KR20100051183A - 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 전압 변조 방법 - Google Patents

차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 전압 변조 방법 Download PDF

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KR20100051183A
KR20100051183A KR1020080110215A KR20080110215A KR20100051183A KR 20100051183 A KR20100051183 A KR 20100051183A KR 1020080110215 A KR1020080110215 A KR 1020080110215A KR 20080110215 A KR20080110215 A KR 20080110215A KR 20100051183 A KR20100051183 A KR 20100051183A
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Abstract

본 발명은 본 발명은 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 전압 변조 방법에 관한 것으로서, 인가되는 고전압의 직류전압을 입력으로 사용하는 구동모터 제어용 인버터의 대전력 소자(IGBT 파워모듈)가 손상되는 경우에 대비하여, 인버터에 적용되는 3개의 IGBT 파워모듈 중 하나가 고장나더라도, 감소된 출력 상전압으로 비상운행이 가능하도록 작동할 수 있는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 이에 대한 전압 변조 방법에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 3상의 IGBT 파워모듈과, 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터와, 3상 차단용 릴레이를 포함하여, IGBT 파워모듈의 고장(Fault)를 감지하여 해당 모듈의 릴레이를 차단하고 기존의 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에서 2상 펄스폭 제어(PWM)으로 전압변조방식을 전환하도록 제어하여 차량의 구동 모터 제어용 인버터의 고장시 비상운전이 가능한 인버터의 전압 변조 방법 및 이러한 방법에 의하여 제어되는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치를 제공한다.
인버터, IGBT, IGBT 파워모듈, 2상 펄스폭 제어, 전압 변조, 릴레이, 3상 차단용 릴레이, 2분할 구조 DC 링크 캐패시터

Description

차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 전압 변조 방법{Inveter system for emergency driving of vehicle and method for converting voltage modulation of inverter}
본 발명은 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 전압 변조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 차량, 하이브리드 차량, 전기 자동차와 같이 구동모터로서 작동하는 전기적 차량에 있어서, 인가되는 고전압의 직류전압을 이용하는 구동모터 제어용 인버터의 대전력 소자(IGBT 파워모듈)가 손상되는 경우 차량의 운행 불가 상황에 대비하여, 인버터에 적용되는 3개의 IGBT 파워모듈 중 하나가 고장나더라도, 비상운행이 가능하도록 작동할 수 있는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 전압 변조 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 문제에 관한 관심이 높아지고 있으며, 특히 자동차 분야에서 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 것으로 하이브리드 차량, 연료전지 차량, 전기 자동차 등이 주목받고 있다. 이러한 차량들은 엔진 이외에 차량을 구동시킬 수 있는 장치로서 구동모터를 포함하며, 생성·저장된 전기 에너지를 이용하여 구동 모터를 구동함으로서 작동되는 데, 이 경우 구동모터로 인가되는 직류전원을 교류전원으로 바꿔주기 위하여 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor: 절연 게이트형 양극성 트랜지스터)를 포함하는 인버터를 구비하도록 구성된다.
이러한 인버터의 세부 구성을 첨부된 도면을 통하여 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 직류전압을 전원으로 하여 고출력 구동모터를 제어하는 인버터는 차량의 직류전원을 3상 교류전원으로 변환시키는 부품으로써, 고속 스위칭을 위한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 발전시 전류 루프를 구성하는 다이오드로 구성된 IGBT 파워모듈, 고주파 리플전류를 흡수하고 직류 전압을 평활화하기 위한 직류전원단 캐패시터(DC Link Capacitor)를 포함하도록 구성하며, 이러한 구성에 의하여 회전자계를 발생시켜 교류 전동기의 구동력을 얻게 된다.
