KR100949763B1 - 전동차용 절연 게이트 양극성 트랜지스터 과전류 보호회로 - Google Patents

전동차용 절연 게이트 양극성 트랜지스터 과전류 보호회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동차용 IGBT 과전류 보호회로로서, 전동차의 추진제어장치에 공급되는 고압 직류를 ON/OFF 스위칭하기 위해 사용되는 IGBT에 흐르고 있는 고압직류 검지를 위해서 전류센서를 사용하거나 출력단과 직렬로 연결된 션트저항을 사용하지 않고, 크기와 부피도 작고 응답속도가 빠르며, 추진제어장치에 흐르는 고압 및 고전류도 견딜 수 있는 전동차용 IGBT 과전류 보호회로를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전동차의 추진제어장치로 제공되는 고압 직류의 흐름을 제어하기 위해 사용되는 절연게이트형 양극성 트랜지스터(IGBT)의 과전류 보호회로로서, 고압 직류 단자와 상기 IGBT의 컬렉터 사이에 CPU와 연결되는 제1 노드가 형성되어 있고, 상기 CPU와 제1 노드 사이에는 상기 IGBT의 포화전압을 측정하기 위한 제어전원이 공급되는 제2 노드가 형성되어 있으며, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에는 고압 직류의 유입을 막기 위한 다이오드가 연결되어 있고, 상기 제어전원에서 상기 IGBT의 컬렉터에 제어전류를 공급하여, 상기 IGBT의 에미터에서 측정되는 고압 직류의 크기에 비례하여 증가하는 IGBT의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압을 측정하여 상기 CPU가 상기 IGBT를 ON/OFF하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
IGBT, 포화전압

Description

전동차용 절연 게이트 양극성 트랜지스터 과전류 보호회로 { PROTECT CIRCUIT FOR IGBT OVERCURRENT OF TRAIN }
본 발명은 전동차용 IGBT 과전류 보호회로로서, 보다 구체적으로는 전동차용 추진제어장치에 사용되는 IGBT에 과전류가 흐르는 것을 방지하여 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 하기 위한 과전류 보호회로에 관한 것이다.
일반적으로 철로의 가선으로부터 제공되는 고압 교류가 트랜스포머를 거쳐 고압 직류로 변환되어 전동차의 추진제어장치에 사용될 때, 상기 고압 직류의 크기를 측정하고 입력을 제어하기 위하여 스위칭소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)를 사용한다.
종래에는 상기 IGBT에 흐르는 고압 직류의 검지를 위해서 전류센서를 사용하거나 출력단과 직렬로 연결된 션트저항(Shunt Resistance)을 사용했으며 과전류가 흐르면 상기 IGBT의 보호를 위하여 상기 IGBT를 OFF하는 등의 동작이 수행되도록 하였다.
그런데 상기 IGBT에 흐르는 출력전류를 검출하기 위해서 전류센서를 사용하게 되면 전동차의 추진제어장치에 흐르는 고압,고전류를 견딜 수 있도록 부피와 중 량이 큰 고가의 전류센서가 필요했으며, 이로 인해 상기 추진제어장치 전체의 부피와 중량이 커지고 비용도 많이 소요되었다.
또한, 저항값이 낮고 주로 정밀한 전류를 측정하는 전류계측기에 많이 사용되는 션트저항을 사용하여 IGBT에 흐르는 전류를 검출하는 방식이 사용될 수 있으나 ON/OFF 스위칭에 의한 노이즈의 영향을 많이 받게 되어 정밀도가 낮아진다.
도 3은 션트저항을 이용하여 상기 IGBT에 흐르는 전류가 검출되고 제어되는 회로의 예를 도시한 회로도이다.
도 3에 도시된 회로의 동작과정을 살펴보면, IGBT(310)가 ON상태일때 Line Voltage(1500V 또는 750V)(311)로부터 션트저항(312)으로 전동차의 추진제어장치(미도시)로 전류가 흐르게 된다. 이때 상기 션트저항(312)의 양단에 걸리는 전압인 션트전압을 전압비교기(320)를 통해 특정전압(321)과 비교하여 상기 션트저항(312)에 일정 이상의 전류가 흐르면 상기 전압비교기(320)의 출력은 ON상태가 된다.
