KR101077997B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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김찬기
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문형배
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한국전력공사
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Abstract

전력 변환 장치를 개시한다. 전력 변환 장치는 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 구비하여 전력을 변환하고 전류를 출력하는 컨버터, 반도체 스위칭 소자에 접촉하여 냉각재의 순환으로 컨버터를 냉각시키는 냉각 장치부 및 반도체 스위칭 소자에 게이트 펄스를 제공하되 반도체 스위칭 소자와 냉각 장치부 사이의 열 전달에 의한 열저항을 모델링하여 확보되는 전류 출력 여유분을 반영하는 게이트 펄스를 생성하는 전력 변환 제어부를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{Power conversion device}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 산업계를 비롯하여 가전 제품에도 전동기의 속도 제어 장치로 많이 사용되고 있다. 그러나 전력 변환 장치에 이용되는 사이리스터, IGBT, MOSFET 등의 반도체 스위칭 소자는 전력 변환 시의 전기적 손실에 의해 발열하며 미리 설정된 동작 한계 온도에 따라 발열하도록 전력 변환 동작을 수행한다.
여기서 전력 변환 장치는 열에 의한 반도체 스위칭 소자의 파손을 막기 위해 리미터를 사용하여 설정치 이상의 전류가 출력하지 못하도록 전류 출력을 제한한다. 또한, 전력 변환 장치는 냉각 장치를 이용하여 반도체 스위칭 소자의 열을 식힌다.
그러나 전력 변환 장치는 리미터에 의한 고정적인 전류 제한치에 의해 출력 가능한 전류의 용량과 변환 효율이 낮다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 냉각에 의해 컨버터에서 확보되는 출력을 증대시키는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 변환 장치를 제공한다.
전력 변환 장치는 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 구비하여 전력을 변환하고 전류를 출력하는 컨버터, 반도체 스위칭 소자에 접촉하여 냉각재의 순환으로 컨버터를 냉각시키는 냉각 장치부 및 반도체 스위칭 소자에 게이트 펄스를 제공하되 반도체 스위칭 소자와 냉각 장치부 사이의 열 전달에 의한 열저항을 모델링하여 확보되는 전류 출력 여유분을 반영하는 게이트 펄스를 생성하는 전력 변환 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전력 변환 제어부는 컨버터에서 출력되는 전류의 측정값과 원하는 전류 지령치를 비교하여 오차를 구하는 제1 비교부, 오차에 의해 생성된 전류 출력 제어 신호를 통해 게이트 펄스를 생성하여 반도체 스위칭 소자로 출력하는 게이트 펄스 생성부, 반도체 스위칭 소자 및 냉각 장치부에 대한 열저항의 모델링을 통해 냉각된 반도체 스위칭 소자의 온도를 계산하여 출력하는 열저항 모델링부, 반도체 스위칭 소자의 온도를 입력받아 반도체 소자의 수명에 상응하여 설정된 발열 제한 온도와 비교하고, 비교 결과에 따른 반도체 스위칭 소자의 발열 여유분을 출력하는 제2 비교부, 발열 여유분을 출력 전류의 여유분으로 환산하는 전류 환산부 및 상기 반도체 스위칭 소자가 상기 발열 제한 온도에 상응하는 전류 기준값 이하의 전류를 출력하도록 상기 게이트 펄스 생성부로 제한 신호를 제공하되, 상기 전류 출력 여유분이 반영된 상기 제한 신호를 생성하여 상기 게이트 펄스 생성부로 출력하는 리미터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전력 변환 제어부는 상기 컨버터에서 출력되는 전류의 측정값을 입력받아 상기 반도체 스위칭 소자의 발열량에 상응하는 전력으로 환산하여 열저항 모델링부로 출력하는 전력 환산부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 열저항의 모델링은 케이스 내부에 서로 접합된 n형 반도체 및p형 반도체를 포함하는 반도체 스위칭 소자의 내부 접합부와 케이스 사이의 제1 열저항, 케이스와 방열판 사이의 제2 열저항, 방열판과 냉각재 사이의 제3 열저항, 냉각재와 열교환기 사이의 제4 열저항, 열교환기와 외부 공기 사이의 제5 열저항을 포함하여 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 냉각 장치부는 냉각재를 저장하고 냉각재를 보충하는 냉각재 탱크, 반도체 스위칭 소자에 부착되고, 냉각재의 순환으로 반도체 스위칭 소자를 냉각시키는 방열판, 냉각재 탱크와 방열판에 파이프로 연결되어 냉각재를 순환시키는 메인 펌프 및 냉각재 탱크와 방열판 사이에 연결되어 냉각재를 냉각시키는 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 