덕터; 및 상기 제3 노드와 제4 노드에 접속된 제2 스위치; 를 포함할 수 있다.
상기 모터 구동 장치는, 상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 입력 커패시터; 및 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 출력 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 패스부는, 상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이에 형성될 수 있다.
상기 전력 패스부는, 서로 직렬 연결된 제3 스위치, 제4 스위치 및 보조 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 모터 구동 장치는, 상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 전원 입력부가 연결되고, 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 상기 인버터가 연결될 수 있다.
상기 모터 구동 장치는, 상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 부하가 연결되고, 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 상기 인버터가 연결되어 상기 인버터로부터 전원을 인가 받을 수 있다.
본 발명에서는 전압형 인버터의 주 전원으로 사용하는 직류 링크단 캐패시터 앞에 양방향 스위칭 컨버터를 가지는 인버터 구조를 제안함으로써 고효율의 양방향 승압/강압이 가능한 모터 구동 장치를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 모터 구동 장치의 시뮬레이션 테스트 회로 구조이다.
도 4는 도 3에 도시된 회로 각 부의 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 모터 구동 장치의 시뮬레이션 테스트 회로 구조이다.
도 6은 도 5에 도시된 회로 각 부의 파형을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "유닛" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 구동 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치는 입력 전원부(100), 양방향 컨버터(200), 전력 패스부(300) 및 인버터(400)를 포함하여 구성된다.
양방향 컨버터(200)는 양방향으로 전력의 흐름을 제어하는 컨버터이다. 배터리 등 전압원이 낮을 때는 승압(Boost Mode) 기능을 수행할 수 있고, 반대로 높은 전압을 강압(Buck Mode)시키는 기능을 수행할 수도 있다.
일 실시예로, 양방향 컨버터(200)는 SEPIC(Single-Ended Primary-Inductor Converter) /ZETA(known as the inverted SEPIC) 토폴로지가 적용될 수 있다. SEPIC 컨버터, ZETA 컨버터는 승압 및 강압을 모두 수행할 수 있다.
SEPIC/ZETA 컨버터는 일 방향에서는 SEPIC 컨버터로 동작하며, 다른 방향에서는 ZETA 컨버터로 동작할 수 있는 컨버터를 의미할 수 있다.
즉, 기존 SEPIC 컨버터와 ZETA 컨버터에서 다이오드 소자를 능동 스위치 소자로 변환하고, 도 2와 같이 회로를 구성하면, 화살표 오른쪽 방향으로는 SEPIC 컨버터, 화살표 왼쪽 방향으로는 ZETA 컨버터로 동작할 수 있다.
따라서, 상기 양방향 컨버터(200)는 양방향으로 승압 및 강압이 자유로운 DC/DC 컨버터로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 양방향 SEPIC/ZETA 컨버터로 동작할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 일 방향에서 SEPIC 컨버터로 동작할 수 있으며, 타 방향에서는 ZETA 컨버터로 동작할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 이하의 실시예에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터(200)가 SEPIC 컨버터로 동작하는 상황을 설명하기로 한다.
입력 전원(100)은 양방향 컨버터(200)의 제 1 노드(Node; N1)와 기저 전원 사이에 접속된다. 이러한, 입력 전원(100)은 소정 레벨(Level)의 입력 전압을 양방향 컨버터(200)에 공급하는 것으로, 벽 전원 또는 배터리(Battery)가 될 수 있다.
양방향 컨버터(200)는 입력 커패시터(Ci), 제1 인덕터(L1), 제1 스위치 소자(S1), 분리 커패시터(Cs), 제 2 인덕터(L2), 제2 스위치 소자(S2) 및 출력 커패시터(Co)를 포함하여 구성된다.
입력 커패시터(Ci)는 제 1 노드(N1)와 기저 전원 사이에 접속된다. 이러한, 입력 커패시터(Cin)는 메인 스위치 소자(S1)의 스위칭에 따라 입력 전원(Vi)으로부터 공급되는 전압을 저장하고, 저장된 에너지를 출력한다.
제 1 인덕터(L1)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 접속된다. 즉, 제 1 인덕터(L1)의 일단은 제 1 노드(N1)에 접속되고, 타단은 제 2 노드(N2)를 통해 분리 커패시터(Cs)의 일단에 접속된다. 이러한, 제 1 인덕터(L1)는 메인 스위치 소자(S1)의 스위칭에 따라 입력 전원(Vi) 및/또는 입력 커패시터(Ci)로부터 공급되는 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 출력한다.
