KR20210060209A - 게이트 구동회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

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KR20210060209A
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이규열
이상진
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 배터리 시스템은, 외부장치와 전기적 연결을 제어하는 릴레이; 상기 릴레이의 스위칭을 제어하는 제어신호를 생성하는 BMS; 및 상기 BMS로부터 인에이블(enable) 레벨의 제1 제어신호를 수신하여 온 동작하는 적어도 하나의 충전 트랜지스터와, 상기 충전 트랜지스터의 온 동작으로 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동 전압을 충전하는 저장 커패시터와, 상기 저장 커패시터와 병렬 연결되어 상기 구동 전압의 레벨을 유지하는 제너다이오드를 포함하는 게이트 구동회로;를 포함하고, 상기 게이트 구동회로는, 상기 구동 전압으로 상기 릴레이의 온/오프를 제어하는 게이트 전압을 생성한다.

Description

게이트 구동회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템{Gate Driving Circuit and Battery System having the same}
본 발명은 게이트 구동회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
릴레이(relay)는 미리 정해진 전기적 신호를 이용하여 전기회로의 온/오프를 제어하는 장치로, 작동원리에 따라 기계식 릴레이와 전자식 릴레이로 분류된다. 기계식 릴레이는 전자석을 이용하여 전자석에 전류가 흐르면 자성 접점이 전극에 붙어 회로가 연결됨으로써 전기회로에 대한 온/오프를 제어하는 방식이다.
전자식 릴레이는 릴레이의 전기회로 개폐부에 반도체 스위칭 소자를 사용하여 전기적 접점을 제거(무접점)한 릴레이로서, 내부에 전기적으로 절연된 입력측과 반도체로 구성되어 고부하 개폐 기능을 갖는 출력측이 있다. 즉, 전자식 릴레이는, 입력측에 전기적 신호가 주어지면 출력측으로 고부하의 전류가 흐르게 되어 전기회로에 대한 온/오프를 제어하는 방식이다. 전자식 릴레이는 입력신호가 매우 작더라도 고부하의 출력신호를 제어할 수 있고, 기계적 작동부가 없어 수명이 길고 응답속도가 빠르며, 충격이나 진동, 설치 위치 등에 대한 영향을 적게 받아 기계식 릴레이보다 널리 사용되고 있다.
한편, 반도체 스위칭 소자로 금속산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET, Metal-Oxide Field Effect Transistor)가 널리 사용되는데, 이러한 MOSFET을 구동시키기 위해서는 게이트(Gate)에 전력을 인가해야 한다.
종래 게이트 구동회로는 반도체 스위칭 소자를 구동시키기 위한 별도의 전원회로를 구비하여, 게이트 구동회로가 복잡하고, 회로 면적이 증가하며, 추가 비용이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 별도의 전원회로 없이 배터리 팩의 전원으로 게이트 구동회로를 구동하여 반도체 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 게이트 구동회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 게이트 구동회로는, 인에이블(enable) 레벨의 제1 제어신호를 수신하여 온 동작하는 적어도 하나의 충전 트랜지스터와, 상기 충전 트랜지스터의 온 동작으로 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동 전압을 충전하는 저장 커패시터와, 상기 저장 커패시터와 병렬 연결되어 상기 구동 전압의 레벨을 유지하는 제너다이오드를 포함하는 충전부; 및 상기 구동 전압으로 릴레이의 온/오프를 제어하는 게이트 전압을 생성하는 구동부;를 포함한다.
상기 구동부는, PWM 형태 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 게이트 전압을 생성하는 적어도 하나의 구동 트랜지스터;를 포함할 수 있다.
상기 구동부는, 로우 레벨의 상기 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 온 레벨의 상기 게이트 전압을 생성할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 외부장치와 전기적 연결을 제어하는 릴레이; 상기 릴레이의 스위칭을 제어하는 제어신호를 생성하는 BMS; 및 상기 BMS로부터 인에이블(enable) 레벨의 제1 제어신호를 수신하여 온 동작하는 적어도 하나의 충전 트랜지스터와, 상기 충전 트랜지스터의 온 동작으로 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동 전압을 충전하는 저장 커패시터와, 상기 저장 커패시터와 병렬 연결되어 상기 구동 전압의 레벨을 유지하는 제너다이오드를 포함하는 게이트 구동회로;를 포함하고, 상기 게이트 구동회로는, 상기 구동 전압으로 상기 릴레이의 온/오프를 제어하는 게이트 전압을 생성한다.
