KR20140085641A - 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법 - Google Patents

하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 건설기계의 전력 변환 장치(엔진 보조 모터용 DC/AC 인버터, 선회 모터용 DC/AC 인버터 및 울트라 커패시터용 DC/DC 컨버터)에 있어서, 시스템의 동작 시작 시에 IGBT 와 같은 파워 반도체 소자의 Short/Open 에 대한 감지방법을 제안하여 시스템의 이상 발생 시 고장으로 연결이 되지 않도록 하거나 더 큰 사고로 확산되지 않도록 하여 시스템 및 운전자의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법{SAFETY OPERATION METHOD OF POWER CONVERTER FOR HYBRID CONSTRUCTION EQUIPMENT}
본 발명은 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이브리스 건설기계에 포함된 상측 또는 하측 반도체 소자로 이루어진 인버터 또는 컨버터 등과 같은 전력 변환 장치의 이상 판단 방법과 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
한편, 일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요부품은 모터, 전기 저장 장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다. 여기서, 전기 저장 장치는 배터리(Battery) 및 울트라 커패시터(Ultra-Capacitor, UC)를 포함한다.
도 1은 통상적인 하이브리드 굴삭기 전기 시스템의 구성을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 하이브리드 굴삭기 시스템의 전력 공급 장치(100)는 스위칭 모드 전원 공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140), DC 링크 커패시터(150) 및 DC-DC 컨버터인 울트라 커패시터 컨버터(160)를 포함한다. 여기서, 스위칭 모드 전원공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140) 및 울트라 커패시터 컨버터(160)는 각각 제어 보드용 배터리(101), 굴삭기 전기 장치(102), 엔진 보조 모터(103), 선회 모터(104) 및 울트라 커패시터(105)와 연결되어 있다.
스위칭 모드 전원공급부(SMPS: Switched-Mode Power Supply)(110)는 제어 보드용 배터리(101)와 연결되어 로직 제어 보드(120)에 전원을 공급한다.
로직 제어 보드(120)는 울트라 커패시터(105)의 전압 및 DC 링크 커패시터(150)의 전압을 센싱하고 초기 구동 로직을 제어하는 기능을 수행한다.
엔진 보조 모터 인버터(130)는 DC/AC 인버터로서, AC 전압에 의해 구동되는 엔진 보조 모터(103)에 의해 DC 링크 커패시터(150)를 충전시키는 기능을 수행한다. 여기서, 엔진 보조 모터(103)는 AC 전압에 의해 구동되며, 엔진과 직접적으로 연결되어 있으며, 엔진 구동시 엔진과 같은 회전수(rpm)로 회전한다.
선회 모터 인버터(140)는 DC/AC 인버터로서, DC 전압인 울트라 커패시터(105)의 전력 컨텍터가 온(ON) 상태가 되면, 충전된 전압에 따라 AC 전압에 의해 구동되는 선회 모터(104)를 구동시키는 기능을 수행한다. 여기서, 선회 모터(104)는 굴삭기의 선회 동작에 필요한 동력을 발생시킨다.
DC 링크 커패시터(150)는 엔진 보조 모터 인버터(130)에 의해 변환된 DC 전압을 충전한다. DC 링크 커패시터(150)는 울트라 커패시터 컨버터(160)와 연결되어 있다.
울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 UC 링크 커패시터(170)을 통해 울트라 커패시터(105)를 충전시키는 기능을 수행한다. 울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)와 UC 링크 커패시터(170) 사이에 연결되어 있고, UC 링크 커패시터(170)는 울트라 커패시터(105)에 연결되어 있다. 여기서, 울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC/DC 컨버터로서, 울트라 커패시터(105)는 울트라 커패시터 컨버터(160)에 의해 변환된 전압으로 충전된다.
