KR100634608B1 - Invertor power device control system and method thereof - Google Patents

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Abstract

인버터 전력소자를 제어함에 있어 모터 구속 및 저속 운전 조건에서 출력 가능한 토크를 계산하여 인버터 전력 소자에 드라이브되는 토크 지령을 제어하여 인버터내의 반도체 전력소자의 과열을 방지하도록 하는 것으로,In controlling the inverter power device, by calculating the torque that can be output under the motor restraint and low speed operation conditions, the torque command driven to the inverter power device is controlled to prevent overheating of the semiconductor power device in the inverter.

토크 지령과 센싱되는 반도체 전력소자의 케이스 온도로부터 모터 구속시의 접합부 최대온도를 추정하고, 이 추정된 최대 온도가 설정된 제한온도를 초과함과 동시에 모터가 저속조건으로 운전되는 경우 반도체 전력소자의 제한 온도치와 센싱된 케이스 온도의 차이로부터 모터 구속시의 최대 허용 인버터 손실을 계산하고, 이로부터 인버터 손실의 역함수로써 모터 구속시의 출력 가능한 토크를 계산하여 인버터 반도체 전력소자에 드라이브되는 토크 지령을 제한하여 반도체 전력소자의 과열이 방지되도록 한다.The maximum temperature of the junction at the time of motor restraint is estimated from the case temperature of the semiconductor power device sensed by the torque command, and the limit of the semiconductor power device when the estimated maximum temperature exceeds the set limit temperature and the motor is operated at low speed. The maximum allowable inverter loss at the time of motor restraint is calculated from the difference between the temperature value and the sensed case temperature, and the torque command that is driven to the inverter semiconductor power element is limited by calculating the output torque available at the time of motor restraint as the inverse function of the inverter loss. To prevent overheating of the semiconductor power device.

인버터, 반도체 전력소자, 토크 지령, 최대 허용 토크, 접합부 온도 Inverter, semiconductor power element, torque command, maximum allowable torque, junction temperature

Description

인버터 전력 소자 제어장치 및 방법{INVERTOR POWER DEVICE CONTROL SYSTEM AND METHOD THEREOF}Inverter Power Device Control System and Method {INVERTOR POWER DEVICE CONTROL SYSTEM AND METHOD THEREOF}

도 1은 통상적인 인버터 전력 소자의 구조에 대한 구성도.1 is a configuration diagram of a structure of a conventional inverter power device.

도 2는 인버터 전력 소자가 접속되는 부분에서 방열 구조를 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view showing a heat dissipation structure at a portion to which an inverter power element is connected.

도 3은 도 2의 방열 구조에 대하여 열 등가회로를 도시한 도면.3 shows a thermal equivalent circuit for the heat dissipation structure of FIG.

도 4는 인버터 전력 소자에 흐르는 3상 전류의 위상관계를 도시한 파형도.4 is a waveform diagram showing a phase relationship of three-phase currents flowing through an inverter power element.

도 5는 인버터 전력 소자의 통상 운전시 발열 분포를 도시한 도면.5 is a diagram showing a heat distribution in normal operation of an inverter power device.

도 6은 인버터 전력 소자의 모터 구속 또는 저속 운전시 발열 분포를 도시한 도면.6 is a diagram illustrating a heat distribution in a motor restrained or low speed operation of an inverter power device;

도 7은 인버터 전력 소자 보호를 위한 출력 감소 패턴도.7 is an output reduction pattern diagram for inverter power device protection.

도 8은 본 발명에 따른 인버터 전력 소자 제어장치를 도시한 도면.8 is a view showing an inverter power device control apparatus according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 인버터 전력 소자의 모터 구속시 열 등가회로를 도시한 도면.9 is a diagram illustrating a thermal equivalent circuit at the time of motor restraint of an inverter power device according to the present invention;

도 10은 본 발명에 따른 인버터 전력 소자 제어에 대한 일 실시예의 흐름도.10 is a flow diagram of one embodiment for inverter power device control in accordance with the present invention.

본 발명은 인버터 전력소자의 제어에 관한 것으로, 더 상세하게는 모터 구속 및 저속 운전 조건에서 출력 가능한 토크를 계산하여 인버터 전력 소자에 드라이브되는 토크 지령을 제어하도록 함으로써, 인버터내의 반도체 전력소자의 과열을 방지하도록 하는 인버터 전력 소자 제어장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to the control of the inverter power device, and more particularly, by calculating the torque that can be output in the motor restraint and low speed operating conditions to control the torque command driven by the inverter power device, thereby overheating the semiconductor power device in the inverter The present invention relates to an inverter power device control apparatus and method for preventing the same.

일반적으로 하이브리드 전기자동차나 연료전지 전기자동차 등의 환경 차량에 적용되는 전동기로는 표면 부착형 영구자석 동기 전동기가 사용되고 있으며, 이 전동기의 구동을 제어하기 위해서 고성능 고효율의 특성을 갖으며, 백터 기법이 적용되는 인버터 시스템이 적용되고 있다.In general, a surface-mounted permanent magnet synchronous motor is used as an electric motor applied to an environmental vehicle such as a hybrid electric vehicle or a fuel cell electric vehicle, and has a high-performance, high-efficiency characteristic to control the driving of the electric motor. Applied inverter systems are being applied.

