KR20180007295A

KR20180007295A - 인버터

Info

Publication number: KR20180007295A
Application number: KR1020170067541A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 닙; 스테판 웨커; 필립 카룻츠
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-01-22
Also published as: US11079144B2; KR102061816B1; KR20190034187A; DE102016212657A1; US20180017291A1

Abstract

본 발명은 전동식 압축기용 인버터에 관한 것으로서, 이 경우 상기 인버터는 인버터의 전자 제어 장치에 직류 전압을 공급하는 보조 파워 서플라이를 포함한다. 상기 보조 파워 서플라이는 선형 전압 레귤레이터와 선형 프리-레귤레이터의 직렬연결을 포함한다. 상기 선형 프리-레귤레이터는 트랜지스터를 포함하고, 상기 선형 전압 레귤레이터의 입력 접속부와 연결되어 있다. 바람직하게는 상기 선형 프리-레귤레이터 및/또는 선형 전압 레귤레이터가 상기 전동식 압축기에서 사용되는 냉매에 의해 활성 냉각된다.

Description

인버터{INVERTER}

본 발명은 예컨대, 차량의 공기 조화 장치에서 냉매 압축기로 사용되는 전동식 압축기용 인버터에 관한 것이다.

도 1은 선행 기술에 따른 전동식 압축기용 인버터의 기본 구조의 예를 보여준다. 고전압 버스(high-voltage bus)를 통해서 작동되는 전동식 압축기(예컨대, 전동식 냉매 압축기(electric refrigerant compressor))들은 대개 인버터 회로 기판상에 분리된 2개의 전압 영역을 갖는다. 고전압 영역에는 고압 배터리(예컨대, 150-500V 정격 전압)로부터 전압이 공급된다. 상기 고전압 영역은 전동식 압축기용 모터 제어반(예컨대, 반도체가 설치된 B6-브리지) 및 파워 출력단(power output stage)으로서 도 1에 도시된, 상응하는 전자 제어 장치를 포함한다.

저전압 영역에는 배터리로부터 보드 회로망 전압(board network voltage)(예컨대, 12V)이 공급된다. 상기 저전압 영역은 제어기(예컨대, 차량의 에어컨 제어기)와 통신을 수행하는 전자 제어 장치를 포함한다. 또한, 상기 저전압 영역에서는 예컨대 온도 등과 같은 환경 데이터(environmental data)가 검출된다.

고전압 영역 및 저전압 영역 모두에는 IC, 마이크로 제어기, 센서 회로 등을 위한 보조 전압(예컨대, 3.3V 또는 5V)이 제공되어야 한다. 선행 기술에서는 이러한 보조 파워 서플라이(auxiliary power supply)가 클록 제어된 스위칭 레귤레이터(SMPS, 영문: switched-mode power supply)에 의해서 이루어진다. 스위칭 레귤레이터들의 경우, 제어 유닛을 통해 펄스 폭 변조를 갖는 스위칭 부재(트랜지스터, MOSFET)가 제어되고, 저장 인덕턴스(storage inductance)에서 전류가 정류되며, 이로 인해 예를 들면 US 2004/0085052 A1호에 기술된 바와 같이 상이한 출력 전압이 형성될 수 있다.

그러나 선행 기술에 공지된, 클록 제어된 부품들에 의한 보조 파워 서플라이 실현은, 전압 레귤레이터의 전자 장치에서의 스위칭 과정들이 상당한 전자기 간섭 스펙트럼을 야기하는 단점을 갖고 있다. 이러한 간섭은 전자 장치 자체뿐만 아니라 환경 내에 있는 다른 전자 어셈블리에도 영향을 미칠 수 있고, 아울러 그들의 기능을 방해한다.

상기와 같은 교란(perturbation)이 가능한 한 적도록 하기 위해, 클록 제어된 스위칭 레귤레이터를 포함하는 설계의 경우, 회로 기판 상의 경로 설정(routing) 및 배치와 관련하여 엄격한 규정이 고려되어야 한다. 또한, 상기와 같은 클록 제어된 회로는 도 1에 도시된 바와 같은, 간섭 스펙트럼에 상응하는 EMC 필터링을 필요로 한다. 이러한 필터 뱅크(filter bank)는 비용 상승을 초래하고 회로 기판상에서 추가 공간을 필요로 하는데, 그 이유는 이러한 경우에도 역시 필터 부품들과 도체 레일 가이드의 배치와 관련하여 상당한 제한이 있기 때문이다.

