JP6262323B2 - パワーデバイス制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ＨＶＤＣ(High Voltage Direct Current)、インバーター(Inverter)またはＥＳＳ(Energy Storage System)などのシステムに備えられるパワーデバイス(power device)を制御するシステムに関する。

ＨＶＤＣ(High Voltage Direct Current)、インバーター(Inverter)または ＥＳＳ(Energy Storage System)などのシステムは、電力の変換または制御のためのパワーデバイスを備える。

このようなパワーデバイスは、数千Ａ以上へと段々大容量化される流れである。よって、数千Ａの電流を供給するパワーデバイスに異常が生じる場合、これに対する迅速な感知及び保護のための速い協助が求められる。従来の技術によるパワーデバイス制御システムは、光信号伝達方式でパワーデバイスを監視または制御するための信号を送受信する。

それにより、信号の伝達速度を向上させるのに限界がある問題点がある。これを解消するため、光ケーブルなどをさらに設けることができるが、光ケーブルの物理的特性による空間的制約が大きく、光ケーブルをさらに設置するための費用負担が大きい問題点がある。

本発明は、前述の問題点を解決するために案出されたもので、ＨＶＤＣ、インバーターまたはＥＳＳなどのシステムに備えられるパワーデバイスに対して二重化制御を行うことによって、結果的に全体システムの信頼度を向上させられるためのパワーデバイス制御システムを提供することを目的とする。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及していない本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解されることができ、本発明の実施形態によってより明らかに理解される。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示す手段及びその組み合わせによって実現できることを容易に分かることができる。

上記目的を達成するための本発明は、パワーデバイス制御システムにおいて、一つ以上のパワー素子；信号ラインを通じて上記パワー素子に対する駆動信号を提供し、第１無線モジュールを備える一つ以上の駆動モジュール；及び信号ラインを通じて上記駆動モジュールに対する制御信号を提供し、上記第１無線モジュールと対応される第２無線モジュールを備える上位制御部；を含むが、上記駆動モジュールは、上記第１無線モジュールを通じて上記パワー素子及び上記駆動モジュールの状態情報を上記第２無線モジュールに伝送し、上記上位制御部は、上記第２無線モジュールを通じて上記状態情報に対応される制御信号を上記第１無線モジュールに伝送すように構成されることができる。

ここで、上記上位制御部は、二つ以上の制御モジュールによって構成される階層的構造からなり、上記各々の制御モジュールには上記第１無線モジュールと対応される第２無線モジュールが備えられ、上記各々の制御モジュールは上記第２無線モジュールを通じて上記状態情報に対応される制御信号を上記第１無線モジュールに伝送するように構成されることができる。

この際、本発明は、上記パワー素子及びこれと連結される上記駆動モジュールが二つ以上存在する場合、上記各々の駆動モジュールは上記第１無線モジュールをそれぞれ備えるように構成されることができる。

または、上記パワー素子及びこれと連結される上記駆動モジュールが二つ以上存在する場合、上記二つ以上の駆動モジュールは単一の上記第１無線モジュールを共有するように構成されることができる。

この場合、本発明のパワーデバイス制御システムは、それぞれ駆動モジュールと連結された二つ以上の上記パワー素子が並列連結によってパワーモジュールを構成し、二つ以上の上記パワーモジュールが相互直列連結される場合、上記各々のパワーモジュールには単一の第１無線モジュールが備えられ、上記パワーモジュールを構成するパワー素子とそれぞれ連結された二つ以上の上記駆動モジュールは上記第１無線モジュールを共有するように構成されることができる。

前述したような本発明によれば、ＨＶＤＣ、インバーターまたはＥＳＳなどのシステムに適用されるパワーデバイスに対して二重化制御を行うことで、システムの信頼性を向上させられるなどの長所がある。

すなわち、本発明は、通常の光信号伝達方式を利用した有線制御方式と、無線モジュールを利用した無線制御方式を共に適用することで、二重化制御を実現することができる長所がある。これによって、光ケーブルをさらに設けなくても、パワーデバイスの制御または監視のための信号の伝達速度が増加されることができる。よって、光ケーブルの追加設置に比べて、費用及び空間的に効率的な二重化制御を提供することができる長所がある。

