KR101786599B1 - 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법 - Google Patents

전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 제1 메인스위치와 제2 메인스위치, 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치의 연결 노드에 접속되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서를 포함하는 컨버터 유닛; 상기 컨버터 유닛 및 상기 고전압 전원 간의 연결을 단속하는 제1 백투백스위치, 및 상기 컨버터 유닛 및 상기 저전압 전원 간의 연결을 단속하는 제2 백투백스위치; 및 상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치, 및 상기 제2 백투백스위치 중 하나 이상의 스위치의 고장 여부를 판단하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 고전압 전원 및 상기 저전압 전원 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록 상기 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키고, 상기 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 상기 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법{APPARATUS FOR DETERMINING SWITCH ERROR IN POWER CONVERTING SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양방향 전력 변환 시스템에 포함된 스위치의 고장 여부를 판단하는 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법에 관한 것이다.
차량의 전력시스템은 차량 내의 전자 부품, 안전 부품 또는 각종 액세서리를 가동하기 위한 전력을 공급하는 시스템으로서, 일반적으로 직류전압을 공급하여 차량 내의 전자 부품들을 가동한다. 종래에는 차량의 전력시스템으로 12V 전력시스템이 사용되었으나, 최근에는 에너지 용량을 증가시키고, 고출력의 전자 부품을 사용하여 전력 효율성을 향상시키기 위해 48V 전력시스템이 보급되고 있다.
다만, 48V 전력시스템을 적용하는 경우, 종래의 12V 전압으로 가동되던 차량의 모든 전자 부품을 48V 용으로 교체해야 하는 문제점이 존재하여, 12V 및 48V의 전압을 함께 공급할 수 있는 12V-48V 전력 변환 시스템이 개발되었으며, 이에 따라 소모전력이 적은 부품은 기존과 같이 12V 전압으로 가동시키고, 전동식 조향장치 또는 공조시스템과 같이 소모전력이 큰 부품은 48V 전압으로 가동시킴에 따라 전력을 효율적으로 활용할 수 있게 되었다. 12V-48V 전력 변환 시스템으로는 통상적으로 양방향 DC-DC 컨버터가 사용되며, 양방향 DC-DC 컨버터는 고용량을 수용하고 전력 변환의 빠른 응답성을 확보하며, 전류를 분담하여 효율성을 향상시키기 위해 멀티페이즈 구조로 사용되고 있다.
한편, 양방향 DC-DC 컨버터가 멀티페이즈 구조로 개발됨에 따라 전력 변환 시스템에 포함되는 스위치의 개수가 증가하게 되어 스위치의 고장이 발생할 확률이 증가하게 된다. 일반적으로 DC-DC 컨버터에서 스위치 고장이 발생하면 해당 스위치는 단락 상태가 된다. 고장 스위치가 단락된 상태에서 또 다른 스위치가 턴 온되는 경우, DC-DC 컨버터는 전원과 폐루프를 형성하여 단락 전류가 발생할 가능성이 있으며, 단락 전류가 지속적으로 폐루프를 흐르게 되는 경우 컨버터가 소손되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 단락 전류에 의해 발생한 전류 및 전압은 순간적으로 크게 변하기 때문에, 스위치 고장을 판단하기 위해서는 전류 및 전압에 대하여 정밀한 검출이 가능한 고가의 센서를 필요로 하는 문제점이 존재하며, 또한 멀티페이즈로 구현되는 DC-DC 컨버터에 포함된 다수의 스위치에 대하여 고장 판단을 하기 위해서 복잡한 알고리즘을 필요로 하는 문제점이 존재한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 양방향 멀티페이즈 컨버터가 동작하기 전에 스위치의 고장을 체크함으로써 컨버터 동작의 안정성을 향상시키고, 스위치 고장 판단을 위한 고가의 센서 또는 복잡한 알고리즘을 제거하여 스위치 고장 판단의 용이성을 향상시키기 위한 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치는, 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 제1 메인스위치와 제2 메인스위치, 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치의 연결 노드에 접속되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서를 포함하는 컨버터 유닛; 상기 컨버터 유닛 및 상기 고전압 전원 간의 연결을 단속하는 제1 백투백스위치, 및 상기 컨버터 유닛 및 상기 저전압 전원 간의 연결을 단속하는 제2 백투백스위치; 및 상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치, 및 상기 제2 백투백스위치 중 하나 이상의 스위치의 고장 여부를 판단하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 고전압 전원 및 상기 저전압 전원 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록 상기 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키고, 상기 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 상기 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키기 이전에, 상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치, 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 오프시켜 초기화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 턴 온시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 백투백스위치이고, 상기 제어부는 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 온시키고, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 