인버터 시스템은 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 통해 직류 전원을 가변 전압/가변 주파수의 3상 교류 전원으로 변환시켜 교류 모터를 구동하는 장치로서, 통상 장치의 내부에는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 스위치 역할을 하는 반도체 전력소자가 풀 브리지(Full Bridge) 형태로 구성되고, U, V, W로 이루어지는 3상의 교류 전원 출력을 위하여 3개의 레그(Leg)로 구성된다.Inverter system is a device for driving an AC motor by converting DC power into a three-phase AC power of variable voltage / variable frequency through pulse width modulation (PWM) switching, as shown in Figure 1 attached to the inside of the device The semiconductor power device serving as a switch is configured in a full bridge form and is composed of three legs for outputting three-phase AC power including U, V, and W.

따라서, 인버터 시스템은 제어기(1)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 동작되어 배터리(BA)의 직류전원을 3상 교류 전원으로 변환시켜 출력하는 경우 각 레그(Leg)의 상측(Upper) 혹은 하측(Lower) 소자중 하나가 통전되고, 전체적으로 3상에서 하나씩 도합 3개의 소자가 항상 통전 된다.Therefore, the inverter system operates according to the PWM signal applied from the controller 1 to convert the DC power of the battery BA into three-phase AC power and output the upper or lower portion of each leg. ) One of the devices is energized, and a total of three devices are always energized, one in three phases.

이와 같이, 인버터 시스템을 구성하고 있는 반도체 전력소자가 스위칭 동작을 하는 경우 열이 발생하게 되는데, 소자의 반도체 접합(Junction)이 한계 온도를 초과하면 수명이 단축되고 결국 소손되므로 적절한 방열 구조와 함께 과열 방지를 위한 보호 대책이 요구된다.As such, when the semiconductor power device constituting the inverter system performs a switching operation, heat is generated. When the semiconductor junction of the device exceeds the limit temperature, the life is shortened and eventually burned out, thereby preventing overheating with an appropriate heat dissipation structure. Protective measures are required.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 3상 레그(Leg)에 해당하는 반도체 전력소자(PD)를 패키지를 위한 금속 케이스(Tc)의 상부측에 배치하고, 이 케이스(Tc)의 하부측에 공기의 유입이 자유로운 구조의 방열판(Ts)을 배치하여, 공기의 흐름을 통해 반도체 전력소자(PD)에서 발생되는 열이 방열되도록 하고 있다.Accordingly, as shown in FIG. 2, the semiconductor power device PD corresponding to the three-phase leg is disposed on the upper side of the metal case Tc for the package, and on the lower side of the case Tc. The heat dissipation plate Ts having a structure in which air is freely introduced is disposed so that heat generated from the semiconductor power device PD is dissipated through the flow of air.

상기한 구조는 첨부된 도 3에 도시된 바와 같은 열 등가회로로 표현할 수 있으며, 반도체 전력소자의 전체 전력 손실(PLoss)을 접합과 케이스간의 열저항(Rθ,JC), 케이스와 방열판간의 열저항(Rθ,CS) 그리고 방열판과 공기간의 열저항(Rθ,SA)에 각각 곱하면 각 열저항에 걸리는 온도차가 구하여지므로, 결국 유입 공기의 온도(TA)가 주어질 때 각 상별 반도체 전력소자의 접합부 온도(Tj)와 반도체 전력소자가 장착되는 케이스의 온도(Tc), 방열판의 온도(Ts)를 구할 수 있다.The above structure can be represented by a thermal equivalent circuit as shown in FIG. 3, and the total power loss (P Loss ) of the semiconductor power device is represented by the thermal resistance (R θ, JC ) between the junction and the case, between the case and the heat sink. Multiplying the thermal resistance (R θ, CS ) and the thermal resistance (R θ, SA ) between the heat sink and air, respectively, gives the temperature difference applied to each thermal resistance, so that each phase semiconductor is given when the temperature of the inlet air (T A ) The junction temperature T j of the power device, the temperature T c of the case in which the semiconductor power device is mounted, and the temperature T s of the heat sink can be obtained.

종래의 인버터 시스템 제어장치에서는 제어기(1)는 반도체 전력소자의 케이스(Tc) 또는 방열판(Ts)에 부착되어 있는 센서로 온도를 측정하고, 인가된 부하로 발생하는 온도 상승 추정치를 합산하여 반도체 전력소자 접합부의 온도를 산출한 후 이것이 일정 온도를 초과하면 도 7에 도시된 바와 같이 미리 정해진 출력 감소 패턴에 따라 감소비율을 결정하여, 이를 토크 지령에 곱하는 방법으로써, 과부하에 따른 반도체 전력소자를 보호하도록 하고 있다.In a conventional inverter system controller, the controller 1 measures temperature with a sensor attached to a case Tc or a heat sink Ts of a semiconductor power device, and adds a temperature rise estimate generated by an applied load to add semiconductor power. After calculating the temperature of the device junction, if it exceeds a certain temperature, as shown in FIG. 7, the reduction ratio is determined according to a predetermined output reduction pattern, and multiplied by the torque command to protect the semiconductor power device due to overload. I'm trying to.

그러나, 인버터 시스템의 방열구조는 모터의 단시간 및 연속 정격 부하를 만 족시키도록 설계되는데, 일반적인 방열 설계나 보호대책은 반도체 전력소자의 방열량이 각 상(U, V, W) 마다 균등하다는 것을 전제로 한다.However, the heat dissipation structure of the inverter system is designed to satisfy the short time and continuous rated load of the motor. The general heat dissipation design or protection measures assume that the heat dissipation of semiconductor power devices is equal for each phase (U, V, W). Shall be.

인버터 시스템은 모터 속도에 비례하는 출력 전류의 주파수에 따라 반도체 전력소자의 발열분포 특성이 영향을 받는데, 다음의 두 가지 경우가 고려된다.In the inverter system, the heating distribution characteristic of the semiconductor power device is affected by the frequency of the output current which is proportional to the motor speed. The following two cases are considered.

