KR20130010567A - 액티브 브릿지 정류기를 이용하는 자동차용 발전기 - Google Patents

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Abstract

액티브 브릿지 정류기를 이용하는 자동차용 발전기를 공개한다. 본 발명에 따른 자동차용 발전기는 스테이터 코일에서 생성되는 3상 교류 전압을 정류하기 위한 정류기가 3상 교류 전압 각각에 대응하여 브릿지로 연결된 MOSFET의 온/오프를 타이밍을 제어하여 정류한다. 따라서 액티브 소자인 MOSFET의 온 저항이 낮으므로 발전기의 효율을 극대화 시킬 수 있다.

Description

액티브 브릿지 정류기를 이용하는 자동차용 발전기{Alternator for a vehicle using active bridge RECtifier}
본 발명은 자동차용 발전기에 관한 것으로, 특히 ABR을 이용하는 자동차용 발전기에 관한 것이다.
발전기, 특히 자동차용 발전기의 경우에는 급변하는 자동차 환경에 따라 다양한 요구 사항이 증가하고 있다. 자동차용 발전기에 요구되는 사항을 정리하면, 소형화, 경량화, 고출력화 및 수명 향상 등이 있다. 먼저 자동차에 각종 보안장치와 사용자의 편의 시설 등의 증가로 인해 엔진룸 협소화에 따라 자동차 부품의 소형화 요구 지속됨에 따라 발전기 또한 소형화가 요구된다. 그리고 석유위기와 에너지 비용 상승 및 환경을 위한 에너지 절감노력에 따라 연비향상 수단으로 자동차 중량 저하 요구가 계속되어 발전기에 대한 경량화가 요구되고 있다. 고출력화는 자동차의 보안성 및 편의성 증가에 따라 증가된 전기 장치를 구동하기 위해 발전기의 출력이 증가될 필요성이 높아지고 있다. 특히 자동차 보유대수의 증가와 도시 발달로 인해 교통 체증이 심해짐에 따라 자동차의 평균 속도가 저하되었으므로 저속에서도 고출력이 필요하다. 마지막으로 수명 향상은 자동차용 발전기뿐만 아니라 모든 장치에서 기본적으로 요구되는 사양으로서 고장율 감소 및 안정적인 사용을 위해 중요한 요소이다.
도1 은 자동차 충전 시스템의 개략적인 일예를 나타낸다.
자동차의 충전 시스템(Charging System)은 크게 발전기(Alternator)(100), 배터리(Battery)(200)로 구분될 수 있으며, 배터리에 충전된 전기가 부하(300)인 자동차 내부의 전기장치(300)로 공급된다.
발전기(100)는 자동차 엔진의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 시동 모터(Start Motor)를 구동하고, 배터리(200) 충전 및 자동차 전기 장치에 전기를 공급하는 역할을 수행하며, 전압조정기(REGulator)와 정류기(RECtifier)를 구비한다.
자동차용 발전기(100)는 자동차의 엔진룸에 장착되어 엔진이 벨트와 연결되어 엔진의 회전에 의해 교류 전원를 생성하고, 정류기를 통해 생성된 전기를 정류하여 직류 전기를 배터리에 충전한다. 또한 자동차 주행시 사용되는 자동차 내부의 전기장치(300)로 공급한다.
발전기(100)의 기본 원리는 먼저 기계적인 운동을 하는 엔진에 연동되어 회전하는 필드 코일(Field Coil)( 또는 로터 코일(Rotor Coil) 이라함)과 이를 둘러싼 스테이터 코일(Stator Coil)의 상호 작용으로 전자기 유도에 의해 교류 전압이 생성되고, 생성된 교류 전압이 정류기를 통해 직류로 변환되는 것이다. 이때 발전기(100)의 발전량은 필드 코일에 공급되는 전류에 의해 조절되며, 이 전류는 전압 조절기(Voltage Regulator)에 의해 조절된다.
도2 는 기존의 자동차용 발전기 구성의 일예를 나타낸다.
