KR102031532B1

KR102031532B1 - 인버터의 반도체 스위치용 제어장치 및 인버터의 작동 방법

Info

Publication number: KR102031532B1
Application number: KR1020147016620A
Authority: KR
Inventors: 에드빈 에버라인; 안드레아스 쇤크네흐트
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2019-10-22
Also published as: US9350268B2; EP2794334A1; US20140333246A1; WO2013091949A1; DE102011089316A1; CN103998281A; JP2015501130A; EP2794334B1; KR20140104966A; CN103998281B

Abstract

본 발명은 인버터의 반도체 스위치(1)를 트리거하기 위한 제어장치(4)에 관한 것이며, 상기 제어 장치는 트리거 회로(16)와 드라이버 회로(15)를 포함하고, 상기 트리거 회로는 인버터의 제어 조절부에 의해 형성된 스위치 신호(5)에 응답해서 드라이버 신호(18)를 형성하도록 설계되고, 상기 드라이버 회로는 트리거 회로(16)와 반도체 스위치(1)의 제어 입력부(13) 사이에 연결되고, 드라이버 신호(18)를 수신하도록, 그리고 드라이버 신호(18)에 응답해서 반도체 스위치(1)를 트리거하는 제어 신호(7)를 형성하여 반도체 스위치(1)의 제어 입력부(13)에 공급하도록 설계되고, 이 경우 트리거 회로(16)는 드라이버 신호(18)를 미리 정해진 조절 가능한 펄스 길이를 갖는 드라이버 신호 펄스의 시퀀스로서 형성하도록 설계되므로, 반도체 스위치(1)는 펄스 길이 동안 제어 신호(7)로 작동 시 완전히 전도성이 아니다.

Description

인버터의 반도체 스위치용 제어장치 및 인버터의 작동 방법{CONTROL DEVICE FOR SEMICONDUCTOR SWITCH ON AN INVERTER AND METHOD FOR THE ACTUATION OF AN INVERTER}

본 발명은 인버터의 반도체 스위치용 제어장치 및 인버터의 작동을 위한, 특히 고속 방전 모드에서 인버터의 작동을 위한 방법에 관한 것이다.

전기 자동차 및 하이브리드 자동차는 일반적으로 트랙션 배터리와 전기 기계 사이의 구동 시스템에 전력 전자 회로 소자들을 포함하고, 상기 소자들은 일반적으로 전압 중간 회로 컨버터로서 구성된다. 이 경우 직류 전압 중간 회로는 트랙션 배터리와 인버터 사이의 커플링 부재로서 사용되고, 상기 인버터는 직류 전압 중간 회로로부터 전기 기계로 전력을 전달하기 위해 작동될 수 있다.

인버터는 예를 들어, 각각 2개의 반도체 스위치를 갖는 다수의 브리지 분기를 포함하는 풀 브리지 회로로서 구현될 수 있다. 직류 전압 중간 회로의 제 1 출력 단자에 연결된 브리지 분기의 반도체 스위치는 각각 하이-사이드-스위치라고 할 수 있고, 직류 전압 중간 회로의 제 2 출력 단자에 연결된 브리지 분기의 반도체 스위치는 각각 로-사이드-스위치라고 할 수 있다. 반도체 스위치로서 예를 들어 역병렬(antiparallel) 접속된 다이오드 또는 MOSFET(금속 산화물 전계효과 트랜지스터)를 포함하는 IGBT-모듈(절연 게이트 전극을 포함하는 바이폴라 트랜지스터)이 사용될 수 있다.

인버터의 작동을 위해 제어 조절부가 사용되고, 상기 제어 조절부는 반도체 스위치용 스위치 신호를 형성한다. 에러의 경우 안전을 이유로 제어 조절부에 대한 다양한 요구가 주어진다. 예를 들어, 에러의 경우 전기 기계의 모터 와인딩을 확실하게 단락하는 것이 필요할 수 있다. 이는 모든 하이-사이드-스위치의 폐쇄 및 모든 로-사이드-스위치의 개방(또는 반대로)에 의해 실행될 수 있고, 이는 "액티브 단락"이라고도 한다.

또한 에러의 경우, 직류 전압 중간 회로는 특히 제어 조절부 내의 공급 전압의 강하 시 신속하고 확실하게 방전되어야 한다. 이는 고속 방전에 의해 실행될 수 있다. 자동차의 전기 작동 안전을 보장할 수 있기 위해, 표준적으로 5초의 최대 고속 방전 시간 이내에 이러한 고속 방전이 요구된다.

간행물 US 2005/0231171 A1호에 전기 모터, 펄스 인버터 및 중간 회로 커패시터를 포함하는 전기 구동 시스템이 공개되어 있다. 중간 회로 커패시터는 펄스 인버터의 상응하는 스위치 작동에 의해 조절되어 방전될 수 있다.

본 발명의 과제는 고속 방전을 실행할 수 있는, 인버터의 반도체 스위치용 제어장치 및 인버터의 작동 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 독립 청구항의 특징을 포함하는 제어장치 및 작동 방법에 의해 해결된다.