하나는, 전류 변화가 반도체 전력소자 접합의 온도 시정수 보다 빠른 경우로, 이는 모터의 속도가 저속 문턱 속도를 초과하는 경우로서, 반도체 전력소자의 온도 상승이 필터링 되어 3상 반도체 소자의 발열량은 균등하게 된다.One is the case where the current change is faster than the temperature time constant of the semiconductor power device junction. This is a case where the speed of the motor exceeds the low threshold speed. The temperature rise of the semiconductor power device is filtered so that the amount of heat generated in the three-phase semiconductor device is even. Done.

이는 도 4에 도시된 각 상별 위상 파형에서 알 수 있는 바와 같이, 교류의 RMS 전류에 해당하는 발열량이며, 직류 전류가 흐르는 것과 동일한 값이다.As can be seen from the phase waveforms for each phase shown in FIG. 4, this is a calorific value corresponding to the RMS current of an alternating current, and is the same as that of the direct current flowing.

또 다른 하나는, 전류 변화가 반도체 전력소자 접합의 온도 시정수 보다 느린 경우로, 이는 모터가 구속조건 또는 모터의 속도가 저속 문턱속도 이하인 경우로서, 반도체 전력소자의 온도 상승은 전류의 순시적인 값에 의존하게 되어 3상 반도체 전력소자의 발열량이 불균등하게 된다.The other is that the current change is slower than the temperature time constant of the semiconductor power device junction, which is when the motor is under constraint or the speed of the motor is lower than the low threshold speed. The temperature rise of the semiconductor power device is an instantaneous value of the current. Therefore, the amount of heat generated by the three-phase semiconductor power device becomes uneven.

특히, 구속 조건인 경우 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 상에 RMS(Root Mean Square)의

Figure 112006049283185-pat00012
가 되는 정현파의 피크가 인가되므로, 주울열(Joule Heating)은 전류의 제곱에 비례함에 따라 통상시의 발열량의 2배가되는 최악의 조건이 발생하게 된다.In particular, in the case of a constraint, as shown in FIG. 4, the root mean square (RMS) of one phase
Figure 112006049283185-pat00012
Since the peak of the sine wave to be applied, Joule heating (Wule heating) is proportional to the square of the current occurs the worst condition that doubles the amount of heat generated in normal times.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 통상의 운전 조건에서 각 상의 반도체 전력소자의 손실과 발열량이 균등한 조건으로 설계된 방열 구조에 적용되는 보호 로직에서는 도 6에 도시된 바와 같이 어느 한 상의 반도체 전력소자(U)에 발열이 집중됨에 따라 해당 반도체 전력소자의 과열을 피할 수 없게 되며, 이 경우 해당 반 도체 전력소자의 접합부 온도가 한계 조건을 초과하게 되어 결국 소자의 소손이 초래되는 문제점이 발생한다.Therefore, as shown in FIG. 5, in the protection logic applied to the heat dissipation structure designed for equal loss and heat generation of each phase of the semiconductor power device under normal operating conditions, as shown in FIG. 6, the semiconductor power device of any one phase is shown in FIG. 6. As heat generation is concentrated at (U), overheating of the semiconductor power device cannot be avoided. In this case, the junction temperature of the semiconductor power device exceeds the limit condition, resulting in a problem that the device is burned out.

상기의 도 5 및 도 6에서 △Tj,u는 U상에서의 주울열이고, △Tj,v는 V상에서의 주울열이며, △Tj,w는 W상에서의 주울열이며, Rjc는 반도체 전력소자와 케이스간의 열 저항이다.5 and 6 in the above, ΔT j, u is Joule heat on the U phase, ΔT j, v is Joule heat on the V phase, ΔT j, w is Joule heat on the W phase, R jc is Thermal resistance between the semiconductor power device and the case.

즉, 도 7과 같이 미리 설정된 출력 감소 패턴에 따라 인버터내의 반도체 전력소자의 과열을 보호하는 방법은 구속 또는 저속 운전 조건에서 도 6에 도시된 바와 같이 각 상의 온도 불균형이 발생하게 되어, 하나의 상에 대한 반도체 전력소자의 온도가 한계온도를 초과하게 됨으로써, 해당 반도체 전력소자가 소손되는 중대한 문제점이 발생한다.That is, in the method of protecting the overheat of the semiconductor power device in the inverter according to the preset power reduction pattern as shown in FIG. 7, the temperature imbalance of each phase occurs as shown in FIG. As the temperature of the semiconductor power device for the temperature exceeds the limit temperature, a significant problem occurs that the semiconductor power device burns out.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 모터 구속 및 저속 운전 조건에서 출력 가능한 토크를 계산하여 인버터 전력 소자에 드라이브되는 토크 지령을 제어하도록 함으로써, 인버터 전력 소자의 과열을 방지하도록 하며, 모터 구속을 만족하는 방열 설계를 제공하도록 한 것이다.The present invention has been invented to solve the above problems, the object of which is to calculate the torque that can be output in the motor restraint and low speed operating conditions to control the torque command driven by the inverter power element, thereby overheating the inverter power element It is to provide a heat dissipation design that satisfies the motor restraint.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 토크 지령과 센싱되는 반도체 전력소자의 케이스 온도로부터 모터 구속시의 접합부 최대온도를 추정하고, 이 추정된 최대 온도가 설정된 제한온도를 초과함과 동시에 모터가 저속조건으로 운전되는 경우 반도체 전력소자의 제한 온도치와 센싱된 케이스 온도의 차이로부터 모터 구속시의 최대 허용 인버터 손실을 계산하고, 이로부터 인버터 손실의 역함수로써 모터 구속시의 출력 가능한 토크를 계산하여 인버터 반도체 전력소자에 드라이브되는 토크 지령을 제한하여 반도체 전력소자의 과열이 방지되도록 한다.The present invention for achieving the above object is to estimate the maximum temperature of the junction portion when the motor restrained from the case temperature of the torque command and the sensed semiconductor power element, and the estimated maximum temperature exceeds the set limit temperature and the motor When operating at low speed, the maximum allowable inverter loss at the time of motor restraint is calculated from the difference between the limit temperature value of the semiconductor power element and the sensed case temperature. The torque command driven to the inverter semiconductor power device is limited to prevent overheating of the semiconductor power device.

