KR102157504B1 - Apparatus for predicting residual life of power semiconductor elements of traction inverter of railway vehicle and method thereof - Google Patents

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KR102157504B1
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이준석
류준형
이장무
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한국철도기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a device for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, which comprises: a heat pipe temperature (THP) measuring unit which measures at least one THP for cooling a power semiconductor element of a propulsion inverter; a collector-emitter voltage (VCE_ON) measuring unit which measures a VCE_ON for each of at least one power semiconductor element of the propulsion inverter; a storage unit storing a VCE_ON in an initial state of the power semiconductor element, a VCE_ON in an expiration state, a VCE_ON measured in real time, and the heat pipe temperature measured in real time; and a control unit calculating the remaining life using the VCE_ON measured in response to the THP measured in real time, the VCE_ON in the initial state, and the VCE_ON in the initial state.

Description

철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치 및 방법{APPARATUS FOR PREDICTING RESIDUAL LIFE OF POWER SEMICONDUCTOR ELEMENTS OF TRACTION INVERTER OF RAILWAY VEHICLE AND METHOD THEREOF}Equipment and method for predicting the remaining life of power semiconductor elements of propulsion inverters for railway vehicles {APPARATUS FOR PREDICTING RESIDUAL LIFE OF POWER SEMICONDUCTOR ELEMENTS OF TRACTION INVERTER OF RAILWAY VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력반도체 소자의 온 상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하여, 초기수명의 VCE_ON 전압 및 만기수명의 VCE_ON 전압 대비 현재의 VCE_ON 전압을 비교하여, 만기수명의 VCE_ON 전압에 가까운 정도에 의해 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측할 수 있도록 하는, 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, and more particularly, by measuring the on-state collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor element, the VCE_ON voltage and expiration of the initial life. A device and method for predicting the remaining life of power semiconductor devices of propulsion inverters for railroad vehicles, allowing the remaining life of power semiconductor devices to be predicted by comparing the current VCE_ON voltage to the VCE_ON voltage of the life span and close to the VCE_ON voltage of the expiration date. About.

일반적으로 기존 철도차량의 내구연한은 대략 25년으로 일괄 관리되었으나, 최근에는 철도차량에 사용되는 개별 장치별 내구연한에 대한 연구가 꾸준히 진행되고, 현장의 유지보수 및 교체 주기에 합당한 합리적인 장치별 내구연한이 제시됨에 따라 철도기관들은 이를 채택하여 지침을 만들어 유지보수 및 교체를 수행하고 있다. In general, the durability life of existing railway vehicles was collectively managed for about 25 years, but in recent years, research on the durability life of individual devices used in railway vehicles has been steadily conducted, and the durability of each device is reasonable suitable for the maintenance and replacement cycle of the site. As the time limit has been proposed, railroad agencies have adopted it and created guidelines to carry out maintenance and replacement.

이러한 철도차량은 선로를 따라 가설된 전차선(혹은, '트롤리 선' 이라고도 함)으로부터 전력을 공급받아 운행되므로, 전차선을 통해 공급된 전력을 철도차량의 사용 전력에 맞게 변환하는 전력 변환기를 구비하고 있다. 그리고 이러한 전력 변환기는 전원의 컨버트(convert)나 인버트(invert)를 위해서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등과 같은 다수의 전력반도체 소자를 포함하여 구성된다.Since these railway vehicles are operated by receiving electric power from a catenary line (or'trolley line') installed along the track, it is equipped with a power converter that converts the electric power supplied through the catenary line according to the used power of the railway vehicle. . In addition, such a power converter includes a plurality of power semiconductor devices such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) for converting or inverting power.

여기서 상기 철도차량의 핵심 전장품인 추진인버터는 현재 주요소자인 전력반도체 소자(또는 스위칭 소자)의 내구연한이 추진인버터의 내구연한으로 사용되고 있다. Here, in the propulsion inverter, which is a core electronic component of the railway vehicle, the endurance of the power semiconductor element (or switching element), which is a main element, is used as the endurance of the propulsion inverter.

그런데 기존 철도차량 추진인버터에서는 전력반도체 소자(IGBT)의 잔존수명 예측은 수행되지 않았으며, 단지 전력반도체 소자의 오동작 또는 노후로 인해서 발생하는 현상(결과)인 고장만을 방지하기 위한 방법으로서, 1차적으로 소프트웨어를 통해 과전압과 과전류에 대한 진단을 수행하고, 2차적으로 전력반도체 소자의 구동을 위해서 연결된 게이트 드라이버를 통해 과전류와 과전압을 진단하는 방법을 사용하고 있다. However, in the existing railway vehicle propulsion inverter, the prediction of the remaining life of the power semiconductor device (IGBT) was not performed, and it is a method to prevent only failure, which is a phenomenon (result) that occurs due to malfunction or deterioration of the power semiconductor device. As a result, overvoltage and overcurrent are diagnosed through software, and the overcurrent and overvoltage are diagnosed through a gate driver connected to drive the power semiconductor device.