본 발명은 제 1 양상에 따라, 인버터의 반도체 스위치용 제어장치를 제공하고, 상기 제어장치는 트리거 회로와 드라이버 회로를 포함하고, 상기 트리거 회로는 인버터의 제어 조절부에 의해 형성된 스위치 신호에 응답해서 드라이버 신호를 형성하도록 설계되고, 상기 드라이버 회로는 트리거 회로와 반도체 스위치의 제어 입력부 사이에 연결되고, 드라이버 신호를 수신하도록 그리고 드라이버 신호에 응답해서 반도체 스위치를 트리거하는 제어 신호를 형성하여 반도체 스위치의 제어 입력부에 공급하도록 설계되고, 이 경우 트리거 회로는 드라이버 신호를 미리 정해진 조절 가능한 펄스 길이를 갖는 드라이버 신호 펄스의 시퀀스로서 형성하도록 설계되므로, 반도체 스위치는 펄스 길이 동안 제어 신호로 작동 시 완전히 전도성이 아니다.

다른 양상에 따라 본 발명은 n상 전기 기계용 구동 시스템을 제공하고, 이 경우 n ≥ 1이고, 상기 구동 시스템은 2개의 입력 전압 단자에 연결되는 중간 회로 커패시터, 중간 회로 커패시터에 연결되고 중간 회로 커패시터로부터 전기 에너지를 공급 받고, 전기 기계를 위한 n상 공급 전압을 형성하도록 설계된, 다수의 반도체 스위치를 가진 인버터, 인버터의 반도체 스위치들 중 하나의 반도체 스위치용 스위치 제어 신호를 형성하도록 설계된 본 발명에 따른 다수의 제어장치, 및 다수의 제어장치에 연결되고, 인버터의 반도체 스위치용 스위치 신호를 형성하도록 설계된 제어 조절부를 포함한다.

다른 양상에 따라 본 발명은 인버터의 작동 방법을 제공하고, 상기 방법은 인버터의 적어도 하나의 반도체 스위치를 위한, 드라이버 신호 펄스의 시퀀스를 포함하는 드라이버 신호를 형성하는 단계, 및 적어도 하나의 반도체 스위치를 트리거하는 제어 신호를 형성하기 위해 드라이버 신호를 증폭하는 단계를 포함하고, 이 경우 드라이버 신호 펄스는 각각 미리 정해진, 조절 가능한 펄스 길이를 가지므로, 반도체 스위치는 펄스 길이 동안 제어 신호로 작동 시 완전히 전도성이 아니다.

본 발명의 사상은, 추가의 냉각 부품들에 의존하지 않고 회로 복잡도를 증가시키지 않으면서, 전기 자동차 내의 인버터의 반도체 스위치를 위한, 고속 또는 긴급 방전을 실행할 수 있는 제어장치를 형성하는 것이다. 고속- 또는 긴급 방전은 인버터에 제공된 반도체 스위치에 의해 실행된다. 이로 인해 전담된 긴급 방전 회로를 제공할 필요가 없고, 이는 상당한 비용 절감 및 설치 공간 절감에 기여할 수 있다.

본 발명의 장점은, 본 발명에 따른 제어장치가 제공된, 각각 2개의 반도체 스위치를 가진 다수의 브리지 분기를 포함하는 인버터는, 정해진 개수의 브리지 분기들의 각각 하나의 반도체 스위치가 "클럭 제어" 되도록, 즉 반도체 스위치가 아직 완전히 전도성으로 스위칭되는 것이 아니라, 일시적으로 차단 상태와 전도 상태 사이의 이행 상태에 있을 정도로 짧게 선택된 펄스 길이를 갖는 짧은 트리거 펄스로 트리거 신호가 이루어지도록 작동될 수 있는 것이다. 따라서 완전히 전도성이 아니라는 것은, 전도성이 스위치의 개방 시 전도성의 값과 스위치의 폐쇄 시 전도성의 값 사이의 값을 갖는 것을 의미하고, 특히 스위치가 폐쇄된 상태에서 갖는 전도성의 20% 내지 80%의 전도성을 갖는 것을 의미한다. 상기 시간 동안 관련 반도체 스위치를 통해 전류의 유동 시 중간 회로 커패시터로부터 나온 에너지는 열로 변환될 수 있고 따라서 중간 회로 내의 전압은 신속하고 효율적으로 감소할 수 있다. 이는, 인버터의 입력 단자에 접속된 중간 회로 커패시터가 신속하고 확실하게 반도체 스위치에 의해 방전될 수 있고, 이 경우 방전에 의해 전류는 접속된 전기 기계를 통해 유동하지 않는 장점을 제공한다.

특히 바람직하게, 한편으로는 중간 회로 커패시터의 방전을 위한 다른 회로 소자들이 설치되지 않아도 되고, 이는 공간과 제조 비용을 절감한다. 다른 한편으로 반도체 스위치는 주변에 매우 양호하게 열 결합되므로, 인버터에 의한 중간 회로 커패시터의 방전은 구동 시스템의 과열을 야기하지 않는다.

본 발명에 따른 제어장치의 실시예에 따라 펄스 길이는, 반도체 스위치가 제어 신호로 트리거 시 미리 정해진 전류 값을 갖도록 조절될 수 있다.

