KR101489303B1 - 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동차에 탑재되는 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택을 범용으로 시험하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치에 관한 것으로서, 상기 피시험체에 구동전원을 공급하기 위한 전원장치; 상기 피시험체에 구동을 위한 광 펄스를 전송하는 광 펄스 출력부; 상기 전력반도체 드라이버의 구동 신호에 따라 스위칭 구동되며, 상기 전동차에 탑재되는 전력반도체와 동일한 규격을 갖는 시험용 전력반도체; 상기 피시험체의 RMS 출력을 측정하는 RMS 측정부; 상기 피시험체의 종류에 따라 구동전원 및 입출력 신호를 변환하여 송수신하는 변환 어댑터; 상기 피시험체의 출력 파형을 측정하는 파형 측정부; 상기 피시험체의 RMS 출력 및 출력 파형을 화면 표시하는 디스플레이수단; 및 상기 피시험체의 종류에 따라 구동전원 및 광 펄스를 제어하며, 상기 RMS 측정부 및 상기 파형 측정부의 출력을 상기 디스플레이수단을 통해 화면 표시 제어하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.
본 발명에 따르면, 단일의 시험장치로 전동차에 탑재되는 전력반도체 드라이버와 인버터 스택을 범용으로 시험할 수 있으며, 고장 원인을 빠르게 진단하여 인버터 정지 등에 기인한 전동차 운행 중단 등의 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치{TEST EQUIPMENT FOR POWER SEMICONDUCTOR DRIVER AND INVERTER STACK OF RAILWAY CAR}

본 발명은 전동차에 탑재된 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택을 범용적으로 시험하는 시험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전동차의 추진 또는 보조전원장치에 사용되는 전력반도체의 드라이버 테스트와 인버터 스택에 저전압을 가해 무부하 동작상태를 확인하는 인버터 스택 저전압 테스트를 함께 구현할 수 있는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전동차에 사용되는 인버터는 전동차의 추진 제어 및 보조전원장치로서 중요한 역할을 한다. 이들 인버터에는 전력을 변환하거나 전력을 제어하는 용도로 전력반도체가 사용되고 있다. 전동차에 사용되는 전력반도체는 대전력 제어용 전력반도체로서, 주로 SCR, GTO, FET, Power TR, IGBT, IPM 등이 사용된다.

IGBT는 MOS FET와 Bipolar TR의 구조를 가지는 스위칭 소자이다. FET는 전압 제어 방식이기 때문에 구동이 쉽고, 스위칭 속도가 빠르다. 낮은 전압에서는 ON 저항이 낮아 효율이 높지만, 전압이 높아지면 ON 저항이 증가하여 효율이 나빠지는 단점이 있다. Bipolar TR은 고전압, 대전류에서 낮은 포화전압을 가지므로 효율이 높다. 하지만 베이스 구동전류가 높아야 하고 스위칭 주파수가 낮은 단점이 있다. IGBT는 FET와 Bipolar TR의 장점을 결합한 전력반도체로, 입력 구동부는 전기적으로 절연된 FET로 구성하고 스위칭부는 Bipolar TR로 구성하여 구동이 용이하고 높은 스위칭 주파수 특성을 갖게 한다.

IPM(Intelligent Power Module)은 전력을 제어하는 전력 MOSFET나 IGBT를 구동하는 구동장치와 자기보호 기능이 부가된 전원모듈이다. IGBT를 구동하는 장치는 IGBT 소자 특성에 맞게 신호 레벨을 변환하고, IGBT의 단락 검출, 제어전원 저하 등을 검출하는 회로를 내장해야 한다. IPM은 IGBT 구동회로에 포함된 상기 회로들을 소자에 직접 내장하여 외부 회로를 간단히 할 수 있도록 한 소자이다.

이러한 전력반도체를 구동하기 위하여 IDU(IGBT Driver Unit), GDU(Gate Drive Unit), IPM Driver 등의 구동장치가 사용된다.

한편, 종래에는 전동차에 탑재되는 인버터(또는 인버터 스택)를 테스트하는 시험장치가 사용되었다. 하지만, 대한민국 특허공개 제10-2001-0054484호에서와 같이 인버터에 비해 견인전동기의 안전성과 신뢰성을 중심으로 테스트하며, 인버터는 직류회생시험 등과 같이 추진 제어와 관련된 사항을 주로 테스트하였다.

