KR102624556B1 - 전력소자의 고장 검출 장치 - Google Patents

전력소자의 고장 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 제1 전력소자와 병렬 연결된 제1 저항; 상기 제1 전력소자와 직렬 연결된 제2 전력소자와 병렬 연결되고, 상기 제1 저항과 직렬 연결된 제2 저항; 및 상기 제1 저항과 제2 저항 사이의 상전압에 근거하여 제1 전력소자 또는 제2 전력소자의 고장 여부를 판단하는 고장여부 판단부; 를 포함한다.

Description

전력소자의 고장 검출 장치{APPARATUS FOR DETECTING A FAILURE OF A POWER DEVICE}
본 발명은 전력소자의 고장 검출 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 전력변환 장치 내에 배치된 전력소자들의 고장 여부를 각 전력소자에 병렬 연결된 저항을 이용하여 작동 전에 판단할 수 있게 해줌으로써 일부 전력소자에 단락이 발생한 상태에서의 재작동으로 인한 정상 전력소자의 소손 및 화재 등을 방지하는 전력소자의 고장 검출 장치에 관한 것이다.
최근 자동차의 연비 및 배기가스와 관련된 규제가 강화되면서 하이브리드 및 전기차 관련 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 하이브리드 자동차 전기차가 상품화되어 출시되고 있다. 하이브리드 자동차 및 전기차는 전력을 이용하여 차량을 구동하므로 필연적으로 전력변환 장치인 인버터 및 컨버터를 주요한 구성으로 포함한다. 따라서 이러한 전력변환 장치들의 오작동이나 고장 시 탑승자의 안전을 확보할 수 있게 해주는 기술에 대한 필요성이 커지고 있는 실정이다.
이와 같은 배경에서 전력변환 장치 내부에 사용되는 전력용 반도체 소자의 고장을 검출하는 기능과 관련된 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있다. 그러나 전력용 반도체 소자의 고장 검출 관련 종래 기술은 전력용 반도체 소자의 작동 중에 고장 여부를 모니터링 하는 것을 전제로 하는 경우가 대부분이어서, 작동 전 고장여부를 파악하는 데에는 미치지 못하고 있다.
이러한 한계로 인하여 다수의 전력용 반도체 소자를 포함하는 전력변환 장치에 있어서 작동 전 하나 이상의 전력용 반도체 소자에 단락이 발생한 경우, 사전에 그 발견이 어렵고, 결국 전력변환 장치의 재작동 과정에서 정상이었던 다른 전력용 반도체 소자들이 소손되고, 더 나아가 화재가 발생하게 되는 위험이 존재한다.
한국 등록특허 제0505049호 “인버터의 고장진단 방법”, 2005. 08. 03 등록공고
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,
본 발명의 목적은, 전력소자들의 고장 여부를 각 전력소자에 병렬 연결된 저항을 이용하여 전력소자들의 작동 전에 검출할 수 있는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전력변환 장치 내에 배치된 전력소자들의 고장 여부를 작동 전에 판단할 수 있게 해줌으로써 일부 전력소자에 단락이 발생한 상태에서의 재작동으로 인한 정상 전력소자의 소손 및 화재 등을 방지하는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 절연을 위한 별도의 소자가 필요 없는 구조를 통해 고장검출 회로를 간단히 구성할 수 있게 해주며, 화재 방지를 위한 별도의 퓨즈(fuse)의 사용이 요구되지 않아 컴팩트한 구현을 가능하게 해주는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 아날로그 신호를 통해 곧바로 고장유무를 판단할 수 있게 구성되어 빠른 응답성을 가지는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 제1 전력소자와 병렬 연결된 제1 저항; 상기 제1 전력소자와 직렬 연결된 제2 전력소자와 병렬 연결되면서, 상기 제1 저항과는 직렬 연결된 제2 저항; 및 상기 제1 저항과 제2 저항 사이의 상전압에 근거하여 제1 전력소자 또는 제2 전력소자의 고장 여부를 판단하는 고장여부 판단부; 를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 상기 제1 전력소자와 제2 전력소자는 전력변환 장치 내에 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 상기 제1 전력소자는 입력 전압의 포지티브(positive) 쪽에 위치하는 하이 사이드 전력소자이고, 상기 제2 전력소자는 입력 전압의 네거티브(negative) 쪽에 위치하는 로우 사이드 전력소자인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 상기 고장여부 판단부는 상기 상전압이 제1 전압으로 측정된 경우, 상기 제1 전력소자와 제2 전력소자가 정상인 것으로 판단하고, 상기 상전압이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 측정된 경우, 상기 제1 전력소자가 단락된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 상기 고장여부 판단부는 상기 상전압이 접지 전압으로 측정된 경우, 상기 제2 전력소자가 단락된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전력소자의 고장 검출 장치는, 상기 제1 저항과 제2 저항 사이의 상전압을 스케일링하여 상기 고장여부 판단부에 전달하는 스케일링부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전술한 구성을 통해 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 전력소자들의 고장 여부를 각 전력소자에 병렬 연결된 저항을 이용하여 전력소자들의 작동 전에 검출할 수 있는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공한다.
