KR102138138B1 - 전원 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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다이 츠가와
다카유키 이카리
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

전원 제어 장치이며, 정극 및 부극을 갖는 직류 전원과, 직류 전원과 전기적으로 접속된 부하와, 정극으로부터 부하를 통하여 부극까지의 전류 경로에 직렬 접속된 릴레이와, 전류 경로에 직렬 접속된 스위칭 소자와, 릴레이 및 스위칭 소자를 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 컨트롤러는, 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우에, 스위칭 소자를 오프 상태로 전환한 후에, 릴레이를 오프 상태로 전환한다.

Description

전원 제어 장치 및 그 방법
본 발명은 전원 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
돌입 전류를 방지하기 위한 제한 저항을 폐지한 전원 제어 장치가 개시되어 있다. 당해 전원 제어 장치에 있어서, 제어 장치는, 기동 명령 ST를 받으면, 시스템 메인 릴레이 SMR1, SMR3을 온시켜 콘덴서 C를 충전하는 프리차지 처리를 실행한다. 여기서, 제한 저항이 설정되어 있지 않기 때문에, 제어 장치는, 시스템 메인 릴레이 SMR3의 파워 MOSFET이 최대 정격 전력을 초과하지 않는 범위이고, 또한 포화 영역에서 동작하도록 파워 MOSFET의 게이트 전압을 제어한다. 그리고, 프리차지 처리의 완료 후에, SMR2를 온으로, SMR3을 오프로 한다(특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2007-143221호 공보
그러나, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 배터리와 모터 사이에 흐르고 있는 전류를 차단하는 경우에는, 메인 릴레이 SMR3의 파워 MOSFET이 오프로 되어 있는 상태에서, 메인 릴레이 SMR1, SMR2를 오프로 하게 된다. 그 때문에, 전류의 차단 시에, 메인 릴레이 SMR1, SMR2의 접점이 열화되기 쉽다는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 릴레이 접점의 열화를 억제할 수 있는 전원 제어 장치 또는 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 직류 전원의 정극으로부터 부하를 통하여 직류 전원의 부극까지의 전류 경로에 대하여, 스위칭 소자 및 릴레이를 각각 직렬로 접속하고, 전류 경로가 비도통 상태인 경우에, 릴레이를 오프 상태로 한 후에 스위칭 소자를 오프 상태로 전환함으로써, 전류 경로를 개방시킴으로써 상기 과제를 해결한다.
본 발명에 의하면, 릴레이에는 고전류가 흐르고 있지 않은 상태에서, 스위칭 소자보다 먼저 릴레이를 오프 상태로 전환하고 있기 때문에, 릴레이의 접점의 열화를 억제할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 블록도이다.
도 2는, 본 실시 형태에 있어서, 스위칭 소자의 접속예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은, 본 실시 형태에 있어서, 스위칭 소자의 접속예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이의 구동 전압, 및 스위칭 소자의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이의 구동 전압, 및 스위칭 소자의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이의 구동 전압, 및 스위칭 소자의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은, 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이의 구동 전압, 및 스위칭 소자의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은, 전류 경로가 비도통 상태인 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이의 구동 전압, 및 스위칭 소자의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는, 전류 경로가 비도통 상태인 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이의 구동 전압, 및 스위칭 소자의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 블록도이다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 블록도이다.
도 12는, 변형예에 관한 전원 제어 장치의 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
《제1 실시 형태》
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 블록도이다. 본 실시 형태에 따른 전원 제어 장치는, 예를 들어 차량에 설치되어 있으며, 차량에 탑재된 배터리의 전력을, 인버터를 통하여 모터에 공급하는 시스템을 제어하는 장치이다. 이하의 설명에서는, 전원 제어 장치가 차량에 설치되는 경우를 전제로 하여 설명하지만, 전원 제어 장치는 차량에 한하지 않고 다른 장치에 설치되어 있어도 된다. 예를 들어, 전원 제어 장치는, 정치용 전원의 전력을 부하에 공급할 때의 전력 시스템에 적용되어도 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전원 제어 장치는, 직류 전원(1)과, 부하 장치(2)와, 스위칭 소자(3)와, 릴레이(4)와, 구동 제어 장치(5)와, 전압 센서(6A, 6B, 6C)와, 전류 센서(7A, 7B)와, 제어 장치(8)와, 전원 라인 P, N을 구비하고 있다. 또한, 제어 장치(8)는, 반드시 전원 제어 장치의 구성은 아니어도 된다. 도 1에서는, 구동 제어 장치(5)와 제어 장치(8)를 나누어 도시하고 있지만, 구동 제어 장치(5) 및 제어 장치(8)를 하나의 제어 장치로 해도 된다. 또한, 도 1에 있어서, 점선 화살표는 제어 신호를 나타내고 있다.
직류 전원(1)은, 부하 장치(2)에 대하여 전력을 공급하는 장치이며, 배터리(11)와 하우징(12)을 갖고 있다. 배터리(11)는, 리튬 이온 전지 등의 이차 전지를 복수 접속한다. 배터리(11)는, 정극 및 부극을 갖고 있다. 배터리(11)의 정극과 부극은, 1쌍의 전원 라인 P, N을 통하여 부하 장치(2)에 각각 접속되어 있다. 하우징(12)은, 배터리(11)를 수용하기 위한 금속제의 케이스이다. 또한 직류 전원(1)은, 부하 장치(2)의 회생에 의하여 발전한 전력을, 배터리(11)에서 축전하는 기능도 갖고 있다.
부하 장치(2)는, 직류 전원(1)의 전력을 소비하는 장치이며, 인버터(21)와 하우징(22)을 갖고 있다. 부하 장치(2)는 전원 라인 P, N을 통하여, 직류 전원(1)에 전기적으로 접속되어 있다. 인버터(21)는, 배터리(11)의 전력을 변환하여, 도시하지 않은 모터에, 변환된 전력을 공급하는 전력 변환 장치이다. 인버터(21)의 입력측(DC측)은 전원 라인을 통하여 배터리(11)에 접속되어 있고, 인버터(21)의 출력측(AC측)은 모터에 접속되어 있다. 하우징(22)은, 인버터(21)를 수용하기 위한 금속제의 케이스이다. 또한, 부하 장치(2)는, 인버터(21)에 한하지 않고, 모터를 가져도 되며, 인버터(21) 이외의 다른 부하(예를 들어, 전열선)여도 된다.
전원 라인 P, N은, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이를 접속하는 1쌍의 배선이다. 또한, 전원 라인 P, N은, 직류 전원(1)의 정극으로부터 부하 장치(2)를 통하여 직류 전원(1)의 부극까지의 전류 경로로 된다.
스위칭 소자(3)는, 스위칭 기능을 갖는 반도체 소자이다. 본 실시 형태에서는, 스위칭 소자(3)는 P 채널 MOSFET이다. 스위칭 소자(3)는, - 전극측(부극측)의 전원 라인 N에 접속되어 있다. 스위칭 소자(3)는, MOSFET에 한정되지 않으며 IGBT여도 된다. 또한 스위칭 소자(3)는, Si, SiC, 또는 GaN 등의 와이드 밴드 갭 반도체 재료를 사용한 유니폴라 또는 바이폴라 구조의 스위칭 소자여도 된다.
