KR102145678B1 - 레지스터 절환용 조립체 - Google Patents

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KR102145678B1
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노르베르트 보첸마이어
한스 레흐베르거
하인츠 자일러
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베바스토 에스이
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Abstract

본 발명은 열을 발산하는 제1 레지스터(R1-R4), 상기 제1 레지스터(R1-R4)를 절환하기 위한 , 및 구동 전압에 직접적으로 관계없는 전위에 있는 접지된 컴포넌트 특히, 하우징 또는 샤시 컴포넌트(10)를 구비하는 레지스터 절환용 조립체에 관한 것으로서, 제1 레지스터(R1-R4)는 컴포넌트 특히, 하우징 또는 샤시 컴포넌트(10)의 근처에 공간적으로 배치되고, 제1 단자와 제2 단자를 구비하며, 제어 디바이스는 제1 절환 디바이스(M1)와 제2 절환 디바이스(M2)를 구비하고, 제1 절환 디바이스, 제1 레지스터(R1-R4) 및 제2 절환 디바이스(M2)는 순서대로 직렬로 연결되어 직렬 회로를 형성하고, 제1 레지스터(R1-R4)의 온(on) 상태에서, 제1 단자와 제2 단자 사이에 전압이 존재하고, 제1 단자가 제1 전위에 있고 제2 단자가 제2 전위에 있고, 오프(off) 상태의 제1 레지스터(R1-R4)는 제1 전위와 제2 전위 사이에 놓인 중간 전위로 유지되고 특히, 공급 전압의 적어도 대략 절반으로 유지되도록 구성된 보상 장치(20)를 더 구비하고, 및/또는 제어 디바이스는 펄스 폭 변조를 이용하여 제1 레지스터를 구동하도록 구성되고, 제1 절환 디바이스(M1)와 제2 절환 디바이스(M2)는 동기적으로 절환된다.

Description

레지스터 절환용 조립체
본 발명은, 열을 발산하는 제1 레지스터, 제1 레지스터를 절환하기 위한 제어 디바이스, 및 구동 전압에 대한 직접적인 참조없이 임의의 전위에 있고, 예를 들어, 하우징 또는 샤시 컴포넌트와 같은 접지된 컴포넌트를 구비하고, 제1 레지스터는 하우징 또는 샤시 컴포넌트와 같은 컴포넌트에 공간적으로 근접하게 배치된 청구항 1의 레지스터 절환용 조립체 및 청구항 10의 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 선행기술을 나타내고, 하우징의 부근에 놓여지고 레지스터들(R1-R4)에 의해 상징적으로 묘사된 레지스터를 도시한다. 레지스터는 하우징에서 열을 소멸시키기 위해 냉각된다.
커패시터들(C1-C5)은 레지스터에 연관되고 하우징에 대해 공간적으로 레지스터의 부근의 연결에 의해 야기되는 커패시턴스의 상징적 묘사에 상응한다.
트랜지스터(M)는 레지스터(R1-R4)를 온(on)과 오프(off)로 절환한다. 만약, 트랜지스터(M)가 오프로 절환되면, 전체 레지스터(R1-R4)는 공급 전압에 있다. 만약, 트랜지스터(M)가 온으로 절환되면, 레지스터(R1-R4)를 가로지르는 전압이 변화한다. R4의 하단(도 1)은 0(zero)V를 향해서 가는 한편, R1의 상단은 공급 전압으로 남아 있다. 완전한 레지스터(R1-R4)의 R2의 하단과 R3의 상단 사이는 공급 전압의 절반 즉, 중간 전압에 상응한다.
이러한 개략적인 예시에서, 결과적으로 커패시터(C1-C5)가 완전히 또는 적어도 부분적으로 방전될 수 있다. 예를 들어, C1은 "완전" 방전되는 한편, C3는 공급 전압의 절반으로 방전된다. 평균적으로, 전체 커패시터가 공급 전압의 절반만큼 방전된다.
만약, 트랜지스터(M)가 오프로 절환되면, 이 현상은 이론적으로 반복된다. 이 경우, 커패시터들은 방전되기 보다는 충전된다(공급 전압까지).
커패시터들의 전술한 충전과 방전은 속도에 따라 엄청난 전자기적 간섭(라인 전도 간섭과 방사 방해 간섭 모두를 포함)을 일으킬 수 있다.
특히, 만약 레지스터(R1-R4)가 순간적으로 절환되면(그리고 접지에 대한 분포 정전용량을 가지면), 하우징 및/또는 차폐 케이블 및/또는 접지 라인들 상에 갑섭이 발생할 수 있다. 종래의 조치들은 다음과 같다.
- 레지스터가 접지 전위에 더 이상 결합하지 않도록 차폐(shield),
- 필터 컴포넌트들(공통-모드 쵸크들, Y-커패시터들),
- 클록킹(clocking)(절환 주파수, 절환 시간)의 늦춤.
그러나, 차폐는 모든 경우들에서 가능하지 않거나, 종종 상당한 추가 비용이소요될 뿐이다. 게다가, 차폐는, 차폐층과 적어도 하나의 추가적인 절연층 모두를 필요로 하기 때문에, 가능한 열적 결합이 악화되는 효과를 가진다.
필터 컴포넌트들은 응용에 따라(전압과 전류에 대한) 비교적 비싸고, 무겁고, 부피가 크다.