본 발명은 전력변환 장치 내에 배치된 전력소자들의 고장 여부를 작동 전에 판단할 수 있게 해줌으로써 일부 전력소자에 단락이 발생한 상태에서의 재작동으로 인한 정상 전력소자의 소손 및 화재 등을 방지하는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공한다.
본 발명은 절연을 위한 별도의 소자가 필요 없는 구조를 통해 고장검출 회로를 간단히 구성할 수 있게 해주며, 화재 방지를 위한 별도의 퓨즈(fuse)의 사용이 요구되지 않아 컴팩트한 구현을 가능하게 해주는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공한다.
본 발명은 아날로그 신호를 통해 곧바로 고장유무를 판단할 수 있게 구성되어 빠른 응답성을 가지는 전력소자의 고장 검출 장치를 제공한다.
도 1은 전력변환 장치 내에 배치된 일부 전력소자에 고장이 발생한 상태에서의 작동 시 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력소자의 고장 검출 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력소자의 고장 검출 장치의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일반적인 풀브릿지(full-bridge), 하프브릿지(half-bridge) 구조를 가지는 컨버터(converter) 또는 인버터(inverter)는 전력소자가 직렬로 연결된 암(arm)구조를 가지며 각각의 암을 하나의 상(phase)으로 지칭한다. 이때, 전력소자는 전력 반도체 소자를 의미하고, 직렬로 연결된 전력소자 중 입력전압의 포지티브(positive) 쪽에 위치하는 것을 하이 사이드(high Side) 전력소자, 입력전압의 네거티브(negative) 쪽에 위치하는 것을 로우 사이드(low side) 전력소자라고 한다.
도 1에는 전력변환 장치 내에 배치된 일부 전력소자에 고장이 발생한 상태에서 작동이 이루어질 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이 나타나 있다. 도 1에 나타난 회로는 전력 반도체 스위칭 소자로 이루어진 하이 사이드 전력소자(SH)와 로우 사이드 전력소자(SL)가 직렬로 연결된 회로이다. 이러한 회로는 컨버터와 인터터 등의 전력변환 장치 내에 다수 형성될 수 있다.
도 1의 회로에서 하이 사이드 전력소자(SH) 또는 로우 사이드 전력소자(SL)에 개방 고장(open failure)이 발생한 경우(Case 3 및 Case 4), 회로의 작동 자체가 불가능하므로 고장 상태에서의 작동으로 인한 추가적인 문제가 발생되지 않는다.
그러나 EOS(Electric Over Stress)라고 불리우는 과전류 과전압 등으로 인하여 하이 사이드 전력소자(SH) 또는 로우 사이드 전력소자(SL)에 단락(short failure)이 발생한 상태(Case 1 및 Case 2)에서 회로를 작동시킬 경우, 일시적으로 전원의 포지티브(positive)와 네거티브(negative)가 단락 상태가 되면서 슛스루 전류(shoot-through current)가 발생하게 된다. 이와 같이 슛스루 전류가 발생할 경우 정상 상태였던 하이 사이드 전력소자(SH) 또는 로우 사이드 전력소자(SL)가 소손(2차 소손)되고, 더 나아가 전력변환 장치의 파손, 화재 등 안전에 악영향을 미치는 문제들이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 전력소자의 고장 검출 장치는 도 1에 나타난 바와 같은 회로를 포함하는 전력변환 장치에서 일부 전력소자 즉, 하이 사이드 전력소자(SH) 또는 로우 사이드 전력소자(SL)에 단락이 발생한 경우 전력변환 장치의 가동 전에 이를 검출할 수 있게 해줌으로써 전술한 2차 소손, 화재 등의 문제를 방지하여 준다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력소자의 고장 검출 장치의 구성도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력소자의 고장 검출 장치는, 제1 저항(10), 제2 저항(20), 고장여부 판단부(30) 및 스케일링부(40)를 포함한다.
