KR20180069954A - 파워모듈의 정션온도 측정 방법 - Google Patents

파워모듈의 정션온도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

정션온도 상승 구간의 온도 변화를 정확하게 적용하여 온도 측정의 정확도를 향상시키고 파워모듈의 내구수명을 정밀하게 예측할 수 있으며 파워모듈의 출력 파워량을 증대 시킬 수 있는 파워모듈의 정션온도 측정 방법이 개시된다.

Description

파워모듈의 정션온도 측정 방법{METHOD FOR MEASURING JUNCTION TEMPERATURE OF POWER MODULE}
본 발명은 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정션온도 상승 구간의 온도 변화를 정확하게 적용하여 온도 측정의 정확도를 향상시키고 파워모듈의 내구수명을 정밀하게 예측할 수 있으며 파워모듈의 출력 파워량을 증대 시킬 수 있는 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모터 구동을 위해서는 직류 전력을 변환하여 삼상의 교류 전력을 생성하는 인버터가 필요하다. 인버터에는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)와 다이오드와 같이 스위칭 동작을 수행하는 전력 반도체 소자가 포함된 파워모듈이 구비된다. 파워모듈의 전력 반도체 소자들은 소손 방지 및 내구 수명을 유지하기 위해서 사전 설정된 최대 허용 온도 이내로 관리되어야 한다.
이를 위해, 파워모듈 내에는 전력 반도체 소자의 온도인 정션온도를 검출하기 위해 NTC(Negative Temperature Coefficient-thermic resistor)가 구비된다. 그러나, NTC를 이용하여 정션온도를 추정하는 기법은 인버터 입력 전압과 전력 반도체 소자의 스위칭 주파수의 변화에 대한 보상을 위한 수단을 갖지 못하므로 정확한 정션온도의 예측이 불가능하다. 특히, NTC는 정션온도가 상승할 때 전력 반도체 소자에서 방출되는 열에 의해 전압 변화를 검출하게 되므로 응답성(thermal impedance) 또한 실제의 전력 반도체 소자와는 상당한 차이가 있다.
이와 같이, NTC를 적용하여 정션온도를 추정하는 기법 이외에 열모델을 활용하여 정션온도를 추정하는 기법이 알려져 있다. 열모델을 이용하는 방법은 전력 반도체 소자의 전압, 전류 및 스위칭 주파수를 고려한 파워 손실을 기반으로 정션온도를 추정하는 기법으로 NTC를 이용하는 기술에 비해 정확한 정션온도의 추정이 가능하다. 그러나, 정션온도는 포화 온도까지 상승하는 과정에서 일정한 온도 상승의 추이를 갖고 있으므로 온도 상승 추이를 정확하게 반영하여야 작동 중인 파워모듈의 정확한 정션온도 예측이 가능하다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1567256 B1 KR 10-2014-0047758 A
이에 본 발명은, 정션온도 상승 구간의 온도 변화를 정확하게 적용하여 온도 측정의 정확도를 향상시키고 파워모듈의 내구수명을 정밀하게 예측할 수 있으며 파워모듈의 출력 파워량을 증대 시킬 수 있는 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
복수의 전력 반도체 소자를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 있어서,
정션온도 측정 대상이 되는 제1 전력 반도체 소자의 파워 손실 및 열저항을 기반으로 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계;
상기 제1 전력 반도체 소자 주변에 배치된 제2 전력 반도체 소자의 파워 손실 및 열저항을 기반으로 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계;
상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값에 제1 시정수를 적용하고, 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값에 상기 제1 시정수보다 큰 값을 갖는 제2 시정수를 적용하는 단계; 및
상기 제1 시정수가 적용된 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값과 상기 제2 시정수가 적용된 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 조합하여 상기 제1 전력 반도체 소자의 최종 정션온도를 도출하는 단계;
를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계는, 상기 제1 전력 반도체 소자의 입력 전압, 입력 전류 및 스위칭 주파수에 기반하여 상기 제1 전력 반도체 소자의 파워 손실을 산출하는 단계; 및 상기 제1 전력 반도체 소자의 파워 손실에 상기 제1 전력 반도체 소자의 열저항을 승산하여 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계는, 상기 제2 전력 반도체 소자의 입력 전압, 입력 전류 및 스위칭 주파수에 기반하여 상기 제2 전력 반도체 소자의 파워 손실을 산출하는 단계; 및 상기 제2 전력 반도체 소자의 파워 손실에 상기 제2 전력 반도체 소자의 열저항을 승산하여 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 전력 반도체 소자의 열저항은 상기 파워모듈에 적용된 냉각수 통로에 흐르는 냉각수 유량에 따라 사전에 결정된 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 전력 반도체 소자의 열저항은 상기 파워모듈에 적용된 냉각수 통로에 흐르는 냉각수 유량에 따라 사전에 결정된 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 최종 정션온도를 도출하는 단계는, 상기 제1 시정수가 적용된 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값과 상기 제2 시정수가 적용된 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 합산하고, 합산된 값에 상기 파워모듈에 적용된 냉각수 통로에 흐르는 냉각수의 온도를 합산하여 상기 최종 정션온도를 도출할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
복수의 전력 반도체 소자를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법으로서, 정션온도 측정 대상이 되는 제1 전력 반도체 소자의 발열에 의한 온도 변화 예측값의 상승 추이와 상기 제1 전력 반도체 소자의 주변에 배치된 제2 전력 반도체 소자의 발열에 의한 온도 변화의 상승 추이를 조합하여, 최종적으로 상기 제1 전력 반도체 소자의 정션온도 변화의 상승 추이를 결정하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 제공한다.
