KR20150109155A - 고전압 인버터 및 이를 구비한 차량용 전동 압축기 - Google Patents

고전압 인버터 및 이를 구비한 차량용 전동 압축기 Download PDF

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KR20150109155A
KR20150109155A KR1020140032244A KR20140032244A KR20150109155A KR 20150109155 A KR20150109155 A KR 20150109155A KR 1020140032244 A KR1020140032244 A KR 1020140032244A KR 20140032244 A KR20140032244 A KR 20140032244A KR 20150109155 A KR20150109155 A KR 20150109155A
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Abstract

본 발명의 고전압 인버터는, 고전압 직류 입력단에 배치된 입력단 축전 소자; 상기 고전압 직류 입력단에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 스위칭하는 파워부; 상기 파워부의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 상기 게이트 드라이버의 동작을 제어하는 프로세서; 및 저전압 직류 입력단에서 제공되는 전력을 상기 프로세서를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기를 포함할 수 있다.

Description

고전압 인버터 및 이를 구비한 차량용 전동 압축기{HIGH VOLTAGE INVERTER AND ELECTRIC COMPRESSOR FOR VEHICLE WITH IT}
본 발명은 모터 구동용으로 고전압 전원을 사용하는 고전압 인버터에 관한 것으로, 특히, 동력용 고전압 전원과 통신용 저전압 전원이 공급되는 차량에서 모터를 구동하기 위한 고전압 인버터에 관한 것이다.
차량에 사용되는 기존 전동 압축기용 인버터는 고전압과(HV) 저전압(LV) 두 가지 사양의 전원을 사용하고 있다.
전자동 온도 조절장치(FATC : Full Automatic Temperature Control)와의 통신 및 전동 압축기 구동을 위해서는 DSP(Digital Signal Processor)가 동작해야 한다. 상기 DSP는 고전압 계통에서 전원을 사용하고 있으며, 차량 시스템의 CAN(Controller Area Network) 통신 라인은 저전압 체계로 구성되어 있다.
이로 인해 현재 전동압축기 인버터는 고전압과 저전압이 모두 인가되어야 통신 및 압축기 구동이 가능하다.
그런데, 전동 압축기 인버터 내 DC 링크 커패시터 또는 정류 스위치 소자인 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)가 손상된 경우, 고전압 라인에서 쇼트(short)가 발생될 수 있다. 이 경우, 차량의 전반적인 고전압 전원에서 문제가 발생될 수 있으며, 예컨대, 차량의 시동시 충분한 고전압이 인가되지 않아 시동 실패를 야기할 수 있다.
이 경우, 고전압 계통에서 전원을 인가받는 상기 전동 압축기 측 DSP도 전원 부족으로 동작하지 않게 되며, 이에 따라, 상기 DSP의 임무 중 하나인 상기 전동 압축기 인버터에 대한 문제 진단을 할 수 없게 된다. 또한, 상기 DSP가 동작하지 않으면, 전자동 온도 조절장치(FATC)와 통신을 수행할 수 없다는 문제도 발생한다.
즉, 고전압 및 저전압 두 가지 전원이 모두 인가되어야 통신 및 구동이 가능한 종래 기술의 인버터 체계에서는, 고전압 측에서 쇼트가 발생해도, 인버터측 DSP에 전원 미인가로 인하여 문제 상황 파악 및 통신이 불가능하여, 차량의 중앙 제어부에서는 상기 쇼트로 인한 시동 불능이 발생해도 원인 파악을 할 수 없게 된다.
한국공개특허 2013-0080281호
본 발명은 고전압 전원에서 문제가 발생되어도 저전압 전원으로 통신이 가능한 고전압 인버터를 제공하고자 한다.
또는, 본 발명은 인버터의 고전압 영역에서 발생된 문제 상황을 차량의 제어 장치에서 판단할 수 있는 고전압 인버터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고전압 인버터는, 고전압 직류 입력단에 배치된 입력단 축전 소자; 상기 고전압 직류 입력단에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 스위칭하는 파워부; 상기 파워부의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 상기 게이트 드라이버의 동작을 제어하는 프로세서; 및 저전압 직류 입력단에서 제공되는 전력을 상기 프로세서를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하여 상기 게이트 드라이버로 공급하는 전력 획득부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는, 상기 입력단 축전 소자 또는 상기 파워부에서 쇼트가 발생되는 것을 감지할 수 있다.
