KR20180069997A - 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법에 관한 것으로, 회로 소자 보호 회로는 회로 소자, 상기 회로 소자에 구동 전압을 인가하는 구동 신호 생성부, 일 말단이 상기 회로 소자와 전기적으로 연결된 인덕터 및 상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압 및 상기 인덕터의 일 말단 및 타 말단 사이의 차동 전압에 대한 정보를 획득하고, 상기 회로 소자에 인가되는 전압을 제1 기준 전압과 비교하고, 상기 차동 전압을 제2 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라서 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전송하는 회로 보호부를 포함할 수 있다.

Description

회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법{A circuit to protect a circuit element, a vehicle including the same, a method for protecting the circuit element and a method controlling the vehicle}
회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법에 관한 것이다.
차량은, 도로나 선로를 주행하면서 이동할 수 있는 수단을 의미한다. 차량은, 대체로 차체에 설치된 하나 이상의 차륜의 구동에 따라 이동 가능하도록 마련된다. 이와 같은 차량으로는, 예를 들어, 삼륜 또는 사륜 자동차나, 모터사이클 등의 이륜 자동차나, 건설 기계나, 자전거나 또는 선로 상에 배치된 레일 위에서 주행하는 열차 등이 존재한다.
차량 내부에는, 차량의 동작에 필요한 동력을 얻기 위한 모터가 마련되어 있다. 차량에 설치된 모터는, 예를 들어, 직류 모터, 교류 모터, 직류 브러시리스 모터(BLDC motor, Brushless DC motor) 또는 선형 유도 모터(Linear-Induction Motor) 등을 포함할 수 있다.
차량에 설치된 모터는, 설치된 위치나 목적에 따라서 다양한 기능을 수행한다. 예를 들어, 오일 펌프에 설치된 모터는, 오일 펌프가 오일을 유동시켜 엔진이나 변속기 등에 필요한 오일, 일례로 엔진 오일이나 트랜스미션 오일 등을 공급할 수 있도록 한다. 또한, 다른 예를 들어, 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)에 설치된 모터는, 차량 내에 배터리에 충전된 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써, 차량이 차륜의 회전에 필요한 동력을 얻을 수 있도록 할 수 있다.
보다 신속하고 신뢰도 높게 회로 소자에 인가되는 과전류를 감지하여 회로의 단락에 적절하게 대응할 수 있는 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법이 제공된다.
회로 소자 보호 회로는, 회로 소자, 상기 회로 소자에 구동 전압을 인가하는 구동 신호 생성부, 일 말단이 상기 회로 소자와 전기적으로 연결된 인덕터 및 상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압 및 상기 인덕터의 일 말단 및 타 말단 사이의 차동 전압에 대한 정보를 획득하고, 상기 회로 소자에 인가되는 전압을 제1 기준 전압과 비교하고, 상기 차동 전압을 제2 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라서 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전송하는 회로 보호부를 포함할 수 있다.
상기 회로 보호부는, 상기 인덕터에 인가되는 전압과 상기 인덕터에서 출력되는 전압 사이의 차이를 획득하는 차동 전압 감지부를 포함할 수 있다.
상기 회로 보호부는, 상기 구동 전압을 상기 제1 기준 전압과 비교하는 제1 비교기 및 상기 제1 비교기의 출력에 따라서 동작하는 제1 래치를 포함할 수 있다.
상기 회로 보호부는, 상기 차동 전압 감지부와 연결되고, 상기 차동 전압을 상기 제2 기준 전압과 비교하는 제2 비교기 및 상기 제2 비교기의 출력에 따라서 동작하는 제2 래치를 포함할 수 있다.
상기 회로 보호부는, 상기 제1 래치 및 상기 제2 래치와 연결된 AND 게이트 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 회로 소자는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 트랜지스터는, 접합형 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor), 사이리스터(Thyristor), 전계 효과 트랜지스터(FET, Field-effect transistor) 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 구동 신호 생성부는, 상기 적어도 하나의 트랜지스터의 베이스(base) 또는 게이트(gate)에 상기 구동 전압을 인가할 수 있다.
상기 구동 신호 생성부는, 상기 회로 보호부에서 전송된 제어 신호의 수신에 응하여 상기 회로 소자에 전압 인가를 중단하거나, 또는 상기 구동 전압을 변경할 수 있다.
차량은, 적어도 하나의 회로 소자, 상기 적어도 하나의 회로 소자에 구동 전압을 인가하는 구동 신호 생성부 및 상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압을 입력 받고, 상기 회로 소자에서 출력되는 전기적 신호의 전압의 변화를 측정하고, 상기 회로 소자에 인가되는 전압을 제1 기준 값과 비교하고, 상기 전압의 변화량을 제2 기준 값과 비교하고, 비교 결과에 따라서 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 회로 소자는, 모터의 코일과 연결된 모터 구동부의 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 모터는, 차량에 설치된 차륜의 회전에 필요한 기계적 에너지를 생성할 수 있다.
회로 소자 보호 방법은, 구동 신호 생성부가 회로 소자에 구동 전압을 인가하고, 상기 구동 전압의 인가에 따라서 상기 회로 소자가 구동하는 단계, 상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압을 감지하는 단계, 상기 구동 전압을 제1 기준 값과 비교하는 단계, 상기 회로 소자에서 출력되는 전류가 인가되는 인덕터의 양 말단 사이의 차동 전압을 감지하는 단계, 상기 차동 전압을 제2 기준 값과 비교하는 단계, 상기 구동 전압이 제1 기준 값을 초과하고, 상기 차동 전압이 제2 기준 값을 초과하면, 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전달하는 단계 및 상기 제어 신호에 따라서 상기 구동 신호 생성부가 동작하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 회로 소자는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 트랜지스터는, 접합형 트랜지스터, 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 구동 신호 생성부는, 상기 적어도 하나의 트랜지스터의 베이스 또는 게이트에 상기 구동 전압을 인가할 수 있다.
상기 제어 신호에 따라서 상기 구동 신호 생성부가 동작하는 단계는, 상기 구동 신호 생성부가 상기 회로 보호부에서 전송된 제어 신호의 수신에 응하여 상기 회로 소자에 전압 인가를 중단하는 단계 및 상기 구동 신호 생성부가 상기 구동 전압을 변경하고, 변경된 구동 전압을 상기 회로 소자에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 스위칭 소자의 동작에 따라 구동하는 모터를 포함하는 차량의 제어 방법에 있어서, 구동 신호 생성부가 상기 스위칭 소자에 구동 전압을 인가하고, 상기 구동 전압의 인가에 따라서 상기 스위칭 소자가 구동하는 단계, 상기 스위칭 소자에 인가되는 구동 전압을 감지하는 단계, 상기 구동 전압을 제1 기준 값과 비교하는 단계, 상기 스위칭 소자에서 출력되는 전류가 인가되는 인덕터의 양 말단 사이의 차동 전압을 감지하는 단계, 상기 차동 전압을 제2 기준 값과 비교하는 단계, 상기 구동 전압이 제1 기준 값을 초과하고, 상기 차동 전압이 제2 기준 값을 초과하면, 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전달하는 단계 및 상기 제어 신호에 따라서 상기 구동 신호 생성부가 모터의 스위칭 소자에 대한 구동 신호 인가를 중단하거나 또는 상기 모터의 스위칭 소자에 상이한 전압의 구동 신호를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법에 의하면, 보다 신속하고 신뢰도 높게 회로 소자에 인가되는 과전류를 감지하여 회로의 단락에 적절하게 대응할 수 있게 된다.
상술한 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법에 의하면, 상대적으로 저가로 회로 소자를 보호할 수 있는 회로의 설계가 가능해진다.
상술한 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법에 의하면, 신속한 회로의 단락에 기인한 고장을 인식할 수 있게 되어 전류 밀도가 상승한다고 하더라도 보다 적절하게 파워 모듈 등의 회로를 소손으로부터 보호할 수 있게 된다.
상술한 회로 소자 보호 회로, 상기 회로 소자 보호 회로가 설치된 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법에 의하면, 회로의 소손의 방지가 가능해지므로, 차량의 유지, 정비 및/또는 보수 비용이 절감되는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 회로 소자 보호 회로의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 2는 회로 보호부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 3은 회로 소자 보호 회로의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 4는 회로 소자가 정상적으로 동작하는 경우의 일 실시예를 도시한 그래프이다.
