KR102193895B1 - H-브리지 회로 모듈 내에서 복수의 반브리지의 병렬 연결 - Google Patents

H-브리지 회로 모듈 내에서 복수의 반브리지의 병렬 연결 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차에서 유닛(200)에 전류를 공급하기 위한 회로 장치(100)에 관한 것이며, 상기 회로 장치는 각각 2개의 트랜지스터를 구비한 2개 이상의 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)를 포함하고, 2개 이상의 반브리지(111, 112; 121, 122) 각각은 H-브리지 회로 모듈(110, 120)에 통합되며, 이러한 H-브리지 회로 모듈은, 통합된 반브리지(111, 112, 121, 122)를 위한 액티브 프리휠을 활성화 신호에 따라 활성화 또는 비활성화하도록 구성된 통합된 컴퓨팅 유닛(113, 123)을 포함한다.

Description

H-브리지 회로 모듈 내에서 복수의 반브리지의 병렬 연결{PARALLEL CONNECTION OF A NUMBER OF HALF-BRIDGES IN H-BRIDGES CIRCUIT MODULES}
본 발명은, 회로 장치뿐 아니라, 이러한 회로 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
자동차에는 다양한 목적을 위해, H-브리지 트랜지스터 회로들이 이용된다. 이를 위해, 상대적으로 거친 환경 조건들(열, 온도 변동, 습도 등)로 인해, 특히 파워 트레인(예: 스로틀 제어 장치, 배기가스 재순환 시스템, 가변 밸브 제어 장치, 가변 기하구조를 갖는 터보차저 등)의 영역에서 직류 모터들의 구동을 위해, 대개 모놀리식 집적 회로들(하기에서, H-브리지 IC, H-브리지 회로 모듈, 또는 H-브리지로서 표현됨)이 이용되는데, 상기 모놀리식 집적 회로들은 회로 트랜지스터들을 구비한 다수의 반브리지 외에도 내부 제어 및 모니터링 기능들, 특히 내부 전류 제한 및 자동 액티브 프리휠을 포함한다.
내부 전류 제한은, 연결된 컴포넌트를 위해 H-브리지의 반브리지에 의해 제공되는 전류가 자동으로 (대개 하이-사이드 트랜지스터의 내부 PWM 구동을 통해) 특정 값으로 제한되게끔 한다. 액티브 프리휠의 경우, 패시브 위상(하이-사이드 트랜지스터 오프)에서, 내부 프리휠 다이오드는 로두-사이드 트랜지스터의 스위치 온을 통해 브리지된다. 이는 손실 전력을 감소시킨다. H-브리지 IC는 상기 기능성을 제공하기 위해, 인터페이스, 예컨대 버스 인터페이스(예: SPI 버스)도 구비할 수 있는 내부 컴퓨팅 유닛을 포함한다. 인터페이스를 통해, H-브리지 IC의 구성 및 구동을 수행할 수 있고 데이터를 판독할 수 있다.
그러나 H-브리지 IC의 "지능형" 구성은 어려운 사항들을 야기하는데, 그 이유는, 여기서 뜻하지 않게, 예컨대 과전류 상황에서 모든 반브리지가 동기 방식으로 (다시 말해 동시에 온 및 오프되는 방식으로) 전류 제한 상태에 있지 않는다면, 개별 반브리지들 사이에 횡방향 전류가 발생할 수 있으므로, 상기 H-브리지 IC의 반브리지들이 병렬로 (입력단들 및 출력단들이 병렬로) 연결될 수 없기 때문이다.
그러나 특정 상황에서, 예컨대 높은 전류 및/또는 높은 온도의 조건에서, 상기 유형의 2개 이상의 반브리지를 병렬로 작동시키는 것이 바람직하다. 바로 자동차의 경우, 여기저기서 매우 높은 온도가 발생한다. 주변 온도가 더 높아질수록, 반브리지는 연결된 유닛을 위해 더 낮은 전력을 제공할 수 있다. 또한, 반브리지에서 전환할 수 있는 손실 전력이 모놀리식 구성을 통해 제한되기 때문에, 연결된 유닛의 전기 수요가 높거나, 높은 주변 온도 조건에서 상기 H-브리지 IC의 이용 시, 2개 이상의 반브리지를 병렬로 연결하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라서, 독립 청구항들의 특징들을 갖는 회로 장치뿐 아니라 상기 회로 장치를 작동시키기 위한 방법이 제안된다. 바람직한 구현예들은 종속항들 및 하기 설명의 대상이다.