또한, 상기 전압비교기(320)의 출력은 CPU(330)와 NPN형인 제1 트랜지스터(340)의 베이스에 입력되며, 상기 CPU(330)는 전동차의 추진제어장치(미도시)의 출력과 상기 전압비교기(320)의 출력을 종합적으로 고려하여 상기 CPU 출력단자(350)를 통해 게이트입력전류를 제어한다.
또한, 상기 전압비교기(320)의 출력이 ON되면, 상기 제1 트랜지스터(340)가 ON상태로 되고, 이때는 상기 CPU(330)에 의해 상기 CPU 출력단자(350)를 통해 공급되는 게이트입력전류가 ON 상태일지라도, 상기 게이트입력전류는 저항 R1(341)과 제1 트랜지스터(340)의 컬렉터와 에미터를 통해 접지로 바이패스되므로 NPN형인 제2 트랜지스터인(361)와 PNP형인 제3 트랜지스터(362)로 이루어진 푸시풀(PushPull) 회로에서 상기 제2 트랜지스터(361)과 제3 트랜지스터(362)의 베이스에 OFF 신호가 입력되고 이에 따라 상기 푸시풀 회로의 제2 트랜지스터(361)은 OFF되며 제3 트랜지스터(362)는 ON된다.
따라서 상기 IGBT(310)를 제어하는 제어전압(363)는 상기 제2 트랜지스터(361)을 통과하지 못하고, 상기 TR3(362)의 컬렉터 단자에는 (-)전압이 발생하여 상기 IGBT(310)가 OFF되면서 상기 고압 직류의 흐름이 차단된다.
이처럼 IGBT에 흐르는 고압 직류를 검출하고 제어하기 위하여 션트저항을 사용하게 되면 전류센서를 사용하는 방식에 비해 크기 및 부피를 크게 줄일수 있고 비용도 적게 들었지만, 션트저항(312)에 의한 에너지 손실 및 발열이 큰 문제가 되었으며, 또한 상기 추진제어장치에 흐르는 고압,고전류를 견딜 수 있도록 충분히 큰 션트저항이 사용되어야만 했다.
그리고 션트저항을 사용하게 되면 인버터를 통해서 DC를 AC로 바꾸는 과정에서 발생하는 고주파 노이즈인 스위칭 노이즈의 영향을 크게 받아서 검지된 전류값의 정밀도가 떨어졌다.
본 발명은 전술한 종래의 전동차용 IGBT 과전류 보호회로의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전동차의 추진제어장치에 공급되는 고압 직류를 ON/OFF 스위칭하기 위해 사용되는 IGBT에 흐르고 있는 고압 직류 검지를 위해서 전류센서를 사용하거나 출력단과 직렬로 연결된 션트저항을 사용하지 않고, 크기와 부피도 작고 응답속도가 빠르며, 추진제어장치에 흐르는 고압 및 고전류도 견딜 수 있는 전동차용 IGBT 과전류 보호회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 전동차의 전동기로 제공되는 고압 직류의 흐름을 제어하기 위해 사용되는 절연게이트형 양극성 트랜지스터(IGBT)의 과전류 보호회로로서, 고압 직류 단자와 상기 IGBT의 컬렉터 사이에 CPU와 연결되는 제1 노드가 형성되어 있고, 상기 CPU와 제1 노드 사이에는 상기 IGBT의 포화전압을 측정하기 위한 제어전원이 공급되는 제2 노드가 형성되어 있으며, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에는 고압 직류의 유입을 막기 위한 다이오드가 연결되어 있고, 상기 제어전원에서 상기 IGBT의 컬렉터에 제어전류를 공급하여, 상기 IGBT의 에미터에서 측정되는 고압 직류의 크기에 비례하여 증가하는 IGBT의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압을 측정하여 상기 CPU가 상기 IGBT를 ON/OFF하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 IGBT 과전류 보호회로를 제공한다.
이를 통하여 전동차의 추진제어장치에 공급되는 고압 직류전류를 제어하기 위해 사용되는 IGBT에 흐르는 전류 검지를 위해서 전류센서 또는 션트저항을 사용할 필요가 없다.
