KR20130119313A - Apparatus for controlling inverter current and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 인버터의 전류 제어 장치에 관한 것으로서, 3상 교류 전류를 출력하는 인버터의 스위칭 소자의 전류를 제어하는 전류 제어 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 차량에서는, 고전압 배터리를 사용하여 주행용 모터나 컴프레서의 모터를 구동하고, 저전압 배터리를 사용하여 오디오 기기나 LIN(Local Interconnect Network)이나 CAN(Controller Area Network) 등의 통신을 하기 위한 통신 기기를 구동한다. 이러한 구성에 있어서, 예를 들어, 인버터 장치의 동작을 제어하는 모터용 제어부와 통신 기기의 동작을 제어하는 통신용 제어부가 서로 신호를 송수신하는 경우, 포토커플러를 통하여 신호가 송수신된다.In a vehicle such as a hybrid car or an electric vehicle, a high voltage battery is used to drive a driving motor or a compressor motor, and a low voltage battery is used to communicate with an audio device or a local interconnect network (LIN) or controller area network (CAN). Drive a communication device to In such a configuration, for example, when the motor control unit for controlling the operation of the inverter device and the communication control unit for controlling the operation of the communication device transmit and receive signals with each other, the signal is transmitted and received through the photocoupler.
일반적으로 인버터를 제어하여 모터를 구동하는 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 고전압 배터리(10)와, 상기 고전압 배터리의 전압을 다른 전압으로 변환하는 전압 변환유닛(Converter)와, 상기 변환된 전압을 저장 및 평활화하는 평활유닛(30;필터콘덴서)과, 상기 평활유닛의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(40;Inverter, DC/AC Converter)와, 상기 인버터의 교류 전압에 의해 구동되는 모터(60) 및 출력 주파수를 제어하는 제어유닛(50)을 포함하여 구성된다.In general, an apparatus for driving a motor by controlling an inverter includes a
상기 인버터(40)는 스위칭 소자를 연결하여 사용하는데, 일반적으로 스위칭 소자로서 특성이 우수한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)라는 반도체 소자를 주로 사용한다.The
상기 인버터(40)에 출력 단락 또는 암(Arm) 단락이 발생하여 스위칭 소자인 IGBT에 단락 전류가 흐르면 스위칭 소자의 단락 전류는 스위칭 소자에 인가되고 있는 게이트-이미터 전압(VGE)이 허용하는 최대 전류까지 상승하고, 스위칭 소자의 컬렉터-이미터 전압(VCE)은 전류에 비례하여 상승한다. 단락 전류로 인해 상기와 같이, 인버터 내의 스위칭 소자인 IGBT 소자에서, 제어되지 않는 전류(이하, '사고전류'라 함)가 흐를 경우 이를 검출하여 적절한 대응을 취해야 한다.When an output short circuit or an arm short circuit occurs in the
이를 위해 종래에는 전류 제어 목적으로 상출력단(phase ouptut)에 설치된 상출력 전류 검출 센서(70;70a,70b,70c)에서 검출되는 전류값을 이용하여 전류 제어 및 단락전류 검출을 수행하는 별도의 검출전용회로를 두어야만 했다.To this end, conventionally, a separate detection for performing current control and short-circuit current detection using current values detected by phase output current detection sensors 70 (70a, 70b, 70c) installed in a phase ouptut for current control purposes. I had to put a dedicated circuit.
예컨대, 정상적인 경우, 스위칭 소자가 턴-온되면, 입력 전압 VCC는 풀-업 저항, 전류 제한저항, 블로킹 다이오드, 스위칭 소자를 통해 GND에 연결된다. 이때, 스위칭 소자의 턴-온 전압만이 검출되어 정상 동작을 수행한다. 반대로, 스위칭 소자가 단락되는 경우 스위칭 소자의 턴-온 전압은 단락 전류의 크기에 비례하여 상승하고, 상기 비교유닛의 기준 전압과 비교되어 단락 검출 유무를 판별하고 고장신호를 제어유닛에 전달하였다.For example, in the normal case, when the switching element is turned on, the input voltage VCC is connected to GND through a pull-up resistor, current limiting resistor, blocking diode, switching element. At this time, only the turn-on voltage of the switching element is detected to perform normal operation. On the contrary, when the switching element is shorted, the turn-on voltage of the switching element rises in proportion to the magnitude of the short-circuit current, and compared with the reference voltage of the comparison unit to determine the presence or absence of a short circuit detection and transmit a failure signal to the control unit.
그러나, 종래 기술의 따른 단락전류 검출 기능을 갖는 전류 검출 센서를 구비한 인터버 제어 장치는, 별도의 전류 검출 센서를 필요로 하기 때문에 비용이 증가되는 문제가 있다. 또한 별도의 전류 검출 센싱을 하여야 하기 때문에 제어부의 부하가 증가되는 문제가 있다. 또한, 종래의 전류 검출 센서만으로는 단락검출 레벨을 조정할 수 없는 문제점이 있다.However, the inverter control apparatus with the current detection sensor having the short-circuit current detection function according to the prior art has a problem that the cost increases because it requires a separate current detection sensor. In addition, there is a problem in that the load of the controller is increased because a separate current detection sensing has to be performed. In addition, there is a problem that the short-circuit detection level cannot be adjusted only by the conventional current detection sensor.