클록킹의 늦춤(절환 시간)은 클록킹이 다른 조건들에 상응하게 조절되기 때문에 종종 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은, 열을 발산하는 제1 레지스터, 제1 레지스터를 절환하기 위한 제어 디바이스, 및 구동 전압에 대한 직접적인 참조없이 임의의 전위에 있는 접지된 컴포넌트 특히, 하우징 또는 샤시 컴포넌트를 구비하고, 제1 레지스터는 컴포넌트 특히, 하우징 또는 샤시 컴포넌트에 공간적으로 근접되게 배치되고, 레지스터의 스위칭 온 및 스위칭 오프에 의해 야기되는 간섭 및/또는 펄스 폭 변조에 의해 야기되는 간섭이 간단한 방식으로 감소될 수 있는 레지스터 절환용 조립체를 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다.
본 발명의 목적은, 특히, 열을 발산하는 제1 레지스터, 제1 레지스터를 절환하기 위한 제어 디바이스, 및 구동 전압에 대한 직접적인 참조없이 임의의 전위에 있는 접지된 컴포넌트 특히, 하우징 및/또는 샤시 컴포넌트를 구비하고, 제1 레지스터는 컴포넌트 특히, 하우징 또는 샤시 컴포넌트에 공간적으로 근접되게 배치되고, 제1 단자와 제2 단자를 구비하고, 제어 디바이스는 제1 절환 디바이스와 제2 절환 디바이스를 구비하고, 제1 절환 디바이스, 제1 레지스터 및 제2 절환 디바이스는 상기 순서대로 직렬로 연결되어 직렬 회로를 형성하는, 레지스터 절환용 조립체에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 제1 측면에 따르면, 제1 레지스터의 온 상태에서, 제1 단자와 제2 단자 사이에 전압이 존재하고, 제1 단자는 제1 전위에 있고 제2 단자는 제2 전위에 있고, 오프 상태의 제1 레지스터는 제1 전위와 제2 전위 사이의 중간 전위에서 유지되고 특히, 적어도 공급 전압의 대략 절반으로 유지되도록 구성되는 보상 장치가 제공된다. 일반적으로, 제1 레지스터는 외부 전위에 결합하는 레지스터이다.
본 발명의 바람직한 제2 측면(제1 측면의 대안 또는 그것에 부가하여)에 따르면, 제어 디바이스는 펄스 폭 변조를 이용하여 제1 레지스터를 구동하도록 구성되고, 제1 절환 디바이스와 제2 절환 디바이스는 동기적으로(동시에) 절환된다.
본 발명의 제1 측면의 핵심 개념은, 레지스터(예, 제1 레지스터)가 오프 상태에서 중간 전위로 유지되고, 중간 전위는 제1 전위와 제2 전위 사이에 있다는 것이다. 중간 전위에 상응하는 전압은 예를 들어, 온 상태의 레지스터(제1 레지스터)의 제1 단자에 존재하는 전압(일반적으로, "공급 전압")의 30 내지 70%, 바람직하게 45 내지 55%, 더 바람직하게 48 내지 52%, 더 바람직하게 (적어도 대략)50%에 상응할 수 있다.
본 발명에 따른 보상 장치를 이용하여, 레지스터(제1 레지스터)와 하우징 사이의 커패시턴스들에 의해 생성되는 전류들은 적어도 부분적으로(이상적으로, 완전히) 서로 보상한다.
2개의 절환 디바이스들의 초기 스위칭 온(동기적)의 경우, 제1 절환 디바이스에 상대적으로 가깝게 놓인 레지스터 섹션에 상응하는 커패시터 내를 흐르는 전류는, 제2 절환 디바이스에 상대적으로 가깝게 놓인 레지스터 섹션에 상응하는 커패시터에 의해 다시 시작된다. 유사한 표현은, 상응하는(미러-이미지) 레지스터 섹션들에 상응하는 다른 커패시터들 또는 커패시터 부분들에 적용된다. 이상적으로, 전류는 접지를 통해 더 이상 흐르지 않는다. 만약, 2개의 절환 디바이스들이 동기적으로 또는 동시에 스위치 오프되면, 동일한(반대 방향의) 것이 만들어 질 수 있다.
본 발명의 제2 측면의 핵심 개념은, 레지스터가 오직 하나의 절환 디바이스에 의해서라기 보다는 2개의 절환 디바이스들에 의해 동기적으로 또는 동시에, 펄스 폭 변조를 이용하여 구동된다는 것이다. 이와 관련하여, 보상 장치(아래에서 설명되는 레지스터들과 연결 라인을 구비함)가 생략(또는 단지 선택적으로)될 수 있다. 이러한 보상 장치는 절환 디바이스들이 시동될 때에만 또는 초기에 온으로 절환된 후 특히, EMC 간섭을 감소시킬 수 있을 때에만 본질적으로 역할을 한다. 작동 시 PWM 구동 또는 이어지는 절환 공정의 경우(예들 들어, 레지스터가 가열 레지스터일 때, 연속적인 가열 전류를 가진), 보상 장치는 더 이상 기능을 하지 않고(또는, 그것이 제공되는 경우, 기껏해야 사소한 기능을 한다), 2개의 절환 디바이스들(단지 하나의 절환 디바이스 대신에)의 (사실상의)동시 절환에 의해 적어도 유사한 효과를 효과적으로 달성할 수 있게 된다. 궁극적으로, 레지스터의 양측 상의 2개의 절환 디바이스들의 결과로서, PWM 절환의 경우, PWM 동작 동안 완전한 전압 스윙이 존재하지 않고, 보다 적은 전압 스윙(특히, 적어도 대략 절반 만)이 존재한다.
