KR20120140088A - 차량의 ｐｔｃ 히터 제어용 ｐｗｍ 회로 - Google Patents

차량의 ｐｔｃ 히터 제어용 ｐｗｍ 회로 Download PDF

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Abstract

차량에 사용되는 보조전기 가열장치인 PTC 히터를 제어하기 위한 고용량/고주파의 PWM(Pulse Width Modulation)회로에 있어서, 전자파 장해가 개선된 노이즈 필터링 구조를 채택한 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로에 관한 것으로서, 차량용 PTC 히터 제어용 고주파 PWM회로용 PCB 기판을, 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부와, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 실장되는 저전압 인입부로 구분하여 설정하고, 상기 고전압 인입부에는 노이즈 필터링용 캐패시터 및 인덕터를 배치하고, 상기 저전압 인입부에는 라인 바이패스 캐패시터를 라인 투 그라운드(line-to-ground)로 접속함과 동시에, 페라이트 비즈 인덕터를 전원라인에 직렬로 접속한다. 이러한 회로구조에 따르면, PWM고전압잡음이 발생할 수 있는 영역을 최소화 하여 전자파 장애에 따른 잡음을 개선하는 효과를 가진다.

Description

차량의 ＰＴＣ 히터 제어용 ＰＷＭ 회로 {A PWM circuit for controlling PTC heater of a vehicle}
본 발명은, 차량의 PTC(Positive Temperature Coefficient)히터 제어용 PWM회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 차량에 사용되는 보조전기 가열장치인 PTC 히터를 제어하기 위한 고용량/고주파의 PWM(Pulse Width Modulation)회로에 있어서, 전자파 장해가 개선된 노이즈 필터링 구조를 채택한 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로에 관한 것이다.
각종 차량에는 실내의 각 부위로 냉기와 온기를 선택적으로 공급하기 위한 공조시스템이 구비되는데, 하절기에는 에어컨을 작동시켜 냉기를 공급하고, 동절기에는 히터를 가동하여 온기를 공급하게 된다.
일반적으로 히터의 작동 방식은 엔진 내부를 순환하며 가열된 냉각수와 송풍기에 의하여 유입된 공기가 상호 열교환이 이루어지면서 차량 실내로 온기를 공급하며 난방을 하는 방식으로서, 엔진에 의해 발생되는 열을 이용하는 것이므로 에너지 효율이 높은 난방 방식이다.
그러나 동절기에는 시동 후 엔진이 가열되기까지는 일정 시간이 필요하게 되므로 시동 후 곧바로 난방이 이루어지지 않는다. 따라서 난방을 위하여 엔진이 가열되고 냉각수의 온도가 고온이 될 때까지 주행 전 소정 시간 엔진을 공회전시키게 되는데, 이에 따른 에너지 낭비 및 환경 오염이란 문제가 발생하였다.
이러한 문제를 방지하기 위해 엔진이 가열되는 소정 시간 동안에 별도의 예열용 히터를 이용하여 차량실내를 난방하는 방법이 이용되었는데, 종래의 열선 코일을 이용한 히터는 발열량이 높아 난방은 효과적으로 이루어지나 화재 위험이 높고 전열선의 수명이 짧아 부품의 수리 및 교환이 빈번하게 발생하는 불편이 있었다.
따라서, 최근에는 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자를 이용한 히터가 개발되고 있는데, 화재 위험이 적고 수명이 길어 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 PTC 히터는 상대적으로 작은 용량의 히터가 주로 사용되었는데, 최근에는 전기자동차를 비롯한 다양한 차종과 사용자의 필요에 따라 고용량의 PTC 히터가 요구되어 개발되고 있는 추세이다.
도 1A은 종래 기술에 의한 PWM 제어 PTC 히터의 구조를 간략하게 나타내기 위한 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, PTC 히터(5)는 상부 하우징(6)의 내부에 복수개(도면에서는 3개)의 PTC 소자(7)가 설치되고, 각 PTC 소자(7)의 주위에는 복수의 방열핀(8)이 설치되어 전열부를 형성함으로써, PTC 소자(7)에 의해 발생된 열과 상기 방열핀(8)을 통과하는 공기 사이에 열교환이 이루어지는 구조로 되어 있다.
여기에서, 상기 PTC 소자(7)는 각각의 회로에 의하여 독립적으로 작동되며 각각의 용량은 균등하다. 이러한 상기 PTC 히터(5)는 상기 복수개의 PTC 소자(7)를 한꺼번에 온/오프시킬 경우, 차량 배터리에 과부하가 발생하여 램프가 깜빡거리거나, 알터네이터가 소손되거나, 또는 배터리가 방전되는 현상이 야기될 수 있다. 따라서, 통상 복수개의 PTC 소자(7)가 사용될 경우 PTC 소자(7)들을 순차적으로 온/오프시키는 제어방법을 적용하여 배터리의 과부하를 방지하고 있다.