본 발명의 기술적 과제는 별도의 전류 검출 센서 없이 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 별도의 전류 검출 센서 없이 인버터 전류 제어 장치 및 전류 제어 방법을 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 직접 검출하여 인버터 전류 제어 시스템을 보호하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 검출된 전류의 디지털 변조 시간을 단축시키는데 있다.An object of the present invention is to detect a current flowing in the switching element without a separate current detection sensor. Another object of the present invention is to provide an inverter current control device and a current control method without a separate current detection sensor. In addition, the technical problem of the present invention is to directly detect the current flowing in the switching element to protect the inverter current control system. In addition, the technical problem of the present invention is to shorten the digital modulation time of the detected current.
본 발명은 스위칭되어 출력되는 전류를 검출할 수 있는 복수의 전류검출 스위칭 소자를 구비하며, 상기 전류검출 스위칭 소자를 각각 온,오프함으로써 직류 전류를 3상 교류로 변환하여 모터에 출력하는 인버터와, 상기 전류검출 스위칭 소자의 출력단의 출력 전류를 검출 전류로서 직접 입력받아 디지털 형태의 검출 신호값으로 변환시키는 AD 컨버터와, 상기 검출 신호값을 이용하여 복수의 스위칭 소자를 온,오프 제어하는 구동 신호를 출력하는 제어부를 포함한다.The present invention includes a plurality of current detection switching device capable of detecting the current output by switching, the inverter for converting the DC current into a three-phase alternating current by turning on and off the current detection switching device, respectively, and outputs to the motor; An AD converter which directly receives an output current of an output terminal of the current detection switching element as a detection current and converts the signal into a digital detection signal value; It includes a control unit for output.
또한 전류검출 스위칭 소자는 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 소자가 병렬로 연결된다. 또한 전류검출 스위칭 소자는 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 및 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터로 구현되며, 상기 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 상기 직류 전류가 입력되는 입력단에 연결된 제1컬렉터와, 제어 전류가 입력되는 제1게이트와, 상기 모터에 연결되는 제1출력단인 제1이미터를 포함하고, 상기 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 입력단과 제1컬렉터 사이의 노드에 연결되는 제2컬렉터와, 상기 제어 전류와 동일한 신호가 입력되는 제2게이트와, 상기 검출 전류를 출력하는 제2출력단인 제2이미터를 포함한다.In addition, the current detection switching device is connected to two insulated gate bipolar transistor (IGBT) devices in parallel. In addition, the current detection switching device is implemented by a first insulated gate bipolar transistor and a second insulated gate bipolar transistor, wherein the first insulated gate bipolar transistor includes a first collector connected to an input terminal to which the DC current is input, and a control current is inputted. A first emitter connected to the motor and a first emitter connected to the motor, wherein the second insulated gate bipolar transistor comprises: a second collector connected to a node between an input terminal and the first collector; And a second gate to which the same signal is input and a second emitter which is a second output terminal for outputting the detection current.
또한 AD 컨버터는, 미리 예측한 예측값과 실제로 검출된 검출 전류간의 오차를 이용한 보정을 통하여 디지털 신호로 변환하는 시그마 델타 변조부를 포함한다. 또한 AD 컨버터는, 상기 변환된 디지털 신호를 에일리어싱(aliasing)을 차단하는 필터링을 수행하는 제1차 필터부와, 다운 샘플링된 디지털 신호를 저역 필터링하는 제2차 필터부를 포함한다.The AD converter also includes a sigma delta modulator which converts the digital signal into a digital signal through correction using an error between the predicted value predicted in advance and the detected current detected. The AD converter further includes a first order filter unit for performing filtering to block aliasing of the converted digital signal, and a second order filter unit for low pass filtering a down-sampled digital signal.
또한 제1차 필터는, 에일리어싱 필터링 이후에 다운 샘플링을 수행하며, 제2차 필터는 상기 제1차 필터부로부터 입력되는 신호를 저역 필터링한 후 다운 샘플링을 수행한다.In addition, the first-order filter performs downsampling after aliasing filtering, and the second-order filter performs downsampling after low pass filtering the signal input from the first-order filter unit.
또한 제1차 필터는 빗살 무늬 필터인 콤 필터(comb Filter)임을 특징으로 하며, 제2차 필터는 유한 임펄스 응답 필터(FIR Filter)임을 특징으로 한다.In addition, the primary filter is characterized in that the comb filter (comb filter) that is a comb filter, the second filter is characterized in that the finite impulse response filter (FIR Filter).
