KR20130090816A - 중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치 및 전력 변환기 동작 방법 - Google Patents

중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치 및 전력 변환기 동작 방법 Download PDF

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울 미켈
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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 PTC 서미스터를 통해 능동적이고 빠르게 전력 변환기의 중간 회로를 방전시키는 추가적인 회로에 관한 것이며, 이러한 방전은 제어 전압이 중간 회로 전압에서 인출되는 전력 스위치의 부하 경로의 전도 상태에 의존한다. 이를 위해, 제너 다이오드가 제공되며, 제너 다이오드에 걸쳐서 전력 스위치에 대한 제어 전압이 강하한다. 전력 스위치를 제어하기 위한 추가적 반도체 스위치 때문에, 전력 변환기의 정상 동작을 위한 중간 회로의 빠른 방전은 제너 다이오드를 전기적으로 바이패스하면서 타겟 방식으로 활성화되거나 비활성화될 수 있다.

Description

중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치 및 전력 변환기 동작 방법{CIRCUIT ARRANGEMENT FOR A POWER CONVERTER WITH AN INTERMEDIATE CIRCUIT, AND METHOD FOR OPERATING A POWER CONVERTER}
본 발명은 전력 전자 분야에서 전압 중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치 및 이와 같은 전력 변환기를 동작하는 방법에 관한 것이다.
화석 자원을 고갈시키는 배후 사정에 대처하여, 현대의 자동차에는 점점 더 전기 모터를 가진 순수 전기 구동장치, 또는 전기 모터 및 내연 기관의 조합을 가진 하이브리드 구동장치가 장착되고 있다.
필요한 모터력과 관련해서, 자동차의 전기 모터는 예를 들어 탑재 전력 공급 시스템에 비해 400 내지 900 볼트의 상당히 높은 동작 전압에서 동작될 필요가 있다. 동작 전압은 DC 전원, 전형적으로 충전식 배터리 또는 연료 전지에 의해 제공된다. 연료 전지와는 대조적으로, 충전식 배터리는 동시에 DC 싱크(DC sink) 역할을 하며, 그 결과 전기 모터가 발전기 역할을 하는 브레이크 동작 중에 충전될 수 있다는 이점을 갖는다.
일반적으로, 전기 모터는 동작을 위해 하나 이상의 AC 상을 필요로 하며, 그 결과 전력 변환기가 DC 소스와 전기 모터 사이에 제공될 필요가 있다. 자동차 공학에서, 직류를 3상 교류로 변환하는 3상 인버터에 의해 공급되는 주로 3상 모터(영구 자석 또는 외부 여기 비동기식 또는 동기식 모터)가 이용된다. 전기 모터의 회전 방향 및 회전 속도는 요구되는 바와 같이 3상 인버터에 의해 각각의 구동 상황에 매칭될 수 있다.
전형적인 설계를 고려해볼 때, 전력 변환기는 직류가 3상 교류로 변환되는 전력 모듈을 제공하는 중간 회로 커패시터를 가진 전압 중간 회로를 갖는다. 중간 회로 커패시터는 전기 모터의 동작을 위해 전압 백업 및 평활화를 가능하게 해준다. 필요하다면, 중간 회로 전압은 승압 변환기에 의해 DC 전원에 비해 증가될 수 있다. 중간 회로를 가진 전력 변환기의 기본 설계는 그 자체가 당업자에 잘 알려져 있으며, 이미 특허 문헌에 상세히 설명되어 있다. 이러한 맥락에서, 단지 예로서 독일 특허 명세서 DE 19710371 C1가 참조된다.
고전압의 결과로 인한 사람들에 대한 어떤 위험을 방지하기 위해서, 자동차가 동작하지 않을 때에 중간 회로가 확실히 방전되도록 하기 위해 주의해야 한다. 실제로, 이러한 목적으로 예를 들어 몇 시간까지의 기간에 걸쳐 중간 회로의 수동 방전을 가능하게 하는 비반응(nonreactive) 저항을 포함하는 저항 체인(resistor chain)이 제공되며, 그 결과 전력 변환기의 정상적인 동작이 이런 방전에 의해 손상되지 않는다. 하나의 결점은 중간 회로의 이러한 수동 방전이 비교적 긴 기간 동안 지속하며, 그 결과 특히 사고의 경우 충전된 중간 회로의 고전압의 결과로 인한 사람에 대한 위험이 배제될 수 없다는 사실에 있다.
이에 대처하기 위해서, 본 발명의 목적은 저항 체인을 통한 수동 방전에 비해, 실질적으로 중간 회로의 더욱 빠른 방전이 가능하게 되는 방식으로 전압 중간 회로를 가진 통상의 전력 변환기를 개발하는데에 있다. 이러한 목적 및 다른 목적은 본 발명의 제안에 의해 전압 중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치, 및 대안적인 독립 특허 청구항의 특징을 가진 전력 변환기를 동작하는 방법에 의해 달성될 것이다. 본 발명의 유리한 구성은 종속항의 특징에 의해 특정된다.
본 발명은 충전 저장부(charge store)를 갖는 전압 중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치를 개시하며, 이러한 회로 장치는 종래 기술에 알려진 중간 회로의 수동적(즉, 제어할 수 없는) 느린 방전과는 대조적으로 중간 회로의 능동적(즉, 제어 가능한) 빠른 방전을 가능하게 한다.
여기에 사용되는 바와 같은 용어 "전력 변환기(power converter)"는 원래 전기 에너지로 변환하기 위해 것으로 그 자체가 알려져 있는 전압 중간 회로를 가진 장치에 관한 것이다. 이러한 의미의 전력 변환기는 특정 다상 인버터에서 DC-DC 변환기 또는 초퍼, AC-DC 변환기 또는 정류기 및 DC-AC 변환기 또는 인버터일 수 있다.
