KR20240040870A - Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터 - Google Patents

Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터 Download PDF

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윤기혁
김대연
조상준
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현대로템 주식회사
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Abstract

본 발명은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 관한 것으로서, 특히 인버터의 직류(DC)전원 - Y-Cap 간 버스바에 퓨즈를 장착하여 Y-Cap 손상으로 인한 2차 소손 및 오작동을 방지하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 관한 것이다. 구성은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 있어서, 고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되어 고전압 배터리로부터 받은 DC 전원을 흔들리지 않는 일정한 DC 전압으로 바꿔주고, Y-Cap을 구비하는 직류단 커패시터와; 상기 직류단 커패시터의 직류(DC) 입력단과 Y-Cap 사이에 형성되어 DC 입력단에 과전류가 발생하면 회로 상에서 규정된 전류보다 더 큰 전류가 발생하는 경우, 전류를 차단하여 상기 Y-Cap을 보호하는 퓨즈와; 고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되고, 고전압 배터리로부터 공급되는 직류를 3상의 구동전압으로 변환하여 모터로 공급하는 3상 IGBT; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터{Inverter for Motor Controller Unit with Y-Cap Fuse}
본 발명은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 관한 것으로서, 특히 인버터의 직류(DC) 전원 - Y-Cap 간 버스바에 퓨즈를 장착하여 Y-Cap 손상으로 인한 2차 소손 및 오작동을 방지하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 자동차 또는 전기자동차에는 고전압이나 고용량 배터리로부터 직류(DC) 전원을 공급받아 교류(AC) 전원으로 변환시켜 모터를 제어하는 모터제어기(MCU: Motor Control Unit)가 사용되고 있다.
이러한 모터제어기는 통상적으로 PWM제어를 사용하는데, PWM 제어 시 Side-Effect로 전자파 노이즈를 발생하게 된다.
이들 중 CM(Common Mode) 노이즈는 차량 EMC(Electro Magnetic Compatibility) 성능에 큰 영향을 주므로 반드시 저감이 필요하다.
상기 모터제어기는 이러한 CM 노이즈를 효과적으로 저감할 수 있는 방안으로 Y-Cap을 사용하고 있으며 대부분의 모터제어기 및 고전압 전력변환장치에 적용되고 있다.
또, 상기 모터제어기에 사용되는 인버터의 Y-Cap은 여러 요인으로부터 발생한 과전류 및 과전압으로 인하여 손상될 수 있는데 그 정도에 따라 전자파 특성에만 영향을 미치거나 심한 경우 모터 제어에 영향을 끼칠 수 있다.
그러나, 종래의 모터제어기(MCU)용 인버터는 고전압 배터리로부터 받은 DC 전원을 흔들리지 않는 일정한 DC 전압으로 만들어주는 DC커패시터 내부에 삽입되어 있는 Y-Cap의 손상을 방지하기 어려울 뿐만 아니라, Y-Cap이 DC커패시터 내부에 삽입되어 있기 때문에 수리가 불가하여 DC커패시터 모듈 전체를 교체해야 하므로 비용 손실이 클 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
또, 종래에는 과전류 및 과전압에 대비하여 Y-Cap 강건화를 하기 위해서는 필연적으로 Y-Cap의 필름 사양을 증대 시켜야 하는데 이는 필름의 크기를 증가시켜 모터제어기 최적화 설계에 장애가 되는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 상기 Y-Cap의 필름은 전류가 흐르지 않는 것을 원칙으로 하기 때문에 전류 사양이 존재하지 않아 과전류에는 필연적으로 취약할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
공개번호 10-2014-0013277
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 직류(DC) 전원과 Y-Cap 사이에 퓨즈를 장착하여 Y-Cap 손상으로 인한 2차 소손 및 오작동을 방지하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 모터제어기 정비 시 Y-Cap 손상으로 DC커패시터 모듈 전체를 폐기하는 일이 없도록 하여 부품 수리 원가 및 수리 시간을 절감 할 수 있는 모터제어기 과전류 진단방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 있어서, 고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되어 고전압 배터리로부터 받은 DC 전원을 흔들리지 않는 일정한 DC 전압으로 바꿔주고, Y-Cap을 구비하는 직류단 커패시터와; 상기 직류단 커패시터의 직류(DC) 입력단과 Y-Cap 사이에 형성되어 DC 입력단에 과전류가 발생하면 회로 상에서 규정된 전류보다 더 큰 전류가 발생하는 경우, 전류를 차단하여 상기 Y-Cap을 보호하는 퓨즈와; 고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되고, 고전압 배터리로부터 공급되는 직류를 3상의 구동전압으로 변환하여 모터로 공급하는 3상 IGBT; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 있어서, 상기 Y-Cap는 회로상 직류(DC) 입력단과 샤시 접지 사이에 위치하며 직류(DC) 입력단 양쪽에 병렬로 삽입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 있어서, 상기 직류(DC)단 커패시터의 내부에 형성되는 Y-Cap은 버스바를 통해 