KR20230164351A - 비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법 - Google Patents

비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 게이트에 인가되는 펄스 신호에 의해 온-오프를 반복하는 전력반도체 DUT(Device Under Test)를 포함하는 회로에 마련되어 전력반도체의 노화 상태를 진단하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치에 관한 것으로, 전압원 및 상기 전압원과 연결되는 인덕터 사이에 위치하여 상기 인덕터에 공급되는 전류를 센싱하는 센서; 및 센싱된 인덕터 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값을 산출하고, 산출된 인덕터 전류 값에 기초하여 DUT의 저항 값을 산출하고, 일정 시간 간격으로 상기 인덕터 전류 값을 샘플링하고, 상기 DUT의 저항 값 또는 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이에 기초하여 상기 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측하는 진단부를 포함한다. 이에 의해 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정함에 있어 다양한 회로 구조에 적용가능하고 설치가 용이하도록 비접촉 방식으로 전류를 검출하고, 별도의 전압을 검출하지 않고 검출된 전류만을 이용하여 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정할 수 있다.

Description

비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DIAGNOSING AGING STATE OF POWER SEMICONDUCTOR BASED ON NON-CONTACT}
본 발명은 비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 전력반도체가 온(on)-상태일 때의 저항을 추정하여 노화 정도를 진단할 수 있는 비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
전력 변환 기술의 발달로 인해, 전력 변환 회로의 응용 범위를 신재생에너지원 및 마이크로그리드 등 전력망 응용에까지 확대되고 있다. 신재생에너지원의 이용률 및 전력망의 신뢰성 제고를 위해서는 전력 변환 회로의 잔존 유효 수명(remaining useful life, 이하 RUL)을 예측하여 성능 저하 및 고장을 회피하고, 유지 보수를 합리화하는 것이 필수적이다.
일반적으로 전력 변환 회로는 인덕터 및 변압기 등의 자성 소자, 커패시터, 전력반도체, 그리고 이들을 제어하기 위한 신호 처리 회로 등으로 구성된다.
이 중 전력반도체로는 MOSFET, IGBT, 다이오드 등이 있는데, 전력반도체는 전력 변환 회로의 효율, 전력 밀도, 전자파 장해, 가격, 잔존 유효 수명 등의 다양한 성능 요소에 큰 영향을 미친다.
이러한 전력반도체는 구동 시간이 축적됨에 따라 노화가 진행되기 때문에 전력반도체의 노화 추정 및 잔여 수명 예측은 전력 변환 회로의 합리적인 유지 보수 계획을 수립하고 수명을 연장하는 데에 기여할 수 있다.
전력반도체는 노화가 진행될수록 온-상태(on state)의 저항이 증가하게 되기 때문에 온-상태 저항을 측정하면 전력반도체의 노화 추정 및 잔여 수명 예측이 가능하다.
종래의 온-상태 저항 측정은 전력반도체가 온-상태일 때의 전압 V와 전류 I를 검출하여, V/I와 같은 나누기 연산을 통해 얻어지게 되고, 온-상태의 전압을 검출하기 위한 전압 검출 회로는 반드시 전력반도체와의 물리적 접촉이 필요하다.
도 1은 종래의 온-상태 저항을 추정하기 위한 전압 검출 회로이다.
도면에 도시된 바와 같이 종래의 전압 검출 회로는 전력 변환 회로의 설계 시에 노화를 예측하고자 하는 전력반도체의 노드에 전압 검출 회로가 접촉(빨간 동그라미)되도록 설계하여 제작될 수 있다.
한편 이미 설계 및 제작이 완료된 전력 변환 회로의 경우에는 전력반도체의 노화를 예측하고자 하는 전력반도체의 노드에 납땜 또는 볼팅 등의 방법으로 전압 검출 회로가 접촉되도록 추가 설치해야 한다는 점에서 번거롭고 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.
