KR20170013095A - 모터 드라이버의 반사파 노이즈 제거를 위한 임피던스 매칭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 드라이버로, 모터 구동에 필요한 펄스폭변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호를 발생하는 제어부; 상기 게이트 제어신호를 증폭하여 한쌍의 드라이버 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및 상기 드라이버 신호가 인가됨에 따라 구동 트랜지스터들이 선택적으로 스위칭되면서 출력 접속점으로부터 구동전압을 발생하여 상기 모터를 구동시키는 인버터;를 포함하되, 상기 게이트 드라이버와 상기 인버터 사이에 반사파를 제거하는 임피던스 매칭 장치가 삽입된 형태로 설계된다.

Description

모터 드라이버의 반사파 노이즈 제거를 위한 임피던스 매칭 장치{Apparatus for Matching Impedance for Removing Reflection Noise of Motor Driver}

본 발명은 임피던스 매칭 장치에 관한 것으로, 특히 모터 드라이버에서의 전자파 노이즈를 최소화할 수 있는 임피던스 매칭 장치에 관한 것이다.

모터 드라이버의 인버터로부터 발생된 전자파 노이즈는 주변 전자기기에 영향을 미쳐 전자기기의 성능에 장애를 유발하는 원인이 된다. 더욱이, 자동차에서는 모터 드라이버의 인버터로부터 발생된 전자파 노이즈를 억제하지 않을 경우에 전자기기의 오작동으로 인한 인명 및 재산상의 피해를 예상할 수 있다. 예컨대, 자동차의 급발진 현상은 전자기기의 오동작으로 인한 대표적인 사례로 알려져 있다. 이와 같은 이유로, 모터 드라이버의 인버터는 전력 스위칭 반도체 소자의 고속 스위칭 동작에 따른 전자파 노이즈(특히, 라디오 주파수 대역의 전자파 노이즈)를 중점적으로 감소시켜 전자파 간섭에 의한 전자 장치의 오작동을 방지하여야 한다.

이에 따라, 종래에는 모터 드라이버에서 인버터로부터 발생되는 라디오 주파수 대역(특히, AM 및 FM주파수 대역)의 전자파 노이즈를 집중적으로 감소시키기 위해, 전원 양단에 연결된 X-cap을 형성하는 캐패시터를 기반으로 각 스위칭소자에 R-C 스너버 회로를 삽입하여 라디오 주파수 대역의 주파수를 감소시킨다.

그런데, 이러한 스너버 회로는 인버터를 구성하는 한 쌍의 스위칭소자들의 후단에 각각의 드레인과 소스 사이에 병렬 접속되는 형태로 구성된다. 즉, 종래에는 모터 드라이버의 후단에 별도의 칩 외부(off-chip)의 소자를 부착하는 형태를 갖는다. 그런데, 이러한 칩 외부(off-chip)의 소자의 사용으로 인해 별도의 비용이 발생될 뿐만 아니라, 별도의 설치 공간이 마련되어야 한다는 불편함이 있다.

또한, 종래의 스너버 회로와 같이 R-C 소자들로 구성되는 필터는 고주파 신호에 대해서는 필터링 성능이 저하된다.

본 발명은 모터 드라이버에 원칩 형태로 삽입되는 임피던스 매칭 장치를 제공한다.

본 발명은 모터 드라이버의 고주파 신호에서 필터링 성능을 향상시킬 수 있는 임피던스 매칭 장치를 제공한다.

