KR101684021B1 - 차량용 인버터의 커패시터 모듈 - Google Patents

차량용 인버터의 커패시터 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈은, 제1 고전압 입력단 및 제2 고전압 입력단 사이에서 인버터의 입력에 병렬로 연결되는 DC-링크 커패시터, 및 인버터에 병렬로 연결되는 복수의 Y-커패시터들을 구비하는 차량용 인버터의 커패시터 모듈이다. 복수의 Y-커패시터 각각은, 제1 고전압 입력단과 접지 버스 바 사이에 연결되는 제1 커패시터 요소 및 제2 고전압 입력단과 상기 접지 버스 바 사이에 연결되는 제2 커패시터 요소를 포함하며, 복수의 Y-커패시터의 접지 버스 바는 별도로 구비되며 접지 버스 바의 접지 홀은 제1 방향으로 마주보도록 배치된다.

Description

차량용 인버터의 커패시터 모듈{Capacitor module used for inverter in vehicle}
본 발명은 차량용 인버터의 커패시터 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터의 입력에 연결된 복수의 Y-커패시터를 포함하는 차량용 인버터의 커패시터 모듈에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 조합하여 차량을 구동시키는 차량을 의미한다. 일반적으로 통용되는 의미의 하이브리드 차량은 연료를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동되는 차량이다.
하이브리드 차량에 있어서, 모터를 구동하기 위해서는 차량을 운행하는 동안에 충전과 방전을 반복하면서 모터의 구동에 필요한 전력을 공급하기 위한 고전압원과 배터리의 전력으로 모터를 회전시키기 위한 인버터가 필요하다.
이와 같은 인버터-모터 시스템을 구동하는 경우에 노이즈가 발생할 수 있어 이를 최소화하기 위한 커패시터 모듈이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 DC 고전압 입력단에 Y-커패시터를 병렬로 연결함으로써 인버터를 통하여 모터를 구동시키는 경우에 발생하는 AM 대역 공통모드 전도 노이즈를 효과적으로 줄일 수 있는 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고전압 입력단의 P(+), N(-) 단자로부터 각각의 Y-커패시터를 통해 접지 버스 바에 이르는 경로를 최적화하여 기생성분을 최소화할 수 있는 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈은 제1 고전압 입력단 및 제2 고전압 입력단 사이에서 인버터의 입력에 병렬로 연결되는 DC-링크 커패시터, 및 상기 인버터에 병렬로 연결되는 복수의 Y-커패시터들을 구비한다. 상기 복수의 Y-커패시터 각각은, 상기 제1 고전압 입력단과 접지 버스 바 사이에 연결되는 제1 커패시터 요소 및 상기 제2 고전압 입력단과 상기 접지 버스 바 사이에 연결되는 제2 커패시터 요소를 포함하며, 상기 복수의 Y-커패시터의 접지 버스 바는 별도로 구비되며 접지 버스 바의 접지 홀은 제1 방향으로 마주보도록 배치된다.
일 실시예에 있어서, 각 Y-커패시터의 제1 커패시터 요소는 서로 인접하게 배치되며, 각 Y-커패시터의 제2 커패시터 요소는 서로 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 Y-커패시터의 제1 커패시터 요소와 제2 커패시터 요소는 다른 Y-커패시터의 제1 커패시터 요소와 제2 커패시터 요소와 서로 교번적으로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 접지 버스 바의 접지 홀 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 고전압 입력단과 동일 측에 배치되며, 상기 커패시터 요소들은 상기 제1 방향을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 고전압 입력단과 동일 측에 배치된 접지 버스 바의 접지 홀은 상기 고전압 입력단들과 인접하게 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 Y-커패시터에 있어서, 상기 제1 고전압 입력단에서부터 상기 제1 커패시터 요소를 거쳐 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 경로와 상기 제2 고전압 입력단에서부터 상기 제2 커패시터 요소를 거쳐 상기 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 경로의 합은 동일할 수 있다.