한국등록특허공보 제10-0998577호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정함에 있어 다양한 회로 구조에 적용가능하고 설치가 용이하도록 비접촉 방식으로 전류를 검출하고, 별도의 전압을 검출하지 않고 검출된 전류만을 이용하여 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정할 수 있는 비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 센서의 오프셋(offset)과 무관하게 전력반도체의 온-상태 저항 값을 산출하거나 경향을 추정할 수 있는 비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트에 인가되는 펄스 신호에 의해 온-오프를 반복하는 전력반도체 DUT(Device Under Test)를 포함하는 회로에 마련되어 전력반도체의 노화 상태를 진단하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치는, 전압원 및 상기 전압원과 연결되는 인덕터 사이에 위치하여 상기 인덕터에 공급되는 전류를 센싱하는 센서; 및 센싱된 인덕터 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값을 산출하고, 산출된 인덕터 전류 값에 기초하여 상기 DUT의 저항 값을 산출하고, 일정 시간 간격으로 상기 인덕터 전류 값을 샘플링하고, DUT의 저항 값 또는 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이에 기초하여 상기 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측하는 진단부를 포함한다.
그리고 상기 진단부는, 상기 인덕터 전류 값만을 이용하여 상기 저항 값을 산출할 수 있다.
또한 상기 센서는, 상기 전압원 및 상기 인덕터를 연결하는 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 마련되어 상기 인덕터 전류를 센싱할 수 있다.
그리고 상기 센서는, 로고스키 코일(Rogowski Coil)로 마련될 수 있다.
또한 상기 센서 및 상기 진단부 사이에 마련되어 상기 인덕터 전류 신호를 증폭시키거나 노이즈를 제거하여 상기 진단부로 전달하는 보조부를 더 포함할 수 있다.
한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 상태 진단 방법은, 센서가 전압원 및 상기 전압원과 연결되는 인덕터 사이에서 상기 인덕터에 공급되는 전류를 센싱하는 단계; 진단부가 센싱된 인덕터 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값을 산출하는 단계; 상기 진단부가 상기 인덕터 전류 값에 기초하여 DUT의 저항 값을 산출하는 단계; 상기 진단부가 일정 시간 간격으로 상기 인덕터 전류 값을 샘플링하는 단계; 및 상기 진단부가 DUT의 저항 값 또는 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이에 기초하여 상기 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측하는 단계를 포함한다.
그리고 상기 저항 값을 산출하는 단계에서는, 상기 진단부가 상기 인덕터 전류 값만을 이용하여 상기 저항 값을 산출할 수 있다.
또한 상기 전류를 센싱하는 단계에서는, 상기 센서가 상기 전압원 및 상기 인덕터를 연결하는 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 상기 인덕터 전류를 센싱할 수 있다.
그리고 상기 센서는, 로고스키 코일(Rogowski Coil)로 마련될 수 있다.
또한 보조부가 상기 인덕터 전류 신호를 증폭시키거나 노이즈를 제거하여 상기 진단부로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 비접촉 방식에 기반한 전력반도체의 노화 상태 진단 장치 및 방법을 제공함으로써, 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정함에 있어 있어 다양한 회로 구조에 적용가능하고 설치가 용이하도록 비접촉 방식으로 전류를 검출하고, 별도의 전압을 검출하지 않고 검출된 전류만을 이용하여 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정할 수 있다.
그리고 센서의 오프셋(offset)과 무관하게 전력반도체의 온-상태 저항 값을 산출하거나 경향을 추정할 수 있다.
