KR20210063376A

KR20210063376A - 전기 또는 전자 시스템의 특성 온도를 결정하는 방법

Info

Publication number: KR20210063376A
Application number: KR1020217011735A
Authority: KR
Inventors: 앤거스 브라이언트
Original assignee: 마쉬넨파브릭 레인하우센 게엠베하
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-06-01
Also published as: CN112752960B; EP3627121B1; US11320321B2; WO2020058435A1; CN112752960A; JP7414812B2; JP2022501989A; EP3627121A1; US20210318179A1

Abstract

전기 또는 전자 시스템의 특성 온도(T_j)를 결정하는 방법은, 시스템의 작동 동안, 시스템의 특성 파라미터를 측정하는 단계; 열적 모델(M_th) 및 측정된 파라미터의 제1 서브세트에 기초하여 온도(T_j)를 추정하는 단계를 포함한다. TSEP에 대한 제1 값(V1)은 TSEP 모델(M_TSEP) 및 추정된 특성 온도(T_j)에 기초하여 예측된다. TSEP에 대한 제2 값(V2)은 측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 결정된다. 제1 및 제2 값(V1, V2)은 비교되고, 모델들(M_TSEP, M_th)은 비교 결과에 따라 조정된다.

Description

전기 또는 전자 시스템의 특성 온도를 결정하는 방법

본 발명은 전기 또는 전자 시스템의 특성 온도를 결정하는 방법, 그리고 전기 또는 전자 시스템에 관한 것이다.

전기 또는 전자 시스템 또는 디바이스에서, 특정 특성 온도는, 예를 들어, 신뢰성, 수명 또는 성능 저하율에 대해 그들이 미치는 영향 때문에 특히 관심이 있을 수 있다. 어떤 경우에는, 특정 절대적인 한계를 초과하는 특성 온도로 인해 디바이스 또는 시스템이 손상될 수도 있다. 따라서, 시스템 또는 디바이스의 작동 중에서 특성 온도를 결정하거나 모니터링하는 것이 필수이거나 적어도 가치가 있을 수 있다.

그러나, 많은 상황에서, 예를 들어, 열악한 환경으로 인해, 관심있는 특성 온도를 직접 측정하는 것이 비현실적이거나 실현 불가능할 수 있다. 특히, 작동하는 동안 전력 반도체는 전형적으로 전기적으로 "활성"이고 노이즈가 심한 환경에 있기 때문에 전력 반도체 디바이스의 접합 온도의 경우가 해당될 수 있다. 다른 예시로, 전력 변압기 또는 리액터(reactor)의 권선 온도 또는 부하-시 탭 절환기, 예컨대, 저항 온도 내의 특성 온도를 포함한다.

이러한 특성 온도의 간접적인 추정에 대한 기존 접근 방식은 각 개별 시스템 또는 디바이스의 사전 보정을 필요로 하며, 이는 산업 응용 분야에서는 비실용적이며 특히 반도체 디바이스의 경우에는 사실 상 불가능하다. 다른 접근 방식은 특정 실험실 설정이나 시스템 또는 디바이스의 전용 작동 모드를 필요로 하며, 일부 경우에 따라 특정 호환 가능한 부하도 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 시스템 또는 디바이스의 정상 작동 중에 수행될 수 있고, 작동 전에 보정을 필요로 하지 않는 전기 또는 전자 시스템의 특성 온도를 결정하기 위한 개선된 개념을 제공하는 것이다.

독립항의 청구 대상에 의해 이러한 목적은 달성된다. 종속항의 청구 대상은 추가 구현 및 실시예이다.

개선된 개념은, 시스템의 열적 모델(thermal model)에 기초하여 특성 온도를 추정하고, 그리고 온도에 민감한 전기 파라미터(temperature-sensitive electrical parameter, TSEP) 모델 및 열적 모델의 출력에 기초하는 시스템의 TSFP의 제1 값을 예측함으로써 시스템의 자동 또는 자가-보정을 구현한다는 아이디어를 기반으로 한다. 제1 값은 측정에 기초하여 TSEP의 제2 값과 비교된다. 그 다음, 열적 및/또는 TSEP 모델의 열적 모델은 TSEP의 두 값과 일치하도록 조정된다.

개선된 개념에 따르면, 전기 또는 전자 시스템의 특성 온도를 결정하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 시스템의 작동 동안, 시스템의 하나 이상의 특성 파라미터, 특히 전기 파라미터 및/또는 열적 파라미터 및/또는 온도를 측정하는 단계, 및 시스템의 열적 모델과 측정된 파라미터의 제1 서브세트에 기초하여 시스템의 특성 온도를 추정하는 단계를 포함한다. 그 후, TSEP 모델 및 추정된 특성 온도에 기초하여 TSEP의 제1 값이 예측된다. TSEP에 대한 제2 값은 측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 결정된다. 이후, TSEP의 제1 값을 TSEP의 제2 값과 비교하고, 비교 결과에 기초하여 열적 모델 및/또는 TSEP 모델을 조정한다.