이상과 같이 DC/AC 인버터인 엔진 보조 모터 인버터(130) 및 선회 모터 인버터(140)와 DC/DC 컨버터인 울트라 커패시터 컨버터(160)와 같은 전력 변환 장치에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)와 같은 다수의 파워 구동 반도체 소자가 포함되어 있다. IGBT는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)을 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터로서, 게이트-이미터간의 전압이 구동되어 입력 신호에 의해서 온/오프가 생기는 자기소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자이다.
한편, IGBT 구동 전용 IC에서는 암쇼트(Arm-Short), 즉 상측 IGBT 소자와 하측 IGBT 소자가 동시에 단락(short)되어 (+) 단자와 (-) 단자가 직접 연결되어 소자의 파손을 일으킬 우려가 있으므로, 일반적인 IGBT 구동 전용 IC에는 암쇼트(Arm-Short) 검출 기능 또는 암쇼트(Arm-Short) 보호 기능을 가지고 있다. 일반적인 전력변환장치의 오-동작에 의한 보호 기능은 과열 감지 보호, 과전류 감지 보호, 과전압 감지 보호 등이 있는데 이러한 보호 기능은 IGBT 와 같은 파워 반도체 스위치의 Short/Open 과 같은 파손에 대해 100% 보호는 불가능한 실정이다. 즉 현재의 암쇼트(Arm-Short) 검출/보호 기능은 제한적인 보호 동작에 그치고 있어서, 보호가 불가능한 경우가 존재하며, 특히 IGBT 와 같은 파워 반도체 스위치의 Short/Open 과 같은 파손을 미리 감지하여 고장을 판별할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 하이브리드 건설기계의 전력 변환 장치(엔진 보조 모터용 DC/AC 인버터, 선회 모터용 DC/AC 인버터 및 울트라 커패시터용 DC/DC 컨버터)에 있어서, 시스템의 동작 시작 시에 IGBT 와 같은 파워 반도체 소자의 Short/Open 에 대한 이상 판단 방법을 제안하여 시스템의 이상 발생 시 고장으로 연결이 되지 않도록 하거나 더 큰 사고로 확산되지 않도록 하여 시스템 및 운전자의 안전성을 향상시킬 수 있는, 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 따르면, 시스템 시작(Key On) 전에 대전력 반도체 소자 IGBT의 게이트 신호가 인가되지 않은 상태에서, Short/Open과 같은 시스템의 고장 유무를 미리 체크하고, 정상상태를 확인한 후에 전기에너지 저장장치(UC, Ultra Capacitor)를 연결하고 게이트 신호를 인가하는 방식으로 고장이 사고로 확산되는 것을 방지하여 운전자의 안전성을 향상시키도록 하였다.
보다 구체적으로, 본 발명은 엔진을 시동하기 위한 엔진 보조 모터와, 부하 모터와, 전기 시스템과, 하이브리드 건설 기계는 상기 엔진 보조 모터에서 발생된 전기 에너지를 축전하기 위한 DC 링크 커패시터와, 상기 DC 링크 커패시터에 축전된 전기 에너지와 상기 엔진 보조 모터로부터 발전된 전기 에너지 및 상기 부하 모터의 발전구동에 의해 발전된 전기 에너지를 축전하기 위한 UC 링크 커패시터를 포함한 하이브리드 건설기계에 적용된다.