각 Y-커패시터의 고전압 입력단에서부터 커패시터 요소들을 거쳐 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 경로의 합이 동일해짐에 따라서 Y-커패시터들의 기생 파라미터 성분이 동일해지고, 이에 따라 Y-커패시터의 공진에 따른 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈은 인버터로 모터를 구동하는 경우에 발생하는 노이즈를 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 고전압 입력단으로부터 Y-커패시터를 거쳐 접지 버스 단에 이르는 경로를 최적으로 설계함으로써 기생성분의 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈은 Y-커패시터를 병렬로 구성하여 필터의 삽입손실을 향상시킬 수 있다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터-모터 시스템과 인버터의 입력 측에 병렬로 연결되는 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 도시한 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 서로 다른 방향에서 바라본 사시도들이다.
도 4는 또 다른 방향에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 바라본 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈의 노이즈 저감 효과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터-모터 시스템과 인버터의 입력 측에 병렬로 연결되는 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 인버터-모터 시스템은 차량용 인버터의 커패시터 모듈(100), DC 고전압(200), 인버터(300) 및 모터(400)를 포함할 수 있다.
DC 고전압(200)은 제1 고전압 입력단(111)과 제2 고전압 입력단(113)으로 상이한 극성의 고전압을 인가함으로써 인버터(300)에 전압을 공급한다.
차량용 인버터의 커패시터 모듈(100)은 제1 고전압 입력단(111)과 제2 고전압 입력단(113) 사이에서 인버터(300)의 입력에 병렬로 연결된다. 차량용 인버터의 커패시터 모듈(100)은 스위칭 시에 발생하는 고전력 리플 전류를 흡수하여 전압/전류 변동을 억제하는 DC-링크 커패시터(150) 및 복수의 Y-커패시터들을 포함할 수 있다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 차량용 인버터의 커패시터 모듈(100)이 병렬로 연결된 두 개의 Y-커패시터를 포함하는 것으로 도시하고 도시된 바에 기초하여 설명할 것이나, 이에 한정되는 것은 아니며 병렬로 연결된 둘 이상의 Y-커패시터를 포함할 수 있다.
제1 Y-커패시터는 제1 고전압 입력단(111)과 접지(141, 143) 사이에 연결되는 제1 커패시터 요소(123) 및 제2 고전압 입력단(113)과 접지(141, 143) 사이에 연결되는 제2 커패시터 요소(133)를 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명할 것이나 구조 상으로 접지(141, 143)는 접지 바(141)와 접지 홀(143)로 이루어진다. 그렇지만 회로 개념에서는 두 구조 모두 동일한 것으로 보기 때문에 도 1에서는 구분하지 않고 설명한다.
제2 Y-커패시터는 제1 고전압 입력단(111)과 접지(145, 147) 사이에 연결되는 제3 커패시터 요소(121) 및 제2 고전압 입력단(113)과 접지(143) 사이에 연결되는 제4 커패시터 요소(131)를 포함할 수 있다.
인버터(300)는 차량용 인버터의 커패시터 모듈(100)을 거쳐 제공된 고전압에 기초하여 모터(400)를 구동시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈(100)은 병렬로 연결된 복수의 Y-커패시터를 포함함으로써 필터의 삽입손실을 향상시킬 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 서로 다른 방향에서 바라본 사시도들이다.
각 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제1 고전압 입력단(111)과 제2 고전압 입력단(113)이 차량용 인버터의 커패시터 모듈(100)의 일 측에 X 방향으로 연장되는 방향으로 인접하여 배치된다.
제1 Y-커패시터는 제1 고전압 입력단(111)과 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143) 사이에 연결되는 제1 커패시터 요소(123) 및 제2 고전압 입력단(113)과 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143) 사이에 연결되는 제2 커패시터 요소(133)로 구성된다.