냉각 장치부는 냉각재에 의해 생성되는 이온을 제거하는 탈이온화 장치, 냉각재에 포함된 불순물을 제거하는 필터 및 냉각재에 물을 공급하는 워터 펌프 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치는 열저항 모델의 해석을 통해 확보되는 전류 출력의 여유분을 리미터에 적용하여 출력 전류의 최대치를 가변함으로써 출력을 극대화하고 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 전력 변환 장치는 반도체 스위칭 소자의 보호를 위한 전류 제한치보다 컨버터의 최대 출력을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도2 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변화 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 냉각 장치부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 냉각 장치부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서 냉각재의 순환 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 전력 변환 장치에서의 열저항 모델을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 전력 변환 제어부를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터 출력 제어 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 전력 변환 장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 연결 관계를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치(130)는 계통(110)에 연결되어 전력을 공급받고 공급받은 전력을 변환하여 출력한다.
여기서 전력 변환 장치(130)는 계통(110)으로부터 계통 전력을 공급받아 변압하는 변압부(120)에 연결되어 변압된 전력을 입력받는다. 또한, 전력 변환 장치(130)는 변류기 등의 전류 감지부(140)로부터 출력되는 전류의 측정값 Imeasure을 입력받는다.
여기서 도 2 내지 도 7을 더 참조하여 전력 변환 장치(130)를 보다 상세하게 설명한다.
도2 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변화 장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 컨버터를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 냉각 장치부를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서 냉각재의 순환 흐름을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 전력 변환 장치에서의 열저항 모델을 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 전력 변환 제어부를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 전력 변환 장치(130)는 복수의 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)를 구비하는 컨버터(150), 컨버터(150)를 냉각시키는 냉각 장치부(200) 및 컨버터(150)의 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)에 제어 신호를 제공하는 전력 변환 제어부(400)를 포함한다.
컨버터(150)는 도 2에 도시된 바와 같이 직렬 또는 병렬로 연결된 제1 내지제6 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6) 각각이 3상의 교류 전력(Va, Vb, Vc)을 입력받아 직류 전력(Vout)으로 변환한다.
제1 내지 제6 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)은 사이리스터로 이루어져 사이리스터 밸브를 형성하며, 외부로부터 게이트 펄스를 입력받아 스위칭 동작을 수행한다. 이때, 제1 내지 제6 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6) 각각은 소정의 패턴으로 스위칭 동작을 수행하여 입력받은 3상의 교류 전력(Va, Vb, Vc 을 직류 전력(Vout)으로 변환한다.
냉각 장치부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 컨버터(150)를 냉각시키기 위해 냉각재 탱크(210), 메인 펌프(220), 열교환기(230), 방열판(240), 탈이온화 장치(250), 필터(260) 및 워터 펌프(270)를 포함한다.
냉각재 탱크(210)는 물과 글리콜이 혼합된 냉각재에서 글리콜의 누수량만큼 글리콜을 보충하고 냉각재의 양을 측정한다. 냉각재 탱크(210)는 파이프(300)를 통해 메인 펌프(220), 열교환기(230) 또는 탈이온화 장치(250)와 연결된다.