도 2에 나타난 본 발명의 일 실시예는, 컨버터나 인버터 등과 같은 전력변환 장치 내에 배치된 것으로서, 상기 전력변환 장치는 직렬 연결된 제1 전력소자(100) 및 제2 전력소자(200)를 포함한다. 상기 제1 전력소자(100)는 입력 전압(V)의 포지티브(positive) 쪽에 위치하는 하이 사이드 전력소자이고, 상기 제2 전력소자(200)는 입력 전압의 네거티브(negative) 쪽에 위치하는 로우 사이드 전력소자일 수 있다. 또한, 제1 전력소자(100) 및 제2 전력소자(200)는 전력 반도체 소자로서 스위칭 소자일 수 있다.
상기 제1 저항(10)은 하이 사이드 전력소자 즉, 제1 전력소자(100)와 병렬 연결되어 있고, 상기 제2 저항(20)은 제1 전력소자(100)와 직렬 연결된 로우 사이드 전력소자 즉, 제2 전력소자(200)와 병렬 연결되고, 제1 저항(10)과는 직렬 연결되어 있다. 제1 저항(10) 및 제2 저항(20)은 고저항, 고정밀 저항 등으로 이루어질 수 있으며, 제1 저항(10)과 제2 저항(20)은 동일한 저항값을 가질 수 있다.
상기 고장여부 판단부(30)는 제1 저항(10)과 제2 저항(20) 사이의 상전압에 근거하여 제1 전력소자(100) 또는 제2 전력소자(200)의 고장 여부를 판단한다. 여기서 상전압은 직렬 연결되어 있는 제1 저항(10)과 제2 저항(20) 사이의 지점(P)에서 측정된 전압을 의미한다. 고장여부 판단부(30)는 상기 상전압이 제1 전압으로 측정된 경우, 제1 전력소자(100)와 제2 전력소자(200)가 정상인 것으로 판단하고, 상기 상전압이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 측정된 경우, 상기 제1 전력소자(100)가 단락된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 고장여부 판단부(30)는 상기 상전압이 접지 전압으로 측정된 경우, 제2 전력소자(200)가 단락된 것으로 판단할 수 있다.
구체적인 예를 통해 살펴보면, 제1 저항(10) 및 제2 저항(20)의 저항값이 동일하게 적용되었을 때, 제1 전력소자(100) 및 제2 전력소자(200)가 모두 정상일 경우, 전력변환 장치가 작동하기 전 상태에서, 상전압은 입력 전압(V)의 절반으로 측정된다. 따라서 입력 전압(V)이 VDC라고 할 경우 측정되는 상전압은 VDC/2가 된다.
그러나 하이 사이드 전력소자인 제1 전력소자(100)가 소손 등으로 인해 단락 상태인 경우 측정되는 상전압은 VDC가 된다. 한편, 로우 사이드 전력소자인 제2 전력소자(200)가 소손 등으로 인해 단락 상태인 경우 측정되는 상전압은 입력 전압의 네거티브 전압이 접지되어 있으므로 접지 전압이 된다.
상기 스케일링부(40)는 제1 저항(10)과 제2 저항(20) 사이의 상전압을 스케일링하여 고장여부 판단부(30)에 전달하는 부분이다. 상기 스케일링부(40)는 아날로그로 측정되는 상전압을 스케일링 해줌으로써 고장여부 판단부(30)가 스케일링된 상전압을 통해 고장여부를 곧바로 판단할 수 있게 만들어 준다. 도 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 스케일링부(40)는 비반전 증폭기로 이루어질 수 있으며, 상기 고장여부 판단부(30)는 스케일링된 측정 상전압을 ADC 포트(Port)를 통해 입력 받을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전력소자의 고장 검출 장치에 의하면, 전력변환 장치의 작동 전 즉, 제1 전력소자(100) 및 제2 전력소자(200)를 작동시키지 않고도 제1 저항(10) 및 제2 저항(20)을 이용하여 고장여부를 검출할 수 있다. 따라서 본 발명에 의할 경우 일부 전력소자에 단락이 발생한 상태에서 전력변환 장치 가동 시 일어날 수 있는 정상 전력소자의 소손(2차 소손), 화재 등의 사고를 사전에 방지할 수 있으며, 하이브리드 차량, 전기차 등에 적용 시 전력변환 장치의 화재를 미연에 방지함으로써 운전자의 안전을 확보하여 준다.
