KR20100029330A

KR20100029330A - 차량용 인버터 보호 장치

Info

Publication number: KR20100029330A
Application number: KR1020080088068A
Authority: KR
Inventors: 김명오
Original assignee: 대성전기공업 주식회사
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-17
Also published as: KR101039966B1

Abstract

본 발명은 차량용 인버터 보호 장치에 관한 것으로, 특히, 절연이 되어 있어도 동일 그라운드에서 과전류 검출 회로를 구성함으로써 과전류에 대한 기기 보호기능과 절연으로 인한 안전성을 보장할 수 있도록 하는데 목적이 있다. 따라서, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 배터리 전압을 AC 전압으로 출력하는 H-브릿지(320)를 포함하는 차량용 인버터에 있어서, MCU(Micro-Controller Unit)에서의 사인파형을 레퍼런스 값으로 하여 듀티비를 변환한 PWM 신호를 상기 H-브릿지(320)에 출력하는 스위칭 콘트롤러(380)와, 상기 PWM 신호를 상기 H-브릿지(320)에 전달하는 펄스 전달부(350)와, 전류 센싱부(361)가 상기 H-브릿지(320)에서의 과전류를 검출하면 상기 H-브릿지(320)로의 스위칭 신호 전달을 오프시킴과 아울러 상기 H-브릿지(320)을 접지시키는 과전류 차단부(362)를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

인버터, H-브릿지, 과전류 차단, 그라운드 분리

Description

차량용 인버터 보호 장치{PROTECTION APPARATUS OF INVERTER FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 인버터에 관한 것으로, 특히, 차량용 인버터 보호 장치에 관한 것이다.

자동차 기술의 발달로 자동차 보급이 증가하여 사람들에게 편리한 생활을 제공하고 있다.

더불어, 자동차의 이용이 일반화되면서 자동차 내에서 일상적인 전기,전자제품(TV, 노트북 PC, 오디오기기 등)을 사용하고자 하는 욕구가 증대하게 되었다. 특히, 레저생활이 확산되면서 자동차 내에서 차량용 DC 전기를 가정용의 AC 전기로 변환시키는 인버터의 장착이 늘어나고 있다.

최근까지 차량용 인버터는 회로구성이 간단한 모디파이 출력인 인버터가 많이 사용되었는데, 최근에는 주변장비의 고급화 및 정밀화로 인하여 순수 정현파 인버터에 대한 요구가 증대되고 있다.

현재, 사인파 인버터의 중요한 기능 중에 하나는 과전류에 대한 기기 보호 기능이라고 할 수 있다.

도1은 종래 사인파 인버터의 과전류 검출 장치의 블록 구성도로서 이에 도시 된 바와 같이, 배터리 전압을 승압시켜 DC 고전압을 출력하는 승압부(110)와, 상기 DC 고전압을 AC 전압으로 변환시키는 H-브릿지(Bridge)(120)와, 상기 AC 전압에 혼입된 노이즈를 제거하는 LC 필터(130)와, 상기 노이즈가 제거된 사인파 AC 전압을 구동 전압으로 사용하는 부하(Load)(140)와, 사인파형을 출력하는 MCU(170)와, 상기 H-브릿지(120)의 AC 전압 출력을 위해 상기 사인파형에 따른 PWM 신호를 상기 H-브릿지(120)에 출력하는 스위칭 콘트롤러(160)와, 상기 H-브릿지(120)에서의 과전류를 검출하면 상기 스위칭 콘트롤러(160) 및 상기 MCU(170)의 출력을 오프시키는 전류 센싱부(150)로 구성된다.

이와 같은 종래 장치의 동작을 도2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

우선, DC 저전압이 입력되면 승압부(110)는 승압된 DC 고전압을 H-브릿지(120)에 인가한다.

이때, MCU(170)는 사인파형을 스위칭 콘트롤러(160)에 출력하게 되며, 상기 스위칭 콘트롤러(160)은 사인파형을 기준으로 PWM 신호를 펄스 트랜스(PT1~PT4)를통해 상기 H-브릿지(120)에 인가하게 된다. 상기 H-브릿지(120)는 4개의 스위칭 소자인 FET1~FET4로 구성된다.