따라서 상기와 같이 기존에 추진인버터의 고장 방지를 위하여 전력반도체 소자의 과전류와 과전압을 진단하는 방법은, 추진인버터에 이미 고장이 발생한 후의 현상을 바탕으로 전력반도체 소자의 수명을 판단하는 것으로서, 추진인버터에 고장이 발생하기 전 철도차량 추진인버터의 유지보수 계획을 수립하는데 도움을 받을 수 없는 문제점이 있고, 이에 따라 만약 고장 발생 시 전력반도체 소자의 여분을 확보하지 못하고 있는 상황이라면 추진인버터의 수리가 완료되기까지 많은 시간이 요구됨으로써, 철도 서비스 제공이 지연될 수 있는 문제점이 있다.Therefore, as described above, the method of diagnosing overcurrent and overvoltage of the power semiconductor device to prevent failure of the propulsion inverter is to determine the life of the power semiconductor device based on the phenomenon after the failure has already occurred in the propulsion inverter. There is a problem that it is not possible to receive help in establishing a maintenance plan for the propulsion inverter of a railroad vehicle before a breakdown occurs, and accordingly, if a breakdown occurs, the repair of the propulsion inverter is completed if the spare power semiconductor element cannot be secured. There is a problem in that the provision of railroad services may be delayed because a large amount of time is required.

이에 따라 기존에 전력반도체 소자의 노후화를 정확히 판단하기 위한 방법으로서, 전력반도체 소자의 접합온도(또는 정션온도)를 측정하는 방법이 있는데, 전력반도체 소자는 일반적으로 패키징되어 생산되기 때문에 접합온도의 측정이 불가능하며, 다만 일부 전력반도체 소자 패키징은 접합부분에 온도센서를 취부하여 외부 모니터링을 지원하지만 노후를 판단하기 위해서는 동일한 조건(예 : 인버터의 일정한 동작을 동일한 시간동안 수행한 뒤의 접합온도를 측정)에서 측정된 온도를 비교해야 하는데, 만약 철도차량이 실제 운행 중이라면 동일한 조건의 온도를 취득하기는 쉽지 않기 때문에 접합온도를 측정하여 전력반도체 소자의 노후화를 정확하게 판단할 수 없는 문제점이 있다.Accordingly, as a method to accurately determine the aging of power semiconductor devices, there is a method of measuring the junction temperature (or junction temperature) of power semiconductor devices. Since power semiconductor devices are generally packaged and produced, measurement of junction temperature However, some power semiconductor device packaging supports external monitoring by attaching a temperature sensor to the junction, but to determine deterioration, measure the junction temperature after performing a constant operation of the inverter for the same time. ), but if the railroad vehicle is actually running, it is not easy to obtain the same temperature, so there is a problem in that it is not possible to accurately determine the aging of the power semiconductor element by measuring the junction temperature.

따라서 패키징된 전력반도체 소자에 대해서 노후화(또는 잔존수명)를 보다 정확하게 예측할 수 있는 방법이 필요한 상황이다.Therefore, there is a need for a method to more accurately predict the aging (or remaining life) of packaged power semiconductor devices.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1755793호(2017.07.03. 등록, 차량의 컨버터 정션 온도 추정 방법)에 개시되어 있다. The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1755793 (registered on Jul. 03, 2017, method of estimating a converter junction temperature of a vehicle).

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 전력반도체 소자의 온 상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하여, 초기수명의 VCE_ON 전압 및 만기수명의 VCE_ON 전압 대비 현재의 VCE_ON 전압을 비교하여, 만기수명의 VCE_ON 전압에 가까운 정도에 의해 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측할 수 있도록 하는, 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. According to an aspect of the present invention, the present invention was created to solve the above problems, by measuring the on-state collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device, the VCE_ON voltage of the initial life and the Providing an apparatus and method for predicting the remaining life of power semiconductor devices of propulsion inverters for railroad vehicles, allowing the remaining life of power semiconductor devices to be predicted by comparing the current VCE_ON voltage to the VCE_ON voltage and close to the VCE_ON voltage of the expiration date. Having that purpose.

본 발명의 일 측면에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치는, 추진인버터의 전력반도체 소자를 냉각시키기 위한 히트파이프 온도(THP)를 적어도 하나 이상에서 측정하는 히트파이프 온도 측정부; 상기 추진인버터의 적어도 하나 이상의 전력반도체 소자 각각에 대한 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하는 콜렉터-에미터 전압 측정부; 상기 전력반도체 소자의 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 만기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 실시간 측정되는 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 및 실시간 측정되는 히트파이프 온도(THP)를 저장하는 저장부; 및 상기 실시간 측정되는 히트파이프 온도(THP)에 대응하여 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 및 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)으로부터 산출한 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용하여 잔존수명을 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an aspect of the present invention includes: a heat pipe temperature measuring unit for measuring at least one heat pipe temperature (THP) for cooling a power semiconductor element of the propulsion inverter; A collector-emitter voltage measuring unit for measuring a collector-emitter voltage (VCE_ON) for each of at least one power semiconductor element of the propulsion inverter; The collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state of the power semiconductor device, the collector-emitter voltage in the expiration state (VCE_ON), the current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured in real time, and the heat pipe temperature measured in real time ( A storage unit for storing THP); And a current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured in response to the heat pipe temperature (THP) measured in real time, a collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state, and a collector-emitter voltage in the initial state ( And a controller that calculates the remaining life by using the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration life calculated from (VCE_ON).

