KR20210065502A - 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량 - Google Patents

전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량 Download PDF

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KR20210065502A
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이종규
김태진
박효성
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트를 포함함으로써, 저비용으로 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있고, 인버터 및 게이트 드라이버의 소형화 및 모듈화가 가능하다.

Description

전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량{Power converting device, and vehicle including the same}
본 발명은 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량에 관한 것이다.
전기를 동력으로 하는 전기 차량이나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 차량 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있다.
한편, 모터 구동을 위해, 입력 전원을 변환하여 변환된 전력을 공급하는 장치인 전력변환장치가 필요하다.
한편 전력변환장치는, 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력변환장치가 구비하는 인버터 등은 다양한 반도체 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 등이 많이 사용되고 있다.
도 12는 종래 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 구동 회로를 예시한 것이다.
도 12를 참조하면, 입력되는 제어 신호(예를 들어, PWM 신호)에 따라, 게이트 드라이버 IC(gate driver IC, 46)는 소정 전압을 IGBT 스위치로 공급하여 IGBT 스위치를 켤 수 있다. IGBT 스위치의 게이트 전압이 문턱 전압을 초과하면 IGBT 스위치는 온(On)될 수 있다. 예를 들어, 게이트 드라이버 IC(46)에서 문턱 전압보다 큰 15V 전압이 공급되면 IGBT 스위치가 켜질 수 있다.
스위칭 소자는 과전압, 과전류에 의해 소손될 수 있어 소손을 방지할 수 있는 방안이 필요하다. 대한민국 공개특허공보 제10-2000-0006447호에서는 보호 회로를 구비하여 IGBT 소자의 소손을 방지하는 전력변환장치를 개시하고 있다.
또한, 전력변환장치는 스위칭 소자를 구비하는 인버터 등을 포함하며, 스위칭 소자의 스위칭시 스위칭 손실이 발생한다. 예를 들어, MOSFET 또는 IGBT와 같은 스위칭 소자는 턴(turn) 온/오프(on/off)시 전압/전류가 교차되며 스위칭 손실이 발생한다.
상기와 같이 전압을 공급하여 스위칭 소자를 구동하는 전통적인 전압형 게이트 드라이버 구동회로는, 구조가 간단하고 신뢰성 측면에서 우수하다.
하지만 최근에는 WBG(Wide Band Gap)소자의 등장으로 스위치의 정격 전압과 전류용량이 증가하고, 이에 따라 시스템에서 요구하는 동작 전압 전류 또한 증가하는 추세에 있다. 전통적인 전압형 게이트 드라이버를 사용할 경우 동작 전압 전류의 증가에 따라 소자의 스트레스 측면 및 스위칭 손실 측면에서 단점이 부각되고 있다.
따라서, 스위칭 소자의 턴 온/오프 손실을 저감하고, 스위칭 시 소자 스트레스를 줄일 수 있는 게이트 드라이버(Gate Driver)에 대한 연구가 증가하고 있다.
본 발명의 목적은, 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스위칭 동작시 발생할 수 있는 과전압, 과전류를 제한하여 소자 스트레스를 저감할 수 있는 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 적은 수의 부품을 사용함으로써, 저비용 고효율의 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 적은 수의 부품을 사용함으로써, 소형화, 모듈화에 용이한 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트를 포함함으로써, 저비용으로 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있고, 인버터 및 게이트 드라이버의 소형화 및 모듈화가 가능하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결되는 전압원들과 스위칭 소자의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트를 이용하여 스위칭 손실 및 발열을 저감하면서, 회로 소자의 스트레스를 감소시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자, 및, 상기 스위칭 소자의 게이트(gate) 단자에 상기 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부를 포함하고, 상기 게이트 구동부는, 상기 스위칭 소자의 턴 온 구간 밑 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트, 및, 상기 제어 커런트의 동작을 제어하는 제어 커런트 제어부를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동부는, 상기 스위칭 소자의 턴(turn) 온(on) 구간에서, 상기 게이트 단자로 전류를 소싱(sourcing)하기 위한 소스 전압(source voltage), 및, 상기 스위칭 소자의 턴(turn) 오프(off) 구간에서, 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하기 위한 싱크 전압(sink voltage)을 포함하는 전압 전원부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 게이트 구동 신호는, 상기 전압 전원부에 기초하는 전류와 상기 제어 커런트에 기초하는 전류의 조합으로 생성될 수 있다.
