KR102626549B1 - 스위치 전압 특성을 이용한 스위치 노화 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력반도체 스위치의 노화 추정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력반도체 스위치 양단 공진전압을 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 영역에서 매그니튜드(magnitude)를 분석하여, 전력반도체 스위치 내부저항을 연산하여 전력반도체 소자의 노화를 추정할 수 있는 장치 및 이의 추정 방법에 관한 것이다.

Description

스위치 전압 특성을 이용한 스위치 노화 추정 방법{Switch aging estimation method using switch voltage characteristics}
본 실시예는 전기장치를 구성하는 스위치의 노화 추정에 관한 것으로, 특히 전력반도체 스위치 양단에서 발생하는 공진전압을 측정하여 노화에 따른 전력반도체 스위치 내부저항 값의 변화를 연산하여 전력반도체 스위치의 노화 정도를 추정하는 장치에 관한 것이다.
전력반도체 스위치는 전기장치에서 전압과 전류를 단속하는 역할을 하는데, 특히 전력변환장치에서 전력변환장치의 구성품으로써 켜고, 꺼짐을 반복하며 전력변환장치가 전력을 변환하는데 핵심적인 역할을 한다. 대표적으로 전력반도체 스위치는 신재생에너지의 발전 및 전력변환 회로, 전기자동차의 배터리 충전 및 모터 구동 회로, 모바일 기기의 배터리 충전 회로, 가전제품의 무선 충전 회로 등에 사용된다.
전력반도체 스위치가 노화되어 고장이 발생할 경우 전기장치 내부에서 단락 또는 발열을 일으켜 화재, 폭발 등 큰 사고를 야기할 수 있다. 최근에는 신재생에너지, 전기자동차, 모바일 기기, 무선 가전제품 등 다양한 분야에서 전력반도체 스위치가 널리 사용되고 있으며, 특히 전력반도체 스위치를 포함하는 전기장치가 동작하는 환경은 점점 더 사람과 물리적으로 가까워지고 있다. 이러한 상황에서 전력반도체 스위치 노화로 인한 전기장치의 사고는 인명사고로 이어질 수 있어, 사고 예방을 위해 전기장치의 내구연한을 정하고 내구연한이 지나면 해당 전기장치를 교체하는 소극적인 방법은 부족하며, 전기장치의 노화를 추정하여 해당 전기장치의 정비 및 교체 시기를 정확히 파악하는 적극적인 방법이 필요하다. 따라서 전력반도체 스위치 노화 관련 사고 예방을 위해 전력반도체 스위치 노화 추정 기술은 더욱 중요해지고 있으며 관련 연구도 활발히 진행 중이다.
2007년 12월13일자로 공고된 “등록특허공보 10-0784302, 전력기기의 진단 장치 및 방법”특허는 전류신호 검출한 후 연산을 통해 전력기기의 이상 유무를 판단하지만, 전류 검출부를 정상 전류 검출부, 고장 전류 검출부, 고주파수 및 노치 성분 검출부 등 다수로 분류해야하는 단점이 있다,
2010년 12월7일자로 공고된 “등록특허공보 10-0998577, 전력변환장치의 노화상태 진단장치 및 이의 진단방법”특허는 인버터 스위칭모듈의 출력단의 전류파형을 추출하고 이를 FFT 분석하여 인버터 스위칭모듈의 노화를 측정하지만, 기술 적용이 인버터 스위칭모듈에 한정된다는 단점이 있다.
2016년 2월1일자로 공고된 “등록특허공보 10-1590442, 양방향 하이브리드 태양광 PCS에서 DC 링크 캐패시터의 노화진단 장치”특허는 DC 링크 캐패시터의 리플전압을 측정하여 노화를 진단하는데, 기술 적용이 태양광 PCS로 제한되며 태양광 PCS 내부 DC 링크 캐패시터의 노화만 추정하며 스위치의 노화는 추정할 수 없다는 단점이 있다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 전력반도체 스위치의 노후 정도를 추정하는 기술을 제공하는 것이다.