본 발명은 임피던스 매칭 장치.모터 구동에 필요한 펄스폭변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호를 발생하는 제어부; 상기 게이트 제어신호를 증폭하여 한 쌍의 드라이버 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및 상기 드라이버 신호가 인가됨에 따라 구동 트랜지스터들이 선택적으로 스위칭되면서 출력 접속점으로부터 구동전압을 발생하여 상기 모터를 구동시키는 인버터;를 포함하는 모터 드라이버에서, 상기 게이트 드라이버에 그 입력단이 연결되고, 상기 인버터에 그 출력단이 연결되어 상기 모터 드라이버와 원칩으로 설계되되, 상기 게이트 드라이버에 해당하는 신호원 임피던스와 상기 인버터 및 모터에 해당하는 부하 임피던스가 매칭되도록 설계됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 임피던스 매칭 장치는 모터 드라이버와 원칩 형태로 설계되어, 별도의 칩 외부(off-chip)의 소자가 필요없어 비용 및 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 임피던스 매칭 장치는 집중 소자 뿐만 아니라, 마이크로스트립(microstrip) 선로의 패턴이 L과 C로 변하므로 파장에 따른 설계를 통해 고주파를 처리할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 매칭 장치가 적용된 모터 드라이버의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 임피던스 매칭 장치가 적용된 모터 드라이버의 예시도이다.
도 3a 내지 3e은 집중소자(Lumped Element)를 이용하여 구성된 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.
도 4a는 quarterwave transformer를 이용한 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.
도 4b는 Power combiner를 이용한 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 커플러를 이용한 임피던스 매칭 장치의 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 매칭 장치가 적용된 모터 드라이버의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 모터 드라이버는 제어부(10), 드라이버(20) 및 인버터(30)로 구성되어 모터(40)에 구동 전압을 인가한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 인버터(30)에서 발생되는 반사파 노이즈를 제거하기 위해, 게이트 드라이버(20)와 인버터(30) 사이에 임피던스 매칭 장치(100)가 삽입되어 원칩으로 설계되는 특징을 가진다.

제어부(10)는 모터 구동에 필요한 펄스폭 변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호(HIN,LIN)를 발생시킨다.

게이트 드라이버(20)는 제어부(10)로부터 출력되는 게이트 제어신호(HIN,LIN)를 인버터(30)를 구성하는 상측 및 하측 구동트랜지스터들(41, 42)을 구동할 수 있는 상측 및 하측 드라이버 출력(HO,LO)으로 변환하여 출력한다.

인버터(30)는 상측 구동트랜지스터(Q1)(31)와 하측 구동트랜지스터(Q2)(32)가 각각 공급전원(VDD)과 접지 사이에 모터(40)에 접속된 출력회로를 형성하도록 상측 구동트랜지스터(Q1)(21)의 소스가 하측 구동트랜지스터(Q2)(32)의 드레인에 각각 접속되며, 접속점으로부터 모터(40)에 대한 출력신호가 발생된다. 여기서, 구동트랜지스터(Q1, Q2)는 스위칭 소자로서 동작하는 n형 파워 MOS FET로 이루어지며, 구동트랜지스터(Q1, Q2)의 드레인과 소스 사이에는 구동트랜지스터가 턴오프시에 모터(40)로부터 발생된 역기전력을 프리휠링시키기 위한 다이오드(D1, D2)가 역방향으로 접속되어 있다. 또한, 구동트랜지스터(Q1, Q2)의 게이트와 소스 사이에 접속된 저항(R1, R2)은 고용량 저항으로서 FET의 게이트와 소스 사이에 형성되는 기생 캐패시터에 충전된 전하에 의해 FET가 오동작하는 것을 방지하도록 기생 캐패시터에 충전된 전하를 방전시키기 위한 것이다. 이러한 저항(R1, R2)은 생략하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같이 본 발명에서는 임피던스 매칭 장치(100)는 신호를 전송할 때 신호의 반사파를 제거하는 역할을 한다. 인버터(30) 전단에 임피던스 매칭 장치(100)가 위치하도록 설계하는데, 이러한 임피던스 매칭부(100)는 신호원 임피던스(Zin)를 구성하는 드라이버(20)의 임피던스와 부하 임피던스(ZL)를 구성하는 인버터(30) 및 모터(40)의 임피던스를 매칭시키도록 설계된다. 또한, 임피던스 매칭부(100)는 게이트 드라이버(20)와 상측 구동 트랜지스터(31) 사이에 삽입되는 상측 필터(110)와, 게이트 드라이버와 하측 구동 트랜지스터(32) 사이에 삽입되는 하측 필터(120)를 포함한다.

여기서, 부하 임피던스(ZL)는 구동트랜지스터(31, 32)의 임피던스값과 모터(40)의 임피던스값으로 제조 업체에서 제공하는 정보를 통해 획득되거나, LCR 미터에 의해서 측정될 수 있다. 또한, 신호원 임피던스(Zin)는 게이트 드라이버(Driver) 출력값으로 제조 업체에서 제공하는 정보를 통해 획득되거나, 측정에 의해서 획득될 수 있다. 그러면, 전술한 바와 같이 획득된 입력단 임피던스(Zin) 및 출력단 임피던스(ZL)를 이용하여 하기의 <수학식 1>에서의 반사 계수(

)가 0에 가깝도록 매칭용 임피던스(Zo)를 선정한다. 이때, 최대 오차 10%를 고려하여 매칭용 임피던스(Zo)가 선정된다.

