KR102453339B1 - Controlling circuit for multilevel inverter and controlling method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티레벨 인버터에 관한 것으로써, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 멀티레벨 인버터의 고장회피 방법은, 복수의 H-브리지 인버터 셀로 구성된 3상 멀티레벨 인버터에 있어서, 상기 H-브리지 인버터의 고장을 판단하는 단계; 및 상기 판단결과 상기 H-브리지 인버터 셀 전체의 고장인 경우 상기 인버터 셀 전체를 바이패스 하고, 상기 H-브리지 인버터 셀 내의 스위치 고장인 경우 상기 H-브리지 인버터를 2-레벨 인버터로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a multi-level inverter, and a method for avoiding failure of a multi-level inverter according to an aspect of the present invention for achieving the above object is a three-phase multi-level inverter composed of a plurality of H-bridge inverter cells, the determining a failure of the H-bridge inverter; and bypassing the entire inverter cell when the entire H-bridge inverter cell is faulty as a result of the determination, and converting the H-bridge inverter to a 2-level inverter when the switch in the H-bridge inverter cell is faulty. characterized by including.

Description

고장 회피 회로를 가지는 멀티레벨 인버터 {Controlling circuit for multilevel inverter and controlling method thereof}Multilevel inverter having a fault avoidance circuit {Controlling circuit for multilevel inverter and controlling method thereof}

본 발명은 멀티레벨 인버터에 관한 것으로, 특히 멀티레벨 인버터의 고장시에 이를 2-레벨 인버터로 변환하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multilevel inverter, and more particularly to an apparatus and method for converting a multilevel inverter into a two-level inverter in case of failure.

통상적으로 전력기기에는 스위칭 주파수와 출력전압을 동시에 제어할 수 있는 PWM(Pulse Width Modulator) 인버터가 보편화되어 있다. 일반적인 산업용 PWM인버터는, 저압용으로는 2-레벨 인버터가 사용되고, 고압용으로는 멀티레벨 인버터가 사용되고 있다. 2-레벨 인버터에 비해서 멀티레벨 인버터는 다음과 같은 장점들을 가지고 있다.In general, a pulse width modulator (PWM) inverter capable of simultaneously controlling a switching frequency and an output voltage is common in power devices. In general industrial PWM inverters, a 2-level inverter is used for a low voltage, and a multi-level inverter is used for a high voltage. Compared to the 2-level inverter, the multi-level inverter has the following advantages.

첫째로, 인버터 출력파형의 dv/dt 전압-시간 기울기를 감소시키므로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 전기모터의 절연에 미치는 영향을 줄일 수 있다.First, since the dv/dt voltage-time slope of the inverter output waveform is reduced, the influence on the insulation of the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) and the electric motor can be reduced.

둘째로, dv/dt 전압-시간 기울기를 감소시키므로 전자파 방사 또한 개선될 수 있다.Second, by reducing the dv/dt voltage-time slope, electromagnetic radiation can also be improved.

셋째로, 2-레벨 인버터에 비해 낮은 전압을 사용하기 때문에 전도 손실과 스위칭 손실을 줄일 수 있어 결과적으로 효율이 증가한다.Third, since a lower voltage is used compared to a 2-level inverter, conduction loss and switching loss can be reduced, resulting in increased efficiency.

넷째로, 2-레벨 인버터에서 암단락 방지를 위해 필요했던 데드타임이 멀티레벨 인버터에서는 필요 없으므로 출력전압의 왜곡이 발생하지 않는다.Fourth, the output voltage distortion does not occur because the dead time required for the prevention of short circuit in the 2-level inverter is not required in the multi-level inverter.

다섯째로, 2-레벨 인버터에 비해 낮은 전압을 사용하므로 왜율(THD, Total Harmonic Distortion)이 감소한다.Fifth, THD (Total Harmonic Distortion) is reduced because a lower voltage is used compared to the 2-level inverter.

현재 전기차나 하이브리드자동차, 연료전지차량 등에 탑재되는 차량용 전력변환장치에는 2-레벨 PWM 인버터가 적용되어있는데, 전기차 등에 탑재되는 전자부품의 수가 점점 많아짐에 따라 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)문제가 중요하게 대두되고 있으며 전도 및 스위칭 손실에 의한 IGBT 발열을 낮추어 성능을 개선하는 것이 필요하다.Currently, 2-level PWM inverters are applied to electric power converters for vehicles mounted on electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cell vehicles. Therefore, it is necessary to improve the performance by lowering the heat generation of the IGBT due to conduction and switching losses.

또한, 제한된 배터리의 용량을 효율적으로 모터에 전달하여 구동력으로 전환하기 위해서는 인버터 효율 향상이 필요하며 왜율을 낮추어 차량구동성능을 향상시키는 것도 필요하다.In addition, in order to efficiently transfer the limited capacity of the battery to the motor and convert it into driving force, it is necessary to improve the inverter efficiency and to improve the vehicle driving performance by lowering the distortion.

따라서 멀티레벨 인버터를 적용하면 전술한 2-레벨 PWM 인버터의 문제점을 해결할 수 있으나 몇 가지 해결해야 할 문제가 있다.Therefore, applying a multi-level inverter can solve the problems of the above-described 2-level PWM inverter, but there are some problems to be solved.