백투백스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 메인스위치이고, 상기 제어부는 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 온시키고, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 메인스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제2 메인스위치이고, 상기 제어부는 상기 제2 백투백스위치를 턴 온시키고, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제2 메인스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제2 백투백스위치이고, 상기 제어부는 상기 제2 메인스위치를 턴 온시키고, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제2 백투백스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 컨버터 유닛에 인가되는 상기 고전압 전원을 센싱하는 전압센서를 더 포함하고, 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제1 메인스위치이고, 상기 제어부는 상기 제2 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 온시키고, 상기 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제1 메인스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 메인스위치이고, 상기 제어부는 상기 제1 메인스위치를 턴 온시키고, 상기 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 메스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치이고, 상기 제어부는 상기 제1 메인스위치를 턴 온시키고, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치이고, 상기 제어부는 상기 제1 백투백스위치를 턴 온시키고, 상기 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 고장 판단 대상 스위치는 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치이고, 상기 제어부는, 상기 제1 백투백스위치를 턴 온시키고, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 컨버터 유닛이 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단하되, 상기 멀티페이즈 컨버터를 구성하는 각 컨버터 유닛에 포함된 스위치의 고장 여부를 상기 각 컨버터 유닛별로 순차적으로 판단하여 상기 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 방법은, 제어부가, 상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 오프시켜 초기화하는 단계; 상기 제어부가, 고전압 전원 및 저전압 전원 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록 상기 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 상기 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단을 위한 고가의 센서 또는 복잡한 알고리즘을 제거하여 원가를 절감하고 전력 변환 시스템을 단순화시킬 수 있으며, 고장 스위치에 대한 신속한 교체 및 보수를 가능하게 함으로써 전력 변환 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치에서 스위치 고장으로 인해 형성되는 폐루프를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치에서 양방향 멀티페이즈 DC-DC 컨버터로 구현된 전력 변환 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치를 설명하기 위한 회로도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치에서 스위치 고장으로 인해 형성되는 폐루프를 설명하기 위한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치에서 양방향 멀티페이즈 DC-DC 컨버터로 구현된 전력 변환 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치는 고전압 전원(HV), 저전압 전원(LV), 컨버터 유닛(CU), 전압센서(VSEN), 제1 백투백스위치(HVFET), 제2 백투백스위치(LVFET), 및 제어부(ECU)를 포함할 수 있고, 컨버터 유닛(CU)은 제1 메인스위치(HSFET), 제2 메인스위치(LSFET), 인덕터(L) 및 전류센서(ISEN)를 포함할 수 있다.
고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV)은 차량 내의 각 전자 부품에 각각 고전압 및 저전압을 공급할 수 있으며, 상호 간의 전력 변환을 위해 후술할 컨버터 유닛(CU) 또는 멀티페이즈 컨버터에 전기적으로 연결될 수 있다. 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV)은 통상적인 전력 변환 시스템에 따라 각각 48V 전원 및 12V 전원으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV)은 리튬 배터리, 납축전지, 슈퍼 캐패시터 또는 울트라 캐패시터가 단독 또는 조합되어 구성될 수 있으나 상기한 대상에 한정되지 않고 차량의 전자 부품에 전원을 공급할 수 있는 모든 구성을 포함할 수 있다.
컨버터 유닛(CU)은, 도 1에 도시된 것과 같이 일단이 고전압 전원(HV)에, 타단이 저전압 전원(LV)에 전기적으로 연결되어 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 양방향 전력 변환을 수행할 수 있다. 컨버터 유닛(CU)은 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 제1 메인스위치(HSFET)와 제2 메인스위치(LSFET), 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)의 연결 단자에 접속되는 인덕터(L), 및 인덕터(L)에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서(ISEN)를 포함할 수 있다.
