KR20180071114A - 프리차지 이중화 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프리차지 이중화 회로에 관한 것으로, 구체적으로는 반도체 스위치와 PTC 저항이 적용된 프리차지 회로의 연속동작으로 인한 회로 차단을 방지하기 위해 반도체 스위치 및 PTC 저항을 이중으로 적용하여 제어하는 회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고전압 배터리 전원을 인버터에 공급하기 위한 PRA의 프리차지 이중화 회로는, 입력전압을 변환하여 후단으로 출력하는 포토 커플러; 상기 포토 커플러의 출력에 의해 상기 고전압 배터리 전원을 스위칭하는 제1반도체 스위치; 상기 제1반도체 스위치의 출력과 상기 인버터 사이에 고전류 차단을 위해 직렬로 연결되는 제1프리차지 저항; 상기 고전압 배터리에 상기 제1반도체 스위치와 병렬로 연결된 제2프리차지 저항; 및 상기 제2프리차지 저항과 직렬로 연결되고, 출력이 상기 인버터에 연결되어 상기 포토 커플러의 출력에 의해 상기 제2프리차지 저항을 통해 공급되는 상기 고전압 배터리 전원을 스위칭하는 제2반도체 스위치; 를 포함한다.

Description

프리차지 이중화 회로 {PRE-CHARGE REDUNDANCY CIRCUIT}
본 발명은 프리차지 이중화 회로에 관한 것으로, 구체적으로는 반도체 스위치와 PTC 저항이 적용된 프리차지 회로의 연속동작으로 인한 회로 차단을 방지하기 위해 반도체 스위치 및 PTC 저항을 이중으로 적용하여 제어하는 회로에 관한 것이다.
일반적인 전기 자동차(Electric Vehicle)에 있어서, 배터리는 내연기관과 함께 주 동력원으로 사용된다. 전기 모터를 이용하여 자동차를 주행할 때 메인 릴레이를 접속시켜서 배터리의 전원이 메인 릴레이를 통해 인버터로 공급되면, 상기 인버터의 직/교류 전환에 의해 모터를 작동시키는데 이러한 배터리 전원을 인버터로 공급해주는 메인 릴레이 및 주변 회로를 PRA(Power Relay Assenbly)라고 한다.
이러한 PRA의 메인 릴레이를 작동시킬 때, 급격한 전류(돌입전류)의 흐름으로 인해 배터리와 메인 릴레이가 손상되는 경우가 발생하는데 이를 방지하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 메인 릴레이에 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 병렬로 연결하는 프리차지 회로를 구성하여 메인 릴레이 동작 전 프리차지 릴레이를 먼저 동작시켜 전압 상승을 지연시키고 메인 스위치로의 급격한 전류의 흐름을 막는다.
도 1을 참조하면 종래의 프리차지 회로(100)는 고전압 배터리(10)에 메인 릴레이(40)와 병렬로 연결된 프리차지 릴레이(120)와 상기 프리차지 릴레이(120)와 직렬로 연결된 프리차지 저항(130) 및 저전압 전원(20)을 입력받아 출력을 발생시켜 상기 프리차지 릴레이를 온, 오프 제어하는 포토 커플러(110)로 구성된다.
상기 프리차지 릴레이(120)는 고전압 배터리(10) 전원을 도통시키기 위해 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 등과 같은 반도체 스위치가 적용되며, 프리차지 저항(130)은 고전압에 의한 손상을 방지하기 위해 PTC(Positive Temperature Coefficient) 저항과 같은 열가변 저항기를 적용하여 과전류로 열이 발생하는 경우 회로를 차단시키도록 한다.
그러나 이러한 종래의 프리차지 회로(100)에서 어떠한 이유로 프리차지 회로(100)가 연속적으로 동작하는 경우, PTC 저항인 프리차지 저항(130)에 열이 발생하게 되고 과열되면 회로를 차단하여 시스템 동작에 문제를 일으키게 된다.
예를 들어 어떠한 문제가 발생하여 자동차의 시동이 걸리지 않는 경우, 운전자는 계속해서 시동을 걸려고 반복할 것이다.
사용자가 시동을 걸 때마다 프리차지 저항인 PTC 저항에는 고전압 배터리 전원이 계속 흐를 것이며 시동이 반복될수록 PTC 저항에 열이 발생하여 어느 순간 PTC 저항의 저항값이 무한대가 되어 프리차지 회로가 차단될 것이다.
