KR20210069398A - 3 상 인버터의 전류 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치는, 인버터를 구성하는 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결되는 전류 검출소자, 전류 검출소자가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치 및 전류 검출소자를 이용하여 전류를 측정하는 전류 측정부 및 전류 검출소자를 이용하여 측정한 제1 전류 값과 상기 2개의 하단 스위치를 이용하여 측정한 제2 전류 값 및 제3 전류 값의 관계에 기초하여 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 보정하는 전류 보정부를 포함한다.

Description

3 상 인버터의 전류 측정 장치 및 그 방법{Apparatus for detecting current of 3-Phase inverter and method thereof}
본 발명은 3 상 인버터의 전류 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 하나의 션트 저항 및 스위치에서의 전류 측정을 이용하여 3 상 인버터의 전류를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 발명이다.
3 상 인버터의 3 상 전류를 측정할 때, 별도의 전류 센서를 이용하여 전류를 측정한다. 그 중에서, 단일 전류 센서를 이용하는 방법은 여러 가지 장점으로 예컨대, 가격이나 시스템 크기면에서 유리하기 때문에 널리 사용이 된다.
이러한 단일 전류 센서를 이용한 3 상 인버터 시스템은 직류 링크(DC-link)에 단일 전류 센서를 설치하고 그 단일 전류센서로부터 전류를 측정한다. 단일 전류 센서를 이용한 인버터의 시스템은 직류 링크에 단일 전류 센서를 설치하고 해당 센서가 감지한 신호는 A/D 컨버터로 연결되어 U, V, W상 전류를 측정한다. 여기서, 서로 다른 두 상의 정확한 전류 값을 측정하기 위해서는 두 개의 스위칭 상태가 일정 시간 이상 동안 유지되어야 한다. 그러나 실제로 일정 시간을 유지할 수 없는 경우가 발생하게 되어, 단일 전류 센서로 전류의 측정이 불가능한 영역이 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하나의 션트 저항 및 스위치에서의 전류 측정을 이용하여 3 상 인버터의 전류를 측정하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치는, 인버터를 구성하는 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결되는 전류 검출소자; 상기 전류 검출소자가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치 및 상기 전류 검출소자를 이용하여 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 상기 전류 검출소자를 이용하여 측정한 제1 전류 값과 상기 2개의 하단 스위치를 이용하여 측정한 제2 전류 값 및 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정하는 전류 보정부를 포함한다.
또한, 상기 전류 검출소자는 션트 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부는, 상기 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제1 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부는, 상기 2개의 하단 스위치 각각의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 하단 스위치는 FET로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부는, 상기 하단 스위치 턴 온 시, 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 의해 발생하는 전압 강하를 측정하여 제2 전류 값 또는 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부는, 상기 2개의 하단 스위치의 각 Rdson을 이용하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 전류 보정부는, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은지를 판단하고, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, 상기 제1 전류 값을 기준으로, 상기 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값의 스케일을 조정할 수 있다.
