KR101216848B1 - 스위칭 장치 - Google Patents

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KR101216848B1
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power
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장병운
양천석
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 장치는 제 1 및 2 스위칭 신호를 수신하고, 상기 수신된 제 1 및 2 스위칭 신호 중 어느 하나의 신호를 선택하여 출력하는 신호 선택부; 상기 신호 선택부를 통해 출력되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 전원을 직류-교류 변환하여 출력하는 인버터; 및 기설정된 모드를 판단하고, 상기 판단된 모드에 의거하여 상기 제 1 및 2 신호 중 어느 하나의 신호가 선택되도록 상기 신호 선택부를 제어하는 제어부를 포함한다

Description

스위칭 장치{Switching apparatus}
본 발명은 스위칭 장치에 관한 것으로, 특히 인버터 기능과 충전 기능을 통합한 통합 장치에 적용 가능한 스위칭 장치에 관한 것이다.
아직까지 화석 연료인 휘발유, 경유, 액화석유가스등의 에너지를 사용하는 자동차가 전 세계에서 제조, 판매 및 운용되는 자동차의 대세를 차지하는 형편이지만, 한정된 석유 자원의 고갈 예측과 석유 자원의 급속한 가격상승, 유해 배기 가스로 인한 공해와 지구 온난화 등 환경 파괴의 문제점 때문에, 친환경의 대체 에너지 자동차의 개발이 국내외에서 활발히 진행되어왔고 점차 대체 에너지 자동차의 보급이 확대되고 있는 단계에 와 있다.
이러한 대체 에너지 자동차로는 순수 전기 자동차(Electric Vehicle, 줄여서 EV로도 불림), 화석 연료와 전기 에너지를 겸용하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, 줄여서 HEV로도 불림), 연료전지 전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, 줄여서 FCEV로도 불림)등이 있다.
상기와 같은 순수 전기 자동차는 배터리(BATTERY)로부터 전력을 공급받고 인버터(INVERTER)로 대표되는 전동기 제어장치(MOTOR CONTROLLER)에 의해 전동기를 제어하여 최적의 효율을 달성하고, 엔진을 전동기로 대체함으로써 유해가스의 배출이 전혀 없는 완전한 친환경 자동차이다.
도 1은 상기와 같은 전기 자동차의 구동 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 자동차(100)는 배터리(110), 인버터(120), 모터(130) 및 제어기(140)를 포함한다.
상기와 같은 전기 자동차(100)의 구동 방법을 살펴보면, 전기 자동차(100)의 배터리(110)에서 공급되는 전원은 직류 전원으로, 이를 이용하여 전기 자동차(100)의 모터(130)를 구동하기 위해 직류전원을 3상 교류전원으로 변환하는 인버터(120)가 구비된다.
상기 제어기(140)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식에 의해 상기 인버터(120)를 제어하여 상기 배터리(110)의 전원을 직류에서 교류로 변환하도록 한다. 인버터(120)를 제어하기 위해 상기 제어기(140)에서 발생하는 게이트 신호(gate signal)는 PWM 스위칭 신호를 포함한다.
그러나, 상기 배터리(110)에 충전되어 있는 전력으로 모터(130)를 구동시키는데 한계가 있으며, 상기 배터리(110)에 충전되어 있는 전력이 소정 전력 이상으로 방전될 경우에는 더 이상 상기 모터(130)를 구동시킬 수 없게 된다.
그러므로, 상기 전기 자동차(100)는 고압 충전기를 구비해야 하며, 상기 고압 충전기의 출력 전원을 이용하여 상기 배터리(110)를 충전시킬 수 있도록 해야 한다. 이러한 고압 충전기는 크게 가정용 단상 전원을 이용한 완속 충전기와, 송전용/배전용 3상 전원을 이용한 급속 충전기로 분류할 수 있다.
그러나, 종래에 따르면 상기와 같은 인버터, 고압 충전기 및 저압 충전기들 각각은 별도로 제작되어 장착되었으며, 이에 따라 중복되는 부품으로 인해 비용, 부피 및 무게 등에서 비효율적인 문제점이 있다. 즉, 인버터에서는 모터 구동용으로 전력용 반도체 스위치를 사용하였고, 충전기에서는 충전용으로 전력용 반도체 스위치를 별도로 사용해왔다.