상기 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 따르면, 파워모듈이 적용되는 차량의 운행 조건 별로 정션온도 상승 추이를 달리 반영함으로써 정션온도 측정의 정밀성을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 따르면, 차량의 운행 조건 별로 주변 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향을 반영함으로써 차량 운행 중 정션온도 측정을 더욱 정밀하게 할 수 있다.
또한, 상기 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 따르면, 파워모듈 정션온도를 정밀하게 예측 가능하므로 온도 스트레스에 의한 파워모듈 내구 수명을 더욱 정밀하게 예측 가능하다.
또한, 상기 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 따르면, 파워모듈 정션온도를 정밀하게 예측 가능하므로 파워모듈의 과온 보호(derating) 로직의 동작 시점을 실제 원하는 온도에 할 수 있어 과도하게 따른 과온 보호 로직에 의한 출력량 손실 발생을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법이 적용되는 파워모듈의 일 예를 간략하게 도시한 평면도 및 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법의 개념을 설명하기 위해 단일 전력 반도체 소자만 작동하였을 경우의 정션온도 변화 및 상호 인접한 다수의 전력 반도체 소자들이 함께 작동하였을 경우 한 전력 반도체 소자의 정션온도 변화를 비교 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 구현하기 위한 컨트롤러의 구성도이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 적용 여부에 따른 정션온도 변화 및 파워모듈의 출력량을 비교하여 도시한 그래프이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법은, 복수의 전력 반도체 소자를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법으로서, 정션온도 측정 대상이 되는 대상 전력 반도체 소자의 입력 전압, 입력 전류 및 스위칭 주파수에 기반하여 산출된 파워 손실과, 대상 전력 반도체 소자의 열저항을 기반으로 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계(S11-S13)와, 대상 전력 반도체 소자에 인접한 인접 전력 반도체 소자의 입력 전압, 입력 전류 및 스위칭 주파수에 기반하여 산출된 파워 손실과, 대상 전력 반도체 소자의 열저항을 기반으로 인접 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계(S21-S23)와, 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값에 제1 시정수를 적용하고, 인접 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값에 제1 시정수보다 큰 값을 갖는 제2 시정수를 적용하는 단계(S14, S24) 및 제1 시정수가 적용된 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값과 제2 시정수가 적용된 인접 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 조합하여 대상 전력 반도체 소자의 최종 정션온도를 도출하는 단계(S31)를 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법은 도 2 및 도 3에 도시한 것과 같이 복수의 전력 반도체 소자를 포함하는 파워모듈에 적용되는 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법이 적용되는 파워모듈의 일 예를 간략하게 도시한 평면도 및 측단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 파워모듈을 기판(S) 상에 배치되는 복수의 IGBT(11, 12)와 다이오드(21, 22)를 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시되지는 않았지만, IGBT(11, 12)와 다이오드(21, 22)는 기판(S)에 형성된 도전 패턴 등에 의해 구현된 전력 라인으로 상호 전기적으로 연결될 수 있으며, IGBT(11, 12)와 다이오드(21, 22)에는 제어를 위한 신호를 제공하기 위한 와이어 등이 연결될 수도 있다. 또한, 파워모듈은 기판(S)의 하부에 기판(S)과 밀착하도록 냉각수 통로(30)가 구비될 수 있다. 냉각수 통로(30)는 전력 반도체 소자(11, 12, 21, 22)를 냉각 시키기 위한 냉각수가 흐를 수 있다. 도 3에서 냉각수 통로(30)는 기판(S)의 하부에 하나 설치되는 것으로 도시되고 있으나, 당 기술 분야에는 다양한 방식의 냉각수 통로 구조가 알려져 있으며 도 3의 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 냉각수 통로(30)로 흐르는 냉각수의 유량 및 온도는 정션온도를 예측하는데 적용될 수 있으며 이에 대해서는 후술하기로 한다.
