KR20030018871A - 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로 - Google Patents

차량 충전 시스템의 과전압 방지회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류 발전기에서 과전압이 발생할 경우 레귤레이터 내부의 파워 트랜지스터를 통해 필드 코일에 공급되는 여자 전류를 차단하여 파워 트랜지스터의 쇼트를 방지해 주는 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로에 관한 것이다. 본 발명은 교류 발전기의 스테이터 코일에서 출력되는 발전 전류를 정류부에서 정류하여 배터리 및 전기적 부하에 공급하고, 상기 교류 발전기의 필드 코일로 공급되는 여자 전류를 제어하여 발전량을 조절하는 레귤레이터를 갖는 차량의 과전압 방지회로에 있어서, 상기 레귤레이터의 내부 회로 상에 구비되어 상기 교류 발전기의 필드 코일로 공급되는 여자 전류의 흐름을 스위칭 하는 파워 트랜지스터(Power Transistor)와; 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자와 상기 과전압 방지회로의 접지단의 사이에 연결되어 상기 파워 트랜지스 터의 콜렉터 단자로 유입되는 전압의 세기가 미리 설정된 전압보다 크면 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자로 유입되는 전압을 상기 과전압 방지회로의 접지단으로 바이패스 시키는 제너 다이오드를 포함하여 이루어진다.

Description

차량 충전 시스템의 과전압 방지회로{OVERVOLTAGE-PROTECTION CIRCUIT FOR VEHICLE ELECTRICAL SYSTEM}
본 발명은 차량 충전 시스템에 관한 것으로서, 특히 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로에 관한 것이다.
통상적으로, 차량은 전자화 엔진 및 차량의 고급화로 인하여 많은 전기적 부하(전기장치)가 사용된다.
이러한 전기적 부하들은 교류 발전기(Alternator)에 의해서 그 전원을 공급받아 작동을 한다.
그런데, 교류 발전기의 출력전원을 조절하는 레귤레이터(Regulator)에 문제가 발생하면 단품만의 문제로 끝나는 것이 아니라 교류 발전기, 제어부(ECU) 및 차량의 모든 전기적 부하가 파손되게 되고 이것들이 파손되면 전기적으로 제어되는 엔진 및 차량은 화재 및 오작동으로 인하여 주행중 사고를 유발시킬 수 있다.
이런 이유로 교류 발전기 제조업체(DECO REMY, BOSCH, DELPHI등)에서는 현재 적용중인 레귤레이터의 중요성을 인식하고 레귤레이터에서 발생될 수 있는 과전압, 노이즈(Noise), 서지(Surge) 전압 등에 대해서 많은 보안장치들을 개발하여 적용중이다.
교류 발전기에서 발생한 전압을 제어하지 않고 직접 배터리나 램프 등의 전기 부하에 공급하면 교류 발전기의 회전속도가 높아졌을 때 배터리의 과충전이나 램프가 끊어지는 등, 각종 전기적 부하에 고장이나 오동작을 일으킨다.
이를 방지하기 위해 레귤레이터는 교류 발전기의 발생전압을 검출하여 필드 코일(Field Coil)에 흐르는 전류를 가감하여, 로터의 자력을 제어하고 발생전압을 일정하게 유지한다.
레귤레이터 내부에 장착되는 파워 트랜지스터(Power Transistor)는 교류 발전기가 전기를 발생시킬 수 있게 전류를 공급해주며, 또한 어느 전압이상(24V 차량의 경우 약 28V)은 발생되지 않게 필드 코일(Field Coil)에 공급되는 전류를 온/오프(ON/OFF)해주는 기능을 한다.
즉, 교류 발전기가 전기를 생산하기 위해서는 도 1의 필드 코일(110)에 전류를 공급해주고 로터가 회전하면 스테이터(120)에서 3상 교류전파를 생산하고 정류기(Rectifier)(130)를 통해 정류작용을 마친 직류전원이 B단자를 통해 배터리 (Battery)(150) 및 차량의 전기적 부하에 전기를 공급해 준다.
