KR20150040195A - 전동차용 전력 변환 시스템 - Google Patents

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KR20150040195A
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smoothing capacitor
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upper arm
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마사미 이시카와
요시나리 무라야마
후토시 야마네
미쯔토시 무라오카
타로 요시다
켄지 후루사와
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Abstract

본 발명은 방전 전용 회로가 고장 난 경우에도, 평활 콘덴서에축전 된 전하를 확실하게 방전할 수 있다. 본 발명은 평활 콘덴서에축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템에 있어서, 전동차용전력변환 시스템을 제어하는 제어 회로가 방전 전용 회로의 고장을 검지했을경우에, 승압 회로의 상부 암 및 하부 암, 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 승압 회로의 상부 암 및 하부 암, 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함한다.

Description

전동차용 전력 변환 시스템{POWER CONVERSION SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES}
본 발명은 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 전동차에 이용할 수 있는 전동차용 전력 변환 시스템에 관한 것이다.
전동차에 이용할 수 있는 전력 변환 시스템은 특허문헌 1에 도시한 바와 같이, 직류 주전원(예를 들면 48V 배터리)으로부터의 직류전압을 단일 승압회로에 의해 승압하고, 인버터(inverter) 회로에 의해 교류 전압으로 변환하여 모터 제너레이터(motor generator)로 출력하는 역행 동작과, 모터 제너레이터로부터의 회생 전력을 인버터 회로 및 승압 회로를 개재하여 직류 주전원, 차량의 보조기기(예를 들면 전동 파워 스티어링, 에어컨(air conditioner), ECU등) 및 직류 보조 전원(예를 들면 보조기기용 12V/24V 배터리)에공급하는 회생 동작을 행하는 것이 있다.
그리고, 전력 변환 시스템에 있어서, 이그니션 키의 오프(OFF) 조작이나 고장 발생에 의해 전력 변환 시스템이 정지할 경우 또는 차량충돌 등의 사고에 의해 정지했을 경우에는 전기 안전적 관점에서 전력 변환 시스템의 승압 회로 또는 인버터 회로 등의 주회로 전극간에 실장되는 평활 콘덴서(직류 링크 콘덴서)에 축전된 전하를 일정 규정 시간 내에 강제 방전(액티브 방전)하고, 평활 콘덴서의 단자간 전압을 안전한 값까지 저감 시킬 필요가 있다.
종래는 특허문헌 1에 도시한 바와 같이, 저항기 및반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성된 방전 전용 회로를 주 회로 전극간에 접속하고, 직류 주 전원의 출력 단자에 접속된 전기회로의 개폐를 행하는 스위치를 차단한 후에, 방전 전용 회로의 반도체 스위치 소자를 온(ON) 시켜 저항기에 의해 평활 콘덴서에 축전된 전하를 강제 방전하게 하게 구성하고 있다(도 4 참조).
그러나, 상기 방전 전용 회로가 고장 났을 경우에는 평활 콘덴서의 강제 방전 처리가 실행되지 않고, 일정 규정 시간이 경과해도 평활 콘덴서의 단자간 전압이 고전압 레벨로 유지된다.
일본특허공개공보 제2006-0224772호
본 발명은 방전 전용 회로를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템에 있어서, 방전 전용 회로가 고장 난 경우에도 평활 콘덴서에 축전된 전하를 확실하게 방전할 수 있는 전동차용 전력 변환 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템은 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 승압회로 및 인버터 회로를 개재해서 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통과, 상기 모터 구동 전력계통을 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 모터 구동 전력계통이, 상기 직류전압을 평활화 하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및 반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하고, 상기 제어 회로가, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우에, 상기 승압 회로의 서로 직렬 접속된 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어지는 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 승압회로 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로 상부 암 및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템의 제어장치는 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 승압회로 및 인버터 회로를 개재해서 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통을 포함하고, 상기 모터 구동 전력계통이, 상기 직류전압을 평활화하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및 반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템의 제어장치로서, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우 상기 승압회로의 서로 직렬 접속된 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어지는 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 승압 회로 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로 상부 암 및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템의 제어 프로그램은 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 승압회로 및 인버터 회로를 개재해서 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통을 포함하고, 상기 모터 구동 전력계통이, 상기 직류전압을 평활화하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및 반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템의 제어 프로그램으로서, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우 상기 승압회로의 서로 직렬 접속된 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어지는 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 승압 회로의 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로의 상부 암및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부의 기능을 컴퓨터에 포함시키는 것을 특징으로 한다.
이렇게 구성한 전동차용 전력변환 시스템, 그 제어장치 또는 그 제어 프로그램에 의하면, 방전 제어부가 방전 전용 회로의 고장을 검지하므로, 방전 전용 회로가 고장 나지 않고 있을 경우에는 종래대로 방전 전용 회로에 의해 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시켜 평활 콘덴서의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 소정의 안전한 값까지 저감 시킬 수 있다.