한편, 상기 스위칭 소자의 턴 온 구간은, 상기 소스 전압과 상기 게이트 단자 사이에만 전류 패스가 형성되는 제1 턴 온 구간, 및, 상기 소스 전압과 상기 게이트 단자 사이 및 상기 제어 커런트와 상기 게이트 단자 사이 2개의 전류 패스가 형성되는 제2 턴 온 구간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자의 턴 온 구간은, 상기 제2 턴 온 구간 이후, 상기 소스 전압과 상기 게이트 단자 사이에만 전류 패스가 형성되는 제3 턴 온 구간을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 소자의 턴 오프 구간은, 상기 싱크 전압과 상기 게이트 단자 사이 및 상기 제어 커런트와 상기 게이트 단자 사이 2개의 전류 패스가 형성되는 제1 턴 오프 구간, 및, 상기 싱크 전압과 상기 게이트 단자 사이에만 전류 패스가 형성되는 제2 턴 오프 구간을 포함할 수 있다.
한편, 상기 게이트 구동부는, 상기 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 게이트 저항 가변부는, 상기 스위칭 소자의 턴 온 구간에서, 상기 스위칭 소자의 턴 오프 구간보다 상기 게이트 저항값이 낮아지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터, 상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하기 위해 인버터 스위칭 제어신호를 상기 게이트 구동부로 출력하는 인버터 제어부를 더 포함하며, 상기 스위칭 소자는, 상기 인버터 내의 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나일 수 있다.
이 경우에, 상기 제어 커런트 제어부는, 상기 인버터 제어부로부터 수신되는 상기 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터를 더 포함하며, 상기 스위칭 소자는, 상기 컨버터 내의 하나 이상의 스위칭 소자 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 제어 커런트 제어부는, 상기 스위칭 소자의 턴 온 시, 상기 제어 커런트로 제어 신호를 출력하는 턴 온 듀티부, 및, 상기 스위칭 소자의 턴 오프 시, 상기 제어 커런트로 제어 신호를 출력하는 턴 오프 듀티부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 턴 온 듀티부와 상기 턴 오프 듀티부는 서로 다른 시정수를 가지는 RC 필터를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어 커런트는 전압 제어 전류원일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트를 포함함으로써, 저비용으로 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있고, 인버터 및 게이트 드라이버의 소형화 및 모듈화가 가능하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결되는 전압원들과 스위칭 소자의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트를 이용하여 스위칭 손실 및 발열을 저감하면서, 회로 소자의 스트레스를 감소시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량은, 스위칭 소자, 및, 상기 스위칭 소자의 게이트(gate) 단자에 상기 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부를 포함하고, 상기 게이트 구동부는, 상기 스위칭 소자의 턴 온 구간 밑 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트, 및, 상기 제어 커런트의 동작을 제어하는 제어 커런트 제어부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 저비용으로 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있고, 인버터 및 게이트 드라이버의 소형화 및 모듈화가 가능하다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 동작시 발생할 수 있는 과전압, 과전류를 제한하여 소자 스트레스를 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 적은 수의 부품을 사용함으로써, 저비용 고효율의 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 적은 수의 부품을 사용함으로써, 소형화, 모듈화에 용이한 전력변환장치, 및 이를 포함하는 차량을 제공할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 모터 구동 시스템의 일례이다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일례를 예시한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일례이다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일례이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 게이트 구동 신호에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8은 스위칭 손실 및 발열에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 동작에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 커런트, 및, 제어 커런트 제어부를 예시한 도면이다.
도 12는 종래 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 구동 회로를 예시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 차량(100)은, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 기초하여, 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 인버터 제어부(430)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류전원을 공급한다.
도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상 출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 3 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(134)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류전원을 인가 받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 기초하여, 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 기초하여, 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 차량(100)이 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 차량(100)을 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 차량(100)은, 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 차량(100)의 경사각 검출하는 경사각 검출부(미도시), 차량(100)의 속도를 검출하는 속도 검출부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 검출부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 검출부(미도시) 등으로부터의 검출 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치는, 예를 들어, 토크 지령치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 차량(100)은, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다. 이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다. 한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 모터 구동 시스템의 일례이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시 예 따른 모터 구동 시스템(10)은, 차량(100)과, 서버(500)를 구비할 수 있다.
여기서, 서버(500)는, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 제조사가 운영하는 서버이거나, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 운전자의 이동 단말기 등에 대응할 수 있다.
한편, 차량(100)은, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 제어부(170), 모터 구동부(200)를 구비할 수 있다.
입력부(120)는, 조작 버튼, 키 등을 구비하며, 차량(100)의 전원 온/오프, 동작 설정 등을 위한 입력 신호를 출력할 수 있다.
통신부(130)는, 주변 기기, 예를 들어, 서버(500)와, 유선 또는 무선으로 데이터를 교환하거나, 원격지의 서버 등과, 무선으로 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 4G 또는 5G 등의 이동 통신, 적외선(IR) 통신, RF 통신, 블루투스 통신, 지그비 통신, WiFi 통신 등을 수행할 수 있다.