제1 메인스위치(HSFET), 제2 메인스위치(LSFET) 및 인덕터(L)의 역할을 컨버터 유닛(CU)의 동작으로서 설명한다. 컨버터 유닛(CU)에서 인덕터(L)에 에너지가 저장되는 모드에서 제1 메인스위치(HSFET)는 턴 온, 제2 메인스위치(LSFET)는 턴 오프되도록 제어부(ECU)에 의해 제어되며, 인덕터(L)에서 에너지가 방전되는 모드에서 제1 메인스위치(HSFET)는 턴 오프, 제2 메인스위치(LSFET)는 턴 온되도록 제어부(ECU)에 의해 제어된다. 컨버터 유닛(CU)은 제어부(ECU)에 의해 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)가 상보적으로 동작되어 인덕터(L)에 에너지가 저장되고 방전되는 과정을 반복 수행함으로써 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 전력 변환을 수행할 수 있다. 한편, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)는 FET(Field Effect Transitor)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 스위치가 채용될 수 있다.
또한 후술할 멀티페이즈 컨버터는 복수의 컨버터 유닛(CU)이 병렬 접속된 구조로서, 각 컨버터 유닛(CU)은 멀티페이즈 컨버터에서 순차적으로 전력 변환을 수행하는 하나의 페이즈를 구성한다.
전류센서(ISEN)는 인덕터(L)에 흐르는 전류를 센싱하여 제어부(ECU)에 전달할 수 있다. 또한 전류센서(ISEN)는 후술할 것과 같이 고장 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류를 센싱하여 제어부(ECU)에 전달할 수 있다. 이에 따라 제어부(ECU)는 돌입전류 발생 여부를 판단하여 해당 스위치의 고장을 판단할 수 있는데, 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
전압센서(VSEN)는 컨버터 유닛(CU)에 인가되는 고전압 전원(HV)을 센싱하여 제어부(ECU)에 전달할 수 있다. 또한 전압센서(VSEN)는 후술할 것과 같이 고장 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 돌입전류가 발생한 경우, 돌입전류에 의해 발생하는 전압을 센싱하여 제어부(ECU)로 전달할 수 있다. 이에 따라 제어부(ECU)는 돌입전류에 의해 발생하는 전압을 센싱하여 해당 스위치의 고장을 판단할 수 있는데, 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)는 컨버터 유닛(CU)과, 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV) 간의 전기적 연결을 각각 단속(즉, 전기적으로 연결하거나 차단)할 수 있다. 이에 따라 전력 변환 시스템을 구성하는 양방향 멀티페이즈 컨버터는, 각 페이즈를 구성하는 컨버터 유닛(CU)을 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 통해 순차적으로 구동시켜 전력 소모를 저감시킬 수 있다. 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)는 FET(Field Effect Transitor)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 스위치가 채용될 수도 있다.
한편, 양방향 멀티페이즈 컨버터로 구성된 전력 변환 시스템에 있어서, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)는 각 페이즈 별로 하나씩 구비될 수도 있고(즉, 컨버터 유닛(CU) 각각이 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 포함할 수도 있고) 두 개의 페이즈 당 하나씩 구비될 수도 있으며, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)의 개수를 달리하여 구비될 수도 있다. 도 3은 두 개의 페이즈 당 하나씩 구비된 제1 백투백스위치(HVFET), 및 각 페이즈 별로 구비된 제2 백투백스위치(LVFET)를 포함하는 전력 변환 시스템을 예시로서 도시한 것이다.
본 실시예에서는, 도 3에 도시된 것과 같이 제1 백투백스위치(HVFET)는 두 개의 페이즈 당 하나씩 구비되고, 제2 백투백스위치(LVFET)는 각 페이즈 별로 구비된 전력 변환 시스템에서 스위치의 고장을 판단하는 과정을 설명하기로 한다.
제어부(ECU)는 전술한 것과 같이 전력 변환 시스템에 포함된 제1 메인스위치(HSFET), 제2 메인스위치(LSFET), 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)의 턴 온/턴 오프를 각각 제어함으로써, 전력 변환 시스템으로 하여금 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 양방향 전력 변환을 수행할 수 있도록 할 수 있다. 본 실시예에서는 고전압 전원(HV)과 저전압 전원(LV) 간의 양방향 전력 변환 동작 이전에 스위치의 고장 판단을 수행하는 것에 그 특징이 있으므로, 이하 스위치의 고장 판단을 수행하는 제어부(ECU)의 동작을 도 1 내지 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
제어부(ECU)는 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV) 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키고, 상기 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단할 수 있다.
