KR20150118730A - 인버터 고장검출회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터의 3상 스위칭소자 각각에 병렬로 연결된 정밀저항을 포함하는 인버터의 고장검출회로를 제공한다.
본 발명에 따르면, 병렬 설치된 정밀저항을 사용하여 각 스위칭 소자별 이상 유무를 아날로그 신호만으로 빠르게 확인할 수 있으며, 시스템의 부피 부담이 적고 경제적인 구현이 가능한 장점이 있다.

Description

인버터 고장검출회로{Fault detection circuit of inverter}

본 발명은 인버터의 고장검출 회로에 관한 것으로서, 각 스위칭 소자별로 발생하는 아날로그 신호를 읽어들여 빠르게 고장을 진단할 수 있는 개선된 고장검출회로에 관한 것이다.

종래 모터 구동용 인버터와 계통 연계형 인버터의 전류 검출을 위해 사용하는 일반적인 토폴로지는 전류 센서 즉 CT를 이용한 검출 방식이며, 이는 간단한 센서 하나로 시스템의 전류를 측정해 제어 보드에서 값을 연산하는 방식이다.

하지만 상기 센서방식은 편리한 장점이 있으나, 가격적인 부담이 있고 응답 속도가 느려 시스템 고장이 일어날 때 시스템에 소손을 발생할 수 있으며, 전체 시스템의 부피를 늘려 효율적이지 못하다.

종래의 다른 측정 방법으로는 정밀 저항을 이용하여 시스템의 전류를 측정하는 방식이 있는데, 정밀 저항을 이용하여 전류를 측정해 이를 제어 보드에 연결하고 연산하는 방식은 제어 측면에서만 보면 센서를 이용하는 것과 동일하다.

그러나 대부분의 소용량 인버터는 하나의 파워보드(Power Board)에 3상 IGBT와 센싱 SMPS등의 부품들이 사용되기 때문에, 정밀 저항을 적용할 경우, 절연이 정확하게 설계되지 않으면 시스템 소손에 대한 문제가 발생한다.

원가의 측면에서는 정밀 저항을 사용하는 것이 바람직하나 시스템 절연이 어렵고 발열에 대한 문제 해결이 쉽지 않기 때문에, 대부분의 인버터가 상대적으로 고가인 센서를 이용하고 있는 실정이다.

반면, 대용량 인버터에서는 파워보드(Power Board)를 사용하는 방법보다 스택(Stack)을 이용한 방법을 많이 채택하고 있다.

스택(Stack)은 PCB 보드를 사용하지 않고 버스바(Busbar) 또는 와이어(wire)를 사용함으로써 소용량 인버터보다 절연문제 해결이 용이하고, 스택(Stack) 배치에 따른 공간도 확보할 수 있어 정밀 저항을 이용하는데 유리하다.

이 밖에도 가격적인 문제와 시스템 부피 부담을 고려해 센서나 정밀저항 등의 하드웨어를 사용하지 않고 파라미터 검출기법과 패러티 고장기법 등의 소프트웨어적인 방법 등이 활용되기도 하나, 이는 구현이 어렵고 반응속도 및 연산속도가 늦어 시스템 처리 시간을 지연시키는 문제가 있다.

도 1은 종래 3상 인버터 구성도을 나타내며, 도 2는 정밀 저항을 이용한 3상 인버터 구성도를 도시하고 있는바, 시스템 각 상에서 전류를 센싱한다.

이와 같이 각 레그(leg)마다 전류를 센싱하게 되면, 상술한 문제점들 이외에도, 다수의 스위칭 소자 중 정확한 고장위치를 알기 어려워서 진단과정이 지연되고, 이로 인해 고장 발생시 부품이 소손되는 현상이 일어날 확률이 높다.

종래의 IGBT 스위칭 소자의 고장 검출 기법은 전문적인 지식을 바탕으로 작성된 값과 실제 값을 비교하여 고장을 검출하는 방법, 인버터의 폴 전압을 검출하여 고장 여부를 분석하는 방법, DC-Link 또는 출력 부하 전류의 위상변화를 검출한 뒤 고장 스위치와 상을 검출하여 고장 스위칭 소자를 판단하는 방법 등이다.

하지만 기존의 고장 검출 방법은 고장을 판단하는데 최소한 한 주기 이상 시간이 걸리거나 검출이 복잡하고 센서와 같은 추가적인 구성이 필요하다는 단점이 있다.

따라서, 시스템의 각 상을 센싱하는 대신, IGBT 등의 전장 부품 소자에 대한 직접적인 고장 진단을 위한 개선된 기술이 필요하다.

이와 직접적으로 관련된 선행기술은 검색이 어려웠으나, 인버터의 고장진단과 관련된 최근 공개된 선행기술인 KR 10-2013-0004657 A (2013.01.14)를 보면, 각 상에서 검출한 전류에 대해서 고장지점인 각 스위칭소자를 판별하기 위한 고장스위치소자 판별부를 제안하고 있음을 알 수 있다.

이 선행기술은 정확한 고장지점(해당 스위칭 소자) 판별과정에서 새로운 방법을 제시하고 있으나 전류 검출 후 별도의 판별과정에서 시간 지연이 발생할 수밖에 없는 한계가 있기 때문에 종래 기술의 범주에 해당한다.

본 발명은 인버터 고장진단에 있어서, 하드웨어를 이용하여 스위칭 소자의 아날로그 신호를 바로 센싱하여 빠른 응답속도를 제공하고 시스템의 부피 및 원가적인 측면에서 유리한 고장검출회로의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은, 다수의 스위칭소자를 구비한 인버터에 대한 고장을 진단하는 제어부에 신호를 출력하는 인버터 고장검출회로에 있어서, 상기 개별 스위칭 소자에 병렬로 연결되는 정밀저항; 및 상기 개별 정밀저항에 연결되고, 상기 정밀저항에서 나오는 아날로그 신호를 입력받아 그대로 출력하면서 입출력 양단을 절연하는 절연수단; 을 포함하는, 인버터 고장검출회로를 제공한다.

상기 절연수단은 절연 변압기가 바람직하며, 상기 인버터 고장검출회로는 비교기를 더 포함하여, 상기 절연수단에서 출력되는 신호를 상기 비교기에 입력하여 전압을 기준값으로 제어한 후에 출력할 수 있다.

또한, 버퍼를 더 포함하여, 상기 비교기에서 출력되는 신호를 상기 버퍼로 연결하여 일정 전압을 유지한 상태로 상기 제어부에 입력신호로 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 인버터 고장검출회로를 구비한 인버터를 제공한다.

본 발명에 따르면, 병렬 설치된 정밀저항을 사용하여 각 스위칭 소자별 이상 유무를 아날로그 신호만으로 빠르게 확인할 수 있으며, 시스템의 부피 부담이 적고 경제적인 구현이 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래 3상 인버터의 회로 구성도이다.
도 2는 종래 3상 인버터에 정밀저항을 각 상 별로 연결한 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고장검출회로가 포함된 인버터의 회로 구성도 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 고장검출회로의 구성도이다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명의 기술적 특징을 상세히 설명한다.

본 발명은 다수의 스위칭소자를 구비한 인버터에 대해, 전류를 측정하여 고장을 진단하는 제어부로 신호를 출력하는 인버터 고장검출회로를 제안한다.

도 3은 본 발명에 따른 고장검출회로가 포함된 인버터의 회로 구성도 실시예로서, 3상 스위칭 소자가 배열된 인버터 회로에서 각 스위칭 소자(10) 별로 병렬로 연결된 고장검출부(20)가 구비되어 있다.

스위칭 소자(10)는 구동전력이 작고, 고속스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능한 스위칭 수단으로서, 일반적으로 파워 MOS FET(metal oxide semi-conductor field effect transistor)와 바이폴러 트랜지스터의 구조를 가지는 IGBT를 가리킨다.

고장검출부(20)는 본 발명에 따른 고장검출회로로서, 개별 스위칭 소자(10) 각각에 병렬로 연결되어 양단의 전류 변화를 제어부(30)에 제공하는 기능을 수행한다.

본 발명은 전력 변환 장치에서 IGBT 및 시스템의 고장을 초기에 진단 및 확인하기 위해 착안 되었는바, 정밀 저항을 각 IGBT 스위칭 소자(10)에 병렬로 연결하면 각 IGBT의 상태와 각 상에서 발생하는 문제점을 실시간 확인하고 문제 발생시 전류 센서를 사용하는 것보다 빠른 응답 속도로 게이트 블록(gate block)을 할 수가 있어 시스템 소손을 방지하는데 중요 역할을 한다.

고장검출회로인 고장검출부(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 정밀저항(201), 절연수단으로서의 절연변압기(202), 비교기(203) 및 버퍼(204)를 포함한다.

정밀저항(201)은 ±1%~±2%이하의 오차가 매우 낮은 저항으로서 IGBT와 같은 소형 정밀 소자의 전류 이상을 검출하기에 적합하다.

절연변압기(202)는 본 발명에서 채택하는 절연수단으로서, 종래의 절연소자를 이용하지 않고, 소형 변압기를 이용하여 빠른 응답 속도와 각 IGBT 및 기타 소자의 고장 여부를 확인할 수 있도록 하였다.

절연변압기(202)는 각 소자별 용량에 맞는 개별 변압기로서, 정밀저항(201)에서 나오는 아날로그 신호를 그대로 전달하면서도 입출력 양단을 절연하여 상기 정밀저항(201)을 제어부(30)와 분리함으로써 시스템을 안전하게 보호할 수 있게 한다.

절연변압기(202)는 본 발명의 기술 사상 구현을 위한 가장 바람직한 수단이나, 소형의 절연 변압기 이외에도 본 발명의 절연에 적합한 소자라면 변경실시 가능하다.

비교기(203)는 상기 정밀저항(201)에서 검출되는 전압 레벨을 기준값을 기준으로 비교하여 일정한 전압을 출력할 수 있도록 하며, 검출되는 전압을 기준값으로 제어함으로써 보다 정밀한 고장진단을 가능하게 한다.

버퍼(204)는 상기 비교기(203) 또는 상기 절연 변압기(202)에 연결될 수 있으며, 연결된 소자의 최종 출력을 입력받아 이를 일정 레벨로 유지하여 제어부(30)로 출력한다.

도 4와 같이, 비교기(203) 및 버퍼(204)를 포함하는 것이 고장 검출의 정확성을 위해 가장 바람직하나, 상기 정밀저항(201) 및 절연 변압기(202)의 출력이 바로 제어부(30)로 연결 구성되는 것 또한 가능하며, 정밀저항(201) 및 절연 변압기(202)의 출력이 버퍼(204)에 연결되어 제어부(30)로 출력되는 구성도 가능하다.

제어부(30)는 DSP 센싱 부분의 전압을 사용자가 필요로 하는 전압으로 설정할 수 있는 Op-Amp회로를 포함하여, 사용자가 센싱받고자 하는 전압을 설정할 수 있도록 한다.

제어부(30)는 정밀저항(201)을 통한 전류 값의 변화량을 검출하여 고장여부를 진단하고, 게이트 블록(Gate Block) 및 상태 알림을 포함한 시스템에서 요구되는 제어 동작을 수행하도록 구성된다.

본 발명은 정밀 저항을 이용하여 소용량 시스템 및 대용량 시스템의 원가를 줄일 수 있으며, PCB 보드에 취부된 센서나 기타 회로 보다 절연이 용이하여 시스템과 PCB 보드와의 안전성을 높일 수 있다.

뿐만 아니라 시스템 전체의 부피를 줄여 공간적인 부분에서 장점이 있으며, 각 정밀 저항이 아날로그 신호를 바로 제어부에 보내주어 문제 발생시 기존의 방법보다 응답 속도가 빠르다는 장점이 있는바, 시스템 사이즈를 줄이고 원가를 낮추어 제품 경쟁력을 극대화할 수 있다.

본 발명은 계통연계형 인버터의 스위칭 소자에 적용가능한바, 인버터에 적용하여 공급하거나, 정밀저항을 포함한 고장검출회로인 고장검출부 만을 모듈화하여 종래 게이트 드라이버에 삽입하여 사용할 수 있다.

이상 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 범위는 기술 사상의 범위 내에서 자명한 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10 : 스위칭소자 20 : 고장검출부
201 : 정밀저항 202 : 절연변압기
203 : 비교기 204 : 버퍼
30 : 제어부

Claims (4)

1. 다수의 스위칭소자를 구비한 인버터에 대한 고장을 진단하는 제어부에 신호를 출력하는 인버터 고장검출회로에 있어서,
   상기 개별 스위칭 소자에 병렬로 연결되는 정밀저항; 및
   상기 개별 정밀저항에 연결되고, 상기 정밀저항에서 나오는 아날로그 신호를 입력받아 그대로 출력하면서 입출력 양단을 절연하는 절연수단; 을 포함하는, 인버터 고장검출회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연수단은 절연 변압기인 것을 특징으로 하는, 인버터 고장검출회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 인버터 고장검출회로는,
   비교기를 더 포함하여, 상기 절연수단에서 출력되는 신호를 상기 비교기에 입력하고 기준값으로 전압을 비교하여 출력신호를 생성하는, 인버터 고장검출회로.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 인버터 고장검출회로는,
   버퍼를 더 포함하여, 최종 출력되는 신호를 상기 버퍼로 연결하여 일정 전압을 유지한 상태로 상기 제어부에 입력신호로 제공하는, 인버터 고장검출회로.
   

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