WO2023128737A1 - 전력변환장치 - Google Patents

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WO2023128737A1
WO2023128737A1 PCT/KR2023/000108 KR2023000108W WO2023128737A1 WO 2023128737 A1 WO2023128737 A1 WO 2023128737A1 KR 2023000108 W KR2023000108 W KR 2023000108W WO 2023128737 A1 WO2023128737 A1 WO 2023128737A1
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junction temperature
switching element
voltage
power loss
temperature
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PCT/KR2023/000108
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하주형
김정준
방지원
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엘지이노텍 주식회사
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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/68—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive based on the temperature of a drive component or a semiconductor component

Definitions

  • the present invention relates to a power converter, and more particularly, to a junction temperature estimator and method for estimating junction temperature in real time using power loss of the power converter, and a junction temperature estimation method using outputs of a switching element and a temperature sensor.
  • the present invention relates to an overcurrent protection device and method that are robust against changes, and a motor control device and motor control method capable of detecting mutual faults and optimally operating a motor using a MOSFET and a current detection component.
  • An inverter for driving a three-phase electric motor for a vehicle uses a 3-phase FET in the inverter. Since the 3-phase FET of the vehicle inverter has a large current, a lot of heat is generated at the junction, and there is a risk of burnout of the FET element. To prevent this, the junction temperature is estimated by using the temperature sensor NTC located close to the 3-phase FET. When estimating the junction temperature using the NTC, there is a distance between the NTC and the junction, so it takes time for heat to be transferred from the junction to the NTC, so there is a problem in that there is a risk of device burnout because the instantaneous temperature change cannot be detected. .
  • a shunt resistor may be used. In the case of using the shunt resistor, since an additional configuration separate from the existing configuration is applied, there is a problem in that the design becomes complicated and the cost increases.
  • a technology capable of detecting and blocking overcurrent without using a shunt resistor is needed.
  • a device that drives a BLDC motor (Brush-Less Direct Current motor) (hereinafter referred to as “motor drive device”) measures the position of the rotor through a sensor built into the BLDC motor (hereinafter referred to as “motor”). and supplies a 3-phase AC signal to the 3-phase stator winding of the BLDC motor based on the position of the rotor.
  • a MOSFET and a current detection component are essentially used.
  • the driving limit of the MOSFET is that the output is limited according to the temperature of the junction. It is not directly measurable, and there is a MOSFET that can be directly measured, but it is expensive, so it is difficult to apply to actual products.
  • the technical problem to be solved by the present invention is a junction temperature estimating device and a junction temperature estimating method for estimating the junction temperature in real time using the power loss of the power conversion device, and a robust to temperature change using the output of a switching element and a temperature sensor.
  • An overcurrent protection device and overcurrent protection method, and a motor control device and motor control method capable of detecting mutual faults and optimally operating a motor using MOSFETs and current detection components.
  • the junction temperature estimating device includes a power loss calculation unit receiving voltage and current of a switching element and calculating power loss; and a junction temperature calculating unit configured to calculate a junction temperature from the calculated power loss, wherein the junction temperature calculating unit transmits the calculated junction temperature as a feedback junction temperature to the power loss calculating unit, and the power loss calculating unit comprises: A current power loss is calculated using the feedback junction temperature.
  • the switching element is a switching element included in the power conversion unit
  • the power loss calculation unit may calculate the current power loss by using the outdoor temperature of the power conversion unit as an initial junction temperature.
  • the power loss may include a conduction loss and a switching loss of the switching element.
  • the conduction loss and the switching loss may be calculated using a data sheet for the switching element.
  • the switching element may be a switching element included in the power conversion unit, and the junction temperature calculator may transmit the calculated junction temperature to the power conversion unit.
  • the junction temperature calculator may calculate the junction temperature using the power loss, outdoor temperature, thermal resistance, and thermal capacitance.
  • the junction temperature calculation unit uses a thermal model that takes the power loss as an input and uses a value of a node connected to the power loss, the thermal resistance, and the thermal capacitance as a value of the junction temperature,
  • the ground of the thermal resistance may be the outdoor temperature.
  • calculating the power loss by receiving the voltage and current of the switching element according to the first embodiment of the present invention; and calculating a junction temperature from the calculated power loss, wherein the calculating of the power loss calculates a current power loss by using the calculated junction temperature as a feedback junction temperature.
  • the current power loss may be calculated by using the outdoor temperature of the power conversion unit including the switching element as an initial junction temperature.
  • conduction loss and switching loss of the switching element may be calculated.
  • the method may also include transmitting the calculated junction temperature to a power conversion unit including the switching element.
  • the junction temperature may be calculated using the power loss, outdoor temperature, thermal resistance, and thermal capacitance.
  • the step of calculating the junction temperature uses a thermal model that takes the power loss as an input and a value of a node connected to the power loss, the thermal resistance, and the thermal capacitance as the value of the junction temperature.
  • the ground of the thermal resistance may be the external temperature.
  • an overcurrent protection device includes an input unit for receiving a first voltage that is a voltage of both ends of a switching element and a second voltage that is an output of a temperature sensor; and a control unit sensing an overcurrent using the first voltage and the second voltage, wherein the temperature sensor is adjacent to the switching element.
  • the first voltage may be a drain-source voltage of the switching element.
  • control unit linearizes the first voltage, generates a third voltage constant to temperature change using the linearized first voltage and the second voltage, and detects an overcurrent using the third voltage.
  • control unit may generate the third voltage by multiplying the linearized first voltage by a first value and then adding the second voltage.
  • control unit may linearize the first voltage by linearizing a variation amount of the drain-source resistance of the switching element according to temperature.
  • the first voltage may be linearized within a linearization period.
  • the linearization section may include a section of -40 degrees to 125 degrees.
  • an amplifier for amplifying the voltage across the switching element may be included.
  • the switching element may be an FET
  • the temperature sensor may be an NTC sensor
  • the switching element may be disposed at an input terminal.
  • control unit may turn off the switching element when the overcurrent is sensed.
  • an overcurrent protection device includes one FET; an OP-amp receiving both ends of the drain and source of the FET; an NTC sensor adjacent to the FET; and a control unit receiving the output of the OP-amp and the output of the NTC sensor and controlling the FET.
  • an overcurrent protection method includes receiving a first voltage that is a voltage across a switching element and a second voltage that is an output of a temperature sensor; linearizing the first voltage and multiplying it by a first value; generating a third voltage by summing the linearized first voltage multiplied by the first value with a second voltage; and detecting an overcurrent using the third voltage.
  • the method may also include turning off the switching element when the overcurrent is detected.
  • a motor control device for detecting a voltage across the first switching element of the power conversion unit; a second voltage detector detecting a voltage across the second switching element of the input terminal; a current detector for detecting a current of an output terminal; and a controller configured to determine a failure or generate a control signal using outputs of the first voltage detector, the second voltage detector, and the current detector.
  • control unit may calculate a drain-source resistance from an output of the first voltage detection unit or the second voltage detection unit and an output of the current detection unit, and may calculate a junction temperature from the drain-source resistance.
  • control unit may determine an over-temperature failure using the junction temperature.
  • control unit may control the first switching element using the junction temperature.
  • control unit may determine whether the gate signal is out of order by using an output of the first voltage detection unit or the second voltage detection unit.
  • control unit may convert outputs of the first voltage detection unit and the second voltage detection unit into current, and compare the converted current with the output of the current detection unit to determine whether there is a failure.
  • control unit may determine which component among the first switching element, the second switching element, and the current detection unit has a failure through mutual comparison of currents.
  • the second switching element may include at least one of an N-MOSFET, a P-MOSFET, and a Back-to-Back FET.
  • the current detector may include at least one of a current sensor, a first shunt resistor disposed at each output terminal, and a second shunt resistor disposed at an integrated output terminal.
  • it may include an amplifier for amplifying the voltage of both ends of the first switching element or the voltage of both ends of the second switching element.
  • a motor control method detects the voltage across the first switching element of the power conversion unit, detects the voltage across the second switching element of the input terminal, and the current of the output terminal. detecting; determining whether there is a failure using the voltage across the first switching element, the voltage across the second switching element, and the current at the output terminal; and controlling the motor using a voltage across the first switching element, a voltage across the second switching element, and a current at the output terminal.
  • calculating the drain-source resistance from the voltage across the first switching element or the voltage across the second switching element and the current of the output terminal; and calculating a junction temperature from the drain-source resistance, wherein the determining whether or not there is a failure determines an over-temperature failure using the junction temperature, and the controlling the motor comprises: It is possible to control the motor by controlling the first switching element.
  • an accurate maximum value can be estimated by estimating the junction temperature value of the FET with real-time power consumption, and through this, it is possible to reduce cost by preventing FET overdesign.
  • the NTC used to estimate the FET junction temperature can be removed, cost can be reduced.
  • Power loss and junction temperature are factors that affect each other, and since these two values are calculated by receiving feedback in real time, it is possible to estimate the junction temperature more accurately.
  • safety operations such as derating operation are possible to prevent device burnout, and power loss can also be estimated in real time, so high efficiency control to reduce loss is possible.
  • a new overcurrent circuit configuration that replaces a shunt resistor is possible without additional cost.
  • a new type of functional safety can be implemented by combining products with two opposite characteristics.
  • three components are detected and compared in real time, so it is possible to determine which component is out of order.
  • it can be applied regardless of current detection parts (current sensor, shunt resistance), and DC MOSFET is applied regardless of P-MOSFET (DC Switch), N-MOFSET (reverse connection protection), or Back-to-Back It is possible, and it is possible to directly check the failure of the current detection component and MOSFET.
  • the junction temperature of the MOSFET can be known, an over-temperature failure can be detected, and it can be used up to the optimum operating point considering the SOA.
  • FIG. 1 is a block diagram of a junction temperature estimating device according to a first embodiment of the present invention.
  • 2 to 5 are views for explaining a process of estimating a junction temperature according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart of a junction temperature estimating method according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart of a junction temperature estimating method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram of an overcurrent protection device according to a second embodiment of the present invention.
  • 9 to 14 are views for explaining an overcurrent protection process according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a block diagram of an overcurrent protection device according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a flowchart of an overcurrent protection method according to a second embodiment of the present invention.
  • 17 is a flowchart of an overcurrent protection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a block diagram of a motor control device according to a third embodiment of the present invention.
  • 19 to 27 are views for explaining a motor control device according to an embodiment of the present invention.
  • 29 is a flowchart of a motor control method according to an embodiment of the present invention.
  • the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in a variety of different forms, and if it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components among the embodiments can be selectively implemented. can be used in combination or substitution.
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when described as "at least one (or more than one) of A and (and) B and C", A, B, and C are combined. may include one or more of all possible combinations.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the term is not limited to the nature, order, or order of the corresponding component.
  • a component when a component is described as being 'connected', 'coupled', or 'connected' to another component, the component is directly 'connected', 'coupled', or 'connected' to the other component. In addition to the case, it may include cases where the component is 'connected', 'combined', or 'connected' due to another component between the component and the other component.
  • Modifications according to this embodiment may include some configurations of each embodiment and some configurations of other embodiments. That is, the modified example may include one embodiment among various embodiments, but some components may be omitted and some configurations of other corresponding embodiments may be included. Alternatively, the opposite may be true.
  • Features, structures, effects, etc. to be described in the embodiments are included in at least one embodiment, and are not necessarily limited to only one embodiment.
  • the features, structures, and effects illustrated in each embodiment can be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art in the field to which the embodiments belong. Therefore, contents related to these combinations and variations should be interpreted as being included in the scope of the embodiments.
  • FIG. 1 is a block diagram of a junction temperature estimating device according to a first embodiment of the present invention.
  • Junction temperature estimating device 100 is composed of a power loss calculation unit 110 and a junction temperature calculation unit 120, a voltage measurement unit (not shown), a current measurement unit (not shown) ), and a storage unit (not shown).
  • the power loss calculation unit 110 receives the voltage and current of the switching element 210 and calculates the power loss.
  • the voltage and current of the switching element 210 for which the junction temperature is to be estimated are received, and power loss in the switching element 210 is calculated using the received voltage and current.
  • the voltage and current of the switching element 210 are the voltage and current input to the switching element 210, and may be measured through a voltage measuring unit or a current measuring unit located at the front or rear of the switching element 210, and the input/output unit Through this, it can be input to the power loss calculation unit 110.
  • the voltage of the switching element 210 may be an extreme voltage, and the current may be a phase current.
  • the switching element 210 serves to connect or disconnect the input terminal and the output terminal, but power loss may occur due to an internal configuration.
  • the accuracy of estimating the junction temperature can be increased by calculating the power loss generated in the switching element 210 and using it to estimate the junction temperature.
  • the switching element 210 may be one of switching elements included in the power conversion unit 200 .
