KR100747228B1

KR100747228B1 - 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법

Info

Publication number: KR100747228B1
Application number: KR1020060038792A
Authority: KR
Inventors: 문상현; 임형빈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-08-07
Also published as: JP2007300782A; CN101064426B; US20070252548A1; CN101064426A; JP5080791B2

Abstract

본 발명은 모터의 구속시 또는 저속영역에서 운전시 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호하기 위한 방법으로서, 각 단계는 상기 모터의 구동에 따른 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 최대 허용온도 및 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도를 검출한 후 연산하고, 상기 모터의 구동에 따른 모터의 구동속도 절대치를 산출한 후 산출된 상기 모터의 구동속도 절대치에 따라 패턴 이득을 상이하게 적용하는 제1 단계; 모터 토크 지령 및 모터 속도를 이용하여 상기 모터의 구동에 따른 인버터 손실을 산출하는 제2 단계; 상기 제1 단계와 제2 단계에서 산출된 값을 연산하여, 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 산출하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 산출된 온도 차를 피드백 입력받는 PI제어기의 출력을 제한하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계의 상기 PI제어기 출력을 이용하여 입력되는 상기 모터 토크 지령에 따른 상기 모터 구동 토크 출력을 제한하는 제5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

모터, 구속, 저속, 인버터, 전력소자

Description

모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법 {A method for protect inverter power device from overheating when a motor stalled}

도 1a는 일반적인 인버터 구조도.
도 1b는 종래 전력소자의 통상 운전시 발열 분포를 도시한 도면.

도 1c는 종래 전력소자의 모터 구속 또는 저속 운전시 발열 분포를 도시한 도면.
도 1d는 일반적인 인버터 내 전력소자의 방열 구조도.

도 1e는 종래 전력소자의 과열 보호를 위한 토크 출력감소 패턴도.

도 1f는 종래 전력소자의 과열 보호를 위한 블록 다이어그램 도면.

도 2는 본 발명에 따른 전력소자의 과열 보호를 위한 블록 다이어그램 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전력소자의 과열 보호를 위한 순서도.

본 발명은 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 모터의 구속시 또는 저속영역에서 운전시 출력가능한 모터 토크를 제한함으로써 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호할 수 있도록 한 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 인버터(inverter)는 직류전원으로부터 가변 전압/가변 주파수의 3상 교류전원을 발생시켜 교류 모터를 구동하는 장치로서, 통상 인버터 장치 내부에 스위치 역할을 하는 전력소자가 full-bridge 형태로 사용된다. 이러한, 인버터 구동시 내부 전력소자에는 열이 발생하게 되는데, 상기 전력소자의 반도체 접합(junction) 부분에서 한계온도를 초과하게 되면 그에 따라 전력소자의 수명이 단축되게 되고 그에 따라 전력소자가 소손되므로 적절한 방열구조가 필요한 실정이다. 이러한, 인버터의 방열구조는 모터의 단시간 및 연속 정격부하를 만족시키도록 설계되는데, 이러한 방열구조 설계시 전력소자의 발열량은 각 상(U,V,W)마다 균등하게 이루어지는 것을 전제로 한다(도 1a 참조). 그러나, 모터가 구속조건 또는 저속영역에서 운전될 때 각 상(U,V,W)에서의 발열량은 편차가 발생하게 되고, 특히 구속상태에서는 최악의 경우 한 상에서의 발열량이 균등시의 2배까지 이를 수 있게 되는데, 이때 접합부의 온도가 한계조건을 초과하는 경우 전력소자의 소손을 가져오게 되는 것이다.
상세히 하면, 인버터의 방열구조는 통상의 운전 조건에서는 각 상의 전력소자의 손실과 발열량이 균등하지만(도 1b 참조) 구속상태에서는 어느 한 상의 전력소자에 발열이 집중됨에 따라(도 1c 참조) 해당 반도체 전력소자의 과열을 피할 수 없게 되며, 이 경우 해당 반도체 전력소자의 접합부 온도가 한계 조건을 초과하게 되어 결국 소자의 소손이 초래되는 문제점이 있다.