상기와 같은 내용을 배경으로 하는 본 발명의 과제는, 간단한 구성으로 인버터의 보조 파워 서플라이를 실현하는 것이다.

상기 과제의 해결은 청구항 1에 규정된 전동식 압축기용 인버터에 의해서 이루어진다.

그에 따르면, 상기 인버터는 인버터의 전자 제어 장치에 직류 전압을 공급하는 보조 파워 서플라이를 포함한다. 상기 보조 파워 서플라이는 선형 전압 레귤레이터(linear voltage regulator)와 선형 프리-레귤레이터(linear pre-regulator)의 직렬연결(series connection)을 포함한다. 상기 선형 프리-레귤레이터는 트랜지스터를 포함하고, 상기 선형 전압 레귤레이터의 입력 접속부와 연결되어 있다.

결과적으로 상기 보조 파워 서플라이는 오로지 선형으로 제어되는 부재들만 포함하고, 이로 인해 스위칭 레귤레이터의 사용을 피할 수 있게 된다. 이 때문에 인버터의 구조가 눈에 띄게 간소화되고, 더욱 유연하게 설계될 수 있다. 특히, 복잡하고 비용이 많이 드는 EMC 필터들의 사용이 생략될 수 있으며, EMC 필터가 사용되지 않음에도 불구하고 EMC 출력 향상이 달성될 수 있다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 상기 선형 프리-레귤레이터 및/또는 선형 전압 레귤레이터는 전동식 압축기에서 사용되는 냉매에 의해 활성 냉각된다.

선형 레귤레이터의 사용에 의해서는, 열 형태로 배출되는 전력 손실이 발생한다. 전동식 압축기에의 인버터 배치는, 이러한 폐열이 냉매에 의해 효과적으로 흡수되도록 한다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 선형 프리-레귤레이터는 또한, 선형 영역(선형 작동점(operating point))에서 트랜지스터를 작동시키는 제어 유닛을 포함하고, 그 결과 상기 트랜지스터가 보조 파워 서플라이의 입력 전압으로부터 예정된 출력 전압으로 전압 강하를 발생시킨다.

결과적으로 상기 실시예에서 트랜지스터는 조정 가능한 저항으로 사용되고, 이러한 저항은 보조 파워 서플라이의 입력 전압을 선형 전압 레귤레이터에 적합한 전압으로 감소시킨다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 트랜지스터는 스위치-온 상태에서 가능한 저저항(low-resistance)이다. 이러한 실시예에서는 대부분의 전압 강하가 결과적으로 선형 전압 레귤레이터에서 이루어진다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 보조 파워 서플라이는 또한 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 보조 파워 서플라이의 입력 전압을 모니터링하고, 상기 입력 저항이 한계값을 초과하는 경우 상기 트랜지스터를 스위치-오프시킴으로써 과부하를 방지한다.

입력 전압은 실제 작동에서 완전히 일정하지는 않다. 파워 서플라이의 손상을 방지하기 위해, 과전압이 발생할 경우 보조 파워 서플라이가 스위치-오프된다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 상기 보조 파워 서플라이는 또한 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 스위치-오프 신호(switch-off signal)에 맞게 상기 트랜지스터를 스위치-오프시킨다. 따라서 전동식 압축기가 작동되지 않을 경우에 인버터의 전력 소비가 감소될 수 있다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 인버터는 전동식 압축기의 모터에 교류를 공급하는 고전압 영역과 상기 전동식 압축기를 제어하기 위한 제어 명령을 처리하는 저전압 영역을 포함하고, 그리고 상기 보조 파워 서플라이가 상기 저전압 영역에 배치되어 있다.

본 발명은 특히, 인버터 저전압 영역의 보조 파워 서플라이에 적합한데, 그 이유는 입력 전압이 너무 높을 경우 선형 전압 레귤레이터 내에서 전력 손실이 지나치게 커진다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 선형 전압 레귤레이터는 로우-드롭-전압 레귤레이터(low-drop-voltage regulator)이다. 이러한 레귤레이터는 입력 전압과 출력 전압(0.1V 내지 1V)의 최소 차이로 작동한다. 프리-레귤레이터와 이러한 프리-레귤레이터의 활성 냉각을 갖는 전통적인 LDO를 사용함으로써, 순수하게 선형인 파워 서플라이를 형성할 수 있다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 트랜지스터는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)이다.

