KR20050011030A - Aging Diagnosis Method and Apparatus for Power Conversion Systems - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력변환장치의 열화진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력변환장치의 부품들 중에서 수명 및 운전특성을 결정하는 주요 부품인 전력용 반도체 소자의 열화상태를 전력변환장치의 동작중에 측정하는 전력변환장치의 열화진단 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for diagnosing deterioration of a power converter. More particularly, the present invention relates to a method of operating a power converter for determining a deterioration state of a power semiconductor device, which is a main component for determining lifetime and operation characteristics among components of a power converter. The present invention relates to a method and an apparatus for diagnosing deterioration of a power converter measured during the test.
일반적으로 전력변환장치는 도 1의 AC-DC 정류기, 도 2의 DC-DC 컨버터 및 도 3의 DC-AC 인버터로써 크게 구별할 수 있다. 이러한 전력변환장치는 산업분야에서 도금용, 통신용, 전기로, 전철구동장치 등 산업공정에 핵심기기로서 사용되고 있으며, 시장규모는 국내시장 3000억원대, 세계시장 연간 15조원으로 추정되고 있다. 또한, 전력변환장치는 주로 산업기기의 동력부분을 제어하는 부분에 연관되어 있는 관계로 짧은 시간의 운전정지가 전체 제품 생산의 막대한 손실을 초래하며, 특히 병원과 같은 장소에 설치되어 있는 장치의 경우 운전정지는 인간의 생명에 직결되는 큰 문제를 야기하게 된다. 따라서 이를 방지하기 위해 여분의 장치를 별도로 설치하는 방법을 사용하지만 장치의 가격이 수 천만원에서 수 억원대에 이르는 고가성으로 인해 이 또한 경제적 부담이 매우 큰 실정이다.In general, the power converter can be classified into the AC-DC rectifier of FIG. 1, the DC-DC converter of FIG. 2, and the DC-AC inverter of FIG. 3. These power converters are used as key devices in industrial processes such as plating, telecommunications, electric furnaces, and train drives in the industrial sector. The market size is estimated at 300 billion won in domestic market and 15 trillion won in global market annually. In addition, the power converter is mainly related to the power control part of the industrial equipment, so a short time stoppage causes a huge loss of the entire product production, especially in a device installed in a place such as a hospital. Stop driving causes a big problem that is directly related to human life. Therefore, in order to prevent this, a separate device is used to install a separate device, but the price of the device is tens of millions of won to hundreds of millions of units due to the high economic burden.
상기한 전력변환기기의 운전신뢰도를 높이기 위해서는 점검이 가장 중요하지만 점검을 위한 인력 확보가 어렵고, 특성상 부품이 많아 이를 효율적으로 점검하기가 매우 난해하다. 또 작업시간을 피해서 점검을 해야 하므로 점검시간이 짧고 많은 수고를 필요로 한다. 하지만 이러한 부담감을 안은 상태에서의 전력변환기기의 종작정지중의 진단방법도 세계적으로 확립되어 있지 않은 형편이다.In order to increase the operation reliability of the power conversion device, the inspection is most important, but it is difficult to secure manpower for inspection, and it is very difficult to check it efficiently due to the large number of parts. In addition, the inspection time should be avoided, so the inspection time is short and requires a lot of effort. However, the diagnosis method during the termination of the power conversion device under such a burden is not established worldwide.
이와 같이 전력변환장치에 대한 진단방법의 결핍은 전력변환장치의 안전확보에 문제를 야기하는 것뿐만이 아니라 장치의 경제적 비활용성에도 심각한 문제를야기한다. 고가의 장치를 구입 후 정확한 성능 진단이 결여된 상태에서 제품회사측에서 제공하는 단순한 데이터에 의존하여 장치의 수명을 추정하여 충분히 활용될 수 있는 상태에서도 폐기처분하고 새로운 장치로 대치하는 것은 큰 경제적 손실이다.This lack of diagnostic methods for power converters not only causes problems in securing the safety of the power converter, but also causes serious problems in economic inefficiency of the device. In the absence of accurate performance diagnosis after purchasing expensive devices, relying on simple data provided by the product company to estimate the life of the device and to dispose of it and replace it with a new device even if it can be fully utilized, is a great economic loss. to be.