상기 게이트 구동회로는, 상기 BMS로부터 PWM 형태 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 게이트 전압을 생성하는 적어도 하나의 구동 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 게이트 구동회로는, 로우 레벨의 상기 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 온 레벨의 상기 게이트 전압을 생성할 수 있다.
상기 게이트 구동회로는, 인에이블 레벨의 상기 제1 제어신호를 수신하고 충전시간 후 로우 레벨의 상기 제2 제어신호를 수신할 수 있다.
상기 릴레이는, 프리차지 릴레이를 포함하고, 상기 게이트 구동회로는, 상기 프리차지 릴레이의 온/오프를 제어하는 제1 게이트 구동회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 게이트 구동회로는, 상기 BMS로부터 인에이블 레벨의 제1 프리차지 제어신호를 수신하여 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 상기 구동 전압을 충전하고 상기 BMS로부터 PWM 형태 제2 프리차지 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 프리차지 릴레이의 온/오프를 제어하는 제1 게이트 전압을 생성할 수 있다.
상기 제1 게이트 구동회로는, 로우 레벨의 상기 제2 프리차지 제어신호를 수신하여 온 레벨의 상기 제1 게이트 전압을 생성할 수 있다.
상기 제1 게이트 구동회로는, 인에이블 레벨의 상기 제1 프리차지 제어신호를 수신하고 충전시간 후 로우 레벨의 상기 제2 프리차지 제어신호를 수신할 수 있다.
상기 릴레이는, 상기 외부장치와 전기적 연결을 제어하는 메인 릴레이를 포함하고, 상기 게이트 구동회로는, 상기 메인 릴레이의 온/오프를 제어하는 제2 게이트 구동회로를 포함할 수 있다.
상기 제2 게이트 구동회로는, 상기 BMS로부터 인에이블 레벨의 제1 메인 제어신호를 수신하여 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 상기 구동 전압을 충전하고 상기 BMS로부터 PWM 형태 제2 메인 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 메인 릴레이의 온/오프를 제어하는 제2 게이트 전압을 생성할 수 있다.
상기 제2 게이트 구동회로는, 로우 레벨의 상기 제2 메인 제어신호를 수신하여 온 레벨의 상기 제2 게이트 전압을 생성할 수 있다.
상기 제2 게이트 구동회로는, 인에이블 레벨의 상기 제1 메인 제어신호를 수신하고 충전시간 후 로우 레벨의 상기 제2 메인 제어신호를 수신할 수 있다.
상기 BMS는, 로우 레벨의 상기 제2 프리차지 제어신호를 상기 제1 게이트 구동회로에 전달하고 프리차지 시간 후 로우 레벨의 상기 제2 메인 제어신호를 상기 제2 게이트 구동회로에 전달할 수 있다.
본 발명은, 게이트 구동회로에 구비되던 별도의 전원회로를 제거하여 게이트 구동회로의 간소화, 면적 축소, 그리고 비용절감 효과를 갖는다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 도 1의 제1 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 블럭도이다.
도 3은 도 1의 제1 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 회로도이다.
도 4는 도 3의 프리차지 릴레이의 구동 시퀀스(Sequence)를 보여주는 파형도이다.
도 5는 도 1의 제2 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 블럭도이다.
도 6은 도 1의 제2 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 회로도이다.
도 7은 도 6의 메인 릴레이의 구동 시퀀스를 보여주는 파형도이다.
도 8은 도 4 및 도 7의 구동 시퀀스를 비교하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블럭도이고, 도 2는 도 1의 제1 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 블럭도이고, 도 3은 도 1의 제1 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 회로도이고, 도 4는 도 3의 프리차지 릴레이의 구동 시퀀스(Sequence)를 보여주는 파형도이다.
도 1을 참고하면, 배터리 시스템(1)은 배터리 팩(10), BMS(20), 릴레이(30), 그리고 게이트 구동회로(40)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 복수의 배터리 셀이 직렬/병렬 연결되어 필요한 전원을 공급할 수 있다. 도 1에서는, 배터리 팩(10)이 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 출력단(OUT1) 사이에 릴레이(30)가 연결되어 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
BMS(20)는 릴레이(30)의 스위칭을 제어하는 제어신호를 생성하여 게이트 구동회로(40)에 전달할 수 있다. 예를 들어, BMS(20)는 게이트 구동회로(40)를 인에이블(enable) 시키는 제1 제어신호 및 게이트 전압 PWM 형태의 제2 제어신호를 게이트 구동회로(40)에 전달한다. 게이트 구동회로(40)는 제1 제어신호의 인에이블 레벨에 따라 배터리 팩(10)을 이용하여 게이트 구동회로(40)의 동작에 필요한 구동 전압을 충전하고, 제2 제어신호에 따라 릴레이(30)의 온/오프를 제어하기 위한 게이트 전압을 생성한다.
