KR20200119641A - 파워 디바이스 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전류 전달 경로의 주회로에서 직렬로 연결된 복수의 파워 디바이스의 모니터링 시스템에 대한 것으로, 각각 반도체 엘리먼트를 포함하는 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스와, 상기 제1 및 제2 파워 디바이스 각각과 연결되며, 상기 제1 파워 디바이스에 흐르는 제1 전류에 관련된 정보를 센싱하는 제1 센서 및, 상기 제2 파워 디바이스에 흐르는 제2 전류에 관련된 정보를 센싱하는 제2 센서와, 상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스 사이에 흐르는 제3 전류에 관련된 정보를 센싱하는 제3 센서 및, 상기 제3 센서로부터 측정되는 제3 전류를 기준으로, 상기 제1 전류 및 제2 전류를 비교하며, 상기 제3 전류와의 차이에 근거하여 각 파워 디바이스 별로 상태 이상 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전류 전달 경로의 주회로에서 직렬로 연결된 복수의 파워 디바이스의 모니터링 시스템에 대한 것이다.
통상적으로 인버터 및 반도체 기반 차단기 등에서는, 전류 전달 경로의 주회로에서 반도체 엘리먼트를 포함하는 파워 디바이스들을 직렬로 연결한 전력 스위칭 시스템을 통해 전력 분배 버스 내의 전력을 스위칭한다.
도 1은 이처럼 복수의 파워 디바이스가 직렬로 연결된 전력 스위칭 시스템의 구성을 도시한 예를 보이고 있는 것이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 통상적인 전력 스위칭 시스템은, 제1 단자(110)와 제2 단자(112), 제1 반도체 엘리먼트(114) 및 제2 반도체 엘리먼트(116) 및, 상기 제1 반도체 엘리먼트(114) 및 상기 제2 반도체 엘리먼트(116)와 연결된 다이오드들(118, 120), 그리고 제어기(126)를 포함하여 형성될 수 있다. 여기서 상기 제1 반도체 엘리먼트(114)와 상기 제2 반도체 엘리먼트(116)는 각각 제1 다이오드(118), 제2 다이오드(120)에 연결되어, 서로 다른 파워 디바이스(power device)를 형성할 수 있다.
상기 제1 반도체 엘리먼트(114) 및 제2 반도체 엘리먼트(116)는 상기 제1 단자(110)로부터 제2 단자(112)로, 또는 상기 제2 단자(112)로부터 제1 단자(110)로 흐르는 전류를 제어할 수 있다.
제어기(126)는 제1 반도체 엘리먼트(114) 및 제2 반도체 엘리먼트(116)에 각각 전압 신호를 인가하여 상기 제1 반도체 엘리먼트(114)로 형성되는 제1 파워 디바이스 및 제2 반도체 엘리먼트(116))로 형성되는 제2 파워 디바이스(220)의 온(on) 또는 오프(off)를 제어한다.
한편 전력 스위칭 시스템(108)은, 제1 단자(110)와 제1 버스섹션(104) 사이에 전기 연결되는 제1 연결해제기(136)와, 제2 단자(112)와 제2 버스 섹션(106) 사이에 전기 연결되는 제2 연결해제기(138)를 포함할 수 있다. 상기 연결 해제기들(136, 138)은 정상동작에서 폐쇄되고, 이로써 개별 버스 섹션들과 단자들 사이에 전기 연결을 제공할 수 있다. 한편 상기 연결해제기들(136, 138)은 유지보수 목적 등을 위해 개방될 수 있으며, 이러한 경우 전력 분배 버스(102)로부터 전력 스위칭 시스템(108)이 연결 해제될 수 있다.
한편 전력 스위칭 시스템(108)은, 제1 연결 해제기(136)와 제1 반도체 엘리먼트(114) 사이 또는 제2 연결 해제기(138)와 제2 반도체 엘리먼트(116) 사이에 전류 센서(122)를 포함할 수 있다. 이에 따라 제어기(126)는 전류 센서(122)로부터 계측된 전류값을 통해 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스에 흐르는 전류의 모니터링을 수행할 수 있다.