이처럼 전력변환장치의 효율적인 진단방법의 확립은 단순히 장치의 안전한 동작을 확보해 준다는 의미뿐만이 아니라 더 나아가서는 전력변환장치가 장착되어있는 전체 시스템의 안정성을 높여주며 고가의 장비들의 활용성을 증가시켜 경제적 부가가치를 높이는 중요한 의미를 갖는다.The establishment of an efficient diagnostic method of the power converter not only means safe operation of the device, but also improves the stability of the entire system equipped with the power converter and increases the utilization of expensive equipment. It is important to increase added value.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 전력변환장치의 부품들 중에서 수명 및 운전특성을 결정하는 주요 부품인 전력용 반도체 소자의 열화상태를 전력변환장치의 동작중에 측정하는 장치 및 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been proposed in view of the above-described conventional situation, and is an apparatus for measuring the deterioration state of a power semiconductor device, which is a main component that determines a lifetime and operation characteristics among the components of a power conversion device during operation of the power conversion device. And to provide a method.
이를 실현하기 위해서 전력용 반도체 소자의 턴-온 시의 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 변화를 정적 및 동적으로 측정하며 전력용 반도체 소자의 출력커패시터(Output Capacitor)에 충전된 전하(QC)와 역병렬 다이오드의 회복전하(Recovered Charge, QR)의 합의 양(QTOT=QC+QR)을 측정하는 것을 통해서 전력용 반도체 소자의 열화도를 정량적으로 측정할 수 있는 방법을 공급하는 것을 특징으로 한다.To realize this, the change in the voltage V CE_ON between the collector and the emitter at the turn-on of the power semiconductor device is measured statically and dynamically, and the charge charged in the output capacitor of the power semiconductor device to quantitatively measure the degree of deterioration of the power semiconductor device by measuring the agreement amount (Q TOT = Q C + Q R) of the (Q C) and the reverse recovery charge of the parallel diode (recovered charge, Q R) It is characterized by supplying a method.
전력용 반도체 소자는 구조 및 제조상 턴-온 시 콜렉터와 에미터 사이의 터미널전압(VCE_ON)을 크게 포화전압(Saturation Voltage; VCE,SAT)과 리드선에서 발생하는 전압강하(Resistive Voltage Drop; VCE,RDROP)로 나누어 (VCE_ON=VCE,SAT+VCE,RDROP)로 볼 수 있다. 전력용 반도체 소자의 내부 구조적으로 정공과 전하의 도핑농도 차이와 이동에 의하여 발생되는 포화전압과 제조상 필수적으로 사용되는 리드선에서 발생하는 전압강하의 크기는 전력용 반도체 소자를 사용하는 조건과 시간에 따라서 변화를 일으키며 이러한 온도변화와 진동 등의 계속적인 축적에 의해 전력용 반도체 소자의 열화가 누적되어서 종국에는 전력용 반도체 소자가 파괴되는 일을 초래한다. 이와같은 전력변환장치의 턴-온 시 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 변화를 운전 시에도 효과적으로 측정할 수 있는 측정방법을 통하여 전력용 반도체 소자의 열화진단 지수로 활용하는 방법을 본 발명에서 일차적으로 제안하고자 한다.In the semiconductor device for power and structure, the terminal voltage (V CE_ON ) between the collector and the emitter during turn-on greatly increases the saturation voltage (V CE, SAT ) and the voltage drop generated by the lead wire (Vesistive Voltage Drop; V). It can be divided into (V CE_ON = V CE, SAT + V CE, RDROP ). The saturation voltage caused by the difference in the doping concentration and the movement of holes and charges in the internal structure of the power semiconductor device, and the magnitude of the voltage drop occurring in the lead wire which is essential for manufacturing, depend on the conditions and time of using the power semiconductor device. It causes a change, and deterioration of the power semiconductor element is accumulated by the continuous accumulation of such a temperature change and vibration, and eventually, the power semiconductor element is destroyed. The method of measuring the change of the voltage (V CE_ON ) between the collector and the emitter at the time of turn-on of the power conversion device can be effectively measured even during operation. It is primarily proposed in the present invention.