직류 전원(1)으로부터 부하 장치(2)를 향하는 방향을 순방향이라 한 경우에, 본 실시 형태에 따른 전원 제어 장치는, 순방향으로 흐르는 전류를 차단할 수 있도록 구성되어 있다. 그 때문에, P 채널 FET의 도통 방향이, 전원 라인 N의 순방향으로 되도록, 스위칭 소자(3)는 접속되어 있다. 또한, 스위칭 소자(3)를 사용하여, 역방향의 회생 전류를 차단하도록 구성하는 경우에는, 도 1에 도시하는 스위칭 소자(3)의 드레인과 소스를 반대로 한 후에, 스위칭 소자(3)를 접속하면 된다.
또한 순방향 및 역방향의 전류를 차단하는 경우에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 역내압 성능을 갖지 않는 복수의 스위칭 소자(3)를 직렬로 접속하면 된다. 도 2는, 양 방향의 전류 차단을 가능하게 하는 스위칭 소자(3)의 접속예를 도시한 회로도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 2개의 스위칭 소자(3)는, P형 채널의 MOSFET이며, 서로 역방향으로 하면서, 직렬로 접속되어 있다.
또한, 양 방향의 전류 차단을 가능하게 하는 다른 접속예로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 역내압 성능을 갖는 스위칭 소자(3)를 병렬로 접속해도 된다. 도 3은, 양 방향의 전류 차단을 가능하게 하는 스위칭 소자(3)의 접속예를 도시한 회로도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 2개의 스위칭 소자(3)는, IGBT이며, 서로 역방향으로 하면서, 병렬로 접속되어 있다.
릴레이(4)는 기계식 스위치이다. 릴레이(4)에는, 예를 들어 전자 계전기가 사용된다. 릴레이(4)는, 스위칭 소자(3)와 달리, 스위치의 온, 오프에 수반하여, 기계적으로 이동하는 1쌍의 접점을 갖고 있다. 1쌍의 접점 중 적어도 한쪽 접점이 동적으로 이동하면 된다. 릴레이(4)는, + 전극측(정극측)의 전원 라인 P에 접속되어 있다. 릴레이(4)는, 코일을 갖고 있으며, 당해 코일에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 전자기 유도에 의하여, 접점이 구동되는 구조로 되어 있다.
상기와 같이, 본 실시 형태에 따른 전원 제어 장치에 있어서, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이에서 전류를 도통시키는 전류 경로는, 전원 라인 P, N으로 형성되어 있다. 전류 경로의 전기적인 도통과 차단을 전환하기 위하여, 전원 라인 P, N에 릴레이(4)와 스위칭 소자(3)가 각각 접속되어 있다. 통상, 고전압인 직류 전원과 부하 사이에서, 온, 오프를 전환하는 경우에는, 1쌍의 릴레이 스위치를, 정극측의 전원 라인과, 부극측의 전원 라인에 접속한다. 한편, 본원 발명에서는, 정극측에 접속한 릴레이 스위치의 역할을, 릴레이(4)에 갖게 하고 있고, 부극측에 접속한 릴레이 스위치의 역할을, 스위칭 소자(3)에 갖게 하고 있다. 달리 말하면, 본 실시 형태에 있어서, 릴레이(4)는, 정극 또는 부극 중 어느 한쪽 극의 전류 경로를, 독립적으로 온, 오프의 전환을 가능하게 하는 스위치이다.
배터리(11)의 정극과 하우징(12) 사이의 전위차(이하, 제1 전위차라 칭함)와, 배터리(11)의 부극과 하우징 사이의 전위차(이하, 제2 전위차라 칭함)가 상이한 경우에는, 스위칭 소자(3)는, 보다 작은 쪽의 전위차를 갖는 전극측에, 근접하도록 접속되어 있다. 예를 들어, 제2 전위차가 제1 전위차보다도 작은 경우에는, 스위칭 소자(3)는 부극측의 전원 라인 N에 접속되고, 릴레이(4)는 정극측의 전원 라인 P에 접속된다. 이러한 접속 형태는, 도 1에 도시한 접속 형태이다. 한편, 제1 전위차가 제2 전위차보다도 작은 경우에는, 스위칭 소자(3)는 정극측의 전원 라인 P에 접속되고, 릴레이(4)는 부극측의 전원 라인 N에 접속된다.
스위칭 소자(3)는, 오프 상태에서도, 소자의 내부에서 누설 전류가 발생할 가능성이 있다. 그리고, 전압이 높을수록, 누설 전류가 증가한다. 그 때문에, 제1 전위차와 제2 전위차 중, 전위차가 낮은 쪽의 전원 라인에, 스위칭 소자(3)를 접속함으로써, 하우징 등으로부터 스위칭 소자(3)에 흐르는 누설 전류를 억제할 수 있다.
구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 온, 오프를 제어하는 컨트롤러이다. 구동 제어 장치(5)는, 제어 장치(8)로부터 송신되는 전력 공급 허가 신호에 기초하여, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 온, 오프를 전환한다. 또한, 구동 제어 장치(5)는, 전압 센서(6A 내지 6C), 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 온, 오프를 전환한다. 또한, 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단 기능도 갖고 있다.
전압 센서(6A)는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로 중, 입력측의 전압을 검출한다. 전압 센서(6A)의 양 단자 중, 고전위측의 단자는, 배터리(11)의 정극과 릴레이(4) 사이에서, 전원 라인 P에 접속되어 있고, 저전위측의 단자는, 전원 라인 N에 접속되어 있다.
전압 센서(6B)는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로 중, 출력측의 전압을 검출한다. 전압 센서(6B)의 양 단자 중, 고전위측의 단자는, 릴레이(4)와 인버터(21) 사이에서, 전원 라인 P에 접속되어 있고, 저전위측의 단자는, 스위칭 소자(3)와 인버터(21) 사이에서, 전원 라인 N에 접속되어 있다.
전압 센서(6C)는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로 중, 릴레이(4)의 출력측의 전압을 검출한다. 전압 센서(6C)의 양 단자 중, 고전위측의 단자는, 릴레이(4)의 인버터(21) 사이에서, 전원 라인 P에 접속되어 있고, 저전위측의 단자는, 스위칭 소자(3)와 배터리(11)의 부극 사이에서, 전원 라인 N에 접속되어 있다.
전류 센서(7A)는, 전원 라인 P의 전류를 검출하는 센서이며, 배터리(11)의 정극과 릴레이(4) 사이에서, 전원 라인 P에 접속되어 있다. 전류 센서(7B)는, 전원 라인 N의 전류를 검출하는 센서이며, 배터리(11)의 부극과 스위칭 소자(3) 사이에서, 전원 라인 N에 접속되어 있다.
전압 센서(6A, 6B, 6C)의 검출 전압 및 전류 센서(7A, 7B)의 검출 전류는, 구동 제어 장치(5)에 출력된다.
