KR20220159223A - 차량용 인버터 회로 - Google Patents

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장태은
오필경
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명의 차량용 인버터 회로는, 모터에 연결된 제1 및 제2 인버터; 상기 모터가 Y-결선 구동 모드 및 개방 권선 구동 모드 중에서 어느 하나의 구동 모드로 구동하도록 스위칭 동작에 따라 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 단락 또는 개방시키는 모드 전환 스위칭 소자 및 상기 모드 전환 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

차량용 인버터 회로{INVERTER CIRCUIT FOR A VEHICLE}
본 발명은 차량용 인버터 회로에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전기 차량에서 사용되는 인버터 회로에 관한 것이다.
전기차(EV) 및 하이브리드(HEV)는, 인버터에 의해 구동되는 모터로부터 동력을 얻는다. 모터는 결선 방식에 따라, 크게 Y-결선 방식 또는 개방 권선(또는 개방 결선)(open-end winding) 방식으로 나눌 수 있다.
Y-결선 방식에서는 단일 인버터가 사용되며, 개방 권선 방식에서는 이중 인버터(2개의 인버터)가 사용된다. Y-결선 방식은 모터를 고효율로 사용할 수 있게 하고, 개방 권선 방식은 모터를 고출력으로 사용할 수 있게 한다.
종래 기술의 문제점
전술한 바와 같이, Y-결선 방식에서는 모터를 고효율로 사용할 수 있으나, 고출력으로 사용할 수 없다. 개방 권선 방식에서는 모터를 고출력으로 사용할 수 있으나, 고효율로 사용할 수 없다. 이는 Y-결선 구조와 개방 권선 구조에 따른 하드웨어 구성이 다르기 때문이다.
전기차(EV) 및 하이브리드 전기차(HEV)는 저속에서는 차량의 효율이 중요하므로 Y-결선 방식이 유리하며, 고속에서는 출력이 중요하므로 개방 권선 방식이 유리하다. 따라서 두가지 장점을 모두 충족할 수 있는 방식이 필요한데, 아직까지 이에 대한 개발은 미흡한 실정이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 개방 권선 방식의 모터와 Y-결선 방식의 모터를 모두 구동시킬 수 있는 인버터의 구조를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 인버터 구조를 사용하여 일부 스위치를 제어하여 개방 권선 방식의 모터와 Y-결선 방식의 모터를 모두 구동시킬 수 있다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량용 인버터 회로는, 모터에 연결된 제1 및 제2 인버터; 상기 모터가 Y-결선 구동 모드 및 개방 권선 구동 모드 중에서 어느 하나의 구동 모드로 구동하도록 스위칭 동작에 따라 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 단락 또는 개방시키는 모드 전환 스위칭 소자 및 상기 모드 전환 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 차량용 인버터 회로의 동작 방법은, 모터에 연결된 제1 및 제2 인버터, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 단락 또는 개방시키는 모드 전환 스위칭 소자 및 상기 모드 전환 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 인버터 회로의 동작 방법에서, 상기 컨트롤러가 상기 모드 전환 스위칭 소자로 제어 신호를 인가하는 단계; 및 상기 모드 전환 스위칭 소자가 상기 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행함에 따라, 상기 모터가 Y-결선 구동 모드 및 개방 권선 구동 모드 중에서 어느 하나의 구동 모드로 구동하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 인버터 구조를 사용하면, 차량의 고속 운행시 모터를 개방 권선으로 구동하여 모터를 고출력으로 사용할 수 있고, 차량의 저속 운행시 모터를 Y-결선으로 구동하여 모터를 고효율로 사용할 수 있다. 이에 따라, 고속 및 저속 운행에 필요 요구 사항을 동시에 충족시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 단일 인버터를 사용하는 Y 결선 방식의 모터의 전체 회로도이다.
도 2는 이중 인버터를 사용하는 개방 권선 방식의 모터의 전체 회로도이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 Y 결선 구동 모드와 개방 권선 구동모드를 모두 사용할 수 있는 인버터 회로의 등가 회로도이다.
도 4는 도 3의 등가 회로도에서 Y 결선 구동 모드에서 온되는 스위칭 소자들과 오프되는 스위칭 소자들을 제거한 상태에서 나타낸 등가 회로도이다.
도 5는 도 3의 등가 회로도에서 개방 권선 구동모드에서 온되는 스위칭 소자를 제거한 상태에서 나타낸 등가 회로도이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 단일 인버터를 사용하는 Y 결선 방식의 모터(도 1)와 이중 인버터를 사용하는 개방 권선 방식의 모터(도 2)에 대해 간략히 소개한 후, 본 발명의 실시 예에 따른 개방 권선 방식의 모터와 Y-결선 방식의 모터를 모두 구동시킬 수 있는 인버터의 구조를 설명하기로 한다.
도 1은 단일 인버터를 사용하는 Y 결선 방식의 모터의 전체 회로도이다.