도 1은 종래의 전력반도체의 온-상태 저항값을 추정하기 위한 전압 검출 회로를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 상태 진단 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 온-상태 저항 검출 회로가 부스트 컨버터에 적용된 도면,
도 4는 도 3의 DUT가 온-상태일 때의 등가회로를 도시한 도면,
도 5는 도 2의 노화 상태 진단 장치를 설명하기 위한 도면,
도 6은 도 3에 도시된 회로의 게이트가 온-상태일 때 인덕터 전류의 파형을 도시한 도면,
도 7은 도 3에 도시된 회로의 장기간 운전에 따른 전류의 변화를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력반도체의 노화 진단 장치의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 9는 도 2의 전력반도체의 노화 진단 장치에서 수행되는 전력반도체의 노화 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도, 그리고
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 진단 장치의 효과를 설명하기 위한 실험 결과를 도시한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명에 따른 구성요소들은 물리적인 구분이 아니라 기능적인 구분에 의해서 정의되는 구성요소들로서 각각이 수행하는 기능들에 의해서 정의될 수 있다. 각각의 구성요소들은 하드웨어 또는 각각의 기능을 수행하는 프로그램 코드 및 프로세싱 유닛으로 구현될 수 있을 것이며, 두 개 이상의 구성요소의 기능이 하나의 구성요소에 포함되어 구현될 수도 있을 것이다. 따라서 이하의 실시예에서 구성요소에 부여되는 명칭은 각각의 구성요소를 물리적으로 구분하기 위한 것이 아니라 각각의 구성요소가 수행되는 대표적인 기능을 암시하기 위해서 부여된 것이며, 구성요소의 명칭에 의해서 본 발명의 기술적 사상이 한정되지 않는 것임에 유의하여야 한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 상태 진단 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 블록도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 온-상태 저항 검출 회로가 부스트 컨버터에 적용된 도면, 도 4는 도 3의 DUT가 온-상태일 때의 등가회로를 도시한 도면, 그리고 도 5는 도 2의 노화 상태 진단 장치(100)를 설명하기 위한 도면, 도 6은 도 3에 도시된 회로의 게이트가 온-상태일 때 인덕터 전류의 파형을 도시한 도면, 도 7은 도 3에 도시된 회로의 장기간 운전에 따른 전류의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
그리고 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 진단 장치(100, 이하 장치)가 부스트 컨버터(불연속 전류 모드 동작)에 적용된 경우를 기준으로 설명하기로 한다.
도 3에서와 같이 전력반도체 DUT(Device Under Test)는 게이트에 인가되는 펄스 신호에 의해 온-오프(on-off) 동작을 반복하게 된다.
따라서 본 발명의 장치(100)는 전력반도체 DUT가 온-상태일 때 DUT의 저항 값을 산출하여 전력 변환 회로의 구성 요소인 전력반도체의 노화를 진단하기 위해 마련된다. 이러한 장치(100)는 도 2와 같이 센서(110) 및 진단부(130)를 포함한다.
센서(110)는 전력 변환 회로의 입력전압원인 전압원(10) 및 전압원(10)과 연결되는 인덕터(20) 사이에 위치하여 인덕터(20)에 공급되는 전류를 센싱한다.
그리고 센서(110)는, 도 5와 같이 전압원(10) 및 인덕터(20)를 연결하는 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 마련되어 인덕터 전류(i)를 센싱할 수 있다.
센서(110)가 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 마련되도록 하기 위해 센서(110)는 코일로 마련될 수 있다.
이처럼 센서(110)가 코일로 마련되면, 전류가 흐르는 도선과 센서(110)는 서로 전기적으로 접촉하지는 않으나, 자기적으로는 연결된다.
즉 도선에 흐르는 전류가 생성하는 자기장은 코일로 마련되는 센서(110)에도 결합하게 된다. 이를 통해 센서(110)와 연결된 진단부(130)는 자기 결합을 이용하여 전류 값을 산출할 수 있게 된다.
이러한 센서(110)는, 도선과 비접촉할 수 있도록 도 5에 도시된 바와 같이 로고스키 코일(Rogowski Coil)로 마련되는 것이 바람직하다.
이를 통해 센서(110)는 전압 검출 회로가 전력반도체의 노드에 접촉하도록 사전에 설계되어 제작된 회로라 하더라도, 도선을 끊거나 해체하지 않는 비파괴적인 방법으로 설치가 가능하다. 또한 센서(110)는 전압 검출 회로와 달리 납땜, 볼팅 등의 접촉을 필요로 하지 않기 때문에 기 설계 및 제작된 회로에도 쉽게 추가 설치가 가능하다는 장점이 있다.
만약 전기적 접촉은 가능하고 전류만을 사용하고자 하는 경우, 센서(110)는 전류변압기 또는 홀 이펙트 센서(hall effect)로 마련될 수도 있다.
한편 진단부(130)는 센서(110)에서 센싱된 인덕터 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값(i)을 산출한다.