다른 측면에서 본 실시예의 목적은, 전력반도체 스위치가 꺼지는 순간 전력반도체 스위치 양단에서 공진전압이 발생하는 모든 전기장치에서, 전력반도체 스위치 양단 공진전압과 전기장치의 출력전압 및 입력전압을 측정하여, 전력반도체 스위치 내부저항을 연산하고 이를 바탕으로 전력반도체 스위치 노화 정도를 추정하는 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 전력반도체 스위치 노화를 추정하는 장치에 있어서, 전기장치(110)를 구성하는 스위치(111)의 스위치 양단전압(111a, 111b)에 대해 제1시계열데이터를 획득하는 스위치측정부(120); 전기장치(110)를 구성하는 전기장치 출력부(112)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)에 대해 제2시계열데이터를 획득하는 출력측정부(130); 상기 제1시계열데이터에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 얻은 스위치 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 전기장치(110)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)에 대한 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 스위치 노화 정도를 추정하는 연산부(140);를 포함하는 전력 반도체 스위치 노화 정도 추정 장치를 제공한다.
상기 스위치측정부(120)는 상기 스위치(111) 양단 전압(111a, 111b)을 획득하는 스위치측정회로(121); 상기 스위치측정회로(121)에서 출력된 신호의 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호 및 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득하는 스위치필터(122); 상기 스위치필터(122)에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 상기 제1시계열데이터를 획득하는 스위치ADC(123);를 더 포함할 수 있다.
상기 출력측정부(130)는 상기 전기장치(110)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)를 획득하는 출력측정회로(131); 상기 출력측정회로(131)에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과하는 출력필터(132); 상기 출력필터(132)에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 상기 제2시계열데이터를 획득하는 출력ADC(133);를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 측정부(120)와 상기 출력 측정부(130)는, 동일한 시점에 상기 제1시계열데이터와 상기 제2시계열데이터를 획득하기 위해, 시간이 동기화되어 동작할 수 있다.
상기 연산부(140)는 상기 스위치측정부(120)에서 획득한 상기 스위치 양단전압(111a, 111b)의 상기 제1시계열데이터에 대하여 설정된 주기에 따라 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득하는 FFT회로(141); 미리 저장된 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 스위치 내부저항의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값을 이용하여 스위치 내부저항 값을 연산하는 내부저항연산회로(142); 상기 내부저항연산회로(142)에서 연산한 스위치 내부저항 값을 바탕으로 노화정도를 추정하는 노화추정회로(143);를 더 포함할 수 있다.
상기 연산부(140)에서 스위치 내부저항 값을 연산하는 상기 내부저항연산회로(142)을 사용하지 않고, 상기 스위치측정부(120)와 상기 FFT회로(141)로 획득한 스위치 양단 공진전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 출력측정부(130)로 획득한 출력전압과 출력전류의 시계열데이터를 상기 노화추정회로(143)가 바로 입력받아, 상기 노화추정회로(143)에서 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 스위치 노화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값만으로 스위치의 노화를 추정하는 장치;를 포함하는 전력 반도체 스위치 노화 정도 추정 장치를 제공한다.
다른 실시예는 스위치 노화를 추정하는 장치에 있어서, 전기장치에 포함되는 스위치의 양단 전압에 대한 제1시계열데이터를 획득하는 스위치측정부; 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 제2시계열데이터를 획득하는 출력측정부; 및 상기 제1시계열데이터에 대한 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 얻은 상기 스위치 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 연산부를 포함하는 스위치 노화 추정 장치를 제공한다.
상기 스위치측정부는, 상기 스위치 양단에 설치되어 상기 스위치 양단 전압을 증폭하거나 감소시키는 스위치측정회로; 상기 스위치측정회로에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호 및 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득하는 스위치필터; 및 상기 스위치필터에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 상기 제1시계열데이터를 획득하는 스위치ADC(Analog-Digital-Converter)를 포함할 수 있다.
상기 출력측정부는, 상기 전기장치의 출력부에 설치되어 출력전압을 증폭하거나 감소시키고, 출력전류를 증폭하거나 감소시키고 전압신호로 변환하는 출력측정회로; 상기 스위치측정회로에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과하는 출력필터; 및 출력필터에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 상기 제2시계열데이터를 획득하는 출력ADC(Analog-Digital-Converter)를 포함할 수 있다.