또한, 상기 보정된 전류 값을 상기 인버터의 제어신호로 이용하는 전류 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치는, 병렬로 연결되는 3개의 상단 스위치; 상기 3개의 상단 스위치에 각각 연결되는 3개의 하단 스위치; 상기 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치 하단에 연결되는 션트 저항; 상기 션트 저항에서의 제1 전류 값, 및 상기 션트 저항이 연결되지 않은 두 개의 하단 스위치에서의 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 전류 측정부; 및 상기 제1 전류 값을 기준으로 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값을 보정하는 전류 보정부를 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 방법은, 인버터를 구성하는 3개 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결되는 전류 검출소자를 이용하여 제1 전류 값을 측정하는 단계; 상기 전류 검출소자가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치를 이용하여 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계; 및 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 전류 검출소자는 션트 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전류 값을 측정하는 단계는, 상기 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제1 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계는, 상기 2개의 하단 스위치 각각의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정하는 단계는, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은 지를 판단하는 단계; 및 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, 상기 제1 전류 값을 기준으로, 상기 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값의 스케일을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계는, 상기 하단 스위치 턴 온 시, 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 의해 발생하는 전압 강하를 측정하여 제2 전류 값 또는 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계는, 상기 2개의 하단 스위치의 각 Rdson을 이용하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
또한, 상기 보정된 전류 값을 상기 인버터의 제어신호로 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 1개의 션트 저항을 이용하여 3개의 션트 저항 효과를 얻을 수 있다. 또한, 별도의 1 션트 제어 없이 소음, 토크 리플에 강인한 특성을 갖는다. 나아가, 전류 검출 정밀성을 높일 수 있고, 3개의 션트 저항을 사용하는 방법보다 재료비를 절감할 수 있으며, 회로 구현이 간단하다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치가 3 상 인버터 회로 상에 구현되는 예시를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 대한 비교 실시예를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치의 3 상 인버터의 전류 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 방법의 흐름도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치(100)는 전류 검출소자(120), 전류 측정부(130), 및 전류 보정부(140)로 구성된고, 전류 제어부(150)를 더 포함할 수 있다.
전류 검출소자(120)는 인버터(110)를 구성하는 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결된다.
보다 구체적으로, 인버터의 3 상의 전류를 측정하기 위하여, 3 상의 스위치를 형성하는 3개의 하단 스위치(111, 112, 113) 중 하나의 하단 스위치(112)의 하단에 전류 검출소자(120)를 연결한다. 3개의 하단 스위치(111, 112, 113)에 모두 전류 검출소자를 연결하지 않고, 3개 중 하나의 하단 스위치(112) 하단에 전류 검출소자(120)를 연결함으로써 3 상의 전류를 모두 측정하는데 이용할 수 있다.
인버터(Inverter)는 직류(DC)를 교류(AC)로 바꾸는 장치를 의미한다. 직류 전력을 이용하여 3 상 모터를 동작시키고자 하는 경우와 같이, 직류 전력을 3 상 모터의 3 상 전원에 맞도록 교류 전력으로 바꾸는 역할을 한다. 인버터는 모터 등에 필요한 전력용 인버터, 전동기 제어 인버터, 조명용 인버터 등 다양한 용도로 이용될 수 있다.
인버터는 직류를 교류로 변환하기 위하여, 병렬로 연결되는 3개의 상단 스위치, 3개의 상단 스위치 각각에 연결되는 3개의 하단 스위치, 및 각 상단 스위치 및 하단 스위치에 연결되어 모터와 같은 부하에 전원을 인가하는 3개의 노드를 포함할 수 있다. 서로 연결된 상단 스위치 및 하단 스위치는 하프 브릿지 회로를 형성하여, 서로 상보적으로 도통되며 3 상의 전력을 부하로 전달할 수 있다.
인버터(110)를 형성하는 3개의 하단 스위치(111, 112, 113)는 FET로 구성될 수 있다. FET(Field Effect Transistor)는 전계효과 트랜지스터로, 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)의 3극을 가지는 반도체이다. 게이트와 소스 간의 전압에 의해 발생하는 정전계로 소스와 드레인 사이의 전류를 제어할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 스위칭 소자로 이용될 수 있다. 인버터(110)는 FET를 하단 스위치로 이용할 수 있다.
인버터(110)가 모터 등을 동작시키기 위한 인버터의 경우, 각 3 상에서의 전류를 측정하고, 측정된 전류에 따라 모터를 제어할 수 있다. 정확한 모터 제어를 위해 3 상에서의 전류 측정이 중요하다. 3 상에서의 전류 측정을 위하여 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치 하단에 전류 검출소자(120)를 직렬로 연결한다.