이때, 모터 구속시와 저속 문턱값까지의 속도에 따라 0.5 배에서 1배까지를 갖는 이득 패턴을 곱하여 허용 인버터 손실을 구함으로써, 저속 영역에서 가능한 최대의 토크가 발휘되도록 한다. At this time, by multiplying the gain pattern having 0.5 times to 1 times according to the motor restraint and the speed up to the low speed threshold, the allowable inverter loss is obtained, so that the maximum torque possible in the low speed region is exerted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 인버터 전력소자 제어장치는 접합온도 추정부(10)와, 이득 산출부(20), 최대 허용토크 산출부(30), 제1스위치(40) 및 제2스위치(50)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 8, the inverter power device control apparatus according to the present invention includes a junction temperature estimation unit 10, a gain calculation unit 20, a maximum allowable torque calculation unit 30, a first switch 40, and a first switch 40. It is configured to include two switches (50).

접합온도 추정부(10)는 토크 지령(Trq*)에 대하여 인버터 손실을 산출하고, 이에 대하여 반도체 전력소자 열저항(Rjc/3)의 2배를 곱한 다음 열시정수를 고려하기 위하여 지연계를 통해 일정시간 지연하며, 열시정수가 고려된 토크 지령과 케이스 온도(Tc)를 합 연산하여 모터 구속시의 접합부 온도를 추정한다.The junction temperature estimation unit 10 calculates an inverter loss with respect to the torque command Trq *, multiplies this by twice the thermal resistance of the semiconductor power device Rjc / 3, and then, through a delay meter to consider the thermal time constant. Delay the fixed time and calculate the junction temperature at the motor restraint by calculating the sum of the torque command and the case temperature (Tc).

상기 접합온도 추정부(10)는 토크 지령(Trq*)에 대하여 인버터 손실을 산출하는 인버터 손실 추출기(11)와, 상기 인버터 손실이 적용된 토크 지령에 대하여 반도체 전력소자 열저항(Rjc/3)의 2배를 곱하는 곱셈기(12)와, 반도체 전력소자 열저항(Rjc/3)의 2배가 곱 연산된 토크 지령에 대하여 열시정수를 고려하기 위해 설 정된 시간만큼 지연시키는 지연계(13) 및 모터 구속시 반도체 전력소자의 접합부 온도를 추정하기 위하여 센싱되는 케이스의 온도(Tc)와 상기 지연계(13)를 통해 출력되는 토크 지령을 합 연산하는 덧셈기(14)를 포함하여 구성된다.The junction temperature estimator 10 includes an inverter loss extractor 11 for calculating an inverter loss with respect to the torque command Trq *, and a semiconductor power element thermal resistance Rjc / 3 with respect to the torque command to which the inverter loss is applied. A multiplier 12 multiplying by a factor of two, and a retarder 13 and a motor restraint delaying the set time to take into account the thermal time constant for a torque command multiplied by two times the semiconductor power element thermal resistance (Rjc / 3). And an adder 14 that calculates a sum of the temperature Tc of the case sensed and the torque command output through the retarder 13 to estimate the junction temperature of the time semiconductor power device.

이득 산출부(20)는 피드백 검출되는 모터의 속도를 절대값으로 취한 다음 속도에 따라 구속시와 저속 문덕값까지 0.5배에서 1배까지의 이득을 산출한다.The gain calculation unit 20 takes the speed of the motor detected by the feedback as an absolute value and then calculates the gain of 0.5 to 1 times up to the time of restraint and the low speed Mongdeok value according to the speed.

바람직하게는 구속시 0.5배의 이득이 산출되고, 저속 문덕값에서는 1배의 이득이 산출되며, 그 사이의 구간에서는 속도에 따라 설정된 테이블에 의해 적절한 이득이 산출된다.Preferably, the gain of 0.5 times at the time of restraint is calculated, and the gain of 1 times is calculated at the low speed mound value, and the appropriate gain is calculated by the table set according to the speed in the interval therebetween.

상기 이득 산출부(20)는 피드백 검출되는 모터 속도를 절대값으로 취하는 절대값 산출기(21)와, 모터의 속도 조건에 따라 설정된 테이블에서 이득을 추출하는 이득 추출기(22)를 포함한다.The gain calculator 20 includes an absolute value calculator 21 that takes the motor speed to be detected as an absolute value and a gain extractor 22 that extracts a gain from a table set according to the speed condition of the motor.

