KR20240058587A - 히트싱크 온도 예측 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 전력모듈의 정션 온도 측정 방법 - Google Patents

히트싱크 온도 예측 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 전력모듈의 정션 온도 측정 방법 Download PDF

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KR20240058587A
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고영주
이성민
신상철
이제환
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현대자동차주식회사
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Abstract

적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함한 전력모듈을 냉각시키는 히트싱크의 온도를 예측하는 방법이 제공된다. 히트싱크 온도 예측 방법은 상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 계산되는 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계; 상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도를 획득하는 단계; 및 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이로부터 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계를 포함한다.

Description

히트싱크 온도 예측 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 전력모듈의 정션 온도 측정 방법{METHOD AND APPARATUS FOR PREDICTING TEMPERATURE OF HEAT SINK, AND METHOD FOR MEASURING JUNCTION TEMPERATURE OF POWER MODULE USING THEREOF}
본 기재는 히트싱크 온도 예측 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 전력모듈의 정션 온도 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 이용하여 히트싱크의 온도를 예측하고, 예측된 히트싱크의 온도를 이용하여 전력모듈의 정션 온도를 측정하는 히트싱크 온도 예측 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 전력모듈의 정션 온도 측정 방법에 관한 것이다.
인버터는 배터리의 직류 전원으로부터 모터에 교류 전원을 인가한다. 직류를 교류로 변환하는 과정에서 스위칭 소자가 빠른 속도로 스위칭하게 되는데, 이때 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실(power loss)로 인해 많은 열이 발생한다.
스위칭 소자의 정션 온도가 크게 상승하여 스위칭 반도체 소자의 정격보다 높아지면 스위칭 소자의 소손으로 이어질 수 있기 때문에 스위칭 소자의 온도가 일정 온도 이상 상승하지 않도록 제한할 필요가 있다.
기존의 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 전력모듈의 경우 스위칭 소자 내부에 다이오드 온도 센서가 있어 직접 온도를 센싱하는 것이 가능하다. 하지만 최근 SIC(Silicon Carbide) 전력모듈을 이용하는 과정에서 스위칭 소자 내부가 아니라 전력모듈 내부에 NTC 센서를 사용하고 있다. 이때 NTC 센서의 측정 온도와 열모델을 활용하여 스위칭 소자의 정션 온도의 변화량을 계산할 수 있지만 냉각수 온도 없이는 정확한 정션 온도 추정이 불가능하다.
일반적으로 냉각수 온도는 냉각기에 부착된 온도 센서를 이용하여 추정된다. 그러나 이 온도 센서는 냉각기 외부에 장착되어 있기 때문에 외부 온도의 영향을 받을 수 있으며, 결과적으로 전력모듈과 냉각기 접합부의 히트싱크 온도를 정확하게 측정하지 못할 수 있다.
본 기재가 해결하려는 과제는 냉각기에 부착된 온도 센서를 사용하지 않고 전력모듈 내 NTC 센서를 이용하여 히트싱크 온도를 예측할 수 있는 히트싱크 온도 예측 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 기재가 해결하려는 과제는 예측된 히트싱크 온도를 이용하여 정션 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 전력모듈의 정션 온도 측정 방법을 제공하는 것이다.
한 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함한 전력모듈이 탑재된 기판 하부에 위치한 히트싱크의 온도를 예측하는 방법이 제공된다. 히트싱크 온도 예측 방법은 상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실에 기초한 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계; 상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도를 획득하는 단계; 및 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이로부터 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계를 포함한다.
상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계는, 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계; 및 상기 전력모듈의 전력손실, 상기 NTC 센서의 열저항 및 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계는, 냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라서 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계는, 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 NTC 센서의 열저항의 곱에 상기 열저항 보상치를 적용하여 제1 값을 산출하는 단계; 그리고 상기 제1 값에 상기 NTC 센서의 열 임피던스를 적용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계는, 상기 전력모듈의 열저항에 온도 반영율을 적용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 온도 반영율은 냉각수의 온도가 고정된 상태에서 상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 발열 후 측정된 상기 NTC 센서의 온도 변화량과 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량 간의 비율에 따를 수 있다.
