KR20180096218A - 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버 - Google Patents

Abstract

환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버가 제공된다. 상기 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버는, 제1 트랜지스터, 및 상기 제1 트랜지스터와 병렬로 연결되어, 드레인 및 소스를 공유하고, 상기 제1 트랜지스터에 흐르는 환류 전류를 제어하는 제2 트랜지스터를 포함한다.

Description

환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버 {Operation driver comprising freewheeling current control switch}

본 발명은 환류 전루 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버에 관련된 것이다.

전 세계적인 에너지 소비의 지속적인 증가로 인한 자원의 고갈 및 환경 문제가 주요 이슈로 부상되고 있으며, 이에 따른 에너지 절감 및 에너지 사용의 효율성을 향상시키기 위한 방안으로 인버터의 수요는 계속 높아지고 있다. 전동기는 일반 가전제품에서 OA기기 및 산업기기에 이르기까지 전기구동제품에 필수적으로 사용되는 핵심부품으로 전동기 산업은 모든 산업의 근간을 이룰 뿐 아니라 응용요소 및 필수요소로서 활용되고 있는 기본적이면서도 핵심적인 산업이다.

각종 산업에 고효율 고성능 전동기 구동 드라이버를 사용함으로써, 다양한 제품에 적용이 가능하다. 고효율 전동기시장의 성장은 향후 전동기시장의 성장과 무관하게, 전동기시장의 성장률을 넘어서는 모습을 보여줄 것이 예상된다. 특히 2011년~2015년까지의 유럽 및 미국지역에서의 고효율 및 프리미엄급 고효율 전동기의 의무화로 인해 단기간에 가시적인 성장세가 나타날 수 있다. 가전 및 자동차용, 산업용 부문의 전동기 시장은 전 세계적으로 2009년 약 1213억불 규모를 형성할 것으로 예상되고 2013년까지 연평균 약 2.4%의 낮은 성장률로 1,364억불 규모를 기록할 것으로 예상된다. 이 기술을 활용할 경우, 정속운전의 고효율 전동기를 필요로 하는 팬, 이송장치, 방적기, 펌프 및 압축기 등을 포함하는 각종 산업시스템의 고성능화를 이룰 수 있어 제품의 부가가치를 높일 것으로 전망된다.

인버터 시스템은 직류 전압을 교류 전압 또는 교류 전류로 변경하는 컨버터의 한 종류이다. 이러한 인버터 시스템은 생산된 에너지를 변환하여 공공 전기 계통으로 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 인버터 시스템은 태양광, 연료 전지 또는 배터리 등에서 생성된 직류 전압을 교류 전압으로 변경하여 공공의 전기 계통으로 제공한다.

태양광, 연료 전지 또는 배터리 등에서 생성된 전압은 직류 전압이나, 그리드는 50Hz 또는 60Hz를 가지는 사인파형의 교류 전압을 요구한다. 따라서 직류를 교류(AC)로 변환하는 장치가 필요한데, 인버터 시스템이 이 역할을 수행한다.

인버터 시스템은 일반적으로 스위칭 소자를 사용하여 직류를 교류로 변경하는데, 스위칭 소자는 양의 전압을 제공하는 스위칭 소자 및 음의 전압을 제공하는 스위칭 소자로 이루어진다. 교류 전압 파형 및 교류 전류 파형이 제로 크로싱하는 영역(양에서 음으로 변경하는 부분 또는 음에서 양으로 변경하는 부분)에서 왜곡이 발생할 수 있다. 이와 같은 제로 크로싱 왜곡(zero-crossingdistortion)은 하모닉 성분을 유발하게 되고 이를 저감하기 위한 필터 등의 추가로 시스템의 효율저감의 주요 원인이 된다. 인버터 시스템은, 직류 전압을 입력 받으며, 스위칭 동작을 통해 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터부, 인덕터를 포함하며, 상기 인덕터를 통해 상기 교류 전압을 필터링하여 교류 전류를 출력하는 필터링부, 스위칭 동작을 통해 인덕터에 전류 경로를 제공하는부를 포함한다. 스위칭부는 프리휠링 전류 경로를 제공하기 위한 스위칭소자를 포함할 수 있다.