도2 의 기존의 자동차용 발전기는 스테이터 코일(Scoil), 필드 코일(Fcoil) 정류기(REC), 전압조정기(REG) 및 배터리(BAT)를 구비한다. 스테이터 코일(Scoil)은 상기한 바와 같이 필드 코일(Fcoil)을 둘러싸서 배치되어, 필드 코일(Fcoil)과의 상호 작용으로 3상 교류 전압(U, V, W)을 생성한다. 그리고 정류기(REC)는 각각 직렬로 연결되는 2개의 다이오드를 구비하여 스테이터 코일(Scoil)에서 생성된 3상 교류 전압(U, V, W) 중 대응하는 1상의 전압을 정류하는 3개의 정류 회로가 병렬로 연결되는 구성을 갖는다. 정류기(REC)에 의해 정류된 3상 전압은 배터리(BAT)로 충전된다. 그러나 기존의 정류기(REC)는 정류 소자로 온-저항(On-Resistance)이 큰 다이오드를 사용하기 때문에, 다이오드에 의한 전압 강하로 인하여 전력 손실이 크다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 액티브 브릿지 정류기를 적용하여 전력 손실을 줄일 수 있는 자동차용 발전기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 자동차용 발전기는 제1 노드 및 접지 전원에 연결되는 접지 노드 사이에 연결되는 충전용 배터리, 상기 제1 노드에 일단이 연결되어 상기 배터리의 전압 레벨을 감지하고, 배터리의 전압 레벨에 대응하는 여자 전류를 생성하여 출력하는 전압 조정기, 엔진에 연동되어 회전하며, 상기 여자 전류를 인가받아 여자되는 필드 코일, 상기 필드코일을 둘러싸서 배치되어, 회전하는 상기 필드 코일과 상호 작용으로 3상 교류 전압을 생성하는 스테이터 코일, 복수개의 제어 신호 중 대응하는 제어 신호에 응답하여 온/오프되는 복수개의 MOSFET를 구비하여 상기 스테이터 코일에서 생성되는 상기 3상 교류 전압을 정류하여 상기 제1 노드로 인가하는 정류기, 및 상기 3상 교류 전압과 상기 배터리의 전압을 비교하여 상기 복수개의 제어 신호를 생성하는 위상 감지 및 구동회로를 구비한다.
상기 목적을 달성하기 위한 정류기는 상기 제1 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되어 상기 스테이터 코일에서 생성되는 상기 3상 교류 전압 중 대응하는 상의 교류 전압을 정류하여 출력하는 3개의 정류회로를 구비하고, 상기 3개의 정류 회로 각각은 상기 제1 노드와 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상 사이에 연결되는 제1 MOSFET와 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상과 상기 접지 노드 사이에 연결되는 제2 MOSFET을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 MOSFET와 상기 제2 MOSFET는 각각 병렬로 연결된 복수개의 MOSFET이고, 복수개의 MOSFET는 동일한 제어 신호를 게이트로 인가받는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 위상 감지 및 구동회로는 각각 상기 스테이터 코일의 상기 3상 교류 전압 대응하는 상과 인접한 상에 연결되어, 인접한 상의 교류 전압을 대응하는 상으로 전달하는 3개의 공급부를 구비하는 전원 공급부, 및 상기 배터리의 양의 전극에 연결되는 상기 제1 노드와 상기 배터리의 음의 전극에 연결되는 제2 노드 사이에 병렬로 연결되고, 상기 스테이터 코일의 상기 3상 교류 전압 중 대응하는 상에서 출력되는 교류 전압과 상기 배터리의 양의 전압 및 음의 전압을 각각 비교하여 2개씩의 상기 제어 신호를 출력하는 3개의 위상 비교부를 구비하는 위상 감지부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 공급부 각각은 상기 대응하는 상과 상기 접지 노드 사이에 직렬로 연결되는 2개의 다이오드와 상기 2개의 다이오드 사이의 노드와 상기 인접한 상 사이에 연결되는 전원 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 3개의 위상 비교부 각각은 상기 배터리의 양의 전압을 분배한 전압과 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 중 대응하는 상의 전압 레벨을 비교하여 상기 2개의 제어 신호 중 제1 제어 신호를 출력하는 파지티브 비교부, 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 중 대응하는 상의 전압을 분배한 전압과 