도 5는 회로 소자에 쇼트성 전류가 발생되는 경우의 일 실시예를 도시한 그래프이다.
도 6은 차량의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 7은 모터 시스템의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 8은 회로 소자 보호 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
이하 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 '부'를 부가하여 기재된 용어는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 '부'가 하나의 부품으로 구현되거나, 하나의 '부'가 복수의 부품들로 구현되는 것도 가능하다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 어떤 부분과 다른 부분에 따라서 물리적 연결을 의미할 수도 있고, 또는 전기적으로 연결된 것을 의미할 수도 있다.
또한 어떤 부분이 다른 부분을 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분 이외의 또 다른 부분을 제외하는 것이 아니며, 설계자의 선택에 따라서 또 다른 부분을 더 포함할 수 있음을 의미한다.
제 1 이나 제 2 등의 용어는 하나의 부분을 다른 부분으로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 특별한 기재가 없는 이상 이들이 순차적으로 마련되어 있거나 또는 순차적으로 수행된다는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하 도 1 내지 도 5를 참조하여 회로 소자 보호 회로의 일 실시예에 대해서 설명한다.
도 1은 회로 소자 보호 회로의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 1에 도시된 바를 참조하면, 회로 소자 보호 회로(1)는, 보호 대상이 되는 회로 소자(20)와, 회로 소자(20)에 회로 소자(20)의 동작에 필요한 전압(Vge)을 인가하는 구동 신호 생성부(10)와, 회로 소자(20)와 전기적으로 연결된 인덕터(30)와, 단락 등과 같은 문제로부터 회로(1) 내의 회로 소자(20)를 보호하는 회로 보호부(40)를 포함할 수 있다.
구동 신호 생성부(10)는, 적어도 하나의 회로 소자(20)와 전기적으로 연결되고, 소정 전압(Vge, 이하 구동 전압)의 전기적 신호를 회로 소자(20)에 인가하여, 회로 소자(20)가 구동되도록 마련된다. 구동 신호 생성부(10)로부터 회로 소자(20)에 인가되는 전압(Vge)은 직류 전압일 수도 있고 또는 교류 전압일 수도 있다. 교류 전압이 회로 소자(20)에 인가되는 경우, 구동 전압(Vge)은 실효 전압을 포함할 수 있다.
구동 신호 생성부(10)와 회로 소자(20)는 적어도 하나의 신호 라인을 이용하여 전기적 신호가 전달될 수 있도록 마련되어 있다. 적어도 하나의 신호 라인은, 도선이나 인쇄된 회로 등을 이용하여 구현 가능하다.
적어도 하나의 신호 라인은 적어도 하나의 지점(19)에서 분기될 수 있다. 분기된 신호 라인은 회로 보호부(40)와 연결된다. 따라서, 구동 신호 생성부(10)로부터 구동 전압(Vge)이 회로 소자(20)에 인가될 때, 구동 전압(Vge)과 동일하거나 근사한 전압(Vp)이 회로 보호부(40)에도 인가된다. 다시 말해서, 구동 신호 생성부(10)로부터 회로 소자(20)로 전류가 전달될 때, 전달되는 전류의 일부는 회로 보호부(40)로도 전달되며, 이 경우 회로 보호부(40)에 인가되는 전압(Vp)은 구동 전압(Vge)과 동일하거나 근사할 수 있다.
회로 소자(20)는, 회로 보호부(40)에 의해 단락 등으로부터 보호되는 대상이 될 수 있다.
회로 소자(20)는, 구동 신호 생성부(10)와 전기적으로 연결되고, 구동 신호 생성부(10)에서 인가되는 전압(Vge)에 따라서 소정의 동작을 수행하도록 마련된 것일 수도 있다. 이 경우, 회로 소자(20)는, 인가되는 전압(Vge)에 대응하여 소정의 동작을 수행할 수도 있다.
또한, 회로 소자(20)는, 인덕터(30)와도 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 회로 소자(20)와 인덕터(30) 사이에는 소정의 신호 라인이 형성될 수 있다. 신호 라인은 도선 또는 회로를 포함할 수 있다.
도 1에는 회로(1) 내에 오직 하나의 회로 소자(20)가 마련된 일례에 대해서만 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 회로(1) 내에는 보호되는 복수의 회로 소자(20)가 마련될 수도 있다.
일 실시예에 의하면, 회로 소자(20)는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 전달된 전기적 신호의 전달하거나 또는 차단할 수 있도록 마련된 것일 수 있다.
스위칭 소자는, 일 실시예에 있어서, 트랜지스터를 포함 가능하다.
회로 소자(20)가 트랜지스터인 경우, 구동 신호 생성부(10)의 전압(Vge)은 트랜지스터의 베이스(base) 또는 게이트(gate)에 인가될 수 있다.
실시예에 따라서, 트랜지스터는, 접합형 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor), 사이리스터(Thyristor), 전계 효과 트랜지스터(FET, Field-effect transistor) 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 중 적어도 하나를 이용하여 구현 가능하다. 여기서, 전계 효과 트랜지스터는, 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET, metal semiconductor field-effect transistor) 또는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등을 포함할 수 있다.
인덕터(30)는, 회로 소자(20)와 전기적으로 연결된다. 인덕터(30)는 인가되는 전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도함으로써 전류의 급격한 변화를 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 인덕터(30)는 가변 인덕터를 포함할 수도 있다. 인덕터(30)는 코일을 이용하여 구현 가능하다.
인덕터(30)의 일 말단은 회로 소자(20)와 연결되고, 타 말단은 다른 회로 소자나, 부품, 장치 또는 그라운드(G)와 연결될 수 있다.
인덕터(30)의 일 말단과 회로 소자(20)를 연결하는 신호 라인은 일 지점(37)에서 분기될 수 있으며, 분기된 라인은 회로 보호부(40)와 연결된다. 또한, 인덕터(30)의 타 말단과 다른 회로 소자나 그라운드(G) 등과 연결된 신호 라인은 일 지점(39)에서 분기될 수 있으며, 분리된 신호 라인은 동일하게 회로 보호부(40)와 연결된다. 따라서, 회로 보호부(40)에는 인덕터(40)에 인가되기 전의 전류의 일부와, 인덕터(40)를 통과한 후 인덕터(40)에서 출력되는 전류의 일부가 전달될 수 있다.
회로 보호부(40)는, 구동 신호 생성부(10) 및 회로 소자(20)를 연결하는 신호 라인에서 분기된 신호 라인을 통해 전달되는 전기적 신호와, 인덕터(30)의 양 말단의 복수의 지점(37, 39)에서 분기된 신호 라인을 통해 전달되는 전기적 신호를 기초로, 회로 소자(20)의 소손 여부 또는 소손 가능성을 판단하고, 판단 결과를 기초로 구동 신호 생성부(10)에 대한 제어 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
도 2는 회로 보호부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 2에 도시된 바를 참조하면, 회로 보호부(40)는, 차동 전압 감지부(41), 비교기(42) 및 신호 생성기(45)를 포함할 수 있다.
차동 전압 감지부(41)는, 인덕터(30)의 양 말단의 복수의 지점(37, 39) 사이의 차동 전압(Vd, differential voltage)을 감지할 수 있다. 차동 전압(Vd)은 복수의 지점 사이의 전압의 차이를 의미한다. 차동 전압 감지부(41)는, 감지된 차동 전압(Vd)을 출력하여 비교기(42)로 전달한다.
차동 전압 감지부(41)는, 통상적으로 두 지점 사이의 전압 차를 감지할 수 있도록 설계된 센서나 계측기를 이용하여 구현 가능하다.
비교기(42)는, 구동 신호 생성부(10) 및 차동 전압 감지부(41) 양자로부터 전기적 신호를 전달받을 수 있고, 전달 받은 전기적 신호에 따라서 신호 생성기(45)에 전기적 신호를 전달하거나 또는 전달하지 않도록 마련된다.