프리차지 회로가 차단되면 이에 따라 메인 릴레이의 동작 시퀀스를 정상적으로 진행하지 못하게 되어 결국 인버터에 고전압 배터리 전원을 공급하지 못하는 상황이 발생한다.
한국등록특허 제10-1407735호 한국등록특허 제10-1314114호
이에 본 발명은 프리차지 회로에 반도체 스위치와 PTC 저항을 이중으로 적용하여 하나의 PTC 저항에 과열이 발생하여 회로가 차단되어도 다른 하나의 반도체 스위치와 PTC 저항을 통해 프리차지 회로가 정상동작하도록 한다.
본 발명에 따른 고전압 배터리 전원을 인버터에 공급하기 위한 PRA의 프리차지 이중화 회로는, 입력전압을 변환하여 후단으로 출력하는 포토 커플러; 상기 포토 커플러의 출력에 의해 상기 고전압 배터리 전원을 스위칭하는 제1반도체 스위치; 상기 제1반도체 스위치의 출력과 상기 인버터 사이에 고전류 차단을 위해 직렬로 연결되는 제1프리차지 저항; 상기 고전압 배터리에 상기 제1반도체 스위치와 병렬로 연결된 제2프리차지 저항; 및 상기 제2프리차지 저항과 직렬로 연결되고, 출력이 상기 인버터에 연결되어 상기 포토 커플러의 출력에 의해 상기 제2프리차지 저항을 통해 공급되는 상기 고전압 배터리 전원을 스위칭하는 제2반도체 스위치; 를 포함한다.
본 발명에서 상기 제1프리차지 저항과 상기 제2프리차지 저항은 PTC 저항으로 구성된다.
본 발명에서 상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치는 상기 포토 커플러의 출력에 의해 동시에 스위칭된다.
본 발명에서 상기 제1프리차지 저항의 저항값은 상기 제2프리차지 저항의 저항값보다 작다.
본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로는 반도체 스위치와 프리차지 저항을 이중으로 적용함으로써 하나의 PTC 저항에 과열이 발생하여 회로가 차단되어도 다른 하나의 반도체 스위치와 PTC 저항을 통해 프리차지 회로가 정상적으로 제어되도록 하여 프리차지 저항에 의한 회로 차단을 막아 반복되는 프리차지 동작에도 PRA가 정상 동작할 수 있도록 한다.
도 1은 종래기술에 따른 프리차지 회로의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로의 제1반도체 스위치 및 제2반도체 스위치가 동작하는 초기단계의 전류의 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로의 제1프리차지 저항이 과열로 차단된 이후 전류의 흐름을 나타낸 개략도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압 배터리(10) 전원을 인버터(30)에 공급하기 위한 PRA의 프리차지 이중화 회로(200)는 포토 커플러(210), 제1반도체 스위치(220), 제2반도체 스위치(230), 제1프리차지 저항(240), 제2프리차지 저항(250)으로 구성된다.
포토 커플러(210)는 저전압 전원(20)을 입력으로 받아 고전압 배터리(10)전원을 제어할 수 있는 전압을 출력함과 동시에 저전압과 고전압을 분리(isolation)해주는 역할을 한다.
즉, 포토 커플러(210)는 내부의 전기적 절연 구조에 의해 포토 커플러(210)를 중심으로 저전압 전원(20)이 입력되는 영역에 대해서는 저전압 상태를 유지하도록 하며, 이후의 포토 커플러(210)와 연결된 구성인 제1반도체 스위치(220), 제2반도체 스위치(230), 제1프리차지 저항(240), 제2프리차지 저항(250), 고전압 배터리(10), 메인 릴레이(40) 및 인버터(30)에 대해서는 고전압 상태를 유지하도록 함으로써, 고전압과 저전압 절연 기능을 수행하게 된다.
제1반도체 스위치(220)는 프리차지 릴레이로써, 고전압 배터리(10) 전원을 스위칭하고 인버터(30)에 필요한 전류를 흘려 줄 수 있는 IGBT, FET, 트랜지스터 등과 같은 전력용 반도체 소자가 적용 될 수 있다.
제1반도체 스위치(220)는 게이트가 포토 커플러(210)의 출력에 연결되어 있으며 컬렉터는 고전압 배터리(10)와 연결되고 이미터는 제1프리차지 저항(240)과 연결되어 있어, 포토 커플러(210)의 출력전압에 의해 온/오프 제어되어 고전압 배터리(10) 전원을 제1프리차지 저항(240)을 통해 인버터에 출력한다.
제2반도체 스위치(230) 역시 마찬가지로 프리차지 릴레이로써, 제1반도체 스위치(220)와 병렬로 연결되어 이중화(Redundancy) 구조로 적용되어 있다.