이에 따라, 상기 H-브릿지(120)는 상기 PWM 신호에 의해 모스 트랜지스터(FET1~FET4)가 스위칭됨에 의해 AC 전압을 LC 필터(130)에 출력하게 된다. 상기 모스 트랜지스터(FET1~FET4)를 스위칭함에 있어서, 제1 구간 및 제2 구간으로 나뉘어 AC 전압이 출력된다고 가정하면 제1 구간에서는 모스 트랜지스터(FET1, FET4)가 온(ON)이 됨과 아울러 모스 트랜지스터(FET2, FET3)는 오프(OFF)로 되고, 제2 구간 에서는 모스 트랜지스터(FET2, FET3)가 온(ON)이 됨과 아울러 모스 트랜지스터(FET1, FET4)는 오프(OFF)됨으로써 제1 구간과 제2 구간에서 AC 전압이 출력되게 된다.

따라서, 상기 LC 필터(130)가 상기 AC 전압에 혼입된 노이즈를 제거하여 사인파 AC 전압을 부하(140)의 구동 전압으로 출력하게 된다.

한편, 상기 동작을 수행함에 있어서, 전류 센싱부(150)는 H-브릿지(120)로부터 과전류를 검출하면 스위칭 콘트롤러(160) 및 MCU(170)의 출력을 오프(OFF)시킴으로써 과전류 동작을 차단하게 된다. 이는 H-브릿지(120)의 모스 트랜지스터(FET2, FET4)의 연결점에 저항(R1)(R2)가 병렬 연결됨과 아울러 상기 연결점이 스위칭 콘트롤러(160)에 연결됨으로써, 상기 저항(R1)(R2)에서 과전압이 검출되면 상기 스위칭 콘트롤러(160)로 입력되어 PWM 신호의 출력을 오프시킴과 동시에 MCU(170)의 출력을 오프시키게 된다.

따라서, H-브릿지(120)의 스위칭 동작이 오프되어 과전류 동작을 차단하게 된다. 이 경우, H-브릿지(120)는 절연이 되지 않은 동일 그라운드로 구성되었기 때문에 센싱저항(R1)(R2)을 통하여 스위칭 콘틀롤러(160) 또는 MCU(170)의 출력을 오프(OFF)시킴으로써 과전류 보호를 가능하게 하는 것이다.

그러나, 종래 기술은 동일 그라운드를 사용하고 있기 때문에 과전류에 의한 감전 사고가 발생할 수 있는 문제점이 있었다. 특히, 종래 기술의 과전류 보호 기 능은 절연이 되지 않은 동일 그라운드이기 때문에 센싱저항을 통하여 스위칭 콘트롤러를 오프시킴으로써 가능하지만, 사용자의 안전을 위해 그라운드 절연을 필요로 하는 상황에서는 기존의 회로 구성을 사용할 수 없어 사용자의 안전을 보장하지 못하는 문제점이 있었다.

더구나, 차량용 인버터는 자동차 내에 장착이 된다는 특수성 때문에 절연을 위한 회로구성이 중요시되고 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 차량용 인버터 보호 장치를 제공하는 것으로, 특히, 절연이 되어 있어도 동일 그라운드에서 과전류 검출 회로를 구성함으로써 과전류에 대한 기기 보호기능과 절연으로 인한 안전성을 보장할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

즉, 본 발명은 인버터 내의 회로 파손으로 인한 과전류가 흐를 때나, 인버터와 연결된 외부 기기의 단락 또는 초기 돌입전류로 인하여 과전류가 흐를 때 이를 검출하여 출력 스위칭 동작을 제어함으로써 인버터를 보호하기 위함에 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 배터리 전압을 AC 전압으로 출력하는 H-브릿지(H-Bridge)를 포함하는 차량용 인버터에 있어서, 사인파형을 출력하는 MCU(Micro-Controller Unit)와, 상기 사인파형을 레퍼런스 값으로 하여 듀티비를 변환한 PWM 신호를 상기 H-브릿지에 출력하는 스위칭 콘트롤러와, 상기 PWM 신호를 상기 H-브릿지에 전달하는 펄스 전달부와, 상기 H-브릿지에서의 과전류를 검 출하는 전류 센싱부와, 상기 과전류가 검출되면 상기 H-브릿지를 그라운드에 접지시킴과 아울러 상기 H-브릿지로 전달되는 스위칭 신호를 차단하는 과전류 차단부를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 펄스 전달부는 PWM 신호를 H-브릿지에 전달하는 4개의 펄스 트랜스와, 과전류 검출 시 오프되어 상기 2개의 펄스 트랜스로부터 전달되는 PWM 신호를 차단하는 2개의 포토 커플러를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 과전류 차단부는 과전류 검출 시에 상기 펄스 전달부의 포토 커플러를 오프시킴과 아울러 상기 펄스 전달부를 통해 전달되는 PWM 신호를 접지시키도록 구성함을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 절연이 되어 있는 사인파 인버터에 Load로 사용하는 기기들의 돌입전류 또는 기기의 쇼트로 인하여 과전류가 흐를 때 이를 검출하여 차단함으로써 인버터의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

