KR20180057026A - 배터리 역전압 방지 시스템 및 방법 - Google Patents

배터리 역전압 방지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 역전압 방지 시스템에 관한 것으로, P채널 모스펫을 포함하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템에서 P채널 모스펫에 의해 발생하는 커페스턴스 및 암전류를 제한하기 위해 설치된 저항으로 인해 P채널 모스펫의 개폐가 지연되는 것을 방지하기 위하여, 기존의 P채널 모스펫 게이트 단자에 추가적인 P채널 모스펫을 연결하여 배터리의 전류가 저항으로 흐르는 것을 방지함으로써, 기존의 P채널 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있는 배터리 역전압 방지 시스템에 관한 것이다.

Description

배터리 역전압 방지 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PREVENTING BATTERY REVERSE VOLTAGE}
본 발명은 배터리 역전압 방지 시스템 및 방법에 관한 것으로, P채널 모스펫을 포함하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템에서 P채널 모스펫에 의해 발생하는 커페스턴스 및 암전류를 제한하기 위해 설치된 저항으로 인해 P채널 모스펫의 개폐가 지연되는 것을 방지하기 위하여, 기존의 P채널 모스펫 게이트 단자에 추가적인 P채널 모스펫을 연결하여 배터리의 전류가 저항으로 흐르는 것을 방지함으로써, 기존의 P채널 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있는 배터리 역전압 방지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심으로 인해 환경문제가 이슈화되면서, 환경 문제에 큰 영향을 끼치는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경적 신재생 에너지에 대한 관심과 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 친환경적 신재생 에너지원 개발에 대한 필요성이 높아지고 있다.
2차 전지는 이러한 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원 중 하나이며, 외부 전원으로 공급받은 전류가 양극과 음극 사이에서 물질의 산화ㆍ환원 반응을 일으키는 과정에서 생성된 전기를 충전하는 방식으로 반영구적 사용이 가능한 전지이다.
2차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점이 있다. 또한, 한 번 쓰고 버리는 1차전지(primary battery)와 달리 2차전지는 여러 번 충전을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해, 2차 전지는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle), 가정용 또는 산업용으로 이용되는 중대형 배터리를 이용하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 또는 무정전 전원 공급 장치(UPS, Uninterruptible Power Supply) 등 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
2차 전지는 저용량을 필요로 하는 휴대 단말 등의 배터리에 사용되는 경우에는 적용되지 않을 수 있으나, 상기와 같은 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치와 같은 고용량을 필요로 하는 환경에서는 단위 2차 전지 셀(Cell)을 복수 개 접합하여 사용할 수 있다.
이와 같이 복수 개 2차 전지 셀이 접합되어 배터리 형태로 사용되는 경우, 과전류 및 과전압 등과 같은 이상 동작으로 인해 배터리가 과열되고, 이로 인해 단위 셀이 부풀어서 파손되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 복수 개의 접합되어 사용되는 경우 항상 각 개별 셀의 전압, 전류 및 온도 등의 여러 상태 정보를 측정 및 모니터링하고 단위 셀의 과충전 또는 과방전되는 것을 방지해야 한다. 또한 외부 환경이나 비정상적인 상황에 의해서 배터리 팩 내부 회로 연결이 끊어지거나 손상될 경우에 발생할 수 있는 역전압으로부터 부하가 손상되는 것을 방지해야 한다.
종래에는 이러한 배터리의 역전압으로부터 부하를 보호하기 위해, 다이오드 또는 모스펫을 사용하였다. 다이오드를 이용하여 역전압 방지 시스템을 구축하는 경우, 다이오드의 순방향 전압(Forward voltage)에 의해 실제 회로에 인가되는 전압의 전압강하가 발생하여 낮은 전압이 사용되는 회로에서 구동되기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 모스펫을 사용하여 배터리의 역전압을 방지하는 경우, 다이오드에 비해 전압강하에 대한 문제점은 개선되지만, 일반적인 상황에서 순간적으로 역전압이 인가되는 경우, 모스펫에서 발생되는 커패시턴스와 암전류를 방지하기 위해 연결되는 저항으로 인해 모스펫의 개폐가 지연되어 역전압을 순간적으로 막지 못한다는 문제점이 있다.
