KR20220090728A - 냉각수 히터 - Google Patents

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김재훈
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 냉각수 히터에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 발열체로의 전력 인가/차단 등을 제어하는 회로를 개선하여 서지(surge) 발생으로 인한 배터리 손상을 효과적으로 방지함으로써 회로 오동작 및 손상을 방지하고 내구성을 향상하는 냉각수 히터를 제공함에 있다.

Description

냉각수 히터 {Cooling water heater}
본 발명은 냉각수 히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열체에 전력을 인가하는 회로의 안정성을 향상하는 냉각수 히터에 관한 것이다.
휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원은 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 전기자동차, 하이브리드카 및 연료전지 차량 등이 실용화되거나 개발중에 있다.
그런데 전기자동차, 하이브리드카 및 연료전지 차량에서는 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 사용하는 차량과는 달리 냉각수를 이용한 히팅 시스템을 적용할 수 없거나 적용하기 어렵다. 즉, 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량의 경우 엔진에서 매우 많은 열이 발생하게 되고, 엔진을 냉각하기 위한 냉각수 순환 시스템이 구비되며, 냉각수가 엔진으로부터 흡수한 열을 실내 난방에 이용하도록 하고 있다. 그러나 엔진에서 발생하는 것과 같은 많은 열이 전기자동차, 하이브리드카 및 연료전지 차량의 구동원에서는 발생하지 않기 때문에, 이러한 종래의 난방 방식을 사용하기에는 한계가 있었다.
이에 따라 전기자동차, 하이브리드카 및 연료전지 차량 등에는, 공조 시스템에 히트펌프(heat pump)를 추가하여 이를 열원으로서 사용할 수 있게 하거나, 전기 히터와 같은 별도의 열원을 구비하는 등 여러 연구가 이루어지고 있다. 이 중 전기 히터는 공조 시스템에 크게 영향을 주지 않고 보다 용이하게 냉각수를 가열할 수 있어 현재 광범위하게 사용이 이루어지고 있다. 여기에서 전기 히터는 차량의 실내로 송풍되는 공기를 직접 가열하는 형태의 공기 가열식 히터와, 냉각수를 가열하는 형태의 냉각수 가열식 히터(또는 냉각수 히터)가 있다.
한국특허등록 제1655813호("배터리히터의 과열 방지장치", 2016.09.02.. 이하 '선행문헌')에는 냉각수 히터의 한 예시가 개시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 냉각수 히터는 냉각수가 유통되는 공간에 직접 발열체가 배치되도록 하여, 발열체에서 발산되는 열이 냉각수를 가열시키도록 한다. 선행문헌에 나타난 발열체는 권선으로서, 니크롬선과 같이 전기를 통하면 열을 발생시키는 열선을 스프링 형태로 감고 외면에 보호관을 씌운 형태로 형성된다. 냉각수 히터에는 또한, 발열체에 전기를 공급하되 과열 등과 같은 경우 전기 공급을 제어할 있도록 다양한 안전장치가 포함되는 제어기가 포함된다. 선행문헌에서는, 상기 제어기에 온도가 소정값 이상이 되면 발열체로 공급되는 전원을 차단시키는 온도감응스위치가 포함되도록 하여 과열을 방지하고 있다. 이와 유사하게 종래에 온도감응스위치를 이용하여 과열을 방지하는 구조가 냉각수 히터에 널리 적용되어 있다.
발열체의 과열은 단지 발열체 뿐만 아니라 하우징 손상, 외부 화재 발생, 제어기 내 회로부 전자부품의 오동작 및 내구성 저하 등 여러 문제를 유발하기 때문에 철저히 방지해야 한다. 그러나 온도감응스위치와 같은 온도센서는 반응속도가 느리기 때문에, 발열체의 온도가 급속히 상승하는 경우 전원차단이 제때에 되지 않아 발열체의 손상을 효과적으로 방지할 수 없다.