また、パワーデバイスの制御が上位システムのみによって行われることではなく、無線モジュールを備えた次上位システムによっても行われることができる。つまり、パワーデバイスの制御が二重で行われることができる。これにより、上位システムに異常が発生しても、上位システムの代わりに次上位システムによってパワーデバイスの制御が可能になるので、全体システムの信頼性が向上されることができる。

本発明の一実施形態によるパワーデバイス制御システムの構成を概念的に示す説明図である。 図１のパワーデバイス制御システムを応用した多様なシステム構成例示図である。 図１のパワーデバイス制御システムを応用した多様なシステム構成例示図である。 図１のパワーデバイス制御システムを応用した多様なシステム構成例示図である。

前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたり、本発明と係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすることができると判断される場合は、詳細な説明を省略する。

以下、添付の図面を参照して本発明による好ましい実施形態を詳しく説明する。図面において同一な参照符号は、同一または類似の構成要素を示すものとして使われる。

図１は本発明の一実施形態によるパワーデバイス制御システムの構成を概念的に示す説明図である。

図１を参照すれば、本発明の一実施形態によるパワーデバイス制御システムは、パワー素子３１０、駆動モジュール３２０及び上位制御部３３０を含む。そして、パワーデバイス制御システムは、次上位制御部３４０をさらに含むことができる。

パワー素子３１０は、ＩＧＢＴまたはPower MOSFETで実現されることができる。そして、パワー素子３１０は、SiCまたはGaNからなる素子であることができる。

駆動モジュール３２０は、上位制御部３３０の制御信号に基づいてパワー素子３１０に駆動信号を供給する。

パワー素子３１０は、ゲート端子Ｇに印加された駆動モジュール３２０の駆動信号に基づいてオン−オフ駆動される。

そして、パワー素子３１０のコレクタ端子Ｃと駆動モジュール３２０の間を連結する信号ラインを通じて、パワー素子３１０のコレクタ端子Ｃの状態に対する情報が駆動モジュール３２０にフィードバックされる。このとき、パワー素子３１０のコレクタ端子Ｃと駆動モジュール３２０の間の信号ラインに保護ダイオードまたはその他の回路構成がさらに備えられることもできる。

駆動モジュール３２０はパワー素子３１０の状態及び駆動モジュール３２０自体の状態に対する情報(以下、「エラーフィードバック信号」という)を上位制御部３３０に伝達する。

上位制御部３３０は駆動モジュール３２０に制御信号を伝達し、駆動モジュール３２０からエラーフィードバック信号を受信する。

本発明の実施形態によれば、駆動モジュール３２０は第１無線モジュール３２５を備え、上位制御部３３０は第１無線モジュール３２５と対応される第２無線モジュール３３５を備える。そして、次上位制御部３４０は、第１及び第２無線モジュール３２５、３３５のうちの少なくとも一つに対応される第３ 無線モジュール３４５を備える。

ここで、第１及び第２無線モジュール３２５、３３５の各々は、ワイファイ(Wifi)やブルートゥース(Bluetooth)（登録商標）などのような通常の無線通信方式を実現するためのものである。

本発明の実施形態によるパワーデバイス制御システムの動作過程を説明すれば次のとおりである。

次上位制御部３４０は、信号ラインを通じて駆動モジュール３２０または上位制御部３３０に対する制御信号を提供する。

上位制御部３３０は、駆動モジュール３２０を制御するための制御信号を駆動モジュール３２０に伝達する。このとき、制御信号は光信号などの有線方式で伝達することができる。

駆動モジュール３２０は上位制御部３３０の制御信号を受信し、制御信号に基づいて駆動信号を出力する。

パワー素子３１０は、駆動信号に基づいてオン/オフ駆動される。

パワー素子３１０は自分の状態に対する情報を駆動モジュール３２０に伝達する。例えば、パワー素子３１０のコレクタ端子Ｃの状態に対する情報を駆動モジュール３２０に伝達することができる。

駆動モジュール３２０はパワー素子３１０の状態に対する情報及び自分の状態に対する情報に基づいて、パワー素子３１０及び駆動モジュール３２０の状態をモニタリングした結果であるエラーフィードバック信号を生成し、生成したエラーフィードバック信号を上位制御部３３０に伝達する。

例示的に、パワー素子３１０はゲート端子Ｇの入力電圧と電流を通じてオン/オフ動作を行うが、パワー素子３１０の入力オン/オフ状態は、ゲートＧとエミッターＥの電圧差で決まる。このようなオン/オフ制御は、通常１２−２０Ｖ内外の電圧差でオン状態に駆動されるし、０Ｖまたはそれ以下の値でオフ状態になる。