  • the power conversion unit 200 may be a power conversion unit that receives power from the power supply unit 300 and converts it into power suitable for the motor 400, as shown in FIG. 2, and the power conversion unit 200 may be an inverter or a converter. there is.
  • the power converter 200 may include a plurality of switching elements that are complementary to each other.
  • the switching element may constitute a half-bridge (H-bridge) or full-bridge (F-bridge) circuit. As shown in FIG. 3 , when the motor 400 is a 3-phase motor, it may include a 3-phase FET having 3 phases.
  • the DC voltage may be received from the power supply unit 300 and converted into U, V, and W three-phase signals and then input to the motor 400 .
  • the junction temperature estimating apparatus 100 may estimate the junction temperature using the voltage and current of at least one switching element 210 among the switching elements of the power conversion unit 200 .
  • the power loss calculated by the power loss calculation unit 110 may include a conduction loss and a switching loss. Power loss can be calculated as:
  • P_tot is the total power loss
  • P_cond is the conduction loss
  • P_sw is the switching loss.
  • the conduction loss of the switching element 210 is a power loss when the switching element 210 is turned on and current flows
  • the switching loss is a power loss when the switching element 210 is turned on or turned off. Power loss of the switching element 210 may be affected by input voltage, current, and junction temperature.
  • the switching device 210 may be an FET device, and a voltage difference between a drain and a source of the FET device is generated.
  • the conduction loss can be calculated using Vds, which is the voltage between the drain and the source, and Id, which is the current of the switching element 210.
  • the conduction loss can be calculated as follows.
  • the conduction loss may vary depending on the characteristics of the switching element 210 .
  • Vds of the switching element 210 may be different for each switching element, and Vds may vary according to the current Id flowing through the switching element 210 or the junction temperature.
  • the conduction loss may be calculated using a method of measuring Vds of each switching element 210 or using a data sheet stored for each switching element 210 .
  • a data sheet of the switching element 210 may include a data sheet showing a relationship between Id and Vds according to junction temperature.
  • the corresponding datasheet may be in the form of a graph or in a variety of formats, such as a data table format.
  • a corresponding datasheet may be provided from a manufacturer that manufactures the switching element 210 and stored in the storage unit.
  • the power loss calculation unit 110 may read Vds by referring to a data sheet stored in the storage unit. Id used to read Vds is input through measurement, and the junction temperature calculated by the junction temperature calculator 120 described later may be used as the junction temperature.
  • the external temperature of the power converter 200 where the switching element 210 is located can be used to read Vds.
  • Vds can be read from the data sheet using the voltage, current, and junction temperature of the switching element 210, and conduction loss can be calculated using Vds and Id.
  • Switching loss is a loss that occurs when the switching element 210 is turned on or off, and is calculated by comparing power before and after turning on or turned off, or switching loss is calculated using a data sheet stored for each switching element 210. can be calculated
  • a data sheet of the switching element 210 may include a data sheet including power loss at turn-on and power loss at turn-off according to junction temperature.
  • the corresponding datasheet may be in the form of a graph or in a variety of formats, such as a data table format.
  • a corresponding datasheet may be provided from a manufacturer that manufactures the switching element 210 and stored in the storage unit.
  • the power loss calculation unit 110 may read power loss at turn-on or turn-off according to junction temperature, voltage, and current with reference to a data sheet stored in the storage unit. The voltage and current are input through measurement, and the junction temperature calculated by the junction temperature calculator 120 to be described later may be used as the junction temperature.
  • the power loss may be read using the outside temperature of the power conversion unit 200 located in the switching element 210 .
  • Switching loss may be calculated by reading the turn-on power loss and the turn-off power loss and summing them.
  • Total power loss may be calculated by summing the read or calculated conduction loss and switching loss.
  • Power loss of the switching element 210 may be calculated through the process of FIG. 4 .
  • the switching element 210 may be an FET, and may receive voltage and current of the switching element 210 as an input 401 and receive a junction temperature as an input 402 .
  • the junction temperature may initially be an outdoor temperature, and later may be a junction temperature calculated by the junction temperature calculation unit 120 and fed back.
  • Vds is read from the data sheet using the voltage, current, and junction temperature of the switching element 210 (403), and the conduction loss (P_cond) is calculated by multiplying the read Vds and Id (404) can do.
  • the switching loss at turn-on (P_swon) is read 405 from the turn-on datasheet using the voltage, current, and junction temperature of the switching element 210, and switching loss at turn-off (P_swoff) is calculated from the turn-off datasheet.
  • switching loss (P_sw) is calculated (407) by summing.
  • the final power loss (P_tot) is calculated (409) by adding the conduction loss and the switching loss (408).
  • the junction temperature calculator 120 calculates the junction temperature from the calculated power loss.
  • the junction temperature calculator 120 calculates the junction temperature using the power loss calculated by the power loss calculator 110 .
  • the junction temperature calculating unit 120 may increase the accuracy of calculating the junction temperature by using a relationship between power loss and junction temperature.
  • the junction temperature calculation unit 120 may calculate the junction temperature using the power loss, outdoor temperature, thermal resistance, and thermal capacitance. By using the relationship between power loss, outdoor temperature, thermal resistance, and thermal capacitance, a thermal model with power loss as input and junction temperature as output is created, and the junction temperature is calculated from the power loss using the thermal model. can
  • the junction temperature calculation unit 120 uses a thermal model that takes the power loss as an input and a value of a node connected to the power loss, the thermal resistance, and the thermal capacitance as the value of the junction temperature,
  • the ground of the thermal resistance may be the outdoor temperature.
  • the thermal resistance and thermal capacitance can be calculated using a data sheet or using a separate calculation method. Thermal resistance and thermal capacitance can be calculated using the following equation.
  • a thermal model may be created as shown in FIG. 5 .
  • the power loss (P_tot) is taken as an input, the value of the node connected to the thermal resistance (Rth(j-a), 502) and the thermal capacitance (Cth(j-a), 503) is the junction temperature (Tj, 501), and the thermal resistance
  • the ground of (Rth(j-a), 502) can be set to the outside temperature (Ta, 504). In this way, the junction temperature can be accurately calculated from the power loss using the set thermal model.
  • the junction temperature calculation unit 120 transmits the calculated junction temperature as a feedback junction temperature to the power loss calculation unit 110, and the power loss calculation unit 110 uses the feedback junction temperature to provide current power. Calculate loss. As described above, the junction temperature is required for the power loss calculation unit 110 to accurately calculate the power loss. Before the junction temperature calculation unit 120 calculates the junction temperature from the power loss calculated by the power loss calculation unit 110 and feeds it back, the outdoor temperature of the power conversion unit including the switching element 210 is used as the initial junction temperature. to calculate the current power loss, and after the junction temperature calculation unit 120 calculates the junction temperature, the power loss calculation unit 110 can calculate the power loss by receiving an accurate junction temperature instead of the outdoor temperature as feedback. The power loss calculating unit 110 and the junction temperature calculating unit 120 may accurately calculate the junction temperature through feedback for transmitting and receiving mutually calculated information.
  • junction temperature By accurately calculating the junction temperature, there is no need to set the switching element 210 to an excessively high specification, and thus cost can be reduced. In addition, since a temperature sensor such as an NTC, which must be separately disposed to calculate the junction temperature of the switching element 210, is not required, cost can be reduced.
  • the switching element 210 may be a switching element included in the power conversion unit 200, and the junction temperature calculator 120 may transmit the calculated junction temperature to the power conversion unit.
  • the switching element 210 may be the switching element 210 included in the power conversion unit 200 that converts power, and in order to prevent the switching element 210 from being burned according to the junction temperature,
  • the junction temperature may be transmitted to the power converter 200 .
  • the power conversion unit 200 receives the junction temperature, and when the junction temperature is higher than the temperature at which the switching element 210 is at risk of burnout, the power conversion unit 200 may enable safety driving such as derating operation or stop to lower the rated output.
  • the power loss calculated by the power loss calculation unit 110 may also be transmitted to the power conversion unit 200 .
  • the power loss calculation unit 110 may transmit the power loss to the power conversion unit 200 , or the junction temperature calculation unit 120 receiving the power loss may transmit the power loss to the power conversion unit 200 .
  • the power conversion unit 200 may receive power loss and perform high-efficiency control to reduce loss.
  • FIG. 6 is a flowchart of a junction temperature estimating method according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a flowchart of a junction temperature estimating method according to an embodiment of the present invention.
  • the detailed description of each step of FIGS. 6 and 7 corresponds to the detailed description of the junction temperature estimating device of FIGS. 1 to 5, and thus, duplicate descriptions will be omitted.
  • step S11 the voltage and current of the switching element are received to calculate power loss, and in step S12, the junction temperature is calculated from the calculated power loss.
  • step S11 of calculating power loss calculates current power loss by using the junction temperature calculated in step S12 as a feedback junction temperature.
  • the current power loss may be calculated using the outdoor temperature of the power conversion unit including the switching element as an initial junction temperature.
  • the conduction loss and switching loss of the switching element may be calculated.
  • the junction temperature may be calculated using the power loss, outdoor temperature, thermal resistance, and thermal capacitance.
  • a thermal model using the power loss as an input and using a value of a node connected to the power loss, the thermal resistance, and the thermal capacitance as the value of the junction temperature is used, and the ground of the thermal resistance is the outside temperature
  • the junction temperature can be calculated using
  • the junction temperature calculated in step S21 may be transmitted to the power converter including the switching element.
  • the power loss is calculated, and the junction temperature is calculated using this, but the accurate maximum value of the junction temperature of the FET can be estimated by calculating the power loss through feedback, thereby reducing the cost by preventing FET overdesign. This is possible.
  • the NTC used to estimate the FET junction temperature can be removed, cost can be reduced.
  • Power loss and junction temperature are factors that affect each other, and since these two values are calculated by receiving feedback in real time, it is possible to estimate the junction temperature more accurately.
  • safety operations such as derating operation are possible to prevent device burnout, and power loss can also be estimated in real time, so high efficiency control to reduce loss is possible.
  • FIG. 8 is a block diagram of an overcurrent protection device according to a second embodiment of the present invention.
  • the overcurrent protection device 1110 is composed of an input unit 1111 and a control unit 1112, a switching element 1120, a temperature sensor 1130, an amplifier 1140, and a second switching element (1122) and the like.
  • the input unit 1111 receives a first voltage that is a voltage of both ends of the switching element 1120 and a second voltage that is an output of the temperature sensor 1130 .
  • the input unit 1111 receives a first voltage, which is a voltage across both ends of the switching element 1120, and a second voltage, which is an output of the temperature sensor 1130, necessary to detect an overcurrent.
  • the switching element 1120 may be a switching element disposed to detect and cut off overcurrent.
  • the switching device 1120 may be a semiconductor switching device such as FET or IGBT.
  • the switching element 1120 may be a switching element disposed at an input terminal of a switching unit of a power conversion device that receives and converts power. Alternatively, it may be one of the switches constituting the switching unit.
  • the switching unit may convert the first power into the second power and convert the DC power into AC power.
  • the switching unit may include an upper switch and a lower switch that are complementary to each other.
  • the switching unit may be a half-bridge (H-bridge) or full-bridge circuit, and may be composed of a B6 bridge circuit that outputs three-phase AC power.
  • the switching element 1120 may be one of the switches constituting the bridge circuit.
  • the first voltage which is the voltage between both ends of the switching element 1120 , may be a drain-source voltage of the switching element 1120 .
  • the switching element 1120 may be an FET, and since a current flowing through the switching element 1120 flows between a drain and a source, the drain-source voltage may be input as the first voltage.
  • the temperature sensor 1130 may be a temperature sensor adjacent to the switching element 1120 .
  • the temperature sensor 1130 may be disposed adjacent to the switching element 1120 to detect a temperature corresponding to a temperature affecting a change in internal resistance of the switching element 1120 .
  • the temperature sensor 1130 may be disposed adjacent to the switching element 1120 such that a difference between the temperature of the switching element 1120 and the temperature of the temperature sensor 1130 is less than or equal to a threshold value.
  • the temperature sensor 1130 may contact the switching element 1120 or contact it through a conductor that transmits temperature.
  • the input unit 1111 receives an output according to the temperature detected by the temperature sensor 1130 .
  • the temperature sensor 1130 may be an NTC sensor.
  • An NTC (Negative Temperature Coefficient) sensor is a temperature sensor that uses a negative temperature coefficient whose resistance value rapidly decreases with respect to temperature rise when a certain temperature is reached.
  • the material of a thermistor using NTC is Mn-Co- Ni-based, SiC-based, Cr2O3-based, oxide-based, and V2O5 CTR (Critical Temperature Resistor) may be included.
  • various temperature sensors such as PTC sensors and CTR sensors can be used.
  • the controller 1112 detects overcurrent using the first voltage and the second voltage.