최대 허용토크 산출부(30)는 반도체 전력소자의 접합부 한계온도(Tmax)에서 지연계를 통해 접합부 열시정수가 고려된 케이스 온도(Tc)를 감산하고, 감산된 결과를 반도체 전력소자 열저항(Rjc)으로 나눈 다음 상기 이득 산출부(20)에서 산출된 이득을 곱한 후 속도에 연동된 여유분의 허용 온도차를 산출한 후 인버터 손실 역함수를 적용하여 최대 허용 토크를 산출한다.The maximum allowable torque calculating unit 30 subtracts the case temperature Tc considering the junction thermal time constant from the junction limit temperature Tmax of the semiconductor power device, and considers the junction thermal time constant, and subtracts the result of the semiconductor power device thermal resistance Rjc. After dividing by), multiplying the gain calculated by the gain calculating unit 20 and calculating the allowable temperature difference of the margin linked to the speed, and then calculates the maximum allowable torque by applying the inverter loss inverse function.

상기 최대 허용토크 산출부(30)는 검출되는 케이스 온도(Tc)에 대하여 접합부의 열시정수를 고려하기 위하여 설정된 일정시간을 지연시키는 지연계(31)와, 반도체 전력소자의 접합부 한계온도(Tmax)에서 지연계(31)를 통과하여 열시정수가 고려된 케이스 온도(Tc)를 감산하는 감산기(32)와, 이 감산기(32)를 거친 결과값을 반도체 전력소자 열저항(Rjc)으로 나누는 나눗셈기(33)와, 이 나눗셈기(33)를 거친 결과값에 상기 이득 산출부(20)에서 인가되는 모터 속도에 따른 이득을 곱하는 곱셈기(34) 및, 곱셈기(34)의 출력값에 인버터 손실 역함수를 적용하는 인버터 손실 역함수기(35)를 포함한다.The maximum allowable torque calculation unit 30 includes a delay meter 31 for delaying a predetermined time set to consider the thermal time constant of the junction with respect to the case temperature Tc detected, and a junction threshold temperature Tmax of the semiconductor power device. A subtractor 32 that passes through the retarder 31 and subtracts the case temperature Tc considering the thermal time constant, and a divider that divides the result of the subtractor 32 into the semiconductor power element thermal resistance Rjc. (33), the multiplier 34 multiplying the result of the divider 33 by the gain according to the motor speed applied by the gain calculating section 20, and the inverse of the inverter loss function to the output value of the multiplier 34. Inverter loss inverse function 35 is applied.

제1스위치(40)는 제1접점(i1)에 최대 허용토크 산출부(30)의 출력이 연결되고, 제2접점(i2)에 모터 최대 토크(Trq_max)가 연결되며, 접합온도 추정부(10)에서 인가되는 반도체 전력소자의 접합부 추정 온도의 정보에 따라 접점이 선택되어 구속조건 혹은 저속구간에서 산출되는 최대 허용 토크 혹은 현재 제어되는 모터 최대 토크 (Trq_max)의 출력이 선택된다.The first switch 40 is connected to the output of the maximum allowable torque calculating unit 30 to the first contact i1, the motor maximum torque Trq_max is connected to the second contact i2, and the junction temperature estimating unit ( The contact is selected according to the information of the junction estimated temperature of the semiconductor power device applied in 10), and the output of the maximum allowable torque calculated in the constraint condition or the low speed section or the maximum motor torque (Trq_max) currently controlled.

즉, 반도체 전력소자 접합부의 추정 온도가 설정된 한계 온도를 초과하면 최대 허용 토크의 출력이 선택되고, 한계 온도를 초과하지 않으면 모터 최대 토크의 출력이 선택된다.That is, the output of the maximum allowable torque is selected if the estimated temperature of the semiconductor power device junction exceeds the set limit temperature, and the output of the motor maximum torque is selected if the limit temperature is not exceeded.

제2스위치(50)는 제1접점(i1)에 모터 최대 토크(Trq_max)가 연결되고, 제2접점(i2)에 제1스위치(40)의 출력이 연결되며, 모터 속도에 따라 접점이 선택되어 구속조건 혹은 저속구간에서 산출되는 최대 허용 토크 혹은 현재 제어되는 모터 최대 토크 (Trq_max)의 출력이 선택된다.The second switch 50 has a motor maximum torque Trq_max connected to the first contact i1, an output of the first switch 40 connected to the second contact i2, and a contact selected according to the motor speed. The maximum allowable torque calculated from the constraint or low speed section or the output of the currently controlled motor maximum torque (Trq_max) is selected.

모터 구속시의 인버터의 열 등가회로는 첨부된 도 9에 도시된 바와 같이 3상 반도체 전력소자의 접합 온도를 고려한 병렬 구조를 갖는 열 등가회로를 사용한다.The thermal equivalent circuit of the inverter at the time of motor restraint uses a thermal equivalent circuit having a parallel structure in consideration of the junction temperature of the three-phase semiconductor power device as shown in FIG. 9.

상기한 도 9에서 반도체 전력소자 접합부의 온도는 하기의 수학식을 통해 산 출한다.In FIG. 9, the temperature of the semiconductor power device junction is calculated through the following equation.

Figure 112004058945829-pat00001
Figure 112004058945829-pat00001

여기서, X=U,V,W 이다.Where X = U, V, W.

그리고, PLOSS는 반도체 전력소자의 전력 손실이고, Tf는 접합부 온도이며, TJ,U는 U상에 대한 접합부 온도이고, TJ,V는 V상에 대한 접합부 온도이며, TJ,W 는 W상에 대한 접합부 온도이다.P LOSS is the power loss of the semiconductor power device, T f is the junction temperature, T J, U is the junction temperature for the U phase, T J, V is the junction temperature for the V phase , and T J, W Is the junction temperature for the W phase.