그리고 진단부(130)는 산출된 인덕터 전류 값에 기초하여 DUT의 저항 값(RDUT)을 산출할 수 있다.
또한 진단부(130)는 산출된 인덕터 전류 값들 중에서 일정 시간 간격으로 인덕터 전류 값을 샘플링할 수 있다. 이때 진단부(130)가 인덕터 전류(i)를 샘플링되는 시점의 차이는 자유롭게 설정 가능할 수 있다.
또한 진단부(130)는 산출된 DUT의 저항 값(RDUT) 또는 샘플링된 인덕터 전류 값(i) 간의 차이에 기초하여 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측할 수 있다.
따라서 본 발명의 진단부(130)는 별도의 전압 검출 회로를 마련하지 않고도 인덕터 전류 값(i)만을 이용하여 온-상태 저항 값(RDUT)을 산출할 수 있다.
진단부(130)가 인덕터(20) 전류 값(i)만을 이용하여 온-상태 저항 값(RDUT)을 산출하는 전체적인 과정을 구체적으로 설명하면 이하와 같을 수 있다.
도 4는 도 3의 부스트 컨버터의 전력반도체 DUT가 온-상태일 때의 등가회로를 나타낸 도면으로, 전압원(10)의 전압 V, 인덕터(20)의 인덕턴스 L, 인덕터(20)의 직렬 등가 저항(RL) 및 DUT의 온-상태 저항인 RDUT가 직렬 연결된 형태이다.
이 경우 시간 t에서의 인덕터 전류인 는 하기의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
여기서 는 게이트가 켜지는 순간, 즉 게이트의 펄스 신호가 상승하는 순간의 인덕터(20)의 전류, V는 전압원(10)의 전압, L은 인덕터(20)의 인덕턴스를 의미한다. 그리고 인덕터(20)의 인덕턴스 L 및 직렬 등가 저항(RL)은 미리 알고 있다. 또한 인덕터 전류 i는 지수 함수이기는 하지만, 저항 R이 매우 작은 값이어서 도 6에 도시된 바와 같이 거의 선형적인 형태를 보이게 된다.
이상의 수학식 1을 통해 진단부(130)는 전력반도체 DUT가 온-상태일 때의 온-상태 저항 값(RDUT)을 산출할 수 있게 된다.
그리고 게이트의 펄스 신호가 상승하는 시점을 기준 시점(t=0)이라고 했을 때, 진단부(130)는 도 6에서와 같이 on 구간에서 t1 및 t2 시점 간격으로 2개의 인덕터 전류(i(t1), i(t2))를 샘플링할 수 있다. 그리고 두 인덕터 전류(i(t1), i(t2))간의 차이 는 하기 수학식 2를 통해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
이때 상술한 바와 같이 저항 R이 매우 작은 값이라고 하면 수학식 2는 아래의 수학식 3과 같이 근사화된다.
[수학식 3]
Figure pat00007
수학식 2 및 3에서 샘플링된 두 인덕터 전류(i(t1), i(t2))간의 차이 와 L은 알려진 값이므로 저항 R을 산출할 수 있게 된다.
만약 저항 R의 정확한 값이 아닌 단순히 DUT의 노화에 따라 DUT 저항 값 RDUT이 증가하는 경향을 관찰하고자 한다면, 상술한 복잡한 산출 과정 없이 단순히 의 변화 정도만을 모니터링하는 것으로 대체될 수 있다.
즉 시간이 경과하여 DUT 저항 값(RDUT)이 증가하게 되면 인덕터 전류 간의 차이 는 도 7에 도시된 바와 같이 감소하게 된다.
따라서 인덕터 전류 간의 차이 가 사전에 설정된 임계값 이상으로 줄어들면 DUT 저항 값 RDUT이 임계값 이상으로 증가했다는 의미가 되므로, 이를 통해 진단부(130)는 전력반도체의 교체 시기를 정할 수 있게 된다.
이에 본 발명의 진단부(130)는 DUT의 저항 값 RDUT만을 이용하여 전력반도체의 노후 정도 또는 교체 시기를 정하거나, 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이를 이용하여 전력반도체의 노후 정도 또는 교체 시기를 정할 수 있다.
