KR20230014487A - 모터의 과전류 보호 장치 - Google Patents

모터의 과전류 보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터의 과전류 보호 장치에 관한 것으로, 3상 모터를 구동하기 위한 인버터에 대한 모터의 과전류 보호 장치로서, 상별 트랜지스터를 포함하는 인버터부; 상기 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전압을 모니터링 하는 VDS 전압 모니터링부; 및 상기 VDS 전압 모니터링부에서 출력된 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 과전류 진단을 수행하고, 과전류 진단 결과에 따라 상기 트랜지스터를 스위칭 제어하는 과전류 진단 처리부;를 포함한다.

Description

모터의 과전류 보호 장치{APPARATUS FOR PROTECTING MOTOR FROM OVER CURRENT}
본 발명은 모터의 과전류 보호 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과전류로부터 모터의 손상을 방지할 수 있도록 하는, 모터의 과전류 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전동기(Motor)의 손상을 유발하는 원인 중 하나는 인버터를 통해 전동기로 유입되는 과전류이다.
이에 따라 기존의 과전류 보호 시스템은 인버터를 통해 전동기로 유입되는 전류를 감지하고, 감지된 전류가 지정된 과전류 레벨을 초과하는 경우, 전동기의 구동을 정지시키거나 전원을 차단하는 방식이다.
그러나 과열이나 온도상승, 부품의 노화 등으로 인해 감지된 전류가 과전류 레벨을 초과하지 않더라도 과전류 상태에 도달할 수 있다.
그런데 종래에는 과전류 레벨이 고정되어 있기 때문에 전동기나 드라이브 등이 과전류 상태이어도 이를 감지하지 못해 인버터와 모터가 소손될 수 있었다.
이에 따른 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명의 배경기술인 대한민국 등록특허 10-1364204호(2014.02.10. 모터 드라이버 시스템 및 모터 드라이버 보호방법)에서는 션트 저항에 과전류가 흐르면 인버터를 디세이블(Disable)하여 모터를 정지시키는 방법을 통해 과전류로부터 모터를 보호하고자 하였다.
그러나 상기 배경기술의 방법은 인버터에서 션트 저항의 온도와 FET(Field Effect Transistor) 내부 온도간의 갭(gap)이 커서 과전류로부터 FET가 보호되지 못하는 문제점이 있고, 또한 모터에 과전류가 흘러 모터의 구동이 멈춘 다음 모터의 전류가 정상 범위로 복귀하더라도 모터 구동이 자동적으로 수행되지 못하는 문제점이 있었다.
이에 따라 인버터 내부 FET의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전압을 모니터링 하여 FET에 과전류가 흐르는 것을 검출하여 과전류로부터 FET가 파손되는 것을 방지하고, 또한 모터에 순간적인 과전류가 흐르더라도 모터의 구동이 곧바로 멈추지 않게 하면서 모터의 구동이 정상범위로 복귀하면 곧바로 모터를 다시 구동시킬 수 있도록 하는 기술이 필요한 상황이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 과전류로부터 모터의 손상을 방지할 수 있도록 하는, 모터의 과전류 보호 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 모터의 과전류 보호 장치는, 3상 모터를 구동하기 위한 인버터에 대한 모터의 과전류 보호 장치로서, 상별 트랜지스터를 포함하는 인버터부; 상기 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전압을 모니터링 하는 VDS 전압 모니터링부; 및 상기 VDS 전압 모니터링부에서 출력된 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 과전류 진단을 수행하고, 과전류 진단 결과에 따라 상기 트랜지스터를 스위칭 제어하는 과전류 진단 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 과전류 진단 처리부는, 상기 VDS 전압 모니터링부에서 상기 인버터부의 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전위차가 기 설정된 과전류 진단을 위해 설정된 기준 전압보다 더 큰 경우, 상기 트랜지스터의 게이트에 로우 레벨 신호를 출력하여 상기 인버터부를 스위칭 오프 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 과전류 진단 처리부는, 상기 VDS 전압 모니터링부에서 상기 인버터부의 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전위차가 기 설정된 과전류 진단을 위해 설정된 기준 전압보다 크지 않은 경우, 상기 트랜지스터의 