상기 스위치 측정부와 상기 출력 측정부는, 동일한 시점에 상기 제1시계열데이터와 상기 제2시계열데이터를 획득하기 위해, 시간이 동기화되어 동작할 수 있다.
상기 연산부는 스위치ADC(Analog-Digital-Converter)에서 출력된 상기 제1시계열데이터에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수데이터를 획득하는 FFT회로; 상기 FFT회로에서 출력된 신호와 상기 출력ADC에서 출력된 신호를 바탕으로 상기 스위치의 내부저항을 연산하는 내부저항연산회로; 상기 내부저항연산회로로부터 연산된 상기 스위치의 내부저항 값으로 상기 스위치의 노화 정도를 추정하는 노화추정회로를 포함할 수 있다.
상기 스위치측정부는, 상기 스위치가 꺼지는 순간에 상기 스위치의 내부저항, 내부 기생 캐패시터, 내부 기생 인덕터, 및 상기 스위치 양단에서 상기 스위치측정회로까지의 기생 인덕터로 인해 상기 스위치측정회로 양단에서 발생하는 공진전압을 측정할 수 있다.
상기 스위치측정부는, 상기 스위치가 꺼지는 순간에 발생하는 공진에 의해 증가하는 상기 스위치측정회로 양단전압의 최댓값을 추출하기 위해 공진전압의 직류성분을 여과하고 교류성분만 획득할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 스위치측정부에서 상기 스위치가 꺼지는 순간에 발생하는 공진전압의 직류성분을 여과하고 획득한 교류성분 시계열데이터에 대하여, 설정된 주기에 따라 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 출력측정부에서 얻은 출력전압 및 출력전류와 상기 스위치측정부 및 상기 연산부 내 FFT회로에서 얻은 주파수별 매그니튜드(magnitude)에 대하여, 상기 내부저항연산회로에 미리 저장된 출력전압, 출력전류, 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 이용하여 상기 스위치의 내부저항을 연산할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 내부저항연산회로를 통해 획득한 상기 스위치의 내부저항 값을 바탕으로 상기 스위치의 노화 정도를 추정할 수 있다.
또 다른 실시예는 장치가 스위치 노화를 추정하는 방법에 있어서, 전기장치에 포함되는 스위치의 양단 전압에 대한 제1시계열데이터를 획득하는 단계; 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 제2시계열데이터를 획득하는 단계; 및 상기 제1시계열데이터에 대한 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 얻은 상기 스위치 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 단계를 포함하는 스위치 노화 추정 방법을 제공한다.
상기 제1시계열데이터를 획득하는 단계는, 상기 스위치 양단 전압을 증폭하거나 감소시키고, 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호 및 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득한 후 디지털신호로 변환하여 상기 제1시계열데이터를 획득할 수 있다.
상기 제2시계열데이터를 획득하는 단계는, 출력전압을 증폭하거나 감소시키고 출력전류를 증폭하거나 감소시켜 전압신호로 변환하며, 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과한 후 디지털신호로 변환하여 상기 제2시계열데이터를 획득할 수 있다.
제1시계열데이터를 획득하는 단계와 제2시계열데이터를 획득하는 단계는, 상기 스위치의 양단 전압과 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류를 같은 시점에 획득하기 위해, 시간적으로 동기화되어 동작할 수 있다.
상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 단계는, 상기 제1시계열데이터에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수데이터를 획득하고, 상기 주파수데이터와 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치의 내부저항을 연산하며, 상기 스위치의 내부저항 값으로 상기 스위치의 노화 정도를 추정할 수 있다.
상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 단계는, 상기 스위치가 꺼지는 순간에 발생하는 공진전압의 직류성분을 여과하고 획득한 교류성분 시계열데이터에 대하여, 설정된 주기에 따라 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1시계열데이터 혹은 상기 제2시계열데이터를 획득하기 위한 ADC(Analog-Digital-Converter)들을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전력반도체 스위치의 내부저항을 연산하고 이를 바탕으로 전력반도체 스위치 노화 정도를 추정할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 실시예에 의하면, 전력반도체 스위치 노화 정도를 추정하여 해당 전력반도체가 사용된 전기장치의 정비 또는 교체 시기를 알 수 있고, 전력반도체 스위치 노화로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 스위치 노화 추정 장치의 구성도이다.