그러나 인버터는 추진 제어 성능 이외에 보조전원장치로서도 중요한 역할을 수행한다. 나아가 인버터의 핵심 부품인 IGBT나 IPM 등은 매우 고가의 부품으로, 고장 점검을 보다 정밀하게 수행하여야 할 필요가 있다. 예를 들어, 전력반도체 드라이버의 고장일 경우, 고가의 전력반도체를 불필요하게 교체할 필요 없이 드라이버를 교체하는 것으로 대응할 수 있을 것이다. 또한, 드라이버의 구동 이상을 점검하여 사전에 부품 교체를 실시한다면, 인버터 정지 등의 사고를 미연에 방지할 수 있을 것이다.

대한민국 특허공개 제10-2001-0054484호

본 발명은 상기한 종래 인버터 시험장치의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 전력반도체의 드라이버 테스트와 인버터 스택에 저전압을 가해 무부하 동작상태를 확인하는 인버터 스택 저전압 테스트를 범용적으로 구현할 수 있는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치는, 전동차에 탑재되는 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택을 피시험체로 하는 시험장치에 있어서, 상기 피시험체에 구동전원을 공급하기 위한 전원장치; 상기 피시험체에 구동을 위한 광 펄스를 전송하는 광 펄스 출력부; 상기 전력반도체 드라이버의 구동 신호에 따라 스위칭 구동되며, 상기 전동차에 탑재되는 전력반도체와 동일한 규격을 갖는 시험용 전력반도체; 상기 피시험체의 RMS 출력을 측정하는 RMS 측정부; 상기 피시험체의 종류에 따라 구동전원 및 입출력 신호를 변환하여 송수신하는 변환 어댑터; 상기 피시험체의 출력 파형을 측정하는 파형 측정부; 상기 피시험체의 RMS 출력 및 출력 파형을 화면 표시하는 디스플레이수단; 및 상기 피시험체의 종류에 따라 구동전원 및 광 펄스를 제어하며, 상기 RMS 측정부 및 상기 파형 측정부의 출력을 상기 디스플레이수단을 통해 화면 표시 제어하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치는, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 전력반도체 드라이버를 시험할 경우 상기 시험용 전력반도체의 스위칭 출력으로부터 상기 RMS 출력 및 출력 파형을 측정하도록 제어한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치는, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 인버터 스택을 시험할 경우 상기 인버터 스택에 내장된 전력반도체의 스위칭 출력으로부터 상기 RMS 출력 및 출력 파형을 측정하도록 제어한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치는, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 인버터 스택의 출력을 개방하여 무부하 상태에서 저전압 특성을 시험한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치는, 상기 전원장치는 DC 0~400V의 가변 전원장치이며, 상기 RMS 측정부는 상기 인버터의 6상 전력반도체 각각의 입출력 양단 전압을 측정하는 적어도 6개의 RMS 미터를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치는, 상기 RMS 측정부는 상기 피시험체의 출력의 극성을 판단하는 극성 검출회로를 포함한다.

본 발명의 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치에 따르면, 단일의 시험장치로 전동차에 탑재되는 전력반도체 드라이버와 인버터 스택을 범용으로 시험할 수 있으며, RMS 측정 및 출력 파형 측정을 통해 전력반도체 드라이버의 이상 상태를 테스트하여, 전력반도체 소자의 불필요한 교체를 방지하고 고장 원인을 빠르게 진단하여 인버터 정지 등에 기인한 전동차 운행 중단 등의 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치를 예시한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 시험장치의 정면도, 및
도 3은 본 발명에서 인버터 스택의 저전압 시험 예를 보인 블록도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치를 예시한 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 시험장치의 정면도이다.

이를 참조하면, 본 발명의 시험장치는 전동차용 전력반도체 드라이버 또는 인버터 스택을 피시험체(10)로 한다. 전력반도체 드라이버는 예컨대, IDU(IGBT Driver Unit), GDU(Gate Driver Unit), 또는 IPM(Intelligent Power Module) Driver이다. 인버터 스택은 IGBT 또는 IPM과, 위에 열거한 전력반도체 드라이버를 포함하는 인버터들의 스택이다.

IDU는 전동차의 인버터 스택에 장착되어 인버터에 사용되는 듀얼 타입 IGBT를 구동하는 장치이다. 전원 DC 100V와 광케이블을 통하여 광 펄스를 입력받아 펄스 로직에 따라 출력단에 +15V, -15V로 스위칭 출력을 내보낸다. 듀얼 타입 IGBT를 구동해야 하기 때문에 두 개의 구동회로를 내장한다. 각 채널에는 15V 전원회로와 IGBT 보호회로가 포함된다. 또한, IGBT나 IDU의 고장 검출 시에 고장상태를 알려줄 수 있는 광 출력 한 채널이 포함된다.

GDU는 전동차의 보조전원장치(DC 1,500V를 AC 3상 380V로 변환해주는 장치)의 초퍼단에 있는 IGBT를 제어하는 구동장치이다. 원리는 IDU와 동일하나 전원전압이 다르고 싱글 채널로만 되어 있다. 입력전원은 DC 15V이고 광입력 1채널, 피드백 광출력 1채널로 구성된다.

