KR101447321B1 - 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템과 이를 이용하는 전동 압축기 - Google Patents

모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템과 이를 이용하는 전동 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동 압축기 등에 사용되고 있는 모터와 이 모터에 교류 전원을 공급하는 인버터의 고장을 온라인으로 진단하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템과 이를 이용하는 전동 압축기에 관한 것으로, 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템은, 직류 전원을 변환하여 교류 전원을 출력하는 인버터 및 이 인버터에 결합하는 모터의 고장을 진단하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템에 있어서, 인버터의 스위치에 결합된 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 기간 중에 스위치의 동작을 제어하기 위한 고장 진단 신호를 스위치에 인가하는 구동제어부와, 고장 진단 신호의 인가 시 인버터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부와, 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 모터, 스위치 또는 이들 사이의 배선의 고장 여부를 판단하는 고장판별부를 구비한다.

Description

모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템과 이를 이용하는 전동 압축기{ONLINE FAILURE DIAGNOSING SYSTEM OF MOTOR INVERTER AND ELECTRIC COMPRESSOR USING SAME}
본 발명은 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동 압축기 등에 사용되고 있는 모터와 이 모터에 교류 전원을 공급하는 인버터의 고장을 온라인으로 진단하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템과 이를 이용하는 전동 압축기에 관한 것이다.
전동 압축기는 모터에 의해 압축기를 구동시켜 유체를 압축하는 장치이다. 인버터 일체형 전동 압축기는 모터를 제어하는 인버터를 전동 압축기에 일체화한 장치로서, 특히 차량용 냉각 시스템에서 냉매의 압축에 널리 이용되고 있다.
차량용 냉각 시스템에 사용되고 있는 대부분의 인버터 일체형 전동 압축기에는 모터를 제어하기 위하여 전력용 반도체 스위치로 구성된 인버터를 많이 사용한다. 모터용 인버터에 많이 사용되는 전력용 반도체 스위치 소자로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 등이 있다. IGBT는 300V 이상의 전압 영역에서 동작 가능하며, 고효율, 고속의 전력 시스템에 적합하다.
그러나, 종래의 전력용 반도체 스위치를 이용하는 인버터는 그 구조상 인버터에 고장이 발생하는 경우 의 복수의 전력용 반도체 스위치들 중 어느 스위치가 고장인지 판별하기 어려운 문제점과 이러한 인버터 고장에 의해 인버터가 탑재된 시스템의 예후를 점검하기 어려운 문제점이 있다.
예컨대, 인버터 일체형 전동 압축기에 사용되는 인버터에서 고장이 발생하는 경우, 전동 압축기를 이용하는 냉각 시스템에서는 냉매를 적절하게 압축할 수 없으므로, 차량 등의 장치나 설비에서 냉각 시스템을 제대로 사용할 수 없게 되고, 나아가 원하지 않게 냉각 시스템의 작동을 중지해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 전기자동차, 연료전지 자동차 등의 차량에서는 전기 모터나 연료전지 스택의 작동이나 작동 분위기를 냉난방 시스템이나 공조 시스템 등을 통해 유지하고 있는데, 냉난방 또는 공조 시스템이 제대로 작동하지 않으면 연료전지 스택에 공기 등의 리액턴트를 적절하게 공급하지 못하거나 연료전지 스택이나 전기 모터의 작동 온도 분위기를 적절하게 유지하지 못하여 차량 운전 효율을 불량하게 할 수 있고, 심지어 연료전지 스택이나 전기 모터의 운전 정지로 인하여 차량 등의 설비 운전을 지속하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0062945호(2011.06.10) 한국공개특허공보 제10-2011-0102568호(2011.09.19)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전동 압축기 등에 사용되고 있는 모터 및 인버터의 고장을 온라인으로 진단함으로써 모터의 절연 파괴 여부를 신속하게 감지하고 모터에 결합된 인버터의 추가 파손이나 화재의 위험성을 예방할 수 있는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템 및 이를 이용하는 전동 압축기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템은, 직류 전원을 변환하여 교류 전원을 출력하는 인버터 및 이 인버터에 결합하는 모터의 고장을 진단하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템에 있어서, 인버터의 스위치에 결합된 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 기간 중에 스위치의 동작을 제어하기 위한 고장 진단 신호를 스위치에 인가하는 구동제어부; 고장 진단 신호의 인가 시 인버터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부; 및 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 모터, 스위치 또는 이들 사이의 배선의 고장 여부를 판단하는 고장판별부를 포함한다.
일 실시예에서, 인버터는, 직류 전원의 고전위측 제1 스위치와 직류 전원의 저전위측 제4 스위치의 제1 직렬 회로, 고전위측 제2 스위치와 저전위측 제5 스위치의 제2 직렬 회로, 및 고전위측 제3 스위치와 저전위측 제6 스위치의 제3 직렬 회로가 병렬로 연결되는 인버터 회로를 구비한다.
일 실시예에서, 제1 내지 제6 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)를 포함한다.
일 실시예에서, 전류검출부는 직류 전원의 저전위측 라인에 직렬 연결되는 전류 센서를 구비한다.
