KR101014152B1

KR101014152B1 - 차량 인버터 회로 및 그를 이용한 차량

Info

Publication number: KR101014152B1
Application number: KR1020080101177A
Authority: KR
Inventors: 이정윤; 김성규; 이재원; 정태환; 장기영; 주정홍
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2011-02-14
Also published as: US8410746B2; US20100089670A1; KR20100042057A

Abstract

본 발명은 차량 인버터 회로 및 그를 이용한 차량에 관한 것이다.

본 발명에 따른 차량 인버터 회로는 복수개의 스위칭소자를 구비하여 직류 전원을 교류 전류로 스위칭하는 스위칭부와, 오버슛이 발생하는 경우 상기 오버슛을 클램핑하고, 시스템 전압이 클램핑 내압보다 큰 경우 상기 스위칭부의 구동을 중지시키는 가변 클램핑부를 포함한다.

본 발명은 클램핑부 내압보다 큰 시스템 전압(DC 입력전압)을 사용할 수 있도록 하여 설계 변경이 유리하고 차량의 모터 성능을 향상시키는 효과가 있다.

인버터, IGBT모듈, 클램핑, 오버슛, 역기전력

Description

차량 인버터 회로 및 그를 이용한 차량{Vechicle inverter circuit and vechicle with the same}

본 발명은 차량 인버터 회로 및 그를 이용한 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템 전압(DC 입력전압)을 클램핑부 최대 내압 이상으로 인가 가능하게 하여 부품 공용화 및 생산성 향상, 원가 절감이 가능한 차량 인버터 회로에 관한 것이다.

하이브리드 차량에서 인버터는 고전압 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동시키는 역할을 한다. 이러한 인버터는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)모듈(또는 FET모듈)을 구비하는데, IGBT모듈은 도 1a와 같이 복수개의 스위칭소자 SW1~SW6로 구성되고, IGBT모듈(10)의 각 스위칭소자 SW1~SW6는 구동부(11)로부터 출력되는 PWM 신호에 의해 구동된다. 이때, 구동부(11)의 PWM 신호 출력은 제어부(12)에 의해 제어된다.

그런데, 차량의 특성상 사고, 정비, 케이블의 노후화, 조립 공정에서의 오류로 인해, 인버터 3상 출력이 단락(short)되어 IGBT모듈(10)에 과전류가 흐르게 되는 과도상태가 종종 발생한다. 이와 같은 과도 상태가 발생하면 제어부(12)는 IGBT 모듈(10)의 파손을 방지하기 위해 스위칭소자 SW1~SW6의 스위칭을 중지시킨다.

그러나, 상기와 같이 과도 상태에서 즉, 과전류가 흐르는 상태에서 스위칭소자 SW1~SW6의 스위칭이 급작스럽게 중지하게 되는 경우, 스위칭소자 SW1~SW6 양단(드레인(drain)과 소스(source)단 또는 콜렉터(collector)단과 에미터(emmiter)단)에 순간적인 과전압이 유발되어 IGBT모듈(10)이 손상되는 문제점이 있었다.

이처럼 IGBT모듈(10) 구동 시에 회로가 순간적으로 단락(short) 되거나 과전압 발생 시에 도 1b의 타이밍도에 나타난 바와 같이 IGBT모듈(10)의 스위칭소자 SW1의 드레인단과 소스단에 걸리는 V_DS 전압이 순간적으로 IGBT모듈(10)의 내압보다 더 크게 상승하는 오버슛(overshoot;A)이 발생하게 되는데, 이러한 오버슛으로 인해 IGBT모듈(10)이 손상될 수 있다.

이를 방지 하기 위하여, 도 2a와 같이 스위칭소자 SW1의 드레인단 또는 콜렉터단과 게이트(gate)단에 클램핑부(20)를 삽입하여, 과전압이 발생할 때 클램핑부(20)를 통해 과전압을 낮추어 준다.

이를 위해, 클램핑부(20)는 클램핑 다이오드 D1, 역류방지 다이오드 D2 및 저항 R1을 구비한다. 이때, 클램핑 다이오드 D1의 내압을 IGBT모듈(10)의 내압보다 낮게 설정하고, V_DS 전압이 클램핑 다이오드 D1의 내압보다 높아지면 클램핑 다이오드 D1이 온되어 클램핑부(20)에 전류 I_D1가 흘러 IGBT모듈(10)의 스위칭소자(SW1)를 턴온시킨다. 이에, 스위칭소자 SW1이 턴온됨으로써 V_DS 전압이 낮아져 도 2b와 같이 오버슛 전압을 클램핑시킨다(B).

