KR100385746B1

KR100385746B1 - 전력 출력단을 제어하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100385746B1
Application number: KR10-2001-7006867A
Authority: KR
Inventors: 요한 팔터; 마크 엘리오트; 시릴에 브란도
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2003-06-02
Also published as: DE19855604C5; US20010040470A1; BR9915871B1; EP1147607A1; KR20010093138A; US6556407B2; CN1156976C; BR9915871A; EP1147607B1; CN1329775A; WO2000033462A1; DE19855604C1; CA2353731A1

Abstract

적절한 전자기적 간섭을 가지고 구동하기 위해, 회로 차단기(T)는 드레인 전류(Id)가 임계치 전류(Is)를 초과할 때까지 높은 충전 전류(Ig1)로 충전되고, 그리고 나서 드레인 전압(Vd)이 미리 설정된 임계치 전압(Vs) 아래로 떨어질 때까지 적정한 상승률과 관련된 작은 충전 전류(Ig2)를 가지고 충전되며, 그리고 나서 미리 설정된 기간(Tv) 동안 상기 높은 충전 전류(Ig1)를 가지고 충전된다; 상기 회로 차단기를 닫기 위해 역시퀀스가 뒤따른다.

Description

전력 출력단을 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A POWER OUTPUT STAGE}

유도성 부하들을 구동하기 위해서, 트랜지스터(특히 MOSFET 트랜지스터)를 가진 전력 출력단들은 회로 차단기로 사용된다. 상기 트랜지스터들이 스위치 오프 되면, 상기 유도성 부하들의 에너지는 출력단의 제너 작용에 의해, 또는 프리휠링(freewheeling) 다이오드를 통해 분산된다. 고 유도성 에너지를 가진 부하들의 경우에는 상기 로드 건너편의 프리휠링 다이오드가 사용된다. 이러한 출력단, 특히 클록된(clocked) 출력단들의 단점 중 하나는 상당한 전자기적 간섭을 야기한다는 것이다.

이러한 현상에 대한 공지된 원인 중 하나는 상기 부하와 회로 차단기 사이의 접합부에서의 빠른 전압 변동에 기인한다. 예를 들어, MOSFET들을 가진 회로들의 경우, 이러한 원인은 저항기에 의한 제어 단자를 구동하는 고 저항으로부터 기인한다.

상기 전자기적 간섭에 대한 또 다른 원인은 스위칭 동작으로부터 야기된 상기 스위치 차단기를 흐르는 전류의 빠른 변화에 기인한다.

US 4,661,766 은 프리휠링 다이오드를 가진 유도성 부하의 전력 출력단을 제시하고, 여기서 회로 차단기 또는 프리휠링 브랜치를 흐르는 전류 변화율(전류 슬루 레이트)은 미리 설정된 값으로 조정된다. 그러나 결과적으로 상기 스위칭 동작, 즉 온 상태에서 오프 상태로 또는 오프 상태에서 온 상태로의 전이는 매우 지연된다.유사한 회로가 GB 2 140 996 A 에 제시되어 있고, 이는 제어 신호들에 의해 부하의 스위칭을 조정하는 방법을 제시하고 있으며, 여기서 제어 신호의 개시로부터 충전 전류가 제1 임계치를 초과할 때까지 회로 차단기는 미리 설정된 높은 상승률에서 충전 전류로 충전되고, 그리고 나서 상기 충전 전류가 제2 임계치에 도달할 때까지 미리 설정된 낮은 상승률에서 충전 전류로 충전되며, 그리고 나서 추가로 미리 설정된 높은 상승률에서 충전 전류로 충전된다. 상기 충전 전류의 상승률은 상기 부하 전류 상승률의 기능으로서 조정된다. 상기 방전 작용은 역 시퀀스로 수행된다.

본 발명은 제1항의 서문에 따라 유도성 부하를 구동하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 방법을 구현하는 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 전력 출력단의 실시예이다.

도2는 본 발명에 따른 상기 방법의 진행과 관련된 플로우 다이아그램이다.

도3은 부하를 스위치 온 시킬 때의 전압 및 전류의 진행에 대한 다이아그램이다.

도4는 부하를 스위치 오프 시킬 때의 전압 및 전류의 진행에 대한 다이아그램이다.

본 발명의 목적은 상기 전자기적 간섭을 감소시키고, 상기 스위칭 지연(지연 시간) 및 전력 손실이 최소화되도록 하는 유도성 부하 구동 방법을 구현하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 상기 방법을 구현하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 상기 목적은 제1항 및 제3항에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 회로는 어떤 중요 간섭들도 발생하지 않으면서 스위칭 지연이 매우 미미하게 연장되도록 전류 변화율이 간단하고 정확하게 조정되는 장점을 제공한다.