이러한 구조의 파워모듈에서, 전력 반도체 소자, 예를 들어 IGBT(11)의 정션온도는 자체의 전류 및 스위칭에 의한 발열로 인해 상승할 수 있지만, 주변의 다른 IGBT(12)와 다이오드(21, 22)의 발열에 의한 영향을 받을 수 있다. 본 발명의 여러 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법은, 차량의 주행 모드나 주행 조건에 따라 소자 자체의 발열 및 주변 소자의 발열에 의한 영향을 모두 고려하여 정션온도를 추정할 수 있게 하며, 특히 정션온도의 상승 추이를 정확하게 반영할 수 있도록 한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법의 개념을 설명하기 위해 단일 전력 반도체 소자만 작동하였을 경우의 정션온도 변화 및 상호 인접한 다수의 전력 반도체 소자들이 함께 작동하였을 경우 한 전력 반도체 소자의 정션온도 변화를 비교 도시한 그래프이다.
도 4에서 점선으로 나타낸 곡선은 단일 전력 반도체 소자만 작동하였을 경우전류 인가 이후의 해당 전력 반도체 소자의 정션온도 변화를 실험적으로 측정한 결과이고, 실선으로 나타낸 곡선은 상호 인접한 다수의 전력 반도체 소자들이 함께 작동하였을 경우 전류 인가 이후 하나의 전력 반도체 소자의 정션온도 변화를 실험적으로 측정한 결과이다.
도 4에서 점선으로 나타난 것과 같이, 단일 전력 반도체 소자만 구동하였을 경우에는 'Ti'로 표시된 시점에서 정션온도가 포화영역에 진입하지만, 복수의 전력 반도체 소자를 구동한 경우 상호 간의 영향에 의해 정션온도가 포화영역으로 진입하는 시점이 'Tm'으로 단일 전력 반도체 소자만 구동하였을 때 보다 지연되어 나타나며, 단일 전력 반도체 소자만 구동하였을 때 보다 포화영역의 온도가 더 높게 나타난다. 즉, 단일 전력 반도체 소자만 구동하였을 경우의 정션온도 변화의 상승 시정수보다 복수의 전력 반도체 소자들을 구동하였을 경우의 정션온도 변화의 상승 시정수가 더 크게 나타난다.
도 4와 같은 결과를 고려하였을 때, 차량의 운행 조건이나 모드에 따라서 파워모듈 내 전력 반도체 소자의 구동 여부가 결정되므로, 이를 반영하여 정션온도의 상승 추이 변화를 반영할 수 있어야 하는 것이다.
예를 들어, 차량의 운행 조건이나 운행 모드가 힐홀드(Hill-Hold) 조건인 경우, 차량의 인버터 내 파워모듈은 한 상의 전력 반도체 소자만 스위칭하여 구동되므로 인접 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향이 적다. 반면, 차량의 운행 조건이나 운행 모드가 모터링(Motoring) 조건인 경우에는 파워모듈 내 모든 전력 반도체 소자가 스위칭되므로 인접 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향이 크다. 따라서, 차량이 힐홀드 상태의 운행을 하는 경우에는 인접 소자에 의한 영향이 적게 반영되어 도 4의 점선으로 표시된 것과 같은 온도 상승 추이가 크게 적용되어 정션온도가 측정되어야 하고 모터링 상태의 운행을 하는 경우에는 인접 소자에 의한 영향이 크게 반영될 수 있도록 도 4의 실선으로 표시된 것과 같은 온도 상승 추이가 크게 적용되어 정션온도가 측정되어야 하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 여러 실시형태에서는 파워모듈 내 전력 반도체 소자의 정션온도를 측정하는데 있어서, 대상 반도체 소자의 발열에 의한 온도 변화 예측값과 주변의 인접 반도체 소자의 발열에 의한 온도 변화 예측값에 각각 서로 다른 온도 상승 변화추이를 적용함으로써, 즉 서로 다른 시정수를 적용함으로써, 전력 반도체 소자에 전류가 인가되는 시점에서 정션온도가 포화 영역으로 진입하기까지의 상승 구간에서 정확한 정션온도 추정을 가능하게 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 구현하기 위한 컨트롤러의 구성도이다.