바람직한 한 실시예는 인버터를 포함하는 전동식 압축기와 관련이 있다.

도 1은 선행 기술에 따른 전동식 압축기용 인버터의 기본 구조의 예를 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 구조를 개략적으로 보여준다.
도 3은 보조 파워 서플라이의 실시예를 보여준다.
도 4는 보조 파워 서플라이의 추가 실시예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보조 파워 서플라이의 회로도를 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 보조 파워 서플라이의 또 다른 실시예를 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 트랜지스터 또는 선형 전압 레귤레이터의 활성 냉각을 보여준다.

하기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조해서 더 상세하게 설명될 것이다. 이때 상이한 도면들에서 동일한 또는 상응하는 요소들은 각각 동일한 또는 유사한 도면 부호로 표기되었다.

하기에서 상세하게 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예들은 차량의 냉매 압축기에서 사용되는 전동식 압축기용 인버터와 관련하여 상세하게 기술된다. 그러나 이때 유의할 점은, 하기 설명이 단지 예들을 제공할 뿐, 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터의 구조를 개략적으로 보여준다.

인버터는 보조 파워 서플라이(100)를 포함하고, 상기 보조 파워 서플라이는 인버터의 전자 제어 장치(로드)(30)에 직류 전압을 공급한다. 상기 전자 제어 장치(30)는 예를 들어 IC들, 마이크로 제어기들 및 센서들을 포함하고, 상기 부재들에는 예컨대 3.3V 또는 5V의 일정한 직류 전압이 공급되어야 한다. 전자 제어 장치(30)는 (공기 조화-)제어기로부터 명령을 수신하여 처리할 수 있다.

보조 파워 서플라이(100)에는 파워 서플라이(40)로부터 직류 전압이 공급된다. 상기 파워 서플라이(40)는 예를 들면 차량 배터리이고, 직류 전압은 12V이다.

보조 파워 서플라이(100)는 선형 전압 레귤레이터(20)와 선형 프리-레귤레이터(10)의 직렬연결을 포함한다. 상기 선형 전압 레귤레이터(20)는 바람직하게 종래 방식의 LDO(로우-드롭-전압 레귤레이터)이다. 선형 전압 레귤레이터(20)의 출력 전압(예컨대, 5V)은 로드(30)에 공급된다.

상기 선형 프리-레귤레이터(10)는 트랜지스터(11)를 포함하고, 선형 전압 레귤레이터(20)의 입력 접속부와 연결되어 있다. 상기 트랜지스터(11)는 예컨대 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터, MOSFET)이거나 또는 단순한 pnp-트랜지스터이다. 특수한 상황에서, 상기 트랜지스터(11)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)일 수 있다.

그 밖에도 상기 선형 프리-레귤레이터(10)는 파워 서플라이(40)와 연결되어 있다. 결과적으로 상기 선형 프리-레귤레이터(10)는 파워 서플라이(40)와 선형 전압 레귤레이터(20) 사이에 배치되어 있다.

보조 파워 서플라이(100)의 입력 전압(파워 서플라이(40)의 전압)에서 로드(30)에 인가되는 출력 전압으로의 전압 강하는 선형 프리-레귤레이터(10) 및/또는 선형 전압 레귤레이터(20)에서 이루어진다. 상기와 같은 전압 강하는 열을 발생시키고, 바람직한 한 실시예에서, 이러한 열은 전동식 압축기에서 사용되는 냉매에 의한 활성 냉각에 의해 배출된다. 예컨대, 12V의 입력 전압이 300mA의 전류 소비를 갖는 로드(30)의 5V 공급 전압으로 변환되면, 7V의 전압 강하가 일어나고, 이로 인해 2.1W의 열 형태의 전력 손실이 나타난다.

도 3은 보조 파워 서플라이(100)의 실시예를 보여준다. 선형 프리-레귤레이터(10)는 또한 선형 영역에서 트랜지스터(11)를 작동시키는 제어 유닛(12)을 포함하며, 그 결과 상기 트랜지스터(11)는 보조 파워 서플라이의 입력 전압으로부터, 상기 선형 전압 레귤레이터(20)에 공급되는 예정된 출력 전압으로 전압 강하를 발생시킨다. 상기 트랜지스터(11)는 또한 길이 방향 부재(longitudinal element)로도 표현된다. 상기 제어 유닛(12)은 트랜지스터(11)의 입력 전압뿐만 아니라 출력 전압도 모니터링 한다.