オン状態では、コレクタＣとエミッターＥの電圧差が２〜３Ｖ以内と低くなり、駆動電流によってオン状態のコレクタＣとエミッターＥの間の電圧差に変化が発生されることがある。

しかし、オン状態でコレクタＣとエミッターＥの電圧差が大きくなる場合、パワー素子３１０のＳＯＡ(Safe Operation Ａrea)を脱することもできる。そのため、駆動モジュール３２０はコレクタ端子Ｃの状態に対応するフィードバック信号に基づいてパワー素子３１０の状態を把握し、パワー素子３１０の状態に対する情報をエラーフィードバック信号で上位制御部３３０に伝達することができる。

例示的に、コレクタ端子Ｃ側の回路部に保護ダイオードが存在する場合、コレクタ端子Ｃがフィードバック段の電圧より高ければ保護ダイオードがオフになり、フィードバック段の電圧より低ければ保護ダイオードがオンに駆動される。これにより、パワー素子３１０のコレクタ端子Ｃの電圧値が駆動モジュール３２０に伝達されることができる。

先に言及したように、本発明の実施形態による駆動モジュール３２０は第１無線モジュール３２５を備え、上位制御部３３０及び次上位制御部３４０は第１無線モジュール３２５と対応される第２及び第３無線モジュール３３５、３４５を備える。

ここで、駆動モジュール３２０は、第１無線モジュール３２５を通じてパワー素子３１０及び駆動モジュール３２０の状態情報を第２無線モジュール３４５だけでなく、第３無線モジュール３４５にも伝送することができる。この場合、次上位制御部３４０は、状態情報に基づいて駆動モジュール３２０または上位制御部３３０に対する制御信号を第３無線モジュール３４５を通じて第１無線モジュール３２５または第２無線モジュール３３５に伝送することができる。

ちなみに、本発明の一実施形態によるパワーデバイス制御システムは、システムの構成形態によって選択的に次上位制御部３４０を含むことができる。また、図１に図示されていないが、本発明の一実施形態によるパワーデバイス制御システムは、次上位制御部３４０より上位階層である制御部をさらに含むことによって、三つ以上の多層構造からなる制御モジュールを含むこともできる。

同時に、次上位制御部３４０より上位階層である制御部は、上位制御部３３０及び次上位制御部３４０と同様、第１無線モジュール３２５に対応される無線モジュールを利用して、その下位階層の制御部または駆動モジュール３２０に対する制御信号を伝達することができる。

これにより、駆動モジュール３２０はその第１無線モジュール３２５を通じて上位制御部３３０、及びそれより上位階層である少なくとも一つの制御部３４０のうち、少なくとも一つによる直接的点検を受けることができる。

よって、パワー素子３１０の連結状態を含んだシステム状況情報に対する迅速な把握と、これによる保護協助が可能となることで、全般的なパワーデバイス制御システムの信頼度が向上されることができる。

これによって、本発明の一実施形態によれば、大型システムなどに問題が発生する場合、異常発生部位を迅速かつ正確に判断することで、システムの効率的なメンテナンスが可能になる。また、光信号だけを利用した二重制御システムの構成に比べて、空間的な制約がなく、安価で設備の構成が可能な長所がある。

以下では、本発明の実施形態による多様なシステム構成例を図２ないし図４を通じて説明する。

図２ないし図４は、図１のパワーデバイス制御システムを応用した様々なシステム構成例示図である。

先ず、図２を参照すれば、本発明による単一の上位制御部３３０は、多数の駆動モジュール３２０と連結されることができる。

各々の駆動モジュール３２０は、直接連結されるパワー素子３１０に対する駆動信号などを生成し、別途の無線モジュール３２５を備える。

上位制御部３３０は単一の無線モジュール３３５を備え、これを通じて駆動モジュール３２０にそれぞれ備えられる多数の無線モジュール３２５と無線データの送受信を行うことができる。

図３を参照すれば、二つ以上の駆動モジュール３２０が一つの無線モジュール３２５を共用させる構成を確認することができる。

つまり、高出力システムなどの構成のために、二つ以上のパワー素子３１０が直並列に連結されたシステムが提供されることができ、この場合、複数のパワー素子を位置や連結関係などに応じてモジュール化し、各々のモジュールを構成するパワー素子３１０に連結された駆動モジュール３２０が単一の無線モジュール３２５を共有するように構成されることができる。