본 발명에 있어서, 상기 전력반도체 소자의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)에 대응하는 히트파이프의 온도(THP)는 룩업 테이블 형태로 미리 저장되고, 상기 제어부는, 상기 룩업 테이블을 참조하여 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the temperature (THP) of the heat pipe corresponding to the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device is stored in advance in the form of a lookup table, and the control unit refers to the lookup table. It is characterized by predicting the remaining life of.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 초기상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서 미리 지정된 비율로 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit is characterized in that the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration life is calculated at a predetermined ratio in the range of 5% to 20% of the initial state collector-emitter voltage (VCE_ON). .

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전력반도체 소자의 잔존수명을 산출하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit is characterized in that the remaining life of the power semiconductor device is calculated using Equation 1 below.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure 112019096283226-pat00001
Figure 112019096283226-pat00001

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 잔존수명은 백분율로 표시하며, 초기수명을 100%라고 할 때 만기수명은 0%가 되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit displays the remaining life as a percentage, and when the initial life is 100%, the expiration life is 0%.

본 발명의 다른 측면에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법은, 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치의 제어부가 전력반도체 소자의 초기상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하기 위한 전류를 선정하는 단계; 상기 제어부가 상기 선정된 해당 전류에 의해 전력반도체 소자의 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하여 저장하는 단계; 상기 제어부가 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용해 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하여 저장하는 단계; 상기 제어부가 상기 전력반도체 소자의 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 실시간 측정하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 및 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)으로부터 산출한 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용하여 잔존수명을 산출하는 단계; 포함하는 것을 특징으로 한다.In another aspect of the present invention, a method for predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railroad vehicle is provided, in which the control unit of the power semiconductor device remaining life prediction device of a propulsion inverter for a railroad vehicle is an initial state collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device. Selecting a current for measuring a; Measuring and storing, by the control unit, a collector-emitter voltage (VCE_ON) in an initial state of the power semiconductor device by the selected corresponding current; Calculating and storing, by the controller, a collector-emitter voltage (VCE_ON) of an expiration life using the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state; Measuring, by the control unit, a current collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device in real time; And a collector of expiration life calculated by the controller from the measured current collector-emitter voltage (VCE_ON), the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state, and the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state. -Calculating the remaining life using the emitter voltage (VCE_ON); It characterized in that it includes.

본 발명에 있어서, 상기 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하기 위하여, 상기 제어부는, 초기상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서 미리 지정된 비율로 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in order to calculate the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration life, the control unit expires at a predetermined ratio in the range of 5% to 20% of the initial state collector-emitter voltage (VCE_ON). It is characterized by calculating the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the lifetime.

본 발명에 있어서, 상기 잔존수명을 산출하기 위하여, 상기 제어부는, 상기 룩업 테이블을 참조하여 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측하며, 상기 전력반도체 소자의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)에 대응하는 히트파이프의 온도(THP)가 룩업 테이블 형태로 미리 저장되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in order to calculate the remaining life, the control unit predicts the remaining life of the power semiconductor device by referring to the look-up table, and a hit corresponding to the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device It is characterized in that the temperature (THP) of the pipe is stored in advance in the form of a lookup table.

본 발명에 있어서, 상기 잔존수명을 산출하기 위하여, 상기 제어부는, 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전력반도체 소자의 잔존수명을 산출하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in order to calculate the remaining life, the control unit calculates the remaining life of the power semiconductor device using Equation 1 below.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure 112019096283226-pat00002
Figure 112019096283226-pat00002

