KR20220031308A

KR20220031308A - 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR20220031308A
Application number: KR1020200113080A
Authority: KR
Inventors: 정강호; 신상철; 이용재; 하정익; 최현규; 심재훈
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-03-11
Also published as: US11863095B2; US20220077807A1; DE102020214682A1; CN114142787A

Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 동시에 작동시켜 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 모터를 구동하는 경우, 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 목표 전압 벡터를 합성하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 장치가 개시된다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 요구 출력에 따라 모터 구동 모드 Y-결선 모터 구동 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 모드로 전환하여 모터 구동을 위한 인버터 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 모터에 포함된 각 상의 권선은 그 일단이 하나의 인버터에 연결되고 타단이 서로 연결되어 Y-결선을 형성한다.

모터의 구동 시, 인버터 내의 스위칭 소자는 펄스폭 변조 제어에 의해 온/오프 되면서 Y-결선된 모터의 권선에 선간 전압을 인가하여 교류 전류를 생성함으로써 토크를 발생시키게 된다.

이와 같은 모터에 의해 발생하는 토크를 동력으로 이용하는 전기차 등과 같은 친환경 차량의 연비(또는 전비)는 인버터-모터의 전력 변환 효율에 의해 결정되므로, 연비 향상을 위해서는 인버터의 전력 변환 효율과 모터의 효율을 극대화하는 것이 중요하다.

인버터-모터 시스템의 효율은 주로 인버터의 전압 이용률에 의해 결정되는데, 전압 이용율이 높은 구간에서 모터 속도와 토크의 관계에 의해 결정되는 차량의 운전점이 형성되는 경우 차량의 연비가 향상될 수 있다.

그러나, 모터의 최대 토크를 증가시키기 위해 모터의 권선수를 증가시킬수록 전압 이용율이 높은 구간은 차량의 주요 운전점인 저토크 영역과 멀어지게 되어 연비가 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 연비의 관점에서 전압 이용율이 높은 구간에 주요 운전점을 포함하도록 설계하는 경우 모터의 최대 토크에 제약이 있어 차량의 가속 발진 성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 당 기술 분야에서는 하나의 모터로 저출력 및 고출력 구간을 모두 커버하면서도 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 기술이 요구되고 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

US 2009-0033253 A1 JP 6285256 B2

이에 본 발명은, 모터의 요구 출력에 따라 모터 구동 모드를 Y-결선 모터 구동 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 모드로 전환하여 모터 구동을 위한 인버터 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,

복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;

복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;

상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 동시에 작동시켜 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 모터를 구동하는 경우, 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 목표 전압 벡터를 합성하는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터 중 상기 제1 인버터의 공통 모드 전압과 상기 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터를 제외하고 상기 목표 전압 벡터를 합성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터의 영역 별로 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭 하여 목표 전압 벡터를 합성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터를 도시한 벡터도에서 제2 인버터의 스위칭 상태가 동일한 지점을 연결하여 상기 영역을 사전 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 목표 전압 벡터가 속하는 영역에 대응되는 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 상태를 일정 패턴 반복하도록 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 상기 목표 전압 벡터를 합성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작을 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로 본 발명은,

상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및

상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 이상인 경우 상기 제3 스위칭 소자를 오프 시키며, 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 목표 전압 벡터를 합성함으로써 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 동시에 작동시키는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.

상기 모터 구동 장치에 따르면, 모터의 요구 출력에 기반하여 모터의 권선의 턴비 분할 여부를 결정하고, 저출력 구간에서는 권선의 턴수를 분할하여 차량의 주요 운전점이 모터-인버터 시스템의 고효율 구간에 포함되도록 하여 시스템 효율을 향상시키고, 고출력 구간에서는 권선의 전체 턴수를 이용하여 낮은 전류로 고 토크를 실현할 수 있다.