이러한 하이브리드 건설기계에 있어서, 본 발명은 복수개의 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와, 복수개의 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)를 구비하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치의 안전 구동 방법은, 엔진을 시동하기 위한 엔진 보조 모터와, 부하 모터와, 전기 시스템을 구비한 하이브리드 건설기계에서, 복수개의 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 복수개의 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)를 구비하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 있어서, 상기 전기 시스템 활성화 전에 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3) 중 어느 하나 및 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 어느 하나에 순차적 또는 동시에 신호를 인가하는 신호 인가 단계; 상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르는지 여부를 체크하는 전류 체크 단계; 및 상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르는 경우에 정상으로 판단하여 상기 전기 시스템을 활성화시키고, 상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르지 않는 경우에 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 적어도 하나의 이상으로 판단하는 이상 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 안전 구동 방법은, 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 적어도 하나의 이상으로 판단되는 경우, 상기 전력 변환 장치와 울트라 커패시터(UC) 링크 커패시터와 연결하지 않거나, 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)에 게이트 구동 펄스 신호를 인가하지 않는 안전 구동 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전력 변환 장치는 2가지 형태, 즉 엔진 보조 모터용 인버터 및 선회 모터용 인버터와 같은 DC/AC 인버터와, 울트라 커패시터용 컨버터와 같은 DC/DC 컨버터가 존재하므로, 본 발명에서는 전력 변환 장치의 2가지 형태에 따라 구체적인 안전 구동 방법을 상이하게 채택하였다.
전력 변환 장치의 컨버터인 경우, 상기 신호 인가 단계는, 상기 전력 변환 장치의 일단이 DC 링크 커패시터에 연결되고, 상기 전력 변환 장치의 타단이 UC 링크 커패시터에 연결된 컨버터인 경우, 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)에 각각 순차적으로 신호를 인가하는 상측 인가 단계; 및 상기 상측 인가 단계에 후속하여 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)에 각각 순차적으로 신호를 인가하는 하측 인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이상 판단 단계는, 상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르지 않는 경우, 상기 UC 링크 커패시터의 충전 또는 방전 여부와 상기 DC 링크 커패시터 전압의 변동 여부를 확인하여 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3) 또는 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 어느 하나의 오픈(Open) 또는 쇼트(Short) 이상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치의 컨버터인 경우, 상기 신호 인가 단계는, 상기 전력 변환 장치의 일단이 UC 링크 커패시터에 연결되고, 상기 전력 변환 장치의 타단이 상기 엔진 보조 모터 또는 상기 부하 모터에 연결된 인버터인 경우, 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중에서 각각 하나씩 선택한 후, 상기 선택된 상측 반도체 스위치와 상기 선택된 하측 반도체 스위치에 동시에 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기 이상 판단 단계는, 상기 엔진 보조 모터 또는 상기 부하 모터에 전류가 흐르지 않는 경우, 상기 DC 링크 커패시터 전압의 변동 여부를 확인하여 상기 선택된 상측 반도체 스위치와 상기 선택된 하측 반도체 스위치 또는 상기 선택된 상측 반도체 스위치와 상기 선택된 하측 반도체 스위치와 연결된 상측 반도체 스위치와 하측 반도체 스위치의 오픈(Open) 또는 쇼트(Short) 이상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 따르면, 차량 시동 시 전기시스템을 활성화(게이트 신호 인가) 시키기 전에 전기시스템의 정상상태를 판별하고 정상으로 확인된 후에 시스템동작을 시작할 수 있으므로, 전기 시스템의 Open/Short 여부를 간과한 채 시스템 동작을 수행할 경우에 발생할 우려가 있는 2차적 더 큰 고장으로의 확산을 방지하고 운전자의 안전을 확보할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 따르면, 시스템 시작(Key On) 전에 대전력 반도체 소자 IGBT의 게이트 신호가 인가되지 않은 상태에서, Short/Open과 같은 시스템의 고장 유무를 미리 체크하고, 정상상태를 확인한 후에 전기에너지 저장장치(UC, Ultra Capacitor)를 연결하고 게이트 신호를 인가하는 방식으로 고장이 사고로 확산되는 것을 방지하여 운전자의 안전성을 향상시키도록 하였다.
도 1은 통상적인 하이브리드 굴삭기 전기 시스템의 구성도.
도 2는 전력 변환 장치가 DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터(160)인 경우의 상세도.
도 3a 내지 도 3f는 력 변환 장치가 DC/DC 컨버터인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 UC 링크 커패시터(170) 충방전 프로파일을 나타낸 도면.