즉, 고장 스위치는 스위치 양단을 단락시키게 되므로, 제어부(ECU)는 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시킴으로써 전원-고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프를 형성한 후, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되거나 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 전압센서(VSEN)에 의해 센싱되면, 고장 스위치의 단락으로 인하여 폐루프가 형성된 것으로 판단할 수 있으므로, 제어부(ECU)는 고장 판단 대상 스위치가 고장인 것으로 판단할 수 있다.
제어부(ECU)는 스위치의 고장 여부를 판단하기에 앞서, 제1 메인스위치(HSFET), 제2 메인스위치(LSFET), 제1 백투백스위치(HVFET), 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 오프시켜 초기화한 후 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단할 수 있다. 즉, 후술할 것과 같이 제어부(ECU)는 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시켜 폐루프가 형성되는지를 판단하기 때문에, 모든 스위치를 턴 오프시켜 초기화한 후, 폐루프 형성에 필요한 해당 스위치만 턴 온시킴으로써 폐루프 형성에 따른 돌입전류 발생 여부를 명확히 판단하여 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단할 수 있다.
하기 표 1은 고장 판단 대상 스위치(고장), 폐루프 형성에 필요한 턴 온 스위치(PWM-후술), 턴 온 스위치에 따라 형성되는 폐루프 및 스위치 고장 여부를 판단하기 위한 측정센서를 나타낸 것이다. 단상 컨버터 유닛(CU)으로 구성된 전력 변환 시스템을 고려할 때, 스위치는 총 4개이므로 고장 판단의 경우의 수는 총 15가지가 되며(모든 스위치 정상 상태인 경우는 제외), 이하에서는 제어부(ECU)가 스위치의 고장을 판단하는 과정을 하기 표 1의 항목별로 구체적으로 설명하기로 한다.

항목 		제1 백투백스위치
( HVFET ) 		제1 메인
스위치
( HSFET ) 		제2 메인
스위치
( LSFET ) 		제2 백투백스위치
( LVFET )
폐루프
측정센서
1 고장 PWM OFF PWM ① ISEN, VSEN
2 PWM 고장 OFF PWM ① ISEN, VSEN
3 OFF OFF 고장 PWM ② ISEN
4 OFF OFF PWM 고장 ② ISEN
5 고장 고장 PWM PWM ③ VSEN
6 고장 PWM 고장 OFF ③ VSEN
7 고장 PWM OFF 고장 ① ISEN, VSEN
8 PWM 고장 고장 OFF ③ VSEN
9 PWM 고장 OFF 고장 ① ISEN, VSEN
10 OFF OFF 고장 고장 ② ISEN
11 고장 고장 고장 OFF ③ VSEN
12 고장 OFF 고장 고장 ② ISEN
13 OFF 고장 고장 고장 ② ISEN
14 고장 고장 OFF 고장 ① ISEN, VSEN
15 고장 고장 고장 고장 ①②③ ISEN, VSEN
1. 고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치(HVFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시키고, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되면 제1 백투백스위치(HVFET)의 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 백투백스위치(HVFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 메인스위치(LSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시키면 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)를 통해 돌입전류를 센싱하여 제1 백투백스위치(HVFET)의 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 백투백스위치(HVFET)가 고장이 아닐 경우, 제1 백투백스위치(HVFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)에서 돌입전류가 센싱되지 않기 때문에 제1 백투백스위치(HVFET)는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
제어부(ECU)가 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시킬때, PWM 제어를 통해 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시킬 수 있다. 즉, 제어부(ECU)가 High-Level 유지되는 제어신호를 통해 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 턴 온시키는 경우, 폐루프에 따른 지속적인 돌입전류에 따라 스위치를 비롯한 컨버터 소자의 소손 가능성이 있으므로, High-Level(턴 온) 및 Low-Level(턴 오프)이 스위칭되는 PWM 펄스 신호를 통해 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시킴으로써 지속적인 돌입전류에 따른 컨버터 소자의 소손을 방지할 수 있다. PWM 제어하여 스위치를 턴 온시키는 상기한 과정은 이하에서 설명하는, 제어부(ECU)가 스위치를 턴 온시키는 동작에 동일하게 적용될 수 있다.
