KR101977958B1 - 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치 및 방법 - Google Patents

전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 수명 예측 장치는 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측할 수 있다.

Description

전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치 및 방법{An Apparatus and A Method For Power Semiconductor temperature sensor life forecast}
본 발명은 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 온도 센서에 흐르는 신호에 기초하여 시상수를 추출하고, 시상수를 통해 온도센서의 수명을 예측하는 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 등 친환경 차량이 성장하면서 전기 차량 및 하이브리드 시스템의 모터 구동이나 고 전압 변환 등 고 전압 신호를 많이 사용하는 구동부의 스위칭 회로로 전력 반도체 소자가 많이 사용되고 있다.
전력 반도체 소자는 차량에 적용되는 반도체 모듈이기 때문에 안전에 대한 요구사항이 많다. 하지만, 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하는 온도센서에 구성되는 다이오드 등은 수명시간이 길기 때문에 현재 차량에 탑재되는 다이오드 에 대한 연구는 수명보다는 안전 및 성능을 극대화 시키고 고객에 맞는 제품을 생산하는 것에 초점을 맞추고 있다.
본 발명은 상술한 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따르면, 전력 반도체용 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치는 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측할 수 있다.
이 경우, 상기 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호 중 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하기 위한 신호 처리부; 및 상기 신호 처리부로부터 상기 시상수와 관련된 신호를 입력 받아 상기 온도 센서의 시상수를 계산하고, 계산된 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 수명 예측부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부는, 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호로 상기 온도 센서에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류 및 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 처리할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부는, 상기 온도 센서의 출력부의 출력 저항 양단의 전압을 입력받아 증폭하는 차동 증폭기; 및 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 샘플링하고, 상기 수명 예측부는 상기 샘플링 횟수에 기초하여 상기 회복시간을 계산할 수 있다.
또한, 상기 수명 예측부는 마이크로 컨트롤러 유닛으로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 방법은 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서의 출력부로부터 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하는 단계; 및 상기 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호는, 상기 온도 센서에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류 및 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하는 단계는, 차동 증폭기를 이용하여 상기 온도 센서의 출력부의 출력 저항 양단의 전압을 증폭하는 단계; 아날로그-디지털 변환기를 이용하여, 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 모듈은 전력 반도체 소자 및 상기 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서를 포함하는 전력 반도체 칩; 상기 온도 센서의 출력부로부터 상기 전력 반도체 소자의 온도와 관련된 신호를 입력 받아 온도 제어 신호를 생성하는 온도 제어부; 및 상기 온도 제어부와 병렬적으로 상기 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 온도센서 수명 예측 장치;를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 온도 센서 수명 예측 장치는, 상기 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호 중 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하기 위한 신호 처리부; 및 상기 신호 처리부로부터 상기 시상수와 관련된 신호를 입력 받아 상기 온도 센서의 시상수를 계산하고, 계산된 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 수명 예측부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부는, 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호로 상기 온도 센서에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류 및 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 처리할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부는, 상기 온도 센서의 출력부의 출력 저항 양단의 전압을 입력받아 증폭하는 차동 증폭기; 및 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 샘플링하고, 상기 수명 예측부는 상기 샘플링 횟수에 기초하여 상기 회복시간을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치는 온도 센서의 상대적 수명을 예측하여 교체 시기 및 점검 시기를 사용자에게 안내하여 보다 안정적인 시스템을 구축할 수 있다. 물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치에 대한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 또 다른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치에 대한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 처리부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치의 신호파형이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
또한, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
또한, 이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 다른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치(108)는 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서(130)의 출력부에 접속되어 온도 센서(130)로부터 출력되는 신호로부터 온도 센서(130)의 시상수를 추출하여 시상수로부터 온도 센서(130)의 상대 수명을 예측할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치(108)는 신호 처리부(110) 및 수명 예측부(120)를 포함할 수 있다.
이때, 신호 처리부(110)는 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서(130)의 출력부에 접속되어 온도 센서(130)로부터 출력되는 신호 중 온도 센서(130)의 시상수와 관련된 신호를 처리할 수 있다.
보다 상세하게, 온도 센서(130)의 시상수와 관련된 신호는 온도 센서(130)에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류(410) 및 역방향 전류(410)에서 정방향 전류로 변환되는 회복시간(400)에 관련된 신호이다.
한편, 온도 센서(130)는 다이오드로 구성될 수 있으며, 정방향 전류는 온도 센서(130)가 전압을 입력 받아 온도를 센싱하며 발생되는 전류이며, 역방향 전류(410)는 온도 센서(130)가 턴-오프 될 경우 온도 센서(130)에 축적된 차지(Charge)가 방전되면서 전류가 역방향으로 흐르는 전류이다.
이때, 신호 처리부(110)는 차동 증폭기(105) 및 아날로그-디지털 변환기(107)를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로, 차동 증폭기(105)는 온도 센서(130)의 출력부에 접속되는 출력 저항(109) 양단의 전압을 입력 받아 전압을 증폭할 수 있고, 아날로그-디지털 변환기(107)는 차동 증폭기(105)의 출력 전압을 디지털 신호로 변환할 수 있다.