도 2는 스위치 내부저항 값의 변화에 대한 스위치 양단 공진전압의 최댓값 및 파형이다.
도 3은 시간 영역에서 스위치 노화 이전과 이후에 스위치 양단 공진전압의 파형이다.
도 4는 주파수 영역에서 스위치 노화 이전과 이후에 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude)이다.
도 5는 내부저항연회로(142)에 미리 저장된 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 노화에 따른 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 값의 변화 테이블 예시를 나타낸다.
도 6은 노화추정회로(143)에 미리 저장된 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 스위치 노화 정도 변화 테이블 예시를 나타낸다.
도 7은 연산부(140)에서 스위치 내부저항 값을 연산하는 내부저항연산회로(142)을 사용하지 않고, 노화추정회로(143)에서 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 스위치 노화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값만으로 스위치의 노화를 추정하는 경우, 노화추정회로(143)에 미리 저장되는 테이블 예시를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, 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 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 스위치 노화 추정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 스위치 노화 추정 장치는 전기장치(110)를 구성하는 스위치(111)의 스위치 양단전압(111a, 111b)의 시계열데이터를 획득하는 스위치측정부(120); 상기 전기장치(110)를 구성하는 전기장치 출력부(112)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)의 시계열데이터를 획득하는 출력측정부(130); FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 얻은 스위치 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 전기장치(110)를 구성하는 전기장치출력부(112)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)를 바탕으로 스위치 노화 정도를 추정하는 연산부(140);로 구성될 수 있다.
상기 스위치측정부(120)는 상기 스위치 양단 전압(111a, 111b)을 획득하는 스위치측정회로(121); 상기 스위치측정회로(121)에서 출력된 신호의 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호 및 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득하는 스위치필터(122); 상기 스위치필터(122)에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 시계열데이터를 획득하는 스위치ADC(123);를 더 포함할 수 있다.
상기 출력측정부(130)는 상기 전기장치(110)를 구성하는 전기장치출력부(112)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)를 획득하는 출력측정회로(131); 상기 출력측정회로(131)에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과하는 출력필터(132); 상기 출력필터(132)에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 시계열데이터를 획득하는 출력ADC(133);를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치측정부(120)과 상기 출력측정부(130)은 같은 시점에 상기 스위치 양단전압(111a, 111b) 및 상기 출력전압(112a, 112b)과 상기 출력전류(112c)를 측정하기 위해 시간이 동기화되어 동작할 수 있다.
상기 연산부(140)는 상기 스위치측정부(120)에서 획득한 상기 스위치 양단전압(111a, 111b)의 시계열데이터에 대하여 설정된 주기에 따라 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득하는 FFT회로(141); 미리 저장된 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 스위치 내부저항의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값을 이용하여 스위치 내부저항 값을 연산하는 내부저항연산회로(142); 상기 내부저항연산회로(142)에서 연산한 스위치 내부저항 값을 바탕으로 노화정도를 추정하는 노화추정회로(143);를 더 포함할 수 있다.
상기 전기장치(110)는 전력변환장치를 포함할 수 있다. 일 예로써 전기장치(110)는 발전장치로써 태양광발전장치를 포함하고 태양광발전장치에서 생산된 전력을 변환하여 부하로 공급하는 전력변환장치를 포함할 수 있다. 다른 예로써, 상기 전기장치(110)는 에너지저장장치를 포함하고, 에너지저장장치에 저장된 전력을 변환하여 부하에 공급하는 전력변환장치를 포함할 수 있다. 상기 전기장치(110)는 스위치(111)를 포함하고 있으면서 스위치(111)를 이용하여 전력을 차핑(chopping)하는 방식으로 전력을 변환할 수 있다. 예를 들어, 상기 전기장치(110)는 벅컨버터, 부스트컨버터, 플라이백컨버터, 2상 또는 3상 인버터 등 일 수 있다. 상기 전기장치(110)는 일정한 제어주파수를 가지거나 일정 범위 이내의 제어주파수를 가질 수 있다. 여기서, 제어주파수는 전력을 차핑하는 주기를 결정할 수 있다.