본 발명은, H-브리지 IC의 2개의 반브리지의 병렬 연결이 실질적으로, 과전류 상황에서 모든 반브리지가 동기 방식으로 전류 제한 상태에 있지 않는다면, 자동 액티브 프리휠을 바탕으로 반브리지의 로두-사이드 트랜지스터가 전류 제한 상태에서 스위치 온되고 그에 따라 병렬 반브리지의 하이-사이드 트랜지스터와 함께 전류 제한 없이 단락을 형성하기 때문에, 의도하지 않은 횡방향 전류를 초래한다는 지식을 이용한다. 따라서 이미 액티브 프리휠의 저지를 통해 병렬 연결이 가능하다.
본 발명은, 자동차에서 지능형 H-브리지 IC들의 2개 이상의 반브리지를 병렬로 작동시킬 수 있는 가능성을 기술한다. 그러나 이러한 경우 H-브리지 IC들에 제공되어 있는 제어 및 모니터링 기능들은 유지된다.
병렬로 연결된 H-브리지들 내에서 발생하는 손실 전력은 매우 적게 유지된다.
본 발명의 범위에서, 액티브 프리휠을 선택적으로 비활성화시킬 수 있는 가능성이 있는 H-브리지 IC들이 제안되고 이용된다. 그럼으로써, 내부 전류 제한 상태에서도 2개 이상의 반브리지의 병렬 작동이 가능하다. 비활성화 가능성은 H-브리지 IC의 내부 컴퓨팅 유닛의 상응하는 구성을 통해, 예컨대 SPI 버스를 통한 구성 레지스터의 기록을 통해 수행될 수 있다.
본 발명은 더 낮은 (평균) 전자 장치 온도와 향상된 효율을 유도한다. 과도 상태의 전력 피크에 대해 가능한 온도 상승도 증가된다. (평균) 시스템 동적 거동은 향상되고, 적용은 높은 주변 온도 조건에서도 더욱 견고해진다. 증가된 전력 피크를 통해, 연결된 유닛, 예컨대 스로틀 밸브도 마찬가지로 증가된 동적 거동으로 작동될 수 있다. 이는 재차 전체 시스템 동적 거동에 긍정적으로 작용한다.
전형적인 H-브리지 IC는 각각의 중앙 탭 단자(central tap terminal)를 구비한 2개 이상의 반브리지를 포함하고, 전기 공급할 유닛은 2개의 중앙 탭 단자 사이에, 또는 하나의 중앙 탭 단자와 접지 사이에 연결된다. 이제, 반브리지들의 병렬 연결 시, 하나의 반브리지에 하나 이상의 반브리지가 병렬 연결된다. 바람직하게, 전기 공급할 유닛은, 내부에 각각 2개 이상의 반브리지가 병렬 연결되어 있는 2개의 H-브리지 IC 사이에도 연결될 수 있다.
바람직하게, 제1 반브리지의 액티브 프리휠은, 하나 이상의 병렬 연결된 제2 반브리지가 전류 제한 상태에 있다면, 비활성화된다.
바람직하게, 모든 병렬 연결된 반브리지의 액티브 프리휠은, 연결된 유닛으로 공급될 전류에 따라서 활성화 또는 비활성화된다. 이는 비활성화된 액티브 프리휠을 통해 야기되는 손실 전력을 감소시킨다.
바람직하게, 액티브 프리휠은 외부에서 활성화 및 비활성화될 수 있으며, 이를 위해 바람직하게는 상응하는 입력단이 하나 이상의 H-브리지 IC에 제공된다. 입력단은 분리되거나, 버스 인터페이스(예: SPI)의 범위에서 실현할 수 있다. 활성화/비활성화는 예컨대 내부 구성 레지스터의 설정/삭제를 통해 이루어질 수 있다. 그러면, 액티브 프리휠의 활성화 및 비활성화는, 바람직하게는 상위의 유닛, 바람직하게는 마이크로컴퓨터 또는 제어 장치를 통해 이루어진다.