샤시로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 있어서, 상기 퓨즈는 직류(DC)단 커패시터 내부로부터 나온 버스바를 통해 직류(DC)단 커패시터 외부에 연결되어 과전류 발생시 Y-Cap을 보호하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 모터제어기 과전류 진단 방법에 있어서, (a) 퓨즈의 정상 여부를 확인하는 단계와; (b) 상기 퓨즈는 모니터링된 전압의 정상 여부 신호를 모터제어기로 전송하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같은 본 발명은 과전류 발생 시 퓨즈를 끊어 Y-Cap을 보호할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은 고장신호를 통해 모터제어기의 고장여부를 즉시 인지 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EEPROM)에 저장된 데이터를 활용하여 고품 분석을 할 수 있기 때문에 고장 대책을 마련할 수 있는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 고품 수리 시 DC커패시터 전체가 아닌 퓨즈만 교체할 수 있도록 함으로써 수리 시간, 부품 비용이 크게 단축되어 수리 비용을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 직류단 커패시터의 외관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 직류단 커패시터의 내부 측면 중, ＋쪽 퓨즈의 연결상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 직류단 커패시터의 내부 측면 중, －쪽 퓨즈의 연결상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과전류 진단방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터(100)는 직류(DC)단 커패시터(110)와, 퓨즈(120) 및 3상 IGBT모듈(130)로 대별되어 이루어진다.
상기 직류(DC)단 커패시터(110)는 고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되어 고전압 배터리로부터 받은 DC 전원을 흔들리지 않는 일정한 DC 전압으로 바꿔주는 평활용 역할을 한다.
즉, 상기 직류(DC)단 커패시터(110)는 고전압 배터리로부터 받은 DC전원의 리플을 제거하는 필터 역할을 한다.
그리고, 상기 직류단 커패시터(110)의 내부에는 모터제어기(미도시)가 통상적으로 사용하는 전압형(PWM : Pulse Width Modulation) 제어시 부작용(Side-Effect)으로 Common Mode(CM)와 같은 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 Y-Cap(111)이 형성된다.
즉, Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터(100)는 전력 스위칭 반도체 소자의 고속 스위칭(ON/OFF)에 의한 펄스 폭 변조 방식을 실시하여 3상 구동 방식으로 모터(200)를 제어시, 전력 스위칭 반도체 소자의 특성상 고속 스위칭 동작에 따라 수 ㎑ 주파수 대역부터 수십 ㎒ 주파수 대역을 갖는 전자파 노이즈(noise)를 유발하게 된다.
이러한 전자파 노이즈는 전력 스위칭 반도체 소자의 스위칭 동작시에 전압(또는 전류)의 시간당 변화율이 커질수록 커지는 특성이 있다.
그리고, Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터(100)로부터 발생된 전자파 노이즈는, 주변 전자기기에 영향을 미쳐 전자기기의 성능 장애를 유발하는 원인이 된다.
뿐만 아니라, Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터(100)로부터 발생된 전자파 노이즈를 억제하지 않을 경우에 전자기기의 오작동으로 인해 인명 및 재산상의 피해를 유발할 수도 있다.
예를 들어, 자동차의 급발진 현상은 전자기기의 오동작으로 인한 대표적인 사례로 알려져 있다. 즉, 급발진 현상은 자동변속 자동차의 시동시나 정차 후 출발시 엔진의 회전속도가 급격히 상승하여 급가속되는 것으로서, 전자기기에 비정상적인 전기신호가 전달되어 가속 페달을 밟지 않아도 비정상적인 동력 전달이 유발되는 것으로 알려져있다.
따라서, 상기 직류단 커패시터(110)의 내부에는 전자파 노이즈를 감소시키기 위한 Y-Cap(111)이 형성된다.
상기 Y-Cap(111)의 회로상 위치는 직류(DC) 입력단과 샤시 접지 사이에 위치하며 직류(DC) 입력단 양쪽에 병렬로 삽입된다.
또, 상기 직류(DC)단 커패시터(110)의 내부에 형성되는 Y-Cap(111)은 버스바를 통해 샤시로 연결된다.
상기 퓨즈(120)는, 직류단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단과 Y-Cap(111) 사이에 형성되어 DC 입력단에 과전류가 발생하면 회로 상에서 규정된 전류보다 더 큰 전류가 발생하는 경우, 전류를 차단하여 상기 Y-Cap(111)을 보호하도록 한다.
즉, 상기 퓨즈(120)는 회로상 직류(DC) 입력단과 Y-Cap(111) 사이에 위치하며 직류(DC)단 커패시터(110) 내부로부터 나온 버스바를 통해 직류(DC)단 커패시터 외부에 연결되어 과전류 발생시 Y-Cap(111)을 보호하도록 한다.
일반적으로 전류센서는 직류(DC) 입력단 쪽에는 사용하지 않거나 사용하더라도 (+)단에만 사용하므로 (-)단으로 들어온 과전류에 대해서는 확인하기가 어렵다.
그러나, 본 발명에 따른 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터(100)는 직류단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단과 Y-Cap(111) 사이에 퓨즈(120)를 형성함으로써, 과전류 발생 시 퓨즈를 끊어 Y-Cap(111)을 보호하고 고장신호를 통해 즉시 인지가 가능하다.
이에 따라, 과전압에 의한 Y-Cap(111)이 손상될 경우 회로 상 단선이 되어 전자파 특성에만 영향을 미치나, 과전류에 의해 손상될 경우 순간적인 과열로 필름이 녹아 회로 상 Y-Cap(111)이 고전압 단과 접지가 단락되어 모터제어에 좋지 않은 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory : EEPROM)에 고장 상황 데이터를 저장할 수 있게 하여, 이후 저장된 데이터를 활용하여 고품 분석을 할 수 있기 때문에 고장 대책 마련에 큰 도움을 줄 수 있다.