메인 펌프(220)는 냉각재를 순환시키며, 전력 변환 장치(130)의 안정성을 위해 이중으로 밀폐된다.
열교환기(230)는 파이프(300)를 통해 유입되는 냉각재를 냉각시킨다. 열교환기(230)는 도 4에 도시된 바와 같이 파이프(300) 상에 설치된 적어도 하나의 팬(fan)(235)을 포함하고, 팬(235)을 작동시켜 냉각재를 냉각시킨다.
방열판(240)은 냉각재를 공급받아 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)에서 발생되는 열을 식힌다. 여기서 방열판(240)은 컨버터(150)의 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)에 부착되어 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)을 냉각시킨다. 예를 들면, 방열판(240)은 사이리스터 밸브의 댐핑 전류와 리액터 및 스너버(snubber) 회로의 저항과 리액터 등 컨버터(150)의 발열 소자에 부착된다. 이러한 방열판(240)은 냉각재가 방열판(240)을 면적 대비 최적으로 냉각시킬 수 있도록 나선 원통 구조로 내부가 형성된다. 이러한 방열판(240)은 도 4에 도시된 바와 같이 순환되는 냉각재를 이용하여 컨버터(150)를 냉각시킨다.
탈이온화 장치(250)는 단방향성 전위를 갖는 컨버터(150)의 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)에 의해 이온화된 냉각재에서 이온을 제거한다. 이러한 탈이온화 장치(250)는 냉각재의 이온을 제거하여 파이프(300)와 방열판(240)이 이온화된 냉각재에 의해 부식되는 것을 방지한다.
필터(260)는 탈이온화 장치(250)와 별도로 냉각재에 포함되어 있는 불순물을 제거한다. 필터(260)는 불순물을 제거하기 위해 파이프(300)의 연결 부위 또는 파이프(300) 내에 설치된다.
워터 펌프(270)는 냉각재의 냉각 효율을 높이기 위해 냉각재에 깨끗한 물을 공급한다.
전력 변환 제어부(400)는 컨버터(150)의 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)에 제어 신호를 제공하여 출력 전류를 제어한다. 이를 위해, 전력 변환 제어부(400)는 제1 비교부(450), PI 제어부(460), 게이트 펄스 생성부(480), 리미터(470), 전력 환산부(410), 열저항 모델링부(420), 제2 비교부(430) 및 전류 환산부(440)를 포함한다.
제1 비교부(450)는 전류 감지부(140)로부터 출력 전류 측정값 Imeasure을 입력받아 미리 설정된 전류 지령치와 비교한다. 여기서 전류 지령치는 원하는 전류를 출력하기 위해 설정되는 값이다. 또한, 출력 전류 측정값은 컨버터(150)에서 변환된 전류가 출력될 때 측정된 값이다. 제1 비교부(450)는 입력받은 출력 전류 측정값과 전류 지령치를 비교하여 출력 지령으로 설정된 전류와 실제 출력되는 전류의 오차를 계산한다.
PI 제어부(460)는 계산된 오차를 입력받아 전류 출력 제어 신호를 생성하여 출력한다.
게이트 펄스 생성부(480)는 컨버터(150)에서 출력되는 전류가 전류 지령치에 도달하기 위한 게이트 펄스 α0를 생성한다. 게이트 펄스 생성부(480)는 생성된 게이트 펄스 α0를 컨버터(150)의 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6) 각각에 인가한다. 예를 들면, 게이트 펄스 생성부(480)는 사이리스터 밸브를 형성하는 제1 내지 제6 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6) 각각의 게이트에 게이트 펄스 α0를 인가한다.
리미터(470)는 발열을 고려하여 컨버터(150)가 미리 설정된 기준값 이상의 전류를 출력하지 못하도록 게이트 펄스 생성부(480)로 제한 신호를 제공하여 게이트 펄스의 생성을 제어한다.