따라서, 모스펫을 사용하는 역전압 방지 시스템에서 모스펫의 개폐가 지연되지 않고 순간적으로 발생하는 역전압을 차단하여 배터리의 역전압으로부터 부하를 보다 안전하게 보호해야할 필요성이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0040172호
본 발명의 목적은, P채널 모스펫을 포함하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템에서 P채널 모스펫에 의해 발생하는 커페스턴스 및 암전류를 제한하기 위해 설치된 저항으로 인해 P채널 모스펫의 개폐가 지연되는 것을 방지하기 위하여, 기존의 P채널 모스펫 게이트 단자에 추가적인 P채널 모스펫을 연결하여 배터리의 전류가 저항으로 흐르는 것을 방지함으로써, 기존의 P채널 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있는 배터리 역전압 방지 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 역전압 방지 시스템은, 배터리와 부하를 연결하며, 상기 배터리로부터 인가되는 역전압을 차단하는 제1 모스펫(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor; MOSFET); 일측이 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되고 타측이 접지 단자와 연결되는 저항부; 및 상기 저항부와 병렬 연결된 제2 모스펫;을 포함할 수 있으며, 상기 제2 모스펫에 정전압이 인가되는 경우 상기 제2 모스펫이 온 상태가 되어 상기 저항부로 흐르는 상기 배터리의 전류를 감소시킴으로써 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 모스펫은, P-채널 모스펫(P-type Channel MOSFET)일 수 있다.
상기 제2 모스펫의 소스 단자는 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결될 수 있고, 상기 제2 모스펫의 드레인 단자는 상기 접지 단자와 연결될 수 있고, 상기 제2 모스펫의 게이트 단자는 상기 배터리와 연결될 수 있다.
상기 저항부는, 상기 배터리의 전압이 상기 제1 모스펫에 인가되는 경우, 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 와 상기 제1 모스펫의 소스 단자 사이에서 발생하는 커패시턴스로 인해 상기 제1 모스펫이 오동작하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 발생하는 커패시턴스의 값은 하기의 수학식 1에 기반하여 산출될 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00001
여기서 C는 커패시턴스 값, Qgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전기량, Vgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전압
상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간은, 하기의 수학식 2에 기반하여 산출될 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00002
여기서,τ는 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간, R은 상기 저항부의 저항값, C는 상기 커패시턴스 값
상기 배터리 역전압 방지 시스템은, 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 제1 전압 보정부; 및 상기 제2 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 제2 전압 보정부;를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전압 보정부는, 상기 제1 및 제2 모스펫의 게이트-소스간 전압을 각각 보정하여 상기 제1 및 제2 모스펫의 고장 및 오동작을 방지할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전압 보정부는, 하나 이상의 정전압 다이오드(Voltage Regulator Diode)를 포함할 수 있다.
상기 배터리와 상기 제2 모스펫의 게이트 단자를 연결하는 저항;을 더 포함할 수 있으며, 상기 저항은, 상기 제2 모스펫의 게이트 단자와 상기 제2 모스펫의 소스 단자 사이에서 발생하는 커패시턴스로 인해 상기 제2 모스펫이 오동작하는 것을 방지 할 수 있다.
상기 제1 및 제2 모스펫은, N-채널 모스펫(N-type Channel MOSFET)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 역전압 방지 방법은, 제1 모스펫이 배터리와 부하를 연결하며, 상기 배터리로부터 인가되는 역전압을 차단하는 단계; 저항부가 일측이 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되고 타측이 접지 단자와 연결되는 단계; 제2 모스펫이 상기 저항부와 병렬 연결되는 단계; 및 상기 제2 모스펫에 정전압이 인가되는 경우 상기 제2 모스펫이 온 상태가 되어 상기 저항부로 흐르는 상기 배터리의 전류를 감소시킴으로써 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 모스펫은, P-채널 모스펫(P-type Channel MOSFET)일 수 있다.