이러한 인버터의 제어 방법과 관련하여, 교류 가변 전압원을 발생시키기 위하여 펄스폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation)를 이용한 제어가 효율적이며, 구동 모터 제어용 인버터는 펄스폭 변조에 의해 주로 제어되고 있다. 특히, 3상 인버터의 전압 변조방식과 관련하여, 삼각파 비교 전압 변조 방식(Triangular Comparison Voltage Modulation)과 공간 벡터 전압 변조 방식(Space Vector Voltage Modulation)이 이용되고 있으며, 이 중 인버터에 링크된 직류전압을 최대한 많이 사용할 수 있으며, 삼각파 비교 전압 변조방식(SPWM)에 비해 정상상태에서의 전류 고조파 성분을 크게 억제할 수 있는 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)만을 이용한 전압변조방식이 널리 사용되었다.
그러나, 기존의 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)으로 제어되는 인버터 시스템은 고속 스위칭이 가능한 대전력 소자를 이용하여 교류 가변 전압원을 구현하기 용이한 장점이 있으나, 3개의 대전력 소자(IGBT 파워모듈) 중 하나가 고장나는 경우, 차량 구동이 불가능해지게 되는 문제점이 존재하여, 운행 중 고장 발생에 따른 탑승자의 안전 문제가 발생하였다.
또한, 상기 인버터에 적용되는 이러한 IGBT 파워모듈의 고장 발생시 수냉을 위한 냉각판에 써멀 컴파운드(Thermal Compound)를 균일하게 발라주어야 하므로, 운전자의 즉각적인 비상 조치가 어려워 이러한 비상 상황시 견인조치가 불가피한 문제가 발생하였다.
이에 본 발명에서는 연료전지 차량, 하이브리드 차량, 전기 자동차와 같이 구동모터를 갖는 전기적 차량의 구동모터 제어용 인버터에 있어서, 기존의 공간벡터 비교 전압변조방식(SVPWM)에 의하여 구동되는 3상 전압형 인버터의 고장 발생을 대비하여, 고장 발생에 따른 비상시 인버터의 전압 변조 방식을 전환함으로써, 2상의 펄스폭 제어 방식(PWM)에 의하여 비상 운행이 가능하도록 하는 인버터의 전압 변조 방법 및 이러한 방법을 이용하는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.
본 발명은 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치에 있어서, 3상의 IGBT 파워모듈과, 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터와, 상기 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터의 중성점과 상기 IGBT 파워모듈의 각 출력단을 연결하는 3상 차단용 릴레이를 포함하며, 상기 IGBT 파워모듈의 고장 시, 2상의 펄스폭 제어(PWM) 방식으로 전환하는 것을 특징으로 하는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치를 제공한다.
또한, 상기 IGBT 파워모듈의 고장을 감지하여 해당 모듈에 연결된 차단기를 작동시킴으로써, 고장이 발생한 IGBT 파워모듈을 차단하여 2상의 펄스폭 제어(PWM) 방식으로 전환하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치를 제공한다.
한편, 차량용 인버터의 전압 변조 방법에 있어서, IGBT 파워모듈의 고장을 감지하는 단계와, 상기 고장이 감지된 IGBT 파워모듈에 연결된 대응하는 상의 차단용 릴레이로 고장 신호를 전송하는 단계와, 상기 전송된 신호를 받아 상기 대응하는 상의 차단용 릴레이를 작동시켜 고장이 발생한 상기 IGBT 파워모듈을 차단하는 단계와, 상기 차단된 IGBT 파워모듈을 제외한 나머지 2상의 IGBT 파워모듈에 대한 펄스폭 제어(PWM)로 전환하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 전압 변조 방법을 제공한다.