<수학식 1>

임피던스 매칭용 임피던스(Zo)가 선정되면, 그에 따라 임피던스 매칭 회로가 설계된다.

임피던스 매칭 장치(100)에 포함되는 매칭 회로인 상측 필터(110) 및 하측 필터(120)는 동일한 방식으로 설계된 매칭 회로로 구성될 수도 있고, 상이한 방식으로 설계된 매칭 회로로 구성될 수 있다. 이러한 임피던스 매칭 회로는 집중소자(Lumped Element)인 커패시터 및 인덕터를 이용하여 설계되거나, 고주파의 경우 마이크로스트립(microstrip) 선로의 패턴이 L과 C로 변하므로 파장에 따른 설계가 가능하다. 이러한 다양한 설계 방식들에 의해 도 2에 도시된 상측 필터(110) 및 하측 필터(120)의 입/출력 단자들 A, B, C에 연결되는 매칭 회로의 예들이 하기의 도 3a 내지 도 5c에 도시되어 있다.

도 3a 내지 3e은 집중소자(Lumped Element)를 이용하여 구성된 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.

도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 인덕턴스 또는 캐패시턴스가 L 형으로 연결되어 있다. 두 개의 집중소자 중 어느 쪽이 접지되는가에 따라 L 형 회로망의 토폴로지(Topology)가 결정된다. 그리고 사용되는 두 집중 소자의 값이 설계변수가 된다. 따라서, 본 발명에서는 전술한 매칭 임피던스에 따라, 두 집중 소자의 값을 결정하게 된다.

도 4a는 quarterwave transformer를 이용한 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.

도 4a를 참조하면, quarterwave transformer를 이용한 임피던스 매칭 회로는 두 개의 임피던스단 사이에 1/4파장 길이의 중간적 임피던스를 삽입한다. 전력 분배기(power divider)는 신호원으로부터 출력되는 초고주파 신호를 여러 개의 필요 부분에 일정한 비율로 분배한다. 그리고, 전력합성기(power combiner)는 여러 개의 신호원 또는 증폭기로부터 출력되는 초고주파 신호를 결합하여 출력한다. 이러한 전력분배기/합성기의 일 예로는 '윌킨슨(Wilkinson)'에 의해 제안된 N-웨이 윌킨슨 전력분배기(여기서, N은 1보다 큰 정수)를 들 수 있다. N-웨이 윌킨슨 전력분배기의 기본적인 구성은 적어도 하나의 고주파 신호를 입력하기 위한 입력포트와, 상기 입력포트로 입력되는 고주파신호를 분배 출력하기 위한 하나 이상의 출력포트를 갖는다. 이러한 구성은 여러 형태로 제작이 가능하나, 마이크로 스트립 라인으로 구성되거나 스트립 기판상에 구성될 수 있다.

도 4b는 Power combiner를 이용한 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.

도 4b를 참조하면, PA 두 개를 병렬로 하여 최대 출력전력용량을 늘릴 수 있다. 이를 소위 balanced amplifier 구조라고 한다. 그러기 위해선 입력 신호를 두갈래로 정확히 나누고(divide), 각각 증폭시킨 다음 다시 각각 증폭된 신호를 하나의 경로로 합치는(combine) 소자, 즉 divider와 combiner가 필요하다. 도 4b에서는 divider와 combiner가 후술될 도 5d에 도시된 Lange Coupler의 형태로 구성된 일 예가 도시되어 있다.

도 5a 내지 도 5d는 커플러를 이용한 임피던스 매칭 회로의 예시도이다.