도 5는 전력 변환 장치가 DC/DC 컨버터인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)인 경우의 상세도.
도 7a 내지 도 7c를 참조로, 전력 변환 장치가 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 전력 변환 장치가 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 9는 상하측 반도체 소자(Q1, Q2, Q3/Q4, Q5, Q6)의 펄스 인가에 따른 3상 AC 모터 전류 파형을 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명은 전력 변환 장치에 포함된 DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터인 경우(실시예 1)와, DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터용 인버터 또는 선회 모터용 인버터인 경우(실시예 2)로 나누어 설명하기로 한다.
DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터인 경우(실시예 1)부터 살펴보기로 한다.
도 2는 전력 변환 장치에 포함된 DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터(160)인 경우의 상세도를 도시한다.
도시된 것과 같이, 울트라 커패시터용 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)와 UC 링크 커패시터(170) 사이에 위치하며, 복수개의 IGBT와 같은 상측 파워 반도체 소자(Q1, Q2, Q3)와 복수개의 하측 파워 반도체 소자(Q4, Q5, Q6)로 구성되며, 상하측 반도체 소자(Q1, Q2, Q3/Q4, Q5, Q6)와 UC 링크 커패시터(170) 사이에는 인덕터 및 전류를 검출하는 변류기(CT, Current Transformer)가 배치되어 있다.
전력 변환 장치가 DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터(160)인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크는 하기 표 1 및 표 2와 같이 수행된다.
상측 소자 Open Check /하측 소자 Short Check
[UC 링크 커패시터(170) 방전 상태에서 수행]
(1) 상측 소자(Q1, Q2, Q3)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스 인가 -
(2) 정상적인 전류가 흐르고 UC 링크 커패시터(170) 전압이 충전 상측소자 정상
(3) 전류가 흐르지 않고 DC 링크 커패시터(150) 전압 변동 없음 상측소자 Open
(4) 전류 흐름 확인 불가, DC 링크 커패시터(150) 전압 빠르게 방전 하측소자 Short
하측 소자 Open Check/상측 소자 Short Check
[UC 링크 커패시터(170) 충전 상태에서 수행]
(1) 하측 소자(Q4, Q5, Q6)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스 인가 -
(2) 정상적인 전류가 흐르고 UC 링크 커패시터(170) 전압이 방전 하측소자 정상
(3) 전류가 흐르지 않고 DC 링크 커패시터(150) 전압 변동 없음 하측소자 Open
(4) 전류 흐름 확인 불가, DC 링크 커패시터(150) 전압 빠르게 방전 상측소자 Short
도 3a 내지 도 3c을 참조로, 전력 변환 장치에 포함된 DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터(160)인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 표 1의 상측 소자 Open Check/하측 소자 Short Check의 사례를 도시한 것이다. 표 1에 설명된 것과 같이, 상측 소자 Open Check/하측 소자 Short Check는 UC 링크 커패시터(170)가 방전된 상태에서 상측 소자(Q1, Q2, Q3)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스를 인가함으로써 수행된다.
도 3a는 정상 모드인 경우로서, 상측 소자(Q1)에 ON 펄스를 인가한 경우 DC 링크 커패시터(150)의 에너지는 ON 상태가 된 상측 소자(Q1)와 변류기(CT) 및 인덕터를 통해 UC 링크 커패시터(170)로 도통되어 전류가 흐르게 되며, DC 링크 커패시터(150)의 에너지가 UC 링크 커패시터(170)로 충전된다.
그러나 하측 소자(Q4)가 Short 고장인 경우에는 도 3b에 도시된 것과 같이 상측 소자(Q1)에 ON 펄스를 인가로 상측 소자(Q1)가 ON됨과 동시에 Short 고장인 하측 소자(Q4)와 암쇼트(Arm Short)가 발생하여 상측 소자(Q1)에서 하측 소자(Q4)를 통해 대전류가 흐르면서 DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 있고, 변류기(CT)에서는 전류 검출이 안 되며, UC 링크 커패시터(170)도 충전이 되지 않는다.