그러나, 상기와 같이 클램핑부(20)를 통해 스위칭소자 SW1를 턴온시켜 오버슛 전압을 클램핑하더라도, 클램핑부(20) 내압보다 큰 시스템 전압(DC 입력전압)이 지속적으로 IGBT모듈(10)에 인가되면, 클램핑부(20)에 의해 스위칭소자 SW1이 계속 턴온되어 과열되는 문제점이 있다.

즉, 실제 차량에서 모터가 고속으로 회전하다 인버터 제어가 실패되어 모터의 역기전력이 IGBT모듈(10)로 인가되면, 도 2c에 도시한 바와 같이, 모터의 역기전력에 의해 IGBT모듈(10)에 인가되는 시스템 전압 V_DC이 클램핑부(20)의 내압 Vclamp보다 높아지게 된다(C). 이에, 클램핑 다이오드 D1이 온되어 IGBT모듈(10)의 스위칭소자 SW1를 계속 턴온(turn on)시켜, IGBT모듈(10)에 과전류가 흘러 결국 IGBT모듈(10)은 과열로 파손된다.

이와같이, 종래에는 클램핑 다이오드의 내압보다 큰 시스템 전압이 인가되면 IGBT모듈이 손상되므로 시스템 전압을 낮게 설정해야 하는 문제점이 있다. 이처럼 시스템 전압이 낮아지면 모터의 구동 효율이 낮아지게 된다.

이에, 시스템 전압을 올리기 위해서 IGBT모듈의 내압 및 클램핑 다이오드의 내압을 올리는 방법이 있으나, IGBT모듈의 내압 및 클램핑 다이오드의 내압을 올리면 IGBT모듈의 가격이 상승되어 원가 상승의 문제점이 있다.

따라서, 종래에는 인버터회로의 시스템 전압을 클램핑 다이오드의 내압보다 크게 인가할 수 없어, 차량 모터 성능을 충분히 제공할 수 없어 사용자의 욕구를 만족할 수 없게 된다.

또한, 차종마다 시스템 전압(DC 입력전압)의 변화가 다르므로, 동일 내압을 갖는 IGBT모듈의 공용화 또한 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 오버슛 클램핑을 위해 스위칭소자를 턴온 시키더라도 모터 역기전력 발생 등으로 인한 시스템 전압이 클램핑 다이오드 내압보다 상승하는 경우 IGBT모듈을 턴오프시켜 시스템 전압의 과전압에 의한 IGBT모듈 손상을 방지할 수 있도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 클램핑부 내압보다 큰 시스템 전압(DC 입력전압)을 사용할 수 있도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량 인버터 회로는 복수개의 스위칭소자를 구비하여 직류 전원을 교류 전류로 스위칭하는 스위칭부; 상기 스위칭부를 구동하는 신호를 출력하는 구동부; 및 상기 구동부와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 가변 클램핑부를 구비하되,
상기 가변 클램핑부는,오버슛이 발생하는 경우 상기 스위칭부를 턴온시켜 상기 오버슛을 클램핑하는 클램핑부; 및 상기 클램핑부의 출력에 의해 충방전되어 시스템 전압이 클램핑 내압보다 큰 경우 상기 스위칭부를 오프시키는 가변 어드미턴스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 가변 어드미턴스는, 상기 클램핑부로부터 흐르는 전류에 의해 전하가 충전되고 방전되는 캐패시터와, 상기 캐패시터와 병렬연결되는 저항소자를 포함한다.

또한, 상기 가변 어드미턴스는 상기 캐패시터가 충전 완료되면 상기 스위칭소자를 오프시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 클램핑부는 상기 오버슛이 발생하거나 상기 시스템전압이 상기 클램핑 내압보다 높게 인가된 경우 온되는 클램핑 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 클램핑부는 상기 가변 어드미턴스로부터 전류가 상기 클램핑 다이오드로 역류되는 것을 방지하는 역류방지 다이오드를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 클램핑 다이오드는 제너 다이오드인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 어드미턴스는 상기 클램핑부에 의해 전하가 충전되고, 충전되는 기간동안 상기 스위칭소자를 턴온시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스위칭부는 IGBT모듈(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 FET(field-effect transistor)모듈인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 차량은 복수개의 스위칭소자를 구비하여 직류 전원을 교류 전류로 스위칭하는 스위칭부; 상기 스위칭부를 구동하는 신호를 출력하는 구동부; 상기 스위칭부의 출력에 의해 구동되는 모터부; 및 상기 구동부와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 가변 클램핑부를 구비하되,
상기 가변 클램핑부는, 오버슛이 발생하는 경우 상기 스위칭부를 턴온시켜 상기 오버슛을 클램핑하는 클램핑부; 및 상기 클램핑부의 출력에 의해 충방전되어 시스템 전압이 클램핑 내압보다 큰 경우 상기 스위칭부를 오프시키는 가변 어드미턴스를 포함한다.