상기 배터리의 음의 전압을 비교하여 상기 2개의 제어 신호 중 제2 제어 신호를 출력하는 네거티브 비교부, 및 상기 배터리와 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 사이에 전류 역류가 발생하지 않도록 하는 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 파지티브 비교부는 상기 배터리의 양의 전압을 분배하는 제1 및 제2 분배 저항, 음의 입력단으로 인가되는 상기 제1 및 제2 분배 저항에 의해 분배된 상기 배터리의 양의 전압과 양의 입력단으로 인가되는 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상의 전압을 비교하여 상기 제1 제어 신호를 출력하는 제1 비교기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 네거티브 비교부는 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상의 전압을 분배하는 제3 및 제4 분배 저항, 음의 입력단으로 인가되는 상기 제1 및 제2 분배 저항에 의해 분배된 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상의 전압과 양의 입력단으로 인가되는 상기 상기 배터리의 양의 전압을 비교하여 상기 제2 제어 신호를 출력하는 제1 비교기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 보호 회로는 상기 배터리와 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 및 상기 접지 전원 사이에 전류 역류가 발생하지 않도록 복수개의 다이오드와 복수개의 커패시터 및 하나 또는 그 이상의 제너 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 자동차용 발전기는 온 저항이 큰 다이오드 대신 온 저항이 낮은 MOSFET를 이용하는 액티브 브릿지 정류기를 적용하여 스테이터 코일에서 생성된 3상 교류 전압을 정류하므로, 발전기의 효율을 높일 수 있으며, 특히 자동차가 저속으로 운행 시에 효율이 매우 높다.
도1 은 자동차 충전 시스템의 개략적인 일예를 나타낸다.
도2 는 기존의 자동차용 발전기 구성의 일예를 나타낸다.
도3 은 본 발명에 따른 자동차용 발전기 구성의 일예를 나타낸다.
도4 는 위상 감지 및 MOSFET 구동 회로의 일예를 나타낸다.
도5 는 본 발명에 따른 정류기의 다른 예를 나타낸다.
도6 은 본 발명에 따른 액티브 브릿지 정류기의 효과를 기존의 정류기를 사용하는 경우와 비교하여 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도3 은 본 발명에 따른 자동차용 발전기 구성의 일예를 나타낸다.
도3 의 자동차용 발전기 또한 스테이터 코일(Scoil), 필드 코일(Fcoil) 정류기(REC), 전압조정기(REG) 및 배터리(BAT)를 구비한다.
배터리(BAT)는 제1 노드(N1)와 접지 노드(Ng) 사이에 연결되고, 제1 노드(N1)를 통해 발전기에서 생성되는 전류가 배터리(BAT)로 충전된다.
전압조정기(REG)는 제1 노드(N1)를 통해 배터리(BAT)와 연결되고, 배터리(BAT)의 전압레벨을 감지하여 배터리(BAT)의 전압레벨에 대응하여 필드 코일(Fcoil)에 인가되는 전류량을 제어한다. 엔진에 연동되어 회전하는 필드 코일(Fcoil)은 일단이 전압조정기(REG)에 연결되고, 타단이 접지 노드(Ng)에 연결되며, 전압조정기(REG)에서 인가되는 전압에 응답하여 여자되고, 스테이터 코일(Scoil)은 필드 코일(Fcoil)에서 여자된 자기장에 따라 생성되는 3상 교류 전압(U, V, W)의 전압 레벨을 조절된다. 결과적으로 전압 조정기(REG)는 배터리(BAT)의 전압 레벨을 감지하고, 감지된 배터리(BAT)의 전압 레벨에 따라 필드 코일(Fcoil)에 흐르는 전류를 제어 하여 스테이터 코일(Scoil)에서 생성되는 3상 교류 전압(U, V, W)의 전압 레벨을 조절한다.
스테이터 코일(Scoil)은 엔진에 연동되어 회전하는 필드 코일(Fcoil)을 둘러싸서 배치되어, 필드 코일(Fcoil)과의 상호 작용으로 3상 교류 전압(U, V, W)을 생성한다. 3상 교류 전압(U, V, W) 각각은 정류기의 제1 내지 제3 위상 노드(Nu, Nv, Nw)로 인가된다. 여기서 스테이터 코일(Scoil)에서 생성되는 3상 교류 전압(U, V, W)은 상기한 바와 같이, 필드 코일(Fcoil)에 흐르는 전류에 따라 전압 레벨이 가변된다.
