KR101327006B1 - 인버터의 스위칭소자 고장검출장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

인버터의 스위칭소자 고장검출장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 고장검출방법은, 모터의 동기각 정보로부터 소정 레그의 스위칭소자를 통해 상기 모터로 입력되는 상전류의 최대값과 최소값을 검출하여, 상기 상전류의 비대칭율을 통해 상기 레그의 스위칭소자의 고장을 검출한다.

Description

인버터의 스위칭소자 고장검출장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FAILURE OF SWITCHING DEVICE IN INVERTER}

본 발명은 스위칭소자 고장검출장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인버터에서 사용되는 스위칭소자의 고장을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 인버터는 모터제어에 사용되는 장치이다.

도 1은 일반적인 인버터의 개략도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 인버터(100)는 모터(200)를 제어하기 위한 것으로서, 입력되는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(110)와, 정류부(110)로부터 출력되는 직류전압의 맥동성분을 평활화하는 평활부(120)와, 평활부(120)에서 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하여 모터(200)에 제공하는 인버터부(130)로 구성된다.

이러한 인버터(100)에서, 정류부(110)는 다이오드 소자가 브릿지(bridge) 결합되어 구성되고, 평활부(120)는 캐패시터로 구성되며, 인버터부(130)는 스위칭소자를 연결하여 사용한다. 최근 이러한 스위칭소자로서 특성이 우수한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; 'IGBT'라 함)가 많이 사용된다.

위와 같이, 인버터(100)는 여러가지 소자가 복잡하게 구성되어 있기 때문에, 인버터(100)에 이상이 발생하면, 이를 육안으로 식별할 수 없어, 고장 부위를 검출하는데 어려움이 있다.

특히, 인버터(100)에서 고장빈도가 가장 높은 것이 인버터부(130)의 스위칭소자인데, 종래에는 이러한 스위칭소자의 고장을 체크하기 위하여, 멀티테스터기를 이용하여 스위칭소자 각각의 저항을 측정하여 고장여부를 판단하여야 하므로, 고장검출에 시간이 매우 오래 소요되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 도 2와 같은 고장검출장치가 개시되어 있다.

도 2는 종래의 스위칭소자 고장검출장치의 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 스위칭소자 고장검출 장치(300)를 인버터(100)에 연결하고, 입력단으로 입력전압이 인가되지 않도록 차단한다. 출력단 역시 모터(200)와의 연결이 차단되어 있다.

위와 같은 종래의 스위칭소자 고장검출장치(300)는, 스위칭소자인 IGBT가 과전류 등에 의해 고장이 발생할 경우, 먼저 IGBT 내부회로는 쇼트현상이 선행되고, 과전류에 의해 오픈현상이 일어나는 현상에 착안한 것으로서, IGBT에 오픈현상이 발생될 경우를 검출한다.

즉, 게이트 펄스발생부(320)가 각 IGBT 소자에 게이트 펄스를 순차적으로 인가하고, 해당 IGBT 소자를 통해 출력되는 상전압이 하이(HIGH)가 아닌 경우, 해당 IGBT에 고장이 발생한 것으로 판단하는 것이다.

그러나, 위와 같은 종래의 스위칭소자 고장검출장치는, 이러한 판단을 위해 인버터(100) 및 모터(200)를 반드시 정지하여야 하므로, 고장검출을 위한 시간이 별도로 소요되어야 하며, 스위칭소자의 고장검출을 위한 별도의 하드웨어가 요구되므로, 시스템의 크기가 커지는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 스위칭소자의 고장검출을 소프트웨어로 구현하려는 시도가 있다.

이는 도 1과 같은 인버터(100)에, 도시되지는 않았으나 모터(200)로 출력되는 출력전류를 감지하는 전류센서에서, 주기별로 출력전류를 측정하여, 이에 대한 평균을 구하여, 평균이 0인 경우에는, 스위칭소자가 정상인 것으로 판단하고, 평균이 0이 아닌 경우에는 스위칭소자가 고장인 것으로 판단한다.

