KR100321060B1 - 싸이리스터 열화진단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 싸이리스터(thyristor) 열화진단 장치에 관한 것으로, 특히 산업현장에 널리 사용되는 전력소자인 싸이리스터의 노화에 따른 전기적 특성변화를 형상화시키고, 이 형상화된 특성에 따라 상기 싸이리스터의 정상동작여부 및 열화정도를 용이하게 진단할수 있도록 한 싸이리스터 열화진단 장치에 관한 것이다.

본 발명은 고가인 싸이리스터와 같은 대전력소자의 열화를 진단하는 장치인데, 설비에 사용중인 소자를 조기 점검함으로서, 갑작스런 전력소자의 파손으로 인한 설비 보수 및 설비 가동 중단으로 인한 막대한 피해를 사전에 방지하는 역할을 하여, 상당한 규모의 물적손실을 예방한다. 또한 전력소자의 신품 교체시 정상여부를 판별할 수 있으며, 고장시 파손 소자의 판별에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

싸이리스터 열화진단 장치

본 발명은 싸이리스터(thyristor) 열화진단 장치에 관한 것으로, 특히 산업현장에 널리 사용되는 전력소자인 싸이리스터의 노화에 따른 전기적 특성변화를 형상화시키고, 이 형상화된 특성에 따라 상기 싸이리스터의 정상동작여부 및 열화정도를 용이하게 진단할수 있도록 한 싸이리스터 열화진단 장치에 관한 것이다.

일본적으로, 전자, 전기 분야에 사용되는 각종 소자의 특성을 분석하는 방법중에, 소자에 특정 전압을 인가한후 이에 대한 반응전류의 상관관계(I-V 특성)를 통한 분석 방법이 있는데, 대용량의 전력소자인 싸이리스터의 경우에도 I-V 특성곡선을 통해 소자의 정상 여부는 물론 I-V 특성곡선의 변화를 관측함으로서 열화의 정도를 판단할 수 있다.

종래, 싸이리스터등의 반도체 소자에 대한 의 I-V특성을 진단하는 방법으로는 곡선트레이서(Curve Tracer)를 사용하는 방법이 있는데, 이 방법을 이용하면 I-V 특성 관측을 통해서 소자의 정상동작 여부를 자세히 관찰할수 있지만, 이 곡선트레이서(Curve Tracer)는 진단 전압이 낮고, 전류용량이 낮아 소용량 소자의 경우에는 적합하지만, 싸이리스터와 같은 대전력 소자의 특성을 분석하기에는 진단 전압 및 전류용량이 맞지않으므로, 이 곡선트레이서(Curve Tracer)를 이용하는 방법은 소자의 I-V 특성변화에 대한 이력관리가 되지않아 열화진단이 불가능하여 싸이리스터에 대한 진단이 불가능하다는 문제점이 있었다.

그리고, 상기 싸이리스터와 같은 전력소자의 정상여부를 메가(megohm meter)를 통한 절연저항의 측정으로 진단하였는데, 이 메가는 500V 또는 1000V 고정 전압원을 가지고 각 경우에 인가한 전압에 대한 도통 전류의 양을 저항값으로 환산하여 나타내는 장치로서, 가격이 저렴하고 취급하기가 용이하다는 장점이 있다.

그러나, 싸이리스터와 같은 전력소자는 전압에 대한 전류특성이 비선형적으로 나타나는데, 상기 메가를 이용한 싸이리스터의 진단은 특정 전압(500V 또는 1000V)에서의 저항값만 나타내므로 소자의 파손여부는 정확하게 판단될 수 있지만 열화진단은 불가능하며, 또한, 정격 2000V 이상의 고전압소자의 경우에는 항복전압(V_BO:break over voltage)의 강하 또는 누설전류 특성의 변화가 1000V 이상에서 나타나는 경우가 있으므로, 상기 메가를 사용한 진단시에는 비정상 소자의 경우에도 정상으로 판단되는 경우가 초래되는등, 싸이리스터등의 대전력소자에 대한 정확한 특성진단이 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 따라서, 본 발명의 목적은 산업현장에 널리 사용되는 전력소자인 싸이리스터의 노화에 따른 전기적 특성변화를 형상화시키고, 이 형상화된 특성에 따라 상기 싸이리스터의 정상동작여부 및 열화정도를 용이하게 진단할수 있도록 한 싸이리스터 열화진단 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 싸이리스터 열화진단장치의 구성도이다.