Tc는 케이스 온도이고, Ts는 방열판의 온도이고, Ta는 방열판을 흐르는 공기의 온도이고, Rθ는 열 저항이고, τJ는 접합부의 터미널 시정수이다. Tc is the case temperature, Ts is the temperature of the heat sink, Ta is the temperature of the air flowing through the heat sink, R θ is the thermal resistance, and τ J is the terminal time constant of the junction.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명에서 인버터 전력소자의 제어에 대한 동작은 다음과 같이 실행된다.In the present invention including the function as described above, the operation for the control of the inverter power device is performed as follows.

모터의 구동이 제어되면 토크 지령(Trq*)을 판독하고(S101), 피드백 검출을 통해 모터의 속도를 검출하며(S102), 반도체 전력소자를 접속하고 있는 케이스의 온도(Tc)를 검출한다(S103).When the driving of the motor is controlled, the torque command Trq * is read (S101), the speed of the motor is detected through feedback detection (S102), and the temperature Tc of the case connecting the semiconductor power device is detected ( S103).

이후, 인버터 손실 추출기(11)를 통해 토크 지령(Trq*)에 대한 인버터 손실을 구하고, 인버터 손실이 감안된 토크 지령에 곱셈기(12)를 통해 반도체 전력소자 열저항(Rjc)의 2배를 곱하며, 상기 곱셈기(12)의 출력 결과를 지연계(13)를 통과시켜 설정된 일정시간을 지연하여 열시정수가 고려되도록 한다.After that, the inverter loss for the torque command Trq * is obtained through the inverter loss extractor 11, and the torque command considering the inverter loss is multiplied by twice the semiconductor power element thermal resistance Rjc through the multiplier 12. In addition, the output time of the multiplier 12 is passed through the delay system 13 to delay a predetermined time set so that the thermal time constant is considered.

그 다음에 덧셈기(14)를 이용하여 열시정수가 고려된 토크 지령과 케이스 온도(Tc)를 합산하여 모터 구속시 반도체 전력소자의 접합부 온도를 추정한다(S104).Then, by using the adder 14, the torque command considering the thermal time constant and the case temperature Tc are summed to estimate the junction temperature of the semiconductor power device when the motor is locked (S104).

그리고, 모터의 속도에 대하여 절대값을 취한 다음 속도의 조건에 따라 설정된 테이블로부터 이득을 추출한다(S105).Then, the absolute value is taken with respect to the speed of the motor, and then the gain is extracted from the table set according to the condition of the speed (S105).

바람직하게는 모터의 구속시 0.5배의 이득이 산출되고, 저속 문덕값에서는 1배의 이득이 산출되며, 그 사이의 구간에서는 속도에 따라 설정된 테이블에 의해 적절한 이득이 산출된다.Preferably, the gain of 0.5 times at the time of restraint of the motor is calculated, and the gain of 1 times is calculated at the low speed mound value, and the appropriate gain is calculated by the table set according to the speed in the interval therebetween.

또한, 반도체 전력소자의 접합부 한계온도(Tmax)에서 지연계(31)를 통하면서 접합부 열시정수가 고려된 케이스 온도(Tc)를 감산기(32)를 이용하여 감산하고, 감산된 결과를 나눗셈기(33)를 이용하여 반도체 전력소자 열저항(Rjc)으로 나눈 다음 곱셈기(34)를 이용하여 상기 이득 산출부(20)에서 산출된 이득을 곱하여 속도에 연동된 여유분의 허용 온도차를 산출한 후 인버터 손실의 역함수를 적용하여 최대 허용 토크를 산출한다.In addition, the case temperature Tc of the junction power temperature considering the junction thermal time constant is subtracted using the subtractor 32 while passing through the retarder 31 at the junction limit temperature Tmax of the semiconductor power device. 33), divided by the semiconductor power element thermal resistance (Rjc), and then multiplied by the gain calculated by the gain calculator 20 using the multiplier 34 to calculate the allowable temperature difference of the margin linked to the speed, the inverter loss Calculate the maximum allowable torque by applying the inverse function of.

이후, 상기 S104에서 추정된 반도체 전력소자의 접합부 온도가 설정된 제한 온도를 초과하는지를 판단한다(S107).Thereafter, it is determined whether the junction temperature of the semiconductor power device estimated in S104 exceeds the set limit temperature (S107).

상기 S107의 판단에서 제한온도를 초과하는 것을 판단되면 접합온도 추정부(10)는 제1스위치(40)의 접점을 제1접점(i1)으로 선택시킨다.If it is determined in S107 that the limit temperature is exceeded, the junction temperature estimating unit 10 selects the contact point of the first switch 40 as the first contact point i1.

그리고, 상기 모터의 속도로부터 모터의 현재 조건이 구속 조건 혹은 저속 구간의 조건인지를 판단한다(S108).Then, it is determined whether the current condition of the motor is a constraint condition or a condition of a low speed section from the speed of the motor (S108).

상기 S108에서 모터가 구속 조건 혹은 저속 구간인 것으로 판단되면 모터의 조건에 의해 제2스위치(50)의 접점을 제2접점(i1)으로 선택시킨다.If it is determined in S108 that the motor is in a restraint condition or a low speed section, the contact of the second switch 50 is selected as the second contact i1 according to the condition of the motor.

따라서, 반도체 전력소자의 접합부 온도가 설정된 제한온도를 초과하고, 모터가 구속 조건 혹은 저속 조건으로 운전되는 경우 케이스 온도(Tc)의 조건에 의해 산출되는 최대 허용 토크로 반도체 전력소자의 스위칭을 제어한다(S109)(S110).Therefore, when the junction temperature of the semiconductor power device exceeds the set limit temperature and the motor is operated under restraint conditions or low speed conditions, the switching of the semiconductor power device is controlled by the maximum allowable torque calculated by the condition of the case temperature Tc. (S109) (S110).