제1 스위치 소자(S1)는, 외부의 듀티(Duty) 제어부(미도시)로부터 공급되는 소정의 온(ON) 듀티를 가지는 제 1 스위칭 신호에 따라 스위칭되어 양방향 컨버터(200) 내의 전류 흐름을 제어한다.
이를 위해, 제1 스위치 소자(S1)는 제 1 스위칭 신호가 공급되는 게이트 단자, 제 2 노드(N2)에 접속된 드레인 단자, 및 기저 전원에 접속된 소스 단자를 포함하여 구성된다.
이러한, 제1 스위치 소자(S1)는 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), 또는 통합 게이트 정류 사이리스터(Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT)가 될 수 있다.
상기의 제1 스위치 소자(S1)는 소스 단자로부터 드레인 단자 쪽으로 순방향 바이어스되도록 형성된 내부 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
분리 커패시터(Cs)는 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 접속된다. 즉, 분리 커패시터(Cs)의 일단은 제 2 노드(N2)에 접속되고, 타단은 제 3 노드(N3)에 접속된다. 이러한, 분리 커패시터(Cs)는 제1 스위치 소자(S1)의 스위칭에 따라 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 부하(Load)로 출력한다.
제 2 인덕터(L2)는 제 3 노드(N3)와 기저 전원 사이에 접속된다. 즉, 제 2 인덕터(L2)의 일단은 제 3 노드(N3)에 접속되고, 타단은 기저 전원에 접속된다. 이러한, 제 2 인덕터(L2)는 제1 스위치 소자(S1)의 스위칭에 따라 공급되는 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 부하(Load)로 출력하거나, 분리 커패시터(Cs)로 출력하여 분리 커패시터(Cs)를 충전시킨다.
제2 스위치 소자(S2)는, 외부의 듀티(Duty) 제어부(미도시)로부터 공급되는 소정의 온(ON) 듀티를 가지는 제 2 스위칭 신호에 따라 스위칭되어 전력 변환부(110) 내의 전류 흐름을 제어한다.
이를 위해, 제2 스위치 소자(S2)는 제 2 스위칭 신호가 공급되는 게이트 단자, 제 3 노드(N3)에 접속된 드레인 단자, 및 제 4 노드(N4)에 접속된 소스 단자를 포함하여 구성된다.
이러한, 제2 스위치 소자(S2)는 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), 또는 통합 게이트 정류 사이리스터(Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT)가 될 수 있다.
제2 스위치 소자(S2)는 소스 단자로부터 드레인 단자 쪽으로 순방향 바이어스되도록 형성된 내부 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
제2 스위치 소자(S2)에 형성된 내부 다이오드는 제 3 노드(N3)와 제 4 노드(N4) 사이에 접속된다. 즉, 상기 내부 다이오드의 애노드 단자는 제 3 노드(N3)에 접속되고, 캐소드 단자는 제 4 노드(N4)에 접속된다.
이러한, 내부 다이오드는 제 3 노드(N3)와 제 4 노드(N4)의 전압 레벨에 따라 도통되어 제 1 및 제 2 인덕터(L1, L2)에 저장된 에너지를 제 4 노드(N4)로 출력한다. 또한, 상기 내부 다이오드는 제 4 노드(N4)로부터 제 3 노드(N3) 쪽으로 흐르는 역방향 전류를 차단한다.
출력 커패시터(Co)는 제 4 노드(N4)와 기저 전원 사이에 접속된다. 즉, 출력 커패시터(Co)의 일단은 제 4 노드(N4)에 접속되고, 타단은 기저 전원에 접속된다.
이러한, 출력 커패시터(Co)는 제1 스위치 소자(S1)의 온(ON)시 제 4 노드(N4)를 통해 부하(Load)로 출력되는 전압을 일정하게 평활함과 아울러 저장하고, 메인 스위치 소자(S1)의 오프(OFF)시 저장된 전압을 제 4 노드(N4)를 통해 부하(Load)로 출력한다.
여기서, 부하(Load)는 발광 다이오드(LED), 발광 다이오드 어레이(LED Array), 백 라이트 유닛, 각종 정보 기기, 또는 디스플레이 장치 등이 될 수 있다.