다른 실시예에 따라 제어장치는 또한 조절 회로를 포함할 수 있고, 상기 조절 회로는 트리거 회로에 연결되고, 드라이버 신호의 조절을 위한 조절 신호를 형성하여 트리거 회로에 공급하도록 설계된다. 이로 인해 반도체 스위치를 통해 흐르는 소정의 전류값이 의도대로 예를 들어 드라이버 신호 펄스의 펄스 길이 또는 드라이버 신호 펄스의 진폭의 영향에 의해 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 제어장치의 다른 실시예에 따라 조절 회로는, 중간 회로 전압을 나타내는 제 1 측정 신호를 검출하도록, 그리고 제 1 측정 신호에 응답해서 조절 신호를 형성하도록 설계될 수 있다. 이로써 중간 회로 커패시터의 충전 상태에 따라 적절한 방전 모드가 하나 이상의 반도체 스위치에 의해 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 제어장치의 다른 실시예에 따라 조절 회로는 반도체 스위치의 전류 센서 출력부에 연결될 수 있고, 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류를 나타내는 제 2 측정 신호를 검출하도록, 그리고 제 2 측정 신호에 응답해서 조절 신호를 형성하도록 설계될 수 있다.

본 발명에 따른 제어장치의 다른 실시예에 따라 드라이버 회로는 제어 신호를 형성하기 위한 조절 가능한 제어 저항을 가질 수 있고, 트리거 회로는 조절 신호에 응답해서 조절 가능한 제어 저항의 조절을 위한 교정 신호를 형성하여 드라이버 회로에 공급하도록 설계된다.

다른 실시예에 따라 제어장치는 IGBT-스위치의 트리거를 위해 설계될 수 있다.

다른 실시예에 따라 인버터는 하프 브리지 회로를 포함할 수 있다. 트리거 회로는, 각각 하프 브리지의 하나의 반도체 스위치를 드라이버 신호로 트리거하도록, 그리고 하프 브리지의 다른 반도체 스위치를 지속적으로 폐쇄하도록 설계될 수 있다. 이는, 하프 브리지의 관련된 하나의 반도체 스위치를 통해 전류의 유동 시 중간 회로 커패시터로부터 나온 에너지가 열로 변환되어 중간 회로 내의 전압이 신속하게 효율적으로 감소할 수 있는 인버터의 액티브 단락의 실행에 특히 바람직하다.

실시예에 따라 본 발명에 따른 방법은 또한, 중간 회로 전압을 나타내는 제 1 측정 신호를 검출하는 단계 및 제 1 측정 신호에 응답해서 드라이버 신호 펄스의 펄스 길이를 조절하기 위한 조절 신호를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따라 본 발명에 따른 방법은 또한, 적어도 하나의 반도체 스위치를 통과하는 전류를 나타내는 제 2 측정 신호를 검출하는 단계 및 제 2 측정 신호에 응답해서 드라이버 신호 펄스의 펄스 길이를 조절하기 위한 조절 신호를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 하기 설명에 제시된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 전기 구동 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스위치용 제어장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스위치용 제어장치의 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스위치용 제어장치의 개략도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스위치용 제어장치의 개략도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스위치용 제어장치의 개략도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스위치용 제어신호의 신호 다이어그램의 개략도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인버터의 작동 방법의 개략도.

도 1은 차량의 전기 구동 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 전기 구동 시스템(100)은 2개의 입력 단자(T+, T-)를 포함하고, 상기 입력 단자들은 예를 들어 자동차의 트랙션 배터리 또는 고압 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 의해 고전압을 공급받을 수 있다. 입력 단자(T+, T-)는 직류 전압 중간 회로에 연결되고, 상기 회로는 중간 회로 커패시터(2)를 포함한다. 중간 회로 커패시터(2)는 출력 단자를 통해 인터버(10)의, 예컨대 펄스 인버터(10)의 입력 단자에 연결된다. 도 1에 도시된, 중간 회로 커패시터(2)와 인버터(10)를 포함하는 전압 중간 회로 컨버터는 바람지하게 3상 컨버터로서 도시되고, 즉 인버터(10)는 각각 2개의 반도체 스위치를 가진 3개의 브리지 분기를 포함한다. 제 1 브리지 분기는 예를 들어 반도체 스위치(1a, 1d)를 포함하고, 제 2 브리지 분기는 예를 들어 반도체 스위치(1b, 1e)를 포함하고, 제 3 브리지 분기는 예를 들어 반도체 스위치(1c, 1f)를 포함한다. 이 경우 하나의 브리지 측의 반도체 스위치들(1a, 1b, 1c)은 하이-사이드-스위치라고 하고, 다른 브리지 측의 반도체 스위치들(1d, 1e, 1f)은 로-사이드-스위치라고 한다. 분명히, 전압 중간 회로 컨버터의 위상 또는 브리지 분기의 각각의 다른 개수도 가능하고, 하이-사이드-스위치 및 로-사이드-스위치라고 하는 반도체 스위치(1a 내지 1f)의 명칭은 예시적으로만 선택될 수 있다.