멀티레벨 인버터는 3-레벨 NPC(Neutral Point Clamped)방식, 다이오드 클램프(Diode Clamped)방식, 플라잉 커패시터(Flying Capacitor)방식, H-Bridge 직렬연결(Cascade) 방식이 있다.The multi-level inverter includes a 3-level NPC (Neutral Point Clamped) method, a diode clamped method, a flying capacitor method, and an H-Bridge cascade method.

NPC방식은 다이오드를 이용하여 스위칭 소자에 걸리는 전압을 클램프하여 소자의 전압 분배가 일정하게 만들어주는 방식이다. The NPC method uses a diode to clamp the voltage applied to the switching element to make the voltage distribution of the element constant.

인버터는 고전압을 사용하므로 출력전압 증가를 위해서는 NPC방식을 확장한 다이오드 클램프 방식을 사용할 수 있다. 다이오드 클램프 방식은 1상마다 여러 개의 스위치와 클램핑 다이오드, 다수의 DC-Link 커패시터로 구성하는 방식이다.Since the inverter uses a high voltage, a diode clamp method extending the NPC method can be used to increase the output voltage. The diode clamp method consists of multiple switches, clamping diodes, and multiple DC-Link capacitors per phase.

다이오드 클램프 방식은 클램핑 다이오드의 인가전압이 일정하지 않으며 DC-Link 커패시터의 전압에 대해 균형을 맞추어야 하는 어려움이 있다.In the diode clamp method, the applied voltage of the clamping diode is not constant, and there is a difficulty in balancing the voltage of the DC-Link capacitor.

플라잉 커패시터는 클램핑 다이오드 및 DC-Link 커패시터의 전압의 균형을 커패시터를 통해 보완해주는 회로 구성이다.The flying capacitor is a circuit configuration that compensates the voltage balance of the clamping diode and the DC-Link capacitor through the capacitor.

H-Bridge 직렬연결방식은 H-Bridge로 구성된 셀을 시리즈로 연결하는 방식으로서 따로 클램핑 회로가 없으며 스위치에 일정한 전압이 인가된다. 단점은 각 셀의 DC-Link 커패시터가 절연되어야 한다는 것이다. 하지만 H-Bridge 셀의 수를 조절함으로써 전압을 조절하는 것이 가능하며 셀단위로 구성되어 있으므로 셀 고장 시 셀단위로 교체가 가능한 장점이 있다.The H-Bridge series connection method connects cells composed of H-Bridges in series. There is no clamping circuit and a constant voltage is applied to the switch. The downside is that each cell's DC-Link capacitor must be isolated. However, it is possible to control the voltage by controlling the number of H-Bridge cells, and since it is configured in units of cells, it has the advantage of being able to replace cells in case of cell failure.

인버터는 배터리의 에너지를 스위칭을 통해 전력을 변환하여 모터에 공급해주는 IGBT와 IGBT를 동작시키기 위한 인버터 제어보드 및 게이트보드를 포함한다. 인버터 제어보드 및 게이트보드는 반도체 소자가 실장된 PCB로 구성된다.The inverter includes an IGBT that converts power from the battery through switching and supplies it to the motor, and an inverter control board and a gate board for operating the IGBT. The inverter control board and the gate board are composed of a PCB on which semiconductor devices are mounted.

인버터 제어보드와 게이트보드의 반도체가 전기적 과부하(EOS, Electrical OverStress)문제에 의해서 파괴될 경우 IGBT를 제대로 동작시키지 못하게 되어 모터구동이 안되거나 잘못될 수 있으므로 제어보드에서는 고장신호를 발생시키고, 차량에 경고신호가 발생되므로 차량이 멈추는 현상이 발생할 수도 있다. 이러한 현상이 고속도로나 일반도로에서 주행 중 발생한다면 뒤따라오던 차량에 의해 추돌사고가 발생할 수 있는 등 위험한 상황이 발생하게 된다. 따라서 이러한 고장에도 불구하고 사용자의 안전을 보장할 수 있는 Fail-Safety 시스템의 구성이 필요하다.If the semiconductors of the inverter control board and the gate board are destroyed due to an electrical overload (EOS, Electrical OverStress) problem, the IGBT cannot operate properly and the motor cannot be operated or the motor cannot be driven properly. As a warning signal is generated, the phenomenon of stopping the vehicle may occur. If such a phenomenon occurs while driving on a highway or general road, a dangerous situation such as a collision may occur due to a vehicle following. Therefore, it is necessary to configure a fail-safety system that can guarantee user safety despite such failures.

기존의 H-Bridge 멀티레벨 인버터는 기본적으로 셀 단위의 고장감시 및 진단기능이 구현되어 있지만 각 셀을 바이패스하는 보조스위치를 장착하여 수동으로 셀을 사용하지 않도록 설정하는 방식이었다. 그러나 차량이라는 동적인 환경에서는 차량 운행 중 발생하는 고장에 대해서 사용자가 수동으로 이러한 설정을 할 수 없는 상황이므로 긴급상황에서는 자동으로 전압레벨을 조정하여 대비할 수 있는 구성이 필요하다. The existing H-Bridge multi-level inverter basically implemented cell-level fault monitoring and diagnosis, but it was a method of manually disabling cells by installing an auxiliary switch that bypasses each cell. However, in the dynamic environment of the vehicle, the user cannot manually set these settings for breakdowns that occur while driving the vehicle, so a configuration that can be prepared by automatically adjusting the voltage level in an emergency situation is required.