비교기(42)는 구동 신호 생성부(10)에서 출력되는 구동 전압(Vge)과 동일하거나 또는 근사한 전압(Vp)을 미리 정의된 기준 값(이하 제1 기준 값)과 비교할 수 있다. 이 경우, 제1 기준 값은, 사용자나 설계자에 의해 임의적으로 정의된 값일 수 있다. 제1 기준 값은 회로(1), 구동 신호 생성부(10) 및/또는 회로 소자(20)의 종류 등에 따라서 다양하게 정의 가능하다. 제1 기준 값은, 제1 기준 전압일 수 있다. 비교기(42)는 전압(Vp)과 제1 기준 전압을 비교하고 비교 결과를 획득한다.
이에 따라, 구동 신호 생성부(10)로부터 회로 소자(20)로 과전류가 흐르거나 또는 과전압이 인가되는지 여부가 계측될 수 있게 된다.
또한, 비교기(42)는 차동 전압 감지부(41)에서 전달되는 차동 전압(Vd)을 미리 정의된 다른 기준 값(이하 제2 기준 값)과 비교할 수 있다. 제2 기준 값은 사용자나 설계자에 의해 임의적으로 정의된 값일 수 있다. 제2 기준 값은 제1 기준 값과 동일할 수도 있고, 또는 상이할 수도 있다. 제2 기준 값은, 회로(1), 구동 신호 생성부(10), 회로 소자(20) 및/또는 인덕터(30)의 종류 등에 따라서 다양하게 정의 가능하다. 상술한 바와 동일하게, 제2 기준 값은, 제2 기준 전압을 포함할 수 있으며, 비교기(42)는 차동 전압(Vp)과 제2 기준 전압을 비교하고 비교 결과를 획득할 수 있다.
만약 회로(1)에 단락이 발생되었다면, 인덕터(30)의 양 말단 주변(37, 39)에서 흐르는 전류의 변화량(di/dt)은 증가하고 이에 따라 유기되는 전압(V=Lx*di/dt)도 대응하여 증가하게 된다. 따라서, 회로(1)에 단락이 발생되면, 차동 전압(Vd)이 증가하게 된다. 비교기(42)는 이와 같이 차동 전압(Vd)이 소정의 임계 값, 즉 제2 기준 값보다 큰지 여부를 판단하여, 회로(1) 내의 단락 발생 여부를 판단할 수 있다.
비교기(42)는, 구동 전압(Vge)과 동일하거나 또는 근사한 전압(Vp)이 제1 기준 전압과 같거나 또는 초과하면서, 동시에 차동 전압(Vd)이 제2 기준 값과 같거나 또는 초과하는 경우에는, 이와 같은 비교 결과에 응하여 소정의 전기적 신호를 생성하여 신호 생성기(45)로 전달할 수 있다. 다시 말해서, 비교기(42)는 입력된 두 개의 전기적 신호의 전압이 모두 기준 값을 초과하는 경우에는 전기적 신호를 출력하게 된다.
이와 반대로 만약 구동 전압(Vge)과 동일하거나 또는 근사한 전압(Vp)이 제1 기준 전압보다 작거나, 또는 차동 전압(Vd)이 제2 기준 값보다 작은 경우에는, 비교기(42)는 이와 같은 비교 결과에 응하여 전기적 신호의 생성 동작은 수행하지 않을 수도 있다. 이에 따라, 신호 생성기(45)는 어떠한 전기적 신호도 비교기(42)로부터 전달 받지 못한다.
구동 신호 생성부(10)에서 과전압/과전류가 출력되는 경우라고 하더라도, 회로(1) 내에 단락이 발생되지 않을 수도 있다. 또한, 노이즈 등의 발생에 의하여, 구동 신호 생성부(10)의 전압(Vge)이 제1 기준 값을 초과할 수도 있다. 비교기(42)는, 구동 신호 생성부(10)의 전압(Vge)이 제1 기준 값을 초과하는 경우라고 하더라도, 상술한 바와 같이 인덕터(30)의 양 말단 사이의 차동 전압(Vd)이 제2 기준 값보다 큰지 여부를 더 판단함으로써, 구동 신호 생성부(10)의 과전압/과전류의 출력만을 기초로 한 오 판단을 미연에 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 회로 보호부(40)는 보다 강건하게 회로(1) 내의 단락 발생 여부를 검출할 수 있게 된다.
비교기(42)는, 설계자가 고려할 수 있는 다양한 종류의 비교 회로를 이용하여 구현 가능하다.
신호 생성기(45)는 비교기(42)로부터 상술한 비교 결과에 대응하는 전기적 신호를 수신한다. 신호 생성기(45)는 비교기(42)로부터 전기적 신호가 전달되면, 전기적 신호의 수신에 응하여, 수신한 전기적 신호에 대응하는 제어 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 신호 생성기(45)에서 출력된 전기적 신호는 구동 신호 생성부(10)로 전달된다.
일 실시예에 의하면, 구동 신호 생성부(10)는, 신호 생성기(45)로부터 전달된 제어 신호에 따라 구동 신호의 생성을 중단할 수도 있다. 다른 실시예에 의하면, 구동 신호 생성부(10)는 제어 신호에 따라 상이한 전압 및/또는 전류의 구동 신호를 생성할 수도 있다. 이 경우, 구동 신호 생성부(10)는 기존에 출력되던 전압 및/또는 전류의 구동 신호보다, 상대적으로 더 낮은 전압 및/또는 전류의 구동 신호를 출력하도록 설계되는 것도 가능하다.
이하 상술한 회로 소자 보호 회로(1)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 회로 소자 보호 회로의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 3에 도시된 바를 참조하면, 회로 소자(20)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)일 수 있다. 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)는, 스위칭 기능을 수행할 수 있으며, 적은 구동 전력에도 고속으로 스위칭을 수행할 수 있는 회로 소자이다.
절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)는, 게이트(22), 콜렉터(23) 및 에미터(24)를 포함할 수 있으며, 게이트(22)에 인가되는 전압에 따라서 콜렉터(23)와 에미터(24)는 도통된다. 이에 따라, 콜렉터(23)와 에미터(24) 사이에는 전류가 흐르거나 또는 흐르지 않게 된다.
구동 신호 생성부(10)는, 게이트(22)에 소정의 전압(Vge)을 인가하여 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 동작을 제어하기 위한 게이트 구동부(11)일 수 있다. 게이트 구동부(11)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 게이트(22)와 라인으로 연결된다. 따라서, 게이트 구동부(11)에서 소정 크기의 구동 전압(Vge)이 출력되면, 구동 전압(Vge)은 게이트(22)에 인가되어 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 동작을 제어하게 된다.
구동 신호 생성부(10)의 라인은 일 지점에서 분기되고, 분기된 라인은 제1 비교기(43)와 전기적으로 연결된다.
구동 신호 생성부(10)에서 출력된 구동 전압(Vge)이 게이트(22)에 인가되면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 콜렉터(23)와 에미터(24)는 도통되고 이에 따라 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 에미터(24)와 코일(31) 사이로 전류(Ic)가 흐르게 된다.
인덕터(30)는, 코일(31)를 이용하여 구현된 것일 수 있다. 코일(31) 내측에는 아무 것도 설치되어 있지 않거나, 자성이 없는 물체가 삽입되거나, 또는 철이나 페라이트 등과 같은 강자성체가 설치되어 있을 수도 있다.
코일(31)의 일 말단은, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 에미터(24)와 적어도 하나의 라인을 통하여 전기적으로 연결된다. 에미터(24)와 코일(31)의 일 말단을 연결하는 라인은, 일 지점(37)에서 분기될 수 있다. 분기된 라인은 차동 전압 감지부(41)와 연결된다.
코일(31)의 타 말단은, 적어도 하나의 라인을 통해 각종 부품이나 장치와 연결될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 그라운드(G)에 연결될 수 있다. 코일(31)의 타 말단에 연결된 라인은, 일 지점(39)에서 분기될 수 있다. 분기된 라인은 상술한 바와 동일하게 차동 전압 감지부(41)와 연결된다.
절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 에미터(24)와 코일(31)의 일 말단 사이에 흐르는 전류는 증가하거나 또는 감소할 수 있으며, 이에 따라 코일(31)에서는 기생 인덕턴스(parasitic inductance)가 발생할 수 있다.