여기서, 상기 고전압 직류 입력단과 상기 전력 송출기 사이에 위치한 저항 소자를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 저항 소자의 전압 값을 입력받을 수 있다.
여기서, 상기 저항 소자와 상기 고전압 직류 입력단 사이에 위치한 다이오드를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 파워부는, 3상으로 스위칭된 전력을 공조용 압축기를 구동하기 위한 3상 모터로 공급할 수 있다.
여기서, 상기 저전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 저전압 전력 획득부; 및 상기 저전압 전력 획득부로부터 구동 전력을 공급받아 차량의 CAN 통신을 수행하는 CAN 통신기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 파워부는, 상기 게이트 드라이버의 신호가 베이스로 인가되어, 콜렉터와 에미터로 흐르는 전류가 모터로 공급되는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 차량용 전동 압축기는, 냉매를 압축시키기 위한 3상 모터; 고전압 직류 입력단에 배치된 입력단 축전 소자; 상기 고전압 직류 입력단에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 스위칭하여 상기 3상 모터로 공급하는 파워부; 상기 파워부의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버; 상기 게이트 드라이버의 동작을 제어하는 프로세서; 및 저전압 직류 입력단에서 제공되는 전력을 상기 프로세서를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하여 상기 게이트 드라이버로 공급하는 전력 획득부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고전압 직류 입력단과 상기 전력 송출기 사이에 위치한 저항 소자를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 저항 소자의 전압 값을 입력받을 수 있다.
여기서, 상기 저항 소자와 상기 고전압 직류 입력단 사이에 위치한 다이오드를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 저전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 저전압 전력 획득부; 및 상기 저전압 전력 획득부로부터 구동 전력을 공급받아 차량의 CAN 통신을 수행하는 CAN 통신기를 더 포함할 수 있다.
상기 구성에 따른 본 발명의 고전압 인버터를 실시하면, 고전압 전원에서 문제가 발생되어도 저전압 전원으로 통신이 가능한 이점이 있다.
또는, 본 발명의 고전압 인버터는 인버터의 고전압 영역에서 발생된 문제 상황을 차량의 제어 장치에서 판단할 수 있도록 하는 이점이 있다.
도 1은 저전압 영역과 고전압 영역이 절연된 형태의 고전압 인버터를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 인버터를 도시한 블록도.
도 1은 저전압 영역과 고전압 영역이 절연된 형태의 고전압 인버터를 도시한 것이다.
상기 고전압 영역에는, 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에 배치된 직류 링크 커패시터(10); 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 스위칭하는 6개의 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)를 구비한 파워부(20); 상기 파워부(20)의 IGBT들(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버(56); 상기 게이트 드라이버(56)의 동작을 제어하고, 저전압 영역과 통신을 수행하는 DSP(54); 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)으로부터 중간 전압 직류 전원을 생성하는 제1 SMPS(51); 상기 중간 전압 직류 전원으로부터 상기 DSP(54)를 구동하기 위한 직류 전원을 생성하는 제2 SMPS(52)가 구비된다.
상기 저전압 영역에는, 저전압 직류 입력단(LV+, LV-)으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 저전압 전력 획득부(80); 상기 저전압 전력 획득부(80)로부터 구동 전력을 공급받아서 상기 제어부와의 통신을 수행하고 차량의 CAN 통신을 수행하는 CAN 통신기(70)를 포함할 수 있다.
도시한 고전압 인버터는 고전압 영역에 위치한 상기 DSP(54)와, 저전압 영역에 위치한 상기 CAN 통신기(70)가 절연된 상태로 데이터 통신을 수행하도록 포토 커플러(60)를 구비할 수 있다.