상기 PTC 히터(5)의 온/오프는 제어부(9)를 통한 PWM(Pulse Width Modulation)방식으로 제어하게 된다. PWM 방식이란 펄스 변조 방식의 하나로, 변조 신호의 크기에 따라서 펄스의 듀티비를 변화시켜 제어하는 방식을 말한다. 즉, PWM 제어는 듀티비를 조절함으로써 제어값을 조정하게 되며, 이때 펄스 신호의 듀티비가 변함으로써 이 신호의 평균값이 변하게 되고 이러한 평균값을 제어신호값으로 사용하는 것이다.
도 1B는 도 1A에 나타낸 PTC히터의 등가회로를 나타낸 것으로서, PTC 히터(5)에서 제어부(9)는 마이크로 프로세서이며, 사전에, 전력반도체 소자인 파워트랜지스터(11)에 설정되어 있는 PTC 소자(7)의 가열전력 값에 따른 제어신호를 파워트랜지스터(11)에 인가한다.
그러면, 파워트랜지스터(11)은 제어부(9)의 제어신호에 따라 PWM 신호에 따른 전류를 PTC 소자(7)에 인가한다. 이때, PTC 소자(7)에서는 파워트랜지스터(11)로부터의 PWM 신호에 따른 전류에 의해 사전에 설정된 가열 전력이 발생함에 따라 온도가 상승하게 되고, 이에 의하여 난방을 하게 된다.
특히 최근에 개발되고 있는 전기자동차용의 PTC 히터는 200V 이상의 고전압을 사용하여 제어되고 있는데, 이러한 고전압 PTC 히터를 제어하기 위한 PWM 회로를 설계함에 있어서는, 일반적으로 고전압을 활용하기 위한 전력용의 고전압 제어부 및, 고전압 전류를 제어하거나 통신을 위한 저전압 제어부가 하나의 PCB기판 상에 일체로 형성하는 것이 일반적이다.
하지만, PCB기판의 크기가 한정되어 있기 때문에, 고전압 제어부에서 발생되는 잡음이 저전압 제어부로 쉽게 영향을 미치는 문제점이 있었다. 즉, 저전압 제어부는 각종의 제어신호 또는 통신신호와 관련되는 것이므로, 이와 같이 고전압 제어부에서 발생된 잡음(전자파 장해:EMI)이 저전압 제어부로 파급되면, 제어에 있어서의 오작동 또는 소음발생의 원인으로 된다.
이러한 잡음의 발생을 해결하기 위하여 통상 캐패시터와 인덕터를 이용한 잡음 필터링구조를 채택하고 있지만, 이러한 잡음 필터링 구조만으로는 잡음의 발생을 완벽하게 처리하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 차량에 사용되는 보조전기 가열장치인 PTC 히터를 제어하기 위한 고용량/고주파의 PWM(Pulse Width Modulation)회로의 잡음 필터링 구조에 있어서의 단점을 보완하여, 전자파 장해가 개선된 노이즈 필터링 구조를 채택한 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로에 의하면, PCB 기판을 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부와, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 실장되는 저전압 인입부로 구분하여 설정하고, 상기 고전압 인입부에는 노이즈 필터링용 캐패시터 및 인덕터를 배치한 것을 특징으로 하는 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로.
바람직하게는, 상기 저전압 인인부에 있어서, 고전압 PWM 회로 부품 제어용 회로와 기타 회로의 그라운드를 분리한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 저전압 인입부에는 라인 바이패스 캐패시터를 라인 투 그라운드(line-to-ground)로 접속함과 동시에, 페라이트 비즈 인덕터를 전원라인에 직렬로 접속한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로에 따르면, PWM 회로용 PCB 기판을, 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부와, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 실장되는 저전압 인입부로 구분하여 설정하고, 고전압 인입부에는 노이즈 필터링용 캐패시터 및 인덕터를 배치하였기 때문에, 회로상에서 PWM고전압잡음이 발생할 수 있는 영역을 최소화 하여 전자파 장애에 따른 잡음을 개선하는 효과를 가진다.
또한 저전압 제어용 장치의 사용 전압별 그라운드를 분리함으로써, 회로상호간 발생가능한 잡음을 최대한 개선하는 효과를 가진다.
또한, 저전압 인입부에는 라인 바이패스 캐패시터를 라인 투 그라운드(line-to-ground)로 접속함으로써, 소위 Y-cap 효과에 의하여 잡음을 한층 개선할 수 있다.
또한, 저전압 인입부에 페라이트 비즈 인덕터를 전원라인에 직렬로 접속함으로써, 노이즈 성분을 선택적으로 제거할 수 있기 때문에, 더 한층 잡음을 개선 할 수 있게 된다.