다시 말해서, 종래 인버터에서의 과전류 보호 기능은 절연이 되지 않는 동일 그라운드이기 때문에 센싱 저항을 통하여 스위칭 콘트롤러를 오프시키는 것으로 사용자의 안전을 위해 그라운드 절연을 해야 하는 상황에서는 기존의 회로 구성을 사용할 수 없지만, 본 발명은 절연이 되어 있어도 동일 그라운드에서 과전류 검출이 가능함으로 과전류에 대한 보호기능과 절연으로 인한 안전성을 보장할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예에서는 본 발명의 기술적 사상 및 본질적 특성을 명료히 설명하기 위해 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 공지된 기술에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명의 실시 예는 구체적인 구성에 따라 몇 가지로 구분될 수 있지만, 각각의 실시 예를 설명함에 있어서, 공통적인 부분은 편의상 동일 부호를 사용함과 아울러 상세 설명은 기설명한 부분으로 대체하기로 하며, 대별되는 차이점을 중점적으로 부각 설명함으로써 불필요한 설명의 중복을 피하기로 한다.

도 2는 본 발명의 과전류 검출 장치의 실시 예 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 배터리 전압을 승압시켜 DC 고전압을 출력하는 승압부(310)와, 상기 DC 고전압을 AC 전압으로 변환시키는 H-브릿지(Bridge)(320)와, 상기 AC 전압에 혼입된 노이즈를 제거하는 LC 필터(330)와, 상기 노이즈가 제거된 사인파 AC 전압을 구동 전압으로 사용하는 부하(Load)(340)와, 사인파형을 출력하는 MCU(370)와, 상기 H-브릿지(320)의 AC 전압 출력을 위해 상기 사인파형에 따른 PWM 신호를 상기 H-브릿지(320)에 출력하는 스위칭 콘트롤러(380)와, 상기 PWM 신호를 상기 H-브릿지(320)에 전달하는 펄스 전달부(350)와, 상기 H-브릿지(320)에서의 과전류를 검출하는 전류 센싱부(361)와, 상기 과전류가 검출되면 상기 H-브릿지(320)를 접지시킴과 아울러 상기 H-브릿지(320)로의 PWM 신호 전달을 오프시켜 인버터의 보호 기능을 동작시키는 과전류 차단부(362)로 구성한다.

이와 같이 구성한 본 발명의 실시 예에 대한 동작을 도4의 상세 회로도 및 도5의 신호 흐름도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같디.

우선, 인버터가 동작하게 되면 MCU(370)는 사인파를 생성하여 스위칭 콘트롤러(380)에 레퍼런스 값으로 인가하게 된다.

이때, 스위칭 콘트롤러(380)는 사인파를 레퍼런스 값으로 하여 듀티비를 가변한 20KHz 이상의 주파수 파형을 펄스 전달부(350)에 출력한다.

이에 따라, 펄스 전달부(350)는 펄스 트랜스(PT1)(PT3)의 후단에 연결된 포토 커플러(PC1)(PC2)가 온 상태임으로 상기 스위칭 콘트롤러(380)에서의 주파수 파형이 H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET11~FET14)의 게이트 단자에 인가되어 상기 모스 트랜지스터(FET11~FET14)가 스위칭되어진다. 상기 모스 트랜지스터(FET11~FET14)의 스위칭 동작은 (FET11, FET14)와 (FET12, FET13)으로 구분되어 수행된다.

따라서, 배터리 전압을 입력받은 승압부(310)의 승압된 고전압이 H-브릿지(320)에서 AC 전압으로 변환되어 LC 필터(330)으로 출력되며, 상기 LC 필터(330)에서 노이즈가 제거된 순수 사인파 AC 전압이 부하(340)의 구동 전압으로 출력되어진다.