회로 보호부(40)는, 상술한 바와 같이, 차동 전압 감지부(41), 비교기(42) 및 신호 생성부(45)를 포함할 수 있다.
차동 전압 감지부(41)에는, 에미터(24)와 코일(31)의 일 말단을 연결하는 라인에서 분기된 라인을 통하여 에미터(24)와 코일(31)의 일 말단 사이의 전압(이하 제1 전압)이 인가된다. 다시 말해서, 차동 전압 감지부(41)는 코일(31)의 일 말단에 인가되는 전압에 대한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 차동 전압 감지부(41)에는, 코일(31)의 타 말단에 연결된 라인으로부터 분기된 라인을 통하여 코일(31)의 타 말단의 전압(이하 제2 전압)이 인가된다. 다시 말해서, 차동 전압 감지부(41)는, 코일(31)의 출력 전압에 대한 정보를 획득할 수 있다.
차동 전압 감지부(41)는, 입력된 제1 전압 및 제2 전압 사이의 차이를 획득할 수 있다. 차동 전압 감지부(41)는, 제1 전압 및 제2 전압을 각각 별도로 측정하고, 측정된 제1 전압 및 제2 전압 사이의 차이를 연산하도록 마련된 것일 수도 있다. 이외에도 설계자가 고려할 수 있는 다양한 방법을 이용하여 차동 전압 감지부(41)는 제1 전압 및 제2 전압 사이의 차이를 획득할 수 있다. 실시예에 따라서, 차동 전압 감지부(41)는 제1 전압 및 제2 전압 사이의 비율을 연산할 수도 있다.
차동 전압 감지부(41)에 의해 획득된 차동 전압(Vd)은 소정의 회로 또는 도선을 통하여 제2 비교기(44)로 전달될 수 있다.
비교기(42)는 제1 비교기(43) 및 제2 비교기(44)를 포함할 수 있다.
제1 비교기(43)는 게이트 구동부(11)에서 출력된 구동 전압(Vge)과 동일하거나 또는 근사한 전압(Vp)을 수신하고, 수신한 전압(Vp)을 제1 기준 전압(Vr1)과 비교하고, 비교 결과에 따라서 소정의 전기적 신호를 출력하도록 마련된다.
일 실시예에 의하면, 제1 비교기(43)는, 수신한 전압(Vp)이 제1 기준 전압(Vr1)을 초과하는 경우 전기적 신호를 출력하도록 설계된 것일 수 있다. 실시예에 따라서, 제1 비교기(43)는 수신한 전압(Vp)이 제1 기준 전압(Vr1)과 동일한 경우에도 전기적 신호를 출력할 수도 있다.
제1 비교기(43)는 제1 래치(46)와 전기적으로 연결되어 있으며, 수신한 전압(Vp)이 제1 기준 전압(Vr1)을 초과함에 따라 제1 비교기(43)에서 출력되는 전기적 신호는 제1 래치(latch, 46)로 전달된다.
제2 비교기(44)는 차동 전압 감지부(41)에서 출력된 차동 전압(Vd)을 수신하고, 수신한 차동 전압(Vd)을 제2 기준 전압(Vr2)과 비교한다. 제2 비교기(44)는 비교 결과에 따라서 소정의 전기적 신호를 출력할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 제2 비교기(44)는, 차동 전압(Vd)이 제2 기준 전압(Vr2)을 초과하는 경우 전기적 신호를 출력하도록 마련될 수 있다. 또한, 실시예에 따라서, 제2 비교기(44)는 차동 전압(Vd)이 제2 기준 전압(Vr1)과 동일한 경우에도 전기적 신호를 출력하도록 마련될 수도 있다.
제2 비교기(44)는 제2 래치(47)와 전기적으로 연결되어 있으며, 제2 비교기(44)에서 출력되는 전기적 신호는 제2 래치(47)로 도선 또는 회를 통해 전달될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 신호 생성부(45)는, 제1 래치(46), 제2 래치(47) 및 AND 게이트 소자(AND gate)를 포함할 수 있다.
제1 래치(46) 및 제2 래치(47)는 각각의 입력단이 제1 비교기(43) 및 제2 비교기(44)와 연결되고, 제1 비교기(43) 및 제2 비교기(44)에서 출력된 전기적 신호가 각각의 입력단에 인가되면 동작을 개시한다.
제1 래치(46)는 제1 비교기(43)로부터 전기적 신호가 전달되는 경우 동작을 개시하여 제1 비교기(43)로부터 전달된 전기적 신호에 대응하는 전기적 신호를 출력한다.
마찬가지로 제2 래치(47)는 제2 비교기(44)로부터 전기적 신호가 전달되면 제2 비교기(44)로부터 전달된 전기적 신호에 대응하는 전기적 신호를 출력한다.
제1 래치(46)의 출력단은 AND 게이트 소자(49)의 양 입력단의 어느 하나의 입력단에 연결되고, 제2 래치(47)의 출력단은 AND 게이트 소자(49)의 양 입력단 중 다른 하나의 입력단에 연결된다.
AND 게이트 소자(49)는, 양 입력단 모두에 전기적 신호가 입력되는 경우, 입력된 전기적 신호에 대응하는 전기적 신호, 즉 제어 신호를 출력할 수 있다. 다시 말해서, AND 게이트 소자(49)는, 제1 래치(46)의 출력단에서 전기적 신호가 출력되어 어느 하나의 입력단에 입력되고, 또한 제2 래치(47)의 출력단에서 전기적 신호가 출력되어 다른 하나의 입력단에 입력되는 경우, 제어 신호를 출력할 수 있다. 만약, 양 입력단 중 적어도 하나의 입력단에 전기적 신호가 인가되지 않는다면, AND 게이트 소자(49)는 어떠한 전기적 신호도 출력하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이 AND 게이트 소자(49)의 어느 하나의 입력단에는, 입력된 전압(Vp)이 제1 기준 전압(Vr1)보다 큰 경우에 전기적 신호가 입력되고, 다른 하나의 입력단에는 차동 전압(Vd)이 제2 기준 전압(Vr2)보다 큰 경우에 전기적 신호가 입력되므로, AND 게이트 소자(49)는, 입력된 전압(Vp), 즉 게이트 구동부(11)에서 출력된 구동 전압(Vge)이 제1 기준 전압(Vr1)보다 크고, 차동 전압(Vd)이 제2 기준 전압(Vr2)보다 큰 경우에만 제어 신호를 출력하게 된다.
출력된 제어 신호는 게이트 구동부(11)로 전달되고, 게이트 구동부(11)는 제어 신호의 수신에 응하여 제어 신호에 대응하여 동작함으로써, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)가 단락 등의 이유로 소손되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 회로 소자 보호 회로(1)는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)에 고장이 발생되기 전에 미연에 방지할 수 있게 된다.
이하 회로 소자 보호 회로(1)가 회로 소자, 일례로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)를 보호하는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 회로 소자가 정상적으로 동작하는 경우의 일 실시예를 도시한 그래프이고, 도 5는 회로 소자에 쇼트성 전류가 발생되는 경우의 일 실시예를 도시한 그래프이다. 도 4 및 도 5는 상 방향에서부터 순차적으로 전압, 전류 및 차동 전압의 시간에 따른 변화를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5의 x축은 시간을 의미하고, y축은 상 방향에서부터 순차적으로 전압, 전류 및 차동 전압의 크기를 의미한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 시간(t1)에 게이트 구동부(11)가 외부의 제어 등에 따라서 동작을 개시하면, 게이트 구동부(11)는 소정 전압(Vge)의 전기적 신호를 출력한다.
이 경우, 구동 전압(Vge)은 점진적으로 증가하다가, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 게이트(22)와 콜렉터(23) 사이의 전압(Vgc)을 채우기 위해 일정한 시점(t2 및 t3 사이)에서부터는 증가하지 않고 일정한 값을 가지게 된다(f1). 이와 같은 일정한 시점(t2 및 t3 사이)의 일정한 전압(f1)은, 통상적인 경우에는 제1 기준 값(Vr1)보다 낮다. 여기서, 통상적인 경우는, 게이트 구동부(11)가 정상 작동하거나, 또는 회로(1) 내에 단락 등이 발생되지 않은 경우 등과 같이 회로 소자(20)가 손상되지 않을 수 있는 상황을 포함한다.