2. 고장 판단 대상 스위치가 제1 메인스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 메인스위치(HSFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시키고, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되면 제1 메인스위치(HSFET)의 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 메인스위치(HSFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 메인스위치(LSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 각각 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시키면 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)를 통해 돌입전류를 센싱하여 제1 메인스위치(HSFET)의 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 메인스위치(HSFET)가 고장이 아닐 경우, 제1 메인스위치(HSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)에서 돌입전류가 센싱되지 않기 때문에 제1 메인스위치(HSFET)는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
3. 고장 판단 대상 스위치가 제2 메인스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제2 메인스위치(LSFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제2 백투백스위치(LVFET)를 턴 온시키고, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되면 제2 메인스위치(LSFET)의 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제2 메인스위치(LSFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 각각 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제2 백투백스위치(LVFET)를 턴 온시키면 도 2의 ②와 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)를 통해 돌입전류를 센싱하여 제2 메인스위치(LSFET)의 고장을 판단할 수 있다.
만약 제2 메인스위치(LSFET)가 고장이 아닐 경우, 제2 메인스위치(LSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ②와 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)에서 돌입전류가 센싱되지 않기 때문에 제2 메인스위치(LSFET)는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
4. 고장 판단 대상 스위치가 제2 백투백스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제2 백투백스위치(LVFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제2 메인스위치(LSFET)를 턴 온시키고, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되면 제2 백투백스위치(LVFET)의 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제2 백투백스위치(LVFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 각각 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제2 메인스위치(LSFET)를 턴 온시키면 도 2의 ②와 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)를 통해 돌입전류를 센싱하여 제2 백투백스위치(LVFET)의 고장을 판단할 수 있다.
만약 제2 백투백스위치(LVFET)가 고장이 아닐 경우, 제2 백투백스위치(LVFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ②와 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)에서 돌입전류가 센싱되지 않기 때문에 제2 백투백스위치(LVFET)는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
5. 고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치 및 제1 메인스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제2 메인스위치(LSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시키고, 전압센서(VSEN)에 의해 전압이 센싱되면 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET)의 동시 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 메인스위치(HSFET)를 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 온시키면 도 2의 ③과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전압센서(VSEN)를 통해 폐루프 ③을 흐르는 돌입전류에 의해 발생한 전압을 센싱하여 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET)의 동시 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET) 중 어느 하나라도 고장이 아닐 경우, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET) 중 고장이 아닌 스위치는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ③과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 돌입전류에 의해 전압이 발생하지 않아 전압센서(VSEN)에서 전압이 센싱되지 않기 때문에 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제1 메인스위치(HSFET) 중 어느 하나는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
6. 고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치 및 제2 메인스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제1 메인스위치(HSFET)를 턴 온시키고, 전압센서(VSEN)에 의해 전압이 센싱되면 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)의 동시 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 백투백스위치(LVFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제1 메인스위치(HSFET)를 턴 온시키면 도 2의 ③과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전압센서(VSEN)를 통해 폐루프 ③을 흐르는 돌입전류에 의해 발생한 전압을 센싱하여 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)의 동시 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET) 중 어느 하나라도 고장이 아닐 경우, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET) 중 고장이 아닌 스위치는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ③과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 돌입전류에 의해 전압이 발생하지 않아 전압센서(VSEN)에서 전압이 센싱되지 않기 때문에 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET) 중 어느 하나는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
7. 고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치 및 제2 백투백스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제1 메인스위치(HSFET)를 턴 온시키고, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되면 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)의 동시 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 메인스위치(LSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제1 메인스위치(HSFET)를 턴 온시키면 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)를 통해 돌입전류를 센싱하여 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)의 동시 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET) 중 어느 하나라도 고장이 아닐 경우, 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET) 중 고장이 아닌 스위치는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)에서 돌입전류가 센싱되지 않기 때문에 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET) 중 어느 하나는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
8. 고장 판단 대상 스위치가 제1 메인스위치 및 제2 메인스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제1 백투백스위치(HVFET)를 턴 온시키고, 전압센서(VSEN)에 의해 전압이 센싱되면 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)의 동시 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 백투백스위치(LVFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제1 백투백스위치(HVFET)를 턴 온시키면 도 2의 ③과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전압센서(VSEN)를 통해 폐루프 ③을 흐르는 돌입전류에 의해 발생한 전압을 센싱하여 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)의 동시 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET) 중 어느 하나라도 고장이 아닐 경우, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET) 중 고장이 아닌 스위치는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ③과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 돌입전류에 의해 전압이 발생하지 않아 전압센서(VSEN)에서 전압이 센싱되지 않기 때문에 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 메인스위치(LSFET) 중 어느 하나는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
9. 고장 판단 대상 스위치가 제1 메인스위치 및 제2 백투백스위치인 경우
고장 판단 대상 스위치가 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)인 경우, 제어부(ECU)는 제1 백투백스위치(HVFET)를 턴 온시키고, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되면 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)의 동시 고장으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)가 고장으로 단락 상태인 경우, 제2 메인스위치(LSFET)는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에, 제1 백투백스위치(HVFET)를 턴 온시키면 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성된다. 이에 따라 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)를 통해 돌입전류를 센싱하여 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)의 동시 고장을 판단할 수 있다.