특히 종래의 경우 발열체에 전력을 인가하되 과열 시 전력을 차단하는 등과 같은 제어회로에서, 발열체의 인덕턴스로 인해 서지(surge)가 발생되고 회로의 파손이 가속되어 내구성이 저하되는 문제 또한 있었다. 이에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 3은 기본적인 발열체 제어회로를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 발열체("SHEATH HEATER"로 표시됨), 고전압 배터리("HV BATTERY"로 표시됨) 및 제어부가 연결된 형태로 이루어진다. 제어부는 IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연게이트 양극성 트랜지스터) 및 IGBT의 G(Gate)단자에 제어신호를 인가하는 신호인가부("GATE DRIVER")를 포함한다. 신호인가부는 IGBT의 GATE단자로 제어신호("GATE Signal")를 보내어 IGBT를 ON/OFF함으로써 발열체로의 전력 인가/차단을 제어하게 된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 도시된 바와 같이 배터리에서는 발열체에 전압을 인가하는데, 신호인가부에서 G단자로 ON신호가 인가되어 IGBT의 C(Collector)단자로부터 E(Emitter)단자로의 전류 흐름이 허가되면, 발열체를 통해 전류가 흘러감으로써 발열체에서 발열이 일어나게 되며, 이 때 IGBT의 C단자 및 E단자 사이의 전압신호 VCE는 0이 된다. 반대로 신호인가부에서 G단자로 OFF신호가 인가되어 IGBT의 C단자로부터 E단자로의 전류 흐름이 차단되면, 전류가 흘러갈 수 있는 루프가 형성되지 않아 발열체로 전류가 흐르지 않게 되어 발열이 멈추게 되며, 이 때 IGBT VCE는 소정의 값을 가지게 된다. 즉 제어신호와 IGBT VCE는 반대 형태를 이루게 된다.
그런데 발열체는 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 코일 모양으로 감겨진 열선을 포함하며, 코일 모양으로 감겨진 형상에 의하여 열선은 저항과 더불어 인덕턴스도 가지게 된다. 이처럼 발열체가 가지고 있는 인덕턴스는 발열체에 걸리는 전압이 ON/OFF되는 순간 역기전력(BEMF, Back ElectroMotive Force)을 발생시킨다. 역기전력이란 인덕터를 포함하는 전기회로에서 어떤 전압이 걸릴 때 그 반대방향으로 생기는 기전력을 말하는 것으로, 발열체에 ON/OFF로 스위칭되는 제어신호가 걸리는 경우 스위칭 순간에 반드시 이러한 역기전력이 발생한다. 이러한 역기전력에 의해 도 3의 발열체 코일(L) 부분에 표시된 바와 같이 서지(surge) 즉 전력이나 전압이 짧은 시간에 다량 늘어난 후에 일정 시간 동안 감소되지 못할 때 나타나는 과도한 파형이 나타나게 된다.
이러한 서지는 당연히 회로 내 각 소자나 배터리 등에 무리를 주게 되므로, 서지를 방지하여 안전한 동작을 보장할 필요가 있다. 도 4는 종래의 발열체 제어회로를 도시한 것으로, 발열체 및 배터리 사이에 역기전력 환원회로("BEMF RETURN CIRCUIT"으로 표시됨)를 구비하여, 발열체에서 발생된 역기전력을 배터리로 환원함으로써 제거시키는 방식을 사용한다. 이와 같이 함으로써 도 4에 표시된 바와 같이 IGBT VCE는 역기전력으로 인한 서지 성분이 제거된 깨끗한 신호로 나타나게 된다. 그런데 이와 같은 종래의 발열체 제어회로는, 상술한 바와 같이 배터리로 역기전력을 환원하기 때문에 배터리에 상당한 무리를 주게 된다는 문제가 있다. 즉 회로 내 다른 소자들은 보호된다 할지라도 배터리에 손상이 가게 될 우려가 있는 것이다. 최근 전기자동차 등의 수요가 점점 확대됨에 따라 다양한 면에서의 기능적 향상이 더욱 요구되고 있으며, 따라서 요구되는 냉각수 히터의 용량도 점점 커지고 있다. 냉각수 히터의 용량을 늘리기 위해서는 발열체가 보다 많은 열을 발산해야 하며, 따라서 배터리에 요구되는 전압도 높아지는 추세이다. 이처럼 고전압으로 동작하는 배터리에 손상이 가게 되면 순간적으로 자동차 전반적인 전자회로에도 큰 악영향을 줄 수 있으며, 물리적으로도 작은 폭발이나 불꽃이 발생하는 등과 같은 심각한 문제가 생길 수도 있다.