또한, 상기 전동차용 IGBT 과전류 보호회로는, 상기 제어전원과 제2 노드 사이에 상기 제어전원으로부터 제공되는 전압을 조절하기 위한 제1 저항이 직렬로 연결되며, 상기 제2 노드와 상기 다이오드 사이에는 상기 IGBT의 포화전압을 조절하기 위한 제2 저항이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전동차용 IGBT 과전류 보호회로는, 추가로 (+)입력단자에 상기 제2 노드가 연결되고, (-)입력단자에 소정 전압공급수단이 연결된 전압비교기와, 상기 전압비교기의 출력단자에 베이스가 연결되고 상기 CPU의 출력단자에 컬렉터가 연결되며 에미터는 접지되어 있는 제1 트랜지스터를 구비하고 있어, 상기 전압비교기를 통하여 상기 IGBT의 포화전압을 특정전압과 비교하여 소정 수치 이상인 경우 상기 제1 트랜지스터에 의해 상기 CPU의 제어신호가 OFF되도록 함으로써, 상기 CPU와 병렬적으로 상기 IGBT의 ON/OFF 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전동차용 IGBT 과전류 보호회로는, 추가로 베이스가 상기 CPU의 출력단자에 연결되어 있고, 에미터는 상기 제2 노드에 연결되어 있으며, 컬렉터는 접지되어 있는 제2 트랜지스터를 구비하여, 상기 CPU의 출력신호가 OFF되어 제2 트랜지스터가 ON되면 상기 제어전원의 제어전류가 상기 제2 트랜지스터의 에미터와 컬렉터를 거쳐 접지로 제거되도록 함으로써, CPU의 스위칭신호에 의한 이상 전류의 영향으로 과전류 검지 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 IGBT 과전류 보호회로에 의하면, 전동차의 추진제어장치를 구동시키기 위해 제공되는 고압 직류가 IGBT의 컬렉터를 통해서 에미터로 흘러갈때 상기 고압 직류의 크기에 비례하여 증가하는 상기 IGBT의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압을 이용하여 상기 IGBT를 제어하는 게이트입력전류를 제어하기 때문에 상기 IGBT에 흐르는 고압 직류의 검지를 위해서 전류센서를 사용하거나 출력단과 직렬로 연결된 션트저항이 필요없게 되어 크기와 부피가 작아지며 검지 속도도 빨라지게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시 예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 변형이 가능하며, 본 발명으로 한정하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 IGBT 과전류 보호회로도이며, 도 2는 IGBT의 에미터 전류의 증가에 따른 IGBT의 콜렉터와 에미터간의 포화전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전동차용 IGBT 과전류 보호회로는 고압 직류를 제어하는 IGBT(110)의 컬렉터와 고압 직류를 제공하는 LineVoltage (1500V or 750V) 단자(111) 사이에 제1 노드(122)가 형성되어 있고, 상기 제1 노드(122)는 상기 IGBT(110)의 포화전압을 측정하는 CPU(140)와 연결되어 있으며, 상기 제1 노드(122)와 상기 CPU(140) 사이에는 제1 제어전원(120)과 연결된 제2 노드(123)가 형성되어 있다.
상기 제1 노드(122)와 제2 노드(123) 사이에는 고압 직류가 LineVoltage (1500V or 750V) 단자(111)로부터 제1 제어전원(120) 방향으로 흐르는 것을 막기 위한 다이오드(121)가 직렬로 연결되어 있다.
상기 제1 제어전원(120)과 상기 제2 노드(123) 사이에는 제1 제어전원의 크기를 제어하기 위한 제1 저항(124)이 직렬로 연결되어 있고, 상기 제2 노드(123)와 상기 다이오드(121) 사이에는 상기 IGBT(110)의 포화전압을 상기 IGBT(110)에 대한 제어에 활용할 수 있도록 크기를 변형하는 제2 저항(125)이 직렬로 연결되어 있으며, 상기 제2 노드(123)와 CPU(140) 사이에는 A/D컨버터(130)가 직렬로 연결되어있다.
따라서, 상기 CPU(140)는 상기 IGBT(110)의 콜렉터와 에미터 사이에 발생한 포화전압으로부터 상기 IGBT(110)에 흐르는 전류의 크기와 이에 따른 추진제어장치(미도시)의 가동 정도를 파악하여 상기 CPU 출력단자(150)를 통해 게이트입력전류를 제공하도록 되어 있다.