일 실시예에서, 구동제어부는, 제1 내지 제3 스위치의 게이트 단자에 고장 진단 신호로서 (1, 0, 0)신호를 인가하여 제1 내지 제3 스위치를 제어한다. 여기에서, 1은 스위치를 활성화 또는 턴-온 제어하기 위한 제어 신호의 제1 레벨 식별자이고, O은 스위치를 비활성화 또는 턴-오프 제어하기 위한 제어 신호의 제2 레벨 식별자에 대응한다.
또한, 구동제어부는, (1, 0, 0)신호를 인가하기 전 또는 후에, 제1 내지 제3 스위치의 게이트 단자에 고장 진단 신호로서 (0, 0, 0)신호 또는 (1, 1, 1)신호를 인가하여 제1 내지 제3 스위치를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 고장판별부는, 전류검출부에서 검출된 전류가 최대 기준 전류 이상일 때, 직류 전원의 고전위측에 연결된 스위치의 단락, 직류 전원의 저전위측에 연결된 스위치의 단락, 또는 인버터와 모터 사이의 배선의 절연 파괴 여부를 판별하고, 상기의 검출된 전류가 최소 기준 전류 이하일 때, 모터의 절연 파괴 여부를 판별한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전동 압축기는, 입력 전원을 변환하여 교류 전원을 출력하는 인버터; 인버터의 교류 전원 출력단에 연결되고 인버터로부터의 교류 전원에 의해 구동하는 모터; 및 인버터 및 모터의 고장을 진단하는 고장 진단 시스템을 포함한다. 여기에서, 고장 진단 시스템은, 인버터의 스위치에 결합된 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 기간 중에 스위치의 동작을 제어하기 위한 고장 진단 신호를 스위치에 인가하는 구동제어부; 고장 진단 신호의 인가 시 인버터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부; 및 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 모터, 스위치 또는 이들 사이의 배선에서의 고장 여부를 판단하는 고장판별부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 고장 진단 시스템이나 전동 압축기에 사용되는 고장 진단 신호는 5㎲ 이하의 단펄스(Short Pulse)인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전동 압축기 등에 사용되고 있는 모터 및 인버터의 고장을 온라인으로 진단함으로써 모터의 절연 파괴 여부를 신속하게 감지하고 모터에 결합된 인버터의 추가 파손이나 화재의 위험성을 예방할 수 있는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템 및 이를 이용하는 전동 압축기를 제공할 수 있다.
아울러, 인버터 일체형 전동 압축기 등에서 모터 및 인버터의 고장을 온라인으로 효과적으로 진단함으로써 신뢰성이 우수한 냉동공조 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템을 채용한 차량용 냉동공조 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 차량용 냉동공조 시스템의 전동 압축기에 채용가능한 인버터의 개략적인 회로도.
도 3은 도 1의 고장 진단 시스템에 대한 개략적인 블록도.
도 4는 도 3의 고장 진단 시스템의 작동 원리를 개략적으로 설명하기 위한 순서도.
도 5는 도 3의 고장 진단 시스템에 사용되는 고장 진단 신호를 설명하기 위한 개략적인 파형도.
도 6 내지 도 9는 도 3의 고장 진단 시스템에 의한 고장 진단 시 인버터의 전류 흐름을 나타낸 회로도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
아래의 상세한 설명에서 용어 '모터 인버터'는 모터 및 이 모터의 구동을 제어하기 위한 인버터를 간략히 나타낸 것이며, 용어 '온라인 고장 진단'은 모터의 절연 파괴 여부, 모터와 인버터 사이의 배선의 단락 여부, 인버터 내 스위치의 단락 등의 고장 여부를 진단하는 것을 모터 구동 전, 즉 모터 구동용 인버터의 부트스트랩 캐패시터의 충전 중에 수행하는 것을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템을 채용한 차량용 냉동공조 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템(이하, 간략히 고장 진단 시스템이라 한다)(100)은, 인버터 일체형 전동 압축기(50)를 구비한 냉동공조 시스템(30)에 탑재되어 모터(52) 또는 인버터(51)의 고장을 진단한다.
여기에서, 냉동공조 시스템(30)은 난방 시스템, 냉동 시스템, 공조 시스템 또는 이들이 조합된 시스템을 포함한다. 아울러, 냉동공조 시스템(30)은 차량에 탑재되어 차량용 냉동공조 시스템으로 사용될 수 있고, 차량의 전자제어장치(10) 및 배터리(20)에 연결될 수 있다. 여기서, 차량의 전자제어장치(Electronic Control Unit)는 자동차의 엔진, 변속기, 조향 장치, 제동 장치, 현가 장치 등 기계 장치를 컴퓨터로 제어하는 장치를 지칭한다.
모터(52)는 전기적인 에너지에 의해 회전하고, 그 축에 회전력을 발생시키는 동력 기계를 지칭하며, 출력하는 전원의 전기 방식에 따라 직류용, 단상 교류용, 3상 교류용 등이 있다. 본 실시예에서 모터(52)는 인버터(51)의 3상 교류 전원의 출력단에 연결되고 인버터의 3상 교류 전원에 의해 구동하는 3상 유도 전동기를 포함한다.