한 바람직한 실시예에 따라서, 한 작동 모드에서, 특히 연결된 유닛에 대해 요구되는 전력 출력이 낮은 경우("절약 모드"), 모든 병렬 연결된 반브리지는 하나의 반브리지를 제외하고 완전하게 차단될 수 있으며, 그럼으로써 낮은 전력 출력은 상기 하나의 반브리지에 의해 단독으로 그에 따라 최적의 조건에서 수행된다. 요구되는 전력 출력이 더욱 높은 경우(전력 모드), 또 다른 작동 모드에서, 이러한 경우 비활성화된 액티브 프리휠을 포함한 추가 반브리지들이 병렬 활성화된다. 상기 두 작동 모드 사이의 적합한 전환 값 내지 임계값은 적용 또는 유닛에 따라 결정된다. 상기 전환 값 내지 임계값은 예컨대 사전에 계산할 수 있거나, 발생하는 손실 전력에 따라서 측정할 수 있다. 전환 값은 바람직하게 상위의 유닛에 저장된다.
바람직하게, 반브리지들은 외부에서 활성화 및 비활성화될 수 있으며, 이를 위해 목적에 적합하게는 상응하는 입력단이 하나 이상의 H-브리지 IC에 제공된다. 입력단은 분리되거나, 버스 인터페이스(예: SPI)의 범위에서 실현할 수 있다. 활성화/비활성화는 예컨대 내부 구성 레지스터의 설정/삭제를 통해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 컴퓨팅 유닛, 예컨대 자동차의 제어 장치는 프로그램 기술 측면에서 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.
특히 실행되는 제어 장치가 아직 다른 과제를 위해 사용되고 있고 어차피 제공되어 있는 경우, 본 방법은 소프트웨어의 형태로 보충되는 것도 바람직한데, 이는 특히 비용 발생이 적기 때문이다. 컴퓨터 프로그램을 제공하기 위한 적합한 데이터 캐리어는 특히 디스켓, 하드 디스크, 플래시 메모리, EEPROM, CD-ROM, DVD 및 기타 등등이다. 컴퓨터 네트워크(인터넷, 인트라넷 등)를 통한 프로그램의 다운로드도 가능하다.
본 발명의 다른 장점 및 실시예는 명세서 및 첨부되는 도면에 제시된다.
당연하게, 상기 언급된 특징 및 하기 설명될 특징은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 각각 언급된 조합으로뿐만 아니라 다른 조합으로도 또는 개별적으로도 사용될 수 있다.
본 발명은 실시예를 사용하여 도면에 개략적으로 도시되고 이하 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 유닛의 전류 공급을 위한 본 발명에 따른 회로 장치의 한 바람직한 실시예이다.
도 2는 유닛의 작동 시 트랜지스터들의 프리휠 다이오드들에서의 손실 전력들을 나타낸 그래프이다.
도 1에는, 유닛(200)의 전류 공급을 위한 본 발명에 따른 회로 장치(100)의 바람직한 실시예가 회로도로 도시되어 있다. 유닛(200)은 여기서 자동차의 전기 스로틀 장치의 전기 구동 장치[기어 장치를 포함한 직류 모터(M)]로서 형성된다. 회로 장치(100)도 전기 스로틀 장치의 부품이다. 상기 전기 스로틀 장치는 가솔린 엔진의 경우 흡기 트랙트(intake tract)에서 공기 공급을 조절한다. 전기 스로틀 장치는 전기 구동 장치 및 각도 센서를 구비한 스로틀 밸브를 포함한다.
엔진 제어 장치(10)는 가속 페달 위치로부터 특히 스로틀 밸브의 필요한 개방도를 계산한다. 직류 모터는 기어 장치를 통해 스로틀 밸브 샤프트를 조정하고 그에 따라 공기량을 조절한다. 스로틀 장치는, 공기의 정밀한 조절을 이용하여, 엔진에서 출력되는 토크와 그에 따라 출력을 제어한다.