그러나, 위와 같은 종래기술 역시, 한 주기의 교류전류(사인파형임)의 복수의 포인트에서 출력전류를 센싱하여 이의 평균을 구하는 방식을 취하고 있으므로, 고장검출에 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하드웨어의 추가없이, 간단하게 인버터 내부의 스위칭소자의 고장을 검출하기 위한 스위칭소자 고장검출장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 고장검출장치는, 모터의 동기각을 측정하는 각도센서; 소정 레그의 스위칭소자를 통해 상기 모터로 입력되는 상전류를 측정하는 전류센서; 및 상기 각도센서의 동기각 정보를 이용하여 상기 상전류의 비대칭율을 판단하여, 상기 스위칭소자의 고장을 판단하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 동기각을 이용하여 상기 상전류의 최대값과 최소값을 검출하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 상전류의 최대값과 최소값을 저장하는 저장부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 최대값과 최소값의 차이가 소정 레벨보다 실질적으로 작은 경우, 해당 레그의 스위칭소자를 고장으로 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 고장검출방법은, 모터의 동기각 정보로부터 소정 레그의 스위칭소자를 통해 상기 모터로 입력되는 상전류의 최대값과 최소값을 검출하는 단계; 및 상기 상전류의 비대칭율을 통해 상기 레그의 스위칭소자의 고장을 검출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 상전류의 최대값과 최소값을 저장하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 검출하는 단계는, 상기 상전류의 최대값과 최소값의 차이가 소정 레벨보다 실질적으로 작은 경우에는, 상기 레그의 스위칭소자가 고장난 것으로 판단하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 하드웨어의 변경이나 추가 없이, 간단하게 상전류의 비대칭으로부터 스위칭소자의 고장을 검출하여, 인버터의 고장 발생시 신속하게 조치할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 인버터의 개략도이다.
도 2는 종래의 스위칭소자 고장검출장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스위칭소자 고장검출장치의 일실시예 구성도이다.
도 4a는 인버터의 스위칭소자가 정상상태인 경우 모터로 입력되는 상전류의 일예시도이고, 도 4b는 인버터의 스위칭소자가 고장상태인 경우 모터로 입력되는 상전류의 일예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위칭소자 고장검출방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

모터의 구동시스템의 고장발생의 원인은 여러 가지가 있고, 특히 전기자동차와 같이 모터 구동시스템이 다른 부품들과 연계되어 동작할 경우, 고장원인을 밝히는 과정이 더욱 복잡해지므로 고장의 정확한 규명이 어렵다.

그리고, 인버터부의 스위칭소자는 인버터 내부에 위치할 뿐만 아니라, 고장 시 외관상 표시가 되지 않는 경우도 있으므로, 그 고장원인 판단이 어렵다.

본 발명에 의하면, 스위칭소자의 고장을 선별적으로 판단할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 스위칭소자 고장검출장치의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고장검출장치는, 전류센서(40), 각도센서(50), 제어부(60) 및 저장부(70)를 포함한다.

본 발명의 고장검출장치는, 정류부(10), 평활부(20) 및 인버터부(30)를 포함하는 인버터 시스템에서, 인버터부(30)의 스위칭소자의 고장을 검출하기 위한 것이다.

정류부(10)가 입력되는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 평활부(20)는 직류전압의 맥동성분을 평활화하고, 인버터부(30)가 평활부(20)에서 출력되는 직류전압을 3상의 교류전압으로 변환하여 모터(1)에 제공하는 것임은 이미 설명한 바와 같다.

인버터부(30)의 스위칭소자는 일반적으로 IGBT가 사용되고 있음은 이미 설명한 바와 같지만, 본 발명이 적용되는 스위칭소자는 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

전류센서(40)는 모터(1)에 입력되는 상전류를 측정한다. 인버터부(30)에서 모터(1)에 제공되는 전압은 교류전압으로서, 정현파(sine wave)이다. 따라서, 전류센서(40)가 측정하는 상전류 역시 사인파형임은 자명하다.

각도센서(50)는 모터(1)의 동기각을 측정한다.

제어부(60)는, 전류센서(40)로부터 모터(1)에 소정 레그(leg)의 스위칭소자를 통해 입력되는 상전류를 수신하고, 각도센서(50)로부터 모터(1)의 동기각 정보를 수신하여, 해당 레그의 스위칭소자를 통해 입력되는 상전류의 비대칭율을 판단한다.

즉, 제어부(60)는, 동기각 정보로부터 상전류의 최대값을 검출하고, 또한 동기각 정보로부터 상전류의 최소값을 검출한다. 이렇게 검출한 최대값 및 최소값을 제어부(60)는 저장부(70)에 저장할 수 있다. 이는, 상전류의 최대값과 최소값이 동시에 검출되는 것이 아니기 때문이다.

이후, 저장부(60)는 최대값과 최소값의 차이를 구하여, 해당 차이가 소정 레벨보다 크거나 같으면, 해당 레그의 스위칭소자가 적절하게 동작하는 것으로 판단한다.

반면, 소정 레벨보다 작으면 해당 레그의 스위칭소자가 적절하게 동작하지 않아 상전류의 비대칭이 발생한 것으로 판단하여, 해당 레그의 스위칭소자의 고장을 검출하는 것이다.

이때, 소정의 레벨은, 상전류의 비대칭을 판단하기 위한 값으로서 모터(1)의 종류와 운전조건에 따라 선정될 수 있다.

도 4a는 인버터의 스위칭소자가 정상상태인 경우 해당 스위칭소자를 통해 모터로 입력되는 상전류의 일예시도이고, 도 4b는 인버터의 스위칭소자가 고장상태인 경우 해당 스위칭소자를 통해 모터로 입력되는 상전류의 일예시도이다.