상기 스위치(111)는 상기 전기장치(110)를 구성하며, 상기 전기장치(110) 구성에 따라 상기 전기장치(110)의 입력단, 출력단 또는 상기 전기장치(110) 내부의 다른 구성품에 연결될 수 있으며, 상기 전기장치(110) 구성에 따라 1개 이상 존재할 수 있다. 상기 스위치(111)는 전압과 전류를 단속할 수 있는 전력반도체 소자로, 노화되면 내부저항이 변화하는 특징이 있다. 예를 들어 상기 스위치는(111) MOSFET, BJT, IGBT 등 일 수 있다. 상기 스위치(111)는 전력변환장치에 적용되는 것으로 제한되지 않고, 스위치가 꺼지는 순간 스위치 내부저항과 기생성분을 포함한 주변 회로소자가 공진을 일으키는 것을 특징으로 하는 모든 전기장치에 적용되는 스위치를 포함할 수 있다.
상기 스위치측정부(120)은 주기적으로 스위치 양단전압(111a, 111b)을 측정하고, 그 측정값을 시간 순서에 따라 메모리에 시계열데이터로 저장할 수 있다. 상기 스위치측정부(120)는 스위치 양단전압 측정값을 그대로 저장하여 시계열데이터를 생성할 수도 있고, 측정값을 필터링하거나 측정값을 스케일링하여 시계열데이터를 생성할 수도 있다.
상기 스위치측정회로(121)은 스위치 양단전압(111a, 111b)을 획득할 수 있으며, 필요에 따라 적정 크기로 전압을 증폭시키거나 감소시킬 수 있다. 상기 스위치측정회로(121)은 상기 스위치(111) 개수에 따라 1개 이상의 스위치 양단 전압을 획득할 수 있다. 상기 스위치측정회로(121)은 스위치가 꺼지는 순간에 스위치 내부저항, 스위치 내부 기생캐패시터, 스위치 내부 기생인덕터와 스위치 양단에서 스위치측정회로까지 기생 인덕터로 인해 스위치측정회로 양단, 즉 스위치 양단에서 발생하는 공진전압을 획득할 수 있다.
도 2는 스위치 내부저항 값의 변화에 대한 스위치 양단 공진전압의 최댓값 및 파형이다.
도 2를 참조하면, 상기 스위치의 노화가 진행되어 스위치 내부저항이 증가하면, 상기 스위치측정회로(121) 양단에 발생하는 공진전압, 즉 스위치 양단 공진전압의 최댓값은 감소하는 특징이 있다. 따라서 스위치 양단 공진전압의 최댓값을 이용하여 스위치 내부저항을 연산하고 연산된 스위치 내부저항 값을 바탕으로 스위치 노화 정도를 추정할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 스위치필터(122)는 스위치 양단에서 발생한 공진에 의해 발생한 전압만 획득하기 위해, 상기 스위치측정회로(121)에서 출력된 신호에 대해 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득하며, 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과할 수 있다. 상기 스위치측정회로(121)가 출력한 신호를 먼저 상기 스위치ADC(123)를 통해 디지털신호로 변환하여 시계열데이터를 획득한 후, 소프트웨어로 구현한 스위치필터(122)를 통해 시계열데이터의 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득하고 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과할 수도 있다.
상기 스위치ADC(123)는 상기 스위치필터(122)에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 시계열데이터를 획득한다. 상기 스위치(111)가 꺼진 구간에서만 시계열데이터를 획득할 수 있고, 상기 스위치(111)가 꺼진 구간과 켜진 구간 모두에서 시계열데이터를 획득할 수도 있다. 또한 정해진 시간 동안 여러 번 반복해서 시계열데이터를 획득할 수도 있다.