게이트 구동부(11)가 소정 전압(Vge)의 전기적 신호를 출력하면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 에미터(24)와 코일(31) 사이에 흐르는 전류(Ic) 역시 대응하여 증가하게 된다. 이 경우, 구동 전압(Vge)의 크기가 일정해지는 시점(t2)에서는 전류는 일시적으로 감소하였다가 다시 증가하기 시작한다.
에미터(24)와 코일(31) 사이에 흐르는 전류(Ic)가 증가하는 경우, 기생 인덕턴스는 전류(Ic)의 증가에 따라 순간적으로 증가하게 된다(t1 및 t2 사이). 이에 따라, 유기되는 전압 역시 증가하게 되고, 이에 따라 차동 전압(Vd) 역시 증가하게 된다. 통상적으로 회로(1)가 동작하는 경우라면, 차동 전압(Vd)의 크기는 제2 기준 전압(Vr2)보다 낮게 된다.
만약 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 암 단락(Arm-short) 등으로 인해 쇼트성 전류가 발생하여 급격히 변화하는 전류가 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 에미터(24)와 코일(31) 사이에 흐르게 되면 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)는 소손될 수 있다. 구체적으로 급격한 양의 전류가 흐르게 되면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)는 과도한 전력(Ic*t, t는 시간)을 소비하게 되고, 이와 같은 과도한 전력에 의해 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)는 소손될 수 있다.
구체적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 구동부(11)가 정상 작동하지 않거나, 또는 회로(1) 내에 단락 등이 발생되면, 게이트 구동부(11)에서 출력된 구동 전압(Vge)는 급격히 증가한 후(t1 및 t11), 소정의 시점(t11)부터 증가하지 않고 일정하게 유지된다(f2). 이 경우, 일정한 전압(f2)의 크기는, 구동 전압(Vge)의 급격한 증가에 기인하여 기준 전압(Vr1)보다 상대적으로 더 크게 된다.
또한, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 에미터(24)와 코일(31) 사이에 흐르는 전류(Ic) 역시 구동 전압(Vge)의 급격한 증가에 대응하여 급격히 증가하게 된다(t1 및 t11).
에미터(24)와 코일(31) 사이에 흐르는 전류(Ic)가 급격히 증가하면, 기생 인덕턴스 역시 급격히 증가하게 되고, 이에 대응하여 유기되는 전압의 크기 역시 급격하게 증가하게 된다. 이에 따라 차동 전압(Vd)도 급격히 변화하게 된다(t1 및 t11). 이 경우, 차동 전압(Vd)의 크기는 제2 기준 전압(Vr2)보다 상대적으로 더 높게 된다.
따라서, 게이트 구동부(11)가 정상 작동하지 않거나, 회로(1) 내에 단락 등이 발생된 경우, 게이트 구동부(11)에서 출력된 구동 전압(Vge)의 급격한 증가에 따라 구동 전압(Vge)이 제1 기준 전압(Vr1)보다 일시적으로 더 크게 되고, 제1 비교기(43)는 이에 따라 소정의 전기적 신호를 출력하여 제1 래치(46)로 전달하게 된다.
아울러, 차동 전압(Vd) 역시 제2 기준 전압(Vr2)을 초과하게 되고 제2 비교기(44)는 이에 따라 소정의 전기적 신호를 출력하여 제2 래치(47)로 전달하게 된다.
제1 래치(46) 및 제2 래치(47) 모두에서 전기적 신호가 출력되기 때문에, AND 게이트 소자(49)는 이에 대응하는 전기적 신호를 출력하게 되고, 출력된 전기적 신호는 게이트 구동부(11)로 전달된다. 게이트 구동부(11)는 전기적 신호의 수신에 응하여, 회로 소자, 즉 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)의 훼손을 방지할 수 있도록 동작하거나 또는 동작을 중단하게 된다.
이에 따라, 단락 등으로부터 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21) 등의 회로 소자를 보호할 수 있게 된다.
도 3 내지 도 5에서는 회로 소자(20)로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21)을 채용한 일 실시예에 대해 설명하였으나, 이는 예시적인 거일 뿐이다. 실시예에 따라서, 회로 소자 보호 회로(1)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(21) 대신에 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 등을 채용하여 구현될 수도 있다.
이하 도 6 및 도 7을 참조하여 상술한 회로 소자 보호 회로가 적용된 차량의 일 실시예에 대해 설명하도록 한다.
도 6은 차량의 일 실시예에 대한 블록도이다.
실시예에 따라서, 차량(100)은 통상적인 화석 연료 자동차일 수도 있고, 또는 전기 자동차일 수도 있다.
화석 연료 자동차는 엔진을 이용하여 화석 연료의 연소 에너지를 기계적 에너지로 변환한 후, 변환된 기계적 에너지를 이용하여 차륜(101)을 회전시킨다. 전기 자동차는, 모터를 이용하여 차륜(101)의 회전에 필요한 동력을 획득하는 통상적인 전기 자동차일 수도 있다. 전기 자동차의 모터는 축전지(160)에 충전된 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 차륜(101)의 회전에 필요한 동력을 획득한다.
전기 자동차는, 오직 모터만을 이용하여 동력을 획득하는 통상적인 전기 자동차(EV)와, 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지와 전기 에너지 양자를 모두 이용하여 동력을 획득하는 하이브리드 전기 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)와, 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지와 전기 에너지 양자를 모두 이용하되 외부에서 전기 에너지를 공급받아 내장된 축전지에 충전 가능한 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바를 참조하면, 차량(100)은 모터 시스템(110)과, 제어부(140)와, 축전지(160)를 포함할 수 있다.
모터 시스템(110)과, 제어부(140)는, 상호 통신 가능하게 케이블이나 무선 통신 네트워크를 통해 연결될 수 있다. 여기서 무선 통신 네트워크는, 블루투스, 와이파이, 캔(CAN), 와이파이 다이렉트, 근거리 장 통신(NFC, Near Field Communication) 등의 기술을 이용하여 구현된 것일 수 있다.
또한, 모터 시스템(110)과 축전지(160), 또는 제어부(140) 및 축전지(160)는 적어도 하나의 도선이나 금속 회로를 통하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 따라 모터 시스템(110) 및 제어부(140)에는 전력이 공급될 수 있다.
모터 시스템(110)과, 제어부(140)와, 축전지(160)는 차량(100) 내부의 일 구역에 설치될 수 있다. 예를 들어, 모터 시스템(100)은, 차량(1)의 엔진 룸이나, 엔진 룸과 대시 보드 사이에 설치될 수 있다. 축전지(160)는, 차량(1)의 엔진 룸이나, 차량(1)의 저면 내측이나, 차량(1)의 후방 좌석과 후방 적재 공간 사이의 공간이나, 또는 차량(1)의 후방 적재 공간 등에 설치될 수 있다.
모터 시스템(110)은, 모터(120)와, 모터 구동부(200)와, 회로 보호부(300)를 포함할 수 있다.
모터(120)는 전기적 에너지를 기계적 에너지, 즉 회전 에너지로 변환할 수 있다. 모터(120)의 구동에 따라서, 차량(1)의 다양한 동작에 필요한 동력을 얻을 수 있다. 차량(1)의 다양한 동작은, 예를 들어, 차륜(101)의 회전, 연료 펌프, 오일 펌프 및/또는 운전석/조수석 등의 등받이 조절의 동작 등과 같이 모터(120)의 동작에 따라 수행될 수 있는 다양한 동작을 포함할 수 있다.
모터(120)는, 실시예에 따라서, 직류 모터, 교류 모터, 직류 브러시리스 모터 및 선형 유도 모터 중 적어도 하나일 수 있다. 이외에도 설계자가 고려할 수 있는 다양한 종류의 모터가 상술한 모터(120)로 채용 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 모터(120)는, 일 실시예에 있어서, 고정자(121)와, 코일(122)과, 회전자(123)를 포함할 수 있다.
고정자(121)는, 모터(120)의 외장 프레임 내측에 고정되어 형성되고, 회전자(123)의 주변에 마련된다. 고정자(121)는, 일 실시예에 있어서, 고리 형상의 프레임을 포함할 수 있다.
도 7은 모터 시스템의 일 실시예에 대한 회로도이다.
