KR101294002B1 - 전기 자동차용 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이 - Google Patents

전기 자동차용 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 차동차용 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이(SSR:SOLID STATE RELAY)에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 고전압 무접점 릴레이는 저전압부와 고전압부 사이를 절연시키며 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 전압을 정전압으로 출력하는 전압 변환부, 스위칭 제어신호에 따라 고전압 배터리의 전원을 부하에 전달하는 파워 스위칭부 및 저전압부와 고전압부 사이를 절연시키며 PWM 신호에 따라 전압 변환부의 출력신호를 스위칭 제어신호로서 출력하는 PWM 드라이버를 포함하며, 기계적 릴레이 및 산업용 무접점 릴레이의 단점을 보완하면서 전기 자동차용 스펙을 만족시킴으로써 전기 자동차에 적용이 가능하며 전자소자로 이루어져 작동시 소음이 없고 반 영구적으로 사용할 수 있다.

Description

전기 자동차용 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이{PLUG TYPE HIGH VOLTAGE SOLID STATE RELAY FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 차동차용 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이(SSR:SOLID STATE RELAY)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펄스폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 방식으로 제어가 가능하며 고전압 영역과 저전압 영역 사이를 절연(Isolation)시킬 수 있도록 구성된 전기 자동차용 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이에 관한 것이다.
최근 들어, 친환경적인 자동차로서 전기 자동차 또는 하이브리드 차량이 개발되어 사용되고 있다.
일반적으로 하이브리드 차량은 단일 동력원의 일반 자동차와 달리 서로 다른 두 종류 이상의 동력원에 의해 구동되는 차량을 의미하며, 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이 대부분을 차지하고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 자동차를 개발하기 위하여 이러한 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 대한 연구가 활발해지면서 전기 자동차 산업은 나날이 발전하고 있다.
이렇게 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 산업은 급격한 발전을 하고 있지만 자동차 부품 산업은 아직 이에 미치지 못하고 있는 것이 현실이다.
이러한 자동차 부품들 중 하나로 릴레이(Relay)를 들 수 있다.
릴레이(Relay)는 작동스위치의 동작에 따라 배터리에서 인가되는 전원을 부하장치로 공급 또는 차단해주는 스위칭 장치로서, 그 접촉방식에 따라 접점식 릴레이, 무접점 릴레이, 압력 릴레이, 서멀(Thermal) 릴레이, 광 릴레이 등이 사용되고 있다.
그런데 기계적 릴레이는 역기전력 및 서지(Surge)의 문제점이 지적되고 있고, 무접점 릴레이의 경우 일반 산업용으로는 널리 사용되고 있으나 전기 자동차용 무접접 릴레이는 아직 적용되고 있지 않다.
본 발명의 목적은 기계적 릴레이 및 산업용 무접점 릴레이의 단점을 보완하면서 전기 자동차에 적용하여 사용할 수 있는 고 신뢰성의 고전압 무접점 릴레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고전압 무접점 릴레이를 플러그 인(Plug-In) 타입으로 모듈화하여 장치를 소형화하고 간편하게 장착할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 작동시 소음이 없으며 반영구적으로 사용할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 고전압 무접점 릴레이는, 저전압부와 고전압부 사이를 절연시키며 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 전압을 정전압으로 출력하는 전압 변환부, 스위칭 제어신호에 따라 고전압 배터리의 전원을 부하에 전달하는 파워 스위칭부 및 상기 저전압부와 상기 고전압부 사이를 절연시키며 상기 PWM 신호에 따라 상기 전압 변환부의 출력신호를 상기 스위칭 제어신호로서 출력하는 PWM 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전압 변환부는 DC-DC 컨버터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 파워 스위칭부는, 상기 고전압 배터리와 상기 부하 사이에 연결되어 상기 부하의 상부측에서 스위칭 동작을 수행하는 하이 사이드(High-Side)용 또는 상기 부하와 접지단자 사이에 연결되어 상기 부하의 하부측에서 스위칭 동작을 수행하는 로우 사이드(Low-Side)용으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 전기 자동차용 고전압 무접점 릴레이가 로우 사이드(Low-Side)용으로 사용되는 경우에는 상기 파워 스위칭부와 직렬 연결된 다이오드를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 PWM 드라이버는 상기 저전압부와 상기 고전압부 사이를 절연시키면서 상기 PWM 신호에 따라 선택적으로 출력되는 빛을 매개로 상기 전압 변환부의 출력신호를 상기 파워 스위칭부에 전달하는 포토 커플러를 포함한다.
바람직하게는, 상기 파워 스위칭부는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 전기 자동차용 고전압 무접점 릴레이에서 상기 전압 변환부와 상기 PWM 드라이버는 동일한 인쇄회로기판에서 실장되며, 상기 인쇄회로기판은 상기 전압 변환부와 상기 PWM 드라이버를 기준으로 상기 저전압부가 형성되는 저전압 영역과 상기 고전압부가 형성되는 고전압 영역으로 구분된다.
본 발명에 따른 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이는 기계적 릴레이 및 산업용 무접점 릴레이의 단점을 보완하면서 전기 자동차용 스펙을 만족시킬 수 있어 전기 자동차에 적용이 가능한 효과가 있다. 전자소자로 이루어져 작동시 소음이 없고 반 영구적으로 사용할 수 있다.