본 발명의 실시 형태에 따르면 별도의 전류 검출 센서 없이 스위칭 소자에 흐르는 전류를 직접 검출함으로써 회로 간단화를 이룰 수 있다. 따라서 인버터 전류 제어 장치 구현 시에 비용 절감을 이룰 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 스위칭 소자에 흐르는 전류를 직접 검출함으로써 신속한 전류 제어가 이루어질 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 스위칭 소자의 이상 여부를 직접 정확하게 검출할 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 시그마-델타 변조를 이용하여 디지털 변조 시간을 최소화하여 제어부의 부하를 경감시켜 다른 부가적인 제어 동작 구현을 원활하게 하여 자원 배분을 수월하게 할 수도 있다. According to the embodiment of the present invention, a circuit can be simplified by directly detecting a current flowing through the switching element without a separate current detection sensor. Therefore, the cost can be reduced when implementing the inverter current control device. Further, according to the embodiment of the present invention, rapid current control can be achieved by directly detecting the current flowing through the switching element. In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to directly and accurately detect whether the switching element is abnormal. In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to minimize the digital modulation time by using sigma-delta modulation to reduce the load of the controller to facilitate the implementation of other additional control operations and to facilitate resource allocation.
도 1은 종래의 인버터를 제어하여 모터를 구동하는 장치를 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 단락 전류 검출 회로를 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 TCS-IGBT의 구조로서 일체화된 전류검출 스위칭 소자를 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 AD 컨버터의 각각의 시그마-델타 변조부, 제1차 필터부, 제2차 필터부에 대한 세부 구성을 도시하였다.
도 5는 시그마 델타 변조 원리를 도시한 그림이다.
도 6은 콤 필터의 필터링 대역 예시를 도시한 그림이다.1 is a view showing a device for driving a motor by controlling a conventional inverter.
2 is a diagram illustrating a short circuit current detection circuit of an inverter according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a current detection switching device integrated as a structure of a TCS-IGBT according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates a detailed configuration of each of the sigma-delta modulator, the first-order filter unit, and the second-order filter unit of the AD converter according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating the sigma delta modulation principle.
6 is a diagram illustrating an example of a filtering band of a comb filter.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 단락 전류 검출 회로를 도시한 그림이다.2 is a diagram illustrating a short circuit current detection circuit of an inverter according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 인버터를 제어하여 모터를 구동하는 전류 제어 장치는, 고전압 배터리(500)와, 상기 고전압 배터리의 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 전압 변환 유닛(600;Converter)와, 변환된 전압을 저장 및 평활화하는 평활유닛(700;필터콘덴서)과, 상기 평활유닛의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는데, 스위칭되어 출력되는 전류를 검출할 수 있는 복수의 전류검출 스위칭 소자를 구비하며, 상기 전류검출 스위칭 소자를 각각 온,오프함으로써 직류 전류를 3상 교류로 변환하여 모터(300)에 출력하는 인버터(100;Inverter)와, 전류검출 스위칭 소자의 출력단의 출력 전류를 검출 전류로서 직접 입력받아 디지털 형태의 검출 신호값으로 변환시키는 AD 컨버터(210)와, 검출 신호값을 이용하여 복수의 스위칭 소자를 온,오프 제어하는 구동 신호를 출력하는 제어부(200)를 포함한다. 이밖에 제어부의 제어 신호에 따라서 전류검출 스위칭 소자의 온,오프를 직접 제어하는 게이트 신호를 생성하는 드라이브 회로(400)를 포함한다,.Referring to FIG. 2, a current control device for controlling an inverter to drive a motor includes a
인버터(100)는, 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 차량에 탑재되는 컴프레서 모터를 구동하는데 사용된다. 인버터는 복수개의 전류검출 스위칭 소자를 구비하여, 복수의 전류검출 스위칭 소자가 각각 온,오프됨으로써, 입력 직류 전압을 3상 교류로 변환하여 모터에 출력한다. 예를 들어, 인버터(100)는, 서로 직렬 접속되어 U상을 출력하는 n 채널의 제1전류검출 스위칭 소자(Pu) 및 제2전류검출 스위칭 소자(Nu)와, 서로 직렬 접속되어 V상을 출력하는 n 채널의 제3전류검출 스위칭 소자(Pv) 및 제4전류검출 스위칭 소자(Nv)와, 서로 직렬 접속되어 W상을 출력하는 n 채널의 제5전류검출 스위칭 소자(Pw) 및 제6전류검출 스위칭 소자(Nw)가 고전압 배터리(500)에 병렬 접속되어 구성되어 있다. 제1전류검출 스위칭 소자(Pu), 제3전류검출 스위칭 소자(Pv), 제5전류검출 스위칭 소자(Pw)는 포지티브(Positive) U,V,W의 3상 전류를 각각 출력하는 스위칭 소자이며, 제2전류검출 스위칭 소자(Nu), 제4전류검출 스위칭 소자(Nv), 제6전류검출 스위칭 소자(Nw)는 네거티브(Negative) U,V,W 3상 전류를 각각 출력하는 스위칭 소자이다. 참고로, 각 전류검출 스위칭 소자(Pu,Pv,Pw,Nu,Nv,Nw)에는 전류 블록킹을 위한 다이오드(D)가 컬렉터(C)와 이미터(E) 사이에 병렬로 연결되어 있다.The
제1전류검출 스위칭 소자(Pu) 및 제2전류검출 스위칭 소자(Nu) 간의 접속점 노드와 모터(300)의 U상이 접속되고, 제3전류검출 스위칭 소자(Pv) 및 제4전류검출 스위칭 소자(Nv) 간의 접속점 노드와 모터(300)의 V상이 접속되며, 제5전류검출 스위칭 소자(Pw) 및 제6전류검출 스위칭 소자(Nw)의 접속점 노드와 모터(300) 의 W상이 접속되어 있다. IGBT(Pu,Pv,Pw,Nu,Nv,Nw)가 순차 온, 오프가 됨으로써 모터(300)에 복수의 교류 전류가 흘러 모터(300)의 로터가 회전한다.