도 1A는 종래 기술에 의한 PWM 제어 PTC 히터의 구조를 간략하게 나타내기 위한 도면.
도 1B는 도 1A에 나타낸 PTC히터의 등가회로를 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 PTC 히터의 전체 구조를 나타내는 외관도.
도 3은 종래기술에 있어서의 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로가 실장되는 PCB기판의 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로가 실장되는 PCB기판의 모식도.
도 5는 본 발명에 따른 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로가 실장되는 PCB기판에 라인 바이패스 캐패시터 및 페라이트 비즈 인덕터를 적용한 예를 나타내는 도면.
도 6A는 본원발명을 적용하지 아니한 상태의 EMI 평가 파형도이고, 도 6B는 본원발명을 적용한 상태의 EMI 평가 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 일반적인 PTC 히터의 전체 구조를 나타내는 외관도이다.
일반적인 PWM 제어 고용량 PTC 히터는, 도시한 바와 같이 상부 하우징(6)과 하부 하우징(10)이 각각 결합되어 형성되어 프레임 구조를 이룬다. 하부 하우징(10)의 내부 공간에는 고용량의 성능 발휘를 위해 PTC 소자(7)들의 동작을 제어하기 위한 PCB기판(40)이 장착되며, 이러한 PCB기판(40)에는 제어를 위한 파워트랜지스터가 장착되고, 양극단자(110)가 클립(740)을 통해 장착되어 전기적으로 연결된다. 즉, PCB기판(40)에는 전원 공급을 위한 양극전원단자(50) 및 음극전원단자(20)로 구성된 전원단자가 별도로 장착되고, 양극전원단자(50)로부터 공급된 전류는 PCB기판(40)의 회로를 따라 파워트랜지스터(750)를 통해 제어되며 PTC 소자(7)의 양극단자(50)로 전달된다. 이와 같이 양극단자(50)로 전류가 전달되어 PTC 소자(7)가 발열하고, 이는 다시 PTC 소자(7)의 외측면 커버를 통해 음극전원단자(20)로 흘러나오는 방식으로 구성된다.
PCB 기판(40)상에는 파워트랜지스터뿐 아니라, 고전압 PWM 그라운드의 회로부품과, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 일체로 실장된다.
또한, PCB기판(40)에는 차량의 ECU로부터 차량 상태에 관한 정보를 수신하고 이에 따라 PTC 히터(5)의 동작을 제어할 수 있도록 하기 위해 차량 ECU와 통신하는 통신포트가 별도로 장착될 수 있다.
도 3은 종래기술에 있어서의 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로가 실장되는 PCB기판의 모식도이다. 도시한 바와 같이, 종래에는, 고전압 PTC 히터를 제어하기 위한 PWM 회로를 설계함에 있어서, 고전압을 활용하기 위한 전력용의 고전압 인입부와, 제어 및 통신등을 위한 저전압 인인부가 하나의 PCB기판 상에 일체로 형성되어 있었다. 아울러, 통상 캐패시터 C와 인덕터 L을 이용한 잡음 필터링구조도 하나의 PCB기판 상에 일체로 형성 및 위치되어 있어서, 노이즈 필터링 효과가 완벽하게 이루어지지 않았다.
이에 대하여, 도 4는 본 발명에 따른 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로가 실장되는 PCB기판의 모식도로서, 도시한 바와 같이, 차량용 PTC 히터 제어용 고주파 PWM회로용 PCB 기판을, 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부와, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 실장되는 저전압 인입부로 구분하여 설정하였다. 아울러, 상기 고전압 인입부에는 노이즈 필터링용 캐패시터 및 인덕터를 배치하였다.
이와 같이 함으로써, 종래의 문제점으로서, PCB기판의 크기가 한정되어 있기 때문에, 고전압 제어부에서 발생되는 잡음이 저전압 제어부로 쉽게 영향을 미치는 단점을 크게 개선할 수 있다. 즉, 고전압 제어부에서 발생된 잡음(전자파 장해:EMI)이 각종의 제어신호 또는 통신신호와 관련되는 저전압 제어부에 파급되는 것을 적극적으로 피할 수 있으므로, 제어에 있어서의 오작동 또는 소음발생의 원인을 제거할 수 있으므로, 회로상에서 잡음이 발생할 수 있는 영역을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 이와 같은 회로기판상에서의 부품배치구조뿐 아니라, 본 발명에서는 잡음감소를 위하여 다른 대책도 마련하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로에 라인 바이패스 캐패시터 및 페라이트 비즈 인덕터를 적용한 예를 나타내는 도면으로서, 도면에서 “B”로 표시한 부분은 저전압 인입부에는 라인 바이패스 캐패시터를 라인 투 그라운드(line-to-ground)로 접속한 것을 나타내는 것이며, “A”로 표시한 부분은, 페라이트 비즈 인덕터(ferrite beads inductor)를 전원라인에 직렬로 접속한 것을 나타낸다.