상기 병렬 연결되는 단계는, 상기 제2 모스펫의 소스 단자는 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되는 단계; 상기 제2 모스펫의 드레인 단자는 상기 접지 단자와 연결되는 단계; 및 상기 제2 모스펫의 게이트 단자는 상기 배터리와 연결되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 접지 단자와 연결되는 단계는, 상기 배터리의 전압이 상기 제1 모스펫에 인가되는 경우, 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 와 상기 제1 모스펫의 소스 단자 사이에서 발생하는 커패시턴스로 인해 상기 제1 모스펫이 오동작하는 단계;를 포함할 수 있으며, 상기 발생하는 커패시턴스의 값은 하기의 수학식 1에 기반하여 산출될 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00003
여기서 C는 커패시턴스 값, Qgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전기량, Vgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전압
상기 감소시키는 단계는, 하기의 수학식 2에 기반하여 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00004
여기서,τ는 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간, R은 상기 저항부의 저항값, C는 상기 커패시턴스 값
상기 배터리 역전압 방지 방법은, 제1 전압 보정부가 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 단계; 및 제2 전압 보정부가 상기 제2 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 전압 보정부가 상기 제1 및 제2 모스펫의 게이트-소스간 전압을 각각 보정하여 상기 제1 및 제2 모스펫의 고장 및 오동작을 방지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 방지하는 단계는, 하나 이상의 정전압 다이오드(Voltage Regulator Diode)를 포함하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 채널 모스펫을 포함하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템에서 P채널 모스펫에 의해 발생하는 커페스턴스 및 암전류를 제한하기 위해 설치된 저항으로 인해 P채널 모스펫의 개폐가 지연되는 것을 방지하기 위하여, 기존의 P채널 모스펫 게이트 단자에 추가적인 P채널 모스펫을 연결하여 배터리의 전류가 저항으로 흐르는 것을 방지함으로써, 기존의 P채널 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있는 배터리 역전압 방지 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템이 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 P채널 모스펫을 포함하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템을 사용한 경우 P채널 모스펫의 개패 지연 시간 그래프와 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템을 사용한 경우 P채널 모스펫의 개폐 지연 시간 그래프를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템이 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템(100)이 전기 자동차(1)에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템(100)은 전기 자동차(1) 이외에도 가정용 또는 산업용 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 시스템 등 이차 전지가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 자동차(1)는 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함할 수 있다.
배터리(10)는 후술되는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원일 수 있다. 배터리(10)는 모터(50) 및/또는 내연기관(미도시)의 구동에 따라 후술되는 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 배터리(10)는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.
또한, 배터리(10)는 복수의 전지 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 전지 팩으로 형성된다. 그리고, 배터리(10)는 하나 이상의 전지 팩을 포함할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리할 수 있다. 예컨대, BMS(20)는 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리할 수 있다. 그리고, BMS(20)는 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정할 수 있다.
BMS(20)는 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템(100)을 포함하거나 배터리 역전압 방지 시스템(100)과 연결하여 동작할 수 있다. BMS(20)는 배터리(10)의 역전압이 발생하는 경우, 배터리 P채널 모스펫을 이용하여 배터리(10)의 역전압으로부터 부하를 보호할 수 있다. 또한 메인 P채널 모스펫의 게이트 단자와 연결된 추가 P채널 모스펫을 통해 메인 P채널 모스펫으 개폐 지연 시간을 감소시킴으로써, 빠르게 역전압을 차단할 수 있다.
ECU(30)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치일 수 있다. 예컨대, ECU(30)는 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어할 수 있다. 또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낼 수 있다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 할 수 있다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동할 수 있다.
이하 도 2를 참조하여, 종래의 배터리 역전압 방지 시스템(100)에 대해서 설명하도록 한다.
도 2는 P채널 모스펫을 포함하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 배터리 역전압 방지 시스템은 하나의 P채널 모스펫(110)을 이용하여 배터리(10)의 역전압으로부터 부하를 보호 하였다. 배터리(10)의 정전압이 P채널 모스펫(20)에 인가되는 경우, P채널 모스펫(20)의 소스단자와 게이트 단자 사이에 커패시턴스가 발생하게 된다. 발생한 커패시턴스는 P채널 모스펫(20)의 정상동작을 방해할 수 있기 때문에 종래의 배터리 역전압 방지 시스템은 게이트 단자에 저항(30)를 연결함으로써 커패시턴스를 제한 하였다. 또한, P채널 모스펫(20)의 소스 단자와 게이트 단자 사이의 전압으로부터 P채널 모스펫(20)이 고장나는 것을 방지하기 위해 전압 보정을 위한 제너 다이오드(Zener Diode, 40)를 포함하여 구성하였다. 그러나 종래의 배터리 역전압 방지 시스템은 저항(30)으로 인해 P채널 모스펫(20)의 개폐가 지연되는 개폐 지연 시간이 발생하는 문제가 있으며, 이를 통해 배터리(10)의 역전압이 빠르게 차단되지 못해 부하가 손상될 우려가 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 발생하였다.