제2 Y-커패시터는 제1 고전압 입력단(111)과 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147) 사이에 연결되는 제3 커패시터 요소(121) 및 제2 고전압 입력단(113)과 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147) 사이에 연결되는 제4 커패시터 요소(131)로 구성된다.
본 발명에 있어서, 병렬로 연결되는 복수의 Y-커패시터들은 별도의 접지 버스 바들(141, 145)을 구비한다. 각 접지 버스 바(141, 145)는 Y 방향으로 연장될 수 있으며, 그들의 접지 홀들(143, 147)은 Y 방향으로 마주볼 수 있다.
그리고 접지 홀들(143, 147)이 마주보는 방향으로 그 사이에서 Y방향으로 복수의 커패시터 요소들(121, 123, 131, 133)이 배치될 수 있다.
복수의 Y-커패시터들 중 적어도 하나의 접지 버스 바의 접지 홀은 고전압 입력단(111, 113)과 동일한 측으로 배치될 수 있으며, 고전압 입력단(111, 113)과 인접하게 배치될 수 있다. 도 2에서는 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)이 제1 고전압 입력단(111)과 X 방향으로 인접하여 배치되어 있다.
제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)이 고전압 입력단(111, 113)과 인접하게 배치되는 경우에는 고전압 입력단(111, 113)으로부터 제3 및 제4 커패시터 요소들(121, 131)을 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)까지 형성되는 기생 인덕턴스 성분이 최소화될 수 있다. 이에 따라서 공통모드 노이즈에 대한 필터 삽입손실효과가 증대된다.
복수의 Y-커패시터들에 있어서, 제1 고전압 입력단(111)에서부터 제1 커패시터 요소(123)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로와, 제1 고전압 입력단(111)에서부터 제3 커패시터 요소(121)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로는 동일할 수 있다.
또한, 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제2 커패시터 요소(133)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로와, 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제4 커패시터 요소(131)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로도 동일할 수 있다.
예를 들어, 제1 고전압 입력단(111)에 연결되는 제1 커패시터 요소(123)와 제3 커패시터 요소(121), 그리고 제2 고전압 입력단(113)에 연결되는 제2 커패시터 요소(133)와 제4 커패시터 요소(131)가 그 접지 홀에 이르는 거리가 동일하기 위해서는 동일한 고전압 입력단에 연결되는 커패시터 요소들은 서로 인접하게 배치되어야 한다.
나아가, 제1 고전압 입력단(111)에서부터 제1 커패시터 요소(123)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로와 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제2 커패시터 요소(133)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로의 합과 제1 고전압 입력단(111)으로부터 제3 커패시터 요소(121)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로와 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제4 커패시터 요소(131)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로의 합이 동일할 수 있다.
이와 같이 병렬로 연결된 Y-커패시터의 경로들의 균형을 맞춰줌으로써 기생 파라미터(ESL, ESR)가 동일해 지고, 기생 인덕턴스 불균형에 의한 공진을 억제할 수 있다.
또한, 실시예에 따라, 병렬로 연결된 Y-커패시터들이 각 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 경로가 동일해 지기 위해서는 Y 방향을 따라 인접하게 배치된 제1 내지 제4 커패시터 요소들(123, 133, 121, 131)이 서로 교번적으로 배치될 수도 있다. 다시 말하면, 제 1 접지 버스 바(141)에 연결된 제1 커패시터 요소(123) 및 제2 커패시터 요소(133)와 제2 접지 버스 바(145)에 연결된 제3 커패시터 요소(121)와 제4 커패시터 요소(131)가 번갈아 가며 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4를 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시한 바와는 달리 제1 커패시터 요소(123) 및 제2 커패시터 요소(133)가 인접하게 배치되고 제4 커패시터 요소(131) 및 제3 커패시터 요소(121)이 인접하게 배치될 수 있다.
도 4와 같이 배치된다고 하더라도, 제1 고전압 입력단(111)에서부터 제1 커패시터 요소(123)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로와, 제1 고전압 입력단(111)에서부터 제3 커패시터 요소(121)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로는 동일할 수 있다.