릴레이(30)는, 프리차지 릴레이(Pre-charge Relay)(31), 그리고 프리차지 릴레이(31)와 병렬 연결되는 메인 릴레이(33)를 포함할 수 있다. 릴레이(30)는, 반도체 스위칭 소자를 포함하여 전자식 릴레이로 구성될 수 있다. 반도체 스위칭 소자는 금속산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET, Metal-Oxide Field Effect Transistor)가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
프리차지 릴레이(31)는 MOSFET으로 구현되어 온 레벨의 제1 게이트 전압(VG1)에 따라 스위칭 될 수 있고, 저항(R)과 직렬 연결될 수 있다. 프리차지 릴레이(31)는 배터리 팩(10)과 외부장치 연결 시 발생하는 서지 전류를 감소시켜 서지 전류에 의한 메인 릴레이(33)의 파손을 방지할 수 있다. 예를 들어, 프리차지 릴레이(31)는 메인 릴레이(33)의 턴 온 전에 먼저 턴 온 되고, 메인 릴레이(33)가 턴 온 되고 소정시간 경과 후 턴 오프되어 서지 전류를 감소시킬 수 있다.
메인 릴레이(33)는 MOSFET으로 구현되어 온 레벨의 제2 게이트 전압(VG2)에 따라 스위칭될 수 있다. 메인 릴레이(33)는 배터리 시스템(1)과 외부장치(ex, 부하, 충전기) 간의 전기적 연결을 제어한다. 메인 릴레이(33)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행된다. 예를 들어, 외부 장치가 부하인 경우 배터리 팩(10)으로부터 부하로 전력이 공급되는 방전 동작이 수행되고, 외부 장치가 충전기인 경우 배터리 팩(10)이 충전기에 의해 충전되는 충전 동작이 될 수 있다. 메인 릴레이(33)가 오프 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 분리된다.
게이트 구동회로(40)는 제1 게이트 구동회로(41) 및 제2 게이트 구동회로(43)를 포함할 수 있다.
제1 게이트 구동회로(41)는, 인에이블 레벨의 제1 프리차지 제어신호(ES1)를 수신하여 구동 전압을 충전하고, 온 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)을 수신하여 프리차지 릴레이(31)를 온 시킬 수 있는 제1 게이트 전압(VG1)을 생성한다. 제2 게이트 구동회로(43)는, 인에이블 레벨의 제1 메인 제어신호(ES2)를 수신하여 구동 전압을 충전하고, 온 레벨의 제2 메인 제어신호(CS2)을 수신하여 메인 릴레이(33)를 온 시킬 수 있는 제2 게이트 전압(VG2)을 생성한다.
제1 게이트 구동회로(41)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 충전부(411) 및 구동부(413)를 포함하고, 제1 게이트 구동회로(41)의 일단은 배터리 팩(10)의 양극에 연결되고 타단은 릴레이(30)의 출력단에 연결될 수 있다.
충전부(411)는, 제1 프리차지 제어신호(ES1)의 인에이블 레벨에 의해 트리거되어, 배터리 팩(10)을 이용하여 구동 전압을 충전할 수 있다. 예를 들어, 충전부(411)는 수십 또는 수백 볼트의 배터리 팩(10)을 이용하여 MOSFET을 스위칭 시킬 수 있는 레벨의 제1 게이트 전압(VG1)을 생성하기 위해, 구동 전압을 커패시터에 충전하고 유지할 수 있다.
충전부(411)는, 도 3을 참고하면, 제1 충전 트랜지스터(TR_C1), 제2 충전 트랜지스터(TR_C2), 저장 커패시터(C), 그리고 제너다이오드(ZD)를 포함할 수 있다.