도 2는 도 2에 도시한 제어부(12)의 제어기능에 대한 구성도이다.

도3은 본 발명에 따른 싸이리스터 열화진단 과정을 보이는 플로우챠트이다.

도4는 본 발명에 따라 획득된 I-V 특성데이타의 그래프로서,

도 4a는 정상적인 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이며,

도 4b는 초기열화된 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이고,

도 4c는 파손직전의 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이며,

도 4d는 파손된 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 키입력부 12 : 제어부

13 : 표시부 14 : 메모리

15 : 신호처리부 16 : 고전압발생부

17 : 롬(ROM) 18 : 램(RAM)

19 : 접속라인

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 고안(발명)의 장치는 진단대상인 싸이리스터의 제품번호, 인가전압의 크기를 포함하여 진단관련데이타 및 양부판별키의 입력을 위한 키입력부; 상기 키입력부로부터의 진단관련데이타에 따라 설정된 크기의 전압인가를 제어하고, 신호처리부를 통한 I-V 데이타를 획득한후 이 데이타의 저장과 화면표시를 제어하며, 상기 키입력부를 통한 양호 또는 불량판별키에 따른 진단결과를 해당 싸이리스터의 제품번호와 매칭시킨후 이의 저장을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어에 따른 각종 데이타를 화면출력하는 표시부; 상기 제어부의 제어에 따라 진단관련데이타를 저장하는 메모리; 상기 제어부로부터의 진단관련데이타를 공유하여, 이 진단관련데이타중 설정된 크기의 전압인가를 제어하고, 고전압발생부로부터의 출력전압과 출력전류를 각각 디지탈로 변환시켜 이를 임시저장 시킨후 상기 제어부로 제공하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 제어에 따라 소정크기의 전압을 발생시켜 싸이리스터로 인가한후, 상기 싸이리스터로부터의 출력전압과 출력전류를 상기 신호처리부로 제공하는 고전압발생부; 를 구비함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 싸이리스터 열화진단 장치에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 싸이리스터 열화진단장치의 구성도이고, 도 2는 도 2에 도시한 제어부(12)의 제어기능에 대한 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 싸이리스터 열화진단 장치는 진단대상인 싸이리스터의 제품번호, 인가전압의 크기를 포함하여 진단관련데이타 및 양부판별키의 입력을 위한 키입력부(11)와, 상기 키입력부(11)로부터의 진단관련데이타에 따라 설정된 크기의 전압인가를 제어하고, 신호처리부를 통한 I-V 데이타를 획득한후 이 데이타의 저장과 화면표시를 제어하며, 상기 키입력부(11)를 통한 양호 또는 불량판별키에 따른 진단결과를 해당 싸이리스터의 제품번호와 매칭시킨후 이의 저장을 제어하는 제어부(12)와, 상기 제어부(12)의 제어에 따른 각종 데이타를 화면출력하는 표시부(13)와, 상기 제어부(12)의 제어에 따라 진단관련데이타를 저장하는 메모리(14)와, 상기 제어부(15)로부터의 진단관련데이타를 공유하여, 이 진단관련데이타중 설정된 크기의 전압인가를 제어하고, 고전압발생부로부터의 출력전압과 출력전류를 각각 디지탈로 변환시켜 이를 임시저장 시킨후 상기 제어부(15)로 제공하는 신호처리부(15)와, 상기 신호처리부(15)의 제어에 따라 소정크기의 전압을 발생시켜 싸이리스터로 인가한후, 상기 싸이리스터로부터의 출력전압과 출력전류를 상기 신호처리부(15)로 제공하는 고전압발생부(16)로 구성한다.