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 잔존수명은 백분율로 표시하며, 초기수명을 100%라고 할 때 만기수명은 0%가 되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit displays the remaining life as a percentage, and when the initial life is 100%, the expiration life is 0%.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 전력반도체 소자의 온 상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하여, 초기수명의 VCE_ON 전압 및 만기수명의 VCE_ON 전압 대비 현재의 VCE_ON 전압을 비교하여, 만기수명의 VCE_ON 전압에 가까운 정도에 의해 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측할 수 있도록 한다.According to an aspect of the present invention, the present invention measures an on-state collector-emitter voltage (VCE_ON) of a power semiconductor device, compares the VCE_ON voltage of the initial life and the VCE_ON voltage of the expiration life to the current VCE_ON voltage, It is possible to predict the remaining life of the power semiconductor device by the degree of life close to the VCE_ON voltage.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추진인버터에 사용되는 전력반도체 소자의 내부 구성을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진인버터에 사용되는 전력반도체 소자의 사용횟수에 따른 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 변화를 보인 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추진인버터에 사용되는 전력반도체 소자의 히트파이프 온도(THP)에 따른 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 변화를 보인 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법을 설명하기 위한 흐름도.1 is an exemplary view showing a schematic configuration of an apparatus for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary view showing the internal configuration of a power semiconductor device used in the propulsion inverter according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a change in collector-emitter voltage (VCE_ON) according to the number of times of use of power semiconductor devices used in the propulsion inverter according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a change in collector-emitter voltage (VCE_ON) according to a heat pipe temperature (THP) of a power semiconductor device used in a propulsion inverter according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of an apparatus and method for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thickness of the lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention and may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.1 is an exemplary view showing a schematic configuration of an apparatus for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치는, 적어도 하나 이상의 히트파이프 온도 측정부(111, 112), 적어도 하나 이상의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON) 측정부(121, 122), 저장부(130), 및 제어부(140)를 포함한다. As shown in FIG. 1, the apparatus for predicting the remaining life of the power semiconductor element of the propulsion inverter for a railroad vehicle according to the present embodiment includes at least one heat pipe temperature measuring unit 111 and 112, and at least one collector-emitter voltage ( VCE_ON) includes the measurement units 121 and 122, the storage unit 130, and the control unit 140.

상기 적어도 하나 이상의 히트파이프 온도 측정부(111, 112)는 추진인버터(10)의 전력반도체 소자(S1, S2)를 냉각시키기 위한 히트파이프의 온도를 적어도 하나 이상에서 측정한다.The at least one heat pipe temperature measuring unit 111 and 112 measures the temperature of a heat pipe for cooling the power semiconductor elements S1 and S2 of the propulsion inverter 10 at least one.

상기 적어도 하나 이상의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON) 측정부(121, 122)는 추진인버터(10)의 복수의 전력반도체 소자(S1, S2) 각각에 대한 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정한다.The at least one collector-emitter voltage (VCE_ON) measuring unit 121 and 122 measures a collector-emitter voltage VCE_ON for each of the plurality of power semiconductor elements S1 and S2 of the propulsion inverter 10. .

상기 저장부(130)는 지정된 동일한 전류 크기에서 초기상태의 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)과 히트파이프의 온도(THP)를 측정하여 저장한다.The storage unit 130 measures and stores the collector-emitter voltage VCE_ON and the heat pipe temperature THP of the power semiconductor device (eg, IGBT module) in the initial state at the same specified current level.

상기 제어부(140)는 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 초기상태(또는 초기수명)의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)으로부터 만기수명 값(예 : 초기상태의 105%-120% 에서 선정)을 산출하여 상기 저장부(130)에 저장하고, 또한 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정할 때 설정한 동일한 전류 조건에서 실시간으로 측정한 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)과 이에 대응하여 측정된 히트파이프 온도(THP)를 함께 상기 저장부(130)에 저장하며, 상기 측정된 히트파이프 온도(THP)에 대응하여 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용하여 잔존수명을 연산한다(예컨대 상기 잔존수명을 백분율로 산출될 수 있다).The controller 140 selects an expiration life value (e.g., 105%-120% of the initial state) from the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the initial state (or initial life) of the power semiconductor device (eg, IGBT module). ) Is calculated and stored in the storage unit 130, and the current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured in real time under the same current condition set when measuring the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state The current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured in response to the measured heat pipe temperature (THP) and the initial state is stored in the storage unit 130 together with the measured heat pipe temperature (THP). The remaining life is calculated using the collector-emitter voltage (VCE_ON) and the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration date (for example, the remaining life can be calculated as a percentage).

이하 본 발명의 일 실시예에 따라 전력반도체 소자의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용하여 잔존수명 예측이 가능한 원리에 대해서 설명한다.Hereinafter, a principle of predicting the remaining life using the collector-emitter voltage (VCE_ON) of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추진인버터에 사용되는 전력반도체 소자의 내부 구성을 보인 예시도이다.2 is an exemplary view showing an internal configuration of a power semiconductor device used in a propulsion inverter according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)는 베이스 플레이트(Baseplate), DBC 기판(Direct Bonded Copper substrate), 반도체 소자(Semiconductor device), 및 배선(Bond-wires) 등의 여러 물질들이 결합되어 있으며 서로 다른 열팽창 계수를 갖는다. Referring to FIG. 2, a power semiconductor device (eg, an IGBT module) includes various materials such as a baseplate, a direct bonded copper substrate (DBC), a semiconductor device, and bond-wires. Are combined and have different coefficients of thermal expansion.