이를 위해, 종래에는 모터 구속조건시 과부하에 따른 인버터 내 전력소자를 보호하기 위해 도 1d에서 보는 바와 같이, 전력소자의 케이스(Tc) 또는 방열판(Ts)상에 센서를 장착하여 온도를 측정하고 인가된 부하에 의해 발생되는 온도 상승 산출치를 합산하여 전력소자 접합부에서의 온도를 산출한 후, 일정온도 초과시 기설정된 출력감소 패턴(도 1e 참조)에 따라 감소비율을 정하고 이를 토크지령(Trq*)에 곱하는 방법을 통해 과부하에 따른 전력소자를 과열로부터 보호할 수 있도록 하였다(도 1f 참조). 참고로, 도 1f에서 'Tc'는 케이스 온도를 의미한다.

하지만, 상기와 같은 출력감소 패턴을 이용하여 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호하는 종래 방법은 모터의 구속시 또는 저속 운전조건하에서 전력소자의 각 상에서 온도 불균형이 발생할 수 있으며, 어느 한 상에서 검출온도가 한계온도 를 초과하는 경우 전력소자가 소손될 수 있는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터의 구속시 또는 저속영역에서 운전시 출력가능한 토크를 제한하여 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호하기 위해 전력소자의 제한 온도치와 케이스 온도의 차이로부터 계산된 최대 인버터 손실과 열저항의 곱으로 계산된 접합부-케이스의 온도 차이를 피이드백한 값을 PI제어기에서 입력값으로 입력받아 출력가능한 토크를 제한토록 한 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한, 본 발명에 따른 인버터 내 전력소자 보호 방법은, 상기 모터의 구동에 따른 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 최대 허용온도 및 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도를 검출한 후 연산하고, 상기 모터의 구동에 따른 모터의 구동속도 절대치를 산출한 후 산출된 상기 모터의 구동속도 절대치에 따라 패턴 이득을 상이하게 적용하는 제1 단계; 모터 토크 지령 및 모터 속도를 이용하여 상기 모터의 구동에 따른 인버터 손실을 산출하는 제2 단계; 상기 제1 단계와 제2 단계에서 산출된 값을 연산하여, 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 산출하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 산출된 온도 차를 피드백 입력받는 PI제어기의 출력을 제한하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계의 상기 PI제어기 출력을 이용하여 입력되는 상기 모터 토크 지령에 따른 상기 모터 구동 토크 출력을 제한하는 제5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

삭제

본 실시예에 따른 모터의 구속시 또는 저속영역과 고속영역 전체의 운전구간에서, 모터의 구동에 따른 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호하기 위한 방법을 블록 다이어그램 도 2와 순서도 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 본 실시예에서는 모터 구동시, 특히 모터 구속시나 저속 운전영역에서의 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호하기 위해 먼저, 모터의 구동에 따른 인버터 내 전력소자의 접합부 최대 허용 온도(Tmax) 및 상기 전력소자와 방열판 간의 케이스 온도(Tc)를 검출한(S102) 후 접합부 최대 허용 온도에서 전력소자와 방열판 간의 케이스 온도를 감산한다(S104).

그리고, 모터의 구동속도(Speed) 절대치를 구한 후(S106) 그에 따른 패턴 이득을 산출하는데(S108), 본 실시예에서는 모터의 구동상태에 따라 모터 구속시에는 패턴 이득이 0.33이며, 기설정된 저속 운전영역을 벗어나면 패턴 이득이 1로 설정된다.

상기에서 모터의 구동속도에 따른 패턴 이득을 산출한 후에는, 상기 S104 단계에서 산출된 온도 차와 상기 S108 단계에서 산출된 패턴 이득을 논리곱 연산한다(S110).

그리고, 모터 토크지령(Te^*) 및 모터 속도(N) 각각에 해당하는 전류맵 즉, 2D Map-ld와 2D Map-lq를 이용하여 모터 구동에 따른 인버터 손실(Loss)을 산출한 후(S112), 상기 산출된 인버터 손실에 전력소자의 열저항(Rjc)을 논리곱 연산하여 접합 열시정수를 산출한다(S114).

상기에서 접합 열시정수를 산출한 후에는, 상기 S110 단계에서의 연산 값과 상기 산출된 접합 열시정수를 감산하여(S116), 전력소자의 접합부 온도와 케이스 온도간의 차를 산출한다(S118).