전류 검출소자(120)는 션트 저항을 포함할 수 있다. 션트(Shunt) 저항은 저항 값이 매우 낮은 저항으로, 분류기라고도 한다. 션트 저항은 전류를 나누는 역할을 하는 저항으로, 전류를 측정하기 위해 이용된다. 전류를 측정하고자 하는 소자에 션트 저항을 직렬로 연결하여 저항에서 발생하는 전압을 측정하여 전류를 측정할 수 있다. 이러한 방식을 통해 전류를 측정하기 위하여, 션트 저항을 인버터(110)의 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치 하단에 션트 저항을 직렬로 연결할 수 있다.
전류 측정부(130)는 상기 전류 검출소자(120)가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치(111, 113) 및 상기 전류 검출소자(120)를 이용하여 전류를 측정한다.
보다 구체적으로, 3 상 전류를 측정하기 위하여, 전류 측정부(130)는 전류 검출소자(120)가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치(111, 113)에서의 전류를 측정하고, 전류 검출소자(120)에서의 전류를 측정한다. 전류 측정부(130)는 3 상의 전류를 각 3 상의 전류가 흐르는 인버터(110)의 하단 스위치(111, 112, 113)에서 전류를 측정하는데, 정확한 전류의 측정을 위하여, 하나의 하단 스위치(112) 하단에 연결된 전류 검출소자(120)로부터 전류를 측정한다.
전류 측정부(130)는 전류 검출소자(120)로부터 전류를 측정함에 있어서, 전압 강하 성분을 검출하여 전류를 측정할 수 있다. 전류 검출소자(120)로 션트 저항을 이용하는 경우, 전류 측정부(130)는 상기 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제1 전류 값을 측정할 수 있다.
전압 강하(Voltage Drop)는 전압이 저항을 만나면 전압이 작아지는 것을 의미하며, 수동 임피던스의 두 개의 단자 간의 전압의 차로 측정된다. 즉, 전류 검출소자(120) 즉 션트 저항의 양 단의 전압의 차를 측정하여 전압 강하를 검출할 수 있다.
전류 측정부(130)는 전류 검출소자(120)가 연결되지 않은 상기 2개의 하단 스위치(111, 113) 각각의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다. 각 하단 스위치의 양 단의 전압의 차를 측정하여 각 하단 스위치(111, 113)에서의 전압 강하를 측정함으로써 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
전류 측정부(130)는 상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정함에 있어서, 상기 하단 스위치 턴 온 시, 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 의해 발생하는 전압 강하를 측정하여 제2 전류 값 또는 제3 전류 값을 측정할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 인버터(110)는 하나의 하프 브릿지를 형성하는 하나의 상단 스위치 및 하나의 하단 스위치가 쌍을 이루어 서로 상보적으로 도통되며 동작하는데, 하단 스위치에 흐르는 전류를 측정하기 위하여, 해당 하단 스위치가 턴 온시, 전압 강하를 측정하여 전류를 측정할 수 있다. 하단 스위치는 FET로 구성될 수 있고, 하단 스위치 턴 온시, FET의 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 발생하는 전압 강하를 측정하여 전류를 측정할 수 있다.
전류 측정부(130)는 상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정함에 있어서, 상기 2개의 하단 스위치의 각 Rdson을 이용하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다. 하단 스위치를 FET로 구성하는 경우, 각 하단 스위치에서 발생하는 전력손실은 등가 회로상 Rds 저항으로 표현할 수 있다. 즉, 스위치가 턴 온 되었을 때, Rds 저항 값에 의하여 드레인과 소스 단에서의 전압은 Vds = I * Rds의 식과 같이, 스위치 양단에 Vds 전압이 걸리게 된다. 이때의 저항값을 Rdson이라 하며, Vds 전압을 이용하면 스위치에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 이상적인 스위치라면 턴 온 시 Rdson(스위치의 턴온(Turn On)시 드레인과 소스 양단 사이의 저항값)이 0이나, 실제 스위치에는 직렬 저항 성분이 존재한다. 따라서, Rdson에 의하여 발생하는 전압 강하를 측정하여 전류를 측정할 수 있다.