전력 환산부(410)는 출력 전류 측정값 Imeasure을 입력받아 P-I 특성 곡선에 적용하여 전력 P으로 환산한다. 예를 들면, 전력 환산부(410)는 P-I 특성 곡선을 구현하기 위해 직렬로 연결된 복수의 사이리스터를 포함한다. 여기서 P-I 특성 곡선은 전류와 전압의 특성 관계를 이용하여 전류를 전력으로 환산하도록 설정된다.
열저항 모델링부(420)는 컨버터(150)와 냉각 장치부(200) 각각에서 발생되는 열을 저항으로 모델링한다.
구체적으로 컨버터(150) 및 냉각 장치부(200)에서는 도 4에 도시된 바와 같이 컨버터(150)의 온도 TH, 방열판의 온도 TH1, 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 케이스 온도 TC, n형 반도체 및 p형 반도체 경계에 의한 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 내부 접합부의 온도 TJ, 방열판(240)을 순환한 냉각재의 온도 TCool, 열교환기의 온도 TH2로 측정되는 열이 발생한다.
또한, 컨버터(150) 및 냉각 장치부(200) 각각에는 냉각재의 순환에 의해 열이 전도될 때 발생하는 저항인 열저항이 존재한다. 여기서 전력 변환 장치(130)는 컨버터(150)와 냉각 장치부(200) 각각에 존재하는 온도 정보를 해석하여 열저항 모델을 설정할 수 있다. 여기서 열저항 모델은 컨버터(150)와 냉각 장치부(200) 각각에서 발생되는 열의 전도에 따른 저항을 모델링한 것이다.
열저항 모델은 도 5에 도시된 바와 같이 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 케이스 온도 TC와 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 내부 접합부의 온도 TJ 사이의 제1 열저항 RJC, 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 케이스 온도 TC와 방열판(240)의 온도 TH1 사이의 제2 열저항 RCH1, 방열판(240)의 온도 TH1와 냉각재의 온도 TCool 사이의 제3 열저항 RH1Cool, 냉각재의 온도 TCool와 열교환기(230)의 온도 TH2 사이의 제4 열저항 RCoolH2, 열교환기(230)의 온도 TH2와 외부 공기의 온도 TA 사이의 제5 열저항 RH2A을 포함하여 설정된다.
여기서 제1 열저항 RJC, 제2 열저항 RCH1, 제3 열저항 RH1Cool 및 제4 열저항 RCoolH2는 열전달 요소 중 열전도에 해당되는 것이며, 제5 열저항 RH2A는 열전달 요소 중 팬(235)에 의한 열대류에 해당하는 것이기 때문에 수식을 이용하여 구할 수 있다. 이 중에서 제1 열저항 RJC는 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 제조시 설정된 저항값을 이용하거나 제2 열저항 RCH1과 결합시켜 갭 저항이나 접촉 저항을 고려하여 합성 저항을 구하면 고정적인 값이 된다. 또한, 제3 열저항 RH1Cool은 냉각재의 열전도율의 변화와 냉각재의 유속에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라, 제3 열저항 RH1Cool은 상시 냉각재의 열전도값과 유속을 측정하여 구한다. 이를 위해, 냉각 장치부(200)는 파이프(300)에 열전도 측정부(280) 및 유속 측정부(290)를 설치한다. 또한, 제5 열저항 RH2A는 팬(235)의 풍속을 제어함에 따라 열저항이 달라지기 때문에 제4 열저항 RCoolH2와 결합하여 합성 열저항 RW로 구할 수 있다. 여기서 합성 열저항 RW는 아래의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112010063419222-pat00001
수학식 1에서 RW는 합성 열저항, hw는 냉각재의 열전도 계수, ha는 공기의 열전도 계수이다.