또한, 고장 발생을 운전자에게 표시하고, 출력 최대 상전압의 감소에 따라 출력을 제한하는 비상운전모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 전압 변조 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치 및 이의 전압 변조 방법은 차량의 운행 중 각 대전력 소자(IGBT 파워모듈) 중 일부에 고장이 발생하는 경우에도, 고장이 발생된 해당 모듈을 차단하고 2상의 펄스폭 제어에 의한 비상 운전이 가능하도록 제어함으로써 차량의 안전성을 제고하는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 연료전지 차량, 하이브리드 차량, 전기 자동차와 같이 구동모터로서 작동하는 전기적 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치에 있어서, 종래 인버터 장치의 DC 링크 캐패시터의 2분할 구조 및 3개의 IGBT 파워모듈 출력단 간을 연결하는 3상 차단용 릴레이를 포함하도록 인버터 장치를 구성한다. 이러한 구성을 통하여 본 발명에서는, IGBT 파워모듈의 고장(Fault)를 감지하여 해당 모듈의 릴레이를 차단하고 기존의 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에서 2상 펄스폭 제어(PWM)으로 전압변조방식을 전환하도록 제어하여 차량의 구동 모터 제어용 인버터의 고장시 비상운전이 가능한 인버터의 전압 변조 방법을 제공함은 물론, 상기 인버터의 전압 변조 방법에 의하여 제어되는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
기존의 인버터 구성과 관한 일반적인 회로를 도시하고 있는 도 1에 대하여 아래 식 (1) 내지 식 (3)은 각 상에 해당하는 출력 상전압에 대한 관계식이며, 표 1은 이러한 관계식에 따른 3상 전압형 인버터의 스위칭 상태 및 출력 상전압의 관계를 나타내며, 도 2는 이러한 관계를 도시하고 있는 3상 대칭 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에 대한 전압벡터도이다.
Figure 112008077152082-PAT00001
Figure 112008077152082-PAT00002
Figure 112008077152082-PAT00003
3상 전압형 인버터의 스위칭 상태 및 출력 상전압
Sa Sb Sc Vas Vbs Vcs
0 0 0 0 0 0
0 0 1 -Vdc/3 -Vdc/3 2Vdc/3
0 1 0 -Vdc/3 2Vdc/3 -Vdc/3
0 1 1 -2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3
1 0 0 2Vdc/3 -Vdc/3 -Vdc/3
1 0 1 Vdc/3 -2Vdc/3 Vdc/3
1 1 0 Vdc/3 Vdc/3 -2Vdc/3
1 1 1 0 0 0
도 1에 도시된 인버터 구성에 대하여, 표 1 및 도 2에 도시된 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)의 전압벡터도를 참조하면, 인버터를 구성하는 3개의 IGBT 파워모듈 중 하나의 IGBT 파워모듈 고장 시 상·하단 IGBT 소자의 스위칭 불능으로 구동모터의 토크를 발생시킬 수 없게 되어, 차량의 운행이 불가능해진다.
즉, a상 스위칭용 IGBT 파워모듈 A 파손시 인버터와 모터의 전류 흐름을 살펴보면 파손된 IGBT 소자의 상·하단 스위칭 불능으로 인하여 전압벡터를 회전시키는 것이 불가능하므로 회전자계를 생성할 수 없다. 따라서, 차량의 구동모터의 토크를 발생시킬 수 없으므로 IGBT 파워모듈 A 파손 시 차량의 운행이 불가능해지므로 견인조치가 불가피해진다.
또한, IGBT 파워모듈 A의 상단 IGBT가 손상되어 단락(Short Circuit)이 발생했을 경우에는, a상 게이트 신호가 하단 IGBT에 인가됨에 따라 상단 다이오드의 단락이 발생하게 된고, IGBT 파워모듈의 파손 시 3상 SVPWM 제어를 지속할 경우 단락으로 인한 연쇄적인 소자 손상이 발생할 가능성이 있기 때문에 정상 동작하는 IGBT 파워모듈B, C가 있음에도 불구하고 운행이 불가능하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치의 바람직한 일 구현예는 도 3의 회로도에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치는 고전압 직류 전원으로부터의 직류전압을 평활화하고 고주파 리플 전류(ripple current)를 흡수하는 DC링크 캐패시터를 포함하며, 상기 DC 링크 캐패시터는 3개의 대전력 소자(IGBT 파워모듈) 중 하나가 고장날 경우, 2상 펄스폭 제어를 구현할 수 있도록 2개로 분할된 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터로 구성하고, 상기 DC 링크 캐패시터는 중성점을 노출시켜 부스바로 연결하도록 구성한다.