この場合、パワーデバイスに対する二重制御体系の確立による運用効率性の向上と共に、システム構成のための費用の節減などのような付加的な効果を提供することができる。

図４にはパワー素子３１０の直並列混合構成に対する例示図を図示した。

図４を参照すれば、４つのパワー素子３１０が並列連結によってパワーモジュールを構成し、再び４つのパワーモジュールが直列連結されることで、システムのパワー段を形成することを確認することができる。

すなわち、総１６個のパワー素子３１０及びこれとそれぞれ連結される１６個の駆動モジュール３２０によって構成されるパワーデバイスには、総１６個の無線モジュール３２５が備えられることができるが、システム構成の便宜及び費用節減などのために各々のパワーモジュールごとに単一の無線モジュール３２５が備えられるようにし、これに属する４つの駆動モジュール３２０が上記無線モジュール３２５を共有することを確認することができる。

しかし、図２ないし図４の構成は、本発明の実施形態によって実現可能なシステムの構成例示図であり、本発明がこのような構成だけに限定されることを意味することではない。

ちなみに、今後の無線技術の発展により、パワーシステムの制御が専ら無線方式のみによって行われるように構成されることは当たり前で、さらには、二つ以上の無線モジュールを備えることによる二重無線制御構成などの方式の適用もまたできる。

今まで説明したような本発明によれば、無線モジュールの追加により二重制御システムを実現することで、光学モジュールの追加による二重制御方式に比べてより空間的、費用的効率性を大きく増加させることができ、パワーデバイスに対する多重制御を通じてシステムの信頼性を大きく向上させることができるなどの多様な効果を提供することができる。

前述したような本発明は、本発明が属する技術分野における通常の技術者にとって本発明の技術的思想を脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能なので、前述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではない。

Claims (6)

1. パワーデバイス制御システムにおいて、
   一つ以上のパワー素子；
   信号ラインを通じて上記パワー素子に対する駆動信号を提供し、第１無線モジュールを備える一つ以上の駆動モジュール；及び
   信号ラインを通じて上記駆動モジュールに対する制御信号を提供し、上記第１無線モジュールと対応される第２無線モジュールを備える上位制御部；を含むが、
   上記駆動モジュールの各々は、上記第１無線モジュールを通じて上記パワー素子及び上記駆動モジュールの状態情報を上記第２無線モジュールに伝送し、
   上記上位制御部は、上記第２無線モジュールを通じて上記状態情報に対応される制御信号を上記第１無線モジュールに伝送するパワーデバイス制御システム。
2. 上記上位制御部より上位階層で、上記第１無線モジュールに対応される無線モジュールを通じて上記状態情報の受信及び上記駆動モジュールに対する制御信号の伝送を行う、少なくとも一つの制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のパワーデバイス制御システム。
3. 上記パワー素子及びこれと連結される上記駆動モジュールが二つ以上存在する場合、上記二つ以上の駆動モジュールの各々は、上記第１無線モジュールを備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のパワーデバイス制御システム。
4. 上記パワー素子及びこれと連結される上記駆動モジュールが二つ以上存在する場合、上記二つ以上の駆動モジュールは単一の上記第１無線モジュールを共有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のパワーデバイス制御システム。
5. 二つ以上の駆動モジュールと連結された二つ以上の上記パワー素子が並列に連結される構造でそれぞれなされた二つ以上のパワーモジュールが相互直列連結される場合、
   上記二つ以上のパワーモジュールの各々は、上記二つ以上の駆動モジュールが共有する単一の第１無線モジュールを含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のパワーデバイス制御システム。
6. 信号ラインを通じて上記駆動モジュールまたは上記上位制御部に対する制御信号を提供し、上記第１無線モジュール及び上記第２無線モジュールと対応される第３無線モジュールを備える次上位制御部；をさらに含み、
   上記駆動モジュールは上記第１無線モジュールを通じて上記パワー素子及び上記駆動モジュールの状態情報を上記第３無線モジュールに伝送し、
   上記次上位制御部は、上記第３無線モジュールを通じて上記状態情報に対応される制御信号を上記第１無線モジュールまたは上記第２無線モジュールに伝送することを特徴とする、請求項１に記載のパワーデバイス制御システム。