또, 방전 전용 회로가 고장 나 있을 경우에는 승압 회로의 상부 암 및 하부 암 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 승압 회로의 상부 암 및 하부 암 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전 시킬 수 있고, 평활 콘덴서의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 소정의 안전한 값까지 저감 시킬 수 있다.
여기에서, 승압 회로의 상부 암 및 하부 암, 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암을 이용해서 방전하고 있으므로, 신규 회로나 부품을 추가할 필요가 없고, 기존의 회로를 이용해서 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시킬 수 있고, 평활 콘덴서의 방전 기능에 대한 리던던시를 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템은 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 인버터 회로를 개재해서 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통과, 상기 모터 구동 전력계통을 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 모터 구동 전력계통이, 상기 직류전압을 평활화하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및 반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하고, 상기 제어 회로가, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템의 제어장치는 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 인버터 회로를 개재해서 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통을 포함하고, 상기 모터 구동 전력계통이, 상기 직류전압을 평활화 하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템의 제어장치로서, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우에, 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템의 제어 프로그램은 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 인버터 회로를 개재해서 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통을 포함하고, 상기 모터 구동 전력계통이, 상기 직류전압을 평활화 하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템의 제어 프로그램으로서, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우에, 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부의 기능을 컴퓨터에 포함시키는 것을 특징으로 한다.
이렇게 구성한 전동차용 전력변환 시스템, 그 제어장치 또는 그 제어 프로그램에 의하면, 방전 제어부가 방전 전용 회로의 고장을 검지하므로, 방전 전용 회로가 고장 나지 않고 있을 경우에는 종래대로 방전 전용 회로에 의해 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시켜 평활 콘덴서의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 소정의 안전한 값까지 저감 시킬 수 있다.
또, 방전 전용 회로가 고장 나 있을 경우에는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상부 암및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전 시킬 수 있고, 평활 콘덴서의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 소정의 안전한 값까지 저감 시킬 수 있다.
여기에서, 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암을 이용해서 방전하고 있으므로, 신규인 회로나 부품을 추가할 필요가 없고, 기존의 회로를 이용해서 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전 시킬 수 있고, 평활 콘덴서의 방전 기능에 대한 리던던시를 제공할 수 있다.
방전 전용 회로의 고장을 검지 하기 위한 구체적인 실시의 형태에 따른 상기 방전 제어부는 상기 평활 콘덴서의 방전 처리 개시에서 소정의 설정 시간 이내에, 상기 평활 콘덴서의 단자간 전압이 소정의 목표전압으로 방전할 수 있었는지 아닌지에 의해, 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지할 수 있다.
상기 평활 콘덴서는 상기 직류 주전원 및상기 승압 회로 사이에 설치된 제1 평활 콘덴서와, 상기 승압 회로 및 상기 인버터 회로의 사이에 설치된 제2 평활 콘덴서를 포함할 수 있다.
본 발명은 방전 전용 회로가 고장 났을 경우 승압 회로의 상부 암 및 하부 암 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 평활 콘덴서에 축전된 전하를 승압 회로의 상부 암 및 하부 암 또는 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 방전함으로써 평활 콘덴서에 축전된 전하를 확실하게 방전할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 있어서의 전동차용 전력변환 시스템의 회로 구성을 도시한 도면.
도 2는 동 실시예에 있어서의 방전 제어부에 의한 방전 처리를 나타내는 플로차트.
도 3은 동 실시예에 있어서의 승압 회로를 이용한 방전 처리를 나타내는 모식도.
도 4는 일반적인 방전 전용 회로를 이용한 방전 처리를 나타내는 모식도.
도 5는 변형 실시 예에 있어서의 복수개의 승압 회로를 병렬 접속한 회로 구성을 주로 해서 도시한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 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.
이하, 본 발명에 따른 전동차용 전력변환 시스템의 일 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 예에 따른 전동차용 전력변환 시스템(100)은 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 전동차에 탑재되어 모터 제너레이터(5)를역행 운전 또는 회생 운전시킨다. 한편, 모터 제너레이터(5)를이용한 하이브리드 자동차의 방식으로는 병렬 방식, 스플릿 방식(직병렬 방식) 또는 직렬 방식 중 어느 하나일 수 있다.
전동차용 전력변환 시스템(100)은 도 1 에 도시한 바와 같이, 직류 주 전원 (2)으로부터의 직류 전압을 승압 회로(3)에 의해 승압하고 인버터 회로(4)에 의해 3상 교류 전압으로 변환하여 모터 제너레이터(5)에 출력하는 역행 동작과, 모터 제너레이터(5)로부터의 회생 전력을 인버터 회로(4) 및 승압 회로(3)를 개재하여 직류 주 전원, 차량의 보조기기(6) 및 직류 보조 전원(7)에 공급하는 회생 동작을 수행한다.
