KR101570645B1 - 피크 전력 동작에서의 오버로드 제한 - Google Patents

Abstract

부하 (2) 에 전기전력을 공급하도록 컨버터 (3) 를 동작시키는 방법은, 오버로드 전력이 부하 (2) 에 인가되도록, 컨버터 (3) 를 제공된 오버로드 시간 동안 제어하는 단계; 및 휴지 전력이 부하 (2) 에 인가되도록, 컨버터 (3) 를 제공된 휴지 시간 동안 제어하는 단계를 포함하고, 오버로드 전력은 컨버터 (3) 의 정상-상태 동작 한계에 대응하는 공칭 전력보다 높고, 휴지 전력은 이 공칭 전력보다 낮다.

Description

피크 전력 동작에서의 오버로드 제한{OVERLOAD LIMITATION IN PEAK POWER OPERATION}

본 발명은 전력 컨버터들, 특히 부스트 모드에서 전력 컨버터들을 동작시키는 방법에 관한 것이다.

모터 등과 같은 모든 종류의 전력 기구들을 구동시키기 위해 전력 컨버터들이 사용된다. 이러한 전력 컨버터들은 그것들의 공칭 전력에 의해 지정되며, 이 공칭 전력은 컨버터 안에 사용된 반도체 디바이스들, 예컨대 MOSFET들, 사이리스터들, IGBT들 등에 대한 과열 또는 다른 손상의 위험 없이 지속적으로 공급될 전력량을 나타낸다. 반도체 디바이스의 공칭 전력은 대개, 공급될 때, 반도체 디바이스 내의 온도로 하여금 반도체 디바이스의 반도체 접합에 대해 최대 허용 가능한 온도에 의해 정의되는 온도 한계를 초과하지 않게 하는 전력으로서 정의된다.

2006년 3월-4월, IEEE Transactions on industry applications, Volume 42, No. 2, pp. 552-558, Murdock, D. A. 등의 문헌 "Active Thermal Control of Power Electronic Modules" 로부터, 전력 전자 모듈들이 최대 가능한 연속 동작에 도달하기 위해 열적 제어에 의해 정상-상태 동작을 제어하는 것이 알려져 있다.

문헌 WO 2009/033 999 A2 는 반도체 컴포넌트의 실제 온도 값이 결정되고, 실제 온도 값 및 타겟 온도 값에 기초하여, 온도 제어 디바이스의 액츄에이터, 예컨대 모터 냉각 시스템이 실제 온도 값을 조정하도록 활성화되는 방법을 개시한다. 실제 온도 값은 온도 모델에 기초하여 결정된다.

문헌 JP 2011223678 A 는 보호 유닛을 갖는 디바이스를 개시한다. 순환 유닛은 단자 저항 및 그 열 시간 상수로부터 근접 유닛의 온도 및 스위칭 엘리먼트의 접합 온도를 계산한다. 교정 유닛은 온도들 간의 차이에 기초하여 스위칭 엘리먼트의 접합 온도를 교정한다. 게이트 드라이브 회로 또는 제어 유닛은, 교정된 스위칭 엘리먼트의 접합 온도가 온도 제한 값을 초과하지 않도록 제어된다.

문헌 WO 2006/087618 A1 은 인버터의 온도를 검출하도록 온도 검출 유닛을 갖는 레귤레이터를 개시한다. 제한 온도 설정 유닛은, 검출된 온도의 변화 값이 미리설정된 값 미만인 경우 검출된 온도에 대해 평활화 프로세스를 수행함으로써 획득된 평활 온도 (smooth temperature) 로 제한 온도를 설정한다. 동작 유닛은 표시 온도가 증가함에 따라 인버터의 동작을 제한한다.

문헌 SU 1 410 179 A 는 컨버터를 동작시키는 방법을 개시하고, 여기서 사이리스터의 p-n 접합의 온도에 비례하는 신호는 최대 허용 온도에 비례하는 고정된 설정에 비교된다. p-n 접합의 온도가 최대 허용 온도를 초과하면, 액츄에이터는 사이리스터를 통해 전류를 제한하거나 컨버터를 작동시킬 것이다.