한편, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 구동부(200)의 동작시의 동작 시간, 동작 모드 등에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 소비 전력 정보, 추천 운전 정보, 현재 운전 정보, 관리 정보를 포함하는 관리 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 동작 정보, 운전 정보, 에러 정보를 포함하는 진단 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170)는, 차량(100) 내의 각 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 구동부(200) 등을 제어할 수 있다.
모터 구동부(200)는, 모터(250)를 구동하기 위해, 구동부로서, 모터 구동장치라 명명될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동장치(200)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)를 검출하는 출력 전류 검출부(E)와, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
한편, 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)는, 외부의 서버(500)로 전송될 수 있으며, 서버(500)로부터 전류 지령치(i*d,i*q)를 수신할 수도 있다. 그리고, 통신부(130)로부터 수신되는 전류 지령치에 기초하여, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력할 수도 있다.
이에 따라, 서버(500)에서 실시간으로 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치에 기초하여 모터(250)를 구동할 수 있게 된다. 따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동장치(200) 내의 통신부(130)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 관한 전압 정보를 서버(500)로 전송할 수 있다. 이에 따라, 다양한 조건 하의 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)의 상세한 동작에 대해서는, 도 3을 참조하여 기술한다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일례를 예시한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동장치(200)는, 모터(250)를 구동하기 위한 구동장치로서, 복수의 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다, 또한, 인버터 제어부(430)에 각종 저장된 데이터를 제공하는 메모리(270)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B), 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(E)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른, 모터(250)는, 인버터(420)에 의해 구동되는 3상 모터일 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어부(430)는, 실시간으로 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)를 연산하고, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B)를 더 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일례이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420), 인버터 제어부(430), 출력전류 검출부(E), dc단 전압 검출부(Vdc), 위치 검출 센서(105)를 포함할 수 있다.
dc단 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, dc단 커패시터(C)에 공급되는 입력 전원은, 배터리(205)에 저장된 전원 또는 컨버터(미도시)에서 레벨 변환된 전원일 수 있다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)의 온/오프 동작에 의해 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(Va,Vb,Vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
실시 예에 따라서, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)의 각 게이트 단자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 게이트 구동 신호라 명명할 수도 있다.
한편, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 삼상 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a, b, c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모터(250)는, 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)를 위주로 기술한다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일례이다.
도면을 참조하면, 도 5의 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(E)로부터, 검출되는 출력 전류(io)를 입력받고, 위치 검출 센서(105)로부터 모터(250)의 회전자 위치 정보(θ)를 수신할 수 있다.
위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 자극 위치(θ)를 검출할 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
이를 위해, 위치 검출 센서(105)는, 인코더(encoder)나 리졸버(resolver) 등을 포함할 수 있다.
다음의 설명에서 사용 좌표계와 좌표축에 대해 여기에서 정의한다.
αβ 좌표계는, 고정축인 α와 β 축을 축으로 하는 이차원 고정 좌표계이다. α 및 β 축은 서로 직교하며, β 축은 α 축으로부터 전기각 90˚ 만큼 앞선다.
dq 좌표계는 회전축인 d와 q축 축으로 하는 이차원 회전 좌표계이다. 모터(250)의 영구 자석이 만드는 자속의 회전 속도와 같은 속도로 회전하는 회전 좌표계에서 영구 자석이 만드는 자속의 방향에 따른 축이 d축이며, d축에서 전기각 90˚ 위상이 앞선 축이 q축이다.
도 5를 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 속도 연산부(320), 축변환부(310), 토크 연산부(325), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 스위칭 제어신호 출력부(360), 및 게이트 구동부(510)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure pat00001
)를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치(
Figure pat00002
)에 기초하여, 연산된 속도(
Figure pat00003
)를 출력할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 토크 연산부(325)는, 연산된 속도(
Figure pat00004
)에 기초하여, 현재의 토크(T)를 연산할 수 있다
인버터 제어부(430) 내의 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i*d,i*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i*q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(V*q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i*d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(V*d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(V*d)의 값은, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00005
)와, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00006
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 예를 들면, 게이트 구동부(510)로 출력될 수 있고, 게이트 구동부(510)에서 게이트 구동 신호(Si)로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
게이트 구동부(510)는, 예를 들면, 인버터 제어부(430)에 연결될 수 있고, 인버터 제어부(430)로부터 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 수신할 수 있다. 게이트 구동부(510)는, 예를 들면, 인버터 제어부(430)로부터 출력된 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여, 인버터(420)에 구비된 복수의 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호(Si)를 생성하여 출력할 수 있다. 게이트 구동 신호(Si)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식(PWM)의 제어신호일 수 있다.