이처럼 종래의 발열체 제어회로의 경우 배터리로 역기전력을 환원함으로써 IGBT 안정성은 확보하나 반대로 배터리 안정성을 해치게 되는 문제가 있어, 반드시 개선되어야 할 필요가 있다.
1. 한국특허등록 제1655813호("배터리히터의 과열 방지장치", 2016.09.02.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 발열체로의 전력 인가/차단 등을 제어하는 회로를 개선하여 서지(surge) 발생으로 인한 배터리 손상을 효과적으로 방지함으로써 회로 오동작 및 손상을 방지하고 내구성을 향상하는 냉각수 히터를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각수 히터(100)는, 발열체(110), 배터리(120), 상기 발열체(110) 및 상기 배터리(120) 사이에 구비되어 상기 발열체(110)로의 전력 인가 및 차단 스위칭을 제어하는 발열체 제어회로(100)를 포함하는 냉각수 히터에 있어서, 상기 발열체 제어회로(100)는 G단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 전력 인가 및 차단 스위칭을 수행하는 개폐기(130)를 포함하여, 상기 발열체(110)의 일단 및 상기 배터리(120)의 양극이 연결되어 제1노드(①)를 형성하고, 상기 발열체(110)의 타단 및 상기 개폐기(130)의 C단자가 연결되어 제2노드(②)를 형성하고, 상기 배터리(120)의 음극 및 상기 개폐기(130)의 E단자가 서로 연결되어 제3노드(③)를 형성하며 접지되는 폐회로를 형성하되, 상기 발열체 제어회로(100)는, 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 개폐기(130)로 전달되는 것을 방지하도록, 일단이 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결되어 역기전력 성분을 우회 또는 제거시키는 보호회로(150A)(150B)(150C)를 포함할 수 있다. 이 때 상기 개폐기(130)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1실시예로서, 상기 보호회로(150A)는, 입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결되는 개폐기정류기(151), 입력단자가 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결되는 정류기(152), 일단이 상기 정류기(152)의 출력단자와 연결되고 타단이 상기 제3노드(③)와 연결되어 접지되는 축전기(153)를 포함하여, 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 축전기(153)로 우회되어 제거될 수 있다.
제2실시예로서, 상기 보호회로(150B)는, 입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결되는 개폐기정류기(151), 입력단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 출력단자로 반전신호를 출력하는 반전기(154), G단자가 상기 반전기(154)의 출력단자와 연결되어 반전신호를 입력받는 IGBT소자로 이루어지는 우회기(155), 입력단자가 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 우회기(155)의 C단자와 연결되는 우회기정류기(156)를 포함하며, 상기 우회기(155)의 C단자 및 상기 제1노드(①)가 연결되고 상기 우회기(155)의 E단자 및 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단이 연결되어, ON/OFF 제어신호의 반전신호에 의하여 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 배터리(120)로 우회될 수 있다.
제3실시예로서, 상기 보호회로(150C)는, 입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결되는 개폐기정류기(151), 입력단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 출력단자로 반전신호를 출력하는 반전기(154), G단자가 상기 반전기(154)의 출력단자와 연결되어 반전신호를 입력받는 IGBT소자로 이루어지는 우회기(155), 입력단자가 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 우회기(155)의 C단자와 연결되는 우회기정류기(156), 일단이 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 타단이 상기 제3노드(③)와 연결되어 접지되는 우회용축전기(157)를 포함하며, 상기 우회기(155)의 C단자 및 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단이 연결되어, ON/OFF 제어신호의 반전신호에 의하여 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 우회용축전기(157)로 우회되어 제거될 수 있다.
또한 상기 발열체 제어회로(100)는, 상기 개폐기(130)의 G단자로 ON/OFF 제어신호를 입력하는 게이트 드라이버(GATE Driver)로 이루어지는 신호인가부(135)를 포함할 수 있다.