회로 장치(100)는, 각각 2개의 반브리지(111, 112 또는 121, 122)를 구비한 2개의 동일한 H-브리지 회로 모듈 또는 IC(110, 120)를 포함한다. 그 외에도, 각각의 H-브리지 IC(110, 120)는 반브리지들의 트랜지스터들을 구동하도록 구성된 컴퓨팅 유닛(113, 123)도 포함한다. 컴퓨팅 유닛은 구동 단자들(114, 114', 115, 115', 116, 116' 또는 124, 124', 125, 125', 126, 126')에 인가된 신호들에 따라서 반브리지들의 트랜지스터들을 구동한다. 각각의 H-브리지 IC(110, 120)은 각각의 반브리지에 대해 단자(도에는 ' 표시가 없는 도면 부호 및 ' 표시가 있는 도면 부호)를 포함하며, 다시 말해 본 예시에서는 항상 2개의 단자를 포함한다. 각각의 트랜지스터에는 프리휠 다이오드가 병렬 연결된다. 이러한 프리휠 다이오드는 (예컨대 MOS 트랜지스터의 경우) 진성 프리휠 다이오드들이거나, (예컨대 IGBT의 경우) 분리된 소자들일 수 있다.
단자들(114, 114' 또는 124, 124')은 예컨대 스위칭 시간을 사전 설정하기 위한 구동 입력단들이고, 단자들(115, 115' 또는 125, 125')은 허용 최대 전류를 사전 설정하기 위한 전류 제한 입력단들이며, 단자들(116, 116' 또는 126, 126')은 H-브리지 IC(110 또는 120) 내 액티브 프리휠을 비활성화하기 위한 프리휠 입력단들일 수 있다. 상기 단자들은 본 발명의 범위에서 회로 장치를 적절하게 구동하도록 구성된 엔진 제어 장치(10)와 연결된다.
또한, 각각의 H-브리지 IC(110, 120)는 각각의 반브리지에 대해, 전기 공급할 유닛들이 연결되는 2개의 트랜지스터 사이의 중앙 탭 단자로서의 출력 단자(119, 119' 또는 129, 129')를 포함한다.
도시한 회로 장치의 경우, 각각 2개의 반브리지(111 및 112, 또는 121 및 122)가 병렬 연결되며, 그럼으로써 그 구동 단자들과 출력 단자들은 병렬 연결된다. 그에 따라, 전기 스로틀 장치(200)는 일측에서 출력 단자들(119, 119') 사이에, 그리고 타측에서는 출력 단자들(129, 129') 사이에 연결된다.
또한, 각각의 H-브리지 IC(110, 120)는, 자동차의 전기 공급 시스템과 연결된 전류 공급을 위한 공급 단자들(117, 118 또는 127, 128)도 포함한다.
엔진 제어 장치(10)는 회로 장치(100)를 구동하도록 구성된다. 한 바람직한 실시예에 따라서, 전기 스로틀 장치(200)에 대해 요구되는 전력 출력이 적은 경우("절약 모드"), 병렬 연결된 반브리지들(112 및 122)은 (예컨대 구동 시간을 0으로 설정함으로써) 차단될 수 있으며(여기서 모든 구동 단자가 병렬 연결되지 않음으로써 개별 반브리지들이 작동되지 않을 수 있다.), 그럼으로써 낮은 전력 출력은 반브리지들(111 및 121)을 통해서만 수행된다. 요구되는 전력 출력이 더욱 큰 경우(전력 모드), 반브리지들(112 및 122)은 병렬 활성화되고, 반브리지들의 액티브 프리휠은 비활성화된다. 절약 모드와 전력 모드 사이의 전력 임계값은 적용에 따라서 결정될 수 있다. 예컨대 도 2에서 트랜지스터들의 프리휠 다이오드들에서의 손실 전력들은 예시에 따른 전기 스로틀 장치의 작동 시 PWM 구동 신호에 따라 매핑된다. PWM = 100%는 반브리지의 하이-사이드 트랜지스터의 연속 온(ON)을 의미한다.