이에 따라 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 온도 변화와 서로 다른 열팽창 계수에 의해 구조적인 결합 부위에 열-기계적 스트레스(Thermo-mechanical stress)가 가해지고, 이는 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 열화 고장을 발생시킨다. 특히, 이러한 결함(즉, 온도 변화와 서로 다른 열팽창 계수에 의해 구조적인 결합)은 열팽창 계수의 차이가 큰 물질들의 결합부위에서 주로 발생한다. Accordingly, thermo-mechanical stress is applied to the structural bonding site due to the temperature change of the power semiconductor device (eg IGBT module) and different coefficients of thermal expansion, which is a power semiconductor device (eg IGBT module). It causes deterioration failure. In particular, such defects (ie, structural bonding due to temperature changes and different coefficients of thermal expansion) mainly occur at bonding sites of materials having a large difference in coefficient of thermal expansion.

예컨대 대표적인 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 노후 결함으로는 “Bond-wire fatigue”와 “Solder-joint fatigue”가 있다. For example, deterioration defects of typical power semiconductor devices (eg IGBT modules) include “Bond-wire fatigue” and “Solder-joint fatigue”.

여기서 상기 “Bond-wire fatigue”는 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 온도변화 시, 배선(Bond-wires)에 큰 열-기계적 스트레스가 가해져 결과적으로 배선 리프트 오프(Bond-wire lift-off) 및 Bond-wire 균열(Crack)을 발생시킨다. Here, the "Bond-wire fatigue" is when the temperature of the power semiconductor device (eg, IGBT module) changes, a large thermo-mechanical stress is applied to the wires (Bond-wire lift-off). And bond-wire cracks.

이러한 결함(예 : Bond-wire fatigue)은 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 전류패스 단절로 인한 개방성 고장의 원인이 되며, 또한 갑작스런 전류패스 단절로 인해 내부 아크가 발생하여 반도체 소자가 파괴되기도 한다. Such defects (e.g., bond-wire fatigue) cause open failure due to disconnection of the current path of power semiconductor devices (e.g., IGBT modules), and internal arcs may occur due to sudden disconnection of the current path, leading to destruction of semiconductor devices. do.

또한 상기 “Solder-joint fatigue”도 상기 “Bond-wire fatigue”와 동일한 이유로 발생하며, 예컨대 반도체 소자, DBC 기판, 및 DBC 기판과 베이스 플레이트(Baseplate)의 연결을 위한 납땜부(Solder joint)에서 발생하며, 납땜(Solder) 균열(Crack)이나 납땜(Solder) 박리(Delamination)와 같은 변형이 나타나는 결함이다.In addition, the “Solder-joint fatigue” also occurs for the same reason as the “Bond-wire fatigue”. For example, it occurs in a semiconductor device, a DBC board, and a solder joint for connecting the DBC board and the baseplate. It is a defect in which deformation such as solder crack or solder delamination appears.

먼저 상기 첫 번째 노후 결함인 “Bond-wire”의 고장은 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈) 내부의 저항을 증가시키기 때문에 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 외부 핀으로부터 측정되는 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 온-상태 콜렉터-에미터 전압(On-state collector-emitter voltage, VCE_ON)을 증가시킨다. First of all, the failure of the "Bond-wire", which is the first deterioration, increases the resistance inside the power semiconductor device (eg IGBT module), so the power semiconductor device (eg, IGBT module) measured from the external pins ( Example: Increase the On-state collector-emitter voltage (VCE_ON) of the IGBT module).

따라서 상기 온-상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)들의 변화를 측정함으로써 "Bond-wire"의 고장을 예측할 수 있다. 일반적으로 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 증가를 만기수명(End-of-life)의 기준으로 설정할 수 있다.Therefore, by measuring the change of the on-state collector-emitter voltages VCE_ON, a failure of the "Bond-wire" can be predicted. In general, an increase in the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the range of 5% to 20% of the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state can be set as a criterion for end-of-life.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진인버터에 사용되는 전력반도체 소자의 사용횟수에 따른 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 변화를 보인 그래프로서, 특히 Bond-wire 고장에 의한 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 변화를 보여준다.3 is a graph showing the change of the collector-emitter voltage (VCE_ON) according to the number of times of use of the power semiconductor element used in the propulsion inverter according to an embodiment of the present invention, in particular, the collector-emitter due to a bond-wire failure. It shows the change of voltage (VCE_ON).

또한 두 번째 노후 결함인 납땜부(Solder-joint)에 발생하는 고장은 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 열적 임피던스(Thermal impedance)를 증가시킨다. 따라서 열적 임피던스의 변화를 통해 납땜부(Solder-joint)의 고장을 진단할 수 있으며, 일반적으로 열적 임피던스의 20%의 증가를 만기수명 기준으로 하고 있다. In addition, the second deterioration defect, a failure occurring in the solder-joint, increases the thermal impedance of the power semiconductor device (eg, IGBT module). Therefore, it is possible to diagnose a failure of a solder-joint through a change in the thermal impedance, and in general, an increase of 20% of the thermal impedance is based on the expiration life.

