KR102250973B1 - Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof - Google Patents

Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102250973B1
KR102250973B1 KR1020190108793A KR20190108793A KR102250973B1 KR 102250973 B1 KR102250973 B1 KR 102250973B1 KR 1020190108793 A KR1020190108793 A KR 1020190108793A KR 20190108793 A KR20190108793 A KR 20190108793A KR 102250973 B1 KR102250973 B1 KR 102250973B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switching frequency
speed
power semiconductor
current
railway vehicle
Prior art date
Application number
KR1020190108793A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210028311A (en
Inventor
이준석
류준형
이장무
Original Assignee
한국철도기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국철도기술연구원 filed Critical 한국철도기술연구원
Priority to KR1020190108793A priority Critical patent/KR102250973B1/en
Publication of KR20210028311A publication Critical patent/KR20210028311A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102250973B1 publication Critical patent/KR102250973B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61CLOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C3/00Electric locomotives or railcars
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00Type of vehicles
    • B60L2200/26Rail vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10Vehicle control parameters
    • B60L2240/12Speed
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2260/00Operating Modes
    • B60L2260/20Drive modes; Transition between modes
    • B60L2260/22Standstill, e.g. zero speed
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60YINDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00Type of vehicle
    • B60Y2200/30Railway vehicles
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility

Abstract

본 발명은 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치에 관한 것으로, 철도차량의 속도를 판단하는 속도 판단부; 상기 철도차량이 0 속도일 때 지정된 최소 스위칭주파수를 선정하는 초기 스위칭주파수 선정부; 상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시켜 선정하는 가변 스위칭주파수 선정부; 및 상기 철도차량의 속도가 0 속도인 경우 및 0 속도가 아닌 경우에 대응하여 상기 초기 스위칭주파수 선정부 및 상기 가변 스위칭주파수 선정부에서 선정된 스위칭주파수를 기반으로 전력반도체 소자를 스위칭시키는 구동부;를 포함한다.The present invention relates to an apparatus for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, comprising: a speed determination unit for determining a speed of a railway vehicle; An initial switching frequency selection unit for selecting a designated minimum switching frequency when the railway vehicle is at zero speed; A variable switching frequency selection unit configured to increase and select a switching frequency in response to an increase in the vehicle speed of the railway vehicle at the zero speed; And a driving unit for switching a power semiconductor element based on a switching frequency selected by the initial switching frequency selection unit and the variable switching frequency selection unit in response to the case where the speed of the railway vehicle is 0 and not the 0 speed. Includes.

Figure R1020190108793
Figure R1020190108793

Description

철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING IGBT OF TRACTION INVERTER OF RAILWAY VEHICLE AND METHOD THEREOF}Power semiconductor device control device and method of propulsion inverter for railroad vehicles {APPARATUS FOR CONTROLLING IGBT OF TRACTION INVERTER OF RAILWAY VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량의 처음 출발 시 추진인버터의 전력반도체 소자에 대한 스위칭 주파수를 변경하여 온도 변화폭을 줄일 수 있도록 함으로써 전력반도체 소자의 수명을 연장할 수 있도록 하는, 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, and more particularly, by changing the switching frequency of the power semiconductor element of the propulsion inverter when the railway vehicle is initially started, it is possible to reduce the range of temperature change. It relates to an apparatus and method for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, which enables the life of a semiconductor element to be extended.

일반적으로 기존 철도차량의 내구연한은 대략 25년으로 일괄 관리되었으나, 최근에는 철도차량에 사용되는 개별 장치별 내구연한에 대한 연구가 꾸준히 진행되고, 현장의 유지보수 및 교체 주기에 합당한 합리적인 장치별 내구연한이 제시됨에 따라 철도기관들은 이를 채택하여 지침을 만들어 유지보수 및 교체를 수행하고 있다. In general, the endurance life of existing railroad vehicles was collectively managed for about 25 years, but in recent years, research on the endurance life of individual devices used in railroad vehicles is steadily progressing, and the durability of each device is reasonable suitable for the maintenance and replacement cycle of the site. As the time limit has been proposed, railroad agencies have adopted it and created guidelines to carry out maintenance and replacement.

이러한 철도차량은 선로를 따라 가설된 전차선(혹은, '트롤리 선' 이라고도 함)으로부터 전력을 공급받아 운행되므로, 전차선을 통해 공급된 전력을 철도차량의 사용 전력에 맞게 변환하는 전력 변환기를 구비하고 있다. 그리고 이러한 전력 변환기는 전원의 컨버트(convert)나 인버트(invert)를 위해서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등과 같은 다수의 전력 스위칭소자를 포함하여 구성된다.Since these railway vehicles are operated by receiving electric power from a catenary line (or'trolley line') installed along the track, it is equipped with a power converter that converts the electric power supplied through the catenary line according to the used power of the railway vehicle. . In addition, such a power converter includes a plurality of power switching devices such as an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) for converting or inverting power.

여기서 상기 철도차량의 핵심 전장품인 추진인버터는 현재 주요소자인 스위칭소자(또는 전력반도체 소자)의 내구연한이 추진인버터의 내구연한으로 사용되고 있다. Here, in the propulsion inverter, which is a core electronic component of the railway vehicle, the endurance life of a switching device (or power semiconductor device), which is a main device, is currently used as the endurance life of the propulsion inverter.

즉, 상기 추진인버터의 수명은 구성요소 중 수명에 가장 취약한 소자인 전력반도체 소자에 의해서 결정되며, 전력반도체 소자의 수명은 추진시스템의 동작특성(스위칭주파수, 전류, 주파수 등)에 의해서 동작평균온도(T)와 동작온도변화량(dT)에 따라 결정된다. That is, the life of the propulsion inverter is determined by the power semiconductor device, which is the most vulnerable device among the components, and the life of the power semiconductor device is determined by the operating characteristics (switching frequency, current, frequency, etc.) of the propulsion system. It is determined according to (T ) and the amount of change in operating temperature ( dT).

상기 전력반도체 소자의 수명모델은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다. The life model of the power semiconductor device is expressed as Equation 1 below.

Figure 112019090635894-pat00001
Figure 112019090635894-pat00001

이에 상기 전력반도체 소자의 수명(Lifetime)을 증가하기 위해서는(즉, 추진인버터의 수명을 연장시키기 위해서는) 동작평균온도(T)를 낮추거나, 동작온도변화량(dT)을 작게 동작시켜야 한다. Accordingly, in order to increase the life time of the power semiconductor device (ie, to extend the life of the propulsion inverter), the operating average temperature ( T ) must be lowered or the operating temperature change amount ( dT ) must be reduced.