  • the current flowing through the switching element 1120 corresponds to the current flowing through the entire circuit, and the control unit 1112 may determine the overcurrent using the current flowing through the switching element 1120 .
  • the voltage across the switching element 1120 is a value due to the current flowing through the switching element 1120 and the turn-on resistance, which is internal resistance, and the control unit 1112 receives the first voltage, which is the voltage across the switching element 1120, and the switching element
  • the current flowing through 1120 can be sensed. That is, the current can be sensed using the potential difference between the voltages of both ends of the switching element 1120, and the first voltage, which is the voltage of both ends of the switching element 1120, is input.
  • the internal resistance Rds(on) which is a turn-on resistance
  • the resistance value may vary from about 0.7 to 1.9 m ⁇ as the temperature changes from -60 to 180 degrees.
  • An error of about ⁇ 50 % may occur based on 1.2 m ⁇ . This means that when the control unit 1112 uses only the first voltage and the internal resistance value of the switching element 1120, the error of the current calculated accordingly is ⁇ 50%, the error in overcurrent detection increases, and the overcurrent is blocked It is difficult to perform an overcurrent protection operation to
  • the controller 1112 does not use the first voltage as it is, but uses the second voltage as well.
  • the second voltage which is an output of the temperature sensor 1130, may have a characteristic opposite to a change in internal resistance of the switching element 1120 according to a change in temperature. That is, the output of the temperature sensor 1130 may have a characteristic that the voltage decreases as the temperature increases.
  • the temperature sensor 1130 may be an NTC sensor, and since the resistance value of the NTC sensor decreases as the temperature increases, the output of the temperature sensor 1130, which is the voltage across the resistance, also decreases.
  • the output voltage of the temperature sensor 1130 may vary from about 3.5 to about 0.5 V as the temperature varies from -50 to 150 degrees. That is, it can be seen that the slope is opposite to that of FIG. 9 .
  • the control unit 1112 may cancel the slope of change according to temperature so as not to change according to temperature by using characteristics of the first voltage and the second voltage having opposite slopes according to temperature. By offsetting the slope, a factor robust to temperature change can be created and used for overcurrent detection.
  • the control unit 1112 may linearize the first voltage, generate a third voltage constant to temperature change using the linearized first voltage and the second voltage, and detect an overcurrent using the third voltage. there is.
  • the first voltage may be first linearized.
  • the first voltage may be linearized by linearizing a change amount of the drain-source resistance of the switching element according to temperature. It can be linearized with a one-dimensional equation connecting the minimum and maximum values within the interval to be linearized.
  • the linearization period may be set to the temperature of a use area in which a device using the switching element 1120 is to be driven.
  • a linearization period may be set according to specifications of a switching element or a device to be protected from overcurrent or may be set by a user.
  • the linearization section may include a section of -40 degrees to 125 degrees.
  • linearization may be performed in a linearization section having linearity within a critical range.
  • the critical range may be set through an error range.
  • the linearization section may include a section of -40 degrees to 125 degrees.
  • a section in which an error due to linearization is less than or equal to a threshold value may be set as a linearization section 1410 .
  • the control unit 1112 may generate the third voltage by multiplying the linearized first voltage by a first value and then adding the second voltage. After linearizing the first voltage, the first voltage may be multiplied by the first value so that the first voltage becomes 0 when the second voltage is added to make the slope 0 by adding the second voltage. When the absolute values of the slope of the first voltage and the slope of the second voltage are the same and only the slope is opposite, the first value may not be multiplied or the first value may be 1. When the absolute value of the slope of the first voltage and the slope of the second voltage are different, the first voltage may be multiplied by a first value other than 1 and then added to the second voltage to make the slope zero. In this case, the slope is 0, and only the sum of the respective constants becomes the third voltage.
  • the first voltage may be first multiplied by the first value, then linearized, and then combined with the second voltage to generate the third voltage. Since the voltage across the switching element 1120 is very small, an amplifier 1140 that amplifies the voltage across the switching element 1120 may be included.
  • the amplifier 1140 may be an OP-amp.
  • the amplifier 1140 amplifies the potential difference between both ends. In this case, the amplifier 1140 may amplify the first voltage by the first value when amplifying the first voltage.
  • the first voltage amplified by the first value by the amplifier 1140 may be added to the second voltage to generate a third voltage.
  • the slope may be made 0 by multiplying the first voltage by the first value and by multiplying the second voltage by the second value.
  • the third voltage may be generated with a desired value.
  • the first value or the second value may be set differently according to the third voltage to be implemented.
  • a process of generating the third voltage using the first voltage and the second voltage may be implemented as shown in FIG. 13 .
  • the first voltage and the second voltage are received as inputs (610, 620), the first voltage is linearized (610), multiplied by the first value (630), and then combined with the second voltage to generate a third voltage constant with temperature change. (640) can. If the first voltage is linearized, it can be linearized as follows.
  • the second voltage may be as follows.
  • the slope of the first voltage may be multiplied by the first value to correspond to the slope of the second voltage as follows.
  • the first value can be multiplied by 22 times the amplifier gain value at 122A.
  • a third voltage of about 5 V may be generated by adding the first voltage and the second voltage that are linearized and multiplied by the first value as follows.
  • Overcurrent can be sensed by detecting the current using the internal resistance of the switching element 1120 at this time by operating at the third voltage maintained at 5 V according to the temperature change through the first voltage and the second voltage.
  • the controller 1112 may turn off the switching element 1120 when overcurrent is detected. By turning off the switching element 1120 and cutting off power, the switching element 1120 and internal components may be protected from overcurrent. In this case, the control unit 1112 may block the overcurrent by turning off the switching element 1120 by blocking the gate voltage applied to the switching element 1120 .
  • the control unit 1112 may turn off the second switching element 1122 to block overcurrent.
  • the switching element 1120 that detects the first voltage may be the first switching element 1121, and the control unit 1112 turns off the second switching element 1122 when overcurrent is detected to prevent the overcurrent.
  • the first switching element 1121 may be one of the switching elements included in the switching unit of the power conversion device
  • the second switching element 1122 may be a switching element disposed at an input terminal.
  • Overcurrent is detected using the first voltage, which is the voltage at both ends of the first switching element 1121 located in the power converter, and the second voltage, which is the output value of the temperature sensor adjacent to the first switching element 1121.
  • the overcurrent is detected, the entire circuit can be protected from overcurrent by turning off the second switching element 1122 located at the input terminal.
  • An overcurrent protection device may include a FET 1810, an OP-AMP 1820, an NTC sensor 1830, and a controller 1840.
  • An overcurrent protection device includes one FET 1810, an OP-AMP 1820 receiving both ends of the drain and source of the FET 1810, an NTC sensor 1830 adjacent to the FET 1810, and A control unit 1840 receiving the output of the OP-AMP 1820 and the output of the NTC sensor 1830 and controlling the FET 1810 may be included.
  • a detailed description corresponding to each component of the overcurrent protection device according to the embodiment of FIG. 15 corresponds to the detailed description of the overcurrent protection device of FIGS. 8 to 14, and thus duplicated descriptions will be omitted.
  • FIG. 16 is a flowchart of an overcurrent protection method according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a flowchart of an overcurrent protection method according to an embodiment of the present invention.
  • the detailed description of each step of FIGS. 16 and 17 corresponds to the detailed description of the overcurrent protection device of FIGS. 8 to 15, and thus, duplicate descriptions will be omitted.
  • step S1011 the first voltage, which is the voltage across the switching element, and the second voltage, which is the output of the temperature sensor, are input, and in step S1012, the first voltage is linearized and multiplied by the first value, and in step S1013, the A third voltage is generated by adding the first voltage that has been linearized and multiplied by the first value to the second voltage, and the overcurrent is sensed using the third voltage in step S1014.
  • the switching element may be turned off in step S1021.
  • FIG. 18 is a block diagram of a motor control device according to a third embodiment of the present invention.
  • a motor control device 2100 includes a first voltage detection unit 2110, a second voltage detection unit 2120, a current detection unit 2130, and a control unit 2140, and a power conversion unit.
  • the first switching element 2211 of 2210 and the second switching element 2221 of input terminal 2220 may be included.
  • the first voltage detection unit 2110 detects a voltage across the first switching element 2211 of the power conversion unit 2210 .
  • the power converter 2210 converts power input through the input terminal 2220 into driving power for driving the motor 2230 and may include a first switching element 2211 .
  • the power conversion unit 2210 may be a converter and may convert DC power to AC power.
  • the power conversion unit 2210 may include an upper switch and a lower switch that are complementary to each other, may be configured as a half bridge or full bridge circuit, and may be configured as a B6 bridge circuit.
  • the first switching element 2211 may include at least one switching element among the switching elements constituting the power conversion unit 2210 .
  • the first switching element 2211 may be a lower switching element.
  • the first switching element 2211 may be a semiconductor element such as FET or IGBT, or may be a MOSFET.
  • the first voltage detector 2110 may detect the voltage across the first switching element 2211, and the voltage across the first switching element 2211 may be a drain-source voltage.
  • the second voltage detector 2120 detects a voltage across the second switching element 2221 of the input terminal 2220 .
  • the second voltage detector 2120 may detect a voltage across the second switching element 2221 that connects or disconnects the power input to the input terminal 2220 to which power is input.
  • the second switching element 2221 may be a switching element connected to the input line of the input terminal 2220 to protect reverse voltage, and may block power input when a failure such as overcurrent occurs.
  • the second switching element may be a semiconductor element such as FET or IGBT, and may include at least one of N-MOSFET, P-MOSFET, and Back-to-Back FET.
  • the Back-to-Back FET is a switching element in which an N-MOSFET and a P-MOSFET are connected in series.
  • the second voltage detector 2120 may detect a voltage across the second switching element 2221 , and the voltage across the second switching element 2221 may be a drain-source voltage.
  • the current detection unit 2130 detects the current of the output terminal.
  • the current detector 2130 detects the current input to the input terminal 2220, converted in the power conversion unit 2210, supplied as driving power for the motor 2230, and output to the output terminal through the power conversion unit 2210.
  • the current detector 2130 may include at least one of a current sensor, a first shunt resistor disposed at each output terminal, and a second shunt resistor disposed at an integrated output terminal.
  • the current detector 2130 is implemented as a current sensor, and can measure the current transmitted from the first switching element 2211 to the motor 2230, and can also measure the current at various locations where the current flows.
  • a first shunt resistor connected to the output terminals of the lower switches of the power converter 2210 may be included, or a second shunt resistor connected to an integrated output terminal to which the output terminals of the plurality of lower switches are connected.
  • a potential difference between both ends of the shunt resistor can be detected and divided by the shunt resistor to detect a current.
  • the first switching element 2211 , the second switching element 2221 , and the current detector 2130 may be included in the motor control device 2100 as shown in FIG. 19 .
  • the power conversion unit 2210 may be composed of a B6 bridge circuit, and the first switching element 2211 may be at least one of the lower switches or three lower switches.
  • the second switching element 2221 may be a switch connected to a DC input terminal, and the current detector 2130 may be a shunt resistor connected to an output terminal.
  • the controller 2140 determines whether there is a failure or generates a control signal using outputs of the first voltage detector 2110, the second voltage detector 2120, and the current detector 2130.
  • the control unit 2140 receives the outputs of the first voltage detection unit 2110, the second voltage detection unit 2120, and the current detection unit 2130, and can determine whether or not a failure has occurred or which part has a failure, and operates normally. In this case, a control signal for controlling the motor 2230 may be generated using each output.
  • the control unit 2140 converts the outputs of the first voltage detection unit 2110, the second voltage detection unit 2120, and the current detection unit 2130 into a value necessary for determining a failure and detects a failure through mutual comparison. .
  • the control unit 2140 converts the voltage detected by the first voltage detection unit 2110 and the second voltage detection unit 2120 into current and compares the current detected by the current detection element 2130 to determine whether a failure has occurred.
  • the current flowing in the input terminal and the current flowing in the output terminal must be the same, which must be equal to the sum of the currents flowing in each lower switch.
  • the control unit 2140 uses the outputs of the first voltage detection unit 2110, the second voltage detection unit 2120, and the current detection unit 2130 to determine whether the current flowing at each location is the same to detect a failure. can do.
  • the controller 2140 may receive outputs of the first voltage detector 2110, the second voltage detector 2120, and the current detector 2130 through the amplifier 2410. As shown in FIG. 21 , the voltages of both ends of the first switching element 2211 and the voltages of both ends of the second switching element 2221 may be input through the amplifier 2410 while detecting voltages at the drain and source terminals. Since the voltage across both ends of the first switching element 2211, the voltage between both ends of the second switching element 2221, or the voltage between both ends of the shunt resistor is small, it is difficult to detect the corresponding voltage value, so an amplifier is included to amplify the detected voltage. can do.
  • the amplifier may be an OP-Amp.