문헌 US 5,373,205 는 피크 전류로 디폴트되는 전류 한계를 정의하는 제어 방법을 제공하고, 최대 허용 가능한 온도를 초과하는 검출된 온도에 응답하여 공칭 전류 한계가 설정된다. 전류 한계 리셋은, 미리결정된 크기에 의해 최대 허용 가능한 온도 미만의 온도가 검출된 후에 피크 전류로 리셋된다.

문헌 EP 0 971 573 B1 은 냉각 매체에 의해 냉각되는 트랙션 드라이브 (traction drive) 들에 대한 레귤레이터를 개시하고, 여기서 레귤레이터를 냉각시키기 위한 냉각 매체의 양은 요구된 온도에 따라 제어된다.

문헌 EP 1 816 733 A2 는 주기적으로 변하는 부하 특징을 갖는 주파수 컨버터를 동작시키는 방법을 개시한다. 새로운 주기의 시작 시에, 주파수 컨버터의 전력 반도체들과 같은 중요 컴포넌트들의 온도가 예측된다. 중요 컴포넌트들의 과열이 예측되는 경우, 주파수 컨버터에 대해 감소된 부하 만이 허용되어, 부하 사이클 동안 과열이 방지될 수 있다.

본 발명의 목적은 전력 컨버터의 공칭 전력을 초과하는 전력 소비를 갖는 전기 기구에 대해 과열-보호 동작을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제 1 항에 따른 전기 기구에 전기 에너지를 제공하도록 전력 컨버터를 동작시키는 방법, 및 추가의 독립항들에 따른 장치 및 시스템에 의해 달성된다.

추가의 실시형태들은 종속항들에 나타난다.

제 1 양태에 따르면, 부하에 전력을 공급하도록 컨버터를 동작시키는 방법이 제공되고, 이 방법은:

- 오버로드 전력이 부하에 인가되도록, 제공된 오버로드 기간 동안 컨버터를 제어하는 단계; 및

- 휴지 전력이 부하에 인가되도록, 제공된 휴지 기간 동안 컨버터를 제어하는 단계를 포함하고,

- 오버로드 전력은 컨버터의 정상-상태 동작 한계에 대응하는 공칭 전력보다 높고, 휴지 전력은 공칭 전력보다 낮고,

- 컨버터 (3) 는 외부적으로 제공된 정보에 응답하여 제어되고, 부하 (2) 에 인가된 전력은, 외부적으로 제공된 정보가 컨버터 (3) 로 하여금 소정의 최대 오버로드 기간보다 오래 동안 오버로드 전력을 제공하게 하자마자 제한되고,

- 최대 오버로드 기간 후에, 부하 (2) 에 인가되는 전력은, 미리결정된 시간 특징에 따라 허용가능 전력이 오버로드 전력에서 공칭 전력으로 감소하는 제한 값을 제공하는 제한 함수에 따라 제한된다.

본 발명의 하나의 아이디어는, 특정 휴지 기간 동안 공칭 전력 이하인 휴지 전력을 공급하도록 후속적으로 동작되는 한 특정의 오버로드 기간 동안 공칭 전력을 초과하는 오버로드 전력이 제공될 수 있도록, 전력 컨버터가 동작되는 것을 허용하는 것이다. 이 동작 스킴은, 전기 기구들이 그것에 접속된 전력 컨버터의 공칭 전력을 넘는 단-기간의 전력 소비를 갖더라도 전력 컨버터를 갖는 전기 기구들의 사용을 허용한다. 따라서, 예를 들어, 냉각 또는 안정시키기 위해 전체 시스템에 대해 후속의 휴지 기간이 존재한다는 조건 하에서, 전력 컨버터는 그 공칭 동작 포인트에 대해 부스트되도록 허용되고, 특정의 오버로드 기간 동안 오버로드 동작이 허용된다. 오버로드 전력 동작은 오버로드 전력 및 시간의 함수로서 오버로드가능성 허용의 프로파일을 뒤따르는 오버로드 기간 동안 설계될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 컨버터는 외부에서 제공된 정보에 응답하여 제어되고, 여기서 부하에 인가된 전력은, 외부에서 제공된 정보가 컨버터로 하여금 소정의 최대 오버로드 기간보다 오래 동안 및 최대 오버로드 기간 후에 오버로드 전력을 제공하게 하자마자 제한되고, 부하에 인가된 전력은 미리결정된 시간 특징에 따라 허용 가능한 전력을 오버로드 전력에서 공칭 전력으로 감소시키는 제한 값을 제공하는 제한 함수에 따라 제한될 수도 있다.