이하, 통상적으로, 중간 회로는 상위 또는 더 높은 전위에 대한 제 1 중간 회로 라인 및 하위 또는 더 낮은 전위에 대한 제 2 중간 회로 라인을 갖는다고 가정되며, 어느 라인에 의해 전력 변환기의 여러 구성 요소(일반적으로 모듈)에는 병렬 장치에서 중간 회로 전압이 공급될 수 있다.
중간 회로의 능동적 빠른 방전을 위한 본 발명에 따른 회로 장치는 전기적 양의 온도 계수 서미스터 및 제 1 반도체 스위치를 포함하는 제 1 직렬 회로를 포함하고, 제 1 직렬 회로는 전력 스위치의 형태이며, 전력 스위치의 스위칭 상태에 따라 2개의 중간 회로 라인을 전기적으로 연결하거나 분리한다. 이를 위해, 제 1 직렬 회로의 한 단부는 제 1 중간 회로 라인에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 직렬 회로의 다른 단부는 제 2 중간 회로 라인에 전기적으로 연결되며, 제 1 반도체 스위치에는 양의 온도 계수 서미스터와 직렬 회로에서 부하 또는 전력 경로가 배치된다.
제 1 직렬 회로는 양의 온도 계수 서미스터(이하, “PTC 서미스터”라 칭함)를 통해 중간 회로의 연결 가능한 또는 분리 가능한 방전을 위해 제공된다. PTC 서미스터는 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하므로 고온에서보다 저온에서 전류를 더 잘 전도시키는 전도성 물질이다. 바람직하게는, PTC 서미스터는 중간 회로의 충전 저장부가 한 자릿수 초 범위, 예를 들어 5초 미만의 기간에서 적어도 중간 회로 전압의 20 % 미만, 특히 10 % 미만의 미리 정할 수 있는 잔류 전압까지 방전될 수 있는 그러한 전기 저항을 갖는다. 예를 들면, PTC 서미스터의 전기 저항은 이를 위해 1 kohm 미만, 특히 500 ohm 미만이다. 특히 유리하게는, 온도가 상승함에 따라 전기 저항의 증가의 결과로 높은 방전 전류 때문에 PTC 서미스터의 과도한 열을 방지할 수 있다. 이 경우에, 방전될 중간 회로 전압에 따라, PCT 서미스터는 이의 온도가 여전히 중간 회로의 파괴없는 방전(destruction-free discharge)을 가능하게 하는 최대 동작 온도까지만 증가하는 방식으로 설계된다.
실제 적용을 위해, 제 1 반도체 스위치는 전력 스위치로서 PTC 서미스터를 통해 중간 회로의 빠른 방전의 경우에 발생하는 고 전류를 전도할 수 있으며 중간 회로의 고 전압을 차단할 수 있다는 것이 필수적이다. 예를 들면, 제 1 반도체 스위치는 수백 암페어의 전류를 전도하며, 약 1000 볼트까지의 전압을 차단하도록 설계되어 있다. 실제로, 입력으로서의 콜렉터 전극, 출력으로서의 에미터 전극 및 제어 입력으로서의 게이트 전극을 가진 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IBGT) 또는 전계 효과 트랜지스터(FET), 특히 입력으로서의 드레인 전극, 출력으로서의 소스 전극 및 제어 입력으로서의 게이트 전극을 가진 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)가 전형적으로 이를 위해 이용된다.
본 발명에 따른 회로 장치는 비반응 저항 및 제너 다이오드를 포함하며 제 1 직렬 회로와 병렬 회로로 배치되는 제 2 직렬 회로를 더 포함하되, 제 2 직렬 회로의 한 단부는 제 1 중간 회로 라인에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 직렬 회로의 다른 단부는 제 2 중간 회로 라인에 전기적으로 연결된다.
제너 다이오드는 중간 회로 전압의 극성에 관하여 오프 방향으로 배치된다. 여기서, 제너 다이오드는 전압 항복 시 제너 다이오드에 걸친 전압 강하가 제 1 반도체 스위치의 제어 전압에 상응하는 방식으로 설계된다는 것이 필수적이며, 그 결과 제 1 반도체 스위치는 제너 다이오드에 걸친 전압 강하에 의해 온 상태로 제어할 수 있다. 특히 제너 다이오드는 중간 회로가 제너 다이오드의 설계(항복 전압)에 의해 결정되는 잔류 전압, 및 제너 다이오드와 직렬로 연결되는 비반응 저항까지만 방전되는 상황을 달성할 수 있게 한다.
게다가, 중간 회로 전압의 레벨과 관계없이, 제 1 반도체 스위치의 제어 전압에 상응하는 전압은 항상 제너 다이오드에 걸쳐 강하하여, 결과적으로, 가변적인 중간 회로 전압의 경우에서도, 제 1 반도체 스위치는 항상 스위칭될 수 있고, 중간 회로는 신뢰성있고 안전하게 방전될 수 있다.
제어 전압의(중앙) 탭에 대해, 제 1 반도체 스위치(전력 스위치)의 제어 입력은 비반응 저항과 제너 다이오드 사이의 노드에 전기적으로 연결된다. 따라서, 제너 다이오드에 걸친 전압 강하는 제 1 반도체 스위치의 제어 입력에서의 제어 전압에 제시된다.