제어 장치(8)는, 차량 전체를 제어하는 컨트롤러이다. 제어 장치(8)는, 구동 제어 장치(5)와의 사이에서 제어 신호의 통신을 행할 수 있다. 또한 제어 장치(8)는, 차량의 메인 스위치의 상태에 따라 전력 공급 허가 신호를 구동 제어 장치(5)에 송신한다. 전력 공급 허가 신호가 온일 때는, 직류 전원(1)으로부터 부하 장치(2)로의 전력의 공급이 허가된 것을 나타낸다. 전력 공급 허가 신호가 오프일 때는, 직류 전원(1)으로부터 부하 장치(2)로의 전력의 공급이 허가되지 않은 것을 나타낸다. 그리고, 제어 장치(8)는, 예를 들어, 유저의 조작에 의하여 차량의 메인 스위치가 오프로부터 온으로 전환된 경우에는, 전력 허가 신호의 레벨을 하이로 함으로써, 온 상태로 한다. 한편, 메인 스위치가 온으로부터 오프로 전환된 경우에는, 제어 장치(8)는, 전력 허가 신호의 레벨을 로우로 함으로써, 오프 상태로 한다.
다음으로, 구동 제어 장치(5)의 구체적인 제어에 대하여, 설명한다. 먼저, 전원 제어 장치의 구동 시(기동 시)의 제어를 설명한다. 구동 제어 장치(5)는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 도통시킴으로써, 전력 공급을 위한 시스템을 기동시킨다. 구체적으로는, 구동 제어 장치(5)는, 제어 장치(8)로부터, 온 상태의 전류 허가 신호를 수신한 경우에, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 도통시키도록, 이하의 시퀀스로 제어를 행한다.
도 4는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이(4)의 구동 전압, 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 4의 그래프의 횡축은 시간을 나타내고 있다. 또한, 릴레이(4)의 구동 전압은, 구동 제어 장치(5)의 제어 신호에 기초하여, 릴레이(4)의 코일에 인가되는 전압을 나타내고 있으며, 구동 전압이 VON일 때, 릴레이(4)는 온 상태로 되고, 구동 전압이 VOFF일 때, 릴레이(4)는 오프 상태로 된다. 스위칭 소자(3)의 구동 전압은, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압에 상당한다. 또한, 후술하는 도 5 내지 도 9에 나타내는 그래프의 종축 및 횡축은, 도 4에 나타내는 그래프의 종축 및 횡축과 마찬가지이다.
전력 공급 신호가 오프인 경우에, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)는 오프 상태이다. 즉, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이에서 전류를 흐르게 할 필요가 없는 경우에는, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)가 모두 오프 상태를 유지한다. 이것에 의하여, 전류 경로의 임피던스가 높은 상태로 유지되어, 시스템의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4) 중, 어느 한쪽 스위치를 오프 상태로 함으로써, 전류 경로의 고임피던스를 유지할 수 있는 경우에는, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4) 중, 어느 한쪽만을 오프 상태로 하기만 해도 된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 초기 상태에서, 전력 공급 신호가 오프로 되어 있어, 릴레이(4)의 구동 전압 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압은 VOFF이다. 시간 t1에, 전력 공급 신호가 오프로부터 온으로 전환되면, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t1로부터 소정 시간의 경과 후인 시간 t2에, 릴레이(4)의 구동 전압을 VOFF로부터 VON으로 높임으로써, 릴레이(4)를 오프 상태로부터 온 상태로 전환한다. 구동 제어 장치(5)는, 시간 t2로부터 소정 시간의 경과 후인 시간 t3에, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VOFF로부터 상승시킨다. 그리고, 시간 t4에 스위칭 소자(3)의 구동 전압은 VON으로 되어, 스위칭 소자(3)는 온 상태로 전환된다.
그런데, 전류 경로를 전기적으로 도통시켜, 직류 전원(1)으로부터 부하 장치(2)에 전력을 공급하는 경우에, 전류는, 전위가 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 흐른다. 그리고, 전위가 낮은 곳에 기생 용량이나, 용량 성분을 갖는 회로 소자가 접속되어 있는 경우, 예를 들어, 부하 장치(2)의 입력측(DC측)에 평활용 콘덴서가 접속되어 있는 경우, 전류 경로를 전기적으로 도통시킬 때의 초기 단계에서, 직류 전원(1)으로부터 부하 장치(2)로 돌입 전류가 흘러 버린다. 그리고, 돌입 전류는, 전류 경로의 임피던스가 낮을수록 커진다. 큰 돌입 전류가, 릴레이(4)에 흐른 경우에는, 릴레이(4)의 접점의 고착이나 스위칭 소자(3)의 소자에 대한 악영향을 유발한다. 또한, 전류 경로의 인덕턴스와 돌입 전류에 의하여, 서지 전압이 발생할 우려도 있다. 그 때문에, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로로 흐르는 전류에 제한을 가하면서, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이에서 전류를 흐르게 해야 한다.
상기와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 릴레이(4)를 온 상태로 전환한 후에, 스위칭 소자(3)를 온 상태로 전환한다. 스위칭 소자(3)는, MOSFET이기 때문에, 구동 제어 장치(5)는 게이트 전압을 제어함으로써, 스위칭 소자(3)의 온 저항을 조정할 수 있어, 전류 경로에 흐르는 전류량을 임의로 변경할 수 있다. 릴레이(4)는, 시간 t3의 시점에서 이미 온 상태로 되어 있다. 그 때문에, 스위칭 소자(3)의 온 저항이 높아지도록, 게이트 전압을 조정하면서, 스위칭 소자(3)를 온 상태로 전환함으로써, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 유입되는 돌입 전류를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 시간 t3으로부터 서서히 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 낮은 상태로부터 상승시키고 있다. 이것에 의하여, 스위칭 소자(3)의 온 저항이 높은 상태로부터 서서히 낮은 상태로 조정할 수 있기 때문에, 돌입 전류를 억제할 수 있다.
또한, 시간 t3으로부터 시간 t4의 기간에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 전압 센서(6A 내지 6C) 또는 전류 센서(7A, 7B)를 사용하여, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르는 전류를 관리하면서, 돌입 전류를 방지하기 위한 최적의 게이트 전압을 조정해도 된다. 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르는 전류는, 예를 들어 전압 센서(6A)의 검출 전압과 전압 센서(6B)의 검출 전압의 전압 차, 전압 센서(6C)의 검출 전압, 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출 전류로부터 검출할 수 있다.
게이트 전압을 조정할 때는, 전류 경로에 흐르는 전류가, 전류 경로에 접속된 각 소자의 허용 전류값을 초과하지 않도록, 구동 제어 장치(5)는, 게이트 전압을 조정하면 된다. 또한, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로에 흐름으로써, 각 소자의 온도가 허용 온도보다 높아지지 않도록, 또는 각 소자의 인가 전압이 허용값보다 높아지도록, 게이트 전압을 조정하면 된다. 각 소자의 온도 및 전압은, 별도로 센서를 설치하여, 당해 센서의 검출값으로 관리해도 되고, 또는 전압 센서(6A 내지 6C) 등의 검출값으로부터 연산에 의하여 추정값을 구함으로써, 관리되어도 된다. 또한, 조정할 때의 게이트 전압의 값은, 미리 설정되어도 되고, 또는 센서의 검출값에 기초하여 실시간으로 설정해도 된다.