인버터(51)는 직류 전원을 변환하여 교류 전원을 모터(52) 측으로 출력하는 수단 또는 이러한 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부에 대응한다. 본 실시예에서 인버터(51)는 부트스트랩 캐패시터(Bootstrap Capacitor)를 이용하는 인버터 회로를 구비하고, 인버터 회로의 스위칭 소자로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 등을 사용한다.
고장 진단 시스템(100)은 구동 명령 등에 의해 모터가 구동되기 직전에 즉 인버터 내의 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 기간 동안에 모터에 짧은 시간 동안 통전을 허용하고, 그때 인버터의 직류 전원 측에 흐르는 전류를 샘플링함으로써 모터의 절연 파괴 여부를 검출한다. 이러한 고장 진단 시스템(100)을 이용하면, 온라인으로 모터의 절연 파괴 여부를 판별할 수 있으므로, 인버터 추가 파손이나 모터 인버터가 탑재된 전동 압축기에서의 화재 발생을 효과적으로 예방할 수 있다.
도 2는 도 1의 차량용 냉동공조 시스템의 전동 압축기에 채용가능한 인버터의 개략적인 회로도이다.
전동 압축기에 사용되는 인버터는 직류 전원(VDC) 단자들 사이에 병렬 연결되는 캐패시터(도 1의 참조부호 Ca 참조), 모터에 교류 전원을 공급하기 위해 브리지 연결된 전력용 반도체 스위치들을 구비하는 전력 회로, 전력용 반도체 스위치를 제어하는 제어 회로 등을 포함한다. 다만, 설명의 편의상 이하의 설명에서는 인버터에 사용되는 캐패시터(Ca), 제어 회로 등의 종래의 일반적인 구성을 제외하고 본 발명의 고장 진단 시스템의 고장 진단 과정을 도식적으로 설명하는 데 필요한 전력용 반도체 스위치(이하, 간단히 스위치라고 한다)를 포함한 전력 회로를 중심으로 설명하고, 이를 인버터 회로라고 통칭한다.
인버터 회로(151)는 도 2에 도시한 바와 같이 구현될 수 있다. 즉, 직류 전원(VDC)의 고전위측에 연결되는 제1 스위치(M1)와 직류 전원의 저전위측에 연결되는 제4 스위치(M4)의 제1 직렬 회로, 고전위측의 제2 스위치(M2)와 저전위측의 제5 스위치(M5)의 제2 직렬 회로, 및 고전위측의 제3 스위치(M3)와 저전위측의 제6 스위치(M6)의 제3 직렬 회로가 병렬로 연결되고, 제1 및 제4 스위치들의 연결점, 제2 및 제5 스위치들의 연결점, 및 제3 및 제6 스위치들의 연결점은 교류 전원의 3상 출력단(U, V, W)에 대응한다.
여기에서, 각 스위치는 고전위측에 연결되는 제1 단자, 저전위측에 연결되는 제2 단자, 및 게이트 단자(S1, S2, S3, S4, S5 또는 S6)를 구비한다. 각 스위치의 게이트 단자(S1 내지 S6)에는 전력용 스위칭 반도체(예컨대, IGBT)의 게이트를 충전하여 스위치의 턴온 및 턴오프를 제어하는 제어 회로(미도시)가 연결된다.
전술한 제1 내지 제6 스위치들(M1 내지 M6)로는 전력용 반도체 스위치 중에서 고내압화 시에도 온저항이 급속히 커지지 않아 약 400V 정도까지의 동작 전압을 가질 수 있고, 다이오드 및 각종 보호 회로를 포함한 모듈화에 용이한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 것이 바람직하며, 구현에 따라서 IGBT 대신에 MOSFET를 사용하는 것도 가능하다.
IGBT를 이용한 인버터 회로는 모터 등의 유도성 부하의 전류를 온/오프(ON/OFF) 하도록 동작한다. 이러한 인버터 회로(151)에서는 IGBT 이외에 부하 전류의 흐름을 바꾸기 위한 다이오드(FWD: Free Wheeling Diode)가 필요한데, 본 실시예의 인버터 회로(151)에서는 다이오드(FWD)가 IGBT의 양단에 병렬로 연결되어 내장된 것으로 가정한다. 이러한 다이오드(FWD)는 이미 잘 알려진 종래 기술이므로 그에 대한 상세 설명은 생략한다.
또한, IGBT를 이용한 인버터 회로에서는 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)의 게이트 단자와 제2 단자 사이에 부트스트랩 캐패시터(C1, C2 또는 C3)가 연결된다. 부트스트랩 캐패시터(Bootstrap Capacitor)는 스위치의 턴-온 시 교류 전원의 3상 출력단에 연결되어 있는 제1 내지 제3 스위치의 제2 단자(소스에 대응함)의 전압이 상승함에 따라 제1 내지 제3 스위치의 게이트-소스 간의 전압(Vgs)이 작아지거나 꺼져서 제1 내지 제3 스위치(M1 내지 M3)가 정상적으로 동작하지 못하는 것을 방지하기 위한 것으로, 인버터 일체형 전동 압축기에 사용되는 인버터 회로에서는 원활한 모터 구동과 소음 억제를 위해 인버터 기동 시 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 것이 필요하다.