한편 이러한 전력 스위칭 시스템은 상기 전류 센서(122)의 전류 계측 결과로부터 이상 상태가 감지되는 경우, 감지된 이상 상태가 외부 전류의 인입에 의한 것인지 또는 전력 스위칭 시스템 내부의 전력용 반도체나 회로의 소손으로 인해 발생한 것인지 여부를 알 수 없다는 문제가 있다. 이에 따라 파워 디바이스를 구성하는 전력용 반도체의 불량인지 또는 전력 스위칭 시스템 내부 회로의 불량인지 여부를 정확하게 판단할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 전력 스위칭 시스템을 구성하는 각 파워 디바이스의 결함 여부를 각 파워 디바이스 별로 판단할 수 있는 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 전력 스위칭으로부터 이상 상태가 감지되는 경우, 감지된 이상 상태가 외부 전류의 유입으로 인해 발생한 것인지 또는, 상기 전력 시스템을 구성하는 파워 디바이스의 불량으로 인한 것인지 여부를 검출할 수 있는 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 모니터링 시스템은, 각각 반도체 엘리먼트를 포함하는 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스와, 상기 제1 및 제2 파워 디바이스 각각과 연결되며, 상기 제1 파워 디바이스에 흐르는 제1 전류에 관련된 제1 전류 관련 정보를 센싱하는 제1 센서 및, 상기 제2 파워 디바이스에 흐르는 제2 전류에 관련된 제2 전류 관련 정보를 센싱하는 제2 센서와, 상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스 사이에 흐르는 제3 전류에 관련된 제3 전류 관련 정보를 센싱하는 제3 센서 및, 상기 제3 전류를 기준으로, 상기 제1 전류 및 제2 전류를 비교하며, 상기 제1, 제2 전류와 상기 제3 전류와의 차이에 따라 각 파워 디바이스 별로 상태 이상 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 센서와 제2 센서는, 각각 온도 센서를 더 포함하며, 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스의 온도를 측정하고, 센싱된 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스에 흐르는 전류 관련 정보와, 상기 측정된 온도에 대한 정보를 상기 제어부에 전송하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 센서 또는 제2 센서 중 적어도 하나로부터 전류 관련 정보와 온도 정보가 수신되면, 상기 전류 관련 정보를 상기 온도 정보에 근거하여 보상하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 각 파워 디바이스 별로 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전류 간의 관계를 모델링한 테이블에 근거하여 상기 보상을 수행하고, 상기 제1 전류 또는 상기 제2 전류를 검출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 각 파워 디바이스 별로 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전압 간의 관계를 모델링한 테이블에 근거하여 상기 보상을 수행하고, 상기 제1 전류 또는 상기 제2 전류를 검출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 파워 디바이스 및 제2 파워 디바이스는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 각각 구성되며, 상기 제1 전류는, 상기 제1 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류이며, 상기 제2 전류는, 상기 제2 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 센서와 제2 센서 중 어느 하나는, 다른 센서에 비해 더 높은 정밀도와 신뢰도를 가지는 센서임을 특징으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따라 각각 반도체 엘리먼트를 포함하는 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스를 포함하는 전력 스위칭 시스템의 파워 디바이스 모니터링 방법에 있어서, 상기 제1 파워 디바이스에 흐르는 제1 전류, 상기 제2 파워 디바이스에 흐르는 제2 전류, 및 상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스 사이에 흐르는 제3 전류에 관련된 전류 관련 정보들을 센싱하는 제1 단계와, 상기 전류 관련 정보들에 근거하여, 상기 제1 전류, 제2 전류 및 제3 전류를 검출하는 제2 단계와, 상기 제3 전류를 기준 전류로 설정하는 제3 단계와, 상기 기준 전류와, 상기 제1 전류 및 제2 전류를 비교하는 제4 단계 및, 상기 비교 결과에 따라 상기 제1 파워 디바이스의 상태 및 제2 파워 디바이스의 상태를 판단하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 전류에 관련된 정보 및 제2 전류에 관련된 정보는, 상기 제1 파워 디바이스의 온도 및 제2 파워 디바이스의 온도를 더 포함하며, 상기 제2 단계는, 상기 제1 전류 관련 정보를 상기 제1 파워 디바이스의 온도에 따라 보상 및, 상기 제2 전류 관련 정보를 상기 제2 파워 디바이스의 온도에 따라 보상하는 제2-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2-1 단계는, 각 파워 디바이스 별로, 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전류 간의 관계를 모델링한 테이블 또는 온도와 전압 간의 관계를 모델링한 테이블에 근거하여 상기 보상을 수행하는 단계임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제5 단계는, 상기 기준 전류와, 상기 제1 전류 및 제2 전류의 차이가 기 설정된 허용 오차 범위 이내인지 여부를 판단하는 제5-1 단계와, 상기 기준 전류와의 차이가 상기 허용 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 기준 전류보다 큰지 또는 작은지에 따라 상기 제1 전류에 대응하는 제1 파워 디바이스의 상태 또는 상기 제2 전류에 대응하는 제2 파워 디바이스의 상태를 서로 다르게 판단하는 제5-2 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제5-2 단계는, 상기 제1 전류 또는 제2 전류 중 어느 하나가 상기 기준 전류보다 큰 경우, 상기 어느 하나의 전류에 대응하는 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스에 외부 전류의 유입이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 전류 또는 제2 전류 중 어느 하나가 상기 기준 전류보다 작은 경우, 상기 어느 하나의 전류에 대응하는 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스가 소손 또는 불량인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 기 설정된 주기의 만기 여부를 판단하는 제6 단계 및, 상기 기 설정된 주기의 만기 여부에 따라 상기 제1 단계 내지 제5 단계를 반복 다시 수행하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 파워 디바이스 및 제2 파워 디바이스는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 각각 구성되며, 상기 제1 전류는, 상기 제1 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류이며, 상기 제2 전류는, 상기 제2 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류임을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 전력 스위칭 시스템을 구성하는 각 파워 디바이스 별로 전류를 계측함으로써, 각 파워 디바이스 별로 결함 여부를 판단할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 각 파워 디바이스에 흐르는 전류들을, 각 파워 디바이스들 사이에서 흐르는 전류를 기준으로 비교함으로써, 각 파워 디바이스 별로 결함 여부를 판단할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 복수의 파워 디바이스가 직렬로 연결된 통상적인 전력 스위칭 시스템의 구성을 도시한 예시도이다.