또한, 시간 t1로부터 시간 t2까지의 소정 시간, 및 시간 t2로부터 시간 t3까지의 소정 시간이 짧을수록, 시스템의 기동 시간을 짧게 할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 구동 제어 장치(5)는, 전력 공급의 시스템을 기동시킬 때, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행할 수도 있다. 도 5를 이용하여, 구동 제어 장치(5)의 제어 시퀀스를 설명한다.
도 5는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 도통시키면서, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프의 상태, 릴레이(4)의 구동 전압, 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
초기 상태에서는, 전력 공급 신호가 오프로 되어 있어, 릴레이(4)의 구동 전압 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압은 VOFF이다. 시간 t1에 전력 공급 신호가 오프로부터 온으로 되어, 시간 t2에 릴레이(4)의 구동 전압이 VOFF로부터 VON으로 급상승하고, 시간 t3에 스위칭 소자(3)의 구동 전압이 VOFF로부터 서서히 상승하여, 시간 t4에 스위칭 소자(3)의 구동 전압이 VON으로 되는 점은, 도 4를 이용하여 설명한 상기 시퀀스의 제어와 마찬가지이다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 t1로부터 시간 t2까지의 소정 기간 내에, 일시적으로 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 높이고, 구동 전압을 높인 후에 VOFF까지 낮추도록, 스위칭 소자(3)를 제어한다. 구동 제어 장치(5)는, 시간 t1 후의 시간 ta에, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VOFF로부터 상승시킨다. 시간 ta 후의 시간 tb에 구동 전압이 VON으로 되면, 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VON으로부터 낮춘다. 그리고, 시간 tc에 구동 전압이 VOFF로 된다. 이것에 의하여, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로를 도통시키는 경우에는, 릴레이(4)를 온 상태로 전환하기 전에, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간 동안, 스위칭 소자(3)를 온 상태로 한다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다. 릴레이(4)가 정상이면, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간 동안, 스위칭 소자(3)의 구동 전압이 VOFF보다 높아지더라도, 전류는 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르지 않는다. 그 때문에, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간 중, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 변화는 없으며, 또는 변화가 있었다고 하더라도 검출값의 변동량은 작다. 한편, 릴레이(4)의 단락 고장(온 고착)이 발생한 경우에는, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간 동안, 스위칭 소자(3)의 구동 전압이 VOFF보다 높아지면, 전류가 직류 전원(1)으로부터 전류 경로로 흐르기 시작한다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값과 역치를 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여, 릴레이(4)가 고장나있는지 여부를 판단한다. 역치는, 릴레이(4)의 고장 진단을 행하기 위하여 미리 설정된 값이다.
구동 제어 장치(5)는, 고장 진단을 행할 때, 전압 센서(6A 내지 6C) 및 전류 센서(7A, 7B) 중, 모든 센서의 검출값을 이용할 필요는 없으며, 적어도 하나의 검출값을 이용하면 된다. 또한, 센서의 검출값 중, 릴레이(4)의 고장에 의하여, 값이 상승하는 검출값을 이용하여 릴레이(4)의 고장 진단을 행하는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 검출값이 역치보다도 높은 경우에, 릴레이(4)가 고장나있다고 판단한다. 또한, 센서의 검출값 중, 릴레이(4)의 고장에 의하여, 값이 하강하는 검출값을 이용하여 릴레이(4)의 고장 진단을 행하는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 검출값이 역치보다도 낮은 경우에, 릴레이(4)가 고장나있다고 판단한다. 또한, 고장 진단 시의 검출값의 선택 및 검출값과 역치를 비교한 경우의 판단 기준은, 릴레이(4)의 고장 진단에 한하지 않고, 이하에 설명하는 스위칭 소자(3)의 고장 진단 시에 적용해도 된다. 또한, 역치와 비교되는 검출값은, 전압 센서(6A 내지 6C), 전류 센서(7A, 7B)의 검출값으로 해도 되고, 이들 센서의 검출값 차여도 된다.
또한, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간은 짧을수록, 시스템의 기동 시간을 짧게 할 수 있고, 대기 전력도 억제할 수 있다. 또한, 릴레이(4)의 단락 고장을 상정하면, 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간에, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 전류가 흐른다. 그리고, 시간 tb로부터 시간 tc의 기간 동안, 전류가 차단되게 되기 때문에, 전류량의 변화에 의하여 서지 전압이 발생할 우려가 있다. 그 때문에, 전류 경로 상의 각 소자의 내압 및 전류 경로의 인덕턴스를 고려하면서, 서지 전압에 의하여, 악영향이 소자에 미치지 않도록, 시간 tb로부터 시간 tc까지의 기간은, 가능한 한 짧은 편이 바람직하다.
이와 같이 본 실시 형태에 있어서, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 릴레이(4)를 온 상태로 전환하기 전에, 시간 tb로부터 시간 tc의 기간 동안, 스위칭 소자(3)를 온 상태로 하고, 또한 시간 tb로부터 시간 tc의 기간 내에, 센서의 검출값에 기초하여, 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다. 이것에 의하여, 시스템의 안전성을 확보하면서, 회로 소자 등의 보호를 도모할 수 있다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 t2 후에, 스위칭 소자(3)의 고장 진단을 행할 수도 있다. 구동 제어 장치(5)는, 시간 t2로부터 시간 t3까지의 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 고장 진단을 행한다. 스위칭 소자(3)가 정상이면, 시간 t2로부터 시간 t3까지의 기간 동안, 릴레이(4)가 온 상태로 전환되더라도, 전류는 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르지 않는다. 그리고, 시간 t2로부터 시간 t3까지의 기간 중, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 변화는 없으며, 또는 변화가 있었다고 하더라도 검출값의 변동량은 작다. 한편, 스위칭 소자(3)의 단락 고장이 발생한 경우에는, 시간 t2로부터 시간 t3까지의 기간 동안, 전류가 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르기 시작한다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t2로부터 시간 t3까지의 기간 동안, 센서의 검출값과 미리 설정된 역치를 비교하면서, 비교 결과에 기초하여 스위칭 소자(3)의 고장을 진단할 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태에 있어서, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 릴레이(4)를 온 상태로 전환하는 시점(시간 t2)으로부터 스위칭 소자(3)를 온 상태로 하는 시점(시간 t3)까지의 기간 내에, 센서의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 고장 진단을 행한다. 이것에 의하여, 시스템의 안전성을 확보하면서, 회로 소자 등의 보호를 도모할 수 있다.