만약 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET) 중 어느 하나라도 고장이 아닐 경우, 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET) 중 고장이 아닌 스위치는 전술한 초기화 동작에 따라 턴 오프 상태로 유지되고 있기 때문에 도 2의 ①과 같은 폐루프가 형성되지 않는다. 따라서 제어부(ECU)는 전류센서(ISEN)에서 돌입전류가 센싱되지 않기 때문에 제1 메인스위치(HSFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET) 중 어느 하나는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
전술한 1번 내지 4번 항목, 7번 및 9번 항목에서 형성되는 폐루프 ① 또는 ②를 흐르는 돌입전류는 인덕터(L)를 경유한다. 일반적으로 회로 단자가 단락되어 발생하는 돌입전류는 순간적으로 크게 변하기 때문에, 순간적으로 변하는 전류를 검출하기 위해서는 고가의 전류센서(ISEN)를 필요로 하는 문제점이 존재한다. 그러나 본 실시예에서, 폐루프 ① 또는 ②를 흐르는 전류는 인덕터(L)를 경유하므로, 전류의 순간적인 변화를 억제할 수 있다.(vL = L·di/dt, vL: 인덕터 양단의 전압, L: 인덕턴스, i: 인덕터에 흐르는 전류) 이에 따라 기존의 전력 변환 시스템에 구비된 전류센서(ISEN)만으로 스위치의 고장을 안정적으로 판단할 수 있다.
그러나 전술한 5번, 6번 및 8번 항목에서 형성되는 폐루프 ③을 흐르는 돌입전류는 인덕터(L)를 경유하지 않는다. 이 경우, 고전압 전원(HV)이 즉시 컨버터 유닛(CU)에 연결되어 컨버터 유닛(CU)이 소손될 위험이 있으므로, 고전압 전원(HV)에 병렬로 연결되는 평활 콘덴서(평활 캐패시터, 미도시)를 구비함이 바람직하며, 평활 콘덴서 용량은 컨버터의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
한편 전술한 1번 항목 내지 9번 항목에서는, 스위치가 고장인 것으로 판단된 경우, 제어부(ECU)는 고장이 아닌 스위치를 제어하여 돌입전류의 지속적인 흐름으로 인한 컨버터 소자의 소손을 방지할 수 있다. 1번 항목을 예로 들면, 전류센서(ISEN)에 의해 돌입전류가 센싱되어 제1 백투백스위치(HVFET)의 고장으로 판단된 경우, 제어부(ECU)는 제2 백투백스위치(LVFET) 또는 제1 메인스위치(HSFET)를 턴 오프시켜(또는 PWM 제어하여) 폐루프 ①을 개루프로 변경하여 돌입전류를 제거함으로써 컨버터 소자의 소손을 방지할 수 있다.
그러나, 10번 항목 내지 15번 항목과 같은 경우, 돌입전류를 스위치 제어를 통해 제거할 수 없는 문제점이 존재한다. 10번 항목을 예로 들면, 제2 백투백스위치(LVFET) 및 제2 메인스위치(LSFET)가 고장으로 단락 상태가 되므로 도 2의 폐루프 ②를 흐르는 돌입전류가 발생한다. 이때, 폐루프 ②를 개루프로 변경시키기 위해 제어할 수 있는 스위치가 존재하지 않으므로 돌입전류가 지속적으로 흐르게 되고, 최종적으로 큰 돌입전류가 발생하게 되어 컨버터 소자의 소손을 발생시킬 수 있다. 이러한 경우, 제어부(ECU)는 소정 시간 동안 지속적으로 돌입전류가 센싱되면 10번 내지 15번과 같은 유형의 스위치 고장이 발생한 것으로 판단하고, 클러스터 유닛과 같은 별도의 인터페이스를 통해 사용자에게 컨버터 내지 전력 변환 시스템의 보수가 필요함을 알릴 수 있다.