그러므로, 전술한 보상 장치는 특히, 장점을 가진다. 레지스터(가열 레지스터)가 초기에 온으로 절환(시동)되거나 최종적으로 오프로 절환(정지)될 때, 단일 펄스는 보상되거나 적어도 최소화된다. 작동 동안(즉, PWM 작동 동안) 간섭을 보상하기 위하여, 그러한 보상 장치(이하의 레지스터들과 연결 라인을 구비함)는 절대적으로 필요한 것은 아니다. 이를 위하여, 본 발명의 제2 측면에 따르면, 2개의 절환 디바이스들이 동기적으로 또는 동시에 절환될 수 있도록 구성된 제어 디바이스가 제공된다.
본질적으로, 레지스터의 스위치 온(즉, 오프 상태에서 온 상태로의 변화 또는 레지스터의 스위치 오프 즉, 온 상태로부터 오프 상태로의 변화)과 절환 디바이스들의 절환 사이는 분명한 차이가 있다. 이와 관련하여, 레지스터(특히, 가열 레지스터)의 스위치 온은 특히, 초기의 시동(예를 들어, 적어도 10초 또는 적어도 1분 동안의 상대적으로 긴 휴지 기간 후에)으로서 이해되어야 한다. 따라서, 스위칭 오프는 특히, 레지스터의 최종(적어도 10초 또는 적어도 1분의 기간 동안) 멈춤(또는 전원으로부터 레지스터의 단절)으로서 이해되어야 한다. 심지어 PWM 구동의 경우, 공급에서 극히 짧은 중단들(개별 펄스들에 의해 분리된)이 있다. 그러나, 매우 짧은 이러한 중단들 동안, 레지스터(특히, 가열 레지스터)는 여전히 온 상태에 있다. 다시 말해서, 제1 절환 디바이스 또는 제2 절환 디바이스는 레지스터의 온 상태에서 오프로 절환(즉, 전류의 차단)될 수 있다. 절환 디바이스들과 관련하여, 스위치드-온(switched-on) 시간(즉, 절환 디바이스가 전류를 차단하지 않는 동안의 시간)과 스위치드-오프(switched-off) 시간(즉, 절환 디바이스가 전류를 차단하는 동안의 시간) 사이는 분명히 구별되어야 한다. 절환 디바이스들의 경우, 만약 레지스터가 운용되는 시간이 참고되면, 특히, 각각의 절환 디바이스의 "초기" 스위칭 온이 참고되어야 한다. 절환 디바이스들의 경우, 만약 레지스터의 멈춤이 참고되면, 절환 디바이스들의 "최종" 스위칭 오프가 참고되어야 한다. 이 경우에도, 초기 스위칭 온은 특히, 적어도 10초 또는 적어도 1분의 중단 후의 스위칭 온으로서 이해되어야 한다. 동일한 방식으로, 최종 스위칭 오프는 적어도 10초, 바람직하게 적어도 1분의 레지스터(가열 레지스터)의 작동 후의 중단을 의미해야 한다.
레지스터(제1 레지스터)와 컴포넌트(예, 하우징) 사이의 "공간적인 근접"은 특히 1cm 보다 더 작은 특히, 0.2cm 보다 더 작은, 레지스터와 컴포넌트 사이의, (최소)간격으로서 이해되어야 한다. 만약, 레지스터와 컴포넌트 사이의 간격이 일정하지 않으면(공간적으로, 즉 어느 정도의 중간 공간을 따라), "최소 간격"은 가장 작은 간격이다. 그러나, 레지스터와 컴포넌트는 레지스터와 하우징 사이에 단락이 형성되지 않을 정도로 서로 이격되어야 한다. 바람직하게, 레지스터(제1 레지스터)는 전기 가열 장치 특히, 전기 레이어 가열 장치의 레지스터이다. 전기 레이어 가열 장치들은 임의의 영역을 넘어 연장하고 전류가 통과할 때 가열되는 가열 레지스터를 구비한다. 일반적으로, 레지스터는 구동 전압 특히, 하우징 및/또는 샤시 컴포넌트에 대한 직접적인 참조없이 임의의 전위에 있는, (특히, 접지된) 컴포넌트에 공간적으로 근접되게 배치되어 열을 방출하는 레지스터이다. 레지스터는 일반적으로 가열 레지스터일 수 있고, 즉 그것을 통해 가열을 목적으로 하는 가열 장치 내에서 열이 생성되는 컴포넌트, 또는 냉각될 필요가 있는 다른 레지스터일 수 있다.
일 실시예에서, 제어 디바이스는 제2 레지스터(고-저항), 제3 레지스터(고-저항) 및 연결 라인을 구비하고, 제2 레지스터와 제3 레지스터는 서로 직렬로 연결되고, 제1 절환 디바이스, 제1 레지스터 및 제2 절환 디바이스로 형성된 직렬 회로에 병렬로 연결되고, 연결 라인은 제2 레지스터와 제3 레지스터 사이의 점을 2개의 절환 디바이스들 사이의 점에 연결한다. 그러한 구조의 경우, 원하는 중간 전위(특히, 중간-전압)를 용이하게 설정할 수 있다. 고-저항 레지스터는 제1 레지스터의 저항값보다 상당히 더 높은(예, 적어도 2배 또는 적어도 5배 높은) 저항값을 가진 레지스터를 의미하는 것으로 이해해야 한다. 예시적인 방식으로, 레지스터(고-저항)의 저항값은 적어도 1 kΩ, 바람직하게 적어도 1 MΩ일 수 있다.
제2 레지스터 및 제3 레지스터에 부가하여 또는 대안적으로, 보상 장치는 상응하는 전압(특히, 중간-전압)이 제1 레지스터에서 설정될 수 있는 효과를 가진 능동 회로를 구비할 수 있다.