또한, 최근에는 인버터와 충전기를 통합하는 노력이 지속적으로 행해져 왔으며, 이에 따라 인버터와 충전기에 사용되는 반도체 스위치를 하나로 통합하여, 각각의 전력용 반도체 스위치에 별도로 들어가는 인덕터(Inductor)를 줄일 수 있도록 하였다.
그러나, 상기와 같이 두 기능을 하는 전력용 반도체 스위치를 하나로 통합하게 되면, 하나의 전력용 반도체 스위치로 복수의 신호를 처리해야 하며, 이 과정에서 복수의 신호가 서로 중복되거나 충돌하는 문제점이 발생하였다.
본 발명에 따른 실시 예에서는 복수의 기능을 통합한 통합장치를 제공하고, 상기 복수의 기능에 대한 동작 중 스위칭 동작에서 발생할 수 있는 오동작을 방지할 수 있는 스위칭 장치를 제공하도록 한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 장치는 제 1 및 2 스위칭 신호를 수신하고, 상기 수신된 제 1 및 2 스위칭 신호 중 어느 하나의 신호를 선택하여 출력하는 신호 선택부; 상기 신호 선택부를 통해 출력되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 전원을 직류-교류 변환하여 출력하는 인버터; 및 기설정된 모드를 판단하고, 상기 판단된 모드에 의거하여 상기 제 1 및 2 신호 중 어느 하나의 신호가 선택되도록 상기 신호 선택부를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 및 2 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이며, 상기 모드는 운전 모드에 대응되는 제 1 모드 및 충전 모드에 대응되는 제 2 모드를 포함하고, 상기 제어기는 제 1 모드로의 동작시, 상기 제 1 스위칭 신호에 의해 상기 인버터가 동작하도록 제어하고, 제 2 모드로의 동작시 상기 제 2 스위칭 신호에 의해 상기 인버터가 동작하도록 제어한다.
또한, 상기 스위칭 장치는 배터리; 및 3상 모터를 더 포함하고, 상기 인버터는 상기 출력되는 제 1 스위칭 신호에 기초하여, 상기 배터리로부터 출력되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 상기 3상 모터로 제공한다.
또한, 상기 스위칭 장치는 단상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 단상 정류기가 더 포함되며, 상기 인버터는 상기 출력되는 제 2 스위칭 신호에 기초하여, 상기 단상 정류기로부터 출력되는 직류 전원을 상기 배터리로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는 제 1 모드로의 동작시 상기 제 1 스위칭 신호에 기초하여, 상기 배터리의 전원에 의해 상기 3상 모터가 구동되도록 제어하고, 제 2 모드로의 동작시 상기 제 2 스위칭 신호에 기초하여, 상기 단상 정류기로부터 출력되는 전원에 의해 상기 배터리가 충전되도록 제어한다.
또한, 상기 인버터는 상기 배터리와 3상 모터 사이에 개재되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같이 복수의 기능을 하는 전력용 반도체 스위치를 하나로 통한할 때, 소프트웨어만으로 복수의 신호를 구분한다면, 프로그램 오류 등으로 인한 문제점이 발생하지만, 본 발명에서는 하드웨어적으로 서로 다른 기능을 하는 복수의 스위칭 신호를 이중으로 분리해줌으로써, 상기 복수의 스위칭 신호의 충돌 및 간섭에 의해 발생하는 오동작 상황을 사전에 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 자동차의 구동 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 구동 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 구동 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 구동 시스템, 명확하게는 스위칭 장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 구동 시스템(200)은 배터리(210), 인버터(220), 3상 모터(230), 단상 전원(240), 단상 정류기(250), 신호 선택부(260) 및 제어기(270)를 포함한다.
배터리(210)는 바람직하게는 연료전지로서, 수소(H2)와 공기 중 산소(O2)의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 스택에 축적하는 방식으로, 직류 전원을 발생시킬 수 있으며, 또한 배터리의 단자를 통해 공급되는 직류 전원에 의해 충전될 수 있다.