그리고 상측 소자(Q1)가 Open 고장인 경우에는 도 3c에 도시된 것과 같이, 상측 소자(Q1)를 통해 흐르는 전류가 없고 UC 링크 커패시터(170)도 충전이 되지 않는다.
도 3d 내지 도 3f는 표 2의 하측 소자 Open Check/상측 소자 Short Check의 사례를 도시한 것이다. 표 2에 설명된 것과 같이, 상측 소자 Open Check/하측 소자 Short Check는 UC 링크 커패시터(170)가 충전된 상태에서 하측 소자(Q1, Q2, Q3)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스를 인가함으로써 수행된다.
도 3d는 정상 모드인 경우로서, 하측 소자(Q4)에 ON 펄스를 인가한 경우 UC 링크 커패시터(170)의 에너지는 ON 상태가 된 하측 소자(Q4)를 통해 방전된다.
그러나 상측 소자(Q1)가 Short 고장인 경우에는 도 3e에 도시된 것과 같이 하측 소자(Q4)에 ON 펄스를 인가로 하측 소자(Q4)가 ON됨과 동시에 Short 고장인 상측 소자(Q1)와 암쇼트(Arm Short)가 발생하여 상측 소자(Q1)에서 하측 소자(Q4)를 통해 대전류가 흐르면서 DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 있고, 변류기(CT)에서는 전류 검출이 안 되며, UC 링크 커패시터(170)도 방전이 되지 않는다.
그리고 하측 소자(Q4)가 Open 고장인 경우에는 도 3f에 도시된 것과 같이, 하측 소자(Q4)를 통해 흐르는 전류가 없고 UC 링크 커패시터(170)도 방전이 되지 않는다.
도 4는 UC 링크 커패시터(170) 충방전 프로파일을 나타낸 도면이다.
도시된 것과 같이, 울트라 커패시터용 컨버터(160)의 상측 IGBT(Q1, Q2, Q3)에 구동 펄스(T0 내지 T1)를 인가하면, UC 링크 커패시터(170)에 충전이 이루어지고, 하측 IGBT(Q4, Q4, Q6)에 구동 펄스(T2 내지 T4)를 인가하면, UC 링크 커패시터(170)가 방전됨을 확인할 수 있다.
반면, 상측 IGBT(Q1, Q2, Q3) 또는 하측 IGBT(Q4, Q4, Q6)이 파손된 경우, 울트라 커패시터용 컨버터(160)의 상측 IGBT(Q1, Q2, Q3)에 구동 펄스(T4 내지 T5)를 인가하면, UC 링크 커패시터(170)에 충전이 이루어지지 않고, 하측 IGBT(Q4, Q4, Q6)에 구동 펄스(T6 내지 T7)를 인가하면, UC 링크 커패시터(170)가 방전되지 않음을 확인할 수 있다.
도 5는 전력 변환 장치에 포함된 DC/DC 컨버터, 즉 울트라 커패시터용 컨버터(160)인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
테스트가 시작되면(S1), 상측 소자 Open Check/하측 소자 Short Check를 위해 상측 소자(Q1, Q2, Q3)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스를 인가한다(S2).
그리고 인덕터 전류가 확인되고 UC 링크 커패시터(170)의 충전 여부를 확인한다(S3). 확인 결과 인덕터 전류가 확인되고 UC 링크 커패시터(170)의 충전이 확인되는 경우에는(도 3a), 상측 소자(Q1, Q2, Q3)는 정상이라는 의미이다.
그 다음, 하측 소자 Open Check/상측 소자 Short Check를 위해 하측 소자(Q4, Q5, Q6)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스를 인가하고(S4), 인덕터 전류가 확인되고 UC 링크 커패시터(170)의 방전 여부를 확인한다(S5).