이러한 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 열적 임피던스의 증가는 동일 전압 및 전류 동작 조건에서 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 접합부(junction)에 더 많은 온도 상승을 발생시킨다.The increase in the thermal impedance of such a power semiconductor device (eg, IGBT module) causes more temperature rise in the junction of the power semiconductor device (eg, IGBT module) under the same voltage and current operating conditions.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추진인버터에 사용되는 전력반도체 소자의 히트파이프 온도(THP)에 따른 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 변화를 보인 그래프로서, 히트파이프 온도(THP)가 상승함에 따라 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON) 값이 증가함으로 확인할 수 있다. 4 is a graph showing a change in a collector-emitter voltage (VCE_ON) according to a heat pipe temperature (THP) of a power semiconductor device used in a propulsion inverter according to an embodiment of the present invention, wherein the heat pipe temperature (THP) is It can be confirmed that the collector-emitter voltage (VCE_ON) value increases as it rises.

예컨대 동일한 전류 인가 시 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)은 히트파이프의 온도(THP)가 증가함에 따라 초기상태로부터 만기수명 상태가 될 때까지 점차 증가한다.For example, when the same current is applied, the collector-emitter voltage (VCE_ON) of a power semiconductor device (eg, IGBT module) increases gradually from the initial state to the expiration state as the temperature of the heat pipe (THP) increases.

즉, 도 4를 참조하면, 납땜부(Solder-joint)에서 발생한 노후로 인하여, (1)열적 임피던스의 증가, (2) 접합부(junction) 온도의 증가, 및 (3) 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 증가로 이어지는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 두 가지 대표적인 노후 결함인 “Bond-wire fatigue”와 “Solder-joint fatigue”는 모두 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 증가 시킨다는 특징을 가진다. That is, referring to FIG. 4, due to aging generated in the solder-joint, (1) an increase in thermal impedance, (2) an increase in the junction temperature, and (3) a collector-emitter voltage ( It can be seen that it leads to an increase in VCE_ON). That is, both of the two representative deterioration defects, “Bond-wire fatigue” and “Solder-joint fatigue”, have a feature that increases the collector-emitter voltage (VCE_ON).

본 실시예에서 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)에 대응하는 히트파이프의 온도(THP)는 룩업 테이블 형태로 미리 저장될 수 있으며, 이에 따라 상기 제어부(140)는 상기 룩업 테이블을 참조하여 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측할 수 있다.In this embodiment, the temperature (THP) of the heat pipe corresponding to the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device (eg, IGBT module) may be stored in advance in the form of a lookup table, and accordingly, the control unit 140 ) May predict the remaining life of the power semiconductor device by referring to the lookup table.

상기 제어부(140)는 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 잔존수명을 산출할 수 있다. 즉, 상기 제어부(140)는 실시간 측정된 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 히트파이프 온도(THP)에 대응하여 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)과 초기상태(초기수명) 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 미리 지정된 만기수명 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)(즉, 만기수명의 콜렉터-에미터 전압은 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서 미리 지정될 수 있음)을 이용하여 아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 잔존수명을 산출할 수 있다.The control unit 140 may calculate the remaining life of the power semiconductor device (eg, IGBT module) using Equation 1 below. That is, the control unit 140 is the current collector measured in response to the heat pipe temperature (THP) of the power semiconductor device (eg, IGBT module) measured in real time-the emitter voltage (VCE_ON) and the initial state (initial life) collector- Emitter voltage (VCE_ON), preset expiration-life collector-emitter voltage (VCE_ON) (i.e., the collector-emitter voltage of expiration-life is in the range of 5% to 20% of the initial collector-emitter voltage (VCE_ON)) May be specified in advance), the remaining life of the power semiconductor device (eg, IGBT module) may be calculated using Equation 1 below.

Figure 112019096283226-pat00003
Figure 112019096283226-pat00003

이때 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 잔존수명은 백분율로 표시할 수 있으며, 예컨대 초기수명을 100%라고 할 때 만기수명은 0%가 되는 것이다.At this time, the remaining life of the power semiconductor device (eg, IGBT module) can be expressed as a percentage. For example, when the initial life is 100%, the expiration life is 0%.

이하 상기 제어부(140)의 동작에 대해서 도 5의 흐름도를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the operation of the control unit 140 will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG. 5.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(140)는 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 초기상태(초기수명) 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하기 위한 전류를 선정한다(S101).As shown in FIG. 5, the controller 140 selects a current for measuring an initial state (initial life) collector-emitter voltage (VCE_ON) of a power semiconductor device (eg, an IGBT module) (S101).

또한 상기 제어부(140)는 상기 선정된 해당 전류에 의해 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하여 저장부(130)에 저장한다(S102).In addition, the control unit 140 measures the collector-emitter voltage VCE_ON in the initial state of the power semiconductor device (eg, IGBT module) by the selected corresponding current and stores it in the storage unit 130 (S102).