또한 DUT의 저항 값 RDUT 및 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이 모두를 이용하여 보다 정교한 전력반도체의 노후 정도 또는 교체 시기를 정할 수도 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력반도체의 노화 진단 장치(100)는 도 8에 도시된 바와 같이 보조부(120)를 더 포함할 수 있다.
보조부(120)는 센서(110) 및 진단부(130) 사이에 마련되어 인덕터 전류 신호를 증폭시키거나 노이즈를 제거하여 진단부(130)로 전달할 수 있다.
이러한 보조부(120)는 신호를 증폭하는 공통 모드 필터 또는 노이즈를 제거하기 위한 차동 모드 필터를 포함하여 마련될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 장치(100)는 인덕터가 마련된 모든 전력 변환 회로에 사용가능한 것은 물론, 전력 변환 회로를 파괴하지 않고 추가 설치가 가능함으로써 설치 또는 설계를 위한 비용을 절감시킬 수 있다는 점에서 경제적이다.
또한 본 발명의 장치(100)는 인덕터(20)와 직렬로 연결된 저항의 검출 및 추정이 요구되는 임의의 응용에 광범위하게 적용될 수 있다. 그리고 회로 구조 측면에서 도면에서와 같이 부스트 컨버터 뿐만 아니라 인덕터와 DUT가 직렬로 연결되는 동작이 포함된 모든 컨버터, 인버터 등에 본 발명의 노화 진단 장치(100)가 적용될 수 있다.
그리고 본 발명의 장치(100)는 전력반도체의 노화 추정은 물론, 임의의 소자의 저항치, 또는 저항치의 변화를 측정하고자 할 때도 사용될 수 있다.
특히 본 발명의 장치(100)는 두 전류 간의 차이를 샘플링하기 때문에 공통 모드 노이즈에 영향을 최소화할 수 있으며, 센서의 오프셋에 무관하게 DUT의 저항값을 산출하거나 경향을 추정할 수 있다는 장점이 있다.
도 9는 도 2의 전력반도체의 노화 진단 장치(100)에서 수행되는 전력반도체의 노화 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 진단 방법은 도 2 내지 도 7에 도시된 전력반도체의 노화 진단 장치(100)와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 2 내지 도 7의 전력반도체의 노화 진단 장치(100)와 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
그리고 전력반도체의 노화 진단 장치(100)는 전력반도체의 노화 진단 방법을 수행하기 위한 소프트웨어(어플리케이션)가(이) 설치되어 실행될 수 있다.
먼저 센서(110)가 전압원(10) 및 전압원(10)과 연결되는 인덕터(20) 사이에서 인덕터(20)에 공급되는 전류를 센싱할 수 있다(S110).
전류를 센싱하는 단계(S110)에서는, 센서(110)가 전압원(10) 및 인덕터(20)를 연결하는 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 인덕터 전류(i)를 센싱할 수 있다. 이를 위해 센서(110)는 로고스키 코일(Rogowski Coil)로 마련될 수 있다.
이후 진단부(130)가 센싱된 인덕터(20) 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값(i)을 산출할 수 있다(S130)
그리고 진단부(130)가 인덕터 전류 값(i)에 기초하여 DUT의 저항 값(RDUT)을 산출할 수 있다(S150). 이때 진단부(130)는 인덕터 전류 값(i)만을 이용하여 저항 값(RDUT)을 산출할 수 있다.
또한 진단부(130)가 온-상태 구간 내에서 산출된 인덕터 전류 값(i)을 일정 시간 간격으로 샘플링할 수 있다(S170).
이후 진단부(130)는 산출된 저항 값(RDUT) 또는 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이에 기초하여 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측할 수 있다(S190).
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력반도체의 노화 상태 진단 방법은 인덕터(20)에 공급되는 전류를 센싱하는 단계(S110) 이후에 보조부(120)가 인덕터 전류 신호를 증폭시키거나 노이즈를 제거하여 진단부(130)로 전달하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체의 노화 진단 장치(100)의 효과를 설명하기 위한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 상술한 도 3의 부스트 컨버터에서 게이트가 켜지는 시점에서 실험을 수행한 결과로 인덕터(20)의 인덕턴스 L=40uH, 인덕터(20)의 직렬 등가 저항 RL=390mΩ, 전압원의 전압 V=100V인 경우이다.