코일(122)은, 고정자(121)의 적어도 하나의 돌기에 감겨 설치되고 전류의 인가에 따라 전류에 대응하는 자기장을 발생시킨다.
코일(122)은, 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 코일(122a, 122b, 122c)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 3상 모터의 경우, 코일(122)은, 세 개의 코일(122a, 122b, 122c)을 포함할 수 있다. 세 개의 코일(122a, 122b, 122c)은 고정자(121)의 고리 형상의 프레임의 소정의 지점에 설치될 수 있다. 이 경우, 고리 형상의 프레임의 어느 하나의 지점에 설치된 코일(122a, 122b, 122c)은 어느 하나의 지점에 대향하는 다른 지점에까지 연장되어 설치될 수 있다.
각각의 코일(122a 내지 122c)은, 모터 구동부(200)와 회로 또는 도선(270 내지 290)을 통해 전기적으로 연결된다. 모터 구동부(200)의 동작에 따라 코일(122a 내지 122c)에는 교류 전류가 흐르거나 또는 교류 전류가 흐르지 않게 되고, 이에 따라서 고리형 프레임의 내측에는 대응하는 자기장이 발생된다.
회전자(123)는 코일(122a 내지 122c)에서 발생된 자기장에 따라 고리형 프레임의 내측에서 소정의 회전축을 중심으로 회동할 수 있다. 회전자(123)는 영구 자석 등을 이용하여 구현 가능하다. 회전자(123)의 회전력은, 기어나 샤프트와 같은 각종 부품을 통하여 동력이 필요한 부품, 일례로 차륜, 연료 펌프, 오일 펌프 및/또는 운전석의 등받이 조절 모터 등에 전달된다.
회전자(123)는, 소정의 회전 주파수로 회전할 수 있다. 회전자(123)의 회전 주파수는, 모터 구동부(200)의 각 스위칭 소자(210 내지 260)의 스위칭 주파수에 대응할 수 있다. 스위칭 주파수는, 단위 시간 동안 각 스위칭 소자(210 내지 260)의 온/오프 동작이 반복되는 회수를 의미한다. 각각의 스위칭 소자(210 내지 260)는, 스위칭 주파수에 따라 동작 개시 및 동작 중단을 반복하게 된다.
모터 구동부(200)는, 축전지(160)로부터 소정 전압의 전기적 신호를 공급받고, 공급받은 전류를 모터(120)의 코일(122)로 전달할 수 있다. 모터 구동부(200)는, 일 실시예에 의하면, 인버터를 이용하여 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 바를 참조하면, 모터 구동부(200)는 적어도 하나의 스위칭 소자(210 내지 260)를 포함할 수 있다. 각각의 스위칭 소자(210 내지 260)는, 선택적으로 동작하여 축전지(160)로부터 입력된 전류가 적어도 두 개의 코일(122a 내지 122c)로 전달되도록 할 수 있다.
스위칭 소자(210 내지 260)는, 예를 들어, 접합형 트랜지스터, 사이리스터, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 등과 같은 전계 효과 트랜지스터 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터 중 적어도 하나를 채용하여 구현된 것일 수 있다.
두 개의 스위칭 소자(210과 220, 230과 240, 250과 260)는, 서로 대응되도록 마련될 수 있다. 서로 대응되는 스위칭 소자(210과 220, 230과 240, 250과 260) 중 어느 하나의 스위칭 소자(210, 230, 250)에는 전압이 인가되고, 다른 하나의 스위칭 소자(220, 240, 260)는 접지와 연결되도록 마련될 수 있다.
어느 하나의 스위칭 소자(210, 230, 250)를 통해 전류는 모터 구동부(200)로 전달되고, 두 개의 코일(122a 내지 122c)을 경유한 전류는 다른 하나의 스위칭 소자(220, 240, 260)를 통해 모터 구동부(200)의 외부로 전달된다. 이 경우, 어떠한 스위칭 소자(210과 220, 230과 240, 250과 260)가 동작하느냐에 따라서 특정한 코일에 특정 방향으로 교류 전류가 흐르게 된다.
예를 들어, 제1 스위칭 소자(210) 및 제4 스위칭 소자(240)가 동작하면, 교류 전류는 순차적으로 제1 코일(122a) 및 제2 코일(122b)로 흐르게 되고, 제1 스위칭 소자(210) 및 제6 스위칭 소자(260)가 동작하면 전류는 순차적으로 제1 코일(122a)과 제3 코일(122c)로 흐르게 된다. 또한, 제3 스위칭 소자(230) 및 제6 스위칭 소자(260)가 동작하면 전류는 제2 코일(122b) 및 제3 코일(122c)을 순차적으로 흐르게 되고, 제2 스위칭 소자(220)와 제3 스위칭 소자(230)가 동작하면 전류는 제2 코일(122b)과 제1 코일(122a)을 순차적으로 흐르게 되며, 제4 스위칭 소자(240)와 제5 스위칭 소자(250)가 동작하면 전류는 순차적으로 제3 코일(122c)과 제2 코일(122b)을 따라 흐른다. 또한, 제2 스위칭 소자(220)와 제5 스위칭 소자(250)가 동작하면 전류는 제3 코일(122c)과 제1 코일(122a)을 순차적으로 경유하여 흐른다. 이와 같이 스위칭 소자(210 내지 260)의 동작에 따라서, 복수의 코일(122a 내지 122c) 중 서로 상이한 위치에 배치된 두 개의 코일(122a 내지 122c 중 두 개)에는 소정 방향의 교류 전류가 흐르고, 이에 따라 모터(120)의 내부 공간에는 교류 전류의 크기 및 방향에 대응하는 자기장이 순차적으로 발생하여 회전자(123)는 회전할 수 있게 된다.
도 7에 도시된 바에 의하면, 적어도 하나의 스위칭 소자, 예를 들어 제2 스위칭 소자(220)는 구동 신호 생성부(221) 및 인덕터(222)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 구동 신호 생성부(221)는 제2 스위칭 소자(220)의 게이트에 연결되고, 인덕터(222)는 제2 스위칭 소자(220)의 에미터에 연결된다.
상술한 바와 같이, 구동 신호 생성부(221)는 제2 스위칭 소자(220)의 게이트에 소정 전압(Vge)을 인가하고, 인덕터(222)에는 소정의 전류(Ic)가 흐르게 된다. 구동 신호 생성부(221)는, 예를 들어, 게이트 드라이버(Gate driver)를 포함할 수 있다. 게이트 드라이버는, 적어도 하나의 집적 칩을 이용하여 구현 가능하다.
구동 신호 생성부(221)에서 출력된 전압(Vge)은 회로 보호부(300)에도 인가된다. 또한, 인덕터(222)의 양 말단의 전압 역시 회로 보호부(300)로 인가될 수 있으며, 회로 보호부(300)는 인덕터(222)의 양 말단의 전압을 기초로 인덕터(222)의 양 말단의 차동 전압을 결정한다.
상술한 바와 동일하게, 회로 보호부(300)는 구동 신호 생성부(221)에서 출력된 전압(Vge)과 인덕터(222)의 양 말단의 차동 전압을, 각각 제1 기준 값(제1 기준 전압) 및 제2 기준 값(제2 기준 전압)과 비교하고, 비교 결과에 따라서 제어 신호를 생성하여 구동 신호 생성부(221)로 전달한다.
회로 보호부(300)는 구동 신호 생성부(221)에서 출력된 전압(Vge)이 제1 기준 전압보다 크고, 인덕터(222)의 양 말단의 차동 전압이 제2 기준 전압과 큰 경우에 한하여, 제어 신호를 생성하여 구동 신호 생성부(221)로 전달할 수 있다.
실시예에 따라서, 회로 보호부(300)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 차동 전압 감지부, 비교기 및 신호 생성부를 이용하여 구현 가능하다. 보다 구체적으로, 회로 보호부(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 인덕터(222)의 양 말단과 연결된 차동 전압 감지부와, 구동 신호 생성부(221) 및 차동 전압 감지부와 각각 연결된 복수의 비교기와, 복수의 비교기 각각에 연결된 복수의 래치 및 복수의 래치와 연결된 AND 게이트 소자를 포함할 수도 있다. 이들 각각의 동작에 대해선 위에서 기술한 바 있으므로, 이하 자세한 설명은 생략하도록 한다.