이에 본 실시예에 따른 고장 진단 시스템은 전술한 부트스트랩 캐패시터의 충전 시간 중에 모터 측으로의 짧은 시간 동안의 통전이 가능하도록 인버터 회로의 제1 내지 제3 스위치의 게이트 단자에 고장 진단 신호를 인가하고, 고장 진단 신호의 인가 시에 인버터 회로에서 발생하는 전류를 감지함으로써 모터 구동 전에 온라인으로 모터 또는 인버터의 고장 여부를 효율적으로 진단한다.
도 3은 도 1의 고장 진단 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템(100)은 구동제어부(110), 전류검출부(120) 및 고장판별부(130)를 구비한다.
구동제어부(110)는 모터 구동을 위해 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 동안 인버터의 제1 내지 제6 스위치의 동작을 제어하여 모터 측으로 짧은 시간 동안의 통전이 형성되도록 기능한다. 여기에서, 고장 진단 신호는 구동제어부(110)가 인버터 회로 내의 스위치의 턴-온 또는 턴-오프 동작을 원하는 타이밍에 제어하기 위한 제어 신호의 일종이다.
이러한 구동제어부(110)는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중에 인버터 회로에 특정 고장 진단 신호를 인가하여 스위치의 동작을 제어하는 것을 제외하고, 인버터 회로의 전력용 반도체 스위치를 턴-온 또는 턴-오프 하는 종래의 일반적인 제어 회로에 대응한다. 즉, 본 실시예의 구동제어부(110)는 종래의 인버터에 구비되는 제어 회로에 더하여 인버터 회로에 특정 고장 진단 신호를 인가할 수 있는 수단 또는 이 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부를 구비하는 것에 대응할 수 있다. 또한, 구동제어부(110)는 전동 압축기의 동작을 제어하는 전자제어장치나 혹은 차량 등의 냉동공조 시스템의 전자제어장치(도 1의 참조부호 10 참조) 등에 탑재되어 해당 기능을 수행하는 수단 또는 이 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부로 구현될 수 있다.
전술한 고장 진단 신호는 약 5㎲ 이하인 것이 바람직하며, 약 1㎲ 이상 내지 약 5㎲ 이하의 단펄스(Short Pulse)인 것이 더욱 바람직하다. 고장 진단 신호의 하한을 약 1㎲로 설정한 것은 인버터 내 전력용 반도체 스위치의 작동 제어를 위해 이용할 수 있는 제어 신호의 빠르기와 전류 센서의 전류 센싱 감도를 고려한 것으로 차후 개발되는 전력용 반도체 스위치나 전류 센서의 성능 향상에 따라 더 작은 값을 가질 수 있다. 그리고, 고장 진단 신호의 상한을 약 5㎲로 설정한 것은 그 시간 동안 전력용 반도체 스위치에 어느 정도의 높은 전류가 흘러도 스위치가 파손되지 않는 인버터 과전류 보호 레벨을 고려한 것이다. 예컨대, 차량용 인버터 일체형 전동 압축기에 사용되는 인버터 대부분의 IGBT나 MOSFET는, 5㎲를 초과하는 시간 동안 단락 전류가 흐르게 되면 스위치가 파손되며, 아울러 5㎲를 초과하는 시간 동안 고장 진단 신호를 인가하면 부트스트랩 캐패시터의 충전이 늦어져 모터 구동에 시간 지연이 발생할 수 있다.
전류검출부(120)는, 구동제어부(110)에서 인버터 회로의 스위치에 고장 진단 신호를 인가할 때, 인버터에 흐르는 전류를 검출한다. 전류검출부(120)는 인버터 회로 내에 설치되는 적어도 하나의 전류 센서(도 6의 참조부호 121 참조)와 이 전류 센서로부터 검출되는 전류를 감지하는 아날로그-디지털 컨버터로 구성될 수 있고, 그 경우 아날로그 디지털 컨버터는 구동제어부(110)가 탑재된 소정의 전자제어장치(미도시)의 입력단에 구비될 수 있다.
고장판별부(130)는 전류검출부(120)에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 모터 또는 인버터의 고장 유무를 판별한다. 즉, 고장판별부(130)는 고장 감지 신호의 유형에 따라 전류검출부(120)에서 검출된 전류를 기준 전류와 비교하여 인버터의 직류 전원의 고전위측에 연결되는 스위치의 단락, 저전위측에 연결되는 스위치의 단락, 인버터와 모터 사이의 배선 간의 단락 또는 절연 파괴 여부, 모터의 절연 파괴 여부 등을 판별한다.