  • the amplified voltage may be analog-to-digital converted (ADC) in the controller 2140.
  • the controller 2140 may calculate the drain-source resistance from the output of the first voltage detector or the second voltage detector and the output of the current detector, and calculate a junction temperature from the drain-source resistance.
  • the first switching element 2211 or the second switching element 2221 may be a MOSFET, the voltage at both ends is V_DS voltage, and the phase current Is detected by the current detector 2130, which is a current sensor, is turned on as shown in FIG. 22.
  • Internal resistance R_DS(on), which is resistance, may be calculated (2510).
  • the junction temperature can be calculated using a data sheet, which is a resistance change table showing the relationship between internal resistance and temperature of each switching element.
  • the controller 2140 calculates the drain-source voltage, current, and junction temperature of each switching element from the outputs of the first voltage detector 2110, the second voltage detector 2120, and the current detector 2130. It can be compared with each other to determine whether there is a failure.
  • the controller 2140 may determine whether the gate signal is out of order using the drain-source voltage output of the first voltage detector or the second voltage detector.
  • the control unit 2140 applies a gate signal to each switching element to control the switching element. After applying the control signal, it may be determined whether the corresponding switching element operates normally using the detected drain-source voltage. When the drain-source voltage is not normally detected even though the gate signal is applied, a failure of the gate signal or the switching element may be detected. That is, as shown in FIG. 23, a failure of the gate signal or the MOSFET can be detected using the drain-source voltage (2610).
  • control unit 2140 converts the outputs of the first voltage detection unit 2110 and the second voltage detection unit 2120 into current, and compares the converted current with the output of the current detection unit to determine whether or not there is a failure.
  • a failure of the current detector or the switching element may be detected by comparing the current converted from the drain-source voltage with the current detected by the current detector 2130 .
  • a failure of the current detection component or the MOSFET may be detected using the drain-source voltage and current (2620).
  • the controller 2140 may detect an over-temperature failure of the switching element using the junction temperature.
  • the junction temperature affects the operation of the semiconductor switching element, and when the temperature is high, the switching element may be damaged.
  • the controller 2140 may determine an overtemperature failure using the junction temperature. As shown in FIG. 23 , an over-temperature failure of the MOSFET can be detected using the junction temperature (2630).
  • the controller 2140 can determine which component among the first switching element, the second switching element, and the current detection unit has a failure through mutual comparison of currents. It can be determined that a failure has occurred in a part corresponding to a different value among the values according to the three outputs. If the values according to the three outputs are all different, if there is a part capable of self-diagnosis among the corresponding parts, it can be determined that the failure has occurred in the other two different parts based on the corresponding part. For example, if there is a switching element that is determined to be in normal operation through the drain-source voltage, failure can be determined based on a value detected by the corresponding switching element.
  • the current detector 2130 is a current sensor that detects the phase current.
  • 2710, the three first shunt resistors 2720 disposed at each output stage, and the second shunt resistor 2730 disposed at the integrated output stage can be applied regardless of the component.
  • the second switching element 2221 can also be applied to any of the N-MOSFET 2810, P-MOSFET 2820, and Back-to-Back FET 2830 regardless of the component do.
  • the control unit 2140 determines whether or not there is a failure using the outputs of the first voltage detection unit 2110, the second voltage detection unit 2120, and the current detection unit 2130, and when a failure occurs, the second switching element 2221 can be turned off to protect the entire circuit. In addition, it is possible to determine a component with a failure and provide the corresponding information to a higher controller or a user so that the component with a failure can be replaced.
  • the control unit 2140 can calculate the junction temperature, and can control the power conversion unit 2210 using the junction temperature. That is, as shown in FIG. 26 , the first switching element 2211 may be controlled by deriving an optimal cloud point of the first switching element 2211 included in the power conversion unit 2210 . Since the junction temperature can be accurately known, it is possible to select an optimal MOSFET that can operate within the usage range according to the junction temperature, that is, a component that minimizes the design margin. In addition, as shown in FIG. 27 , optimum operation may be possible by deriving an optimal cloud point at which burnout does not occur in the MOSFET in consideration of specifications and characteristics 2010 of the MOSFET and limiting the operating range accordingly.
  • FIG. 28 is a flowchart of a motor control method according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 29 is a flowchart of a motor control method according to an embodiment of the present invention.
  • the detailed description of each step of FIGS. 28 and 29 corresponds to the detailed description of the motor control device of FIGS. 18 to 27, and thus, duplicate descriptions will be omitted.
  • the voltage across the first switching element of the power conversion unit is detected in step S2011, the voltage across the second switching element of the input terminal is detected, the current of the output terminal is detected, and the first switching is performed in step S2012.
  • the voltage across the device, the voltage across the second switching device, and the current of the output terminal are used to determine whether or not there is a failure, and in step S2013, the voltage across the first switching device, the voltage across the second switching device, and The motor is controlled using the current of the output terminal.
  • step S2021 the drain-source resistance is calculated from the voltage across the first switching element or the voltage across the second switching element and the current of the output terminal, and the junction temperature is calculated from the drain-source resistance in step S2022.
  • step S2013 controlling the motor by controlling the first switching element using the junction temperature can do.
  • Modifications according to the present embodiment may include some components of the first embodiment, some components of the second embodiment, and some components of the third embodiment together. That is, the modified example includes the first embodiment, but some components of the first embodiment may be omitted, and some components of the second embodiment or some components of the third embodiment may be included. Alternatively, the modified example may include the second embodiment, but some components of the second embodiment may be omitted, and some components of the first embodiment or some components of the third embodiment may be included. Alternatively, the modified example may include the third embodiment, but some components of the third embodiment may be omitted, and some components of the first embodiment or some components of the second embodiment may be included.
  • Computer-readable recording media include all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored.
  • Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, and optical data storage devices.
  • computer readable code can be stored and executed in a distributed manner.
  • functional programs, codes, and code segments for implementing the present invention can be easily inferred by programmers in the technical field to which the present invention belongs.

Landscapes

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Abstract

본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정장치는 스위칭 소자의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출하는 전력손실 산출부, 및 상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출하는 정션온도 산출부를 포함하고, 상기 정션온도 산출부는, 상기 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 상기 전력손실 산출부에 송신하고, 상기 전력손실 산출부는, 상기 피드백 정션온도를 이용하여 현재 전력손실을 산출한다.

Description

전력변환장치
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전력변환장치의 전력손실을 이용하여 실시간으로 정션온도를 추정하는 정션온도 추정장치 및 정션온도 추정방법, 스위칭 소자 및 온도센서의 출력을 이용하여 온도변화에 강인한 과전류 보호 장치 및 과전류 보호 방법, 및 MOSFET 및 전류 검출용 부품을 이용하여 상호 고장을 검출하고 모터에 대한 최적운전이 가능한 모터 제어 장치 및 모터 제어 방법에 관한 발명이다.
차량용 3상 전장모터 구동용 인버터는 인버터 내의 3-phase FET를 이용하는데, 차량용 인버터의 3-phase FET는 대전류가 흐르기 때문에, 졍선(Junction)에서 많은 열이 발생하여 FET 소자의 소손위험이 있다. 이를 방지하기 위해서 3-phase FET와 가까운 위치에 온도센서인 NTC를 사용하여 정션온도를 추정한다. NTC를 이용하여 정션온도를 추정하는 경우, NTC와 정션간의 거리가 있기 때문에 정션에서 NTC로 열이 전달되는데 시간이 걸리고, 따라서 순간적인 온도변화를 감지할 수 없어 소자의 소손위험이 있다는 문제점이 있다.
순간적인 온도변화에 따른 FET의 소손을 방지하고 정확한 온도값을 추정할 수 있는 기술이 필요하다.
또한, 차량용 인버터에 과전류가 발생하는 경우, FET 소자의 소손위험 등 문제가 발생할 수 있다. 이러한 과전류를 방지하기 위해 전류를 검출함에 있어서, 션트(shunt) 저항을 이용할 수 있다. 션트 저항을 이용하는 경우, 기존 구성과 별도의 추가적인 구성을 적용하는 것으로, 설계가 복잡해지고 비용이 증가하는 문제가 있다.
션트 저항을 이용하지 않고 과전류를 감지하고 차단할 수 있는 기술이 필요하다.
또한, BLDC 모터(Brush-Less Direct Current motor)를 구동하는 장치(이하, "모터구동장치"라 함)는 BLDC 모터(이하, "모터"라 함)에 내장된 센서를 통해 회전자의 위치를 감지하고, 회전자의 위치에 기초하여 BLDC 모터의 3상 고정자 권선에 3상 AC신호를 공급한다.
모터를 구동하기 위한 제어신호를 생성함에 있어서, 필수적으로 MOSFET과 전류 검출용 부품이 사용된다. MOSFET의 구동 제한은 Junction의 온도에 따라 출력이 제한되게 되는데 직접적으로 계측할 수 있는 것이 아니고 직접적으로 계측할 수 있는 MOSFET이 있지만 고가이기 때문에 실제 제품에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. MOSFET에 발생하는 손실을 기반으로 Junction온도를 예측하는 기법이 있으나 기준이 되는 온도 센서와 junction간의 열 임피던스를 실험적으로 구하여야 한다는 단점이 있어 제품의 형상 변화가 발생할 경우 측정 실험이 요구되는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전력변환장치의 전력손실을 이용하여 실시간으로 정션온도를 추정하는 정션온도 추정장치 및 정션온도 추정방법, 스위칭 소자 및 온도센서의 출력을 이용하여 온도변화에 강인한 과전류 보호 장치 및 과전류 보호 방법, 및 MOSFET 및 전류 검출용 부품을 이용하여 상호 고장을 검출하고 모터에 대한 최적운전이 가능한 모터 제어 장치 및 모터 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정장치는 스위칭 소자의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출하는 전력손실 산출부; 및 상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출하는 정션온도 산출부를 포함하고, 상기 정션온도 산출부는, 상기 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 상기 전력손실 산출부에 송신하고, 상기 전력손실 산출부는, 상기 피드백 정션온도를 이용하여 현재 전력손실을 산출한다.
또한, 상기 스위칭 소자는 전력변환부가 포함하는 스위칭 소자이고, 상기 전력손실 산출부는, 상기 전력변환부의 외기온도를 초기 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출할 수 있다.
또한, 상기 전력손실은, 상기 스위칭 소자의 도통손실 및 스위칭손실을 포함할 수 있다.
또한, 상기 도통손실 및 상기 스위칭손실은 상기 스위칭 소자에 대한 데이터시트를 이용하여 산출될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자는 전력변환부가 포함하는 스위칭 소자이고, 상기 정션온도 산출부는, 상기 산출한 정션온도를 상기 전력변환부에 송신할 수 있다.
또한, 상기 정션온도 산출부는, 상기 전력손실, 외기온도, 열저항, 및 열커패시턴스를 이용하여 상기 정션온도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 정션온도 산출부는, 상기 전력손실을 입력으로, 상기 전력손실, 상기 열저항, 상기 열커패시턴스와 연결되는 노드의 값을 상기 정션온도의 값으로 하는 열 모델(thermal model)를 이용하되, 상기 열저항의 그라운드는 상기 외기온도로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 소자의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출하는 단계; 및 상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 전력손실을 산출하는 단계는, 상기 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출한다.
또한, 상기 전력손실을 산출하는 단계는, 상기 스위칭 소자를 포함하는 전력변환부의 외기온도를 초기 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출할 수 있다.
또한, 상기 전력손실을 산출하는 단계는, 상기 스위칭 소자의 도통손실 및 스위칭손실을 산출할 수 있다.
또한, 상기 산출한 정션온도를 상기 스위칭 소자를 포함하는 전력변환부에 송신하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정션온도를 산출하는 단계는, 상기 전력손실, 외기온도, 열저항, 및 열커패시턴스를 이용하여 상기 정션온도를 산출할 수 있다.
상기 정션온도를 산출하는 단계는, 상기 전력손실을 입력으로, 상기 전력손실, 상기 열저항, 상기 열커패시턴스와 연결되는 노드의 값을 상기 정션온도의 값으로 하는 열 모델(thermal model)를 이용하되, 상기 열저항의 그라운드는 상기 외기온도로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 장치는, 스위칭 소자의 양단 전압인 제1 전압 및 온도센서의 출력인 제2 전압을 입력받는 입력부; 및 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 이용하여 과전류를 감지하는 제어부를 포함하고, 상기 온도센서는 상기 스위칭 소자와 인접하다.
또한, 상기 제1 전압은 상기 스위칭 소자의 드레인-소스 전압일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압을 선형화하고, 상기 선형화한 제1 전압과 상기 제2 전압을 이용하여 온도변화에 일정한 제3 전압을 생성하고, 상기 제3 전압을 이용하여 과전류를 감지할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 선형화된 제1 전압에 제1값을 곱한 후, 상기 제2 전압과 합하여 상기 제3 전압을 생성할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 스위칭 소자의 드레인-소스 저항의 온도에 따른 변화량을 선형화하여 상기 제1 전압을 선형화할 수 있다.