상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계는, 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이에 상기 히트싱크 내 냉각수의 임피던스를 적용하여 상기 히트싱크 온도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함하는 전력모듈을 냉각시키는 히트싱크의 온도를 예측하는 장치가 제공된다. 히트싱크 온도 예측 장치는 상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 계산되는 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 NTC 온도 변화량 계산부; 상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도를 획득하는 NTC 온도 획득부; 및 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이로부터 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 히트싱크 온도 계산부를 포함한다.
상기 NTC 온도 변화량 계산부는, 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하고, 냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라서 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택하며, 상기 전력모듈의 전력손실, 상기 NTC 센서의 열저항 및 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산할 수 있다.
상기 NTC 온도 변화량 계산부는, 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 NTC 센서의 열저항의 곱에 상기 열저항 보상치를 적용하여 제1 값을 산출하고, 상기 제1 값에 상기 NTC 센서의 열 임피던스를 적용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산할 수 있다.
상기 NTC 온도 변화량 계산부는 상기 전력모듈의 열저항에 온도 반영율을 적용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하고, 상기 온도 반영율은 냉각수의 온도가 고정된 상태에서 상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 발열 후 측정된 상기 NTC 센서의 온도 변화량과 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량 간의 비율에 따를 수 있다.
상기 히트싱크 온도 계산부는, 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이에 상기 히트싱크 내 냉각수의 임피던스를 적용하여 상기 히트싱크 온도를 계산할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 정션 온도 측정 장치에서 적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함하는 전력모듈의 정션 온도를 측정하는 방법이 제공된다. 정션 온도 측정 방법은 상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 이용하여 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계; 상기 전력모듈의 열모델을 이용하여 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산하는 단계; 및 상기 히트싱크의 온도와 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 이용하여 상기 전력모듈의 정션 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계는, 상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 상기 전력모듈의 전력손실 및 상기 전력모듈의 열저항을 계산하는 단계; 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계; 냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라서 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택하는 단계; 및 상기 전력모듈의 전력손실, 상기 NTC 센서의 열저항 및 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계는, 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 NTC 센서의 열저항의 곱에 상기 열저항 보상치를 적용하여 제1 값을 산출하는 단계; 그리고 상기 제1 값에 상기 NTC 센서의 열 임피던스를 적용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계는, 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이에 상기 히트싱크 내 냉각수의 임피던스를 적용하여 상기 히트싱크 온도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산하는 단계는, 상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 계산되는 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 냉각기 외부에 장착되어 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서 없이 전력모듈 내부의 NTC 센서를 이용하여 히트싱크 온도를 예측함으로써, 외부 온도의 영향을 배제할 수 있으므로, 히트싱크 온도를 보다 정확하게 예측할 수 있다. 또한 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서를 제거할 수 있고, 이로 인해 제작 단가를 낮출 수 있으며, 온도 센서 부착으로 생기는 공간 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 일반적인 열모델을 이용한 전력모듈의 정션 온도 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 한 실시 예에 따른 히트싱크 온도 예측 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 히트싱크 온도 예측 장치의 히트싱크 온도 예측 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 2에 도시된 NTC 온도 변화량 계산부의 NTC 온도 변화량 계산 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 전력모듈의 열저항과 NTC 센서의 열저항간 관계를 나타내는 온도 반영율을 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 냉각수 LPM별 NTC 센서의 온도변화를 나타낸 그래프도이다.
도 7은 한 실시 예에 따른 전력모듈의 정션 온도 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 전력모듈의 정션 온도 측정 장치의 정션 온도 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 한 실시 예에 따른 전력모듈의 정션 온도 계산 방법의 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "전기적 또는 기계적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
또한 본 명세서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
이제 본 기재의 실시 예에 따른 히트싱크 온도 예측 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 전력모듈의 정션 온도 측정 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 열모델을 이용한 전력모듈의 정션 온도 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 전력모듈의 정션 온도는 수학식 1과 같이 전력모듈의 전력손실, 열저항 및 히트싱크 온도로부터 계산될 수 있다.