이에 따라, 상기 모터 구동 장치에 따르면, 종래의 일반적인 Y-결선 모터를 하나의 인버터로 구동하는 것에 비해 전체 토크 구간에서 효율을 향상시킬 수 있어 차량 연비 향상에 기여할 수 있다.

또한, 상기 모터 구동 장치에 따르면, 모터 코일의 양단에 각각 연결된 두 인버터를 동시 작동 시켜 모터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 방식 구동 시에, 공간 벡터 펄스폭 변조를 위한 전압 벡터 합성 시 스위칭 손실이 큰 스위칭 소자를 채용한 인버터의 스위칭을 최소화 하고 대신 상대적으로 스위칭 손실이 작은 스위칭 소자를 채용한 인버터에 의해 스위칭이 이루어지게 함으로써 스위칭 손실을 감소시키고 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 모터 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.
도 3은 오픈 엔드 와인딩 모터에 적용된 두 인버터에 의해 합성되는 전압 벡터를 도시한 도면이다.
도 4는 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터에 의해 합성되는 전압 벡터를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 벡터도에서 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키는 전압 벡터를 제외하고 간략히 도시한 벡터도이다.
도 6은 도 5에 도시된 각 영역 별 제1 인버터와 제2 인버터의 스위칭 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제1 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태와 제2 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 종래의 오픈 엔드 와인딩 방식 모터 구동 시 제1 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태와 제2 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 모터(100)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(100)의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율(N1:N2)로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결/차단하는 제3 스위칭 소자(S31-S33) 및 모터(100)의 요구 출력을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16), 제2 스위칭 소자(S21-S26) 및 제3 스위칭 소자(S31-S33)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(200)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(100)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(100)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(200)로 제공할 수 있다. 이러한 직류 전력과 교류 전력 사이의 변환은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 구비된 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어에 의해 수행될 수 있다.

제1 인버터(10)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(100)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 레그(11)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S11, S12)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C1)의 일단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(12)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S13, S14)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S13, S14)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C2)의 일단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(13)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S15, S16)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S15, S16)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.

제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(20)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(21-23)를 포함할 수 있다. 각 레그(21-23)는 모터(100)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 레그(21)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S21, S22)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S21, S22)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C1)의 타단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(22)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S23, S24)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S23, S24)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C2)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(23)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S25, S26)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S25, S26)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.

제1 인버터(10)는 모터(100)의 권선(C1-C3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(100)의 권선(C1-C3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(100)의 권선(C1-C3)의 양단은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 방식의 전기적 연결이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제3 스위칭 소자(30)는 모터(100)에 포함된 복수의 권선(C1-C3) 각각의 턴수를 사전 설정된 비율(N1:N2)로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결 또는 차단할 수 있도록 구비된다. 예를 들어, 제3 스위칭 소자(30)는 총 3개의 스위칭 소자(S31-S33)으로 구성될 수 있으며, 각 스위칭 소자(S31-S33)의 일단은 복수의 권선(C1-C3)의 턴수가 사전 설정된 비율(N1:N2)로 분할되는 지점에 연결되고 각 스위칭 소자(S31-S33)의 타단은 상호 연결될 수 있다(여기서 N1, N2는 실제의 턴수).

이러한 연결구조에서, 상기 제3 스위칭 소자(30)가 오프되는 경우에 모터(100)은 N1+N2의 턴수를 갖는 권선으로 동작할 수 있으며, 제3 스위칭 소자(30)가 온되는 경우에 모터(100)의 권선(C1-C3)은 제3 스위칭 소자(30)가 연결된 위치에서 상호 Y-결선을 형성하게 된다. 예를 들어, 제3 스위칭 소자(30)가 온되고 제2 인버터(20) 내의 복수의 스위칭 소자(S21-S26)가 모두 오프되어 동작하지 않는 상태이고 제1 인버터(10)가 모터(100) 구동을 위해 동작하는 경우, 모터(100)는 N1의 턴수를 갖는 모터로서 구동될 수 있다.