게이트 구동부(510)는, 예를 들면, 게이트 구동 신호(Si)를 생성하여 출력하는 하나 이상의 게이트 드라이버(gate driver)(미도시)를 구비할 수 있다. 복수의 게이트 드라이버는, 예를 들면, 인버터 제어부(430)로부터 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 각각 수신할 수 있다.
복수의 게이트 드라이버는, 예를 들면, 인버터(420)에 구비된 복수의 스위칭 소자에 각각 대응될 수 있고, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여, 대응되는 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호(Si)를 각각 출력할 수 있다.
이하에서는, 게이트 전류를 제어하여 스위칭 소자를 효율적으로 구동하는 전력변환장치에 대해 설명한다.
한편, 이하에서 기술하는 전력변환장치는, 모터 구동장치의 내부에 포함되는 개념이거나 또는 모터 구동장치에 대응하는 개념일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치를 도시한 블록도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 게이트 구동 신호에 관한 설명에 참조되는 도면이다. 더욱 상세하게는 도 7은 도 6의 회로에 의해 생성되는 전류 파형들을 예시한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(600)는, 스위칭 소자(630), 및, 상기 스위칭 소자(630)의 게이트(gate) 단자(G)에 상기 스위칭 소자(630)의 구동을 위한 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부(510)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동부(510)는, 게이트 단자(G)에 연결되어 게이트 전류(ig)를 조절하는 게이트 전류 제어부(620)를 포함할 수 있다.
게이트 전류 제어부(620)는, 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 동작함으로써, 상기 게이트 단자(G)로 입력되는 게이트 전류(ig)의 레벨을 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 전류 제어부(620)는, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에, 상기 게이트 단자(G)로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트(control current, 621), 및, 상기 제어 커런트(621)의 동작을 제어하는 제어 커런트 제어부(622)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동부(510)는, 복수의 전압원(611, 612)을 포함하는 전압 전원부(610)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 게이트 전류 제어부(620)는, 상기 전압 전원부(610)와 상기 게이트 단자(G) 사이에 연결되어 게이트 전류(ig)를 조절할 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 상기 전압 전원부(610)는, 상기 스위칭 소자(630)의 턴(turn) 온(on) 구간에서, 상기 게이트 단자(G)로 전류를 소싱(sourcing)하기 위한 소스 전압(source voltage, 611), 및, 상기 스위칭 소자(630)의 턴(turn) 오프(off) 구간에서, 상기 게이트 단자(G)로부터 전류를 싱킹(sinking)하기 위한 싱크 전압(sink voltage, 612)을 포함할 수 있다.
즉, 소스 전압(611)은 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 시 전압원이고, 싱크 전압(612)은 상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 시 전압원일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 전압원(611, 612)은 기존의 전압형 게이트 드라이버 구동회로에서 사용되는 전압원을 그대로 사용할 수 있다. 이에 따라, 제조 비용을 더욱 감소시킬 수 있고, 공용화에도 용이한 장점이 있다.
한편, 전류의 소싱(sourcing)은 전류원에서 게이트 단자(G) 측으로 전류를 공급하여 전하를 충전하는 것을 의미할 수 있고, 전류의 싱킹(sinking)은 게이트 단자(G) 측에서 전류를 빼서 전하를 방전하는 것을 의미할 수 있다.
한편, 게이트 구동부(510)는 인버터 제어부(430)로부터 수신되는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호(Sic)에 따라 스위칭 소자(630)를 구동할 수 있다.
상기 전압 전원부(610)는, 입력되는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호(Sic)에 따라 동작하여, 소스 전압(611)과 게이트 단자(G) 사이에 전류 패스를 형성하거나 싱크 전압(612)과 게이트 단자(G) 사이에 전류 패스를 형성하는 연결부(613)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 연결부(613)는, 입력 측에 전류 제한 저항(Rb)을 더 포함할 수도 있다.
한편, 게이트 전류 제어부(620)는, 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 동작함으로써, 상기 게이트 단자(G)로 입력되는 게이트 전류(ig)의 레벨을 조정할 수 있다. 또한, 게이트 구동 신호는, 상기 전압 전원부(610)에 기초하는 전류(isource, isink)와 상기 제어 커런트(621)에 기초하는 전류(icontrol)의 조합으로 생성된 게이트 전류(ig)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 전압원(611, 612)과 하나의 전류원( 621)에 기초한 전류를 조합하여 게이트 전류(ig)를 결정하고, 게이트 전류(ig)에 기반하여 스위칭 소자(630)를 구동할 수 있다.