인버터(220)는 스위칭 신호에 의거하여, 상기 배터리(210)로부터 공급되는 직류전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 3상 모터(230)에 공급한다.
상기 3상 모터(230)는 상기 인버터(220)로부터 공급되는 3상 교류 전원에 의해 구동된다.
즉, 상기 배터리(210)에서 공급되는 전원은 직류 전원으로서, 이를 이용하여 전기 자동차의 3상 모터(230)를 구동하기 위해 인버터(220)는 상기 배터리(210)를 통해 공급된 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 3상 모터(230)로 제공한다. 이때, 상기 인버터(220)는 스위칭 신호에 의해 스위칭 동작을 수행하여 상기 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환한다.
상기 스위칭 신호는 게이트 신호(gate signal)라 할 수 있으며, 상기 게이트 신호에는 PWM(Pulse Width Modulation)를 포함한다.
다시 말해서, 상기 배터리(210)의 직류 전원은 인버터(220)에 의해 3상 교류 전원으로 변환되며, 상기 3상 교류 전원에 의해 상기 3상 모터(230)가 구동되어 전기 자동차의 구동력이 발생된다.
또한, 상기 인버터(220)는 제어기(270)에서 발생하여 신호 선택부(260)에서 선택된 스위칭 신호, 바람직하게는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 따른 PWM 제어 방식으로 제어된다. 즉, 상기 신호 선택부(260)에서 출력되는 스위칭 신호에 의해 상기 배터리(210)로부터 3상 모터(230)로 공급되는 3상 교류 전원의 전압 및 주파수가 제어된다.
반대로, 본 발명은 전기 자동차의 배터리(210)를 충전시키기 위한 충전기를 포함한다.
상기 충전기는 도 2에 도시된 단상 전원(240)과 단상 정류기(250)를 포함한다. 단상 전원(240)은 단상 교류 전원(AC 상용 전원)을 입력하고, 단상 정류기(250)는 상기 단상 전원(240)으로부터 입력되는 교류의 단상 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다.
상기 단상 전류기(250)를 통해 변환된 직류 전원은 3상 모터(230)의 3상 권선을 타고 인버터(220)로 공급된다.
인버터(220)는 스위칭 신호에 따라 상기 3상 모터(230)의 3상 권선을 통해 전달되는 직류 전원을 스위칭하여 상기 배터리(210)로 공급하며, 상기 인버터(220)의 스위칭 동작에 의해 공급되는 전원에 의해 상기 배터리(210)는 충전된다.
즉, 상기와 같이 인버터(220)는 스위칭 신호에 따라 배터리(210)를 통해 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 3상 모터(230)에 공급하거나, 단상 정류기(250)를 통해 입력된 전원을 스위칭하여 상기 배터리(210)로 공급한다.
이때, 상기 3상 모터(230)를 구동시키기 위해 인버터(220)가 배터리(210)의 전원을 받아 3상 모터(230)에 전달하는 동작은 상기 전기 자동차가 운전 모드(제 1 모드라 할 수 있음)로 동작하는 경우에 수행된다.
또한, 상기 배터리(210)를 충전시키기 위해, 상기 인버터(220)가 단상 정류기(250)를 통해 공급되는 전원을 상기 배터리(210)에 전달하는 동작은 상기 전기 자동차가 충전 모드로 동작하는 경우에 수행된다.
상기와 같이, 인버터(220)는 복수의 모드로 구동되며, 그에 따라 입력되는 스위칭 신호에 따라 상호 간의 전원을 직류-교류 변환하여 전달하게 된다.
이때, 상기 인버터(220)로 공급되는 스위칭 신호는 운전 모드에서 상기 인버터(220)의 동작을 제어하기 위한 제 1 스위칭 신호와, 충전 모드에서 상기 인버터(220)의 동작을 제어하기 위한 제 2 스위칭 신호를 포함할 수 있다.