제2 레지스터의 저항값과 제3 레지스터의 저항값은 최대 10% 만큼 차이가 있다. 보다 바람직하게, 제2 레지스터의 저항값과 제3 레지스터의 저항값은 (적어도 실질적으로)동일하다. 이러한 차이(최대 10%)는 저항값들의 차이가 우선 형성되고 이러한 차이가 더 작은 저항값에 의해 나눠지는(그리고, 백분율에 도달하기 위해 100이 곱해지는) 방식으로 계산되어야 한다. 특히, 레지스터들이 실질적으로(또는 적어도 실질적으로) 동일하면, 전술한 간섭이 현저히 감소되거나 이상적으로 심지어 완전히 방지될 수 있다.
전술한 연결 라인은 예를 들어, 제1 레지스터의 중간(대략)에 연결될 수 있다. 그러나, 연결 라인을 다른 지점(제1 절환 디바이스와 제2 절환 디바이스 사이), 예를 들어, 제1 절환 디바이스(또는 그 부근) 또는 제2 절환 디바이스, 그 밖에 다양한 지점들에 연결하는 것도 생각해 볼 수 있다.
제1 절환 디바이스 및/또는 제2 절환 디바이스는 트랜지스터 특히, MOSFET 또는 IGBT로서 구성될 수 있고, 또는 실리콘 또는 탄화 규소 또는 갈륨 비소 계열 트랜지스터(MOSFET 또는 IGBT)를 구비한다. 결과적으로, 신속하고 신뢰성 있게 절환될 수 있는 구조가 제공된다.
본 발명의 제1 측면에 따른 레지스터 절환용 조립체는 바람직하게, 제1 절환 디바이스와 제2 절환 디바이스를 동기적으로(동시에) 절환하도록 구성된 제어 디바이스를 구비한다. 그러나, 본질적으로, 절환(바람직하게, 동기) 역시 조립체의 일부일 필요가 없는 다른 컴포넌트에 의해 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 제1 측면에 따른 레지스터 절환용 조립체는 본질적으로 상응하는 보상이 용이하게 가능한 구조(바람직하게, 동기 절환의 경우)가 제공되는 전술한 모든 것(전기적인 관점에서)과 구별된다.
중간 전위에 상응하는 전압(특히, 중간-전압)을 지원하기 위하여, 예를 들어, 제2 레지스터 및/또는 제3 레지스터에 병렬로 연결된, 하나 이상의 커패시터를 구비하는 서포트 요소가 제공되는 것이 바람직하다. 만약, 제1 절환 디바이스와 제2 절환 디바이스가 "100%" 동기로 스위치 온될 수 없으면, 이것은, 절환 시간 및 시간 차이에 따라, 접지를 통해 흐르는 상이한 전류를 발생시킨다. 그러면, 서포트 요소(특히, 커패시터들)는 시간 차이 효과를 경감하기 위하여 필요한 전압(중간-전압)을 지원할 수 있다. 가장 간단한 경우, 커패시터들은 제2 레지스터와 제3 레지스터(고-저항)에 병렬로 연결된다.
마이크로컨트롤러 및/또는 FPGA(필드 프로그램 가능 게이트 어레이)가 추가적으로 제공될 수 있다. FPGA는 집적 회로(논리 회로가 프로그램될 수 있는)이다. 마이크로컨트롤러 또는 FPGA는 제1 절환 디바이스 및/또는 제2 절환 디바이스의 절환을 제어하기 위하여 특히, 제1 절환 디바이스와 제2 절환 디바이스의 절환 시간을 더 날카롭게 하기 위해 제공된다. 이것의 결과로서, 2개의 절환 디바이스들(바람직하게, 실리콘, 탄화 규소 또는 갈륨 비소 계열의 특히, 트랜지스터 또는 MOSFET 또는 IBGT)의 타이밍(절환 시간) 면에서 곤란성들이 현저히 경감될 수 있고, 결과적으로, 가급적 높은 정도의 동기성을 얻기 위해 이러한 타이밍이 더 날카롭게 될 수 있다. 그러므로, 능률적인 보상이 달성될 수 있다.
레지스터 절환용 조립체는 전류원 특히, DC 전류원을 더 구비할 수 있다. 그러나, 그러한 전류원은 외부적으로 마련될 수 있으므로, 레지스터 절환용 조립체는 전류원에 연결하기 위한 상응하는 단자들을 구비한다.
제1 절환 디바이스의 스위치-온 시간과 제2 절환 디바이스의 스위치-온 시간 사이의 시간 지연은 바람직하게, 제1 절환 디바이스의 스위치드-온(switched-on) 시간의 20% 보다 더 짧고, 바람직하게 5% 보다 더 짧다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제1 절환 디바이스의 스위치-오프 시간과 제2 절환 디바이스의 스위치 오프 시간 사이의 시간 지연은 제1 절환 디바이스의 스위치드-온(switched-on) 시간의 20% 보다 더 짧고, 바람직하게 5%보다 더 짧다.
PWM 구동의 클록 속도(주파수)는 바람직하게, 1 kHz 내지 30 kHz, 보다 바람직하게 8 kHz 내지 25 kHz이다. PWM 구동의 펄스 폭(듀티 사이클)은 바람직하게, 사이클의 1% 내지 100%의 범위이다.
전술한 목적은, 제어 방법에 의해 특히, 구동 전압에 대한 (직접적인) 참조없이 임의의 전위에 있는 특히, 접지된 컴포넌트 특히, 하우징 및/또는 샤시 컴포넌트에 공간적으로 근접되게 배치되고, 제1 단자와 제2 단자를 구비하고, 열을 발산하는 제1 레지스터를 절환하기 위한 전술한 레지스터 절환용 조립체를 사용하여 달성된다.