게이트에 하이 레벨 신호를 출력하여 상기 인버터부를 스위칭 온 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 VDS 전압 모니터링부는, 제2 차동증폭기(OP2)와 제3 차동증폭기(OP3)를 포함하고, 상기 제2 차동증폭기(OP2)는 저항(R6)을 통해 상기 트랜지스터의 드레인 전압을 +단자에 인가받고 저항(R7)을 통해 상기 트랜지스터의 소오스 전압을 -단자에 인가받으며, 저항(R8)을 통해 상기 제2 차동증폭기(OP2)의 출력단자와 -단자가 연결되고, 상기 제3 차동증폭기(OP3)는 저항(Rf_1)을 통해 출력단자와 -단자가 연결되고, 저항(Rin_1)을 통해 접지와 -단자가 연결되며, +단자에는 상기 제2 차동증폭기(OP2)의 출력단자가 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 과전류 진단 처리부는, 제1 차동증폭기(OP1)를 포함하고, 상기 제1 차동증폭기(OP1)의 -단자에는 상기 VDS 전압 모니터링부의 제3 차동증폭기(OP3)의 출력단자가 연결되고, 상기 제1 차동증폭기(OP1)의 +단자에는 저항(R1)과 저항(R2)의해 분배된 구동전압(Vcc)이 인가되며, 저항(R3)을 통해 출력단자와 +단자가 연결되고, 일 측에 구동전압(Vcc)이 인가되는 저항(R4)의 타 측이 출력단자에 연결되며, 출력단자가 상기 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 트랜지스터는, FET(Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 과전류로부터 모터의 손상을 방지할 수 있도록 하는 것으로서, 인버터 내부 FET의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전압을 모니터링 하여 FET에 과전류가 흐르는 것을 검출하여 과전류로부터 FET가 파손되는 것을 방지하고, 또한 모터에 순간적인 과전류가 흐르더라도 모터의 구동이 곧바로 멈추지 않게 하면서 모터의 구동이 정상범위로 복귀하면 곧바로 모터를 다시 구동시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 과전류 보호 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 모터의 과전류 보호 장치의 보다 구체적인 회로 구성을 보인 예시도.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 3상 모터 구동을 위한 인버터 내의 상별 과전류 보호 장치의 전체적인 회로를 개략적으로 보인 예시도.
도 4는 상기 도 1에 있어서, 인버터부의 드레인과 소오스 양단의 전압을 모니터링 한 결과를 바탕으로 과전류 여부에 따라 인버터부를 스위칭 제어하는 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모터의 과전류 보호 장치의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 과전류 보호 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 상기 도 1에 있어서, 모터의 과전류 보호 장치의 보다 구체적인 회로 구성을 보인 예시도이며, 도 3은 상기 도 2에 있어서, 3상 모터 구동을 위한 인버터 내의 상별 과전류 보호 장치의 전체적인 회로를 개략적으로 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 모터의 과전류 보호 장치는, 과전류 진단 처리부(110), 인버터부(120), 및 VDS 전압 모니터링부(130)를 포함한다.
이 때 본 실시예에 따른 모터의 과전류 보호 장치는, 3상 모터(Motor)를 구동하기 위한 인버터의 내부 회로에 해당하는 것으로, 상기 3상 모터를 구동하기 위한 인버터는, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 상(U, V, W)별 하이(High) 사이드 구동부와 로우(Low) 사이드 구동부를 포함한다.
따라서 3상 모터(Motor)를 구동하기 위한 인버터의 내부 회로에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 총 6개의 인버터부(120, 예 : FET)를 포함하며, 상기 총 6개의 각 인버터부(120, 예 : FET)마다 상기 과전류 진단 처리부(110)와 상기 VDS 전압 모니터링부(130)가 포함된다.
상기 VDS 전압 모니터링부(130)는 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전압을 모니터링 하여 FET에 과전류가 흐르는 것을 검출한다.
상기 과전류 진단 처리부(110)는 상기 VDS 전압 모니터링부(130)에서 출력된 전압(즉, 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전위차)과 기 설정된 기준 전압(즉, 과전류 진단을 위해 설정된 전압)을 비교한다.