Figure pat00001
전력모듈은 기판 상에 구비되고, 기판 하부에는 냉각수 통로가 구비된 히트싱크가 위치한다. 냉각수 통로를 통해 냉각수가 흐르며, 냉각수는 전력모듈 내 전력 반도체 소자를 냉각시키는 기능을 한다.
스위칭 주파수, 입력전압, 입력전류 및 구동모드 등을 포함하는 전력모듈의 입력 파라미터가 결정되면, 전력모듈이 구동되면서 전력모듈의 전력손실이 계산될 수 있다.
전력모듈의 전력손실은 전력모듈 내 각 반도체 스위칭 소자의 전류 도통 시 발생하는 도통 손실과 각 반도체 스위칭 소자의 스위칭 시 발생하는 스위칭 손실의 합으로 구해질 수 있다. 반도체 스위칭 소자의 도통 손실과 스위칭 손실을 합하여 반도체 스위칭 소자의 전력손실이라 한다. 스위칭 소자의 도통 손실과 스위칭 손실은 사전에 설정된 도통 손실 계산식 및 스위칭 손실 계산식에 의해 산출될 수 있다.
전력모듈의 전력손실은 전력모듈이 적용되는 인버터의 특성에 따라 다양한 인자가 고려되어 설정될 수 있다. 전력모듈의 전력손실은 전력모듈을 제작하는 업체나 전력모듈을 적용하여 차량 등의 제품들을 제작하는 업체에 따라 다양한 방식으로 결정될 수 있으며, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
열저항은 온도 변화량을 소비전력으로 나눈 값으로 나타낼 수 있다. 전력모듈을 구성하는 각 요소들은 열저항 성분을 가지고 있으며, 열저항은 열 성능을 대표하는 값으로, 전력모듈의 냉각 기판이나 냉각기의 방열성능에 영향을 받는다.
전력모듈의 요소인 반도체 스위칭 소자의 열저항을 측정하기 위해서는 기생 다이오드 전압과 온도의 관계성이 이용된다. 기생 다이오드 전압은 온도에 반비례하는 특성을 가진다. 각 반도체 스위칭 소자의 게이트 차징 정도에 따라 전압이 달라지기 때문에 -9V의 전압을 게이트 전극에 인가하고, 냉각수 온도를 증가시키면서 기생 다이오드 전압을 측정하고, 이때 전압 변화량을 온도 변화량으로 나누어(mV/K), K-인자라는 기울기를 구한다. 이렇게 구해진 K-인자를 이용하여 전압 변화량을 통해 온도 변화량이 구해질 수 있다. 반도체 스위칭 소자에 인가되는 전압은 측정 장비를 통해 측정되며, 결과적으로 열저항이 구해질 수 있다.
전력모듈의 열저항과 전력손실의 곱은 곧 전력모듈의 정션온도의 변화량을 의미한다. 따라서, 정션온도의 변화량에 히트싱크 온도를 더하면, 전력모듈의 정션온도가 계산된다. 이때 최대 정션온도는 온도 마진을 고려해서 140도를 넘지 않도록 설계되고 있다.
히트싱크 온도는 냉각수 온도로부터 측정될 수 있다.
기존의 IGBT 전력모듈은 IGBT 내부에 온도 센서를 포함하고 있다. 때문에 별도의 계산 없이도 전력모듈의 온도를 직접 센싱할 수 있으며, 필요시 열모델을 활용하여 냉각수 온도를 추정하여 사용할 수 있다.
반면, SIC 전력모듈의 경우 반도체 스위칭 소자 내부에 온도 센서가 존재하지 않고 반도체 스위칭 소자 외부에 NTC 센서가 있다. 이러한 경우, 냉각수 온도는 냉각기에 부착된 온도 센서를 이용하여 추정된다. 그러나 온도 센서가 냉각기 외부에 장착되어 있기 때문에 외부 온도의 영향을 받을 수 있으며, 결과적으로 히트싱크 온도가 정확하게 측정되지 못할 수 있다. 즉, 별도의 로직 없이는 냉각수 온도와 전력모듈의 온도를 예측할 수 없고 140도 이하로 전력모듈의 온도를 관리하기 어렵다.