상기 FFT회로(141)은 상기 스위치측정부(120)에서 스위치가 꺼지는 순간에 발생하는 공진전압의 직류성분을 여과하고 획득한 교류성분 시계열데이터에 대하여 설정된 주기에 따라 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득할 수 있다.
도 3은 시간 영역에서 스위치 노화 이전과 이후에 스위치 양단 공진전압의 파형이다.
도 3을 참조하면, 스위치가 노화되어 스위치 내부저항이 증가함에 따라 스위치 양단 공진전압의 최댓값이 P1에서 P2로 감소하며 경우에 따라 공진전압이 지속되는 시간도 감소한다.
도 4는 주파수 영역에서 스위치 노화 이전과 이후에 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude)이다.
도 4을 참조하면, 스위치가 노화되어 스위치 내부저항이 증가함에 따라 스위치 양단 공진전압의 최대값이 감소하면, 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 값이 D1에서 D2로 감소한다. 따라서 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 값들을 미리 알고 있으면, 측정한 값을 바탕으로 스위치 내부저항 값을 알 수 있다. 그러나 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 값은 스위치 내부저항이 일정하더라도 전기장치 장치의 출력전압(112a, 112b)와 출력전류(112c) 값에 따라 변하는 특성이 있다. 따라서 스위치 내부저항 값을 연산할 때 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c) 값도 참조하기 위해 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c) 획득한다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 출력측정부(130)은 주기적으로 상기 전기장치(110)의 상기 출력전압(112a, 112b)과 상기 출력전류(112c)를 측정하고, 그 측정값을 시간 순서에 따라 메모리에 시계열데이터로 저장할 수 있다. 상기 출력측정부(130)는 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)의 측정값을 그대로 저장하여 시계열데이터를 생성할 수도 있고, 측정값을 필터링하거나 측정값을 스케일링하여 시계열데이터를 생성할 수도 있다. 상기 출력측정부(130)가 측정하는 상기 출력전압(112a, 112b)과 상기 출력전류(112c)는 상기 전기장치(110) 구성에 따라 1개 이상일 수 있다.
상기 출력측정회로(131)은 상기 출력전압(112a, 112b)을 획득할 수 있으며, 필요에 따라 적정 크기로 전압을 증폭시키거나 감소시킬 수 있다. 상기 출력측정회로(131)는 상기 출력전류(112c)를 전압형태로 변환하여 획득할 수 있으며, 필요에 따라 적정 크기로 전압을 증폭시키거나 감소시킬 수 있다.
상기 출력필터(132)는 상기 출력측정회로(131)에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과할 수 있다. 상기 출력측정회로(131)가 출력한 신호를 먼저 상기 출력ADC(133)를 통해 디지털신호로 변환하여 시계열데이터를 획득한 후, 소프트웨어로 구현한 출력필터(132)를 통해 시계열데이터의 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과할 수도 있다.
상기 출력ADC(133)는 상기 출력필터(132)에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 시계열데이터를 획득한다. 또한 정해진 시간 동안 여러 번 반복해서 시계열데이터를 획득할 수도 있다.
상기 연산부(140)는 디지털프로세서로 구성되며, 상기 스위치측정부(120)에서 획득한 상기 스위치 양단전압의 시계열데이터에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득하며, FFT를 통해 획득한 스위치 양단전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 출력측정부(130)에서 획득한 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)의 시계열데이터를 이용하여 스위치 내부저항 값을 연산하며, 연산한 스위치 내부저항 값을 이용하여 스위치 노화 정도를 추정한다.