이때, 아날로그-디지털 변환기(107)는 차동 증폭기(105)의 출력 전압을 샘플링(420)할 수 있으며, 출력 전압의 샘플링 값을 수명 예측부(120)에 인가할 수 있다.
한편, 차동 증폭기(105)는 온도 센서(130) 출력부와 접속되는 출력 저항(109)의 양단과 접속될 수 있으며, 아날로그-디지털 변환기(107)는 차동 증폭기(105) 및 수명 예측부(120) 사이에 접속될 수 있다.
이때, 출력 저항(109)은 온도 센서(130)의 출력부로부터 전력 반도체 소자의 온도와 관련된 신호를 입력 받아 온도 제어 신호를 생성하는 온도 제어부(140)와 온도 센서(130) 사이에 접속될 수 있다.
보다 구체적으로, 출력 저항(109)은 출력 저항(109)의 양단을 통해 정방향 및 역방향의 전압을 센싱할 수 있다.
한편, 수명 예측부(120)는 신호 처리부(110)로부터 시상수와 관련된 신호를 입력 받아 온도 센서(130)의 시상수를 계산하고, 계산된 시상수로부터 온도 센서(130)의 상대 수명을 예측할 수 있다.
이때, 수명 예측부(120)는 차동 증폭기(104)를 통해 증폭된 전압을 입력 받아 정방향 전류 및 역방향 전류(410)를 계산할 수 있으며, 아날로그-디지털 변환기(107)의 샘플링 횟수에 기초하여 회복시간(400)을 계산할 수 있다.
또한, 수명 예측부(120)는 아래 수학식에 기초하여 시상수를 계산할 수 있다.
(수학식)
Figure 112017111536481-pat00001
여기서 τ는 시상수, trr은 회복 시간(400), IF는 온도 센서(130)의 정방향 전류, IR은 온도 센서(130)의 역방향 전류(410)를 의미한다.
또한, 수명 예측부는(120) 계산된 시상수로부터 온도 센서(130)의 상대 수명을 예측할 수 있다.
보다 구체적으로, 계산된 시상수와 표준 샘플의 시상수를 비교하여 온도 센서(130)의 상대적 수명을 예측할 수 있으며, 온도 센서(130)의 상대적 수명을 통해 사용자에게 교체 시기 및 점검 시기를 안내하여 보다 안정적인 시스템을 구축할 수 있다.
한편, 온도 센서(130)는 다이오드로 구성될 수 있으므로, 수명 예측부(120)는 시상수를 계산하여 다이오드의 수명을 예측할 수 있다.
또한, 도 2와 같이 온도 제어부(140)와 병렬적으로 온도 센서(130)의 출력부에 접속되어 온도 센서(130)로부터 출력되는 신호로부터 온도 센서(130)의 시상수를 추출하여 시상수로부터 온도 센서(130)의 상대 수명을 예측하는 온도센서 수명 예측 장치(108)가 마이크로컨트롤러 유닛(125) 안에 블록으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 신호 처리부(110)는 온도 센서(130) 및 온도 제어부(140)와 접속된 출력 저항(109)을 통해 시상수와 관련된 신호로 온도 센서(130)에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류(410) 및 역방향 전류(410)에서 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 처리할 수 있다.
보다 구체적으로, 온도 센서(130)가 턴-온되어 정방향 전류가 흐를 경우, 출력 저항(109)에 인가되는 정방향 전압이 차동 증폭기(105)에 입력되며, 이때 차동 증폭기(105)는 출력 저항(109) 양단의 전압을 입력 받아 출력 저항(109)의 전압을 증폭할 수 있다.
또한, 온도 센서(130)가 턴-오프되어 역방향 전류가 흐를 경우, 출력 저항(109)에 인가되는 역방향 전압이 차동 증폭기(105)에 입력되며, 이때 차동 증폭기(105)는 출력 저항(109) 양단의 전압을 입력 받아 출력 저항(109)의 전압을 증폭할 수 있다.
한편, 차동 증폭기(105)의 출력 전압은 아날로그-디지털 변환기(107)에 인가되며, 아날로그-디지털 변환기(107)는 차동 증폭기(105)의 출력 전압을 인가 받아 디지털 신호로 변환할 수 있으며, 차동 증폭기(105)의 출력 전압을 샘플링(420) 할 수 있다.
한편, 수명 예측부(120)는 차동 증폭기(105)에서 출력 저항(109)에 인가되는 온도 센서(130)의 정방향 및 역방향에 대한 전압을 입력 받아 정방향 전류 및 역방향 전류(410)를 계산할 수 있으며, 아날로그-디지털 변환기(107)에서 샘플링 값을 입력 받아 샘플링 횟수에 기초하여 회복시간을 계산할 수 있다.
한편, 회복시간(400)에 대한 설명은 도 4에서 상세히 후술하도록 한다.
또한, 수명 예측부(120)는 정방향 전류, 역방향 전류(410) 및 회복시간(400)에 기초하여 시상수를 계산할 수 있으며, 시상수에 기초하여 온도 센서(130)의 상대적 수명을 예측할 수 있다.