구체적으로, 전동차용 전력변환 시스템(100)은직류 주 전원(2)(예를 들면 48V의리튬 이온 배터리), 상기 직류 주전원(2)의양 출력 단자 각각에 접속된 전기 회로의 개폐를 행하는 전기 회로 스위치(8)(DC contactor), 상기 각 전기 회로 스위치(8) 사이에 설치된 제1 평활 콘덴서(9)(직류 링크 콘덴서), 상기 제1 평활 콘덴서(9)를개재해서 접속되고, 차량의 각 보조기기(예를 들면, 전동 파워 스티어링, 에어컨(air conditioner), ECU 등)(6) 및 직류 보조 전원(예를 들면 12V/24V 배터리)(7)에 전력을 공급하는 보조 기기류 전력계통(S1), 상기 제1 평활 콘덴서(9)를 개재해서 상기 보조 기기류 전력계통(S1)과 병렬 접속되고, 모터 제너레이터(5)를 역행 운전 또는 회생 운전하는 모터 구동 전력계통(S2)을 포함한다. 한편, 제1 평활 콘덴서(9)는 모터 구동 전력계통(S2)에 포함될 수 있다.
보조 기기류 전력계통(S1)은 DC/DC 컨버터(10)를 더 포함하고, 상기 DC/DC 컨버터(10)의양 출력 단에는 차량의 각 보조기기(6)와 직류 보조 전원(7)이 병렬 접속되어 있다.
모터 구동 전력계통(S2)은 직류 주 전원(2)으로부터의 직류 전압을 전압 변환하는 승압 회로(3) 및 상기 승압 회로(3)로부터 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터 제너레이터(5)에 출력하는 인버터 회로(4)를 포함한다.
승압 회로(3)는IGBT나 MOSFET 등의 전력 반도체(31a, 3lb), 리액터(32) 및 제2 평활 콘덴서(33)를 포함한다. 구체적으로 승압 회로(3)는 직접 접속된 전력 반도체로 이루어지는 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb)를 포함하고, 상부 암(31a)의 반도체 단자(예를 들면 콜렉터 단자 또는 드레인 단자)에 인버터 회로(4)의 양극 입력단자가 접속되고, 하부 암(3lb)의 반도체 단자(예를 들면 이미터 단자 또는 소스 단자)에 직류 주 전원(2)의 음극 단자가 접속되어 있다.
또, 상부 암(31a)의 반도체 단자와 하부 암(3lb)의 반도체 단자 사이, 즉 승압 회로(3)의 출력 단에는 제2 평활 콘덴서(33)가 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb)에 대하여 병렬로 접속되어 있다.
또한, 상부 암(31a)의 다른 쪽의 단자(이미터 단자 또는 소스 단자)와 하부 암(3lb)의 다른 쪽의 단자(콜렉터 단자 또는 드레인 단자) 사이(직렬 접속 점)에, 리액터(reactor)(32)의 한쪽 단자가 접속되는 동시에, 상기 리액터(32)의 다른 쪽단자가 직류 주 전원(2)의 양극 단자에 접속되어 있다. 한편, 상기 승압 회로(3)의 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb)은 환류 다이오드를 반대 병렬 접속해서 구성한 것일 수도 있다.
이렇게 구성된 승압 회로(3)에는 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb)을구동하기 위한 구동 회로(34)가 설치되어 있다. 이러한 구동 회로(34)에 의해, 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb)을 일정 듀티(duty) 비에 따라 교대로 스위칭하게 함으로써 리액터(32)를 충방전시켜 역행 방향(승압) 및회생 방향(강압)으로 전력을 전달한다. 한편, 구동 회로(34)에는 후술하는 제어 회로(11)로부터 구동 명령신호(제어신호)가 입력된다.
또, 승압 회로(3)에 설치한 제2 평활 콘덴서(33)는 인버터 회로(4)의 입력단에 대한 평활 콘덴서로 기능한다. 즉, 승압 회로(3)와 인버터 회로(4)는 제2 평활 콘덴서(33)를 공용으로 이용한다.
인버터 회로(4)는도 1 에 도시한 바와 같이, 직렬 접속된 상부 암(41a) 및 하부 암(4lb)을 병렬 접속해서 구성된 3상의 브리지 회로(4u, 4v, 4w) 및 각 브리지 회로(4u, 4v, 4w)의 상부 암(41a) 및 하부 암(4lb)을 구동하기 위한 구동 회로(42)를 포함한다. 상부 암(41a) 및 하부 암(4lb)은 IGBT나 MOSFET 등의 전력 반도체로 이루어진다. 한편, 구동 회로(42)에는 후술하는 제어 회로(11)로부터 구동 명령신호(제어신호)가 입력된다.