도 2는 전력 스위칭 시스템에서, 본 발명의 실시 예에 따라 각 파워 디바이스의 상태를 모니터링하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 파워 모니터링 시스템에서, 각 센서의 계측 결과에 따라 각 파워 디바이스의 상태를 판단하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 전력 스위칭 시스템에서, 본 발명의 실시 예에 따라 각 파워 디바이스의 상태를 모니터링하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 파워 모니터링 시스템에서, 각 센서의 계측 결과에 따라 각 파워 디바이스의 상태를 판단하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 전력 스위칭 시스템에서, 본 발명의 실시 예에 따라 각 파워 디바이스(200)의 상태를 모니터링하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템(200)은, 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220), 상기 제1 파워 디바이스(210)에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제1 센서(201), 상기 제2 파워 디바이스(220)에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제2 센서(202), 상기 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220) 사이에 흐르는 전류를 센싱하기 위한 제3 센서(203), 상기 제1 파워 디바이스(210)의 온 또는 오프를 제어하는 제1 구동부(206), 상기 제2 파워 디바이스(220)의 온 또는 오프를 제어하는 제2 구동부(207), 그리고 상기 제1 구동부(206) 및 제2 구동부(207)의 구동을 제어하는 제어부(208)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 제1 파워 디바이스(210)는 제1 반도체 엘리먼트(212)와 제1 다이오드(211)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 제1 반도체 엘리먼트(212)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성될 수 있다.
제1 파워 디바이스(210)는 제1 구동부(206)에 의해 기 설정된 전압이 인가되는 경우 동작할 수 있으며(온 상태), on 상태인 경우 제1 반도체 엘리먼트(212)를 통해 전류가 흐르도록 형성될 수 있다. 반면 제1 구동부(206)에 의해 기 설정된 전압이 인가되지 않는 경우 오프 상태가 되어 상기 제1 다이오드(211)를 통해 전류가 흐르도록 형성될 수 있다.
유사하게 제2 파워 디바이스(220)는 제2 반도체 엘리먼트(222)와 제2 다이오드(221)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 제2 반도체 엘리먼트(222)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 구성될 수 있다.
제2 파워 디바이스(220)는 제2 구동부(207)에 의해 기 설정된 전압이 인가되는 경우 동작할 수 있으며(온 상태), on 상태인 경우 제2 반도체 엘리먼트(222)를 통해 전류가 흐르도록 형성될 수 있다. 반면 제2 구동부(207)에 의해 기 설정된 전압이 인가되지 않는 경우 오프 상태가 되어 상기 제2 다이오드(221)를 통해 전류가 흐르도록 형성될 수 있다.
한편 상기 제1 센서(201)는 제1 파워 디바이스(210)에 흐르는 전류를 직접 또는 간접적으로 계측하기 위한 센서일 수 있다. 예를 들어 상기 제1 센서(201)는 상기 제1 파워 디바이스(210)에 직접 연결되어 상기 제1 파워 디바이스(210)에 흐르는 제1 전류를 직접 계측하는 센서(예를 들어 홀(hall) 센서)일 수 있다. 또는 상기 제1 전류를 간접 측정하기 위한 기 설정된 저항을 포함하는 전압 센서일 수 있다.
여기서 상기 제1 센서(201)에서 측정되는 전압은 제1 파워 디바이스(210)의 제1 반도체 엘리먼트(212)에서 드레인(drain) 단자와 소스(source) 단자 사이의 전압(VDS : Voltage Drain to Source)일 수 있다. 이 경우 상기 제1 전류는 제1 반도체 엘리먼트(212)에서 드레인 단자와 소스 단자 사이에 흐르는 전류일 수 있다.
마찬가지로 상기 제2 센서(202)는 제2 파워 디바이스(220)에 흐르는 전류를 직접 또는 간접적으로 계측하기 위한 센서일 수 있다. 예를 들어 상기 제2 파워 디바이스(220)에 흐르는 제2 전류를 직접 계측하는 전류 센서이거나, 상기 제1 전류를 간접 측정하기 위한 기 설정된 저항을 포함하는 전압 센서일 수 있다.