본 발명의 방법의 바람직한 제1 측면에 따르면, 제1 레지스터의 온 상태의 제1 단자는 제1 전위에 있고, 온 상태의 제2 단자는 제2 전위에 있으며, 오프 상태의 레지스터는 제1 전위와 제2 전위 사이의 중간 전위로 유지되고 특히, 적어도 공급 전압의 대략 절반으로 유지된다.
본 발명의 방법의 바람직한 제2 측면에 따르면, 레지스터(제1 레지스터 특히, 가열 레지스터)는 펄스 폭 변조를 이용하여 구동되고, 제1 단자와 연관된 제1 절환 디바이스와 제2 단자에 연관된 제2 절환 디바이스는 동기적으로 절환된다.
바람직하게, 본 발명의 방법의 제1 측면에서, 제1 단자에 연관된 제1 절환 디바이스와 제2 단자에 연관된 제2 절환 디바이스는 동기적으로(특히, 동시에), 적어도 초기 스위칭-온 및 최종 스위칭-오프 때, 절환된다.
제1 절환 디바이스의 스위치-온 시간과 제2 절환 디바이스의 스위치-온 시간 사이의 시간 지연은 제1 절환 디바이스의 스위치드-온 시간의 바람직하게, 20%보다 더 짧고, 바람직하게, 5%보다 더 짧다. 대안적으로 또는 부가적으로, 제1 절환 디바이스의 스위치-오프 시간과 제2 절환 디바이스의 스위치-오프 시간 사이의 시간 지연은 제1 절환 디바이스의 스위치드-온 시간의 20%보다 더 짧고, 바람직하게 5%보다 더 짧다.
전술한 목적은 전기 가열 장치 특히, 전술한 형태의 레지스터 절환용 조립체를 구비하고 및/또는 전술한 제어 방법을 수행하도록 구성된, 레이어 가열 장치에 의해 달성된다. 전기 가열 장치와 제어 방법의 장점들과 관련하여, 전술한 레지스터 절환용 조립체와 관련하여 설명된 부분이 참조된다. 전기 가열 장치는 가열 와이어(클록됨) 또는 가열 요소로서 PCT 소자를 구비할 수 있다.
전기 레이어 히터는 전기 레지스터를 형성하는 가열 레이어를 구비할 수 있고, 가열 레이어를 통과하는 전류의 유동에 의해 가열되어, 그러한 열은 가열 목적을 위해 발산될 수 있다.
가열 레이어(가열 코팅)는 예를 들어, 플라즈마 코팅법 특히, 플라즈마 스프레이법, 또는 스크린 인쇄법으로 또는 저항 페이스트로서, 특히 절연 레이어가 부가될 수 있다. 플라즈마 코팅법에서, 예를 들어, 전기 전도층이 특히, 절연층에 먼저 부가될 수 있다. 이어서, 전기 전도층이 컷-아웃되어 일부 구역들에 도전 트랙 또는 다수의 도전 트랙들이 남겨질 수 있다. 그러나, 마스킹법을 사용하는 것이 바람직하다. 그러면, 도전 트랙들은 가열 레지스터 또는 다수의 가열 레지스터들을 형성할 수 있다. 마스킹법에 대한 대안으로서, 상기 구역들은 예를 들어, 레이저에 의해 전도층으로부터 컷-아웃될 수 있다. 가열 코팅은 예를 들어, 금속층일 수 있고 니켈 및/또는 크롬을 구비할 수 있고, 또는 상기 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 70-90% 니켈과 10-30% 크롬이 사용될 수 있고, 80% 니켈과 20% 크롬의 비율이 가장 적합한 것으로 간주된다.
가열 코팅은 예를 들어, 적어도 5 cm2, 바람직하게 적어도 10 cm2 및/또는 최대 200 cm2, 바람직하게 최대 100 cm2의 면적을 커버할 수 있다.
가열 코팅은 바람직하게 적어도 5 ㎛, 바람직하게 10 ㎛ 및/또는 최대 1mm, 바람직하게 최대 500 ㎛, 심지어 바람직하게 최대 30 ㎛, 더 바람직하게 최대 20 ㎛의 높이(두께)를 구비한다. 가열 코팅에 의해 구획되는 도체 트랙은 적어도 1mm, 바람직하게 적어도 3mm, 보다 바람직하게 적어도 5mm, 보다 더 바람직하게 적어도 10mm, 더 바람직하게 적어도 30mm의 폭을 가질 수 있다. "폭"이라는 표현은 길이 방향 크기(보통, 전류 흐름 방향을 정의함)에 직교하는 도체 트랙의 크기를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 레지스터 절환용 조립체(특히, 마련될 수 있는 가열 코팅)는 저-전압 범위, 바람직하게 12 볼트, 24 볼트 또는 48 볼트에서 작동하도록 설계될 수 있다. "저-전압 범위"는 100 볼트 보다 낮은 특히, 60 볼트(DC 전류)보다 낮은, 작동 전압을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따른 레지스터 절환용 조립체(특히, 마련될 수 있는 가열 코팅)는 고-전압 범위, 바람직하게 100 볼트 초과, 또는 250 볼트 초과 또는 500 볼트 초과, 예를 들어 250-800V에서 작동하도록 설계된다. 더 높은 볼트 범위에서, 회피되어야 할 전술한 효과들은 특히, 선행기술에서 설명되었다. 일반적으로, 가열 장치, 및 특히, 마련될 수 있는 가열 코팅은 DC 전류로 작동하도록 설계된다.
레이어 히터 또는 가열 코팅은 본질적으로 WO 2013/186106 A1 및/또는 WO 2013/030048 A1에 개시된 바와 같이 구성될 수 있다. 이들 문헌들은 전압이 인가될 때(또는 전류가 흐를 때), 가열되는 전기 가열 레이어를 구비하는 히터들을 개시한다.