IPM Driver는 전동차 추진장치(예컨대, 유도 전동기 인버터)에 사용되는 IPM을 구동하는 장치이다. DC 100V 전원을 입력받아 IPM 소자의 제어전원 24V를 출력하고, 광 펄스 입력을 받아 IPM 구동용 펄스 로직 신호로 변환한다. 그리고 IPM이나 IPM Driver 고장 검출 시에 고장상태를 알려주기 위한 광 출력 한 채널이 포함된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 시험장치는 변환 어댑터(110), 전원장치(122), 광 펄스 출력부(124), 시험용 전력반도체(126), RMS 측정부(128), 마이크로 컨트롤러(130), 파형 측정부(150), 및 디스플레이수단(160)을 포함한다.

변환 어댑터(110)는 피시험체의 종류에 따라 시험장치의 구동전원 및 광 펄스 출력을 변환하여 시험장치로 전달하며, 피시험체의 출력을 시험장치로 전달하는 어댑터이다. 변환 어댑터(110)는 전원 연결용 커넥터 및 광신호 입출력을 위한 광케이블로 구성되며, 피시험체마다 변경하여 사용될 수 있다.

전원장치(122)는 피시험체에 동작전원을 공급하기 위한 장치로서, 피시험체마다 다른 DC 전원을 공급하기 위해 다양한 탭을 갖는다. 예를 들어, IDU에는 DC 100V, GDU에는 DC 15V, IPM Driver에는 DC 100V를 공급하며, 인버터 스택에는 도 3에서 보여지는 바와 같이 DC 0~400V의 가변 전원을 공급한다.

광 펄스 출력부(124)는 피시험체의 구동을 위한 광 펄스를 생성한다. 광 펄스 출력부(124)에서 생성되는 광 펄스의 주파수는 사용자의 선택에 따라 마이크로 컨트롤러(130)에 의해 조정된다.

RMS 측정부(128)는 피시험체의 RMS(Root Mean Square) 출력을 측정한다. RMS 측정부(128)에서 출력되는 전압은 마이크로 컨트롤러(130)에 내장된 AD 컨버터에서 디지털 값으로 변경되며, 변경된 디지털 값으로부터 피시험체의 출력 특성을 파악한다. 이때, IPM Driver를 제외한 구동장치들의 출력은 평상시(즉, 광 펄스 입력이 없을 때, IGBT를 OFF 상태로 둘 때 등과 같이) 약 -15V의 값을 갖는다. 하지만, RMS 측정부(128)는 항상 양의 값을 출력하므로, 실제 출력의 극성 판단을 위하여 RMS 측정부(128)는 극성 검출회로를 더 포함한다.

마이크로 컨트롤러(130)는 피시험체(10)의 종류에 따라 구동전원 및 광 펄스 출력을 제어하며, RMS 측정부(128) 및 파형 측정부(150)의 출력으로부터 피시험체(10)의 상태를 진단하고, 진단 결과를 디스플레이수단(160)을 통해 표시한다.

파형 측정부(150)는 피시험체(10)의 출력 파형을 측정하는 수단이다. 예컨대, 시험장치에 오실로스코프를 연결하고 측정된 파형을 시험장치에 내장된 패널 PC를 통해 현시할 수 있다.

디스플레이수단(160)은 시험장치 내 패널 PC의 화면 출력장치로서, 마이크로 컨트롤러(130)에서 진단한 진단 결과와 함께 RMS 측정 결과 및 파형 측정 결과를 화면 표시한다.

시험용 전력반도체(126)는 IDU, GDU, IPM Driver 등과 같은 전력반도체 드라이버를 테스트하기 위한 전력반도체이다. 시험용 전력반도체(126)는 전동차에 탑재되는 IGBT 또는 IPM과 동일한 규격을 가지며, 피시험체의 종류에 따라 스위칭되어 연결된다. 따라서 전력반도체 드라이버를 테스트하는 경우, 전력반도체 드라이버의 구동 제어에 따라 시험용 전력반도체(126)가 스위칭 동작되며, 시험용 전력반도체(126)의 출력이 RMS 측정부(128) 및 파형 측정부(150)으로 전달된다.

도 2를 참조하면, 시험장치의 전면에는 패널 PC의 디스플레이수단(160)이 위치하며, 좌측이 컨트롤 패널 상에 키입력수단(140), 각종 계기류, 지시등, 및 연결단자 등이 위치한다.