이때 전압 및 전류 요구사항을 만족시키면서 동작평균온도(T)를 낮추는 방법은 스위칭주파수를 변경하여 전력반도체의 손실을 낮추거나 방열성능을 향상시켜 온도상승을 낮게 유지하는 방법이 있으나, 제어성능저하, 히트파이프 크기 및 무게 상승 등의 문제점이 발생한다. At this time, the method of lowering the operating average temperature (T ) while satisfying the voltage and current requirements includes reducing the loss of the power semiconductor by changing the switching frequency or improving the heat dissipation performance to keep the temperature rise low. Problems such as increase in the size and weight of the heat pipe occur.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2010-0120805호(2010.11.17. 공개, 철도차량 전력 소자용 예방 진단장치 및 방법)에 개시되어 있다. The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2010-0120805 (published on November 17, 2010, a preventive diagnosis apparatus and method for power elements of a railway vehicle).

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 철도차량의 처음 출발 시 추진인버터의 전력반도체 소자에 대한 스위칭 주파수를 변경하여 온도 변화폭을 줄일 수 있도록 함으로써 전력반도체 소자의 수명을 연장할 수 있도록 하는, 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. According to an aspect of the present invention, the present invention was created to solve the above problems, and by changing the switching frequency of the power semiconductor element of the propulsion inverter when the railway vehicle first starts, it is possible to reduce the range of temperature change. An object thereof is to provide an apparatus and method for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railroad vehicle, which enables the life of a semiconductor element to be extended.

본 발명의 일 측면에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치는, 철도차량의 속도를 판단하는 속도 판단부; 상기 철도차량이 0 속도일 때 지정된 최소 스위칭주파수를 선정하는 초기 스위칭주파수 선정부; 상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시켜 선정하는 가변 스위칭주파수 선정부; 및 상기 철도차량의 속도가 0 속도인 경우 및 0 속도가 아닌 경우에 대응하여 상기 초기 스위칭주파수 선정부 및 상기 가변 스위칭주파수 선정부에서 선정된 스위칭주파수를 기반으로 전력반도체 소자를 스위칭시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an aspect of the present invention includes: a speed determination unit for determining a speed of a railway vehicle; An initial switching frequency selection unit that selects a designated minimum switching frequency when the railway vehicle is at zero speed; A variable switching frequency selection unit configured to increase and select a switching frequency in response to an increase in the vehicle speed of the railway vehicle at the zero speed; And a driving unit for switching a power semiconductor element based on a switching frequency selected by the initial switching frequency selection unit and the variable switching frequency selection unit in response to the case where the speed of the railway vehicle is 0 and not the 0 speed. It characterized in that it includes.

본 발명에 있어서, 상기 가변 스위칭주파수 선정부에서 증가하는 스위칭 주파수가 지정된 스위칭주파수 제한 값보다 증가하지 않도록 스위칭주파수를 제한하는 스위칭주파수 제한부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, it characterized in that it further comprises a; switching frequency limiting unit for limiting the switching frequency so that the switching frequency increased by the variable switching frequency selection unit does not increase than a specified switching frequency limit value.

본 발명에 있어서, 상기 속도 판단부, 상기 초기 스위칭주파수 선정부, 상기 가변 스위칭주파수 선정부의 기능을 통합하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 스위칭주파수 제한부의 기능을 포함하여 구현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, a control unit for integrating functions of the speed determination unit, the initial switching frequency selection unit, and the variable switching frequency selection unit; wherein the control unit is implemented including a function of a switching frequency limiting unit. do.

본 발명에 있어서, 상기 철도차량이 0 속도인 경우의 최소 스위칭주파수는 400Hz인 것을 특징으로 한다.In the present invention, when the railroad vehicle is at zero speed, the minimum switching frequency is 400 Hz.

본 발명에 있어서, 상기 스위칭주파수 제한 값은, 800Hz인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the switching frequency limit value is characterized in that 800Hz.

본 발명의 다른 측면에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 방법은, 제어부가 철도차량의 속도를 판단하는 단계; 상기 제어부가 상기 철도차량이 0 속도일 때 지정된 최소 스위칭주파수를 선정하는 단계; 상기 제어부가 상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시켜 선정하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 철도차량의 속도가 0 속도인 경우 및 0 속도가 아닌 경우에 대응하여 선정된 스위칭주파수를 기반으로 구동부를 통해 전력반도체 소자를 스위칭시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railroad vehicle according to another aspect of the present invention includes: determining, by a control unit, a speed of the railroad vehicle; Selecting, by the control unit, a designated minimum switching frequency when the railroad vehicle is at zero speed; Selecting, by the control unit, increasing a switching frequency in response to an increase in the vehicle speed of the railroad vehicle at the zero speed; And switching, by the control unit, a power semiconductor element through a driving unit based on a switching frequency selected in response to a case where the speed of the railroad vehicle is 0 and not the 0 speed.

본 발명에 있어서, 상기 제어부가 상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시키되, 상기 증가하는 스위칭 주파수가 지정된 스위칭주파수 제한 값보다 증가하지 않도록 스위칭주파수를 제한하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit increases the switching frequency in response to the increase of the vehicle speed of the railway vehicle at the zero speed, but limits the switching frequency so that the increasing switching frequency does not increase above a specified switching frequency limit value. It characterized in that it further comprises a;

본 발명에 있어서, 상기 철도차량이 0 속도인 경우의 최소 스위칭주파수는 400Hz인 것을 특징으로 한다.In the present invention, when the railroad vehicle is at zero speed, the minimum switching frequency is 400 Hz.

본 발명에 있어서, 상기 스위칭주파수 제한 값은, 800Hz인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the switching frequency limit value is characterized in that 800Hz.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 철도차량의 처음 출발 시 추진인버터의 전력반도체 소자에 대한 스위칭 주파수를 변경하여 온도 변화폭을 줄일 수 있도록 함으로써 전력반도체 소자의 수명을 연장할 수 있도록 한다.According to an aspect of the present invention, the present invention changes the switching frequency of the power semiconductor element of the propulsion inverter when the railway vehicle first starts to reduce the temperature variation range, thereby extending the life of the power semiconductor element.