도 5는 상기 내부저항연산회로(142)에 미리 저장된 특정 출력전압과 출력전류 조건에서, 노화에 따른 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 값의 변화 테이블 예시를 나타낸다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 내부저항연회로(142)는 도 5와 같이 미리 저장된 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 노화에 따른 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값을 나타내는 테이블과, 상기 스위치측정부(120)와 상기 FFT회로(141)를 통해 획득한 스위치 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와, 상기 출력측정부(130)가 획득한 전기장치출력부(112)의 출력전압(112a, 112b)과 출력전류(112c)의 시계열데이터를 이용하여 스위치 내부저항 값을 연산한다. 스위치 내부저항 값 연산 시, 상기 스위치측정부(120)와 상기 FFT회로(141)로 획득한 주파수별 매그니튜드(magnitude)나 상기 출력측정부(130)로 획득한 출력전압과 출력전류의 시계열데이터가 도 5와 같이 미리 저장된 테이블에 없는 경우, 미리 저장된 값들을 이용하여 선형보간법(Linear Interpolation)이나 라그랑주 보간법(Lagrangian Interpolation) 등 보간법을 이용하여, 스위치 내부저항 값을 연산할 수 있다.
도 6은 노화추정회로(143)에 미리 저장된 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 스위치 노화 정도 변화 테이블 예시를 나타낸다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 노화추정회로(143)은 상기 내부저항연산회로(142)에서 연산한 스위치 내부저항 값을 도 6과 같은 테이블을 바탕으로 노화정도를 추정한다. 도 6와 같이 미리 저장된 테이블에 상기 스위치 내부저항 값이나 상기 스위치 노화정도가 없는 경우, 미리 저장된 값들을 이용하여 선형보간법(Linear Interpolation)이나 라그랑주 보간법(Lagrangian Interpolation) 등 보간법을 이용하여, 스위치 노화정도를 추정할 수 있다.
다른 실시예로, 스위치 노화 추정 장치는 상기 연산부(140)에서 스위치 내부저항 값을 연산하는 상기 내부저항연산회로(142) 없이, 상기 스위치측정부(120)와 상기 FFT회로(141)로 획득한 스위치 양단 공진전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 출력측정부(130)로 획득한 출력전압과 출력전류의 시계열데이터를 상기 노화추정회로(143)가 바로 입력받아, 스위치의 노화를 추정하는 방법을 포함한다.
도 7은 상기 연산부(140)에서 스위치 내부저항 값을 연산하는 내부저항연산회로(142)을 사용하지 않고, 노화추정회로(143)에서 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 스위치 노화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값만으로 스위치의 노화를 추정하는 경우, 노화추정회로(143)에 미리 저장되는 테이블 예시를 나타낸다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 노화추정회로(143)는 도 7과 같은 특정 출력전압과 출력전류 조건에서 노화에 따른 스위치 내부저항 값의 변화에 따른 주파수 영역에서 스위치 양단 공진전압의 매그니튜드(magnitude) 변화 값을 나타내는 테이블을 이용하여, 스위치 노화정도를 추정할 수 있다. 스위치 노화정도 추정 시, 상기 스위치측정부(120)와 상기 FFT회로(141)로 획득한 스위치 양단 공진전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)나 상기 출력측정부(130)로 획득한 출력전압과 출력전류의 시계열데이터 및 스위치 노화정도가 도 7과 같이 미리 저장된 테이블에 없는 경우, 미리 저장된 값들을 이용하여 선형보간법(Linear Interpolation)이나 라그랑주 보간법(Lagrangian Interpolation) 등 보간법을 이용하여, 스위치 노화정도를 추정할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 스위치 노화를 추정하는 장치에 있어서,
    전기장치에 포함되는 스위치의 양단 전압에 대한 제1시계열데이터를 획득하는 스위치측정부;
    상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 제2시계열데이터를 획득하는 출력측정부; 및
    상기 제1시계열데이터에 대한 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 얻은 상기 스위치의 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 연산부;
    를 포함하는 스위치 노화 추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치측정부는,
    상기 스위치의 양단에 설치되어 상기 스위치의 양단 전압을 증폭하거나 감소시키는 스위치측정회로;
    상기 스위치측정회로에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호 및 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득하는 스위치필터; 및
    상기 스위치필터에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 상기 제1시계열데이터를 획득하는 스위치ADC(Analog-Digital-Converter);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 출력측정부는,