또한, 상기 제1 전압은 선형화 구간 내에서 선형화될 수 있다.
또한, 상기 선형화 구간은 -40 도 내지 125 도 구간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자의 양단 전압을 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자는 FET이고, 상기 온도센서는 NTC 센서일 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자는 입력단에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 과전류가 감지되면, 스위칭 소자를 턴오프시킬 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전류 보호 장치는 하나의 FET; 상기 FET의 드레인-소스 양단을 입력받는 OP-amp; 상기 FET와 인접하는 NTC 센서; 및 상기 OP-amp의 출력 및 상기 NTC 센서의 출력을 입력받고, 상기 FET를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 방법은, 스위칭 소자의 양단 전압인 제1 전압 및 온도센서의 출력인 제2 전압을 입력받는 단계; 상기 제1 전압을 선형화하고 제1값을 곱하는 단계; 상기 선형화되고 제1값이 곱해진 제1 전압을 제2 전압과 합하여 제3 전압을 생성하는 단계; 및 상기 제3 전압을 이용하여 과전류를 감지하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 과전류를 감지되면, 상기 스위칭 소자를 턴오프시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 제어 장치는, 전력변환부의 제1 스위칭 소자의 양단 전압을 검출하는 제1 전압 검출부; 입력단의 제2 스위칭 소자의 양단 전압을 검출하는 제2 전압 검출부; 출력단의 전류를 검출하는 전류 검출부; 및 상기 제1 전압 검출부, 상기 제2 전압 검출부, 및 상기 전류 검출부의 출력을 이용하여 고장여부를 판단하거나 제어신호를 생성하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압 검출부 또는 상기 제2 전압 검출부의 출력 및 상기 전류 검출부의 출력으로부터 드레인-소스 저항을 산출하고, 상기 드레인-소스 저항으로부터 정션온도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 정션온도를 이용하여 과온 고장을 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 정션온도를 이용하여 제1 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압 검출부 또는 상기 제2 전압 검출부의 출력을 이용하여 게이트 신호의 고장여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압 검출부 및 상기 제2 전압 검출부의 출력을 전류로 변환하고, 상기 변환된 전류를 상기 전류 검출부의 출력과 비교하여 고장여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 고장이 발생한 것으로 판단시, 전류의 상호 비교를 통해, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 및 상기 전류 검출부 중 어느 부품에 고장이 발생한 것인지 판단할 수 있다.
또한, 상기 제2 스위칭 소자는 N-MOSFET, P-MOSFET, 및 Back-to-Back FET 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류 검출부는 전류센서, 출력단 각각에 배치되는 제1 션트 저항, 통합 출력단에 배치되는 제2 션트 저항 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압을 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 제어 방법은 전력변환부의 제1 스위칭 소자의 양단 전압을 검출하고, 입력단의 제2 스위칭 소자의 양단 전압을 검출하고, 출력단의 전류를 검출하는 단계; 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압, 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압, 및 상기 출력단의 전류를 이용하여 고장여부를 판단하는 단계; 및 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압, 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압, 및 상기 출력단의 전류를 이용하여 모터를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압 및 상기 출력단의 전류로부터 드레인-소스 저항을 산출하는 단계; 및 상기 드레인-소스 저항으로부터 정션온도를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 고장여부를 판단하는 단계는, 상기 정션온도를 이용하여 과온 고장을 판단하고, 상기 모터를 제어하는 단계는, 상기 정션온도를 이용하여 제1 스위칭 소자를 제어하여 모터를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 실시간 소비전력으로 FET의 정션온도 값을 추정함으로써 정확한 최대값을 추정할 수 있고, 이를 통해 FET 과설계를 방지하여 비용 절감이 가능하다. 또한, FET 정션온도를 추정하기 위해 사용한 NTC를 제거 가능하므로 비용 절감이 가능하다. 전력손실과 정션온도는 서로 영향을 미치는 인자로, 이 두 값을 실시간으로 각각 피드백받아 산출하기 때문에 정션온도를 보다 정확히 추정이 가능하다. 나아가, 실시간으로 현재의 정션온도를 추정하기 때문에, 소자가 소손되지 않도록 Derating 운전 등 safety 동작이 가능하고, 전력손실 또한 실시간으로 추정 가능하므로, 손실을 줄이는 고효율제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 비용 추가 없이 션트(Shunt) 저항을 대체하는 새로운 과전류 회로 구성이 가능하다. 또한, 서로 상반되는 두가지 특성에 제품을 조합하여 새로운 형태의 기능안전을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 실시간으로 3개의 부품(전류 검출용 부품, DC MOSFET, B6 MOSFET)을 검출하여 비교하기 때문에 어떤 부품이 고장 났는지 확인 가능하다. 또한, 전류 검출용 부품에 상관 없이(전류 센서, Shunt 저항) 적용 가능하고, DC MOSFET이 P-MOSFET(DC Switch), N-MOFSET(역접속 보호), 또는 Back-to-Back에 상관없이 적용 가능하고, 전류 검출용 부품과 MOSFET의 고장을 직접적으로 확인 가능하다. 나아가, MOSFET의 Junction온도를 알 수 있기 때문에 과온 고장 검출 가능하고, SOA를 고려한 최적 운전점까지 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정장치의 블록도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정션온도를 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정션온도 추정방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 장치의 블록도이다.
도 9 내지 도 14은 본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과전류 보호 장치의 블록도이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 방법의 흐름도이다.
도 17는 본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호 방법의 흐름도이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 제어 장치의 블록도이다.
도 19 내지 도 27은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 제어 방법의 흐름도이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 변형례는 각 실시예 중 일부 구성과 다른 실시예 중 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 다양한 실시예 중 하나 실시예를 포함하되 일부 구성이 생략되고 대응하는 다른 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 반대일 수 있다. 실시예들에 설명할 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정장치의 블록도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정장치(100)는 전력손실 산출부(110) 및 정션온도 산출부(120)로 구성되고, 전압측정부(미도시), 전류측정부(미도시), 저장부(미도시)를 포함할 수 있다.
전력손실 산출부(110)는 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출한다.
보다 구체적으로, 정션온도를 추정하고자 하는 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류를 입력받고, 입력받은 전압 및 전류를 이용하여 스위칭 소자(210)에서 손실되는 전력손실을 산출한다. 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류는 스위칭 소자(210)로 입력되는 전압 및 전류로, 스위칭 소자(210)의 전단 또는 후단에 위치하는 전압측정부 또는 전류측정부를 통해 측정될 수 있고, 입출력부를 통해 전력손실 산출부(110)로 입력될 수 있다. 스위칭 소자(210)의 전압은 극전압이고, 전류는 상전류일 수 있다.
스위칭 소자(210)는 입력단과 출력단을 연결하거나 연결을 해제하는 역할을 하나, 내부 구성에 의해 전력손실이 발생할 수 있다. 스위칭 소자(210)에서 발생하는 전력손실을 산출하여, 정션온도를 추정하는데 이용함으로써 정션온도 추정의 정확성을 높일 수 있다.
스위칭 소자(210)는 전력변환부(200)에 포함되는 스위칭 소자 중 하나일 수 있다. 여기서, 전력변환부(200)는 도 2와 같이, 전원부(300)로부터 전원을 입력받아 모터(400)에 적합한 전력으로 변환하는 전력변환부일 있고, 전력변환부(200)는 인버터 또는 컨버터일 수 있다. 전력변환부(200)는 상보적으로 도통하는 복수의 스위칭소자를 포함할 수 있다. 여기서, 스위칭소자는 하프 브릿지(H-bridge) 또는 풀 브릿지(F-bridge) 회로를 구성할 수 있다. 도 3과 타이, 모터(400)가 3상 모터인 경우, 3 상을 가지는 3-phase FET를 포함할 수 있다. 전원부(300)로부터 DC 전압을 입력받아, U,V,W 3상 신호로 변환하여 모터(400)에 입력할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 정션온도 추정장치(100)는 전력변환부(200)의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류를 이용하여 정션온도를 추정할 수 있다.
전력손실 산출부(110)가 산출하는 전력손실은 도통손실 및 스위칭손실을 포함할 수 있다. 전력손실은 다음과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2023000108-appb-img-000001
여기서, P_tot는 전체 전력손실, P_cond은 도통손실, P_sw는 스위칭손실이다. 스위칭 소자(210)의 도통손실은 스위칭 소자(210)가 턴온되어 전류가 통할 때, 손실되는 전력손실이고, 스위칭손실은 턴온되거나 턴오프될 때, 손실되는 전력손실이다. 스위칭 소자(210)의 전력손실은 입력되는 전압, 전류, 및 정션온도에 영향을 받을 수 있다.
스위칭 소자(210)는 FET 소자일 수 있고, FET 소자는 드레인과 소스 사이에 전압차가 발생한다. 드레인과 소스 사이의 전압인 Vds와 스위칭 소자(210)의 전류인 Id를 이용하여 도통손실을 산출할 수 있다. 도통손실은 다음과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2023000108-appb-img-000002
이때, 도통손실은 스위칭 소자(210)의 특성에 따라 달라질 수 있다. 특히, 스위칭 소자(210)의 Vds가 스위칭 소자마다 다를 수 있고, 스위칭 소자(210)에 흐르는 전류 Id 또는 졍선온도에 따라 Vds가 달라질 수 있다. 정확한 산출을 위하여, 각 스위칭 소자(210)의 Vds를 측정하는 방법을 이용하거나, 각 스위칭 소자(210)에 대해 저장된 데이터시트를 이용하여 도통손실을 산출할 수 있다. 스위칭 소자(210)의 데이터시트는 정션온도에 따른 Id와 Vds 간의 관계를 나타내는 데이트시트를 포함할 수 있다. 해당 데이터시트는 그래프의 형식이거나, 데이터 테이블 형식 등 다양한 형식으로 구성될 수 있다. 해당 데이터시트는 스위칭 소자(210)를 제조하는 제조업체로부터 제공받아, 저장부에 저장되어 있을 수 있다. 전력손실 산출부(110)는 저장부에 저장된 데이터시트를 참조하여 Vds를 독출할 수 있다. Vds를 독출하는데 이용되는 Id는 측정을 통해 입력되고, 정션온도는 이후에 설명하는 정션온도 산출부(120)에서 산출되는 정션온도를 이용할 수 있다.
정션온도 산출부(120)에서 정션온도를 산출하기 전인 초기에는 스위칭 소자(210)가 위치하는 전력변환부(200)의 외기온도를 이용하여 Vds를 독출하는데 이용할 수 있다. 스위칭 소자(210)의 전압, 전류, 정션온도를 이용하여 데이터시트로부터 Vds를 독출하고, Vds와 Id를 이용하여 도통손실을 산출할 수 있다.
스위칭손실은 스위칭 소자(210)가 턴온, 턴오프될 때 발생하는 손실로, 턴온 또는 턴오프 전후의 전력을 비교하여 산출하거나, 각 스위칭 소자(210)에 대해 저장된 데이터시트를 이용하여 스위칭손실을 산출할 수 있다.
스위칭 소자(210)의 데이터시트는 정션온도에 따른 턴온시 전력솔실 및 턴오프시 전력손실을 포함하는 데이트시트를 포함할 수 있다. 해당 데이터시트는 그래프의 형식이거나, 데이터 테이블 형식 등 다양한 형식으로 구성될 수 있다. 해당 데이터시트는 스위칭 소자(210)를 제조하는 제조업체로부터 제공받아, 저장부에 저장되어 있을 수 있다. 전력손실 산출부(110)는 저장부에 저장된 데이터시트를 참조하여 정션온도, 전압, 및 전류에 따른 턴온 또는 턴오프시 전력손실을 독출할 수 있다. 전압 및 전류는 측정을 통해 입력되고, 정션온도는 이후에 설명하는 정션온도 산출부(120)에서 산출되는 정션온도를 이용할 수 있다. 정션온도 산출부(120)에서 정션온도를 산출하기 전인 초기에는 스위칭 소자(210)에 위치하는 전력변환부(200)의 외기온도를 이용하여 전력손실을 독출할 수 있다. 턴온시 전력손실 및 턴오프 전력손실을 독출한 후, 합산하여 스위칭 손실을 산출할 수 있다. 상기 독출 또는 산출된 도통손실 및 스위칭 손실을 합산하여 전체 전력손실을 산출할 수 있다.