따라서 교류 파형의 제로 크로싱 영역에서 왜곡을 줄일 수 있으며 높은 효율을 가지는 인버터 시스템 및 그 구동 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고효율 및 고성능의 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, . 상기 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버는, 제1 트랜지스터, 및 상기 제1 트랜지스터와 병렬로 연결되어, 드레인 및 소스를 공유하고, 상기 제1 트랜지스터에 흐르는 환류 전류를 제어하는 제2 트랜지스터를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버는, 제1 트랜지스터, 및 상기 제1 트랜지스터와 병렬로 연결되어, 드레인 및 소스를 공유하고, 상기 제1 트랜지스터에 흐르는 환류 전류를 제어하는 제2 트랜지스터를 포함한다. 이에 따라, 환류 전류가 제어되어, 전력 소모가 감소되어, 고효율 및 고성능의 구동 드라이버가 제공될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 구동 드라이버를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 드라이버를 설명하기 위한 회로도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

일반적인 인버터 시스템에서 사용하는 MOSFET, SiC, IGBT 스위치의 온 저항은 일반적으로 수십mΩ정도이고, 바디다이오드의 항복 전압은 0.4V ~ 0.6V 정도이다. 인버터의 스위치에 흐르는 전류의 최대치는 최대용량에 비례하여 증가하며 일반적으로 수 A ~ 수십 A 이상의 전류가 흐른다. 이때 스위치 온 저항에 의한 도통 손실과 다이오드가 온 되었을 시 소모되는 전력인 다이오드 손실를 비교하면 다이오드에서 소모되는 전력을 무시할 수 없게 된다. 예를 들어 50mΩ의 온 저항과 0.6V의 보디 다이오드 온 전압을 가지는 스위치의 최대 전류가 10A이고 이 전류에서 다이오드로 환류한다고 가정하면, 스위치 온 저항에 한 최대 순간 전력 소모는 1.2W인데 비해 다이오드는 6W로 스위치에 비해 크다. 따라서 이 것을 스위치로 추가적으로 부착하여 스위치로 흐르게 하면 손실을 줄일 수 있을 것이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버가 설명된다.

도 1은 종래 기술에 따른 구동 드라이버를 설명하기 위한 회로도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 드라이버를 설명하기 위한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 3상 일반적인 유도전동기 구동용 DC/AC 인버터 제작에 대한 사양 및 시스템 구성도가 제공된다. 반도체 소자를 보호하기 위하여 입력 전압에 대한 과전압 및 저전압 보호기능, 방열 Heatsink 과열 및 과전류 보호 기능을 추가한다. 냉각 방식은 DC Fan을 이용한 강제 공랭식 구조이다. 제어사양으로는 V/F 제어이고 스위칭 주파수는 가변 운전이 가능하다. 운전 지령 및 파라미터 세팅을 위한 사용자 인터페이스용 KEYPAD가 연결 될 수 있다.

H/W 파워부 설계로는 메인 커패시터 및 전류센서 등의 주요 파워 소자 선정, 스위칭 소자를 구동하기 위한 Gate Drive 회로 설계, 전압, 전류 등의 아날로그 신호 인터페이스 회로 및 보조 전원용 SMPS 회로 설계이다. 제어 회로 설계로는 DSP Controller를 이용한 3상 PWM을 출력 회로, 전류 및 전압에 대한 보호 기능 회로, 아날로그 신호 검출 회로 및 사용자 인터페이스용 통신 회로에 대한 설계이다. 인버터의 출력 단락에 의한 과전류시 인버터의 출력 전류, 게이트 전압 및 스위치 양단 전압을 측정하여 화합물 전력소자의 선형 영역 동작 시 측정 파형의 분석을 통한 스위칭 이상동작 유무를 판단한다.