파워 서플라이(40)의 입력 전압이 예컨대 12V이고, 출력 전압이 예컨대 5V여야 하는 경우, 제어 유닛(12)은, 트랜지스터(11)가 조정 가능한 저항으로 기능하도록 선형 영역에서 상기 트랜지스터(11)를 작동시킨다. 이러한 경우 트랜지스터(11)의 저항은, 트랜지스터(11)의 출력 전압이 예컨대 6.5V에 달하도록 조정된다. 이 경우 선형 전압 레귤레이터(20)는 제공된 6.5V를 필요한 5V로 조정한다. 즉, 대부분의 전력 손실은 선형 전압 레귤레이터(20)에서 발생하지 않고, 선형 프리-레귤레이터(10)에서 발생한다.

트랜지스터(11)에 의해 발생된 열은 전동식 압축기에서 사용되는 냉매를 이용한 활성 냉각(15)에 의해 냉각된다. 이를 위해 트랜지스터(11)는 열에 적합한 하우징 형상 내에 배치될 수 있고(예컨대, TO220), 이러한 하우징과 함께 냉각되는 압축기 하우징상에 제공될 수 있다.

작동 중에는 파워 서플라이(40)의 입력 전압(공칭, 예컨대 12V)이 일정한 것으로 간주되어서는 안 된다. 실제로 보조 파워 서플라이(100)는 7V (부족 전압(undervoltage)) 내지 18V의 입력 전압으로 작동될 수 있다(3,500kg 이하의 차량의 경우 LV124에 따른 요건). 전압이 18V 내지 32V를 넘을 경우에는 로드(30)의 파워 서플라이가 보장되지 않을 수 있다. 그러나 보조 파워 서플라이(100)는 이러한 과전압을 손상 없이 견디고, 그리고 나서 다시 사용 준비되어야 한다.

이러한 목적을 위해 제어 유닛(12)은 추가로 보조 파워 서플라이의 입력 전압을 모리터링하고, 입력 전압이 한계값을 초과할 경우 트랜지스터(11)를 스위치-오프시킨다. 상기 한계값은 예를 들면 18V이다. 바람직하게는 이 경우 단선에 이력현상(hysteresis)이 설계되어야 한다.

도 4는 보조 파워 서플라이(100)의 추가 실시예를 보여준다. 상기 보조 파워 서플라이(100)는 또한 제어 유닛(13)을 포함하고, 상기 제어 유닛(13)은 스위치-오프 신호에 맞게 상기 트랜지스터(11)를 스위치-오프시킨다. 상기 스위치-오프 신호(inhibit)는 예컨대 차량의 에어컨 제어기로부터 제어 유닛(13)으로 전송된다. 이로 인해 파워 서플라이(100)는 적은 전압 소비를 갖는 절전 모드(sleep mode)로 세팅된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보조 파워 서플라이(100)의 회로도를 보여준다. 상기 보조 파워 서플라이(100)는 냉각면(15)에 의해 활성 냉각되는 트랜지스터(T1)를 포함한다. 또한, 상기 보조 파워 서플라이(100)는 제어 루프를 포함하고, 이러한 제어 루프는 트랜지스터(T1)의 입력 전압 및 출력 전압을 기초로 하여 트랜지스터(T1)의 저항값을 조정한다.

보조 파워 서플라이(100)는 이력현상을 갖는 과전압 단선을 포함하고, 상기 과전압 단선은 입력 전압이 한계값을 초과하는 경우 트랜지스터(T1)를 스위치-오프시킨다. 상기 이력현상은, 한계값 단선이 한계값에 도달했을 때 즉각 일어나지 않고, 소정의 오차를 두고 일어나도록 한다. 이로 인해, 입력 전압이 한계값 근처에서 변동할 경우 회로의 갑작스러운 변동이 방지된다.

또한, 보조 파워 서플라이(100)는 초과 온도 단선을 포함할 수 있다. 이러한 초과 온도 단선은 트랜지스터(T1)의 온도를 모니터링 한다. 트랜지스터(T1)의 온도가 한계값(예컨대, 125℃)을 초과할 경우, 상기 트랜지스터(T1)가 스위치-오프된다. 이러한 상황은 특히 EMKV의 냉각 출력이 상당히 변동할 때, 열적 과부하를 방지하기 위해 중요하다.