스위칭 소자(210)의 전력손실은 도 4의 과정을 통해 산출될 수 있다. 스위칭 소자(210)는 FET일 수 있고, 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류를 입력(401)받고, 정션온도를 입력(402)받을 수 있다. 정션온도는 초기에는 외기온도, 이후에는 정션온도 산출부(120)에서 산출되어 피드백받은 정션온도일 수 있다. 도통손실을 산출하기 위하여, 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류, 정션온도를 이용하여 데이터시트로부터 Vds를 독출(403)하고, 독출된 Vds와 Id를 곱하여 도통손실(P_cond)을 산출(404)할 수 있다. 스위칭 손실은 스위칭 소자(210)의 전압 및 전류, 정션온도를 이용하여 턴온 데이터시트로부터 턴온시 스위칭손실(P_swon)을 독출(405)하고, 턴오프 데이터시트로부터 턴오프시 스위칭손실(P_swoff)을 독출(406)한 후, 합산하여 스위칭 손실(P_sw)을 산출(407)한다. 이후, 도통손실과 스위칭 손실을 합산(408)하여 최종 전력손실(P_tot)을 산출(409)한다.
정션온도 산출부(120)는 상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출한다.
보다 구체적으로, 정션온도 산출부(120)는 전력손실 산출부(110)에서 산출한 전력손실을 이용하여 정션온도를 산출한다. 정션온도 산출부(120)는 전력손실과 정션온도의 관계를 이용하여 정션온도 산출의 정확성을 높일 수 있다.
정션온도 산출부(120)는 상기 전력손실, 외기온도, 열저항, 및 열커패시턴스를 이용하여 상기 정션온도를 산출할 수 있다. 전력손실, 외기온도, 열저항, 열커패시턴스의 관계를 이용하여 전력손실을 입력으로 정션온도는 출력으로 하는 열 모델(thermal model)을 생성하고, 열 모델을 이용하여 전력손실로부터 정션온도를 산출할 수 있다.
정션온도 산출부(120)는 상기 전력손실을 입력으로, 상기 전력손실, 상기 열저항, 상기 열커패시턴스와 연결되는 노드의 값을 상기 정션온도의 값으로 하는 열 모델(thermal model)를 이용하되, 상기 열저항의 그라운드는 상기 외기온도로 할 수 있다. 여기서, 열저항 및 열커패시턴스는 데이터시트를 이용하거나 각각 산출하는 방법을 이용하여 산출할 수 있다. 열저항 및 열커패시턴스는 하기의 수학식을 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2023000108-appb-img-000003
Figure PCTKR2023000108-appb-img-000004
열 모델은 도 5와 같이, 생성될 수 있다. 전력손실(P_tot)를 입력으로 하고, 열저항(Rth(j-a), 502), 열 커패시턴스(Cth(j-a), 503)와 연결되는 노드의 값을 정션온도(Tj, 501)으로 하고, 열저항(Rth(j-a), 502)의 그라운드는 외기온도(Ta, 504)로 설정할 수 있다. 이와 같이, 설정되는 열 모델을 이용하여 전력손실로부터 정션온도를 정확히 산출할 수 있다.
정션온도 산출부(120)는, 상기 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 상기 전력손실 산출부(110)에 송신하고, 상기 전력손실 산출부(110)는, 상기 피드백 정션온도를 이용하여 현재 전력손실을 산출한다. 앞서 설명한 바와 같이, 전력손실 산출부(110)가 전력손실을 정확히 산출하기 위해서는 정션온도가 필요하다. 정션온도 산출부(120)가 전력손실 산출부(110)가 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출하여 피드백하기 전인 초기에는 스위칭 소자(210)가 포함되는 전력변환부의 외기온도를 초기 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출하고, 정션온도 산출부(120)가 정션온도를 산출한 이후에는 외기온도가 아닌 정확한 정션온도를 피드백받아, 전력손실 산출부(110)가 전력손실을 산출할 수 있다. 전력손실 산출부(110)와 정션온도 산출부(120)는 서로 산출한 정보를 송수신하는 피드백을 통해 정확한 정션온도를 산출할 수 있다.
정션온도를 정확히 산출함으로써 스위칭 소자(210)를 과도하게 고스펙으로 설정할 필요가 없어, 비용을 절감할 수 있다. 또한, 스위칭 소자(210)의 정션온도를 산출하기 위해 별도로 배치되어야 하는 NTC 등의 온도센서가 필요치 않은바, 비용을 절감할 수 있다.
스위칭 소자(210)는 전력변환부(200)에 포함되는 스위칭 소자일 수 있고, 정션온도 산출부(120)는 상기 산출한 정션온도를 상기 전력변환부에 송신할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 스위칭 소자(210)는 전력을 변환하는 전력변환부(200)에 포함되는 스위칭 소자(210)일 수 있고, 정션온도에 따라 스위칭 소자(210)가 소손되는 것을 방지하기 위하여, 전력변환부(200)에 정션온도를 송신할 수 있다. 전력변환부(200)는 정션온도를 수신하여, 정션온도가 스위칭 소자(210)가 소손될 위험이 있는 온도 이상인 경우에는 정격출력을 낮추는 derating 운전 또는 정지 등의 안전구동이 가능하도록 할 수 있다.
정션온도 뿐만 아니라 전력손실 산출부(110)에서 산출된 전력손실 또한 전력변환부(200)에 송신할 수 있다. 전력손실 산출부(110)가 전력손실을 전력변환부(200)에 송신하거나, 전력손실을 수신한 정션온도 산출부(120)가 전력손실을 전력변환부(200)에 송신할 수 있다. 전력변환부(200)는 전력손실을 수신하여 손실을 줄이는 고효율제어를 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정션온도 추정방법의 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정션온도 추정방법의 흐름도이다. 도 6 및 도 7의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 5의 정션온도 추정장치에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
정션온도를 추정하기 위하여, S11 단계에서 스위칭 소자의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출하고, S12 단계에서 상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출한다. 전력손실을 산출하는 S11 단계는 상기 S12 단계에서 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출한다.
S12 단계에서 정션온도를 산출하기 이전인 초기에는 상기 스위칭 소자를 포함하는 전력변환부의 외기온도를 초기 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출할 수 있다.
S11 단계에서 전력손실을 산출함에 있어서, 상기 스위칭 소자의 도통손실 및 스위칭손실을 산출할 수 있다.
S12 단계에서 정션온도를 산출함에 있어서, 상기 전력손실, 외기온도, 열저항, 및 열커패시턴스를 이용하여 상기 정션온도를 산출할 수 있다. 상기 전력손실을 입력으로, 상기 전력손실, 상기 열저항, 상기 열커패시턴스와 연결되는 노드의 값을 상기 정션온도의 값으로 하는 열 모델(thermal model)를 이용하되, 상기 열저항의 그라운드는 상기 외기온도로 하여 정션온도를 산출할 수 있다.
S12 단계이후, S21 단계에서 상기 산출한 정션온도를 상기 스위칭 소자를 포함하는 전력변환부에 송신할 수 있다.
상기와 같이, 전력손실을 산출하고, 이를 이용하여 정션온도를 산출하되, 피드백하여 전력손실을 산출함으로써 FET의 정션온도의 정확한 최대값을 추정할 수 있고, 이를 통해 FET 과설계를 방지하여 비용 절감이 가능하다. 또한, FET 정션온도를 추정하기 위해 사용한 NTC를 제거 가능하므로 비용 절감이 가능하다. 전력손실과 정션온도는 서로 영향을 미치는 인자로, 이 두 값을 실시간으로 각각 피드백받아 산출하기 때문에 정션온도를 보다 정확히 추정이 가능하다. 나아가, 실시간으로 현재의 정션온도를 추정하기 때문에, 소자가 소손되지 않도록 Derating 운전 등 safety 동작이 가능하고, 전력손실 또한 실시간으로 추정 가능하므로, 손실을 줄이는 고효율제어가 가능하다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 장치의 블록도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 장치(1110)는 입력부(1111) 및 제어부(1112)로 구성되고, 스위칭 소자(1120), 온도센서(1130), 증폭기(1140), 제2 스위칭 소자(1122) 등을 포함할 수 있다.
입력부(1111)는 스위칭 소자(1120)의 양단 전압인 제1 전압 및 온도센서(1130)의 출력인 제2 전압을 입력받는다. 입력부(1111)는 과전류를 감지하기 위하여 필요한, 스위칭 소자(1120)의 양단 전압인 제1 전압 및 온도센서(1130)의 출력인 제2 전압을 입력받는다. 여기서, 스위칭 소자(1120)는 과전류를 감지하여 차단하기 위해 배치되는 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 소자(1120)는 FET, IGBT 등 반도체 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 소자(1120)는 전원을 입력받아 변환하는 전력변환장치의 스위칭부의 입력단에 배치되는 스위칭 소자일 수 있다. 또는, 스위칭부를 구성하는 스위치 중 하나의 스위치일 수 있다. 스위칭부는 제1 전원을 제2 전원으로 변환할 수 있고, DC 전원을 AC 전원으로 변환할 수 있다. 스위칭부는 상보적으로 도통하는 상측 스위치 및 하측 스위치를 포함할 수 있다. 스위칭부는 하프 브릿지(H-bridge) 또는 풀 브릿지 회로일 수 있고, 3상 AC 전원을 출력하는 B6 브릿지 회로로 구성될 수 있다. 여기서, 스위칭 소자(1120)는 브릿지 회로를 구성하는 스위치 중 하나일 수 있다.
스위칭 소자(1120)의 양단 전압인 제1 전압은 스위칭 소자(1120)의 드레인-소스 전압일 수 있다. 스위칭 소자(1120)는 FET일 수 있고, 스위칭 소자(1120)를 통해 흐르는 전류는 드레인과 소스 사이에 흐르는 바, 드레인-소스 전압을 제1 전압으로 입력받을 수 있다.
온도센서(1130)는 스위칭 소자(1120)와 인접한 온도센서일 수 있다. 온도센서(1130)는 스위칭 소자(1120)의 내부 저항의 변화에 영향을 미치는 온도에 대응하는 온도를 감지하도록 스위칭 소자(1120)와 인접하게 배치될 수 있다. 스위칭 소자(1120)의 온도와 온도센서(1130)의 온도의 차이가 임계치 이하가 되도록 온도센서(1130)는 스위칭 소자(1120)와 인접하게 배치될 수 있다. 또는 온도센서(1130)는 스위칭 소자(1120)와 접촉하거나, 온도를 전달하는 전도체를 통해 접촉될 수 있다.
입력부(1111)는 온도센서(1130)가 감지한 온도에 따른 출력을 입력받는다. 온도센서(1130)는 NTC 센서일 수 있다. NTC(Negative Temperature Coefficient) 센서는 소정의 온도에 도달하면 온도 상승에 대하여 급격히 저항 값이 감소하는 부 특성 계수(Negative Temperature Coefficient)를 이용하는 온도센서로, NTC를 이용하는 서미스터의 소재로는 Mn-Co-Ni계, SiC계, Cr2O3계, 산화물계와 V2O5 CTR(Critical Temperature Resistor)를 포함할 수 있다. NTC 센서뿐만 아니라 PTC 센서, CTR 센서 등 다양한 온도센서를 이용할 수 있다.
제어부(1112)는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 이용하여 과전류를 감지한다. 스위칭 소자(1120)에 흐르는 전류는 전체 회로에 흐르는 전류에 대응되고, 제어부(1112)는 스위칭 소자(1120)에 흐르는 전류를 이용하여 과전류를 판단할 수 있다. 스위칭 소자(1120)의 양단 전압은 스위칭 소자(1120)에 흐르는 전류 및 내부저항인 턴온저항에 의한 값인바, 제어부(1112)는 스위칭 소자(1120)의 양단 전압인 제1 전압을 입력받아 스위칭 소자(1120)에 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 즉, 스위칭 소자(1120)의 양단 전압의 전위차를 이용하여 전류를 감지할 수 있는바, 스위칭 소자(1120)의 양단 전압인 제1 전압을 입력받는다.
스위칭 소자(1120)가 FET 경우, 턴온 저항인 내부저항 Rds(on)은 온도에 따라 저항값의 변화가 크다. 예를 들어, 도 9와 같이, 온도가 -60 내지 180 도로 변함에 따라 저항값은 약 0.7 내지 1.9 mΩ 으로 변할 수 있다. 1.2 mΩ을 기준으로 약 ±50 %의 오차가 발생할 수 있다. 이는, 제어부(1112)가 스위칭 소자(1120)의 제1 전압과 내부 저항 값만을 이용하는 경우, 그에 따라 산출되는 전류의 오차 ±50 %인 것을 의미하는바, 과전류 검출에 오차가 커지고, 과전류를 차단하기 위한 과전류 보호동작을 수행하기 어렵다.