도 1에 도시된 반도체 스위치들(1a 내지 1f)은 예를 들어 전계효과 트랜지스터들(FETs)을 포함할 수 있다. 가능한 실시예에서 반도체 스위치들은 각각 IGBTs(Iinsulated Gate Bipolar Transistors; 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터)이지만, 상응하는 형태의, 예를 들어 JFETs(Junction Field-Effect Transistors; 접합 전계효과 트랜지스터) 또는 MOSFETs(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors;금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터) 형태의 다른 반도체 스위치일 수도 있다. 반도체 스위치(1a 내지 1f)가 IGBT-스위치를 포함하는 경우에, 각각의 IGBT-스위치마다 명료함을 위해 도 1에 도시되지 않은 다이오드가 역평행하게(anti-parallel) 접속될 수 있다.

또한, 전기 구동 시스템(100)은 제어 조절부(50)를 포함하고, 상기 조절부는 반도체 스위치(1a 내지 1f)의 스위칭 트리거를 코딩하는 스위치 신호(5a 내지 5f)를 형성하도록 설계될 수 있다. 스위치 신호(5a 내지 5f)는, 반도체 스위치들(1a 내지 1f)이 개방되어야 하는 경우에, 예를 들어 로직 로 레벨(logic low level)을 가질 수 있고, 반도체 스위치들(1a 내지 1f)이 폐쇄되어야 하는 경우에는, 예를 들어 로직 하이 레벨(logic high level)을 가질 수 있다. 제어 조절부(50)는 스위치 신호(5a 내지 5f)를 상응하는 제어장치(4a 내지 4f)에 공급하고, 상기 제어장치는 각각 반도체 스위치(1a 내지 1f)의 트리거를 책임진다. 하기에서 해당 반도체 스위치(1a)에 대한 제어장치(4a)의 연결이 설명되고, 이 경우 나머지 모든 제어장치들(4b 내지 4f)도 상응하게 연결될 수 있다.

제어장치(4a)는 제어 출력부를 포함하고, 반도체 스위치(1a)의 작동을 제어하기 위해, 상기 출력부를 통해 제어 신호(7a)가 반도체 스위치(1a)의 제어 입력부에 출력될 수 있다. 제어장치(4a)는 측정 라인을 통해 측정 신호(8a 및/또는 9a)를 검출할 수 있다. 측정 신호(8a)는 예를 들어 반도체 스위치(1a)를 통해 흐르는 순시 전류 강도를 나타낼 수 있다. 이를 위해 측정 신호(8a)를 검출하는 측정 라인은 예을 들어 반도체 스위치(1a)의 전류 측정 출력부에 연결될 수 있다. 측정 신호(9a)는 예를 들어 반도체 스위치(1a)의 접속 단자의 순시 전압을 나타낼 수 있다. 이를 위해 측정 신호(9a)를 검출하는 측정 라인은, 특히 반도체 스위치(1a)가 IGBT-스위치인 경우에, 예를 들어 반도체 스위치(1a)의 콜렉터 단자에 연결될 수 있다. 측정 신호(9a)는 중간 회로 커패시터(2)의 전압을 나타낼 수 있다.

도 2 내지 도 6은 반도체 스위치(1)를 위한 제어장치(4)의 개략도를 도시한다. 특히 도 2 내지 도 6에 제어장치(4a 내지 4f) 및 해당 반도체 스위치(1a 내지 1f)의 바람직한 실시예들이 더 상세히 도시된다. 도 1에 도시된 전기 구동 시스템(100)의 관련 소자들을 표시하기 위해, 도 2 내지 도 6에서 사용된 도면부호들은 각각 a 내지 f의 알파벳을 포함한다.

일반적으로 도 2 내지 도 6에 도시된 제어장치들(4)은 반도체 스위치(1), 특히 예를 들어 도 1의 인버터(10)와 같은 인버터의 반도체 스위치(1)를 트리거하기 위해 이용된다. 반도체 스위치(1)는 도 2 내지 도 6에 바람직하게 IGBT-스위치로서 도시되고, 상기 스위치는 콜렉터 단자(11), 이미터 단자(12), 게이트- 또는 제어 입력부(13) 및 전류 센서 출력부(14)를 포함한다. 전류 센서 출력부(14)를 통해 전류 측정 신호(9)가 출력될 수 있고, 상기 신호는 IGBT-스위치(1)를 통해 흐르는 전류의 순시 전류 강도를 나타낸다. IGBT-스위치(1)는 제어 입력부(13)를 통해 상응하는 제어 신호(7)의 인가에 의해 특정 전압 레벨로 다양한 작동 모드에서 트리거될 수 있다. 스위칭 작동 시 IGBT-스위치(1)는 차단 또는 포화 영역에서만 작동될 수 있고, 즉 IGBT-스위치(1)는 완전히 차단되거나 또는 완전히 전도성이다. 그와 달리 선형 또는 액티브 모드 시 IGBT-스위치(1)는 이득 범위에서 작동될 수 있고, 즉 IGBT-스위치(1)를 통해 흐르는 전류의 전류 강도는 제어 단자에 인가되는 전압에 비례적으로 또는 실질적으로 비례적으로 스케일링된다.