The connection point node between the first current detection switching element Pu and the second current detection switching element Nu and the U phase of the
한편, 인버터를 구성하는 각 전류검출 스위칭 소자(Pu,Pv,Pw,Nu,Nv,Nw)는 입력되는 컬렉터 단자로 입력되는 전류를 스위칭하여 이미터로 출력 전류로서 출력한다. 본 발명의 실시예는 이미터로 출력되는 출력 전류값을 별도의 검출센서 없이 직접 검출하여 제어부로 제공하는 방안을 제공한다. 이를 위하여 각 전류검출 스위칭 소자는 출력 전류값을 검출할 수 있도록 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor)의 병렬 결합으로서 구현된다. 참고로 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 병렬 결합을 나타내기 위하여 도 2에서는 간단히 이미터만 두 개를 도시하였다.On the other hand, each of the current detection switching elements Pu, Pv, Pw, Nu, Nv, and Nw constituting the inverter switches the current input to the input collector terminal and outputs it as an output current to the emitter. An embodiment of the present invention provides a method of directly detecting the output current value output to the emitter without a separate detection sensor and providing it to the controller. To this end, each current sensing switching element is implemented as a parallel combination of two IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors to detect the output current value. For reference, only two emitters are illustrated in FIG. 2 to show parallel coupling of two insulated gate bipolar transistors.
상술하면, 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 병렬 결합은, 도 3에 도시한 바와 같이 TCS-IGBT(The on-chip Current Sense-Insulated Gate Bipolar Transistor)의 구조로서 전류검출 스위칭 소자를 일체화하여 구현한다. TCS-IGBT 소자는 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT1,IGBT2)가 병렬로 결합되어 구현되어, 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT1)는 모터(300;motor)에 출력 전류를 제공하며, 다른 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT2)는 모터에 제공되는 출력 전류와 동일한 값을 출력하여 AD 컨버터(210)에 제공한다.In detail, the parallel coupling of two insulated gate bipolar transistors is implemented by integrating a current detection switching element as a structure of the on-chip current sense-insulated gate bipolar transistor (TCS-IGBT) as shown in FIG. 3. The TCS-IGBT device is implemented by combining two insulated gate bipolar transistors IGBT1 and IGBT2 in parallel, so that the first insulated gate bipolar transistor IGBT1 provides an output current to the
이를 위하여 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT1)는, 상기 직류 전류가 입력되는 입력단에 연결된 제1컬렉터(C1)와, 제어 전류가 게이트 신호로서 입력되는 제1게이트(G1)와, 상기 모터에 연결되는 제1출력단인 제1이미터(E1)를 포함한다. 또한 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT2)는, 입력단과 제1컬렉터(C1) 사이의 노드에 연결되는 제2컬렉터(C2)와, 제1게이트와 동일한 제어 전류가 입력되는 제2게이트(G2)와, 검출 전류를 출력하는 제2출력단인 제2이미터(E2)를 포함한다.To this end, the first insulated gate bipolar transistor IGBT1 includes a first collector C1 connected to an input terminal through which the DC current is input, a first gate G1 through which a control current is input as a gate signal, and a motor. It includes a first emitter (E1) which is a first output terminal. In addition, the second insulated gate bipolar transistor IGBT2 includes a second collector C2 connected to a node between the input terminal and the first collector C1, and a second gate G2 to which the same control current as the first gate is input. And a second emitter E2 which is a second output terminal for outputting a detection current.