본 발명에 따른 회로 장치에서 PCT 서미스터를 통해 중간 회로의 방전을 능동적으로 제어할 수 있도록 하기 위해, 제 1 반도체 스위치(전력 스위치)의 제어 입력은 제 2 반도체 스위치의 부하 경로를 통해 제 1 반도체 스위치(전력 스위치)의 출력에 전기적으로 연결된다. 제 2 반도체 스위치는 제너 다이오드와 병렬 회로로 배치되며, 그 결과 스위치 가능한 바이패스 라인은 제너 다이오드를 위해 존재한다. 바람직하게는 DC 절연을 위한 절연 요소, 예를 들어 게재된 광 결합기를 가진 제 2 반도체 스위치의 제어 입력은 구동 로직에 전기적으로 연결 가능하거나 연결되어, 결과적으로 제 2 반도체 스위치는 선택적으로 온 또는 오프 상태로 스위칭될 수 있다. 제 2 반도체 스위치 온 상태에 있으면, 제 1 반도체 스위치의 제어 입력 및 출력은 단락되어 제너 다이오드를 바이패스시켜, 결과적으로 제 1 반도체 스위치가 오프 상태에 있어, PTC 서미스터를 통한 중간 회로의 방전이 불가능하다. 다른 한편으로, 제 2 반도체 스위치의 오프 상태에서, 제 1 반도체 스위치의 제어 전압은 제너 다이오드에 걸쳐 강하하여, 결과적으로 제 1 반도체 스위치가 온 상태에 있어, PTC 서미스터를 통한 중간 회로의 방전이 가능하다.
제 2 반도체 스위치는 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(FET)의 형태이며, 그것은 비교적 저 전류 및 전압 때문에 제 2 반도체 스위치를 전력 스위치로 형성하는데 필요치 않다.
따라서, 본 발명에 따른 회로 배치는 먼저 중간 회로가 예를 들어 몇 초의 매우 짧은 기간에 비교적 낮은 전기 저항값으로 PTC 서미스터를 통해 능동적으로 방전될 수 있다는(선택적으로 연결할 수 있거나 분리할 수 있는) 가능성을 제공한다. 방전 동작은 제 2 반도체 스위치를 스위칭하여 제어된다. 제 2 반도체 스위치가 오프 상태에 있다는 단서를 달면, PTC 서미스터를 통한 방전 동작은 특히 단지 중간 회로 전압으로부터 제 1 반도체 스위치의 제어 전압을 인출(tapping off)하여 유리하게 트리거되어, 그 결과 구동 로직의 고장(failure) 또는 (예를 들어 케이블 파괴에 의해) 회로 장치에 대한 제어 라인의 중단의 경우에서도, 중간 회로의 방전이 항상 보장된다.
본 발명에 따른 회로 장치의 유리한 구성에서, 제 2 반도체 스위치의 제어 입력은 바람직하게는 비반응 저항을 통해 중간 회로 라인의 낮은 전위에 대한 제 2 중간 회로 라인에 전기적으로 연결된다. 이러한 조치는, 구동 로직을 통한 제어가 실패하고(예를 들어 케이블 파괴의 경우에), 제어 입력에 규정된 전위가 공급되지 않을 때에도 제 2 반도체 스위치가 항상 오프 상태에 있을 수 있게 한다. 따라서, 제 2 반도체 스위치가 바람직하지 않게는 PTC 서미스터를 통해 빠른 방전을 비활성화시키는 규정되지 않은 전위에 의해 부주의로 온 상태로 스위칭되는 가능성을 확실하게 배제할 수 있다.
본 발명에 따른 회로 장치의 다른 유리한 구성의 경우에, 제 2 반도체 스위치의 입력은 제 2 직렬 회로에서 비반응 저항과 제너 다이오드 사이의 노드에 전기적으로 연결되어, 결과적으로 제 1 반도체 스위치의 제어 입력에 대한 제 2 반도체 스위치의 부하 경로의 전기적 연결이 기술적으로 특히 간단할 수 있다. 마찬가지로, 제 2 반도체 스위치의 출력이 제 2 중간 회로 라인에 전기적으로 연결될 때에 회로 장치의 설계가 기술적으로 특히 간단하다.
본 발명에 따른 회로 장치의 다른 유리한 구성에서, 바람직하게는 PTC 서미스터의 저항값보다 적어도 500배 큰 저항값을 가진 적어도 하나의 비반응 저항을 통해 2개의 중간 회로 라인이 서로 전기적으로 연결되어, 결과적으로, 능동적인 빠른 방전 외에 중간 회로의 수동적인 느린 방전이 제공된다.
더욱이, 본 발명은 상술한 바와 같은 회로 장치를 가진 전력 변환기, 특히 인버터, 예를 들어 3상 인버터로 확장한다.
더욱이, 본 발명은 전기 모터를 공급하기 위한 그런 전력 변환기가 장착되는 전기 또는 하이브리드 구동장치를 가진 자동차로 확장한다.
게다가, 본 발명은 충전 저장부를 갖는 전압 중간 회로를 가진 전력 변환기를 동작하는 방법으로 확장한다. 중간 회로 전압의 전압 탭에 결합되는 제 2 반도체 스위치에 의해 제어되는 본 발명에 따른 방법에서, 전력 스위치의 형태의 제 1 반도체 스위치에 대한 제어 전압은 중간 회로 전압에서 인출되고, 중간 회로는 양의 온도 계수 서미스터 및 전력 스위치의 부하 경로를 포함하는 직렬 회로를 통해 방전되며, 부하 경로는 제어 전압에 의해 온 상태로 스위칭된다. 중간 회로는 전압 탭에 결합된 제 2 반도체 스위치가 오프 상태에 있을 경우에는 방전되고, 전압 탭에 결합된 제 2 반도체 스위치가 온 상태에 있을 경우에는 방전되지 않는다. 바람직하게는, 충전 저장부는 한 자릿수 초 범위의 기간에 방전된다.