이와 같은 양방향 컨버터(200)는 제 1 스위칭 신호에 따른 제1 스위치 소자(S1)의 온(ON)시, 제 1 인덕터(L1)를 충전시킴과 동시에 분리 커패시터(Cs)에 저장된 에너지의 방전을 통해 제 2 인덕터(L2)를 충전시키고, 제 1 스위칭 신호에 따른 제 1 스위치 소자(S1)의 오프(OFF)시, 제 1 및 제 2 인덕터(L1, L2)에 저장된 에너지를 제 4 노드(N4)로 출력함과 아울러 출력 커패시터(Cout)를 충전시킨다.
전력 패스부(300)는 추가 전력 전달 패스를 형성할 수 있으며, 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 보조 인덕터 소자(La)를 포함할 수 있다. 여기서, 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4), 보조 인덕터 소자(La)는 서로 직렬 연결될 수 있다.
제3 스위치(S3)의 일 단은 제 2 노드(N2)에 연결될 수 있고, 보조 인덕터 소자(La)의 일 단은 제 4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
제3 스위치 소자(S3)는 소스 단자로부터 드레인 단자 쪽으로 순방향 바이어스되도록 형성된 내부 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또, 제4 스위치 소자(S4)는 소스 단자로부터 드레인 단자 쪽으로 순방향 바이어스되도록 형성된 내부 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
제3 스위치 소자(S3)의 드레인 단자와 상기 제4 스위치 소자(S4)의 드레인 단자는 서로 연결될 수 있다.
제3 스위치 소자(S3), 제4 스위치 소자(S4)는 제 2 노드(N2)를 통해 공급되는 전류를 보조 인덕터 소자(La)에 공급할 수 있다.
보조 인덕터 소자(La)는 제3 스위치 소자(S3), 제4 스위치 소자(S4)의 스위칭에 따라 공급되는 에너지를 저장함으로써 제1 스위치 소자(S1)에 흐르는 전류 레벨 및 스위칭 손실을 감소시켜 메인 스위치 소자(S1)를 소프트 스위칭(Soft Switching)시킨다.
이와 같은 전력 패스부(300)는 메인 스위칭 소자(S1)의 턴-오프된 이후에, 제3 스위치 소자, 제4 스위치 소자를 소프트 스위칭시킴으로써 보조 인덕터 소자(La)를 통해 제 1 인덕터(L1)와 제4 노드(N4)의 전력 패스를 직접 형성하여 스위칭 손실 없이 고효율로 직접 전달되는 상당한 량의 전력을 제4 노드(N4)로 직접 출력한다.
또한, 전력 패스부(300)는 제1 스위치 소자(S1)의 턴-온시 보조 인덕터 소자(La)의 전류 특성을 이용하여 제1 스위치 소자(S1)에 흐르는 전류를 선형적으로 천천히 증가시켜 제1 스위치 소자(S1)를 소프트 스위칭시킴으로써 제1 스위치 소자(S1)의 턴-온 로스 및 제3, 4 스위치 소자(S2)의 턴-오프 로스를 제거한다.
나아가, 전력 패스부(300)는 보조 인덕터 소자(La)의 전류 특성을 이용하여 제 2 스위치를 경유한 경로가 차단되는 경우, 제3, 4 스위치 소자(S3, S4)에 흐르는 전류를 선형적으로 천천히 증가시켜 제 2 스위치(S2)에 흐르는 전류를 선형적으로 천천히 감소시킴으로써 제 2 스위치(S2)의 턴-오프 로스와 제3, 4 스위치의 턴-온 로스를 제거한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치는 전력 패스부(300)를 통해 제 1 인덕터(L1)와 제4 노드(N4) 사이의 전류 패스를 직접 형성하여 보조 인덕터 소자(La)를 통해 상당한 양의 전력이 스위칭 손실 없이 부하(Load)로 직접 출력함과 아울러 나머지 전압 및 전류 변환에 필요한 전력 량을 양방향 컨버터(200)를 통해 부하(Load)로 출력한다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 장치는 전력 패스부 (300)를 통해 각 스위칭 소자의 전력 손실을 감소시켜 직류-직류 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
인버터(400)는 직류전원을 교류전원으로 변환하며, 평균전력이 직류측으로 부터 교류측으로 전달되는DC/AC 전력변환기를 의미한다. 인버터(400)는 전원의 형태에 따라 전압원 인버터와 전류원 인버터로 구분할 수 있다.