본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 친환경 차량 등에 이용되는 멀티레벨 인버터의 셀 고장 시 셀 내부의 고장난 스위치를 자동으로 바이패스하는 기능을 가지는 회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been devised in the technical background as described above, and an object of the present invention is to provide a circuit having a function of automatically bypassing a malfunctioning switch inside a cell when a cell failure of a multi-level inverter used in an eco-friendly vehicle or the like.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 멀티레벨 인버터의 고장회피 방법은, 복수의 H-브리지 인버터 셀로 구성된 3상 멀티레벨 인버터에 있어서, 상기 H-브리지 인버터의 고장을 판단하는 단계; 및 상기 판단결과 상기 H-브리지 인버터 셀 전체의 고장인 경우 상기 인버터 셀 전체를 바이패스 하고, 상기 H-브리지 인버터 셀 내의 스위치 고장인 경우 상기 H-브리지 인버터를 2-레벨 인버터로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with an aspect of the present invention for achieving the above object, there is provided a method for avoiding failure of a multi-level inverter, comprising: determining a failure of the H-bridge inverter; and bypassing the entire inverter cell when the entire H-bridge inverter cell is faulty as a result of the determination, and converting the H-bridge inverter to a 2-level inverter when the switch in the H-bridge inverter cell is faulty. characterized by including.

본 발명에 따르면, 2-레벨 인버터 대신 멀티레벨 인버터의 적용이 가능하므로 전자파 방사 저감을 통해 전자파 간섭 문제를 해결할 수 있고, 고조파 저감을 통해 모터 구동성능이 향상되는 효과도 있으며, 바이패스 스위치를 다수 구성하는 대신 소수의 스위치만으로 기능의 구현이 가능하여 부품수를 줄이고 원가를 절약할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since it is possible to apply a multi-level inverter instead of a 2-level inverter, it is possible to solve the electromagnetic interference problem by reducing electromagnetic radiation, and there is an effect that the motor driving performance is improved by reducing the harmonics. Instead of composing, it is possible to implement functions with only a few switches, which has the effect of reducing the number of parts and saving costs.

도 1은 H-브리지를 연결한 멀티레벨 인버터를 도시한 도면.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 H-브리지 내의 스위치 고장시 2-레벨 인버터로 전환하는 것을 나타낸 구조도.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3상 멀티레벨 인버터에서 H-브리지 고장시 출력전압을 나타낸 구조도.
도 8는 본 발명의 일실시에에 따른 고장회피방법을 나타내는 흐름도.
1 is a view showing a multi-level inverter connected to the H-bridge.
2 to 5 are structural diagrams showing switching to a two-level inverter in case of a switch failure in the H-bridge according to an embodiment of the present invention.
6 to 7 are structural diagrams showing the output voltage when the H-bridge fails in the three-phase multi-level inverter according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a failure avoidance method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Meanwhile, the terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 H-브리지 타입의 멀티레벨 인버터를 나타낸다. 멀티레벨 인버터는 이와 같이 H-브리지를 연결하여 구성한다.1 shows an H-bridge type multi-level inverter. A multi-level inverter is constructed by connecting H-bridges in this way.

멀티레벨 인버터는 H-브리지를 구성하는 각각의 스위치를 온/오프 함으로써 다양한 전압을 얻을 수 있다. The multi-level inverter can obtain various voltages by turning on/off each switch constituting the H-bridge.

예컨대 도 1의 멀티레벨 인버터에서 첫 번째 H-브리지의 스위치 S1 내지 S4를 조절하여 +Vc/2, 0, -Vc/2 세 가지 전압을 얻을 수 있는데, S1과 S4를 온(단락)시키고 S2와 S3을 오프(개방)시키면 +Vc/2의 전압을 얻을 수 있고, 모든 스위치를 개방시키면 전압은 0이 되고, S2와 S3을 온시키고 S1과 S4를 오프시키면 -Vc/2의 전압을 얻을 수 있는 것이다.For example, in the multilevel inverter of FIG. 1, by adjusting the switches S1 to S4 of the first H-bridge, three voltages +Vc/2, 0, -Vc/2 can be obtained. S1 and S4 are turned on (shorted) and S2 By turning off (open) and S3, a voltage of +Vc/2 can be obtained, and when all switches are opened, the voltage becomes 0, and when S2 and S3 are turned on and S1 and S4 are turned off, a voltage of -Vc/2 is obtained. it can be

마찬가지의 방법으로 두 번째 H-브리지에서도 +Vc/2, 0, -Vc/2 세 가지 전압을 얻을 수 있으므로 두 H-브리지 전압을 조합하면 +Vc, +Vc/2, 0, -Vc/2, -Vc 의 다섯가지 전압을 얻을 수 있는 것이다.In the same way, you can get three voltages +Vc/2, 0, -Vc/2 from the second H-bridge, so if you combine the two H-bridge voltages, +Vc, +Vc/2, 0, -Vc/2 It is possible to obtain five voltages of , -Vc .

도 2 내지 도 5는 이러한 H-브리지의 스위치 중 일부에 고장이 생기면 H-브리지의 출력전압이 어떻게 변하는지를 나타낸다.2 to 5 show how the output voltage of the H-bridge changes when a failure occurs in some of the switches of the H-bridge.