도 2에 도시된 바람직한 실시예에서 제어장치(4)는 트리거 회로(16)를 포함하고, 상기 트리거 회로는 인버터의 제어 조절부에 의해 형성된 스위치 신호(5)에 응답해서 드라이버 신호(18)를 형성하도록 설계된다. 이 경우 인버터의 일반적인 스위칭 작동 시 드라이버 신호(18)는 실질적으로 스위치 신호(5)에 상응할 수 있다. 스위치 신호(5)는, IGBT-스위치(1)가 폐쇄되어야 하는 경우에, 예를 들어 로직 하이 레벨을 가질 수 있고, IGBT-스위치(1)가 개방되어야 하는 경우에, 로직 로 레벨을 가질 수 있다. 이 경우 각각의 다른 트리거 로직도 물론 가능하다. 일반적인 스위칭 작동 시 IGBT-스위치(1)는 완전히 차단되거나 완전히 전도성이므로, 스위치 신호(5)는 미리 정해진 주기 동안 관련 로직 레벨을 갖는다.

또한, 제어장치(4)는 드라이버 회로(15)를 포함하고, 상기 회로는 트리거 회로(16)와 IGBT-스위치(1)의 제어 입력부(13) 사이에 연결되고, 드라이버 신호(18)를 수신하도록, 그리고 드라이버 신호(18)에 응답해서 IGBT-스위치(1)를 작동시키는 제어 신호(7)를 형성하도록 설계된다. 제어 신호(7)는 드라이버 회로(15)를 통해 IGBT-스위치(1)의 제어 입력부(13)에 공급된다. 드라이버 회로(15)는 이를 위해 예를 들어 내부 제어- 또는 게이트 저항을 포함할 수 있고, 상기 저항을 통해 제어 신호(7)의 형성을 위한 드라이버 신호(18)의 증폭이 조절될 수 있다.

인버터의 특정한 작동 모드에서, 중간 회로의 고속 방전을 실행하는 것이 필요할 수 있다. 제어장치(4)에 의해 IGBT-스위치(1)는 선택적으로 "클록 제어"될 수 있고, 즉 트리거 펄스가 IGBT-스위치(1)의 제어 입력부(13)에 공급되는 펄스 모드에서 트리거될 수 있고, 상기 트리거 펄스의 지속시간은 IGBT-스위치(1)가 아직 완전히 전도성으로 스위칭되지 않고, 일시적으로 차단 상태와 도전 상태 사이의 이행 상태에 있을 정도로 짧다. 상기 시간 동안 IGBT-스위치(1)를 통해 전류의 유동 시 중간 회로 커패시터로부터 나온 에너지는 열로 변환되고, 따라서 중간 회로 내의 전압은 신속하고 효과적으로 감소할 수 있다. 이는 특히 이렇게 트리거된 인버터에서 고속 방전 작동의 조절을 가능하게 하고, 이로써 바람직하게 인버터에 전류를 공급하는 중간 회로 커패시터, 예를 들어 중간 회로 커패시터(2)의 고속 방전이 이루어질 수 있다. 이 경우 특히 바람직하게, 인버터의 기존의 소자들이 방전을 위해 이용될 수 있고, 스위칭 가능한 저항 등과 같은 추가 회로 또는 방전 소자들이 설치되지 않아도 된다.

이러한 작동 모드를 구현하기 위해, 트리거 회로(16)는 미리 정해진 조절 가능한 펄스 길이를 갖는 드라이버 신호 펄스의 시퀀스로서 드라이버 신호(18)를 형성하도록 설계되므로, IGBT-스위치(1)는 제어 신호(7)로 작동 시 펄스 길이 동안 완전히 전도성이 아니다. 드라이버 신호 펄스(18k)의 이러한 시퀀스에 대한 예시적인 가능성은 도 7에 개략적으로 도시된다. 드라이버 신호 펄스(18k)는 각각 하나의 펄스 길이(T)를 갖는다. 이러한 펄스 길이(T)는 IGBT-스위치(1)의 일반적인 제어 작동 시 트리거 지속 시간과 관련해서 짧을 수 있다. 예를 들어 IGBT-스위치(1)가 정상 작동 시 폐쇄 또는 개방되어 유지되는, IGBT-스위치(1)의 스위칭 지속 시간은 대략 100 ㎲일 수 있다. 펄스 길이(T)는 이러한 경우에 수 ㎲, 예를 들어 0.2 ㎲ 내지 5 ㎲일 수 있다. 이 경우 펄스 길이(T)는 IGBT-스위치(1) 및 드라이버 회로(15)의 물리적 파라미터에 의존할 수 있다.