상기와 같이 구성된 보조 기기류 전력계통(S1) 및 모터 구동 전력계통(S2)은 제어 회로(11)에 의해 제어된다. 제어 회로(11)는 전동차의 운전에 필요한 역행ㅇ회생 전력 제어를 행하기 위하여, 통괄 컨트롤러(예를 들면 상위 ECU)로부터 요구되는 운전 명령에 따라, 승압 회로(3)와 인버터 회로(4) 간의 최적 전력 연계를 취하면서 각 전력 반도체 구동 명령신호를 생성하고, 해당 전력 반도체 구동 명령신호를 스위칭 명령으로 하여 각 구동 회로에 전달한다.
이에 따라, 전동차용 전력 변환 시스템(100)은 직류 주 전원(2)으로부터의 직류 전압을 승압 회로(3)에 의해 승압하고, 인버터 회로(4)를 통해 교류 전압으로 변환하여 모터 제너레이터(5)에 출력하는 역행 동작과, 모터 제너레이터(5)부터의 회생 전력을 인버터 회로(4) 및 승압 회로(3)를 개재하여 직류 주 전원, 차량의 보조기기(6) 및 직류 보조 전원(7)에 공급하는 회생 동작을 수행한다.
한편, 제어 회로(11)는 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4) 각각에 대응해서 물리적으로 분리할 수 있고, 부품수 삭감의 비용 절감 때문에 공용화 및 일체화 할 수도 있다.
그리고, 본 실시 예의 전동차용 전력 변환 시스템(100)의 모터 구동 전력 계통(S2)은 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로(12)를 포함한다. 한편, 도 1에 도시된 부호 15는 자연 방전 저항기를 나타낸다.
방전 전용 회로(12)는 저항기(121) 및 IGBT나 MOSFET 등의 반도체 스위치 소자(122)를 직렬 접속하여 구성되고, 전력 변환 시스템(100)의 주 회로 전극간에 접속되어 있다. 구체적으로, 방전 전용 회로(12)는 승압 회로(3)와 인버터 회로(4) 사이에 배치되고, 주 회로 전극간에 접속되어 있다.
이렇게 구성된 방전 전용 회로(12)는 반도체 스위치 소자(122)를 구동 하기 위한 구동 회로(123)를 포함한다. 이러한 구동 회로(123)를 통해 반도체 스위치 소자(122)를 온(ON) 시킴으로써 방전 전용 회로(12)에 의한 방전 기능이 수행된다. 한편, 구동 회로(123)에는 제어 회로(11)로부터 구동 명령신호(제어신호)가 입력된다.
본 실시 예의 제어 회로(11)는 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 방전 전용 회로(12) 또는 승압 회로(3)를 이용하여 방전시키는 방전 제어부(111)를포함한다.
한편, 제어 회로(11)는 CPU, 메모리, 입출력 인터페이스, AD 변환기 등을 포함한 전용 또는 범용의 컴퓨터 회로이며, 메모리에 저장된 제어 프로그램에 따라 방전 제어부(111) 등의 기능을 수행한다.
방전 제어부(111)는방전 전용 회로(12)의 고장 유무를 검지하는 고장 검지 기능을 수행한다. 방전 제어부(111)는 방전 전용 회로(12)의 고장 유무에 따라 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 방전시키는 회로를 방전 전용 회로(12)와 승압 회로(3)로 변경한다.
상태적으로 방전 제어부(111)는 전력 변환 시스템(100)의정지를 나타내는 신호, 예를 들면 인버터 회로(4)의 정지를 나타내는 인버터 정지 신호를 취득하는 동시에 전기 회로 스위치(8)가 OFF(차단)된 것을 나타내는 스위치 오프(OFF) 신호를 취득하고, 각 평활 콘덴서(9, 33)의 방전 처리를 시작한다.
그리고, 방전 제어부(111)는 전기 회로 스위치(8) 및 승압 회로(3) 사이에 배치되고, 제1 평활 콘덴서(9)의 단자간 전압을 검지하는 제1 전압 검출부 (13)로부터 제1 전압 검출 신호를 취득한다. 이와 동시에, 방전 제어부(111)는 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4) 사이에 배치되고, 제2 평활 콘덴서(33)의단자간 전압을 검지하는 제2 전압 검출부(14)로부터 제2 전압 검출 신호를 취득한다.