또한, 본 발명은 절연을 위한 별도의 소자가 필요 없는 구조를 가지므로 고장검출 회로를 간단히 구성할 수 있게 해주며, 화재 방지를 위한 별도의 퓨즈(fuse)의 사용이 요구되지 않아 컴팩트한 구현을 가능하게 해준다. 뿐만 아니라 아날로그 신호를 바로 받아 고장유무를 판단할 수 있게 해줌으로써 빠른 응답성을 확보하여 준다.
도 3에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력소자의 고장 검출 장치의 구성도가 도시되어 있다.
도 3은 삼상 인버터(3 phase inverter) 상에 본 발명에 따른 전력소자의 고장 검출 장치가 구현된 실시예로서, 도 2에 나타난 바와 같은 하프브릿지 구조를 3개 포함하고 있다. 상세하게 살펴보면, 하이 사이드 전력소자인 제1 전력소자(110, 120, 130)와 로우 사이드 전력소자인 제2 전력소자(210, 220, 230)가 각각 한 쌍씩 직렬로 연결되어 있고, 각 제1 전력소자(110, 120, 130)에 제1 저항(11, 12, 13)이 각각 병렬로 연결되어 있으며, 각 제2 전력소자(210, 220, 230)에 제2 저항(21, 22, 23)이 각각 병렬로 연결되어 있다.
도 2와 관련하여 살펴본 바와 동일한 방법을 통해 상기 고장여부 판단부(30)는, 직렬로 연결된 세 쌍의 제1 저항(11, 12, 13)과 제2 저항(21, 22, 23) 사이의 각 지점(P1, P2, P3)에서의 전압 즉, 독립적으로 측정되는 3개의 상전압을 통하여, 직렬로 연결된 세 쌍의 제1 전력소자(110, 120, 130)와 제2 전력소자(210, 220, 230)에서 각 전력소자의 고장여부를 독립적으로 검출할 수 있다.
또한, 상기 스케일링부(40)는 독립적으로 측정되는 3개의 상전압을 스케일링 하여 고장여부 판단부(30)로 전달하는 역할을 수행한다. 상기 스케일링부(40)는 아날로그 신호인 상전압을 스케일링하여 상기 고장여부 판단두(30)에 제공함으로써 고장여부 판단부(30)가 고장 여부를 바로 판단할 수 있게 해준다.
이상에서 본 발명의 일 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예들에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10, 11, 12, 13: 제1 저항
20, 21, 22, 23: 제2 저항
30: 고장여부 판단부
40: 스케일링부

Claims (6)

  1. 제1 전력소자와 병렬 연결된 제1 저항;
    상기 제1 전력소자와 직렬 연결된 제2 전력소자와 병렬 연결되면서, 상기 제1 저항과는 직렬 연결된 제2 저항; 및
    상기 제1 저항과 제2 저항 사이의 상전압에 근거하여 제1 전력소자 또는 제2 전력소자의 고장 여부를 판단하는 고장여부 판단부; 를 포함하고,
    상기 제1 전력소자와 제2 전력소자는 전력변환 장치 내에 배치되고,
    상기 제1 전력소자는 입력 전압의 포지티브(positive) 쪽에 위치하는 하이 사이드 전력소자이고, 상기 제2 전력소자는 입력 전압의 네거티브(negative) 쪽에 위치하는 로우 사이드 전력소자이고,
    상기 고장여부 판단부는 상기 상전압이 제1 전압으로 측정된 경우, 상기 제1 전력소자와 제2 전력소자가 정상인 것으로 판단하고, 상기 상전압이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 측정된 경우, 상기 제1 전력소자가 단락된 것으로 판단하고,
    상기 고장여부 판단부는 상기 상전압이 접지 전압으로 측정된 경우, 상기 제2 전력소자가 단락된 것으로 판단하는 전력소자의 고장 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 저항과 제2 저항 사이의 상전압을 스케일링하여 상기 고장여부 판단부에 전달하는 스케일링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력소자의 고장 검출 장치.
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