이러한 고장판별부(130)는 전술한 구동제어부(110)의 경우와 유사하게 전동 압축기의 동작을 제어하는 전자제어장치나 혹은 차량 등의 냉동공조 시스템의 전자제어장치(도 1의 참조부호 10 참조) 등에 탑재되어 해당 기능을 수행하는 수단 또는 이러한 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부로 구현될 수 있다.
도 4는 도 3의 고장 진단 시스템의 작동 원리를 개략적으로 설명하기 위한 순서도이다. 도 5는 도 3의 고장 진단 시스템에 사용되는 고장 진단 신호를 개략적으로 나타낸 파형도이다. 그리고, 도 6 내지 도 9는 도 3의 고장 진단 시스템에 의한 고장 진단 시 과전류의 흐름을 나타낸 회로도들이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 제1 단계(S41)로서, 차량의 전자제어장치 등으로부터 입력되는 모터 구동을 위한 모터 기동 신호 또는 그에 대응하는 제어 신호에 응답하여, 고장 진단 시스템의 구동제어부는 제4 내지 제6 스위치(M4, M5, M6)를 턴-온시킴으로써 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)에 결합된 부트스트랩 캐패시터(C1, C2, C3)를 충전한다(S41).
부트스트랩 캐패시터의 충전은 도 5에 도시된 바와 같이 부트스트랩 캐패시터의 충전량(Q)이 일정량 이상이 되는 충전 기간에 대응하는 제1 내지 제5 구간(t0에서 t5까지의 시간) 동안에, 제4 내지 제6 스위치(M4 내지 M6)를 턴-온으로 유지함으로써 이루어진다. 즉, 구동제어부의 소정의 제어 신호에 의해 제4 내지 제6 스위치(M4 내지 M6)가 턴-온 제어되면, 인버터 회로(151)의 저전위측 또는 그라운드측이 교류 전원의 3상 출력단(U, V, W)에 연결되고 제1 내지 제3 스위치(M1 내지 M3)의 게이트-소스 간 전압(부트스트랩 캐패시터의 전압에 대응함)이 형성되며, 부트스트랩 캐패시터의 전압 등의 충전 조건에 따라 모터 구동 전에 부트스트랩 캐패시터가 충전된다.
다시 도 2 및 도 4를 참조하면, 제2A 단계(S42)로서, 구동제어부는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중에 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)에 (0, 0, 0)신호를 인가하고, 전류검출부는 전류 센서(121)를 통해 인버터 회로에 흐르는 전류를 검출하고, 고장판별부는 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 고전위측 제1 내지 제3 스위치의 정상 또는 비정상을 판별한다(S42).
여기에서, (0, 0, 0)신호는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)를 활성화하지 않거나 또는 턴-오프 상태로 유지하도록 하는 고장 진단 신호로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 부트스트랩 캐패시터의 충전 기간(t0에서 t5까지의 기간) 중 제1 구간(t0 내지 t1) 및/또는 제5 구간(t4 내지 t5)에서 제1 내지 제3 스위치를 약 5㎲ 시간 동안 턴-오프 상태로 유지하기 위한 펄스 신호(Sd)에 대응된다.
또한, 고장 진단 신호인 (0, 0, 0)신호와 후술하는 (1, 0, 0)신호, (1, 1, 1)신호 등에 있어서 1 또는 0은 고전위측 제1 내지 제3 스위치를 기재된 순서대로 각각 활성화 또는 턴-온으로 제어하거나 비활성화 또는 턴-오프로 제어하기 위한 제어 신호의 레벨 식별자에 대응할 수 있다.
전류 센서(121)는 인버터 회로(151)에 흐르는 전류를 검출하기 위하여 인버터 회로(151)의 제4 내지 제 6 스위치(M4, M5, M6)의 제2 단자가 연결되는 직류 전원의 저전위측 전원 라인에 직렬 연결된다.
전술한 제2A 단계(S42)에 있어서, 제1 내지 제3 스위치(M1 내지 M3) 모두를 턴-오프 상태로 제어하고 있음에도 불구하고 전류검출부의 전류 센서(121)를 통해 기준 전류 이상의 과전류가 검출되면, 고장판별부는 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3) 중 적어도 어느 하나가 단락(Short)되어 과전류 패스(P1)가 형성된 것으로 판단한다.
예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 스위치(M1)가 고장이어서 제1 및 제5 구간에 직류 전원의 고전위측에서 제1 스위치(M1)와 제4 스위치(M4)를 경유하여 직류 전원의 저전위측으로 이어지는 전류 패스(P1)가 형성되면, 전류검출부는 전류 패스(P1)에 흐르는 과전류를 검출하고, 고장판별부는 전류검출부에서 검출된 전류에 기초하여 제1 내지 제3 스위치 중 적어도 어느 하나가 단락 상태임을 판별한다.
다음, 도 2 및 도 4를 다시 참조하면, 제2B 단계(S43)로서, 구동제어부는 제4 내지 제6 스위치(M4, M5, M6)의 턴-온 상태에서 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)에 (1, 0, 0)신호를 인가하고, 전류검출부는 제1 내지 제3 스위치에 (1, 0, 0)신호가 인가되는 동안에 인버터 회로(151)에 흐르는 전류를 검출하며, 고장판별부는 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 정해진 기준 전류와 비교하여 모터 또는 모터에 연결되는 배선의 정상 또는 비정상을 판단한다(S43). 여기에서, 기준 전류는 최대 기준 전류 및 최소 기준 전류를 포함한다.