인버터(400)는 직류 전압원(배터리 등)으로부터 전력을 받아서 전동기(모터) 로서 동작할 수 있다. 인버터(400)는 양방향 컨버터(200)의 제 4 노드(N4)와 기저 전원 사이에 접속되어 안정적인 전원을 공급받을 수 있다.
일반적으로, 인버터(400)가 전동기로 동작 시에 배터리의 전압이 낮아지는 경향이 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 장치는, 양방향 컨버터(200)가 낮아진 전압을 승압(Boost)시킴으로써 인버터(400)가 전동기로서 안정적인 구동이 가능할 수 있도록 한다.
한편, 인버터(400)는 발전기로 동작하여 모터 구동 장치에 회생 전압을 제공할 수 있다. 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 부하가 연결되고, 제4 노드와 기저 전원 사이에 상기 인버터가 연결되어, 양방향 컨버터(200)는 상기 인버터로부터 전원을 인가 받을 수 있다.
일반적으로는 회생되는 높은 전압을 배터리에 저장시킬 수 없지만, 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 장치는, 양방향 컨버터(200)가 회생되는 높은 전압을 낮은 전압으로 강압(Buck 동작)시킬 수 있어, 전압원 배터리에 안정적인 전원을 충전시켜 전원을 다시 공급하여 줄 수 있다.
지금까지, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치가 SEPIC 컨버터로 동작하는 상황을 설명하였다. 앞에서 전원 입력부와 부하의 위치를 바꾸는 경우, 상기 모터 구동 장치는 ZETA 컨버터로 동작할 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이므로, 이에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
즉, ZETA 컨버터로 동작되는 경우, 상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 부하가 연결되고, 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 전원 입력부가 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치가 ZETA 컨버터로 동작하는 경우, 제2 스위치 소자(S2)가 제1 스위치 소자(S1)의 역할을 대신할 수 있다.
전력 패스부(300)에 의한 추가전력 전달 패스는 입력과 출력 사이에 직접적인 전력 전달 역할을 수행할 수 있다.
이 때, SEPIC 동작 시의 입출력 변환비는 Vo/Vi=(1-D2)/(1-D1)으로 나타낼 수 있다. 또, ZETA 동작 시의 입출력 변환비는 Vo/Vi=(1-D1)/(1-D2)로 나타낼 수 있다.
여기서, D1은 제1 스위치(S1)의 도통 비율, D2는 제2 스위치(S2)의 도통 비율을 의미한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치는 기존의 양방향 컨버터와 달리 입출력간의 승압 또는 강압이 자유롭다. 예컨대, 입력이 10 내지 20V라고 가정하고, 출력이 10 내지 20V 라고 가정하는 경우, 입력과 출력 전압 범위가 겹칠 때에도 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치는 추가 전력 전달 패스로 전력이 전달될 때, 제1 인덕터(L1), 제2 인덕터(L2)에 인가되는 전압이 Vi-Vo으로 감소하여 전류 리플이 감소한다.
리플 전류가 감소하면 회로 내 rms 전류가 감소하여 인덕터 dc 저항 손실과 커패시터 직렬 저항 손실이 감소하여 효율이 상승할 수 있다. 즉, 추가 전력 전달 패스로 전력이 전달되는 시간이 증가할수록 효율 상승 효과는 커질 수 있다.
또, 추가된 전력 전달 패스상의 보조 인덕터(La)는 스위칭 소자간의 소프트 전류 정류(soft current commutation)를 유도하여 영전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS)을 가능하게 할 수 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동 장치는 기존의 다이오드를 능동 스위치로 대치함에 따라 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 도통 손실을 저감할 수 있다.
또, 스위치 소자내에 포함되어 있는 내부 다이오드가 도통되어 있는 상태에서 스위치가 턴온/오프되면 영전압 스위칭이 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 모터 구동 장치의 시뮬레이션 테스트 회로 구조이며, SEPIC 컨버터 동작을 나타낸 도면이다. 도 4는 도 3에 도시된 회로 각 부의 파형을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 추가 전력 전달 패스로 인하여 인덕터 리플 전류가 감소함을 확인할 수 있다.
한편, 보조 인덕터(La)의 소프트 전류 정류(soft current commutation)와 적절한 스위치 제어에 의하여 스위치 소자들의 ZCS, ZVS를 확인할 수 있다.