이하 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 역전압 방지 시스템(100)에 대해서 설명하도록 한다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템(100)은 제1 모스펫(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor; MOSFET, 110), 저항부(120) 및 제2 모스펫(130를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 배터리 역전압 방지 시스템(100)은 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제 될 수 있다.
제1 모스펫(110)은 배터리(10)와 부하를 연결하며, 상기 배터리로부터 인가되는 역전압을 차단할 수 있다. 여기서 제1 모스펫(110)은 P-채널 모스펫(P-type Channel MOSFET)일 수 있다. P-채널 모스펫은 MOS에서 채널을 형성하는 캐리어가 정공인 것으로, 일반적으로 P-채널 모스펫은 n-채널 모스펫보다 제작이 용이하므로 저가격의 배터리 역전압 방지 시스템(100)을 제작할 수 있다.
제1 모스펫(110)에 정전압이 인가되는 경우, 제1 모스펫(110)의 소스 단자가 게이트 단자보다 소정의 전압만큼 높아지게 되고, 제1 모스펫(110)은 온상태가 되어 제1 모스펫(110)의 드레인 단자에서 소스단자 방향으로 전류가 흐를 수 있다. 일 예로, 소정의 전압은 3V 내지 7V일 수 있으며, 제1 모스펫(110)의 소스 단자와 게이트 단자간의 전압차이가 3V 내지 7V사이에 포함된 경우, 제1 모스펫(110)이 온 상태가 될 수 있다.
또한, 제1 모스펫(110)에 역전압이 인가되는 경우, 제1 모스펫(110)의 게이트 단자가 소스 단자보다 소정의 전압만큼 높아지게 되며, 이때 제1 모스펫(110)은 오프 상태가 될 수 있다.
상기와 같이 제1 모스펫(110)을 스위칭 소자로 사용하는 경우, 제1 모스펫의 드레인 단자, 소스 단자 및 게이트 단자 사이에 커패시턴스(Capacitance)가 발생할 수 있다.
이때, 커패시턴스 값은 하기의 수학식 1로부터 산출될 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00005
여기서 C는 커패시턴스 값, Qgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전기량, Vgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전압이다.
상술한 바와 같이, 제1 모스펫(110)에 전압이 인가되는 경우, 제1 모스펫(110)의 소스 단자와 게이트 단자 사이에 커패시턴스 값이 발생하게 된다. 이렇게 발생한 커패시턴스는 제1 모스펫(110)의 정상적인 동작을 방해할 수 있다. 후술되는 저항부(120)는 이러한 커패시턴스를 제한함으로써 제1 모스펫(110)이 정상동작 하도록 할 수 있다.
저항부(120)는 배터리(10)의 전압이 상기 제1 모스펫(110)에 인가되는 경우, 상기 제1 모스펫(110)의 게이트 단자 와 상기 제1 모스펫의 소스 단자 사이에서 발생하는 커패시턴스로 인해 상기 제1 모스펫이 오동작하는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해 저항부(120)는 일측이 제1 모스펫(110)의 게이트 단자와 연결되고 타측이 접지 단자와 연결될 수 있다. 일 예로, 천이시간이 빠르고 높은 주파수로 PWM 제어를 하는 환경에서 배터리 역전압 방지 시스템(100)을 사용하고자 하는 경우, 커패시턴스 충방전으로 인한 전류를 무시하지 못할 수 있다. 이러한 경우, 구동 장치가 고장나거나 오동작을 일으킬 수 있다. 따라서 제1 모스펫(110)의 게이트 단자에 저항부(120)를 연결시킴으로써 커패시턴스 및 전류를 제한할 수 있으며, 이를 통해 제1 모스펫(110)의 오동작 및 고장을 방지할 수 있다.
그러나, 스위칭 소자가 빠르게 천이되야 하는 환경에서 제1 모스펫(110)을 포함한 배터리 역전압 방지 시스템(100)을 사용하는 경우, 저항부(120)의 저항값을 증가켜야 한다. 그러나 저항부(120)의 저항값이 증가하게 되면, 제1 모스펫(110)의 개폐시간을 지연시킬 수 있다.
이때, 제1 모스펫(110)의 개폐 지연 시간은 하기의 수학식 2로부터 산출될 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00006
여기서,τ는 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간, R은 상기 저항부의 저항값, C는 상기 커패시턴스 값이다.