제3 스위칭 소자(S31-S33)는 MOSFET, IGBT, 사이리스터, 릴레이 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.

컨트롤러(40)는 기본적으로는 모터(100)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(100)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어하는 요소이다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 모터(100)의 요구 출력을 기반으로 모터 구동에 사용되는 인버터를 결정하고 그에 따라 제3 스위칭 소자(30)의 온/오프 상태를 결정하며 구동이 결정된 컨버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.

더욱 상세하게, 모터(100)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 컨트롤러(100)는 제2 인버터(20)를 작동시키지 않고 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)를 구동시킬 수 있다(설명의 편의를 위해 '제1 구동 모드'라 함). 이 때, 컨트롤러(100)는 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 온 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(100)의 각 권선(C1-C3)은 제1 인버터(20)와 연결된 일단으로부터 턴수가 N1인 지점이 상호 전기적으로 연결되어 Y-결선을 형성하고 턴수가 N1인 권선을 갖는 모터로 동작하게 된다.

이와 같이, 제1 구동 모드에서는, 제1 인버터(10)를 작동하여 제3 스위칭 소자(30)가 온됨에 의해 N1의 턴수를 갖는 권선이 Y-결선된 모터(100)를 구동시키는 제어가 수행될 수 있다. 제1 구동 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(100)가 제1 인버터(10)의 직류 전압과 전류 센서(50)에서 검출되는 모터(100)로 제공되는 상전류 및 모터(100)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터각 등을 입력 받아 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 하나의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 제1 구동 모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어 기법에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 모터(100)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 컨트롤러(100)는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 작동시켜 모터(100)를 구동시킬 수 있다(설명의 편의를 위해 '제2 구동 모드'라 함). 이 때, 컨트롤러(100)는 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(100)의 각 권선(C1-C3)은 N1+N2의 턴수를 갖게 되고 권선(C1-C3)의 일단은 제1 인버터(20)와 연결되며 그 타단은 제2 인버터(20)와 연결된다. 즉, 제2 구동 모드에서 모터(100)는 권선(C1-C3)의 양단이 모두 개방된 상태인 오픈 엔드 와인딩 모터가 되며 권선(C1-C3)의 양단에 각각 연결된 두 개의 인버터(10, 20)를 펄스폭 변조 제어하여 구동될 수 있다.

제2 구동 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(100)가 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 직류 전압과 전류 센서(50)에서 검출되는 모터(100)로 제공되는 상전류 및 모터(100)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터각 등을 입력 받아 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 오픈 엔드 와인딩 모터의 권선의 양단에 연결된 두 개의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 제2 구동 모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 모터 구동 모드 별 모터회전속도(RPM)-모터 토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 제1 구동 모드에서 N1의 턴수를 갖는 Y-결선 모터를 제1 인버터(10)를 제어하여 구동하게 되고, 제2 구동 모드에서 N1+N2의 턴수를 갖는 오픈 엔드 와인딩 모터를 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 제어를 통해 구동하게 된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 모터(100)가 차량의 구동에 적용되는 경우, 주요 차량 운전점은 도심 주행 시의 운전점(Y1)과 고속도로 주행 시의 운전점(Y2)과 같이 나타나고, 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 영역에 이 운전점들(Y1, Y2)가 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 모터(100)가 차량에 적용되는 경우 제1 구동 모드에서 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 영역이 이 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함하도록 턴수 N1이 결정되는 것이 바람직하다. 모터-인버터 시스템의 효율은 인버터의 전압 이용률에 의해 결정되므로 인버터의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역(R1)이 차량의 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함할 수 있도록 제1 구동 모드에서 모터(100)의 권선(C1-C3)의 턴수 N1이 결정되는 것이 바람직하다.