그래프 301은 전기 스로틀 장치의 직류 모터(M)의 양측에서 각각 2개의 병렬 연결된 반브리지에 대한 손실 전력을 표시한 것이고, 그래프 302는 전기 스로틀 장치의 직류 모터(M)의 양측에서 각각 하나만의 반브리지에 대한 손실 전력을 표시한 것이다. 여기서, 두 그래프는 303에서 교차하는 것을 알 수 있다. PWM이 303 미만인 경우, 손실 전력 302가 더 작으며(다시 말해, 여기서는 바람직하게 하나의 반브리지만이 작동됨 - "절약 모드"), 303을 상회하는 PWM의 경우, 손실 전력 301이 더 작다(다시 말해, 여기서는 바람직하게 두 반브리지가 병렬 작동됨 - "전력 모드").

Claims (12)

  1. 각각 2개의 트랜지스터를 구비한 2개 이상의 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)를 포함하여, 자동차 내 유닛(200)에 전류를 공급하기 위한 회로 장치(100)로서, 2개 이상의 반브리지(111, 112; 121, 122) 각각은 H-브리지 회로 모듈(110, 120) 내에 통합되며, H-브리지 회로 모듈은, 통합된 반브리지(111, 112, 121, 122)를 위한 액티브 프리휠을 활성화 신호에 따라 활성화 또는 비활성화하도록 구성된 통합된 컴퓨팅 유닛(113, 123)을 포함하는, 회로 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 통합된 컴퓨팅 유닛(113, 123)은 통합된 반브리지(111, 112, 121, 122)를 통해 전류를 제한할 수 있도록 구성되는, 회로 장치(100).
  3. 제1항에 있어서, 상기 유닛(200)은 2개의 공급 단자를 포함하며, 이들 공급 단자 중 일측의 공급 단자는 상기 2개 이상의 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)의 중앙 탭 단자(119, 119'; 129, 129')와 전기 접속되는, 회로 장치(100).
  4. 제3항에 있어서, 회로 장치(100)는 각각 2개의 트랜지스터를 구비한 2개 이상의 추가 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)를 구비한 회로 장치(100)로서, 상기 2개 이상의 추가 반브리지(111, 112; 121, 122) 각각은 H-브리지 회로 모듈(110, 120) 내에 통합되며, 상기 공급 단자들 중 타측의 공급 단자는 상기 2개 이상의 추가 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)의 중앙 탭 단자(119, 119'; 129, 129')와 전기 접속되는, 회로 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, H-브리지 회로 모듈(110, 120)은 통합된 반브리지의 액티브 프리휠을 외부에서 활성화 및 비활성화하기 위한 단자(116, 116'; 126, 126')를 포함하는, 회로 장치(100).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유닛(200)은 직류 유닛인, 회로 장치(100).
  7. 제1항에 따른 회로 장치(100)의 작동 방법으로서, 제1 작동 모드에서 2개 이상의 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)가 유닛(200)의 전기 공급을 위해 이용되고, 상기 2개 이상의 반브리지(111, 112; 121, 122)를 위한 액티브 프리휠은 비활성화되는, 회로 장치의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제2 작동 모드에서, 상기 2개 이상의 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122) 중 하나의 반브리지만이 유닛(200)의 전기 공급을 위해 이용되는, 회로 장치의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 2개 이상의 반브리지(111, 112; 121, 122) 중 하나의 반브리지를 위한 액티브 프리휠은 비활성화되지 않는, 회로 장치의 작동 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 제1 내지 제2 작동 모드는 상기 2개 이상의 병렬 연결된 반브리지(111, 112; 121, 122)에서의 손실 전력에 따라서 사전 설정되는, 회로 장치의 작동 방법.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 회로 장치의 작동 방법을 실행하도록 구성된 컴퓨팅 유닛(10).
  12. 컴퓨팅 유닛 상에서 실행되는 경우, 컴퓨팅 유닛으로 하여금 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따르는 회로 장치의 작동 방법을 실행하게 하는, 프로그램 코드 수단들을 포함한 컴퓨터 프로그램이 저장된 기계 판독 가능 메모리 매체.
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