여기서 상기 제2 센서(202)에서 측정되는 전압은 제2 파워 디바이스(220)의 제2 반도체 엘리먼트(222)에서 드레인(drain) 단자와 소스(source) 단자 사이의 전압(VDS : Voltage Drain to Source)일 수 있다. 이 경우 상기 제2 전류는 제2 반도체 엘리먼트(222)에서 드레인 단자와 소스 단자 사이에 흐르는 전류일 수 있다.
한편 상기 제3 센서(203)는 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220) 사이에 흐르는 전류를 직접 또는 간접 계측하기 위한 센서일 수 있다. 예를 들어 상기 제3 센서(203)는 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220)를 연결하는 연결 전선에 배치될 수 있으며, 상기 연결 전선에 흐르는 전류를 직접 계측하는 센서이거나 기 설정된 저항을 포함하는 전압 센서일 수 있다.
한편 제1 구동부(206) 및 제2 구동부(207)는 제어부(208)의 제어에 따라 제1 파워 디바이스(210) 또는 제2 파워 디바이스(220) 중 적어도 하나에 기 설정된 구동 전압을 인가할 수 있다. 이 경우 상기 제1 파워 디바이스(210) 또는 제2 파워 디바이스(220)에 인가되는 구동 전압은 서로 다를 수 있다.
한편 제어부(208)는 제1 센서(201)와 제2 센서(202)의 계측 결과에 근거하여 상기 제1 파워 디바이스(210)에 흐르는 제1 전류 및 제2 파워 디바이스(220)에 흐르는 제2 전류를 측정할 수 있다.
일 예로 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)가 전류 센서들인 경우라면, 제어부(208)는 제1 센서(201)의 계측 결과와 제2 센서(202)의 계측 결과에 따라 상기 제1 파워 디바이스(210)에 흐르는 제1 전류 및 제2 파워 디바이스(220)에 흐르는 제2 전류를 판단할 수 있다.
그러나 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)가 전압 센서인 경우라면, 각 파워 디바이스의 특성에 의해 전압-전류 관계가 모델링된 전류-전압 테이블에 근거하여 상기 제1 전류와 제2 전류를 각각 검출할 수 있다.
그리고 제어부(208)는 제3 센서(203)의 계측값에 근거하여 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220) 사이에 흐르는 제3 전류를 측정할 수 있다. 이 경우 상기 제3 센서(203)가 전류 센서인 경우라면 계측된 전류값에 근거하여 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220) 사이에 흐르는 제3 전류를 바로 검출할 수 있다. 그러나 상기 제3 센서(203)가 전압 센서인 경우라면, 상기 제3 전류는 기 설정된 저항에 따른 전압-전류 관계가 모델링된 테이블에 근거하여 검출될 수 있다.
그러면 제어부(208)는 상기 제3 전류를 기준 전류로 설정할 수 있다. 그리고 설정된 기준 전류와 상기 제1 전류 및 제2 전류를 비교할 수 있다. 비교 결과, 상기 제1 전류와 제2 전류 중, 상기 제3 전류와의 차이가 기 설정된 허용 오차 범위를 벗어나는 전류가 있는 경우, 제어부(208)는 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우 제어부(208)는 상기 허용 오차 범위를 벗어나는 전류에 근거하여 이상이 있는 파워 디바이스를 검출할 수 있다.
이 경우 제어부(208)는 제1 전류와 기준 전류와의 차이가 허용 오차 범위를 초과하는 경우 상기 제1 파워 디바이스(210)에 이상이 있는 것으로 감지할 수 있다. 반면 제2 전류와 기준 전류와의 차이가 허용 오차 범위를 초과하는 경우 상기 제2 파워 디바이스(220)에 이상이 있는 것으로 감지할 수 있다.
보다 자세하게, 제어부(208)는 제1 전류 또는 제2 전류가 상기 기준 전류(제3 전류)보다 크면서 기준 전류와의 차이가 허용 오차 범위를 초과하는 경우라면, 상기 제1 파워 디바이스(210) 또는 제2 파워 디바이스(220)에 유입되는 다른 전류가 더 있는 것으로 판단할 수 있다. 즉 제1 파워 디바이스(210) 또는 제2 파워 디바이스(220)에 누설 전류와 같은 외부 전류의 유입이 있는 것으로 판단할 수 있다.
반면 제어부(208)는 제1 전류 또는 제2 전류가 상기 기준 전류(제3 전류)보다 작으면서 기준 전류와의 차이가 허용 오차 범위를 초과하는 경우라면, 제어부(208)는 상기 제1 파워 디바이스(210) 또는 제2 파워 디바이스(220)에 불량 또는 소손이 있는 것으로 판단할 수 있다.
한편 상기 제1 센서(201) 및 제2 센서(202)의 경우 각각 파워 디바이스에 연결되는 것으로, 연결된 파워 디바이스에서 발생되는 열로 인한 오차가 발생할 수 있기 때문이다.