그런데, 일반적인 차량용 인버터는 도2에 도시된 바와 같이, 그라운드가 분리되어 있지 않아 센싱 저항(R1)(R2)을 통하여 흐르는 전류를 체크함으로써 과전류를 검출하는데, 센싱 저항(R1)(R2)에 걸리는 전압값은 흐르는 전류값에 따라 변화를 하며, 이 전압은 스위칭 콘트롤러(160)로 흐르고, 어느 일정 전압 이상이 될 경우 즉, 과전류가 흐를 경우 상기 스위칭 콘트롤러(160)의 출력을 오프시켜 H-브릿 지(120)의 모스 트랜지스터(FET1~FET4)를 오프시킴으로써 과전류에 대한 보호를 수행하고 있다.

그러나, 자동차는 샤시가 그라운드이기 때문에 출력전압이 나오는 일측 선에 접촉이 될 경우 신체를 통하여 그라운드로 연결이 됨으로써 감전사고를 발생하게 되는 문제점을 내포하고 있었다.

따라서, 본 발명은 차량용 인버터라는 특수 용도를 반영하여 MCU(370)가 속해 있는 그라운드와 H-브릿지(320)가 연결되어 있는 그라운드 즉, 출력전압이 흐르는 부분을 분리함으로써 사용자가 출력전압이 나오는 일측 선에 접촉되는 경우에도 그라운드와의 루프가 형성되지 않도록 하여 감전사고를 막을 수 있도록 한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서도 부하(340)가 연결되었을시 또는 쇼트로 인한 과전류가 흐를 때 센싱 저항(R11)(R12)을 통하여 전류량을 체크한다.

하지만, 그라운드를 분리시켰기 때문에 센싱 저항(R11)(R12)이 연결되어 있는 그라운드와 MCU(370)가 연결되어 있는 그라운드가 동일 그라운드가 아니기 때문에 과전류가 흐를 시도 스위칭 콘트롤러(380)의 제어를 통해 H-브릿지(320)의 스위칭 동작을 오프시킬 수 없다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 과전류 보호 회로를 H-브릿지(320)가 연결된 그라운드에 연결 구성함으로써 과전류가 검출되는 경우 상기 H-브릿지(320)의 스위칭 동작을 오프시키도록 하는데, 이를 위하여 전류 센싱부(361)와 과전류 차단부(362)를 부가하여 구성한다.

먼저, 정상 동작의 경우 펄스 전달부(350)의 포토 커플러(PC1)(PC2)가 항상 온 상태임으로 H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET11, FET13)에 펄스 트랜스(PT1)(PT3)을 통해 전달되는 스위칭 콘트롤러(380)에서의 20KHz 이상의 주파수 파형이 상기 모스 트랜지스터(FET11, FET13)의 게이트 단자에 전달된다.

그리고, H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET12, FET14)는 과전류 차단부(362)에 구비된 아날로그 IC(예로, CD4053)가 온 상태로 동작하고 있어서, 펄스 전달부(350)의 펄스 트랜스(PT2)(PT4)를 통해 전달되는 주파수 파형이 상기 모스 트랜지스터(FET12, FET14)의 게이트 단자에 전달된다.

이때, 상기 스위칭 콘트롤러(320)에 구비된 Switch mode Controller IC(예로, UC2637)에서 듀티비 가변된 2개의 주파수 파형은 각기 2개의 인버터 회로를 순차 통해 펄스 전달부(350)에 입력된다.

이에 따라, 상기 펄스 트랜스(PT1~PT4)를 통한 주파수 신호가 인가된 H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET11~FET14)가 스위칭 동작을 수행하게 되어 사인파 AC 전압을 LC 필터(330)를 통해 부하(340)에 출력하게 된다.

한편, 상기의 동작을 수행함에 있어서, 전류 센싱부(361)는 모스 트랜지스터(FET12, FET14)의 연결점에 병렬 접속된 센싱 저항(R11)(R12)를 통하여 H-브릿지(320)의 출력 전류를 항시 점검하고 있다.

따라서, H-브릿지(320)의 출력 전류가 정상 전류로 판별되면 상기의 동작을 반복 수행하면서 과전류 검출 동작을 수행하게 된다.

만일, 과전류가 검출되면 과전류 차단부(362)는 저항(R13)(R14)의 분압 전압에 의해 트랜지스터(Q1)이 턴온되고 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온에 의해 트랜지스 터(Q2)(Q3)가 순차 턴온되어 펄스 전달부(350)의 포토 커플러(PC1)(PC2)를 오프시키게 된다. 즉, 아날로그 프로텍션(analog protection) 동작을 수행하게 된다. 이때, 전류 흐름으로 센싱 저항(R11)(R12)을 통하여 나타나는 전압 크기는 전류량에 비례하여 상승함으로 과전류 검출 시에 트랜지스터(Q1)가 턴온될 정도로 상기 센싱 저항(R11)(R12)의 값을 결정하며, 이에 따른 저항값은 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에 0.7V 이상의 전압이 인가될 수 있도록 하는 값이다.