상술된 바와 같이, 저항부(120)의 값이 커질수록 제1 모스펫(110)의 개폐 지연 시간은 저항부(120)의 저항값에 비례하여 증가할 수 있으며, 개폐가 지연됨에 따라 스위칭 소자가 빠르게 천이되야 하는 환경에서 이를 사용하는데 어려움이 있을 수 있다.
제2 모스펫(130)은 저항부(120)와 병렬 연결되며, 상술된 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있다. 제2 모스펫(130)도 제1 모스펫(110)과 마찬가지로 P채널 모스펫일 수 있다.
또한, 제2 모스펫(130)의 소스 단자는 제1 모스펫(110)의 게이트 단자와 연결되고, 제2 모스펫(130)의 드레인 단자는 접지 단자와 연결되고, 제2 모스펫(130)의 게이트 단자는 배터리(10)와 연결될 수 있다.
제1 모스펫(110)에 정전압이 인가되는 경우, 제1 모스펫(110)의 게이트 단자가 소스단자보다 낮은 전위를 갖게 되며, 이를 통해 제2 모스펫(130)이 온 상태가 된다. 온 상태가 된 제2 모스펫(130)은 저항부(120)의 저항값에 비해 낮은 저항값을 가지게 되며, 기존에 저항부(120)를 통해 접지 단자로 흐르던 전류의 대부분이 제2 모스펫(130)을 통해 접지 단자로 흐를 수 있다. 즉, 제2 모스펫(130)에 정전압이 인가되는 경우, 제2 모스펫(130)이 온 상태가 되어 저항부(120)로 흐르는 상기 배터리의 전류를 감소시킬 수있다. 이를 통해 저항부(120)의 저항값을 낮추거나 또는 저항부(120)를 연결하지 않는 것과 동일한 효과를 가질 수 있다.
이와 같이, 저항부(120)의 저항값을 낮추거나 또는 저항부(120)를 연결하지 않는 것과 동일한 효과가 나타나는 경우, 상술된 수학식 2에 기반하여 제1 모스펫(120)의 개폐 지연 시간은 감소하거나 없어 질 수 있다.
도 5는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템을 사용한 경우 P채널 모스펫의 개패 지연 시간 그래프와 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템을 사용한 경우 P채널 모스펫의 개폐 지연 시간 그래프를 비교한 도면이다.
보다 구체적으로, 도 5를 참조하여 설명하면, 제1 모스펫(110)만을 사용하는 종래의 배터리 역전압 방지 시스템을 사용하는 경우, 저항부(120)의 저항값으로 인해 개폐 지연 시간이 발생하며, 도 5의 (a)와 같이 역전압이 차단되지 제대로 차단되지 못하고 일부 역전압이 부하에 인가되게 된다. 반면, 도 5의 (b)와 같이 제1 모스펫(110)과 함께 제2 모스펫(130)을 사용하는 경우, 저항부(120)에 흐르는 전류를 감소시켜 저항부(120)의 저항값을 감소시키거나 저항부(120)를 연결하지 않은 효과를 가져와 개폐 지연 시간을 감소시킬 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템(100)은 제1 전압 보정부(140) 및 제2 전압 보정부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전압 보정부(140)는 제1 모스펫(110)의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결할 수 있으며, 제2 전압 보정부(150)는 제2 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결할 수 있다.
제1 전압 보정부(140) 및 제2 전압부(150)는 각각 제1 모스펫(110) 및 제2 모스펫(130)의 게이트- 소스간 전압을 보정하여 제1 모스펫(110) 및 제2 모스펫(130)의 고장 및 오동작을 방지할 수 있다. 배터리(10)의 고전압이 제1 모스펫(110) 및 제2 모스펫(130)에 인가되는 경우, 게이트 단자와 소스 단자 사이에 높은 전압이 인가될 수 있다. 이러한 높은 전압은 제1 모스펫(110)과 제2 모스펫(130)을 파손시킬 우려가 있으며, 이를 통해 정상적으로 역전압을 방지할 수 없게 된다. 여기서 제1 모스펫(110)의 게이트 단자와 소스 단자 사이 및 제2 모스펫(130)의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 각각 제1 전압 보정부(140) 및 제2 전압 보정부(150)을 연결함으로써, 높은 전압을 보정하여 고장 및 오동작을 방지할 수 있다. 일 예로, 제1 전압 보정부(140) 및 제2 전압 보정부(150)는 하나 이상의 정전압 다이오드(Voltage Regulator Diode)일 수 있다.