본 방법의 유리한 구성에서, 제 2 반도체 스위치의 제어 입력은 중간 회로 전압의 낮은 전위에 의해 바이어스되어, 결과적으로 상술한 바와 같이 제어 입력의 규정되지 않은 상태는 구동 로직의 실패의 경우에 방지될 수 있다.
본 발명의 여러 구성은 중간 회로를 가진 통상의 전력 변환기에 대한 개선을 달성하기 위해 개별적으로 또는 어떤 원하는 조합으로 실현될 수 있다는 것은 말할 것도 없다. 특히, 아래에 설명되는 특징은 특정된 조합에서뿐만 아니라 다른 조합에서 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 스스로 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 기술에 알려진 중간 회로의 수동적(즉, 제어할 수 없는) 느린 방전과는 대조적으로 중간 회로의 능동적(즉, 제어 가능한) 빠른 방전을 가능하게 할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 이용해서 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 중간 회로의 능동 및 수동 방전을 위한 회로 장치를 가진 3상 인버터의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 3상 인버터의 중간 회로의 방전을 위한 회로 장치의 개략도를 도시한다.
먼저, 도 1을 고려하며, 여기에서 개략도를 이용하여 전체적으로 참조 번호(1)로 표시되며 DC 전압을 AC 3상으로 변환하기 위한 본 발명에 따른 3상 인버터의 예시적인 실시예가 도시된다. 이 경우에, 3상 인버터(1)는 예를 들어 도 1에서 더 상세히 예시되지 않는 전기 또는 하이브리드 구동장치를 자동차의 3상 AC 모터에 제공하는 역할을 한다.
3상 인버터(1)는 모듈러 설계를 가지며 다수의 병렬 모듈을 포함하며, 이 중 도 1은 본 발명을 이해하는데 이용되는 것만을 도시한다. 따라서, 3상 인버터(1)는 AC 3상을 생성하는 3개의 반 브리지(3)를 가진 전력 모듈(2)을 포함한다. 각 반 브리지(3)는 원래 알려진 방식으로 직렬로 연결되며, 전형적으로 전력 트랜지스터, 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 전력 MOSFET의 형태인 2개의 전력 스위치(4)를 포함하는 한쌍의 스위치를 갖는다. 반대 순방향(opposite forward direction)을 가진 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)(6)는 각 전력 스위치(4)와 병렬로 연결된다.
생성된 AC 상을 부하에 연결하기 위한 3개의 연결 단자 u, v, w는 제각기 반 브리지(3)에서 2개의 직렬 연결된 전력 스위치(4) 사이의 노드(미지정)에 전기적으로 연결된다. 3개의 반 브리지(3)는 제각기 단일의 연결 단자 u, v, w에 전기적으로 연결된다. 예로서 고려된 자동차의 전기 또는 하이브리드 구동장치에서, 3개의 연결 단자 u, v, w는 제각기 3상 AC 모터의 (도시되지 않은) 권선 상(winding phase)에 전기적으로 연결되며, 미리 정해진 극성의 전위는 3상 AC 모터의 회전 방향 및 회전 속도를 제어하기 위한 결정된 기간 동안 각 권선 상에 공급된다. 이를 위해, 전력 스위치(4)는 이에 따라 원래 당업자에 알려져 있는 (도시되지 않은) 구동 로직 또는 모터 제어기에 의해 구동되며, 그 결과 이 점과 관련하여 여기에 더 이상 상세 사항이 제공될 필요가 없다.
전력 모듈(2)에는 (전압) 중간 회로(7)에 의해 중간 회로 전압 UZK(DC 전압)이 공급되며, 그러한 목적으로 반 브리지(3)는 2개의 중간 회로 라인(9, 9')과 병렬 회로에 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 중간 회로(7)는 중간 회로 커패시터(8)의 형태인 충전 저장부를 가지며, 이러한 충전 저장부는 제 1 중간 회로 라인(9)이 상위 또는 더 높은 전위(DC+)를 가지는 한편 제 2 중간 회로 라인(9')이 하위 또는 더 낮은 전위(DC-)를 갖는 방식으로 2개의 중간 회로 라인(9, 9')에 연결된다. 반 브리지(3)에서 AC 3상으로 변환되는 중간 회로 전압 UZK은 두 전위(DC+, DC-)의 차로부터 생성된다.
자동차의 동작을 위해 충분한 모터 동력을 제공하기 위해, 중간 회로 전압 UZK은 충분히 높을 필요가 있다. 예를 들면, 중간 회로 전압 UZK은 400-900 볼트의 범위에 있다. 중간 회로 커패시터(8)의 커패시턴스는 예를 들어 이 경우에 1000 μF이다.
중간 회로 커패시터(8)는 2개의 중간 회로 라인(9, 9'), 예를 들어 충전식 배터리 또는 연료 전지에 연결되는 (도시되지 않은) DC 소스에 의해 전기적으로 충전될 수 있다. DC 소스가 동시에 DC 싱크(충전식 배터리)의 형태이면, 자동차의 브레이크 동작 때문에 충전이 또한 생성할 수 있고, 3상 AC 모터는 발전기 역할을 하며, 생성된 3상 AC 전압은 전력 모듈(2)에 의해 DC 전압으로 변환된다. 예를 들면, 충전식 배터리는 100 내지 600 볼트의 범위의 동작 전압을 가진 니켈 수소 충전식 배터리의 형태이다. DC 소스의 동작 전압과 비해 중간 회로 전압 UZK의 증가는 (도시되지 않은) 승압 변환기에 의해 달성될 수 있다.