정류기(REC)는 스테이터 코일(Scoil)에서 생성된 3상 교류 전압(U, V, W) 중 대응하는 1상의 전압을 정류하는 3개의 정류 회로가 제1 노드(N1)와 접지 노드(Ng) 사이에 연결되는 병렬로 연결되고, 3개의 정류 회로는 각각 직렬로 연결되는 2개의 MOSFET((M1, M2), (M3, M4), (M5, M6))를 구비한다. 그리고 3개의 정류 회로 각각에서 2개의 MOSFET((M1, M2), (M3, M4), (M5, M6)) 사이의 제1 내지 제3 위상 노드(Nu, Nv, Nw)에는 스테이터 코일(Scoil)에서 생성되는 3상 교류 전압(U, V, W) 중 대응하는 전압이 인가된다. 복수개의 MOSFET((M1, M2), (M3, M4), (M5, M6))의 게이트 단자로는 각각 대응하는 제어 신호(G1 ~ G6)가 인가된다.
즉 도2 의 정류기에서는 병렬로 연결된 3개의 정류 회로 각각이 직렬로 연결되는 2개의 다이오드를 구비하였으나, 도3 의 정류기(REC)는 다이오드 대신 MOSFET를 이용하여 정류한다는 점에서 차이가 있다. 그리고 MOSFET는 온-저항(On-Resistance, RDSON)이 다이오드에 비하여 낮으므로, 전압 강하로 인한 전력 손실을 크게 줄일 수 있다.
도2 의 정류기는 1상의 전압을 정류하기 위해 브릿지 된 2개의 다이오드가 이용되므로, 2개의 다이오드에 의해 발생하는 전력 손실(PD)은 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure pat00001
수학식 1에서 나타난바와 같이 다이오드에 의해 발생하는 전력 손실(PD)은 다이오드에 의해 강하되는 전압(VD)과 배터리로 공급되는 전류(IB)에 비례하여 나타난다.
한편 도3 의 정류기는 1상의 전압을 정류하기 위해 브릿지 된 2개의 MOSFET가 이용되므로, 2개의 MOSFET에 의해 발생하는 전력 손실(PD)은 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00002
수학식 2에서 나타난 바와 같이 MOSFET를 이용하는 경우에 발생하는 전력 손실(PFET)은 MOSFET의 온 저항(RDSON)과 부하(여기서는 배터리) 전류의 제곱에 비례하여 나타난다.
실험적으로 다이오드와 MOSFET를 비교할 때, MOSFET에 의한 전력 손실이 다이오드에 의한 발생하는 온 저항보다 크게 낮다. 따라서 전력 손실이 크게 감소되어 발전기의 효율이 높아진다. 그리고 효율을 높이기 위해서 MOSFET 에서도 특히 낮은 온 저항(RDSON)을 갖는 MOSFET를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 자동차가 저속으로 운행 중일 때 출력을 증가시킬 수 있다. 도3 에서 정류기(REC)는 일종의 브릿지 회로이며, 브릿지에 액티브 소자인 MOSFET가 사용되므로, 본 발명에 따른 정류기(REC)는 액티브 브릿지 정류기(Active Bridge Rectifier : 이하 ABR)이라고 부른다.
MOSFET는 원리적으로 정류 소자로서 기능을 수행할 수 있는 다이오드와 달리 기본적으로는 스위치 소자이다. 따라서 기본적으로 정류 동작을 수행할 수 없다. 뿐만 아니라 스테이터 코일(Scoil)에서 생성된 3상 교류 전압(U, V, W)의 위상이 배터리(BAT)의 전압레벨 보다 낮은 경우에 MOSFET가 온 되어 있으면, 배터리(BAT)로부터 정류기(REC)를 통해 스테이터 코일(Scoil) 전류가 흐르는 역류 현상마저 발생할 우려가 있다.