그러나, 교류 발전기로부터 공급되는 전원이 조정전압 규제치 내에서 유지되어야 하는데 파워 트랜지스터(140)에 과전압이 공급되어 쇼트(Short)가 발생하면파워 트랜지스터(140)는 항상 온(ON)이 되어 교류 발전기의 전압은 조정전압 이상으로 계속해서 증가하게 된다.
이렇게 되면 배터리(150)에 과충전이 되고 차량의 전기적 부하에 과전압이 공급되어 파손되게 된다.
상기한 바와 같이 파워 트랜지스터(140)는 과전압에 의해서 쇼트가 발생되지 않게 구성되어야 하는데 현재 상용 레귤레이터의 회로는 도 1에 도시된 바와 같이 과전압으로부터 파워 트랜지스터(140)를 보호해 줄 수 있는 소자나 회로구성이 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 교류 발전기에서 과전압이 발생할 경우 레귤레이터 내부의 파워 트랜지스터를 통해 필드 코일에 공급되는 여자 전류를 차단하여 파워 트랜지스터의 쇼트를 방지해 주는 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 교류 발전기의 스테이터 코일에서 출력되는 발전 전류를 정류부에서 정류하여 배터리 및 전기적 부하에 공급하고, 상기 교류 발전기의 필드 코일로 공급되는 여자 전류를 제어하여 발전량을 조절하는 레귤레이터를 갖는 차량의 과전압 방지회로에 있어서, 상기 레귤레이터의 내부 회로 상에 구비되어 상기 교류 발전기의 필드 코일로 공급되는 여자 전류의 흐름을 스위칭 하는 파워 트랜지스터(Power Transistor)와; 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자와 상기 과전압 방지회로의 접지단의 사이에 연결되어 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자로 유입되는 전압의 세기가 미리 설정된 전압보다 크면 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자로 유입되는 전압을 상기 과전압 방지회로의 접지단으로 바이패스 시키는 제너 다이오드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량의 배터리 과전압 방지회로.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 교류 발전기(210)의 스테이터 코일(212)에서 출력되는 발전 전류를 정류부(214)에서 정류하여 배터리(220) 및 전기적 부하에 공급하고, 교류 발전기(210)의 필드 코일(216)로 공급되는 여자 전류를 제어하여 발전량을 조절하는 레귤레이터(230)를 갖는 차량의 과전압 방지회로에 있어서, 파워 트랜지스터(Power Transistor)(Q4)(231), 제너 다이오드(232)를 포함하여 구성한다.
파워 트랜지스터(231)는 도 2에 도시된 바와 같이 레귤레이터(230)의 내부 회로 상에 구비되어 교류 발전기(210)의 필드 코일(216)로 공급되는 여자 전류의흐름을 스위칭 한다.
제너 다이오드(232)는 도 2에 도시된 바와 같이 양방향 제너 다이오드를 사용한다.
제너 다이오드(232)는 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자와 과전압 방지회로의 접지단 사이에 연결되어 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자로 유입되는 전압의 세기가 미리 설정된 전압보다 크면 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자로 유입되는 전압을 과전압 방지회로의 접지단으로 바이패스 시킨다.
제너 다이오드(232)의 구성으로 인해 서지 전압 및 과전압이 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자로 유입되어 파워 트랜지스터(231)가 파손되는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예는 필드 코일(216)과 파워 트랜지스터(231)의 이미터 단자 사이에 연결되어 파워 트랜지스터(231)를 통해 필드 코일(216)로 공급되는 과전압의 흐름을 차단하는 퓨즈(Fuse)(233)를 더 포함하여 구성한다.
만약, 과전압으로 인하여 파워 트랜지스터(231)가 고장나면 교류 발전기 (210)의 레귤레이터(230)가 조정전압 기능을 할 수 없기 때문에 차량의 전기적 부하(제어부, 각종 센서)에 과전압이 걸리게 된다.