전력용 반도체 소자의 턴-온 시 스위치 전류는 부하전류까지 일정한 기울기를 가지고 상승한다. 이 동안 전력용 반도체 소자는 계속 턴-오프 상태를 유지하게 되므로 스위치의 순시전압과 순시전류의 곱이 열적 손실로 나타나게 된다. 특히 부하전류까지 도달한 후에 나타나는 과전류는 정상전류 크기에 비해서 상당히 큰 값을 가지며 과전류의 크기 및 지속시간은 전력용 반도체 소자의 출력커패시터 (Output Capacitor)에 충전된 전하(QC)와 역병렬 다이오드의 회복전하(RecoveredCharge; QR)의 합의 양(QTOT=QC+QR)에 의해서 결정이 된다. 결과적으로 과전류가 발생하는 동안의 스위칭 손실이 턴-온 시 스위칭손실 중에서 큰 부분을 차지하게 된다. 전력용 반도체 소자가 열화 될수록 QTOT는 변화를 보이게 되며 결과적으로 이 양을 측정함으로 인해서 스위치의 열화상태를 진단할 수 있는 방법을 제안한다.At turn-on of the power semiconductor device, the switch current rises with a constant slope to the load current. During this time, since the power semiconductor device is continuously turned off, the product of the switch instantaneous voltage and the instantaneous current appears as a thermal loss. In particular, the overcurrent appearing after reaching the load current has a considerably larger value than the normal current, and the magnitude and duration of the overcurrent are the charge (Q C ) and the antiparallel diode charged in the output capacitor of the power semiconductor device. a recovery charge (RecoveredCharge; Q R) is determined by the agreed amount (Q TOT = Q C + Q R) of the. As a result, switching losses during overcurrent are a large part of switching losses at turn-on. As the power semiconductor device deteriorates, the Q TOT shows a change, and as a result, a method for diagnosing the deterioration state of the switch is proposed by measuring the amount.
도 1은 전력변환장치로서 AC 단상회로의 AC-DC 정류기 회로를 도시한 도면,1 is a view showing an AC-DC rectifier circuit of an AC single-phase circuit as a power converter;
도 2는 전력변환장치로서 DC-DC 부스터 컨버터 회로를 도시한 도면,2 shows a DC-DC booster converter circuit as a power converter;
도 3은 전력변환장치로서 DC-AC 인버터 회로를 도시한 도면,3 shows a DC-AC inverter circuit as a power converter;
도 4는 전력변환장치에 사용되는 전력용 반도체 소자의 턴-온 시 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)을 발생시키는 저항성분들을 표시한 도면,4 is a view showing resistance components that generate a voltage V CE_ON between both ends of a collector and an emitter at turn-on of a power semiconductor device used in a power converter;
도 5는 전력변환장치에 사용되는 전력용 반도체 소자의 포화전압(VCE_SAT)의 온도와 도통전류에 따른 변화분포를 도시한 도면,FIG. 5 is a diagram illustrating a change distribution according to a temperature and a conduction current of a saturation voltage V CE_SAT of a power semiconductor device used in a power conversion device. FIG.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전력변환장치에 사용되는 전력용 반도체 소자의 턴-온 시 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 정적변화를 측정하여 전력변환장치의 열화를 진단하는 장치를 도시한 도면,FIG. 6 illustrates the deterioration of the power converter by measuring the static change in voltage V CE_ON between the collector and the emitter at turn-on of the power semiconductor device used in the power converter according to the preferred embodiment of the present invention. A diagram showing a device for diagnosing,
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 전력변환장치에 사용되는 전력용 반도체 소자의 턴-온 시 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 정적변화와 콜렉터전류(전력변환장치의 도통전류)를 측정하여 전력변환장치의 열화를 진단하는 장치를 도시한 도면,FIG. 7 illustrates a static change in the voltage V CE_ON between the collector and the emitter at the turn-on of the power semiconductor device used in the power converter according to another exemplary embodiment of the present invention, and the collector current (of the power converter). A diagram showing an apparatus for diagnosing deterioration of a power converter by measuring conduction current)
도 8은 전력변환장치의 동작 중에 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 동작에 따른 도통전류의 변화를 도시한 도면,8 is a view showing a change in conduction current according to a pulse width modulation (PWM) switching operation during an operation of a power converter;
도 9는 PWM 스위칭 동안의 전력용 반도체 소자의 턴-온 시 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 동적변화를 도시한 도면,FIG. 9 is a diagram illustrating a dynamic change in voltage V CE_ON between both ends of a collector and an emitter at turn-on of a power semiconductor device during PWM switching; FIG.