구동 신호 생성부(221)는 전달된 제어 신호에 따라서 제2 스위칭 소자(200)에의 구동 전압(Vge) 인가를 종료하거나 또는 인가되는 구동 전압(Vge)을 조절할 수 있다.
이와 같이 회로 보호부(300)의 동작에 따라 구동 신호 생성부(221)의 동작에 제어되기 때문에, 모터 구동부(200) 내의 각각의 스위칭 소자(210 내지 260)는 보다 신속하면서도 적절하게 보호될 수 있게 된다. 예를 들어, 이와 같은 구동 신호 생성부(221)의 동작은, 암 쇼트에 기인한 적어도 하나의 스위칭 소자(210 내지 260)의 손상을 방지할 수 있다.
도 7에는 제2 스위칭 소자(220)에 구동 신호 생성부(221) 및 인덕터(222)가 전기적으로 연결되어 설치된 일례에 대해서만 도시되어 있으나, 다른 스위칭 소자(210, 230 내지 260)에도, 동일하거나 또는 일부 변형된 형태로, 게이트 구동부 및 인덕터가 전기적으로 연결되어 설치될 수 있다. 이들 소자(210, 230 내지 260)와 연결된 게이트 구동부 및 인덕터는 상술한 바와 같이 동작할 수 있다. 또한, 다른 스위칭 소자(210, 230 내지 260)에 설치된 게이트 구동부 및 인덕터는, 상술한 바와 동일하게 또는 일부 변형된 형태로, 회로 보호부와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 회로 보호부는, 기 설명한 바와 같이, 다른 스위칭 소자(210, 230 내지 260)에 설치된 게이트 구동부를 구동 전압 및 차동 전압을 기초로 제어할 수 있다.
제어부(150)는, 차량(1)의 전반적인 동작을 제어하도록 마련된다. 예를 들어, 제어부(150)는 모터 시스템(110)의 모터 구동부(200) 및 회로 보호부(300) 중 적어도 하나에 소정의 제어 신호를 전송하여, 이들의 동작을 제어할 수도 있다.
제어부(150)는 적어도 하나의 반도체 칩 및 관련 부품을 이용하는 프로세서를 채용하여 구현될 수 있다. 프로세서는, 예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)이나, 마이크로 컨트롤 유닛(MCU, Micro Control Unit)일 수도 있다. 차량(1)의 경우, 프로세서는 차량 제어 장치(VCU, Vehicle Control Unit)일 수도 있다. 이들뿐만 아니라 또한, 각종 연산 및 처리를 수행하기 위하여 별도로 마련된 다양한 종류의 프로세서가 상술한 제어부(150)로 이용 가능하다.
제어부(150)는 소정의 프로그램에 따라서 동작할 수도 있다. 소정의 프로그램은 제어부(150)와 별도로 마련된 저장 장치에 저장된 것일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 제어부(150)는, 상술한 회로 보호부(300)의 동작을 수행 가능하도록 설계될 수도 있다. 다시 말해서, 회로 보호부(300)는, 제어부(150)에 의해 대체될 수도 있다. 구동 신호 생성부(221)의 출력 전압(Vge)이나 인덕터(222)의 양 말단에서 출력되는 전압은 제어부(150)로 전달되고, 제어부(150)는 미리 정의된 바에 따라서, 스위칭 소자(220)의 고장 여부를 진단할 수 있다.
축전지(160)는, 전기 에너지를 필요로 하는 각 부품에 전기 에너지를 공급한다. 예를 들어, 축전지(119)는, 모터 구동부(112)에 전력을 공급하여, 모터 구동부(112)가 모터를 동작할 수 있도록 할 수도 있다. 예를 들어, 축전지(160)는 구동 신호 생성부(221)에 전력을 공급하여 각 스위칭 소자(210 내지 260)가 동작하도록 할 수 있다. 또한, 축전지(119)는, 필요에 따라, 회로 보호부(300)에 전력을 공급하여, 회로 보호부(300)가 스위칭 소자(210 내지 260)의 보호에 필요한 각종 동작을 수행하도록 할 수도 있다.
이하 도 8을 참조하여 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법의 일 실시예에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 회로 소자 보호 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 8에 도시된 일 실시예에 의하면, 먼저 피보호 회로 소자, 일례로 상술한 스위칭 소자에 구동 전압이 인가되고, 피보호 회로 소자로부터 전류가 출력된다(400). 피보호 회로 소자에 대한 전압의 인가는 구동 신호 생성부에 의해 수행될 수 있다. 피보호 회로 소자로부터 출력된 전류는 피보호 회로 소자와 전기적으로 연결된 인덕터로 전달될 수 있다.
단계 300과 동시에 또는 이시에 피보호 회로 소자에 인가되는 구동 전압이 감지 및 결정된다(420). 또한, 구동 전압의 감지와 동시에 또는 이시에 인덕터의 양 말단의 전압이 측정되고, 인덕터 양 말단에 대한 차동 전압이 결정된다. 구동 전압 및 차동 전압의 감지 및 결정은 상술한 회로 보호부에 의해 수행 가능하다.
순차적으로 구동 전압 및 차동 전압이 각각 기준 전압과 비교될 수 있다(440, 460).
구체적으로 구동 전압이 제1 기준 전압과 비교될 수 있다(440).
만약 구동 전압이 제1 기준 전압보다 크다면(440의 예), 차동 전압이 제2 기준 전압과 비교된다. 만약 구동 전압이 제1 기준 전압보다 작다면(440의 아니오), 기존의 동작은 계속해서 유지된다. 예를 들어, 구동 전압 생성부는, 미리 정의된 바에 따라서, 기존의 구동 전압을 계속해서 피보호 회로 소자에 인가한다.
차동 전압이 제2 기준 전압보다 크다면(460의 예), 구동 신호 생성부에는 제어 신호가 전송된다(480). 만약 차동 전압이 제2 기준 전압보다 작다면(460의 아니오), 구동 전압 생성부에 대한 제어 신호는 생성되지 않는다.
구동 신호 생성부에 제어 신호가 전송되면, 구동 신호 생성부는 제어 신호의 수신에 응하여, 전달된 제어 신호에 대응하는 동작을 수행한다(500). 예를 들어, 구동 신호 생성부는 피보호 회로 소자에 대한 구동 전압의 인가를 중지할 수도 있다. 또한, 다른 예를 들어, 구동 신호 생성부는 피보호 회로 소자에 인가되는 구동 전압을 조절하여 변경할 수도 있다.
도 8에는 구동 전압이 제1 기준 전압과 비교된 후 차동 전압이 제2 기준 전압과 비교되는 일 실시예에 대해 도시되어 있으나, 비교 순서는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 차동 전압과 제2 기준 전압의 비교가 구동 전압과 제1 기준 전압의 비교에 선행하여 수행될 수도 있다. 또한, 구동 전압과 제1 기준 전압의 비교와 차동 전압과 제2 기준 전압의 비교는 서로 동시에 수행될 수도 있다.
상술한 회로 소자 보호 방법은, 차량의 제어 방법에도 동일하게 또는 일부 변형을 거쳐 적용될 수 있다.
상술한 회로 소자 보호 방법이 차량의 제어 방법에 적용되는 경우, 피보호 회로 소자는 차량의 모터 시스템에 마련된 모터 구동부의 스위칭 소자, 예를 들어, 양극성 접합 트랜지스터나, 모스펫이나, 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 등을 이용하여 구현된 것일 수 있다. 여기서, 차량의 모터 시스템은, 차륜의 구동력을 얻기 위해 전기 자동차에 마련된 모터 시스템일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 차량이 수행 가능한 각각의 동작을 위해 마련된 다양한 종류의 모터 시스템 역시 상술한 차량의 모터 시스템의 일례가 될 수 있다. 또한, 구동 신호 생성부는 스위칭 소자의 게이트(또는 베이스)에 연결되고 게이트(또는 베이스)에 구동 전압을 공급하는 게이트 드라이버일 수 있다. 회로 보호부는 별도로 마련된 회로를 이용하여 구현될 수도 있고, 또는 차량에 마련된 각종 제어 장치, 일례로 차량 제어 장치나 마이크로 컨트롤러 유닛을 이용하여 구현된 것일 수도 있다.