또한, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t3 후에, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 고장 진단을 행할 수도 있다. 구동 제어 장치(5)는, 시간 t3 이후의 소정 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 및 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다. 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)가 정상이면, 시간 t3 이후, 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 상승에 수반하여, 전류가 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐른다. 또한, 스위칭 소자(3)의 구동 전압이 VON으로 된 후에도, 전류가 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐른다. 그리고, 전류가 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐름으로써, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값이 변화된다. 한편, 스위칭 소자(3)의 개방 고장 및 릴레이(4)의 개방 고장 중, 어느 한쪽 고장이 발생한 경우에는, 전류는 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르지 않는다. 또한, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 변화는 없으며, 또는 변화가 있었다고 하더라도 검출값의 변동량은 작다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t3 이후의 소정 기간 동안, 센서의 검출값과 미리 설정된 역치를 비교하면서, 비교 결과에 기초하여 스위칭 소자(3)의 고장 및 릴레이(4)의 고장을 진단할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 릴레이(4)를 온 상태로 전환한 후, 센서의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다. 이것에 의하여, 시스템의 안전성을 확보하면서, 회로 소자 등의 보호를 도모할 수 있다.
다음으로, 전원 제어 장치의 셧다운 시의 제어를 설명한다. 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)가 온 상태에서, 오프 상태의 전력 공급 신호를 수신하면, 전류 경로를 전기적으로 차단하도록, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)를 제어한다. 오프 상태의 전력 공급 신호는, 전류 경로에 흐르고 있는 전류의 도통 상태와는 관계없이, 제어 장치(8)로부터 구동 제어 장치(5)에 송신된다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로에 전류가 흐르고 있는 상태에서, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)를 오프 상태로 하게 된다. 이때, 릴레이(4)에 고전류가 흐르고 있는 상태에서, 릴레이(4)를 온으로부터 오프로 전환하면, 릴레이(4)의 접점에 있어서의 발열 등에 의하여, 릴레이(4)의 접점이 열화되어, 접촉 저항이 증가할 우려가 있다. 또한 접점의 고착 등의 원인이 되기도 한다. 본 실시 형태에서는, 릴레이(4)의 접점의 열화를 방지하기 위하여, 구동 제어 장치(5)는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 차단시킬 때, 이하의 시퀀스로 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)를 제어하고 있다.
도 6은, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이(4)의 구동 전압, 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 전류 경로를 전기적으로 차단하기 전의 초기 상태로서, 전력 공급 신호는 온으로 되어 있어, 릴레이(4)의 구동 전압 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압은 VON이다. 시간 t5에, 전력 공급 신호가 온으로부터 오프로 전환되면, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t5로부터 소정 시간의 경과 후인 시간 t6에, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VON으로부터 VOFF로 낮춤으로써, 스위칭 소자(3)를 온 상태로부터 오프 상태로 전환한다. 그리고, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t6으로부터 소정 시간의 경과 후인 시간 t7에, 릴레이(4)의 구동 전압을 VON으로부터 VOFF로 낮추어, 릴레이(4)를 온 상태로부터 오프 상태로 전환한다.
본 실시 형태에 있어서, 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우에는, 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3)를 오프 상태로 전환한 후에, 릴레이(4)를 오프 상태로 전환한다. 이것에 의하여, 릴레이(4)의 접점의 열화를 방지할 수 있어, 전원 제어 장치의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 구동 제어 장치(5)는, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 차단할 때, 도 6에 나타내는 시퀀스 대신 도 7에 나타내는 시퀀스로 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)를 제어해도 된다.
도 7은, 직류 전원(1)과 부하 장치(2) 사이의 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이(4)의 구동 전압, 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7에 있어서, 전력 공급 신호의 레벨이 시간 t5에 온으로부터 오프로 하강하는 점, 및 릴레이(4)의 구동 전압이 시간 t7에 VON으로부터 VOFF로 하강하는 점은, 도 6의 시퀀스와 마찬가지이다. 구동 제어 장치(5)는, 릴레이(4)를 오프 상태로 전환하기 전에, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 낮출 때, 시간의 경과와 함께 구동 전압을 서서히 낮춘다. 즉, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t6에 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VON으로부터 서서히 하강시켜, 시간 td에 릴레이(4)의 구동 전압을 VOFF까지 낮춘다. 이것에 의하여, 본 실시 형태에서는, 전류 경로의 전류를 차단할 때(스위칭 소자(3)를 턴 오프시킬 때), 전류 변화에 의한 서지 전압의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 전류 경로 상의 각 소자의 내압 및 전류 경로의 인덕턴스를 고려하면서, 서지 전압에 의하여, 악영향이 소자에 미치지 않도록, 시간 t6으로부터 시간 td의 기간은, 가능한 한 짧은 편이 바람직하다. 또한, 시스템의 기동 시간을 짧게 하기 위하여, 시간 t5로부터 시간 t6까지의 기간 및 시간 td로부터 시간 t7까지의 기간은, 가능한 한 짧은 편이 바람직하다.
다음으로, 전류 경로가 비도통 상태인 경우의, 구동 제어 장치(5)의 제어에 대하여 설명한다. 비도통 상태(무전류 상태)는, 직류 전원(1) 또는 부하 장치(2)로부터 전류 경로로 흐르고 있는 전류가 소정의 전류 역치보다도 낮은 상태이며, 전류 경로에 흐르는 전류가, 0 또는 0에 가까운 상태이다. 구동 제어 장치(5)는, 전압 센서(6A 내지 6C) 또는 전류 센서(7A, 7B)를 사용하여, 전류 경로의 전류를 검출한다. 구동 제어 장치(5)는, 검출한 전류와 전류 역치를 비교하여, 검출 전류가 전류 역치보다도 낮은 경우에는, 비도통 상태라고 판정한다. 비도통 상태에서는, 직류 전원(1)으로부터 부하 장치(2)에 대하여 전류를 공급하지 않아도 되는 상태이고, 또한 부하 장치(2)의 회생에 의하여 직류 전원(1)에 전류를 공급하지 않아도 되는 상태라고 간주할 수 있다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 비도통 상태에서, 이하의 시퀀스로 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)를 제어하여, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행한다.
도 8은, 전류 경로가 비도통 상태이고, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이(4)의 구동 전압, 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행하기 전의 초기 상태로서, 전력 공급 신호는 온으로 되어 있어, 릴레이(4)의 구동 전압 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압은 VON이다. 구동 제어 장치(5)는, 시간 t8보다도 전에, 센서의 검출값에 기초하여, 전류 경로의 상태가 비도통 상태인지 여부를 판정한다. 그리고, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로의 상태가 비도통 상태인 경우에는, 비도통 상태를 나타내는 제어 신호를 제어 장치(8)에 송신한다. 제어 장치(8)는, 당해 제어 신호를 수신하면, 전류 경로를 개방함으로써, 부하 장치(2)의 동작 또는 직류 전원의 충방전 등에 영향이 없는지 여부를 판정한다. 제어 장치(8)는, 부하 장치(2)의 동작 또는 직류 전원의 충방전 등에 영향이 없는 경우에는, 제어 신호에 대한 응답 신호로서, 오프의 전력 공급 허가 신호를 구동 제어 장치(5)에 송신한다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 t8에 오프의 전력 공급 허가 신호를 수신하고, 시간 t8로부터 소정 시간의 경과 후인 시간 t9에, 릴레이(4)의 구동 전압을 VON으로부터 VOFF로 낮추어, 릴레이(4)를 온 상태로부터 오프 상태로 전환한다. 그리고, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t9로부터 소정 시간의 경과 후인 시간 t10에, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VON으로부터 VOFF로 낮추어, 스위칭 소자(3)를 온 상태로부터 오프 상태로 전환한다. 또한, 비도통 상태에서는, 릴레이(4)에는 고전류가 흐르고 있지 않기 때문에, 릴레이(4)가 스위칭 소자(3)보다도 먼저 오프 상태로 전환되더라도, 릴레이(4)의 접점에 발열 등이 발생할 가능성은 낮다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 t9로부터 시간 t10까지의 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다.