그러나, 상기 인버터(220)에 상기 제 1 스위칭 신호와 제 2 스위칭 신호가 같이 입력되면, 상기 복수의 스위칭 신호간에도 신호 충돌 및 간섭이 발생할 수 있으며, 그에 따라 상기 인버터(220)가 비정상적으로 동작할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 실시 예에서는 상기 인버터(220)의 동작을 제어하기 위해 생성된 제 1 스위칭 신호와 제 2 스위칭 신호 간의 충돌 및 간섭을 피하기 위해 상기 인버터(220)에는 어느 하나의 특정 스위칭 신호만이 입력되도록 하낟.
이를 위해, 본 발명에서는 신호 선택부(260)를 포함한다.
즉, 상기 제 1 스위칭 신호와 제 2 스위칭 신호는 다이렉트(direct)로 상기 인버터(220)에 입력되지 않고, 상기 신호 선택부(260)를 거치게 된다.
상기 신호 선택부(260)는 상기 제 1 스위칭 신호와 제 2 스위칭 신호를 입력받으며, 상기 입력된 두 개의 스위칭 신호를 먹싱하여, 어느 하나의 스위칭 신호만을 상기 인버터(220)로 출력한다.
제어기(270)는 상기와 같은 동작을 전반적으로 제어한다. 특히, 상기 제어기(270)는 상기 운전 모드에서 인버터(220)의 동작을 제어하기 위한 제 1 스위칭 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
또한, 제어기(270)는 외부로부터 모드 선택 신호를 입력받는다. 상기 모드 선택 신호는 상기 전기 자동차의 동작 모드를 선택받기 위한 신호이며, 상기 동작 모드에는 상기 설명한 바와 같이 운전 모드와 충전 모드가 포함된다.
즉, 제어기(270)는 상기 전기 자동차의 현재 동작 상태를 알리는 모드 선택 신호를 입력받는다.
또한, 제어기(270)는 상기 모드 선택 신호가 입력되면, 상기 입력된 모드 선택 신호에 따라 상기 신호 선택부(260)에 신호 선택 신호를 출력한다. 즉, 제어기(270)는 상기 입력된 모드 선택 신호가 운전 모드에 대응되는 경우, 상기 신호 선택부(260)를 통해 제 1 스위칭 신호가 선택되도록 하고, 상기 모드 선택 신호가 충전 모드에 대응되는 경우, 상기 신호 선택부(260)를 통해 제 2 스위칭 신호가 선택되도록 한다.
그에 따라, 상기 신호 선택부(260)는 상기 제어기(270)의 제어신호에 따라 상기 입력된 복수의 스위칭 신호 중 어느 하나의 스위칭 신호를 선택하여 상기 인버터(220)로 출력한다.
이때, 상기 제 1 스위칭 신호와, 제 2 스위칭 신호는 서로 다른 경로를 통해 상기 신호 선택부(260)로 입력되며, 그에 따라 상기 신호 선택부(260)는 입력되는 복수의 스위칭 신호를 각각 구분할 수 있다.
또한, 제어기(270)는 상기 운전 모드가 선택되는 경우, 상기 선택된 제 1 스위칭 신호에 의해 상기 인버터(220)가 동작하여 상기 3상 모터에 구동 전원이 공급되어 상기 3상 모터(230)가 구동되도록 한다.
또한, 제어기(270)는 상기 충전 모드가 선택되는 경우, 상기 제 2 스위칭 신호에 의해 상기 인버터(220)가 동작하여 상기 배터리(210)에 충전 전원이 공급되어, 상기 배터리(210)의 충전이 이루어지도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 장치의 스위칭 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 스위칭 방법은 외부로부터 모드 선택 신호를 입력받는다(310단계).
즉, 제어기(270)는 사용자로부터 현재 전기 자동차를 동작 상태를 결정하는 모드 선택 신호를 입력받으며, 그에 따라 제어기(270)는 상기 사용자로부터 특정 모드 선택 신호가 입력되면, 상기 입력에 따라 선택된 모드에 의거하여 상기 전기 자동차의 동작이 이루어지도록 한다.