이 경우, 본 발명에 따른 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치는 각 IGBT 파워모듈의 고장을 감지하여 고장 신호를 제어부로 전송하기 위한 센서부를 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터의 노출된 중성점에는 고장 발생시, 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에서 2상의 펄스폭 제어(PWM)로 전환하기 위한 차단기가 연결되고, 상기 차단기는 각 IGBT 파워모듈로 연결시킴으로써 각각의 IGBT 파워모듈을 차단할 수 있도록 구성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터의 중성점 및 각각의 IGBT 파워모듈 간에 차단기로써 3상 차단용 릴레이를 연결시켜, 고장 발생 시, 상기 IGBT 파워모듈 입력부의 중성점(n)과 IGBT 파워모듈 출력단과의 전위차를 없애 다이오드를 통한 전류를 차단할 수 있도록 구성한다.
예를 들면, 본 발명의 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치는 종래 인버터 장치와 마찬가지로 정상 상태에서, 3상의 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에 의하여 정상 제어되며, 이러한 정상 상태에서의 출력 거동은 도 2에 도시된 전압 벡터도에 도시된 바와 같다. 그러나, 도 4에서와 같이, 상기 인버터 장치의 IGBT 파워 모듈 A의 상단 IGBT 소자의 단락(Short Circuit)이 발생하여 파손된 경우, 상술한 바와 같이, a상의 게이트 신호 인가는 나머지 소자들의 연쇄적인 파손을 야기할 수 있으므로 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM) 운전은 불가능하며, 이 경우, 비상 운전이 가능하도록 본 발명에서는, 상기 3상 차단용 릴레이가 작동되어 새로운 2상 펄스폭 제어(PWM)로 전환할 수 있도록 구성된다. 따라서, 상기 센서부에서 IGBT 파워모듈 A의 파손을 감지하고, 이에 대한 고장(Fault) 신호를 상기 3상 차단용 릴레이에 입력하게 되면, 상기 3상 차단용 릴레이는 해당 모듈의 릴레이(①)를 'ON'시켜, 접점 a와 중성점(n)을 연결하여 a상의 출력 극전압(Van)을 '0'으로 설정하여, 기존의 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에서 고장 신호 발생한 상을 제외한 2상의 펄스폭 제어(PWM) 방식으로 전환하도록 구성된다.
아래의 식 (4) 내지 식 (6)은 2상 펄스폭 제어(PWM) 방식에 따른 출력 상전압 존재함수이다.
Figure 112008077152082-PAT00004
Figure 112008077152082-PAT00005
Figure 112008077152082-PAT00006
이러한 식(4) 내지 식 (6)이 나타내는 것으로서, 표 3에서는 3상 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에서 2상의 펄스폭 제어(PWM)로 전환되는 과정의 변동된 스위칭 상태에 따른 출력 상전압을 나타내고 있으며, 이에 대한 전압벡터도가 도 5에 도시되어 있다.
IGBT 파워모듈 A 고장시 인버터의 2상 스위칭 상태 및 출력 상전압
Sa Sb Sc Vas Vbs Vcs
- 1 1 -Vdc/3 Vdc/6 Vdc/6
- 1 0 0 Vdc/2 -Vdc/2
- 0 1 0 -Vdc/2 Vdc/2
- 0 0 Vdc/3 -Vdc/6 -Vdc/6
따라서, 표 2 및 도 5에 나타나는 바와 같이, IGBT 파워모듈에 대한 고장(Fault) 발생 시, 최대 출력 상전압 크기가
Figure 112008077152082-PAT00007
으로 감소하나, 2상 펄스폭 제어(PWM) 방식에 따른 비상 운행이 가능해진다.