제1 충전 트랜지스터(TR_C1)의 베이스 단은 BMS(20)로부터 전달되는 제1 프리차지 제어신호(ES1)를 수신하고, 컬렉터 단은 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)의 베이스 단에 연결된다. 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)의 컬렉터 단은 배터리 팩(10)의 양극에 연결되고, 에미터 단은 제1 저항(Ra)를 통해 저장 커패시터(C)의 일단 및 제너다이오드(ZD)의 캐소드에 연결된다. 제1 충전 트랜지스터(TR_C1)는 NPN 타입의 트랜지스터로 제1 프리차지 제어신호(ES1)의 하이 레벨에 의해 온되고, 로우 레벨에 의해 오프된다. 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)는 PNP 타입의 트랜지스터로 베이스 단으로 입력되는 신호의 하이 레벨에 의해 오프 되고, 로우 레벨에 의해 온 된다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 시점 T1에, 인에이블(enable) 레벨, 예를 들어, 하이 레벨의 제1 프리차지 제어신호(ES1)가 제1 충전 트랜지스터(TR_C1)의 베이스 단에 입력되면 제1 충전 트랜지스터(TR_C1)는 온되어 제1 충전 트랜지스터(TR_C1)의 컬렉터 단은 그라운드(GND)에 연결된다. 제1 충전 트랜지스터(TR_C1)의 컬렉터 단에 연결된 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)의 베이스 단에 그라운드(GND) 레벨의 전압이 인가되고, 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)가 온된다. 그러면, 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)를 통해 배터리 팩(10)의 양극과 저장 커패시터(C)가 연결되고, 배터리 팩(10)으로부터 공급되는 전력에 의해 저장 커패시터(C)가 충전되어, 구동 전압이 생성된다. 구동 전압은 저장 커패시터(C)에 충전된 전압이다.
제너다이오드(ZD)는 저장 커패시터(C)와 병렬 연결되어 저장 커패시터(C)에 충전된 전압을 제너다이오드(ZD)의 항복 전압으로 클램핑하여, 구동 전압의 레벨을 일정하게 유지할 수 있다.
구동부(413)는 제2 프리차지 제어신호(CS1)에 따라 충전된 구동 전압을 이용하여 제1 게이트 전압(VG1)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 구동부(413)는, MOSFET의 게이트(Gate) 단에 온 레벨(예를 들어, 하이 레벨)의 제1 게이트 전압(VG1)을 생성하여 프리차지 릴레이(31)를 온 시킬 수 있다. 이때, 제1 게이트 전압(VG1)은 구동 전압과 동일한 레벨일 수 있다.
구동부(413)는, 도 3을 참고하면, 제1 구동 트랜지스터(TR_D1), 제2 구동 트랜지스터(TR_D2), 그리고 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)를 포함할 수 있다.
제1 구동 트랜지스터(TR_D1)의 베이스 단은 BMS(20)로부터 전달되는 제2 프리차지 제어신호(CS1)를 수신하고, 컬렉터 단은 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)의 베이스 단 및 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)의 베이스 단에 연결된다. 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)의 컬렉터 단은 제3 저항(Rc)를 통해 저장 커패시터(C)의 일단과 연결되고, 에미터 단은 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)의 에미터 단 및 MOSFET의 게이트 단에 연결된다. 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)의 에미터 단은 MOSFET의 게이트 단에 연결되고, 컬렉터 단은 릴레이(30)의 출력단 및 외부 장치와 연결된다. 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)는 NPN 타입의 트랜지스터로 제2 프리차지 제어신호(CS1)의 하이레벨에 의해 온되고, 로우 레벨에 의해 오프된다. 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)는 NPN 타입의 트랜지스터로 베이스 단으로 입력되는 신호의 하이 레벨에 의해 온되고, 로우 레벨에 의해 오프된다. 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)는 PNP 타입의 트랜지스터로 베이스 단으로 입력되는 신호의 하이 레벨에 의해 오프 되고, 로우 레벨에 의해 온 된다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 시점 T2 이전에는, 하이 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)가 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)의 베이스 단에 인가된다. 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)는 하이 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)에 의해 온 되어, 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)의 컬렉터 단은 그라운드(GND)에 연결된다. 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)의 컬렉터 단에 연결된 제2 구동 트랜지스터(TR_D2) 및 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)의 베이스 단에 그라운드(GND) 레벨의 전압이 인가되어, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)는 오프되고 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)는 온 된다. 그러면, MOSFET의 게이트 단과 소스 단이 온 상태인 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)를 통해 연결되어, 프리차지 릴레이(31)는 오프 상태이다.
