KR101953685B1 - 전기 압축기용 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 압축기용 제어 장치에 관한 것으로, 상기 제어 장치는 저압 영역을 포함한다. 저압 영역은 전기 압축기를 제어하기 위한 제어 명령들을 처리하도록 설치된 제1 제어 유닛, 및 제1 제어 유닛에 전압을 공급하도록 설치되고 저압원과 연결된 제1 전압 공급부를 포함한다. 제어 장치는 또한 고압 영역을 포함한다. 고압 영역은 전력 출력단을 제어하도록 설치된 제2 제어 유닛을 포함하고, 전력 출력단은 고압원으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써 전기 압축기의 모터에 교류 전압을 제공한다. 고압 영역은 또한 제2 제어 유닛에 전압을 공급하도록 설치되고 고압원과 연결된 제2 전압 공급부를 포함한다.

Description

전기 압축기용 제어 장치 {CONTROL DEVICE FOR AN ELECTRIC COMPRESSOR}
본 발명은 예컨대 차량의 에어컨 내에서 냉매 압축기로서 사용되는 전기 압축기용 제어 장치에 관한 것이다.
도 1에는 EP 2,164,162 A1으로부터 종래 기술에 따른 전기 압축기(6)용 제어 장치가 도시된다. 제어 장치는 2개의 분리된 전압 영역들을 포함하고, 상기 전압 영역들은 절연 장벽(13)에 의해 서로 분리된다.
저압 영역(11)은 배터리(14)로부터 차량 전기 시스템 전압을 공급받는다. 저압 영역(11)은 통신 버스(7)를 통해 제어 장치와 통신을 실행하는 마이크로 컨트롤러(8)를 포함한다.
고압 영역(12)은 고압 배터리(1)로부터 전압을 공급받는다. 고압 영역(12)은 스위칭 소자들(2)을 가진 인버터(4)를 포함하고, 상기 인버터는 전기 압축기(6)의 전기 모터(5)에 교류 전압을 공급한다.
고압 영역(12)은 또한 인버터(4) 및 인버터의 게이트-구동 회로(3)를 제어하는 마이크로 컨트롤러(10)를 포함한다. 저압 영역(11) 내의 마이크로 컨트롤러(8) 및 고압 영역(12) 내의 마이크로 컨트롤러(10)는 광 커플러(9)를 통해 통신한다.
고압 영역(12) 내의 마이크로 컨트롤러(10)는 절연 변압기(플라이백-트랜스포머)(15)를 통해 저압원(14)으로부터 전압을 공급받는다. 절연 변압기는 절연 장벽(13)을 연결한다.
이러한 환경에서 절연 변압기(15)의 사용은 문제들을 야기하는데, 왜냐하면 절연 변압기(15)는 스위칭 간섭 및 다른 바람직하지 않은 EMC (전자기 적합성)-간섭 신호들을 고압 영역(12)으로부터 저압 영역(11)으로 (혹은 반대로) 전달하기 때문이다. 이에 대한 원인은 절연 변압기(15) 내에서 사용되는 2차측과 1차측 사이의 트랜스포머의 기생 커플링 커패시터이다. 특히, 높은 전압 및 전류 세기로 스위칭하는 스위칭 소자들(2)의 스위칭 과정들이 저압 영역(11)에서 간섭을 야기한다. 따라서, 간섭 없는 작동을 보장하기 위해 복잡한 EMC-대책이 필요하다.
이러한 배경에 따라, 본 발명의 과제는 고압 영역과 저압 영역 사이의 간섭 커플링을 감소시키는 전기 압축기용 제어 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따른 전기 압축기용 제어 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 바람직한 실시예들을 기술한다.
전기 압축기용 제어 장치는 저압 영역을 포함한다. 저압 영역은 전기 압축기를 제어하기 위한 제어 명령들을 처리하도록 설치된 제1 제어 유닛, 및 제1 제어 유닛에 전압을 공급하도록 설치되고 저압원과 연결된 제1 전압 공급부를 포함한다. 제어 장치는 또한 고압 영역을 포함한다. 고압 영역은 전력 출력단을 제어하도록 설치된 제2 제어 유닛을 포함하고, 전력 출력단은 고압원으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환시킴으로써, 전기 압축기의 모터에 교류 전압을 공급한다. 고압 영역은 또한 제2 제어 유닛에 전압을 공급하도록 설치되고 고압원과 연결된 제2 전압 공급부를 포함한다.