도시한 고전압 인버터에서는 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)으로 전력이 공급되지 않거나, 직류 링크 커패시터(10) 또는 IGBT(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)에 쇼트가 발생하면, 상기 DSP(54)가 동작하지 않아, 일체의 데이터 처리 작업을 수행할 수 없다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하겠다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 인버터를 도시한다. 도시한 고전압 인버터는, 고전압 영역 및 저전압 영역이 서로 절연되어 있다.
상기 고전압 영역에는, 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에 배치된 입력단 축전 소자(210); 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 스위칭하는 파워부(220); 및 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에서 구동 전력을 인가받으며, 상기 파워부(220)의 스위칭 동작을 제어하는 제어부(250)가 구비될 수 있다.
도시한 제어부(250)는, 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 전력 획득부로서 SMPS(Switching Mode Power Supply)(251); 상기 파워부(220)의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버(256); 및 상기 게이트 드라이버(256)의 동작을 제어하는 프로세서(254)를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(254)는 DSP일 수 있으며, 상기 프로세서(254)는 고전압 영역에 위치하나, 구동 전력은 저전압 영역으로부터 제공받는다.
상기 저전압 영역에는, 저전압 직류 입력단(LV+, LV-)으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 저전압 전력 획득부(280); 상기 저전압 전력 획득부(280)로부터 구동 전력을 공급받아서 상기 제어부와의 통신을 수행하고 차량의 CAN 통신을 수행하는 CAN 통신기(270); 상기 저전압 직류 입력단(LV+, LV-)에서 제공되는 전력을 상기 프로세서(254)를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기로서 절연 SMPS(260)가 구비될 수 있다.
상기 절연 SMPS(260)는 일반적으로 고전압 영역에 사용되는 상기 프로세서(254)의 구동 전압이 3.3V로 상기 CAN 통신기(270)의 구동 전압 5V와 다르기 때문에, 이를 맞춰주기 위한 것이다. 만약, 상기 프로세서(254)를 구동 전압 5V 소자로 구현하는 경우, 상기 절연 SMPS(260)는 생략될 수 있다. 이 경우 상기 저전압 전력 획득부(280)가 상기 절연 SMPS(260)의 역할을 대신한다.
상술한 구성에 따라, 상기 고전압 영역에서 쇼트가 발생되어도, 상기 프로세서(254)는 저전압 영역으로부터 구동 전력을 인가받아 정상 동작할 수 있다. 상기 쇼트 상황에서 상기 프로세서(254)는 쇼트 발생을 인식할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도시한 고전압 인버터는 고전압 영역에서 쇼트 발생시 상기 절연 SMPS(260)에서 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)의 플러스 단으로 흐를 수 있는 전류 경로를 형성하고, 상기 전류 경로로의 전류 흐름을 상기 프로세서(254)가 감지하는 구조를 구비할 수 있다.
예컨데, 도시한 바와 같이 상기 프로세서(254)의 전원 입력단과 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)의 플러스 단 사이에 저항 소자(R)를 배치하고, 상기 저항 소자(R)의 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)의 플러스 단쪽 단자의 전압 신호를 상기 프로세서(254)가 입력받는 구조를 형성할 수 있다.
한편, 상기 고전압 영역과 상기 저전압 영역은 서로 절연되는 것이 바람직한데, 도시한 고전압 인버터의 경우, 고전압 영역에 위치한 상기 프로세서(254)에 구동 전력을 공급하는 절연 SMPS(260)와 상기 저항(R)에 의한 전류 경로에 의해 절연 특성이 약화될 수 있다.
도면에서는, 이를 방지하기 위해, 상기 저항(R)과 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)의 플러스 단 사이에 다이오드를 배치하여, 고전압 영역의 전류가 저전압 영역으로 흐르는 것을 차단하면서도, 고전압 영역에서 쇼트가 발생하면 저전압 영역의 전류가 고전압 영역으로 흐를 수 있는 경로를 마련하였다.