상기 신호처리부(15)는 소정범위이내로의 전류제한을 제어하는 기능과 A/D변환기능과 D/A변환기능을 구비하고 있으며, 또한, 상기 출력전압과 전류에 대한 일정한 변환비를 갖도록 처리하는 기능을 구비하고 있다.

상기 싸이리스터 열화진단 장치에는 싸이리스터 진단에 관한 프로그램 및 데이타를 저장하고 있는 롬(17)과, 상기 고전압발생부(16)로부터의 출력전압과 출력전류가 상기 신호처리부(15)에서 디지탈로 변환되는데, 이 디지탈데이타를 임시로 저장하는 램(18)을 더 구비하고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 싸이리스터 열화진단 과정을 보이는 플로우챠트로서, 도 3은 본 발명에 의한 싸이리스터 열화진단 장치를 이용하여 싸이리스터에 대한 열화진단과정을 보이고 있다.

도4는 본 발명에 따라 획득된 I-V 특성데이타의 그래프로서, 도 4는 사전에 반복적인 실험에 위해 획득한 진단에 기준이 되는 I-V특성그래프이며, 도 4a는 정상적인 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이고, 도 4b는 초기열화된 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이며, 도 4c는 파손직전의 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이다. 그리고 도 4d는 파손된 싸이리스터를 통해 획득된 특성데이터의 그래프이다.

여기서 도면중 미설명부호인 19는 진단대상인 싸이리스터를 접속하기 위한 접속라인이다.

이와같이 구성된 본 발명의 장치에 따른 동작을 첨부도면에 의거하여 하기에 상세히 설명한다.

먼저, 싸이리스터는 접합 용량(junction capacitance)에 의한 변위 전류를 가지며, 대용량 싸이리스터는 노화에 따라 변위전류의 변화가 발생되는 특성을 갖는데, 본 발명에서는 이와같은 싸이리스터의 특성을 이용한다.

도 1에서 도 4까지를 참조하여 본 발명에 따른 싸이리스터에 대한 진단과정을 설명하면, 먼저, 싸이리스터 열화진단 장치에 전원공급과 함께 장치를 가동시키고(도3의 31,32단계에 해당됨), 이후 본 발명의 싸이리스터 열화진단 장치의 접속라인(19)에 싸이리스터를 정방향, 즉 동일한 극성끼리 접속시켜(도3의 33단계에 해당됨), 싸이리스터진단을 위한 준비를 한다.

도 1에 도시한 키입력부(11)를 통해서 진단대상인 싸이리스터의 진단관련데이타를 입력하는데, 이 진단관련데이타에는 싸이리스터의 제품번호와, 인가전압의 크기등이 포함되는데, 상기 인가전압은 상기 싸이리스터의 정격전압에 대해서 130%에서 150%의 전압에 해당하도록 조정한다(도3의 34단계에 해당됨).

상기 키입력부(11)로부터의 진단관련데이타를 제어부(12)가 입력받아 이를 메모리(14)에 저장하고, 상기 진단관련데이타에 포함된 설정된 전압의 인가를 제어하면, 상기 전압인가 제어는 신호처리부(15)를 통해 고전압발생부(19)로 제공되는데, 이때 상기 고전압발생부(16)는 상기 제어신호에 따른 크기에 해당하는 고전압(대략 최고 3000V)의 정현파신호를 발생시킨후 접속된 싸이리스터로 인가한다.

상기 싸이리스터를 통한 출력전압과, 이 출력전압에 응답하는 출력전류는 상기 고전압발생부(16)를 통해 상기 신호처리부(15)로 제공한다.

상기 신호처리부(15)는 상기 출력전압(V)과 출력전류(I)에 대해 소정의 신호처리과정을 수행한후 상기 제어부(12)로 제공하는데, 이때 출력전압이 과도하여 전류가 높아지는 경우에는 상기 고전압발생부에서 발생되는 전압을 낮추어 전류가 100mA 이내로 제한되도록 처리하며, 또한, 출력 전압과 전류가 일정 변환비를 가지는 전압으로 변환시킨후 이를 디지탈로 변환시켜 램(18)에 임시로 저장시킴과 동시에 상기 제어부(12)로 제공한다.