제2 구동 모드는 오픈 엔드 와인딩 모터를 구동하는 모드이고, 오픈 엔드 와인딩 구동에서는 동일 턴수를 갖는 Y-결선된 권선의 모터를 단순히 하나의 인버터로 구동하는 경우에 비해 인버터의 출력을 대략

배 높게 설정하는 것이 가능한 것으로 알려져 있다. 즉, 제2 구동 모드인 오픈 엔드 와인딩 구동을 적용하는 경우 모터의 턴수를

배 증가시키는 것이 가능해지며 이에 따라 모터가 동일 출력을 내기 위한 전류 출력을

배 감소시킬 수 있다.

이와 같이, 오픈 엔드 와인딩 구동 방식을 적용하는 경우에는, 동일 출력을 내기 위해 Y-결선 모터의 구동에 비해 인버터의 전류를 감소시킬 수 있어 효율을 증대시킬 수 있고 스위칭 소자로 적용되는 전력 반도체의 사용량 감소로 재료비를 절감할 수 있게 된다.

한편, 도 2에 도시한 것과 같이 제2 구동 모드를 적용하는 경우에는, 모터 출력이 증가함에 따라 모터-인버터 시스템의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역(R2)이 주요 운전점들(Y1, Y2)를 포함하기 어렵다. 따라서, 전술한 바와 같이, 주요 운전점(Y1, Y2)이 속하는 저토크 영역에서는 제1 구동 모드로 모터(100)를 구동하고 효율을 향상시키고, 고출력이 필요한 구간에서는 제2 구동 모드로 모터(100)를 구동하여 상대적으로 인버터 출력 전류를 감소시키고 전력 반도체 사용량을 감소시키는 운전을 수행하는 것이 바람직하다.

더하여, 주요 운전점(Y1, Y2)이 속하는 저토크 영역에서 수행되는 제1 구동 모드의 효율을 더욱 향상시키기 위해 제1 인버터(10)에 적용되는 스위칭 소자(S11-S16)는 상대적으로 스위칭 손실이 적은 재료인 SiC로 제작된 MOSFET가 채용되는 것이 더욱 바람직하다. 반면, 고출력 영역에서 작동하는 제2 인버터(20)에 적용되는 스위칭 소자(S21-S26)는 저렴한 재료인 Si로 제작된 IGBT가 채용되는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 요구 출력에 기반하여 모터의 권선의 턴비 분할 여부를 결정하고, 저출력 구간에서는 권선의 턴수를 분할하여 차량의 주요 운전점이 모터-인버터 시스템의 고효율 구간에 포함되도록 하여 시스템 효율을 향상시키고, 고출력 구간에서는 권선의 전체 턴수를 이용하여 낮은 전류로 고 토크를 실현할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 종래의 일반적인 Y-결선 모터를 하나의 인버터로 구동하는 것에 비해 전체 토크 구간에서 효율을 향상시킬 수 있어 차량 연비 향상에 기여할 수 있다.

한편, 제2 구동 모드, 즉 제3 스위칭 소자를 모두 개방하고 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)를 동시에 작동시켜 오픈 엔드 와인딩 모터를 구동하는 모드에서는, 제2 인버터(20)에 포함된 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 스위칭 손실이 큰 Si 등으로 구현될 수 있으므로 전체적인 모터 구동 효율이 감소하고 SiC 등으로 구현된 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)와 동일 전류를 구동하기 위해서 사이즈를 증대시켜야 하므로 재료비 증가를 초래할 수 있다.

따라서, 제2 스위칭 소자(S21-S26)에 의한 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 증대시킬 수 있으며 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 사이즈 증대 없이 제2 구동 모드를 구현할 수 있는 제어 기법이 요구된다.