위와 같이 일반적인 인버터 시스템에서는 대게 환류 전류를 다이오드로 흐르게 한다. 이는 보다 큰 손실을 발생하며 소자에 발열이 생기게 하고 소자의 수명을 단축시킨다.

이와 달리, 도 2를 참조하면, 고효율 고성능 전동기 드라이버를 제작하기 위해 각 단마다 환류 전류 제어 스위치가 제공된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 환류 전류 제어 스위치를 추가하여 환류 구간에 추가한 스위치를 온 시켜 환류 전류가 보디 다이오드 대신에 스위치로 흐르도록 하여 전력 소모를 줄이고 효율을 높이면서 스위치에서의 발열을 줄일 수 있도록 한다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 환류 전류가 스위치 소자의 보디 다이오드로 흐르는 기간에 해당 스위치로 흐르도록 제어하여 인버터 시스템의 전력 효율을 향상시키고 스위치 소자의 발열을 줄여 내구성을 향상시킬 수 있는 인버터 시스템 및 동작방법이 제공된다.

본 발명의 실시 예에 따른 인버터 시스템은 각 스위치가 동작하면서 각 스위치의 보디 다이오드가 자동으로 온 되어 환류 전류가 흐르는 기간 동안 추가된 스위치로 온/오프 동작을 하도록 제어신호를 생성하는 스위치 제어기를 포함하여, 환류 전류가 보디 다이오드 대신에 스위치로 흐르도록 하여 전력 소모를 줄이고 효율을 높이면서 스위치에서의 발열을 줄일 수 있다.발열을 줄임으로써 시스템의 방열 설계도 보다 더 쉽게 할 수 있어 가격을 낮출 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 전동기 구동드라이버의 효율을 향상시킬 수 있도록 제어하여 인버터 시스템 및 동작방법이 제공된다. 인버터의 효율을 향상 시키려면 각 스위치의 PWM 제어 신호뿐만 아니라 각 스위치가 오프된 후 인덕터에 흐르는 전류의 방향이 유지되도록 기존 스위치에 병렬로 스위치를 추가하여 전류가 흐르는 환류 구간에 새로 추가한 스위치를 온 시키는 제어기를 설계하여, 환류 전류가 스위치의 바디 다이오드 대신에 새롭게 추가한 스위치로 흘러 스위치의 전력소모를 줄이고 발열을 낮춰 전동기 구동 드라이버의 효율을 높일 수 있다.

상술된 본 발명의 실시 예에 따른 구동 드라이버는, 금속 기계분야(예를 들어, 선반, 드릴기, 프레스, 연삭반, 절단기 등 목공기계분야, 제지기계, 목공기계, 합판기계 등), 냉동 공조분야(예를 들어, 공조 시스템, 각종급기, 환기시스템, 상하수도용합배수펌프시스템, 냉동기 응용제품, 건조기 등), 금속 가공기계분야(예를 들어, 각종 룰러, 제관기계, 면치기, 기계프레스, 신선기, 권출권치기 등), 제지 인쇄 기계 분야(예를 들어, 사지기, 커터기, 슬로터, 제본기계, 신문윤전기 등),포장 기계분야(예를 들어, 내장기계, 제함기, 제대기, 외장기계 등), 섬유기계분야(예를 들어, 방사기, 준비기계, 귄취기, 직기, 편조기계, 염색사상기계 등), 식료품가공기분야(예를 들어, 제빙기, 제과기계 제다기, 제면기계, 제분기, 제미맥기계 등), 화학기계분야(예를 들어, 압출기, 원심분리기, 도장기, 파염기, 성형기, 분쇄 추출기 등), 반송기계분야(예를 들어, 콘베어, 리프터, 주차설비, 자동입체창고, 에스컬레이터, 엘리베이터, 호이스트 등)에 활용될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (1)

1. 제1 트랜지스터; 및
   상기 제1 트랜지스터와 병렬로 연결되어, 드레인 및 소스를 공유하고, 상기 제1 트랜지스터에 흐르는 환류 전류를 제어하는 제2 트랜지스터를 포함하는 환류 전류 제어 스위치를 갖는 구동 드라이버.

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