도시한 다이오드 및 저항(R)을 구비한 구조에서, 고전압 직류 전력 및 저전압 직류 전력이 모두 공급되는 정상 상태 및 고전압 직류 전력이 차단(고전압 영역은 플로팅됨)되고 저전압 직류 전력만 공급되는 초기 검사 상태 동안, 상기 저항(R)에는 전류가 흐르지 않게 되어, 상기 프로세서(254)는 상기 저항(R)으로부터 상기 절연 SMPS(260)가 공급하는 전력의 전압 값을 검출하게 된다.
반면, 상기 모터(9)의 운전 중 상기 고전압 영역에서 쇼트가 발생하거나, 또는 고전압 영역에 쇼트가 발생된 고전압 인버터를 초기 검사하는 경우, 상기 고전압 직류 입력단의 플러스 단이 접지 전압 값을 가지게 되어, 상기 다이오드를 순방향으로 통과하는 전류가 상기 저항(R)으로 흐르게 된다. 상기 프로세서(254)는 상기 저항(R)으로부터 상기 저항(R)으로 흐르는 전류로 인한 전압 강하된 전압 값을 검출하게 된다.
상기 입력단 축전 소자(210)는 도시한 바와 같이 하나 이상의 직류 링크 커패시터로 이루어질 수 있다.
도시한 고전압 인버터는 고전압 영역에 위치한 상기 제어부(250)가, 저전압 영역에 위치한 상기 CAN 통신기(270)를 이용하여 전자동 온도 조절장치(FATC)의 제어 장치나 차량의 ECU 등 차량의 다른 제어 장치와 통신을 수행할 수 있도록, 상기 제어부(250)와 상기 CAN 통신기(270)가 절연된 상태로 데이터 통신을 수행하도록 포토 커플러(미도시)를 더 구비할 수 있다.
상기 파워부(220)는, 상기 제어부(250)의 신호가 베이스로 인가되어, 콜렉터와 에미터로 흐르는 전류가 모터로 공급되는 6개의 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)를 구비하여, 3상 모터를 구동할 수 있다.
도면은 극히 간략하게 도시한 것이며, 3상 모터의 구동을 위해서는 제1상을 위한 IGBT쌍(ST1, ST2), 제2상을 위한 IGBT쌍(ST3, ST4) 및 제3상을 위한 IGBT쌍(ST5, ST6)의 2개의 IGBT는 서로 교차하여 턴온-턴오프 된다. 예컨대, 제1상을 위한 IGBT쌍(ST1, ST2)의 경우, 하나의 IGBT(ST1)을 N형으로, 다른 하나의 IGBT(ST1)을 P형으로 구현하거나, 2개의 IGBT들(ST1, ST2)을 동일한 형으로 만들고 이중 하나의 게이트에 반전기를 연결한 형태로 구현할 수 있다.
도시한 파워부(220)는, 3상으로 스위칭 된 전력을 차량 공조용 압축기를 구동하기 위한 3상 모터(9)로 공급할 수 있다.
살펴본 바와 같이, 도 2의 실시예의 고전압 인버터는, 도 1의 경우와 비교할 때, 도 1에서 고전압 영역에 배치되었던 3.3V 제2 SMPS를 제거하고, 저전압 측에 절연 SMPS를 추가로 연결해서 DSP의 전원을 인가함으로써, 고전압 직류 전력의 인가 필요없이 DSP의 동작이 가능하도록 구현한 것이다. 이 때, 절연 SMPS의 전력 출력단을 저항(R)과 다이오드를 통하여 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)의 플러스 라인에 연결하여 내부 소자에 의한 쇼트 발생시 다이오드를 통하여 전류가 통전되면서 쇼트 여부를 진단할 수 있도록 한 것이다.
한편, 도시한 고전압 인버터와 3상 모터(9)를 하나의 전동 압축기로 규정할 수 있다. 전동 압축기 분야에서 3상 모터는 가격 대 성능이 우수하고, 전동 압축기는 비교적 낮은 정밀도의 회전 제어를 요구하므로, 3상 모터가 유용하다.
상기와 같이 규정된 차량용 전동 압축기는, 냉매를 압축시키기 위한 3상 모터(9); 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에 배치된 입력단 축전 소자(210); 상기 고전압 직류 입력단(HV+, HV-)에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 스위칭하여 상기 3상 모터로 공급하는 파워부(220); 상기 파워부(220)의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버(256); 상기 게이트 드라이버(256)의 동작을 제어하는 프로세서(254); 및 저전압 직류 입력단(LV+, LV-)에서 제공되는 전력을 상기 프로세서(254)를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기로서 절연 SMPS(260)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 사상에 따라 차량 공조용 고전압 인버터의 프로세서의 구동 전력을 저전압 영역에서 획득하도록 구현하여, 고전압 직류 전력의 미인가 시에도 저전압 직류 전력으로 통신이 가능하게 되며, 이로 인해 고전압 인가 전에도 전자동 온도 조절장치(FATC)의 제어 장치나 차량의 ECU 등으로, 인버터 상태에 대한 정보를 전송할 수 있다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
210 : 입력단 축전 소자
220 : 파워부
250 : 제어부
251 : SMPS
254 : 프로세서
256 : 게이트 드라이버
260 : 절연 SMPS
270 : CAN 통신기
280 : 저전압 전력 획득부