전술한 (1, 0, 0)신호는 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3) 중 어느 하나가 활성화되거나 턴-온 상태를 갖도록 하는 고장 진단 신호로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 부트스트랩 캐패시터의 충전 기간 중에 제2 구간(t1 내지 t2) 또는 제4 구간(t3 내지 t4)에서 제1 내지 제3 스위치 중 제1 스위치(M1)만을 약 5㎲ 시간 이하로 턴-온 하도록 하는 제어 신호에 대응된다. 즉, 고장 진단 신호는 5㎲ 이하의 단펄스(Short Pulse)인 것이 바람직하다. 이러한 (1, 0, 0)신호는 (0, 1, 0)신호 또는 (0, 0, 1)신호로 대체가능하고, 구현에 따라 (1, 1, 0)신호, (1, 0, 1)신호 또는 (0, 1, 1) 신호로도 대체가능하다.
제2 구간 및 제4 구간에서 제1 스위치(M1)만을 약 5㎲ 시간 이하로 턴-온 제어한 것임에도 불구하고 인버터 회로(151)에서 최대 기준 전류 이상의 과전류가 검출되거나 최소 기준 전류 이하의 전류가 검출되면, 고장판별부는 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 최대 기준 전류 및 최소 기준 전류와 비교하여 인버터 회로(151)와 모터(52) 사이의 배선이나 모터의 절연 파괴 여부를 판별한다(S43).
예를 들어, 도 7에 도시한 바와 같이, 부트스트랩 캐피시터의 충전 중 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3) 중에서 제1 스위치(M1)를 약 5㎲ 시간 동안 턴-온 제어하면, 제1 스위치(M1)를 통해 약 5㎲ 시간 동안 모터 측으로 통전하게 되는데, 이때 제1 스위치(M1)와 모터(52) 사이의 제1 배선과 제2 스위치(M2)와 모터(52) 사이의 제2 배선에 절연 파괴가 있으면, 인버터 회로(151)에는 상간 단락하여 제1 스위치(M1)에서 제5 스위치(M5)로 연결되는 전류 패스(P2)가 형성하게 된다.
따라서, 본 실시예의 고장 감지 시스템에서는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)를 짧은 시간 동안 (1, 0, 0)신호로 제어하고, 인버터 회로의 전류를 검출하고, 검출된 전류와 최대 기준 전류를 비교한 후, 검출된 전류가 최대 기준 전류 이상의 과전류일 때 인버터 회로와 모터 사이의 배선에 상간 절연 파괴가 있음(비정상)을 판별할 수 있다. 물론, 검출된 전류가 최대 기준 전류보다 작을 때, 고장판별부는 인버터 회로와 모터 사이의 배선에 상간 절연 파괴가 없음(정상)을 판별할 수 있다.
또한, 예를 들면, 도 8에 도시한 바와 같이, 부트스트랩 캐피시터의 충전 중 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3) 중에서 제1 스위치(M1)를 약 5㎲ 시간 동안 턴-온 제어하면, 제1 스위치(M1)를 통해 약 5㎲ 시간 동안 모터 측으로 통전하게 되는데, 이때 3상 교류 전원 출력단에 연결되는 모터(52)의 코일에 절연 파괴가 있으면, 코일은 모터 하우징이나 샤시와 단락하여 모터(52)와 그라운드 간에 새로운 전류 패스(P3)를 형성하게 된다.
따라서, 본 실시예의 고장 감지 시스템에서는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)를 짧은 시간 동안 (1, 0, 0)신호로 제어하고, 인버터 회로의 전류를 검출하고, 검출된 전류와 최소 기준 전류를 비교한 후, 검출된 전류가 최소 기준 전류 이하의 감소된 전류일 때 모터 코일에 절연 파괴가 있음(비정상)을 판별할 수 있다. 물론, 검출된 전류가 최소 기준 전류보다 클 때, 고장판별부는 모터에 절연 파괴가 없음(정상)을 판별할 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 4를 다시 참조하면, 제2C 단계(S44)로서, 구동제어부는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중에 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)에 (1, 1, 1)신호를 인가하고, 전류검출부는 제1 내지 제3 스위치에 (1, 1, 1)신호가 인가되는 동안에 인버터 회로(151)에 흐르는 전류를 검출하며, 고장판별부는 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 정해진 기준 전류와 비교하여 저전위측 제4 내지 제6 스위치(M4, M5, M6) 중 적어도 어느 하나의 정상 또는 비정상을 판별한다(S44).