또한 상기 발열체(110)는, 외부의 전력공급원과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자 및 나선형으로 감긴 형태로 형성되며 양측 끝단 각각이 상기 단자에 연결되는 열선을 포함하며, 상기 열선이 가지는 저항(111) 및 상기 열선의 나선형에 의해 형성되는 인덕턴스(112)를 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 발열체로의 전력 인가/차단 등을 제어하는 회로에서 발열체의 기생 인덕턴스에 의해 발생되는 서지(surge)로 인한 배터리의 손상을 효과적으로 방지하는 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 종래에는 발열체의 역기전력을 고전압 배터리로 환원하여 제거(canceling)하도록 회로가 구성되어 배터리의 손상 우려가 있었다. 그러나 본 발명에서는 별도의 축전기로 우회시켜 제거하거나, 스위칭 소자를 이용하여 우회하거나, 스위칭 소자 및 별도의 축전기로 우회시켜 제거하는 등의 방식으로 회로 구성을 개선함으로써, 배터리 및 전체적인 회로의 손상을 모두 효과적으로 방지할 수 있는 큰 효과가 있다.
도 1은 일반적인 냉각수 히터의 사시도.
도 2는 발열체의 사시도.
도 3은 기본적인 발열체 제어회로.
도 4는 종래의 발열체 제어회로.
도 5는 본 발명의 발열체 제어회로의 제1실시예.
도 6은 본 발명의 발열체 제어회로의 제2실시예.
도 7은 본 발명의 발열체 제어회로의 제3실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 냉각수 히터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 냉각수 히터는, 기본적으로 발열체(110), 배터리(120), 상기 발열체(110) 및 상기 배터리(120) 사이에 구비되어 상기 발열체(110)로의 전력 인가 및 차단 스위칭을 제어하는 발열체 제어회로(100)를 포함한다. 또한 상기 발열체 제어회로(100)는, G단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 전력 인가 및 차단 스위칭을 수행하는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자로 이루어지는 개폐기(130)를 포함한다. 여기에서 상기 발열체 제어회로(100)의 구성을 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 발열체 제어회로(100)는 기본적으로, 상기 발열체(110)의 일단 및 상기 배터리(120)의 양극이 연결되어 제1노드(①)를 형성하고, 상기 발열체(110)의 타단 및 상기 개폐기(130)의 C단자가 연결되어 제2노드(②)를 형성하고, 상기 배터리(120)의 음극 및 상기 개폐기(130)의 E단자가 서로 연결되어 제3노드(③)를 형성하며 접지되는 폐회로를 형성한다. 여기에서 상기 발열체 제어회로(100)는, 상기 개폐기(130)의 G단자로 ON/OFF 제어신호를 입력하는 게이트 드라이버(GATE Driver)로 이루어지는 신호인가부(135)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 기본적인 발열체 제어회로가 바로 이와 같은 구성만으로 이루어지는 것이다. 한편 앞서 설명한 바와 같이 상기 발열체(110)는, 외부의 전력공급원과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자 및 나선형으로 감긴 형태로 형성되며 양측 끝단 각각이 상기 단자에 연결되는 열선을 포함한다. 따라서 상기 발열체(110)는 상기 열선이 가지는 저항(111) 및 상기 열선의 나선형에 의해 형성되는 인덕턴스(112)를 가지게 된다. 도 3에 도시된 기본적인 발열체 제어회로의 경우, 상기 발열체(110)가 가지는 인덕턴스에 의해 발생되는 역기전력에 의한 서지가 발생되고, 이것이 회로에 악영향을 끼치는 문제가 있다고 앞서 설명하였다. 이를 개선하기 위하여 도 4와 같은 종래의 발열체 제어회로에서는, 역기전력 성분을 상기 배터리(120)로 환원시켜 제거하는 방법을 사용하였으나, 이 경우 상기 배터리(120)에 무리가 가게 되어 배터리 손상 위험성이 생겨 역시 안정성을 보장하지는 못하는 문제가 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제들을 해소하고 회로 안정성을 극대화시키기 위하여, 역기전력 성분을 별도의 축전기로 우회시켜 제거하거나(제1실시예, 도 5 참조), 스위칭 소자를 이용하여 우회하거나(제2실시예, 도 6 참조), 스위칭 소자 및 별도의 축전기로 우회시켜 제거하는(제3실시예, 도 7 참조) 등의 방식으로 회로 구성을 개선함으로써, 배터리 및 전체적인 회로의 손상을 모두 효과적으로 방지한다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명에서는 상기 발열체 제어회로(100)가, 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 개폐기(130)로 전달되는 것을 방지하도록, 일단이 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결되어 역기전력 성분을 우회 또는 제거시키는 보호회로(150A)(150B)(150C)를 포함한다. 이하에서 제1, 2, 3실시예의 상기 보호회로(150A)(150B)(150C)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 발열체 제어회로의 제1실시예를 도시하고 있다. 제1실시예에서 상기 보호회로(150A)는 개폐기정류기(151), 정류기(152), 축전기(153)를 포함하여, 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 축전기(153)로 우회되어 제거되도록 한다.