상술한 실시예에 따른 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법은, 다양한 컴퓨터 장치에 의해 구동될 수 있는 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 여기서 프로그램은, 프로그램 명령, 데이터 파일 및 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 프로그램은 기계어 코드나 고급 언어 코드를 이용하여 설계 및 제작된 것일 수 있다. 프로그램은 상술한 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법을 구현하기 위하여 특별히 설계된 것일 수도 있고, 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 기술자에게 기 공지되어 사용 가능한 각종 함수나 정의를 이용하여 구현된 것일 수도 있다.
상술한 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법을 구현하기 위한 프로그램은, 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체는, 예를 들어, 하드 디스크나 플로피 디스크와 같은 자기 디스크 저장 매체, 자기 테이프, 컴팩트 디스크(CD)나 디브이디(DVD) 등의 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 기록 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM) 또는 플래시 메모리 등과 같은 반도체 저장 장치 등 컴퓨터 등의 호출에 따라 실행되는 특정 프로그램을 저장 가능한 다양한 종류의 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
이상 회로 소자 보호 회로, 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법의 여러 실시예에 대해 설명하였으나, 회로 소자 보호 회로, 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상술한 실시예를 기초로 수정 및 변형하여 구현 가능한 다양한 실시예 역시 상술한 회로 소자 보호 회로, 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법의 일 실시예가 될 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 상술한 회로 소자 보호 회로, 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법과 동일하거나 유사한 결과를 획득할 수 있으며, 이들 역시 상술한 회로 소자 보호 회로, 차량, 회로 소자 보호 방법 및 차량의 제어 방법의 여러 실시예 중 어느 하나가 될 수 있다.
1: 회로 10: 구동 신호 생성부
20: 회로 소자 21: 절연 게이트 양극성 트랜지스터
22: 게이트 23: 콜렉터
24: 에미터 30: 인덕터
40: 회로 보호부 41: 차동 전압 감지부
42: 비교기 43: 제1 비교기
44: 제2 비교기 45: 신호 생성기
46: 제1 래치 47: 제2 래치
49: AND 게이트 소자 100: 차량
101: 차륜 110: 모터 시스템
120: 모터 121: 고정자
122: 코일 123: 회전자
140: 제어부 160: 축전지
200: 모터 구동부 210: 제1 스위칭 소자
220: 제2 스위칭 소자 230: 제3 스위칭 소자
240: 제4 스위칭 소자 250: 제5 스위칭 소자
260: 제6 스위칭 소자 300: 회로 보호부

Claims (16)

  1. 회로 소자;
    상기 회로 소자에 구동 전압을 인가하는 구동 신호 생성부;
    일 말단이 상기 회로 소자와 전기적으로 연결된 인덕터; 및
    상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압 및 상기 인덕터의 일 말단 및 타 말단 사이의 차동 전압에 대한 정보를 획득하고, 상기 회로 소자에 인가되는 전압을 제1 기준 전압과 비교하고, 상기 차동 전압을 제2 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라서 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전송하는 회로 보호부;를 포함하는 회로 소자 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회로 보호부는, 상기 인덕터에 인가되는 전압과 상기 인덕터에서 출력되는 전압 사이의 차이를 획득하는 차동 전압 감지부를 포함하는 회로 소자 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회로 보호부는, 상기 구동 전압을 상기 제1 기준 전압과 비교하는 제1 비교기 및 상기 제1 비교기의 출력에 따라서 동작하는 제1 래치를 포함하는 회로 소자 보호 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회로 보호부는, 상기 차동 전압 감지부와 연결되고, 상기 차동 전압을 상기 제2 기준 전압과 비교하는 제2 비교기 및 상기 제2 비교기의 출력에 따라서 동작하는 제2 래치를 포함하는 회로 소자 보호 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회로 보호부는, 상기 제1 래치 및 상기 제2 래치와 연결된 AND 게이트 소자를 더 포함하는 회로 소자 보호 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회로 소자는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하되, 상기 적어도 하나의 트랜지스터는, 접합형 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor), 사이리스터(Thyristor), 전계 효과 트랜지스터(FET, Field-effect transistor) 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 중 적어도 하나를 포함하는 회로 소자 보호 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 신호 생성부는, 상기 적어도 하나의 트랜지스터의 베이스(base) 또는 게이트(gate)에 상기 구동 전압을 인가하는 회로 소자 보호 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구동 신호 생성부는, 상기 회로 보호부에서 전송된 제어 신호의 수신에 응하여 상기 회로 소자에 전압 인가를 중단하거나, 또는 상기 구동 전압을 변경하는 회로 소자 보호 회로.
  9. 적어도 하나의 회로 소자;
    상기 적어도 하나의 회로 소자에 구동 전압을 인가하는 구동 신호 생성부; 및
    상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압을 입력 받고, 상기 회로 소자에서 출력되는 전기적 신호의 전압의 변화를 측정하고, 상기 회로 소자에 인가되는 전압을 제1 기준 값과 비교하고, 상기 전압의 변화량을 제2 기준 값과 비교하고, 비교 결과에 따라서 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전송하는 제어부;를 포함하는 차량.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회로 소자는, 모터의 코일과 연결된 모터 구동부의 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는 차량.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모터는, 차량에 설치된 차륜의 회전에 필요한 기계적 에너지를 생성하는 차량.
  12. 구동 신호 생성부가 회로 소자에 구동 전압을 인가하고, 상기 구동 전압의 인가에 따라서 상기 회로 소자가 구동하는 단계;
    상기 회로 소자에 인가되는 구동 전압을 감지하는 단계;
    상기 구동 전압을 제1 기준 값과 비교하는 단계;
    상기 회로 소자에서 출력되는 전류가 인가되는 인덕터의 양 말단 사이의 차동 전압을 감지하는 단계;
    상기 차동 전압을 제2 기준 값과 비교하는 단계;
    상기 구동 전압이 제1 기준 값을 초과하고, 상기 차동 전압이 제2 기준 값을 초과하면, 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전달하는 단계; 및
    상기 제어 신호에 따라서 상기 구동 신호 생성부가 동작하는 단계;를 포함하는 회로 소자 보호 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회로 소자는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하되, 상기 적어도 하나의 트랜지스터는, 접합형 트랜지스터, 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하는 회로 소자 보호 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 구동 신호 생성부는, 상기 적어도 하나의 트랜지스터의 베이스 또는 게이트에 상기 구동 전압을 인가하는 회로 소자 보호 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제어 신호에 따라서 상기 구동 신호 생성부가 동작하는 단계는,
    상기 구동 신호 생성부가 상기 회로 보호부에서 전송된 제어 신호의 수신에 응하여 상기 회로 소자에 전압 인가를 중단하는 단계; 및
    상기 구동 신호 생성부가 상기 구동 전압을 변경하고, 변경된 구동 전압을 상기 회로 소자에 인가하는 단계;를 포함하는 회로 소자 보호 방법.
  16. 적어도 하나의 스위칭 소자의 동작에 따라 구동하는 모터를 포함하는 차량의 제어 방법에 있어서,
    구동 신호 생성부가 상기 스위칭 소자에 구동 전압을 인가하고, 상기 구동 전압의 인가에 따라서 상기 스위칭 소자가 구동하는 단계;
    상기 스위칭 소자에 인가되는 구동 전압을 감지하는 단계;
    상기 구동 전압을 제1 기준 값과 비교하는 단계;
    상기 스위칭 소자에서 출력되는 전류가 인가되는 인덕터의 양 말단 사이의 차동 전압을 감지하는 단계;
    상기 차동 전압을 제2 기준 값과 비교하는 단계;
    상기 구동 전압이 제1 기준 값을 초과하고, 상기 차동 전압이 제2 기준 값을 초과하면, 상기 구동 신호 생성부에 제어 신호를 전달하는 단계; 및
    상기 제어 신호에 따라서 상기 구동 신호 생성부가 모터의 스위칭 소자에 대한 구동 신호 인가를 중단하거나 또는 상기 모터의 스위칭 소자에 상이한 전압의 구동 신호를 인가하는 단계;를 포함하는 차량의 제어 방법.
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