도 10은 턴-온/오프 동작에 따른 전력용 반도체 소자의 출력커패시터에 충전된 전하(QC)와 역병렬 다이오드의 회복전하 (QR)에 따른 도통전류의 파형을 도시한 도면이다.FIG. 10 is a view illustrating waveforms of conduction current according to the charge Q C charged in the output capacitor of the power semiconductor device during the turn-on / off operation and the recovery charge Q R of the anti-parallel diode.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
10,20 : 저항 직렬회로 30 : 격리회로10,20: resistance series circuit 30: isolation circuit
40 : 증폭회로 50 : 아날로그/디지털변환기40: amplification circuit 50: analog / digital converter
60 : 디지털신호처리부 70 : 열화진단부60: digital signal processor 70: degradation diagnostic unit
80 : 전류감지부80: current sensing unit
이하, 본 발명의 전력변환장치의 열화진단 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an apparatus and a method for diagnosing deterioration of a power converter of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 4는 전력용 반도체 소자의 내부구조에서 턴-온 시의 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)을 발생시키는 저항성분들의 분포를 도시한 도면이며, 도 5는 온도와 전류값에 따른 포화전압의 변화를 도시한 도면이며, 도 6은 이에 따른 턴-온 시의 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 변화를 측정하기 위해 본 발명에서 제안하는 전력변환장치의 열화진단 장치를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a distribution of resistance components that generate voltage V CE_ON between the collector and the emitter at turn-on in an internal structure of a power semiconductor device, and FIG. 5 according to temperature and current values. 6 is a diagram illustrating a change in saturation voltage, and FIG. 6 is a degradation diagnosis device of a power conversion device proposed by the present invention for measuring a change in voltage V CE_ON between a collector and an emitter during turn-on. Figure is a diagram.
도면 4에 도시한 바와 같이, IGBT(Integrated Gate Bipolar Transister), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGCT(Integrated Gate Commutated 쑈갼색) 등과 같은 전력용 반도체 소자의 내부에 정공과 전하의 움직임에 의해 내부저항이 생성되고, 이에 의해 전력용 반도체 소자의 포화전압(VCE_SAT)이 발생하며, 이 값은 도 5에 도시한 바와 같이 전력용 반도체 소자의 접합(Junction) 온도와 도통전류의 크기에 따라서 증가하는 추세를 보인다. 또한, 반도체 층(Layer)에서 콜렉터 단자, 에미터 단자, 그리고 게이트 단자를 만들기 위해 도체(Conductor)를 부착하고 리드선을 연결하게 되므로 여기에도 저항성분이 발생하게 되며 전류의 도통에 따라 전압강하(Resistive Voltage Drop; VCE,RDROP)가 발생하게 된다.As shown in FIG. 4, due to the movement of holes and charges inside a power semiconductor device such as an integrated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOST), an integrated gate committed (IGCT), and the like. An internal resistance is generated, thereby generating a saturation voltage (V CE_SAT ) of the power semiconductor device, which is determined according to the junction temperature and the conduction current of the power semiconductor device as shown in FIG. 5. The trend is increasing. In addition, since a conductor is attached and a lead wire is connected to make a collector terminal, an emitter terminal, and a gate terminal in a semiconductor layer, a resistance component is generated here, and a voltage drop occurs due to the conduction of current. ; V CE, RDROP ).