단일 인버터를 사용하는 Y 결선 방식의 모터를 등가회로로 나타내면, 도 1에 도시된 바와 같이, 직류 전원(Vdc), 단일 인버터(10) 및 모터(20)로 구성된다.
모터(20)는, 예를 들면, 영구자석 동기 모터(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)를 나타낸 것이며, Y 결선 구조를 사용한다.
단일 인버터(10)는 6개의 전력 스위칭 소자들을 포함하도록 구성되며, 6개의 전력 스위칭 소자들의 온/오프 동작에 따라 생성된 출력 전압을 모터(20)로 공급하고, 상대적으로 적은 개수의 스위칭 소자들로 인해 고효율로 구동 가능하다. 이때, 인버터(10)의 출력 전압은
Figure pat00001
이다.
도 2는 이중 인버터를 사용하는 개방 권선 방식의 모터의 전체 회로도이다.
이중 인버터를 사용하는 개방 권선 방식의 모터를 등가회로로 나타내면, 도 2에 도시된 바와 같이, 직류 전원(Vdc)과 연결된 제1 인버터(30), 제1 인버터(30)에 연결된 모터(40), 모터(40)에 연결된 제2 인버터(50)를 포함한다.
모터(40)는 예를 들면, 영구자석 동기 모터를 나타낸 것이며, 개방 권선 구조를 사용한다.
모터(40)를 사이에 두고 양단에 연결된 제1 및 제2 인버터(30, 50) 각각은 6개의 전력 스위칭 소자들로 구성되며, 이에 따라 전체 스위칭 소자들의 개수는 12이다.
12개의 스위칭 소자들이 온/오프 동작함에 따라, 모터(40)가 고출력으로 구동 가능해진다. 이때, 인버터의 출력 전압은 Vdc이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 Y 결선 방식과 개방 권선 방식을 모두 사용할 수 있는 인버터 구조의 등가 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 Y 결선 방식과 개방 권선 방식을 모두 사용할 수 있는 인버터 구조는 모터(70)를 사이에 두고 연결되는 제1 및 제2 인버터(60 및 80)를 포함하고, 제1 인버터(60)에는 직류 전원(Vdc)이 연결된다.
각 인버터(60 또는 80)는 6개의 스위칭 소자들(Q1~Q6 또는 Q7~Q12)로 이루어진다. 각 스위칭 소자는, 예를 들면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 기반의 전력 스위칭 소자, 실리콘 카바이드 (Silicon. Carbide, SiC) 기반의 전력 스위칭 소자 또는 질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기반의 전력 스위칭 소자일 수 있으며, 이를 한정하는 것은 아니다.
6개의 스위칭 소자들(Q1~Q6 또는 Q7~Q12)은 직렬로 연결된 2개의 스위칭 소자들이 한 쌍을 구성하고, 3개의 쌍이 병렬로 연결된 구조를 갖는다.
본 명세서에서는 각 쌍에서 상부에 도시된 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q7, Q8, Q9)를 상부 스위칭 소자로 지칭하고, 하부에 도시된 스위칭 소자(Q4, Q5, Q6, Q10, Q11, Q12)를 하부 스위칭 소자로 지칭한다.
본 발명의 실시 예에 따른 Y 결선 방식과 개방 권선 방식을 모두 사용할 수 있는 인버터 구조는 제1 및 제2 인버터(60 및 80) 사이에 연결되는 모드 전환 스위칭 소자(90)를 더 포함한다. 모드 전환 스위칭 소자(90) 역시 IGBT로 구현될 수 있으며, 이를 한정하는 것은 아니다.
구체적으로, 모드 전환 스위칭 소자(90)의 제1 단자(예, 컬렉터)는 제2 인버터(80)의 하부 스위칭 소자들(Q10, Q11 및 Q12)의 제2 단자들(예, 이미터)에 콩통으로 연결되고, 모드 전환 스위칭 소자(90)의 제2 단자(예, 이미터)는 제1 인버터(60)의 하부 스위칭 소자들(Q4, Q5 및 Q6)의 제2 단자들(예, 이미터)에 공통으로 연결될 수 있다.
도 3에는 컨트롤러(100)가 더 도시되며, 컨트롤러(100)는 스위칭 소자들(Q1~Q12 및 90)의 온/오프 동작을 제어한다.
구체적으로, 컨트롤러(100)는 모터(70)를 Y 결선 구동 모드 또는 개방 권선 구동 모드로 구동시키기 위한 복수의 제어 신호를 생성하고, 이를 해당 스위칭 소자들의 제3 단자들(제어 단자 또는 게이트 단자)로 인가할 수 있다.
일 예에서, Y 결선 구동 모드에서, 컨트롤러(100)는 Y 결선 구동 모드에서 제2 인버터(80)의 하부 스위칭 소자들(Q10, Q11 및 Q12)을 온(ON)시키고, 제2 인버터(80)의 상부 스위칭 소자들(Q7, Q8 및 Q9)을 오프(OFF)시키고, 제1 인버터(60)와 제2 인버터(80)를 연결하는 모드 전환 스위칭 소자(90)를 오프(OFF)시키는 복수의 제어 신호를 출력할 수 있다.