도 6에 도시된 것은 본 발명에 따른 차량용 인버터의 전압 변조 방법의 제어 흐름을 도시하는 순서도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 차량용 인버터의 전압 변조 방법은 IGBT 파워모듈의 고장을 감지하여, 고장 신호(IGBT_A_FLT,IGBT_B_FLT, IGBT_C_FLT)를 각 상의 차단용 릴레이로 전송하는 단계(단계 S1), 상기 전송된 신호를 받아 각 차단용 릴레이를 동작시켜 손상된 IGBT 파워모듈을 차단하는 단계와(단계 S2), 상기 차단된 상에 해당하는 IGBT 파워모듈을 제외한 나머지 2상에 대한 펄스폭 제어(PWM)로 전환하는 단계(단계 S3)로 구성된다.
또한, 본 발명의 차량용 인버터의 전압 변조 방법은 2상 펄스폭 제어(PWM) 방식에 의한 운행시 출력 최대 상전압의 감소에 따른 비상운전모드를 설정하여, 감소된 출력 상전압에 따라 비상 상황을 운전자에게 표시하고, 이에 따라 감소된 출력을 적절히 공급할 수 있는 비상운전모드를 구성하고 이러한 비상 운전모드를 작동하는 단계(단계 S4)를 더 포함하도록 구성함이 바람직하다.
따라서, 상술한 단계를 포함하는 차량용 인버터의 전압 변조 방법을 통하여, 고장 발생 시에도 차량의 운행이 중단되지 않고, 비상운전모드로 운행이 가능한 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치를 구현할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 종래의 차량용 인버터 장치에 대한 회로도.
도 2는 3상 대칭 공간 벡터 전압변조방식(SVPWM)에 대한 전압벡터도.
도 3은 본 발명에 따른 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치에 대한 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치의 고장 발생시 작동 개념도.
도 5는 2상 펄스폭 제어(PWM) 방식에 따른 전압벡터도.
도 6은 본 발명에 따른 차량용 인버터의 전압 변조 방법의 제어 흐름을 도시하고 있는 순서도.

Claims (4)

  1. 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치에 있어서,
    3상의 IGBT 파워모듈과;
    2분할 구조의 DC 링크 캐패시터와;
    상기 2분할 구조의 DC 링크 캐패시터의 중성점과 상기 IGBT 파워모듈의 각 출력단을 연결하는 3상 차단용 릴레이를; 포함하며,
    상기 IGBT 파워모듈의 고장 시, 2상의 펄스폭 제어(PWM) 방식으로 전환하는 것을 특징으로 하는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 IGBT 파워모듈의 고장을 감지하여 해당 모듈에 연결된 차단기를 작동시킴으로써, 고장이 발생한 IGBT 파워모듈을 차단하여 2상의 펄스폭 제어(PWM) 방식으로 전환하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 비상운전을 위한 인버터 장치.
  3. 차량용 인버터의 전압 변조 방법에 있어서,
    IGBT 파워모듈의 고장을 감지하고, 고장이 감지된 IGBT 파워모듈에 연결된 대응하는 상의 차단용 릴레이로 고장 신호를 전송하는 단계와;
    상기 전송된 신호를 받아 상기 대응하는 상의 차단용 릴레이를 작동시켜 고장이 발생한 상기 IGBT 파워모듈을 차단하는 단계와;
    상기 차단된 IGBT 파워모듈을 제외한 나머지 2상의 IGBT 파워모듈에 대한 펄스폭 제어(PWM)로 전환하는 단계로;
    이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 전압 변조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 감지된 고장 발생을 운전자에게 표시하고, 출력 최대 상전압의 감소에 따라 출력을 제한하는 비상운전모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터의 전압 변조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102769276A (zh) * 2012-07-31 2012-11-07 宝钢不锈钢有限公司 一种基于继保跳闸信号保护iegt的实现方法
KR20130055892A (ko) 2011-11-21 2013-05-29 현대모비스 주식회사 인버터 ｉｇｂｔ 게이트구동장치
KR20170069634A (ko) * 2015-12-11 2017-06-21 현대모비스 주식회사 전기자동차용 인버터 제어 장치

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