이와 같은 특성을 가진 전력용 반도체 소자로 전력변환장치를 구성하여 실제 현장에서 동작을 시키게 되면, 정상상태의 전압 및 전류 외에도 과전압, 과전류 등의 여러 과도상태를 무수히 겪게 된다. 또한, 외부의 기계적 진동 등의 악조건 속에서 동작이 되므로 기계적으로 부착(Bonding)된 리드선의 접촉저항은 시간이 지날수록 증가하게 된다. 따라서, 전력용 반도체 소자의 열화에 따라 비례적으로 전류의 도통에 따라 전압강하(VCE_RDROP) 성분은 증가하는 추세를 보이게 된다.When a power conversion device is configured with a power semiconductor device having such characteristics and operated in an actual field, it undergoes numerous transient states such as overvoltage and overcurrent in addition to the normal voltage and current. In addition, since the operation is performed under adverse conditions such as external mechanical vibration, the contact resistance of the mechanically attached lead wires increases with time. Therefore, the voltage drop V CE_RDROP component increases in proportion to the conduction of current as the power semiconductor device deteriorates.
전력용 반도체 소자의 포화전압(VCE_SAT)과 리드선에서 발생하는 전압강하 (VCE_RDROP) 성분의 총 합은 턴-온 시에 전력용 반도체 소자의 콜렉터와 에미터 사이의 터미널에서 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 형태로 외부에 나타나게 되므로, 본 발명에서는 이를 측정하여 전력변환장치에서의 전력용 반도체 소자의 열화지수로 이용할 수 있게 된다.The sum of the saturation voltage (V CE_SAT ) of the power semiconductor device and the voltage drop (V CE_RDROP ) component that occurs in the lead wire is between the collector and the emitter at the terminal between the collector and the emitter of the power semiconductor device at turn-on. Since the voltage between the two ends of (V CE_ON ) is shown to the outside, the present invention can measure it and use it as the deterioration index of the power semiconductor device in the power converter.
이를 측정하기 위한 회로 구성을 도 6에 도시하였다. 즉, 본 실시예에 따른 전력변환장치의 열화진단장치는, 제1 및 제2 저항 직렬회로(10)(20)와, 격리회로(Isolation Circuit)(30), 증폭회로(40), 아날로그/디지털변환부(50), 디지털신호처리부(60) 및 열화진단부(70)를 포함하여 구성된다.The circuit configuration for measuring this is shown in FIG. That is, the degradation diagnostic apparatus of the power converter according to the present embodiment includes the first and second resistor series circuits 10 and 20, an isolation circuit 30, an amplifier circuit 40, and an analog / And a digital conversion unit 50, a digital signal processing unit 60 and a deterioration diagnosis unit 70.
상기 제1 저항 직렬회로(10)는 전력변환장치를 구성하는 전력용 반도체 소자의 콜렉터 단자와 접지 사이에 연결된 고정밀한 저항값을 갖는 다수의 저항(R1~R_n)으로 구성되고, 상기 제2 저항 직렬회로(20)는 상기 전력용 반도체 소자의 에미터 단자와 접지 사이에 연결된 고정밀한 저항값을 갖는 다수의 저항(R1'~Rn')으로 구성된다.The first resistor series circuit 10 includes a plurality of resistors R1 to R_n having a high resistance value connected between the collector terminal and the ground of the power semiconductor device constituting the power converter, and the second resistor The series circuit 20 is composed of a plurality of resistors R1 'to Rn' having a high precision resistance value connected between the emitter terminal of the power semiconductor element and the ground.
상기 격리회로(30)는 제1 저항직렬회로(10)의 저항들 사이의 소정 노드와 상기 제2 저항직렬회로(20)의 접지사이에 접속되어, 상기 소정 노드와 상기 접지사이의 전압을 다른 성분에 의하여 변동되지 않도록 격리처리한다.The isolation circuit 30 is connected between a predetermined node between the resistors of the first resistor series circuit 10 and the ground of the second resistor series circuit 20 to change a voltage between the predetermined node and the ground. Isolate to prevent variation by ingredients.