도 2는 첫 번째 H-브리지에서 S1이 단락고장을 일으킨 경우를 나타낸다. S1 스위치는 단락고장이 발생한 상태이기 때문에 항상 단락(쇼트)상태가 유지된다.2 shows a case where S1 causes a short circuit failure in the first H-bridge. Since the S1 switch is in a state in which a short circuit has occurred, the short circuit (short) state is always maintained.

나머지 스위치 중 S2와 S3을 오프(개방)시키고 S4를 온(단락)시키면 도 2의 (a)와 같이 H-브리지의 출력은 +Vc/2가 되고, S2와 S4를 오프시키고 S3을 온시키면 H-브리지의 출력은 0이 된다. 따라서 스위치 중 하나가 고장나는 경우 H-브리지는 멀티레벨이 아니라 2-레벨 인버터로 동작하게 되는 것이다.Among the remaining switches, when S2 and S3 are turned off (open) and S4 is turned on (short-circuited), the output of the H-bridge becomes +Vc/2 as shown in Fig. 2 (a), and when S2 and S4 are turned off and S3 is turned on The output of the H-bridge is zero. Therefore, if one of the switches fails, the H-bridge operates as a 2-level inverter rather than a multi-level inverter.

도 2에서 나머지 H-브리지가 정상이면 +Vc/2, 0, -Vc/2 가 가능하고 따라서 두 H-브리지의 조합에 의한 멀티레벨 인버터의 출력은 정상인 경우와 달리 +Vc, +Vc/2, 0, -Vc/2 가 가능한, 즉, -Vc의 출력이 불가능한 상태인 것이다.In FIG. 2, if the remaining H-bridges are normal, +Vc/2, 0, -Vc/2 are possible. Therefore, the output of the multi-level inverter by the combination of the two H-bridges is +Vc, +Vc/2, unlike the normal case. , 0, -Vc/2 are possible, that is, the output of -Vc is impossible.

도 3은 첫 번째 H-브리지에서 S2가 단락고장을 일으킨 경우이다. S2는 항상 단락상태가 유지되므로 나머지 스위치들의 조합에 의해 -Vc/2, 0 두 출력만이 가능하다. -Vc/2 출력을 위해서는 S1과 S4가 오프상태이고 S3이 온상태이어야 하고 0 출력을 위해서는 S1과 S3이 오프상태이고 S4가 온상태이면 된다.3 is a case in which S2 causes a short circuit failure in the first H-bridge. Since S2 is always short-circuited, only two outputs -Vc/2, 0 are possible by the combination of the remaining switches. For output -Vc/2, S1 and S4 should be off and S3 should be on. For output 0, S1 and S3 should be off and S4 should be on.

따라서 도 3과 같이 S2가 단락고장인 경우에 전체 2-레벨 인버터의 출력은 +Vc/2, 0, -Vc/2, -Vc 만이 가능하고 +Vc의 출력이 불가능하다.Therefore, as shown in FIG. 3 , when S2 is a short-circuit failure, only +Vc/2, 0, -Vc/2, and -Vc outputs of the entire 2-level inverter are possible, and the output of +Vc is impossible.

도 4에서는 첫 번째 H-브리지에서 S3이 단락고장인 경우를 나타낸다. S3는 항상 단락인 상태이므로, 첫 번째 H-브리지는 S1과 S4가 오프상태이고 S2가 온상태이면 -Vc/2 출력을 나타내고, S1이 온상태이고 나머지 스위치 S2와 S4가 오프상태이면 0 출력을 나타낸다.4 shows a case where S3 is a short circuit failure in the first H-bridge. Since S3 is always short-circuited, the first H-bridge shows -Vc/2 output when S1 and S4 are off and S2 is on, and 0 when S1 is on and the other switches S2 and S4 are off. indicates

이 경우에 멀티레벨 인버터의 출력은 도 3의 경우와 같이 +Vc/2, 0, -Vc/2, -Vc 만이 가능하고 +Vc 가 될 수는 없다.In this case, the output of the multi-level inverter can only be +Vc/2, 0, -Vc/2, -Vc, and cannot be +Vc, as in the case of FIG. 3 .

도 5는 첫 번째 H-브리지에서 S4가 단락고장인 경우이다. S4가 항상 단락이므로, 첫 번째 브리지는 S1이 온상태이고 S2와 S3이 오프상태이면 +Vc/2 의 전압을 출력하고 S1과 S3이 오프상태이고 S2가 온상태이면 0 전압을 출력한다.5 is a case in which S4 is a short circuit failure in the first H-bridge. Since S4 is always a short circuit, the first bridge outputs a voltage of +Vc/2 when S1 is on and S2 and S3 are off, and 0 when S1 and S3 are off and S2 is on.

그러므로 도 5의 2-레벨 인버터는 +Vc, +Vc/2, 0, -Vc/2 의 전압을 출력할 수 있지만 S4의 고장으로 인해 -Vc의 전압을 출력할 수는 없는 것이다.Therefore, the 2-level inverter of FIG. 5 can output voltages of +Vc, +Vc/2, 0, and -Vc/2, but cannot output the voltage of -Vc due to the failure of S4.

표 1은 이상 설명한 단락고장의 경우에 N개의 H-브리지를 포함하는 멀티레벨 인버터의 스위치 조합들을 모두 표현한 표이다. ON은 단락고장을 포함해서 스위치가 온상태인 것을 나타내고, OFF는 개방고장을 포함하여 스위치가 오프상태인 것을 나타낸다.