본 개시에 따른 히트싱크 온도 예측 장치 및 방법은 냉각기 외부에 장착된 온도 센서 없이도 전력모듈 내에 있는 NTC 센서를 이용하여 히트싱크 온도를 예측한다.
도 2는 한 실시 예에 따른 히트싱크 온도 예측 장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 히트싱크 온도 예측 장치의 히트싱크 온도 예측 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 히트싱크 온도 예측 장치(200)는 NTC 온도 획득부(210), NTC 온도 변화량 계산부(220) 및 히트싱크 온도 계산부(230)를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, NTC 온도 획득부(210)는 NTC 센서에 의해 센싱된 전력모듈의 온도를 획득한다(S310). NTC 센서에 의해 센싱된 전력모듈의 온도를 편의상 NTC 온도라 명명한다. 이러한 NTC 온도 획득부(210)는 전력모듈의 온도를 센싱하는 NTC 센서를 포함할 수 있다.
NTC 온도 변화량 계산부(220)는 NTC 온도 변화량을 계산한다(S320). NTC 온도 변화량은 NTC 센서에 의해 센싱된 전력모듈의 온도 변화량을 의미한다. NTC 온도 변화량은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00002
ΔTNTC는 NTC 온도 변화량을 나타내고, PLoss는 전력모듈의 전력손실을 나타낸다. RthNTC는 NTC 센서의 열저항을 나타내고, Rthrate는 냉각수 유량(LPM: Liter Per Minute)에 따른 NTC 센서의 열저항 보상치를 나타내며, ZthNTC는 NTC 센서의 열 임피던스를 나타낸다. *은 곱셈을 나타낸다.
히트싱크 온도 계산부(230)는 NTC 온도 획득부(210)에 의해 획득된 NTC 온도와 NTC 온도 변화량 계산부(220)에 의해 계산된 NTC 온도 변화량을 이용하여 히트싱크 온도를 계산한다(S330). 히트싱크 온도 계산부(230)는 수학식 3과 같이 NTC 온도에서 NTC 온도 변화량을 뺀 값을 이용하여 히트싱크 온도를 계산할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서, Tsink는 히트싱크 온도를 나타내고, TNTC는 NTC 온도를 나타낸다. Zthwater는 냉각수의 임피던스를 나타낸다.
실제 NTC 온도 변화량과 NTC 온도 변화량 계산부(220)에 의해 계산된 NTC 온도 변화량이 완전히 일치한다면, Zthwater는 필요하지 않다. 그러나 실측값과 이론값에는 차이가 발생할 수 있고, 이러한 차이로 인한 온도 리플이 발생될 수 있다. 따라서, 히트싱크 온도 계산부(230)는 실측값과 이론값간 차이로 인한 온도 리플을 제거하기 위해 냉각수의 임피던스를 적용한다. 즉, 히트싱크 온도 계산부(230)는 NTC 온도에서 NTC 온도 변화량을 뺀 값에 냉각수의 임피던스를 적용하여, 최종적으로 히트싱크의 온도를 계산한다.
도 4는 도 2에 도시된 NTC 온도 변화량 계산부의 NTC 온도 변화량 계산 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 스위칭 주파수, 입력전압, 입력전류, 구동모드 등의 포함하는 전력모듈의 입력 파라미터가 결정되면, NTC 온도 변화량 계산부(220)는 입력 파라미터에 따른 인버터의 구동에 의한 전력모듈의 전력손실을 계산한다(S410).
다음, NTC 온도 변화량 계산부(220)는 NTC 센서의 열저항을 계산한다(S420). NTC 센서의 열저항은 전력모듈의 열저항과 일정한 온도 반영율의 관계를 가진다. 따라서, NTC 센서의 열저항(RthNTC)은 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서, RthNTC는 NTC 센서의 열저항을 나타내고, Rth는 전력모듈의 열저항을 나타내며, k는 온도 반영율을 나타낸다. 즉, NTC 센서의 열저항은 전력모듈의 열저항과 k배의 관계를 가진다.