즉, 상기 퓨즈(120)의 단선시 퓨즈 단선 신호를 활용하여 그 당시 데이터를 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EEPROM)에 저장할 수 있게 함으로써, 상기 퓨즈 단선 시의 데이터를 활용하여 고품 분석을 하여 고장 대책 마련을 하도록 할 수 있다.
또, 본 발명은 고품 수리 시 직류(DC)단 커패시터(110) 전체가 아닌 퓨즈(120)만 교체하므로 수리 시간, 부품 비용이 크게 단축되어 수리 비용을 대폭 줄일 수 있다.
상기 3상 IGBT(Insulated gate bipolar transistor, IGBT )모듈(130)은, 고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되고, 고전압 배터리로부터 공급되는 직류를 3상의 구동전압으로 변환하여 모터(200)로 공급하는 역할을 한다.
즉, 상기 3상 IGBT모듈(130)은 게이트-이미터간의 전압이 구동되어 입력 신호에 의해서 온/오프가 생기는 자기소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자로서, 모터(200)의 속도를 제어하는 역할을 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터의 동작 상태를 도 5 및 도 6을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 모터제어기(미도시)를 이용하여 전기자동차를 구동시키도록 모터(200)를 제어하게 되면, 고전압이나 고용량 배터리로부터 직류(DC) 전원을 공급받아 교류(AC) 전원으로 변환시켜 모터(200)의 속도를 빠르거나 느리게 제어하여 자동차를 구동시킨다.
이때, 본 발명에 따른 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터(100)를 구성하는 전력 스위칭 반도체 소자인 상기 3상 IGBT모듈(130)의 스위칭 동작을 통해 모터(200)의 고정자 권선에 흐르는 전류를 절환하여 토크를 발생시켜 구동시킨다.
그리고, 상기 인버터(100)는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식에 따라 주로 제어된다. 이러한 펄스 폭 변조 방식은 전압을 일정하게 유지하면서 전류를 펄스방식으로 인가하여 평균전류를 제어하는 것으로서, 펄스 폭의 비율을 제어하는 방식이다.
이때, 상기 인버터(100)는 전력 스위칭 반도체 소자의 특성상 고속 스위칭 동작에 따라 수 ㎑ 주파수 대역부터 수십 ㎒ 주파수 대역을 갖는 전자파 노이즈(noise)를 유발하게 되고, 이를 상기 직류단 커패시터(110)의 내부에 형성된 Y-Cap(111)이 전자파 노이즈를 감소시키게 된다.
그리고, 자동차 시스템의 오동작이나 기타 원인 등에 의해 상기 직류(DC)단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단에 과전류가 발생하게 되면 과전류 진단을 실시하게 된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 모터제어기 과전류 진단 방법에 있어서, 상기 직류(DC)단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단에 과전류가 발생하게 되면 상기 퓨즈(120)는 내부 회로의 모니터링 전압을 통해 (a) 퓨즈(120)의 정상 여부를 확인한다.(S10)
즉, 상기 직류(DC)단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단에 설정된 일정한 전압이 흐르는 경우 퓨즈(120)는 내부 회로의 모니터링 전압을 정상으로 확인한다.
그리고, 상기 직류(DC)단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단에 흐르는 전류가 인계점 이상의 전류로 흐르는 경우 퓨즈(120)는 구성성분 중의 하나를 녹임으로써 전류를 차단하여 상기 Y-Cap(111)을 보호하고 내부 회로의 모니터링 전압을 변경하여 모터제어기로 전송한다.
다음, (b) 상기 퓨즈(120)는 모니터링된 전압의 정상 여부 신호를 모터제어기로 전송한다.(S20)
여기서, 상기 퓨즈(120)의 정상 시 모니터링 전압은 예컨대 5V이고, 퓨즈(120)의 단선 시 모니터링 전압은 0V이다.
그러므로, 모니터링 전압이 0V가 되면 모터제어기는 과전류 유입을 인지하고, 해당 속도, 토크, 전압 등의 신호를 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EEPROM)에 저장한다.
즉, 상기 직류(DC)단 커패시터(110)의 직류(DC) 입력단에 5V의 전압이 흐르는 경우, 퓨즈(120)는 내부 회로의 모니터링 전압이 정상임을 모터제어기가 인지하여 정상동작을 수행하고, 인계점 이상의 전압이 흐르면 퓨즈(120)는 단선이 되어 전압이 0V가 되므로, 모터제어기는 과전류의 유입을 인지하여 상기 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EEPROM)로 고장신호를 전송한다.
그리고, 상기 모터제어기는 퓨즈(120)의 단선으로 고장신호가 입력될 당시의 속도, 토크, 전압 등의 상황 신호를 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EEPROM)에 저장한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써, 과전류 발생 시 퓨즈를 끊어 Y-Cap을 보호하고 고장신호를 통해 즉시 인지가 가능하다.
또한, 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EPROM)에 저장된 데이터를 활용하여 고품 분석을 할 수 있기 때문에 고장 대책 마련에 큰 도움을 줄 수 있다.
뿐만 아니라, 고품 수리 시 직류(DC)단 커패시터 전체가 아닌 퓨즈만 교체하므로 수리 시간, 부품 비용이 크게 단축되어 수리 비용을 대폭 줄일 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터
110 : 직류(DC)단 커패시터 111 : Y-Cap
120 : 퓨즈 130 : 3상 IGBT모듈
200 : 모터