도 1은 기존에 철도차량의 저속 영역에서 추진인버터를 지정된 일정한 스위칭주파수로 구동할 경우의 전력반도체 소자의 온도 변화를 설명하기 위하여 보인 그래프의 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 본 실시예에 따라 철도차량의 저속 영역에서 추진인버터의 스위칭주파수를 변경하여 구동할 경우의 전력반도체 소자의 온도 변화를 설명하기 위하여 보인 그래프의 예시도.
도 4는 상기 도 2에 있어서, 전력반도체 소자의 RC 4차 열모델을 보인 예시도.
1 is an exemplary view of a graph shown to explain the temperature change of a power semiconductor element when driving a propulsion inverter at a specified constant switching frequency in a low-speed region of a conventional railway vehicle.
2 is an exemplary view showing a schematic configuration of an apparatus for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view of a graph showing a change in temperature of a power semiconductor device when driving by changing a switching frequency of a propulsion inverter in a low speed region of a railroad vehicle according to the present embodiment.
4 is an exemplary view showing an RC fourth thermal model of a power semiconductor device in FIG. 2.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of an apparatus and method for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railroad vehicle according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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.In this process, the thickness of the lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, definitions for these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

상술한 바와 같이 기존의 철도차량 추진인버터의 전압/전류는 결합되는 전동기에 의해서 결정되며, 전력반도체 소자의 온도상승은 발생되는 손실에 의해서 결정되며, 상기 전력반도체 소자의 손실은 추진인버터의 스위칭주파수에 의해서 결정된다. As described above, the voltage/current of the conventional railway vehicle propulsion inverter is determined by the motor to be coupled, the temperature rise of the power semiconductor element is determined by the generated loss, and the loss of the power semiconductor element is the switching frequency of the propulsion inverter. Is determined by

이때 상기 기존의 철도차량 추진인버터의 스위칭주파수는 차량속도에 의해서 변화되는데, 저속구간에서는 정밀한 제어 특성을 보장하기 위해서 일정한 스위칭주파수로 동작하며, 철도차량의 속도가 증가하여 인버터의 변조지수(modulation index, V dc /0.6365)가 과변조영역인 지점(예 : 변조지수=0.907)부터 스위칭주파수는 감소하다가 원-펄스영역(예 : 변조지수=1)에서부터는 스위칭주파수가 전동기에 인가되는 기본파 주파수와 같아진다. At this time, the switching frequency of the conventional railway vehicle propulsion inverter is changed by the vehicle speed. In the low-speed section, the inverter operates at a constant switching frequency to ensure precise control characteristics, and the speed of the railway vehicle increases. , V dc /0.6365) is the fundamental wave frequency at which the switching frequency is applied to the motor after the switching frequency decreases from the point where the over-modulation region (e.g., modulation index = 0.907), and then from the one-pulse region (e.g., modulation index = 1). Becomes equal to

참고로 상기 기본파 주파수는 전동기로 인가되는 전류의 교류 주파수로 속도에 비례하여 수백 Hz까지 증가할 수 있다.For reference, the fundamental frequency is an alternating current frequency of the current applied to the motor, and may increase to several hundred Hz in proportion to the speed.

이때 상기 기존 추진인버터에서 철도차량의 속도가 증가함에 따라 스위칭 주파수를 낮추는 이유는, (1)속도가 증가할수록 전동기에서 발생한 토크리플이 철도차량에 주는 영향이 작아지기 때문이며(차량자체에서 발생하는 진동요소가 커짐), (2) 전력반도체 소자에서 발생하는 전체적인 손실을 저감하기 위함이다. At this time, the reason why the switching frequency is lowered in the conventional propulsion inverter as the speed of the railroad vehicle increases is because (1) the effect of the torque ripple generated by the motor on the railroad vehicle decreases as the speed increases (vibration generated by the vehicle itself). The factor is larger), (2) It is to reduce the overall loss that occurs in the power semiconductor device.

이때 상기 기존 추진인버터의 과변조영역과 원-펄스영역의 변조방법은 최소 손실을 발생시키는 방법임에 따라 손실과 관련하여 더 이상 개선의 여지가 없다. At this time, there is no room for further improvement in relation to the loss, as the conventional modulation method of the over-modulation region and the one-pulse region of the propulsion inverter generates a minimum loss.

하지만, 저속영역(일반적으로 전압 변조지수가 낮은 영역, 즉, 변조지수 0.907이하인 저속영역)에서 사용되는 스위칭주파수는 지정된 일정한 값으로서 최소 손실을 목표로 하는 것이 아니라 제어성능을 확보하기 위한 최소 값으로 선정된다.However, the switching frequency used in the low speed region (generally the low voltage modulation index, that is, the low speed region with a modulation index of 0.907 or less) is a designated constant value and is not aimed at the minimum loss, but is the minimum value to secure control performance Is selected.

일반적으로 추진인버터는 전동기에 인가되는 AC전류를 제어하는 만큼 전류리플을 고려하여 스위칭주파수는 제어주파수와 동일하게 선정되거나 또는 0.5배로 선정되며, 제어주파수는 최소한 전동기 AC전류 주파수의 20배 이상으로 선정되어야 원활한 제어가 가능하다. 따라서 변조지수와 속도가 비례함에 따라 변조지수가 0.907이 되는 지점의 AC전류 주파수에 따라서 제어주파수와 스위칭주파수가 결정된다. 참고로 상기 제어주파수는 제어부(예 : 마이컴)의 주파수로 스위칭주파수의 2배에 해당한다.In general, as the propulsion inverter controls the AC current applied to the motor, the switching frequency is selected equal to or 0.5 times the control frequency in consideration of the current ripple, and the control frequency is selected at least 20 times the AC current frequency of the motor. Only smooth control is possible. Therefore, as the modulation index and speed are proportional, the control frequency and the switching frequency are determined according to the AC current frequency at the point where the modulation index becomes 0.907. For reference, the control frequency is a frequency of a control unit (eg, a microcomputer) and corresponds to twice the switching frequency.