또한, 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제2 커패시터 요소(133)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로와, 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제4 커패시터 요소(131)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로도 동일할 수 있다.
나아가, 제1 고전압 입력단(111)에서부터 제1 커패시터 요소(123)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로와 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제2 커패시터 요소(133)를 거쳐 제 1 접지 버스 바(141)의 접지 홀(143)에 이르는 경로의 합과 제1 고전압 입력단(111)으로부터 제3 커패시터 요소(121)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로와 제2 고전압 입력단(113)에서부터 제4 커패시터 요소(131)를 거쳐 제2 접지 버스 바(145)의 접지 홀(147)에 이르는 경로의 합이 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈에 있어서, Y-커패시터의 용량은 기생 파라미터를 고려하여 선정될 수 있다. 인버터-모터 구동 시스템의 구동 시에 발생하는 스위칭 노이즈 대역에 Y-커패시터의 공진 주파수가 매칭되도록 Y-커패시터의 용량이 선정될 수 있다. 구체적으로 Y-커패시터의 용량은 아래의 수학식 1에 기초하여 선정될 수 있다.
Figure 112014122350765-pat00001
위의 수학식에서 Lrout은 Y-커패시터의 경로 인덕턴스를 나타내며, Lcap은 Y-커패시터의 기생 인덕턴스를 나타낸다.
설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈은 인버터에 병렬로 연결되는 복수의 Y-커패시터들을 포함함으로써 필터의 삽입손실을 향상시킬 수 있으며, 즉 필터링 대역의 이동 없이 노이즈 저감 효과를 증대시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈의 노이즈 저감 효과를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 단독 Y-커패시터를 연결하였을 경우와 필터링 대역은 동일하지만, 노이즈 차단 효과가 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 커패시터 모듈은 Y-커패시터들의 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있는 고전압 입력단, 접지 버스 바 및 접지 홀의 배치를 통하여 병렬 연결된 Y-커패시터의 공진을 억제할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
111, 113 : 고전압 입력단
141, 145 : 접지 버스 바
143, 147 : 접지 홀
121, 131, 123, 133 : 커패시터 요소
150 : DC-링크 커패시터

Claims (5)

  1. 제1 고전압 입력단 및 제2 고전압 입력단 사이에서 인버터의 입력에 병렬로 연결되는 DC-링크 커패시터, 및 상기 인버터에 병렬로 연결되는 복수의 Y-커패시터들을 구비하는 차량용 인버터의 커패시터 모듈에 있어서,
    상기 복수의 Y-커패시터 각각은,
    병렬로 연결되고, 상기 제1 고전압 입력단과 접지 버스 바 사이에 연결되는 제1 커패시터 요소 및 상기 제2 고전압 입력단과 상기 접지 버스 바 사이에 연결되는 제2 커패시터 요소를 포함하며,
    상기 제1 고전압 입력단에서부터 각 Y-커패시터의 제1 커패시터 요소를 거쳐 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 거리가 동일하고, 상기 제2 고전압 입력단에서부터 각 Y-커패시터의 제2 커패시터 요소를 거쳐 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 거리가 동일하며,
    상기 복수의 Y-커패시터의 접지 버스 바는 별도로 구비되며 접지 버스 바의 접지 홀은 제1 방향으로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 커패시터 모듈.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접지 버스 바의 접지 홀 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 고전압 입력단과 동일 측에 배치되며, 상기 커패시터 요소들은 상기 제1 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 커패시터 모듈.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 Y-커패시터에 있어서
    상기 제1 고전압 입력단에서부터 상기 제1 커패시터 요소를 거쳐 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 경로와 상기 제2 고전압 입력단에서부터 상기 제2 커패시터 요소를 거쳐 상기 접지 버스 바의 접지 홀에 이르는 경로의 합은 동일한 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 커패시터 모듈.
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