그리고, 상기 IGBT(110)의 포화전압을 특정전압과 비교하는 전압비교기(160)의 (+)전압입력단자가 상기 제2 노드(123)에 연결되어 있고, (-)입력단자에는 특정전압을 제공하는 전원공급수단(161)이 연결되어 있다.
또한, 상기 전압비교기(160)의 출력단자에 베이스가 연결되고, CPU 출력단자(150)에 콜렉터가 연결되며, 에미터는 접지되어 있는 NPN형 제1 트랜지스터(170)가 형성되어 있어서 상기 전압비교기(160)의 ON/OFF 출력에 따라 제1 트랜지스 터(170)가 ON/OFF되어 상기 게이트입력전류가 ON/OFF되도록 되어 있다. 그리고 상기 전압비교기(160)의 출력을 상기 제1 트랜지스터(170)의 베이스로 입력하기 전에 변압하기 위한 한 제3 저항(171)이 제3 제어전원(172)과 상기 전압비교기(160)의 출력단자 사이에 직렬로 연결되어 있다.
또한, 상기 CPU 출력단자(150)와 IGBT(110)의 게이트 사이에는 푸시풀 회로(180)가 형성되어 있어서, 상기 게이트입력전류를 IGBT(110)의 게이트 입력에 적당한 전압으로 스위칭시킴과 동시에 이에 따른 오류를 최소화할 수 있도록 되어 있는데, 상기 푸시풀 회로(180)는 베이스가 상기 CPU 출력단자에 연결되어 있고, 콜렉터가 제2 제어전원(181)에 연결되어 있으며, 에미터는 상기 CPU 출력단자에 연결된 NPN형 제2 트랜지스터(182)와, 베이스가 상기 CPU 출력단자(150)에 연결되어 있고, 에미터가 상기 제2 트랜지스터(182)의 에미터에 연결되어 있으며, 콜렉터는 접지된 PNP형 제3 트랜지스터(183)로 이루어져 있고, 상기 제2 트랜지스터(182)와 제3 트랜지스터(183)의 에미터가 상기 IGBT(110)의 게이트에 연결되도록 구성되어 있다.
이를 통해서, 상기 푸시풀 회로(180)에서 상기 제2 트랜지스터(182) 및 제3 트랜지스터(183)의 베이스로 입력된 게이트입력전류에 따라 상기 제2 제어전원(181)으로 상기 IGBT(110)를 ON/OFF할 수 있다.
또한, 본 발명은 베이스가 상기 CPU 출력단자(150)에 연결되어있고, 에미터는 상기 제2 노드(123)에 연결되어 있으며, 콜렉터는 접지되어 있는 PNP형 제4 트랜지스터(190)를 포함하며, 상기 제4 트랜지스터(190)가 ON될 시 상기 제1 제어전 원(120)이 제4 트랜지스터(190)의 에미터와 컬렉터를 거쳐 접지로 되도록 연결되어 있다.
즉, 상기 제4 트랜지스터(190)는 상기 IGBT(110)의 OFF시 상기 게이트입력전류의 PWM 스위칭 신호에 의한 이상전류의 영향으로 과전류 검지 오류가 발생하는 것을 막기 위하여 상기 제1 제어전원(120)을 '0'으로 만드는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 철도차량 전원공급시스템의 동작과정에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 IGBT(110)에 과전류가 흐르게 되면 상기 IGBT(110)의 에미터와 컬렉터 사이에 포화전압이 상승하게 되고 상기 제2 노드(123)에서 측정된 전압은 상기 A/D컨버터(130)를 거쳐 디지털화되어 상기 CPU(140)로 전달된다.
상기 CPU(140)에서는 상기 A/D컨버터(130)로부터 제공받은 정보로부터 상기 IGBT(110)에 흐르는 전류의 크기를 계산하고, 전동차의 추진제어장치의 가동 정도를 종합적으로 판단하여 상기 CPU 출력단자(150)를 통해 게이트입력전류를 제공한다.