그러므로 ABR에서는 스테이터 코일(Scoil)에서 생성된 3상 교류 전압(U, V, W)의 위상에 따라 MOSFET((M1, M2), (M3, M4), (M5, M6))의 게이트 단자에 인가되는 제어 신호(G1 ~ G6)를 조절하여 MOSFET((M1, M2), (M3, M4), (M5, M6))을 온/오프 하여야 비로서 정류 소자로서의 기능을 수행할 수 있다.
도2 및 도3 에서는 설명의 편의를 위하여 개략적인 자동차용 발전기 구성만을 도시하였으나, 실제 자동차용 발전기에는 시동 스위치와 자동차의 전자 장치를 제어하기 위한 ECU(Electronic Control Unit)등의 장치가 전압 조정기(REG)에 연결되어 추가적인 기능을 수행할 수 있다.
도4 는 위상 감지 및 구동 회로의 일예를 나타낸다.
도4 를 참조하여 위상 감지 및 구동 회로(10)를 설명하면, 위상 감지 및 구동 회로(10)는 전원 공급부(100)와 위상 감지부를 구비한다.
전원 공급부(100)는 3개의 공급부를 구비하고, 3개의 공급부 각각은 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 2개의 상에 순차적으로 연결된다. 3개의 공급부의 각각의 구성을 상세하게 살펴보면, 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 하나의 상(U, V, W)과 접지 노드(Ng) 사이에 직렬로 연결되는 2개의 다이오드((D1, D2), (D3, D4), (D5, D6))와 상기 2개의 다이오드((D1, D2), (D3, D4), (D5, D6)) 사이의 노드(N3, N4, N5)와 상기 하나의 상 다음의 위상의 전압을 출력하는 하나의 상(V, W, U) 상이에 연결되는 전원 커패시터(C1 ~ C3)를 구비한다. 위상 감지 및 구동회로(10)에서 위상 감지부는 복수개의 비교기(U1 ~ U2)를 구비하고, 복수개의 비교기는 배터리(BAT)에서 인가되는 전압과 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 하나의 상(U, V, W)에서 인가되는 전압으로 구동된다. 그러나 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 하나의 상(U, V, W)에서 인가되는 전압은 비교기(U1, U2)에서 배터리(BAT)의 전압 레벨과 비교되어야 하는 전압임에 동시에 비교기(U1, U2)로 전원을 공급하는 전원 전압이다. 따라서 비교기(U1, U2)가 대응하는 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 하나의 상(U, V, W)에서 인가되는 전압을 배터리(BAT)의 전압 레벨과 비교할 때, 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상에서 출력되는 전압만으로는 안정적인 비교가 어렵다. 즉 대응하는 상에서 출력되는 전압 레벨이 낮아지는 경우에는 대응하는 상의 전압과 배터리(BAT)의 전압 레벨을 비교하기 이전에 비교기(U1, U2)가 구동되지 않을 수 있다. 이에 전압 공급부(100)의 3개의 공급부 각각은 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상과 다음의 위상을 갖는 상을 전원 커패시터(C1 ~ C3)를 이용하여 연결함으로서, 대응하는 상의 전압 레벨이 비교기(U1, U2)를 구동할 수 있도록 유지되도록 한다. 그리고 2개의 다이오드((D1, D2), (D3, D4), (D5, D6))는 대응하는 상으로부터 다음 상으로 전류가 역류되어 흐르지 않도록 방지하는 역할을 수행한다.
위상 감지부는 배터리(BAT)의 양의 전극에 연결되는 제1 노드(N1)와 배터리(BAT)의 음의 전극에 연결되는 제2 노드(N2) 사이에 병렬로 연결되는 3개의 위상 비교부(210 ~ 230)를 구비한다.
3개의 위상 비교부(210 ~ 230) 각각은 배터리(BAT)의 전압과 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상의 전압 레벨을 비교하여 2개의 제어 신호((G1, G2), (G3, G4), (G5, G6))를 출력한다.