DUT의 저항 값 RDUT가 시간이 지남에 따라 초기값인 390mΩ에서 증가하기 시작하여 최종에는 20% 증가한 값인 420mΩ에 이르는 경우의 인덕터 전류(i)를 겹쳐서 표현하였다.
육안으로는 잘 식별되지는 않으나 인덕터 전류(i)의 기울기가 미세하게 완만해지는 것이 확인되었다.
한편 도 11은 도 10의 실험상황에서 인덕터 전류(i)를 샘플링하는 시점 t1 및 t2을 각각 t1=2us, t2=4us로 정하고, 해당 각 시점에서의 두 인덕터 전류(i(t1), i(t2))간의 차이 를 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이 DUT 저항 값 RDUT가 증가함에 따라 두 인덕터 전류(i(t1), i(t2))간의 차이 가 감소하였다.
도 12는 도 3에서 인덕터 전류(i)와 인덕터 전류 검출 신호를 게이트 신호와 함께 측정한 실험 파형이다. 샘플링이 일어나는 시점에서의 인덕터 전류 검출 신호는 노이즈가 없으므로 본 발명의 신뢰성이 높은 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
10 : 전압원 20 : 인덕터
100 : 장치 110 : 센서
120 : 보조부 130 : 진단부

Claims (10)

  1. 게이트에 인가되는 펄스 신호에 의해 온-오프를 반복하는 전력반도체 DUT(Device Under Test)를 포함하는 회로에 마련되어 전력반도체의 노화 상태를 진단하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치로서,
    전압원 및 상기 전압원과 연결되는 인덕터 사이에 위치하여 상기 인덕터에 공급되는 전류를 센싱하는 센서;
    센싱된 인덕터 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값을 산출하고, 산출된 인덕터 전류 값에 기초하여 DUT의 저항 값을 산출하고, 일정 시간 간격으로 상기 인덕터 전류 값을 샘플링하고, 상기 DUT의 저항 값 또는 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이에 기초하여 상기 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측하는 진단부를 포함하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 인덕터 전류 값만을 이용하여 상기 저항 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 전압원 및 상기 인덕터를 연결하는 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 마련되어 상기 인덕터 전류를 센싱하는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서는,
    로고스키 코일(Rogowski Coil)로 마련되는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서 및 상기 진단부 사이에 마련되어 상기 인덕터 전류 신호를 증폭시키거나 노이즈를 제거하여 상기 진단부로 전달하는 보조부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 장치.
  6. 센서가 전압원 및 상기 전압원과 연결되는 인덕터 사이에서 상기 인덕터에 공급되는 전류를 센싱하는 단계;
    진단부가 센싱된 인덕터 전류 신호에 기초하여 인덕터 전류 값을 산출하는 단계;
    상기 진단부가 상기 인덕터 전류 값에 기초하여 DUT의 저항 값을 산출하는 단계;
    상기 진단부가 일정 시간 간격으로 상기 인덕터 전류 값을 샘플링하는 단계; 및
    상기 진단부가 DUT의 저항 값 또는 샘플링된 인덕터 전류 값 간의 차이에 기초하여 상기 전력반도체의 노화 정도 및 잔여 수명을 예측하는 단계를 포함하는 전력반도체의 노화 상태 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저항 값을 산출하는 단계에서는,
    상기 진단부가 상기 인덕터 전류 값만을 이용하여 상기 저항 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전류를 센싱하는 단계에서는,
    상기 센서가 상기 전압원 및 상기 인덕터를 연결하는 도선과 전기적으로 비접촉한 상태로 상기 인덕터 전류를 센싱하는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센서는,
    로고스키 코일(Rogowski Coil)로 마련되는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    보조부가 상기 인덕터 전류 신호를 증폭시키거나 노이즈를 제거하여 상기 진단부로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체의 노화 상태 진단 방법.
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