도 1은 상술한 바와 같이 본 발명의 이해하는데 필요치 않으므로 원래 당업자에게 알려져 있으며, 전력 모듈(2)와 병렬 회로로 2개의 중간 회로 라인(9, 9')에 전기적으로 연결되는 3상 인버터(1)의 다른 모듈을 예시하지 않는다. 이러한 모듈의 예로서 필터 모듈과 각 AC 상을 위한 인덕터 모듈과 소위 Y 커패시터 모듈이 있다. AC 3상을 위한 전류 센서는 또한 도시되지 않는다.
본 발명의 가장 중요한 양태는 중간 회로(7)의 빠른 방전을 위한 제어 가능한 추가 회로이며, 이러한 제어 가능한 추가 회로는 전력 모듈(2)와 병렬 회로로 2개의 중간 회로 라인(9, 9')에 전기적으로 연결된다. 따라서, 전부 참조 번호(10)로 도시되는 회로 장치는 중간 회로(7)의 능동적(즉, 제어 가능한) 빠른 방전을 위한 제 1 회로 부분(11), 및 중간 회로(7)의 수동적(즉, 제어할 수 없는) 느린 방전을 위한 제 2 회로 부분(11')을 포함한다. 일반적으로, 중간 회로(7)의 보다 빠른 방전은 제 2 회로 부분(11')에 의해서보다 제 1 회로 부분(11)에 의해 달성될 수 있다.
중간 회로(7)의 빠른 방전을 위한 제 1 회로 부분(11)은 도 2와 관련하여 아래에 더 상세히 설명될 것이다. 중간 회로(7)의 느린 방전을 위한 제 2 회로 부분(11')은 병렬 회로로 배치되는 2개의 저항 체인(12)을 포함하며, 이러한 저항 체인(12)의 각각은 2개의 중간 회로 라인(9, 9')을 서로에 전기적으로 연결하는 2개의 비반응 저항 R1, R2을 포함한다. 비반응 저항 R1, R2은 중간 회로(7)의 방전이 예를 들어 몇 시간까지의 충분히 긴 기간에 걸쳐 발생하는 방식으로 선택되며, 그 결과 3상 인버터(1)의 동작성(operability)은 손상받지 않거나 현저히 손상받지 않는다. 아울러, 비교적 낮은 방전 전류에 의한 비반응 저항 R1, R2의 과도한 열은 방지된다. 본 예시적인 실시예에서, 선택된 비반응 저항은 R1 = 228 kohms 및 R2 = 1.15 kohms이며, 방전 기간이 3상 인버터(1)의 동작성을 손상시키지 않는 것이 보장되는 한 의도된 응용에 적절한 다른 저항이 이용될 수 있다는 것은 말할 나위도 없다.
이제 도 2를 고려하면, 도 2는 중간 회로(7)의 빠른 방전을 위한 제 1 회로 부분(11)을 예시한다. 중간 회로(7)의 수동적(제어할 수 없는) 방전만을 가능하게 하는 제 2 회로 부분(11')과는 대조적으로, 제 1 회로 부분(11)은 선택적으로 중간 회로(7)의 느린 방전만을 달성하거나, 조합하여 중간 회로(7)의 느린 및 빠른 방전을 달성하기 위해 능동적으로 제어될 수 있다.
이를 위해, 제 1 회로 부분(11)은 양의 온도 계수 서미스터(이하, PTC 서미스터(14)라 함) 및 전력 스위치(15)(설명의 도입 부분에서 "제 1 반도체 스위치"라 함)를 포함하는 제 1 직렬 회로(13)를 포함한다. 제 1 직렬 회로(13)는 2개의 중간 회로 라인(9, 9')을 서로에 전기적으로 연결하며, 서미스터 측 단부는 제 1 중간 회로 라인(9)의 노드(미지정)에 전기적으로 연결되는 한편 스위치 측 단부는 제 2 중간 회로 라인(9')의 노드(미지정)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 전력 스위치(15)는 PTC 서미스터가 게재된 상태에서 간접적으로 상위 전위(DC+)의 제 1 중간 회로 라인(9)에 전기적으로 연결되며, 직접적으로 하위 전위(DC-)의 제 2 중간 회로 라인(9')에는 전기적으로 연결된다.
예를 들면, 25℃의 온도가 주어지면, PTC 서미스터(14)는 온도가 저항 재료의 전기적 특성 때문에 증가함에 따라 증가하는 350 ohms의 전기적 저항을 갖는다. PTC 서미스터(14)는 도 1에 도식적으로 도시된 바와 같이 안전상의 이유로 3상 인버터의 하우징에 장착된다. PTC의 서미스터(14)의 전기적 저항은 적어도 실온에서 저항 체인(12)의 비반응 저항(R1, R2)의 총 전기적 저항보다 예를 들어 적어도 500배만큼 실질적으로 낮다. 이에 따라, 제 1 직렬 회로(13)를 통한 방전 전류는 저항 체인(12)을 통하는 것보다 실질적으로 더 크다.
전력 스위치(15)는 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 전력 MOSFET의 형태이다. 제 1 직렬 회로(13)에서, 전력 스위치(15)는 부하 또는 전력 경로를 가진 PTC 서미스터(14)와 직렬로 연결되며, 입력(19)(IGBT의 경우에는 콜렉터 연결 또는 MOSFET의 경우에는 드레인 연결)은 PTC 서미스터(14)에 전기적으로 연결되는 한편 출력(20)(IGBT의 경우에는 에미터 연결 또는 MOSFET의 경우에는 소스 연결)은 제 2 중간 회로 라인(9')에 전기적으로 연결된다.