이 컨버터를 동작시키는 방법은 컨버터가, 이전에 알려져 있지 않은 임의의 오버로드 전력 컨디션에서 동작될 수 있다는 이점을 갖는다. 컨버터는 특히, 이전에 알려져 있지 않은 오버로드 전력 컨디션에 작용할 수 있다.

또한, 휴지 전력 및 휴지 주기는, 적어도 하나의 파라미터, 특히 컨버터의 온도가 오버로드 주기의 시작에서 그 초기 값으로 리턴하도록 설정될 수도 있다.

오버로드 전력 및 오버로드 기간은, 적어도 하나의 파라미터, 즉 컨버터의 온도가 오버로드 시간 동안 한계를 초과하지 않도록 설정된다는 것이 제공될 수도 있다.

또한, 휴지 기간은 오버로드 기간을 바로 뒤따를 수도 있다.

더욱이, 오버로드 기간 및 휴지 기간은 주기적으로 반복될 수도 있다.

최대 오버로드 기간은, 컨버터의 온도가 미리결정된 최대 온도 한계에 도달하는 주기일 수도 있다.

또한, 미리결정된 시간 특징은 오버로드 전력에서 공칭 전력까지 선형 또는 지수 (exponential) 슬로프를 정의할 수도 있다.

추가의 양태에 따르면, 부하에 전력을 공급하도록 컨버터를 동작시키기 위한 장치가 제공되고, 이 장치는:

- 오버로드 전력이 부하에 인가되도록, 제공된 오버로드 시간 동안 컨버터를 제어하며;

- 휴지 전력이 부하에 인가되도록, 제공된 휴지 시간 동안 컨버터를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하고,

오버로드 전력은 컨버터의 정상-상태 동작 한계에 대응하는 공칭 전력보다 높고, 휴지 전력은 이 공칭 전력보다 낮다.

다른 양태에 따르면, 부하를 포함하는 시스템, 부하에 전력을 공급하기 위한 컨버터, 및 상기 장치가 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시형태들은 첨부한 도면들과 관련하여 더 상세히 설명된다.
도 1 은 전기 에너지를 전기 기구에 공급하기 위한 전력 컨버터를 갖는 시스템을 나타낸다.
도 2 는 도 1 에 따른 시스템의 전력 컨버터의 전력 출력 및 전력 컨버터의 반도체 스위치의 결과적인 접합 온도를 예시하는 도면을 나타낸다.
도 3 은 도 1 에 따른 시스템의 전력 컨버터의 전력 출력, 전력 컨버터의 반도체 스위칭 디바이스의 결과적인 접합 온도 뿐만 아니라 전력 한계를 예시하는 도면을 나타낸다.

도 1 은 부하 (전기적으로 구동된 유닛)(2) 에 전기 에너지를 제공하기 위한 시스템 (1) 을 나타낸다. 부하 (2) 는 생산 설비의 일부이고, 도구 부품을 주기적으로 구동시키는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 부하 (2) 는 전력 드라이브 또는 유사한 부하일 수도 있다.

미리결정된 양의 전력을 부하 (2) 에 제공하도록 스위칭 디바이스들 (31) 이 포함되어 있는 전력 컨버터 (3) 에 의해 전기 에너지가 부하 (2) 에 제공된다. 스위칭 디바이스들 (31) 은 전력 반도체 디바이스들, 예컨대 전력 MOSFET들, 사이리스터들, IGBT들, IGCT들 등으로서 구성될 수도 있다. 스위칭 디바이스들은 드라이버 구성, 예컨대 전력 인버터, 하프-브리지 구성, 풀 (full) 브리지 구성 등으로 배열될 수도 있다.