일반적으로, 도 4a와 같이, 스위칭소자가 정상상태인 경우, 스위칭소자를 통해 모터(1)에 입력되는 상전류는 정현파이므로, 모터(1)의 동기각이 90°일 때 최대값 A를 출력하고, 270°일 때 최소값 B를 출력하여, 대칭임을 알 수 있다.

그러나, 도 4b와 같이, 스위칭소자가 고장상태인 경우, 그 스위칭소자를 통해 모터(1)에 입력되는 상전류는 비대칭으로 변형된다. 예를 들어, 동기각이 270°인 경우에도 최소값 B보다 그 크기가 큰 C가 출력될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 이는 반대로도 설명이 가능한데, 동기각이 90°인 경우, 최대값 A보다 그 크기가 작은 값이 출력될 수도 있을 것이다.

이는, 스위칭소자에 고장이 발생한 경우, 스위칭소자가 오픈(open)되어, 해당 스위칭소자를 통과하는 전류는 최대 절대값보다 그 크기가 작아지기 때문이다.

따라서, 본 발명의 제어부(60)는, 정상상태에서의 최대값과 최소값의 차이가 소정 값보다 작아지면, 정현파의 대칭이 비대칭으로 변형된 것으로 판단하여, 해당 레그의 스위칭소자의 고장을 검출하는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 스위칭소자 고장검출방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고장검출방법에서, 제어부(60)는 각도센서(50)가 검출한 모터(1)의 동기각 정보를 수신하고(S51), 전류센서(40)가 검출한 모터(1)로 입력되는 소정 레그의 스위칭소자의 상전류를 수신한다(S52).

제어부(60)의 동기각 정보와 상전류의 수신은, 그 선후가 동기가 정보를 먼저 수신하는 것으로 설명되고 있으나, 동시에 수신하는 것도 가능하며 또는 상전류를 먼저 수신하는 것도 가능하다.

제어부(60)는 이와 같이 수신한 모터(1)의 동기각 정보를 이용하여, 상전류의 최대값을 검출하고(S53), 또한 상전류의 최소값을 검출한다(S54). 검출된 상전류의 최대값과 최소값을 저장부(70)에 저장할 수도 있다(도시되지 않음).

이후, 최대값과 최소값의 차가, 소정 레벨보다 크거나 같은 경우에는(S55), 해당 레그의 스위칭소자가 정상상태인 것으로 판단한다.

그러나, 최대값과 최소값의 차가, 소정 레벨보다 작은 경우에는(S55), 제어부(60)는 해당 레그의 스위칭소자에 고장이 있는 것으로 판단하여(S56), 이를 사용자에게 소정 방식으로(디스플레이 등) 알릴 수 있다(도시되지 않음).

이와 같이, 본 발명에 의하면, 하드웨어의 변경이나 추가 없이, 간단하게 상전류의 비대칭으로부터 스위칭소자의 고장을 검출하여, 인버터의 고장 발생시 신속하게 조치를 취할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.

컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1: 모터 10: 정류부
20: 평활부 30: 인버터부
40: 전류센서 50: 각도센서
60: 제어부 70: 저장부

Claims (7)

1. 모터의 동기각을 측정하는 각도센서;
   소정 레그의 스위칭소자를 통해 상기 모터로 입력되는 상전류를 측정하는 전류센서; 및
   상기 각도센서의 동기각 정보를 이용하여, 상기 상전류의 최대값과 최소값을 검출하고, 상기 상전류의 최대값과 최소값으로부터 상기 상전류의 비대칭율을 판단하여, 상기 스위칭소자의 고장을 판단하는 제어부를 포함하는 고장검출장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 상전류의 최대값과 최소값을 저장하는 저장부를 더 포함하는 고장검출장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 최대값과 최소값의 차이가 소정 레벨보다 실질적으로 작은 경우, 해당 레그의 스위칭소자를 고장으로 결정하는 고장검출장치.
   
5. 모터의 동기각 정보로부터 소정 레그의 스위칭소자를 통해 상기 모터로 입력되는 상전류의 최대값과 최소값을 검출하는 단계;
   상기 상전류의 최대값과 최소값을 저장하는 단계; 및
   상기 상전류의 최대값 및 최소값으로부터, 상기 상전류의 비대칭율을 판단하여, 상기 레그의 스위칭소자의 고장을 검출하는 단계를 포함하는 고장검출방법.
   
6. 삭제
7. 제5항에 있어서, 상기 검출하는 단계는,
   상기 상전류의 최대값과 최소값의 차이가 소정 레벨보다 실질적으로 작은 경우에는, 상기 레그의 스위칭소자가 고장난 것으로 판단하는 고장검출방법.
   
   

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