한편, 상기 전압비교기(160)에서는 상기 제2 노드(123)에서 측정된 전압이 상기 전원공급수단(161)의 전압보다 커지게 되면 ON신호를 출력하게 되고 이에 따라 제1 트랜지스터(170)가 ON된다. 이 경우 상기 CPU 출력단자(150)를 통해서 게이트입력전류가 입력되더라도 상기 게이트입력전류는 상기 제1 트랜지스터(170)의 컬렉터와 에미터를 거쳐 접지로 흘러가 버리기 때문에 게이트입력전류는 OFF 상태 를 유지하게 된다.
또한, 상기 게이트입력전류가 OFF 상태가 되면, 상기 제4 트랜지스터(190)는 상기 제1 제어전원(120)의 전압을 '0'으로 만들어서 과전류 검지 오류가 발생하는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명에 따른 IGBT 과전류 보호회로도이다.
도 2는 IGBT의 에미터 전류의 증가에 따른 IGBT의 콜렉터와 에미터간의 포화전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 션트저항을 이용하여 상기 IGBT에 흐르는 전류가 검출되고 제어되는 회로의 예를 도시한 회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110:IGBT 111:LineVoltage 단자
120:제1 제어전원 121:다이오드
122:제1 노드 123:제2 노드
124:제1 저항 125:제2 저항
130:A/D컨버터 140:CPU
150:CPU 출력단자 160:전압비교기
161:전원공급수단 170:제1 트랜지스터
171:제3 저항 172:제3 제어전원
180:푸시풀 회로 181:제2 제어전원
182:제2 트랜지스터 183:제3 트랜지스터
190:제4 트랜지스터

Claims (4)

  1. 전동차의 전동기로 제공되는 고압 직류의 흐름을 제어하기 위해 사용되는 절연게이트형 양극성 트랜지스터(IGBT)의 과전류 보호회로로서,
    고압 직류 단자와 상기 IGBT의 컬렉터 사이에 CPU와 연결되는 제1 노드가 형성되어 있고, 상기 CPU와 제1 노드 사이에는 상기 IGBT의 포화전압을 측정하기 위한 제어전원이 공급되는 제2 노드가 형성되어 있으며, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에는 고압 직류의 유입을 막기 위한 다이오드가 연결되어 있고,
    상기 제어전원에서 상기 IGBT의 컬렉터에 제어전류를 공급하여, 상기 IGBT의 에미터에서 측정되는 고압 직류의 크기에 비례하여 증가하는 IGBT의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압을 측정하여 상기 CPU가 상기 IGBT를 ON/OFF하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전동차용 IGBT 과전류 보호회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어전원과 제2 노드 사이에 상기 제어전원으로부터 제공되는 전압을 조절하기 위한 제1 저항이 직렬로 연결되며, 상기 제2 노드와 상기 다이오드 사이에는 상기 IGBT의 포화전압을 조절하기 위한 제2 저항이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전동차용 IGBT 과전류 보호회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 추가로 (+)입력단자에 상기 제2 노드가 연결되고, (-)입력단자에 소정 전압공급수단이 연결된 전압비교기와, 상기 전압비교기의 출력단자에 베이스가 연결되고 상기 CPU의 출력단자에 컬렉터가 연결되며 에미터는 접지되어 있는 제1 트랜지스터를 구비하고 있어,
    상기 전압비교기를 통하여 상기 IGBT의 포화전압을 특정전압과 비교하여 소정 수치 이상인 경우 상기 제1 트랜지스터에 의해 상기 CPU의 제어신호가 OFF되도록 함으로써, 상기 CPU와 병렬적으로 상기 IGBT의 ON/OFF 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전동차용 IGBT 과전류 보호회로.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 추가로 베이스가 상기 CPU의 출력단자에 연결되어 있고, 에미터는 상기 제2 노드에 연결되어 있으며, 컬렉터는 접지되어 있는 제2 트랜지스터를 구비하여,
    상기 CPU의 출력신호가 OFF되어 제2 트랜지스터가 ON되면 상기 제어전원의 제어전류가 상기 제2 트랜지스터의 에미터와 컬렉터를 거쳐 접지로 제거되도록 함으로써, CPU의 스위칭신호에 의한 이상 전류의 영향으로 과전류 검지 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 전동차용 IGBT 과전류 보호회로.
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