3개의 위상 비교부(210 ~ 230) 중 하나의 제1 위상 비교부(210)의 구성을 살펴보면, 제1 위상 비교부(210)는 배터리(BAT)에서 인가되는 양의 전압(B+)을 분배한 전압과 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)의 전압 레벨을 비교하여 제1 제어 신호(G1)를 출력하는 파지티브 비교부(211)와 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)의 전압을 분배한 전압과 배터리(BAT)에서 인가되는 음의 전압(B-)을 비교하여 제2 제어 신호(G2)를 출력하는 네거티브 비교부(212) 및 보호 회로를 구비한다.
파지티브 비교부(211)와 네거티브 비교부(212) 각각은 OP-AMP로 구현되는 비교기(U1, U2)를 구비한다. 파지티브 비교부(211)의 비교기(U1)는 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상이 + 입력단에 연결되고, - 입력단으로는 배터리(BAT)의 양의 전압(B+)이 2개의 저항(R1, R2)의 저항값 비에 따라 분배되어 입력된다. 즉 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)을 기준으로 분배된 배터리(BAT)의 양의 전압(B+)을 비교하여 제1 제어 신호(G1)를 출력하는 부궤환 반전 증폭회로이며, 분배된 배터리(BAT)의 양의 전압(B+)이 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상의 전압 레벨보다 높아지면 로우 레벨의 제1 제어 신호(G1)를 출력하여 대응하는 MOSFET(M1)를 오프 시키고, 분배된 배터리(BAT)의 양의 전압(B+)이 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)의 전압 레벨보다 낮아지면 하이 레벨의 제1 제어 신호(G1)를 출력하여 대응하는 MOSFET(M1)를 온 시킨다. 즉 배터리(BAT)의 전압 레벨이 대응하는 상(U)보다 낮아지면, MOSFET(M1)는 온되고, 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)과 배터리(BAT)를 연결하여 배터리(BAT)가 충전된다.
한편, 네거티브 비교부(212)의 비교기(U2)는 배터리(BAT)의 양의 전압(B-)이 + 입력단에 연결되고, - 입력단으로는 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)이 2개의 저항(R3, R3)의 저항값 비에 따라 분배되어 입력된다. 즉 배터리(BAT)의 음의 전압(B-)을 기준으로 분배된 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)을 비교하여 제2 제어 신호(G2)를 출력하는 부궤환 반전 증폭회로이며, 분배된 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)이 배터리(BAT)의 음의 전압(B-)보다 높아지면 로우 레벨의 제2 제어 신호(G2)를 출력하여 대응하는 MOSFET(M2)를 오프 시키고, 분배된 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)의 전압 레벨이 배터리(BAT)의 음의 전압(B-)보다 낮아지면 하이 레벨의 제2 제어 신호(G2)를 출력하여 대응하는 MOSFET(M2)를 온 시킨다. 즉 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)의 전압 레벨이 배터리(BAT)의 음의 전압(B-)보다 낮아지면, MOSFET(M2)는 온 되고, 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)에서 생성되는 전압은 접지 노드(Ng)로 흐르게 된다.
보호 회로는 4개의 보호 다이오드(D7 ~ D10)와 4개의 보호 커패시터(C4 ~ C7) 및 하나의 제너 다이오드(ZD1)를 구비한다. 보호회로는 스테이터 코일(Scoil)의 3상 중 대응하는 상(U)과 배터리(BAT)의 양단(B+, B-) 및 접지 노드(Ng) 사이에서 원하지 않는 방향으로의 전류 흐름을 방지하고, 비교기(U1, U2)로 안정된 전원이 인가되도록 한다.
ABR 의 효과를 높이기 위해 온 저항(RDSON)이 낮은 MOSFET를 사용하려면, 상대적으로 전류 용량이 커야한다. 내압 및 전류 용량이 모두 높은 사양의 부품은 일반적으로 단가가 높으므로 발전기의 제조 원가를 높이게 된다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 전류 용량이 크지만 내압 능력이 낮은 부품을 사용하되, 보호 다이오드(D7 ~ D10) 보호 커패시터(C4 ~ C7) 및 제너 다이오드(ZD1)를 구비하여 높은 효율을 유지하면서 발전기의 제조 원가를 낮추도록 한다.