그런데 상기와 같이 저속 영역에서 지정된 일정한 스위칭주파수를 이용하여 전동기를 구동할 경우, 추진인버터의 전력반도체 소자의 온도 변화는, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 나타난다. 즉, 추진인버터의 구동초기에는 AC전류의 주파수가 낮은 만큼 한주기 동안 전력반도체에 많은 스위칭이 발생하고 축적된 손실로 인해 큰 동작온도변화량(dT)(즉, 온도 변화폭)을 보인다.However, when the electric motor is driven by using a specified constant switching frequency in the low speed region as described above, the temperature change of the power semiconductor element of the propulsion inverter appears as shown in (d) of FIG. 1. That is, in the initial driving of the propulsion inverter, as the frequency of the AC current is low, many switching occurs in the power semiconductor for one period, and a large amount of change in operating temperature ( dT ) (that is, the width of temperature change) is shown due to the accumulated loss.

여기서 도 1은 기존에 철도차량의 저속 영역에서 추진인버터를 지정된 일정한 스위칭주파수로 구동할 경우의 전력반도체 소자의 온도 변화를 설명하기 위하여 보인 그래프의 예시도이다. 도 1의 (a)는 전동기속도(RPM), (b)는 추진인버터의 c상전류, (c)는 스위칭주파수(Fsw), 그리고 (d)는 c상 상단 스위치온도(junction temperature)를 보인 그래프이다.Here, FIG. 1 is an exemplary view of a graph shown to explain a temperature change of a power semiconductor element when a propulsion inverter is driven at a designated constant switching frequency in a low-speed region of a conventional railway vehicle. Figure 1 (a) is a graph showing the motor speed (RPM), (b) is the c-phase current of the propulsion inverter, (c) is the switching frequency (Fsw), and (d) is the c-phase upper switch temperature (junction temperature). to be.

이때 도 1의 (d)를 참조하면, 2초 내지 4초 구간에서 온도 변화폭(즉, 동작온도변화량(dT))은, 최대온도가 56도, 최소온도가 45도로부터 점차 온도 변화폭이 감소하는 것을 알 수 있다.At this time, referring to (d) of FIG. 1, the temperature change width (i.e., the operating temperature change amount ( dT )) in the interval of 2 seconds to 4 seconds is that the maximum temperature is 56 degrees and the minimum temperature is 45 degrees, and the temperature change width gradually decreases. I can see that.

상기와 같이 온도 변화폭(즉, 동작온도변화량(dT))이 클 경우, 전력반도체 소자의 수명을 감소시키는 데 큰 영향이 있다. 따라서 전력반도체 소자의 수명을 연장시키기 위해서는 가능한 한 조금이라도 더 동작온도변화량(dT)(즉, 온도 변화폭)을 낮춰야 한다. When the temperature change width (that is, the operating temperature change amount dT ) is large as described above, there is a great influence on reducing the life of the power semiconductor device. Therefore, in order to extend the life of the power semiconductor device, it is necessary to lower the operating temperature change ( dT ) (that is, the temperature change width) as little as possible.

이에 따라 본 실시예에는 철도차량(또는 전동기) 속도에 대응하여 스위칭주파수를 변화시키면서 기존 대비 동작온도변화량(dT)(즉, 온도 변화폭)을 낮춤으로써 추진인버터의 전력반도체 소자의 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 특징이 있다.Accordingly, in this embodiment, the lifespan of the power semiconductor element of the propulsion inverter can be extended by lowering the operating temperature change amount (dT ) (i.e., the temperature change width) compared to the conventional while changing the switching frequency in response to the speed of the railway vehicle (or electric motor). There are features that allow it.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.2 is an exemplary view showing a schematic configuration of an apparatus for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치는, 속도 판단부(110), 초기 스위칭주파수 선정부(120), 가변 스위칭주파수 선정부(130), 스위칭주파수 제한부(140), 및 구동부(150)를 포함한다.As shown in Figure 2, the power semiconductor element control device of the propulsion inverter for a railroad vehicle according to this embodiment, the speed determination unit 110, the initial switching frequency selection unit 120, the variable switching frequency selection unit 130, It includes a switching frequency limiting unit 140, and a driving unit 150.

상기 속도 판단부(110)는 철도차량의 속도를 판단(또는 검출)한다.The speed determination unit 110 determines (or detects) the speed of the railway vehicle.

예컨대 상기 철도차량의 속도는 기 장착된 속도 검출 센서(미도시)를 통해 판단(또는 검출)하거나, 상위의 차량 제어부(미도시)에서 검출된 속도 정보를 전달받아 판단할 수도 있다.For example, the speed of the railroad vehicle may be determined (or detected) through a pre-installed speed detection sensor (not shown), or may be determined by receiving speed information detected from an upper vehicle control unit (not shown).

상기 초기 스위칭주파수 선정부(120)는 철도차량의 0 속도일 때 지정된 최소 스위칭주파수를 선정(또는 설정)한다.The initial switching frequency selection unit 120 selects (or sets) a designated minimum switching frequency when the railway vehicle is at zero speed.

상기 가변 스위칭주파수 선정부(130)는 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 가변(또는 증가)시켜 선정(또는 설정)한다.The variable switching frequency selection unit 130 selects (or sets) by varying (or increasing) a switching frequency in response to an increase in the vehicle speed of the railroad vehicle at zero speed.

예컨대 상기 최소 스위칭주파수 또는 상기 철도차량의 차속에 대응하는 스위칭주파수는 내부 메모리(미도시)에 룩업 테이블 형태로 미리 저장될 수 있다.For example, the minimum switching frequency or the switching frequency corresponding to the vehicle speed of the railway vehicle may be previously stored in an internal memory (not shown) in the form of a lookup table.

상기 스위칭주파수 제한부(140)는 상기 가변 스위칭주파수 선정부(130)에서 증가하는 스위칭 주파수가 지정된 스위칭주파수 제한 값보다 증가하지 않도록 스위칭주파수를 제한한다.The switching frequency limiting unit 140 limits the switching frequency so that the switching frequency increased by the variable switching frequency selecting unit 130 does not increase more than a specified switching frequency limit value.

상기 구동부(150)는 철도차량의 속도(예 : 0 속도인 경우 및 0 속도가 아닌 경우)에 대응하여 상기 초기 스위칭주파수 선정부(120) 및 상기 가변 스위칭주파수 선정부(130)에서 선정(또는 설정)된 스위칭주파수를 기반으로 전력반도체 소자(미도시)를 스위칭시킨다.The driving unit 150 is selected by the initial switching frequency selection unit 120 and the variable switching frequency selection unit 130 in response to the speed of the railway vehicle (eg, 0 speed and non-zero speed) (or Switches the power semiconductor device (not shown) based on the set switching frequency.