아래에서 본 발명은 그림을 참조하여 상세히 기술될 것이다.

본 발명은 도1에 따라 프리휠링 다이오드(F)를 가지고 유도성 부하(L)를 스위치 하기 위해 집적 회로 내에 배치되고 전동차에서 사용되는 클록된 출력단을 사용하여 기술될 것이다. 예를 들면, 상기 집적 출력단은 엔진 제어기(제시되지 않음)내에 배치될 수 있으며, 상기 집적 출력단은 상기 유도성 부하(L)를 주기적으로 스위치 온 및 오프 하기 위해서 상기 엔진 제어기로부터 제어 신호들(st)을 수신하며, 상기 엔진 제어기는 예를 들면 배기 가스의 재사용을 위한 제어 밸브이다. 펄스 점유율(pulse duty factor) 셋에 따라, 상기 밸브는 적절히 열리도록 구동된다.

예를 들면, 상기 전동차 배터리는 단자(+Vb) 및 전압 소스(제시되지 않음)의 GND와 연결되어 유도성 부하(L) 및 MOSFET으로 구현된 회로 차단기(T)로 구성된 직렬회로이다.

상기 부하(L)는 상기 회로 차단기(T)의 드레인 단자(d) 및 전압 소스의 양극(+Vb) 사이에 연결되어 있다. 소스 단자(s)는 측정 저항(R)을 경유하여 음극(GND)과 연결된다. 상기 양극 단자(+Vb) 방향으로 전류를 전도하는 프리휠링 다이오드(F)는 상기 부하(L)와 병렬로 배치된다. 상기 회로 차단기(T)를 보호하기 위해, 드레인 단자(d)로 전류를 전도하는 제너 다이오드(Z) 및 게이트 단자(g)로 전류를 전도하는 다이오드(D)가 드레인 단자(d) 및 게이트 단자(g) 사이에 직렬로배치된다.

상기 회로 차단기(T)는 제어 회로(ST)를 경유하여 구동되고, 상기 제어 회로(ST)에서 제어 신호(st), 드레인 전압(Vd)과 미리 설정된 임계치 전압(Vs)의 비교 결과, 그리고 상기 회로 차단기(T)를 흐르는 드레인 전류(Id)와 미리 설정된 임계치 전류(Is)의 비교 결과는 정전류 소스(K1-K4)에 대해 구동 신호들(k1-k4)로 변환된다. 상기 임계치 전압(Vs)은 배터리 전압(Vb)보다 작도록 선택되고(예를 들면, Vb=14V, Vs=13V), 상기 임계치 전류(Is)는 상기 드레인 전류값(Id)의 1/10에서 1/20로 조종된다(예를 들면, Id=2A, Is=100mA). 상기 전압 및 전류의 비교를 수행하기 위해, 상기 제어 회로(ST) 내에 두개의 비교기(Cv,Ci)가 제공되고, 상기 비교기에 미리 설정된 임계치들(Vs,Is) 및 드레인 전압(Vd) 과 드레인 전류(Id)(상기 측정 저항(R)을 가로 지르며 강하된 전압값(Id')으로서)가 공급된다.

스위치 온 되면, 상기 정전류 소스들(K1-K4)은 일정한 충전 또는 방전 전류들(Ig1-Ig4)을 발생시키고, 이로써 상기 회로 차단기(T)의 게이트는 충전 또는 방전된다.

상기 제어기 회로(ST) 및 정전류 소스들(K1-K4)은 상기 단자들(+Vcc,GND)에서 탭 오프될 수 있는 공급 전압(Vcc)으로 동작되고, 상기 병렬 접속된 정전류 소스들(K1,K2)은 양 단자(+Vcc)와 게이트 단자(g) 사이에 배치되어 스위치 온 되면 게이트 단자로 흐르는 충전 전류들(Ig1,Ig2)을 부가하고, 유사하게 병렬 접속된 정전류 소스들(K3,K4)은 게이트 단자(g)와 음단자(GND) 사이에 배치되어 스위치 온 되면 게이트 단자 밖으로 흐르는 방전 전류들(Ig3,Ig4)을 부가한다.

상기 정전류 소스들(K1,K3)은 상기 정전류 소스들(K2,K4)의 전류(Ig2,Ig4) 보다 10배정도 높은 전류(Ig1,Ig3)(예를 들면 2mA)를 발생시키고, 상기 정전류 소스들(K2,K4)은 드레인 전류의 적정 상승 또는 하강률에 따라 예를 들면 0.2mA를 발생시키며, 도1에서 정전류 소스들(K1-K4)의 각 전류 방향을 지시하는 두껍고 얇은 화살표로 제시되어 있다.