체크 결과 인덕터 전류가 확인되고 UC 링크 커패시터(170)의 방전이 확인되는 경우에는(도 3d), 하측 소자(Q4, Q5, Q6) 역시 정상이라는 의미이므로 상하측 IGBT 소자 모두 정상임을 확정한다(S6, 도 3a, 도 3d).
한편, 앞서 S3 단계의 체크 결과, 인덕터 전류와 UC 링크 커패시터(170)의 충전이 확인되지 않는 경우는 DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동 여부를 확인한다(S7).
상기 확인 결과, DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 없으면 상측 소자(Q1, Q2, Q3)가 Open 파손인 것으로 판단하고(S8, 도 3c), DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 있으면 하측 소자(Q4, Q5, Q6)가 Short 파손으로 판단한다(S9, 도 3b).
그리고 앞서 S5 단계의 확인 결과, 인덕터 전류와 UC 링크 커패시터(170)의 방전이 확인되지 않는 경우는 DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동 여부를 확인한다(S10).
상기 확인 결과(S10), DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 없으면, 하측 소자(Q4, Q5, Q6)가 Open 파손인 것으로 판단하고(S11, 도 3f), DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 있으면, 상측 소자(Q1, Q2, Q3)가 Short 파손으로 판단한다(S12, 도 3f).
한편, DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터용 인버터(130) 또는 선회 모터용 인버터(140)인 경우(실시예 2)를 살펴보기로 한다.
도 6은 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)인 경우의 상세도를 도시한다.
도시된 것과 같이, 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)는 DC 링크 커패시터(150)와 엔진 보조 모터 또는 선회 모터와 같은 3상 AC 모터 사이에 위치하며, 복수개의 IGBT와 같은 상측 파워 반도체 소자(Q1, Q2, Q3)와 복수개의 하측 파워 반도체 소자(Q4, Q5, Q6)로 구성된다. 상하측 반도체 소자(Q1, Q2, Q3/Q4, Q5, Q6)와 3상 AC 모터 사이에는 변류기(CT1, CT2, CT3), Current Transformer)가 배치되어 있고 3상 AC 모터에는 3개의 인덕터(I1, I2, I3)가 있다.
전력 변환 장치가 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크는 하기 표 3 및 표 4와 같이 수행된다.
Short Check
[소자 구동 순서: Q1 & Q5, Q2 & Q6, Q3 & Q4]
(1) 하측 소자(Q4, Q5, Q6)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스 인가 -
(2) 전류 센싱이 안되면서 DC 링크 커패시터(150) 전압 변동 있음 상측소자 Short
(3) 상측 소자(Q1, Q2, Q3)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스 인가 -
(4) 전류 센싱이 안되면서 DC 링크 커패시터(150) 전압 변동 있음 하측소자 Short
Open Check
[소자 구동 순서: Q1 & Q5, Q2 & Q6, Q3 & Q4]
(1) 하측 소자(Q4, Q5, Q6)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스 인가 -
(2) 전류 센싱이 안되면서 DC 링크 커패시터(150) 전압 변동 없음 상측소자 Open
(3) 상측 소자(Q1, Q2, Q3)에 차례로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스 인가 -
(4) 전류 센싱이 안되면서 DC 링크 커패시터(150) 전압 변동 없음 하측소자 Open
이때, 3상 모터의 구조와 대응되도록, 상하측 반도체 소자(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)의 펄스 인가 순서는 상하측 반도체 소자 중에서 각각 하나씩 Q1 및 Q5, Q2 및 Q6, Q3 및 Q4와 같은 쌍으로 선택한 후, 펄스를 인가하게 된다.
이하, 도 7a 내지 도 7c를 참조로, 전력 변환 장치가 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 체크 과정을 설명한다.