이때 상기 속도 판단부(110), 상기 초기 스위칭주파수 선정부(120), 상기 가변 스위칭주파수 선정부(130), 및 상기 스위칭주파수 제한부(140)의 기능은 제어부(200)에 통합되어 구현될 수도 있다. 이에 따라 상기 제어부(200)가 상기 구성요소(110 ~ 140)의 각 기능을 소프트웨어적으로 통합 제어할 수도 있다.At this time, the functions of the speed determination unit 110, the initial switching frequency selection unit 120, the variable switching frequency selection unit 130, and the switching frequency limiting unit 140 are integrated into the control unit 200 to be implemented. May be. Accordingly, the control unit 200 may integrally control each function of the components 110 to 140 through software.

상술한 바와 같이 전력반도체 소자의 동작온도변화량(dT)을 감소시키기 위해서는 스위칭주파수의 변경이 필요하다. As described above, it is necessary to change the switching frequency in order to reduce the amount of change in operating temperature dT of the power semiconductor device.

상기 전력반도체 소자의 동작온도변화량(dT)과 스위칭주파수의 관계는 전력반도체 소자의 손실과 열 등가저항을 통해서 계산될 수 있다(도 4 참조). The relationship between the operating temperature change (dT) of the power semiconductor device and the switching frequency may be calculated through the loss of the power semiconductor device and thermal equivalent resistance (see FIG. 4).

도 4는 상기 도 2에 있어서, 전력반도체 소자의 RC 4차 열모델(foster thermal model)을 보인 예시도이다. 참고로 상기 전력반도체 소자(IGBT)의 손실(P IGBT )은 도통손실(P IGBT,con )과 스위칭손실(P IGBT,sw )로 구성되며 아래의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 계산된다.4 is an exemplary view showing an RC fourth order thermal model of a power semiconductor device in FIG. 2. For reference, the loss (P IGBT ) of the power semiconductor device (IGBT) is composed of a conduction loss ( P IGBT,con ) and a switching loss ( P IGBT,sw ), and is calculated as in Equations 2 and 3 below.

Figure 112019090635894-pat00002
Figure 112019090635894-pat00002

Figure 112019090635894-pat00003
Figure 112019090635894-pat00003

여기서, V CE(sat) 은 IGBT 데이터시트 상에 전류-V CE 그래프 상에서 전류축과 만나는 전압, R o 는 전류-V CE 그래프의 기울기, I c 는 IGBT를 통해 흐르는 전류이며, D는 IGBT의 통류율이며, E on E off V dc,test 조건에서 테스트되어 데이터시트 상에 명시된 값이고, V dc,real 은 실제 사용된 직류단 전압이다. Here, V CE(sat) is the current on the IGBT data sheet-the voltage that meets the current axis on the V CE graph, R o is the current-the slope of the V CE graph, I c is the current flowing through the IGBT, and D is the current flowing through the IGBT. It is the current rate, E on and E off are the values specified in the data sheet after being tested under V dc,test conditions, and V dc,real is the actual DC link voltage used.

IGBT의 온도는 그림 4와 같이 손실(P IGBT )과 열등가저항(Z th )의 곱으로 계산되며 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.The temperature of the IGBT is calculated as the product of the loss (P IGBT) and the inferior equivalent resistance ( Z th ), as shown in Figure 4, and can be expressed as Equation 4 below.

Figure 112019090635894-pat00004
Figure 112019090635894-pat00004

이때 도통손실(P IGBT,con )을 감소시키기 위해서는 전류(Ic)와 통류율(D)을 감소시켜야 하나 이럴 경우 추진인버터는 요구하는 토크 성능을 낼 수 없게 된다. At this time, in order to reduce the conduction loss (P IGBT,con ), the current (Ic ) and the current rate (D ) must be reduced, but in this case, the propulsion inverter cannot achieve the required torque performance.

따라서 도통손실(P IGBT,con )은 감소시킬 수 없다. Therefore, the conduction loss ( P IGBT,con ) cannot be reduced.

하지만 스위칭손실(P IGBT,sw )과 관련된 변수들 중 스위칭 주파수(f sw )는 추진인버터가 요구하는 토크 성능과 관련이 없는 것으로 변경이 가능하다. However, among the variables related to the switching loss ( P IGBT,sw ), the switching frequency ( f sw ) can be changed to one that is not related to the torque performance required by the propulsion inverter.

한편 상기 동작온도변화량(dT)을 감소시키기 위해서는 전력반도체 소자(IGBT)의 온도(T IGBT (t))의 최대 값을 낮게 유지시켜야 한다. Meanwhile, in order to reduce the amount of change in operating temperature dT , the maximum value of the temperature T IGBT (t) of the power semiconductor device IGBT should be kept low.

상기 수학식 4에서 열 등가저항(Z th )은 저항(R)과 커패시터(C)로 구성된 필터 해석되며, IGBT 손실(P IGBT )은 필터의 입력 값으로 해석될 수 있다. In Equation 4, the thermal equivalent resistance ( Z th ) can be interpreted as a filter composed of a resistor (R) and a capacitor (C), and the IGBT loss ( P IGBT ) can be interpreted as an input value of the filter.

그리고 IGBT의 온도(T IGBT (t))는 필터 출력에 해당하므로, 최대 값을 계산하기 위해서는 입력 값인 IGBT 손실(P IGBT )의 최대 값이 필요하며, IGBT 손실(P IGBT )의 변화모양은 전류(Ic)의 모양과 동일하기 때문에 필터인 열 등가저항(Z th )의 이득 및 위상지연이 필요하다. And since the temperature of the IGBT (T IGBT (t) ) corresponds to the filter output, the maximum value of the input IGBT loss ( P IGBT ) is required to calculate the maximum value, and the change shape of the IGBT loss (P IGBT) is current. Since the shape of (Ic ) is the same, the gain and phase delay of the thermal equivalent resistance ( Z th ), which is a filter, are required.