Figure 112015105925013-pat00001
는 H-브리지가 배터리로 동작하는 경우의 연결 스위치를 말하고,
Figure 112015105925013-pat00002
는 H-브리지 전체의 바이패스 스위치를 말하여, X는 스위치의 값이 온인지 오프인지 상관없는 Don't Care 상태를 말한다.Table 1 is a table expressing all the switch combinations of the multi-level inverter including N H-bridges in the case of the short-circuit failure described above. ON indicates that the switch is in the ON state including short circuit faults, and OFF indicates that the switch is OFF including open faults.
Figure 112015105925013-pat00001
refers to the connection switch when the H-bridge is operated by battery,
Figure 112015105925013-pat00002
is the bypass switch of the entire H-bridge, and X is the don't care state regardless of whether the value of the switch is on or off.

Figure 112015105925013-pat00003
Figure 112015105925013-pat00003

이상과 같이 멀티레벨 인버터를 구성하는 단위 H-브리지에서 하나의 스위치에 고장이 생기는 경우에 필요로 하는 전압을 얻지 못하는 상황이 발생하므로 종래기술은 DC전압 레벨을 낮추어 모터를 구동하는 방법을 쓰거나 바이패스 스위치를 사용하여 고장이 난 H-브리지 전체를 사용하지 않는 방법을 사용하였다.As described above, in the case of a failure in one switch in the unit H-bridge constituting the multi-level inverter, a situation occurs that the required voltage cannot be obtained. Therefore, the prior art uses a method of driving the motor by lowering the DC voltage level A method was used in which the entire failed H-bridge was not used by using a pass switch.

그런데 본 발명에 따르면 3상 멀티레벨 인버터에서 한 상의 멀티레벨 인버터에 고장이 발생하더라도 이를 단순히 바이패스 시키지 않고 고장난 H-브리지를 2-레벨 인버터로 사용함으로써, 전술한 출력전압 조절 방법을 통해 다른 상의 멀티레벨 인버터의 출력을 함께 이용하여 전압강하 없이 모터를 구동하는 것이 가능하다.However, according to the present invention, even if a failure occurs in a multi-level inverter of one phase in a three-phase multi-level inverter, by using the failed H-bridge as a 2-level inverter without simply bypassing it, the output voltage of the other phase is controlled through the above-described method of controlling the output voltage. It is possible to drive the motor without voltage drop by using the output of the multi-level inverter together.

도 6은 각 상이 세 개의 H-브리지로 구성되고 U, V, W상의 3상을 사용하는 멀티레벨 인버터를 나타낸다.6 shows a multi-level inverter in which each phase consists of three H-bridges and uses three phases of U, V, and W phases.

3상 멀티레벨 인버터는 U, V, W상에서 각각

Figure 112015105925013-pat00004
의 전압을 출력할 수 있고 이들의 조합에 의해, 즉 U-V상, V-W상, W-U상 전압을 +Vc, -Vc, 0으로 만들어 내어 모터를 구동하는 구조이다.Three-phase multi-level inverters have U, V and W phases respectively.
Figure 112015105925013-pat00004
It is a structure that drives the motor by outputting the voltage of , and creating +Vc, -Vc, and 0 voltages of UV phase, VW phase, and WU phase by a combination of these.

정상적인 경우에는 각 상의 전압이

Figure 112015105925013-pat00005
를 출력할 수 있는데 H-브리지의 스위치가 고장인 경우 종래 방식과 같이 바이패스 스위치를 사용하게 되면 고장 난 H-브리지는 항상 전압이 0이므로 고장이 있는 상의 최대 가능전압은
Figure 112015105925013-pat00006
로 낮아지게 된다. 따라서 3상에서 U-V상, V-W상, W-U상 사이의 전압을 원하는 전압으로 만들 수 없는 문제가 발생한다.In normal case, the voltage of each phase is
Figure 112015105925013-pat00005
In case the switch of the H-bridge is faulty, if the bypass switch is used as in the conventional method, the faulty H-bridge always has a voltage of 0, so the maximum possible voltage of the faulty phase is
Figure 112015105925013-pat00006
will be lowered to Therefore, there is a problem that the voltage between the UV phase, VW phase, and WU phase cannot be made to a desired voltage in three phases.

도 7은 H-브리지의 수를 N개로 했을 때의 3상 멀티레벨 인버터를 나타낸다.Fig. 7 shows a three-phase multilevel inverter when the number of H-bridges is N.

N개의 H-브리지 중 하나의 브리지가 고장 난 경우에 종래처럼 바이패스 스위치를 사용하여 H-브리지를 사용하지 않으면 한 상의 최대 출력가능 전압은

Figure 112015105925013-pat00007
가 된다. 하지만 전술한 바와 같이 H-브리지 내의 스위치의 조합을 이용한다면 고장난 스위치의 위치에 따라 +Vc 또는 -Vc 출력은 얻을 수 있으므로, 이와 함께 다른 상들의 전압을 조절하여 전압강하 없이 모터를 구동할 수 있다.If one of the N H-bridges fails and the H-bridge is not used by using the bypass switch as in the prior art, the maximum output voltage of one phase is
Figure 112015105925013-pat00007
becomes However, if a combination of switches in the H-bridge is used as described above, +Vc or -Vc output can be obtained depending on the position of the faulty switch. .