따라서, 고압 영역과 저압 영역은 분리된 전압 공급부들을 포함한다. 2개의 영역들은 완전히 갈바니 전기적으로 분리되고 절연 장벽을 거쳐 절연 변압기의 사용이 방지될 수 있으므로, 간섭 영향이 절연 장벽을 극복할 수 없다. 이러한 구성에 의해 EMV도 개선된다.
바람직한 실시예에 따라, 고압 영역은 또한 제어 장치의 스위칭-온 과정 동안 제2 전압 공급부를 스타트-업하도록 설치된 스타트-업 유닛을 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 제2 전압 공급부는 스위칭 조절부를 포함하고, 스타트-업 유닛은 스위칭-온 과정 동안 스위칭 조절부에서 전압 상승을 제한한다.
바람직한 실시예에 따라, 고압 영역은 또한 제어 장치의 스위칭-오프 동안 고압 영역을 방전하도록 설치된 방전 유닛을 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 고압 영역은 또한 과전압 유닛을 포함하고, 상기 과전압 유닛은 고압원의 전압이 임계값을 초과하면 제2 전압 공급부를 스위칭-오프하도록 설치된다.
바람직한 실시예에 따라, 제2 전압 공급부는 PWM-제어부를 가진 스위칭 조절부를 포함하고, 과전압 유닛은 고압원의 전압이 임계값을 초과하면 PWM-제어부를 스위칭-오프한다.
바람직한 실시예에 따라, 고압원과 저압원은 갈바니 전기적으로 분리되고 제1 제어 유닛과 제2 제어 유닛은 절연 통신 인터페이스를 통해 서로 통신한다.
바람직한 실시예에 따라, 제1 전압 공급부 및/또는 제2 전압 공급부는 스위칭 조절부를 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 제2 전압 공급부는 하나 또는 다수의 저장 인덕터들을 포함하고, 상기 저장 인덕터들은 모두 하나의 PWM-제어부에 의해 제어된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 압축기용 제어 장치의 예시이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 압축기용 제어 장치의 실시예다.
도 3은 본 발명에 따른 제어 장치의 다른 실시예다.
도 4는 본 발명에 따른 스타트-업 유닛의 실시예다.
도 5는 본 발명에 따른 방전 유닛의 실시예다.
도 6은 본 발명에 따른 과전압 유닛의 실시예다.
도 7은 본 발명에 따른 과전압 유닛의 다른 실시예다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부된 도면들을 참조로 하기에서 상세히 기술된다. 상이한 도면들에서 동일하거나 또는 상응하는 요소들은 각각 동일하거나 또는 유사한 도면 번호들로 표시된다.
아래에서 자세히 기술될 본 발명의 바람직한 실시예들은 차량에서 냉매 압축기로서 사용되는 전기 압축기용 제어 장치와 관련해서 상세하게 기술된다. 그러나, 하기 내용은 예시들을 포함하는 것일 뿐 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
도 2에는 본 발명에 따른 제어 장치의 제1 실시 예가 도시된다. 제어 장치(100)는 저압 영역(120)을 포함한다. 저압 영역(120)은 전기 압축기를 제어하기 위한 제어 명령들을 처리하도록 설치된 제1 제어 유닛(122), 및 제1 제어 유닛(122)에 전압을 공급하도록 설치되고 저압원(300)과 연결된 제1 전압 공급부(121)를 포함한다.
제1 제어 유닛(122)은 바람직하게는 통신 버스를 통해 에어컨 제어 유닛과 연결되고 예컨대 냉매 압축기의 냉방 성능을 제어하기 위한 제어 명령들을 수신한다. 제1 제어 유닛(122)은 정전압(예컨대 3.3V 또는 5V)을 공급받아야 하는 마이크로 컨트롤러(μC), IC's, (온도-) 센서들 등을 포함한다. 이를 위해, 저압원(300)은 예컨대 6-36V의 범위 이내 (특히 12V)의 직류 전압을 전압 공급부(121)에 제공한다. 전압 공급부(121)는 제1 제어 유닛(122)에 정전압을 인가하는 바람직하게는 스위칭 조절부 SMPS(switched-mode power supply)이다. 스위칭 조절시 제어 유닛에 의해 펄스 폭 변조(PWM)를 가진 스위칭 소자(트랜지스터, MOSFET)가 제어되고 전류가 저장 인덕터에서 정류됨으로써, 상이한 출력 전압들이 생성될 수 있다 (예컨대 US 2004/0085052 A1 참조).