또한 고전압 무접점 릴레이를 플러그 인(Plug-In) 타입으로 모듈화함으로써 장치를 소형화할 수 있고 취급이 간편한 효과가 있다.
또한 전자소자로 이루어져 작동시 소음이 없고 반 영구적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이 사이드(High-Side) 용 고전압 무접점 릴레이의 구조를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로우 사이드(Low-Side) 용 고전압 무접점 릴레이의 구조를 나타낸 구성도.
도 3은 도 1 또는 도 2의 구성이 실장된 인쇄회로기판(PCB)의 모습을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 고전압 무접점 릴레이의 부품 구성도.
도 5는 도 4의 부품들이 조립된 모습을 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 설명의 편의를 위해 종래 기술과 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이 사이드(High-Side) 용 고전압 무접점 릴레이의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 1의 고전압 무접점 릴레이는, PWM 드라이버(10), 전압 변환부(20) 및 파워 스위칭부(30)를 포함한다.
PWM 드라이버(10)는, 저전압 배터리(도시 생략)로부터 전원을 공급받는 저전압부와 고전압(HV) 배터리로부터 전원을 공급받는 고전압부 사이를 절연시키면서, 저전압부의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 고전압부 신호로 변환하여 파워 스위칭부(30)에 출력한다.
즉, PWM 드라이버(10)는 저전압부의 PWM 신호에 따라 전압 변환부(20)로부터 인가되는 신호를 스위칭 제어신호로서 파워 스위칭부(30)에 전달하여 파워 스위칭부(30)의 스위칭 동작을 제어한다.
이러한 PWM 드라이버(10)는 포토 커플러(12) 및 다이오드(12)를 포함한다.
포토 커플러(12)는 저전압부와 고전압부 사이를 절연시키면서 PWM 신호에 따라 선택적으로 빛을 출력하는 발광소자 및 발광소자에서 발광된 빛에 따라 온/오프되어 전압 변환부(20)의 출력신호를 파워 스위칭부(30)에 전달하는 광 트랜지스터를 포함한다.
다이오드(12)는 PWM 신호 입력단과 전압 변환부(20) 사이에 연결되어 전압 변환부(20)에 입력되는 PWM 신호의 역기전력을 방지한다.
전압 변환부(20)는, 저전압부와 고전압부 사이를 절연시키면서 저전압부의 PWM 신호의 전압을 정전압으로 하여 PWM 드라이버(10)의 광 트랜지스터에 출력한다.
이러한 전압 변환부(20)는 DC-DC 컨버터 회로로 이루어질 수 있으며, 저전압부의 전압을 고전압부의 전압으로 승압시키며 저전압부와 고전압부 사이에 발생되는 노이즈의 영향을 제거하기 위해 내부가 절연된 상태로 구비되는 트랜스포머를 포함한다.
파워 스위칭부(30)는 PWM 드라이버(10)의 출력신호(스위칭 제어신호)에 따라 온/오프되어 고전압 배터리로부터의 전원을 선택적으로 부하(LOAD)에 전달한다.
이때, 파워 스위칭부(30)는 고전압 배터리와 부하 사이에 연결되어 부하의 상부측(High-Side)에서 PWM 드라이버(10)에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따라 스위칭되어 고전압 배터리의 전원을 부하에 전달한다.
이러한 파워 스위치부(30)는 게이트가 PWM 드라이버(10)의 출력단와 연결되며 소오스/드레인이 고전압 배터리와 부하에 연결되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성될 수 있다.
이러한 도 1의 무접점 릴레이는 전기 자동차에 적용될 수 있도록 총 5개의 단자(TERMINAL) 즉 PWM 신호 입력단자(PWM INPUT), 저전압 접지단자(LV GND), 고전압 접지단자(HV-), 고전압 배터리와 연결되는 고전압 입력단자(HV+) 및 부하와 연결되며 파워 스위칭부(30)의 출력신호가 출력되는 출력단자(OUTPUT)로 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로우 사이드(Low-Side) 용 고전압 무접점 릴레이의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 2의 고전압 무접점 릴레이는, 도 1의 고전압 무접점 릴레이와 비교할 때, 파워 스위칭부(30)가 고전압 배터리와 부하 사이에 연결되지 않고 부하와 고전압 접지단자(HV-) 사이에 연결되어 부하의 하부측(Low-Side)인 접지 연결단에서 스위칭을 수행하는 로우 사이드 용 고전압 무접점 릴레이라는 차이가 있다.
이러한 로우 사이드 용 고전압 무접점 릴레이의 경우, 릴레이가 오프시 역기전력에 의해 서지(Surge) 전압이 발생될 수 있다.
따라서, 도 2의 고전압 무접점 릴레이는 역기전력에 의한 서지 전압으로부터 릴레이를 보호하기 위해 부하와 병렬 연결되는 다이오드(40)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이외의 구성은 도 1의 구성과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 구성이 실장된 인쇄회로기판(PCB)의 모습을 보여주는 도면이다.
도 3은 인쇄회로기판 상에서 저전압 영역(LV AREA)과 고전압 영역(HV AREA)이 물리적으로 구분되어 형성되었음을 보여준다.
즉, 본 발명에서는 인쇄회로기판을 설계시, 도 3에서 점선으로 표시한 것과 같이 포토 커플러(12)와 DC-DC 컨버터(20)를 기준으로 저전압 영역(LV AREA)과 고전압 영역(HV AREA)을 물리적으로 구분하고, 포토 커플러(12)와 DC-DC 컨버터(20)를 사용하여 저전압 영역(LV AREA)과 고전압 영역(HV AREA)을 절연시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 플러그 타입의 고전압 무접점 릴레이의 부품 구성들을 상세하게 나타낸 구성도이며, 도 5는 도 4의 부품들이 조립된 모습을 보여주는 도면이다.
본 발명의 고전압 무접점 릴레이는 내부 회로를 보호하기 위한 직육면체 형태의 몸체 케이스(CASE), 도 1 또는 도 2와 같은 릴레이 내부 회로가 형성되며 케이스 내부에 고정되게 장착되는 인쇄회로기판(PCB)들, 커버(COVER) 및 릴레이 몸체의 하면으로 돌출되어 릴레이의 내부 회로와 릴레이 외부의 회로를 연결시켜 주는 5개의 단자(TERMINAL)를 포함한다.
이때, 단자의 위치는 본 발명의 고전압 무접점 릴레이가 적용되는 전기 자동차에 따라 달라질 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : PWM 드라이버 12 : 포토 커플러
14, 40 : 다이오드 20 : 전압 변환부
30 : 파워 스위칭부