따라서 전류검출 스위칭 소자로 입력되는 입력 전류(iL)는 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터(C1;제1컬렉터)와 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터(C2;제2컬렉터)라는 양쪽 입력단으로 동일하게 입력되며, 또한 전류검출 스위칭소자로 입력되는 제어 신호인 게이트 신호(iG)는 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트(G1;제1게이트)와 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트(G2;제2게이트)의 양쪽으로 동일하게 입력된다. 따라서 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 출력단인 이미터(E1;제1이미터)에서 흐르는 전류(iE1)와 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 출력단인 이미터(E2제2이미터)에서 흐르는 전류(iE2)는 서로 동일한 값을 가지게 된다. 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 이미터(제1이미터)를 통해 출력되는 전류(iE1)는 모터에 제공되어 구동원으로 사용되며, 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 이미터(제2이미터)를 통해 출력되는 전류(iE2)는 검출 전류로서 AD 컨버터로 제공된다.Therefore, the input current i L input to the current detection switching element is input to both input terminals of the collector C1 (first collector) of the first insulated gate bipolar transistor and the collector C2 (second collector) of the second insulated gate bipolar transistor. The gate signal i G , which is the same and is a control signal input to the current detection switching element, includes a gate G1 of the first insulated gate bipolar transistor and a gate G2 of the second insulated gate bipolar transistor; The same is input to both sides of the second gate). Therefore, the current i E1 flowing in the emitter E1 (first emitter), which is the output terminal of the first insulated gate bipolar transistor, and the current flowing in the emitter E2 (second emitter, E2), which is the output terminal of the second insulating gate bipolar transistor, i E2 ) will have the same value. The current i E1 output through the emitter (first emitter) of the first insulated gate bipolar transistor is provided to the motor and used as a driving source, and the emitter (second emitter) of the second insulated gate bipolar transistor is used. The current i E2 output through is provided to the AD converter as the detection current.
한편, 상기 실시예에서, 일체화된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT1,IGBT2)는 포지티브 및 네거티브 측에 모두 구비되는 것으로 도시되었으나, 네거티브 측에 구비되어 상전류를 측정하는 방식을 취할 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다. Meanwhile, in the above embodiment, the integrated insulated gate bipolar transistors IGBT1 and IGBT2 are illustrated as being provided on both the positive and negative sides, but various modifications are possible, such as being provided on the negative side to measure a phase current. Do.
한편, 상기의 실시예 설명에서 인버터 내의 전류검출 스위칭 소자로서, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT;Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 사용하는 예를 들어 설명하였다. 그러나 이에 한정되지 않고 다양한 스위칭 소자의 경우에도 본 발명의 실시예가 적용될 수 있음은 자명할 것이다. 예를 들어, 인버터를 구성하는 각 전류검출 스위칭 소자는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 이외에도 다이오드가 병렬 접속되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등이 사용될 수 있어 IGBT 에 한정되지 않는다.In the above description of the embodiment, an example of using an insulated gate bipolar transistor (IGBT) element as the current detection switching element in the inverter has been described. However, not limited to this, it will be apparent that embodiments of the present invention can be applied to various switching devices. For example, in addition to the insulated gate bipolar transistor (IGBT), each current detection switching element constituting the inverter may be a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) connected in parallel with a diode, and the like is not limited to the IGBT.
참고로, IGBT는, MOSFET와 Bipolar transistor의 장점만을 취할 수 있도록 되어 있다. IGBT는 실제로는 MOSFET를 대체하기 위한 소자라고 볼 수 있다. MOSFET의 경우 하나의 타입 캐리어(electron or hole)로 구동하는 소자이기 때문에 항복전압을 높이거나 전류량을 높이는데 한계가 있다. 그 때문에 IGBT는 MOSFET의 이러한 단점을 보완하고 높은 항복전압과 전류를 얻을 수 있다. 다만, IGBT는 MOSFET에 비해 속도가 느린 단점을 가진다. IGBT 소자의 특징을 간단히 기술하면, IGBT는 MOSFET와 같은 전압 제어 방식을 갖추며 ON-저항이 낮아 고전력 소자에 널리 사용된다. MOSFET과 IGBT의 전압별 ON-저항의 차이를 비교하면, 넓은 전압 범위에서 MOSFET에 비해 IGBT에서의 도통 저항이 더 낮다. 스위칭 소자인 IGBT, MOS FET, TR의 특성을 각각 비교하면, 입력형태는 IGBT와 MOS FET는 전압으로 제어하고, BJT는 전류로 제어하며, 입력저항은 IGBT및 MOS FET는 매우 높은 반면 BJT는 낮다. 또한, 동작주파수는 IGBT는 중간정도이고, MOS FET는 높고, BJT는 낮으며, 스위칭 속도는, IGBT는 중간 정도이고, MOS FET는 매우 빠르고 BJT는 제일 느리다.