또한 상기 과전류 진단 처리부(110)는 상기 VDS 전압 모니터링부(130)에서 출력된 전압(즉, 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전위차)이 기준 전압(즉, 과전류 진단을 위해 설정된 전압)보다 더 큰 경우, 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 게이트에 로우 레벨 신호를 출력하여 상기 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 오프 시킨다.
또한 상기 과전류 진단 처리부(110)는 상기 VDS 전압 모니터링부(130)에서 출력된 전압(즉, 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전위차)이 기준 전압(즉, 과전류 진단을 위해 설정된 전압)보다 크지 않은 경우, 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 게이트에 하이 레벨 신호를 출력하여 상기 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 온 시킨다.
상기 인버터부(120, 예 : FET)가 스위칭 온 상태에 있는 동안, 상기 인버터부(120, 예 : FET)는 게이트 제어신호(GATE_CONTROL)에 의해 스위칭 제어된다.
도 2를 참조하면, 상기 VDS 전압 모니터링부(130)는 제2 차동증폭기(OP2)와 제3 차동증폭기(OP3)를 포함한다.
여기서 차동증폭기는 OP앰프를 포함한다.
상기 제2 차동증폭기(OP2)는 저항(R6)을 통해 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 드레인 전압을 +단자에 인가받고 저항(R7)을 통해 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 소오스 전압을 -단자에 인가받는다. 또한 상기 제2 차동증폭기(OP2)는 저항(R8)을 통해 출력단자와 -단자가 연결된다.
상기 제3 차동증폭기(OP3)는 저항(Rf_1)을 통해 출력단자와 -단자가 연결되고, 저항(Rin_1)을 통해 접지와 -단자가 연결되며, +단자에는 상기 제2 차동증폭기(OP2)의 출력단자가 연결된다.
또한 상기 과전류 진단 처리부(110)는 제1 차동증폭기(OP1)를 포함한다.
상기 제1 차동증폭기(OP1)의 -단자에는 상기 제3 차동증폭기(OP3)의 출력단자가 연결되고, +단자에는 저항(R1)과 저항(R2)의해 분배된 구동전압(Vcc)이 인가되며, 저항(R3)을 통해 출력단자와 +단자가 연결되고, 일 측에 구동전압(Vcc)이 인가되는 저항(R4)(즉, 풀업저항)의 타 측이 출력단자에 연결되며, 출력단자가 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 게이트에 연결된다.
도 4는 상기 도 1에 있어서, 인버터부의 드레인과 소오스 양단의 전압을 모니터링 한 결과를 바탕으로 과전류 여부에 따라 인버터부를 스위칭 제어하는 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 4를 참조하면, 모터 상 전류(Motor phase current)(초록색 사인파 참조)가 과전류 진단이 되면(상위 노란색 점선 참조) 상기 과전류 진단 처리부(110)에 의해 상기 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 오프시킨다(빨간색 펄스 참조). 이후 모터 상 전류가 과전류 구간을 지나 과전류 진단이 종료되면(하위 노란색 점선 참조) 상기 과전류 진단 처리부(110)에 의해 상기 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 온시킨다(빨간색 펄스 참조).
이 때 상기 상위 노란색 점선과 하위 노란색 점선의 사이 구간(일종의 슈미트 트리거 동작 구간)을 통해 히스테리시스에 의한 상기 인버터부(120, 예 : FET)의 스위칭 제어를 방지한다.
상기와 같이 본 실시예는, 종래와 달리, 션트 저항(도 3의 Rshunt)을 모니터링하는 것이 아니라, 인버터 내부의 각 인버터부(120, 예 : FET)의 드레인(Drain)과 소오스(Source) 양단의 전압을 모니터링하고, 이로부터 과전류를 진단하여 각 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 제어한다. 즉, FET의 턴 온 저항(Rds_on)이 온도에 따라 변화하는 경우와 FET의 과전류가 흐르는 경우를 모두 고려하여 스위칭 제어를 수행한다.