상기 제어부(12)는 상기 신호처리부(15)로부터의 I-V 데이타를 획득한후 표시부(13)로 화면출력시키는데(도3의 35단계에 해당됨), 이때 사용자 또는 진단수행자는 표시부(13)에 표시된 I-V 데이타에 관한 그래프형태를 보고서, 이를 도 4에 도시한 4개의 그래프와 비교해 가면서, 현재 진단중인 싸이리스터의 특성에 대한 양부를 판단한다.

한편, 정상적인 싸이리스터의 경우, 도 4의 도 4a와 같은 특성을 가지는데, 이는 항복전압(V_BO)전까지는 전압이 상승하여도 전류가 흐르지 않다가 항복전압(VB_O)에 이르면 급격히 전류가 상승한다.

그리고, 초기열화단계의 싸이리스터의 경우, 도 4의 도 4b와 같은 특성을 가지는데, 항복전압 이전까지의 전압에 대해서도 일정량의 누설전류를 가지며, 항복전압(VB_O)에 이르면 급격히 전류가 상승하는데, 전체 모양새가 면적을 가지는 폐곡선을 이룬다. 이 면적이 넓을수록 열화가 많이 진행된 것이다. 하지만 소자 제조사에따라 다르고 소자 용량에 따라 차이를 가지므로 한 번의 진단으로 판단하기는 어려우며, 정상 소자와의 특성 비교로 정확한 판단이 가능하다.

다음, 열화가 많이 진행되어 교체되어야 하는 소자의 경우, 도4의 도 4c와 같은 특성을 가지는데, 항복전압(VB_O)의 경계가 모호해지며 항복전압(VB_O)보다 낮은 전압에서 전압에 상관된 누설전류를 가지며, 폐곡선의 면적도 넓어진다. 이 때, 전압에 따른 전류증가의 기울기가 시간이 지날수록 높아지며, 일정이상이 되면 사용도중 파손될 가능성이 높다. 또한 온도가 높을수록 기울기가 높아지므로 이 경우도 열화 정도는 한 번의 진단으로 어려우며, 동일조건의 같은 종류의 정상소자와의 비교로 가능하다.

마지막으로, 파손된 소자의 경우 도4의 도 4c와 같은 특성을 가지는데, 항복전압이 거의 0에 가깝다. 완전히 파손되면 항복전압은 0이 되고, 특성곡선은 수직선이 된다.

따라서, 상기 도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d를 기준 그래프로 하여 상기 표시부(13)에 표시되는 그래프를 보고서(도3의 36단계에 해당됨), 현재 진단중인 싸이리스터에 대한 양부를 판단(도3의 37단계에 해당됨)하게 되는 것이다.

먼저, 상기 표시부(13)에 표시된 I-V특성 그래프가 도 4a나 도 4b에 해당하는 경우에는 양호로 판단하고, 반면에 도 4c나 도 4d에 해당되는 경우에는 불량으로 판단하며, 그 다음, 양호로 판단된 경우에는 보다 구체적인 2차 판단(도3의 38,39단계에 해당됨)을 하는데, 상기 표시부(13)에 표시된 I-V특성 그래프에서의 항복전압을 도 4a에 도시된 항복전압에 비교하여 차이가 없으면 양호로 판단하고, 차이가 없으면 불량으로 판단한다. 그리고, 상기 표시부(13)에 표시된 I-V특성 그래프에서의 면적이 도 4b에 도시된 면적과 비교해서 차이가 없으면 양호로 판단하고, 차이가 없으면 불량으로 판단한다.

즉, 상기 획득된 I-V특성과 이전의 진단과정을 통해서 저장된 I-V특성(진단에 기준이 되는 특성)을 비교하여 열화 경과를 관찰한다. 상기 저장된 특성 데이터와 비교하여 폐곡선 면적이나 항복전압의 변화가 급격하면 열화된 소자이므로 불량판정(도3의 44단계에 해당됨)을 내린다.

