KR100456848B1 - 전기자동차의 지능형 전원장치 - Google Patents

Abstract

전기자동차의 지능형 전원장치에서 제어신호인 저전압계와 구동 전압 신호인 고전압계를 안정되게 분리시켜 시스템의 안정성을 제공하도록 하는 것으로,

운전자의 주행 요구에 따라 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되어 PWM 신호를 발생하는 게이트수단과, 게이트수단에서 인가되는 PWM 제어신호에 따라 고속 스위칭을 수행하여 3상(U,V,W) 전압을 출력하는 인버터수단과, 구동계 신호인 고전압측의 DC 링크 신호를 모니터링하는 이상검출수단을 포함하며, 이상검출수단은 P 모선의 전압을 안정화하는 저항과, N 모선의 전압을 안정화하는 저항과, 저항의 각 출력단 전압을 접속하고, 저전압측과 그라운드와 고전압측 그라운드를 독립적으로 구성하는 절연 증폭기 및, 절연 증폭기의 양단간 전압을 비교하여 고전압측 링크의 DC 전압을 모니터링하는 비교기로 구성된다.

Description

전기자동차의 지능형 전원장치{INTELLIGENT POWER MODULE APPARATUS OF ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기자동차의 지능형 전원장치(Intelligent Power Module ; 이하 'IPM' 이라 한다.)에서 제어신호인 저전압계와 구동 전압 신호인 고전압계를 안정되게 분리시켜 시스템의 안정성을 제공하도록 하는 전기자동차의 지능형 전원장치에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관을 사용하는 자동차의 경우 배기가스에 의한 대기 오염이 사회적 문제로 대두되고 있어, 환경 친화적인 전기자동차의 연구 개발이 활발하게 진행되어 실용화 단계까지 진행되고 있다.

전기자동차는 주동력원으로 배터리를 사용하고 있으며, 구동력 발생을 위하여 배터리 전압에 의해 구동되는 모터를 적용하고 있다.

상기와 같이 전기자동차의 구동원인 모터의 구동 토크와 파워를 제어함에 있어, 방열의 효율화와 제어회로의 간소화 및 소형화를 제공하기 위하여 IPM을 적용하고 있는데, 이는 첨부된 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 스위칭 전력 반도체 소자인 IGBT(Integrated Gating Bipolar Transistor)로 이루어지는 인버터 회로부(10)와, 상기 인버터 회로부(10)를 구동시키는 구동회로인 게이트 구동부(20) 및 제어계 신호인 저전압과 구동계 신호인 고전압을 전기적으로 절연하며, 제어계 및 구동계의 DC 신호를 모니터링하여 이상여부를 검출하는 이상검출부(30)로 구성된다.

상기에서 인버터 회로부(10)는 게이트 구동부(20)에서 인가되는 PWM(PulseWidth Modulation) 제어신호에 따라 고속 스위칭을 수행하여 3상(U,V,W) 전압을 도시되지 않은 모터측에 공급한다.

게이트 구동부(20)는 운전자의 주행 요구에 따라 도시되지 않은 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되는 복수개의 트랜지스터(Q1)(Q2)와, 상기 트랜지스터(Q1)(Q2)의 스위칭에 따라 연동 스위칭되어 상기 인버터 회로부(10)내의 IGBT를 스위칭시키는 포터 커플러(21)(22)로 구성된다.

이상검출부(30)는 콘텐서(C)의 연결되는 P모선과 N모선의 전압을 분압하는 저항(R1)(R2)과, 상기 저항(R1)(R2)의 사이에 순방향으로 접속되는 다이오드(D)와, 상기 다이오드(D)의 양단간 전압을 비교하여 DC 링크 상의 모니터 전압을 출력하는 비교기(31)로 구성된다.

상기한 구성을 갖는 IPM은 제어계 신호인 저전압과 구동계 신호인 고전압은 이상검출부(30)내의 포터 커플러(21)(22)에 의해 전기적으로 절연되어 있으나, 분압 저항(R1)(R2) 사이에 접속되는 다이오드(D)의 양단간 전압으로부터 DC 링크상의 전압을 모니터링 하는 경우에는 제어계 신호인 저전압측의 그라운드(Clog)와 구동계 신호인 고전압측의 그라운드(VNC)가 저항(R3)을 통해 연결되어 진다.

따라서, 제어계 신호인 저전압측의 그라운드(Clog)의 전위는 구동계 신호인 고전압측의 그라운드(VNC)의 영향을 받게 된다.