도 1 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법의 작용과 효과를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 컨트롤러는 정션온도 측정의 대상이 되는 전력 반도체 소자로 입력되는 전압, 전류 및 그의 스위칭 주파수에 대한 정보와 대상 전력 반도체 소자의 인접 반도체 소자로 입력되는 전압, 전류 및 그의 스위칭 주파수에 대한 정보를 입력 받고, 파워 손실 연산부(100)에서 각각의 파워 손실을 산출한다(S11, S21).
여기서, 전압, 전류 및 그의 스위칭 주파수에 대한 정보는 인버터를 제어하기 위한 별도의 타 제어기로부터 입력 받을 수 있다.
도 5에 도시된 파워 손실 연산부(100)의 상부는 대상 전력 반도체 소자의 파워 손실을 연산하는 부분이고 하부는 인접 전력 반도체 소자의 파워 손실을 연산하는 부분이다.
각각의 전력 반도체 소자의 파워 손실은 전류 도통(conduction) 상황에서 발생하는 도통 손실과 스위칭(switching) 시 발생하는 스위칭 손실로 구분 될 수 있으며, 각각의 손실은 사전에 설정된 도통 손실 계산식 및 스위칭 손실 계산 식에 의해 산출될 수 있다. 파워 손실을 계산하기 위한 계산식은 파워모듈이 적용되는 인버터의 특성에 따라 다양한 인자가 고려되어 사전에 설정될 수 있는 것으로, 파워모듈을 제작하는 업체나 파워모듈을 적용하여 차량 등의 제품들을 제작하는 업체에 따라 다양한 방식으로 결정될 수 있는 것으로 이에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
파워 손실 연산부(100)는 산출된 대상 전력 반도체 소자의 도통 손실 및 스위칭 손실을 합산하여 대상 전력 반도체 소자의 전체 파워 손실로서 출력하고, 산출된 인접 전력 반도체 소자의 도통 손실 및 스위칭 손실을 합산하여 인접 전력 반도체 소자의 전체 파워 손실로서 출력할 수 있다.
이어, 컨트롤러의 열저항 적용부(200)에서는 파워 손실 연산부(100)에서 산출된 대상 전력 반도체 소자의 파워 손실과 인접 전력 반도체 소자의 파워 손실에 각각 해당 전력 반도체 소자의 열저항을 승산하여 각 전력 반도체 소자의 온도 변화를 산출할 수 있다(S12, S13, S22, S23). 여기서 온도 변화는 각 전력 반도체 소자에 전류가 입력되는 시점에서의 각 전력 반도체 소자의 온도 상승분을 의미한다.
전력 반도체 소자의 열저항은 전력 반도체 소자가 포함된 파워모듈의 고유 특성 및 냉각기의 방열 특성에 따라서 정해질 수 있다. 따라서, 전력 반도체 소자의 열저항은 파워모듈에 의해 전력을 공급받는 대상(예를 들어, 모터)과 함께 구동 시험을 통해서 사전에 실험적 방법에 의해 구할 수 있으며, 컨트롤러는 이 실험적 방법에 의해 도출된 열저항을 저장함으로써 온도 변화 도출에 열저항을 적용할 수 있게 된다.
열저항을 사전에 결정하는 방법은, 파워모듈의 입력 파라미터들을 사전에 결정하여 파워모듈에 인가하여 구동하고 이에 따라 파워모듈 내 전력 반도체 소자의 온도 변화값을 열 화상 카메라 등을 통해 취득하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 각 전력 반도체 소자에서 파워 손실이 발생하면 각 전력 반도체 소자는 열저항의 특성을 가지고 상승해서 포화 상태까지 이르게 되는데, 이 때 온도 변화값(즉, 포화 상태의 최종 온도와 전류 인가 전 시작 온도)은 차량 내에서는 확인할 수 시험 상에서는 열화상 카메라를 통해서 실제 온도 변화값을 쉽게 확인 할 수 있다. 따라서, 열저항 값은 열저항 카메라를 통해 얻은 전력 반도체 소자의 온도 변화값과 실험 시 전력 반도체 소자의 입력 파라미터(전류, 전압, 스위칭 주파수) 값을 통해서 얻은 파워 손실값을 통해서 계산할 수 있다. 즉, 실험 상에서 열저항 값은 온도 변화값을 입력 파라미터를 통해 산출한 파워 손실로 나눔으로써 결정될 수 있다.