도 8은 3상 멀티레벨 인버터에서 H-브리지의 고장이 있는 경우 본 발명에 따른 고장회피방법을 나타낸 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a failure avoidance method according to the present invention when there is a failure of an H-bridge in a three-phase multi-level inverter.

우선 H-브리지의 출력전압이나 출력전류를 측정하여 H-브리지 셀의 고장을 판단하고(S810), 이것이 H-브리지 셀 전체의 고장인지 셀 내의 스위치의 고장인지 판단한다(S820).First, the failure of the H-bridge cell is determined by measuring the output voltage or output current of the H-bridge (S810), and it is determined whether this is a failure of the entire H-bridge cell or a failure of a switch within the cell (S820).

판단 결과 직렬 연결된 스위치 두 개가 모두 단락고장난 경우처럼 H-브리지 셀 전체의 고장인 경우에는 종래의 경우와 같이 셀 전체를 바이패스하여 H-브리지를 사용하지 않는다(S830).As a result of the determination, if the entire H-bridge cell is faulty as in the case where both switches connected in series are short-circuited, the H-bridge is not used by bypassing the entire cell as in the conventional case (S830).

반면 셀 내부의 한 개의 스위치만 고장난 경우에는 셀 전체를 바이패스하지 않고 전술한 도 2 내지 도 5처럼 H-브리지를 2-레벨 인버터로 전환하여 제한된 동작을 수행한다(S840).On the other hand, if only one switch inside the cell fails, the H-bridge is converted to a 2-level inverter as shown in FIGS. 2 to 5 without bypassing the entire cell and a limited operation is performed (S840).

3상 멀티레벨 인버터의 경우 고장난 상 외의 다른 셀들로부터 전압을 얻어 각 상 사이의 필요한 전압을 만들어 낼 수 있기 때문에 이를 활용하면 고장셀을 바이패스 할 때와 달리 모터나 부하의 전압을 낮추지 않고 필요한 전압을 얻어낼 수 있다.In the case of a three-phase multi-level inverter, it is possible to generate the necessary voltage between each phase by obtaining voltage from cells other than the faulty phase. can be obtained

표 2는 이렇게 H-브리지에서 스위치의 고장이 발생한 경우에, 각 상 사이의 필요전압을 얻기 위해 각 상에서 요구되는 전압의 관계를 나타내는 표이다.Table 2 is a table showing the relationship between the voltages required for each phase in order to obtain the necessary voltage between each phase in the case of a switch failure in the H-bridge.

Figure 112015105925013-pat00008
Figure 112015105925013-pat00008

U-V상 사이의 전압인 Vu - Vv, V-W상 사이의 전압인 Vv-Vw, W-U상 사이의 전압인 Vw-Vu를 각각 +Vc, -Vc, 0으로 맞춰주기 위해서 U, V, W 상의 각 전압인 Vu, Vv, Vw가 얼마가 되어야 하는지를 나타낸다.Each voltage of U, V, and W phases to adjust Vu - Vv, the voltage between U-V phases, Vv-Vw, the voltage between V-W phases, and Vw-Vu, the voltage between W-U phases to +Vc, -Vc, and 0, respectively. It indicates how much Vu, Vv, and Vw should be.

고장이 없는 정상적인 경우라면 각 상은

Figure 112015105925013-pat00009
의 전압을 출력할 수 있으므로 Vu =+Vc, Vv=0, Vw=+Vc의 출력을 각각 가진다면 필요로 하는 각 상 사이의 전압을 문제없이 맞출 수 있다. 하지만 각 상에 고장난 스위치가 포함된 H-브리지가 존재한다면 최대전압이
Figure 112015105925013-pat00010
에 못 미치므로 표에 나타난 각 상의 전압값을 참조하여 각 상 사이의 전압을 만족시킬 수 있는 조합을 찾아내야 한다.In a normal case with no faults, each phase is
Figure 112015105925013-pat00009
Since it is possible to output the voltage of However, if there is an H-bridge with a faulty switch on each phase, the maximum voltage is
Figure 112015105925013-pat00010
Therefore, it is necessary to find a combination that satisfies the voltage between each phase by referring to the voltage values of each phase shown in the table.

예컨대, U상의 H-브리지에서 S2 스위치에 단락고장이 발생한 경우, 도 3에서 살펴본 바와 같이 단락고장이 발생한 H-브리지는 -

Figure 112015105925013-pat00011
또는 0의 전압이 가능하므로 결과적으로 U상의 출력은 -Vc의 전압은 출력이 가능하지만 +Vc 전압은 출력할 수 없고, 최대 전압은
Figure 112015105925013-pat00012
까지만 출력이 가능하다. 그렇다면 표 1에서 첫 번째 행과 같이 +Vc를 가지는 것은 불가능하니, 두 번째 행처럼 Vu = Vw =
Figure 112015105925013-pat00013
로 설정하고, Vv =
Figure 112015105925013-pat00014
로 세팅 함으로써 상 사이의 필요전압인 Vu - Vv, Vv - Vw, Vw - Vu를 각각 +Vc, -Vc, 0으로 설정하는 것이 가능해진다.For example, when a short-circuit failure occurs in the S2 switch in the H-bridge of the U phase, the H-bridge in which the short-circuit failure occurs as shown in FIG. 3 is -
Figure 112015105925013-pat00011
Alternatively, a voltage of 0 is possible. As a result, the output of phase U can output a voltage of -Vc but cannot output a voltage of +Vc, and the maximum voltage is
Figure 112015105925013-pat00012
It is possible to print only up to Then in Table 1, it is impossible to have +Vc as in the first row, so as in the second row, Vu = Vw =
Figure 112015105925013-pat00013
set to , and Vv =
Figure 112015105925013-pat00014
It becomes possible to set the necessary voltages Vu - Vv, Vv - Vw, and Vw - Vu between phases to +Vc, -Vc, and 0, respectively.