Claims (5)

  1. Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터에 있어서,
    고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되어 고전압 배터리로부터 받은 DC 전원을 흔들리지 않는 일정한 DC 전압으로 바꿔주고, Y-Cap을 구비하는 직류단 커패시터와;
    상기 직류단 커패시터의 직류(DC) 입력단과 Y-Cap 사이에 형성되어 DC 입력단에 과전류가 발생하면 회로 상에서 규정된 전류보다 더 큰 전류가 발생하는 경우, 전류를 차단하여 상기 Y-Cap을 보호하는 퓨즈와;
    고전압 배터리(미도시)의 직류 입력단에 연결되고, 고전압 배터리로부터 공급되는 직류를 3상의 구동전압으로 변환하여 모터로 공급하는 3상 IGBT; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Y-Cap는 회로상 직류(DC) 입력단과 샤시 접지 사이에 위치하며 직류(DC) 입력단 양쪽에 병렬로 삽입되는 것을 특징으로 하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직류(DC)단 커패시터의 내부에 형성되는 Y-Cap은 버스바를 통해 샤시로 연결되는 것을 특징으로 하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈는 직류(DC)단 커패시터 내부로부터 나온 버스바를 통해 직류(DC)단 커패시터 외부에 연결되어 과전류 발생시 Y-Cap을 보호하도록 하는 것을 특징으로 하는 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터.
  5. 모터제어기 과전류 진단 방법에 있어서,
    (a) 퓨즈의 정상 여부를 확인하는 단계와;
    (b) 상기 퓨즈는 모니터링된 전압의 정상 여부 신호를 모터제어기로 전송하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터제어기 과전류 진단 방법.
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KR1020220119722A KR20240040870A (ko) 2022-09-22 2022-09-22 Y-Cap 퓨즈를 구비하는 모터제어기용 인버터

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140013277A (ko) 2012-07-23 2014-02-05 현대모비스 주식회사 모터구동용 인버터

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