보다 구체적으로, 수명 예측부(120)는 시상수를 계산하고, 상기 시상수는 온도 센서(130)의 표준 샘플의 시상수에 대한 수명과 대조하여 온도 센서(130)의 상대적 수명을 예측하는데 사용할 수 있다.
또한, 시상수를 계산하기 위해 온도 제어부(140) 및 온도 센서(130) 사이에 신호 처리부(110)를 추가하여 구성하기 때문에, 차동 증폭기(105) 및 아날로그-디지털 변환기(107)를 추가한 간단한 구성으로 온도 센서(130)의 수명을 예측할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 수명 예측 장치(100)의 신호파형이다.
도 4를 참조하면, 수명 예측부(120)는 차동 증폭기(105)의 역방향 전압을 입력 받아 역방향 전류(410)를 계산할 수 있다.
이때, 차동 증폭기(105)는 출력 저항(109)의 양단을 통해 입력 받은 전압을 증폭하며, 아날로그-디지털 변환기(107)는 증폭된 전압을 인가 받아 증폭된 전압을 샘플링(420)할 수 있다.
한편, 수명 예측부(120)는 샘플링 횟수에 기초하여 역방향 전류(410)에서 정방향 전류로 변환되는 회복시간을 계산할 수 있다.
보다 구체적으로, 수명 예측부(120)는 온도 센서(130)에 인가되는 클락동안 아날로그-디지털 변환기(107)의 샘플링 값의 횟수를 계산하여 회복시간을 계산할 수 있으며, 예를 들어 온도 센서(130)에 인가되는 클락이 1번 인가될 때 발생되는 샘플링 횟수를 계산하여 회복시간을 계산할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
105: 차동 증폭기
107: 아날로그-디지털 변환기
109: 출력 저항
110: 신호 처리부
120: 수명 예측부
125: 마이크로컨트롤러 유닛
130: 온도 센서
140: 온도 제어부
400: 회복 시간
410: 역방향 전류

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 전기적인 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하고,
    상기 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호 중 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하기 위한 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부로부터 상기 시상수와 관련된 신호를 입력 받아 상기 온도 센서의 시상수를 계산하고, 계산된 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 수명 예측부;를 포함하고,
    상기 신호 처리부는, 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호로 상기 온도 센서에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류 및 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 처리하는,
    전력 반도체용 온도 센서 수명 예측 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 온도 센서의 출력부의 출력 저항 양단의 전압을 입력받아 증폭하는 차동 증폭기; 및
    상기 차동 증폭기의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;를 포함하는,
    전력 반도체용 온도 센서 수명 예측 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 샘플링하고, 상기 수명 예측부는 상기 샘플링 횟수에 기초하여 상기 회복시간을 계산하는,
    전력 반도체용 온도 센서 수명 예측 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 수명 예측부는 마이크로 컨트롤러 유닛으로 구성되는,
    전력 반도체용 온도 센서 수명 예측 장치.
  7. 삭제
  8. 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서의 출력부로부터 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 전기적인 신호를 처리하는 단계; 및
    상기 전기적인 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 단계를 포함하고,
    상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호는, 상기 온도 센서에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류 및 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 포함하는,
    전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하는 단계는,
    차동 증폭기를 이용하여 상기 온도 센서의 출력부의 출력 저항 양단의 전압을 증폭하는 단계;
    아날로그-디지털 변환기를 이용하여, 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 단계;를 포함하는,
    전력 반도체용 온도 센서의 수명 예측 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 전력 반도체 소자 및 상기 전력 반도체 소자의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서를 포함하는 전력 반도체 칩;
    상기 온도 센서의 출력부로부터 상기 전력 반도체 소자의 온도와 관련된 신호를 입력 받아 온도 제어 신호를 생성하는 온도 제어부; 및
    상기 온도 제어부와 병렬적으로 상기 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 전기적인 신호로부터 상기 온도 센서의 시상수를 추출하여 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 온도센서 수명 예측 장치;를 포함하고,
    상기 온도 센서 수명 예측 장치는,
    상기 온도 센서의 출력부에 접속되어 상기 온도 센서로부터 출력되는 신호 중 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호를 처리하기 위한 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부로부터 상기 시상수와 관련된 신호를 입력 받아 상기 온도 센서의 시상수를 계산하고, 계산된 상기 시상수로부터 상기 온도 센서의 상대 수명을 예측하는 수명 예측부;를 더 포함하고,
    상기 신호 처리부는, 상기 온도 센서의 시상수와 관련된 신호로 상기 온도 센서에 흐르는 정방향 전류, 역방향 전류 및 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 변환되는 회복시간에 관련된 신호를 처리하는,
    전력 반도체 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 온도 센서의 출력부의 출력 저항 양단의 전압을 입력받아 증폭하는 차동 증폭기; 및
    상기 차동 증폭기의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;를 포함하는,
    전력 반도체 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 차동 증폭기의 출력 전압을 샘플링하고, 상기 수명 예측부는 상기 샘플링 횟수에 기초하여 상기 회복시간을 계산하는,
    전력 반도체 모듈.
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