상기 판단된 결과를 상기 키입력부(11)를 통해서 입력하면, 상기 제어부(12)는 상기 입력된 판단결과를 상기 싸이리스터의 제품번호와 매칭시켜서 메모리(14)에 저장시킨다.

다른한편, 상기 진단과정은 싸이리스터를 본 발명의 진단장치에 동일극성끼리 연결하여 수행한 것이고, 상기 싸이리스터는 정방향과 역방향에 대한 특성이 동시에 양호해야 최종 양호한 소자로 간주할 수 있으므로, 이번에는 상기 싸이리스터의 결선을 역으로하여 상기한 진단과정을 되풀이 한다(도3의 42단계에 해당됨).

실시예

본 발명에 따른 진단장치의 사용으로 사용중인 싸이리스터소자를 진단해본 결과 열화된 싸이리스터를 정확히 구별하고, 계속사용여부를 판단하였다. 실제 열화정도에 따른 I-V특성이 도4와 같이 획득되었다. 도4의 도 4a는 정상인 싸이리스터로부터 획득된 특성이고, 도4의 도 4b는 초기 열화가 진행중인 소자의 특성이고, 도4의 도 4c는 열화가 진행되어 사용할수 없는 소자의 특성을 나타내고, 도4의 도 4d는 완전히 파손된 소자의 특성을 나타낸다.

정상인 소자의 특성을 보면 일정정압(V_BO)까지는 누설전류값이 아주 작고, 항복전압(VB_O)전압 이상에서는 급격히 상승하는 것을 볼수 있다. 초기 열화중인 소자의 특성은 이하에서 전압에 따른 누설전류의 량이 변화하는 것을 알수 있다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 본 발명에 의한 진단장치는 3000V 이상의 고전압 단일 펄스 I-V 특성분석기로서, 단일 펄스 전압원을 사용하며, 싸이리스터, IGBT, GTO 등의 대용량 반도체 스위칭 소자의 열화 진단에 이용된다. 또한 내압이 높은 전기, 전자 부품에 응용한다면 전압에 따른 절연파괴의 정도를 쉽게 관측할 수 있어 절연상태 진단 등이 가능하다.

또한, 고가인 싸이리스터와 같은 대전력소자의 열화를 진단하는 장치인데, 설비에 사용중인 소자를 조기 점검함으로서, 갑작스런 전력소자의 파손으로 인한 설비 보수 및 설비 가동 중단으로 인한 막대한 피해를 사전에 방지하는 역할을 하여, 상당한 규모의 물적손실을 예방한다. 또한 전력소자의 신품 교체시 정상여부를 판별할 수 있으며, 고장시 파손 소자의 판별에 유용하게 사용되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 진단대상인 싸이리스터의 제품번호, 인가전압의 크기를 포함하여 진단관련데이타 및 양부판별키의 입력을 위한 키입력부(11);

   상기 키입력부(11)로부터의 진단관련데이타에 따라 설정된 크기의 전압인가를 제어하고, 신호처리부를 통한 I-V 데이타를 획득한후 이 데이타의 저장과 화면표시를 제어하며, 상기 키입력부(11)를 통한 양호 또는 불량판별키에 따른 진단결과를 해당 싸이리스터의 제품번호와 매칭시킨후 이의 저장을 제어하는 제어부(12);

   상기 제어부(12)의 제어에 따른 각종 데이타를 화면출력하는 표시부(13);

   상기 제어부(12)의 제어에 따라 진단관련데이타를 저장하는 메모리(14);

   상기 제어부(15)로부터의 진단관련데이타를 공유하여, 이 진단관련데이타중 설정된 크기의 전압인가를 제어하고, 고전압발생부로부터의 출력전압과 출력전류를 각각 디지탈로 변환시켜 이를 임시저장 시킨후 상기 제어부(15)로 제공하는 신호처리부(15);

   상기 신호처리부(15)의 제어에 따라 소정크기의 전압을 발생시켜 싸이리스터로 인가한후, 상기 싸이리스터로부터의 출력전압과 출력전류를 상기 신호처리부(15)로 제공하는 고전압발생부(16);

   를 구비함을 특징으로 하는 싸이리스터 열화진단 장치.

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