여기서 상기 IGBT 손실(P IGBT )의 최대 값은 전류(Ic)가 최대가 되는 지점으로 정현파 전류가 인가되므로 π/2 지점이다. 그리고 필터인 열 등가저항(Z th )의 이득 및 위상지연은 전류의 기본파 주파수(f b )에 따라 계산되어야 하며, 아래의 수학식 5, 6과 같은 함수로 표현될 수 있다. Here, the maximum value of the IGBT loss ( P IGBT ) is the point at which the current (Ic ) becomes the maximum and is the point π/2 because a sinusoidal current is applied. In addition, the gain and phase delay of the thermal equivalent resistance ( Z th ), which is a filter, must be calculated according to the fundamental wave frequency (f b ) of the current, and can be expressed as a function such as Equations 5 and 6 below.

Figure 112019090635894-pat00005
Figure 112019090635894-pat00005

Figure 112019090635894-pat00006
Figure 112019090635894-pat00006

상기 수학식 들을 이용하면 IGBT의 최대온도(T IGBT,max )는 다음 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.Using the above equations, the maximum temperature ( T IGBT,max ) of the IGBT can be calculated as in Equation 7 below.

Figure 112019090635894-pat00007
Figure 112019090635894-pat00007

여기서 I c (t)는 정형파 함수로 I·sin(ωt)로 나타낼 수 있다. Here, I c (t) can be expressed as I·sin(ωt) as a square wave function.

위 수학식에서 최대온도(T IGBT,max )를 유지하고자 하는 동작온도변화량(dT)으로 선정하여 스위칭주파수(f sw )로 나타내면 다음 수학식 8과 같다. In the above equation, if the maximum temperature ( T IGBT,max ) is selected as the amount of change in operating temperature ( dT ) to be maintained and expressed as a switching frequency (f sw ), it is as shown in Equation 8 below.

Figure 112019090635894-pat00008
Figure 112019090635894-pat00008

상기 수학식 8을 적용할 경우 기본파 주파수가 낮으면 스위칭주파수도 낮아지게 되는데, 스위칭주파수가 너무 낮은 경우 전동기 제어가 어려운 점을 고려하여 제어 가능한 범위에 있는 최소 스위칭주파수를 선정하여 스위칭주파수가 이하로 내려가는 것을 방지한다. In the case of applying Equation 8, when the fundamental frequency is low, the switching frequency is also lowered.If the switching frequency is too low, the minimum switching frequency in the controllable range is selected in consideration of the difficulty in controlling the motor, and the switching frequency is less than To prevent going down.

상기 수학식 8은 아래의 수학식 9와 같이 비례적으로도 표현가능하다. Equation 8 can also be expressed proportionally as in Equation 9 below.

Figure 112019090635894-pat00009
Figure 112019090635894-pat00009

여기서, K a 는 등가상수이다.Here, K a is an equivalent constant.

도 3은 상기 도 2에 있어서, 상기 수학식 9에 따라 스위칭주파수를 변경하였을 경우 전력반도체 소자의 온도 변화를 그래프로 보인 예시도이다. 3 is an exemplary diagram showing a temperature change of a power semiconductor device in a graph when the switching frequency is changed according to Equation 9 in FIG. 2.

즉, 도 3은 본 실시예에 따라 철도차량의 저속 영역에서 추진인버터의 스위칭주파수를 변경하여 구동할 경우의 전력반도체 소자의 온도 변화를 설명하기 위하여 보인 그래프의 예시도이다. 도 3의 (a)는 전동기속도(RPM), (b)는 추진인버터의 c상전류, (c)는 스위칭주파수(Fsw), 그리고 (d)는 c상 상단 스위치온도(junction temperature)를 보인 그래프이다. 이때 최소 스위칭주파수는 400Hz 이다.That is, FIG. 3 is an exemplary view of a graph shown to explain a temperature change of a power semiconductor device when driving by changing a switching frequency of a propulsion inverter in a low speed region of a railroad vehicle according to the present embodiment. 3A is a graph showing the motor speed (RPM), (b) is the c-phase current of the propulsion inverter, (c) is the switching frequency (Fsw), and (d) is the c-phase upper switch temperature (junction temperature). to be. At this time, the minimum switching frequency is 400Hz.

도 3의 (d)에 도시된 그래프와 도 1의 (d)에 도시된 그래프를 비교해 보면, 2초 내지 4초 구간에서 온도 변화폭(즉, 동작온도변화량(dT))은, 최대온도가 53도, 최소온도가 45도로부터 점차 온도 변화폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 초기 동작온도변화량(dT)이 30% 이상 감소된 것을 알 수 있다. Comparing the graph shown in (d) of FIG. 3 with the graph of (d) of FIG. 1, the range of temperature change (that is, the amount of change in operating temperature ( dT )) in the interval of 2 seconds to 4 seconds, the maximum temperature is 53 Degrees, it can be seen that the range of temperature change gradually decreases from 45 degrees at the minimum temperature. That is, it can be seen that the initial operating temperature change amount dT is reduced by 30% or more.

상기와 같이 본 실시예는 운전조건에 따라서 제어성능에 영향이 없도록, 전력반도체 소자의 스위칭 주파수만을 변경하여 동작온도변화량(dT)(즉, 온도 변화폭)이 작게 조절함으로써, 이를 통해 전력반도체 수명을 연장하고 히트파이프의 크기도 감소시킬 수 있도록 하는 효과가 있다. As described above, in this embodiment, the operating temperature change amount (dT ) (i.e., the temperature change width) is adjusted to be small by changing only the switching frequency of the power semiconductor element so that the control performance is not affected according to the operating conditions, thereby reducing the power semiconductor lifespan. It has the effect of extending and reducing the size of the heat pipe.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.As described above, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only an example, and various modifications and other equivalent embodiments are possible from those of ordinary skill in the field to which the technology pertains. I will understand the point. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims. Also, the implementation described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), the implementation of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, an apparatus or program). The device may be implemented with appropriate hardware, software and firmware. The method may be implemented in an apparatus such as a processor, which generally refers to a processing device including, for example, a computer, a microprocessor, an integrated circuit or a programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, personal digital assistants (“PDAs”) and other devices that facilitate communication of information between end-users.