이러한 현상을 방지하기 위하여 상기한 바와 같이 퓨즈(233)를 구성하여 파워 트랜지스터(231)의 이미터 단자를 통해 퓨즈(233)로 과전압이 공급되면 퓨즈 (233)가 끊기게 된다.
결국, 필드 코일(216)로 공급되는 여자 전류가 차단되어 교류 발전기(210)가발전을 못하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예는 필드 코일(216)과 파워 트랜지스터(231)의 이미터 단자 사이에 병렬 연결되어 파워 트랜지스터(231)의 온/오프(ON/OFF)시 파워 트랜지스터(231)를 통해 필드 코일(216)로 유입되는 서지(Surge) 전압을 흡수하는 콘덴서(Condenser)(0.47 ㎌)(234)를 더 포함하여 구성한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 파워 트랜지스터(231)를 통해 필드 코일(216)로 유입되는 서지 전압 및 과전압, 과전류를 막기 위하여 제너 다이오드 (232), 퓨즈(233), 콘덴서(234)를 구성한다.
한편, 본 발명의 실시예는 회로의 변경에 따라 각각의 소자 사양을 변경하였다.
도 2를 참조하여 변경된 소자 사양을 설명한다.
먼저, 파워 트랜지스터(231)의 사양을 10A(2SD2390) 달링턴 파워 트랜지스터에서 15A(2SC3856)의 일반 파워 트랜지스터로 변경한다.
파워 트랜지스터(231)의 사양 변경에 따라 전류 증폭률이 변하므로, 저항 (R19)(235)의 사양은 2 KΩ에서 1 KΩ으로 변경한다.
또한, 저항(R20)(236)은 100 Ω의 저항값을 추가하여 회로 구성한다.
1 KΩ저항값을 갖는 저항(R14)(237)의 저항값을 0.1Ω으로 하거나 회로 구성에서 제거한다.
정류 다이오드(D2)(238)는 고속 스위칭(Switching) 타입으로 변경하여 파워 트랜지스터(231)의 온/오프(ON/OFF)시 발생하는 서지 전압을 흡수한다.
상기와 같은 소자의 사양 변경은 다양한 실시예에 따라 설계 변경할 수 있다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로 동작을 설명한다.
먼저, 엔진이 시동된 상태에서 점화 스위치(222)를 온(ON)시키면, 배터리 (220)의 충전 전원이 점화 스위치(222) 및 충전 표시 램프(224)를 통해 교류 발전기(210)의 필드 코일(216)로 흐르게 되면서 충전 표시 램프(224)가 점등된다.
이와 같은 상태에서 엔진이 정상으로 구동되고, 교류 발전기(210)가 동작하게 되면, 필드 코일(216)로 흐르는 여자 전류에 따라 교류 발전기(210)의 스테이터 코일(212)에서 전원이 발생하고, 발생한 전원은 다수개의 다이오드로 구성된 정류부(214)에서 정류(교류⇒직류)되어 출력된다.
정류부(214)에서 정류된 전원은 교류 발전기(210)의 필드 코일(216)로 충분한 여자 전류를 공급하게 되며, 이러한 동작으로 교류 발전기(210)는 정상으로 발전 동작을 수행하게 된다.
이와 같이 교류 발전기(210)가 정상으로 발전 동작을 수행하게 되면 충전 표시 램프(224)는 소등된다.
한편, 정류부(214)에서 정류된 전원은 배터리(220)에 충전되고, 전기적 부하에 동작 전원으로 공급된다.
이와 같은 상태에서 정류부(214)에서 정류되어 배터리(220)에 충전되고, 전기적 부하에 공급되는 전원의 레벨을 레귤레이터(230)가 검출하고, 검출한 전원의레벨에 따라 레귤레이터(230)는 파워 트랜지스터(231)의 베이스 단자로 유입되는 전류의 공급을 제어하면서 교류 발전기(210)의 필드 코일(216)로 흐르는 여자 전류를 제어하여 정격 전압이 배터리(220)에 충전되고, 전기적 부하에 공급되게 한다.