여기에서, 구동제어부는 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)를 약 5㎲ 시간 동안 (1, 1, 1)신호로 턴-온 제어하기 전에 제4 내지 제6 스위치(M4, M5, M6) 모두를 먼저 턴-오프로 제어하고, 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)가 모두 턴-오프로 제어된 후에 제4 내지 제6 스위치(M4, M5, M6) 모두를 턴-온 또는 턴-오프로 제어하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 9에 도시한 바와 같이, 부트스트랩 캐피시터의 충전 중 제4 내지 제6 스위치(M1, M2, M3) 모두를 짧은 시간 동안 턴-오프로 제어하면서 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3) 모두를 약 5㎲ 시간 동안 턴-온 제어할 때, 제5 스위치(M5)에 단락(Short)이 있으면, 인버터 회로(151)에는 제2 스위치(M2)와 제5 스위치(M5)를 연결되는 과전류 패스(P4)가 형성된다.
따라서, 본 실시예의 고장 감지 시스템에서는 부트스트랩 캐패시터의 충전 중 제1 내지 제3 스위치(M1, M2, M3)를 짧은 시간 동안 (1, 1, 1)신호로 제어하고, 인버터 회로의 전류를 검출하고, 검출된 전류와 최대 기준 전류를 비교함으로써, 제4 내지 제6 스위치 중 적어도 어느 하나에 단락이 있음(비정상)을 판별할 수 있다. 물론, 검출된 전류가 기준 전류보다 작을 때, 고장판별부는 제4 내지 제6 스위치(M4, M5, M6) 중 어느 하나에도 단락이 없음(정상)을 판별할 수 있다.
다음으로, 도 4를 다시 참조하면, 상기한 제2B 단계(S43) 또는 제2C 단계(S44)의 판단 결과가 정상이면, 모터는 정상적으로 구동된다(S45), 한편, 제2A 단계(S42), 제2B 단계(S43) 및 제2C 단계(S44) 중 어느 하나에서의 판단 결과가 비정상이면, 고장판별부는 모터의 절연 파괴 여부, 모터와 인버터 사이의 배선들 간의 상 절연 파괴 여부나 상간 단락, 인버터의 스위치의 단락 등에 대한 경고(Alarm) 신호를 출력하고(S46), 모터가 구동하지 않도록 모터 구동을 제한한다(S47).
경고 신호는 전동 압축기 자체의 화면표시장치나 스피커, 또는 전동 압축기를 구비한 냉동공조 시스템이나 차량의 화면표시장치나 스피커 등을 통해 출력될 수 있다. 특히, 모터의 절연 파괴 또는 모터 고장에 대한 경고 신호의 출력시, 고장 진단 시스템 또는 고장 진단 시스템에 연결되는 소정의 전자제어장치는 모터 구동을 제한함으로써 인버터의 추가 파손과 화재 발생을 예방할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 도 4에 도시한 바와 같이 제2A 단계(S42), 제2B 단계(S43) 및 제2C 단계(S44)가 기재된 순서대로 순차적으로 수행되거나, 도 5에 도시한 바와 같이 제2A 단계(S42), 제2B 단계(S43), 제2C 단계(S44), 제2B 단계(S43) 및 제2A 단계(S42)가 기재된 순서대로 순차적으로 수행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 모터 구동 전에 그리고 부트스트랩 캐패시터의 충전 중에 제2B 단계(S43)만을 수행하여 모터 고장을 진단하거나, 제2B 단계(S43)를 수행하면서 그 전이나 후에 제2A 단계(S42) 또는 제2C 단계(S44)를 임의로 수행하여 모터 및 인버터의 고장을 진단할 수 있다. 그러한 구현에 의하면, 본 발명의 본래의 취지와 동일하게 온라인으로 모터의 절연 파괴 여부를 검출할 수 있고, 그것에 의해 모터의 절연 파괴에 의해 인버터가 추가 파손되거나 모터 과열 등에 의한 화재의 위험을 예방할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 도 5에 도시한 바와 같이 제2B 단계(S43)에 대응하는 제2 구간(t1 내지 t2) 및 제4 구간(t3 내지 t4)과 제2C 단계(S44)에 대응하는 제3 구간(t2 내지 t3)에서 고장 진단 신호인 약 5㎲의 폭을 가진 단펄스가 제1 스위치(M1)의 게이트 단자에 연속적으로 인가되는 것처럼 설명하였지만 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지는 않는다. 예를 들면, 제1 내지 제5의 각 구간은 5㎲ 이하, 즉 약 1㎲, 약 2㎲, 약 3㎲, 약 4㎲ 등과 같은 시간 간격을 가질 수 있고, 그 경우 고장 진단 신호가 인가되는 제1 내지 제5 구간의 각 구간은 서로 인접한 구간 사이에 시간 갭을 가질 수 있다. 또한, 부트스트랩 캐패시터의 충전 시간이 25㎲를 초과하는 경우에도, 제1 내지 제5 구간들 사이에는 적어도 하나의 시간 갭이 존재할 수 있다.
전술한 실시예의 고장 진단 시스템에 의하면, 온라인 고장 진단 즉, 인버터 일체형 전동 압축기에 탑재되어 있는 인버터로 모터 구동을 제어하는 프로세스 중에 인버터와 모터의 고장을 진단함으로써, 모터 구동에 시간 지연을 발생시키지 않고, 모터 구동에 영향을 미치지 않으며, 스위치로 사용되는 IGBT에 악영향을 미치지 않으면서 모터 절연 파괴 유무를 검출할 수 있고, 또한 스위치의 고장과 인버터와 모터 사이의 배선 상의 절연 파괴를 효율적으로 감지할 수 있다.