따라서, 제어부(1112)는 제1 전압을 그대로 이용하지 않고, 입력받은 제2 전압을 함께 이용한다. 온도센서(1130)의 출력인 제2 전압은 스위칭 소자(1120)의 내부 저항의 온도 변화에 따른 변화와 반대 특성을 가질 수 있다. 즉, 온도센서(1130)의 출력은 온도가 상승함에 따라 전압이 낮아지는 특성을 가질 수 있다. 온도센서(1130)는 NTC 센서일 수 있고, NTC 센서는 온도가 높아질수록 저항값이 감소하는바, 해당 저항에 걸리는 전압인 온도센서(1130)의 출력 또한 감소한다. 예를 들어, 도 10과 같이, 온도센서(1130)의 출력 전압은 온도가 -50 내지 150 도로 변함에 따라 출력 전압은 약 3.5 내지 약 0.5 V 로 변할 수 있다. 즉, 도 9와 경우와 비교하여 기울기 반대인 것을 알 수 있다.
제어부(1112)는 온도에 따라 서로 반대의 기울기를 가지는 제1 전압 및 제2 전압의 특성을 이용하여 온도에 따라 변하지 않도록 온도에 따른 변화의 기울기를 상쇄시킬 수 있다. 기울기를 상쇄시킴으로써 온도변화에 강인한 인자를 생성하여 과전류 감지에 이용할 수 있다.
제어부(1112)는 상기 제1 전압을 선형화하고, 상기 선형화한 제1 전압과 상기 제2 전압을 이용하여 온도변화에 일정한 제3 전압을 생성하고, 상기 제3 전압을 이용하여 과전류를 감지할 수 있다. 온도변화에 일정한 제3 전압을 생성하기 위하여, 먼저 제1 전압을 선형화할 수 있다. 상기 스위칭 소자의 드레인-소스 저항의 온도에 따른 변화량을 선형화하여 상기 제1 전압을 선형화할 수 있다. 선형화하고자 하는 구간 내에서의 최소값과 최대값을 연결하는 1차원 방정식으로 선형화할 수 있다. 선형화하는 구간은 스위칭 소자(1120)를 이용하는 장치를 구동하고자 하는 사용영역의 온도로 설정할 수 있다. 스위칭 소자 또는 과전류로 보호하고자 하는 장치의 스펙에 따라 선형화 구간이 설정되거나 사용자에 의해 설정될 수 있다. 이때, 선형화 구간은 -40 도 내지 125 도 구간을 포함할 수 있다.
또한, 임계범위 이내의 선형성을 가지는 선형화 구간에서 선형화를 수행할 수 있다. 임계범위는 오차범위를 통해 설정될 수 있다. 도 9와 같이, 스위칭 소자(1120)의 내부 저항은 온도가 높은 영역과 낮은 영역에서 기울기가 커지는바, 기울기 변화가 크지 않은 구간을 이용하여 선형화를 수행할 수 있다. 이를 통해 선형화에 따른 오차를 줄일 수 있다. 이때, 선형화 구간은 -40 도 내지 125 도 구간을 포함할 수 있다. 도 11와 같이, 선형화에 따른 오차가 임계값 이하인 구간을 선형화 구간(1410)으로 설정할 수 있다.
제어부(1112)는 상기 선형화된 제1 전압에 제1값을 곱한 후, 상기 제2 전압과 합하여 상기 제3 전압을 생성할 수 있다. 제1 전압을 선형화한 이후, 제2 전압과 합하여 기울기를 0으로 만들기 위해서, 제1 전압에 제2 전압과 합할시 0이 될 수 있도록 제1 전압에 제1값을 곱할 수 있다. 제1 전압의 기울기와 제2 전압의 기울기의 절대값이 같고, 기울기만 반대인 경우에는 제1값을 곱하지 않거나, 제1값은 1일 수 있다. 제1 전압의 기울기와 제2 전압의 기울기의 절대값이 다른 경우에는 1 이외의 제1값을 제1 전압에 곱한 후 제2 전압과 합하여 기울기를 0으로 만들 수 있다. 이 경우, 기울기는 0이고, 각각의 상수를 합한 값만이 제3 전압이 된다.
또는, 제1 전압을 선형화하기 전에 먼저 제1값을 곱한 후 선형화하고, 제2 전압과 합하여 제3 전압을 생성할 수 있다. 스위칭 소자(1120)의 양단 전압은 매우 작은 값으로, 스위칭 소자(1120)의 양단 전압을 증폭하는 증폭기(1140)를 포함할 수 있다. 증폭기(1140)는 OP-amp일 수 있다. 증폭기(1140)는 양단의 전위차를 증폭한다. 이때, 증폭기(1140)는 제1 전압을 증폭시 상기 제1값만큼 증폭할 수 있다. 증폭기(1140)에 의해 제1값만큼 증폭된 제1 전압은 제2 전압과 합해져 제3 전압을 생성할 수 있다.
또는, 제1 전압에 제1값을 곱하고, 제2 전압에 제2값을 곱하여 합함으로써 기울기를 0으로 만들 수 있다. 이 경우, 제3 전압을 구현하고자 하는 값으로 생성할 수 있다. 제1값 또는 제2값은 구현하고자 하는 제3 전압에 따라 다르게 설정될 수 있다.
제1 전압 및 제2 전압을 이용하여 제3 전압을 생성하는 과정은 도 13과 같이 구현될 수 있다. 제1 전압과 제2 전압을 입력(610, 620)받고, 제1 전압을 선형화(610)하고, 제1값을 곱한(630) 후, 제2 전압과 합하여 온도변화에 일정한 제3 전압을 생성(640)할 수 있다. 제1 전압을 선형화하면 다음과 같이 선형화할 수 있다.
y = 5E^(-06) x + 0.0009
이때, 제2 전압은 다음과 같을 수 있다.
y = -0.01374 x + 2.6264
제1 전압과 제2 전압의 기울기를 0으로 만들기 위하여, 제1 전압의 기울기를 제2 전압의 기울기에 대응되도록 다음과 같이 제1값을 곱할 수 있다. 제1값으로 122A에서 증폭기 게인값 22배를 곱할 수 있다.
y = 0.0132 x + 2.4157
이후, 선형화되고 제1값이 곱해진 제1 전압과 제2 전압을 합하여 다음과 같이 약 5 V의 제3 전압을 생성할 수 있다.
제1 전압과 제2 전압을 통해 온도 변화에 따라 5 V 유지되는 제3 전압에서 동작하도록 함으로써 이때의 스위칭 소자(1120)의 내부 저항을 이용하여 전류를 검출함으로써 과전류를 감지할 수 있다.
제어부(1112)는 과전류가 감지되면, 스위칭 소자(1120)를 턴오프시킬 수 있다. 스위칭 소자(1120)를 턴오프시켜, 전원을 차단함으로써 스위칭 소자(1120) 및 내부 구성들을 과전류로부터 보호할 수 있다. 이때, 제어부(1112)는 스위칭 소자(1120)에 인가되는 게이트 전압을 차단하여 스위칭 소자(1120)를 턴오프시킴으로써 과전류를 차단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호 장치는 제어부(1112)가 제2 스위칭 소자(1122)를 턴오프시켜 과전류를 차단할 수 있다. 도 14과 같이, 제1 전압을 감지하는 스위칭 소자(1120)는 제1 스위칭 소자(1121)일 수 있고, 제어부(1112)는 과전류를 감지하면 제2 스위칭 소자(1122)를 턴오프시켜 과전류를 차단할 수 있다. 여기서, 제1 스위칭 소자(1121)는 전력변환장치의 스위칭부에 포함되는 스위칭 중 하나일 수 있고, 제2 스위칭 소자(1122)는 입력단에 배치되는 스위칭 소자일 수 있다. 전력변환장치 내에 위치하는 제1 스위칭 소자(1121)의 양단 전압인 제1 전압과 제1 스위칭 소자(1121)에 인접한 온도센서의 출력값인 제2 전압을 이용하여 과전류를 감지하고, 과전류가 감지되면, 입력단에 위치하는 제2 스위칭 소자(1122)를 턴오프시켜 전체 회로를 과전류로부터 보호할 수 있다.
상기와 같이, 스위칭 소자(1120)의 양단 전압 및 온도센서(1130)의 전압을 이용하여 온도변화에도 일정한 값을 이용하여 전류를 정밀하게 검출함으로써 과전류로부터 회로를 보호할 수 있어, 과전류 검출을 위한 별도의 션트 저항이 필요하지 않아, 추가적인 비용없이 과전류 보호가 가능하다. 또한, 서로 상반되는 두 가지 특성에 제품을 조합하여 새로운 형태의 기능안전을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호 장치는 FET(1810), OP-AMP(1820), NTC 센서(1830), 및 제어부(1840)로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호 장치는 하나의 FET(1810), FET(1810)의 드레인-소스 양단을 입력받는 OP-AMP(1820), FET(1810)와 인접하는 NTC 센서(1830) 및 OP-AMP(1820)의 출력 및 상기 NTC 센서(1830)의 출력을 입력받고, FET(1810)를 제어하는 제어부(1840)를 포함할 수 있다. 도 15의 실시예에 따른 과전류 보호 장치의 각 구성에 대응하는 상세한 설명은 도 8 내지 도 14의 과전류 보호 장치에 대한 상세한 설명에 대응하는바 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 16는 본 발명의 제2 실시예에 따른 과전류 보호 방법의 흐름도이고, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 과전류 보호 방법의 흐름도이다. 도 16 및 도 17의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 8 내지 도 15의 과전류 보호 장치에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
과전류 보호하기 위하여, S1011 단계에서 스위칭 소자의 양단 전압인 제1 전압 및 온도센서의 출력인 제2 전압을 입력받고, S1012 단계에서 상기 제1 전압을 선형화하고 제1값을 곱하고, S1013 단계에서 상기 선형화되고 제1값이 곱해진 제1 전압을 제2 전압과 합하여 제3 전압을 생성하고, S1014 단계에서 상기 제3 전압을 이용하여 과전류를 감지한다.
또한, S1014 단계에서 상기 과전류를 감지되면, S1021 단계에서 상기 스위칭 소자를 턴오프시킬 수 있다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 제어 장치의 블록도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 제어 장치(2100)는 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 전류 검출부(2130), 및 제어부(2140)로 구성되고, 전력변환부(2210)의 제1 스위칭 소자(2211), 입력단(2220)의 제2 스위칭 소자(2221)를 포함할 수 있다.
제1 전압 검출부(2110)는 전력변환부(2210)의 제1 스위칭 소자(2211)의 양단 전압을 검출한다. 전력변환부(2210)는 입력단(2220)으로 입력된 전원을 모터(2230)를 구동하는 구동전원으로 변환하고, 제1 스위칭 소자(2211)를 포함할 수 있다. 전력변환부(2210)는 컨버터일 수 있고, DC 전원을 AC 전원으로 변환할 수 있다. 전력변환부(2210)는 상보적으로 도통하는 상측 스위치 및 하측 스위치를 포함할 수 있고, 하프 브릿지 또는 풀 브릿지 회로로 구성될 수 있고, B6 브릿지 회로로 구성될 수 있다. 제1 스위칭 소자(2211)는 전력변환부(2210)를 구성하는 스위칭 소자 중 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 소자(2211)는 하측 스위칭 소자일 수 있다.
제1 스위칭 소자(2211)는 FET, IGBT 등 반도체 소자일 수 있고, MOSFET일 수 있다. 이때, 제1 전압 검출부(2110)는 제1 스위칭 소자(2211)의 양단 전압을 검출할 수 있고, 제1 스위칭 소자(2211)의 양단 전압은 드레인-소스 전압일 수 있다.
제2 전압 검출부(2120)는 입력단(2220)의 제2 스위칭 소자(2221)의 양단 전압을 검출한다. 제2 전압 검출부(2120)는 전원이 입력되는 입력단(2220)에 전원입력을 연결 또는 해제하는 제2 스위칭 소자(2221)의 양단 전압을 검출할 수 있다. 제2 스위칭 소자(2221)는 입력단(2220)의 입력라인에 연결되어 역전압을 보호하는 스위칭 소자일 수 있고, 과전류 등의 고장이 발생시 전원입력을 차단할 수 있다. 제2 스위칭 소자는 FET, IGBT 등 반도체 소자일 수 있고, N-MOSFET, P-MOSFET, 및 Back-to-Back FET 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, Back-to-Back FET는 N-MOSFET 및 P-MOSFET가 직렬 연결된 스위칭 소자이다. 제2 전압 검출부(2120)는 제2 스위칭 소자(2221)의 양단 전압을 검출할 수 있고, 제2 스위칭 소자(2221)의 양단 전압은 드레인-소스 전압일 수 있다.
전류 검출부(2130)는 출력단의 전류를 검출한다. 전류 검출부(2130)는 입력단(2220)으로 입력되어 전력변환부(2210)에서 변환되어 모터(2230)의 구동전원으로 공급되고, 전력변환부(2210)를 통해 출력단으로 출력되는 전류를 검출한다.