그리고, 방전 제어부(111)는 제1 및 제2 전압 검출 신호를 이용하여 방전 전용 회로(12)의 고장 유무를 검출한다. 방전 제어부(111)는 방전 전용 회로(12)가 고장 나지 않은 경우에는 방전 전용 회로(12)를 이용하여 평활 콘덴서(9, 33)를 방전하고, 방전 전용 회로(12)가 고장 난 경우에는 승압 회로(3)의 상하부 암(31a, 3lb) 및 인버터 회로(4)의 상하부 암(41a, 4lb)를 이용하여 평활 콘덴서(9, 33)를 방전한다.
여기에서, 방전 제어부(111)가 방전 전용 회로(12)의 고장을 검출하는 방법에 대한 하나의 예를 설명한다.
방전 제어부(111)는미리 설정된 강제 방전 처리 개시로부터의 소정 시간인 고장 검지시간(Tc)과 상기 고장 검지시간(Tc) 경과 시의 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압에 대한 목표 값(Vc)을 이용하여 상기 고장 검지 시간(Tc) 내에 상기 목표 값(Vc)까지 방전할 수 없었을 경우 방전 전용 회로(12)의 고장을 검지한다.
제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압은 제1 평활 콘덴서(9)의 단자간 전압보다도 크고, 강제 방전 처리 개시에 의해 먼저 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 감소하기 때문에, 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압으로 고장 검출하는 방법을 이용할 수 있다.
예를 들면, 고장 검지시간(Tc) 경과까지 소정의 시간 간격(예를 들면 0.1초 간격)으로 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압을 검출하고, 목표 값(Vc)까지 방전할 수 있는지 여부에 따라 고장을 판단한다.
이때, 고장 검지시간(Tc) 경과 시의 단자간 전압의 목표 값(Vc)은 상기 강제 방전 처리에 의한 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압-방전 시간 특성 곡선에 의해 결정할 수 있다. 한편, 방전 전용 회로(12)의 고장 검출은 고장 검지시간(Tc) 동안 단자간 전압의 감소율이나 감소량 등의 변화 형태로 판단할 수도 있다.
그 다음에, 방전 제어부(111)의 기능 및전력 변환 시스템(100)의 평활 콘덴서(9, 33)의 방전 처리에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
먼저, 방전 제어부(111)는 이그니션 키의 오프(OFF)나 고장 발생으로 인한 전력 변환 시스템(100)의 정지 또는 차량 충돌 등의 사고로 인한 전력 변환 시스템(100)의 정지 시 인버터 회로(4)로부터 인버터 정지 신호를 취득한다(단계 Sp1).
또, 방전 제어부(111)는 상기 전력 변환 시스템(100)의 정지 시 전기 회로 스위치(8)의 오프(OFF) 처리를 나타내는 스위치 오프(OFF) 신호를 취득한다(단계 Sp2). 한편, 전기회로 스위치(8)의 오프(OFF) 처리는 방전 제어부(111)에 의해 수행될 수 있다.
상기의 인버터 정지 신호 및 스위치 오프(OFF) 신호를 취득한 방전 제어부(111)는방전 전용 회로(12)를 이용한 평활 콘덴서(9, 33)의 방전 처리를 시작한다(단계 Sp3).
구체적으로, 방전 제어부(111)는 방전 전용 회로(12)의 구동 회로(123)로 반도체 스위치 소자(122)를 온(ON) 시키는 구동 명령신호(제어신호)를 출력하는 동시에, 승압 회로(3)의 상부 암(31a) 만을 온(ON) 시키는 구동 명령신호(제어신호)를 출력한다.
이에 따라, 제1 평활 콘덴서(9)에 축전된 전하 및 제2 평활 콘덴서(33)에 축전된 전하가 방전 전용 회로(12)의 저항기(121)에 의해 방전된다.
또한, 방전 전용 회로(12)에 의한 방전은 단자간 전압이 큰 제2 평활 콘덴서(33)로부터 수행되고, 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 제1 평활 콘덴서(9)의 단자간 전압과 같아진 이후는 제2 평활 콘덴서(33)의방전과 함께 제1 평활 콘덴서(9)가 방전된다.
여기서, 방전 제어부(111)는 방전 전용 회로(12)를 이용한 방전 처리 개시와 함께, 각 전압 검출부(13, 14)로부터 각 전압 검출 신호를 취득하고, 상기 고장 검지 시간(Tc)내에 상기 목표 값(Vc)까지 방전할 수 있는지 아닌가에 따라 방전 전용 회로(12)의 고장 유무를 검출 한다(단계 Sp4).
구체적으로, 방전 제어부(111)는 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc) 내에 목표 값(Vc)까지 방전 되지 않을 경우 방전 전용 회로(12)의 고장을 검출한다.