즉, 스위칭 소자(Q1)는 턴 온 시에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q2)는 턴 온/오프 시에 영전압 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다.
또, 스위칭 소자(Q2)의 내부 다이오드(DQ2)는 턴 오프시에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q3)의 내부 다이오드(DQ3)는 턴 온/오프 시에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다.
또, 스위칭 소자(Q3, Q4)는 턴 온/오프 싱에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q2, Q3)의 영전압 스위칭 동작도 확인할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 모터 구동 장치의 시뮬레이션 테스트 회로 구조이며, ZETA 컨버터 동작을 나타낸 도면이다. 도 6은 도 5에 도시된 회로 각 부의 파형을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 추가 전력 전달 패스로 인하여 인덕터 리플 전류가 감소함을 확인할 수 있다.
한편, 보조 인덕터(La)의 소프트 전류 정류(soft current commutation)와 적절한 스위치 제어에 의하여 스위치 소자들의 ZCS, ZVS를 확인할 수 있다. 즉, 스위칭 소자(Q5)는 턴 온 시에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q6)는 턴 온/오프 시에 영전압 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다.
또, 스위칭 소자(Q6)의 내부 다이오드(DQ6)는 턴 오프시에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q7)의 내부 다이오드(DQ7)는 턴 온/오프 시에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다.
또, 스위칭 소자(Q7, Q8)는 턴 온/오프 싱에 영전류 스위칭이 가능함을 확인할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q6, Q7)의 영전압 스위칭 동작도 확인할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 전원 입력부
200: 양방향 컨버터
300: 전력 패스부
400: 인버터

Claims (12)

  1. 에너지 저장부를 구비하고, 양방향으로 전원을 변환하는 양방향 컨버터;
    상기 양방향 컨버터로부터 전원을 입력 받아 모터를 구동하는 인버터; 및
    상기 양방향 컨버터의 상기 에너지 저장부에 저장된 에너지를 상기 인버터로 전달하는 전력 패스부;
    를 포함하는 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 양방향 컨버터는,
    제1 노드와 제2 노드 사이에 접속된 제1 인덕터;
    상기 제2 노드와 기저 전원 사이에 접속되어 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭되는 제1 스위치;
    상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 접속된 분리 커패시터;
    상기 제3 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 제2 인덕터; 및
    상기 제3 노드와 제4 노드에 접속된 제2 스위치;
    를 포함하는 모터 구동 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 입력 커패시터; 및
    상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 출력 커패시터를 더 포함하는 모터 구동 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 전력 패스부는,
    상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이에 형성된 모터 구동 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 전력 패스부는,
    서로 직렬 연결된 제3 스위치, 제4 스위치 및 보조 인덕터를 포함하는 모터 구동 장치.
  6. 에너지 저장부를 구비하고, 양방향으로 전원을 변환하는 SEPIC/ZETA 컨버터;
    상기 SEPIC/ZETA 컨버터로부터 전원을 입력 받아 모터를 구동하는 인버터; 및
    상기 양방향 컨버터의 상기 에너지 저장부에 저장된 에너지를 상기 인버터로 전달하는 전력 패스부;
    를 포함하는 모터 구동 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 SEPIC/ZETA 컨버터는,
    제1 노드와 제2 노드 사이에 접속된 제1 인덕터;
    상기 제2 노드와 기저 전원 사이에 접속되어 제1 스위칭 신호에 따라 스위칭되는 제1 스위치;
    상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 접속된 분리 커패시터;
    상기 제3 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 제2 인덕터; 및
    상기 제3 노드와 제4 노드에 접속된 제2 스위치;
    를 포함하는 모터 구동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 입력 커패시터; 및
    상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 접속된 출력 커패시터를 더 포함하는 모터 구동 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 전력 패스부는,
    상기 제2 노드와 상기 제4 노드 사이에 형성된 모터 구동 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 전력 패스부는,
    서로 직렬 연결된 제3 스위치, 제4 스위치 및 보조 인덕터를 포함하는 모터 구동 장치.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 전원 입력부가 연결되고, 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 상기 인버터가 연결되는 모터 구동 장치.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 기저 전원 사이에 부하가 연결되고, 상기 제4 노드와 상기 기저 전원 사이에 상기 인버터가 연결되어 상기 인버터로부터 전원을 인가 받는 모터 구동 장치.
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