한편, NTC 센서에 의해 센싱되는 온도는 히트싱크 내 냉각수 통로에 흐르는 냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라 달라진다. NTC 온도 변화량 계산부(220)는 NTC 온도 변화량을 계산하기 위해 사용할 냉각수 LPM에 따른 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택한다(S430).
NTC 센서의 열저항이 계산되고 나면, NTC 온도 변화량 계산부(220)는 수학식 2와 같이 전력모듈의 전력손실과 NTC 센서의 열저항의 곱에 냉각수 LPM에 따른 NTC 센서의 열저항 보상치를 적용하여, 제1 값을 계산한다(S440).
열저항을 나타내는 시간의 함수인 열 임피던스가 있다. 즉, 열 임피던스에 따라 온도 증감에 따른 속도가 달라지므로, NTC 온도 변화량 계산부(220)는 단계(S440)에서 구해진 제1 값에 NTC 센서의 열 임피던스를 추가적으로 반영하여, 최종적으로 NTC 온도 변화량을 계산한다(S450).
도 5는 전력모듈의 열저항과 NTC 센서의 열저항간 관계를 나타내는 온도 반영율을 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 전력모듈은 복수의 반도체 스위칭 소자(S1, S2) 및 NTC 센서(510)를 포함한다. 도 5에서는 편의상 2개의 반도체 스위칭 소자(S1, S2)를 도시하였다.
전력모듈의 구동 시에 2개의 반도체 스위칭 소자(S1, S2)가 상보적으로 동작한다.
NTC 센서(510)는 전력모듈의 온도를 센싱한다.
NTC 온도 변화량 계산부(220)는 수학식 4에 도시된 온도 반영율(k)을 계산하기 위해, -9V의 전압을 복수의 반도체 스위칭 소자(S1, S2)의 게이트 전극에 동시에 인가하여, 복수의 반도체 스위칭 소자(S1, S2)를 동시에 발열시킨 후, 기생 다이오드 전압을 측정한다.
NTC 온도 변화량 계산부(220)는 기생 다이오드의 전압 변화량을 통해 전력모듈의 정션 온도 변화량(ΔTSIC)을 측정하고, NTC 센서의 저항을 센싱하여 NTC 센서의 온도 변화량(ΔTNTC)을 측정한다. 이때 기존과 다르게 냉각수 온도는 고정한 상태에서 정션 온도 변화량(ΔTSIC)과 NTC 센서의 온도 변화량(ΔTNTC)이 측정된다.
NTC 온도 변화량 계산부(220)는 수학식 5와 같이, NTC 센서의 온도 변화량(ΔTNTC)을 전력모듈의 정션 온도 변화량(ΔTSIC)으로 나누어, 전력모듈의 열저항과 NTC 센서의 열저항간 관계를 나타내는 온도 반영율(k)을 계산할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5와 같이 온도 반영율(k)은 시험을 통해 NTC 센서의 온도 변화량(ΔTNTC)과 전력모듈의 정션 온도 변화량(ΔTSIC)의 비율로 계산될 수 있다.
도 6은 냉각수 LPM별 NTC 센서의 온도변화를 나타낸 그래프도이다. 도 6에서, AL100은 냉각수 LPM이 "A" LPM이고 전력모듈에 100A의 전류를 인가했음을 의미한다. 여기서, A, B, C 및 D는 1 이상의 자연수일 수 있으며, A<B<C<D의 관계를 가지며, D는 최대 LPM일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 차량의 냉각수 LPM에 따라서 온도 변화율이 달라진다. 특히, 냉각수 LPM이 올라감에 따라 방열성능이 좋아지기 때문에 열저항이 낮아지고, NTC 센서의 온도 변화량도 작아진다.
즉, 열저항 값은 방열 특성에 따라 변동될 수 있으므로, NTC 센서의 열저항에 냉각수 LPM에 따른 열저항 보상치가 반영되어야 한다. 이를 위해, 냉각수 LPM을 변경하면서 전술한 입력 파라미터 인가에 따른 열저항 측정 시험을 진행하여, 각 냉각수 LPM에 대응되는 열저항을 도출한다.