예를 들어, 상기 스위칭 소자(630)의 게이트 단자(G)에 연결되는 전압원들(611, 612)과 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 게이트 단자(G)로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트(621)를 이용하여 게이트 전류(ig)를 생성할 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간에서는 소스 커런트(611)가 동작하고, 턴 온 구간의 일부 구간에서 상기 제어 커런트(621)가 동작할 수 있다. 도 7과 도 8을 참조하면, 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간에서는 소스 커런트(611)에 의한 전류(isource)와 상기 제어 커런트(621)에 기초하는 전류(icontrol)의 조합으로 게이트 전류(ig)가 생성될 수 있다.
이에 따라, 도 7의 예시된 파형과 같이, 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간에서 게이트 전류(ig)는 게이트 전류 제어부(620)가 동작할 때와 동작하지 않을 때에 다른 레벨을 가질 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간은, 상기 소스 전압(611)과 상기 게이트 단자(G) 사이에만 전류 패스가 형성되는 제1 턴 온 구간(Ton1), 및, 상기 소스 전압(611)과 상기 게이트 단자(G) 사이 및 상기 제어 커런트(621)와 상기 게이트 단자(G) 사이 2개의 전류 패스가 형성되는 제2 턴 온 구간(Ton)을 포함할 수 있다.
제1 턴 온 구간(Ton1)은, 상기 소스 전압(611)에 의해서만 게이트 전류(ig)가 생성되는 구간으로, 게이트 전류(ig)는 상기 소스 전압(611)에서 게이트 저항(Rg)을 거쳐 게이트 단자(G)로 흐르고 상대적으로 높은 초기값에서 점진적으로 감소하게 된다.
이와 같이, 제1 턴 온 구간(Ton1)에서 상기 소스 전압(611)에 의한 전류(isource)를 초기에 키워 스위칭 소자를 빠르게 턴 온 시킬 수 있다. 이에 따라, 스위칭 효율을 향상할 수 있다.
제2 턴 온 구간(Ton2)은 상기 소스 전압(611)과 상기 제어 커런트(621)에 의해서 게이트 전류(ig)가 생성되는 구간으로, 상기 게이트 구동 신호는, 제1 턴 온 구간(Ton1)의 전류 레벨에서 상기 제어 커런트(621)에 의한 전류(icontrol) 만큼 낮은 전류 레벨을 가질 수 있다.
즉, 제2 턴 온 구간(Ton2)에서는 상기 소스 전압(611), 및, 상기 제어 커런트(621)가 동작하여, 소스 전압(611)에 의한 전류(isource)와 상기 제어 커런트(621)에 기초하는 전류(icontrol)가 합산된다.
이에 따라, 제2 턴 온 구간(Ton2)에서의 게이트 전류(ig)는, 소스 전압(611)에 의한 전류(isource)만으로 게이트 전류(ig)가 형성되는 제1 턴 온 구간(Ton1)보다 낮은 레벨을 가진다.
이에 따라, 전류 피크를 제한하여 소자의 스트레스를 저감하고 과도 현상 등도 저감할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간은, 상기 제2 턴 온 구간(Ton2) 이후, 상기 소스 전압(611)과 상기 게이트 단자(G) 사이에만 전류 패스가 형성되는 제3 턴 온 구간(Ton3)을 더 포함할 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 구간은, 상기 싱크 전압(612)과 상기 게이트 단자(G) 사이 및 상기 제어 커런트(621)와 상기 게이트 단자(G) 사이 2개의 전류 패스가 형성되는 제1 턴 오프 구간(Toff1), 및, 상기 싱크 전압(612)과 상기 게이트 단자(G) 사이에만 전류 패스가 형성되는 제2 턴 오프 구간(Toff2)을 포함할 수 있다.
상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 시, 상기 게이트 구동 신호는, 상기 싱크 전압(612), 및, 상기 제어 커런트(621)에 의한 상대적으로 큰 절대값 크기를 가지다가, 상기 제어 커런트(621)의 전류 패스가 차단되는 상기 제2 턴 오프 구간(Toff2)에서는 상기 제1 턴 오프 구간(Toff1)의 전류 레벨보다 높은 전류 레벨을 가질 수 있다.
즉, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 시, 싱크 전압(612)과 제어 커런트(621)를 함께 동작시켜 초기에 게이트 전류(ig) 값을 크게 가져가 스위칭 손실을 저감하고, 이후 싱크 전압(612)에 의한 전류(iSink)만 남아 Vds 전압 피크를 제한할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 효율을 향상하면서도 소자 스트레스를 감소시킬 수 있다.
한편, MOSFET 또는 IGBT와 같은 스위칭 소자는 턴 온/오프 시 필연적으로 스위칭 손실이 발생하게 된다.