여기서, 파워 트랜지스터(231)로 과전압 미만의 전압이 유입되는 경우 즉, 파워 트랜지스터(231)의 베이스 단자로 구동 전류가 유입되어 파워 트랜지스터 (231)가 도통된 상태에서, 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자에 연결된 제너 다이오드(232)의 캐소드에 공급되는 전압이 미리 설정된 제너 전압 이하이면, 제너 다이오드(232)는 차단상태로 된다.
이와 같이 제너 다이오드(232)가 차단상태로 되면, 파워 트랜지스터(231)는 도통상태를 유지하게 되고, 교류 발전기(210)의 스테이터 코일(212)에서 출력되는 발전 전류는 파워 트랜지스터(231)의 이미터 단자를 통해 필드 코일(216)로 여자 전류를 공급하게 된다.
이와는 반대로, 파워 트랜지스터(231)로 과전압이 유입되는 경우 즉, 파워 트랜지스터(231)의 베이스 단자로 구동 전류가 유입되어 파워 트랜지스터(231)가 도통된 상태에서, 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자에 연결된 제너 다이오드(232)의 캐소드에 공급되는 전압이 미리 설정된 제너 전압 이상이면, 제너 다이오드(232)는 도통상태로 된다.
이와 같이 제너 다이오드(232)가 도통상태로 되면, 파워 트랜지스터(231)는 도통상태에서 차단상태로 스위칭 전환되고, 교류 발전기(210)의 스테이터 코일(212)에서 출력되는 발전 전류는 제너 다이오드(232)를 통해 과전압 방지회로의 접지단으로 바이패스 된다.
따라서, 교류 발전기(210)의 스테이터 코일(212)로부터 출력되는 발전 전류는 파워 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자로 흐르지 못하게 되며, 필드 코일(216)로 공급되던 여자 전류는 차단된다.
한편, 파워 트랜지스터(231)의 온/오프(ON/OFF)시 발생되는 서지 전압은 콘덴서(234)와 다이오드(D2)(238)에 의해서 흡수된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 종래의 레귤레이터 사양에 대비하여 서지 전압 및 과전압에 의한 문제들을 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 향후 전자화 엔진과 차량의 고급화로 새로이 추가될 전기적 부하들로 인해서 야기되는 서지 전압 및 과전압으로부터 레귤레이터(230)가 손상되어 차량의 전기적 부하가 파손되는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로는 교류 발전기로부터 레귤레이터로 과전압이 공급되는 경우 여자 전류를 차단함으로써 전기적 부하의 손상을 미연에 방지하고, 서지 전압을 흡수하여 전기적 부하의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 교류 발전기의 스테이터 코일에서 출력되는 발전 전류를 정류부에서 정류하여 배터리 및 전기적 부하에 공급하고, 상기 교류 발전기의 필드 코일로 공급되는 여자 전류를 제어하여 발전량을 조절하는 레귤레이터를 갖는 차량의 과전압 방지회로에 있어서,
    상기 레귤레이터의 내부 회로 상에 구비되어 상기 교류 발전기의 필드 코일로 공급되는 여자 전류의 흐름을 스위칭 하는 파워 트랜지스터(Power Transistor)와;
    상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자와 상기 과전압 방지회로의 접지단의 사이에 연결되어 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자로 유입되는 전압의 세기가 미리 설정된 전압보다 크면 상기 파워 트랜지스터의 콜렉터 단자로 유입되는 전압을 상기 과전압 방지회로의 접지단으로 바이패스 시키는 제너 다이오드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필드 코일과 상기 파워 트랜지스터의 이미터 단자 사이에 연결되어 상기 파워 트랜지스터를 통해 상기 필드 코일로 공급되는 과전압의 흐름을 차단하는 퓨즈(Fuse)를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 필드 코일과 상기 파워 트랜지스터의 이미터 단자 사이에 병렬 연결되어 상기 파워 트랜지스터의 온/오프(ON/OFF)시 상기 파워 트랜지스터를 통해 상기 필드 코일로 유입되는 서지 전압을 흡수하는 콘덴서(Condenser)를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 차량 충전 시스템의 과전압 방지회로.
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