모터 칼럼Brush 모터의 PWM 구동 시 전류 회생 방법과 차이점

이번에는 Brush 모터를 PWM 구동할 때의 전류 회생 방법과 차이점에 대해 설명하겠습니다.

Brush 모터의 PWM 구동 시 전류 회생 방법과 차이점

Brush 모터의 PWM 구동 시, OFF duty 구간의 전류 회생 방법은 주로 2가지가 있습니다. 첫번째는 Brush 모터의 2단자를 등가적으로 쇼트시키는 방법입니다. 두번째는 Brush 모터의 2단자에 등가적으로 전원의 극성을 ON duty 구간과 반대로 접속하는 방법입니다. 그럼, 각각에 대해 구체적으로 설명하겠습니다.

모터의 2단자를 등가적으로 쇼트시키는 회생 방법

그림 1은, PWM 구동의 전류 공급 시 (ON duty 구간)의 등가회로와, 모터의 2단자를 등가적으로 쇼트시키는 전류 회생 방법의 등가회로입니다. OFF의 트랜지스터는 생략하였습니다.

(a) 전류 공급 시에는 Q1과 Q4를 ON하여 전원에 모터가 접속되어 있습니다. 모터의 2단자를 등가적으로 쇼트시키는 방법에는 2가지가 있습니다. (b) 전류 회생 1의 회로에서는, (a)의 상태에서 Q1을 OFF하여 전원과의 접속을 끊고, Q2를 ON, Q4를 ON하여, 모터의 단자 사이를 쇼트시킨 상태입니다. (c) 전류 회생 2는, 마찬가지로 Q1을 OFF하지만, Q2는 OFF, Q4는 ON하여, Q2의 기생 다이오드를 통해 모터 전류가 흐릅니다.
 
그림 2는 이러한 모터의 2단자를 쇼트시키는 전류 회생 방법을 사용한 경우의 PWM 동작 파형입니다. (b)와 (c)의 경우 등가회로가 기본적으로 동일하므로, 파형도 동일해집니다. 알기 쉽도록 전류 파형의 피크간 변화를 실제보다 크게 묘사하였습니다.

시간 t가 ∞, 즉 정상 상태의 모터 평균 전류치 Iave는 모터 발전 전압 Ec가 zero일 경우 하기와 같아집니다.

 Iave＝Ea · m/R  ※Ea : 모터 전원전압, m : ON duty 비, R : 모터 등가 저항

따라서 모터에는, 모터 전원전압 Ea에 ON duty 비 m을 곱한 전압이 인가됩니다.

모터의 2단자에 등가적으로 전원의 극성을 ON duty 구간과 반대로 접속하는 회생 방법

그림 3은 모터의 2단자에 등가적으로 전원의 극성을 ON duty 구간과 반대로 접속하는 전류 회생 방법의 등가회로입니다. 이 방법 역시 2가지가 있습니다.

(d) 전류 회생 3은 Q1과 Q4를 OFF하고, Q2와 Q3을 ON하여, ON duty 구간과 모터에 인가되는 전원의 극성을 반대로 합니다. 이 회로의 경우, duty 비에 따라서는 역전류가 흐릅니다. (e) 전류 회생 4는 모든 트랜지스터를 OFF하였지만, Q2와 Q4의 기생 다이오드를 통해 전류가 회생하여 등가적으로 ON duty 구간과 모터에 인가되는 전원의 극성이 반대가 됩니다. 다이오드로 접속하므로, 이 회로에는 역전류가 흐르지 않습니다.

그림 4는, (d)와 같이 모터의 2단자에 등가적으로 전원의 극성을 ON duty 구간과 반대로 접속하는 전류 회생을 실시하여, 역방향으로 전류가 흐르는 회로의 PWM 동작 파형입니다.

(d)의 회로에서는, 회생 전류가 zero 이하가 되면 역방향으로 전류가 흐르기 때문에, ON duty가 50％일 때 모터의 평균 전류는 zero가 됩니다. ON duty가 100％에서 50％까지는 일정 방향으로 평균 전류가 흐르고, 50％에서 0％까지는 50％보다 큰 경우와 반대 방향으로 평균 전류가 흐릅니다. 모터에 인가되는 등가적 전압은 하기와 같습니다.

 모터 인가 등가 전압＝Ea · (m－50%)/50%  ※Ea : 모터 전원전압, m : ON duty 비

그림 5는, (e)의 회로와 같이 전원 역접속의 전류 회생을 실시하여, 역방향으로 전류가 흐르지 않는 회로의 PWM 동작 파형입니다.

(e)의 회로에서는 전류가 ON duty 구간의 반대로는 흐르지 않으므로, ON duty가 50%일 경우에도 평균 전류는 zero가 되지 않습니다. ON duty를 50％보다 작게 하면 평균 전류는 감소하고, 0％에서 전류 zero가 됩니다. 전류의 과도 파형에서 전류 최소 피크치가 zero보다 큰 경우 모터에 인가되는 등가 전압은 하기와 같습니다.

 모터 인가 등가 전압＝Ea · (m－50%)/50%  ※Ea : 모터 전원전압, m : ON duty 비

모든 회로에서 실제로 인가되는 등가 전압은 출력 트랜지스터 (MOSFET)의 High-side와 Low-side의 ON 저항의 차이나 기생 다이오드가 지닌 순방향 전압이 있기 때문에 제시된 계산식의 값과 다소 차이가 발생합니다.

정리

그림 1-(b)와 (c)에서 모터의 2단자를 등가적으로 쇼트시키는 회생 방법의 경우 회생 전류의 감쇠는 완만하지만, 그림 3-(d)와 (e)에서 모터의 2단자에 등가적으로 전원 극성을 ON duty 구간과 역접속하는 전류 회생 방법의 경우에는 전류를 반대로 흘리려고 하는 방향의 전압이 코일에 인가되므로 회생 전류의 감쇠가 급격해집니다.

PWM 동작 시 모터에 인가되는 전압은 모터의 2단자를 등가적으로 쇼트시키는 회생 방법의 경우, 대략 「전원전압×ON duty 비」의 전압이 인가됩니다. 모터의 2단자에 등가적으로 전원의 극성을 ON duty 구간과 반대로 접속하는 회생 방법의 경우에는 약 「전원전압×(ON duty 비－50%)/50%」의 전압이 인가됩니다.

모터의 2단자에 등가적으로 전원 극성을 ON duty 구간과 역접속하는 회생 방법의 경우, (d)의 출력 트랜지스터를 ON하여 역접속하는 회로에서는 역방향으로 전류가 흐르므로, ON duty가 50％보다 낮은 경우 역방향으로 전류가 흐릅니다. (e)의 출력 트랜지스터를 모두 OFF하여 기생 다이오드로 역접속하는 회로의 경우에는 역방향으로 전류가 흐르지 않으므로, ON duty가 50%보다 작아도 ON duty 비로 인한 정방향의 전류가 흐릅니다.

※Ea : 모터 전원전압, m : ON duty 비, R : 모터 등가 저항