스위칭 디바이스들의 열 감도로 인해, 전력 컨버터 (3) 는 그 상한이 그 안에 사용된 반도체 디바이스들의 최대 p-n 접합 온도에 의해 결정되는 제한된 온도 동작 범위를 갖는다. 최대 허용 가능한 접합 온도를 초과하는 것은 반도체 스위칭 디바이스의 동작성 및/또는 수명에 영향을 줄 수도 있기 때문에, 최대 허용 가능한 온도는 초과되지 않아야 한다.

따라서 전력 컨버터 (3) 에 있어서, 연속 동작으로 전력 컨버터 (3) 의 전력 출력을 나타내는 공칭 전력이 정의되고, 여기서 공칭 전력은, 반도체 디바이스들의 접합 온도가 통상의 미리정의된 환경 컨디션들 하에서 최대 허용 가능한 온도에 접근 또는 도달할 때 전력 컨버터 (3) 의 최대 전력 출력을 나타낸다.

부하 (2) 는 불연속적인 방식으로, 즉 주기적으로 또는 간헐적으로 전력 컨버터 (3) 의 공칭 전력 출력을 초과하는 전력을 소비하도록 구성될 수도 있다.

도 2 의 도면에 도시된 바와 같이, 전기 기구 (2) 는 특정의 오버로드 기간 동안 오버로드 전력을 소비하도록 허용된다. 오버로드 전력은, 오버로드 기간이, 부하에 의해 요청된 오버로드 전력의 양에 의존할 수도 있거나 고정적으로 설정될 수도 있는 미리결정된 지속기간으로 설정되는 동안 정상-상태 동작 한계를 정의하는 공칭 전력 위의 예를 들어, 40% 까지일 수 있다.

오버로드 전력이 부하 (2) 에 공급되는 동안의 오버로드 기간 후에, 전력 출력은 특정의 휴지 (resting) 기간 동안 공칭 전력보다 낮은 전력 레벨로 감소된다. 휴지 전력 및 휴지 기간은, 반도체 디바이스들이 최대 허용 가능한 온도보다 낮은 미리결정된 온도로 냉각될 수 있도록 적응될 수도 있다. 오버로드 전력 및 휴지 전력을 공급하는 주기적인 동작의 경우에서, 휴지 주기 및 휴지 전력은 휴지 주기의 종료 시에 접합 온도가 초기 온도에 도달하도록 적응되고, 다음의 (후속의) 오버로드 주기 동안 오버로드 전력을 공급할 때, 이 초기 온도로부터 온도가 증가할 수도 있다.

제어 신호들 (CS) 에 따라 전력 컨버터 (3) 를 제어하는 제어 유닛 (4) 이 제공된다. 제어 신호들 (CS) 은, 프로세스 제어 등에 의해 제공될 수도 있는, 외부에서 제공된 신호 (E) 를 따르는 미리정의된 스킴에 따라 생성된다. 외부에서 제공된 신호 (E) 는, 부하 (2) 가 실제로 동작되는 전력을 나타낸다.

또한, 전력 컨버터 (3) 또는 제어 유닛 (4) 각각으로부터 부하 (2) 에 공급되는 실제 전력의 양을 영구적으로, 규칙적으로 또는 순환적으로 수신하는 슈퍼바이저 유닛 (5) 에 제공된다. 주로, 슈퍼바이저 유닛 (5) 은, 오버로드 전력이 미리결정된 오버로드 주기 임계를 초과하는 오버로드 기간 동안 부하 (2) 에 인가되는 경우에서 컨버터 유닛 (3) 에 부응하여 명령함으로써 전력 제한을 적용한다. 이 제한은, 전력 컨버터 (3) 가 제한 값 (L) 에 따라 그 전력 출력을 제한하도록 전력 컨버터 (3) 에 제한 값 (L) 을 제공함으로써 수행된다.

도 3 의 도면에 도시된 바와 같이, 오버로드 전력이 도 3 의 도면에서 커브 K1 (요구된 전력) 으로 표시된 바와 같은, 미리결정된 최대 오버로드 기간 (TP) 보다 오래 동안 요구되면 제한은 그 효과를 나타낼 것이다. 최대 오버로드 기간 (TP) 은, 오버로드 전력이 인가되는 오버로드 기간의 시작에서 초기 온도로부터 시작할 때 접합 온도가 온도 한계에 도달하는 주기에 의해 정의된다.