도 8은 스위칭 손실 및 발열에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8을 참조하면, 스위칭 소자의 턴 온/오프 시 전압과 전류는 이상적으로는 지연시간 없이 수직으로 상승, 하강해야 손실이 발생하지 않으나, 필연적으로 전압/전류가 교차되며 전압/전류의 교차 면적만큼의 스위칭 손실이 발생하고, 이에 따라 발열도 증가하게 된다.
따라서, 스위칭 동작시, 전압, 전류의 슬루 레이트(slew rate)를 가파르게 증가시킬수록 스위칭 시간도 빨라지고 스위칭 손실 및 발열도 저감할 수 있다.
하지만, 전압, 전류의 상승, 하강 시간을 증가시키기 위해, 더 큰 전압, 전류를 게이트 단자(G)에 공급할수록 스위칭 손실은 저감할 수 있으나, 전압, 전류의 첨두치 증가, 과도 현상 증가, 회로 소자에 대한 스트레스 증가의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예들은 스위칭 동작 시 게이트 전류(ig)의 레벨을 조정하여, 스위칭 손실 및 발열을 저감시키면서도 과도 현상, 및, 회로 소자에 대한 스트레스도 저감할 수 있다.
예를 들어, 턴 온 동작 시 게이트 전류(ig)를 게이트 단자(G)에 많이 주입하면 Vds는 가파르게 감소할 수 있고, 턴 오프 동작 시 게이트 전류(ig)를 게이트 단자(G)에 많이 빼면 Vds는 가파르게 증가할 수 있다. 이에 따라, 전류와 전압의 교차 부분을 최소화하여 스위칭 손실 및 발열을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따르면 턴 온/오프 동작 시 일부 구간에서 제어 커런트(621)로 게이트 단자(G)의 전류를 뺄 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치(600) 및 이를 포함하는 차량(100)은, 턴 온 동작 시, 초기 게이트 전류(ig)를 키움으로써 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(600)의 효율을 증가시킬 수 있다. 이후, 제어 커런트(621)로 게이트 단자(G)의 전류를 빼서, 상대적으로 낮은 레벨의 게이트 전류(ig)를 사용함으로써, Id Peak를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치(600) 및 이를 포함하는 차량(100)은, 턴 오프 동작 시, 제어 커런트(621)로 게이트 단자(G)의 전류를 더 빨리 빼서, 상대적으로 낮은 레벨의 게이트 전류(ig)를 사용함으로써, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 이후, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치(600) 및 이를 포함하는 차량(100)은 게이트 전류(ig)를 증가시켜 Vds의 오버슈팅 및 Peak를 제한할 수 있다. 즉, 턴 오프 동작 시 초기 게이트 전류의 절대값을 키워 손실을 최소화면서도 전압 피크를 제한할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(600)의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치의 동작에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 도 9는 턴 온 동작 시의 전류 패스를 예시하고, 도 10은 턴 오프 동작 시의 전류 패스를 예시한다.
도 9를 참조하면, 상기 스위칭 소자(630)의 제1 턴 온 구간(Ton1)에서는, 상기 소스 전압(611)과 상기 게이트 단자(G) 사이에만 전류 패스(I1)가 형성되어, 상대적으로 큰 게이트 전류(ig)로 스위칭 효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 제2 턴 온 구간(Ton)에서는 상기 소스 전압(611)과 상기 게이트 단자(G) 사이의 전류 패스(I3) 및 상기 제어 커런트(621)와 상기 게이트 단자(G) 사이의 전류 패스(I2) 2개가 형성되어. 상대적으로 작은 게이트 전류(ig)로 전압 전류 피크를 제한할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 스위칭 소자(630)의 제1 턴 오프 구간(Toff1)에서는, 상기 싱크 전압(612)과 상기 게이트 단자(G) 사이의 전류 패스(I4) 및 상기 제어 커런트(621)와 상기 게이트 단자(G) 사이의 전류 패스(I5) 2개의 전류 패스가 형성되어, 상대적으로 절대값이 큰 게이트 전류(ig)로 스위칭 효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 제2 턴 오프 구간(Toff2)에서는 상기 싱크 전압(612)과 상기 게이트 단자(G) 사이에만 전류 패스(I4)가 형성되어, 상대적으로 절대값이 작은 게이트 전류(ig)로 전압 전류 피크를 제한할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(600)는 반도체 스위칭 소자의 온/오프를 게이트 전류 제어부(620) 한가지 회로로 동시에 제어할 수 있어, 회로 구성이 간단하고 부품 수가 적다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 턴-온/턴-오프 스위칭 동작 시 발생되는 전류/전압 첨두치와 전력손실 간의 상충관계(trade off)로 인해 높은 정격의 스위칭 소자 사용 및 큰 방열 설계에 대한 부담 증가 문제를 해결하여 전력변환장치의 효율은 증가시키고, 크기 및 비용은 저감할 수 있다
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 게이트 구동부(510) 내 별도의 피드백 제어가 없어, 더욱 저비용으로 소형화된 고효율 게이트 드라이버를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(600)는, 제어 커런트(621)를 이용하여 부품 수의 큰 증가 없이 간편하게 게이트 전류(ig)의 레벨을 조정할 수 있고, 스위칭 손실 및 발열을 저감하면서, 회로 소자의 스트레스를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 인버터 및 게이트 드라이버의 소형화 및 모듈화가 가능하다. 특히, 스위칭 손실 및 발열 저감으로 인하여, 히트싱크 등 인버터 및 게이트 드라이버를 위한 부품의 크기를 감소시킬 수 있어, 소형화 및 모듈화에 더욱 유리하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(600), 및, 이를 포함하는 차량(100)은, 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간 및 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자(G)로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트(621)를 포함할 수 있다.