이상에서는 단상 컨버터 유닛(CU)으로 구성된 전력 변환 시스템에서 스위치의 고장 여부를 판단하는 과정을 설명하였다. 전술한 방법은 도 3에 도시된 멀티페이즈 컨버터로 구성된 전력 변환 시스템에서 스위치의 고장 여부를 판단하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다. 즉, 제어부(ECU)는 컨버터 유닛(CU)이 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단할 수 있다. 자세히는, 멀티페이즈 컨버터를 구성하는 각 컨버터 유닛(CU)에 포함된 스위치의 고장 여부를 각 컨버터 유닛(CU)별로 전술한 방법을 적용함으로써 순차적으로 판단하여 멀티페이즈 컨버터로 구성된 전력 변환 시스템의 모든 스위치에 대하여 고장 여부를 판단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 방법을 설명하면, 먼저 제어부(ECU)는 제1 메인스위치(HSFET), 제2 메인스위치(LSFET), 제1 백투백스위치(HVFET) 및 제2 백투백스위치(LVFET)를 각각 턴 오프시켜 초기화한다(S10).
이어서, 제어부(ECU)는 고전압 전원(HV) 및 저전압 전원(LV) 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록, 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시킨다(S20).
이때, 제어부(ECU)는 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 PWM 제어하여 턴 온시킬 수 있다.
이어서, 제어부(ECU)는 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단한다(S30). 제어부(ECU)가 고장 판단 대상 스위치별로 스위치의 고장을 판단하는 과정은 전술한 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 제어부(ECU)는 컨버터 유닛(CU)이 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단한다(S40). 이때, 제어부(ECU)는 멀티페이즈 컨버터를 구성하는 각 컨버터 유닛(CU)에 포함된 스위치의 고장 여부를 상기 각 컨버터 유닛(CU)별로 순차적으로 판단하여 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단한다.
이와 같이 본 실시예는, 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단을 위한 고가의 센서 또는 복잡한 알고리즘을 이용하지 않고 기존의 전력 변환 시스템에 존재하는 스위치 및 제어로직만을 이용하여 스위치의 고장 여부를 판단함으로써 원가를 절감하고 전력 변환 시스템을 단순화시킬 수 있으며, 고장 스위치에 대한 신속한 교체 및 보수를 가능하게 하여 전력 변환 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
HV: 고전압 전원
LV: 저전압 전원
HVFET: 제1 백투백스위치
LVFET: 제2 백투백스위치
HSFET: 제1 메인스위치
LSFET: 제2 메인스위치
ISEN: 전류센서
VSEN: 전압센서
L: 인덕터
CU: 컨버터 유닛
ECU: 제어부

Claims (4)

  1. 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 제1 메인스위치와 제2 메인스위치, 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치의 연결 노드에 접속되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서를 포함하는 컨버터 유닛;
    상기 컨버터 유닛에 인가되는 상기 고전압 전원을 센싱하는 전압센서;
    상기 컨버터 유닛 및 상기 고전압 전원 간의 연결을 단속하는 제1 백투백스위치, 및 상기 컨버터 유닛 및 상기 저전압 전원 간의 연결을 단속하는 제2 백투백스위치; 및
    상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치, 및 상기 제2 백투백스위치 중 하나 이상의 스위치의 고장 여부를 판단하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 고전압 전원 및 상기 저전압 전원 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록 상기 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키고, 상기 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 상기 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단하고,
    상기 제어부는,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치로서 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 백투백스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제1 메인스위치 또는 상기 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 메인스위치로서 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 메인스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제1 백투백스위치 또는 상기 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제2 메인스위치로서 상기 제2 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제2 메인스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제2 백투백스위치로서 상기 제2 메인스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제2 백투백스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제2 메인스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제1 메인스위치로서 상기 제2 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제1 메인스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제2 메인스위치 및 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 메인스위치로서 상기 제1 메인스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 메인스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제1 메인스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치로서 상기 제1 메인스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제1 메인스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치로서 상기 제1 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제1 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치로서 상기 제1 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키는 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치의 고장으로 판단한 후, 상기 제1 백투백스위치를 턴 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키기 이전에, 상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치, 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 오프시켜 초기화하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 컨버터 유닛이 복수 개 병렬 접속된 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단하되,
    상기 멀티페이즈 컨버터를 구성하는 각 컨버터 유닛에 포함된 스위치의 고장 여부를 상기 각 컨버터 유닛별로 순차적으로 판단하여 상기 멀티페이즈 컨버터에 포함된 각 스위치의 고장 여부를 더 판단하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 장치.
