KR20010000922U - 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 고장검출용 진단장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 인버터회로에 구비된 IGBT 반도체소자의 건전성을 판단하는데 있어서 그 고장여부 및 고장개소를 신속, 정확하게 발견할 수 있는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 고장검출용 진단장치에 관한 것으로, 본 고안에 의한 진단장치는 직류링크전압을 인가한 후, 그 링크전압이 정상인지를 체크하고, 비정상일때는 직류링크단의 P 또는 N)과, 상전압출력단의 U 또는 V 또는 W에 전압을 인가한 후 그 사이에 구비된 IGBT소자의 전압을 체크하여 정상여부를 판단하고, 링크전압이 정상일때, 직류링크전압을 인가하고, 각 IGBT소자에 게이트전압을 순차적으로 인가시킨 후, 상출력전압(U,V,W)을 체크하여 IGBT의 소손여부를 판단하도록 구성된다.

Description

절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 고장검출용 진단장치{APPARATUS FOR DIAGNOSING TRUBLE OF IGBT}

본 고안은 산업설비에서 모터제어용으로 많이 사용되고 있는 인버터시스템에 구비되는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(이하, IGBT라 한다)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터시스템을 구성하는 IGBT소자의 고장을 쉽게 판별하여 고장 복구시간을 단축할 수 있는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 고장검출용 진단장치에 관한 것이다.

일반적으로, 모터제어에 많이 사용되는 인버터시스템은 입력교류전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터부와, 상기 컨버터부로부터 출력되는 직류전압의 맥동성분을 평활화시키는 평활회로부와, 상기 평활회로부로부터 출력되는 일정한 직류전압을 설정된 교류전압으로 변환시켜 제어모터에 제공하는 인버터부로 이루어지고, 그외, 모터를 정지시키기 위한 브레이크부등이 더 구비된다.

이러한 인버터시스템의 구조를 도 1에 개략적으로 보이는데, 보통 컨버터부(1)는 다이오드소자가 브릿지(BRIDGE)결합되어 이루어지고, 평활회로부(2)는 콘덴서 뱅크로 구성되고, 인버터부(3)는 스위칭소자를 연결하여 사용하는데, 요즈음에는 스위칭소자로서 특성이 우수한 IGBT 반도체소자를 주로 사용한다.

그런데, 상기와 같이 인버터 시스템은 여러가지 제어부품이 복잡하게 구성되어 있기 때문에, 인버터 시스템에 이상이 발생될 때, 이를 육안으로 식별할 수 없어, 고장개소를 발견하는데 어려움이 있다.

특히, 인버터 시스템에 있어서, 고장빈도가 가장 높은 곳이, 인버터부로서 IGBT소자인데, 기존에는 이러한 IGBT 소자를 체크하는 방법으로서, 멀티테스터기(MULTI-TESTER)를 이용하여, IGBT소자 각각의 저항을 측정하여 고장여부를 판단하였다.

즉, IGBT의 콜렉터와 이미터간 저항을 측정하였을 때, 그 저항값이 0[Ω]이면, 불량으로, 10M[Ω]이면 정상으로 판단하였는데, IGBT소자는 특성상 소손발생시 대부분이 쇼트(short)현상 후, 전류의 발열량에 의해 오프되기 때문에 정확하게 판정하는데 어려움이 있다.

이와 같이, 종래에는 인버터시스템에 있어서 IGBT 반도체소자의 고장을 검출하여, 그 이상여부를 정확하고 신속하게 판정할 수 있는 진단장치가 없으므로, 고장발생시 단지 추측에 의해 부품을 교환하여 트러블 슈팅(TROUBLE SHOOTING)을 실시하고 있었으며, 그로인해, 고장 복구시간이 늦어지는 문제점이 있었다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 인버터회로에 구비된 IGBT 반도체소자의 건전성을 판단하는데 있어서 그 고장여부 및 고장개소를 신속, 정확하게 발견할 수 있는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 고장검출용 진단장치를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 절연게이트 바이폴라 트랜지스터로 구성된 인버터회로의 구성을 보이는 회로도이다.