Vc의 가능 최대전압이 점점 줄어듦에 따라 Vv의 절대값은 점점 커지는데, Vc가 0이 되면 Vv는 -Vc로 절대값이 최대가 된다. 만일 Vc가

Figure 112015105925013-pat00015
이 된다면 Vv는
Figure 112015105925013-pat00016
이 되어야 하는데 이는 Vv가 가질 수 있는 최대전압을 넘어서는 값이므로 이렇게 설정하는 것은 불가능하다. 따라서 표 2에서는 이러한 값들을 (Not Available)로 표시하였다.As the maximum possible voltage of Vc gradually decreases, the absolute value of Vv gradually increases. When Vc becomes 0, Vv becomes -Vc, and the absolute value becomes maximum. If Vc
Figure 112015105925013-pat00015
If this happens, Vv is
Figure 112015105925013-pat00016
However, it is impossible to set this as it is a value that exceeds the maximum voltage that Vv can have. Therefore, in Table 2, these values are indicated as (Not Available).

표 3 내지 표 7는 각 상 사이의 필요전압에 따른 각 상에서 요구되는 전압을 나타낸 표이다. 전술한 표 2와 마찬가지로 각 상 별로 고장난 H-브리지가 포함된 경우에 대응할 수 있는 방법을 나타낸 표이다.Tables 3 to 7 are tables showing the voltage required for each phase according to the voltage required between each phase. Like Table 2 above, it is a table showing a method that can respond to a case where a broken H-bridge is included in each phase.

Figure 112015105925013-pat00017
Figure 112015105925013-pat00017

Figure 112015105925013-pat00018
Figure 112015105925013-pat00018

Figure 112015105925013-pat00019
Figure 112015105925013-pat00019

Figure 112015105925013-pat00020
Figure 112015105925013-pat00020

Figure 112015105925013-pat00021
Figure 112015105925013-pat00021

본 발명의 다른 실시예에 따른 고장회피회로를 포함한 멀티레벨 인버터(미도시)는 복수의 H-브리지와 제어부를 포함한다.A multi-level inverter (not shown) including a fault avoidance circuit according to another embodiment of the present invention includes a plurality of H-bridges and a control unit.

H-브리지의 고장시에 셀 전체의 고장인 경우 종래의 방법과 같이 수동으로 바이패스시켜 멜티레벨 인버터를 동작시킨다.In case of failure of the H-bridge, if the entire cell fails, the melt-level inverter is operated by manually bypassing it as in the conventional method.

반면 H-브리지의 스위치 하나만 고장인 경우에는 제어부에서 고장난 스위치 외의 다른 스위치를 조절하여 고장난 H-브리지를 2-레벨 인버터로 동작하도록 할 수 있다. 구체적인 방법은 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술한 바와 같다.On the other hand, if only one switch of the H-bridge is faulty, the control unit may control other switches other than the faulty switch to operate the faulty H-bridge as a 2-level inverter. A specific method is the same as described above with reference to FIGS. 2 to 5 .

이렇게 고장난 H-브리지를 2-레벨 인버터로 동작시키는 경우에는 해당 H-브리지가 포함된 상은 최대전압이 제한되기 때문에 표 2 내지 표 7을 참조하여 전술한 것처럼 고장난 H-브리지를 포함하지 않는 다른 상의 전압을 조절하여 전체 3상 멀티레벨 인버터의 상 사이의 전압을 고장나지 않은 정상상태의 상 사이의 전압으로 유지할 수 있다.In the case of operating the failed H-bridge as a 2-level inverter, the maximum voltage of the phase including the corresponding H-bridge is limited. As described above with reference to Tables 2 to 7, other phases not including the failed H-bridge By adjusting the voltage, it is possible to maintain the voltage between the phases of the entire 3-phase multi-level inverter as the voltage between the phases in a steady state without failure.

전술한 바와 같이 H-브리지 전체를 바이패스 하지 않고 고장으로 단락이나 개방 고정된 스위치를 포함하여 H-브리지를 2-레벨 인버터로 전환하여 가능 전압들을 이용하면 주변 상들의 전압을 함께 이용하여 모터에 공급되는 전압을 필요한 전압으로 유지가 가능하므로, 바이패스 스위치를 이용할 때 보다 부품수 절감은 물론 모터 구동 효율도 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, if the H-bridge is converted to a 2-level inverter, including the fixed switch, short-circuited or opened due to a fault without bypassing the entire H-bridge, the voltages of the surrounding phases are used together to the motor. Since it is possible to maintain the supplied voltage at the required voltage, there is an effect of reducing the number of parts and increasing the motor driving efficiency compared to using a bypass switch.