IGBT-스위치(1)의 제어 입력부(13)에 공급되는 트리거 펄스를 조절하기 위해, 추가로 조절 회로(17)가 제공될 수 있고, 상기 회로는 트리거 회로(16)에 연결되고, 드라이버 신호(18)의 조절을 위한 조절 신호(19)를 형성하여 트리거 회로(16)에 공급하도록 설계된다. 이러한 조절 회로(17)는 바람직하게 도 3 내지 도 6에 도시된다. 도 3 및 도 5의 조절 회로(17)는 중간 회로 전압을 나타내는 제 1 측정 신호(9)를 검출하도록, 그리고 제 1 측정 신호(9)에 응답해서 조절 신호(19)를 형성하도록 설계되는 점에서 도 4 및 도 6의 조절 회로와 다르다. 제 1 측정 신호(9)는 예를 들어 IGBT-스위치(1)의 콜렉터 단자(11)에서 탭될 수 있다. 그와 달리, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 반도체 회로를 통해 흐르는 전류를 나타내는 제 2 측정 신호(8)도 검출되고, 조절 신호(19)는 제 2 측정 신호(8)에 응답해서 형성될 수 있다. 이를 위해 조절 회로(17)는 IGBT-스위치(1)의 전류 센서 출력부(14)에 연결될 수 있다. 대안으로서, 조절 회로(17)를 전류 센서 출력부(14) 및 IGBT-스위치(1)의 콜렉터 단자(11)에 연결하는 것이 가능할 수도 있고, 조절 신호(19)를 제 1 측정 신호(9) 및 제 2 측정 신호(8)에 응답해서 형성하는 것이 가능할 수도 있다.

모든 경우에, 드라이버 신호 펄스(18k)의 펄스 길이는 조절 신호(19)에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어 중간 회로 전압이 감소하지 않거나 또는 약간만 감소하는 경우에, 펄스 길이(T)는 연장될 수 있다. 마찬가지로, 예를 들어 IGBT-스위치(1)를 통해 흐르는 전류가 너무 높은 경우 펄스 길이(T)는 감소할 수 있다. 제 1 측정 신호(9)에 의해 예를 들어 IGBT-스위치(1)의 작동 순간에 IGBT-스위치(1)의 콜렉터 단자(11)의 중간 회로 전압의 전압 강하가 모니터링될 수 있다. 전압 강하가 발생하지 않거나 전압 강하가 너무 낮은 경우에, 펄스 길이(T)는 연장될 수 있다. 일반적으로, IGBT-스위치(1)의 과부하 및 가능한 손상을 방지하기 위해, 조절 회로(17)의 조절 방법은 짧은 펄스 길이(T)로 시작될 수 있다.

조절 회로(17)는 선택적으로 다른 외부 파라미터(6)도 수신할 수 있고, 상기 파라미터는 조절 메커니즘에 포함될 수 있다. 예를 들어 외부 파라미터(6)는 IGBT-스위치(1)의 온도를 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 조절 회로(17)에 추가하여 트리거 회로(16)에 의해 드라이버 회로(15)의 조절 가능한 제어 저항을 조절하기 위한 교정 신호(20)가 형성되어 드라이버 회로(15)에 제공될 수 있다. 교정 신호(20)는 예를 들어 조절 신호(19)에 응답해서 형성될 수 있다. 교정 신호(20)에 의해 드라이버 회로(15)의 제어 저항의 저항값이 선택적으로 증가할 수 있으므로, IGBT-스위치(1)의 제어 입력부(13)에 공급되는 트리거 전압의 값은 감소할 수 있다. 제어 저항은 임의의 단계로 조정될 수 있으므로, 트리거 전압 및 IGBT-스위치(1)를 통한 전류 유동은 조절 회로(17)에 의해 선택적으로 조절될 수 있다.

도 8은 전기 자동차의 도 1에 도시된 전기 구동 시스템(100)에서 인버터, 특히 인버터(10)를 트리거하기 위한 방법(30)의 개략도를 도시한다. 방법(30)은 제 1 단계(31)에서 인버터의 적어도 하나의 반도체 스위치용 드라이버 신호의 형성을 포함하고, 이 경우 드라이버 신호는 드라이버 신호 펄스의 시퀀스를 포함한다. 제 2 단계(32)에서 적어도 하나의 반도체 스위치를 트리거하는 제어 신호를 형성하기 위한 드라이버 신호의 증폭이 이루어진다. 이 경우 드라이버 신호 펄스는 각각 미리 정해진 조절 가능한 펄스 길이를 가지므로, 반도체 스위치는 펄스 길이 동안 제어 신호로 작동 시 완전히 전도성이 아니다.

단계(33a, 34a)에서 선택적으로 중간 회로 전압을 나타내는 제 1 측정 신호의 검출 및 제 1 측정 신호에 응답해서 드라이버 신호 펄스의 펄스 길이를 조절하기 위한 조절 신호의 형성이 이루어질 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 단계(33b, 34b)에서 적어도 하나의 반도체 스위치를 통과하는 전류를 나타내는 제 2 측정 신호의 검출 및 제 2 측정 신호에 응답해서 드라이버 신호 펄스의 펄스 길이를 조절하기 위한 조절 신호의 형성이 실시될 수 있다.