For reference, the IGBT can only take advantage of the MOSFET and Bipolar transistor. IGBTs can actually be seen as replacements for MOSFETs. Since the MOSFET is a device driven by one type of carrier (electron or hole), there is a limit in increasing the breakdown voltage or the amount of current. Because of this, IGBTs can compensate for these disadvantages of MOSFETs and achieve high breakdown voltages and currents. However, IGBT has the disadvantage of being slower than MOSFET. Briefly describing the features of the IGBT device, the IGBT has the same voltage control scheme as the MOSFET and has low ON-resistance, making it widely used in high power devices. Comparing the difference in voltage-dependent ON-resistance between the MOSFET and the IGBT, the conduction resistance in the IGBT is lower than in the MOSFET over a wide voltage range. Comparing the characteristics of switching devices IGBT, MOS FET and TR, the input type is controlled by voltage, IGBT and MOS FET by voltage, BJT by current, and input resistance is very high while IGBT and MOS FET are low, but BJT is low. . In addition, the operating frequency is medium IGBT, MOS FET is high, BJT is low, switching speed is medium, IGBT is medium, MOS FET is very fast and BJT is the slowest.
제어부(200)는, 3상 전류(Iu, Iv, Iw) 에 기초하여 모터(300)의 로터(rotor)의 현재 위치를 구하고, 모터 로터(rotor)의 현재 위치와 외부로부터 입력되는 명령 메시지(command message)에 기초하여 U상, V상, W상의 각각의 상전압을 구하고, 그들 3개의 상전압과 삼각 기준파를 사용하여 PWM(Pulse Width modulation)에 의해 스위칭 소자(Pu,Pv,Pw,Nu,Nv,Nw)의 각각의 온, 오프를 제어하기 위한 각 제어 신호를 생성한다. 또한, 제어부(200)는, LIN 이나 CAN 등의 통신을 하는 통신 기기의 동작 제어를 실시하는 장치와 신호를 송수신한다.The
또한 제어부(200)는 AD 컨버터로부터 제공되는 각 전류검출 스위칭 소자의 디지털 출력값을 제공받아, 각 전류검출 스위칭 소자의 전류가 정상적으로 흐르고 있는지를 비교함으로써 단락 전류 등의 이상 상태가 발생하였는지를 빠르게 검출할 수 있다. 예컨대, 각 전류검출 스위칭 소자에 단락 전류가 흐를 경우, 제어부는 각 전류검출 스위칭 소자로부터 제공받은 출력 전류값이 단락 전류값인지 비교하여 단락 상태임을 검출할 수 있다. 참고로, 각 각 전류검출 스위칭 소자에서 검출되는 전류는 단락 전류 검출에 이용되는것 뿐만 아니라 검출된 전류를 통해 각 스위칭 소자에 대한 전류 제어에 이용할 수 있다.In addition, the
드라이브 회로(400)는, 제어부(200)로부터 출력되는 제어 신호를 각 전류검출 스위칭 소자의 게이트에 입력하는 게이트 신호로서 생성하여 출력한다. 즉, 드라이브 회로는 각 전류검출 스위칭 소자(Pu,Pv,Pw,Nu,Nv,Nw)의 소자 동작 스펙에 맞는 전류 신호를 생성하여 각 각 전류검출 스위칭 소자의 게이트 단자에 제공하여, 온,오프 스위칭 동작이 이루어지게 한다.
The
AD 컨버터(210)는 전류검출 스위칭 소자(Pu,Pv,Pw,Nu,Nv,Nw)의 각 출력단의 출력 전류를 검출 전류로서 직접 입력받아 각 검출 전류별로 디지털 형태의 검출 신호값으로 변환시켜 제어부(200)로 제공한다. 이를 위하여 AD 컨버터(210)는 미리 예측한 예측값과 실제로 검출된 검출 전류간의 오차를 이용한 보정을 통하여 위상별로 디지털 신호로 변환하는 시그마 델타 변조부(211)를 포함한다. 이밖에 변환된 디지털 신호를 에일리어싱(aliasing)을 차단하는 필터링을 수행하는 제1차 필터부와, 다운 샘플링된 디지털 신호를 저역 필터링하는 제2차 필터부를 더 포함할 수 있다.The
시그마 델타 변조부 이외에 제1차 필터부 및 제2차 필터부를 더 구 현하는 경우 이들은 순차적으로 연결되어, 시그마-델타 변조, 에일리어싱 차단 과정 및 저역 필터링 과정을 거치게 된다. 도 4에는 AD 컨버터의 각각의 시그마-델타 변조부(211), 제1차 필터부(212), 제2차 필터부(213)에 대한 세부 구성이 도시되어 있다.In addition to the sigma delta modulator, the first and second filter units may be sequentially connected and subjected to sigma-delta modulation, an aliasing blocking process, and a low pass filtering process. FIG. 4 shows a detailed configuration of each sigma-
시그마 델타 변조부(211;Σ-Δ modulator)는 델타(delta_ 변조방식으로부터 파생된 아날로그-디지털(analog-to-digital) 변환 방식이다. 이러한 방식을 적용한 ADC(Analog-to-digital converter) 회로는 저가의 CMOS공정으로 쉽게 구현이 가능하며 반도체 기술의 발달에 힘입어 널리 쓰이고 있다.The
시그마 델타 변조 원리는 도 5(a)에 도시한 바와 같이 신호의 값을 대강 예측하여, 오차를 구한 다음, 누적된 오차를 이용하여 오차를 보정해 나가 디지털 신호로 변환하는 것이다. 이 원리에 의하면, 누적 오차 값이 유한하다면, 입력 신호의 평균값과 출력 신호의 평균값은 같아지게 되어 있다. 적분기(integrator)의 개수는 시그마 델타 변조의 차수(order)를 결정한다. 도 5(b)는 2차 시그마 델타 변조의 예이다. 1차 변조는 안정적이지만, 차수가 높아질수록 안정성에 더욱 신경을 써야만 한다. 상기와 같이 본 발명의 실시예에서 시그마 델타 변조부를 적용함으로서, 데이터 입력을 위하여 절연된 두 개의 채널 선만을 필요로 하고 고해상도를 이룰 수 있다.The sigma delta modulation principle is to roughly predict the value of a signal as shown in FIG. 5 (a) to find an error, and then correct the error using the accumulated error and convert it into a digital signal. According to this principle, if the cumulative error value is finite, the average value of the input signal and the average value of the output signal are equal. The number of integrators determines the order of sigma delta modulation. 5B is an example of second-order sigma delta modulation. First-order modulation is stable, but the higher the order, the more attention should be paid to stability. By applying the sigma delta modulator in the embodiment of the present invention as described above, only two insulated channel lines are required for data input and high resolution can be achieved.