전류 검출부(2130)는 전류센서, 출력단 각각에 배치되는 제1 션트 저항, 통합 출력단에 배치되는 제2 션트 저항 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전류 검출부(2130)는 전류 센서로 구현되어, 제1 스위칭 소자(2211)에서 모터(2230)로 전달되는 전류를 측정할 수 있고, 이외에도 전류가 흐르는 다양한 위치에서 전류를 측정할 수 있다. 또는, 전력변환부(2210)의 하측 스위치의 출력단에 각각 연결되는 제1 션트 저항을 포함하거나, 복수의 하측 스위치의 출력단이 연결되는 통합 출력단에 연결되는 제2 션트 저항을 포함할 수 있다. 션트 저항을 이용하는 경우, 션트 저항 양단의 전위차를 검출하고, 션트 저항으로 나누어 전류를 검출할 수 있다.
제1 스위칭 소자(2211), 제2 스위칭 소자(2221), 및 전류 검출부(2130)는 도 19와 같이, 모터 제어 장치(2100)에 포함될 수 있다. 전력변환부(2210)는 B6 브릿지 회로로 구성될 수 있고, 제1 스위칭 소자(2211)는 하측 스위치 중 적어도 하나일 수 있고, 3 개의 하측 스위치일 수 있다. 제2 스위칭 소자(2221)는 DC 입력단에 연결되는 스위치일 수 있고, 전류 검출부(2130)는 출력단에 연결되는 션트 저항일 수 있다.
제어부(2140)는 상기 제1 전압 검출부(2110), 상기 제2 전압 검출부(2120), 및 상기 전류 검출부(2130)의 출력을 이용하여 고장여부를 판단하거나 제어신호를 생성한다. 제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력을 입력받아, 고장발생여부 내지, 고장이 발생한 부품을 판단할 수 있고, 정상동작하는 경우, 각 출력을 이용하여 모터(2230)를 제어하는 제어신호를 생성할 수 있다.
제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력을 이용하여 고장 판단에 필요한 값으로 변환하고 상호 비교를 통해 고장을 검출할 수 있다. 제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110) 및 제2 전압 검출부(2120)에서 검출된 전압을 전류로 변환하고, 전류 검출 소자(2130)가 검출한 전류를 상호 비교하여 고장이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 입력단에서 흐르는 전류와 출력단에서 흐르는 전류가 같아야 하고, 이는 각 하측 스위치에서 흐르는 전류의 합과 같아야 한다. 제어부(2140)는 도 20과 같이, 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력을 이용하여 각 위치에서 흐르는 전류가 같은지를 판단하여 고장을 검출할 수 있다.
제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력을 입력받을 때, 증폭기(2410)를 통해 입력받을 수 있다. 제1 스위칭 소자(2211)의 양단 전압, 제2 스위칭 소자(2221)의 양단 전압은 도 21와 같이, 드레인 및 소스단에서의 전압을 검출하되 증폭기(2410)를 통해 입력받을 수 있다. 제1 스위칭 소자(2211)의 양단 전압, 제2 스위칭 소자(2221)의 양단 전압, 또는 션트 저항의 양단 전압은 작은값인바, 해당 전압값을 감지하기 어려워 검출된 전압을 증폭시키기 위하여 증폭기를 포함할 수 있다. 여기서, 증폭기는 OP-Amp일 수 있다. 증폭된 전압은 제어부(2140)에서 아날로그-디지털 변환(ADC)될 수 있다.
제어부(2140)는 상기 제1 전압 검출부 또는 상기 제2 전압 검출부의 출력 및 상기 전류 검출부의 출력으로부터 드레인-소스 저항을 산출하고, 상기 드레인-소스 저항으로부터 정션온도를 산출할 수 있다. 제1 스위칭 소자(2211) 또는 제2 스위칭 소자(2221)는 MOSFET일 수 있고, 양단 전압은 V_DS 전압으로, 전류센서인 전류 검출부(2130)가 검출한 상전류 Is를 이용하여 도 22와 같이, 턴온 저항인 내부 저항 R_DS(on)을 산출(2510)할 수 있다. 각 스위칭 소자의 내부 저항과 온도와 관계를 나타내는 저항 변화 테이블인 데이터 시트를 이용하여 정션온도를 산출할 수 있다.
상기와 같이, 제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력으로부터 각 스위칭 소자의 드레인-소스 전압, 전류, 정션온도를 산출할 수 있고, 이를 상호 비교하여 고장여부를 판단할 수 있다.
제어부(2140)는 상기 제1 전압 검출부 또는 상기 제2 전압 검출부의 출력인 드레인-소스 전압을 이용하여 게이트 신호의 고장여부를 판단할 수 있다. 제어부(2140)는 각 스위칭 소자에 게이트 신호를 인가하여 스위칭 소자를 제어하는데, 제어신호를 인가한 후, 해당 스위칭 소자가 정상적으로 동작하는지 상기 검출한 드레인-소스 전압을 이용하여 판단할 수 있다. 게이트 신호를 인가하였음에도 드레인-소스 전압이 정상적으로 검출되지 않는 경우, 게이트 신호 내지 스위칭 소자의 고장을 검출할 수 있다. 즉, 도 23과 같이, 드레인-소스 전압을 이용하여 게이트 신호 내지 MOSFET의 고장을 검출(2610)할 수 있다.
또한, 제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110) 및 제2 전압 검출부(2120)의 출력을 전류로 변환하고, 상기 변환된 전류를 상기 전류 검출부의 출력과 비교하여 고장여부를 판단할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 드레인-소스 전압으로부터 변환되는 전류를 전류 검출부(2130)에서 검출된 전류와 비교함으로써 전류 검출부 내지 스위칭 소자의 고장을 검출할 수 있다. 도 23과 같이, 드레인-소스 전압 및 전류를 이용하여 전류 검출 부품 내지 MOSFET의 고장을 검출(2620)할 수 있다.
또한, 제어부(2140)는 정션온도를 이용하여 스위칭 소자의 과온 고장을 검출할 수 있다. 정션온도는 반도체 스위칭 소자의 동작에 영향을 미치고, 온도가 높아지는 경우, 스위칭 소자에 소손이 발생할 수 있다. 제어부(2140)는 상기 정션온도를 이용하여 과온 고장을 판단할 수 있다. 도 23과 같이, 정션온도를 이용하여 MOSFET의 과온 고장을 검출(2630)할 수 있다.
제어부(2140)는 고장이 발생한 것으로 판단시, 전류의 상호 비교를 통해, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 및 상기 전류 검출부 중 어느 부품에 고장이 발생한 것인지 판단할 수 있다. 세 개의 출력에 따른 값 중 상이한 값에 해당하는 부품에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 세 개의 출력에 따른 값이 모두 상이한 경우에는 해당 부품 중 자가진단이 가능한 부품이 있다면 해당 부품을 기준으로 상이한 다른 두 부품에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 드레인-소스 전압을 통해 정상동작으로 판단되는 스위칭 소자가 있다면, 해당 스위칭 소자에서 검출되는 값을 기준으로 고장여부를 판단할 수 있다.
제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력을 이용하여 고장을 검출함에 있어서, 전류 검출부(2130)는 도 24과 같이, 상전류를 검출하는 전류센서(2710), 출력단 각각에 배치되는 3 개의 제1 션트 저항(2720), 통합 출력단에 배치되는 제2 션트 저항(2730) 중 어느 것이든 부품에 상관없이 적용이 가능하다. 또한, 제2 스위칭 소자(2221) 역시 도 25과 같이, N-MOSFET(2810), P-MOSFET(2820), 및 Back-to-Back FET(2830) 중 어느 것이든 부품에 상관없이 적용이 가능하다.
제어부(2140)는 제1 전압 검출부(2110), 제2 전압 검출부(2120), 및 전류 검출부(2130)의 출력을 이용하여 고장여부를 판단한 결과, 고장이 발생한 경우, 제2 스위칭 소자(2221)를 턴오프시켜 전체 회로를 보호할 수 있다. 또한, 고장이 발생한 부품을 판단하고, 상위 제어기 또는 사용자에게 해당 정보를 제공하여 고장이 발생한 부품의 교체가 이루어지도록 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제어부(2140)는 정션온도를 산출할 수 있는바, 정션온도를 이용하여 전력변환부(2210)를 제어할 수 있다. 즉, 도 26와 같이, 전력변환부(2210)에 포함되는 제1 스위칭 소자(2211)의 최적 운점점을 도출하여 제1 스위칭 소자(2211)를 제어할 수 있다. 정션온도를 정확히 알 수 있는바, 정션온도에 따라 사용범위 내에서 동작가능한 최적의 MOSFET, 즉 설계 마진을 최소로 하는 부품 선정이 가능하다. 또한, 도 27과 같이, MOSFET의 스펙 및 특성(2010)을 고려하여, MOSFET에 소손이 발생하지 않는 최적의 운점점을 도출하고, 그에 따라 운전 영역을 제한하여 최적의 운전이 가능할 수 있다.
도 28은 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 제어 방법의 흐름도이고, 도 29는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 방법의 흐름도이다. 도 28 및 도 29의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 18 내지 도 27의 모터 제어 장치에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
모터를 제어함에 있어서, S2011 단계에서 전력변환부의 제1 스위칭 소자의 양단 전압을 검출하고, 입력단의 제2 스위칭 소자의 양단 전압을 검출하고, 출력단의 전류를 검출하고, S2012 단계에서 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압, 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압, 및 상기 출력단의 전류를 이용하여 고장여부를 판단하고, S2013 단계에서 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압, 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압, 및 상기 출력단의 전류를 이용하여 모터를 제어한다.
또한, S2021 단계에서 상기 제1 스위칭 소자의 양단 전압 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단 전압 및 상기 출력단의 전류로부터 드레인-소스 저항을 산출하고, S2022 단계에서 상기 드레인-소스 저항으로부터 정션온도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 고장여부를 판단하는 S2012 단계는, 상기 정션온도를 이용하여 과온 고장을 판단하고, 상기 모터를 제어하는 단계 S2013 단계는, 상기 정션온도를 이용하여 제1 스위칭 소자를 제어하여 모터를 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 변형례는 제1 실시예의 일부 구성, 제2 실시예의 일부 구성, 및 제3 실시예의 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 제1 실시예를 포함하되 제1 실시예의 일부 구성이 생략되고 대응하는 제2 실시예의 일부 구성 또는 제3 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 변형례는 제2 실시예를 포함하되 제2 실시예의 일부 구성이 생략되고 대응하는 제1 실시예의 일부 구성 또는 제3 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 변형례는 제3 실시예를 포함하되 제3 실시예의 일부 구성이 생략되고 대응하는 제1 실시예의 일부 구성 또는 제2 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 스위칭 소자의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출하는 전력손실 산출부; 및
    상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출하는 정션온도 산출부를 포함하고,
    상기 정션온도 산출부는, 상기 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 상기 전력손실 산출부에 송신하고,
    상기 전력손실 산출부는, 상기 피드백 정션온도를 이용하여 현재 전력손실을 산출하는 정션온도 추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 전력변환부가 포함하는 스위칭 소자이고,
    상기 전력손실 산출부는,
    상기 전력변환부의 외기온도를 초기 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출하는 정션온도 추정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력손실은,
    상기 스위칭 소자의 도통손실 및 스위칭손실을 포함하는 정션온도 추정장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 도통손실 및 상기 스위칭손실은 상기 스위칭 소자에 대한 데이터시트를 이용하여 산출되는 정션온도 추정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 전력변환부가 포함하는 스위칭 소자이고,
    상기 정션온도 산출부는,
    상기 산출한 정션온도를 상기 전력변환부에 송신하는 정션온도 추정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정션온도 산출부는,
    상기 전력손실, 외기온도, 열저항, 및 열커패시턴스를 이용하여 상기 정션온도를 산출하는 정션온도 추정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 정션온도 산출부는,
    상기 전력손실을 입력으로, 상기 전력손실, 상기 열저항, 상기 열커패시턴스와 연결되는 노드의 값을 상기 정션온도의 값으로 하는 열 모델(thermal model)를 이용하되,
    상기 열저항의 그라운드는 상기 외기온도로 하는 정션온도 추정장치.
  8. 스위칭 소자의 전압 및 전류를 입력받아 전력손실을 산출하는 단계; 및
    상기 산출한 전력손실로부터 정션온도를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 전력손실을 산출하는 단계는,
    상기 산출한 정션온도를 피드백 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출하는 정션온도 추정방법.
  9. 제8항 있어서,
    상기 전력손실을 산출하는 단계는,
    상기 스위칭 소자를 포함하는 전력변환부의 외기온도를 초기 정션온도로 이용하여 현재 전력손실을 산출하는 정션온도 추정방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전력손실을 산출하는 단계는,
    상기 스위칭 소자의 도통손실 및 스위칭손실을 산출하는 정션온도 추정방법.
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