도 2은 인버터회로에 있어서 본 고안에 따른 진단장치의 적용을 보이는 구성도이다.

도 3는 본 고안에 의한 진단장치의 상세한 구성을 보이는 블럭도이다.

도 4는 본 고안에 따른 진단장치의 동작수순을 보이는 플로우챠트이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 컨버터부 2 : 평활회로부

3 : 인버터부 4 : 고장 진단장치

41 : 직류전압인가부 42 : 게이트펄스발생부

43 : 비교판단부 44 : 고장표시부

상술한 본 고안의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 고안에 의한 진단장치는 다수의 IGBT소자로 이루어진 인버터부를 포함하는 인버터시스템에서의 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(이하, IGBT라 함)의 고장검출용 진단장치에 있어서,

입력전원을 상기 IGBT 소자 소손검사용 직류전압으로 변환하는 전원부와,

상기 전원부로부터 출력되는 직류전압을 인버터부의 직류링크단간과 상전압(U,V,W)출력단간에 선택적으로 인가하는 직류전압인가부와,

상기 전원부로부터 출력되는 소정 직류전압을 인버터부의 각 IGBT소자의 게이트펄스입력단에 게이트전압으로 선택적으로 인가하는 게이트펄스발생부와,

상기 직류전압인가부 및 게이트펄스발생부를 제어함에 의해 각 IGBT소자에 게이트전압 또는 그 양단간에 소정 전압을 인가한 후 그에 따라 출력되는 상전압 또는 소자의 C-E전압을 체크하여 소손여부를 판단하는 비교판단부와,

상기 비교판단부의 판단결과를 표시하는 고장검출표시부로 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 고안에 의한 진단장치를 인버터시스템에 적용한 구성을 보이는 블럭도로서, 입력교류전원(예를 들어, 440V)을 직류전원으로 변환하는 컨버터부(1)와, 상기 컨버터부(1)로부터 출력되는 직류전압의 맥동성분을 평활화시키는 평활회로부(2)와, 상기 평활회로부(2)를 통해 출력되는 일정한 직류전압을 설정된 교류전압으로 변환시키는 다수의 IGBT소자로 이루어진 인버터부(3)와, 상기 인버터부(3) 에 구비된 각 중성점에 연결되는 모터(IM)에 있어서, 본 고안에 의한 진단장치는 인버터시스템의 직류링크단(DC-LINK)에 연결되어 인버터회로에 직류전압을 인가하고 초기에 IGBT소자의 이상여부를 확인하기 위한 직류전압인가부(41)와, 상기 인버터부(3)의 각 IGBT소자의 게이트펄스입력단에 연결되어 직류링크전압이 정상적으로 상승하는 경우, 각 IGBT소자의 고장여부를 판별하기 위해 게이트펄스를 순차적으로 인가는 게이트펄스발생부(42)와, 게이트펄스 및 상기 인버터부(3)의 출력전압(U,V,W)를 입력받아 상기 게이트펄스발생부(42)에 의해 게이트펄스를 인가한 후, 각 상전압(U,V,W)과 게이트펄스를 비교하여 IGBT의 건전성을 판단하는 비교판단부(43)와, 상기 비교판단부(43)의 비교결과를 표시하는 고장검출표시부(44)로 구성된다.

그리고, 도 3은 상기 도 2에 도시된 진단장치를 보다 상세하게 도시한 일실시예도로서, 상기 도 2에는 표시되지 않은 전원부가 추가되어 있다.