도 7a 내지 도 7c는 표 3 및 표 4의 Open Check/Short Check의 사례를 도시한 것이다. 표 3 및 표 4의 설명된 것과 같이, Open Check/Short Check는 Q1 & Q5, Q2 & Q6, Q3 & Q4 순서로 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스를 인가함으로써 수행된다.
도 7a는 정상 모드인 경우로서, 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q5)에 ON 펄스를 인가하면, DC 링크 커패시터(150)로부터 ON 상태가 된 상측 소자(Q1)와 변류기(CT3)를 거쳐 AC 모터의 인덕터(코일)I2를 통해 전류가 흐른 다음, 변류기(CT2) 및 하측 소자(Q5)로 전류가 흐르며, 그 결과 DC 링크 커패시터(150) 전압의 변동이 발생한다.
그러나 도 7b에 도시된 것과 같이 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q5)에 ON 펄스를 인가할 때, 상측 소자(Q2) 또는 하측 소자(Q4)가 Short 고장인 경우에는 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q4) 사이, 또는 상측 소자(Q2)와 하측 소자(Q5) 사이에 암쇼트(Arm Short)가 발생하여 대전류가 흐르면서 DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동이 있고, 변류기(CT1, CT2, CT3)에서는 전류 검출이 안 되며, AC 모터의 인덕터(코일)를 통해 전류가 흐르지 않는다.
그리고 도 7c에 도시된 것과 같이, 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q5)에 ON 펄스를 인가할 때, 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q5)가 Open 고장인 경우에는 상하측 소자(Q1, Q2, Q3/Q4, Q5, Q6) 통해 흐르는 전류가 없고, DC 링크 커패시터(150)의 전압 변동도 없다.
도 8은 전력 변환 장치가 전력 변환 장치가 DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)인 경우의 반도체 소자 Open/Short 여부 확인 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
테스트가 시작되면(S100), 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q5)에 동시에 ON 펄스를 인가하면 짧은(약 수㎲)의 ON 펄스를 인가한다(S200). 그리고 변류기(CT2, CT3)의 전류 여부를 체크하여 AC 모터로의 통전여부를 확인한다(S300). 확인 결과 변류기(CT2, CT3)의 전류가 확인되면, 상측 소자(Q1)와 하측 소자(Q5)는 정상이라고 판단한다(S400).
한편, S300 단계의 체크 결과, 변류기(CT2, CT3)의 전류가 확인되지 않는 경우에는 UC 링크 커패시터(170)의 전압 변동 여부를 확인한다(S500). 확인 결과, UC 링크 커패시터(170)의 전압 변동이 없는 경우에는 상측 소자(Q1) 또는 하측 소자(Q5)가 Open 파손이 있다고 판단하고(S600), UC 링크 커패시터(170)의 전압 변동이 있는 경우에는 상측 소자(Q1) 또는 하측 소자(Q5)가 Short 파손이 있다고 판단한다(S700).
도 9는 상하측 반도체 소자(Q1, Q2, Q3/Q4, Q5, Q6)의 ON 펄스 인가에 따른 3상 AC 모터 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도시된 것과 같이, DC/AC 인버터, 즉 엔진 보조 모터 인버터(130) 또는 선회 모터 인버터(140)의 상측 IGBT(Q1) 및 하측 IGBT(Q5)에 동시에 구동 펄스를 인가하면, A상 전류, 즉 변류기(CT3)에는 AC 모터에 진입하는 방향(+)으로 전류가 흐르고, B상 전류, 즉 변류기(CT2)에는 AC 모터로부터 진출하는 방향(-)으로 전류가 흐 른다(도 7c 참조).