110 : 속도 판단부
120 : 초기 스위칭주파수 선정부
130 : 가변 스위칭주파수 선정부
140 : 스위칭주파수 제한부
150 : 구동부
200 : 제어부
110: speed determination unit
120: initial switching frequency selection unit
130: variable switching frequency selection unit
140: switching frequency limiter
150: drive unit
200: control unit

Claims (9)

철도차량의 속도를 판단하는 속도 판단부;
상기 철도차량이 0 속도일 때 지정된 최소 스위칭주파수를 선정하는 초기 스위칭주파수 선정부;
상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시켜 선정하는 가변 스위칭주파수 선정부; 및
상기 철도차량의 속도가 0 속도인 경우 및 0 속도가 아닌 경우에 대응하여 상기 초기 스위칭주파수 선정부 및 상기 가변 스위칭주파수 선정부에서 선정된 스위칭주파수를 기반으로 전력반도체 소자를 스위칭시키는 구동부;를 포함하되,
상기 가변 스위칭주파수 선정부는,
아래 수학식 8을 이용하여, 최대온도(TIGBT,max )를 유지하고자 하는 동작온도변화량(dT)으로 선정하여 상기 스위칭주파수(fsw )로 설정하며,
아래 수학식 9를 이용하여, 제어 가능한 범위에 있는 최소 스위칭주파수를 선정하여 상기 스위칭주파수가 이 이하로 내려가는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치.
(수학식 8)
Figure 112021021191809-pat00014

(수학식 9)
Figure 112021021191809-pat00015

여기서, Ka는 등가상수, VCE(sat) 은 IGBT 데이터시트 상에 전류-VCE 그래프 상에서 전류축과 만나는 전압, Ro 는 전류-VCE 그래프의 기울기, Ic 는 IGBT를 통해 흐르는 전류이며, D는 IGBT의 통류율이며, Eon Eoff Vdc,test 조건에서 테스트되어 데이터시트 상에 명시된 값이고, Vdc,real 은 실제 사용된 직류단 전압, Zth 는 열 등가저항, fb 는 전류의 기본파 주파수,
Figure 112021021191809-pat00016
는 전류의 기본파 주파수(fb )에 따른 열 등가저항의 이득,
Figure 112021021191809-pat00017
는 전류의 기본파 주파수(fb )에 따른 열 등가저항의 위상지연을 의미한다.
A speed determination unit that determines the speed of the railway vehicle;
An initial switching frequency selection unit for selecting a designated minimum switching frequency when the railway vehicle is at zero speed;
A variable switching frequency selection unit configured to increase and select a switching frequency in response to an increase in the vehicle speed of the railway vehicle at the zero speed; And
Including; a driving unit for switching the power semiconductor element based on the switching frequency selected by the initial switching frequency selection unit and the variable switching frequency selection unit in response to the case where the speed of the railway vehicle is 0 speed and not 0 speed. But,
The variable switching frequency selection unit,
Using Equation 8 below, the maximum temperature ( T IGBT,max ) is selected as the operating temperature change amount ( dT ) to be maintained and set as the switching frequency (f sw),
Using Equation 9 below, a power semiconductor element control device for a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that the switching frequency is prevented from falling below this by selecting a minimum switching frequency in a controllable range.
(Equation 8)
Figure 112021021191809-pat00014

(Equation 9)
Figure 112021021191809-pat00015

Here, K a is the equivalent constant, V CE(sat) is the current on the IGBT data sheet-the voltage that meets the current axis on the V CE graph, R o is the current-the slope of the V CE graph, and I c is the current flowing through the IGBT , D is the current flow rate of the IGBT, E on and E off are the values specified in the data sheet after being tested under V dc,test conditions, V dc,real is the actual DC link voltage used, Z th is the thermal equivalent resistance , f b is the fundamental frequency of the current,
Figure 112021021191809-pat00016
Is the gain of the thermal equivalent resistance according to the fundamental wave frequency ( f b) of the current,
Figure 112021021191809-pat00017
Denotes the phase delay of the thermal equivalent resistance according to the fundamental wave frequency ( f b) of the current.
제 1항에 있어서,
상기 가변 스위칭주파수 선정부에서 증가하는 스위칭 주파수가 지정된 스위칭주파수 제한 값보다 증가하지 않도록 스위칭주파수를 제한하는 스위칭주파수 제한부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치.
The method of claim 1,
A switching frequency limiting unit for limiting the switching frequency so that the switching frequency increased by the variable switching frequency selecting unit does not increase than a specified switching frequency limit value; a power semiconductor device control device for a propulsion inverter for a railway vehicle, further comprising.
제 1항에 있어서,
상기 속도 판단부, 상기 초기 스위칭주파수 선정부, 상기 가변 스위칭주파수 선정부의 기능을 통합하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는, 스위칭주파수 제한부의 기능을 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치.
The method of claim 1,
Includes; a control unit for integrating the functions of the speed determination unit, the initial switching frequency selection unit, and the variable switching frequency selection unit,
The control unit is a power semiconductor element control device of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that implemented including a function of a switching frequency limiting unit.
제 1항에 있어서,
상기 철도차량이 0 속도인 경우의 최소 스위칭주파수는 400Hz인 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치.
The method of claim 1,
The power semiconductor device control device of a propulsion inverter for a railroad vehicle, characterized in that the minimum switching frequency when the railroad vehicle is at 0 speed is 400Hz.
제 2항에 있어서, 상기 스위칭주파수 제한 값은,
800Hz인 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 장치.
The method of claim 2, wherein the switching frequency limit value,
A power semiconductor element control device of a propulsion inverter for railway vehicles, characterized in that of 800Hz.
제어부가 철도차량의 속도를 판단하는 단계;
상기 제어부가 상기 철도차량이 0 속도일 때 지정된 최소 스위칭주파수를 선정하는 단계;
상기 제어부가 상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시켜 선정하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 철도차량의 속도가 0 속도인 경우 및 0 속도가 아닌 경우에 대응하여 선정된 스위칭주파수를 기반으로 구동부를 통해 전력반도체 소자를 스위칭시키는 단계;를 포함하되,
상기 제어부는,
아래 수학식 8을 이용하여, 최대온도(TIGBT,max )를 유지하고자 하는 동작온도변화량(dT)으로 선정하여 상기 스위칭주파수(fsw )로 설정하며,
아래 수학식 9를 이용하여, 제어 가능한 범위에 있는 최소 스위칭주파수를 선정하여 상기 스위칭주파수가 이 이하로 내려가는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 방법.
(수학식 8)
Figure 112021021191809-pat00018