방법(30)은 기본적으로 인버터의 각각의 작동 모드에서 실시될 수 있다. 특히 방법(30)은 인버터의 일반적인 정상 작동 시 실시될 수 있다. 이러한 경우에 예를 들어, 폐쇄된 상태에 있어야 하는 하나 또는 다수의 반도체 스위치는 프리휠링 모드 또는 조절 작동 시 상기 주기 동안 펄스식으로 트리거될 수 있다. 상기 반도체 스위치(들)는 일시적으로 중간 회로 커패시터의 방전을 지원한다. 이 경우 인버터를 통해 출력되는 전압 신호들은 왜곡되지 않거가 또는 적어도 약간만 왜곡되는 것이 고려되어야 한다.

낮은 회전 속도의 전기 기계, 예를 들어 영구 여기식 동기 기계에서, 동기 기계 내의 바람직하지 않은 모멘트의 발생을 방지하기 위해 프리휠링 모드에서 중간 회로 전압의 감소가 바람직할 수 있다. 중간 회로 전압은 예를 들어 자극 휠(pole wheel) 전압에 의존하는 값으로 방법(30)에 의해 사전에 감소할 수 있다.

인버터의 "액티브 단락"시, 즉 전기 기계의 모터 와인딩이 에러 시 확실하게 단락될 수 있는 모드에서 방법(30)을 실시하는 것이 특히 바람직하다. 예를 들어 에러 발생 후에, 예컨대 제어 조절부의 전압 공급부의 고장 시, 차량 사고 시, 또는 그 밖의 전기 구동 시스템의 작동 안전을 위협하는 상황에서 "액티브 단락"이 활성화될 수 있으므로, 브리지 분기의 하나의 브리지 측의 모든 반도체 스위치, 예를 들어 하이-사이드-스위치는 폐쇄 상태가 되고, 브리지 분기의 다른 브리지 측의 모든 반도체 스위치, 예를 들어 로-사이드-스위치는 개방 상태가 된다. 물론, 하이-사이드- 및 로-사이드-스위치의 트리거는 각각 역으로도 이루어질 수 있다. 이로써 전기 기계는 안전하고 확실하게 폐쇄된 반도체 스위치에 의해 단락될 수 있다.

"액티브 단락" 상태에서 각각 개방된 반도체 스위치, 예를 들어 로-사이드-스위치는 지속적인 개방 상태 대신에 방법(30)에 의해 "클록 제어"될 수 있고, 즉 펄스식 트리거 모드에 의해 각각 일시적으로 차단 및 전도성 사이의 상태가 된다. 이로 인해 펄스식으로 트리거된 반도체 스위치를 통해 흐르는 전류, 예컨대 상기 전류의 전류 강도는 예를 들어 드라이버 신호 펄스의 펄스 길이에 의해 소정의 값으로 조절될 수 있다. 이로 인해 중간 회로 커패시터는 펄스식 작동 시 반도체 스위치에 의해 방전될 수 있다. 반도체 스위치는 냉각 장치 또는 전기 구동 시스템의 주변 공기에 열 결합될 수 있으므로, 방전 시 발생하는 열은 신속하고 확실하게 방출될 수 있다. 기본적으로, 소정의 방전 지속 시간에 따라, 고속 방전 모드에서 임의의 개수의 반도체 스위치 또는 브리지 분기가 고려될 수 있다.

1 반도체 스위치
4 제어장치
5 스위치 신호
7 제어 신호
10 인버터
13 제어 입력부
15 드라이버 회로
16 트리거 회로
18 드라이버 신호