전술한 레지스터들은 임의의 필요한 전기 전도성 물질로부터 제조될 수 있지만, 바람직하게 금속으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 레지스터 절환용 조립체 및/또는 본 발명에 따른 방법 및 특히, 전기 가열 장치는 바람직하게 차량, 특히 자동차에 사용될 의도를 가지고 및/또는 상응하게 구성된다.
다른 실시예들은 종속항들로부터 드러난다.
이하, 본 발명은 선행기술 및 예시적인 제1 실시예를 참조하여 설명될 것이고, 이들은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 선행기술에 따라, 하우징 부근에 배치된 레지스터를 절환하고 전력을 공급하기 위한 레지스터 절환용 조립체를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라, 제1 절환 공정 동안, 하우징 부근에 배치된 레지스터를 절환하고 전력을 공급하기 위한 레지스터 절환용 조립체를 도시한다.
도 3은 제2 절환 공정 동안 도 2에 따른 레지스터 절환용 조립체를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라, 제1 절환 공정 동안, 하우징 부근에 배치된 레지스터를 절환하고 전력을 공급하기 위한 레지스터 절환용 조립체를 도시한다.
이어지는 상세한 설명에서 동일한 참조부호들은 동일한 기능을 가진 동일한 구성요소를 위해 사용된다.
도 1은 선행기술에 따라, 절환될 전기 레지스터를 구비하는 레지스터 절환용 조립체의 개략도를 도시한다. 이 경우, 절환될 전기 레지스터는 레지스터들(R1-R4)에 의해 상징적으로 묘사된다. 그러나, 본질적으로, 이 경우와 관련된 것은 단지 하나(연속적인)의 레지스터이다. 이와 같이, 개략적으로 도시된 레지스터들(R1-R4)은 레지스터의 레지스터 섹션들(즉, 직렬로 연결된 레지스터의 개별 섹션들)로서 이해될 수도 있다. 그러나, 대안으로서, 서로 구조적으로 범위가 정해진 레지스터들(예를 들어, 4개의 레지스터)은 실제로 관련될 수도 있다. 레지스터(R1-R4)는 열 방출(냉각) 목적으로 하우징(10)에 가깝게 배치된다.
도 1에 도시된 커패시터들(C1-C5)은 하우징에 대한 근접 배치로부터 생기는 레지스터의 커패시턴스의 상징적 묘사에 상응한다. 4개의 섹션들(R1,R2,R3,R4)을 구비하는 레지스터(R1-R4)의 도면에서, 이들 커패시턴스들은 개별 섹션들에 할당될 수 있다.
나아가서, 온/오프로 절환될 수 있는 스위치(M)(구체적으로, 트랜지스터 특히, MOSFET 또는 IGBT)가 제공된다. 만약, 스위치(M)가 오프로 절환되면, 레지스터(R1-R4)는 전압 공급원(11)에 의해 제공되는 공급 전압에 있다. 만약, 스위치(M)가 온으로 절환되면, 레지스터(R1-R4)를 가로지르는 전압이 변화한다. R1의 하단(도 1)은 0 V를 향해서 가는 한편, R1의 상단(도 1)은 공급 전압에 남아 있다. 이것의 결과는 커패시터(C1-C5)가 완전히 또는 부분적으로 방전되는 것이다. 커패시터(C1)는 예를 들어, 완전히 방전되는 한편, 커패시터(C3)는 공급 전압의 절반으로 방전된다. 공급 전압의 절반은 전체 레지스터를 가로지르는 중간 전압에 상응한다.
평균하여, 완전한 커패시턴스는 공급 전압의 절반으로 방전된다.
만약 스위치(M)가 (최종적으로)오프로 절환되면, 위에서 설명된 공정이 기본적으로 반복된다. 그러나, 커패시터들은 방전되지 않고, 공급 전압까지 충전된다. 커패시터들(C1-C5)의 이러한 충전과 방전은 절환의 속도에 따라 심각한 EMC 간섭(라인 전도 간섭 및 방사 간섭 모두)으로 유도될 수 있다.
참조부호 12는 중간 회로 커패시터를 나타낸다. 다른 커패시터들(13)과 인덕터들(14)은 전원선 임피던스 안정화 회로망(LISN)의 일부를 형성하고, 본 발명을 위해 더 중요하지 않다. 참조부호 15는 하우징(10)의 접지를 상징한다.
도 2는 도 1과 유사하지만, 본 발명에 따른 차이점을 가진 레지스터 절환용 조립체를 도시한다. 참조부호 10 내지 15를 가진 요소들/유니트들은 도 1의 선행기술에 따른 레지스터 절환용 조립체에 상응한다.
그러나, 선행기술과 대비하여, 도 2에 따른 레지스터 절환용 조립체는 도 1의 하나의 스위치(M)가 아니라, 2개의 스위치들(M1,M2)(트랜지스터들, 바람직하게 MOSFET 또는 IGBT)을 구비한다. 또한, 본 발명에 따른 레지스터 절환용 조립체는, 연결 라인(18)에 의해 제1 레지스터(R1-R4)에 연결된 2개의 레지스터들(고-저항)(16,17)을 구비한다.
구체적으로, 제1 절환 디바이스(M1), 제1 레지스터(R1-R4) 및 제2 절환 디바이스(M2)는 서로 직렬로 연결된다. 제2 레지스터(고-저항)(16)와 제3 레지스터(고-저항)(17)는 서로 병렬로 연결된다. 연결 라인(18)은 한편으로 레지스터들(고-저항)(16,17) 사이에서 연결되고, 다른 한편으로 레지스터(R1-R4)에 연결된다. 구체적으로, 연결 라인(18)은 제2 레지스터 섹션(R2)과 제3 레지스터 섹션(R3) 사이에 연결될 수 있다. 그러나, 이것은 강제적인 것은 아니다. 또한, 연결 라인은 예를 들어, R1 위에 또는 R3 아래에 배열될 수 있다.
