KR20210114812A - 전자식 릴레이 - Google Patents

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KR20210114812A
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최회욱
김태형
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한국단자공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 저전압단과 고전압단 간의 절연을 유지하면서 저전압 배터리의 전압을 이용하여 고전압 배터리에서 부하로 전원을 공급할 수 있도록 하는 전자식 릴레이에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전자식 릴레이는, 저전압단과 고전압단을 절연하도록 구성되고 상기 저전압단의 저전압 배터리로부터 인가되는 입력전압을 다른 레벨의 구동전압으로 변환하여 출력하는 전력변환부; 및 상기 고전압단의 고전압 배터리와 부하 사이에 연결되어 상기 고전압 배터리로부터 상기 부하로 전압 공급 및 차단을 제어하는 스위칭부를 포함한다.

Description

전자식 릴레이{Solid state relay}
본 발명은 전자식 릴레이에 관한 것으로서, 특히 저전압단과 고전압단 간의 절연을 유지하면서 저전압 배터리의 전압을 이용하여 고전압 배터리에서 부하로 전원을 공급할 수 있도록 하는 전자식 릴레이에 관한 것이다.
내연 기관 자동차가 화석 연료를 주 에너지원으로 사용하는 것과는 다르게, 전기 자동차는 전기 에너지를 주 에너지원으로 사용한다. 따라서 전기 자동차는 전기 에너지를 저장할 수 있는 고전압 배터리가 필수적이다.
이러한 전기 자동차 내의 고전압 배터리에서 전기모터 등의 부하로 전원을 공급하기 위해서는 일반적으로 기계식 스위칭 장치를 사용하고 있다.
하지만, 기계식 스위칭 장치를 구성하기 위해서는 고가의 직접회로(IC)가 필요할 뿐만 아니라, 이로 인해 열방출을 위한 히트 싱크의 부착으로 인한 전체적인 회로의 사이즈 확대에 대한 문제점이 있어 왔다.
이를 해결하기 위해 한국공개특허공보 제10-2015-0061447호에는 별도의 외부 전원을 필요로 하지 않아 고가의 집적회로(IC)을 추가하지 않아도 되는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이가 개시되어 있다.
이러한 무접점 릴레이는 포토커플러를 이용하여 저전압단과 고전압단을 절연하며 포토커플러에서 출력되는 전류 및 전압으로 IGBT 스위치를 턴온시켜 고전압단에서 고전압 배터리와 부하를 연결하도록 한다.
그런데, 상기 무접점 릴레이는 출력전류, 즉 IGBT를 턴온시키기 위한 구동전류가 낮아 IGBT의 턴온 속도를 늦어지는 문제점이 있다. 또한, IGBT의 턴온 속도가 늦어짐에 따라 IGBT의 온도가 상승하면서 스위칭 손실이 커지는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 포토커플러에서 IGBT로 출력되는 전류가 약 30㎂ 정도로 낮아 IGBT의 스위칭 속도가 늦다는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2015-0061447호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 저전압단과 고전압단을 분리하여 절연하면서도 고전압단의 고전압 배터리에서 부하로 전압을 안정적으로 공급할 수 있도록 하는 전자식 릴레이를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 고전압 배터리와 부하 간에 연결된 IGBT의 턴온 속도를 빠르게 할 수 있도록 하는 전자식 릴레이를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기 IGBT의 온도 상승에 따른 스위칭 손실을 최소화할 수 있도록 하는 전자식 릴레이를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 IGBT의 스위칭 속도를 증가시켜 빠른 스위칭을 구현할 수 있는 전자식 릴레이를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자식 릴레이는, 저전압단과 고전압단을 절연하도록 구성되고 상기 저전압단의 저전압 배터리로부터 인가되는 DC 전압을 다른 레벨의 DC 구동전압으로 변환하여 출력하는 DC-DC 컨버터; 및 상기 고전압단의 고전압 배터리와 부하 사이에 연결되어 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 부하로 공급 및 차단하도록 제어하는 IGBT를 포함한다.
본 발명에서, 상기 IGBT는 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 상기 구동전압에 의해 턴온되어 상기 고전압 배터리의 전압이 상기 부하로 공급되도록 한다.
본 발명에서, 상기 DC-DC 컨버터는 내부에 변압기를 포함하며 상기 변압기에 의해 상기 저전압단과 고전압단 간의 전기적인 절연 구조를 형성한다.