상기 증폭회로(40)는 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)의 변화가 수 mmV 정도로 미미할지라도 고정밀 저항을 사용하여 증폭한다. 상기 아날로그/디지털변환부(A/D Conversion Circuit)(50)는 상기 증폭회로(40)를 통과한 측정 가능하게 증폭된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환한다.The amplification circuit 40 amplifies using a high precision resistor even if the change in voltage V CE_ON between the collector and the emitter is only a few mmV . The analog / digital conversion unit 50 converts the measurable amplified analog signal passed through the amplification circuit 40 into a digital signal.
상기 디지털신호처리부(60)는 상기 아날로그/디지털변환부(50)를 통과한 디지털 신호를 열화진단 데이터로 사용하여 열화진단을 위한 디지털 신호처리를 수행한다.The digital signal processing unit 60 performs digital signal processing for degradation diagnosis by using the digital signal passed through the analog / digital conversion unit 50 as degradation diagnostic data.
상기 열화진단부(70)는 상기 디지털신호처리부(60)에서 신호처리된 데이터를 누적 저장해 놓고서 열화진단을 수행한다.The degradation diagnosis unit 70 accumulates and stores data processed by the digital signal processor 60 to perform degradation diagnosis.
한편, 본 발명에서는 전력변환장치를 구성하는 전력용 반도체 소자의 게이트단자(G)에 입력되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호(S1)(S2)에 의하여 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작에 따른 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)과 도통전류(I)의 변화관계를 이용하여 이의 동적인 기울기 변화를 측정하여 전력용 반도체 소자 열화진단 지수로 사용한다.On the other hand, in the present invention and the collector according to the switching operation of the power semiconductor device by the PWM (Pulse Width Modulation) signal (S1) (S2) input to the gate terminal (G) of the power semiconductor device constituting the power conversion device and The change in dynamic slope is measured using the relationship between the voltage V CE_ON between the emitters and the conduction current I, and used as a diagnostic index for degradation of power semiconductor devices.
이는 도 7에 도시한 바와 같은 전력변환장치의 열화진단 장치에 의하여 구현할 수 있으며, 도 7의 전력변환장치의 열화진단 장치는 도 6의 장치와 비교하여 볼 때, 전력용 반도체 소자의 콜렉터 단자에 접속되어 전력변환소자의 콜렉터 전류(IC, 즉 도통전류)를 감지하여 증폭회로(40)에 전달하는 전류감지부(80)를 더 포함하여 구성된다. 그리고 상기 증폭회로(40)는 상기 격리회로에서 입력되는 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)과 함께 전류 감지부에서 입력되는 콜렉터전류(즉, 도통전류)를 증폭하고, 아날로그/디지털변환부(50)는 상기 증폭회로(40)를 통과한 콜렉터와 에미터 사이의 양단간의 증폭 전압과 콜렉터전류(즉, 도통전류)를 디지털신호로 변환한다. 또, 디지털신호처리부(60)는 상기 아날로그/디지털변환부(50)를 통과한 콜렉터와 에미터 사이의 양단간의 증폭 전압에 대한 디지털신호와 콜렉터전류(즉, 도통전류)에 대한 디지털 신호를 열화진단 데이터로 사용하여 열화진단을 위한 디지털 신호처리를 수행하고, 상기 열화진단부(70)는 상기 디지털신호처리부(60)에서 콜렉터와 에미터 사이의 양단간의 증폭 전압에 대한 디지털신호와 콜렉터전류(즉, 도통전류)에 대하여 디지털 신호처리된 데이터를 누적 저장해 놓고서 열화진단을 수행한다.This may be implemented by the degradation diagnosis device of the power converter as shown in FIG. 7, and the degradation diagnosis device of the power converter of FIG. 7 may be formed in the collector terminal of the power semiconductor device as compared with the device of FIG. 6. And a current sensing unit 80 connected to sense a collector current (I C , ie, a conduction current) of the power conversion element, and transmit the sensed current to the amplifying circuit 40. The amplifying circuit 40 amplifies the collector current (that is, the conduction current) input from the current sensing unit together with the voltage V CE_ON between the collector and the emitter input from the isolation circuit, and converts the analog / digital converter. The unit 50 converts the amplified voltage and the collector current (ie, the conduction current) between both ends of the collector and the emitter that have passed through the amplifier circuit 40 into a digital signal. In addition, the digital signal processor 60 deteriorates the digital signal for the amplification voltage between the collector and the emitter passing through the analog / digital converter 50 and the digital signal for the collector current (that is, the conduction current). Digital signal processing for degradation diagnosis is performed using the diagnostic data, and the degradation diagnosis unit 70 performs a digital signal and a collector current (for the amplification voltage between both ends of the collector and the emitter in the digital signal processor 60). That is, deterioration diagnosis is performed by accumulating and storing the digital signal processed data for the conduction current.