다른 일 실시예에서, 하나 이상의 정전압 다이오드와 일반적인 다이오드를 함께 사용함으로써, 보다 안정적으로 제1 모스펫(110) 및 제2 모스펫(130)을 보호할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실 시예에 따른 배터리 역전압 방지 시스템(100)에서 제1 모스펫(110) 및 제2 모스펫(130)은 N채널 모스펫(N-type Channel MOSFET)일 수 있다. 이 경우, 제1 모스펫(110)의 게이트 단자와 배터리가 연결되고, 드레인 단자가 접지 단자와 연결될 수 있다. 또한 제1 모스펫(110)이 P채널 모스펫인 경우와 마찬가지로 게이트 단자에 저항부(130)가 연결될 수 있다. 이때, 배터리(10)의 정전압이 제1 모스펫(110)에 인가되는 경우, 제1 모스펫(110)의 게이트 단자의 전위가 소스 단자보다 높음으로써 온 상태로 천이될 수 있다. 배터리(10)의 역전압이 제1 모스펫(110)에 인가되는 경우, 제1 모스펫(110)의 게이트 단자의 전위는 소스 단자보다 낮아지게 되고, 제1 모스펫(110)은 오프 상태로 천이될 수 있다. 이때, 제1 모스펫(110)에서 발생하는 커패시턴스를 제한하기 위해 저항부(120)가 제1 모스펫(110)의 저항부에 연결될 수 있으며, 제1 모스펫(110) 및 제2 모스펫(130)이 P채널 모스펫인 경우와 동일하게 제1 모스펫(110)의 개폐 지연 시간을 감소시키기 위해 저항부(120)와 병렬로 제2 모스펫(130)을 연결할 수 있다. 저항부(120)와 연결된 제2 모스펫(130)은 배터리(10)의 정전압이 인가될 때 온상태로 천이하여 저항부(120)로 흐르는 배터리(10)의 전류를 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 저항부(120)의 저항값을 감소시키거나 저항부(120)를 연결하지 않은 효과를 가져올 수 있다. 이후 배터리(10)의 역전압이 인가되는 경우, 감소된 저항부(120)의 저항값으로 인해 개폐 지연 시간이 감소하여 보다 빠르게 제1 모스펫(110)의 온/오프 상태를 천이시켜 배터리(10)의 역전압으로부터 부하를 보호할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역전압 방지 방법(S100)이 개시되면, 배터리의 정전압이 제1 모스펫에 인가된다(S101). 단계(S101)에서 인가된 배터리의 정전압으로 인해 제1 모스펫은 온 상태로 천이하게 된다(S102). 단계(S101 및 S102)에서 배터리의 정전압으로 인해 제1 모스펫의 드레인 단자, 소스 단자 및 게이트 단자 사이에 커패시턴스가 발생한다. 이러한 커패시턴스는 제1 모스펫의 정상적인 동작을 방해할 수 있어 제1 모스펫의 게이트 단자에 저항부를 연결함으로써 커패시턴스를 제한한다. 저항부로 인해 제1 모스펫의 개폐 지연 시간이 발생하는 것을 방지하기 위해 저항부와 병렬 연결된 제2 모스펫은 단계(S102)에서 제1 모스펫이 온 상태로 천이되면서 함께 온 상태로 천이된다(S103). 단계(S103)에서 제2 모스펫이 온상태가 됨으로써, 저항부에 흐르는 전류가 감소하거나 없어지며, 이를 통해 제1 모스펫의 개폐 지연 시간이 감소하게 된다(S105). 이후 배터리의 역전압이 인가되는 경우(S106), 제1 모스펫은 지연되지 않고, 빠르게 오프 상태로 천이함으로써, 배터리의 역전압으로부터 부하를 보호한다(S107).