전류 보정부(140)는 상기 전류 검출소자(120)를 이용하여 측정한 제1 전류 값과 상기 2개의 하단 스위치(111, 113)를 이용하여 측정한 제2 전류 값 및 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정한다.
보다 구체적으로, 전류 검출소자(120)에서 측정한 제1 전류 값은 정확하지만, 2개의 하단 스위치(111, 113)를 이용하여 측정한 제2 전류 값 및 제3 전류 값은 정확지 않을 수 있는바, 전류 보정부(140)는 제1 전류 값과 제2 전류 값 및 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 하단 스위치(111, 112, 113)는 FET로 구성되고, 하단 스위치에서의 전압 강하 성분을 측정하는데 이용될 수 있는 Rdson은 온도나 전류의 크기에 따라 변동이 존재하여 정밀한 전류 측정이 어려울 수 있다. 즉, 전류 측정부(130)는 전류 검출소자(120) 없이 하단 스위치(111, 113)에서 측정된 전류에 대해 전류 검출소자(120)를 이용하여 검출된 전류와의 비교를 통해, 하단 스위치(111, 113)에서 측정된 전류가 정확한지 판단하고, 정확하지 않다고 판단되면, 해당 전류를 보정하여, 정확한 전류 값을 산출할 수 있다.
전류 보정부(140)는 제1 전류 값과 제2 전류 값 및 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정함에 있어서, 먼저, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은지를 판단하고, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, 상기 제1 전류 값을 기준으로, 상기 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값의 스케일을 조정할 수 있다.
인버터(110)에서 직류를 교류를 변환함에 있어서, 3 상에 각 전류가 흐르게 되는데, 실제 3 상에 흐르는 각 전류는 피크 값이 같아야 한다. 이를 이용하여, 제2 전류 값 또는 제3 전류 값이 정확한지 보정이 필요한지 판단할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은지를 판단한다. 피크(Peak) 값 또는 피크 투 피크(Peak to Peak) 값을 이용할 수 있다. 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 상기 제1 전류 값의 피크 값과 같은 경우, 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값은 정확하다고 판단할 수 있다. 즉, 전류 값의 보정이 필요하지 않다고 판단할 수 있다.
하지만, 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값은 정확하지 않고, 보정이 필요하다고 판단할 수 있다. 보정이 필요하다고 판단된 제2 전류 값 또는 제3 전류 값은 전류 값의 스케일을 조정하여 전류 값을 보정할 수 있다.
전류 제어부(150)는 상기 보정된 전류 값을 상기 인버터의 제어신호로 이용한다.
보다 구체적으로, 전류 제어부(150)는 3 상에서의 전류 값을 인버터(110)의 제어신호로 이용한다. 전류 제어부(150)는 예를 들어, 현재 3 상에서 흐르는 전류 값에 따라 인버터(110)에 포함된 각 스위치의 시비율을 제어하기 위하여, 전류 보정부(140)에서 보정된 전류 값을 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치가 3 상 인버터 회로 상에 구현되는 예시를 도시한 것이다.
도 2와 같이, 모터(160)에 전원을 제공하기 위해 직류를 교류로 변환하는 인버터(110)는 3개의 하단 스위치(111, 112, 113)를 포함할 수 있고, 하나의 하단 스위치(112) 하단에 전류 검출소자(120)를 포함할 수 있다. 여기서, 전류 검출소자(120)는 션트 저항일 수 있다. 각 하단 스위치(111, 112, 113)는 하나의 단자로 통합되어 GND(170)에 연결될 수 있다. 3 상에서의 전류를 측정하기 위하여, 션트 저항(120) 및 션트 저항(120)이 연결되지 않은 두 개의 하단 스위치(111, 113)에서 전류를 측정한다. 각 전류는 서로 위상이 다른 전류로 각각 u, v, w 위상을 가질 수 있다. 제1 전류 내지 제3 전류를 전류 측정부(130)가 측정하는데, 전류를 측정하고자 하는 각 소자에서의 전압 강하 성분을 검출하여 전류를 측정할 수 있다.