도 8에 도시한 바와 같이, PWM 스위칭의 한 펄스 도통시간은 10us에서 20us와 같이 짧은 시간이므로 t0와 t7동안 전력용 반도체 소자는 열적평형 상태에 있다고 간주할 수 있다. t0에서 동작을 시작하여 t7의 정상상태 도통전류까지 이르는 동안 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON)은, 도 9에 도시한 바와 같이 초기상태인 Tstart그래프의 궤적을 따라가게 되며 이때의 기울기는 다음과 같이 결정된다.As shown in FIG. 8, since the pulse conduction time of PWM switching is a short time such as 10us to 20us, the power semiconductor device may be considered to be in a thermal equilibrium state during t 0 and t 7 . While starting operation at t 0 and reaching the steady state conduction current of t 7, the voltage between the collector and emitter (V CE_ON ) follows the trajectory of the initial T start graph as shown in FIG. 9. The slope at this time is determined as follows.
오랜 시간 전력용 반도체 소자를 동작시키는 동안 여러 주변 환경에 의해서 전력용 반도체 소자가 열화되면 포화전압 및 리드선 전압강하가 증가하는 추세를 보여 VCE_ON특성곡선은 Tstart에서 Tmax로 이동하게 된다. 이때의 기울기는 다음과 같이 결정된다.If the power semiconductor device is degraded by various surroundings during long time operation of the power semiconductor device, the saturation voltage and lead wire voltage drop increase, and the V CE_ON characteristic curve is shifted from T start to T max . The slope at this time is determined as follows.
slope_{ 1 } (t)와 slope_{ 2 } (t)값을 비교해 보면 열화가 진행될수록 slope_{ 2 } (t)~~>~~slope_{ 1 } (t)의 현상을 보이게 되는 것을 알 수 있다.Comparing the slope_ {1} (t) and the slope_ {2} (t) values shows that the slope_ {2} (t) ~~> ~~ slope_ {1} (t) phenomenon is exhibited as the degradation progresses. have.
따라서 전력변환장치가 운전 중에도 도 6에서 도시한 콜렉터와 에미터 사이의 양단간 전압(VCE_ON) 측정회로에 의해 얻은 데이터에 의해 slope_{ 1 } (t)와 slope_{ 2 } (t)의 변화추이를 계산하여 지속적으로 감시를 하면 동적으로 전력용 반도체 소자의 열화도를 추정할 수 있게 된다.Therefore, the slope_ {1} (t) and slope_ {2} (t) change trends based on the data obtained by the voltage measuring circuit VCE_ON between the collector and the emitter shown in FIG. By continuously calculating and monitoring, it is possible to dynamically estimate the degree of degradation of the power semiconductor device.