턴 온 동작 시, 제어 커런트(621)가 동작함으로써, 게이트 전류(ig)를 제한하여 Id의 첨두치(Peak) 값을 완화시키는 효과가 발생하고 소자 스트레스를 감소시킬 수 있다.
또한, 스위칭 소자(630)가 턴 온되기 시작하면 Id가 Peak지점을 지나게 되고, 동시에 Vds가 하강하게 된다. 이때, 하강하는 Vds의 시간을 단축시켜 손실을 최소화하기 위해 제3 턴 온 구간(t0n3)에서 제어 커런트(621)의 전류 싱킹을 중단함으로써 게이트 전류(ig)를 키워 스위칭 속도를 향상할 수 있다.
턴 오프 동작 시에는 초기 큰 게이트 전류(ig)로 용량 성분(C)을 방전시킬 수 있고, 게이트 전압이 일정 레벨 이하가 되면 스위칭 소자(630)가 꺼지기 시작하며 Vds가 상승하기 시작한다. 이 때, 게이트 전류(ig)를 크게 유지하기 때문에 Vds의 상승 기울기가 빠르고, 이로인해 스위칭 손실 저감 효과가 있다.
Vds상승이 어느정도 이루어 진 후, 제어 커런트(621)의 전류 싱킹을 중단함으로써 게이트 전류(ig)의 절대값을 낮춰 Vds Peak값의 상승을 억제한다. 이로인해 소자 스트레스를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 저비용으로 스위칭 손실 및 발열을 저감할 수 있고, 인버터 및 게이트 드라이버의 소형화 및 모듈화가 가능하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 게이트 구동부(510)는, 상기 스위칭 소자(630)의 게이트 단자(G)에 접속되는 게이트 저항(Rg)의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 게이트 저항 가변부는 게이트 저항값을 작게함으로써 손실을 줄일 수 있고, 게이트 저항값을 크게함으로써 전압 전류 피크를 줄일 수 있다.
한편, 상기 게이트 저항 가변부(630)는, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간에서, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 구간보다 상기 게이트 저항값이 낮아지도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 저항 가변부(630)는, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 구간에서는 5Ω미만의 작은 저항을 사용하고 상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 구간에서는 5Ω이상의 큰 저항을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(600), 및, 이를 포함하는 차량(100)은, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420), 상기 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 상기 게이트 구동부(510)로 출력하는 인버터 제어부(430)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 게이트 구동부(510)가 구동하는 스위칭 소자(630)는, 상기 인버터(420) 내의 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나일 수 있다.
이 경우에, 상기 제어 커런트 제어부(622)는, 상기 인버터 제어부(430)로부터 수신되는 상기 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치(600), 및, 이를 포함하는 차량(100)은, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 스위칭 소자는, 상기 컨버터 내의 하나 이상의 스위칭 소자 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전압원(Voltage source) 기반에 전류원(Current Source)을 제어하여 게이트 드라이버를 구동할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 전압원(611, 612)은 기존의 전압형 게이트 드라이버 구동회로에서 사용되는 전압원을 그대로 사용할 수 있다. 이에 따라, 기존 전압원 타입의 게이트 드라이버에 최소 부품으로 성능 향상이 가능한 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 커런트, 및, 제어 커런트 제어부를 예시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 제어 커런트(621)는 전압 제어 전류원(Voltage Controled Current Source: VCCS)일 수 있다. 이 경우에, 상기 제어 커런트 제어부(622)는 전압 제어 전류원(VCCS)을 제어할 수 있는 회로로 구성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제어 커런트 제어부(622)는, 상기 제어 커런트(621)의 듀티(duty)를 결정하는 듀티부(1110)를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라서, 듀티(duty)를 결정하는 듀티부(1110)는 복수의 듀티부(1111, 1112)를 포함할 수 있다.