제어기(270)는 상기에서 모드 선택 신호가 입력되면, 제 1 모드에 따른 동작시 사용될 제 1 스위칭 신호와, 제 2 모드에 따른 동작시 사용될 제 2 스위칭 신호 중 어느 하나의 스위칭 신호가 인버터(220)로 제공되도록 한다(320단계).
즉, 신호 선택부(260)에는 상기 제 1 스위칭 신호와 제 2 스위칭 신호가 입력되며, 상기 신호 선택부(260)는 상기 제어기(270)로부터 제 1 모드에 따른 제 1 선택 신호 입력시, 상기 제 1 스위칭 신호를 선택하여 인버터(220)로 제공하고, 제 2 선택 신호 입력시, 상기 제 2 스위칭 신호를 선택하여 인버터(220)로 제공한다.
이때, 상기 선택된 신호가 제 1 스위칭 신호인지 여부를 판단한다(330단계).
즉, 인버터(220)는 현재 전기자동차가 제 1 모드로 동작하여, 상기 신호 선택부(260)로부터 제 1 모드로의 동작을 위해 제 1 스위칭 신호가 선택되었는지를 확인한다.
인버터(220)는 상기 제 1 스위칭 신호가 선택되었다면, 상기 선택된 제 1 스위칭 신호에 의거하여, 배터리(210)로부터 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 3상 모터(230)로 공급한다(340단계).
또한, 인버터(220)는 상기에서 제 2 스위칭 신호가 선택되었다면, 상기 선택된 제 2 스위칭 신호에 의해 스위칭 동작하여 단상 정류기(250)를 통해 공급되는 전원을 배터리(210)로 공급하여 상기 배터리(210)를 충전시킨다(350단계).
상기와 같이 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하드웨어적으로 서로 다른 기능을 하는 복수의 스위칭 신호를 분리해줌으로써, 상기 복수의 스위칭 신호의 충돌 및 간섭에 의해 발생하는 오동작 상황을 사전에 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210: 배터리
220: 인버터
230: 3상 모터
240: 단상 전원
250: 단상 정류기
260: 신호 선택부
270: 제어기

Claims (7)

  1. 제 1 및 2 스위칭 신호를 수신하고, 상기 수신된 제 1 및 2 스위칭 신호 중 어느 하나의 신호를 선택하여 출력하는 신호 선택부;
    상기 신호 선택부를 통해 출력되는 신호에 기초하여 전원을 직류-교류 변환하여 출력하는 인버터; 및
    기설정된 모드를 판단하고, 상기 판단된 모드에 의거하여 상기 제 1 및 2 신호 중 어느 하나의 신호가 선택되도록 상기 신호 선택부를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제 1 및 2 스위칭 신호는
    PWM(Pulse Width Modulation) 신호인 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모드는 운전 모드에 대응되는 제 1 모드 및 충전 모드에 대응되는 제 2 모드를 포함하고,
    상기 제어기는 제 1 모드로의 동작시, 상기 제 1 스위칭 신호에 의해 상기 인버터가 동작하도록 제어하고, 제 2 모드로의 동작시 상기 제 2 스위칭 신호에 의해 상기 인버터가 동작하도록 제어하는 스위칭 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    배터리; 및
    3상 모터를 더 포함하고,
    상기 인버터는 상기 출력되는 제 1 스위칭 신호에 기초하여, 상기 배터리로부터 출력되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 상기 3상 모터로 제공하는 스위칭 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    단상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 단상 정류기가 더 포함되며,
    상기 인버터는 상기 출력되는 제 2 스위칭 신호에 기초하여, 상기 단상 정류기로부터 출력되는 직류 전원을 상기 배터리로 공급하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어기는 제 1 모드로의 동작시 상기 제 1 스위칭 신호에 기초하여, 상기 배터리의 전원에 의해 상기 3상 모터가 구동되도록 제어하고,
    제 2 모드로의 동작시 상기 제 2 스위칭 신호에 기초하여, 상기 단상 정류기로부터 출력되는 전원에 의해 상기 배터리가 충전되도록 제어하는 스위칭 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 배터리와 3상 모터 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
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