도 10은 스위칭 상태에 따른 전력용 반도체 소자의 전압 및 전류 파형을 나타내고 있다. t1시점에서 스위치에 턴-온 신호를 인가하더라도 도통전류 IC(t)가 부하전류 IF(t)까지 증가하는 동안 전력용 반도체 소자는 턴-오프 상태로 있게 되며 부하전류까지 도달한 후에도 전력용 반도체 소자의 출력커패시터에 충전된 전하(QC)와 역병렬 다이오드의 회복전하(QR)에 의하여 추가적으로 전류가 흐르게 되어 전류의 오버슈트(Overshoot) 현상을 야기하게 된다. 이 때 발생하는 과전류의 크기는 정상전류 크기보다 몇 배나 크며 전력용 반도체 소자는 직류 링크(DC-Link) 전압(Vd)을 감당하고 있기 때문에 스위칭 손실이 크게 발생하게 된다. t1에서 t2사이에 발생하는 스위칭 손실에 비해서 과전류가 발생하는 t2에서 t3까지의 스위칭 손실이 몇 배 더 큰 값으로 나타나게 된다. 또한 과전류의 최대치 발생시간(t_{ 3 } -t_{ 2 } )은 전력용 반도체 소자 내부의 물리적인 성질에 의해서 나타나는 출력 커패시턴스와 역회복전하의 크기에 의해서 결정이 되며, 이 값들은 전력용 반도체 소자가 열화될수록 변하기 때문에 과전류가 나타나는 영역의 크기를 측정, 추적함에 의해서 열화진단 지수로 사용할 수 있다.10 shows voltage and current waveforms of a power semiconductor device according to a switching state. Even when the turn-on signal is applied to the switch at time t 1 , the power semiconductor element remains turned off while the conduction current I C (t) increases to the load current I F (t), and even after reaching the load current. An additional current flows due to the charge Q C charged in the output capacitor of the power semiconductor device and the recovery charge Q R of the anti-parallel diode, causing an overshoot phenomenon of the current. At this time, the magnitude of the overcurrent generated is several times larger than the normal current, and the switching semiconductor is large because the power semiconductor device handles the DC-Link voltage (V d ). Compared to the switching losses between t 1 and t 2 , the switching losses from t 2 to t 3, where overcurrent occurs, are several times greater. In addition, the maximum occurrence time of the overcurrent (t_ {3} -t_ {2}) is determined by the magnitude of the output capacitance and the reverse recovery charge caused by the physical properties inside the power semiconductor device. As the device changes as it deteriorates, it can be used as a degradation diagnostic index by measuring and tracking the size of the region in which the overcurrent appears.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전력변환장치를 구성하는 전력용 반도체 소자의 열화상태를 전력변환장치의 동작 중에 진단할 수 있는 방법을 개발함으로써 전력변환장치의 안전한 동작을 보장하며 고가장치의 충분한 활용을 극대화시킬 수 있는 혁신적인 방안을 마련하게 되었다. 따라서 본 발명을 통하여 그 동안 정확한 판단 근거자료 없이 경험과 수동적인 이력 데이터에만 의존하여 진단하던 방법에서 완전히 탈피하여 현장에서 장치를 운전 중에 전력용 반도체 소자의 상태를 전력변환장치의 동작 중에 지속적으로 감시하여 작게는 개개의 장치를 보호하며 나아가서는 전체 시스템의 안전한 동작을 보장할 수 있게 되었다.As described in detail above, according to the present invention, by developing a method for diagnosing the degradation state of the power semiconductor device constituting the power conversion device during the operation of the power conversion device to ensure the safe operation of the power conversion device and Innovative ways to maximize utilization are in place. Therefore, the present invention continuously escapes from the method of diagnosis based on experience and passive historical data without accurate judgment evidence, and continuously monitors the state of the power semiconductor device during operation of the power conversion device while the device is in operation. This protects individual devices as small as possible and further ensures safe operation of the entire system.
특히 그 동안 유지보수의 기술적 어려움과 보수인력확보의 경제성 등으로 산업분야에서 많은 어려움을 겪고 있는 지하철, 전철 구동장치, 압연기 등 산업용 각종 구동장치, 농업용 대형펌프 구동장치, 발전설비 냉각용 인버터 등에 매우 폭 넓게 적용될 것이다.In particular, various industrial driving devices such as subways, train drives, rolling mills, large agricultural pump drives, power generation equipment cooling inverters, etc., which have suffered many difficulties in the industrial field due to technical difficulties in maintenance and economic efficiency in securing maintenance personnel. It will be widely applied.
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