시점 T2에, 제2 프리차지 제어신호(CS1)가 로우 레벨로 하강하고, 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)의 베이스 단에 로우 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)가 인가되어 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)는 턴 오프 된다. 그러면, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)의 베이스 단으로 구동 전압에 따른 하이 레벨의 전압이 인가되고, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)가 턴 온 된다. 턴 온 된 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)를 통해 구동 전압이 온 레벨의 제1 게이트 전압(VG1)으로 MOSFET의 게이트 단에 인가되고, 프리차지 릴레이(31)가 턴 온 된다.
예를 들어, 제1 게이트 구동회로(41)는, 충전시간(T2-T1)만큼 시간 차를 두고 인에이블 레벨로 변경된 제1 프리차지 제어신호(ES1) 및 로우 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)를 수신할 수 있다. 그러면, 제1 게이트 구동회로(41)는 충전시간(T2-T1) 동안 구동 전압을 충전하고, 시점 T2에서 제1 게이트 전압(VG1)을 생성한다.
시점 T3에, 제2 프리차지 제어신호(CS1)가 다시 하이 레벨로 상승하면, 제1 구동 트랜지스터(TR_D1) 및 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)는 턴 온, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)는 턴 오프로 변경되고, 프리차지 릴레이(31)는 턴 오프 된다.
예를 들어, 제1 게이트 구동회로(41)는, 제2 프리차지 제어신호(CS1)가 다시 하이 레벨로 상승하는 T3 시점 또는 그 이전에 로우 레벨의 제1 프리차지 제어신호(ES1)를 수신할 수 있다. 제1 게이트 구동회로(41)는 저장 커패시터(C)의 충전에 필요한 시간에 대응하여 하이 레벨의 제1 프리차지 제어신호(ES1)를 수신할 수 있다.
도 5는 도 1의 제2 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 블럭도이고, 도 6은 도 1의 제2 게이트 구동회로의 기능을 자세히 설명하는 회로도이고, 도 7은 도 6의 메인 릴레이의 구동 시퀀스를 보여주는 파형도이다.
제2 게이트 구동회로(43)는, 도 1 및 도 5를 참고하면, 충전부(431) 및 구동부(433)를 포함한다. 제2 게이트 구동회로(43)의 일단은 배터리 팩(10)의 양극에 연결되고 타단은 릴레이(30)의 출력단에 연결될 수 있다.
충전부(431)는, 제2 메인 제어신호(ES2)의 인에이블 레벨에 의해 트리거되어, 배터리 팩(10)을 이용하여 구동 전압을 충전할 수 있다. 예를 들어, 충전부(431)는 수십 또는 수백 볼트의 배터리 팩(10)을 이용하여 MOSFET을 스위칭 시킬 수 있는 레벨의 제2 게이트 전압(VG2)을 생성하기 위해, 구동 전압을 커패시터에 충전하고 유지할 수 있다.
구동부(433)는 제2 메인 제어신호(CS2)에 따라 충전된 구동 전압을 이용하여 제2 게이트 전압(VG2)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 구동부(433)는, MOSFET의 게이트 단에 온 레벨(예를 들어, 하이 레벨)의 제2 게이트 전압(VG2)을 생성하여 메인 릴레이(33)를 온 시킬 수 있다. 이때, 제2 게이트 전압(VG2)은 구동 전압과 동일한 레벨일 수 있다.
도 3 및 도 6을 참고하면, 제1 게이트 구동회로(41)와 제2 게이트 구동회로(43)는 구성들의 타입 및 구성들 간의 연결관계가 동일하다. 예를 들어, 제2 게이트 구동회로(43)의 충전부(431)는, 제1 충전 트랜지스터(TR_C1), 제2 충전 트랜지스터(TR_C2), 저장 커패시터(C), 및 제너다이오드(ZD)를 포함하고, 구동부(433)는 제1 구동 트랜지스터(TR_D1), 제2 구동 트랜지스터(TR_D2), 그리고 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)를 포함할 수 있다. 이하, 도 6에 도시된 제2 게이트 구동회로(43)의 충전부(431) 및 구동부(433)의 구성들의 타입 및 구성들 간의 연결관계에 대한 설명은 도 3에 도시된 동일한 기호로 매칭되는 제1 게이트 구동회로(41)의 충전부(411) 및 구동부(413)의 구성들의 설명으로 갈음한다. 이하, 제2 게이트 구동회로(43)의 충전부(431) 및 구동부(433)의 동작을 설명한다.