Claims (8)

  1. 저전압부와 고전압부 사이를 절연시키며, PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 전압을 정전압으로 출력하는 전압 변환부;
    스위칭 제어신호에 따라 고전압 배터리의 전원을 부하에 전달하는 파워 스위칭부; 및
    상기 저전압부와 상기 고전압부 사이를 절연시키며, 상기 PWM 신호에 따라 상기 전압 변환부의 출력신호를 상기 스위칭 제어신호로서 출력하는 PWM 드라이버를 포함하는 전기 자동차용 플러그 타입 고전압 무접점 릴레이에 있어서,
    상기 전압 변환부와 상기 PWM 드라이버는 동일한 인쇄회로기판에서 실장되고,
    상기 인쇄회로기판은, 수평 인쇄회로기판과 수직 인쇄회로기판의 2개의 기판으로 구성되어, 상기 전압 변환부와 상기 PWM 드라이버를 기준으로 저전압부가 형성되는 저전압 영역과 고전압부가 형성되는 고전압 영역으로 각각 구분되고, ,
    상기 PWM 드라이버는, 상기 저전압부와 상기 고전압부 사이를 절연시키면서 상기 PWM 신호에 따라 선택적으로 출력되는 빛을 매개로 상기 전압 변환부의 출력신호를 상기 파워 스위칭부에 전달하는 포토 커플러를 더 포함하고,
    상기 파워 스위칭부는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 플러그 타입 고전압 무접점 릴레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 변환부는 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 플러그 타입 고전압 무접점 릴레이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파워 스위칭부는 상기 고전압 배터리와 상기 부하 사이에 연결되어 상기 부하의 상부측(High-Side)에서 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 플러그 타입 고전압 무접점 릴레이.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파워 스위칭부는 상기 부하와 접지단자 사이에 연결되어 상기 부하의 하부측(Low-Side)에서 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 플러그 타입 고전압 무접점 릴레이.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 파워 스위칭부와 직렬 연결된 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 플러그 타입 고전압 무접점 릴레이.
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