제1 및 제2 서브세트는 각각 하나 이상의 파라미터를 포함할 수 있다. 서브세트는 겹치거나, 분리될 수 있다. 대안적으로, 서브세트는 동일할 수 있으며, 특히 서브세트는 동일하고 그리고 각각 단지 하나의 파라미터만 포함할 수 있다.

TSEP 모델은 미리 결정된 모델일 수 있다. 열적 모델 또한 마찬가지이다. 열적 모델은 시스템의 열적 임피던스를 결정하기 위한 모델을 포함할 수 있다. 열적 모델은, 예를 들어, 유한 요소 방법(finite-element method), 감소된 차수 모델(reduced-order model), 열적 저항기-커패시터 네트워크 모델에 기초하거나, 이를 포함할 수 있다. 특히, 감소된 차수 모델 또는 열 저항기-커패시터 네트워크 모델은 유한 요소 모델에 적합할 수 있다.

작동 중에 방법, 특히 측정을 수행하는 것은, 시스템의 의도한 정상 또는 생산적인 작동 중에 이를 수행하는 것을 의미한다. 특히, 시스템이나 디바이스를 생성하는 동안, 테스트 환경에서나 전용 보정 작동 모드에서 반드시 수행되는 것은 아니다.

일부 구현에서, 방법은, 예를 들어 시스템의 초기 작동, 특히 초기 정상 작동 전에 트레이닝 시퀀스를 통해 전기 또는 전자 시스템 또는 그것의 일부를 수행하는 단계를 포함한다. 트레이닝 시퀀스는 개선된 개념에 따라 자동-보정의 수렴을 개선할 수 있다. TSEP는 시스템, 특히 시스템에 포함된 전기 또는 전자 디바이스의 TSEP이다.

조정되는 TSEP 모델은, 예를 들어 특성 온도에 기초하여 TSEP를 예측하는데 사용되는 파라미터, 예를 들어, 적합 파라미터 또는 회귀 파라미터가 조정된다는 것을 의미할 수 있다.

조정되는 열적 모델은, 예를 들어, 열적 임피던스를 결정하는데 사용되는 파라미터가 조정되는 것을 의미할 수 있다.

TSEP에 대한 제1 및 제2 값을 비교하는 것은, 예를 들어, 이들 값 간의 차이를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 비교 결과는, 예를 들어, 차이를 포함할 수 있다.

설명된 개선된 개념에 따른 방법을 통해 열적 모델링에 기반한 온도 시뮬레이션과 측정된 TSEP에 기반한 온도 추정이라는 두가지 접근법의 단점이 극복된다. 특히, 두 접근법의 특성 온도는 비교되지 않으며, 대신 각 TSEP 값이 비교된다. 이러한 방식으로, 측정된 TSEP에 기반한 온도 추정을 보정할 필요가 없다. TSEP에 대한 제2 값을 추론하는 정확도는 시스템 수명 내내 변하지 않을 것이므로, 예를 들어, 성능 저하 또는 측정 회로 드리프트로 인한 전기 및 열적 파라미터의 어떠한 변화도 올바르게 추적할 것이다. 반면에, TSEP에 대한 제1 값을 추론하는 것은 주변 온도 또는 특성 온도에 영향을 미치는 시스템의 기타 온도, 및 예를 들어, 시스템의 전력 손실이 올바르게 반영될 것이다. 이는 열적 모델을 사용하여 TSEP를 보정하거나, 측정을 사용하여 열적 모델을 올바르게 추적하는 것을 유지하는 것으로 보여질 수 있다. 어느 쪽이든, 전체 전자-열적 시스템의 특성, 즉, 효과적인 전기 보정 및 열적 특성화가 모두 특징이다.

방법의 최종 결과는, 예를 들어, TSEP에 대한 제1 값 및 제2 값이 일치하는 경우에 유효할 특성 온도에 의해 주어질 수 있다.

여러 실시예에 따르면, 방법은 추가 TSEP 모델 및 추정된 특성 온도에 기초하여 추가 TSEP, 특히 시스템 또는 시스템의 디바이스에 대한 제1 값을 예측하는 단계를 포함한다. 추가 TSEP에 대한 제2 값은 측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 결정된다. 추가 TSEP에 대한 제1 값은 추가 TSEP에 대한 제2 값과 비교된다. 열적 모델 또는 TSEP 모델의 조정은, TSEP에 대한 제1 값과 제2 값과의 비교 결과 뿐만 아니라 추가 TSEP에 대한 제1 값과 제2 값의 비교 결과에 기초한다.

