KR100481228B1 - 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법 - Google Patents

직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력용 반도체 소자의 열화에 따른 전기적 특성변화를 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 운전 중에 자동으로 측정하여 열화정도 및 교체시기를 판단할 수 있는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법을 제공한다. 이를 위해 본 발명은, 전력용 반도체 소자로 구성되는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 동작중 열화진단방법에 있어서, 상기 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 운전되고 있는 상태에서, 해당 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기에서 복수의 전력용 반도체 소자로 이루어진 아암(Arm)의 입출력 전압 및 전류를 측정하는 단계와, 상기 아암의 입출력 전압 및 전류에 대한 측정값에 의해 평균스위치 모델의 파라미터값을 계산하는 단계 및, 상기 파라미터값의 변화 추이에 따라 전력용 반도체 소자의 열화가 진행되는 상태를 파악하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법{Method of Deteration Diagnosis for DC/AC Inverter and AC/DC Rectifier}
본 발명은 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법에 관한 것으로, 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 주 회로에 설치된 전력용 반도체 소자의 열화에 따른 전기적 특성변화를 관찰하고, 그 특성변화에 따라 소자의 열화정도를 기기의 동작중에 용이하게 진단할 수 있는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 직류/교류(DC/AC) 인버터 및 교류/직류(AC/DC) 정류기는 전력변환장치로서 산업 기기 전반에 널리 이용되고 있으며, 다양한 제어기법과 전력용 반도체 소자의 발전으로 많은 기술적 진보가 이루어지고 있다.
한편, 직류/교류 인버터의 경우에는 가변전압 가변주파수(VVVF) 제어용 인버터와 정전압 정주파수(CVCF) 제어용 인버터로 구분되는 바, 정전압 정주파수 제어용 인버터로써 무정전 전원장치(UPS)가 채용되고 있으며, 가변전압 가변주파수 제어용 인버터는 가변속 회전력을 얻기 위한 유도 전동기 등에 주로 적용되며, 그러한 유도 전동기에서는 전동차, 송풍기, 펌프, 교반기, 압출기, 방사기, 금속 가공기계, 공작기계, 섬유기계, 프로세스 라인, 차량구동 등의 응용분야를 가지고 있다.
이러한, 직류/교류 인버터는 현재 고효율화, 소프트 스위칭, 고역률화, 고밀도화, 소형화, 신뢰성 향상 등과 같은 성능 및 기능 향상에 많은 연구가 진행중이며, 그 연구 진행의 진척에 따라 급속한 기술 발전이 이루어지고 있다.
이러한 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 경우에는 과전압이나, 과전류, 온도상승 등으로 인한 구성 회로의 이상 동작에 의해 시스템이 파손되는 것을 방지하기 위해 각각 자기진단 및 보호회로를 구성하고 있다.
하지만, 상기 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 적용된 시스템에 장착된 전력용 반도체 소자는 사용기간이 경과하거나 또는 심한 스트레스(Stress)를 받았을 경우에 열화가 진행되지만, 그 열화의 정도를 현장에서 정확하게 파악할 수가 없으며, 이러한 전력용 반도체 소자의 열화는 시스템 전체의 이상동작과 효율을 저하시키는 요인이 되며, 갑작스런 소자이상으로 이어진다.
이에, 상기 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 적용된 시스템에서는 전력용 반도체 소자에 대한 정기적인 열화진단으로 열화의 진행정도를 조기 점검함으로써, 소자 파손으로 인한 설비 보수 및 설비 가동중단으로 인한 피해를 방지하기 위한 진단기술이 필요하게 되었다.
전력용 반도체 소자의 열화를 방지하기 위한 방편으로서, 최근에는 전력용 반도체 소자를 시스템 관리자가 정기적으로 점검함으로써 열화의 진행정도를 수동으로 파악할 수 있도록 하고 있지만, 이러한 시스템 관리자에 의한 열화 진단 방식은 전문가가 수동으로 일일이 반도체 소자의 진단을 수행해야 하므로 고급 인력을 동원하여 검사에 장시간을 소모하게 될 뿐만 아니라, 진단을 수행하는 상태에서는 진단 시스템의 전원을 완전히 오프시킨 상태에서 진행하게 되어 그 동안의 시스템 본래 동작이 어렵게 된다는 단점이 있다.