이러한 온도 차이로 인해 발생하는 오차를 방지하기 위해, 제어부(208)는 기 설정된 온도-전류 테이블 또는 온도-전압 테이블에 근거하여 상기 오차를 보상할 수도 있다. 이를 위해 상기 제1 센서(201) 및 제2 센서(202)는 온도 센서를 더 포함할 수 있으며, 제1 전류 및 제2 전류가 센싱될 때에, 각 파워 디바이스로부터 계측되는 전류값 또는 전압값과, 상기 온도 센서에서 계측된 온도값을 제어부(208)에 전송할 수 있다.
또한 제어부는 각 파워 디바이스 별로, 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전류 간의 관계를 모델링한 테이블 또는 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전압 간의 관계를 모델링한 테이블을 구비할 수 있다. 그리고 구비된 모델링 테이블에 근거하여 제1 센서(201)에서 계측되는 정보(전류값 또는 전압값) 및, 제2 센서(202)에서 계측되는 정보(전류값 또는 전압값)를 보상할 수 있다.
한편 제1 센서(201)와 제2 센서(202)에서 센싱되는 정보는, 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)가 각각 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220)에 연결되는 반면, 제3 센서(203)는 상기 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220)를 연결하는 연결 전선 상에 구비될 수 있다.
이에 따라 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)에는 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220)에서 발생하는 열이 직접 전달되어 그에 따른 오차를 포함하는 반면, 제3 센서(203)는 각 파워 디바이스의 열이 직접 전달되지 않으며, 이에 따라 열로 인해 발생하는 오차(즉, 온도 편차)가 상기 제1 센서(201) 및 제2 센서(202)보다 적을 수 있다.
이에 따라 상기 제3 센서(203)에서는 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)보다 더 정확한 전류가 측정될 수 있다. 이에 따라 제어부(208)는 상기 제3 센서(203)로부터 계측되는 제3 전류를 기준 전류값으로 설정할 수 있다.
도 3은 이러한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 파워 모니터링 시스템에서, 각 센서의 계측 결과에 따라 각 파워 디바이스의 상태를 판단하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모니터링 시스템의 제어부(208)는 먼저 제1 센서(201), 제2 센서(202), 그리고 제3 센서(203)로부터 각각 계측된 결과를 수신할 수 있다(S300). 여기서 상기 제1 센서(201) 내지 제3 센서(203)는 기 설정된 전압을 포함하는 전압 센서일 수 있으며, 또는 전류값을 직접 센싱하는 전류 센서일 수 있다.
한편 각 센서의 계측값이 센싱되면, 제어부(208)는 제1 센서(201)와 제2 센서(202)의 계측 결과에 근거하여 제1 파워 디바이스(210)에 흐르는 제1 전류와 제2 전류를 측정할 수 있다(S302). 이 경우 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)가 전압 센서인 경우라면, 각 파워 디바이스의 특성에 따라 전류에 대한 전압 변화가 모델링된 전압-전류 테이블에 의해, 이 경우 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)가 온도 센서인 경우라면, 각 파워 디바이스의 특성에 따라 전류에 대한 온도 변화가 모델링된 온도-전류 테이블에 의해, 상기 제1 전류 및 제2 전류가 측정될 수 있다.
한편 상기 제1 센서(201) 내지 제2 센서(202)는 각각 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제1 센서(201)와 제2 센서(202)는 상기 제1 파워 디바이스(210) 및 제2 파워 디바이스(220)의 전류값 또는 전압값을 센싱할 때에, 상기 온도 센서들을 통해 센싱되는 온도값들을 제어부(208)로 더 전송할 수 있다. 그러면 제어부(208)는 전송된 제1 파워 디바이스(210)의 온도 및 제2 파워 디바이스(220)의 온도값들에 근거하여, 상기 제1 센서(201)로부터 센싱된 정보(전류값 또는 전압값), 제2 센서(202)로부터 센싱된 정보(전류값 또는 전압값)을 보상할 수 있다.
한편 제어부(208)는 제3 센서(203)의 계측 결과에 근거하여 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220) 사이에 흐르는 제3 전류를 계측할 수 있다(S304). 이 경우 상기 제3 센서(203)가 전류 센서인 경우라면, 계측된 값에 근거하여 상기 제3 전류가 바로 계측될 수 있으나, 제3 센서(203)가 기 설정된 전압 센서인 경우라면, 상기 기 설정된 전압에 따른 전압-전류 특성 테이블에 근거하여 상기 제3 전류가 검출될 수 있다.
한편 제3 전류가 검출되면, 제어부(208)는 검출된 제3 전류를 기준으로 상기 제1 전류와 제2 전류를 비교할 수 있다(S306). 상기 S306 단계에서 제어부(208)는 기준 전류, 즉 제3 전류에 대하여 상기 제1 전류 또는 제2 전류가 큰지 작은지 여부를 판단할 수 있으며, 상기 제3 전류와 제1 전류 또는 제2 전류의 차이가 기 설정된 허용 오차 범위 이내인지 여부를 검출할 수 있다.