상기 모델을 조정하여 2개의 독립적인 TSEP를 일치시키는 것은, 온도 추정의 정확도를 더욱 개선시킬 수 있다.

여러 실시예에 따르면, 방법은, 특성 파라미터를 측정하는 단계, 특성 온도를 추정하는 단계, 및 특성 온도에 대한 제1 값을 예측하는 단계를 적어도 반복하는 것을 더 포함한다. 반복을 위해, 열적 모델 대신 조정된 열적 모델이 사용되거나, 및/또는 TSEP 모델 대신에 조정된 TSEP 모델이 사용된다.

온도 추정을 개선하기 위해, 반복되는 단계가 여러 번 반복될 수 있다. 각 반복에 대해, 이전 반복에서 조정된 열적 또는 TSEP 모델이 사용된다. 예를 들어, 반복되는 단계는, TSEP에 대한 제1 값과 제2 값의 차이가 미리 정의된 임계값보다 작을 때까지 반복될 수 있으며, 해당되는 경우, 추가 TSEP에 대한 제1 값 및 제2 값의 차이가 미리 정의된 추가 임계값보다 작을 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 특성 온도는 시스템에 포함된 전기 또는 전자 디바이스의 특성 온도이다.

여러 실시예에 따르면, 전기 또는 전자 시스템은 전력 전자 시스템, 예를 들어, 전력 컨버터이고, 특성 온도는 시스템에 포함된 전력 반도체 디바이스의 특성 온도, 특히 접합 온도이다.

일부 실시예에 따르면, 하나 이상의 측정된 특성 파라미터의 제1 서브세트는, 전력 반도체 디바이스의 온 상태 전류, 즉, 순방향 전류; 및/또는 전력 반도체 디바이스의 온 상태 전압, 즉, 순방향 전압; 및/또는 전력 반도체 디바이스의 오프 상태 전압; 및/또는 각각의 측정 간격 내에서 전력 반도체 디바이스의 총 온-상태 지속 기간; 및/또는 각각의 측정 간격 내에서 전력 반도체 디바이스의 총 오프-상태 지속 기간; 및/또는 전력 전자 시스템의 기준 온도를 포함한다.

일부 실시예에 따르면, 기준 온도는 전력 전자 시스템의 베이스 플레이트 온도 또는 서미스터(thermistor) 온도이다.

일부 실시예에 따르면, 하나 이상의 측정된 특성 파라미터의 제2 서브세트는 전력 반도체 디바이스의 온-상태 전류 및/또는 온-상태 전압을 포함한다.

일부 실시예에 따르면, TSEP 및/또는 추가 TSEP는 전력 반도체 디바이스의 온-상태 전압, 특히 전력 반도체 디바이스의 미리 정의된 온-상태 전류에서의 온-상태 전압; 전력 반도체 디바이스의 게이트 임계 전압; 전력 반도체 디바이스의 내부 게이트 저항 또는 전력 반도체 디바이스의 특성 스위칭 파라미터, 특히 미리 정의된 온-상태 전압 또는 오프 상태 전압 또는 온-상태 전류에서의 특성 스위치 파라미터에 의해 제공된다.

일부 구현에서, 특성 스위칭 파라미터는 시간에 대한 전류의 변화율 di/dt, 시간에 대한 전압의 변화율 dv/dt, 스위칭 피크 전류 또는 스위칭 피크 전압에 의해 주어진다.

몇몇 실시예에 따르면, 특성 온도를 추정하는 단계는, 디바이스로 인한 전력 손실을 결정하는 것 및 전력 손실을 열적 모델에 대한 입력으로 사용하는 것을 포함한다.

여러 실시예에 따르면, 전력 손실은 전력 반도체 디바이스의 스위칭 전력 손실 및/또는 전도 전력 손실(conduction power dissipation)을 포함한다.

여러 실시예에 따르면, 특성 온도를 추정하는 단계는, 시스템의 추가 디바이스 또는 여러 추가 디바이스로 인한 교차-결합 전력 손실을 결정하는 것 및 교차-결합 전력 손실을 열적 모델의 입력, 특히 추가 입력으로 사용하는 것을 포함한다.

개선된 개념에 따라 전기 또는 전자 시스템도 제공된다. 이 시스템은, 전기 또는 전자 디바이스, 측정 유닛, 및 컴퓨팅 유닛을 포함한다. 측정 유닛은, 전기 또는 전자 시스템의 작동 동안 하나 이상의 특성 파라미터를 측정하도록 구성된다.

컴퓨팅 유닛은, 시스템의 열적 모델 및 측정된 파라미터의 제1 서브세트에 기초하여 디바이스의 특성 온도를 추정하고; TSEP 모델 및 추정된 특성 온도에 기초하여, TSEP에 대한 제1 값을 예측하고; 측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 TSEP에 대한 제2 값을 결정하고; 그리고 TSEP에 대한 제1 값 및 제2 값을 비교하고 비교 결과에 기초하여 열적 모델 또는 TSEP 모델을 조정하도록 구성된다.