삭제

또한, 상기 가변 어드미턴스는 상기 모터부의 역기전력에 의해 상기 시스템 전압이 상기 클램핑 내압보다 큰 경우 캐패시터의 충전이 완료되면 상기 스위칭소자를 오프시키는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명은 클램핑부 내압보다 큰 시스템 전압(DC 입력전압)을 사용할 수 있도록 하여 인버터 및 모터의 효율 및 정격전력밀도를 높여줄 수 있게 되어 성능향상 뿐만 아니라 원가절감 및 설계 변경이 유리하고 차량의 모터 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 IGBT모듈의 변경 또는 추가 부품의 필요없이 시스템 전압(DC 입력 전압)의 상승시켜 사용할 수 있어 인버터 효율을 높일 수 있으며 인버터 최대 정격 또한 높일 수 있어 인버터의 소형화가 가능하여 무게 및 부피를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 IGBT모듈을 차종과 상관없이 공용화하여 사용할 수 있어 양산 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 차량 인버터 회로 및 그를 이용한 차량을 첨부된 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 회로의 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 인버터 회로는 IGBT 스위칭부(100), 가변 클램핑부(200), 구동부(300), 제어부(400), 인덕터 L2, 다이오드 D13 및 저항 R13을 구비한다.

IGBT 스위칭부(100)는 스위칭소자 SW7을 구비한다. 이때, IGBT모듈은 도 1a 와 같이 복수개의 스위칭소자로 구성되며, 각 스위칭소자마다 양단에 도 3a와 같은 가변 클램핑부(200)가 구비된다.

구동부(300)는 제어부(400)의 제어에 의해 IGBT 스위칭부(100)를 구동시키기 위한 PWM 신호를 출력한다.

제어부(400)는 구동부(300)를 제어하여 IGBT 스위칭부(100)의 온오프를 제어한다.

가변 클램핑부(200)는 과도 상태에서 스위칭소자 SW7가 급격히 턴오프됨에 따라 전압 V_DS가 가변 클램핑 다이오드 내압 Vclamp이상으로 커지면 스위칭소자 SW7을 턴온시켜 오버슛을 방지하되, 모터 역기전력 등으로 인한 시스템 전압이 클램핑내압보다 커지면 스위칭소자 SW7을 턴오프시켜 IGBT모듈의 파손을 방지한다. 이를 위해, 가변 클램핑부(200)는 클램핑부(210) 및 가변 어드미턴스(220)를 구비한다.

클램핑부(210)는 전압 V_DS 가 클램핑 다이오드 D11 내압보다 큰 경우 스위칭소자 SW7을 턴온시켜 오버슛을 방지한다. 이를 위해, 클램핑부(210)는 스위칭소자 SW7의 드레인단(콜렉터단)과 가변 어드미턴스(220)의 일측에 직렬연결되는 클램핑 다이오드 D11, 역류방지 다이오드 D12 및 저항 R11을 구비한다. 여기서, 클램핑 다이오드 D11는 인버터 회로가 정상 동작하는 경우에는 오프되고, 단락 또는 과전류가 발생하는 과도 상태에서 온되어 스위칭소자 SW7을 턴온시킨다. 역류방지 다이오드 D12는 가변 어드미턴스(220)로부터 전류가 역류되는 것을 방지한다.

가변 어드미턴스(220)는 하이패스 필터(high pass filter)처럼 오버슛이 발생하는 경우에 스위칭소자 SW7을 턴온시키고 캐패시터 Cv가 충전되어 충전이 완료되면 캐패시터 Cv가 오픈상태가 되어 스위칭소자 SW7을 턴오프시킴으로써 스위칭소자 SW7의 손상을 방지한다.