또한, 전력용 반도체 소자에 특정 전압을 인가한 후 이에 대한 반응전류의 상관관계를 통한 분석 방법으로 커브 트레이서(Curve Tracer)를 사용하는데, 이 방법을 이용하면 전압-전류의 특성곡선을 통해서 전력용 반도체 소자의 정상동작여부를 자세히 관측할 수 있지만, 진단 전압이 낮고 전류용량이 작으므로 전력용 반도체소자의 실제 사양에서의 측정은 불가능하므로 정확한 열화진단을 할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전력용 반도체 소자의 열화에 따른 전기적 특성변화를 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 운전 중에 자동으로 측정하여 열화정도 및 교체시기를 판단할 수 있는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법은, 전력용 반도체 소자로 구성되는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 동작중 열화진단방법에 있어서, 상기 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 운전되고 있는 상태에서, 해당 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기에서 복수의 전력용 반도체 소자로 이루어진 아암(Arm)의 입출력 전압 및 전류를 측정하는 단계와, 상기 아암의 입출력 전압 및 전류에 대한 측정값에 의해 평균스위치 모델의 파라미터값을 계산하는 단계 및, 상기 파라미터값의 변화 추이에 따라 전력용 반도체 소자의 열화가 진행되는 상태를 파악하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법을 제공한다.
본 발명에서는 전력용 반도체 소자의 열화에 따른 전기적 특성변화를 시스템의 운전상태에서 온 라인으로 열화진단을 수행한다. 전력용 반도체 소자의 접합부 온도와 주변온도가 열적 평형점에 다다른 상태에서 전력용 반도체 소자로 구성되는 주회로부의 입출력 전압 및 전류값을 측정하고, 평균스위치 해석 모델을 이용하여 소자의 열화의 정도를 판단할 수 있는 파라미터를 계산하고, 이 파라미터의 변화추이로 열화의 진행정도 및 소자의 교체시기를 판단한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기에서는 전력변환을 위한 전력용 반도체 소자가 필수적으로 적용되는 바, 이러한 전력용 반도체 소자는 사용시간이 경과함에 따라 열화가 진행되고, 이러한 열화는 시스템 전체의 이상동작과 효율을 저하시키는 요인이 되며, 결국 소자파괴를 야기한다. 본 발명에 따른 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법에서는 이러한 열화의 주된 요인에 대한 변화추이를 관찰함에 의해, 소자의 열화정도 및 교체시기를 판단할 수 있도록 한다.
즉, 도 1은 직류/교류(DC/AC) 인버터 및 교류/직류(AC/DC) 정류기에 적용되는 두개의 IGBT로 구성되는 아암(Arm)에 대한 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법이 적용되는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기에서는 전력변환을 위한 주요 소자로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 적용되고, 두개의 제 1 및 제 2IGBT(12,14)를 갖춘 아암(Arm)(10)으로 이루어진다.
상기 제 1 및 제 2IGBT(12,14)는 MOSFET와 PNP BJT(Bipolar Junction Transistor)가 직렬 접속된 형태로 구성되며, 내부 구조상 역방향 다이오드가 내장되어 있는데, 이는 게이트-에미터 간에 전압을 인가하여 MOSFET를 도통시키게 되면, PNP BJT의 베이스-컬렉터 간에 저 저항이 접속된 것으로 되어 그 PNP BJT가 도통상태로 되도록 동작하게 된다.
상기 각 IGBT(12,14)의 턴 오프 동작에 있어서는 게이트-에미터 간의 전압을 0V로 하면, MOSFET가 우선적으로 차단 상태가 되고 PNP BJT에서는 베이스 전류의 공급이 끊어지게 되어 차단 상태로 되는 바, 이는 게이트의 전압신호에 의해 온/오프 상태를 제어할 수 있도록 되어 있다.