수학식 1에서 냉각재의 열전도 계수는 물과 글리콜의 혼합으로 이루어진 냉각제에 의해 물의 열전도 계수와 글리콜의 열전도 계수의 합으로 계산된다. 여기서 물의 열전도 계수, 글리콜의 열전도 계수 및 공기의 열전도 계수는 이미 공지된 사항이므로 상세한 설명을 생략한다.
또한, 열저항 모델링부(420)는 컨버터(150)와 냉각 장치부(200) 각각에서 발생되는 열의 전도 지연을 열커패시터로 모델링할 수 있다. 열커패시터 모델은 컨버터(150)와 냉각 장치부(200) 각각의 크기 또는 재질에 의한 열의 전도 지연으로 설정될 수 있다. 또한, 열커패시터 모델은 열저항 모델에 병렬적으로 연결될 수 있다.
여기서 열커패시터 모델은 도 5에 도시된 바와 같이 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 온도 TC와 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 내부 접합부의 온도 TJ 사이에 존재하는 제1 열커패시터 모델 CJC, 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 온도 TC와 방열판(240)의 온도 TH1 사이에 존재하는 제2 열커패시터 모델 CCH1, 방열판(240)의 온도 TH1과 냉각재의 온도 TCool 사이에 존재하는 제3 열커패시터 모델 CH1Cool, 냉각재의 온도 TCool과 열교환기(230)의 온도 TH2 사이에 존재하는 제4 열커패시터 모델 CCoolH2, 열교환기(230)의 온도 TH2와 외부 공기의 온도 TA 사이에 존재하는 제5 열커패시터 모델 CH2A을 포함하여 설정될 수 있다.
열저항 모델링부(420)는 컨버터(150)의 발열량을 가늠할 수 있는 전력 P와 외부 공기의 온도 측정값 TA,measure을 입력받고 열저항 모델 및 열커패시터 모델에 적용하여 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 내부 접합부의 온도 TJ를 계산한다. 열저항 모델링부(420)는 계산된 접합부의 온도 TJ를 제2 비교부(430)로 출력한다.
제2 비교부(430)는 열저항 모델링부(420)로부터 내부 접합부의 온도 TJ를 입력받고, 미리 설정된 접합부의 기준 온도 TJref와 비교한다. 제2 비교부(430)는 내부 접합부의 온도 TJ와 접합부의 기준 온도 TJref 사이의 온도 오차 ΔT를 구한다. 제2 비교부(430)는 구해진 온도 오차 ΔT를 전류 환산부(440)로 출력한다.
전류 환산부(440)는 제2 비교부(430)로부터 온도 오차 ΔT를 입력받아 미리 설정된 온도 오차 ΔT와 출력 전류 여유분 ILIMIT의 특성 곡선에 적용한다. 여기서 온도 오차 ΔT와 출력 전류 여유분 ILIMIT의 특성 곡선은 미리 실험에 의해 조사된 값을 토대로 설정된다. 예를 들면, 과도한 전류에 의해 발생하는 열로 인해 반도체 스위칭 소자들(TH1 ~ TH6)이 파손되는 것을 막기 위해 미리 설정된 기준 온도 TJref에 상응하여 전류를 출력하는 컨버터(150)는 온도 오차 ΔT만큼 출력 전류의 여유 용량을 확보할 수 있다. 이러한 전류 환산부(440)는 출력 전류 여유분 ILIMIT를 리미터(470)로 출력한다.