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
101: 배터리 102: 굴삭기 전기 장치
103: 엔진 보조 모터 104: 선회 모터
105: 울트라 커패시터 100: 전력 변환 장치
120: 로직 제어 보드 130: 엔진 보조 모터 인버터
140: 선회 모터 인버터 150: DC 링크 커패시터
160: 울트라 커패시터 컨버터 170: UC 링크 커패시터
Q1, Q2, Q3: 상측 반도체 소자(IGBT)
Q4, Q5, Q6: 하측 반도체 소자(IGBT)
CT, CT1, CT2, CT3: 변류기

Claims (6)

  1. 엔진을 시동하기 위한 엔진 보조 모터와, 부하 모터와, 전기 시스템을 구비한 하이브리드 건설기계에서, 복수개의 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 복수개의 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)를 구비하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법에 있어서,
    상기 전기 시스템 활성화 전에 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3) 중 어느 하나 및 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 어느 하나에 순차적 또는 동시에 신호를 인가하는 신호 인가 단계;
    상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르는지 여부를 체크하는 전류 체크 단계; 및
    상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르는 경우에 정상으로 판단하여 상기 전기 시스템을 활성화시키고, 상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르지 않는 경우에 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 적어도 하나의 이상으로 판단하는 이상 판단 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 적어도 하나의 이상으로 판단되는 경우, 상기 전력 변환 장치와 울트라 커패시터(UC) 링크 커패시터와 연결하지 않거나, 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)에 게이트 구동 펄스 신호를 인가하지 않는 안전 구동 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 인가 단계는,
    상기 전력 변환 장치의 일단이 DC 링크 커패시터에 연결되고, 상기 전력 변환 장치의 타단이 UC 링크 커패시터에 연결된 컨버터인 경우,
    상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)에 각각 순차적으로 신호를 인가하는 상측 인가 단계; 및
    상기 상측 인가 단계에 후속하여 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6)에 각각 순차적으로 신호를 인가하는 하측 인가 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이상 판단 단계는,
    상기 전력 변환 장치의 일단에서 타단 또는 타단에서 일단으로 전류가 흐르지 않는 경우, 상기 UC 링크 커패시터의 충전 또는 방전 여부와 상기 DC 링크 커패시터 전압의 변동 여부를 확인하여 상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3) 또는 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중 어느 하나의 오픈(Open) 또는 쇼트(Short) 이상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 인가 단계는,
    상기 전력 변환 장치의 일단이 UC 링크 커패시터에 연결되고, 상기 전력 변환 장치의 타단이 상기 엔진 보조 모터 또는 상기 부하 모터에 연결된 인버터인 경우,
    상기 상측 반도체 스위치(Q1, Q2, Q3)와 상기 하측 반도체 스위치(Q4, Q5, Q6) 중에서 각각 하나씩 선택한 후, 상기 선택된 상측 반도체 스위치와 상기 선택된 하측 반도체 스위치에 동시에 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이상 판단 단계는,
    상기 엔진 보조 모터 또는 상기 부하 모터에 전류가 흐르지 않는 경우, 상기 DC 링크 커패시터 전압의 변동 여부를 확인하여 상기 선택된 상측 반도체 스위치와 상기 선택된 하측 반도체 스위치 또는 상기 선택된 상측 반도체 스위치와 상기 선택된 하측 반도체 스위치와 연결된 상측 반도체 스위치와 하측 반도체 스위치의 오픈(Open) 또는 쇼트(Short) 이상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전력 변환 장치의 안전 구동 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0568373A (ja) * 1991-09-09 1993-03-19 Shindengen Electric Mfg Co Ltd 直列共振形ｄｃ−ｄｃコンバータ
KR20110073646A (ko) * 2009-12-24 2011-06-30 두산인프라코어 주식회사 하이브리드용 전력 변환 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0568373A (ja) * 1991-09-09 1993-03-19 Shindengen Electric Mfg Co Ltd 直列共振形ｄｃ−ｄｃコンバータ
KR20110073646A (ko) * 2009-12-24 2011-06-30 두산인프라코어 주식회사 하이브리드용 전력 변환 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160145293A (ko) * 2015-06-10 2016-12-20 두산인프라코어 주식회사 건설기계의 제어장치 및 제어방법

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