제어 장치(100)는 또한 고압 영역(110)을 포함한다. 고압 영역(110)은 전력 출력단을 제어하도록 설치된 제2 제어 유닛(112)을 포함하고, 전력 출력단은 고압원(200)으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환시킴으로써, 전기 압축기의 모터에 교류 전압을 제공한다.
고압원(200)은 예컨대 150V-500V 범위의 직류 전압을 제공한다. 고압 영역 및 저압 영역은 바람직하게는 동일한 기판상에 배치되고 절연 장벽에 의해 서로 분리된다.
전력 출력단은 반도체 스위치들을 장착한 예컨대 B6-브릿지 및 상응하는 조절 전자 장치를 포함한다. 조절 전자 장치는 게이트-구동 회로를 포함하고, 상기 게이트-구동 회로는 반도체 스위치의 게이트-단자들(예컨대 IGBTs)을 B6-브릿지의 출력부에서 모터를 위한 교류 전압이 생성되도록 제어한다. 이 경우, 제2 제어 유닛은 상이한 입력 전압들을 가진 부재들을 포함할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 게이트-구동 회로는 전형적으로 17.5V의 전압으로 작동한다. μCs 및 ICs를 가진 조절 전자 장치는 전형적으로 3.3V 또는 5V의 낮은 전압으로 작동한다.
고압 영역은 또한 제2 제어 유닛(112)에 전압을 공급하도록 설치되고 고압원과 연결된 제2 전압 공급부(111)를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 제어 장치는 저압 영역 및 고압 영역을 위한 분리된 전압 공급부들을 포함한다. 이로써, 2개의 전압 영역들의 갈바니 전기적 분리가 달성될 수 있으므로, 고압 영역과 저압 영역 간의 간섭의 전달이 이루어진다. 특히, 고압 영역(110)은 고압원(200)으로부터만 전압을 공급받는다. 이로써, 제어 장치는 더 안정적으로 구동될 수 있다.
전압 공급부(111)는 실시예에서 고압원(200)의 출력 전압을 제2 제어 유닛(112)에 의해 요구되는 전압으로 감소시키고 안정화시키는 스위칭 조절부를 포함한다. 본 실시 예에서 전압 공급부(111)가 다수의 저장 인덕터들을 포함하는 것이 고려될 수 있다. 이 경우, 모든 저장 인덕터들이 단일의 PWM-제어부에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 다수의 PWM-제어부들이 고압 영역 내에 배치되면, 상이한 PWM-신호들이 심각한 간섭원을 형성한다. 즉, 각각의 PWM-신호가 독립 간섭 신호로서 간주되어야 한다. 또한, 다수의 저장 인덕터들의 경우 저장 인덕터들의 상대적 공간 배치(표유 자계들의 배치)가 간섭 반응에 큰 영향을 준다. 특히, 이는 저장 인턱터들의 유도 커플링을 방지하는 것에 적용된다. 공통의 PWM-제어부에 의한 제어에 의해 저장 인덕터들의 유도 영향이 감소될 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 제어 장치(100)의 다른 실시 예가 도시된다. 고압원(200)으로부터의 직류 전압이 전력 출력단(113)에 의해 교류 전압으로 변환되고, 상기 교류 전압은 전기 압축기의 모터(400)에 공급된다.
고압 영역과 저압 영역은 절연 장벽(131)에 의해 서로 갈바니 전기적으로 분리된다. 이는 하나의 기판상에 있는 고압 영역과 저압 영역이 특정 갭(예컨대 5mm)에 의해 분리되고 전력이 갭에 의해 흐르지 않는 것을 의미한다.
고압 영역 및 저압 영역은 통신 절연체(예컨대 광 커플러)에 의해서만 서로 연결된다. 광 커플러(130)에 의해 제1 제어 유닛(122)과 제2 제어 유닛(112)이 서로 통신한다.
고압 영역(110)은 또한 제어 장치(100)의 스위칭-온 과정 동안 제2 전압 공급부(111)를 스타트-업하도록 설치되는 스타트-업 유닛(114)을 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 제어 장치(100)의 경우, 저압 영역과 고압 영역 내의 분리된 전압 공급부들에 의해, 제2 전압 공급부(111)는 제어 장치(100)의 스위칭-온시 예컨대 55V-600V의 높은 입력 전압으로 예컨대 3.3V 또는 5V의 출력 정전압을 제공해야 하는 문제가 야기된다. 스타트-업 유닛(114)은 이러한 기능을 제공한다.