이하에서는, 제3 스위칭 소자(N31-N33)을 모두 개방하고 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)를 동시에 작동시켜 모터(100)를 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동하는 모드에 대해 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 오픈 엔드 와인딩 모터에 적용된 두 인버터에 의해 합성되는 전압 벡터를 도시한 도면이고, 도 4는 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터에 의해 합성되는 전압 벡터를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 회로 구조에서, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 모터의 각 상에 대응되는 레그에 한 쌍의 스위칭 소자(S11-S12 쌍, S11-S12 쌍, S13-S14 쌍, S15-S16 쌍, S21-S22 쌍, S23-S24 쌍, S25-S26 쌍)를 포함하며, 각 레그의 스위칭 소자는 상호 상보적으로 동작할 수 있다.

도 3에 도시된 벡터도에서, 육각형의 꼭지점과 원점은 각 인버터의 스위칭 소자의 상태에 따른 전압 벡터를 나타낸다. 예를 들어, 인덱스 A로 표시된 점은 제1 인버터(10)의 [100]의 전압 벡터를 나타낸다. 여기서 [100]은 제1 인버터의 a 상에 해당하는 레그에 포함된 스위칭 소자(S11, S12) 중 상부 스위칭 소자(S11)가 온 상태이고, 나머지 상에 해당하는 레그에 포함된 스위칭 소자 중 상부 스위칭 소자(S13, S15)가 오프임을 의미한다.

또한, 육각형의 중심은 [000] 또는 [111] 벡터에 해당하며, 이는 인버터의 각 레그의 상부 스위치가 모두 오프이거나 모두 온인 상태를 의미한다.

도 3에 도시한 것과 같이, 각 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터는 여섯 개의 스위칭 소자의 온/오프 상태의 조합에 의해 총 8개가 될 수 있다.

제3 스위칭 소자(30)를 모두 오프시키고 모터(100)를 오픈 엔드 와인딩 방식으로 구동하는 경우, 모터(100)의 각 상에 해당하는 모터 코일 양단에 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)의 각 레그가 연결된 구조를 가지므로 모터에 인가되는 각 상의 상전압은 제1 인버터와 제2 인버터의 상전압 차이로 인가된다. 또한, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 각각 독립적으로 제어되므로, 실제 모터에 인가되는 전압 벡터는 제1 인버터(10)가 합성할 수 있는 전압 벡터 8가지와 제2 인버터(20)가 합성할 수 있는 전압 벡터 8가지의 조합에 의해 도 4에 도시한 것과 같이 총 64 가지의 전압 벡터를 형성할 수 있다.

한편, 각 인버터(10, 20)에서 공통 모드 전압은 각 상의 상전압의 합을 3으로 나눈 값으로 정의될 수 있으며, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터는 모터 구동에서 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이는 두 인버터(10, 20)의 공통 모드 전압의 차이에 의해 발생하는 전류의 흐름이 모터의 손실을 유발하기 때문이다.

도 4에서 참조부호 '51' 내지 '56'으로 지시된 전압 벡터는 두 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터이다.

예를 들어, 도 4에서 OS 벡터(13'벡터)는 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]이므로, 제1 인버터의 공통 모드 전압은 "{(Vdc/2) + 0 + 0}/3 = Vdc/6"과 같이 연산될 수 있으며, 제2 인버터의 공통 모드 전압은 "{0 + (Vdc/2) + 0}/3 = Vdc/6"과 같이 연산될 수 있다. 따라서, 두 공통 모드 전압의 차는 0이 된다.

반면, 도 4에서 OG 벡터(14' 벡터)는 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]이므로, 제1 인버터의 공통 모드 전압은 "{(Vdc/2) + 0 + 0}/3 = Vdc/6"과 같이 연산될 수 있으며, 제2 인버터의 공통 모드 전압은 "{0 + (Vdc/2) + (Vdc/2)}/3 = Vdc/3"과 같이 연산될 수 있다. 따라서, 두 공통 모드 전압의 차는 "- Vdc/6"이 된다.

여기서, Vdc는 인버터 직류 입력 전압, 즉 배터리(200) 전압일 수 있다.