전류 보정부(140)는 전류 측정부(130)가 측정한 제1 전류와 비교를 통해 제2 전류 및 제3 전류가 정확한지 판단하고, 정확하지 않다고 판단되는 경우, 제2 전류 또는 제3 전류를 보정할 수 있다. 제2 전류 및 제3 전류가 정확한지 판단함에 있어서, 제2 전류 및 제3 전류의 피크값이 제1 전류의 피크 값과 같은지 판단할 수 있다. 제1 전류의 피크 값과 상이한 제2 전류 또는 제3 전류를 보정할 수 있다.
도 3은 본 발명에 대한 비교 실시예로, 도 2와 같이, 션트 저항을 하나의 하단 스위치 하단에 연결하지 않고, 모든 하단 스위치(31, 33, 35)가 통합되는 단자 하단에 션트 저항(37)을 연결할 수 있다. 이 경우, 전류를 측정함에 있어서, 각 하단 스위치에서의 전류 및 추가적으로 션트 저항(120)에서의 전류, 즉 4개의 위치에서 전류를 측정해야 한다. 게이트 드라이버 IC는 3 개의 증폭회로만 포함하는 경우가 많으며, 이 경우, 1 개의 별도의 OP-AMP와 같은 증폭시가 필요하며, 4 개의 ADC 채널이 요구될 수 있다. 측정된 전류에 대해 전류 보정부(40)에서 전류 보정 후, PWM 제어부(50)에 전달한다. 도 3의 경우, 션트 저항을 이용하여 전류를 측정할 수 있는 영역 이외 측정이 불가능한 영역이 존재한다. 따라서, 측정이 불가한 영역에 대해 보완하기 위한 별도의 알고리즘이 필요하다. 또한, 이러한 알고리즘을 적용하는 경우, 인가 PWM 방법에 변형을 일으키기 때문에, 정확한 합성 벡터를 만들지 못하거나, 비대칭 PWM의 생성으로 처리부에서의 연산 시간이 증가하고, 소음 및 전류 리플이 증가되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 도 2의 본 발명의 구현 실시예와 달리, 전류를 측정하는 위치가 많아지게 되고 그에 따라 필요한 구성들이 늘어나게 되며, 전류 보정부(140)에서 전류 보정 계산에서도 복잡성이 높아져, 시간이 많이 소요되어 즉각적인 반응 내지 제어가 어려워질 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 장치의 3 상 인버터의 전류 측정 과정을 설명하기 위한 도면으로, 도 4와 같이 3 상 인버터의 전류를 측정할 수 있다.
먼저, 션트 저항이 연결되지 않은 하단 스위치인 FET 1,2의 전압강하 성분 및 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출(410)한다. 이후, 측정된 전류의 정확성을 높이기 위하여, 전류의 정확성을 판단하는 과정을 거치게 되는데, 이를 위하여, 3 개의 검출 성분의 전류 환산 시 전류 값을 비교(420)한다. 이때 전류 값의 피크(peak) 값이 같은지 판단(430)한다. 비교 결과, 전류 값의 피크 값이 같은 경우, 보정없이 측정된 전류 값을 이용하여 전류제어를 수행(440)한다. 하지만, 비교 결과, 전류 값의 피크 값이 상이한 경우, 션트 저항 측정 값을 기준으로 FET 검출 값을 보정하고 스케일을 조정(450)한다. 보정이 이루어진 이후, 보정된 전류 값을 이용하여 전류제어를 수행(440)한다.