    상기 전기장치의 출력부에 설치되어 출력전압을 증폭하거나 감소시키고, 출력전류를 증폭하거나 감소시키고 전압신호로 변환하는 출력측정회로;
    상기 출력측정회로에서 출력된 신호에 대해 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과하는 출력필터; 및
    상기 출력필터에서 출력된 신호를 디지털신호로 변환하여 상기 제2시계열데이터를 획득하는 출력ADC(Analog-Digital-Converter);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치 측정부와 상기 출력 측정부는, 동일한 시점에 상기 제1시계열데이터와 상기 제2시계열데이터를 획득하기 위해, 시간이 동기화되어 동작하는
    것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 제1시계열데이터에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수데이터를 획득하는 FFT회로;
    상기 FFT회로에서 출력된 신호와 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치의 내부저항을 연산하는 내부저항연산회로;
    상기 내부저항연산회로로부터 연산된 스위치의 내부저항 값으로 상기 스위치의 노화 정도를 추정하는 노화추정회로;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 스위치측정부는,
    상기 스위치가 꺼지는 순간에 상기 스위치의 내부저항, 내부 기생 캐패시터, 내부 기생 인덕터, 및 상기 스위치의 양단에서 상기 스위치측정회로까지의 기생 인덕터로 인해 상기 스위치측정회로 양단에서 발생하는 공진전압을 측정
    하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 스위치측정부는,
    상기 스위치가 꺼지는 순간에 발생하는 공진에 의해 증가하는 상기 스위치측정회로 양단전압의 최댓값을 추출하기 위해 공진전압의 직류성분을 여과하고 교류성분만 획득
    하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 스위치측정부에서 상기 스위치가 꺼지는 순간에 발생하는 공진전압의 직류성분을 여과하고 획득한 교류성분 시계열데이터에 대하여, 설정된 주기에 따라 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 획득 하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 출력측정부에서 얻은 출력전압 및 출력전류와 상기 스위치측정부 및 상기 연산부 내 FFT회로에서 얻은 주파수별 매그니튜드(magnitude)에 대하여, 상기 내부저항연산회로에 미리 저장된 출력전압, 출력전류, 주파수별 매그니튜드(magnitude)를 이용하여 상기 스위치의 내부저항을 연산
    하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 내부저항연산회로를 통해 획득한 상기 스위치의 내부저항 값을 바탕으로 상기 스위치의 노화 정도를 추정
    하는 것을 특징으로 하는 스위치 노화 추정 장치.
  11. 스위치 노화를 추정하는 방법에 있어서,
    전기장치에 포함되는 스위치의 양단 전압에 대한 제1시계열데이터를 획득하는 단계;
    상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 제2시계열데이터를 획득하는 단계; 및
    상기 제1시계열데이터에 대한 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 얻은 상기 스위치의 양단 전압의 주파수별 매그니튜드(magnitude)와 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류에 대한 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 단계;
    를 포함하는 스위치 노화 추정 방법.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 11항에 있어서,
    상기 제1시계열데이터를 획득하는 단계는,
    상기 스위치 양단 전압을 증폭하거나 감소시키고, 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호 및 직류성분을 여과하여 교류성분만 획득한 후 디지털신호로 변환하여 상기 제1시계열데이터를 획득하는
    스위치 노화 추정 방법.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 11항에 있어서,
    상기 제2시계열데이터를 획득하는 단계는,
    출력전압을 증폭하거나 감소시키고 출력전류를 증폭하거나 감소시켜 전압신호로 변환하며, 불필요한 주파수 대역의 노이즈 신호를 여과한 후 디지털신호로 변환하여 상기 제2시계열데이터를 획득하는
    스위치 노화 추정 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 스위치의 양단 전압과 상기 전기장치의 출력전압과 출력전류를 같은 시점에 획득하기 위해, 제1시계열데이터를 획득하는 단계와 제2시계열데이터를 획득하는 단계는 시간적으로 동기화되는 것을 특징으로 하는
    스위치 노화 추정 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 스위치에 대한 노화 정도를 추정하는 단계는,
    상기 제1시계열데이터에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수데이터를 획득하고, 상기 주파수데이터와 상기 제2시계열데이터를 바탕으로 상기 스위치의 내부저항을 연산하며, 상기 스위치의 내부저항 값으로 상기 스위치의 노화 정도를 추정하는
    스위치 노화 추정 방법.
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