위 예시와 같은 방식으로 두 인버터의 공통 모드 전압의 차를 연산하면 도 4에서 51' 내지 '56'으로 지시된 전압 벡터는 두 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터임을 확인할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 벡터도에서 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키는 전압 벡터를 제외하고 간략히 도시한 벡터도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키는 전압 벡터를 제외하고 사용 가능한 합성 전압 벡터를 서로 연결하면 육각형으로 나타나며, 각 육각형의 대각선으로 구분되는 여섯개의 영역은 각각 제2 인버터의 스위칭 상태를 동일하게 제어할 수 있게 된다.

예를 들어, 도 5의 제1 영역은 제2 인버터의 스위칭 상태가 4', 즉 [011]로 구현 가능하며, 제2 영역은 제2 인버터의 스위칭 상태가 5', 즉 [001]로 구현이 가능하다. 또한, 제3 영역은 제2 인버터의 스위칭 상태가 6', 즉 [101]로 구현 가능하며, 제4 영역은 제2 인버터의 스위칭 상태가 1', 즉 [100]로 구현이 가능하다. 또한, 제5 영역은 제2 인버터의 스위칭 상태가 2', 즉 [110]로 구현 가능하며, 제6 영역은 제2 인버터의 스위칭 상태가 3', 즉 [010]로 구현이 가능하다. 제1 내지 제6 영역 각각은 전기각 60°에 해당하는 영역으로 제1 내지 제6 영역 전체가 전기각 360°에 대응될 수 있다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명의 일 실시형태는, 스위칭 손실이 큰 Si로 제작된 스위칭 소자를 사용한 제2 인버터(20)의 스위칭 손실을 최소화하기 위해 영역별로 제2 인버터의 스위칭 소자는 해당 영역에 대응되는 스위칭 상태를 지속적으로 유지하도록 제어하고, 제1 인버터(10)의 스위칭 소자를 스위칭 시켜 원하는 전압 벡터를 합성하도록 한다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시형태는 스위칭 손실이 큰 스위칭 소자의 스위칭을 최대한 억제하여 스위칭 손실을 최소화함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 각 영역 별 제1 인버터와 제2 인버터의 스위칭 예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 모터(100) 구동을 위한 공간 벡터 펄스폭 변조 시 도 5의 제1 영역에서 전압 벡터를 합성하고자 하는 경우 제2 인버터(INV2) 내의 스위칭 소자는 4'에 해당하는 스위칭 상태인 [011] 상태를 유지하고, 제1 인버터(INV1) 내의 스위칭 소자는 2, 4, 6에 해당하는 스위칭 상태를 출력하도록 스위칭함으로써 원하는 전압 벡터를 합성할 수 있다. 제1 인버터 내의 각 상의 스위칭 듀티는 합성하고자 하는 전압의 위치에 따라 적절하게 조정될 수 있다.

이와 유사하게, 모터(100) 구동을 위한 공간 벡터 펄스폭 변조 시 도 5의 제2 영역에서 전압 벡터를 합성하고자 하는 경우, 제2 인버터(INV2) 내의 스위칭 소자는 5'에 해당하는 스위칭 상태인 [001] 상태를 유지하고, 제1 인버터(INV1) 내의 스위칭 소자는 1, 3, 5에 해당하는 스위칭 상태를 출력하도록 스위칭함으로써 원하는 전압 벡터를 합성할 수 있다.

마찬가지로, 모터(100) 구동을 위한 공간 벡터 펄스폭 변조 시 도 5의 제3 영역에서 전압 벡터를 합성하고자 하는 경우, 제2 인버터(INV2) 내의 스위칭 소자는 6'에 해당하는 스위칭 상태인 [101] 상태를 유지하고, 제1 인버터(INV1) 내의 스위칭 소자는 2, 4, 6에 해당하는 스위칭 상태를 출력하도록 스위칭함으로써 원하는 전압 벡터를 합성할 수 있다.