리미터(470)는 전류 환산부(440)로부터 출력 전류 여유분 ILIMIT을 입력받아 출력 전류 여유분 ILIMIT만큼 출력 전류의 용량을 증가시키도록 제한 신호를 생성한다. 또한, 리미터(470)는 출력 전류 여유분 ILIMIT가 반영된 제한 신호를 게이트 펄스 생성부(480)로 출력한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 장치는 열저항 모델의 해석을 통해 확보되는 전류 출력의 여유분을 리미터에 적용하여 출력 전류의 최대치를 가변함으로써 출력을 극대화하고 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 전력 변환 장치는 반도체 스위칭 소자의 보호를 위한 전류 제한치보다 컨버터의 최대 출력을 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터 출력 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터 출력 제어 방법은 컨버터와 컨버터를 냉각시키는 냉각 장치부 및 컨버터의 전류 출력을 제어하는 전력 변환 제어부를 포함하는 전력 변환 장치에서, 컨버터와 냉각 장치부에서 전달되는 열을 통해 열저항 모델을 설정하는 단계(S10), 열저항 모델을 이용하여 컨버터에서 확보되는 출력 전류의 여유분을 검출하는 단계(S20), 검출된 전류 여유분을 전력 변환 제어부에 적용하여 컨버터 제어 신호를 생성하는 단계(S30) 및 컨버터 제어 신호에 응답하여 컨버터에서 가변적으로 전류를 출력하는 단계(S40)를 포함한다.
단계 S10에서는 컨버터와, 컨버터에 접촉되는 방열판과, 파이프를 통해 방열판과 연결되어 순환하는 냉각재를 냉각시키는 열교환기에서 발생되는 열이 전도될 때 발생하는 저항인 열저항의 모델을 설정한다.
예를 들면, 열저항 모델은 도 5에 도시된 바와 같이 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 케이스 온도 TC와 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 내부 접합부의 온도 TJ 사이의 제1 열저항 RJC, 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 케이스 온도 TC와 방열판의 온도 TH1 사이의 제2 열저항 RCH1, 방열판의 온도 TH1와 냉각재의 온도 TCool 사이의 제3 열저항 RH1Cool, 냉각재의 온도 TCool와 열교환기의 온도 TH2 사이의 제4 열저항 RCoolH2, 열교환기의 온도 TH2와 외부 공기의 온도 TA 사이의 제5 열저항 RH2A을 포함하여 설정된다.
여기서 제1 열저항 RJC, 제2 열저항 RCH1, 제3 열저항 RH1Cool 및 제4 열저항 RCoolH2는 열전달 요소 중 열전도에 해당되는 것이며, 제5 열저항 RH2A는 열전달 요소 중 팬에 의한 열대류에 해당하는 것이기 때문에 수식을 이용하여 구할 수 있다. 이 중에서 제1 열저항 RJC는 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 제조시 설정된 저항값을 이용하거나 제2 열저항 RCH1과 결합시켜 갭 저항이나 접촉 저항을 고려하여 합성 저항을 구하면 고정적인 값이 된다. 또한, 제3 열저항 RH1Cool은 냉각재의 열전도율의 변화와 냉각재의 유속에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라, 제3 열저항 RH1Cool은 상시 냉각재의 열전도값과 유속을 측정하여 구한다. 또한, 제5 열저항 RH2A는 팬의 풍속을 제어함에 따라 열저항이 달라지기 때문에 제4 열저항 RCoolH2와 결합하여 합성 열저항 RW로 구할 수 있다. 여기서 제6 열저항 RW는 상술된 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
한편, 단계 S10에서는 컨버터와 냉각 장치부 각각에서 발생되는 열의 전도 지연을 열커패시터로 모델링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 열커패시터 모델은 컨버터와 냉각 장치부 각각의 크기 또는 재질에 의한 열의 전도 지연으로 설정된다.
열커패시터 모델은 도 5에 도시된 바와 같이 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 온도 TC와 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 내부 접합부의 온도 TJ 사이에 존재하는 제1 열커패시터 모델 CJC, 반도체 스위칭 소자(TH1 ~ TH6)의 온도 TC와 방열판(240)의 온도 TH1 사이에 존재하는 제2 열커패시터 모델 CCH1, 방열판(240)의 온도 TH1과 냉각재의 온도 TCool 사이에 존재하는 제3 열커패시터 모델 CH1Cool, 냉각재의 온도 TCool과 열교환기(230)의 온도 TH2 사이에 존재하는 제4 열커패시터 모델 CCoolH2, 열교환기(230)의 온도 TH2와 외부 공기의 온도 TA 사이에 존재하는 제5 열커패시터 모델 CH2A을 포함하여 설정될 수 있다.