도 4에는 본 발명에 따른 스타트-업 유닛(114)의 실시 예가 도시된다. 스타트-업 유닛(114)은 고압원(200)으로부터 전압을 공급받는다. 고압원(200)의 극은 도 4에서 HV+ 및 HV-로 표시된다.
부하(1143)(예컨대 제2 제어 유닛(112))는 변압기의 정류 셀(1142)로부터 전압을 공급받는다. 정류 셀은 스위칭 소자(트랜지스터, MOSFET) 및 저장 인덕터를 포함한다. 스위칭 소자는 PWM-제어부(1141)에 의해 제어된다.
제어 장치(100)의 스위칭-온 과정 동안 HV+에 전압이 인가되면, 커패시터 C1은 트랜지스터들 T1 및 T2에 의해 충전된다. R3는 충전 전류를 제한한다. 저항들 R1, R2 및 제너 다이오드 D2는 전압 강하를 T1 및 T2에 의해 설정한다. 이로써, C1은 PWM-제어부(1141)에 대해 허용 가능한 전압을 초과하게 충전되지 않게 된다. 높은 전압으로 스위칭-온되는 경우, 변압기가 갑자기 시작하지 않고 하중(1143)에서 출력 전압의 위험한 오버슈트를 생성시키지 않도록, 회로가 출력 전압의 시작 상승 시간(dV/dt)을 T3을 통해 제한한다. 변압기가 작동하는 즉시, 상기 변압기는 다이오드(D3)에 의해 상기 변압기의 출력 전압을 공급받는다. 트랜지스터들 T1 및 T2는 더 이상 전류를 공급받지 않는다.
도 3에 도시되듯이, 고압 영역은 또한 방전 유닛(115)을 포함하고, 상기 방전 유닛은 제어 장치(100)의 스위칭-오프 과정 동안 고압 영역을 방전하도록 설치된다. 방전 유닛(115)은 스타트-업 유닛(144)에 추가로 그리고 스타트-업 유닛(144)에 독립적으로 제공될 수 있다. 고압 영역에서 사용되는 높은 전압으로 인해, 고압 영역 내에 위치하는 중간 회로 커패시터들이 고압원(200)과의 분리 이후에도 높은 양의 에너지로 충전될 수 있다. 이는 위험한 감전을 야기할 수 있다.
고압 영역의 구조에 따라, 변압기에 후속되는 μC, 센서들, 게이트 구동부와 같은 컨슈머들의 전류 소비가 고압 영역을 방전시키기에 충분할 수 있다. 이를 위해, 변압기는 예컨대 60V의 전압 미만으로까지 작동 가능해야 하고 추가 클로킹되어야 한다. 이러한 방전은 예컨대 긴급 스위칭-오프(에러 케이스, 인터록 해제)시에 필요하다. 컨슈머들의 상기 부하가 충분하지 않고 더 큰 방전 전류가 필요하면, 방전 유닛(115)이 자동 방전 기능을 제공한다.
도 5에는 본 발명에 따른 방전 유닛(115)의 실시 예가 도시된다. 방전 유닛(115)은 제2 전압 공급부(111) 내에 배치되는 스위칭 조절부(1151)와 연결된다. 또한, 방전 유닛(115)은 예컨대 제2 제어 유닛(112)과 같은 부하(1152)와 연결된다. MOSFET T3의 게이트-단자에 인가되는 방전 신호에 의해, 추가 부하(R-Discharge)가 스위칭-온된다. 상기 방전 신호는 예컨대 μC(소프트웨어 기능), 또는 특수 인터록-신호(차량의 안전 신호)로부터 올 수 있다.
도 3에 도시되듯이, 고압 영역은 과전압 유닛(116)을 포함하고, 상기 과전압 유닛은 고압원(200)의 전압이 임계값을 초과하면 제2 전압 공급부(111)를 스위칭-오프하도록 설치된다. 이로써, 고압 영역을 손상시킬 수 있는 과전압 작동이 방지된다. 과전압 유닛(116)은 스타트-업 유닛(114) 및/또는 방전 유닛(115)에 추가로, 그리고 스타트-업 유닛(114) 및/또는 방전 유닛(115)에 독립적으로 제공될 수 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 과전압 유닛(116)이 도시된다. 과전압 스위칭-오프시 분압기(R1 내지 R5)는 T1 및 T2로 구성된 로직을 제어한다. T2는 P-채널 MOSFET T3를 제어하고 과전압시 이를 스위칭-오프한다. 이로써, 제2 전압 공급부(111) 내에 배치되는 전압 조절부(1161)가 고압 공급부(200)로부터 분리된다.