여러 실시예에 따르면, 전기 또는 전자 시스템은, 변압기, 특히 전력 변압기, 예를 들어, 절연제, 특히 액체 절연제로 채워진 변압기를 포함한다. 전기 또는 전자 디바이스는 변압기의 권선을 포함하고, 특성 온도는 변압기의 권선 온도, 특히 열점 권선 온도에 의해 주어진다.

여러 실시예에 따르면, 전기 또는 전자 시스템은 리액터, 예를 들어, 션트 리액터(shunt reactor), 또는 인덕터, 예를 들어 절연 매체로 채워진 인덕터를 포함한다. 전기 또는 전자 디바이스는 리액터의 권선을 포함하고, 특성 온도는 리액터의 권선 온도, 특히 열점 권선 온도에 의해 주어진다.

여러 실시예에 따르면, 전기 또는 전자 시스템은, 부하시 탭 절환기, 예를 들어, 저항 유형의 부하시 탭 절환기를 포함한다. 특성 온도는, 부하시 탭 절환기 내의 온도, 예를 들어 부하시 탭 절환기의 저항의 온도에 의해 주어진다.

여러 실시예에 따르면, 전기 또는 전자 시스템은 전력 전자 시스템을 포함하고, 전기 또는 전자 디바이스는 전력 반도체 디바이스를 포함한다. 특성 온도는 전력 반도체 디바이스의 접합 온도에 의해 주어진다.

여러 실시예에 따르면, 전력 반도체는 트랜지스터, 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor, IGBT), 또는 바이폴라 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT), 또는 MOS 전계 효과 트랜지스터(MOS field effect transistor, MOSFET), 또는 접합 전계 효과 트랜지스터(junction field effect transistor, JFET), 또는 고전자 이동성 트랜지스터(high-electron-mobility transistor, HEMT)를 포함한다.

여러 실시예에 따르면, 전력 반도체는 사이리스터(thyristor) 또는 다이오드, 예를 들어 쇼트키 다이오드 또는 PIN 다이오드를 포함한다.

여러 실시예에 따르면, 전력 전자 시스템은 전력 컨버터를 포함하고, 전력 컨버터는 전력 반도체 디바이스를 포함한다.

여러 실시예에 다르면, 전력 전자 시스템은 전력 반도체 디바이스를 포함하는 정지형 회로 차단기(solid-state circuit breaker), 고체 회로 릴레이(solid-state relay), 사이리스터 스위치, 또는 정지형 VAR 보상기(static VAR compensator)를 포함한다.

개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 추가 구현 및 실시예는 개선된 개념에 따른 방법의 다양한 구현 및 실시예로부터 쉽게 따를 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 특히, 개선된 시스템에 따른 방법을 수행하기 위해 전기 또는 전자 시스템과 관련하여 기술된 개별 또는 여러 구성 요소 또는 장치가 그에 따라 구현될 수 있다.

이하에서, 본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 구현과 관련하여 상세하게 기술된다. 기능적으로 동일하거나 동일한 효과를 갖는 구성 요소는 동일한 도면 부호로 표시될 수 있다. 동일한 구성 요소들 또는 동일한 기능 또는 효과를 가진 구성 요소는 처음에 나타나는 도면에 관하여서만 기술될 수 있다. 그들의 설명은 후속하는 도면에서 반드시 반복되는 것은 아니다.

도면에서,
도 1은 개선된 개념에 따른 방법의 예시적인 구현의 흐름도를 도시한다.
도 2a는 개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.
도 2b는 개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 또 다른 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.
도 3은 개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 또 다른 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.

도 1은 개선된 개념에 따른 방법의 예시적인 구현의 흐름도를 도시한다.

도시된 예시적이고 비제한적인 경우에서, 전기 또는 전자 시스템은 전력 반도체 디바이스를 갖는 전력 컨버터를 포함한다. 그러나, 도 1과 관련한 이하의 논의는, 예를 들어 도 3과 관련하여 기술된 것처럼 다른 유형의 전기 또는 전자 시스템에도 유사하게 적용된다. 전력 컨버터가 작동하는 동안 시스템의 하나 이상의 특성 파라미터가 측정된다. 도시된 예시에서, 전력 컨버터의 기준 온도 T_b 및 전력 컨버터의 복수의 전기적 파라미터는 미리 결정된 측정 지속 기간 T_i 내에서 측정되며, 복수의 전기적 파라미터는 전력 반도체 디바이스의 총 오프-상태 지속 기간 t_off, 전력 반도체 디바이스의 총 온-상태 지속 기간 t_on, 전력 반도체 디바이스의 온-상태 전류 I_on, 전력 반도체 디바이스의 오프-상태 전압 V_off, 및 전력 반도체 디바이스의 온-상태 전압 V_on을 포함한다.