그러나, 반도체 전력소자의 접합부 추정온도가 설정된 제한온도를 초과하지 않거나 모터가 구속 조건 혹은 저속 구간이 아닌 상태이면 제1스위치(40)의 제2접점(i2) 또는 제2스위치(50)의 제1접점(50)을 통해 현재의 토크 지령에 대한 최대의 토크로 반도체 전력소자의 스위칭을 제어한다(S111)(S110).However, if the estimated temperature of the junction of the semiconductor power device does not exceed the set limit temperature or the motor is not in the constraint condition or the low speed section, the second contact i2 of the first switch 40 or the second switch 50 may be formed. The switching of the semiconductor power device is controlled with the maximum torque for the current torque command through the one contact point 50 (S111) (S110).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 환경차량에서 모터의 구동을 제어함에 있어 모터의 구속 또는 저속 운전 구간에서 안정된 토크의 제어를 통해 인버터 내 반도체 전력소자의 과열이 발생되지 않도록 함으로써, 인버터의 손상이 방지된다.
As described above, the present invention prevents damage to the inverter by preventing overheating of the semiconductor power device in the inverter by controlling the driving of the motor in the environmental vehicle and controlling the stable torque in the low speed operation section of the motor. do.

Claims (9)

토크 지령에 대하여 인버터 손실을 산출하고, 이에 대하여 반도체 전력소자 열저항의 2배를 곱한 다음 설정된 시간의 지연을 통해 열시정수를 고려하고, 열시정수가 고려된 토크지령과 케이스 온도를 합 연산하여 모터 구속시의 접합부 온도를 추정하는 접합온도 추정부와;The inverter loss is calculated for the torque command, multiplied by twice the thermal resistance of the semiconductor power device, and the thermal time constant is considered through the delay of the set time, and the torque command considering the thermal time constant and the case temperature are calculated to sum the motor. A junction temperature estimation section for estimating the junction temperature at the time of restraint; 모터의 속도에 따라 구속시와 저속 문덕값까지 0.5배에서 1배까지의 이득을 산출하는 이득 산출부와;A gain calculating unit for calculating a gain of 0.5 to 1 times from the time of restraint and the low speed Mengdeok value according to the speed of the motor; 반도체 전력소자의 접합부 한계온도에서 열시정수가 고려된 케이스 온도를 감산하고, 감산된 결과를 반도체 전력소자 열저항으로 나눈 다음 상기 이득 산출부에서 산출된 이득을 곱하여 속도에 연동된 여유분의 허용 온도차를 산출한 후 인버터 손실 역함수를 적용하여 최대 허용 토크를 산출하는 최대 허용토크 산출부와;Subtract the case temperature considering the thermal time constant from the junction limit temperature of the semiconductor power device, divide the subtracted result by the thermal resistance of the semiconductor power device, and multiply the gain calculated by the gain calculator to calculate the allowable temperature difference of the margin linked to the speed. A maximum allowable torque calculator for calculating a maximum allowable torque by applying an inverter loss inverse function after the calculation; 제1접점(i1)에 최대 허용토크 산출부의 출력이 연결되고, 제2접점(i2)에 모터 최대 토크가 연결되며, 접합온도 추정부에서 인가되는 접합부 추정 온도에 따라 접점이 선택되어 최대 허용 토크 혹은 현재 제어되는 최대 토크의 출력을 선택하는 제1스위치와;The output of the maximum allowable torque calculating unit is connected to the first contact i1, the motor maximum torque is connected to the second contact i2, and the contact is selected according to the junction estimated temperature applied by the junction temperature estimating unit so that the maximum allowable torque is connected. Or a first switch for selecting an output of the maximum torque currently controlled; 제1접점(i1)에 모터 최대 토크가 연결되고, 제2접점(i2)에 제1스위치의 출력이 연결되며, 모터 속도에 따라 접점이 선택되어 최대 허용 토크 혹은 현재 제어되는 최대 토크의 출력을 선택하는 제2스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어장치.The maximum torque of the motor is connected to the first contact i1, the output of the first switch is connected to the second contact i2, and the contact is selected according to the motor speed to output the maximum allowable torque or the maximum torque currently controlled. Inverter power device control device comprising a second switch for selecting. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 접합온도 추정부는 토크 지령에 대하여 인버터 손실을 산출하는 인버터 손실 추출기와;The junction temperature estimator includes an inverter loss extractor for calculating an inverter loss with respect to a torque command; 상기 인버터 손실이 적용된 토크 지령에 대하여 반도체 전력소자 열저항의 2배를 곱하는 곱셈기와;A multiplier multiplying twice the thermal resistance of the semiconductor power element by the torque command to which the inverter loss is applied; 반도체 전력소자 열저항의 2배가 곱 연산된 토크 지령에 대하여 열시정수를 고려하기 위해 설정된 시간만큼 지연시키는 지연계 및;A retarder for delaying a torque command multiplied by twice the thermal resistance of the semiconductor power element by a set time for considering the thermal time constant; 케이스의 온도와 상기 지연계를 통해 출력되는 토크 지령을 합 연산하는 덧셈기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어장치.And an adder configured to sum the temperature of the case and the torque command output through the retarder. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 이득 산출부는 모터 구속시 0.5배의 이득이 산출되고, 저속 문덕값에서는 1배의 이득이 산출되며, 그 사이의 구간에서는 속도에 따라 설정된 테이블에 의해 이득값이 산출되는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어장치.The gain calculator calculates a gain of 0.5 times when the motor is restrained, calculates a gain of 1 times in the low speed Medung value, and calculates a gain value by a table set according to the speed in the interval therebetween. Device control device. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 이득 산출부는 모터 속도를 절대값으로 취하는 절대값 산출기와;The gain calculator includes an absolute value calculator that takes a motor speed as an absolute value; 모터의 속도 조건에 따라 설정된 테이블에서 이득을 추출하는 이득 추출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어장치.And a gain extractor for extracting a gain from a table set according to the speed condition of the motor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 최대 허용토크 산출부는 케이스 온도에 대하여 접합부의 열시정수를 고려하기 위하여 설정된 일정시간을 지연시키는 지연계와;The maximum allowable torque calculating unit and the delay system for delaying a predetermined time set to consider the thermal time constant of the junction with respect to the case temperature; 반도체 전력소자의 접합부 한계온도에서 상기 지연계를 통과하여 열시정수가 고려된 케이스 온도를 감산하는 감산기와;A subtractor for subtracting the case temperature considering the thermal time constant from the junction threshold temperature of the semiconductor power device by passing through the retarder; 상기 감산기를 거친 결과값을 반도체 전력소자 열저항으로 나누는 나눗셈기와;A divider for dividing the resultant value obtained by the subtractor by thermal resistance of a semiconductor power device; 상기 나눗셈기를 거친 결과값에 상기 이득 산출부에서 인가되는 모터 속도에 따른 이득을 곱하는 곱셈기 및;A multiplier for multiplying a result of the divider by a gain according to a motor speed applied by the gain calculator; 상기 곱셈기의 출력값에 인버터 손실 역함수를 적용하는 인버터 손실 역함수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어장치.And an inverter loss inverse function which applies an inverter loss inverse function to an output value of the multiplier. 모터 제어를 위한 토크 지령과 모터 속도 및 반도체 전력소자의 케이스 온도를 검출하는 과정과;Detecting a torque command for controlling the motor, a motor speed, and a case temperature of the semiconductor power device; 상기 토크 지령에 대한 인버터 손실과 반도체 전력소자 접합부의 열저항 및 열시정수를 적용한 후 케이스의 온도와 합 연산하여 현재의 제어 조건에 대한 반도체 전력소자의 접합부 온도를 추정하는 과정과;Estimating the junction temperature of the semiconductor power device for the current control condition by applying the inverter loss to the torque command, the thermal resistance and the thermal time constant of the junction of the semiconductor power device, and calculating the sum with the temperature of the case; 상기 모터의 속도에 따라 설정된 테이블로부터 이득을 추출하는 과정과;Extracting gain from a table set according to the speed of the motor; 상기 반도체 전력소자 접합부의 최대온도에서 열시정수가 적용된 케이스 온 도를 감산하고, 열저항과 모터 속도에 따른 이득 및 인버터 손실의 역함수를 적용하여 현재의 제어 조건에 대한 최대 허용 토크를 산출하는 과정과;Calculating the maximum allowable torque for the current control condition by subtracting the case temperature to which the thermal time constant is applied from the maximum temperature of the semiconductor power device junction and applying an inverse function of gain and inverter loss according to thermal resistance and motor speed; ; 상기 추정되는 반도체 전력소자의 접합부 온도가 설정된 제한온도를 초과하고, 모터가 저속 구간에서 운전되는지를 판단하는 과정 및;Determining whether the junction temperature of the estimated semiconductor power device exceeds a set limit temperature and the motor is operated in a low speed section; 접합부의 온도가 설정된 제한온도를 초과하고, 모터가 저속 구간에서 운전되면 상기 산출된 최대 허용 토크로 반도체 전력소자의 스위칭을 제어하여 모터의 운전을 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어방법. Inverter power device comprising the step of controlling the operation of the motor by controlling the switching of the semiconductor power device with the calculated maximum allowable torque when the temperature of the junction exceeds the set limit temperature, and the motor is operated in the low speed section Control method. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 접합부의 온도가 설정된 제한온도를 초과하지 않거나 모터가 고속 구간에서 운전되면 현재의 토크 지령에 대하여 최대 토크로 모터의 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어방법.And controlling the operation of the motor at the maximum torque with respect to the current torque command when the temperature of the junction does not exceed a set limit temperature or the motor is operated in a high speed section. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 현재의 제어 조건에 대한 반도체 전력소자의 접합부 온도 추정은, 토크 지령에 대하여 인버터 손실을 추출하고, 인버터 손실이 추출된 토크 지령에 반도체 전력소자의 열저항을 2배 곱하며, 열시정수를 고려하여 설정된 일정시간을 지연한 후 케이스 온도와 합 연산하여 그 결과값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어방법. The junction temperature estimation of the semiconductor power device for the current control condition extracts the inverter loss with respect to the torque command, multiplies the thermal resistance of the semiconductor power device by the torque command from which the inverter loss is extracted, and considers the thermal time constant. And a predetermined time delay is calculated and then summed with the case temperature to estimate the result. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 현재의 제어 조건에 대한 최대 허용 토크는, 반도체 전력소자 접합부의 한계온도에서 열시정수가 고려된 케이스 온도를 감산하고, 그 결과를 반도체 전력소자의 열저항으로 나눈 다음 모터 속도에 따른 이득값을 곱 연산하고, 곱 연산 결과에 인버터 손실의 역함수를 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 전력 소자 제어방법.The maximum allowable torque for the current control condition is subtracted the case temperature considering the thermal time constant from the limit temperature of the junction of the semiconductor power device, the result divided by the thermal resistance of the semiconductor power device, and then the gain value according to the motor speed. And calculating the product by applying the inverse function of the inverter loss to the product operation result.
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