또한 상기 제어부(140)는 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용해 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하여 저장부(130)에 저장한다(S103).In addition, the control unit 140 calculates the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration life using the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state of the power semiconductor device (eg, IGBT module), and the storage unit 130 It is stored in (S103).

이때 상기 만기수명의 콜렉터-에미터 전압은 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서 미리 지정될 수 있다.At this time, the collector-emitter voltage of the expiration life may be preset in a range of 5% to 20% of the collector-emitter voltage VCE_ON in an initial state.

또한 상기 제어부(140)는 상기 전력반도체 소자(예 : IGBT 모듈)의 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정한다(S104).In addition, the control unit 140 measures the current collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device (eg, IGBT module) (S104).

또한 상기 제어부(140)는 상기 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON) 및 상기 만기상태(또는 만기수명)의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 상기 수학식 1에 대입하여 잔존수명을 산출한다(S105).In addition, the controller 140 includes the measured current collector-emitter voltage (VCE_ON), the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state, and the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the expiration state (or expiration life). Substituting Equation 1 to calculate the remaining life (S105).

이때 상기 S104 단계 및 S105 단계는 실시간(또는 주기적)으로 반복 수행되어 고장이 발생하기 전에 잔존수명을 예측할 수 있도록 한다.At this time, the steps S104 and S105 are repeatedly performed in real time (or periodically) so that the remaining life can be predicted before a failure occurs.

상기와 같이 본 실시예는 기존에 전력반도체 소자의 수명이 다하기 전에 예측할 수 없었던 잔존수명을 예측할 수 있도록 함으로써, 기존에 임의로 수행하던 유지보수 작업을 방지하여 불필요한 전력반도체 소자의 교체를 방지하고, 또한 전력반도체 소자에 고장이 발생한 후 겪었던 수리나 유지보수의 어려움을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다. 또한 본 실시예는 전력반도체 소자의 잔존수명을 수치(예 : 백분율)로 표시함으로써 수명이 다하여 고장이 발생하기 전 최적 시점에 전력반도체 소자의 유지보수나 교체를 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, this embodiment prevents unnecessary replacement of the power semiconductor device by preventing the existing randomly performed maintenance work by allowing the unpredictable remaining life to be predicted before the end of the life of the power semiconductor device, In addition, it has the effect of preventing the difficulty of repair or maintenance experienced after a breakdown in the power semiconductor device. In addition, the present embodiment has an effect of displaying the remaining life of the power semiconductor device as a numerical value (eg, a percentage), so that maintenance or replacement of the power semiconductor device can be performed at the optimum time before a failure occurs due to the end of the life.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.As described above, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are only exemplary, and those of ordinary skill in the field to which the technology pertains, various modifications and other equivalent embodiments are possible. I will understand the point. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims. Also, the implementation described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), the implementation of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, an apparatus or program). The device may be implemented with appropriate hardware, software and firmware. The method may be implemented in an apparatus such as a processor, which generally refers to a processing device including, for example, a computer, a microprocessor, an integrated circuit or a programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, personal digital assistants ("PDAs") and other devices that facilitate communication of information between end-users.

111, 112 : 히트파이프 온도 측정부
121, 122 : 콜렉터-에미터 전압 측정부
130 : 저장부
140 : 제어부111, 112: Heat pipe temperature measurement unit
121, 122: collector-emitter voltage measurement unit
130: storage unit
140: control unit

Claims (10)

추진인버터의 전력반도체 소자를 냉각시키기 위한 히트파이프 온도(THP)를 적어도 하나 이상에서 측정하는 히트파이프 온도 측정부;
상기 추진인버터의 적어도 하나 이상의 전력반도체 소자 각각에 대한 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하는 콜렉터-에미터 전압 측정부;
상기 전력반도체 소자의 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 만기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 실시간 측정되는 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 및 실시간 측정되는 히트파이프 온도(THP)를 저장하는 저장부; 및
상기 실시간 측정되는 히트파이프 온도(THP)에 대응하여 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 및 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)으로부터 산출한 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용하여 잔존수명을 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치.
A heat pipe temperature measuring unit that measures at least one heat pipe temperature (THP) for cooling the power semiconductor element of the propulsion inverter;
A collector-emitter voltage measuring unit for measuring a collector-emitter voltage (VCE_ON) for each of at least one power semiconductor element of the propulsion inverter;
The collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state of the power semiconductor device, the collector-emitter voltage in the expiration state (VCE_ON), the current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured in real time, and the heat pipe temperature measured in real time ( A storage unit for storing THP); And
The current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured in response to the heat pipe temperature (THP) measured in real time, the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state, and the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state. ) A controller for calculating the remaining life using the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration date calculated from); the power semiconductor device remaining life prediction apparatus of a propulsion inverter for a railroad vehicle, comprising: a.
제 1항에 있어서,
상기 전력반도체 소자의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)에 대응하는 히트파이프의 온도(THP)는 룩업 테이블 형태로 미리 저장되고,
상기 제어부는,
상기 룩업 테이블을 참조하여 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치.
The method of claim 1,
The temperature (THP) of the heat pipe corresponding to the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device is previously stored in the form of a lookup table,
The control unit,
A device for predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that predicting the remaining life of the power semiconductor device by referring to the look-up table.
제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
초기상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서 미리 지정된 비율로 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치.
The method of claim 1, wherein the control unit,
The remaining power semiconductor element of a propulsion inverter for railroad vehicles, characterized by calculating the collector-emitter voltage (VCE_ON) of expiration life at a predetermined ratio in the range of 5% to 20% of the initial state collector-emitter voltage (VCE_ON). Life prediction device.
제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전력반도체 소자의 잔존수명을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치.
(수학식 1)
Figure 112019096283226-pat00004