보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 개폐기정류기(151)는, 입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결된다. 상기 정류기(152)는, 입력단자가 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결된다. 상기 축전기(153)는, 일단이 상기 정류기(152)의 출력단자와 연결되고 타단이 상기 제3노드(③)와 연결되어 접지된다.
이와 같은 구성에 의하여, 상기 발열체(110)의 상기 인덕턴스(112)에서 발생된 역기전력 성분은, 상기 제2노드(②)를 타고 전달되다가 상기 개폐기(130)의 C단자보다 상기 정류기(152)의 입력단자를 먼저 만나 상기 정류기(152)를 타고 흘러가게 된다. 이렇게 흘러간 역기전력 성분은 그대로 상기 축전기(153)로 전달되어, 상기 축전기(153)에 의해 효과적으로 제거된다. 물론 이에 따라 상기 개폐기(130)의 C단자로는 역기전력 성분이 전달되지 않기 때문에 전체 회로를 효과적으로 보호할 수 있으며, 물론 상기 배터리(120)로도 무리를 주지 않게 된다.
다만 제1실시예의 상기 보호회로(150A)는, 상기 축전기(153)를 이용하여 역기전력 성분을 제거하기 때문에 다소 응답이 느릴 수 있다는 한계가 있다.
도 6은 본 발명의 발열체 제어회로의 제2실시예를 도시하고 있다. 제2실시예에서 상기 보호회로(150B)는 개폐기정류기(151), 반전기(154), 우회기(155), 우회기정류기(156)를 포함하여, ON/OFF 제어신호의 반전신호에 의하여 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 배터리(120)로 우회되도록 한다.
보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 개폐기정류기(151)는, 제1실시예에서와 마찬가지로, 입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결된다. 상기 반전기(154)는 입력단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 출력단자로 반전신호를 출력한다. 상기 우회기(155)는 G단자가 상기 반전기(154)의 출력단자와 연결되어 반전신호를 입력받는 IGBT소자로 이루어진다. 상기 우회기정류기(156)는 입력단자가 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 우회기(155)의 C단자와 연결된다. 이 때 제2실시예의 상기 발열체 제어회로(150B)에서는, 상기 우회기(155)의 C단자 및 상기 제1노드(①)가 연결되고 상기 우회기(155)의 E단자 및 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단이 연결되도록 한다.
이와 같은 구성에 의하여, 먼저 ON/OFF 제어신호는 상기 우회기(155)를 통해 반전신호로 바뀌어 상기 우회기(155)로 입력된다. 즉 상기 개폐기(130)가 개방되면 상기 우회기(155)는 폐쇄되는 식으로 작동되는 것이다. 상기 개폐기(130)가 개방되어 상기 발열체(110)의 발열이 ON될 때, 상기 우회기(155)는 폐쇄된다. 상기 발열체(110)의 상기 인덕턴스(112)에서 발생된 역기전력 성분은, 상기 제2노드(②)를 타고 전달되다가 상기 개폐기(130)의 C단자보다 상기 우회기(155)의 E단자를 먼저 만나게 된다. 한편 상기 우회기(155)의 C단자는 상기 제1노드(①)와 연결되어 있으며, 즉 상기 배터리(120)의 양극단자와 연결된 상태이다. 상기 우회기(155)는 현재 폐쇄된 상태이므로, 역기전력 성분은 상기 우회기정류기(156)를 타고 상기 제1노드(①)로 흘러가게 된다. 이렇게 함으로써 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 배터리(120)로 우회되게 되는 것이다. 따라서 상기 개폐기(130)의 C단자로는 역기전력 성분이 전달되지 않기 때문에 전체 회로를 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 제1실시예의 상기 보호회로(150A)에 비하여 응답이 훨씬 빨라서 응답특성을 개선할 수 있다는 장점 또한 있다.