그리고, 방전 제어부(111)는 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc) 내에 목표 값(Vc)까지 방전할 수있는 경우, 즉 방전 전용 회로(12)가 고장 나지 않은 경우에는 그대로 방전 처리를 계속하고, 방전 허용 시간(Td) 이내에 안전 전압인 목표 값(Vd)까지 방전하게 하여 방전 처리를 종료한다(단계 Sp5).
한편, 방전 제어부(111)는 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc) 내에 목표 값(Vc)까지 방전 되지 않을 경우, 즉 방전 전용 회로(12)가 고장 난 경우에는 승압 회로(3)를 이용한 각평활 콘덴서(9, 33)의 방전 처리를 시작한다(단계 Sp6).
구체적으로, 방전 제어부(111)는 도 3 에 도시한 바와 같이, 승압 회로(3)의 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb), 및/또는 인버터 회로(4)의 상부 암(41a) 및 하부 암(4lb)을 동시에 온(ON) 시키는 구동 명령신호(제어신호)를 출력한다.
이에 따라, 제2 평활 콘덴서(33)에 축전된 전하 및 제2 평활 콘덴서(9)에 축전된 전하가 상부 암(31a) 및 하부 암(3lb), 및/또는 상부 암(41a) 및 하부 암(4lb)의 기생 저항 성분에 의해 방전되게 된다.
또, 승압 회로(3)에 의한 방전은 단자간 전압이 큰 제2 평활 콘덴서(33)로부터 수행되고, 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 제1 평활 콘덴서(9)의단자간 전압과 같아진 이후는 제2 평활 콘덴서(33)의 방전과 함께 제1 평활 콘덴서(9)가 방전된다.
한편, 인버터 회로(4)의 상하부 암(41a, 4lb)을 이용한 방전은 3상의 브리지 회로(4u, 4v, 4w)의 모든 상하부 암(41a, 4lb)을 동시에 온(ON) 시킬 수 있고, 어느 1상의 브리지 회로의 상하부 암(41a, 4lb)을 동시에 온(ON) 시킬 수 있다.
여기서, 방전 제어부(111)는 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리 개시와 함께, 상술한 방전 전용 회로(12)를 이용한 방전 처리와 마찬가지로 각 전압 검출부(13, 14)로부터 각 전압 검출 신호를 취득하고, 상기 고장 검지 시간(Tc') 내에 목표 값(Vc')까지 방전할 수 있었는지 아닌가에 따라 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4)를 이용한 방전 처리의 이상 유무를 검출 한다(단계 Sp7).
여기에서, 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4)를 이용한 방전 처리의 고장 검지 시간(Tc') 및 목표 값(Vc')은 상기 방전 전용 회로(12)를이용한 방전 처리의 고장 검지 시간(Tc) 및 목표 값(Vc)과 같은 값으로 할수도 있고, 다른 값으로 할 수도 있다.
그리고, 방전 제어부(111)는 제1 평활 콘덴서(9)의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc1') 내에 목표 값(Vc1')까지 방전할 수 있었는지 아닌지 및 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc2') 내에 목표 값(Vc2')까지 방전할 수 있었는지 아닌지에 따라 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4)를 이용한 방전 처리의 이상을 검출한다.
그리고, 방전 제어부(111)는 각 평활 콘덴서(9, 33) 각각의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc') 내에 목표 값(Vc')까지 방전할 수있을 경우, 즉 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리의 이상이 없는 경우에는 그대로 방전 처리를 계속하고, 방전 허용 시간(Td) 이내에 안전 전압인 목표 값(Vd)까지 방전하여 방전 처리를 종료한다 (단계 Sp8).
여기서, 방전 전용 회로(12)의 고장 검지 시간(Tc), 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리 시 고장 검지 시간(Tc') 및 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리 시간의 합계 시간은 방전 허용 시간(Td) 이하이다.
또, 한번 방전 전용 회로(12)의 고장을 검지하여 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리를 행했을 경우의 다음 번 이후부터는 방전 전용 회로(12)의 고장 검출 처리를 행하지 않고, 처음부터 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리를 행한다.
한편, 방전 제어부(111)는 제1 평활 콘덴서(9) 또는 제2 평활 콘덴서(33)의 어느 한쪽의 단자간 전압이 고장 검지 시간(Tc') 내에 목표 값(Vc')까지 방전 되지 않을 경우, 즉 승압 회로(3)를 이용한 방전 처리에 이상이 있을 경우에는 방전 처리를 종료하고, 차량 측에 설치한 디스플레이나 스피커 등을 통해 전력 변환 시스템(100)의 방전 기능이 고장 난 취지를 예를 들면, 운전자 등에 통지 한다(단계 Sp9).
이렇게 구성한 전동차용 전력 변환 시스템(100)에 의하면, 방전 제어부(111)가 방전 전용 회로(12)의 고장을 검지하므로, 방전 전용 회로(12)가 고장 나지 않은 경우에는 종래대로 방전 전용 회로(12)에 의해 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 방전하게 하여 각 평활 콘덴서(9, 33)의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 안전한 값까지 저감시킬 수있다.