전류 보정부(140)에서 보정을 수행하는 과정은 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
FET의 기생 저항 성분 Rdson은 주변 환경 온도, 전류의 크기에 따른 변동이 크게 존재하지만, 션트(Shunt) 저항은 값이 크게 변하지 않기에 션트 저항에서의 전류 값을 기준으로 보정을 수행할 수 있다. 동일 주기 내에서 션트 저항에서 측정한 전류 값(Irshunt)과 Rdson을 이용하여 측정한 전류 값(Irdson, 510)을 비교해 두 값의 오차(e)가 0이 되도록 PI제어기를 통해 제어할 수 있다. 각 측정된 전류 값의 오차(e)를 측정(520)하고, 적분기 또는 곱셈기를 적용하고, 이를 통해 도출된 값(530)에 따라 스케일이 조정된 Rdson*을 피드백하여 오차가 0이 되도록 스케일을 조정할 수 있다.
측정되는 두 개의 전류 값은 서로 120도의 위상 차를 가지고 있으므로 Peak 값 혹은 Peak to Peak값 등을 이용하여 제어를 수행할 수 있다. FET의 전압강하 성분 Rdson은 물성치 이기 때문에 급격하게 변동하지 않기에 전류 제어 주기보다 느린 제어 주기만으로 충분히 추종이 가능하다.
상기와 같이, 하나의 션트 저항으로 3 상 인버터의 전류를 측정함으로써 1개의 션트 저항을 이용하여 3개의 션트 저항 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 3의 3 상 인버터 전류 측정과 달리, 별도의 1 션트 벡터 제어 알고리즘이 필요하지 않아 소음, 토크 리플에 강인한 특성을 갖는다. 나아가, 전류 검출 정밀성을 높일 수 있고, 3개의 션트 저항을 사용하는 방법보다 재료비를 절감할 수 있으며, 회로 구현이 간단하며, 검출 정밀도도 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3 상 인버터 전류 측정 장치는 도 6과 같이 형성될 수 있다. 도 6의 3 상 인버터 전류 측정 장치(100)에 대한 상세한 설명은 앞서 도 1 내지 도 5의 3 상 인버터 전류 측정 장치(100)에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 6과 같이, 3 상 인버터 전류 측정 장치(100)는 병렬로 연결되는 3개의 상단 스위치(611, 612, 613), 상기 3개의 상단 스위치(611, 612, 613)에 각각 연결되는 3개의 하단 스위치(621, 622, 623), 상기 3개의 하단 스위치(621, 622, 623) 중 하나의 하단 스위치(622) 하단에 연결되는 션트 저항(630), 상기 션트 저항(630)에서의 제1 전류 값, 및 상기 션트 저항(630)이 연결되지 않은 두 개의 하단 스위치(621, 623)에서의 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 전류 측정부(640), 및 상기 제1 전류 값을 기준으로 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값을 보정하는 전류 보정부(650)를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 방법의 흐름도이고, 도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 상 인버터의 전류 측정 방법의 흐름도이다. 도 7 내지 도 11의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 6의 3 상 인버터의 전류 측정 장치에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 중복된 설명은 생략하도록 한다. 도 7 내지 도 11의 각 단계는 하나 이상의 처리부에서 수행될 수 있다.
3 상 인버터의 전류를 측정하기 위하여, 먼저, S11 단계에서 인버터를 구성하는 3개 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결되는 전류 검출소자를 이용하여 제1 전류 값을 측정한다.
여기서, 상기 전류 검출소자는 션트 저항을 포함할 수 있다. 전류 검출소자로 션트 저항을 이용하는 경우, S21 단계와 같이, 상기 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제1 전류 값을 측정할 수 있다.
S11 단계와 함께 또는 S11 단계 이후, S12 단계에서 상기 전류 검출소자가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치를 이용하여 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정한다. 3 상은 120도의 위상차를 가질 수 있는 바, S11 단계 및 S12 단계는 주기적으로 반복되며 수행될 수 있다.
S12 단계를 수행함에 있어서, S31 단계와 같이, 상기 2개의 하단 스위치 각각의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다. 하단 스위치가 FET 인 경우, 상기 하단 스위치 턴 온 시, 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 의해 발생하는 전압 강하를 측정하여 제2 전류 값 또는 제3 전류 값을 측정할 수 있고, 상기 2개의 하단 스위치의 각 Rdson을 이용하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정할 수 있다.