모터(100) 구동을 위한 공간 벡터 펄스폭 변조 시 도 5의 제4 영역에서 전압 벡터를 합성하고자 하는 경우, 제2 인버터(INV2) 내의 스위칭 소자는 1'에 해당하는 스위칭 상태인 [100] 상태를 유지하고, 제1 인버터(INV1) 내의 스위칭 소자는 1, 3, 5에 해당하는 스위칭 상태를 출력하도록 스위칭함으로써 원하는 전압 벡터를 합성할 수 있다.

모터(100) 구동을 위한 공간 벡터 펄스폭 변조 시 도 5의 제5 영역에서 전압 벡터를 합성하고자 하는 경우, 제2 인버터(INV2) 내의 스위칭 소자는 2'에 해당하는 스위칭 상태인 [110] 상태를 유지하고, 제1 인버터(INV1) 내의 스위칭 소자는 2, 4, 6에 해당하는 스위칭 상태를 출력하도록 스위칭함으로써 원하는 전압 벡터를 합성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제1 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태와 제2 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태를 도시한 도면이다. 도 8은 종래의 오픈 엔드 와인딩 방식 모터 구동 시 제1 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태와 제2 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.

도 7에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태는 제2 인버터의 스위칭이 현저하게 감소하였음을 확인할 수 있다. 이는 도 8의 종래 오픈 엔드 와인딩 방식 모터 구동시 스위칭 상태를 보면 더욱 명확하게 확인될 수 있다.

도 8에 나타난 것과 같이 종래의 오픈 엔드 와인딩 방식 모터 구동은 제2 인버터 내의 스위칭 소자도 고속 스위칭 구간(b2)이 존재하였다. 제2 인버터가 Si 소재를 채용한 스위칭 소자와 같이 스위칭 손실이 큰 스위칭 소자로 구현되는 경우 제2 인버터의 스위칭에 의한 스위칭 손실이 크게 증가하고 이는 시스템 전체 효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

이에 반해, 본 발명의 일 실시형태는, 도 8의 'b2'에 대응되는 영역인 'b1'에 나타난 것과 같이, 스위칭 손실이 큰 스위칭 소자를 채용한 제2 인버터의 스위칭을 최소화하고 대신 스위칭 손실이 상대적으로 작은 SiC 등의 소재로 제작된 스위칭 소자를 구비한 제1 인버터를 구동하여 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 제1 인버터 20: 제2 인버터
30: 제3 스위칭 소자 40: 컨트롤러
50: 전류 센서 100: 모터
200: 배터리 300: 직류 링크 커패시터
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 C1-C3: 권선

Claims

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 동시에 작동시켜 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 모터를 구동하는 경우, 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 목표 전압 벡터를 합성하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터 중 상기 제1 인버터의 공통 모드 전압과 상기 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터를 제외하고 상기 목표 전압 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터의 영역 별로 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭 하여 목표 전압 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터를 도시한 벡터도에서 제2 인버터의 스위칭 상태가 동일한 지점을 연결하여 상기 영역을 사전 설정한 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 목표 전압 벡터가 속하는 영역에 대응되는 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 상태를 일정 패턴 반복하도록 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 상기 목표 전압 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작은 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및
상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 이상인 경우 상기 제3 스위칭 소자를 오프 시키며, 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 목표 전압 벡터를 합성함으로써 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 동시에 작동시키는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터 중 상기 제1 인버터의 공통 모드 전압과 상기 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터를 제외하고 상기 목표 전압 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터의 영역 별로 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭 하여 목표 전압 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 10에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터를 도시한 벡터도에서 제2 인버터의 스위칭 상태가 동일한 지점을 연결하여 상기 영역을 사전 설정한 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 10에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 목표 전압 벡터가 속하는 영역에 대응되는 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고정하고 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 상태를 일정 패턴 반복하도록 상기 제1 스위칭 소자를 스위칭하여 상기 목표 전압 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작은 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.