I1 및 I2는 스위치들(M1,M2)이 스위치 온 될 때 흐르는 전류들을 표시한다.
본 실시예에서, 2개의 레지스터들(고-저항)(16,17)은 동일한 값을 가진다(그러나, 적어도 약간 변화할 수 있다). 스위치들(M1,M2)은 동기적으로(동시에) 절환된다.
스위치들(M1,M2)이 동기적으로(특히, 초기에) 스위치 온 될 때, C5에서 흐르는 전류는 C1에 의해 다시 시작된다. C4와 C2에도 동일한 원리가 적용된다. 이상적으로, 그러면 전류는 접지를 통해 더 이상 흐르지 않는다. 원칙적으로, 스위치들(M1,M2)이 동기적으로 스위치 오프되면, 동일한 현상이 발생한다(반대 방향으로). 이것은 도 3에 도시된다. 도 3은 오프로 절환될 때 흐르는 전류들(I1,I2)이 도시된 점을 제외하고 나머지는 도 2와 유사하다.
만약, 절환 디바이스들(M1,M2)이 (정확하게)동기적으로 온으로 절환되지 않으면, 절환 시간 및 시간 차이에 따라, 특히 전류는 접지(15)를 경유하여 흐른다. 그러나, 절환 디바이스들(M1,M2)이 (정확하게)동기적으로 절환되지 않을 때에도, 원치 않은 전류가 적어도 10배로 감소될 수 있다(도 1에 따른 구동과 비교하여). 또한, 커패시터들은, 시간 차이의 효과를 경감하기 위하여, 절환 디바이스들(M1,M2)의 스위치드-오프 상태에 있는 레지스터(R1-R4)에 존재하는 중간-전압을 지원할 수 있다. 이들 커패시터들은 예를 들어, 2개의 레지스터들(고-저항)(16,17)과 병렬로 배치될 수 있다.
절환 디바이스들(M1,M2)은 제어 디바이스(19)에 의해 제어된다. 레지스터들(고-저항)(16,17)과 연결 라인(18)은 절환 디바이스들(M1,M2)의 스위치드-오프 상태(최종적으로)에 있는 레지스터(R1-R4)에 중간-전압이 걸리는 것을 보장하는(전술한 바와 같이), 보상 디바이스(20)의 요소들이다.
또한, 예를 들어, 마이크로컨트롤러 또는 FPGA와 같은 (급속)제어 유니트는, 비교적으로 높은 정도의 동기성을 달성하기 위하여, 2개의 절환 디바이스들(MOSFET)(M1,M2)의 절환 시간(타이밍)을 더 날카롭게 하거나 정밀하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 4는 보상 장치(레지스터들(16,17)과 연결 라인(18)을 구비하는)가 제공되지 않는 차이점을 제외하고 도 2 및 도 3에 따른 실시예에 상응한다. 이 실시예에서, 레지스터(R1-R4)는 PWM을 이용하여 구동된다. 이 경우, 초기 스위칭 온과 초기 스위칭 오프뿐만 아니라 레지스터(R1-R4)의 작동 동안(즉, 레지스터의 온 상태 동안), 절환 디바이스들은 동기적으로 절환된다. 결과적으로, 작동 동안 레지스터(특히, 가열 레지스터)의 PWM 구동 동안의 간섭은 보상될 수 있거나 적어도 감소될 수 있다. 도 2 및 도 3에 따른 제1 실시예 역시 레지스터(R1-R4)의 PWM 구동이 발생한다(특히, 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이).
여기서, 특히 도면들에 상세히 설명된 전술한 모든 부분들은 개별적으로 그리고 임의 조합으로 본 발명에 필수적인 것으로 청구된다. 본 발명에 대한 변형 또는 수정이 당업자에게 자명한 범위 내에서 수행될 수 있음을 이해해야 한다.
C1 - C5...커패시터(전체 커패시턴스의 상징적 표현)
M...절환 디바이스
M1...제1 절환 디바이스
M2...제2 절환 디바이스
R1 - R4...레지스터(전체 저항의 상징적 표현)
10...하우징
11...전압 공급원
12...중간 커패시터
13...커패시터
14...인덕터
15...접지
16...제2 (고-저항)레지스터
17...제3 (고-저항)레지스터
18...연결 라인
19...제어 디바이스
20...보상 장치

Claims (12)

  1. 열을 방출하는 제1 레지스터(R1-R4), 상기 제1 레지스터(R1-R4)를 절환하기 위한 제어 디바이스, 및 구동 전압에 대한 직접적인 참조없이 임의의 전위에 있는 접지된 컴포넌트 또는 하우징 컴포넌트(10)를 구비하는 레지스터 절환용 조립체로서,
    - 상기 제1 레지스터(R1-R4)는 상기 하우징 컴포넌트(10)에 공간적으로 근접되게 배치되고, 제1 단자와 제2 단자를 구비하며,
    - 상기 제어 디바이스는 제1 절환 디바이스(M1)와 제2 절환 디바이스(M2)를 구비하고,
    - 상기 제1 절환 디바이스, 상기 제1 레지스터(R1-R4) 및 상기 제2 절환 디바이스(M2)는 순서대로 직렬로 연결되어 직렬 회로를 형성하고,
    -- 상기 제1 레지스터(R1-R4)가 온(on) 상태일 때, 상기 제1 단자는 제1 전위에 있고 상기 제2 단자는 제2 전위에 있어서 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 전압이 걸리고, 상기 제1 레지스터(R1-R4)가 오프(off) 상태일 때, 상기 제1 전위와 상기 제2 전위 사이가 공급 전압의 적어도 절반에 해당하는 중간 전위로 유지되도록 구성된 보상 장치(20)를 더 구비하고, 및/또는
    -- 상기 제어 디바이스는 펄스 폭 변조(PWM)를 이용하여 상기 제1 레지스터를 구동하도록 구성되고, 상기 제1 절환 디바이스(M1)와 상기 제2 절환 디바이스(M2)는 동기적으로 절환되는, 레지스터 절환용 조립체.