Claims

인버터(10)의 반도체 스위치(1)를 트리거하기 위한 제어장치(4)로서,
인버터의 제어 조절부(50)에 의해 형성된 스위치 신호(5)에 기초하여 드라이버 신호(18)를 생성하도록 설계된 트리거 회로(16);
상기 트리거 회로(16)와 상기 반도체 스위치(1)의 제어 입력부(13) 사이에 연결되고, 상기 드라이버 신호(18)를 수신하고 상기 드라이버 신호(18)에 기초하여 상기 반도체 스위치(1)를 트리거하는 제어 신호(7)를 생성하여 상기 반도체 스위치(1)의 제어 입력부(13)에 공급하도록 설계된 드라이버 회로(15); 및
상기 트리거 회로(16)에 연결되고 상기 드라이버 신호(18)의 조절하기 위한 조절 신호(19)를 생성하고 상기 조절 신호를 상기 트리거 회로(16)에 공급하도록 설계되는 조절 회로(17);를 포함하고,
상기 트리거 회로(16)는, 상기 드라이버 신호(18)를 미리 정해진 조절 가능한 펄스 길이(T)를 갖는 드라이버 신호 펄스(18k)의 시퀀스로서 형성하도록 설계되고, 이에 따라 상기 반도체 스위치(1)는, 상기 펄스 길이(T) 동안 상기 제어 신호(7)로 작동 시, 상기 반도체 스위치(1)의 전도성이 상기 반도체 스위치(1)의 개방 시 전도성의 값과 상기 반도체 스위치(1)의 폐쇄 시 전도성의 값 사이의 값을 갖는, 완전히 전도성이 아니고,
상기 제어장치는,
- 상기 조절 회로(17)는, 중간 회로 전압을 나타내는 제 1 측정 신호(9)를 기록하고 상기 제 1 측정 신호(9)에 기초하여 상기 조절 신호(19)를 생성하도록 설계되는 것; 및
- 상기 조절 회로(17)는 상기 반도체 스위치(1)의 전류 센서 출력부(14)에 연결되고, 상기 반도체 스위치(1)를 통하는 전류를 나타내는 제 2 측정 신호(8)를 기록하고 상기 제 2 측정 신호(8)에 기초하여 상기 조절 신호(19)를 생성하도록 설계되는 것; 중 적어도 하나를 가지고,
상기 드라이버 신호 펄스(18k)의 펄스 길이(T)는 상기 조절 신호(19)를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 펄스 길이(T)는, 상기 반도체 스위치(1)가, 상기 제어 신호(7)로 작동된 경우 미리 정해진 전류값을 갖도록 조절 가능한 것을 특징으로 하는 제어장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 드라이버 회로(15)는 상기 제어 신호(7)를 생성하기 위한 조절 가능한 제어 저항을 갖고, 상기 트리거 회로(16)는, 상기 조절 신호(19)에 기초하여 상기 조절 가능한 제어 저항의 조절을 위한 교정 신호(20)를 형성하여 상기 드라이버 회로(15)에 공급하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어 장치(4)는 IGBT-스위치(1)의 트리거를 위해 설계되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인버터(10)는 하프 브리지 회로를 포함하고, 상기 트리거 회로(16)는, 각각 하나의 하프 브리지의 반도체 스위치들(1) 중 하나를 상기 드라이버 신호(18)로 트리거하고 상기 하프 브리지의 반도체 스위치들(1) 중 다른 하나를 지속적으로 폐쇄하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 제어장치.
n ≥ 1 인, n상 전기 기계(3)를 위한 구동 시스템(100)으로서,
2개의 입력 전압 단자(T+, T-)에 연결된 중간 회로 커패시터(2);
상기 중간 회로 커패시터(2)에 연결되고, 상기 중간 회로 커패시터(2)로부터 전기 에너지를 공급받고, 전기 기계(3)를 위한 n상 공급 전압을 생성하도록 설계된, 다수의 반도체 스위치들(1a,...,1f)을 가진 인버터(10);
상기 인버터(10)의 반도체 스위치들(1a,...,1f) 중 하나를 트리거하기 위한 제어 신호(7a,..., 7f)를 생성하도록 각각 설계된 제 1 항에 따른 다수의 제어장치(4a,...,4f); 및
상기 다수의 제어장치들(4a,...,4f)에 연결되고, 상기 인버터(10)의 반도체 스위치들(1a,...,1f)을 위한 스위치 신호들(5a,...,5f)을 생성하도록 설계된 제어 조절부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 반도체 스위치들(1a,...,1f)은 IGBT-스위치인 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 인버터(10)는 하프 브리지 회로를 포함하고, 상기 트리거 회로(16)는, 각각 하나의 하프 브리지의 반도체 스위치들(1) 중 하나를 드라이버 신호(18)로 트리거하고 상기 하프 브리지의 반도체 스위치들(1) 중 다른 하나를 지속적으로 폐쇄하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
인버터(10)의 작동 방법(30)으로서,
상기 인버터(10)의 반도체 스위치들(1a,..., 1f) 중 적어도 하나의 반도체 스위치를 위한, 드라이버 신호 펄스(18k)의 시퀀스를 포함하는 드라이버 신호(18)를 생성하는 단계(31), 및
상기 적어도 하나의 반도체 스위치(1a,...,1f)를 트리거하는 제어 신호(7a,...,7f)를 생성하기 위해 상기 드라이버 신호(18)를 증폭하는 단계(32)로서, 상기 드라이버 신호 펄스(18k)는 각각 미리 정해진 조절 가능한 펄스 길이(T)를 가지고, 이에 따라 상기 반도체 스위치(1a,...,1f)는, 상기 펄스 길이(T) 동안 상기 제어 신호(7a,...,7f)로 작동 시, 상기 반도체 스위치(1)의 전도성이 상기 반도체 스위치(1)의 개방 시 전도성의 값과 상기 반도체 스위치(1)의 폐쇄 시 전도성의 값 사이의 값을 갖는, 완전히 전도성이 아닌, 상기 드라이버 신호(18)를 증폭하는 단계를 포함하고,
상기 작동 방법은,
- 중간 회로 전압을 나타내는 제 1 측정 신호(9)를 기록하는 단계(33a), 및 상기 제 1 측정 신호(9)에 기초하여 상기 드라이버 신호 펄스(18k)의 펄스 길이(T)를 조절하기 위한 조절 신호(19)를 생성하는 단계(34a); 및
- 상기 적어도 하나의 반도체 스위치(1a,...,1f)를 통과하는 전류를 나타내는 제 2 측정 신호(8)를 기록하는 단계(33b) 및 상기 제 2 측정 신호(8)에 기초하여 상기 드라이버 신호 펄스(18k)의 펄스 길이(T)를 조절하기 위한 조절 신호(19)를 생성하는 단계(34b);
중 적어도 하나를 추가로 포함하고,
상기 드라이버 신호 펄스(18k)의 펄스 길이(T)는 상기 조절 신호(19)를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
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