도 6에 도시된 과전압 유닛의 단점은 고압 영역이 T1, T2 및 P-채널 MOSFET T3를 필요로 하는 것이다. 상기 반도체는 고압 영역을 위해 제조하기 까다롭고, 고비용이고 비교적 나쁜 전도율(R-DSon)을 가진다.
도 7에는 상기 단점을 극복한 본 발명에 따른 과전압 유닛(116)의 다른 실시예가 도시된다.
본 실시 예에서는 스위칭-오프 기능을 가진 변압기가 사용된다. 분압기들(R1 내지 R5)은 과전압시 MOSFET T1을 제어하고, 제2 전압 공급부 내에 배치된 변압기의 정류 셀(1163)을 제어하는 PWM-제어부(1162)의 스위칭-오프를 활성화한다.
바람직한 실시예에서 과전류 스위칭-오프시 전압 히스테리시스가 사용된다. 이는 상응하는 트랜지스터 로직에 의해 구현될 수 있다.
100 제어 장치
110 고압 영역
111 제 2 전압 공급부
112 제 2 제어 유닛
113 전력 출력단
114 스타트-업 유닛
115 방전 유닛
116 과전압 유닛
120 저압 영역
121 제 1 전압 공급부
122 제 1 제어 유닛
200 고압원
300 저압원
400 전기 압축기의 모터

Claims (10)

  1. 전기 압축기용 제어 장치(100)로서, 상기 제어 장치는 저압 영역(120) 및 고압 영역(110)을 포함하고,
    상기 저압 영역은,
    상기 전기 압축기를 제어하기 위한 제어 명령들을 처리하도록 설치된 제1 제어 유닛(122), 및
    상기 제1 제어 유닛에 전압을 공급하도록 설치되고 저압원(300)과 연결된 제1 전압 공급부(121)를 포함하고; 및
    상기 고압 영역은,
    고압원으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환시킴으로써 상기 전기 압축기의 모터(400)에 교류 전압을 공급하는 전력 출력단(113)을 제어하도록 설치된 제2 제어 유닛(112),
    상기 제2 제어 유닛에 전압을 공급하도록 설치되고 상기 고압원과 연결된 제2 전압 공급부(111), 및
    상기 제어 장치의 스위칭-온 동안 상기 제2 전압 공급부(111)를 스타트-업하도록 설치된 스타트-업 유닛(114)을 포함하고,
    상기 스타트-업 유닛(114)은
    충전 커패시터(C1);
    상기 고압원(200)으로부터 고전압(200)을 인가 받고, 스위치 온 과정 동안 상기 충전 커패시터(C1)를 충전하는 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2), 및 상기 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2)에 의해 상기 충전 커패시터(C1)를 충전하는 충전 전류를 제한하는 제1 저항(R3)을 포함하는 전압 충전부; 및
    상기 고전압(200)으로 스위치온 되는 경우, 상기 제 2 전압 공급부의 출력전압의 시작 상승 시간(dV/dt)을 제한하는 제3 트랜지스터(T3)를 포함하는 출력전압 제어부;를 구비하는 를 포함하는 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고압 영역(110)은 또한 상기 제어 장치의 스위칭-오프 과정 동안 상기 고압 영역을 방전하도록 설치된 방전 유닛(115)을 포함하는 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고압 영역은 또한 상기 고압원(200)의 전압이 임계값을 초과하면 상기 제2 전압 공급부를 스위칭-오프하도록 설치된 과전압 유닛(116)을 포함하는 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전압 공급부는 PWM-제어부를 가진 스위칭 조절부를 포함하고, 상기 과전압 유닛은 상기 고압원의 전압이 임계값을 초과하면 상기 PWM-제어부를 스위칭-오프하는 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고압 영역(110)과 상기 저압 영역(120)은 갈바니 전기적으로 분리되고, 상기 제1 제어 유닛과 상기 제2 제어 유닛은 절연 통신 인터페이스(130)를 통해 서로 통신하는 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 공급부 및/또는 상기 제2 전압 공급부는 스위칭 조절부를 포함하는 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전압 공급부는 다수의 저장 인덕터들을 포함하고, 상기 저장 인덕터들 모두는 하나의 PWM-제어부에 의해 제어되는 제어 장치.
  10. 제1항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치를 포함하는 전기 압축기.
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