그리고 제어부(208)는 상기 S306 단계의 비교 결과에 따라 제1 파워 디바이스(210)와 제2 파워 디바이스(220)의 상태를 각각 판단할 수 있다(S308).
예를 들어 제어부(208)는, 제3 전류보다 제1 전류가 크고, 그 차이가 기 설정된 허용 오차 범위를 초과하는 경우 제1 파워 디바이스(210)에 외부 전류의 유입이 있는 것으로 판단할 수 있다. 또는 제3 전류보다 제1 전류가 작고, 그 차이가 기 설정된 허용 오차 범위를 초과하는 경우 제1 파워 디바이스(210)가 소손 또는 불량으로 인해 열화된 것으로 판단할 수 있다.
또한 제어부(208)는 제3 전류보다 제2 전류가 크고, 그 차이가 기 설정된 허용 오차 범위를 초과하는 경우 제2 파워 디바이스(220)에 외부 전류의 유입이 있는 것으로 판단할 수 있다. 또는 제3 전류보다 제2 전류가 작고, 그 차이가 기 설정된 허용 오차 범위를 초과하는 경우 제2 파워 디바이스(220)가 소손 또는 불량으로 인해 열화된 것으로 판단할 수 있다.
즉, 제어부(208)는 기준 전류(제3 전류)와 제1 전류 또는 제2 전류의 차이가 허용 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 기준 전류보다 제1 전류 또는 제2 전류가 작은지 또는 큰지 여부에 따라 상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스의 상태를 서로 다르게 판단할 수 있다. 또한 상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스의 상태를 각각 개별적으로 판단할 수 있다.
한편 각 파워 디바이스가 동일한 성능이라고 보면, 같은 전류가 연속적으로 흐를 경우, 두 파워 디바이스의 특성은 전류의 방향에 따른 특성을 나타낼 수 있다. 각 파워 디바이스는 순방향 또는 역방향 전류에 따른 일정한 특성 값을 지닌다. 이 경우 특정범위 이후의 파워 디바이스의 특성은 V/I의 비로 나타낼 수 있는데 어느 한쪽이라도 일정한 특성 값의 범위나 비율을 넘어가면 손상되었다고 판단할 수 있다.
그리고 제어부(208)는 손상으로 판단되는 영역으로 들어가면, 상위 시스템으로 즉각적으로 통지하고, 각 파워 디바이스들의 동작을 중지할 수 있다. 이 경우 동작 중지를 위해서는 시스템의 안정성을 고려하여 제어부(208)는 각 구성 요소(예 : 파워 디바이스)의 동작 중지 순서를 정할 수 있다.
한편 상기 도 3의 과정은 초기 시스템 구동을 위한 점검(initial check) 과정에서 수행될 수 있다. 또한 시스템의 동작 중 기 설정된 주기를 통해 반복되어 지속적인 점검(operation check)을 통해, 파워 디바이스들의 상태를 점검하고, 각 파워 디바이스들의 상태를 판단할 수 있다. 이에 따라 시스템의 신뢰도가 향상될 수 있다.
한편 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
먼저 도 4의 (a)를 살펴보면, 파워 디바이스(400)는 전류의 흐름에 따라 양방향 컨트롤이 가능한 통합 파워 디바이스일 수 있다. 이 경우 상기 파워 디바이스(400)는 하나의 구동부(440)에 의해 온 또는 오프가 제어될 수 있다. 상기 구동부(440)는, 제어부(450)의 제어에 따라, 제1 반도체 엘리먼트(405)와 제2 반도체 엘리먼트(406)의 구동 전압을, 제1 반도체 엘리먼트(405)와 제2 반도체 엘리먼트(406) 각각에 인가할 수 있다.
한편 상기 파워 디바이스(400)는 도 4의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 두 개의 반도체 엘리먼트(405, 406) 및 두 개의 다이오드(401, 402)를 포함하여 구성될 수 있다.
이 경우, 제1 센서(410) 및 제2 센서(420)는 각각 제1 반도체 엘리먼트(405)에 흐르는 제1 전류에 관련된 정보(전류값 또는 전압값), 그리고 제2 반도체 엘리먼트(406)에 흐르는 제2 전류에 관련된 정보(전류값 또는 전압값)을 센싱할 수 있다. 보다 자세하게 상기 제1 센서(410)는 제1 반도체 엘리먼트(405)의 드레인 단자와 소스 단자 사이에 흐르는 전류(제1 전류)에 관련된 정보를, 상기 제2 센서(420)는 제2 반도체 엘리먼트(406)의 드레인 단자와 소스 단자 사이에 흐르는 전류(제2 전류)에 관련된 정보를 센싱할 수 있다.