이를 위해, 가변 어드미턴스(220)는 저항 R12 및 캐패시터 Cv가 병렬로 연결된 등가회로를 구비한다. 캐패시터 Cv는 클램핑부(210)로부터 흐르는 전류 I_D11에 의해 충전되고, 저항 R12는 낮은 주파수 성분에 의해 C_V에 충전된 전하를 방전시키는 역할을 한다. . 이때, 인버터 스위칭 주파수가 10kHz인 경우, 저항 R12는 10㏀으로 설정하고 캐패시터 Cv는 10㎋로 설정하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 회로의 동작을 도 3b 및 도 3c를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 정상 상태에서는 구동부(300)에서 출력된 PWM 신호에 의해 스위칭소자 SW7이 구동되어 IGBT모듈이 동작하게 된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 구동부(300)에서 출력된 PWM 신호가 하이레벨이 되면 스위칭소자 SW7의 게이트단과 소스단에 걸리는 V_GS 전압이 하이레벨이 되어 스위칭소자 SW7이 턴온 된다. 이에, 스위칭소자 SW7의 드레인단과 소스단에 걸리는 V_DS 전압이 드랍되고, 전류 I_DS가 흐르게 된다.

이때, 가변 클램핑부(200)는 동작하지 않으며, 클램핑 다이오드 D11는 오프상태가 된다. 여기서, 제어부(400)는 시스템 전압(DC 입력전압)이 클램핑 다이오드 내압보다 낮고 단락 또는 과전류가 발생하지 않아 V_DS 전압이 일정전압 이하인 경우를 정상 상태로 판단하고, 구동부(300)에 PWM 신호를 출력하도록 제어한다.

그 후, IGBT모듈 양단이 단락(short)되어 과전류가 흐르는 등의 과도상태가 발생하면 제어부(400)가 IGBT모듈을 보호하기 위해 스위칭소자 SW7를 급히 턴오프시킨다. 이에, 스위칭소자 SW7의 갑작스런 턴오프 동작으로 인한 V_DS 전압의 오버슛이 발생되면, 오버슛 전압에 의해 클램핑 다이오드 D11이 온되어 전류 I_D11이 흐르게 되고, 캐패시터 전압 Vcv는 전류 I_D11이 흐르는 동안 상승하다 감소한다.

따라서, 클램핑부(210)에 전류가 흘러 도 4a와 같이 캐패시터 Cv에 전하가 충전되고 클램핑부(210)에 흐르는 전류 I_D11와 저항 R13의 곱만큼 스위칭소자 SW7의 게이트단의 전압이 상승되어 스위칭소자 SW7이 턴온된다.

이에, 전류 I_DS가 흘러 스위칭 소자 SW7의 드레인단과 소스단에 걸린 V_DS 전압이 낮아지게 되어 도 3b과 같이 V_DS전압이 시스템 전압 V_DC보다 커진 오버슛을 클램핑하여(D) 스위칭소자 SW7의 손상을 방지할 수 있게 된다.

그 후, 캐패시터 Cv 충전이 완료되면 도 4b와 같이 캐패시터 Cv가 오픈상태처럼 동작하며 저항 R12에 의해 전류가 흐르지 않게 되어 스위칭소자 SW7은 턴오프된다.

한편, 도 3c와 같이, 과도상태가 아닌 정상상태에서 모터의 역기전력 등이 발생하여 시스템 전압 V_DC이 클램핑전압 Vclamp 이상으로 커지는 경우, 제어부(400) 는 구동부(300)의 PWM 신호출력을 중지시킨다.

그 후, 클램핑 다이오드 D11이 온되어 전류가 I_D11이 흐르게 되어 캐패시터 Cv에 충전되고 캐패시터 Cv가 충전되는 동안 스위칭소자 SW7가 턴온된다. 즉, 캐패시터 Cv의 충전이 완료되면 도 4b와 같이 충전된 캐패시터 Cv가 오픈상태처럼 되어 저항값이 큰 저항 R12에 의해 전류가 더이상 흐르지 않게 된다. 이에, 도 3b와 같이 전류 I_D11이 흐르지 않게 되고 전압 V_GS가 낮아져 스위칭소자 SW7이 턴오프된다.

이처럼 스위칭소자 SW7이 턴온되었다가 캐패시터 C_V가 충전되면 턴오프되므로 도 3c와 같이 전류 I_DS가 흘렀다가 감소하게 되고, 전류 I_D11 및 전압 V_GS도 감소하게 되며 캐패시터 전압 V_CV는 시스템전압 V_DC에서 클램핑전압 Vclamp를 뺀 전압레벨로 충전된 후 유지된다.