한편, 열화에 영향을 미치는 전력용 반도체 소자 즉, 제 1 및 제 2IGBT(12,14)의 손실은 도통 손실과 스위칭 손실로 나타내며, 도통 손실은 소자에 전류가 흐를 경우에 발생되는 손실로서 일반적으로 도통 전류의 제곱에 비례하여 나타난다. 상기 스위칭 손실은 IGBT의 턴 온 및 턴 오프시에 발생되는 손실로서 IGBT의 턴 온시 역방향 다이오드의 역회복에 따라 축적된 전하량에 따른 손실과, IGBT의 턴 오프시에 도통 전류의 지연에 따른 손실로 나타낼 수 있다.
다음에, 도 2는 도 1에 도시된 아암(Arm)의 일측 IGBT가 턴 온된 경우에 해당 IGBT의 전압과 전류의 파형을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바에 따르면, 상기 아암(Arm)을 구성하는 제 1 및 제 2IGBT(12,14) 중에서 제 1IGBT(12)가 턴 온된 경우에 전압과 전류의 평균값은 하기한 수학식 1과 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, "Ts"는 하나의 파형 주기를 나타내고, "[Y]TS"는 하나의 주기 동안의 Y의 평균값을 나타내며, "tr"은 역방향 다이오드의 역회복시간, "trt"은 IGBT의 턴 온시 전류의 상승시간, "ton"는 IGBT의 턴 온시 도통전류, "Vsat" IGBT의 순방향 전압강하, "VD"는 역방향 다이오드의 순방향 전압강하, "Qr"는 역방향 다이오드의 역회복시간 동안 축적된 전하량, "Qf"는 IGBT의 턴 오프시 도통 전류의 지연 시간동안의 전하량을 나타낸다.
한편, 상기 아암(10)의 출력 단자전압은 하기한 수학식 3과 같이 계산된다.
또한, 상기 수학식 2와 수학식 3을 하나의 주기 동안의 시비율 D 와 D'=D-1로 표시하면 하기한 수학식 4와 수학식 5로 나타낼 수 있다.
이 때, 상기 수학식 4와 수학식 5를 평균 등가회로 모델로 나타내면 도 3과 같이 나타난다. 단, 상기 수학식 5에서 (1/2)trt 항은 너무 작으므로 평균 등가회로 모델에서 무시하였다.
도 3에서, 1:D 변압기는 상기 아암(10)의 입력 측에서 출력 측으로의 전력변환을 모델화 한 것이고, 각 IGBT(12,14)의 역방향 다이오드와 IGBT의 순방향 전압강하는 두개의 전압원(DVsat, D'VD)과 두개의 등가 직렬저항(DRT, D'RD)으로 모델화 할 수 있다.
상기 각 IGBT(12,14)의 스위칭 시간과 역방향 다이오드에 축적된 전하량은 온도에 매우 민감하므로, 전력용 반도체의 접합부 온도와 주변 온도가 평형점에 다다른 상태에서 입출력의 전압과 전류값을 측정하여, 그 아암(10)의 평균 스위치 해석 모델을 통하여 도통 손실의 등가직렬 저항값(DRT,D'RD)과 스위칭 손실의 다이오드 역회복 시간(trt) 및 소자의 스위칭 전하량(Qr,Qf)의 각종 파라미터값을 알 수 있다.
여기서, 상기 전력용 반도체 소자의 접합부 온도란 정확하게는 반도체소자의 와이어 본딩된 부분에 대한 온도를 의미하며, 이 접합부 온도는 인쇄회로기판에 설치되는 반도체 소자의 핀의 온도를 측정하면 반도체소자의 제조업체에서 제공하는 데이터 시이트(Data Sheet)를 이용하여 환산할 수 있다.
상기 파라미터값의 초기값은 전력용 반도체 소자인 IGBT(12,14)의 제조업체에서 제시하는 데이터 시이트에 명시되어 있는 값을 사용하거나, 반복적인 실험을 통하여 초기값의 데이터베이스를 구축할 수 있는 바, 이러한 파라미터값의 변화추이에 의해 열화의 진행정도와 소자의 교체시기를 판단할 수 있게 된다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 동작에 대해 도 4의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 운전중인 상태에서, 해당 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기에 갖추어진 아암(10)의 제 1 및 제 2IGBT(12,14)와 같은 전력용 반도체 소자에서 접합부의 온도와 외부 온도를 각각 센싱하게 된다(단계 S10).