그리고 상기 제1 반도체 엘리먼트(405)와 제2 반도체 엘리먼트(406) 사이에는 제1 반도체 엘리먼트(405)와 제2 반도체 엘리먼트(406) 사이에 흐르는 전류에 관련된 정보(전압값 또는 전류값)를 센싱하는 제3 센서(430)를 포함할 수 있다.
한편 상기 제1 센서(410) 및 제2 센서(420)에서 계측되는 정보들은 제어부(450)로 전송될 수 있다. 그리고 제3 센서(430)에서 계측되는 정보들은 구동부(440)를 통해 제어부(450)로 전송될 수 있다. 그러면 제어부(450)는 제1 센서(410) 내지 제3 센서(430) 각각으로부터 계측되는 정보들에 근거하여, 상기 제1 전류와 제2 전류 및 제3 전류를 검출하고, 기준이 되는 제3 전류와, 상기 제1 및 제2 전류의 비교 결과에 근거하여 상기 파워 디바이스(400)의 이상 여부를 검출할 수 있다.
보다 자세하게, 제어부(450)는 상기 제3 전류와 제1 및 제2 전류를 비교한 결과에 따라 상기 파워 디바이스(400)를 구성하는 반도체 엘리먼트들 중 이상이 발생한 반도체 엘리먼트를 검출할 수도 있다.
한편 상기 제1 센서(410)와 제2 센서(420) 중 어느 하나는, 다른 하나에 비하여 보다 정밀하고 보다 신뢰성 높은 센서로 구현될 수 있다. 이 경우 보다 높은 정밀도와 신뢰성을 가지는 센서로 파워 디바이스(400)에 흐르는 전류 또는 전압을 계측 및 전류의 방향을 예측하고, 다른 센서의 계측 결과와 비교하여 파워 디바이스(400)의 안정성을 검토할 수도 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템은, 적어도 하나의 과전압 방지부를 더 포함할 수 있다. 도 5는 이러한 본 발명의 제3 실시 예에 따른 파워 디바이스 모니터링 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 본 발명은 각 파워 디바이스(210, 220) 양단에 과전압 방지를 위한 과전압 방지부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 과전압 방지부(500)는 MOV(Metal Oxide Varistor) 또는 스너버(snubber) 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편 상기 과전압 방지부(500)는 파워 디바이스(210, 220) 각각의 양단에 배치될 수도 있다. 그리고 상기 각 파워 디바이스(210, 220)의 양단에는 직렬로 연결되는 저항(510) 및 전압 센서들(521, 522)이 구비될 수 있다.
이 경우 상기 직렬 저항(510) 및 전압 센서들(521, 522)은 각각 파워 디바이스들(210, 220)로 입력되는 전류의 전압을 측정할 수 있다. 상기 전압 센서들(521, 522)은 각각 절연 인터페이스 및, 아날로그 전압을 디지털 값으로 계측할 수 있는 ADC(Analog Digital Converter)를 포함할 수 있다. 상기 절연 인터페이스는 상기 전압 센서들(521, 522)에서 계측된 전압이 제어부(280)로 인가되는 것을 방지할 수 있다.
통신 인터페이스(530)가 더 구비될 수 있으며, 통신 인터페이스(530)를 통해 외부의 입력이 제어부(208)에 입력될 수 있다. 또한 제어부(208)는 상기 통신 인터페이스(530)을 통해 외부의 다른 기기와 정보를 교환할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에서는 각 파워 디바이스가 다이오드를 포함하는 구성을 설명하였으나, 파워 디바이스의 종류 및 특성에 따라 다이오드를 포함하지 않을 수도 있음은 물론이다.