도4 의 위상 감지 및 구동 회로(10)는 도3 의 3개의 정류회로 중 하나의 정류회로에 구비되는 2개의 MOSFET(M1, M2)를 제어하는 제어 신호(G1, G2)를 생성하는 제1 위상 비교부(210)만을 상세하게 도시하고, 나머지 2개의 정류회로에 구비되는 4개의 MOSFET((M3, M4), (M5, M6))를 제어하기 위한 제어 신호((G3, G4), (G5, G6))를 생성하기 위한 제2 및 제3 위상 비교부(220, 230)는 간략하게 블록으로 도시하였다. 이는 제2 및 제3 위상 비교부(220, 230)의 구조 또한 제1 위상 비교부(210)와 동일하기 때문에 설명의 편의를 위하여 간략화 하였다.
도5 는 본 발명에 따른 정류기의 다른 예를 나타낸다.
도3 에서는 정류기의 정류회로에 다이오드 대신 MOSFET를 이용하여 전력 손실을 줄였다. 그리고 각각의 정류회로가 직렬로 연결된 2개의 MOSFET를 구비하였다. 그러나 도5 의 정류기는 병렬로 연결된 3개의 정류회로가 각각 4개의 MOSFET를 구비한다. 3개의 정류 회로 중 제1 위상 전압(U)을 정류하는 제1 정류 회로는 제1 노드(N1)와 제1 위상 노드(Nu) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 MOSFET(M1, M1') 및 제1 위상 노드(Nu)와 접지 노드(Ng) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 MOSFET(M2, M2')를 구비한다. 그리고 제2 위상 전압(V)을 정류하는 제2 정류 회로는 제1 노드(N1)와 제2 위상 노드(Nv) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 MOSFET(M3, M3') 및 제2 위상 노드(Nv)와 접지 노드(Ng) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 MOSFET(M4, M4')를 구비하고, 제3 위상 전압(W)을 정류하는 제3 정류 회로는 제1 노드(N1)와 제3 위상 노드(Nw) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 MOSFET(M5, M5') 및 제3 위상 노드(Nw)와 접지 노드(Ng) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 MOSFET(M6, M6')를 구비한다. 그리고 서로 병렬로 연결된 MOSFET들((M1, M1'), (M2, M2'), (M3, M3'), (M4, M4'), (M5, M5'), (M6, M6')) 각각은 동일한 제어 신호를 인가받도록 구성된다.
도5 와 같이 각각의 정류회로에서 2개씩의 MOSFET를 병렬로 연결하게 되면, 결과적으로 MOSFET의 온 저항(RDSON)을 1/2로 낮추는 효과가 나타나므로 자동차용 발전기의 효율을 더욱 높일 수 있다.
상기에서는 2개씩의 MOSFET가 병렬로 연결되는 것으로 설명하였으나, 복수개의 MOSFET가 병렬로 연결될 수도 있다. 상기한 바와 같이 병렬로 연결되는 복수개의 MOSFET들은 동일한 제어 신호를 인가받을 것이다.
도6 은 본 발명에 따른 액티브 브릿지 정류기의 효과를 기존의 정류기를 사용하는 경우와 비교하여 나타낸다.