전술한 배터리 역전압 방지 방법은 도면에 제시된 순서도를 참조로 하여 설명되었다. 간단히 설명하기 위하여 상기 방법은 일련의 블록들로 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 상기 블록들의 순서에 한정되지 않고, 몇몇 블록들은 다른 블록들과 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 또는 동시에 일어날 수도 있으며, 동일한 또는 유사한 결과를 달성하는 다양한 다른 분기, 흐름 경로, 및 블록의 순서들이 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 방법의 구현을 위하여 도시된 모든 블록들이 요구되지 않을 수도 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
10: 배터리
110: 제1 모스펫
120: 저항부
130: 제2 모스펫
140: 제1 전압 보정부
150: 제2 전압 보정부

Claims (14)

  1. 배터리와 부하를 연결하며, 상기 배터리로부터 인가되는 역전압을 차단하는 제1 모스펫(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor; MOSFET);
    일측이 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되고 타측이 접지 단자와 연결되는 저항부; 및
    상기 저항부와 병렬 연결된 제2 모스펫;을 포함하며,
    상기 제2 모스펫에 정전압이 인가되는 경우 상기 제2 모스펫이 온 상태가 되어 상기 저항부로 흐르는 상기 배터리의 전류를 감소시킴으로써 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시키는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 모스펫은,
    P-채널 모스펫(P-type Channel MOSFET)인 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 모스펫의 소스 단자는 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되고, 상기 제2 모스펫의 드레인 단자는 상기 접지 단자와 연결되고, 상기 제2 모스펫의 게이트 단자는 상기 배터리와 연결되는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저항부는,
    상기 배터리의 전압이 상기 제1 모스펫에 인가되는 경우, 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 와 상기 제1 모스펫의 소스 단자 사이에서 발생하는 커패시턴스로 인해 상기 제1 모스펫이 오동작하는 것을 방지하며,
    상기 발생하는 커패시턴스의 값은 하기의 수학식 1에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
    <수학식 1>
    Figure pat00007

    여기서 C는 커패시턴스 값, Qgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전기량, Vgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전압
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간은,
    하기의 수학식 2에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
    <수학식 2>
    Figure pat00008

    여기서,τ는 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간, R은 상기 저항부의 저항값, C는 상기 커패시턴스 값
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 제1 전압 보정부; 및
    상기 제2 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 제2 전압 보정부;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 전압 보정부는,
    상기 제1 및 제2 모스펫의 게이트-소스간 전압을 각각 보정하여 상기 제1 및 제2 모스펫의 고장 및 오동작을 방지하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압 보정부는,
    하나 이상의 정전압 다이오드(Voltage Regulator Diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 시스템.
  8. 제1 모스펫이 배터리와 부하를 연결하며, 상기 배터리로부터 인가되는 역전압을 차단하는 단계;
    저항부가 일측이 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되고 타측이 접지 단자와 연결되는 단계;
    제2 모스펫이 상기 저항부와 병렬 연결되는 단계; 및
    상기 제2 모스펫에 정전압이 인가되는 경우 상기 제2 모스펫이 온 상태가 되어 상기 저항부로 흐르는 상기 배터리의 전류를 감소시킴으로써 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간을 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 모스펫은,
    P-채널 모스펫(P-type Channel MOSFET)인 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 병렬 연결되는 단계는,
    상기 제2 모스펫의 소스 단자는 상기 제1 모스펫의 게이트 단자와 연결되는 단계;
    상기 제2 모스펫의 드레인 단자는 상기 접지 단자와 연결되는 단계; 및
    상기 제2 모스펫의 게이트 단자는 상기 배터리와 연결되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 접지 단자와 연결되는 단계는,
    상기 배터리의 전압이 상기 제1 모스펫에 인가되는 경우, 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 와 상기 제1 모스펫의 소스 단자 사이에서 발생하는 커패시턴스로 인해 상기 제1 모스펫이 오동작하는 단계;를 포함하며,
    상기 발생하는 커패시턴스의 값은 하기의 수학식 1에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
    <수학식 1>
    Figure pat00009

    여기서 C는 커패시턴스 값, Qgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전기량, Vgs는 상기 제1 모스펫의 게이트-소스간 전압
  12. 제11항에 있어서,
    상기 감소시키는 단계는,
    하기의 수학식 2에 기반하여 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
    <수학식 2>
    Figure pat00010

    여기서,τ는 상기 제1 모스펫의 개폐 지연 시간, R은 상기 저항부의 저항값, C는 상기 커패시턴스 값
  13. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 역전압 방지 방법은,
    제1 전압 보정부가 상기 제1 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 단계; 및
    제2 전압 보정부가 상기 제2 모스펫의 게이트 단자 및 소스 단자를 연결하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 전압 보정부가 상기 제1 및 제2 모스펫의 게이트-소스간 전압을 각각 보정하여 상기 제1 및 제2 모스펫의 고장 및 오동작을 방지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방지하는 단계는,
    하나 이상의 정전압 다이오드(Voltage Regulator Diode)를 포함하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리 역전압 방지 방법.
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