한편, 시그마 델타 변조부에 의해 디지털 신호로 변환한 후에 신호의 안정화를 위하여 제1차 필터부와 제2차 필터부를 통과시켜 출력할 수 있다.On the other hand, after the conversion to the digital signal by the sigma delta modulator can be output through the first and second filter unit for stabilizing the signal.
제1차 필터부(212)는 변환된 디지털 신호에 대한 에일리어싱(aliasing)을 차단하는 필터링을 수행하는데, 이러한 제1차 필터부는 콤 필터(comb filter)를 이용한다. 에일리어싱(aliasing)은 아날로그 신호의 표본화 시 표본화 주파수가 신호의 최대 주파수의 2배보다 작거나 필터링이 부적절하여 인접한 스펙트럼들이 서로 겹쳐 생기는 신호 왜곡 현상을 말한다. 이러한 현상을 피하기 위해서는 표본화 주파수를 신호의 최대 주파수의 2배 이상으로 높이고, 샘플링하기 전에 저주파 통과 여파기를 사용하여 최대 주파수 이상의 신호들을 제거해야 한다. 제1차 필터부는 콤 필터(comb filter)를 이용하여 이러한 에일리어싱을 필터링 제거한다.The first-
콤 필터(comb filter)는 도 6에 도시한 바와 같이 주파수 특성에 따라서 빗살(comb) 모양(주파수 특유의 골)이 다수 나타나는 대역 통과 필터이다. 따라서 각 채널(각 전류검출 스위칭 소자로부터 입력받는 채널의 검출 전류의 해당 위상의 주파수를 빗살 대역으로 가지는 콤 필터를 통과하게 되면, 각 채널의 검출 전류는 빗살 대역에 의하여 어느 선택 감쇠된다. 한편, 콤 필터를 통한 빗살 무늬 대역으로의 1차 필터링이 이루어진 후 다운 샘플링되어 제2차 필터부에 전달한다. 이러한 다운 샘플링은 데시메이터(decimator)에 의해 이루어지는데, 데시메이터는 변환된 디지털 신호의 클럭 주파수를 디지털 프로세서가 처리할 수 있는 샘플링 레이트로 다운샘플링하는 역할을 수행하고, 이를 위해 클럭의 주파수를 샘플링 팩터(N)로 나누어 특정 샘플링 레이트로 다운 샘플링한다.The comb filter is a band pass filter in which a plurality of comb shapes (corrugated curves) appear in accordance with frequency characteristics as shown in FIG. 6. Therefore, when passing through the comb filter having the frequency of the corresponding phase of the detection current of the channel received from each current detection switching element as a comb band, the detection current of each channel is selectively attenuated by the comb band. After the first filtering is performed through the comb filter to the comb band, it is downsampled and transferred to the second filter unit.The downsampling is performed by a decimator, which is a clock of the converted digital signal. Downsamples the frequency to a sampling rate that can be processed by the digital processor. To this end, the frequency of the clock is divided by a sampling factor N to downsample at a specific sampling rate.