예를 들어, 스위칭 전력 손실(switching power loss, PSW)은 온- 및 오프- 상태 지속 기간 t_on, t_off, 온-상태 전류 I_on, 및 오프-상태 전압 V_off으로부터 결정된다.

예를 들어, 전도 전력 손실 P_cond는, 예를 들어 관계에 따라 온 및 오프 상태 지속 기간 t_on, t_off, 온-상태 전류 I_on, 및 온-상태 전압 V_on으로부터 결정된다.

전도 전력 손실 P_cond과 스위칭 전력 손실(P_sw) 손실은 합산되어 열적 모델(M-th)에 대한 입력으로 사용될 수 있다. 합계는, 전력 반도체 디바이스의 자기-발열로 인한 전력 손실(P_sh)에 대응한다. 선택적으로, 전력 반도체 디바이스의 접합 온도 T_j에 영향을 미치 수 있는 전력 컨버터의 추가 디바이스로 인한 교차 결합 전력 손실 P_cc가 결정될 수 있고, 열적 모델 M_th에 대한 추가 입력으로 사용될 수 있다.

열적 모델(M_th)의 출력은 접합 온도(T_j)와 기준 온도(T_b) 사이의 온도 차이(T_j-b)를 나타낼 수 있으며, 이는 예를 들어 베이스 플레이트 온도 또는 전력 컨버터의 내부 서미스터의 온도일 수 있다. 따라서, 기준 온도(T_b)가 열적 모델(M_th)의 출력에 추가되어 접합 온도(T_j)를 추정할 수 있다.

그러면, 추정된 접합 온도(T_j)는 TSEP 모델 M_TSEP에 대한 입력으로 사용될 수 있다. TSEP 모델 M_TSEP의 출력은 전력 컨버터, 특히 전력 반도체 디바이스의 하나 이상의 TSEP에 대한 제1 값 V1을 나타낸다. 하나 이상의 TSEP는 전력 반도체 디바이스의 온-상태 전압 V_on, 게이트 임계 전압, 내부 게이트 저항 및/또는 특성 스위칭 파라미터를 포함할 수 있다.

TSEP 모델 M_TSEP은, 예를 들어 전력 반도체 디바이스의 정상 상태에서 접합 온도(T_j)의 변화율이 일정한 전력 손실을 위한 기준 온도(T_b)의 변화율과 동일하다는 사실을 이용할 수 있다. 따라서, 접합 온도(T_j)는 오프셋을 가지면서 기준 온도(T_b)를 따를 수 있다. 오프셋은 각각의 열적 저항에 일정한 전력 손실을 곱한 값에 대응할 수 있다. 더욱이, 온-상태 전압 V_on 또한 비록 스케일 팩터가 있더라도 온도 변화율을 따른다.

하나 이상의 TSEP에 대한 제2 값(V2)은 측정된 파라미터의 서브세트로부터 획득되며, 도시된 예시에서는 온-상태 전류 I_on 및/또는 온-상태 전압 V_on으로부터 획득된다(계산 블록(CALC) 참조). 간단한 예시에서, 제2 값(V2)은 온-상태 전압 V_on에만 의존하거나, 온-상태 전압 V_on과 동일할 수 있다. 후자의 경우, 계산 단계 CALC가 필요하지 않다. 그러나, 전력 반도체 디바이스의 스위칭 파라미터와 같이 더 복잡한 TSEP의 대안적인 경우에는, 온-상태 전류 I_on 및 계산 단계 CALC가 또한 필요할 수도 있다.

TSEP의 각각의 제1 값, 제2 값(V1, V2)이 서로 비교되고, 특히 각각의 차이가 결정된다. 차이에 따라, 열적 모델(M_th)의 열적 파라미터(P_th) 및/또는 TSEP 모델 M_TSEP의 TSEP 파라미터(P_TSEP)가 조정되고 그리고 이에 따라 모델 M_th, M_TSEP를 조정하는데 사용된다.

제1 값, 제2 값(V1, V2)의 차이가 충분히 작은 경우, 예를 들어, 모두 각각의 임계값 미만에 있는 경우, 접합 온도(T_j)는 접합 온도 결정의 최종 결과로 간주될 수 있다. 그렇지 않으면, 접합 온도(T_j)는 조정된 모델 M_th, M_TSEP 등에 기초하여 다시 결정될 수 있다.

도 2a는 개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.

이 시스템은 IGBT, BJT, MOSFET, HEMT, JFET, 사이리스터, 또는 다이오드와 같은 하나 이상의 (단순화를 위해 하나만 도시됨) 전력 반도체 디바이스(power semiconductor device, PS)를 포함하는 전력 컨버터(power converter, PC)를 포함한다. IGBT의 회로 기호는 도 2a에 비제한적인 예시로만 도시된다.