제2반도체 스위치(230) 역시 제1반도체 스위치(220)와 마찬가지로 IGBT, FET, 트랜지스터 등과 같은 전력용 반도체 소자가 적용 될 수 있다.
또한, 제2반도체 스위치(230)는 게이트가 포토 커플러(210)의 출력에 제1반도체 스위치(220)와 병렬로 연결되어 있으며, 컬렉터는 제2프리차지 저항(250)을 통해 고전압 배터리(10)와 연결되어 있으며, 이미터는 인버터에 연결되어 있어, 포토 커플러(210)의 출력전압에 의해 온/오프 제어되어 고전압 배터리(10) 전원을 인버터에 출력한다.
다만, 제2반도체 스위치(230)는 고전압 배터리(10) 전원을 제2프리차지 저항(250)을 통해서 제공받아 스위칭하여 인버터(20)에 전류를 흘려주기 때문에 회로의 구조상 제1반도체 스위치(220)와 제1프리차지 저항(240)의 회로 배치와 반대의 구조로 배치된다.
즉, 제1반도체 스위치(220)에 의한 프리차지 회로가, 고전압 배터리(10) - 제1반도체 스위치(220) - 제1프리차지 저항(240) - 인버터(30) 순서인데 반해, 제2반도체 스위치(240)에 의한 프리차지 회로는, 고전압 배터리(10) - 제2프리차지 저항(250) - 제2반도체 스위치(230) - 인버터(30) 순서로 구성된다.
도 2에서는 제1반도체 스위치(220)에 의한 프리차지 회로를 제1프리차지 회로(201), 제2반도체 스위치(230)에 의한 프리차지 회로를 제2프리차지 회로(202)라고 정의하였다.
제1프리차지 회로(201)와 제2프리차지 회로(202)는 반도체 스위치와 프리차지 저항의 연결 순서만 반대인 상태로 이중화 구조를 이루고 있다.
제1반도체 스위치(220)와 제2반도체 스위치(230)는 포토 커플러(210)의 출력에 동시에 연결되어 있어, 포토 커플러(210)의 출력전압에 의해 온/오프가 동시에 제어된다.
따라서 제1프리차지 회로(201)와 제2프리차지 회로(202)는 동시에 동작하여 고전압 배터리(10)전원을 인버터(30)로 공급하게 된다.
이때 인버터(30)로 공급하는 전원의 전류를 제한하기 위한 구성이 제1프리차지 저항(240)과 제2프리차지 저항(250)이다.
제1프리차지 저항(240)과 제2프리차지 저항(250)은 고전압에 의한 손상을 방지하기 위해 PTC 저항 등과 같은 열가변 저항기가 적용된다.
PTC 저항은 고온에서 저항이 점점 커지는 특성을 가지고 있으며, 이로 인해 고전류로 인해 저항이 과열되면 저항이 무한대로 커지면서 회로를 차단시키게 된다.
만약 반복되는 동작에 의해 프리차지 저항에 전류가 계속 흐르게 되면 온도가 올라가면서 저항이 커지다가 어느순간 회로가 차단되는데 도 2의 PRA의 프리차지 이중화 회로(200)에서는 프리차지 회로를 제1프리차지 회로(201)와 제2프리차지 회로(202)로 이중화 구조를 적용하여 연속되는 반복 동작에 의한 회로차단을 막도록 하였다.
이러한 PRA의 프리차지 이중화 회로(200)의 동작에 따른 전류 흐름을 도 3과 도 4에서 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로의 제1반도체 스위치 및 제2반도체 스위치가 동작하는 초기단계의 전류의 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 3을 참조하면 PRA의 프리차지 이중화 회로(200)에서 포토 커플러(210)에 저전압 전원(20)이 입력되면, 포토 커플러(210)는 출력을 발생시켜 제1반도체 스위치(220)와 제2반도체 스위치(230)를 턴 온(Turn-On) 시킨다.
제1반도체 스위치(220)와 제2반도체 스위치(230)가 온(On)되면, 제1프리차지 회로(201)와 제2프리차지 회로(202)에 고전압 배터리(10)로부터 전류가 흐르게 된다.
이때 전류는 각각 제1프리차지 저항(240)과 제2프리차지 저항(250)에 의한 제한되게 되는데, 고전압 배터리(10)로부터 흘러나오는 전류의 경로는 지점 A까지는 하나의 경로로 전류가 흐르다가 지점 A에서 제1프리차지 회로(201)와 제2프리차지 회로(202) 각각의 경로로 전류가 나누어져 흐르게 된다.