단계 S20에서는 컨버터에서 출력되는 전류의 측정값을 피드백받아 전력으로 환산하는 단계, 환산된 전력과 외부 공기의 온도 측정값을 입력받아 열저항 모델에 적용하여 컨버터의 냉각에 따른 발열 여유분을 검출하는 단계 및 검출된 발열 여유분에 의해 확보되는 전류 출력 여유분을 검출하는 단계를 포함한다.
구체적으로 전력으로 환산하는 단계에서는 전류 감지부에서 컨버터로부터 출력되는 전류의 측정값을 피드백하여 전력 환산부로 입력한다. 출력 전류의 측정값을 입력받은 전력 환산부에서는 P-I 특성 곡선에 출력 전류를 적용하여 전력으로 환산한다. 여기서 환산된 전력은 전류 변환에 따른 컨버터의 발열량을 가늠하는 요소로 사용된다.
다음, 발열 여유분을 검출하는 단계에서는 컨버터와 냉각 장치부 외부의 온도 측정값과, 환산된 전력을 열저항 모델에 적용하여 컨버터의 반도체 스위칭 소자에서 발생되는 열을 계산한다. 여기서 반도체 스위칭 소자는 전류 변환을 수행할 때 열을 발생시키며 냉각 장치부에 의해 일부 열이 냉각된다. 이에 따라 반도체 스위칭 소자의 n형 반도체와 p형 반도체의 경계에서 발생되는 열과, 냉각 장치부에 의해 냉각된 열이 포함된 반도체 스위칭 소자의 접합부의 온도를 계산한다. 이후, 계산된 접합부의 온도와 미리 설정된 접합부의 기준 온도를 비교하여 접합부의 발열 여유분을 구한다.
다음, 전류 출력 여유분을 검출하는 단계에서는 전류 환산부에 발열 여유분을 입력하여 발열 여유분에 의한 전류 출력 여유분을 검출한다. 예를 들면, 전류 환산부는 디지털 비교기 등을 포함하여 입력받은 발열 여유분에 상응하여 미리 설정된 전류 출력 여유분을 출력한다. 여기서 전류 출력 여유분은 컨버터의 전류 출력 제한치의 가변값에 상응한다.
단계 S30에서는 검출된 전류 출력 여유분을 전력 변환 제어부에 적용하여 컨버터 제어 신호를 생성한다. 구체적으로 전류 출력 여유분을 전력 변환 제어부의 리미터로 입력하여 리미터에서 게이트 펄스 제어 신호를 생성한다. 여기서 게이트 펄스 제어 신호는 게이트 펄스 생성부로 공급되어 컨버터의 전류 출력을 제어한다. 예를 들면, 게이트 펄스 생성부는 게이트 펄스 제어 신호를 입력받아 그에 상응하는 최대 전류가 출력되도록 게이트 펄스를 생성한다.