다만 제2실시예의 상기 보호회로(150B)는, 도 4에 소개된 종래의 보호회로와 유사하게 역기전력 성분을 상기 배터리(120)로 우회시키기 때문에 상기 배터리(120) 손상 위험성을 여전히 내포하고 있다는 한계가 있다.
도 7은 본 발명의 발열체 제어회로의 제3실시예를 도시하고 있다. 제3실시예에서 상기 보호회로(150C)는 개폐기정류기(151), 반전기(154), 우회기(155), 우회기정류기(156), 우회용축전기(157)를 포함하여, ON/OFF 제어신호의 반전신호에 의하여 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 우회용축전기(157)로 우회되어 제거되도록 한다.
보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 개폐기정류기(151)는, 제1, 2실시예에서와 마찬가지로, 입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결된다. 상기 반전기(154)는, 제2실시예에서와 마찬가지로, 입력단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 출력단자로 반전신호를 출력한다. 상기 우회기(155)는, 제2실시예에서와 마찬가지로, G단자가 상기 반전기(154)의 출력단자와 연결되어 반전신호를 입력받는 IGBT소자로 이루어진다. 상기 우회기정류기(156)는, 제2실시예에서와 마찬가지로, 입력단자가 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 우회기(155)의 C단자와 연결된다. 상기 우회용축전기(157)는, 제2실시예에서와 달리 제3실시예에 추가 구성된 것으로서, 일단이 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 타단이 상기 제3노드(③)와 연결되어 접지된다. 이 때 제3실시예의 상기 발열체 제어회로(150C)에서는, 제2실시예에서와는 달리, 상기 우회기(155)의 C단자 및 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단이 연결되도록 한다.
이와 같은 구성에 의하여, 먼저 ON/OFF 제어신호는 제2실시예에서와 마찬가지로 상기 반전기(154)를 통해 반전신호로 바뀌어 상기 우회기(155)로 입력된다. 상기 개폐기(130)가 개방되어 상기 발열체(110)의 발열이 ON되었다가 OFF될 때, 다량의 역기전력이 발생한다. OFF시에는 상기 개폐기(130)가 폐쇄되고 반전신호에 의해 상기 우회기(155)가 개방된다. 상기 우회용축전기(157)에 의해 직류전원은 흐르지 않지만 피크(Peak)성분들은 축전기를 통과하여 흐르게 된다. 따라서 역기전력인 피크성분들이 그라운드로 흘러가도록 하여 없애 주는 방식이다. 즉, 피크성분만을 내보내는 회로이다. 위 방식은 암쇼트를 일으키지 않아 안정적인 회로이다.
이렇게 함으로써 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 우회용축전기(157)로 우회되어 제거되게 되는 것이다. 따라서 상기 개폐기(130)의 C단자로나 상기 배터리(120)로나 역기전력 성분이 전달되지 않기 때문에 전체 회로 뿐만 아니라 상기 배터리(120) 역시 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 제1실시예의 상기 보호회로(150A)에 비하여 응답이 훨씬 빨라서 응답특성을 개선할 수 있다는 장점 또한 있다.
다만 제3실시예의 상기 보호회로(150C)는 다소 부품 개수가 많아 제작 용이성이 제1, 2실시예보다 약간 떨어질 수 있다.