그 후, 도 3c에는 도시되어 있지 않으나, 모터 역기전력이 낮아지면 즉 시스템 전압레벨이 낮아지면 캐패시터 Cv는 R12를 통하여 방전하기 시작한다.

상기와 같이, 가변 어드미턴스(220)는 하이패스 필터처럼 오버슛이 발생하는 경우에 스위칭소자 SW7을 턴온시키고 모터 역기전력 발생등으로 인한 시스템 전압 상승 시 캐패시터 Cv가 충전되는 기간동안 스위칭 소자 SW7을 턴온시키고 캐패시터 Cv가 충전이 완료되면 스위칭소자 SW7을 턴오프시켜 스위칭소자 SW7의 손상을 방지한다.

도 1a은 종래의 인버터 회로도.

도 1b는 종래의 인버터 회로의 타이밍도

도 2a는 클램핑 다이오드를 구비한 종래의 인버터 회로도.

도 2b 및 도 2c는 클램핑 다이오드를 구비한 종래의 인버터 회로의 타이밍도.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 회로의 구성도.

도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 회로의 타이밍도

도 4a 및 도 4b는 도 3a의 가변 어드미턴스의 동작 설명을 하기 위한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : IGBT 모듈 11, 300 : 구동부

12, 400 : 제어부 20, 210 : 클램핑부

200 : 가변 클램핑부 220 : 가변 어드미턴스

Claims

복수개의 스위칭소자를 구비하여 직류 전원을 교류 전류로 스위칭하는 스위칭부;

상기 스위칭부를 구동하는 신호를 출력하는 구동부; 및

상기 구동부와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 가변 클램핑부를 구비하되,

상기 가변 클램핑부는,

오버슛이 발생하는 경우 상기 스위칭부를 턴온시켜 상기 오버슛을 클램핑하는 클램핑부; 및

상기 클램핑부의 출력에 의해 충방전되어 시스템 전압이 클램핑 내압보다 큰 경우 상기 스위칭부를 오프시키는 가변 어드미턴스

를 포함하는 차량 인버터 회로.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 가변 어드미턴스는,

상기 클램핑부로부터 흐르는 전류에 의해 전하가 충전되는 캐패시터; 및

상기 캐패시터와 병렬연결되는 저항소자

를 포함하는 차량 인버터 회로.
청구항 3에 있어서,

상기 가변 어드미턴스는

상기 캐패시터가 충전 완료되면 상기 스위칭부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 차량 인버터 회로.
청구항 1에 있어서,

상기 클램핑부는

상기 오버슛이 발생하거나 상기 시스템전압이 상기 클램핑 내압보다 높게 인가된 경우 온되는 클램핑 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 인버터 회로.
청구항 5에 있어서,

상기 클램핑부는

상기 가변 어드미턴스로부터 전류가 상기 클램핑 다이오드로 역류되는 것을 방지하는 역류방지 다이오드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 인버터 회로.
청구항 5에 있어서,

상기 클램핑 다이오드는 제너 다이오드인 것을 특징으로 하는 차량 인버터 회로.
청구항 1에 있어서,

상기 가변 어드미턴스는

상기 클램핑부에 의해 전하가 충전되고, 충전되는 기간동안 상기 스위칭부를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 차량 인버터 회로.
청구항 1에 있어서,

상기 스위칭부는 IGBT모듈(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 FET(field-effect transistor)모듈인 것을 특징으로 하는 차량 인버터 회로.
복수개의 스위칭소자를 구비하여 직류 전원을 교류 전류로 스위칭하는 스위칭부;

상기 스위칭부를 구동하는 신호를 출력하는 구동부;

상기 스위칭부의 출력에 의해 구동되는 모터부; 및

상기 구동부와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 가변 클램핑부를 구비하되,

상기 가변 클램핑부는,

오버슛이 발생하는 경우 상기 스위칭부를 턴온시켜 상기 오버슛을 클램핑하는 클램핑부; 및

상기 클램핑부의 출력에 의해 충방전되어 시스템 전압이 클램핑 내압보다 큰 경우 상기 스위칭부를 오프시키는 가변 어드미턴스

를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
삭제
청구항 10에 있어서,

상기 가변 어드미턴스는

상기 모터부의 역기전력에 의해 상기 시스템 전압이 상기 클램핑 내압보다 큰 경우 캐패시터의 충전이 완료되면 상기 스위칭부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 차량.