도 5a를 참조하면, Coupled Line Coupler로 가장 기본적이고 형태의 커플러이다, 두 개의 선로가 근접한 채 놓여있고, 그 선로의 간격과 길이에 의해 커플링양이 조절되는 커플러로서 Microstrip이나 Stripline과 같은 전송선로형태로 쉽게 구현된다. 또한, 이러한 커플링 자체의 특성을 이용하여 동축선과 같은 형태로도 가변될 수 있다. 하나의 입력포트(input)가 있고, 그것이 거의 그대로 통과되는 통과(through) 포트, 그리고 그렇게 통과되는 전력의 일부를 추출하는 포트(Coupled out)의 3개 포트로 구성되어 있으며, 전력배분용이 아닌 신호추출/검출용으로 주로 사용된다. 그 중 나머지 한부위의 포트는 격리포트(isolation)로서, 선로임피던스에 맞추어(통상 50옴) 저항 접지시켜 termination을 시켜놓아서 실제로는 입출력용으로 사용하지 않는 포트가 된다. 구조상 이 격리포트로는 전력이 전달되지 않지만, 만에 하나 전달되는 누설 전력이 반사되어 돌아오지 않도록 저항으로 접지시켜 열로 소모시켜 버리는 역할을 하게 되며, 이러한 격리 포트는 여러 커플러에서 전력안정화를 위해 사용한다.

도 5b를 참조하면, Quadrauture Hybrid(Branch Line) 커플러를 사용하는데, branch line을 통한 Direct coupling을 직접 이용한 대표적인 전송선로(microstrip/stripline) 커플러이다. 두 개의 출력은 각각 반반씩의 파워, 즉 -3dB coupler로서 입력 전력을 균등하게 배분하는 기능을 하며, 두 개의 균등한 출력신호는 90도의 위상차를 가진다.

도 5c를 참조하면, Ring Hybrid Coupler(Rat Race)가 도시되어 있는데, 분배되는 신호전력이 180도의 위상차를 가진다. Microstrip과 Stripline의 형태로 구현될 수 있다.

도 5d를 참조하면, Lange Coupler로, 주로 microstrip과 같은 형태로 고주파 MMIC에서 사용되는 커플러이다. 이는 파장관계를 고려한 전력배분용 커플러이면서도, 선로들을 이리저리 구부린 형태라서 다른 커플러에 비해 크기가 작다. 그래서 십여GHz 이상의 초고주파 반도체 내부에 실장이 용이하기 때문에, millimeter wave MMIC 칩상에서 balanced amplifier/Mixer의 전력배분용으로 사용될 수 있다.

Claims (5)

1. 모터 구동에 필요한 펄스폭변조 신호(PWM)로 게이트 제어 신호를 발생하는 제어부; 상기 게이트 제어신호를 증폭하여 한 쌍의 드라이버 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 및 상기 드라이버 신호가 인가됨에 따라 구동 트랜지스터들이 선택적으로 스위칭되면서 출력 접속점으로부터 구동전압을 발생하여 상기 모터를 구동시키는 인버터;를 포함하는 모터 드라이버에서,
   상기 게이트 드라이버에 그 입력단이 연결되고, 상기 인버터에 그 출력단이 연결되어 상기 모터 드라이버와 원칩으로 설계되되, 상기 게이트 드라이버에 해당하는 신호원 임피던스와 상기 인버터 및 모터에 해당하는 부하 임피던스가 매칭되도록 설계됨을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
   
2. 제 2항에 있어서,
   상기 부하 임피던스(ZL)는 상기 구동트랜지스터의 임피던스값과 모터의 임피던스값으로 제조 업체에서 제공하는 정보를 통해 획득되거나, LCR 미터에 의해서 측정되고,
   상기 신호원 임피던스(Zin)는 게이트 드라이버 출력값으로 제조 업체에서 제공하는 정보를 통해 획득되거나, 측정에 의해서 획득되고,
   획득된 입력단 임피던스(Zin) 및 출력단 임피던스(ZL)를 이용하여 하기의 <수학식 2>에서의 반사 계수(

   

   )가 0에 가깝도록 매칭용 임피던스(Zo)를 선정함을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
   <수학식 1>
   

   

   
   
3. 제 1항에 있어서,
   집중소자(Lumped Element)인 인덕턴스 또는 캐패시턴스가 L형으로 연결되는 형태로 설계됨을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   quarterwave transformer를 이용하여 설계됨을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 Quadrauture Hybrid, Ring Hybrid Coupler 및 Range Coupler를 포함하는 커플러들 중 하나를 사용하여 설계됨을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.

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