이처럼 본 발명에서는 상기 발열체 제어회로(100)가, 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 개폐기(130)로 전달되는 것을 방지하도록, 일단이 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결되어 역기전력 성분을 우회 또는 제거시키는 보호회로(150A)(150B)(150C)를 포함함으로써, 전체적인 회로 및 상기 배터리(120)를 효과적으로 보호한다. 앞서 설명한 바와 같이 제1실시예는 회로 및 배터리 보호가 잘 이루어지는 반면 응답이 느리고, 제2실시예는 회로 보호가 잘 이루어지고 응답이 빠른 반면 배터리 보호가 잘 이루어지지 못하고, 제3실시예는 회로 및 배터리 보호가 잘 이루어짐과 동시에 응답도 빠른 반면 다소 회로 구성이 복잡하다. 이러한 장단점을 고려하여 사용자는, 필요와 목적에 따라 제1, 2, 3실시예의 상기 보호회로(150A)(150B)(150C) 중 적절한 것을 골라 사용할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 발열체 제어회로 110 : 발열체
111 : 저항 112 : 인덕턴스
120 : 배터리 130 : 개폐기
①, ②, ③ : 제1, 2, 3노드 135 : 신호인가부
150A : 보호회로 제1실시예
150B : 보호회로 제2실시예
150C : 보호회로 제3실시예
151 : 개폐기정류기 152 : 정류기
153 : 축전기 154 : 반전기
155 : 우회기 156 : 우회기정류기
157 : 우회용축전기

Claims (7)

  1. 발열체(110), 배터리(120), 상기 발열체(110) 및 상기 배터리(120) 사이에 구비되어 상기 발열체(110)로의 전력 인가 및 차단 스위칭을 제어하는 발열체 제어회로(100)를 포함하는 냉각수 히터에 있어서,
    상기 발열체 제어회로(100)는 G단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 전력 인가 및 차단 스위칭을 수행하는 개폐기(130)를 포함하여,
    상기 발열체(110)의 일단 및 상기 배터리(120)의 양극이 연결되어 제1노드(①)를 형성하고, 상기 발열체(110)의 타단 및 상기 개폐기(130)의 C단자가 연결되어 제2노드(②)를 형성하고, 상기 배터리(120)의 음극 및 상기 개폐기(130)의 E단자가 서로 연결되어 제3노드(③)를 형성하며 접지되는 폐회로를 형성하되,
    상기 발열체 제어회로(100)는, 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 개폐기(130)로 전달되는 것을 방지하도록, 일단이 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결되어 역기전력 성분을 우회 또는 제거시키는 보호회로(150A)(150B)(150C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 개폐기(130)는,
    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 보호회로(150A)는,
    입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결되는 개폐기정류기(151),
    입력단자가 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단과 연결되는 정류기(152),
    일단이 상기 정류기(152)의 출력단자와 연결되고 타단이 상기 제3노드(③)와 연결되어 접지되는 축전기(153)
    를 포함하여,
    상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 축전기(153)로 우회되어 제거되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 보호회로(150B)는,
    입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결되는 개폐기정류기(151),
    입력단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 출력단자로 반전신호를 출력하는 반전기(154),
    G단자가 상기 반전기(154)의 출력단자와 연결되어 반전신호를 입력받는 IGBT소자로 이루어지는 우회기(155),
    입력단자가 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 우회기(155)의 C단자와 연결되는 우회기정류기(156)를 포함하며,
    상기 우회기(155)의 C단자 및 상기 제1노드(①)가 연결되고 상기 우회기(155)의 E단자 및 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단이 연결되어,
    ON/OFF 제어신호의 반전신호에 의하여 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 배터리(120)로 우회되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 보호회로(150C)는,
    입력단자가 상기 개폐기(130)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 개폐기(130)의 C단자와 연결되는 개폐기정류기(151),
    입력단자로 ON/OFF 제어신호를 입력받아 출력단자로 반전신호를 출력하는 반전기(154),
    G단자가 상기 반전기(154)의 출력단자와 연결되어 반전신호를 입력받는 IGBT소자로 이루어지는 우회기(155),
    입력단자가 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 출력단자가 상기 우회기(155)의 C단자와 연결되는 우회기정류기(156),
    일단이 상기 우회기(155)의 E단자와 연결되고 타단이 상기 제3노드(③)와 연결되어 접지되는 우회용축전기(157)
    를 포함하며,
    상기 우회기(155)의 C단자 및 상기 제2노드(②) 중 상기 개폐기(130)의 C단자 전단이 연결되어,
    ON/OFF 제어신호의 반전신호에 의하여 상기 발열체(110)에서 발생되는 역기전력 성분이 상기 우회용축전기(157)로 우회되어 제거되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 발열체 제어회로(100)는,
    상기 개폐기(130)의 G단자로 ON/OFF 제어신호를 입력하는 게이트 드라이버(GATE Driver)로 이루어지는 신호인가부(135)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 발열체(110)는,
    외부의 전력공급원과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자 및 나선형으로 감긴 형태로 형성되며 양측 끝단 각각이 상기 단자에 연결되는 열선을 포함하며,
    상기 열선이 가지는 저항(111) 및 상기 열선의 나선형에 의해 형성되는 인덕턴스(112)를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터.
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