이때, 제1프리차지 회로(201)는 경로상에 제1반도체 스위치(220)가 먼저 위치해 있고, 제2프리차지 회로(202)는 경로상에 제2프리차지 저항(240)이 먼저 위치해 있다.
전류는 저항이 낮은곳으로 흐르려는 특성이 있으므로 저항이 낮은 제1반도체 스위치(220)의 경로로 대부분의 전류가 먼저 흐르게 된다.
이때 제1프리차지 회로(201)에 구성된 제1프리차지 저항(240)이 제2프리차지 저항(250)보다 초기 저항값이 작으면 전류는 더더욱 제1프리차지 회로(201)의 경로로 흐르게 된다.
즉, 인버터(30)에 공급되는 대부분의 전류가 제1프리차지 회로(201)에 흐르게 되며, 이를 통해 제1프리차지 회로(201)에 구성된 제1프리차지 저항(240)에 반복적으로 전류가 흐르게 되면, 제1프리차지 저항(240)은 고온발생에 의해 저항값이 무한대로 증가하게 된다.
반복적인 프리차지 동작으로 제1프리차지 저항(240)의 저항값이 무한대가 되어 회로가 차단되면, 제1프리차지 회로(201)에는 더이상 고전압 배터리(10)전류가 흐르지 못한다.
이러한 상황에서 추가적인 프리차지 동작이 발생하면, 도 4에 표시된 것과 같은 흐름으로 전류는 흐르게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 프리차지 이중화 회로의 제1프리차지 저항이 과열로 차단된 이후 전류의 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 4에 표시된 것과 같이 고전압 배터리(10) 전원의 전류는 제1프리차지 회로(201) 대신 이전의 프리차지 동작에서 소량의 전류가 흐르던 제2프리차지 회로(202)에 모두 흐르게 되어 인버터(30)에 전류를 공급하게 된다.
즉, PRA의 프리차지 이중화 회로(200)는 반복적인 프리차지 동작에 의해 하나의 프리차지 저항이 오픈되어 회로가 차단되어도 다른 하나의 프리차지 저항에 의해 프리차지 동작이 가능하기 때문에 프리치지 반복 횟수가 2배가 되는 장점을 가지게 된다.
또한, 프리차지 반복 동작의 횟수를 늘리는 장점과 함께 제1프리차지 회로(201) 또는 제2프리차지 회로(202)의 부품에 고장이 발생하는 경우, 하나의 프리차지 회로를 사용하지 못하더라도 다른 하나의 프리차지 회로를 사용할 수 있어 전체 시스템의 고장률을 낮출 수 있는 장점을 가진다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
200 : PRA의 프리차지 이중화 회로
210 : 포토 커플러 220 : 제1반도체 스위치
230 : 제2반도체 스위치 240 : 제1프리차지 저항
250 : 제2프리차지 저항
100 : 프리차지 회로 110 : 포토 커플러
120 : 프리차지 릴레이 130 : 프리차지 저항
10 : 고전압 배터리 20 : 저전압 전원
30 : 인버터

Claims (4)

  1. 고전압 배터리 전원을 인버터에 공급하기 위한 PRA의 프리차지 이중화 회로에서,
    입력전압을 변환하여 후단으로 출력하는 포토 커플러;
    상기 포토 커플러의 출력에 의해 상기 고전압 배터리 전원을 스위칭하는 제1반도체 스위치;
    상기 제1반도체 스위치의 출력과 상기 인버터 사이에 고전류 차단을 위해 직렬로 연결되는 제1프리차지 저항;
    상기 고전압 배터리에 상기 제1반도체 스위치와 병렬로 연결된 제2프리차지 저항; 및
    상기 제2프리차지 저항과 직렬로 연결되고, 출력이 상기 인버터에 연결되어 상기 포토 커플러의 출력에 의해 상기 제2프리차지 저항을 통해 공급되는 상기 고전압 배터리 전원을 스위칭하는 제2반도체 스위치; 를 포함하는 프리차지 이중화 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1프리차지 저항과 상기 제2프리차지 저항은 PTC 저항으로 구성되는 프리차지 이중화 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1반도체 스위치와 상기 제2반도체 스위치는 상기 포토 커플러의 출력에 의해 동시에 스위칭되는 프리차지 이중화 회로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1프리차지 저항의 저항값은 상기 제2프리차지 저항의 저항값보다 작은 프리차지 이중화 회로.
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