Claims (13)

  1. 고전압 직류 입력단에 배치된 입력단 축전 소자;
    상기 고전압 직류 입력단에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 스위칭하는 파워부;
    상기 파워부의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버;
    상기 게이트 드라이버의 동작을 제어하는 프로세서; 및
    저전압 직류 입력단에서 제공되는 전력을 상기 프로세서를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기
    를 포함하는 고전압 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하여 상기 게이트 드라이버로 공급하는 전력 획득부
    를 더 포함하는 고전압 인버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 입력단 축전 소자 또는 상기 파워부에서 쇼트가 발생되는 것을 감지하는 고전압 인버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 직류 입력단과 상기 전력 송출기 사이에 위치한 저항 소자를 더 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 저항 소자의 전압 값을 입력받는 고전압 인버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저항 소자와 상기 고전압 직류 입력단 사이에 위치한 다이오드
    를 더 포함하는 고전압 인버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워부는, 3상으로 스위칭된 전력을 공조용 압축기를 구동하기 위한 3상 모터로 공급하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 저전압 전력 획득부; 및
    상기 저전압 전력 획득부로부터 구동 전력을 공급받아 차량의 CAN 통신을 수행하는 CAN 통신기
    를 더 포함하는 고전압 인버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워부는,
    상기 게이트 드라이버의 신호가 베이스로 인가되어, 콜렉터와 에미터로 흐르는 전류가 모터로 공급되는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)를 포함하는 고전압 인버터.
  9. 냉매를 압축시키기 위한 3상 모터;
    고전압 직류 입력단에 배치된 입력단 축전 소자;
    상기 고전압 직류 입력단에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 스위칭하여 상기 3상 모터로 공급하는 파워부;
    상기 파워부의 스위칭 소자들에 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버;
    상기 게이트 드라이버의 동작을 제어하는 프로세서; 및
    저전압 직류 입력단에서 제공되는 전력을 상기 프로세서를 위한 전력으로 공급하기 위한 전력 송출기
    를 포함하는 차량용 전동 압축기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하여 상기 게이트 드라이버로 공급하는 전력 획득부
    를 더 포함하는 차량용 전동 압축기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고전압 직류 입력단과 상기 전력 송출기 사이에 위치한 저항 소자를 더 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 저항 소자의 전압 값을 입력받는 차량용 전동 압축기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 저항 소자와 상기 고전압 직류 입력단 사이에 위치한 다이오드
    를 더 포함하는 차량용 전동 압축기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 저전압 직류 입력단으로부터 구동 전력을 획득하기 위한 저전압 전력 획득부; 및
    상기 저전압 전력 획득부로부터 구동 전력을 공급받아 차량의 CAN 통신을 수행하는 CAN 통신기
    를 더 포함하는 차량용 전동 압축기.

KR1020140032244A 2014-03-19 2014-03-19 고전압 인버터 및 이를 구비한 차량용 전동 압축기 KR20150109155A (ko)

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