다음 텍스트에서, 출력 전력단에 의해 유도성 부하를 스위치 하는 방법이 도1-4를 이용하여 기술된다. 도2의 플로우 다이아그램은 상기 부하를 온 및 오프시키는 클록되고 진보적인 스위칭을 위한 방법 시퀀스를 예시한다. 로마체 숫자들로 지정된 각 방법 단계들은 아래에서 설명된다.

도3은 상기 부하(L)를 스위치 온 할 때의 전류 및 전압의 진행을 보여주고, 각각의 경우에 상기 제어 신호(st) 및 충전 전류가 도3에서 양의 사인을 가지고 플랏되고, 방전 전류는 도4에서 음의 사인을 가지고 플랏되며, 그에 따른 드레인 단자(d)의 드레인 전압(Vd) 및 전류(Id)의 진행이 플랏된다. 게다가, 임계치 전압(Vs) 및 임계치 전류(Is) 도 제시된다.

도3 및 4 는 클록된 동작기간 동안, 즉 상기 부하가 동작 개시시에 처음으로 스위치 온 되지 않을 때, 전류 및 전압들을 제시한다.

제어 신호(st=1)가 상기 부하(L)를 온 시키기 위해 시간(t1)에 나타나면(Ⅰ), 상기 제어 회로(ST)는 정전류 소스(K1)를 턴 온 하기 위해 신호(k1)를 출력하고(Ⅱ), 그 결과 높은 충전 전류(Ig1)가 상기 회로 차단기(T)의 게이트 방향으로 흐르고, 상기 회로 차단기(T)는 빠르게 충전된다. 시간(t2)에서 드레인전류(Id)가 상기 임계치를 초과하면(Ⅲ), 상기 정전류 소스(K1)는 스위치 오프되고, 그 대신 정전류 소스(K2)가 신호(k2)에 의해 스위치 온 되며(Ⅳ), 그리고 나서 낮은 충전 전류(Ig2)로 상기 게이트를 충전한다.

그리고 나서, 상기 드레인 전류(Id)는 적정한 상승률로 적정값까지 상승하고, 그 결과 드레인 전압(Vd)은 하강하고 회로 차단기(T)는 온 상태로 변한다; 회로 차단기(T)가 오프 상태에 있게 되면, 프리휠링 전류로 인해서 드레인 전압(Vd)은 프리휠링 다이오드(F)를 가로지르는 전압에 의해 배터리 전압(+Vb) 보다 높은 값에 있게 된다.

시간(t3)에서, 상기 드레인 전압(Vd)이 임계치 전압(Vs) 아래로 떨어지면

(Ⅴ), 정전류 소스(K2)는 스위치 오프되고 정전류 소스(K1)가 미리 설정된 기간(Tv) 동안 한번 더 스위치 온 된다(Ⅵ,Ⅶ). 이 결과, 상기 회로 차단기(T)는 전적으로 높은 충전 전류(Ig1)를 가지고 구동되고, 드레인-소스 저항값은 최소화되며, 결과적으로 상기 회로 차단기(T)가 온 되면, 매우 작은 전압 하강이 존재한다.

미리 설정된 시간(Tv)이 경과하면, 시간(t4)에서 상기 정전류 소스(K1)는 다시 스위치 오프된다; 상기 부하는 이제 완전히 스위치 온 된다(Ⅷ). 이러한 상태는 상기 제어 신호(st)가 시간(t5)에서 0으로 떨어질 때까지 지속되며(Ⅸ), 이는 상기 부하(L)가 스위치 오프되는 것을 의미한다.

상기 제어 신호 끝에서, st=0 이 되고, 정전류 소스(K3)는 스위치 온 되며(Ⅹ), 그 결과 높은 방전 전류(Ig3)가 상기 회로 차단기(T)의 게이트 단자 밖으로 흐른다. 따라서 드레인 전압(Vd)은 상승한다. 임계치 전압(Vs)을초과하면(ⅩⅠ), 시간(t6)에서 상기 정전류 소스(K3)는 스위치 오프되고, 정전류 소스(K4)가 스위치 온 되며(ⅩⅡ), 그 결과 드레인 전류(Id)는 상기 방전 전류(Ig4)와 연관된 적정 전류 하강율에서 작아지게 되며, 프리휠링 브랜치는 상기 전류를 수용한다. 상기 드레인 전압(Vd)은 프리휠링 다이오드(F)를 가로지르는 전압에 의해 배터리 전압(+Vb) 보다 높은 값으로 다시 상승한다.

드레인 전류가 임계치 전류(Is) 아래로 떨어지면(ⅩⅢ), 높은 방전 전류(Ig3)로 상기 게이트를 빨리 클리어(clear)하고 상기 회로 차단기(T)를 턴 오프하기 위해서 상기 정전류 소스(K4)는 스위치 오프되고, 정전류 소스(K3)가 미리 설정된 기간(Tv) 동안 다시 스위치 온 된다(ⅩⅣ). 상기 설정 기간(Tv)이 끝나면(ⅩⅤ), 정전류 소스(K3)는 스위치 오프되고(ⅩⅥ), 그 결과 초기 상태가 다시 도래한다. 그리고 나서 추가로 클록되거나(Ⅰ), 상기 부하의 구동이 종결될 수도 있다.