추가로 트랜지스터(T1)는 스위치-오프 신호(inhibit)에 의해서 스위치-오프될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 보조 파워 서플라이(100)의 추가 실시예를 보여준다. 이 실시예는 도 4에 도시된 실시예를 기초로 한다. 그러나 이러한 실시예에서는 트랜지스터(11)가 활성 냉각되지 않고, 선형 전압 레귤레이터(20)가 활성 냉각된다. 트랜지스터(11)는 스위치-온 상태에서 가능한 저저항이다. 결과적으로 대부분의 전압 강하가 선형 전압 레귤레이터(20)에서 발생함으로써 상기 전압 레귤레이터가 냉각될 수밖에 없다.

상기 실시예에서 트랜지스터(11)는 과전압 단선을 수행하고/수행하거나 스위치-오프 신호에 맞게 보조 파워 서플라이(100)를 스위치-오프시킨다.

상기 실시예는 특히, 보조 파워 서플라이(100)에 의해 로드(30)에 낮은 출력이 제공되어야 하는 경우(예컨대, 보드 전압이 12V일 때 100mA)에 유용하다. 이러한 경우 종래 방식의 LDO가 선형 전압 레귤레이터(20)로 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 도시된 트랜지스터(11) 또는 선형 전압 레귤레이터(20)의 활성 냉각을 보여준다. 상기 트랜지스터는 인버터의 회로 기판상에 배치되어 있고, 서모 바이어스를 통해서 전동식 압축기의 하우징과 연결되어 있다. 상기 서모 바이어스는 예컨대 아연으로 이루어진 회로 기판을 통과하는 열 전도성 관통 플레이트이다. 냉매는 전동식 압축기 내에서 순환한다. 트랜지스터로부터 냉각제로의 열 흐름은 도 7에서 2개의 화살표로 표시되어 있다. 상기와 같은 배치는 2W 이상의 열을 방출할 수 있다. 또한, 도 7은 인버터의 추가 부품(이 경우 전달되는 직류를 교류로 변환하는 브리지 회로의 IGBT)들도 냉각될 수 있음을 보여준다.

Claims

전동식 압축기용 인버터로서,
상기 인버터가 인버터의 전자 제어 장치(30)에 직류 전압을 공급하는 보조 파워 서플라이(auxiliary power supply)(100)를 포함하고,
상기 보조 파워 서플라이(100)는 선형 전압 레귤레이터(linear voltage regulator)(20)와 선형 프리-레귤레이터(linear pre-regulator)(10)의 직렬연결(series connection)을 포함하며, 그리고
상기 선형 프리-레귤레이터(10)는 트랜지스터(11)를 포함하고, 상기 선형 전압 레귤레이터의 입력 접속부와 연결되어 있는, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 선형 프리-레귤레이터(10) 및/또는 선형 전압 레귤레이터(20)가 상기 전동식 압축기에서 사용되는 냉매에 의해 활성 냉각되는, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 선형 프리-레귤레이터(10)가 또한, 선형 영역에서 상기 트랜지스터를 작동시키는 제어 유닛(12)을 포함함으로써, 상기 트랜지스터(11)가 상기 보조 파워 서플라이의 입력 전압으로부터 예정된 출력 전압으로 전압 강하를 발생시키는, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 트랜지스터(11)가 스위치-온 상태에서 가능한 저저항(low-resistance)인, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 보조 파워 서플라이(100)가 또한 제어 유닛(12)을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 보조 파워 서플라이의 입력 전압을 모니터링 하고, 상기 입력 저항이 한계값을 초과하는 경우 상기 트랜지스터(11)를 스위치-오프시키는, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 보조 파워 서플라이(100)가 또한 제어 유닛(13)을 포함하고, 상기 제어 유닛(13)은 스위치-오프 신호(switch-off signal)에 맞게 상기 트랜지스터(11)를 스위치-오프시키는, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 인버터가 상기 전동식 압축기의 모터에 교류를 공급하는 고전압 영역과 상기 전동식 압축기를 제어하기 위한 제어 명령을 처리하는 저전압 영역을 포함하고, 그리고 상기 보조 파워 서플라이가 상기 저전압 영역에 배치되어 있는, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 선형 전압 조절기(20)가 로우-드롭-전압 레귤레이터(low-drop-voltage regulator)인, 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 트랜지스터(11)가 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)인, 인버터.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 인버터를 포함하는, 전동식 압축기.