또, 방전 전용 회로(12)가 고장 난 경우에는 승압 회로(3)의 상하부 암(31a, 3lb), 및 인버터 회로(4)의 상하부 암(41a, 4lb)을 동시에 온(ON)시켜 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4)의 상하부 암의 기생 저항 성분에 의해 방전시킬 수있고, 각 평활 콘덴서(9, 33)의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 소정의 안전한 값까지 저감시킬 수 있다.
여기에서, 승압 회로(3)의 상하부 암(31a, 3lb), 및 인버터 회로(4)의 상하부 암(41a, 4lb)을 이용하고 있으므로, 신규 회로나 부품을 추가할 필요가 없고, 기존의 회로를 이용해서 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 방전 시킬 수 있고, 각 평활 콘덴서(9, 33)의 방전 기능에 대한 리던던시를 제공할 수 있다.
또한, 방전 전용 회로(12)가 고장난 경우에도 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 최대 4개의 방전 리던던시 수단으로 방전할 수 있다. 구체적으로는,(1) 승압 회로(4)의 상하부 암(31a, 3lb)을 이용한 방전 리던던시 수단, (2) 인버터 회로(4)의 브리지 회로(4u)의 상하부 암(41a, 4lb)을 이용한 방전 리던던시 수단, (3) 인버터 회로(4)의 브리지 회로(4v)의 상하부 암(41a, 4lb)을 이용한 방전 리던던시 수단, (4) 인버터 회로(4)의 브리지 회로(4w)의 상하부 암(41a, 4lb)을 이용한 방전 리던던시 수단으로 방전할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기 실시예의 방전 제어부(111)는 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압을 이용해서 방전 전용 회로(12)의 고장을 검출하게 구성하고 있지만, 제1 평활 콘덴서(9)의 단자간 전압을 이용하거나, 또는 제1 평활 콘덴서(9)의 단자간 전압 및 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압을 모두 이용하여 방전 전용 회로(12)의 고장을 검출할 수도 있다. 이 경우, 제1 평활 콘덴서(9)의단자간 전압과 제2 평활 콘덴서(33)의 단자간 전압이 같아진 이후에 고장 검출을 수행하도록 구성할 수 있다.
또, 모터 구동 전력 계통(S2)이 승압 회로(3)를 포함하지 않고, 직류 주 전원(2)과 인버터 회로(4)가 직접 접속되는 구성일 수도 있다. 이경우, 방전 전용 회로(12)가 고장 났을 때에는 인버터 회로(4)의 상부 암(41a) 및 하부 암(4lb)을 동시에 온(ON) 시켜 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 인버터 회로(4)의 상하부 암(41a, 4lb)의 기생 저항 성분에 의해 방전시킬 수 있다.
이에 따라, 승압 회로(3)를 포함하지 않는 경우라도, 각 평활 콘덴서(9, 33)의 단자간 전압을 소정의 시간 내에 소정의 안전한 값까지 저감 시킬 수 있다.
또한, 모터 구동 전력 계통(S2)은 방전 전용 회로(12)가 설치되어 있지 않는 구성일 수도 있다. 이 경우, 방전 제어부(111)는단계 Sp1로부터 단계 Sp5까지의 처리를 생략하고, 단계 Sp6이후의 제어 내용을 실시한다.
이에 따라, 모터 구동 전력 계통(S2)에 방전 전용 회로(12)가 설치되지 않는 구성이어도 각 평활 콘덴서(9, 33)에 축전된 전하를 방전 시킬 수 있다.
더욱이, 도 5 에 도시한 바와 같이, 승압 회로(3)가 직류 주 전원(2)에 대하여 복수 개 병렬로 접속되는 동시에 병렬 접속된 승압 회로(3) 각각에 독립적으로 구동 회로(34)를 형성할 수 있다.
구동 회로(34)에 제어 신호를 출력하는 제어 회로(11)는 적어도 1개의 승압 회로(3)가 고장 났을 경우 고장난 승압 회로(3)의 동작을 정지시키고, 나머지 정상인 승압 회로 수에 따른 전력 제어 값을 설정하여 해당 전력 제어 값에 따라 나머지 정상인 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4)를 제어하게 구성할 수도 있다. 이 경우 승압 회로(3)를 복수 개 병렬로 설치하고 있으므로, 전력 변환 시스템(100)의 리던던시를 향상시킬 수 있다.
이때, 발전기(alternator)를 생략한 구성에 있어 승압 회로(3)를 복수 개 병렬로 설치하는 것에 따라 직류 주 전원(2), 차량의 보조기기(6) 및 직류 보조 전원(7)에의 전력 공급을 확실하게 할 수 있다.
