3-레벨 Hybrid ANPC 인버터 기반 에너지 저장 장치의 신뢰성 향상을 위한 스위치 개방 고장 진단

Abstract

본 논문은 Si IGBT와 SiC MOSFET을 함께 사용하는 Hybrid ANPC 인버터 토폴로지의 특성 및 장점을 분석하고, 전력반도체 소자의 개방성 고장을 신속하고 정확하게 검출하기 위한 고장 진단 기법을 제안한다. 3-레벨 Neutral-Point Clamping (NPC) 인버터는 일반적으로 2-레벨 인버터에 비해 낮은 스위칭 손실과 작은 사이즈의 필터를 사용할 수 있는 특징을 갖는다. 그러나 전력변환 장치의 용량 증대에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라 3-레벨 NPC 인버터의 고 전력 밀도 설계를 위해 Silicon Insulated-Gate Bipolar Transistors (Si IGBTs) 대신에 Silicon Carbide Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors (SiC MOSFETs)를 전력반도체 소자로 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. SiC MOSFET의 높은 가격에 의한 적용 부담을 줄이기 위해 Si IGBT와 SiC MOSFET을 함께 사용하여 경제적인 가격으로 full SiC MOSFET 기반 인버터와 동등한 성능을 발휘하는 Hybrid Active NPC (Hybrid ANPC) 인버터 토폴로지가 개발되었다. 본 논문에서는 시뮬레이션 모델과 15 kW 급 시작품을 이용한 실험을 통해 Hybrid ANPC 인버터의 특징과 장점을 분석한다. Hybrid ANPC 인버터는 기존 standard NPC 인버터에 비해 각 상마다 능동 소자가 2개씩 더 추가된 구조이므로 전력반도체 소자의 고장을 진단하기 위해서는 추가적인 분석과 고려가 필요하다. 본 논문에서 제안하는 고장 진단 기술은 별도의 센서와 같은 추가적인 하드웨어를 요구하지 않고 기존 시스템에 구성되어 있는 전류 센서 만을 이용하여 고장의 발생 유무는 물론 고장이 발생한 스위치의 정확한 위치를 검출하는 것을 목표로 한다. Hybrid ANPC 인버터의 한 상을 구성하는 각 6개 스위치의 고장 상황을 분석하고 고장에 의한 변화 현상을 검출 정보로 활용하여 정확한 고장 스위치를 구별한다. 본 논문에서 제안하는 기법은 다양한 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 성능과실현 가능성을 검증한다.