이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.In the above, the configuration of the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, but this is merely an example, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes within the scope of the technical spirit of the present invention. Of course, this is possible. Therefore, the protection scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments and should be defined by the description of the following claims.

Claims (6)

복수의 스위치가 포함된 H-브리지 인버터 셀로 구성된 3상 멀티레벨 인버터에 있어서,
1) 상기 H-브리지 인버터의 고장을 판단하는 단계; 및
2) 상기 1)의 판단결과, 상기 H-브리지 인버터 셀 내의 복수의 스위치 중 하나가 고장인 경우 상기 H-브리지 인버터를 2-레벨 인버터로 전환하고, 상기 스위치 고장인 H-브리지가 포함된 상 이외의 다른 상들의 최대전압을 조절하여 상기 3상 멀티레벨 인버터의 상간 전압을 정상상태의 전압으로 유지하는 단계; 및
3) 상기 1)의 판단결과, 상기 H-브리지 인버터 셀 내의 복수의 스위치 중 둘 이상이 고장인 경우 상기 인버터 셀 전체를 바이패스 하는 단계를 포함하는 멀티레벨 인버터의 고장 회피 방법.
In a three-phase multi-level inverter consisting of an H-bridge inverter cell including a plurality of switches,
1) determining a failure of the H-bridge inverter; and
2) As a result of the determination of 1), if one of the plurality of switches in the H-bridge inverter cell fails, the H-bridge inverter is converted to a 2-level inverter, and the phase including the H-bridge which is the switch failure maintaining the voltage between the phases of the three-phase multi-level inverter as a steady state voltage by adjusting the maximum voltage of the other phases; and
3) As a result of the determination of 1), when two or more of the plurality of switches in the H-bridge inverter cell fail, bypassing the entire inverter cell.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 2)의 전환 단계는,
상기 복수의 스위칭 중 고장난 하나의 스위치가 단락 고장인 경우, 상기 고장난 스위치와 병렬로 연결되고 상기 고장난 스위치와의 접점이 없는 스위치를 단락시키고 나머지 스위치를 개방시켜 최대전압을 출력하고, 상기 고장난 스위치와 병렬로 연결되고 상기 고장난 스위치와 일단이 서로 연결된 스위치를 단락시키고 나머지 스위치를 개방시켜 0 전압을 출력하는 것을 포함하는 멀티레벨 인버터의 고장 회피 방법.
According to claim 1, wherein the conversion step of 2),
When one of the plurality of switches is a short-circuit failure, a switch connected in parallel with the failed switch and having no contact point with the failed switch is short-circuited and the remaining switches are opened to output the maximum voltage, and the failed switch and A method for avoiding failure of a multi-level inverter comprising outputting a zero voltage by short-circuiting a switch connected in parallel and having one end of the failed switch and one end connected to each other and opening the remaining switches.
복수의 스위치가 포함된 H-브리지 인버터 셀; 및
상기 H-브리지 인버터 셀 내의 상기 스위치를 조작하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는
상기 H-브리지 인버터의 고장을 판단하고; 상기 판단결과, 상기 H-브리지 인버터 셀 내의 복수의 스위치 중 하나가 고장인 경우 상기 H-브리지 인버터를 2-레벨 인버터로 전환하고, 상기 스위치 고장인 H-브리지가 포함된 상 이외의 다른 상들의 최대전압을 조절하여 상기 3상 멀티레벨 인버터의 상간 전압을 정상상태의 전압으로 유지하고; 상기 판단결과, 상기 H-브리지 인버터 셀 내의 복수의 스위치 중 둘 이상이 고장인 경우 상기 인버터 셀 전체를 바이패스 하도록 구성되는 고장회피회로를 포함하는 멀티레벨 인버터.
H-bridge inverter cell including a plurality of switches; and
Including a control unit for operating the switch in the H-bridge inverter cell,
the control unit
determine a failure of the H-bridge inverter; As a result of the determination, if one of the plurality of switches in the H-bridge inverter cell is faulty, the H-bridge inverter is converted to a 2-level inverter, and the phases other than the phase including the H-bridge faulty maintaining the voltage between the phases of the three-phase multi-level inverter as a steady state voltage by adjusting the maximum voltage; A multi-level inverter including a fault avoidance circuit configured to bypass the entire inverter cell when at least two of the plurality of switches in the H-bridge inverter cell fail as a result of the determination.
삭제delete 제4항에 있어서, 상기 제어부의 상기 고장회피회로는
상기 복수의 스위치 중 고장난 하나의 스위치가 단락 고장인 경우, 상기 고장난 스위치와 병렬로 연결되고 상기 고장난 스위치와의 접점이 없는 스위치를 단락시키고 나머지 스위치를 개방시켜 최대전압을 출력하고, 상기 고장난 스위치와 병렬로 연결되고 상기 고장난 스위치와 일단이 서로 연결된 스위치를 단락시키고 나머지 스위치를 개방시켜 0 전압을 출력하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
5. The method of claim 4, wherein the failure avoidance circuit of the control unit
When one of the plurality of switches is a short circuit failure, a switch connected in parallel with the failed switch and having no contact with the failed switch is short-circuited and the remaining switches are opened to output the maximum voltage, and the failed switch and A multi-level inverter connected in parallel and further configured to output a zero voltage by short-circuiting the switch having one end connected to the failed switch and opening the remaining switches.
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