본 발명에서, 상기 전력변환부와 스위칭부 사이에 상기 전력변환부에 직렬 또는 병렬로 연결된 저항소자를 더 포함한다.
본 발명에 의하면 DC/DC 컨버터를 이용하여 저전압단과 고전압단을 분리하여 절연하면서 IGBT의 구동전압에 최적화된 DC/DC 컨버터를 선정하여 IGBT에 최적화된 턴온 전압을 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면 DC/DC 컨버터에 연결된 저항의 크기를 조정하여 IGBT의 안정적인 턴온을 위한 높은 구동전압을 IGBT에 공급할 수 있으므로 IGBT의 턴온 속도의 저하를 방지하고 빠르게 턴온시킬 수 있다.
본 발명에 의하면 종래의 포토커플러와 비교하여 IGBT의 턴온 속도를 빠르게 할 수 있으므로 IGBT의 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 포토커플러의 온도 상승에 따른 턴온 속도의 변소를 제거할 수 있다.
본 발명에 의하면 IGBT의 구동전류를 충분히 높일 수 있으므로 IGBT의 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자식 릴레이의 개략적인 구성도.
도 2는 상기 전자식 릴레이의 상세 회로도.
도 3은 상기 전자식 릴레이의 동작을 설명하는 도면.
이하, 본 발명의 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전자식 릴레이를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자식 릴레이의 개략적인 구성도이고, 도 2는 상기 전자식 릴레이의 상세 회로도이고, 도 3은 상기 전자식 릴레이의 동작을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자식 릴레이(100)는 전력변환부(110) 및 스위칭부(120)를 포함할 수 있다.
전자식 릴레이(100)는 전력변환부(110)에서 저전압단에 배치된 저전압 배터리(10)에서 공급되는 전압을 변환하여 스위칭부(120)의 스위칭을 위한 구동전압으로 공급할 수 있다.
이에, 스위칭부(120)가 구동전압에 의해 스위칭을 수행하고, 이러한 스위칭에 의해 고전압단에 배치된 고전압 배터리(20)에서 고전압이 스위칭부(120)를 통해 부하(30)로 공급될 수 있다.
저전압 배터리(110)는 전력변환부(110)로 DC 전압을 공급하도록 한다. 본 실시예에서는 일례로 저전압 배터리(110)는 8~16V의 DC 전압이 전력변환부(110)로 인가될 수 있다.
이와 같이 전력변환부(110)는 저전압단과 고전압단 간의 절연을 유지하면서 DC 전압을 다른 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 본 실시예에서는 일례로 8~16V의 Dc 전압을 5V 또는 12V의 DC 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
본 실시예에서 전력변환부(110)는 저전압 배터리(10)의 DC 전압을 다른 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
이러한 DC-DC 컨버터는 내부에 포함되는 변압기(미도시)에 의해 저전압단과 고전압단이 전기적인 절연(isolated) 구조로 형성될 수 있다. DC-DC 컨버터는 공지기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서 전력변환부(110)는 LDO(Low Drop Out) 레귤레이터를 더 포함할 수도 있다. 즉, 전력변환부(110)는 직렬로 연결된 구조의 LDO 레귤레이터와 DC-DC 컨버터를 포함할 수도 있다.
이 경우, LDO 레귤레이터는 저전압 배터리(10)의 DC 전압으로 다른 레벨의 DC 전압으로 변환하고, 그 변환된 DC 전압이 DC-DC 컨버터로 입력될 수 있다.
한편, 스위칭부(120)는 고전압단의 고전압 배터리(20)와 부하(30) 사이에 연결된다. 이러한 스위칭부(120)는 외부에서 인가되는 구동전압의 입력 여부에 따라 턴온(turn-on) 및 턴오프(turn-off)되어 고전압 배터리(20)로부터 부하(30)로 전압 공급 및 차단을 제어할 수 있다.
구체적으로, 외부에서 구동전압이 인가되면 스위칭부(120)는 턴온되고, 구동전압이 인가되지 않으면 스위칭부(120)는 턴오프된다.
이러한 구동전압은 전력변환부(110)에서 스위칭부(120)로 공급된다. 즉, 전력변환부(110)는 저전압 배터리(10)의 전압을 변환하여 구동전압을 스위칭부(120)로 출력하도록 한다.
그리고, 스위칭부(130)는 고전압 배터리(20)와 부하(30) 사이에 연결되므로 스위칭부(120)가 턴온되면 고전압 배터리(20)의 전압이 부하(30)로 공급되고, 턴오프되면 고전압 배터리(30)에서 전압이 부하(30)로 공급되지 않는다.
본 실시예에서 예컨대 스위칭부(120)는 턴온/턴오프 가능한 IGBT를 포함할 수 있다. 전력변환부(110)로부터 구동전압이 IGBT로 인가되면 턴온되고 인가되지 않으면 턴오프된다. IGBT는 전압구동형 스위칭소자로 게이트(G), 콜렉터(C), 에미터(E) 단자를 포함한다. 전력변환부(110)로부터 구동전압이 게이트 단자로 인가되면 구동된다.