S13 단계에서, S11 단계 및 S12 단계에서 측정된 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정한다.
S13 단계는 도 10의 S41 단계 및 S42 단계를 통해 수행될 수 있다. S41 단계에서 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은 지를 판단하고, 그 판단 결과 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, S42 단계에서 상기 제1 전류 값을 기준으로, 상기 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값의 스케일을 조정할 수 있다.
이와 같이, S13 단계에서 보정된 전류 값은 S51 단계에서 상기 인버터의 제어신호로 이용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 3 상 인버터 전류 측정 장치
110: 인버터
111 내지 113, 621 내지 623: 하단 스위치
120: 전류 검출소자
130, 640: 전류 측정부
140, 650: 전류 보정부
150: 전류 제어부
611 내지 613: 상단 스위치
630: 션트 저항

Claims (18)

  1. 인버터를 구성하는 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결되는 전류 검출소자;
    상기 전류 검출소자가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치 및 상기 전류 검출소자를 이용하여 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 전류 검출소자를 이용하여 측정한 제1 전류 값과 상기 2개의 하단 스위치를 이용하여 측정한 제2 전류 값 및 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정하는 전류 보정부를 포함하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 검출소자는 션트 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    상기 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제1 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    상기 2개의 하단 스위치 각각의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하단 스위치는 FET로 구성되는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    상기 하단 스위치 턴 온 시, 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 의해 발생하는 전압 강하를 측정하여 제2 전류 값 또는 제3 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    상기 2개의 하단 스위치의 각 Rdson을 이용하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전류 보정부는,
    상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은지를 판단하고,
    상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, 상기 제1 전류 값을 기준으로, 상기 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값의 스케일을 조정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보정된 전류 값을 상기 인버터의 제어신호로 이용하는 전류 제어부를 포함하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  10. 병렬로 연결되는 3개의 상단 스위치;
    상기 3개의 상단 스위치에 각각 연결되는 3개의 하단 스위치;
    상기 3개의 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치 하단에 연결되는 션트 저항;
    상기 션트 저항에서의 제1 전류 값, 및 상기 션트 저항이 연결되지 않은 두 개의 하단 스위치에서의 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 제1 전류 값을 기준으로 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값을 보정하는 전류 보정부를 포함하는 3 상 인버터의 전류 측정 장치.
  11. 인버터를 구성하는 3개 하단 스위치 중 하나의 하단 스위치의 하단에 연결되는 전류 검출소자를 이용하여 제1 전류 값을 측정하는 단계;
    상기 전류 검출소자가 연결되지 않은 다른 2개의 하단 스위치를 이용하여 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값의 관계에 기초하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정하는 단계를 포함하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전류 검출소자는 션트 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전류 값을 측정하는 단계는,
    상기 션트 저항의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제1 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계는,
    상기 2개의 하단 스위치 각각의 전압 강하 성분을 검출하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 보정하는 단계는,
    상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 같은 지를 판단하는 단계; 및
    상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값 또는 상기 제3 전류 값의 피크 값이 다른 경우, 상기 제1 전류 값을 기준으로, 상기 제1 전류 값과 피크 값이 다른 제2 전류 값 또는 제3 전류 값의 스케일을 조정하는 단계를 포함하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계는,
    상기 하단 스위치 턴 온 시, 드레인과 소스 양단 사이의 저항 값에 의해 발생하는 전압 강하를 측정하여 제2 전류 값 또는 제3 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전류 값 및 제3 전류 값을 측정하는 단계는,
    상기 2개의 하단 스위치의 각 Rdson을 이용하여 상기 제2 전류 값 및 상기 제3 전류 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 보정된 전류 값을 상기 인버터의 제어신호로 이용하는 단계를 포함하는 3 상 인버터의 전류 측정 방법.
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