이 제한은, 최대 오버로드 기간 (TP) 후에 오버로드 전력으로부터 공칭 전력으로의 램프 다운을 제공할 수도 있는 제한 커브 K2 (제한 함수) 에 따라 이루어져서, 접합 온도는 온도 한계에서 유지될 수도 있고, 더 이상 증가하지 않는다. 오버로드 전력을 공칭 전력에 제공하는 사이의 트랜지션은 선형 슬로프로서 또는 공칭 전력으로 다시 부하 (2) 의 전력 공급을 제한하기 위한 지수 특징으로 성형될 수 있다. 오버로드 전력에서 공칭 전력으로의 레벨 다운하는 슬로프의 기울기는 부착된 부하 (2) 의 종류, 오버로드 전력의 양, 오버로드 주기의 지속기간 등에 의존할 수도 있다. 기본적으로, 연결 라인들에서의 반향들, 전자기 간섭들 등과 같은 원하지 않는 효과들로 인한, 부하 (2) 에 인가된 전력의 계단식 (급격한) 감소는 방지되어야 한다.

전력 제한은 전력 컨버터 (3) 의 출력 전류를 제한함으로써, 전력 컨버터 (3) 의 출력 전압을 제한함으로써, 전력 컨버터 (3) 의 스위칭 주파수를 제한함으로써 (또는 감소시킴으로써) 수행될 수 있다.

참조부호 리스트

1 시스템

2 부하

3 전력 컨버터

4 제어 유닛

5 슈퍼바이저 유닛

31 반도체 디바이스

Claims (7)

1. 부하 (2) 에 전력을 공급하도록 컨버터 (3) 를 동작시키는 방법으로서,
   오버로드 전력이 상기 부하 (2) 에 인가되도록, 상기 컨버터 (3) 를 제공된 오버로드 기간 동안 제어하는 단계; 및
   상기 부하 (2) 에 휴지 전력이 인가되도록, 상기 컨버터 (3) 를 제공된 휴지 기간 동안 제어하는 단계를 포함하고,
   상기 오버로드 전력은 상기 컨버터 (3) 의 정상-상태 동작 한계에 대응하는 공칭 전력보다 높고, 상기 휴지 전력은 상기 공칭 전력보다 낮고,
   상기 컨버터 (3) 는 외부적으로 제공된 정보에 응답하여 제어되고, 상기 부하 (2) 에 인가된 전력은, 상기 외부적으로 제공된 정보가 상기 컨버터 (3) 로 하여금 소정의 최대 오버로드 기간보다 오래 동안 오버로드 전력을 제공하게 하자마자 제한되고,
   상기 최대 오버로드 기간 후에, 상기 부하 (2) 에 인가되는 전력은, 미리결정된 시간 특징에 따라 허용가능 전력을 상기 오버로드 전력에서 상기 공칭 전력으로 감소시키는 제한 값을 제공하는 제한 함수에 따라 제한되는, 컨버터를 동작시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 휴지 전력 및 휴지 기간은, 상기 컨버터 (3) 의 온도가 상기 오버로드 기간의 시작 시에 초기 값으로 리턴하도록 설정되는, 컨버터를 동작시키는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 오버로드 전력 및 오버로드 기간은, 상기 컨버터의 온도가 오버로드 기간 동안 한계를 초과하지 않도록 설정되는, 컨버터를 동작시키는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 휴지 기간은 상기 오버로드 기간을 바로 뒤따르는, 컨버터를 동작시키는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 오버로드 기간 및 상기 휴지 기간은 주기적으로 반복되는, 컨버터를 동작시키는 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 최대 오버로드 기간은, 상기 컨버터 (3) 에서의 온도가 미리결정된 최대 온도 한계에 도달하는 주기인, 컨버터를 동작시키는 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 미리결정된 시간 특징은 상기 오버로드 전력에서부터 상기 공칭 전력까지 선형 또는 지수 (exponential) 슬로프를 정의하는, 컨버터를 동작시키는 방법.
   

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