상기 제어 커런트 제어부(622)는, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 온 시, 상기 제어 커런트(621)로 제어 신호를 출력하는 턴 온 듀티부(1111), 및, 상기 스위칭 소자(630)의 턴 오프 시, 상기 제어 커런트(621)로 제어 신호를 출력하는 턴 오프 듀티부(1112)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라서, 상기 턴 온 듀티부(1111), 및, 상기 턴 오프 듀티부(1112)는, 서로 다른 시정수를 가지는 RC 필터를 포함할 수 있다. 이에 따라, 턴 온/오프 시 상황에 맞게 제어 커런트(621)의 동작 시간을 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 전력변환장치 및 이를 포함하는 차량은 상기한 바와 같이 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 전력변환장치 및 이를 포함하는 차량에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
전압 전원부 : 610
제어 커런트 제어부: 620
제어 커런트 : 621
제어 커런트 제어부: 622
인버터 : 420
인버터 제어부: 430
모터 : 250
게이트 구동부 : 510

Claims (15)

  1. 스위칭 소자; 및,
    상기 스위칭 소자의 게이트(gate) 단자에 상기 스위칭 소자의 구동을 위한 게이트 구동 신호를 인가하는 게이트 구동부;를 포함하고,
    상기 게이트 구동부는,
    상기 스위칭 소자의 턴 온 구간 밑 턴 오프 구간의 일부 구간 동안에 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하는 제어 커런트, 및,
    상기 제어 커런트의 동작을 제어하는 제어 커런트 제어부를 포함하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 구동부는,
    상기 스위칭 소자의 턴(turn) 온(on) 구간에서, 상기 게이트 단자로 전류를 소싱(sourcing)하기 위한 소스 전압(source voltage), 및, 상기 스위칭 소자의 턴(turn) 오프(off) 구간에서, 상기 게이트 단자로부터 전류를 싱킹(sinking)하기 위한 싱크 전압(sink voltage)을 포함하는 전압 전원부를 더 포함하는 전력변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 구동 신호는, 상기 전압 전원부에 기초하는 전류와 상기 제어 커런트에 기초하는 전류의 조합으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 턴 온 구간은, 상기 소스 전압과 상기 게이트 단자 사이에만 전류 패스가 형성되는 제1 턴 온 구간, 및, 상기 소스 전압과 상기 게이트 단자 사이 및 상기 제어 커런트와 상기 게이트 단자 사이 2개의 전류 패스가 형성되는 제2 턴 온 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 턴 온 구간은, 상기 제2 턴 온 구간 이후, 상기 소스 전압과 상기 게이트 단자 사이에만 전류 패스가 형성되는 제3 턴 온 구간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 턴 오프 구간은, 상기 싱크 전압과 상기 게이트 단자 사이 및 상기 제어 커런트와 상기 게이트 단자 사이 2개의 전류 패스가 형성되는 제1 턴 오프 구간, 및, 상기 싱크 전압과 상기 게이트 단자 사이에만 전류 패스가 형성되는 제2 턴 오프 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 구동부는,
    상기 스위칭 소자의 게이트 단자에 접속되는 게이트 저항의 저항값을 가변시키는 게이트 저항 가변부를 더 포함하는 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 게이트 저항 가변부는, 상기 스위칭 소자의 턴 온 구간에서, 상기 스위칭 소자의 턴 오프 구간보다 상기 게이트 저항값이 낮아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 인버터의 스위칭 동작을 제어하기 위해 인버터 스위칭 제어신호를 상기 게이트 구동부로 출력하는 인버터 제어부;를 더 포함하며,
    상기 스위칭 소자는, 상기 인버터 내의 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어 커런트 제어부는, 상기 인버터 제어부로부터 수신되는 상기 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터;를 더 포함하며,
    상기 스위칭 소자는, 상기 컨버터 내의 하나 이상의 스위칭 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어 커런트 제어부는,
    상기 스위칭 소자의 턴 온 시, 상기 제어 커런트로 제어 신호를 출력하는 턴 온 듀티부, 및,
    상기 스위칭 소자의 턴 오프 시, 상기 제어 커런트로 제어 신호를 출력하는 턴 오프 듀티부를 포함하는 전력변환장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 턴 온 듀티부와 상기 턴 오프 듀티부는 서로 다른 시정수를 가지는 RC 필터를 포함하는 전력변환장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어 커런트는 전압 제어 전류원인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전력변환장치를 포함하는 차량.
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