따라서, 포토 커플러(PC1)(PC2)가 오프가 되면 H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET11, FET13)에 스위칭 콘트롤러(380)에서의 주파수 파형이 전달되지 않아 상기 모스 트랜지스터(FET11, FET13)는 스위칭 동작을 하지 않게 된다.

또한, 상기 트랜지스터(Q1~Q3)가 턴온되게 되면 H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET12, FET14)에 인가되는 과전압이 하이 신호로 상기 과전류 차단부(362)의 아날로그 IC(예로, CD4053)에 인가되며, 상기 아날로그 IC는 로우에서 하이로 천이된 신호가 인가되면 펄스 트랜스(PT2)(PT4)를 통해 전달되는 스위칭 콘트롤러(380)의 주파수 신호를 그라운드로 접지시킴으로 상기 모스 트랜지스터(FET12, FET14)도 스위칭 동작을 하지 않게 된다.

따라서, 과전류 차단부(362)의 과전류 보호 기능이 구동됨에 의해 H-브릿지(320)의 모스 트랜지스터(FET11~FET14)가 모두 오프 상태로 되어 AC 전압의 출력이 차단됨과 동시에 과전류의 흐름을 방지하게 된다.

상기에서 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하였으나, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상 및 본 질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 형태로 구현할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 사인파 인버터 과전류 검출 장치의 블록 구성도.

도 2는 도1의 상세 회로도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 보호 장치의 블록 구성도.

도 4는 도3의 상세 회로도.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 과전류 검출 및 차단 동작의 신호 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

310 : 승압부 320 : H-Bridge

330 : LC 필터 340 : Load

350 : 펄스 전달부 361 : 전류 센싱부

362 : 과전류 차단부 370 : MCU

380 : 스위칭 콘트롤러

Claims

배터리 전압을 AC 전압으로 출력하는 H-브릿지(H-Bridge)를 포함하는 차량용 인버터에 있어서,

인버터 동작 시에 사인파형을 출력하는 MCU(Micro-Controller Unit)와,

상기 사인파형를 레퍼런스 값으로 하는 스위칭 신호를 상기 H-브릿지에 출력하는 스위칭 콘트롤러와,

상기 스위칭 신호를 상기 H-브릿지에 전달하는 펄스 전달부와,

상기 H-브릿지에서의 과전류를 검출하는 전류 센싱부와,

상기 과전류가 검출되면 상기 H-브릿지를 그라운드에 접지시킴과 아울러 상기 H-브릿지로 전달되는 스위칭 신호를 차단하는 과전류 차단부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 차량용 인버터 보호 장치.
제1항에 있어서, 상기 펄스 전달부는

상기 스위칭 신호를 H-브릿지에 전달하는 4개의 펄스 트랜스와,

과전류 검출 시 오프되어 상기 4개의 펄스 트랜스 중 상위 2개의 펄스 트랜스로부터 전달되는 PWM 신호를 차단하는 2개의 포토 커플러를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 차량용 인버터 보호 장치.
제1항에 있어서, 상기 전류 센싱부는

H-브릿지의 하위 2개의 모스 트랜지스터와 그 2개의 모스 트랜지스터에 연결된 2개의 펄스 트랜스의 공통 연결점에 센싱저항이 접속됨과 아울러 상기 연결점이 과전류 차단부에 연결되어 구성됨을 특징으로 하는 차량용 인버터 보호 장치.
제1항에 있어서, 상기 과전류 차단부는

과전류 검출 시에 상기 펄스 전달부의 포토 커플러를 오프시킴과 아울러 상기 펄스 전달부를 통해 전달되는 PWM 신호를 접지시키도록 구성함을 특징으로 하는 차량용 인버터 보호 장치.
제1항 또는 제4항에 있어서, 과전류 차단부는

과전류 검출 시 순차적으로 턴온되어 상기 포토 커플러를 오프시키는 3개의 트랜지스터와,

과전류 검출 시에 H-브릿지의 하위 2개의 모스 트랜지스터(FET)를 접지시키는 아날로그 IC를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 차량용 인버터 보호 장치.