다음, 최대 LPM을 기준으로 냉각수 LPM별 열저항 보상치가 계산될 수 있다.
NTC 온도 변화량 계산부(220)는 냉각수 LPM별 열저항 보상치 중에서 전력모듈에 적용된 냉각수 LPM에 따른 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택한다.
다음, NTC 온도 변화량 계산부(220)는 전력모듈의 전력손실과 NTC 센서의 열저항의 곱에 선택된 냉각수 LPM에 따른 열저항 보상치를 반영할 수 있다.
도 7은 한 실시 예에 따른 전력모듈의 정션 온도 측정 장치를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 전력모듈의 정션 온도 측정 장치의 정션 온도 측정 방법을 나타낸 흐름도이다. 또한 도 9는 한 실시 예에 따른 전력모듈의 정션 온도 계산 방법의 개념도이다.
도 7을 참고하면, 전력모듈의 정션 온도 측정 장치(700)는 히트싱크 온도 예측부(710), 전력모듈 온도 변화량 계산부(720) 및 정션 온도 계산부(730)를 포함한다.
도 7 및 도 8을 보면, 히트싱크 온도 예측부(710)는 앞에서 설명한 히트싱크 온도 예측 장치(200)에 해당한다. 히트싱크 온도 예측 장치(200)는 앞에서 설명한 바와 같은 방법으로 NTC 센서를 이용하여 히트싱크 온도를 계산한다(S810).
전력모듈 온도 변화량 계산부(720)는 전력모듈의 열모델을 이용하여 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산한다(S820). 전력모듈의 정션 온도 변화량은 전력모듈의 전력손실과 전력모듈의 열저항의 곱으로 계산될 수 있다.
정션 온도 계산부(730)는 수학식 1과 같이 전력모듈의 정션 온도 변화량과 히트싱크 온도 예측부(710)에 의해 계산된 히트싱크 온도를 전력모듈의 정션온도를 계산한다(S830).
도 9에 도시한 바와 같이, 정션 온도 계산부(730)는 히트싱크 온도에 전력모듈의 정션 온도 변화량(ΔTjSIC)를 더함으로써, 전력모듈의 정션온도(TjSIC)를 계산할 수 있다.
이와 같이, 본 개시에 따르면, 히트싱크 온도 예측 장치(200)를 통해 NTC 센서만을 이용하여 히트싱크 온도를 예측할 수 있고, 이렇게 예측된 히트싱크 온도를 이용하여 전력모듈의 정션온드를 계산함으로써, 냉각기 외부에 설치되어 냉각수 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 제거할 수 있고, 온도 센서의 제거로 인한 공간 확보 및 단가 절감이 가능해진다.
또한 NTC 센서를 이용함에 따라, 외부의 온도 변화에 영향을 받지 않으므로, 히트싱크 온도의 예측 정확도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 기재의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 기재의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 기재의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 기재의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함한 전력모듈이 탑재된 기판 하부에 위치한 히트싱크의 온도를 예측하는 방법에서,
    상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실에 기초한 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계;
    상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도를 획득하는 단계; 및
    상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이로부터 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계
    를 포함하는 히트싱크 온도 예측 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계는,
    상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계; 및
    상기 전력모듈의 전력손실, 상기 NTC 센서의 열저항 및 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 히트싱크 온도 예측 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 단계는,
    냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라서 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택하는 단계를 더 포함하는 히트싱크 온도 예측 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계는,
    상기 전력모듈의 전력손실과 상기 NTC 센서의 열저항의 곱에 상기 열저항 보상치를 적용하여 제1 값을 산출하는 단계; 그리고
    상기 제1 값에 상기 NTC 센서의 열 임피던스를 적용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 히트싱크 온도 예측 방법.