전력 컨버터(PC)는, 예를 들어, 도 1과 관련하여 기술된 하나 이상의 측정된 파라미터를 포함하는 전력 컨버터(PC), 특히 전력 반도체 디바이스(PS)의 전기 파라미터를 결정하기 위한 측정 유닛(measuring unit, MU)을 더 포함한다.

전력 컨버터(PC)는, 또한 도 1과 관련하여 기술된 하나 이상의 계산 단계를 수행하기 위한 컴퓨팅 유닛(computing unit, CU)을 포함한다.

컴퓨팅 유닛(CU) 및 측정 유닛(MU)은, 예를 들어, 전력 컨버터(PC)의 구동 유닛(미도시) 또는 제어 유닛(미도시)에 의해 구성될 수 있거나, 전력 컨버터(PC)의 개별 회로(미도시)의 일부일 수 있다.

도 2b는 개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 추가 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.

도 2b의 시스템은, 컴퓨팅 유닛(CU) 및 측정 유닛(MU)의 장치를 제외하고는 도 2a의 시스템과 동일하다. 특히, 컴퓨팅 유닛(CU) 및 측정 유닛(MU)은 전력 컨버터(PC)의 일부가 아니라 전력 컨버터(PC)에 결합된 회로(C)로 구성된다. 회로는, 예를 들어 컴퓨팅 유닛(CU)을 포함하는 마이크로프로세서(미도시)를 포함할 수 있다.

도 3은 개선된 개념에 따른 전기 또는 전자 시스템의 또 다른 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.

시스템은 탱크(T)를 가지는 전력 변압기 또는 리액터, 특히 션트 리액터를 포함한다. 하나 이상의 권선(W1, W2, W3)이 탱크(T) 내에 배치된다. 탱크(T)는, 예를 들어 절연제(insulation agent, IM), 예를 들어 변압기 오일로 채워지거나 부분적으로 채워질 수 있다.

이러한 시스템에서, 특성 온도는 권선(W1, W2, W3) 중 하나의 권선 온도 또는 열점 온도이다.

도 1의 설명과 관련하여 권선 온도가 접합 온도 T_j를 대체한다. 변압기 또는 리액터의 주변 온도 또는 절연제(IM)의 온도는 도 1의 베이스 플레이트 온도(T_b)를 대체할 수 있다. 도 1의 온- 및 오프-상태 전압 V_on, V_off 및 온-상태 전류 I_on 뿐만 아니라 총 온- 및 오프- 상태 지속 기간 t_on, t_off는 변압기 또는 리액터의 전력 손실에 영향을 미치는 적절한 양으로 대체될 수 있다. 사실, 변압기 또는 리액터의 열적 모델 M_th에 필요한 모든 입력은 사례에 따라 상이하며, 숙련된 독자에게 공지되거나 직접 유도할 수 있다. 제1 및 제2 값(V1, V2)이 결정되는 TSEP는 변압기 또는 리액터의 온도에 민감한 파라미터, 예를 들어 권선(W1, W2, W3) 중 하나의 전기 저항으로 대체될 수 있다.

이들 또는 다른 적절한 대체물과 함께 도 1과 관련하여 기술된 방법은, 변압기 또는 리액터에 대해서도 유사하게 수행될 수 있다.

각각의 적절한 교체를 통해, 도 1과 관련하여 기술된 방법은 부하시 탭 절환기에 대해서도 유사하게 수행될 수 있다.

개선된 개념에 따른 방법 또는 시스템을 통해 사전 보정없이 시스템의 정상 작동 중에 전기 또는 전자 시스템의 특성 온도를 결정하는 것이 가능하다. 이는 시뮬레이션과 추정의 하이브리드 접근 방식을 사용함으로써 달성된다. TSEP에 대해 결정된 값이 전체 시스템에서의 결과와 일치하도록 강제하는 것은 쉽게 액세스할 수 있는 수량에 기초하여 특성화된다. 개선된 개념은 다양한 종류의 전기 또는 전자 시스템에 광범위하게 적용되며, 적절한 파라미터의 선택만 필요로 한다.

시스템의 수명 내내 시스템 또는 디바이스 온도 감도의 효과적인 재-보정이 이루어진다. 따라서, 전기 및 열적 파라미터의 장기적인 변화가 디바이스의 수명 내내 추적되는데, 이는 상태 모니터링이 본질적으로 제공된다는 의미이다.

개선된 개념의 또 다른 장점은 TSEP 특성의 대략적인 추정을 제외하고, 디바이스 특성에 대한 사전 지식이 필요하지 않다는 것이다. 후자는, 최소 제곱 피팅(least square fitting), 적응형 필터링(adaptive filtering), 칼만 필터링(Kalman filtering) 및 주요 구성 요소 분석을 포함하여 사용되는 수학적 모델에 따라 달라질 수 있다. 데이터시트 파라미터도 충분할 수 있다.