인버터(21)의 입력측(DC측)에는, 평활용 콘덴서가 접속되어 있으며, 당해 콘덴서의 방전용 저항 등도 전류 경로에 접속되어 있다. 그 때문에, 예를 들어, 비도통 상태로 되면, 콘덴서가 방전되어, 방전용 저항으로 소비되는 회로 구성을 채용한 경우에는, 비도통 상태에서도, 콘덴서의 방전에 의한 전류가 전류 경로에 흐른다. 또한, 콘덴서의 방전 이외의 예로서, 예를 들어, 부하 장치(2)에서 전력이 소비되는 경우, 또는 직류 전원(1)의 정극 및 부극 간의 누설 경로가 전류 경로에 존재하는 경우에는, 비도통 상태에서도 전류는 흐른다. 그리고, 이러한 전류는, 릴레이(4)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 전류 경로의 개방에 의하여, 흐르지 않게 된다. 그 때문에, 릴레이(4)가 정상이면, 시간 t9에 릴레이가 오프 상태로 전환되기 때문에, 시간 t9 이후, 전류 경로에 전류는 흐르지 않는다. 한편, 릴레이(4)의 단락 고장이 발생한 경우에는, 시간 t9로부터 시간 t10까지의 기간 동안, 전류가 전류 경로에 흐른다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t9로부터 시간 t10까지의 기간 동안, 센서의 검출값과 미리 설정된 역치를 비교하면서, 비교 결과에 기초하여 릴레이(4)의 고장을 진단할 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 센서를 사용하여 비도통 상태를 검출하고, 전류 경로가 도통 상태인 경우에는, 릴레이(4)를 오프 상태로 한 후에, 스위칭 소자를 오프 상태로 전환함으로써, 전류 경로를 개방시키고 있다. 이것에 의하여, 릴레이(4)의 접점을 보호하면서, 전류 경로를 개방시킬 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로가 비도통 상태인 경우에, 릴레이(4)를 오프 상태로 한 시점으로부터 스위칭 소자(3)를 오프 상태로 하는 시점까지의 기간에, 센서의 검출값에 기초하여 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다. 이것에 의하여, 시스템의 안전성을 확보하면서, 회로 소자 등의 보호를 도모할 수 있다.
구동 제어 장치(5)는, 전류 경로가 비도통 상태인 경우에, 시간 t8로부터 시간 t9까지의 기간 내, 및 시간 t10 이후의 기간에, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행할 수도 있다. 도 9를 이용하여, 구동 제어 장치(5)의 제어 시퀀스를 설명한다.
도 9는, 전류 경로가 비도통 상태이고, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행하는 경우의, 전력 공급 신호의 온, 오프 상태, 릴레이(4)의 구동 전압, 및 스위칭 소자(3)의 구동 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
시간 t8에, 오프의 전력 공급 신호를 수신하는 점, 시간 t9에 릴레이(4)의 구동 전압을 VON으로부터 VOFF로 낮추는 점, 시간 t10에 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VON으로부터 VOFF로 낮추는 점은, 도 8에 나타낸 시퀀스에 있어서의 제어와 마찬가지이다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 t8 후의 시간 te에, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VON으로부터 하강시킨다. 시간 te 후의 시간 tf에 구동 전압이 VOFF로 되면, 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3)의 구동 전압을 VOFF로부터 상승시킨다. 그리고, 시간 tg에 구동 전압이 VON으로 된다. 이것에 의하여, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로가 비도통 상태인 경우에, 릴레이(4)를 오프 상태로 전환하기 전에, 시간 te로부터 시간 tg까지의 기간 동안, 스위칭 소자(3)를 오프 상태(턴 오프 및 턴 온)로 한다.
구동 제어 장치(5)는, 시간 te로부터 시간 tg까지의 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 고장 진단을 행한다. 스위칭 소자(3)가 정상이면, 시간 te로부터 시간 tg까지의 기간 동안, 스위칭 소자의 구동 전압이 VON보다도 낮아지면, 시간 te의 시점에서 전에 흐르고 있던 전류가 변화된다. 시간 te보다 전에 흐르는 전류는, 상기와 마찬가지로, 콘덴서의 방전 등에 의하여, 전류 경로에 흐르는 전류이다. 한편, 스위칭 소자(3)의 단락 고장이 발생한 경우에는, 스위칭 소자(3)의 구동 전압이 VON보다 낮아지더라도, 전류 경로가 폐회로로 되어 있는 상태가 계속되기 때문에, 시간 te의 시점에서 흐르고 있던 전류는 변화되지 않거나, 또는 당해 전류의 변화량은 작다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 시간 te로부터 시간 tg까지의 기간 동안, 센서의 검출값과 미리 설정된 역치를 비교하면서, 비교 결과에 기초하여 스위칭 소자(3)의 고장을 진단할 수 있다.