단계 S40에서는 컨버터의 반도체 스위칭 소자들이 게이트 펄스 생성부로부터 입력받은 게이트 펄스에 응답하여 전류를 출력한다. 여기서 컨버터는 게이트 펄스 제어 신호에 따라 생성된 게이트 펄스에 의해 가변적으로 최대 전류를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 컨버터 출력 제어 방법은 열저항 모델의 해석을 통해 확보되는 전류 출력의 여유분을 리미터에 적용하여 출력 전류의 최대치를 가변함으로써 출력을 극대화하고 안정성을 확보할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 계통 120: 변압부
130: 전력 변환 장치 140: 전류 감지부
210: 냉각재 탱크 220: 메인 펌프
230: 열교환기 240: 방열판
250: 탈이온화 장치 260: 필터
270: 워터 펌프 300: 파이프
410: 전력 환산부 420: 열저항 모델링부
430, 450: 비교부 440: 전류 환산부
460: PI 제어부 470: 리미터
480: 게이트 펄스 생성부

Claims (6)

  1. 전력을 변환하는 전력 변환 장치에 있어서,
    적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 구비하여 전력을 변환하고 전류를 출력하는 컨버터;
    상기 반도체 스위칭 소자에 접촉하여 냉각재의 순환으로 상기 컨버터를 냉각시키는 냉각 장치부; 및
    상기 반도체 스위칭 소자에 게이트 펄스를 제공하되 상기 반도체 스위칭 소자와 상기 냉각 장치부 사이의 열 전달에 의한 열저항을 모델링하여 확보되는 전류 출력 여유분을 반영하는 상기 게이트 펄스를 생성하는 전력 변환 제어부를 포함하는 전력 변환 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 제어부는
    상기 컨버터에서 출력되는 전류의 측정값과 원하는 전류 지령치를 비교하여 오차를 구하는 제1 비교부;
    상기 오차에 의해 생성된 전류 출력 제어 신호를 통해 게이트 펄스를 생성하여 상기 반도체 스위칭 소자로 출력하는 게이트 펄스 생성부;
    상기 반도체 스위칭 소자 및 상기 냉각 장치부에 대한 상기 열저항의 모델링을 통해 냉각된 상기 반도체 스위칭 소자의 온도를 계산하여 출력하는 열저항 모델링부;
    상기 반도체 스위칭 소자의 온도를 입력받아 상기 반도체 스위칭 소자의 수명에 상응하여 설정된 발열 제한 온도와 비교하고, 비교 결과에 따른 상기 반도체 스위칭 소자의 발열 여유분을 출력하는 제2 비교부;
    상기 발열 여유분을 상기 전류 출력 여유분으로 환산하는 전류 환산부; 및
    상기 반도체 스위칭 소자가 상기 발열 제한 온도에 상응하는 전류 기준값 이하의 전류를 출력하도록 상기 게이트 펄스 생성부로 제한 신호를 제공하되, 상기 전류 출력 여유분이 반영된 상기 제한 신호를 생성하여 상기 게이트 펄스 생성부로 출력하는 리미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전력 변환 제어부는
    상기 컨버터에서 출력되는 전류의 측정값을 입력받아 상기 반도체 스위칭 소자의 발열량에 상응하는 전력으로 환산하여 상기 열저항 모델링부로 출력하는 전력 환산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치부는
    상기 냉각재를 저장하고 상기 냉각재를 보충하는 냉각재 탱크;
    상기 반도체 스위칭 소자에 부착되고, 상기 냉각재의 순환으로 상기 반도체 스위칭 소자를 냉각시키는 방열판;
    상기 냉각재 탱크와 상기 방열판에 파이프로 연결되어 상기 냉각재를 순환시키는 메인 펌프; 및
    상기 냉각재 탱크와 상기 방열판 사이에 연결되어 상기 냉각재를 냉각시키는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 열저항의 모델링은 케이스 내부에 서로 접합된 n형 반도체 및p형 반도체를 포함하는 상기 반도체 스위칭 소자의 내부 접합부와 상기 케이스 사이의 제1 열저항, 상기 케이스와 상기 방열판 사이의 제2 열저항, 상기 방열판과 상기 냉각재 사이의 제3 열저항, 상기 냉각재와 상기 열교환기 사이의 제4 열저항, 상기 열교환기와 외부 공기 사이의 제5 열저항을 포함하여 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 냉각 장치부는
    상기 냉각재에 의해 생성되는 이온을 제거하는 탈이온화 장치, 상기 냉각재에 포함된 불순물을 제거하는 필터 및 상기 냉각 장치는 상기 냉각재에 물을 공급하는 워터 펌프 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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