(수학식 9)
Figure 112021021191809-pat00019

여기서, Ka는 등가상수, VCE(sat) 은 IGBT 데이터시트 상에 전류-VCE 그래프 상에서 전류축과 만나는 전압, Ro 는 전류-VCE 그래프의 기울기, Ic 는 IGBT를 통해 흐르는 전류이며, D는 IGBT의 통류율이며, Eon Eoff Vdc,test 조건에서 테스트되어 데이터시트 상에 명시된 값이고, Vdc,real 은 실제 사용된 직류단 전압, Zth 는 열 등가저항, fb 는 전류의 기본파 주파수,
Figure 112021021191809-pat00020
는 전류의 기본파 주파수(fb )에 따른 열 등가저항의 이득,
Figure 112021021191809-pat00021
는 전류의 기본파 주파수(fb )에 따른 열 등가저항의 위상지연을 의미한다.
Determining, by the control unit, the speed of the railway vehicle;
Selecting, by the control unit, a designated minimum switching frequency when the railroad vehicle is at zero speed;
Selecting, by the control unit, increasing a switching frequency in response to an increase in the vehicle speed of the railroad vehicle at the zero speed; And
Including, by the control unit, switching the power semiconductor element through a driving unit based on a switching frequency selected in response to a case where the speed of the railroad vehicle is 0 and not the 0 speed,
The control unit,
Using Equation 8 below, the maximum temperature ( T IGBT,max ) is selected as the operating temperature change amount ( dT ) to be maintained and set as the switching frequency (f sw),
Using Equation 9 below, a power semiconductor element control method of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that the switching frequency is prevented from falling below this by selecting a minimum switching frequency in a controllable range.
(Equation 8)
Figure 112021021191809-pat00018

(Equation 9)
Figure 112021021191809-pat00019

Here, K a is the equivalent constant, V CE(sat) is the current on the IGBT data sheet-the voltage that meets the current axis on the V CE graph, R o is the current-the slope of the V CE graph, and I c is the current flowing through the IGBT , D is the current flow rate of the IGBT, E on and E off are the values specified in the data sheet after being tested under V dc,test conditions, V dc,real is the actual DC link voltage used, Z th is the thermal equivalent resistance , f b is the fundamental frequency of the current,
Figure 112021021191809-pat00020
Is the gain of the thermal equivalent resistance according to the fundamental wave frequency ( f b) of the current,
Figure 112021021191809-pat00021
Denotes the phase delay of the thermal equivalent resistance according to the fundamental wave frequency ( f b) of the current.
제 6항에 있어서,
상기 제어부가 상기 0 속도에 있던 철도차량의 차속이 증가함에 따라 이에 대응하여 스위칭주파수를 증가시키되, 상기 증가하는 스위칭 주파수가 지정된 스위칭주파수 제한 값보다 증가하지 않도록 스위칭주파수를 제한하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 방법.
The method of claim 6,
Increasing the switching frequency in response to the increase in the vehicle speed of the railroad vehicle at the zero speed by the control unit, but limiting the switching frequency so that the increasing switching frequency does not increase above a specified switching frequency limit value; Power semiconductor element control method of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that.
제 6항에 있어서,
상기 철도차량이 0 속도인 경우의 최소 스위칭주파수는 400Hz인 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 방법.
The method of claim 6,
The power semiconductor device control method of a propulsion inverter for a railroad vehicle, characterized in that the minimum switching frequency when the railroad vehicle is at 0 speed is 400Hz.
제 7항에 있어서, 상기 스위칭주파수 제한 값은,
800Hz인 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 제어 방법.
The method of claim 7, wherein the switching frequency limit value,
A method for controlling a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that of 800Hz.
KR1020190108793A 2019-09-03 2019-09-03 Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof KR102250973B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190108793A KR102250973B1 (en) 2019-09-03 2019-09-03 Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190108793A KR102250973B1 (en) 2019-09-03 2019-09-03 Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210028311A KR20210028311A (en) 2021-03-12
KR102250973B1 true KR102250973B1 (en) 2021-05-13

Family

ID=75177243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190108793A KR102250973B1 (en) 2019-09-03 2019-09-03 Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102250973B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230085396A (en) 2021-12-07 2023-06-14 주식회사 우진산전 Propulsion control device for railway vehicle

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102062018B1 (en) * 2012-11-14 2020-01-08 현대로템 주식회사 Control circuit of siv for rail vehicle and method
KR20140097776A (en) * 2013-01-30 2014-08-07 오텍캐리어 주식회사 Inverter type air conditioner system for vehicle
KR101526670B1 (en) * 2013-06-26 2015-06-05 현대자동차주식회사 Inverter control method for electric vehicle
KR101888843B1 (en) * 2017-01-02 2018-09-20 엘지전자 주식회사 Apparatus for controlling motor and control method of apparatus for controlling motor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230085396A (en) 2021-12-07 2023-06-14 주식회사 우진산전 Propulsion control device for railway vehicle

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210028311A (en) 2021-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8477518B2 (en) Device for driving inverter
JP4951642B2 (en) Power conversion device and elevator device using the same
US8493018B2 (en) Fast switching for power inverter
US8120306B2 (en) Voltage source inverter with a voltage offset
US8664907B2 (en) Fast switching for power inverter
EP2157684A1 (en) Electric power source control device and heat pump device using the electric power source control device
CN109861571B (en) Drive method and system for improving reliability of SiC inverter
US8624538B2 (en) Motor driving apparatus having function of dynamically switching converter operation mode of AC/DC converter
US8760898B2 (en) Fast switching for power inverter
KR102250973B1 (en) Apparatus for controlling igbt of traction inverter of railway vehicle and method thereof
KR20190090697A (en) Power conversion device
JP6314053B2 (en) Power conversion apparatus and control method thereof
US8441826B2 (en) Fast switching for power inverter
US8917066B2 (en) Method and apparatus of shunt control for multiple power converters on a shared DC bus
JP3350439B2 (en) Elevator control device
JP2009296846A (en) Vehicle inverter device
JP6802126B2 (en) Inverter controller
US11063506B2 (en) Power converter
US20230327599A1 (en) Control device and control method for an electric drive system, and electric drive system
WO2023053565A1 (en) Electric power conversion device, and electric power conversion method
EP4064564A1 (en) Control method of a hybrid power switch
US20100171454A1 (en) Dc/dc bridge
JP2021065026A (en) Gate voltage controller of switching element
JP2021166419A (en) Electric power conversion device
JP2020092505A (en) Power conversion device

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant