KR20180055052A - 스위칭 소자 온도 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

스위칭 소자 온도 추정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위칭 소자의 온도 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 전력용 스위칭 소자의 온도를 정확히 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전체 스위칭 소자 중 선택된 스위칭 소자에 설치되어 스위칭 소자의 온도를 측정하는 소자 온도센서; 스위칭 소자 냉각을 위한 냉각수 유로에 설치되어 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서; 및 스위칭 소자의 구동시 출력되는 3상 전류, 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류, 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도, 및 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 스위칭 소자의 실제 온도에 기초하여, 전체 스위칭 소자 중 최고 온도를 나타내는 스위칭 소자의 온도를 추정하는 제어기를 포함하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템, 및 그 방법이 개시된다.

Description

스위칭 소자 온도 추정 시스템 및 방법{TEMPERATURE ESTIMATION SYSTEM AND METHOD FOR SWITCHING DEVICE}
본 발명은 스위칭 소자 온도 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력용 스위칭 소자의 온도를 정확히 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모터를 차량의 구동원으로 사용하는 자동차, 즉 순수 전기자동차(EV)나 하이브리드 자동차(HEV,PHEV), 연료전지 자동차(FCEV)와 같은 친환경 자동차에는, 차량 주행을 위한 구동원인 모터와, 고전압 전원으로부터의 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하여 모터를 구동시키는 인버터를 포함하는 모터 시스템이 탑재되어 있다.
여기서, 인버터는 모터 제어기의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 스위칭 소자들을 스위칭하여 고전압 전원으로부터의 직류를 3상 교류 전류로 변환하고, 모터는 인버터에서 전력케이블을 통해 전달되는 3상 교류 전류에 의해 구동된다.
통상의 인버터에서 파워 모듈을 구성하는 스위칭 소자로는 대전력에서도 고속 스위칭 동작이 가능한 전력용 반도체 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 'IGBT'라 칭함)가 주로 사용되고 있다.
도 1은 친환경 자동차의 모터 제어기 내 인버터에서 사용될 수 있는 3상 전력용 반도체를 예시한 사시도로서, 도시된 3상 전력용 반도체(10)는 어퍼 암(upper arm)과 바텀 암(bottom arm)으로 이루어져 있고, 어퍼 암과 바텀 암의 각 상마다 스위칭 소자로 IGBT(11)와 다이오드(12)를 가지고 있다.
IGBT와 같은 전력용 스위칭 소자는 동작시 전달하거나 차단하는 전류의 용량이 매우 크기 때문에 동작 중에 과온이나 과전류에 의해 손상될 수 있다.
특히, IGBT 등의 소자는 온도에 민감한 소자이므로 고온에 일정시간 이상 노출되면 파손될 수 있고, 따라서 파손 한계온도 이상으로 상승하지 않도록 온도를 정확히 측정하여 과온으로부터 보호해야 한다.
일반적으로 스위칭 소자의 과온을 방지하기 위한 방법으로는 2가지 방법이 많이 이용되고 있다.
첫 번째 방법은 사전 시험을 통해 평균적으로 가장 온도가 높다고 평가된 스위칭 소자 1개를 대표 소자로 선정하여 해당 소자에 온도센서(13)를 부착하고, 이 온도센서(13)를 통해 대표 소자의 온도만을 측정하여 전체 스위칭 소자에 대한 과온 방지 로직을 수행하는 방법이다.
그러나, 전체 소자에 대해 온도를 측정하지 않고 일부 소자에 대해서만 온도를 측정하여 해당 온도를 기준으로 과온 방지를 수행할 경우 모터의 회전속도가 저속인 경우에 문제가 발생할 수 있다.
알려진 바와 같이, 3상 전류는 서로 번갈아가면서 최대 전류 상태에 도달하는데, 12개의 소자(11,12)에 비교적 균일하게 전류가 분산된다.
즉, 모터 회전시의 위치가 대표 소자로 선정되지 못한 소자에 전류가 집중되는 위치에 오랫동안 있게 될 때, 대표 소자의 전류 상태보다 전류가 집중된 소자의 전류가 더 클 수 있고, 이때 온도 또한 대표 소자의 온도보다 전류가 집중된 소자의 온도가 더 클 수 있다.
이러한 경우 전류가 집중된 소자에는 온도센서가 없어 해당 소자에서 발생하는 과열의 수준을 알 수 없기에 한계온도 이상의 온도 상승을 방지하지 못하고, 과온으로 인한 파손이 발생할 수 있다.
두 번째 방법은 스위칭 소자의 온도를 측정하는 대신, 냉각수 온도로부터 소자의 온도를 추정하여 과온 방지를 수행하는 방법이다.
도 2는 일반적으로 많이 사용하는 냉각 방법으로서, 스위칭 소자(11,12)를 냉각수를 이용하여 냉각하는 방법을 나타낸 도면이다.
도시된 냉각 방법에서는 스위칭 소자(11,12), 반도체(10)에 맞닿아 있는 방열판(14), 방열핀(15) 사이의 냉각수, 그리고 냉각수 유로(16)를 지나는 냉각수가 열평형 상태에 있다고 가정하고, 냉각수 유로(16)에 설치된 온도센서(17)의 측정값을 기반으로 스위칭 소자(11,12)의 온도를 추정한다.
그러나, 이러한 냉각 방법의 문제점은 스위칭 소자(11,12)의 온도를 추정함에 있어 냉각수 온도에 의존적이라는 점이다.
냉각수 온도 측정에 문제가 발생하여 온도 추정에 문제가 발생하면 스위칭 소자(11,12)의 정확한 온도 추정은 불가능해진다.
예를 들어, 도 2의 (b)에서와 같이 냉각수가 충분치 못하거나, 도 2의 (c)에서와 같이 차량이 경사로에 위치하여 냉각수 흐름이 정상적이지 못한 경우, 온도센서(17)와 닿아 있는 냉각수와, 방열핀(15)에 닿아 있는 냉각수가 열평형 상태에 있지 않게 된다.
즉, 정상적인 열평형 상태에 있지 않으므로 온도센서(17)의 측정값이 스위칭 소자(11,12)의 기본 온도를 대표하지 못하고 독립적인 온도 상승 또는 하강 양상을 나타내는 것이다.
(b)의 경우, 스위칭 소자를 냉각하고 있는 냉각수의 온도가 온도센서(17)에 의해 측정되지 못하므로 냉각수의 온도를 이용한 소자 온도 추정은 불가하다.
(c)의 경우, 스위칭 소자(11,12)는 실제 전류가 흘러서 온도가 높아지더라도, 온도센서(17)가 닿아 있는 냉각수의 온도는 상승하지 않으므로 정확한 온도 추정이 불가하다.
이때, 스위칭 소자(11,12)의 온도는 냉각수에 의해 충분하게 냉각이 되지 않으므로 급격한 온도 상승을 하고, 결국 추정 온도가 실제 스위칭 소자(11,12)의 온도보다 낮게 결정될 수밖에 없다.
따라서, 추정 온도의 부정확함으로 인해 과온 방지 로직이 제때 동작하지 않게 되어 스위칭 소자의 온도가 한계온도 이상으로 상승할 수 있고, 과온으로 인한 스위칭 소자의 파손이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전력용 스위칭 소자의 온도를 정확히 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 전체 스위칭 소자 중 선택된 스위칭 소자에 설치되어 스위칭 소자의 온도를 측정하는 소자 온도센서; 스위칭 소자 냉각을 위한 냉각수 유로에 설치되어 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서; 스위칭 소자의 구동시 출력되는 3상 전류, 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류, 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도, 및 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 스위칭 소자의 실제 온도에 기초하여, 전체 스위칭 소자 중 최고 온도를 나타내는 스위칭 소자의 온도를 추정하는 제어기를 포함하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템을 제공한다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 전체 스위칭 소자 중 선택된 스위칭 소자에 설치된 소자 온도센서에 의해 스위칭 소자의 온도가 측정되고, 냉각수 온도센서에 의해 스위칭 소자 냉각을 위한 냉각수 온도가 측정되는 단계; 스위칭 소자의 구동시 출력되는 3상 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하는 단계; 상기 계산된 DC 전류 크기와 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 최고 스위칭 소자 온도를 추정하는 단계; 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류와 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 최고 스위칭 소자 온도와 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 추정 온도, 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 실제 스위칭 소자 온도에 기초하여 최종 스위칭 소자 온도를 결정하는 단계를 포함하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 스위칭 소자의 온도 추정 방법에 의하면, 스위칭 소자 전체에 흐르는 3상 전류 및 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류를 이용하여 온도를 추정하고, 실제 온도센서에 의해 측정된 온도를 이용하여 오차를 계산하고 추정값을 보정하는 방식을 적용함으로써, 스위칭 소자의 정확한 온도 추정이 가능해지고, 소자 파손 등 종래기술의 여러 문제점이 해소될 수 있게 된다.
또한, 친환경 자동차의 모터 동력 시스템의 정확한 온도 예측을 통해 고온 동력 성능 개선이 가능해지고, 온도 추정의 부정확성으로 인한 조기 출력 제한을 방지할 수 있다.
또한, 인버터에서 사용되고 있는 전력용 반도체 소자의 온도를 정확히 추정할 수 있으므로 소자의 수명 연장이 가능해지고, 전력 사용량에 따른 온도 상승/하강 패턴 변화를 감지하여 소자의 정확한 잔류 수명을 예측하는데 응용하는 것이 가능하다.
도 1은 친환경 자동차의 모터 제어기 내 인버터에서 사용될 수 있는 3상 전력용 반도체를 예시한 사시도이다.
도 2는 스위칭 소자를 냉각수를 이용하여 냉각하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템에서 제어기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템에서 전류크기 계산모듈과 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템에서 AC 전류 기반 온도 추정모듈의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명에 의해 추정된 스위칭 소자 온도에 따라서 정해지는 보정계수 및 과온 방지 제한 로직을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 전력용 스위칭 소자의 온도를 정확히 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
여기서, 스위칭 소자는 모터 구동을 위한 인버터의 파워 모듈을 구성하는 것이 될 수 있고, 친환경 자동차에서 차량 주행을 위한 구동모터에 3상 전류를 인가하는 인버터의 스위칭 소자가 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 스위칭 소자는 도 1에 나타낸 3상 전력용 반도체(10)의 스위칭 소자(11,12)가 될 수 있으며, 다음의 설명에서 전력용 반도체 및 냉각수를 이용한 냉각 구조에 대해서는 도 1 및 도 2를 참조하기로 한다.
또한, 본 발명에서 추정된 스위칭 소자의 온도는 스위칭 소자의 과온 방지를 위한 제어 로직, 즉 추정된 스위칭 소자의 온도에 따라 인버터의 출력을 제한하는 출력 제한 로직에서 이용될 수 있다.
실시예의 구성에 대해 설명하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템을 나타내는 블럭도이다.
본 발명에서는 전체 스위칭 소자에 흐르는 3상 전류로부터 DC 전류 크기를 계산한 뒤, DC 전류 크기와 측정된 냉각수 온도를 이용하여 최고 스위칭 소자 온도(최고 온도를 나타내는 불특정 스위칭 소자의 온도)를 추정하고, 온도센서가 설치된 스위칭 소자에 흐르는 상 전류와 측정된 냉각수 온도를 이용하여 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 추정하며, 상기 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 추정된 온도와 온도센서에 의해 측정된 실제 소자 온도의 오차를 구한 후, 이 오차를 이용하여 상기 최고 스위칭 소자 온도를 보정함으로써 보정된 소자 온도가 최종의 소자 온도로 구해지도록 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템은, 도시된 바와 같이, 전력용 반도체의 전체 스위칭 소자 중 선택된 스위칭 소자에 설치되어 그 스위칭 소자의 온도를 측정하는 소자 온도센서(13)와; 전력용 반도체의 냉각을 위한 냉각수 유로(16)에 설치되어 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(17)와; 전력용 반도체 내 스위칭 소자의 구동으로 출력되는 3상 전류, 상기 소자 온도센서(13)가 설치된 스위칭 소자의 상 전류, 상기 냉각수 온도센서(17)에 의해 측정된 냉각수 온도, 및 상기 소자 온도센서(13)에 의해 측정된 스위칭 소자 온도에 기초하여 스위칭 소자의 온도를 추정하는 제어기(100)를 포함한다.
여기서, 소자 온도센서(13)는 선택된 스위칭 소자의 실제 온도를 측정하기 위한 것으로, 인버터 내 파워 모듈을 구성하는 스위칭 소자들 중 사전 시험을 통해 평균적으로 가장 온도가 높다고 평가된 스위칭 소자 1개를 대표 소자로 선정하여 해당 소자에 소자 온도센서(13)를 부착할 수 있다.
또한, 냉각수 온도센서(17)는 도 2에 나타낸 바와 같이 스위칭 소자를 냉각하기 위한 냉각수 유로(16) 내에 설치될 수 있는 것으로, 냉각수 유로를 따라 흐르는 냉각수의 온도를 측정하게 된다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 온도 추정 시스템에서 제어기(100)의 구성을 나타내는 블록도로서, 이를 참조하여 제어기(100)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
제어기(100)는 스위칭 소자의 구동에 의해 출력되는 3상 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하여 출력하는 전류크기 계산모듈(110); 및 상기 전류크기 계산모듈(110)에서 출력된 DC 전류 크기와 상기 냉각수 온도센서(17)에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 최고 스위칭 소자 온도를 추정하여 출력하는 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)을 포함한다.
이와 더불어, 상기 제어기(100)는 상기 소자 온도센서(13)가 설치된 스위칭 소자의 AC 전류(상 전류)와 냉각수 온도센서(17)에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 해당 스위칭 소자의 온도를 추정하여 출력하는 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130); 및 상기 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)과 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)에서 각각 추정된 스위칭 소자 온도와 상기 소자 온도센서(13)에 의해 측정된 스위칭 소자 온도에 기초하여 최종 스위칭 소자 온도를 결정하는 온도 결정 모듈(140)을 포함한다.
먼저, 상기한 제어기(100)의 구성 중 전류크기 계산모듈(110)은 스위칭 소자의 구동에 의해 인버터(미도시)에서 모터(미도시)로 인가되는 3상 전류, 즉 U상 전류, V상 전류, W상 전류의 신호를 입력받게 된다.
상기 U상 전류, V상 전류, W상 전류는 전류센서(미도시)에 의해 측정될 수 있으며, 인버터 및 모터를 포함하는 통상의 모터 시스템에서 모터 구동 및 제어를 위해 3상 전류의 측정이 이루어지고 있으므로, 이때 측정된 3상 전류의 신호를 상기 전류크기 계산모듈(110)이 입력받을 수 있도록 한다.
알려진 바와 같이, 3상 중 두 상(예를 들면, U상, V상, W상 중 U상과 V상)에 전류센서를 부착하여 두 상의 전류를 각각 측정하고, 측정한 각 상의 전류를 이용하여 나머지 한 상의 전류를 계산할 수 있다.
상기 전류크기 계산모듈(110)은 측정된 3상 AC 전류를 DC 전류로 환산했을 경우의 DC 전류 크기(Imag)를 계산하는 모듈로서, 측정된 3상 전류를 입력받아 그로부터 DC 전류 환산값, 즉 DC 전류 크기(Imag)를 계산하게 된다.
또한, DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)은 전류크기 계산모듈(110)이 계산하여 출력하는 DC 전류 크기(Imag)를 기반으로 최고 스위칭 소자 온도를 결정하는 모듈로서, DC 전류 크기(Imag)와 측정된 냉각수 온도를 이용하여 최고 스위칭 소자 온도를 결정한다.
여기서, 최고 스위칭 소자 온도는 전체 스위칭 소자 중 최고 온도를 나타내는 불특정 스위칭 소자의 온도로 정의될 수 있다.
도 5는 본 발명에서 전류크기 계산모듈(110)과 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)의 세부 구성을 나타내는 블록도로서, 도시된 바와 같이 전류크기 계산모듈(110)은 3상 전류(U상 전류, V상 전류, W상 전류)를 d축 전류와 q축 전류로 변환하는 3상/d-q 좌표 변환기(111)와, d축 전류와 q축 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하는 전류크기 계산부(112)를 포함한다.
여기서, 3상/d-q 좌표 변환기(111)는 3상 전류와 모터의 회전자 절대각 위치(θ)를 입력받아 절대각 위치를 이용하여 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 좌표 변환한다.
상기 회전자 절대각 위치(θ)는 레졸버에 의해 측정될 수 있으며, 통상의 모터 시스템에서 레졸버에 의해 절대각 위치의 측정이 이루어지고 있으므로, 이 레졸버에 의해 측정된 절대각 위치를 상기 3상/d-q 좌표 변환기(111)가 입력받을 수 있도록 한다.
물론, 상기 3상/d-q 좌표 변환기(111)는 모터 구동 및 제어를 위해 이미 사용되고 있는 좌표 변환기(111)와 구분되는 별도의 좌표 변환기(111)가 될 수도 있으나, 같은 좌표 변환기(111)가 될 수 있다.
상기 전류크기 계산부(112)는 3상/d-q 좌표 변환기(111)에서 출력되는 d축 전류와 q축 전류를 입력받아 전류 크기(Imag)를 계산하며, 이때 전류 크기는 아래와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, id는 d축 전류를, iq는 q축 전류를 나타낸다.
DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)은 전류크기 계산모듈(110)에서 출력되는 DC 전류 크기(Imag)로부터 전류에 의한 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하는 전류 크기 기반 온도 상승분 추정부(121)와, 상기 온도 상승분과 측정된 냉각수 온도로부터 최고 스위칭 소자 온도를 계산하는 온도 계산부(124)를 포함한다.
여기서, 온도 상승분 추정부(121)는 DC 전류 크기(Imag)로부터 설정정보를 이용하여 손실 값을 결정하는 손실 추정부(122)와, 상기 손실 추정부(122)에서 구해진 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 전류에 의한 온도 상승분을 계산하는 상승분 계산부(123)를 포함한다.
전술한 바와 같이 전류크기 계산모듈(110)에서 3상 전류로부터 DC 전류로 환산된 전류 크기가 구해지면, DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)의 손실 추정부(122)에서는 DC 전류 크기(Imag)를 입력받아 전류 크기에 해당하는 손실 값을 설정정보인 맵이나 테이블, 또는 수식으로부터 결정하게 된다.
이어 상승분 계산부(123)가 전류 기반 손실 추정값에서 계산되어 출력되는 손실 값에 열 저항 계수를 곱하여 전류에 의한 온도 상승분을 계산하게 된다.
상기와 같이 전류에 의한 온도 상승분이 계산되고 나면, DC 기반 전류 크기 온도 추정모듈의 온도 계산부(124)에서는 온도 상승분과 냉각수 온도를 이용하여 최고 스위칭 소자 온도를 계산할 수 있으며, 이때 온도 상승분과 냉각수 온도를 합한 값으로 최고 스위칭 소자 온도가 계산될 수 있다.
상기와 같은 전류크기 계산모듈(110)과 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)은 3상 AC 전류로부터 변환한 DC 전류의 크기, 즉 DC 환산 전류 크기를 산출하는 모듈로서, 최대 전류 크기를 기반으로 하여 최고 온도를 추정하는 모듈이라 할 수 있다.
3상 AC 전류는 한 상의 전류가 최고 피크(peak) 값에 도달한 후 하강할 때, 다른 상의 전류가 상승하여 최고 피크 값에 도달하기 때문에, 3상 전류 중 적어도 어느 한 상은 최대 크기(Imag)에 준하는 상태에 있다.
이에 본 발명에서는, 냉각수 온도 측정이 정상상태일 때, 최대 전류 크기에 도달해 있는 불특정한 스위칭 소자의 온도를, 상기 전류크기 계산모듈(110)과 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)을 통해 각 소자를 통해 흐르는 3상 전류로부터 추정하게 된다.
이때, 전류크기 계산모듈(110)이 실측된 3상 전류를 좌표 변환하여 2축의 동기 좌표 전류로 변환한 뒤 동기 좌표 전류의 크기를 계산하여 출력하며, DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)에서는 상기 좌표 전류의 크기(DC 전류 크기)로부터 손실 값을 계산한 후 상기 계산된 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 전류에 의한 온도 상승분을 계산하게 된다.
여기서, 열 저항 계수는 단위 손실당 온도 상승분을 나타내는 계수로서, 스위칭 소자의 비열 및 열 전달 경로의 열 손실 등을 고려하여 미리 정해지는 값이다.
결국, 전체 스위칭 소자의 총 손실에 열 저항 계수를 곱하여 DC 전류 크기에 의한 온도 상승분을 구한 후, 이 온도 상승분에 센서에 의해 측정된 냉각수 온도를 더하면, 최대 전류가 흐르고 있는 불특정 스위칭 소자의 온도를 예측할 수 있다.
다음으로, 도 6은 본 발명에서 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)의 구성을 나타내는 블록도이다.
AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)은 소자 온도센서(13)가 설치된 스위칭 소자, 즉 센서에 의해 온도가 측정되는 스위칭 소자의 상 전류를 기반으로 하여 해당 소자(온도센서가 설치된 스위칭 소자)의 온도를 추정하는 모듈이다.
이러한 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)은 소자 온도센서(13)가 장착된 스위칭 소자의 상 전류와 냉각수 온도센서(17)에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 해당 스위칭 소자의 온도를 추정한 후 출력하게 된다.
상기 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)은 소자 온도센서(13)가 장착된 스위칭 소자의 상 전류를 입력받아 상 전류로부터 전류에 의한 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하는 온도 상승분 추정부(131)와, 상기 온도 상승분과 냉각수 온도로부터 스위칭 소자의 온도를 계산하는 온도 계산부(134)를 포함한다.
여기서, 온도 상승분 추정부(131)는 상 전류를 입력받아 그로부터 설정정보를 이용하여 손실 값을 추정하는 손실 추정부(132)와, 상기 손실 추정부(132)에서 구해진 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 전류에 의한 온도 상승분을 계산하는 상승분 계산부(133)를 포함한다.
상기 손실 추정부(132)는 상 전류에 해당하는 손실 값을 설정정보인 맵이나 테이블, 또는 수식으로부터 결정하게 되는데, 상 전류는 음의 피크 값과 양의 피크 값 사이에서 크기가 주기적으로 변하는 교류(AC) 전류이므로, 온도 상승분 추정부(131)의 입력, 보다 명확히는 손실 추정부(132)의 입력은 음의 피크 전류와 양의 피크 전류까지가 된다.
다만, 손실 추정부(132)의 출력은 음의 전류나 양의 전류가 모두 열로 변환되므로 항상 양의 손실 값을 가지며, 상승분 계산부(133)에서는 구해진 손실 값에 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)에서 사용하는 동일한 열 저항 계수를 곱하여 순시 온도 상승분을 계산한다.
또한, 온도 계산부(134)에서는 상기 온도 상승분에 냉각수 온도센서(17)에 의해 측정된 냉각수 온도를 더하여 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 순시 온도를 추정한다.
다음으로, 온도 결정 모듈(140)은 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)의 온도 추정값과 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)의 온도 추정값, 소자 온도센서(13)에 의해 측정된 소자 온도 측정값에 기초하여 최종 스위칭 소자 온도를 결정한다.
여기서, 온도 결정 모듈(140)은 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)에서 추정되어 출력된 스위칭 소자 온도와 소자 온도센서(13)에 의해 측정된 스위칭 소자 온도 사이의 오차를 계산하는 오차 계산부(141)와, DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈에서 추정되어 출력된 최고 스위칭 소자 온도를 상기 오차 계산부(141)에서 계산되어 출력된 오차만큼 보정하여 최종의 스위칭 소자 온도를 산출하는 온도 결정부(142)를 포함한다.
이러한 구성에서, 온도 결정부(142)에서는 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)에서 구해진 최고 스위칭 소자 온도로부터 오차 계산부(141)에서 구해진 오차를 뺀 값으로 최종 스위칭 소자 온도가 결정될 수 있다.
이를 통해 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)이 가지는 오차가 상쇄될 수 있도록 하고, 이렇게 오차가 상쇄된 스위칭 소자 온도를 최종 값으로 결정하여 최대 전류가 흐르고 있는 불특정 스위칭 소자의 온도가 정확히 추정될 수 있도록 한다.
즉, 본 발명에서 구해지는 스위칭 소자 온도는, 모든 스위칭 소자의 온도를 정확히 측정할 수 없는 상황에서, 소자에 흐르고 있는 전류를 이용하여 최대 전류가 흐르고 있는 불특정 스위칭 소자(알 수 없는 소자)의 온도, 즉 온도가 가장 높다고 추정되는 스위칭 소자의 온도가 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 따른 온도 추정 시스템 및 그 방법에 대해 상세히 설명하였다.
본 발명에서 최종 구해진 스위칭 소자의 온도는 스위칭 소자의 과온 방지를 위해 수행되는 과온 방지 로직, 즉 스위칭 소자의 추정 온도에 따라 출력을 제한하는 과온 방지 출력 제한 로직에 이용될 수 있다.
즉, 로직을 수행하는 과온 방지 출력 제한 모듈(150)이 추정된 스위칭 소자의 온도에 따라 출력을 제한하는 로직을 수행하는 것이다.
여기서, 출력은 스위칭 소자를 포함하는 인버터의 출력 또는 인버터의 출력에 따라 제어되는 모터의 출력을 의미하는 것이 될 수 있으며, 과온 방지 출력 제한 모듈(150)이 추정된 스위칭 소자의 온도에 따라 인버터의 출력 또는 모터의 출력을 제한하는 출력 제한 로직을 수행하도록 구비될 수 있다.
예로서, 과온 방지 출력 제한 모듈(150)이 추정된 스위칭 소자의 온도에 상응하는 보정계수(토크 제한율과 관계됨)를 설정정보인 맵 또는 테이블로부터 결정하고, 이어 보정계수에 따라 모터 토크지령을 보정하여 수정된 모터 토크지령을 출력하도록 구비될 수 있다.
도 7은 추정된 스위칭 소자의 온도에 따라 정해지는 출력 제한을 위한 보정계수를 나타내는 도면이다.
제어기(100)의 과온 방지 출력 제한 모듈(150)은 온도 결정 모듈(140)에서 결정된 스위칭 소자의 온도를 입력받고, 스위칭 소자의 온도에 상응하는 보정계수(1 이하의 값임)를 설정정보인 도 7과 같은 선도로부터 결정한다.
이어 모터 토크지령에 보정계수를 곱한 값으로 토크지령을 보정한 후 수정된 토크지령을 출력한다.
결국, 수정된 토크지령에 따라 모터의 구동이 제어됨으로써 스위칭 소자 과온 방지를 위한 인버터 및 모터의 출력 제한이 이루어지게 된다.
도 7을 참조하면, 추정된 스위칭 소자의 온도가 과온 방지 시작 온도에 도달할 경우 출력 제한이 시작되고, 과온 방지 시작 온도 이상인 조건에서 스위칭 소자의 온도가 높을수록 보정계수가 작은 값으로 설정되어 있으므로, 수정된 토크지령 또한 온도가 높을수록 작은 값이 된다.
이는 스위칭 소자의 온도가 높을수록 출력을 더욱 크게 제한하는 것, 즉 토크 제한량을 크게 하는 것을 의미한다.
또한, 스위칭 소자의 온도가 과온 보호 시작 온도 이상으로 상승하여 토크 제한이 이루어질 때, 스위칭 소자에 흐르는 전류가 제한되어 줄게 되므로 소자의 온도 상승이 억제된다.
또한, 스위칭 소자의 온도가 더욱 상승하여 과온 방지 종료 온도에 도달하면, 보정계수(= 0, 토크 제한율 100%)에 의해 보정된 토크지령이 0이 되므로, 스위칭 제어가 중지되면서 소자를 통해서는 전류가 흐르지 않게 되는바, 결국 소자 온도는 더 이상하지 상승하지 않고 하강하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 온도 추정 과정을 나타내는 순서도로서, 추정 과정을 순차적으로 기술하면 다음과 같다.
먼저, 스위칭 제어가 시작되어 온도 추정이 시작되고(S11), 냉각수 온도센서(17)에 의해 냉각수 온도가 측정되며, 소자 온도센서(13)에 의해 특정 스위칭 소자의 온도가 측정된다(S12).
이어 소자 온도센서(13)가 설치된 스위칭 소자의 상 전류가 측정되고, 전류크기 계산모듈(110)에서는 전체 스위칭 소자의 3상 전류로부터 DC 전류 크기가 계산된다(S13).
또한, DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈(120)의 온도 상승분 추정부(121)가 전류크기 계산모듈(110)에서 계산 및 출력된 DC 전류 크기(Imag)로부터 전류에 의한 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하고, 온도 계산부(124)가 상기 산출된 온도 상승분과 냉각수 센서에 의해 측정된 냉각수 온도로부터 최고 스위칭 소자 온도를 계산하여 추정한다(S14).
이와 더불어, AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)에서는, 온도 상승분 추정부(131)가 소자 온도센서(13)가 설치된 스위칭 소자의 상 전류로부터 그 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하고, 온도 계산부(134)가 산출된 온도 상승분과 냉각수 온도로부터 소자 온도센서(13)가 설치된 스위칭 소자의 온도를 계산하여 추정한다(S15)
이어 온도 결정 모듈(140)에서는, 오차 계산부(141)에 의해 AC 전류 기반 온도 추정모듈(130)에서 추정되어 출력된 스위칭 소자의 온도와, 소자 온도센서(13)에 의해 측정된 스위칭 소자 온도 사이의 오차를 계산한다(S16).
또한, 온도 결정 모듈(140)의 온도 결정부(142)는, DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈에서 추정 및 출력된 최고 스위칭 소자 온도를, 상기 오차 계산부(141)에서 계산 및 출력된 오차만큼 보정하여, 최종의 스위칭 소자 온도를 산출한다(S17)
결국, 최종의 스위칭 소자 온도에 따라 전술한 바와 같은 과온 방지 제어가 수행될 수 있게 된다(S18).
이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 전체 스위칭 소자에 대한 최고 소자 온도, 즉 최고 온도를 나타내고 있는 불특정 스위칭 소자의 온도를 상 전류(소자를 통해 흐르고 있는 전류)로부터 추정하고, 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 상 전류로부터 추정하며, 상기 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 추정 온도와 온도센서에 의해 측정된 온도를 비교하여 오차를 산출한 후, 상기 최고 소자 온도를 오차만큼 보정하는 방식으로 최종 온도를 구하게 됨으로써, 스위칭 소자의 정확한 온도 추정이 가능해지고, 소자 파손 등 종래기술의 문제점이 해소될 수 있다.
또한, 친환경 자동차의 모터 동력 시스템의 정확한 온도 예측을 통해 고온 동력 성능 개선이 가능해지고, 온도 추정의 부정확성으로 인한 조기 출력 제한을 방지할 수 있다.
또한, 인버터에서 사용되고 있는 전력용 반도체 소자의 온도를 정확히 추정할 수 있으므로 소자의 수명 연장이 가능해지고, 전력 사용량에 따른 온도 상승/하강 패턴 변화를 감지하여 소자의 정확한 잔류 수명을 예측하는데 응용하는 것이 가능하다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 전력용 반도체 11 : IGBT
12 : 다이오드 13 : 소자 온도센서
14 : 방열판 15 : 방열핀
16 : 냉각수 유로 17 : 냉각수 온도센서
100 : 제어기 110 : 전류크기 계산모듈
111 : 3상/d-q 좌표 변환기 112 : 전류크기 계산부
120 : DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈
121 : 온도 상승분 추정부 122 : 손실 추정부
123 : 상승분 계산부 124 : 온도 계산부
130 : AC 전류 기반 온도 추정모듈 131 : 온도 상승분 추정부
132 : 손실 추정부 133 : 상승분 계산부
134 : 온도 계산부 140 : 온도 결정 모듈
141 : 오차 계산부 142 : 온도 결정부
150 : 과온 방지 출력 제한 모듈

Claims (17)

  1. 전체 스위칭 소자 중 선택된 스위칭 소자에 설치되어 스위칭 소자의 온도를 측정하는 소자 온도센서;
    스위칭 소자 냉각을 위한 냉각수 유로에 설치되어 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서; 및
    스위칭 소자의 구동시 출력되는 3상 전류, 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류, 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도, 및 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 스위칭 소자의 실제 온도에 기초하여, 전체 스위칭 소자 중 최고 온도를 나타내는 스위칭 소자의 온도를 추정하는 제어기를 포함하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    스위칭 소자의 구동시 출력되는 3상 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하여 출력하는 전류크기 계산모듈;
    상기 전류크기 계산모듈에서 출력된 DC 전류 크기와 측정된 냉각수 온도에 기초하여 최고 스위칭 소자 온도를 추정하여 출력하는 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈;
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류와 측정된 냉각수 온도에 기초하여 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 추정하여 출력하는 AC 전류 기반 온도 추정모듈; 및
    상기 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈과 AC 전류 기반 온도 추정모듈에서 각각 추정된 스위칭 소자 온도와 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 스위칭 소자의 실제 온도에 기초하여 최종 스위칭 소자 온도를 결정하는 온도 결정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전류크기 계산모듈은,
    3상 전류를 입력받아 d축 전류와 q축 전류로 변환하는 3상/d-q 좌표 변환기; 및
    상기 변환된 d축 전류와 q축 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하는 전류크기 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전류크기 계산부는 3상/d-q 좌표 변환기에서 출력되는 d축 전류(id)와 q축 전류(iq)를 입력받아 아래의 식으로부터 DC 전류 크기(Imag)를 계산하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
    식:
    Figure pat00002

  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈은,
    상기 전류크기 계산모듈에서 출력된 DC 전류 크기로부터 전류에 의한 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하는 온도 상승분 추정부; 및
    상기 산출된 온도 상승분과 측정된 냉각수 온도로부터 최고 스위칭 소자 온도를 계산하는 온도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 온도 상승분 추정부는,
    상기 전류크기 계산모듈에서 출력된 DC 전류 크기로부터 설정정보를 이용하여 손실 값을 결정하는 손실 추정부; 및
    상기 손실 추정부에서 구해진 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 전류에 의한 스위칭 소자의 온도 상승분을 계산하는 상승분 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 AC 전류 기반 온도 추정모듈은,
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류를 입력받아 그로부터 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하는 온도 상승분 추정부; 및
    상기 산출된 온도 상승분과 측정된 냉각수 온도로부터 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 계산하는 온도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 온도 상승분 추정부는,
    상기 온도 상승분 추정부(131)는 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류로부터 설정정보를 이용하여 손실 값을 추정하는 손실 추정부; 및
    상기 손실 추정부에서 구해진 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도 상승분을 계산하는 상승분 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 결정 모듈은,
    상기 AC 전류 기반 온도 추정모듈에서 출력된 스위칭 소자 온도와 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 스위칭 소자 온도 사이의 오차를 계산하여 출력하는 오차 계산부; 및
    상기 DC 전류 크기 기반 온도 추정모듈에서 출력된 스위칭 소자 온도를 상기 오차 계산부에서 출력된 오차만큼 보정하여 최종의 스위칭 소자 온도를 산출하는 온도 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 시스템.
  10. 전체 스위칭 소자 중 선택된 스위칭 소자에 설치된 소자 온도센서에 의해 스위칭 소자의 온도가 측정되고, 냉각수 온도센서에 의해 스위칭 소자 냉각을 위한 냉각수 온도가 측정되는 단계;
    스위칭 소자의 구동시 출력되는 3상 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하는 단계;
    상기 계산된 DC 전류 크기와 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 최고 스위칭 소자 온도를 추정하는 단계;
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류와 상기 냉각수 온도센서에 의해 측정된 냉각수 온도에 기초하여 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 최고 스위칭 소자 온도와 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 추정 온도, 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 실제 스위칭 소자 온도에 기초하여 최종 스위칭 소자 온도를 결정하는 단계를 포함하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 DC 전류 크기를 계산하는 단계에서,
    상기 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 변환하고, 상기 변환된 d축 전류와 q축 전류로부터 DC 전류 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 DC 전류 크기(Imag)는 d축 전류(id)와 q축 전류(iq)로부터 아래의 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
    식:
    Figure pat00003

  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 최고 스위칭 소자 온도를 추정하는 단계는,
    상기 DC 전류 크기로부터 전류에 의한 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하는 과정; 및
    상기 산출된 온도 상승분과 측정된 냉각수 온도로부터 최고 스위칭 소자 온도를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 온도 상승분을 산출하는 과정에서,
    상기 DC 전류 크기로부터 설정정보를 이용하여 손실 값을 결정하고,
    상기 결정된 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 스위칭 소자의 온도 상승분을 계산하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 추정하는 단계는,
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류로부터 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도 상승분을 산출하는 과정; 및
    상기 산출된 온도 상승분과 측정된 냉각수 온도로부터 상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 온도 상승분을 산출하는 과정에서,
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 상 전류로부터 설정정보를 이용하여 손실 값을 추정하고,
    상기 결정된 손실 값과 열 저항 계수를 곱하여 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 온도 상승분을 계산하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 최고 스위칭 소자 온도를 결정하는 단계는,
    상기 소자 온도센서가 설치된 스위칭 소자의 추정 온도와, 상기 소자 온도센서에 의해 측정된 실제 스위칭 소자 온도 사이의 오차를 계산하는 과정; 및
    상기 추정된 최고 스위칭 소자 온도를 상기 오차만큼 보정하여 최종 스위칭 소자 온도를 산출하는 과정을 포함하는 스위칭 소자의 온도 추정 방법.
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