  4. 차량에 공급되는 고전압 전원 및 저전압 전원 간의 양방향 전력 변환을 위해 상보적으로 동작하는 제1 메인스위치와 제2 메인스위치, 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치의 연결 노드에 접속되는 인덕터, 및 상기 인덕터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서를 포함하는 컨버터 유닛;
    상기 컨버터 유닛에 인가되는 상기 고전압 전원을 센싱하는 전압센서;
    상기 컨버터 유닛 및 상기 고전압 전원 간의 연결을 단속하는 제1 백투백스위치; 및 상기 컨버터 유닛 및 상기 저전압 전원 간의 연결을 단속하는 제2 백투백스위치;를 포함하는 전력 변환 시스템에 포함된 스위치의 고장 여부를 판단하는 방법으로서,
    제어부가, 상기 제1 메인스위치, 상기 제2 메인스위치, 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 각각 턴 오프시켜 초기화하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 고전압 전원 및 상기 저전압 전원 중 하나 이상의 전원과 고장 판단 대상 스위치를 연결하는 루프가 형성되도록 상기 고장 판단 대상 스위치 이외의 스위치 중 하나 이상을 턴 온시키는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 턴 온되는 스위치로 인해 폐루프가 형성되어 발생하는 돌입전류에 기초하여 상기 고장 판단 대상 스위치의 고장 여부를 판단하는 단계;를 포함하되,
    상기 턴 온시키는 단계에서, 상기 제어부는,
    (a)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치인 경우에는 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 턴 온시키고,
    (b)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 메인스위치인 경우에는 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (c)고장 판단 대상 스위치가 상기 제2 메인스위치인 경우에는 상기 제2 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (d)고장 판단 대상 스위치가 상기 제2 백투백스위치인 경우에는 상기 제2 메인스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (e)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제1 메인스위치인 경우에는 상기 제2 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (f)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 메인스위치인 경우에는 상기 제1 메인스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (g)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 백투백스위치 및 상기 제2 백투백스위치인 경우에는 상기 제1 메인스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (h)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 메인스위치인 경우에는 상기 제1 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    (i)고장 판단 대상 스위치가 상기 제1 메인스위치 및 상기 제2 백투백스위치인 경우에는 상기 제1 백투백스위치를 PWM 제어하여 턴 온시키고,
    상기 판단하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 턴 온시키는 단계의 (a) 내지 (d), (g) 및 (i)의 경우, 상기 전류센서에 의해 돌입전류가 센싱되면 (a) 내지 (d), (g) 및 (i)의 각 경우의 해당 고장 판단 대상 스위치가 고장인 것으로 판단하고,
    상기 턴 온시키는 단계의 (e), (f) 및 (h)의 경우, 돌입전류에 의해 발생하는 전압이 상기 전압센서에 의해 센싱되면 (e), (f) 및 (h)의 각 경우의 해당 고장 판단 대상 스위치가 고장인 것으로 판단하고,
    상기 판단하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 턴 온시키는 단계의 (a) 내지 (i)의 각 경우의 해당 고장 판단 대상 스위치가 고장인 것으로 판단한 후,
    (a)의 경우, 상기 제1 메인스위치 또는 상기 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    (b)의 경우, 상기 제1 백투백스위치 또는 상기 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    (c)의 경우, 상기 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    (d)의 경우, 상기 제2 메인스위치를 턴 오프시키고,
    (e)의 경우, 상기 제2 메인스위치 및 제2 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    (f)의 경우, 상기 제1 메인스위치를 턴 오프시키고,
    (g)의 경우, 상기 제1 메인스위치를 턴 오프시키고,
    (h)의 경우, 상기 제1 백투백스위치를 턴 오프시키고,
    (i)의 경우, 상기 제1 백투백스위치를 턴 오프시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 스위치 고장 판단 방법.
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