도 6 및 도 7을 참고하면, T1-1에, 인에이블(enable) 레벨, 예를 들어, 하이 레벨의 제1 메인 제어신호(ES2)가 제1 충전 트랜지스터(TR_C1)의 베이스 단에 입력되면, 제1 충전 트랜지스터(TR_C1) 및 제2 충전 트랜지스터(TR_C2)가 온된다. 그러면, 배터리 팩(10)으로부터 공급되는 전력에 의해 저장 커패시터(C)가 충전되어, 구동 전압이 생성된다.
시점 T2_1 이전에는, 하이 레벨의 제2 메인 제어신호(CS2)가 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)의 베이스 단에 인가된다. 제1 구동 트랜지스터(TR_D1) 및 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)는 온 되고, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)는 오프된다. 그러면, MOSFET의 게이트 단과 소스 단이 온 상태인 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)를 통해 연결되어, 메인 릴레이(33)는 오프 상태이다.
시점 T2_1에, 제2 메인 제어신호(CS2)가 로우 레벨로 하강하면, 제1 구동 트랜지스터(TR_D1)는 턴 오프되고, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)가 턴 온 된다. 턴 온 된 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)를 통해 구동 전압이 온 레벨의 제2 게이트 전압(VG2)으로 MOSFET의 게이트 단에 인가되고, 메인 릴레이(33)가 턴 온 된다.
예를 들어, 제2 게이트 구동회로(43)는, 충전시간(T2_1-T1_1)만큼 시간 차를 두고 인에이블 레벨로 변경된 제1 메인 제어신호(ES2) 및 로우 레벨의 제2 메인 제어신호(CS2)를 수신할 수 있다. 그러면, 제2 게이트 구동회로(43)는 충전시간(T2_1-T1_1) 동안 구동 전압을 충전하고, 시점 T2_1에서 제2 게이트 전압(VG2)을 생성한다.
시점 T3_1에, 제2 메인 제어신호(CS2)가 다시 하이 레벨로 상승하면, 제1 구동 트랜지스터(TR_D1) 및 제3 구동 트랜지스터(TR_D3)는 턴 온, 제2 구동 트랜지스터(TR_D2)는 턴 오프로 변경되고, 메인 릴레이(33)는 턴 오프 된다.
도 8은 도 4 및 도 7의 구동 시퀀스를 비교하는 도면이다.
도 8을 참고하면, TA 시점에, BMS(20)가 인에이블 레벨의 제1 프리차지 제어신호(ES1) 및 제1 메인 제어신호(ES2)를 전달하면, 제1 게이트 구동회로(41) 및 제2 게이트 구동회로(43)의 동작에 필요한 구동 전압이 같은 시간에 충전될 수 있다. 이에 한정되지 않고, BMS(20)는 인에이블 레벨의 제1 프리차지 제어신호(ES1)를 전달한 이후에 인에이블 레벨의 제1 메인 제어신호(ES2)를 전달할 수 있다.
BMS(20)는 메인 릴레이(33)의 턴 온 전에 프리차지 릴레이(31)가 먼저 턴 온 되고, 메인 릴레이(33)가 턴 온 되고 소정시간 경과 후 프리차지 릴레이(31)가 턴 오프되도록 제2 프리차지 제어신호(CS1) 및 제2 메인 제어신호(CS2)를 전달할 수 있다.
시점 TB에, 예를 들어, BMS(20)는 로우 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)를 제1 게이트 구동회로(41)에 전달하여 프리차지 릴레이(31)를 턴 온 시키고, 프리차지 시간 후, 예를 들어, 시점 TC에, 로우 레벨의 제2 메인 제어신호(CS2)를 제2 게이트 구동회로(43)에 전달하여 메인 릴레이(33)를 턴온 시킬 수 있다. BMS(20)는, 메인 릴레이(33)가 턴 온 상태인 시점 TD에 다시 하이 레벨의 제2 프리차지 제어신호(CS1)를 제1 게이트 구동회로(41)에 전달하여 프리차지 릴레이(31)를 턴 오프시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
1: 배터리 시스템
10: 배터리 팩
20: BMS
30: 릴레이
40: 게이트 구동회로

Claims (16)

  1. 인에이블(enable) 레벨의 제1 제어신호를 수신하여 온 동작하는 적어도 하나의 충전 트랜지스터와, 상기 충전 트랜지스터의 온 동작으로 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동 전압을 충전하는 저장 커패시터와, 상기 저장 커패시터와 병렬 연결되어 상기 구동 전압의 레벨을 유지하는 제너다이오드를 포함하는 충전부; 및
    상기 구동 전압으로 릴레이의 온/오프를 제어하는 게이트 전압을 생성하는 구동부를 포함하는 게이트 구동회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    PWM 형태 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 게이트 전압을 생성하는 적어도 하나의 구동 트랜지스터를 포함하는 게이트 구동회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는,
    로우 레벨의 상기 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 온 레벨의 상기 게이트 전압을 생성하는 게이트 구동회로.