이에 따라 VDS 전압(즉, Drain과 Source 양단전압)이 지정된 조건 이상으로 증가하게 되면, 각 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 오프시켜 모터 구동을 멈추게 함으로써, 과전류로부터 인버터부(120, 예 : FET)가 파손되는 것을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 실시예는 모터에 과전류가 순간적으로 흐르더라도 히스테리시스를 적용해서 모터의 구동이 곧바로 멈추게 하는 것이 아니라, 해당 과전류 구간에서만 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 오프 시키고, 다시 전류가 정상범위로 복귀되는 구간에서는 인버터부(120, 예 : FET)를 스위칭 온 시킴으로써, 모터 구동을 위한 지연 시간(즉, MICOM이 모터를 다시 구동하기 위한 지연 시간)이 발생하지 않고, 곧바로 다시 모터를 구동할 수 있도록 하는 효과가 있다(즉, 일종의 슈미트 트리거 동작을 수행한다).
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
110 : 과전류 진단 처리부
120 : 인버터부
130 : VDS 전압 모니터링부

Claims (6)

  1. 3상 모터를 구동하기 위한 인버터에 대한 모터의 과전류 보호 장치로서,
    상별 트랜지스터를 포함하는 인버터부;
    상기 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전압을 모니터링 하는 VDS 전압 모니터링부; 및
    상기 VDS 전압 모니터링부에서 출력된 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 과전류 진단을 수행하고, 과전류 진단 결과에 따라 상기 트랜지스터를 스위칭 제어하는 과전류 진단 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 과전류 보호 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 과전류 진단 처리부는,
    상기 VDS 전압 모니터링부에서 상기 인버터부의 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전위차가 기 설정된 과전류 진단을 위해 설정된 기준 전압보다 더 큰 경우, 상기 트랜지스터의 게이트에 로우 레벨 신호를 출력하여 상기 인버터부를 스위칭 오프 시키는 것을 특징으로 하는 모터의 과전류 보호 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 과전류 진단 처리부는,
    상기 VDS 전압 모니터링부에서 상기 인버터부의 트랜지스터의 드레인과 소오스 양단의 전위차가 기 설정된 과전류 진단을 위해 설정된 기준 전압보다 크지 않은 경우, 상기 트랜지스터의 게이트에 하이 레벨 신호를 출력하여 상기 인버터부를 스위칭 온 시키는 것을 특징으로 하는 모터의 과전류 보호 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 VDS 전압 모니터링부는,
    제2 차동증폭기(OP2)와 제3 차동증폭기(OP3)를 포함하고,
    상기 제2 차동증폭기(OP2)는 저항(R6)을 통해 상기 트랜지스터의 드레인 전압을 +단자에 인가받고 저항(R7)을 통해 상기 트랜지스터의 소오스 전압을 -단자에 인가받으며, 저항(R8)을 통해 상기 제2 차동증폭기(OP2)의 출력단자와 -단자가 연결되고,
    상기 제3 차동증폭기(OP3)는 저항(Rf_1)을 통해 출력단자와 -단자가 연결되고, 저항(Rin_1)을 통해 접지와 -단자가 연결되며, +단자에는 상기 제2 차동증폭기(OP2)의 출력단자가 연결되는 것을 특징으로 하는 모터의 과전류 보호 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 과전류 진단 처리부는,
    제1 차동증폭기(OP1)를 포함하고,
    상기 제1 차동증폭기(OP1)의 -단자에는 상기 VDS 전압 모니터링부의 제3 차동증폭기(OP3)의 출력단자가 연결되고,
    상기 제1 차동증폭기(OP1)의 +단자에는 저항(R1)과 저항(R2)의해 분배된 구동전압(Vcc)이 인가되며, 저항(R3)을 통해 출력단자와 +단자가 연결되고, 일 측에 구동전압(Vcc)이 인가되는 저항(R4)의 타 측이 출력단자에 연결되며, 출력단자가 상기 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 모터의 과전류 보호 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 트랜지스터는,
    FET(Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 과전류 보호 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009100281A (ja) * 2007-10-17 2009-05-07 Yazaki Corp 差動増幅装置及び過電流保護装置
KR20140046887A (ko) * 2012-10-11 2014-04-21 주식회사 만도 전동식 조향장치 및 그의 단락검출방법
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