상기 S118 단계에서 산출된 온도 차는 PI제어기로 입력된 후(S120), 상기 산출된 온도 차에 따라 PI제어기의 출력을 제한한다(S122). 즉, 본 실시예에서는 상기 PI제어기의 출력을 제한하는데 있어서, Power Limit부를 통해 모터의 구동이 기설정된 정격속도 이상으로 구동시 기설정된 정격속도 이내로 구동되도록 속도 제한을 두게 된다.

상기 Power Limit부를 통해 모터의 구동이 정격속도 이내로 구동되도록 하는 제한값(3,4)은 PI제어기의 출력에 반영된 후, 상기 PI제어기의 출력(1)은 상기 S112 단계에 모터 토크 지령(Te^*)에 반영되어 출력가능한 토크가 조절된다(S124).

이와 같이, 본 발명에서는 인버터 내 전력소자의 허용 제한 온도치와 케이스 온도간의 차이값과 인버터 손실에 열저항을 논리곱 연산하여 산출된 접합 열시정수를 논리연산한 후, 이를 PI제어기에서 피이드백 입력받은 후 출력되는 토크값으로 입력되는 모터 토크지령을 조절함으로써, 모터의 구속시 또는 저속영역으로 운전시 모터 구동을 위해 출력되는 토크를 제한하여 전력소자를 과열로부터 보호할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 기술적 범위를 해석함에 있어서는, 상기에서 설명된 실시예에 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항의 합리적 해석에 의해 결정되어져야 한다.

본 발명의 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법에 따른 효과는 다음과 같다.

첫째, 모터의 구속 또는 저속 운전시 인버터 내 전력소자가 과열되지 않도록 함으로써 인버터의 손상을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

둘째, 과다한 방열구조 설계가 필요치 않아 재료비 절감 효과를 갖는다.

셋째, 모터의 구동시 허용 온도범위 내에서 최대 토크를 출력할 수 있으므로 동력성능 개선 효과를 갖는다.

Claims

모터의 구속시 또는 저속영역에서 운전시 인버터 내 전력소자를 과열로부터 보호하기 위한 방법에 있어서,

상기 모터의 구동에 따른 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 최대 허용온도 및 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도를 검출한 후 연산하고, 상기 모터의 구동에 따른 모터의 구동속도 절대치를 산출한 후 산출된 상기 모터의 구동속도 절대치에 따라 패턴 이득을 상이하게 적용하는 제1 단계;

모터 토크 지령 및 모터 속도를 이용하여 상기 모터의 구동에 따른 인버터 손실을 산출하는 제2 단계;

상기 제1 단계와 제2 단계에서 산출된 값을 연산하여, 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 산출하는 제3 단계;

상기 제3 단계에서 산출된 온도 차를 피드백 입력받는 PI제어기의 출력을 제한하는 제4 단계; 및

상기 제4 단계의 상기 PI제어기 출력을 이용하여 입력되는 상기 모터 토크 지령에 따른 상기 모터 구동 토크 출력을 제한하는 제5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 단계에서 상기 모터의 구동에 따른 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 최대 허용온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 검출한 후, 검출된 온도 차와 상기 모터의 구동속도 절대치를 연산하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 모터의 구동에 따른 상기 모터의 구동속도 절대치를 산출한 후 그에 해당하는 패턴 이득을 산출하되, 상기 모터의 구속시의 패턴 이득을 기설정된 저속 운전영역을 벗어나는 경우의 패턴 이득보다 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제2 단계에서 상기 모터 토크 지령 및 상기 모터 속도는 각각의 해당 전류맵을 이용하는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 산출된 인버터 손실에 상기 전력소자의 열저항을 논리곱 연산하여 상기 전력소자의 접합부에서의 접합 열시정수를 산출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제3 단계에서 상기 인버터 내 전력소자의 접합부 최대 허용온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 산출하는 방법은, 상기 전력소자의 접합부 최대 허용온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 산출한 후 산출된 온도 차와 패턴 이득이 반영된 상기 모터의 구동속도 절대치를 연산한 후, 연산된 값과 상기 인버터 손실을 이용하여 산출된 접합 열시정수를 연산함으로써 상기 전력소자의 접합부 온도와 상기 전력소자와 방열판의 케이스 온도 차를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제4 단계에서 PI제어기의 출력 제한은 상기 모터의 구동이 기설정된 정격속도 이상으로 구동시 기설정된 정격속도 이내로 구동속도 제한을 이루는 것을 특징으로 하는 모터 구속시 인버터 내 전력소자 보호 방법.