구체적으로, IGBT는 구동전압이 게이트로 인가되면 구동되고 콜렉터와 에미터 단자 간에는 도통되어 턴온된다. 반대로 구동전압이 인가되지 않으면 콜렉터와 에미터 단자 간에는 개방되어 턴오프된다.
IGBT가 턴온되면 고전압 배터리(20)와 부하(30) 간에는 도통되어 고전압 배터리(20)의 전압이 부하(30)로 공급된다.
본 실시예에서 부하(30)로는 예컨대 전기자동차의 인버터, 모터, 파워릴레이어셈블리(PRA:Power Relay Assembly) 등이 될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 전력변환부(110)에서 저전압단과 고전압단 간의 전기적인 절연 구조에 의해 전력변환부(110)를 기준으로 저전압단에서는 저전압 배터리(10)가 설치된 영역에서는 저전압 상태가 유지되도록 하고, 고전압단에서는 고전압 배터리(20), 스위칭부(120), 부하(30)가 설치된 영역에서는 고전압 상태를 유지하도록 한다.
특히, 본 실시예에서는 일례로 DC-DC 컨버터에 의해 저전압단과 고전압단 사이의 전기적 절연구조를 유지하도록 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전자식 릴레이의 동작을 설명한다.
먼저, 저전압 배터리(10)로부터 6~18V의 DC 전압이 전력변환부(110)로 인가되면, 전력변환부(110)는 5V 또는 12V의 DC 전압으로 변환하여 구동전압을 스위칭부(120)로 출력한다.
스위칭부(120)에 구동전압이 인가되면 스위칭부(120)는 턴온되고, 이에 따라 고전압 배터리(20)와 부하(30)가 전기적으로 연결되어 고전압 배터리(20)로부터 부하(30)에 전원이 공급된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 전력변환부(110)와 스위칭부(120) 사이에 전력변환부(110)에 직렬 또는 병렬로 저항(130)이 연결될 수도 있다. 도면에는 예시적으로 저항(130)이 전력변환부(110)에 병렬로 연결된 예를 도시하고 있으나, 직렬로 연결될 수도 있다.
이러한 저항(130)은 전력변환부(110)에서 스위칭부(120)으로 인가되는 전압 또는 전류의 크기를 조정할 수 있다.
예컨대, 전력변환부(110)에 저항(130)이 직렬로 연결될 경우 저항(130)의 저항값에 의해 구동전압의 크기를 조정할 수 있다. 이는 예를 들어 전기자동차에서 고전압단의 고전압 배터리(20), 스위칭부(120) 및 부하(30) 등이 이미 셋팅된 상태에서 본 발명의 전자식 릴레이를 추가하는 경우, 스위칭부(120)의 턴온에 필요한 구동전압을 조정하기 위해 저항(130)을 추가함으로써, 스위칭부(120)에서 턴온을 위해 필요로 하는 구동전압의 크기를 조정할 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 전력변환부(110)에 저항(130)이 병렬로 연결될 경우 저항(130)의 저항값에 의해 구동전류의 크기를 조정할 수 있다. 예컨대 스위칭부(120)가 IGBT로 구현되는 경우 충분한 구동전류가 공급되는 경우 IGBT의 스위칭 속도가 빨라질 수 있다. 따라서, IGBT의 스위칭 속도를 증가시키기 위해 충분히 높은 구동전류를 공급할 수 있도록 저항(130)의 저항값을 조정함으로써 구동전류의 크기를 조정할 수 있게 한다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 저전압 배터리 20 : 고전압 배터리
30 : 부하 110 : 전력변환부
120 : 스위칭부 130 : 저항

Claims (4)

  1. 저전압단과 고전압단을 절연하도록 구성되고 상기 저전압단의 저전압 배터리로부터 인가되는 DC 전압을 다른 레벨의 DC 구동전압으로 변환하여 출력하는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 고전압단의 고전압 배터리와 부하 사이에 연결되어 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 부하로 공급 및 차단하도록 제어하는 IGBT를 포함하는 전자식 릴레이.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 IGBT는 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 상기 구동전압에 의해 턴온되어 상기 고전압 배터리의 전압이 상기 부하로 공급되도록 하는 전자식 릴레이.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는 내부에 변압기를 포함하며 상기 변압기에 의해 상기 저전압단과 고전압단 간의 전기적인 절연 구조를 형성하는 전자식 릴레이.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전력변환부와 스위칭부 사이에 상기 전력변환부에 직렬 또는 병렬로 연결된 저항소자를 더 포함하는 전자식 릴레이.
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