또한, 구동계 신호인 고전압측의 그라운드(VNC)는 N모선과 접속되어 있고, 최종적으로 IGBT의 출력과 연결되므로, IGBT의 스위칭 동작에 따라 구동계 신호인 고전압측의 그라운드(VNC)의 전위가 흔들리게 되며, 이에 따라서 제어계 신호인 저전압측의 그라운드(Clog)의 전위 역시 흔들리게 된다.

또한, 제어계 신호인 저전압측의 그라운드(Clog)의 전위가 흔들리는 경우 상위 프로세서에서 인가되는 제어 신호 역시 흔들리게 되어 오동작을 발생시키게 된다.

실질적으로, N모선에 연결되어 있는 임의의 IGBT의 다이오드가 온 되는 경우내부 인덕턴스와 전류의 영향으로 인하여 서지 전압이 그라운드(VNC)에 실리게 되며, 이는 직접적으로 저전압측 그라운드(Clog) 전위를 흔들게 된다.

이에 대한 실험 결과의 예로서, DC 링크의 전압을 피드백 받지 않는 상태에서 모터를 연결하여 동작시키는 경우 첨부된 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프상 위쪽에 표시되는 이상 검출신호와 그래프 상 아래쪽에 표시되는 출력 전류의 파형은 이상적인 상태를 표시하고 있다.

그러나, DC 링크의 전압을 피드백 받는 상태에서 모터를 연결하여 동작시키는 경우 첨부된 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프상 위쪽에 표시되는 이상 검출신호에는 주기적인 이상 발생이 검출되고, 그래프 상 아래쪽에 표시되는 출력 전류의 파형 역시 비정상적인 상태로 표시되며, 이에 따라 모터의 구동은 비정상적으로 동작된다.

또한, 모터를 분리하고 DC 링크의 저항을 제거한 다음 제어신호를 인가하는 경우 첨부된 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프 상 아래쪽에 표시되는 출력 전류의 파형은 모터를 분리한 상태이므로 출력 전류에 대한 파형은 측정되지 않으나, 그래프상 위쪽에 표시되는 이상 검출신호는 주기적인 이상 발생으로 검출된다.

이상에서 설명한 바와 같이 종래의 전기자동차에 적용되는 IPM은 DC 링크에서 제어계 신호인 저전압측의 그라운드와 구동계 신호인 고전압측의 그라운드가 분압 저항에 의해 연결되어 고전압측의 전위가 저전압측으로 유입되므로 IPM 동작 이상을 반복적으로 검출하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 전기자동차의 IPM에서 제어신호인 저전압계와 구동 전압 신호인 고전압계를 절연 증폭기를 이용하여 안정되게 분리시켜 DC 링크의 전압 모니터링에 안정성 및 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 지능형 전원장치에 대한 일 실시예의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 지능형 전원장치에서 측정되는 게이트 신호의 파형도.

도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 지능형 전원장치에서 측정되는 파워 스택의 출력 전류 파형도.

도 4는 종래의 전기자동차에 적용되는 지능형 전원장치에 대한 일 실시예의 구성도.

도 5는 종래의 전기자동차에 적용되는 지능형 전원장치에서 DC 링크 전압을 피드백 받지 않는 상태에서 측정되는 출력 전류 파형도.

도 6은 종래의 전기자동차에 적용되는 지능형 전원장치에서 DC 링크 전압을 피드백 받는 상태에서 측정되는 출력 전류 파형도.

도 7은 종래의 전기자동차에서 적용되는 지능형 전원장치에서 DC 링크 피드백 저항을 제거하고, 모터를 분리한 상태에서 측정되는 출력 전류 파형도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 전기자동차에 있어서, 운전자의 주행 요구에 따라 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되어 PWM 신호를 발생하는 게이트수단과; 상기 게이트수단에서 인가되는 PWM 제어신호에 따라 고속 스위칭을 수행하여 3상(U,V,W) 전압을 출력하는 인버터수단과; 구동계 신호인 고전압측의 DC 링크 신호를 모니터링하는 이상검출수단을 포함하며, 상기 이상검출수단은 P 모선의 전압을 안정화하는 저항과; N 모선의 전압을 안정화하는 저항과; 상기 저항의 각 출력단 전압을 접속하고, 저전압측과 그라운드와 고전압측 그라운드를 독립적으로 구성하는 절연 증폭기 및; 상기 절연 증폭기의 양단간 전압을 비교하여 고전압측 링크의 DC 전압을 모니터링하는 비교기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 전지자동차에서 지능형 전원장치는, 인버터 회로부(100)와, 게이트 구동부(200) 및 이상검출부(300)로 이루어지는데, 인버터 회로부(100)는 스위칭 전력 반도체 소자인 IGBT로 이루어지며, 게이트 구동부(200)에서 인가되는 PWM 제어신호에 따라 고속 스위칭을 수행하여 3상(U,V,W) 전압을 도시되지 않은 모터측에 공급한다.