도6 에 도시된 바와 같이, 기존의 정류기가 다이오드를 이용하여 정류를 수행할 때 비하여, 본 발명에 따른 MOSFET를 이용하는 ABR이 이용될 경우에 전체적으로 높은 효율을 나타내게 되며, 특히 컷-인 속도(Cut-in)를 낮추어 전체적인 발전기의 출력 특성 곡선이 왼쪽으로 이동하게 되었음을 확인할 수 있다. 도6 의 시뮬레이션 결과에서, 출력 특성 곡선이 왼쪽으로 이동하였으므로, 기존의 정류기에 비해 낮은 속도(Idle Speed)에서 약 30% 이상의 출력 증가 효과를 나타내었다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 제1 노드 및 접지 전원에 연결되는 접지 노드 사이에 연결되는 충전용 배터리;
    상기 제1 노드에 일단이 연결되어 상기 배터리의 전압 레벨을 감지하고, 배터리의 전압 레벨에 대응하는 여자 전류를 생성하여 출력하는 전압 조정기;
    엔진에 연동되어 회전하며, 상기 여자 전류를 인가받아 여자되는 필드 코일;
    상기 필드코일을 둘러싸서 배치되어, 회전하는 상기 필드 코일과 상호 작용으로 3상 교류 전압을 생성하는 스테이터 코일;
    복수개의 제어 신호 중 대응하는 제어 신호에 응답하여 온/오프되는 복수개의 MOSFET를 구비하여 상기 스테이터 코일에서 생성되는 상기 3상 교류 전압을 정류하여 상기 제1 노드로 인가하는 정류기; 및
    상기 3상 교류 전압과 상기 배터리의 전압을 비교하여 상기 복수개의 제어 신호를 생성하는 위상 감지 및 구동회로를 구비하는 자동차용 발전기.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 정류기는
    상기 제1 노드와 상기 접지 노드 사이에 병렬로 연결되어 상기 스테이터 코일에서 생성되는 상기 3상 교류 전압 중 대응하는 상의 교류 전압을 정류하여 출력하는 3개의 정류회로를 구비하고,
    상기 3개의 정류 회로 각각은 상기 제1 노드와 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상 사이에 연결되는 제1 MOSFET와
    상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상과 상기 접지 노드 사이에 연결되는 제2 MOSFET을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제1 MOSFET와 상기 제2 MOSFET는
    각각 병렬로 연결된 복수개의 MOSFET이고, 복수개의 MOSFET는 동일한 제어 신호를 게이트로 인가받는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  4. 제2 항 및 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상 감지 및 구동회로는
    각각 상기 스테이터 코일의 상기 3상 교류 전압 대응하는 상과 인접한 상에 연결되어, 인접한 상의 교류 전압을 대응하는 상으로 전달하는 3개의 공급부를 구비하는 전원 공급부; 및
    상기 배터리의 양의 전극에 연결되는 상기 제1 노드와 상기 배터리의 음의 전극에 연결되는 제2 노드 사이에 병렬로 연결되고, 상기 스테이터 코일의 상기 3상 교류 전압 중 대응하는 상에서 출력되는 교류 전압과 상기 배터리의 양의 전압 및 음의 전압을 각각 비교하여 2개씩의 상기 제어 신호를 출력하는 3개의 위상 비교부를 구비하는 위상 감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 공급부 각각은
    상기 대응하는 상과 상기 접지 노드 사이에 직렬로 연결되는 2개의 다이오드와 상기 2개의 다이오드 사이의 노드와 상기 인접한 상 사이에 연결되는 전원 커패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 3개의 위상 비교부 각각은
    상기 배터리의 양의 전압을 분배한 전압과 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 중 대응하는 상의 전압 레벨을 비교하여 상기 2개의 제어 신호 중 제1 제어 신호를 출력하는 파지티브 비교부;
    상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 중 대응하는 상의 전압을 분배한 전압과 상기 배터리의 음의 전압을 비교하여 상기 2개의 제어 신호 중 제2 제어 신호를 출력하는 네거티브 비교부; 및
    상기 배터리와 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 사이에 전류 역류가 발생하지 않도록 하는 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 파지티브 비교부는
    상기 배터리의 양의 전압을 분배하는 제1 및 제2 분배 저항;
    음의 입력단으로 인가되는 상기 제1 및 제2 분배 저항에 의해 분배된 상기 배터리의 양의 전압과 양의 입력단으로 인가되는 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상의 전압을 비교하여 상기 제1 제어 신호를 출력하는 제1 비교기를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 네거티브 비교부는
    상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상의 전압을 분배하는 제3 및 제4 분배 저항;
    음의 입력단으로 인가되는 상기 제1 및 제2 분배 저항에 의해 분배된 상기 스테이터 코일의 3상 중 대응하는 상의 전압과 양의 입력단으로 인가되는 상기 상기 배터리의 양의 전압을 비교하여 상기 제2 제어 신호를 출력하는 제1 비교기를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 보호 회로는
    상기 배터리와 상기 스테이터 코일의 3상 교류 전압 및 상기 접지 전원 사이에 전류 역류가 발생하지 않도록 복수개의 다이오드와 복수개의 커패시터 및 하나 또는 그 이상의 제너 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 발전기.
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