한편, 열저항 값은 방열 특성에 따라 변동될 수 있으므로, 도 3을 통해 설명한 냉각수 통로(30)에 흐르는 냉각수 유량을 열저항 결정에 반영하여야 한다. 따라서, 열저항 실험에서는 냉각수 유량(LPM: Liter Per Minute)를 변경하면서 전술한 입력 파라미터 인가에 따른 열저항 측정 시험을 진행하여, 각 냉각수 유량에 대응되는 열저항을 도출할 수 있다.
따라서, 컨트롤러의 열저항 적용부(200)는 냉각수 통로를 통해 흐르는 냉각 수 유량에 대한 정보를 유량계 또는 타 제어기로부터 입력 받고 입력 받은 냉각수 유량에 해당하는 열저항을 도출한 후(S12, S22), 도출된 열저항을 단계(S11)에서 연산된 파워 손실에 승산함으로써, 대상 전력 반도체 소자 및 인접 반도체 소자의 온도 변화를 산출할 수 있다(S13, S23).
이어, 컨트롤러의 시정수 적용부(300)에서는 단계(S13)에서 산출된 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화에 제1 시정수를 적용하고, 단계(S23)에서 산출된 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화에 제2 시정수를 적용한다(S14, S24). 여기서 제2 시정수는 제1 시정수 보다 큰 값을 갖도록 설정된다.
도 4를 통해 설명한 바와 같이, 정션온도가 결정되는데 있어서, 대상 전력 반도체 소자 자체의 발열에 의한 영향은 인접한 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향에 비해 상대적으로 일찍 반영된다. 즉, 대상 전력 반도체 소자 자체의 발열에 의해 정션온도가 상승하는 추이는 인접한 전력 반도체 소자의 발열을 고려한 온도 상승 추이에 비해 상대적으로 신속하게 상승하게 된다. 이러한 점을 고려하여 시정수 적용부(300)에서는 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화에 적용되는 제1 시정수를 인접 전력 반도체 소자의 온도 변화에 적용되는 제2 시정수 보다 작게 사전에 설정해 둘 수 있다. 제1 시정수의 값과 제2 시정수의 값 역시 실험적인 방법에 의해 결정될 수 있다.
이어, 컨트롤러는 제1 시정수가 적용된 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화와 제2 시정수가 적용된 인접 전력 반도체 소자의 온도 변화를 조합하여 대상 전력 반도체 소자의 최종 정션온도 변화를 도출할 수 있다(S31).
단계(S31)에서, 컨트롤러는 제1 시정수가 적용된 대상 전력 반도체 소자의 온도 변화와 제2 시정수가 적용된 인접 전력 반도체 소자의 온도 변화를 합산하고, 그 결과에 정션온도 결정부(400)에서 냉각수 통로(30)로 흐르는 냉각수의 온도를 합산하여 최종적으로 대상 전력 반도체 소자의 정션온도를 결정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 정션온도 측정의 대상이 되는 전력 반도체 소자의 발열에 의한 온도 상승분과 주변에 인접한 전력 반도체 소자의 발열에 의한 온도 상승분에 서로 다른 시정수를 적용하여 온도 변화를 도출함으로써, 정션온도 상승 구간에서 인접 전력 반도체 소자의 영향을 정확하게 반영할 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 적용 여부에 따른 정션온도 변화 및 파워모듈의 출력량을 비교하여 도시한 그래프이다. 도 6 및 도 7에서 점선은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 적용하지 않은 경우, 즉 대상 전력 반도체의 온도 변화 및 주변 전력 반도체의 온도 변화에 하나의 시정수(제1 시정수)만 적용한 경우를 도시한 것이고, 실선은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워모듈의 정션온도 측정 방법을 적용하지 않은 경우를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 시정수만 적용한 경우 인접 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향이 대상 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향과 동일하게 적용되므로 온도 변화 예측값은 신속하게 상승하여 'T1' 시점에서 차량의 보호레벨(derating level)까지 상승한다. 그러나, 본 발명의 일 실시형태를 적용한 경우에는 인접 전력 반도체의 발열에 의한 영향이 제1 시정수 보다 큰 제2 시정수에 의해 적용되므로, 온도 변화값은 상대적으로 완만한 상승이 이루지게 됨으로써 보호레벨(derating level)까지 상승하는 시점이 'T2'로 지연된다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태를 적용하는 경우, 차량의 동적 성능을 저하시키는 보호 레벨 진입이 지연됨에 따라 차량의 출력량을 더욱 크게 확보할 수 있게 된다. 이는 도 7에 다시 도시된다.