  5. 제2항에서,
    상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계는,
    상기 전력모듈의 열저항에 온도 반영율을 적용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 온도 반영율은 냉각수의 온도가 고정된 상태에서 상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 발열 후 측정된 상기 NTC 센서의 온도 변화량과 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량 간의 비율에 따르는,
    히트싱크 온도 예측 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계는,
    상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이에 상기 히트싱크 내 냉각수의 임피던스를 적용하여 상기 히트싱크 온도를 계산하는 단계를 포함하는 히트싱크 온도 예측 방법.
  7. 적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함하는 전력모듈을 냉각시키는 히트싱크의 온도를 예측하는 장치에서,
    상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 계산되는 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 추정하는 NTC 온도 변화량 계산부;
    상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도를 획득하는 NTC 온도 획득부; 및
    상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이로부터 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 히트싱크 온도 계산부
    를 포함하는 히트싱크 온도 예측 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 NTC 온도 변화량 계산부는,
    상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하고, 냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라서 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택하며, 상기 전력모듈의 전력손실, 상기 NTC 센서의 열저항 및 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는,
    히트싱크 온도 예측 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 NTC 온도 변화량 계산부는,
    상기 전력모듈의 전력손실과 상기 NTC 센서의 열저항의 곱에 상기 열저항 보상치를 적용하여 제1 값을 산출하고, 상기 제1 값에 상기 NTC 센서의 열 임피던스를 적용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는,
    히트싱크 온도 예측 장치.
  10. 제8항에서,
    상기 NTC 온도 변화량 계산부는 상기 전력모듈의 열저항에 온도 반영율을 적용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하고,
    상기 온도 반영율은 냉각수의 온도가 고정된 상태에서 상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 발열 후 측정된 상기 NTC 센서의 온도 변화량과 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량 간의 비율에 따르는,
    히트싱크 온도 예측 장치.
  11. 제7항에서,
    상기 히트싱크 온도 계산부는,
    상기 전력모듈의 온도과 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이에 상기 히트싱크 내 냉각수의 임피던스를 적용하여 상기 히트싱크 온도를 계산하는,
    히트싱크 온도 예측 장치.
  12. 정션 온도 측정 장치에서 적어도 하나의 스위칭 소자와 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 센서를 포함하는 전력모듈의 정션 온도를 측정하는 방법에서,
    상기 NTC 센서에 의해 센싱된 상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 이용하여 상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계;
    상기 전력모듈의 열모델을 이용하여 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산하는 단계; 및
    상기 히트싱크의 온도와 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 이용하여 상기 전력모듈의 정션 온도를 계산하는 단계
    를 포함하는 정션 온도 측정 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계는,
    상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 상기 전력모듈의 전력손실 및 상기 전력모듈의 열저항을 계산하는 단계;
    상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 NTC 센서의 열저항을 계산하는 단계;
    냉각수 LPM(Liter Per Minute)에 따라서 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 선택하는 단계; 및
    상기 전력모듈의 전력손실, 상기 NTC 센서의 열저항 및 상기 NTC 센서의 열저항 보상치를 이용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 정션 온도 측정 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계는,
    상기 전력모듈의 전력손실과 상기 NTC 센서의 열저항의 곱에 상기 열저항 보상치를 적용하여 제1 값을 산출하는 단계; 그리고
    상기 제1 값에 상기 NTC 센서의 열 임피던스를 적용하여 상기 NTC 센서의 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 정션 온도 측정 방법.
  15. 제12항에서,
    상기 히트싱크의 온도를 예측하는 단계는,
    상기 전력모듈의 온도와 상기 NTC 센서의 온도 변화량과의 차이에 상기 히트싱크 내 냉각수의 임피던스를 적용하여 상기 히트싱크 온도를 계산하는 단계를 포함하는 정션 온도 측정 방법.
  16. 제12항에서,
    상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산하는 단계는,
    상기 전력모듈의 구동에 따라 상기 적어도 하나의 스위칭 소자에서 발생하는 전력 손실을 토대로 계산되는 상기 전력모듈의 전력손실과 상기 전력모듈의 열저항을 이용하여 상기 전력모듈의 정션 온도 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 정션 온도 측정 방법.
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