전력 컨버터의 경우, 전력 컨버터 모듈을 변경할 필요가 없으며, 특히 모듈 내의 추가 연결이나 센서가 필요하지 않다.

개선된 개념에 따른 구현은 전력 반도체 디바이스의 접합 온도 추정을 포함할 수 있으며, 이는 차세대 “스마트” 전력 컨버터에서 다음과 같은 여러 기능을 가능하게 할 수 있다: 동적 등급 제어(지능성 과속/감속), 최적화된 병렬 인버터 스택 전류 공유, 상태 모니터링(마모 및 비정상 작동 검출, 예측 유지 보수 제공), 온도 사이클 계산 및 잔여 유효 수명 추정, 개발 및 유형 테스트 중 인버터 스택 설계의 개선된 검증, 개선된 과열 검출.

전력 컨버터의 제조 업체에 대한 결과적인 이점은, 예를 들어 마진 감소를 통한 비용 대비 최적화된 성능(예를 들어, 전류 정격 또는 효율성)을 포함할 수 있다. 전력 컨버터의 최종 사용자에게 제공되는 이점은, 비정상 작동을 조기에 검출하고 잠재적으로 운영 비용을 절감하는 것을 포함할 수 있다.

게선된 개념이 활용되지 않는 경우, 보정 부족의 효과를 입증하기 위해 전력 컨버터에 사용하기 위한 IGBT의 제품 변형이 예시로 고려된다. 전형적으로, IGBT의 온-상태 전압 강하 또는 게이트 임계 전압은 생산 배치(batch)의 95%에 대한 ±100mV의 변동 범위 또는 심지어는 그 이상을 가질 수 있다. 1-10mV/K의 전형적인 TSEP 감도와 결합되는 경우, 10-100℃ 범위의 오류가 발생하여 접합 온도 추정이 무의미하게 된다. 이는 개선된 개념의 이점을 강조한다.

T_b 베이스 플레이트 온도
t_on 총 온-상태 지속 기간
t_off 총 오프-상태 지속 기간
I_on 온-상태 전류
V_on 온-상태 전압
V_off 오프-상태 전압
T_j 접합 온도
T_j-b 온도 차이
P_SW 스위칭 전력 손실
P_cond 전도 전력 손실
P_sh 자기-발열로 인한 전력 손실
P_cc 교차-결합 전력 손실
V1, V2 TSEP에 대한 값
M_th 열적 모델
M_TSEP TSEP 모델
CALC 계산 단계
P_th 열적 파라미터
P_TSEP TSEP 파라미터
PC 전력 컨버터
CU 컴퓨팅 유닛
MU 측정 유닛
C 회로
PS 전력 반도체 디바이스
T 탱크
IM 절연제
W1, W2, W3 변압기 또는 리액터의 권선