더욱이, 제 1 회로 부분(11)은 전기적 직렬 저항(16)(비반응 저항) 및 제너 다이오드를 포함하는 제 2 직렬 회로(13')를 포함하며, 제 2 직렬 회로는 제 1 직렬 회로(13)와 병렬 회로로 배치되는 한편 2개의 중간 회로 라인(9, 9')을 서로에 전기적으로 연결한다. 이 경우에, 제 2 직렬 회로(13')의 저항측 단부는 제 1 중간 회로 라인(9)의 (지정되지 않은) 노드에 전기적으로 연결되는 한편 상기 제 2 직렬 회로의 다이오드측 단부는 제 2 중간 회로 라인(9')의 (지정되지 않은) 노드에 전기적으로 연결되며, 그 결과 제너 다이오드(17)는 직렬 저항(16)이 게재된 상태에서 간접적으로 상위 전위(DC+)의 제 1 중간 회로 라인(9)에 전기적으로 연결되며 직접적으로 하위 전위(DC-)의 제 2 중간 회로 라인(9')에 전기적으로 연결된다. 중간 회로 전압 UZK에 관련하여, 제너 다이오드(17)는 오프 방향으로 배치되지만, 중간 회로 전압 UZK의 경우에 항복 전압 이상에서 전기적으로 도전하게 된다.
전력 스위치(15)의 제어 입력(21)(게이트 연결)은 직렬 저항(16)과 제너 다이오드(17)(중앙 탭) 사이의 노드(22)에 전기적으로 연결된다. 결과로서, 제너 다이오드(17)에 걸친 전압 강하 UG 또는 노드(22)에서의 전위는 전압 항복 시에 전력 스위치(15)의 제어 입력(21)에 제공된다. 특히, 제너 다이오드(17)는 전압 항복 시에 제너 다이오드(17)에 걸친 전압 강하가 전력 스위치(15)를 전도 또는 온 상태로 스위칭하기 위한 제어 전압에 상응하는 방식으로 설계된다. 전압 항복 시에 제너 다이오드(17)에 걸친 전압 강하가 항상 동일하므로, 항상 동일한 제어 전압은 중간 회로 전압 UZK의 레벨과 무관하게 전력 스위치(15)의 제어 입력(21)에 제공된다.
전력 스위치(15)의 제어 입력(21)은 다른 반도체 스위치 또는 제어 스위치(18)(설명의 도입 부분에서 "제 2 반도체 스위치(second semiconductor switch)"라 지칭됨)의 부하 경로가 게재된 상태에서 전력 스위치(15)의 출력(20)에 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제어 스위치(18)의 입력(19')은 제 2 직렬 회로(13')의 직렬 저항(16)과 제너 다이오드(17) 사이의 노드(22)에 전기적으로 연결되며, 제어 스위치(18)의 출력(20')은 제 2 중간 회로 라인(9')에 전기적으로 연결된다. 더욱이, 제어 스위치(18)의 제어 입력(21')은 광 결합부(22)(광 도파관)를 통해 (예시되지 않은) 구동 로직에 전기적으로 연결된다. 구동 로직 때문에, 선택적으로 전도 또는 온 상태로 스위칭하는 제어 전압, 예를 들어 5 볼트, 또는 개방 또는 오프 상태로 스위칭하는 제어 전압, 예를 들어 0 볼트는 제어 스위치(18)의 제어 입력(21')에 인가될 수 있다. 광 결합부(22) 때문에, DC 절연은 저전압 1차 측 P와 고전압 2차 측 S 사이에서 달성되며, 이는 도 2에서 점선으로 나타낸다. 광 결합부(22) 대신에, 1차 및 2차 측의 DC 절연을 위한 다른 수단이 이용될 수 있다는 것은 말할 나위도 없다. 더욱이, 제어 스위치(18)의 제어 입력(21')은 비반응 저항(23)을 통해 제 2 중간 회로 라인(9')에 전기적으로 연결된다.
제어 스위치(18)는 전계 효과 트랜지스터(FET)의 형태, 특히 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 형태이며, 제어 스위치(18)는 반드시 전력 트랜지스터의 형태일 필요가 없다.
그래서, 제어 스위치(18)는 제 2 회로 부분(11')의 제너 다이오드(17)와 병렬 회로로 배치되며, 그 결과 제너 다이오드(17)는 제어 스위치(18)가 온 상태로 스위칭될 때에 전기적으로 바이패스된다(바이패스 라인).
제어 스위치(18)가 온 상태에 있으면, 중간 회로(7)의 낮은 전위(DC-)는 전력 스위치(15)의 제어 입력(19)에 제공되며, 제너 다이오드(17)는 전기적으로 바이패스된다. 따라서, 전력 스위치(15)의 제어 입력(19) 및 출력(20)은 동일한 전위(DC-)에 있으며, 그 결과 전력 스위치(15)는 오프 상태에 있다. 이러한 상황에서, PCT 서미스터(14)를 통한 중간 회로(7)의 능동적 방전은 가능하지 않다. 중간 회로 커패시터(8)의 빠른 방전의 비활성화는 자동차의 정상 동작 중에 3상 인버터(1)의 적절한 기능을 위해 바람직하다. 예를 들면, 제어 스위치(18)는 3상 AC 모터의 시동 시에는 구동 로직에 의해 온 상태로 스위칭되며, 3상 AC 모터의 정지 시에는 오프 상태로 스위칭된다.