  4. 외부장치와 전기적 연결을 제어하는 릴레이;
    상기 릴레이의 스위칭을 제어하는 제어신호를 생성하는 BMS; 및
    상기 BMS로부터 인에이블(enable) 레벨의 제1 제어신호를 수신하여 온 동작하는 적어도 하나의 충전 트랜지스터와, 상기 충전 트랜지스터의 온 동작으로 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 구동 전압을 충전하는 저장 커패시터와, 상기 저장 커패시터와 병렬 연결되어 상기 구동 전압의 레벨을 유지하는 제너다이오드를 포함하는 게이트 구동회로를 포함하고,
    상기 게이트 구동회로는,
    상기 구동 전압으로 상기 릴레이의 온/오프를 제어하는 게이트 전압을 생성하는 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 게이트 구동회로는,
    상기 BMS로부터 PWM 형태 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 게이트 전압을 생성하는 적어도 하나의 구동 트랜지스터를 더 포함하는 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 게이트 구동회로는,
    로우 레벨의 상기 제2 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 온 레벨의 상기 게이트 전압을 생성하는 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 게이트 구동회로는,
    인에이블 레벨의 상기 제1 제어신호를 수신하고 충전시간 후 로우 레벨의 상기 제2 제어신호를 수신하는 배터리 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 릴레이는, 프리차지 릴레이를 포함하고,
    상기 게이트 구동회로는, 상기 프리차지 릴레이의 온/오프를 제어하는 제1 게이트 구동회로를 포함하는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 게이트 구동회로는,
    상기 BMS로부터 인에이블 레벨의 제1 프리차지 제어신호를 수신하여 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 상기 구동 전압을 충전하고 상기 BMS로부터 PWM 형태 제2 프리차지 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 프리차지 릴레이의 온/오프를 제어하는 제1 게이트 전압을 생성하는 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 게이트 구동회로는,
    로우 레벨의 상기 제2 프리차지 제어신호를 수신하여 온 레벨의 상기 제1 게이트 전압을 생성하는 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 게이트 구동회로는,
    인에이블 레벨의 상기 제1 프리차지 제어신호를 수신하고 충전시간 후 로우 레벨의 상기 제2 프리차지 제어신호를 수신하는 배터리 시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 릴레이는, 상기 외부장치와 전기적 연결을 제어하는 메인 릴레이를 포함하고,
    상기 게이트 구동회로는, 상기 메인 릴레이의 온/오프를 제어하는 제2 게이트 구동회로를 포함하는 배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 게이트 구동회로는,
    상기 BMS로부터 인에이블 레벨의 제1 메인 제어신호를 수신하여 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 상기 구동 전압을 충전하고 상기 BMS로부터 PWM 형태 제2 메인 제어신호를 수신하여 상기 구동 전압으로 상기 메인 릴레이의 온/오프를 제어하는 제2 게이트 전압을 생성하는 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 게이트 구동회로는,
    로우 레벨의 상기 제2 메인 제어신호를 수신하여 온 레벨의 상기 제2 게이트 전압을 생성하는 배터리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 게이트 구동회로는,
    인에이블 레벨의 상기 제1 메인 제어신호를 수신하고 충전시간 후 로우 레벨의 상기 제2 메인 제어신호를 수신하는 배터리 시스템.
  16. 제10항 또는 제14항에 있어서,
    상기 BMS는,
    로우 레벨의 상기 제2 프리차지 제어신호를 상기 제1 게이트 구동회로에 전달하고 프리차지 시간 후 로우 레벨의 상기 제2 메인 제어신호를 상기 제2 게이트 구동회로에 전달하는 배터리 시스템.
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