또한, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t9로부터 시간 t10까지의 기간에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 릴레이(4)의 고장 진단을 행한다. 릴레이(4)가 정상이면, 시간 t9에 릴레이(4)가 오프 상태로 되면, 시간 t9의 시점에서 흐르고 있던 전류가 변화된다. 시간 t9보다 전에 흐르는 전류는, 상기와 마찬가지로, 콘덴서의 방전 등에 의하여, 전류 경로에 흐르는 전류이다. 한편, 릴레이(4)의 단락 고장이 발생한 경우에는, 릴레이(4)의 구동 전압이 VON보다 낮아지더라도, 시간 t9의 시점에서 흐르고 있던 전류는 변화되지 않거나, 또는 당해 전류의 변화량은 작다. 그 때문에, 구동 제어 장치(5)는, 시간 t9로부터 시간 t10까지의 기간 동안, 센서의 검출값과 미리 설정된 역치를 비교하면서, 비교 결과에 기초하여 릴레이(4)의 고장을 진단할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로가 비도통 상태인 경우에, 릴레이(4)를 오프 상태로 전환하기 전에, 소정 기간 동안, 스위칭 소자(3)를 오프 상태로 하고, 센서의 검출값에 기초하여 스위칭 소자의 고장 진단을 행한다. 이것에 의하여, 시스템의 안전성을 확보하면서, 회로 소자 등의 보호를 도모할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로가 비도통 상태인 경우에, 릴레이(4)를 오프 상태로 전환하는 시점(시간 t9)으로부터 스위칭 소자(3)를 오프 상태로 하는 시점(시간 t10)까지의 기간 내에, 센서의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 고장 진단을 행한다. 이것에 의하여, 시스템의 안전성을 확보하면서, 회로 소자 등의 보호를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 릴레이(4)는 부극측의 전원 라인 N에 접속되어도 되고, 스위칭 소자(3)는 정극측의 전원 라인 P에 접속되어도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 도 4에 나타내는 시간 t3으로부터 시간 t4까지의 기간 동안에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 고장 진단을 행해도 된다. 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)가 정상이면, 시간 t3으로부터 시간 t4까지의 기간에 있어서, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압의 상승에 수반하여, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로가 흐르는 전류가 서서히 커진다. 한편, 스위칭 소자(3)의 단락 고장이 발생한 경우, 스위칭 소자(3)의 개방 고장이 발생한 경우, 또는 릴레이(4)의 개방 고장(오프 고착)이 발생한 경우에는, 구동 제어 장치(5)가, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압을 상승시키도록, 스위칭 소자(3)를 제어하더라도, 전류는 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르지 않는다. 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압을 상승시키도록, 스위칭 소자(3)를 제어한 상태에서, 센서를 사용하여, 전류 경로에 전류가 흐르고 있는지 여부를 확인한다. 그리고, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로에 전류가 흐르고 있지 않음을 확인한 경우에는, 스위칭 소자(3) 또는 릴레이(4) 중 어느 한쪽 스위치가 고장나있다고 판단한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 도 4에 나타내는 시간 t3으로부터 시간 t4까지의 기간 동안에, 센서의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압과 스위칭 소자(3)의 온 저항의 특성의 변화를 진단해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 도 6 또는 도 7에 나타내는 시간 t6으로부터 시간 t7까지의 기간 동안에, 전압 센서(6A 내지 6C)의 검출값 또는 전류 센서(7A, 7B)의 검출값에 기초하여, 스위칭 소자(3)의 고장 진단을 행해도 된다. 스위칭 소자(3)가 정상이면, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압의 하강에 수반하여, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르는 전류가 서서히 작아진다. 한편, 스위칭 소자(3)의 단락 고장이 발생한 경우에는, 구동 제어 장치(5)가, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압을 하강시키도록, 스위칭 소자(3)를 제어하더라도, 전류 경로를 흐르는 전류는 작아지지 않는다. 구동 제어 장치(5)는, 스위칭 소자(3)의 게이트 전압을 하강시키도록, 스위칭 소자(3)를 제어한 상태에서, 센서를 사용하여, 전류 경로에 전류가 낮아지는지 여부를 확인한다. 그리고, 구동 제어 장치(5)는, 전류 경로에 전류가 낮아지지 않거나, 또는, 전류의 감소 폭이 작은 것을 확인한 경우에는, 스위칭 소자(3)가 고장나있다고 판단한다.
또한, 도 9를 이용하여 설명한 시퀀스에 있어서, 전류 경로 상의 각 소자의 내압 및 전류 경로의 인덕턴스를 고려하면서, 서지 전압에 의하여, 악영향이 소자에 미치지 않도록, 시간 te로부터 시간 tf의 기간은, 가능한 한 짧은 편이 바람직하다. 또한, 시간 tf로부터 시간 tg의 기간에 있어서, 구동 제어 장치(5)는, 전압 센서(6A 내지 6C) 또는 전류 센서(7A, 7B)를 사용하여, 직류 전원(1)으로부터 전류 경로에 흐르는 전류를 관리하면서, 돌입 전류를 방지하기 위한 최적의 게이트 전압을 조정해도 된다. 또한, 시스템의 기동 시간을 짧게 하기 위하여, 시간 t8로부터 시간 te까지의 기간 및 시간 tg로부터 시간 t9까지의 기간은, 가능한 한 짧은 편이 바람직하다.
또한, 전원 제어 장치의 셧다운 시에 자기 진단을 행한 경우에, 구동 제어 장치(5)는, 자기 진단의 결과를, 고장의 유무의 정보로서, 다음 회의 기동 시까지 유지한다. 이것에 의하여, 도 5에 나타내는 시간 ta로부터 시간 tc까지의 기간에 있어서의 시퀀스가 불필요해져, 장치의 기동 시에는 도 4에 나타내는 시퀀스로, 장치의 셧다운 시에는 도 8에 나타내는 시퀀스로, 스위칭 소자(3) 및 릴레이(4)의 자기 진단을 행할 수 있다. 이것에 의하여, 장치의 기동 시간 및 셧다운 시간을 단축할 수 있다.
또한, 전류 경로가 비도통 상태이며, 도 8 또는 도 9에 나타내는 시퀀스로 자기 진단을 행한 경우에는, 다음 회의 장치의 기동 시에, 도 5에 나타내는 시퀀스로 자기 진단을 행하면 된다. 도 8 또는 도 9에 나타내는 시퀀스로는, 릴레이(4)의 단락 고장의 정보를 얻을 수 없기 때문에, 다음 회의 장치의 기동 시에, 도 5에 도시하는 시퀀스로 자기 진단을 행함으로써, 조기에 릴레이(4)의 단락 고장을 진단할 수 있다. 그 결과로서, 용장성이 높은 시스템을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 변형예로서, 하우징(12)은, 직류 전원의 정극 또는 부극 중 어느 한쪽과 동전위로 되도록, 직류 전원(1)에 설치되어 있어도 된다. 이것에 의하여, 노이즈를 억제할 수 있다.
상기 하우징(12)이 본 발명의 「전원용 하우징」에 상당하고, 하우징(22)이 본 발명의 「부하용 하우징」에 상당한다.
《제2 실시 형태》
도 10은, 발명의 다른 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 블록도이다. 본 예에서는, 상술한 제1 실시 형태에 비하여, 스위칭 소자(3)의 접속 위치가 상이하다. 이외의 구성은 상술한 제1 실시 형태와 동일하며, 그 기재를 원용한다.
스위칭 소자(3)는, 전원 라인 P에 접속되어 있으며, 릴레이(4)에 대하여 직렬로 접속되어 있다. 즉, 스위칭 소자(3)와 릴레이(4)의 직렬 회로가, 정극측에 접속되어 있다. 또한, 제1 전위차(배터리(11)의 정극과 하우징(12) 사이의 전위차)는, 제2 전위차(배터리(11)의 부극과 하우징 사이의 전위차)보다도 크다.
본 실시 형태는, 고전위측(정극측)에, 고임피던스의 회로인, 스위칭 소자(3)와 릴레이(4)의 직렬 회로를 접속한다. 이것에 의하여, 하우징(12) 등으로부터 흐르는 누설 전류를 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 릴레이(4)는, 전류 경로 상에서, 직류 전원(1)과 스위칭 소자(3) 사이에 접속되어 있다. 이것에 의하여, 릴레이(4)를 직류 전원(1)에 가까운 측에 배치할 수 있기 때문에, 누설 전류를 억제할 수 있다.
또한, 제2 전위차가 제1 전위차보다도 큰 경우에는, 스위칭 소자(3)와 릴레이(4)의 직렬 회로를 전원 라인 N에 접속하면 된다.
《제3 실시 형태》
도 11은, 발명의 다른 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 블록도이다. 본 예에서는 상술한 제1 실시 형태에 대하여, 하우징(12), 전원 라인 N, 및 하우징(22)의 전위가 동전위인 점이 상이하다. 이외의 구성은 상술한 제1 실시 형태와 동일하며, 제1 또는 제2 실시 형태의 기재를 적절히, 원용한다.