그 상태에서, 상기 제 1 및 제 2IGBT(12,14)의 각 접합부 온도와 외부의 주변 온도가 평형점에 다다른 상태인 지의 여부를 판단한다(단계 S11).
상기 판단 결과, 상기 제 1 및 제 2IGBT(12,14)의 접합부 온도와 외부 온도가 평형점에 다다르고 있다고 판단되면, 상기 아암(10)의 입출력 전압과 전류값을 각각 측정하게 된다(단계 S12).
그 다음에, 상기 아암(10)의 입출력 전압과 전류의 측정값에 의해 하나의 파형주기 동안의 시비율을 계산하게 되고, 그 시비율의 계산치를 평균스위치 해석모델의 파라미터값으로 계산하게 된다(단계 S13).
이에, 상기 평균스위치 해석모델에 대한 파라미터값이 계산되면, 그 파라미터값의 변화 추이에 따라 제 1 및 제 2IGBT(12,14)와 같은 전력용 반도체 소자의 열화진행 상태를 파악할 수 있게 된다(단계 S14).
한편, 제 1 및 제 2IGBT(12,14)와 같은 전력용 반도체 소자의 열화진행 상태를 파악하게 되면, 그 열화진행 상태를 통해서 해당 전력용 반도체 소자의 잔여 수명을 진단할 수 있게 되고, 소자의 교체 시기를 판단할 수 있게 된다(단계 S15).
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 운전되고 있는 상태에서 전력용 반도체소자의 열화를 진단하는 방법으로써 소자의 시간경과에 따른 열화상태를 조기 점검함으로써 갑작스런 소자의 이상으로 인한 설비 보수 및 설비 가동중단으로 인한 피해를 사전에 방지할 있어 설비운영 효율을 극대화시킴과 더불어 물적 손실을 예방할 수 있다는 효과를 갖게 된다.
도 1은 직류/교류(DC/AC) 인버터 및 교류/직류(AC/DC) 정류기에 적용되는 두개의 IGBT로 구성되는 아암(Arm)에 대한 회로 구성을 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 도시된 아암(Arm)의 일측 IGBT가 턴 온된 경우에 해당 IGBT의 전압과 전류의 파형을 나타낸 도면,
도 3은 도 1에 도시된 아암(Arm)의 평균 등가회로 모델을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우 챠트이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10:아암(Arm), 12,14:IGBT.

Claims (4)

  1. 전력용 반도체 소자로 구성되는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 동작중 열화진단방법에 있어서,
    상기 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기가 운전되고 있는 상태에서, 해당 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기에서 복수의 전력용 반도체 소자로 이루어진 아암(Arm)의 입출력 전압 및 전류를 측정하는 제 1단계와,
    상기 아암의 입출력 전압 및 전류에 대한 측정값에 의해 평균스위치 모델의 파라미터값을 계산하는 제 2단계 및,
    상기 파라미터값의 변화 추이에 따라 전력용 반도체 소자의 열화가 진행되는 상태를 파악하는 제 3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1단계는, 각 전력용 반도체 소자의 접합부 온도와 외부 온도를 각각 센싱하는 단계와,
    상기 전력용 반도체 소자의 접합부 온도와 외부 온도가 평형점에 다다르면, 상기 아암(Arm)의 입출력 전압 및 전류를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2단계는, 상기 평균 스위치 모델의 파라미터값은 전력용 반도체 소자의 도통손실에 대한 등가직렬 저항값과, 스위칭 손실에 대한 전력용 반도체 소자에 적용된 역방향 다이오드의 역회복시간, 해당 전력용 반도체 소자의 스위칭 전하량에 해당되는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3단계는, 상기 전력용 반도체 소자의 열화 진행상태에 따라 해당 전력용 반도체 소자의 잔여수명을 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류/교류 인버터 및 교류/직류 정류기의 열화진단 방법.
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