도면에 있어서 “B"로 표시한 라인 바이패스 캐패시터는 소위 “Y-CAP"이라 불리는 소음대책용의 회로부품으로서, 일반적으로 교류전원 라인에 EMI 억제를 목적으로 설치하는 커패시터이며, 특히 공통모드 잡음을 필터링하기 위해 각 라인에 대해 라인-투-그라운드 방식으로 접속한 것을 말한다. 이러한 Y-CAP은 특히 고주파 잡음을 감쇠하기 위한 캐패시터이며, AC파워라인에 직렬접속되는 EMI 필터링 어플리케이션으로서 사용된다. 모터, 인버터 및 전자 밸러스트에 의하여 발생되는 전기적 잡음을 억제하는데에도 많이 사용되고 있다.
따라서, 본원발명에 있어서는, 저전압 인입부에 Y-CAP 캐패시터를 라인-투-그라운드로 접속시킴으로써 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부에서 발생할 수 있는 고주파 잡음을 적극 감쇠할 수 있도록 하고 있다.
한편, 또한, 페라이트 비즈 인덕터는 저주파 영역에서는 인덕터 성분으로서, 고주파 영역에서는 저항성분으로서 기능하는 소자로서 저주파영역에서는 잡음을 반사하고, 고주파 영역에서는 잡음을 흡수하는 기능을 나타내게 된다.
보다 상세하게는, 페라이트 비즈 인덕터는, 중공형의 페라이트에 도선을 관통시킨 구조를 가지는 것으로서, 인덕터와 저항의 성질을 겸비한다. 전선에 투자율이 높은 페라이트 코어를 끼워놓음으로써, 전선이 인덕턴스가 증가하게 되고, 따라서 고주파 성분의 신호전류는 잘 흐르지 않게 되므로, 저주파는 잘 통과시키고 고주파 신호는 차단하는 역할을 하게 된다.
따라서, 본원발명에 있어서는, 저주파 인입부에 페라이트 비즈 인덕터를 접속시킴으로써, 회로상에서 고주파 인입부 및 저주파 인입부가 분리되는 효과를 주게 되며, PWM고주파 영역에서 발생하는 잡음이 전선을 통하여 저주파 영역으로 들어가는 것을 차단해 줌으로써, 이들 영역의 상호간에 발생가능한 잡음의 간섭을 최대한 차단하는 효과를 더하게 된다.
상술한 바와 같이, 본원발명에 있어서는,
① 차량용 PTC 히터 제어용 고주파 PWM회로용 PCB 기판을, 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부와, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 실장되는 저전압 인입부로 구분하여 설정하고, 고전압 인입부에는 노이즈 필터링용 캐패시터 및 인덕터를 배치한 구성.
② 저전압 인인부에 있어서, 고전압 PWM 회로 부품 제어용 회로와 기타 회로의 그라운드를 분리한 구성.
③ 저전압 인입부에는 라인 바이패스 캐패시터를 라인 투 그라운드(line-to-ground)로 접속하고, 다시 페라이트 비즈 인덕터를 전원라인에 직렬로 접속한 구성등의 3가지 대책을 강구함으로써, 회로상에서 PWM고전압잡음이 발생할 수 있는 영역을 최소화함과 동시에, 복합적으로 전자파 장애에 따른 잡음을 개선하는 효과를 가진다.
이러한 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 전자파 검정을 실시한 결과를 도 6에 나타내며, 도 6A는 본원발명을 적용하지 아니한 상태의 EMI 평가 파형도이고, 도 6B는 본원발명을 적용한 상태의 EMI 평가 파형도이다. 도면에서 보는 바와 같이, 본원 발명의 구성을 적용하지 아니한 경우에 비하여, 본원 발명을 적용한 경우가 훨씬 EMI 개선효과가 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (3)

  1. 차량용 PTC 히터 제어용 고주파 PWM회로용 PCB 기판을, 고전압 PWM 그라운드의 회로부품이 실장되는 고전압 인입부와, 저전압 그라운드의 제어 및 통신용 회로부품이 실장되는 저전압 인입부로 구분하여 설정하고,
    상기 고전압 인입부에는 노이즈 필터링용 캐패시터 및 인덕터를 배치한 것을 특징으로 하는 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저전압 인인부에 있어서, 고전압 PWM 회로 부품 제어용 회로와 기타 회로의 그라운드를 분리한 것을 특징으로 하는 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저전압 인입부에는 라인 바이패스 캐패시터를 라인 투 그라운드(line-to-ground)로 접속함과 동시에, 페라이트 비즈 인덕터를 전원라인에 직렬로 접속한 것을 특징으로 하는 차량의 PTC 히터 제어용 PWM 회로.
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