도시된 바와 같이 본 고안에 의한 진단장치에서 전원부(40)는 상용교류전원(AC 110V/220V)을 이용하여 각 회로를 구동시키기 위한 직류구동전원(DC 15V)를 발생시키는 것으로 과전류 제한/트립회로 갖춘 파워서플라이로 이루어지고, 직류전압인가부(41)는 상기 전원부(40)로부터 인가된 직류전압을 출력하는 인가단을 상기 인버터시스템의 DC-링크단(P,N)과 U,V,W단에 각각 연결하는 다수의 선택스위치로 이루어지고, 상기 게이트펄스발생부(42)는 상기 전원부(40)로부터 출력되는 직류전원이 입력단에 연결되고 그 다수의 출력단은 인버터부(3)의 각 IGBT소자의 게이트단에 연결되는 멀티플렉서(MUX)와, 상기 N,U,V,W를 전원부(40)에 연결하는 다수의 선택스위치로 이루이지고, 상기 비교판단부(43)는 설정된 프로그램에 따라서 상기 직류전압인가부(41)의 다수의 선택스위치들의 스위칭제어하여 직류링크전압 정상인가여부를 판단하고 상기 게이트펄스발생부(42)의 멀티플렉서(MUX) 및 고장검출선택스위치()를 스위칭제어하고 인버터부의 출력전압(U,V,W)을 체크하여 각 IGBT소자의 이상여부를 판단하는 제어기(CPU)로 이루어지고, 상기 고장검출표시부(44)는 상기 제어기(CPU)의 판단결과를 표시하는 표시장치로 구현된다.

상술한 본 고안에 의한 진단장치의 동작을 도 4의 플로우챠트를 참조하여 설명한다.

먼저, 본 고안에 의한 진단장치를 상기 도 2에 보인 바와 같이 인버터시스템에 연결하고, 본 진단장치에 전원(상용교류전원)을 인가하면 본 진단장치의 동작이 시작된다. 이때, 상기 인버터시스템은 입력단으로 입력전압(440V)이 인가되지 않도록 차단되어 있으며, 출력단과 모터(IM)와의 연결된 끊어진 상태가 된다.

즉, 본 진단장치의 제어기(CPU)가 초기화된 후(401), 제어기(CPU)는 상기 인버터의 P-N단자에 전압부(40)로부터 발생된 직류전압(15V)가 인가되도록 상기 직류전압인가부(41)를 스위칭제어한다. 이에 P-N단자에 직류링크전압(DC-LINK)이 인가된다(402).

이렇게, 직류링크전압을 인가한 후, 제어기(CPU)는 직류전압(P-N간)이 정상상태인지를 체크한다(403). 이때, 상기 도2에 도시한 회로도에 구비된 저항(Rp)는 인버터의 직류측에 설치되어 있는 대용량의 콘덴서에 의해 전압을 인가할 경우, 돌입전류가 흐르지 않도록 하기 위한 돌입전류 제한용 저항이며, 상기와 같이 직류전압을 인가한 후, 상기 돌입전류 제한용 저항(Rp)와 인버터의 콘덴서와의 관계에 의한 RC시정수 시간동안에 직류전압이 상승하는지, 계속 OV를 유지하는지 확인한다.이때, 인버터부(3)의 IGBT 소자들은 모두 아암단락(ARM SHORT)상태이므로, 동일상에 있어서, 그 P와 N측의 IGBT가 쇼트되어 있는 상태이다. 따라서, 직류전압이 계속 OV를 유지하면, 소손상태이고, 그렇지 않으면 정상상태이다(403).

상기에서, DC전압이 정상상태가 아니라면, 소정시간 지연 후에(404), 다시 오버플로우인지를 판단하고(405). 이때, 오버플로우가 아니면 상기 DC전압 판단단게로 되돌아가 정상여부를 판단하고, 오버플로우라면, 비정상이므로, 소손 소자를 단단하기 위한 동작(420~425)에 들어간다.