제2차 필터부(213)는 디지털 신호를 저역 필터링하여 출력시킨다. 제2차 필터부의 저역 필터링을 통하여, 콤 필터에 의한 통과 대역 누락(pass band droping)을 보상해주는 보상용 필터 기능을 수행할 수 있다. 제2차 필터부는 유한 임펄스 응답 필터(FIR filter; finite impulse response filter)로 구현되어, 대역 필터링을 통하여 디지털 신호를 안정화시킨다. 상기 유한 임펄스 응답 필터는 임펄스 응답의 계속 시간이 유한인 디지털 필터로서, 본 발명의 실시예에서는 두 개의 대역을 가지는 2단의 유한 임펄스 응답 필터로 구현한다. 2단의 유한 임펄스 응답 필터를 통해 두 개의 저역 대역에서 필터링을 한다. 2단계의 저역 필터링은 단지 원하는 저주파수 대역의 신호를 얻기 위함이지 필터링 차수는 다양하게 적용가능할 수 있을 것이다. 한편, 마찬가지로 2차 필터링이 이루어진 후 다운 샘플링되어 출력된다. 이러한 다운 샘플링은 데시메이터(decimator)에 의해 이루어질 수 있다.
The
상기와 같이 일체화된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 이미터 전류를 사용하고 시그마-델타 변조를 실행하는 AD 컨버터를 이용함으로써, 별도의 전류 검출 센서를 배제시켜 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터로부터 검출된 신호를 직접 사용하여 시스템 회로를 보호할 수 있다. 그와 동시에, 시그마-델타 변조를 이용하여 디지털 변조 시간을 최소화하여 제어부의 부하를 경감시켜 다른 부가적인 제어 동작 구현을 원활하게 하여 자원 배분을 수월하게 할 수도 있다. By using the emitter current of the integrated isolated gate bipolar transistor as described above and using an AD converter that performs sigma-delta modulation, the system can be directly used by using a signal detected from the isolated gate bipolar transistor by excluding a separate current detection sensor. It can protect the circuit. At the same time, sigma-delta modulation can be used to minimize the digital modulation time, thereby reducing the load on the controller to facilitate other additional control operations and to facilitate resource allocation.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings and the preferred embodiments described above, the present invention is not limited thereto but is limited by the following claims. Accordingly, those skilled in the art will appreciate that various modifications and changes may be made thereto without departing from the spirit of the following claims.
100: 인버터 200: 제어부
210: AD 컴버터 211: 시그마 델타 변조부
212: 제1차 필터부 213: 제2차 필터부
300: 모터 400: 드라이브 회로
Pu,Pv,Pw: 포지티브 상전류 발생 스위칭 소자
Nu,Nv,Nw: 네거티브 상전류 발생 스위칭 소자100: inverter 200: control unit
210: AD converter 211: sigma delta modulator
212: primary filter unit 213: secondary filter unit
300: motor 400: drive circuit
Pu, Pv, Pw: positive phase current generating switching element
Nu, Nv, Nw: Negative phase current generating switching device
Claims (10)
상기 전류검출 스위칭 소자의 출력단의 출력 전류를 검출 전류로서 직접 입력받아 디지털 형태의 검출 신호값으로 변환시키는 AD 컨버터;
상기 검출 신호값을 이용하여 복수의 스위칭 소자를 온,오프 제어하는 구동 신호를 출력하는 제어부;
를 포함하는 인버터의 전류 제어 장치.An inverter which has a plurality of current detection switching elements capable of detecting a current which is switched and output, and which converts a DC current into a three-phase alternating current by turning on and off the current detection switching elements, respectively, and outputs it to a motor;
An AD converter which directly receives an output current of an output terminal of the current detection switching element as a detection current and converts the detected current into a digital detection signal value;
A control unit outputting a driving signal for controlling on / off of a plurality of switching elements by using the detection signal value;
Current control device of the inverter comprising a.
상기 제1절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는,
상기 직류 전류가 입력되는 입력단에 연결된 제1컬렉터;
제어 전류가 입력되는 제1게이트;
상기 모터에 연결되는 제1출력단인 제1이미터;를 포함하고,
상기 제2절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는,
상기 입력단과 제1컬렉터 사이의 노드에 연결되는 제2컬렉터;
상기 제어 전류와 동일한 신호가 입력되는 제2게이트;
상기 검출 전류를 출력하는 제2출력단인 제2이미터;
를 포함하는 인버터의 전류 제어 장치.The method of claim 2, wherein the current detection switching device is implemented with a first insulated gate bipolar transistor and a second insulated gate bipolar transistor,
The first insulating gate bipolar transistor,
A first collector connected to an input terminal to which the DC current is input;
A first gate through which a control current is input;
And a first emitter which is a first output terminal connected to the motor.
The second insulated gate bipolar transistor is,
A second collector connected to a node between the input terminal and the first collector;
A second gate to which the same signal as the control current is input;
A second emitter which is a second output terminal for outputting the detection current;
Current control device of the inverter comprising a.
상기 변환된 디지털 신호의 에일리어싱(aliasing)을 차단하는 필터링을 수행하는 제1차 필터부;
다운 샘플링된 디지털 신호를 저역 필터링하는 제2차 필터부;
를 포함하는 인버터의 전류 제어 장치.The method according to claim 4, wherein the AD converter,
A first order filter unit to perform filtering to block aliasing of the converted digital signal;
A second order filter unit for low-pass filtering the down-sampled digital signal;
Current control device of the inverter comprising a.
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