Y 결선 구동 모드에서, 온(ON)되는 스위칭 소자들과 오프(OFF)되는 스위칭 소자들을 제거한 상태에서 인버터 구조의 등가 회로도를 나타내면, 도 4와 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 인버터(80)의 하부 스위칭 소자들(Q10, Q11 및 Q12)을 온(ON)시키고, 제2 인버터(80)의 상부 스위칭 소자들(Q7, Q8 및 Q9)을 오프(OFF)시키고, 제1 인버터(60)와 제2 인버터(80)를 연결하는 모드 전환 스위칭 소자(90)를 오프(OFF)시키면, 도 1에 도시된 단일 인버터 구조에서의 등가 회로도와 동일해짐을 알 수 있다.
다른 예에서, 개방 권선 구동 모드에서, 컨트롤러(100)는 스위칭 소자(90)를 온(ON)시키는 제어 신호를 출력할 수 있다. 개방 권선 구동 모드에서, 온(ON)되는 스위칭 소자(90)를 제거한 상태에서 인버터 구조의 등가 회로도를 나타내면, 도 5와 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모드 전환 스위칭 소자(90)를 온(ON)시키면, 도 2에 도시된 이중 인버터 구조에서의 등가 회로도와 동일해짐을 알 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명을 위한 예시적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 모터에 연결된 제1 및 제2 인버터;
    상기 모터가 Y-결선 구동 모드 및 개방 권선 구동 모드 중에서 어느 하나의 구동 모드로 구동하도록 스위칭 동작에 따라 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 단락 또는 개방시키는 모드 전환 스위칭 소자 및
    상기 모드 전환 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러
    를 포함하는 차량용 인버터 회로.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 인버터 각각은,
    다수의 스위칭 소자 쌍이 병렬로 연결되고, 각 스위칭 소자 쌍은 직류 전원의 양극에 연결되는 상부 스위칭 소자와 직류 전원의 음극에 연결되는 하부 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제1 인버터의 하부 스위칭 소자들은 상기 모드 전환 스위칭 소자의 제2 단자에 공통으로 연결되고,
    상기 제2 인버터의 하부 스위칭 소자들은 상기 모드 전환 스위칭 소자의 제1 단자에 공통으로 연결되는 것인 차량용 인버터 회로.
  3. 제2항에서,
    상기 Y-결선 구동 모드에서, 상기 컨트롤러의 제어에 따라,
    상기 제2 인버터의 상부 스위칭 소자들은 모두 오프(OFF)되고,
    상기 제2 인버터의 하부 스위칭 소자들은 온 모두 온(ON)되고,
    상기 모드 전환 스위칭 소자는 오프(OFF)되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 회로.
  4. 제2항에서,
    상기 개방 권선 구동 모드에서, 상기 컨트롤러의 제어에 따라,
    상기 모드 전환 스위칭 소자는 온(ON)되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 회로.
  5. 모터에 연결된 제1 및 제2 인버터, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 단락 또는 개방시키는 모드 전환 스위칭 소자 및 상기 모드 전환 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 인버터 회로의 동작 방법에서,
    상기 컨트롤러가 상기 모드 전환 스위칭 소자로 제어 신호를 인가하는 단계; 및
    상기 모드 전환 스위칭 소자가 상기 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행함에 따라, 상기 모터가 Y-결선 구동 모드 및 개방 권선 구동 모드 중에서 어느 하나의 구동 모드로 구동하는 단계
    를 포함하는 차량용 인버터 회로의 동작 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 및 제2 인버터 각각은,
    다수의 스위칭 소자 쌍이 병렬로 연결되고, 각 스위칭 소자 쌍은 직류 전원의 양극에 연결되는 상부 스위칭 소자와 직류 전원의 음극에 연결되는 하부 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제어 신호를 인가하는 단계는,
    상기 Y-결선 구동 모드에서, 상기 제2 인버터의 상부 스위칭 소자들은 모두 오프(OFF)되고, 상기 제2 인버터의 하부 스위칭 소자들은 온 모두 온(ON)되고, 상기 모드 전환 스위칭 소자는 오프(OFF)되는 상기 제어 신호를 인가하는 단계인 것인 차량용 인버터 회로의 동작 방법.
  7. 제5항에서,
    상기 제1 및 제2 인버터 각각은,
    다수의 스위칭 소자 쌍이 병렬로 연결되고, 각 스위칭 소자 쌍은 직류 전원의 양극에 연결되는 상부 스위칭 소자와 직류 전원의 음극에 연결되는 하부 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제어 신호를 인가하는 단계는,
    상기 개방 권선 구동 모드에서, 상기 모드 전환 스위칭 소자는 온(ON)되는 제어 신호를 인가하는 단계인 것인 차량용 인버터 회로의 동작 방법.
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