게이트 구동부(20)는 운전자의 주행 요구에 따라 도시되지 않은 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되는 복수개의 트랜지스터(Q210)(Q220)와, 상기 트랜지스터(Q210)(Q220)의 스위칭에 따라 연동 스위칭되어 상기 인버터 회로부(100)내의 IGBT를 스위칭시키는 포터 커플러(210)(220)로 구성되어, 고속 스위칭을 통해 인버터 회로부(100)내의 IGBT를 스위칭시켜 모터 구동에 필요한 3상(U,V,W) 전압을 출력하며, 제어계 신호인 저전압과 구동계 신호인 고전압을 전기적으로 절연한다.

보호 회로부(300)는 구동계 신호인 고전압측의 DC 링크 신호를 모니터링하여 이상여부를 검출에 대한 정보를 출력한다.

상기의 이상검출부(300)는 P 모선의 전압을 안정화하는 저항(R11)과 N 모선의 전압을 안정화하는 저항(R12)과, 상기 저항(R11)의 출력단 전압이 +단자에 연결되고, 상기 저항(R12)의 출력단 전압이 -단자에 연결되며, 내부적으로 저전압측과그라운드(Clog)와 고전압측 그라운드(VNC)를 갖는 절연 증폭기(310) 및 상기 절연 증폭기(310)의 + 및 - 양단간 전압을 비교하여 고전압측 링크의 DC 전압을 모니터링하는 비교기(320)로 구성된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작은 다음과 같다.

운전자의 주행요구에 따라 도시되지 않은 상위 프로세서로부터 인가되는 제어신호에 따라 게이트 구동부(200)내의 트랜지스터(Q210)(Q220)가 스위칭 동작되면 이에 연동하여 포토 커플러(210)(220)의 스위칭이 수행된다.

따라서, 포터 커플러(210)(220)의 스위칭에 따라 발생되는 PWM 신호는 인버터 회로부(100)내의 IGBT를 스위칭시켜 3상 전압(U,V,W) 전압을 출력하여 도시되지 않은 모터의 구동을 수행하여 준다.

이때, 보호 회로부(300)측으로는 저항(R11)과 저항(R12)을 통해 고전압측 DC 링크의 + 및 - 양단간 전압이 절연 증폭기(310)를 통해 비교기(320)에 인가되므로, 비교기(320)는 + 및 - 양단간의 전압을 비교하여 DC 링크상의 전압을 모니터링하여 그에 대한 결과를 출력하여 준다.

상기에서 절연 증폭기(310)는 내부적으로 제어계의 저전압측 그라운드(Clog)와 구동계의 고전압측 그라운드(VNC)를 독립적으로 이루어지고 있어 인버터 회로부(100)의 IGBT 스위칭 동작에서 고전압측 그라운드(VNC)의 전위가 저전압측 그라운드(Clog)의 전위에 영향을 주지 않게 되어 안정된 DC 전압의 모니터링이 수행된다.

즉, 첨부된 도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 인버터 회로부(100)내의IGBT를 스위칭하는 게이팅 신호와 이에 따른 출력 전압 역시 안정상태를 유지한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 제어계의 저전압측과 구동계의 고전압측의 절연을 안정화시켜 IPM의 동작에 안정성을 제공한다.

Claims (2)

1. 운전자의 주행 요구에 따라 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되어 PWM 신호를 발생하는 게이트수단과, 상기 게이트수단에서 인가되는 PWM 제어신호에 따라 고속 스위칭을 수행하여 3상(U,V,W) 전압을 출력하는 인버터수단과, 구동계 신호인 고전압측의 DC 링크 신호를 모니터링하는 이상검출수단을 포함하는 전기자동차에 있어서,

   상기 이상검출수단은 P 모선의 전압을 안정화하는 제1저항과;

   N 모선의 전압을 안정화하는 제2저항과;

   상기 제1,2 저항의 각 출력단 전압을 접속하고, 저전압측과 그라운드와 고전압측 그라운드를 독립적으로 구성하는 절연 증폭기 및;

   상기 절연 증폭기의 양단간 전압을 비교하여 고전압측 링크 DC 전압의 모니터링 신호로 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 지능형 전원장치.
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