또, 승압 회로(3)를 복수 개 병렬로 설치하는 것에 따라 전류를 각 승압 회로(3)에 분산시킬 수 있고, 승압 회로(3)의 고효율화, 부품의 소형화 및 긴 수명화 등의 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, 적어도 1개의 승압 회로(3)가 고장 났을 경우 나머지 정상인 승압 회로 수에 의해 처리 가능한 전력 제한 값을 설정하고, 상기 전력 제한 값에 의해 나머지 정상인 승압 회로(3) 및 인버터 회로(4)를 제어하고 있으므로, 일부의 승압 회로(3)의 고장 후에도 계속해서 전력 제한적으로 모터 제너레이터를 동작시켜 직류 주전원(2), 차량의 보조기기(6) 및 직류 보조 전원(7)에 회생 전력의 충전이 가능하게 된다.
이에 따라, 림프 홈 모드 시스템을 구축 할 수 있고, 차량 승무원을 운전에 의해 안전하게 대피시키고, 수리 공장으로 차량을 이동시키는 것이 가능하게 된다.
그리고, 병렬 접속된 승압 회로(3) 각각의 출력 단에 평활 콘덴서(33)를 설치하여 상기 각 평활 콘덴서(33)가 인버터 회로(4)의 입력 단에 대한 평활 콘덴서로 동작 할 수도 있다.
이와 같이, 병렬 접속된 승압 회로(3) 각각의 출력 단에 평활 콘덴서(33)를 설치하고 있으므로, 전류 분산에 의해 인버터 회로(4)와 전력을 주고받을 때의 평활 콘덴서(33)의 충방전에 대한 리플 전류를 줄일 수 있고, 종래와 비교해서 평활 콘덴서(33)의 소형화나 손실감소를 도모할 수 있고, 성능을 향상시킬 수있다. 또, 승압 회로(3)의 개수가 증가한 만큼 방전 리던던시 수단을 증가시킬 수있다.
그 이외에, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형이 가능한 것은 물론이다.
100: 전동차용 전력변환 시스템
2: 직류 주전원
3: 승압회로
31a: 상부 암
3lb: 하부 암
33: 제2 평활 콘덴서
4: 인버터 회로
41a: 상부 암
42b: 하부 암
5: 모터 제너레이터
6: 보조기기
7: 직류 보조 전원
8: 전기회로 스위치
9: 제1 평활 콘덴서
10: DC/DC 컨버터
11: 제어 회로
111: 방전 제어부
12: 방전 전용 회로
121: 저항기
122: 반도체 스위치 소자

Claims (4)

  1. 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 승압회로 및 인버터 회로를 통해 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통 및
    상기 모터 구동 전력계통을 제어하는 제어 회로를 포함하고,
    상기 모터 구동 전력계통은
    상기 직류전압을 평활화하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및 반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는
    상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우 상기 승압 회로의 서로 직렬 접속된 전력 반도체로 이루어지는 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로의 전력 반도체로 이루어지는 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 승압 회로의 상부 암 및 하부 암, 또는 상기 인버터 회로의 상부 암 및 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템.
  2. 직류 주전원에 접속되고, 상기 직류 주전원으로부터의 직류전압을 인버터 회로를 통해 모터 제너레이터에 출력하는 모터 구동 전력계통 및
    상기 모터 구동 전력계통을 제어하는 제어 회로를 포함하고,
    상기 모터 구동 전력계통은
    상기 직류전압을 평활화하기 위한 평활 콘덴서와, 저항기 및 반도체 스위치 소자를 직렬 접속해서 구성되고, 상기 평활 콘덴서에 축전된 전하를 방전시키는 방전 전용 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 방전 전용 회로의 고장을 검지했을 경우에, 상기 인버터 회로의 전력반도체로 이루어진 상부 암 및 하부 암을 동시에 온(ON) 시키고, 상기 상부 암 및 상기 하부 암의 기생 저항 성분을 이용하여 상기 평활 콘덴서에 축전 된 전하를 방전시키는 방전 제어부를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방전 제어부는 상기 평활 콘덴서의 방전 처리 개시로부터 설정 시간 이내에 상기 평활 콘덴서의 단자간 전압을 목표전압으로 방전할 수 있었는지 아닌지에 따라 상기 방전 전용 회로의 고장을 검출하는 전동차용 전력변환 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 평활 콘덴서는
    상기 직류 주전원 및 상기 승압 회로의 사이에 설치된 제1 평활 콘덴서 및
    상기 승압회로 및 상기 인버터 회로의 사이에 설치된 제2 평활 콘덴서
    를 포함하는 전동차용 전력변환 시스템.
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