즉, 직류전압인가부(40)에서 P1단자를 인버터의 P에 연결하고, P2단자를 인버터의 U,V,W 상출력단에 각각 연결되도록 스위칭제어하고, 그 다음에는 반대로, P1단자를 인버터의 U,V,W 상출력단에 연결하고 P2단자는 인버터의 N단에 연결되도록 스위칭제어한다. 그리고, 각각의 상태에서 해당 IGBT 소자의 콜렉터-이미터간 전압을 체크한다. 이때, 해당 IGBT소자의 콜렉터-이미터간전압이 OV이면, 그 소자는 소손상태이다. 따라서, 이때, 표시장치(44)에 그 IGBT소자가 이상상태임을 표시한다(414~419).

일반적으로, IGBT는 과전류등에 의해 고장이 발생할 경우, 먼저 IGBT내부 회로는 쇼트션상이 선행되고, 과전류에 의해 오픈현상이 일어난다.

따라서, 본 고안에서는 IGBT가 오픈현상으로 발생될 경우를 검출해내기 위해서, DC링크전압이 정상인 경우, UVW 출력전압이 10V인지를 확인한 후(406), 게이트발생회로부(42)를 제어하여, 각 IGBT소자에 게이트펄스를 순차적으로 인가시킨다(407). 이는 제어기(CPU)가 멀티플렉서(MUX)에 선택신호를 순차적으로 인가함에 의해 이루어진다.

그리고, 상기에 의해 게이트전압이 'H'로 인가될때, 해당 IGBT소자로부터 출력되는 상전압(U 또는 V 또는 W)이 'H'인지를 체크한다(408~413). 이때, 게이트전압이 인가되었는데, 해당 IGBT소자를 통해 출력되는 상전압(U 또는 V 또는 W)이 'H'가 아니라면, 해당 IGBT가 소손상태인 것이므로, 표시장치(44)에 표시한다(414~419).

본 고안은 상술한 바와 같이, 동작함에 의해, IGBT의 이상여부를 신속하고, 정확하게 판별할 수 있으며, 그 진단결과에 따라서 기타개소에 대한 인버터 고장부위의 트러블 슈팅(TROUBLE SHOOT) 계속 실시여부를 결정할 수 있어, 인버터 시스템의 고장발생시 복구시간을 단축시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 다수의 IGBT소자로 이루어진 인버터부를 포함하는 인버터시스템에서의 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(이하, IGBT라 함)의 고장검출용 진단장치에 있어서,

   입력전원을 상기 IGBT 소자 소손검사용 직류전압으로 변환하는 전원부와,

   상기 전원부로부터 출력되는 직류전압을 인버터부의 직류링크단간과 상전압(U,V,W)출력단간에 선택적으로 인가하는 직류전압인가부와,

   상기 전원부로부터 출력되는 소정 직류전압을 인버터부의 각 IGBT소자의 게이트펄스입력단에 게이트전압으로 선택적으로 인가하는 게이트펄스발생부와,

   상기 직류전압인가부 및 게이트펄스발생부를 제어함에 의해 각 IGBT소자에 게이트전압 또는 그 양단간에 소정 전압을 인가한 후 그에 따라 출력되는 상전압 또는 소자의 C-E전압을 체크하여 소손여부를 판단하는 비교판단부와,

   상기 비교판단부의 판단결과를 표시하는 고장검출표시부로 구성됨을 특징으로 하는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 고장검출용 진단장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비교판단부는 직류링크전압을 인가한 후, 그 링크전압이 정상인지를 체크하고, 비정상일때는 직류링크단의 P 또는 N)과, 상전압출력단의 U 또는 V 또는 W에 전압을 인가한 후 그 사이에 구비된 IGBT소자의 전압을 체크하여 정상여부를 판단하고, 링크전압이 정상일때, 직류링크전압을 인가하고, 각 IGBT소자에 게이트전압을 순차적으로 인가시킨 후, 상출력전압(U,V,W)을 체크하여 IGBT의 소손여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 고장검출용 진단장치.