The method of claim 1, wherein the control unit,
An apparatus for predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that calculating the remaining life of the power semiconductor device by using Equation 1 below.
(Equation 1)
Figure 112019096283226-pat00004

 제 4항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 잔존수명은 백분율로 표시하며, 초기수명을 100%라고 할 때 만기수명은 0%가 되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치.
The method of claim 4, wherein the control unit,
The remaining life is expressed as a percentage, and when the initial life is 100%, the expiration life is 0%. A device for predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle.
철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 장치의 제어부가 전력반도체 소자의 초기상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하기 위한 전류를 선정하는 단계;
상기 제어부가 상기 선정된 해당 전류에 의해 전력반도체 소자의 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 측정하여 저장하는 단계;
상기 제어부가 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용해 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하여 저장하는 단계;
상기 제어부가 상기 전력반도체 소자의 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 실시간 측정하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 측정된 현재 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON), 및 상기 초기상태의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)으로부터 산출한 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 이용하여 잔존수명을 산출하는 단계; 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법.
Selecting a current for measuring the initial state collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device by the control unit of the power semiconductor device remaining life prediction device of the propulsion inverter for a railway vehicle;
Measuring and storing, by the control unit, a collector-emitter voltage (VCE_ON) in an initial state of the power semiconductor device by the selected corresponding current;
Calculating and storing, by the controller, a collector-emitter voltage (VCE_ON) of an expiration life using the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state;
Measuring, by the controller, a current collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device in real time; And
The current collector-emitter voltage (VCE_ON) measured by the controller, the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state, and the collector-emitter voltage (VCE_ON) in the initial state calculated from the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration- Calculating the remaining life by using the emitter voltage VCE_ON; A method for predicting the remaining life of a power semiconductor element of a propulsion inverter for a railway vehicle, comprising: a.
제 6항에 있어서,
상기 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하기 위하여,
상기 제어부는,
초기상태 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)의 5%∼20%의 범위에서 미리 지정된 비율로 만기수명의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법.
The method of claim 6,
In order to calculate the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the expiration date,
The control unit,
The remaining power semiconductor element of a propulsion inverter for railroad vehicles, characterized by calculating the collector-emitter voltage (VCE_ON) of expiration life at a predetermined ratio in the range of 5% to 20% of the initial state collector-emitter voltage (VCE_ON). Life expectancy method.
제 6항에 있어서, 상기 잔존수명을 산출하기 위하여,
상기 제어부는,
룩업 테이블을 참조하여 전력반도체 소자의 잔존수명을 예측하며,
상기 전력반도체 소자의 콜렉터-에미터 전압(VCE_ON)에 대응하는 히트파이프의 온도(THP)가 상기 룩업 테이블 형태로 미리 저장되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법.
The method of claim 6, wherein in order to calculate the remaining life,
The control unit,
Predict the remaining life of the power semiconductor device by referring to the lookup table,
A method for predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that the temperature (THP) of the heat pipe corresponding to the collector-emitter voltage (VCE_ON) of the power semiconductor device is stored in advance in the form of the look-up table.
제 6항에 있어서, 상기 잔존수명을 산출하기 위하여,
상기 제어부는,
아래의 수학식 1을 이용하여 상기 전력반도체 소자의 잔존수명을 산출하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법.
(수학식 1)
Figure 112019096283226-pat00005

The method of claim 6, wherein in order to calculate the remaining life,
The control unit,
A method for predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle, characterized in that the remaining life of the power semiconductor device is calculated using Equation 1 below.
(Equation 1)
Figure 112019096283226-pat00005

 제 9항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 잔존수명은 백분율로 표시하며, 초기수명을 100%라고 할 때 만기수명은 0%가 되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 추진인버터의 전력반도체 소자 잔존수명 예측 방법.
The method of claim 9, wherein the control unit,
The remaining life is expressed as a percentage, and when the initial life is 100%, the maturity life is 0%. A method of predicting the remaining life of a power semiconductor device of a propulsion inverter for a railway vehicle.
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