또한 상술한 본 발명은 전력용반도체 차단기에 적용될 수 있는 것으로, 상술한 설명에서는, 각 파워 디바이스가 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성된 반도체 엘리먼트를 구비하는 구성을 예로 들어 설명하였으나, 얼마든지 다른 반도체 엘리먼트를 구비하는 경우에도 적용될 수 있음은 물론이다. 일 예로 SiC나 GaN 디바이스와 같은 다른 전력용 반도체나 파워 디바이스에서도 본 발명이 적용될 수도 있음은 물론이다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 제어부(280)를 포함할 수도 있다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
200 : 파워 디바이스 모니터링 시스템
201 : 제1 센서 202 : 제2 센서
203 : 제3 센서 206 : 제1 구동부
207 : 제2 구동부 208 : 제어부
210 : 제1 파워 디바이스 220 : 제2 파워 디바이스
201 : 제1 센서 202 : 제2 센서
203 : 제3 센서 206 : 제1 구동부
207 : 제2 구동부 208 : 제어부
210 : 제1 파워 디바이스 220 : 제2 파워 디바이스
Claims (14)
- 각각 반도체 엘리먼트를 포함하는 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스;
상기 제1 및 제2 파워 디바이스 각각과 연결되며, 상기 제1 파워 디바이스에 흐르는 제1 전류에 관련된 제1 전류 관련 정보를 센싱하는 제1 센서 및, 상기 제2 파워 디바이스에 흐르는 제2 전류에 관련된 제2 전류 관련 정보를 센싱하는 제2 센서;
상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스 사이에 흐르는 제3 전류에 관련된 제3 전류 관련 정보를 센싱하는 제3 센서; 및,
상기 제3 전류를 기준으로, 상기 제1 전류 및 제2 전류를 비교하며, 상기 제1, 제2 전류와 상기 제3 전류와의 차이에 따라 각 파워 디바이스 별로 상태 이상 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제1 센서와 제2 센서는,
각각 온도 센서를 더 포함하며,
상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스의 온도를 측정하고,
센싱된 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스에 흐르는 전류 관련 정보와, 상기 측정된 온도에 대한 정보를 상기 제어부에 전송하는 것을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 제1 센서 또는 제2 센서 중 적어도 하나로부터 전류 관련 정보와 온도 정보가 수신되면, 상기 전류 관련 정보를 상기 온도 정보에 근거하여 보상하는 것을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 시스템. - 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
각 파워 디바이스 별로 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전류 간의 관계를 모델링한 테이블에 근거하여 상기 보상을 수행하고, 상기 제1 전류 또는 상기 제2 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 시스템. - 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
각 파워 디바이스 별로 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전압 간의 관계를 모델링한 테이블에 근거하여 상기 보상을 수행하고, 상기 제1 전류 또는 상기 제2 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 파워 디바이스 및 제2 파워 디바이스는,
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 각각 구성되며,
상기 제1 전류는,
상기 제1 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류이며,
상기 제2 전류는,
상기 제2 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류임을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 시스템. - 각각 반도체 엘리먼트를 포함하는 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스를 포함하는 전력 스위칭 시스템의 파워 디바이스 모니터링 방법에 있어서,
상기 제1 파워 디바이스에 흐르는 제1 전류, 상기 제2 파워 디바이스에 흐르는 제2 전류, 및 상기 제1 파워 디바이스와 제2 파워 디바이스 사이에 흐르는 제3 전류에 관련된 전류 관련 정보들을 센싱하는 제1 단계;
상기 전류 관련 정보들에 근거하여, 상기 제1 전류, 제2 전류 및 제3 전류를 검출하는 제2 단계;
상기 제3 전류를 기준 전류로 설정하는 제3 단계;
상기 기준 전류와, 상기 제1 전류 및 제2 전류를 비교하는 제4 단계; 및,
상기 비교 결과에 따라 상기 제1 파워 디바이스의 상태 및 제2 파워 디바이스의 상태를 판단하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 전류에 관련된 정보 및 제2 전류에 관련된 정보는,
상기 제1 파워 디바이스의 온도 및 제2 파워 디바이스의 온도를 더 포함하며,
상기 제2 단계는,
상기 제1 전류 관련 정보를 상기 제1 파워 디바이스의 온도에 따라 보상 및, 상기 제2 전류 관련 정보를 상기 제2 파워 디바이스의 온도에 따라 보상하는 제2-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제8항에 있어서, 상기 제2-1 단계는,
각 파워 디바이스 별로, 각 파워 디바이스의 특성에 따른 온도와 전류 간의 관계를 모델링한 테이블 또는 온도와 전압 간의 관계를 모델링한 테이블에 근거하여 상기 보상을 수행하는 단계임을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제7항에 있어서, 상기 제5 단계는,
상기 기준 전류와, 상기 제1 전류 및 제2 전류의 차이가 기 설정된 허용 오차 범위 이내인지 여부를 판단하는 제5-1 단계;
상기 기준 전류와의 차이가 상기 허용 오차 범위를 초과하는 경우, 상기 기준 전류보다 큰지 또는 작은지에 따라 상기 제1 전류에 대응하는 제1 파워 디바이스의 상태 또는 상기 제2 전류에 대응하는 제2 파워 디바이스의 상태를 서로 다르게 판단하는 제5-2 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제10항에 있어서, 상기 제5-2 단계는,
상기 제1 전류 또는 제2 전류 중 어느 하나가 상기 기준 전류보다 큰 경우, 상기 어느 하나의 전류에 대응하는 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스에 외부 전류의 유입이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 전류 또는 제2 전류 중 어느 하나가 상기 기준 전류보다 작은 경우, 상기 어느 하나의 전류에 대응하는 상기 제1 파워 디바이스 또는 제2 파워 디바이스가 소손 또는 불량인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제7항에 있어서,
기 설정된 주기의 만기 여부를 판단하는 제6 단계; 및,
상기 기 설정된 주기의 만기 여부에 따라 상기 제1 단계 내지 제5 단계를 반복 다시 수행하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 파워 디바이스 및 제2 파워 디바이스는,
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)로 각각 구성되며,
상기 제1 전류는,
상기 제1 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류이며,
상기 제2 전류는,
상기 제2 파워 디바이스의 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류임을 특징으로 하는 파워 디바이스 모니터링 방법.
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