키입력수단(140)은 피시험체 모델 선택버튼(140a)와 광 펄스 주파수 선택버튼(140b)으로 구성된다. 피시험체 모델 선택버튼(140a)은 IDU, GDU, IPM Driver 등의 전력반도체 드라이버 종류, 또는, 인버터 스택을 선택하는 버튼이다. 광 펄스 주파수 선택버튼(140b)은 피시험체(10)에 인가할 광 펄스의 주파수를 선택하는 버튼이다. 예컨대, IDU에는 1,26kHz, GDU에는 368Hz, IPM Driver에는 180Hz의 주파수를 각각 선택한다. 그밖에 피시험체의 제조사, 규격 등에 다라 광 펄스 주파수의 선택버튼은 다양하게 추가될 수 있다.

USB 단자(142)는 오실로스코프 등의 외부기기와 패널 PC를 연결하는 단자이며, 스코프 연결단자(144)는 스코프 연결을 위한 단자이다. 시작/정지 버튼(146)은 시험장치의 기동과 정지를 선택하는 버튼이다. 광 출력단자(152)는 피시험체(10)에 광 펄스를 전달하기 위한 단자이고, 전압계(154)는 시험장치의 현재 전압을 표시하는 계기이다.

도 3은 본 발명에서 인버터 스택을 시험하는 상태를 예시한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 전원장치(122)는 DC 0~400V를 발생시키는 가변 전원장치이다. 그리고 RMS 측정부(128)는 인버터단의 6상(AC 3상을 만들기 위해 전동차용 인버터는 기본적으로 6상을 필요로 함) 각각의 IGBT 양단 전압을 측정하기 위해 적어도 6개의 RMS 미터(128a~128f)를 포함한다.

이러한 인버터 스택 저전압 시험 환경을 통하여, 인버터 스택의 실제 가선전압이 아닌 저전압(DC 400V 이하)을 가해 무부하 상태로 동작시키고, 인버터 스택의 저전압 테스트를 실시할 수 있게 된다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

10 : 피시험체 100 : 시험장치
110 : 변환 어댑터 122 : 전원장치
124 : 광 펄스 출력부 126 : 시험용 전력반도체
128 : RMS 측정부 130 : 마이크로 컨트롤러
140 : 키입력수단 140a : 피시험체 모델 선택버튼
140b : 광 펄스 주파수 선택버튼 142 : USB 단자
144 : 스코프 연결단자 146 : 시작/정지 버튼
150 : 파형 측정부 152 : 광 출력단자
154 : 전압계 160 : 디스플레이수단

Claims (6)

1. 전동차에 탑재되는 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택을 피시험체로 하는 시험장치에 있어서,
   상기 피시험체에 구동전원을 공급하기 위한 전원장치;
   상기 피시험체에 구동을 위한 광 펄스를 전송하는 광 펄스 출력부;
   상기 전력반도체 드라이버의 구동 신호에 따라 스위칭 구동되며, 상기 전동차에 탑재되는 전력반도체와 동일한 규격을 갖는 시험용 전력반도체;
   상기 피시험체의 RMS 출력을 측정하는 RMS 측정부;
   상기 피시험체의 종류에 따라 구동전원 및 입출력 신호를 변환하여 송수신하는 변환 어댑터;
   상기 피시험체의 출력 파형을 측정하는 파형 측정부;
   상기 피시험체의 RMS 출력 및 출력 파형을 화면 표시하는 디스플레이수단; 및
   상기 피시험체의 종류에 따라 구동전원 및 광 펄스를 제어하며, 상기 RMS 측정부 및 상기 파형 측정부의 출력을 상기 디스플레이수단을 통해 화면 표시 제어하는 마이크로 컨트롤러
   를 포함하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 컨트롤러는,
   상기 전력반도체 드라이버를 시험할 경우 상기 시험용 전력반도체의 스위칭 출력으로부터 상기 RMS 출력 및 출력 파형을 측정하도록 제어하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 컨트롤러는,
   상기 인버터 스택을 시험할 경우 상기 인버터 스택에 내장된 전력반도체의 스위칭 출력으로부터 상기 RMS 출력 및 출력 파형을 측정하도록 제어하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 마이크로 컨트롤러는,
   상기 인버터 스택의 출력을 개방하여 무부하 상태에서 저전압 특성을 시험하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 전원장치는 DC 0~400V의 가변 전원장치이며,
   상기 RMS 측정부는 상기 인버터의 6상 전력반도체 각각의 입출력 양단 전압을 측정하는 적어도 6개의 RMS 미터를 포함하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 RMS 측정부는 상기 피시험체의 출력의 극성을 판단하는 극성 검출회로를 포함하는 전동차용 전력반도체 드라이버 및 인버터 스택 범용 시험장치.

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