높고 낮은 충전 및 방전 전류를 가지고 상기 회로 차단기의 교번적인 충전 및 방전은 스위치 온 및 오프 지연 시간이 작도록 유지하고(적정 상승 및 하강율과 관련하여 작은 충전 및 방전 전류만으로 구동하는 경우에 상기 시간은 10-20배 가량 지속된다), 그럼에도 불구하고 매우 작은 전자기적 간섭이 발생하는데, 이는 상기 드레인 전류(Id)의 상승 및 하강율이 미리 설정된 값으로 제한되기 때문이다.

상기 실시예에서, ｜Ig1｜=｜Ig3｜,｜Ig2｜=｜Ig4｜,｜Tv｜(충전 기간동안)=｜Tv｜(방전 기간동안)로 설정되었다. 그러나, 이러한 크기는 상기 요구조건을 만족시키면서 다르게 선택될 수도 있다.

Claims

전류 소스의 단자들(+Vb,GND)을 가로질러 MOSFET 회로 차단기(T)와 직렬로 연결된 부하(L)를 제어 신호들(st)에 의해 스위치하기 위한 전력 출력단 구동 방법으로서,

상기 MOSFET 회로 차단기(T)는

- 상기 제어 신호(st) 개시로부터, 드레인 전류(Id)가 미리 설정된 임계치 전류(Is)를 초과할 때까지(t1-t2) 미리 설정된 높은 충전 전류(Ig1)를 가지고 충전되고,

- 그리고 나서, 드레인 전압(Vd)이 미리 설정된 임계치 전압(Vs) 아래로 떨어질 때까지(t2-t3) 미리 설정된 작은 충전 전류(Ig2)를 가지고 충전되며,

-그리고 나서, 미리 설정된 충전기간(Tv)동안(t3-t4) 상기 미리 설정된 높은 충전 전류(Ig1)를 가지고 추가로 충전되며,

- 상기 제어 신호(st) 끝으로부터, 상기 드레인 전압(Vd)이 상기 미리 설정된 임계치 전압(Vs)을 초과할 때까지(t5-t6) 미리 설정된 방전 전류(Ig3)를 가지고 방전되며,

- 그리고 나서, 상기 드레인 전류(Id)가 상기 미리 설정된 임계치 전류(Is) 아래로 떨어질 때까지(t6-t7) 미리 설정된 작은 방전 전류(Ig4)를 가지고 방전되며,

-그리고 나서, 미리 설정된 방전 기간(Tv)동안(t3-t4) 상기 미리 설정된 높은 방전 전류(Ig3)를 가지고 방전되는 전력 출력단 구동 방법.
제1항에 있어서,

상기 드레인 전류(Id)의 최대 상승률은 상기 작은 충전 전류(Ig2)값에 의해 결정되고, 하강율은 상기 작은 방전 전류(Ig4)값에 의해 결정되는 전력 출력단 구동 방법.
제1항에 따른 방법을 구현하는 장치로서,

- 공급 전압의 양극단(+Vcc) 및 상기 MOSFET 회로 차단기(T)의 게이트 단자 사이에, 높은 충전 전류(Ig1)를 위한 정전류 소스(K1) 및 작은 충전 전류(Ig2)를 위한 정전류 소스(K2)가 병렬로 연결되고,

- 상기 MOSFET 회로 차단기(T)의 게이트 단자(g) 및 상기 공급 전압의 음극 단자(GND) 사이에, 높은 방전 전류(Ig3)를 위한 정전류 소스(K3) 및 작은 방전 전류(Ig4)를 위한 정전류 소스(K4)가 병렬로 연결되며,

- 공급 전압(Vcc)에서 동작되는 제어 회로(ST)가 제공되고,

상기 제어 회로의 스위칭 신호들(k1-k4)은

i)제어 신호들(st),

ii)드레인 전압(Vd) 및 미리 설정된 임계치 전압(Vs) 사이의 비 Vd 〉Vs 또는 Vd〈 Vs

iii)회로 차단기(T)를 통해 흐르는 드레인 전류(Id) 및 미리 설정된 임계치 전류(Is)의 비 Id 〉Is, Id〈 Is, 그리고,

iv) 적어도 하나의 미리 설정된 기간(Tv) 의 함수로서 도2에 따른 제어 프로그램에 따라 상기 정전류 소스들(K1-K4)을 스위치 온 및 오프시키는 장치.