Claims

전기 또는 전자 시스템의 특성 온도(T_j)를 결정하는 방법으로서,
- 시스템의 작동 동안, 시스템의 하나 이상의 특성 파라미터를 측정하는 단계;
- 시스템의 열적 모델(M_th) 및 측정된 파라미터의 제1 서브세트에 기초하여 시스템의 특성 온도(T_j)를 추정하는 단계;
- 온도에 민감한 전기적 파라미터(temperature-sensitive electrical parameter, TSEP)에 대한 제1 값(V1)을, TSEP 모델(M_TSEP) 및 추정된 특성 온도(T_j)에 기초하여 예측하는 단계;
- 측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 TSEP에 대한 제2 값(V2)을 결정하는 단계;
- 상기 TSEP에 대한 제1 값(V1) 및 제2 값(V2)을 비교하는 단계; 및
- 상기 비교 결과에 기초하여 상기 열적 모델(M_th) 또는 상기 TSEP 모델(M_TSEP)을 조정하는 단계를 포함하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제1항에 있어서,
- 추가 TSEP 모델 및 추정된 특성 온도(T_j)에 기초하여 추가 TSEP에 대한 제1 값(V1)을 예측하는 단계;
- 측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 추가 TSEP에 대한 제2 값(V2)을 결정하는 단계; 및
- 상기 추가 TSEP에 대한 제1 값(V1) 및 제2 값(V2)을 비교하는 단계를 더 포함하고,
- 상기 열적 모델(M_th) 또는 상기 TSEP 모델(M_TSEP)의 조정은, 상기 추가 TSEP에 대한 제1 값(V1) 및 제2 값(V2)의 비교 결과에 기초하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 방법은, 적어도
- 특성 파라미터를 측정하는 단계, 특성 온도(T_j)를 추정하는 단계, 및 TSEP에 대한 제1 값(V1)을 예측하는 단계를 반복하는 것을 더 포함하고,
- 반복을 위해, 상기 열적 모델(M_th) 대신에 조정된 열적 모델이 사용되거나, 및/또는 상기 TSEP 모델(M_TSEP) 대신에 조정된 TSEP 모델이 사용되는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특성 온도(T_j)는 상기 시스템에 포함된 전기 또는 전자 디바이스의 특성 온도(T_j)인,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제4항에 있어서,
- 상기 시스템은 전력 전자 시스템이고,
- 상기 특성 온도(T_j)는 시스템에 포함된 전력 반도체 디바이스(power semiconductor device, PS)의 특성 온도(T_j), 특히 접합 온도(T_j)인,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 서브세트는,
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 온 상태 전류(I_on);
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 온 상태 전압(V_on);
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 오프 상태 전압(V_off);
- 각각의 측정 간격 내에서 전력 반도체 디바이스(PS)의 총 온-상태 지속 기간(t_on);
- 각각의 측정 간격 내에서 전력 반도체 디바이스(PS)의 총 오프-상태 지속 기간(t_off);
- 전력 전자 시스템의 기준 온도(T_b)
중 적어도 하나의 파라미터를 포함하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제2 서브세트는 전력 반도체 디바이스(PS)의 온-상태 전류(I_on) 및/또는 온 상태 전압(V_on)을 포함하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 TSEP는,
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 온-상태 전압(V_on), 특히 전력 반도체 디바이스(PS)의 미리 정의된 온-상태 전류(I_on)에서의 온-상태 전압(V_on); 또는
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 게이트 임계 전압; 또는
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 내부 게이트 저항; 또는
- 전력 반도체 디바이스(PS)의 특성 스위칭 파라미터, 특히 미리 정의된 온-상태 전압(V_on) 또는 오프 상태 전압(V_off) 또는 온-상태 전류(I_on)에서의 특성 스위칭 파라미터
에 의해 제공되는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특성 온도(T_j)를 추정하는 단계는,
- 디바이스(PS)로 인한 전력 손실(P_sh)을 결정하는 것; 및
- 상기 전력 손실(P_sh)을 상기 열적 모델(M_th)에 대한 입력으로 사용하는 것을 포함하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 전력 손실(P_sh)은 상기 전력 반도체 디바이스(PS)의 스위칭 전력 손실(P_sw) 또는 전도 전력 손실(P_cond)을 포함하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특성 온도(T_j)를 추정하는 단계는,
- 시스템의 추가 디바이스로 인한 교차-결합 전력 손실(P_cc)을 결정하는 것; 및
- 상기 교차-결합 전력 손실(P_cc)을 상기 열적 모델(M_th)의 입력으로 사용하는 것
을 포함하는,
특성 온도(T_j)를 결정하는 방법.
전기 또는 전자 시스템으로서,
- 전기 또는 전자 디바이스;
- 시스템의 작동 동안 상기 디바이스의 하나 이상의 특성 파라미터를 측정하도록 구성된 측정 유닛(measuring unit, MU); 및
- 컴퓨팅 유닛(computing unit, CU)으로서,
시스템의 열적 모델(M_th) 및 측정된 파라미터의 제1 서브세트에 기초하여 상기 디바이스의 특성 온도(T_j)를 추정하고,
TSEP 모델(M_TSEP) 및 추정된 특성 온도(T_j)에 기초하여, TSEP에 대한 제1 값(V1)을 예측하고,
측정된 파라미터의 제2 서브세트에 기초하여 TSEP에 대한 제2 값(V2)을 결정하고,
TSEP에 대한 제1 값(V1) 및 제2 값(V2)을 비교하고,
비교 결과에 기초하여 열적 모델(M_th) 또는 TSEP 모델(M_TSEP)을 조정하도록 구성된, 컴퓨팅 유닛(CU)
을 포함하는,
시스템.
제12항에 있어서,
전력 변압기 또는 리액터(reactor)를 포함하고,
- 상기 디바이스는 상기 변압기 또는 리액터의 권선(W1, W2, W3)을 포함하고,
- 상기 특성 온도(T_j)는 상기 변압기 또는 리액터의 권선 온도에 의해 제공되는,
시스템.
제12항에 있어서,
전력 전자 시스템을 포함하고,
- 상기 디바이스는 전력 반도체 디바이스(PS)를 포함하고, 그리고
- 상기 특성 온도(T_j)는 상기 전력 반도체 디바이스(PS)의 접합 온도(T_j)에 의해 제공되는,
시스템.
제14항에 있어서,
- 상기 전력 전자 시스템은 전력 컨버터(power converter, PC)를 포함하고,
- 상기 전력 반도체 디바이스(PS)는 전력 컨버터(PC)로 구성되는,
시스템.