또한, 모터의 절연 파괴 유무를 온라인에서 손쉽게 파악할 수 있으므로, 모터 절연 파괴에 따른 인버터의 추가 파손이나 화재의 위험성을 예방할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 전자제어장치(ECU)
20: 배터리
30: 냉동공조 시스템
50: 전동 압축기
51: 인버터
52: 모터
100: 고장 진단 시스템
110: 구동제어부
120: 전류검출부
121: 전류 센서
130: 고장판별부

Claims (10)

  1. 직류 전원을 변환하여 교류 전원을 출력하는 인버터 및 상기 인버터에 결합하는 모터의 고장을 진단하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템에 있어서,
    상기 인버터의 스위치에 결합된 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 기간 중에 스위치의 동작을 제어하기 위한 고장 진단 신호를 상기 스위치에 인가하는 구동제어부;
    상기 고장 진단 신호의 인가 시 상기 인버터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부; 및
    상기 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 모터, 스위치 또는 이들 사이의 배선의 고장 여부를 판단하는 고장판별부;를 포함하되
    상기 인버터는, 직류 전원의 고전위측 제1 스위치와 직류 전원의 저전위측 제4 스위치의 제1 직렬 회로, 고전위측 제2 스위치와 저전위측 제5 스위치의 제2 직렬 회로, 및 고전위측 제3 스위치와 저전위측 제6 스위치의 제3 직렬 회로가 병렬로 연결되는 인버터 회로를 구비하고,
    상기 구동제어부는, 상기 제1 내지 제3 스위치의 게이트 단자에 고장 진단 신호로서 (1, 0, 0)신호를 인가하여 제1 내지 제3 스위치를 제어하며, 여기에서 상기 1은 스위치를 활성화 또는 턴-온 제어하기 위한 제어 신호의 제1 레벨 식별자이고, 상기 0은 스위치를 비활성화 또는 턴-오프 제어하기 위한 제어 신호의 제2 레벨 식별자인 것을 특징으로 하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류검출부는 직류 전원 라인에 직렬 연결되는 전류 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동제어부는, 상기 (1, 0, 0)신호를 인가하기 전 또는 후에, 상기 제1 내지 제3 스위치의 게이트 단자에 고장 진단 신호로서 (0, 0, 0)신호 또는 (1, 1, 1)신호를 인가하여 제1 내지 제3 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장판별부는, 상기 전류검출부에서 검출된 전류가 최대 기준 전류 이상일 때, 직류 전원의 고전위측에 연결된 스위치의 단락, 직류 전원의 저전위측에 연결된 스위치의 단락, 또는 상기 인버터와 모터 사이의 배선의 절연 파괴 여부를 판별하고, 상기 검출된 전류가 최소 기준 전류 이하일 때, 상기 모터의 절연 파괴 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장 진단 신호는 5㎲ 이하의 단펄스(Short Pulse)인 것을 특징으로 하는 모터 인버터의 온라인 고장 진단 시스템.
  9. 입력 전원을 변환하여 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 인버터의 교류 전원 출력단에 연결되고 상기 교류 전원에 의해 구동하는 모터; 및
    상기 인버터 및 모터의 고장을 진단하는 고장 진단 시스템;을 포함하되,
    상기 고장 진단 시스템은,
    상기 인버터의 스위치에 결합된 부트스트랩 캐패시터를 충전하는 기간 중에 스위치의 동작을 제어하기 위한 고장 진단 신호를 상기 스위치에 인가하는 구동제어부;
    상기 고장 진단 신호의 인가 시 상기 인버터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부; 및
    상기 전류검출부에서 검출된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 모터, 스위치, 또는 이들 사이의 배선에서의 고장 여부를 판단하는 고장판별부;를 구비하되,
    상기 인버터는, 직류 전원의 고전위측 제1 스위치와 직류 전원의 저전위측 제4 스위치의 제1 직렬 회로, 고전위측 제2 스위치와 저전위측 제5 스위치의 제2 직렬 회로, 및 고전위측 제3 스위치와 저전위측 제6 스위치의 제3 직렬 회로가 병렬로 연결되는 인버터 회로를 구비하고,
    상기 구동제어부는, 상기 제1 내지 제3 스위치의 게이트 단자에 고장 진단 신호로서 (1, 0, 0)신호를 인가하여 제1 내지 제3 스위치를 제어하며, 여기에서 상기 1은 스위치를 활성화 또는 턴-온 제어하기 위한 제어 신호의 제1 레벨 식별자이고, 상기 0은 스위치를 비활성화 또는 턴-오프 제어하기 위한 제어 신호의 제2 레벨 식별자인 것을 특징으로 하는 전동 압축기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고장 진단 신호는 5㎲ 이하의 단펄스인 것을 특징으로 하는 전동 압축기.
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