다른 한편, 제어 스위치(18)가 오프 상태에 있으면, 노드(22)에서 인출되는 전압 또는 전위는 전력 스위치(15)의 제어 입력(21)에 제공된다. 중간 회로 전압 UZK이 제너 다이오드(17)의 항복 전압을 초과하는 경우에는, 제너 다이오드(17)에 걸쳐 동일한 전압 강하가 항상 제공되며, 이러한 전압 강하는 전력 스위치(17)의 제어 전압에 상응하는 방식으로 선택된다. 따라서, 전력 스위치(17)는 중간 회로 전압 UZK이 제너 다이오드(17)의 항복 전압을 초과하는 한 중간 회로 전압 UZK으로부터 인출되는 제어 전압에 의해 전도 또는 온 상태로 자동으로 스위칭된다. 이러한 상황에서, 중간 회로(7)는 PTC 서미스터(14)를 통해 (부분적으로) 방전될 수 있다.
PTC 서미스터(14)를 통한 중간 회로(7)의 방전은 바람직하게는 한 자릿수 초 범위의 시간 간격, 예를 들어 5초 미만 내에서 PTC 서미스터(14)의 낮은 전기 저항 때문에 2개의 저항 체인(12)을 통하는 것보다 실질적으로 더 빠르게 발생한다. 이 경우에, 온도가 상승함에 따라 전기 저항의 증가의 결과로 프로세스에서 발생하는 높은 방전 전류에 의해 PTC 서미스터(14)의 과도한 열은 방지될 수 있다. 사실상, PCT 서미스터(14)의 온도는 최대 동작 온도까지 증가한다는 것이 입증되었으며, PTC 서미스터(14)는, 방전될 중간 회로 전압 UZK에 따라, 최대 동작 온도가 중간 회로(7)의 파괴없는 방전을 가능하게 하는 방식으로 설계된다. 예로서, PTC 서미스터(14)의 최대 동작 온도는 130 내지 160℃의 범위에 있다.
따라서, 중간 회로(7)의 빠른 방전은 유리하게 제어 스위치(18)가 오프 상태에 있을 경우에 중간 회로 전압 UZK에서 전압 탭에 의해 자체적으로 달성될 수 있다. 이러한 상황은 예를 들어 0 볼트가 전기 모터가 스위치 오프될 때에 규제 기술(regulation technology)의 측면에서 제공되는 구동 로직에 의해 제어 스위치(18)의 제어 입력(21')에 인가될 때에 발생한다. 그러나, 유리하게, 조절 기술을 이용한 제어 스위치(18)의 제어가 예를 들어 사고에 의해 유발된 케이블 파손의 경우에 더 이상 가능하지 않을 때에도 중간 회로(7)의 빠른 방전은 제 2 직렬 회로(13')의 중간 회로 전압 UZK에서 인출되는 전압에 의해 영향을 받는다.
더욱이, 중간 회로(7)의 낮은 전위(DC-)는 제어 스위치(18)의 제어 입력(21')에 인가되며, 이는 제어 스위치(18)가 예를 들어 사고에 의해 유발된 케이블 파손의 경우에 항상 오프 상태에 있는 상황을 달성할 수 있게 한다. 유리하게, 제어 스위치(18)의 제어 입력(21')의 부유 또는 정의되지 않은 상태(floating or an undefined state)는 방지되어, 그 결과 중간 회로(7)의 능동적 빠른 방전이 항상 보장될 수 있다.
중간 회로 전압 UZK이 방전 중에 제너 다이오드(17)의 항복 전압 미만의 전압 값으로 떨어지면, 전력 스위치(15)의 제어 전압 UG은 더 이상 제너 다이오드(17)에 걸쳐서 하강되지 않으며, 이는 전력 스위치(15)가 오프 상태로 이동한다는 것을 의미한다. 따라서, PTC 서미스터(14)를 통한 중간 회로의 추가 방전은 더 이상 가능하지 않으며, 그 결과 예컨대 10 내지 50 볼트의 (사람에게 위험하지 않은) 잔류 전압이 중간 회로(7)에 남으며, 이러한 잔류 전압은 실질적으로 보다 긴 기간에 걸쳐 저항 체인을 통해 방전될 수 있다. 바람직하게는, 잔류 전압은 3상 인버터(1)의 정상 동작 중에 중간 회로 전압 UZK의 20% 미만, 특히 10% 미만이다. 중간 회로(7)의 잔류 전압은 중간 회로 커패시터(8)가 3상 인버터(1)의 정상 동작 동안에 원하는 중간 회로 전압 UZK으로 더욱 빠르게 충전될 수 있다는 이점을 가지며, 그 결과 3상 인버터(1)의 동작의 가속화 재개(accelerated resumption)가 가능하게 행해진다.
그래서, 본 발명에 따른 회로 장치는 먼저 예를 들어 몇 초 내에 전력 변환기의 중간 회로의 제어 가능한 또는 능동적 빠른 방전의 가능성을 제공한다. 이것은 PTC 서미스터를 통해 중간 회로 커패시터의 방전에 의해 달성되며, 이러한 방전은 제어 전압이 중간 회로 전압에서 인출되는 전력 스위치의 부하 경로의 전도 상태에 의존한다. 이를 위해, 제너 다이오드의 형태의 자기 스위칭(self-switching) 전류 밸브에는, 중간 회로 전압의 레벨과 무관하게 상기 전류 밸브에 걸쳐 항상 동일한 전압 강하가 제공되며, 제너 다이오드는 이러한 전압이 전력 스위치의 인출된 제어 전압에 상응하는 방식으로 설계된다. 전력 스위치를 제어하기 위한 추가적 반도체 스위치 때문에, 전력 변환기의 정상 동작을 위한 중간 회로의 빠른 방전은 제너 다이오드가 전기적으로 바이패스되는 타겟 방식으로 활성화되거나 비활성화될 수 있다. 중간 회로의 능동적 빠른 방전을 위한 본 발명에 따른 회로 장치는 기술적으로 특히 간단하고 저렴함과 동시에 견고한 설계를 특징으로 한다. 기존 전력 변환기는 간단한 방식으로 개량될 수 있다.