도 7에 도시된 것과 같이, 하나의 시정수만 적용한 경우 'T1' 시점에서 차량의 보호레벨(derating level)에 진입하므로 더 이상 출력량을 증대 시키는 것이 어렵지만, 본 발명의 일 실시형태를 적용하는 경우 'T2' 시점까지 차량의 보호레벨 진입이 지연됨으로 그 시간만큼 출력량을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정션온도 측정 방법은, 파워모듈이 적용되는 차량의 운행 조건 별로 정션온도 상승 추이를 달리 반영함으로써 정션온도 측정의 정밀성을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태는, 차량의 운행 조건 별로 주변 전력 반도체 소자의 발열에 의한 영향을 반영함으로써 차량 운행 중 정션온도 측정을 더욱 정밀하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정션온도 측정 방법은, 파워모듈 정션온도를 정밀하게 예측 가능하므로 온도 스트레스에 의한 파워모듈 내구 수명을 더욱 정밀하게 예측할 수 있다.
또한, 상기 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 따르면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 정션온도 측정 방법은, 파워모듈 정션온도를 정밀하게 예측 가능하므로 파워모듈의 과온 보호(derating) 로직의 동작 시점을 실제 원하는 온도에 할 수 있어 과도하게 따른 과온 보호 로직에 의한 출력량 손실 발생을 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 파워 손실 연산부 200: 열저항 적용부
300: 시정수 적용부 400: 정션온도 결정부

Claims (7)

  1. 복수의 전력 반도체 소자를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법에 있어서,
    정션온도 측정 대상이 되는 제1 전력 반도체 소자의 파워 손실 및 열저항을 기반으로 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계;
    상기 제1 전력 반도체 소자 주변에 배치된 제2 전력 반도체 소자의 파워 손실 및 열저항을 기반으로 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계;
    상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값에 제1 시정수를 적용하고, 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값에 상기 제1 시정수보다 큰 값을 갖는 제2 시정수를 적용하는 단계; 및
    상기 제1 시정수가 적용된 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값과 상기 제2 시정수가 적용된 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 조합하여 상기 제1 전력 반도체 소자의 최종 정션온도를 도출하는 단계;
    를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계는, 상기 제1 전력 반도체 소자의 입력 전압, 입력 전류 및 스위칭 주파수에 기반하여 상기 제1 전력 반도체 소자의 파워 손실을 산출하는 단계; 및 상기 제1 전력 반도체 소자의 파워 손실에 상기 제1 전력 반도체 소자의 열저항을 승산하여 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 산출하는 단계는, 상기 제2 전력 반도체 소자의 입력 전압, 입력 전류 및 스위칭 주파수에 기반하여 상기 제2 전력 반도체 소자의 파워 손실을 산출하는 단계; 및 상기 제2 전력 반도체 소자의 파워 손실에 상기 제2 전력 반도체 소자의 열저항을 승산하여 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전력 반도체 소자의 열저항은 상기 파워모듈에 적용된 냉각수 통로에 흐르는 냉각수 유량에 따라 사전에 결정된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 전력 반도체 소자의 열저항은 상기 파워모듈에 적용된 냉각수 통로에 흐르는 냉각수 유량에 따라 사전에 결정된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 최종 정션온도를 도출하는 단계는, 상기 제1 시정수가 적용된 상기 제1 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값과 상기 제2 시정수가 적용된 상기 제2 전력 반도체 소자의 온도 변화 예측값을 합산하고, 합산된 값에 상기 파워모듈에 적용된 냉각수 통로에 흐르는 냉각수의 온도를 합산하여 상기 최종 정션온도를 도출하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
  7. 복수의 전력 반도체 소자를 포함하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법으로서, 정션온도 측정 대상이 되는 제1 전력 반도체 소자의 발열에 의한 온도 변화 예측값의 상승 추이와 상기 제1 전력 반도체 소자의 주변에 배치된 제2 전력 반도체 소자의 발열에 의한 온도 변화의 상승 추이를 조합하여, 최종적으로 상기 제1 전력 반도체 소자의 정션온도 변화의 상승 추이를 결정하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 정션온도 측정 방법.
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