하우징(12), 전원 라인 N, 및 하우징(22)은 접지(어스 접지)되어 있기 때문에, 하우징(12), 전원 라인 N, 및 하우징(22)의 전위가 동일해진다. 이것에 의하여, 고전위측(정극측)에, 임피던스의 회로(릴레이(4))가 접속되게 되기 때문에, 하우징(12) 등으로부터 흐르는 누설 전류를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 전원 제어 장치의 변형예로서, 도 12에 도시한 바와 같이, 스위칭 소자(3)를, 전원 라인 P에 접속해도 된다. 이것에 의하여, 고전위측(정극측)에, 고임피던스의 회로인, 스위칭 소자(3)와 릴레이(4)의 직렬 회로가 접속되어 있기 때문에, 하우징(12) 등으로부터 흐르는 누설 전류를 억제할 수 있다.
1: 직류 전원
2: 부하 장치
3: 스위칭 소자
4: 릴레이
5: 구동 제어 장치
6A, 6B, 6C: 전압 센서
7A, 7B: 전류 센서
8: 제어 장치
9: 릴레이
11: 배터리
12: 하우징
21: 인버터
22: 하우징
P, N: 전원 라인

Claims (15)

  1. 부하에 대하여 전기적으로 접속되어, 정극 및 부극을 갖는 직류 전원과,
    상기 정극으로부터 상기 부하를 통하여 상기 부극까지의 전류 경로에 직렬 접속된 릴레이와,
    상기 전류 경로에 직렬 접속된 반도체 스위칭 소자와,
    상기 전류 경로에 접속되어, 전류 또는 전압을 검출하는 센서와,
    상기 릴레이 및 상기 반도체 스위칭 소자를 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 센서를 사용하여, 상기 전류 경로에 흐르는 전류가 소정의 전류 역치보다 낮은 상태를 비도통 상태로서 검출하고,
    상기 전류 경로가 상기 비도통 상태인 경우에, 상기 릴레이를 오프 상태로 한 후에 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 전환함으로써, 상기 전류 경로를 개방시키는
    전원 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 전류 경로에 흐르는 전류가 전류 역치 이상에 있는 상태에서, 상기 전류 경로를 전기적으로 차단하는 경우에, 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 전환한 후에, 상기 릴레이를 오프 상태로 전환하는
    전원 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로가 상기 비도통 상태인 경우에, 상기 릴레이를 오프 상태로 한 시점으로부터 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 하는 시점까지의 기간 내에, 상기 센서의 검출값에 기초하여 상기 릴레이의 고장 진단을 행하는
    전원 제어 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로가 상기 비도통 상태인 경우에, 상기 릴레이를 오프 상태로 전환하기 전에, 제1 소정 기간 동안 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 한 후에, 상기 반도체 스위칭 소자를 온 상태로 전환하고,
    상기 제1 소정 기간 내에, 상기 센서의 검출값에 기초하여 상기 반도체 스위칭 소자의 고장 진단을 행하는
    전원 제어 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로가 상기 비도통 상태인 경우에, 상기 릴레이를 오프 상태로 하는 시점으로부터 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 하는 시점까지의 기간 내에, 상기 센서의 검출값에 기초하여 상기 반도체 스위칭 소자의 고장 진단을 행하는
    전원 제어 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 상기 릴레이를 온 상태로 전환한 후에, 상기 반도체 스위칭 소자를 온 상태로 전환하는
    전원 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에는, 상기 릴레이를 온 상태로 전환하기 전에, 제2 소정 기간 동안 상기 반도체 스위칭 소자를 온 상태로 한 후에, 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 전환하고,
    상기 제2 소정 기간 내에, 상기 센서의 검출값에 기초하여 상기 릴레이의 고장 진단을 행하는
    전원 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에, 상기 릴레이를 온 상태로 하는 시점으로부터 상기 반도체 스위칭 소자를 온 상태로 하는 시점까지의 기간 내에, 상기 센서의 검출값에 기초하여 상기 릴레이의 고장 진단을 행하는
    전원 제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전류 경로를 전기적으로 도통시키는 경우에, 상기 릴레이를 온 상태로 전환한 후에, 상기 반도체 스위칭 소자의 턴 온 기간 중에, 상기 센서의 검출값에 기초하여 상기 반도체 스위칭 소자 및 상기 릴레이의 고장 진단을 행하는
    전원 제어 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직류 전원을 수용하는 전원용 하우징을 구비하고,
    상기 릴레이는, 상기 정극측 및 상기 부극측 중 한쪽 전극측에 접속되어 있고,
    상기 반도체 스위칭 소자는, 상기 정극측 및 상기 부극측 중 다른 쪽 전극측에 접속되어 있고,
    상기 다른 쪽 전극과 상기 전원용 하우징 사이의 전위차는, 상기 한쪽 전극과 상기 전원용 하우징의 전위차보다도 작은
    전원 제어 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직류 전원을 수용하는 전원용 하우징을 구비하고,
    상기 릴레이와 상기 반도체 스위칭 소자의 직렬 회로가, 상기 정극측 또는 상기 부극측 중, 한쪽 전극측에 접속되어 있고,
    상기 한쪽 전극과 상기 전원용 하우징 사이의 전위차는, 상기 정극측 또는 상기 부극측 중 다른 쪽 전극과 상기 전원용 하우징의 전위차보다도 큰
    전원 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 릴레이는, 상기 전류 경로 상에서, 상기 직류 전원과 상기 반도체 스위칭 소자 사이에 접속되어 있는
    전원 제어 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직류 전원을 수용하는 전원용 하우징과,
    상기 부하를 수용하는 부하용 하우징을 구비하고,
    상기 전원용 하우징의 전위와 상기 부하용 하우징의 전위가 동전위인
    전원 제어 장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직류 전원을 수용하는 전원용 하우징을 구비하고,
    상기 전원용 하우징의 전위는, 상기 정극측의 상기 전류 경로의 전위, 또는 상기 부극측의 상기 전류 경로의 전위 중 어느 한쪽 전위와 동전위인
    전원 제어 장치.
  15. 직류 전원의 정극으로부터 부하를 통하여 상기 직류 전원의 부극까지의 전류 경로에 직렬 접속된 릴레이, 상기 전류 경로에 직렬 접속된 반도체 스위칭 소자, 상기 전류 경로에 접속되어 전류 또는 전압을 검출하는 센서, 및 상기 릴레이와 상기 반도체 스위칭 소자를 제어하는 컨트롤러를 구비한 전원 제어 장치의 제어 방법이며,
    상기 센서를 사용하여, 상기 전류 경로에 흐르는 전류가 소정의 전류 역치보다 낮은 상태를 비도통 상태로서 검출하고,
    상기 전류 경로가 상기 비도통 상태인 경우에, 상기 릴레이를 오프 상태로 한 후에 상기 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 전환함으로써, 상기 전류 경로를 개방하는 제어 방법.
KR1020177033478A 2015-05-20 2015-05-20 전원 제어 장치 및 그 방법 KR102138138B1 (ko)

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