1: 3상 인버터(Three-phase inverter)
2: 전력 모듈(Power module)
3: 반 브리지(Half-bridge)
4: 전력 스위치(Power switch)
5: 노드(Node)
6: 프리휠링 다이오드(Freewheeling diode)
7: 중간 회로(Intermediate circuit)
8: 중간 회로 커패시터(Intermediate circuit capacitor)
9,9': 중급 회로 라인(Intermediate circuit line)
10: 회로 장치(Circuit arrangement)
11,11': 회로 부분(Circuit part)
12: 저항 체인(Resistor chain)
13,13': 직렬 회로(Series circuit)
14: PTC 서미스터(PTC thermistor)
15: 전력 스위치(Power switch)
16: 직렬 저항(Series resistor)
17: 제너 다이오드(Zener diode)
18: 제어 스위치(Control switch)
19,19': 입력(Input)
20,20': 출력(Output)
21,21': 제어 입력(Control input)
22: 광 결합부(Optocoupling)
23: 비반응 저항(Nonreactive resistor)

Claims (12)

  1. 충전 저장부를 가지는 한편 중간 회로 전압(UZK)의 상위 전위(DC+)에 대한 제 1 중간 회로 라인(9) 및 하위 전위(DC-)에 대한 제 2 중간 회로 라인(9')을 가지는 중간 회로(7)를 갖는 전력 변환기(1)용 회로 장치(10)로서,
    전기적 양의 온도 계수 서미스터(14) 및 전력 스위치의 형태의 제 1 반도체 스위치(15)를 포함하는 제 1 직렬 회로(13)가 상기 2개의 중간 회로 라인(9,9')에 전기적으로 연결되고,
    비반응 저항(16) 및 제너 다이오드(17)를 포함하며 상기 제 1 직렬 회로(13)와 병렬로 연결되는 2 직렬 회로(13')가 2개의 중간 회로 라인(9,9')에 전기적으로 연결되되, 상기 제너 다이오드(17)는 전압 항복 시의 전압 강하가 상기 제 1 반도체 스위치(15)의 제어 전압에 상응하는 방식으로 설계되고,
    상기 제 1 반도체 스위치(15)의 제어 입력(21)은 상기 비반응 저항(16)과 상기 제너 다이오드(17) 사이의 노드(5)에 전기적으로 연결되며,
    상기 제 1 반도체 스위치(15)의 상기 제어 입력(21)은 상기 제너 다이오드(17)와 병렬로 연결되는 제 2 반도체 스위치(18)를 통해 상기 제 1 반도체 스위치(15)의 출력(20)에 전기적으로 연결되는 전력 변환기용 회로 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 2 반도체 스위치(18)의 제어 입력(21')은 상기 제 2 중간 회로 라인(9')에 전기적으로 연결되는 전력 변환기용 회로 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 2 반도체 스위치(18)의 입력(19')은 상기 비반응 저항(16)과 상기 제너 다이오드(17) 사이의 상기 노드(5)에 전기적으로 연결되는 전력 변환기용 회로 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 반도체 스위치(18)의 출력(20')은 상기 제 2 중간 회로 라인(9')에 전기적으로 연결되는 전력 변환기용 회로 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 반도체 스위치(18)의 상기 제어 입력(21')은 절연 요소(22)가 저 전압 측(P)로부터의 고 전압 측(S)의 DC 절연을 위해 게재된 상태로 구동 로직에 전기적으로 연결되는 전력 변환기용 회로 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 중간 회로 라인(9,9')은 적어도 하나의 비반응 저항(R1,R2)을 통해 서로에 전기적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 비반응 저항(R1,R2)은 상기 양의 온도 계수 서미스터(14)에 대한 값보다 적어도 500배 더 큰 저항 값을 가지는 전력 변환기용 회로 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기적 양의 온도 계수 서미스터(14)는 상기 충전 저장부(8)가 한 자릿수 초 범위의 기간에 적어도 상기 중간 회로 전압(UZK)의 20% 미만, 특히 10% 미만의 미리 정해진 잔류 전압으로 방전될 수 있는 전기 저항을 갖는 전력 변환기용 회로 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 회로 장치를 가진 전력 변환기.
  9. 전기 모터를 공급하기 위해 제8항에 따른 전력 변환기가 장착되는 전기 또는 하이브리드 구동장치를 가진 자동차.
  10. 중간 회로 전압을 제공하기 위한 충전 저장부를 갖는 전압 중간 회로를 가진 전력 변환기의 동작 방법으로서, 제 2 반도체 스위치에 의해 제어되는 전력 스위치의 형태의 제 1 반도체 스위치에 대한 제어 전압은 상기 중간 회로 전압에서 인출되고, 상기 중간 회로는 양의 온도 계수 서미스터 및 상기 제 1 반도체 스위치의 부하 경로를 포함하는 직렬 회로를 통해 방전되며, 상기 부하 경로는 상기 제어 전압에 의해 온 상태로 스위칭되는 전력 변환기의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제 2 반도체 스위치의 제어 입력은 상기 중간 회로 전압의 낮은 전위에 의해 바이어스되는 전력 변환기의 동작 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 충전 저장부는 한 자릿수 초 범위의 기간에 방전되는 전력 변환기의 동작 방법.
KR1020130011663A 2012-02-06 2013-02-01 중간 회로를 가진 전력 변환기용 회로 장치 및 전력 변환기 동작 방법 KR20130090816A (ko)

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