  2. 청구항 1에서,
    상기 보상 장치(20)는 고-저항의 제2 레지스터(16), 고-저항의 제3 레지스터(17), 및 연결 라인(18)을 구비하고,
    상기 제2 레지스터(16)와 상기 제3 레지스터(17)는 서로 직렬로 연결되고, 상기 제1 절환 디바이스(M1), 상기 제1 레지스터(R1-R4) 및 상기 제2 절환 디바이스(M2)로 형성된 직렬 회로에 병렬로 연결되고,
    상기 연결 라인(18)은 상기 제2 레지스터(16)와 상기 제3 레지스터(17) 사이의 지점과 2개의 절환 디바이스들(M1,M2) 사이의 지점을 연결하는, 레지스터 절환용 조립체.
  3. 청구항 2에서,
    상기 제2 레지스터(16)의 저항값과 상기 제3 레지스터(17)의 저항값은 서로 최대 10%만큼 상이한, 레지스터 절환용 조립체.
  4. 청구항 1에서,
    상기 제1 절환 디바이스(M1) 및/또는 상기 제2 절환 디바이스(M2)는 실리콘계 및/또는 실리콘 카바이드계 및/또는 갈륨 비소계 트랜지스터를 포함하는, 레지스터 절환용 조립체.
  5. 청구항 1에서,
    상기 제어 다바이스(19)는, 상기 제1 절환 디바이스(M1)와 상기 제2 절환 디바이스(M2)를 동기적으로 절환하도록 구성된, 레지스터 절환용 조립체.
  6. 청구항 1에서,
    상기 중간 전위에 상응하는 전압을 지원하기 위해, 제2 레지스터 및/또는 제3 레지스터에 병렬로 연결된 하나 이상의 커패시터들을 포함하는 서포트 요소를 더 구비하는, 레지스터 절환용 조립체.
  7. 청구항 1에서,
    상기 제1 절환 디바이스와 상기 제2 절환 디바이스의 절환 시간을 더 날카롭게 하기 위하여, 상기 제1 절환 디바이스 및/또는 상기 제2 절환 디바이스의 절환을 제어하기 위한 마이크로컨트롤러 및/또는 FPGA를 더 구비하는, 레지스터 절환용 조립체.
  8. 청구항 1에서,
    전압 공급원(11) 또는 DC 전류원을 더 구비하는, 레지스터 절환용 조립체.
  9. 청구항 1에서,
    상기 제1 절환 디바이스의 스위치-온 시간과 상기 제2 절환 디바이스의 스위치-온 시간 사이의 시간 지연은, 상기 제1 절환 디바이스의 스위치-온 시간의 20% 보다 더 짧거나 5% 보다 더 짧고, 및/또는
    상기 제1 절환 디바이스의 스위치-오프 시간과 상기 제2 절환 디바이스의 스위치-오프 시간 사이의 시간 지연은, 상기 제1 절환 디바이스의 스위치드-온(switched-on) 시간의 20% 보다 더 짧거나 5% 보다 더 짧은, 레지스터 절환용 조립체.
  10. 구동 전압에 대한 직접적인 참조없이 임의의 전위에 있는 접지된 컴포넌트 또는 하우징(10) 컴포넌트에 공간적으로 근접되게 배치되고, 제1 단자와 제2 단자를 구비하고, 열을 발산하는 제1 레지스터(R1-R4)를 절환하기 위해, 청구항 1의 레지스터 절환용 조립체를 사용하는, 제어 방법으로서,
    - 상기 제1 레지스터가 온 상태일 때 상기 제1 단자는 제1 전위에 있고 상기 제2 단자는 제2 전위에 있으며, 오프 상태일 때 상기 제1 레지스터(R1-R4는 상기 제1 전위와 상기 제2 전위 사이의 중간 전위로 유지되거나, 적어도 공급 전압의 절반으로 유지되고, 및/또는
    - 상기 제1 레지스터는 펄스 폭 변조를 이용하여 구동되고, 상기 제1 단자와 연관된 제1 절환 디바이스(M1)와 상기 제2 단자에 연관된 제2 절환 디바이스(M2)는 동기적으로 절환되는, 제어 방법.
  11. 청구항 10에서,
    상기 제1 절환 디바이스의 스위치-온 시간과 상기 제2 절환 디바이스의 스위치-온 시간 사이의 시간 지연은, 상기 제1 절환 디바이스의 스위치드-온 시간의 20%보다 더 짧거나 5%보다 더 짧고, 및/또는,
    상기 제1 절환 디바이스의 스위치-오프 시간과 상기 제2 절환 디바이스의 스위치-오프 시간 사이의 시간 지연은, 상기 제1 절환 디바이스의 스위치드-온 시간의 20%보다 더 짧거나 5%보다 더 짧은, 제어 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 레지스터 절환용 조립체를 구비하고,
    청구항 10 또는 청구항 11에 따른 제어 방법을 수행하기 위해, 가열 장치의 전기 레지스터를 제어하도록 구성된, 전기 가열 장치.
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