The three-phase pulse width modulated (PWM) converters are widely used in motor drive and power quality applications such as powered wheelchairs, aerospace, medical and military applications, nuclear power plants, uninterruptible power system, active power filters, and more recently, in renewable energy systems and electric/hybrid vehicles. In these applications, because an accident or fault can result in huge damages to the human life and environments, the reliability is one of the most important factors to guarantee the safe, continuous and high performance operation under even some accidents or faults. Generally, when an accident or fault occurs, the system has to be stopped for emergency or non-programmed maintenance schedule. Due to the high cost of unexpected maintenance, the development of a reliable system is an area of great interest during the last years.
Some statistical studies show that about 38% of the failures are found in power converters and the most of faults are occurred to the power switches. More recently, an industry-based survey considering the reliability in power converters also shows that power switches, capacitors, and gate control circuits are the most susceptible components. Another study shows that semiconductor, soldering, and printed circuit board (PCB) failures in device modules have total 60% of the system failures.
Most of power converters use insulated gate bipolar transistors (IGBTs) as power switches because of their high voltage and current ratings and ability to handle short-circuit currents for periods exceeding 10us. In general, IGBT failures can be broadly categorized as short-circuit faults and open-circuit faults. The short-circuit fault may happen due to an improper gate signal so that both power switches in a leg of the converter are turned on. This results in a short circuit of the capacitor in the DC-link that blows out the other compo-nents particularly switching devices. Therefore, the short-circuit fault is one of the most fatal accidents and the most important thing in the drive system is to minimize the time between short-circuit fault initiation and appropriate reaction. Consequently, the control circuits of the switching devices are designed to have a fast fault diagnosis characteristic to prevent the abnormal over-current and mostly the hardware-based protection schemes are employed. The open-circuit fault, on the other hand, have not yet received so much attention since it has the characteristic of slow response and less danger to the overall system compared with the short-circuit fault. The open-circuit fault may result from the disconnection of a wire from the switching devices due to a thermic cycling or a gate driver failure. The open-circuit fault leads to the current imbalance in both the faulty and healthy phases and results in the pulsating currents, which highly degrades the performances. Since the open-circuit fault is not generally harmful to the overall systems, it will not necessarily cause the system shutdown and can remain undetected for an extended period of time. This may lead to the secondary faults in the converter or in the remaining components, resulting in the total system shutdown and high repair-ing costs. For these reasons, an open-circuit fault diagnostics and a fault-tolerant operation are developed in this dissertation.
1. MRAS-based open-circuit fault diagnostics
The previous studies on the open-circuit fault can be divided into two categories depending on the in-formation quantity used for the diagnosis, voltage and current. The methods based on voltage information generally show the characteristic of the fast fault diagnosis performance and thus reduce the time between the fault occurrence and its diagnosis. However, the disadvantages of these methods are the increases in system cost and complexity due to the additional hardware equipment such as voltage sensors and electric circuits to get voltage information. The methods based on current information, by contrast, have no use of the specific hardware equipment, but the characteristics of a little bit slow performance and quite complicated or need excessive computing process.
To overcome these drawbacks, the MRAS-based open-circuit fault diagnostics is proposed, which will improve the reliability of the three-phase PWM converters. Since an open-circuit fault changes the corre-sponding terminal voltage and introduces the voltage distortions to each phase voltage, the fault diagnosis is achieved by the simple MRAS-based voltage distortion observer. Once the voltage distortions are observed, these are compared with the threshold value to determine the fault condition. When the open-circuit fault occurs, the observed voltage distortions are bigger than the threshold value. By comparing these two values, the Boolean errors are generated and the fault condition is decided. In addition, to have a good resistivity against a false alarm, the time-based comparison is developed. By using the time-based comparison which checks how long the Boolean errors are continuously signaled, the robustness against the false alarm can be achieved. Also, the fault identification is achieved by using the observed voltage distortions, since the voltage distortions are different according to the faulty switch. The fault diagnosis algorithm can be extended to an open-phase fault which occurs when two switches in one leg are open-circuit fault. Finally, the influences of the system parameter variations on the fault diagnosis are discussed. Due to the time-based comparison, the proposed method can be less affected by the parameter variations.
In comparison with the previous existing fault diagnosis, the proposed method has simple structure and fast fault detection time. Also, it can be implemented without any extra devices such as voltage sensors and the computing effort is very low. Therefore, the execution of the algorithm can be easily embedded in the existing systems without major modifications. To show the effectiveness of the proposed method, the simula-tions and experiments are carried out for the digitally controlled PMSM drive system. The simulation and experimental results verify the validity of the proposed method and show that the proposed method gives the good performance and practical value.
2. Post-fault operation based on the modified PWM switching patterns
There are certain safety critical applications and incessantly running applications such as steering, fuel pumps, uninterruptible power systems for server computers, and brake-by-wire systems, where operation of the system is of paramount importance and continuous operation of the system should be insured. As a result, parallel redundancy is often employed for these systems. However, these previous methods are high cost and complexity, and required to access to the mid-point of the DC-link capacitor and/or the neutral point of the machine. In addition, these methods need extra semiconductor switches and some need extra fuses and capacitors for increased availability.
To solve these problems, a new post-fault operation method is proposed for the rectifier mode of the three-phase PWM converters. The positive or negative current which depends on what switch fails cannot fully flow though the switch and free-wheeling diode when an open-circuit fault occurs. In other words, the current cannot flow through the switch due to the fault, and only flows through the free-wheeling diode. Therefore, the current imbalance is appeared and it increases the harmonics and output voltage ripples, which significantly degrades the control performances. The reason for the current distortion is due to a zero-vector which is affected by the open-circuit fault. So, if the faulted zero-vector is substituted to another zero-vector, the voltage command can be compensated and the distorted current can be recovered. Therefore, the proposed post-fault operation method is based on changing the original PWM switching patterns into modified PWM switching patterns which is totally substituting faulted zero-vector to healthy zero-vector. With the proposed post-fault operation, the current imbalance can be noticeably reduced and the output voltage ripples can also be minimized.
In comparison with the previous existing post-fault schemes, the proposed method has simple structure and low cost due to the no additional switches or circuitries. Therefore, the proposed scheme can be easily implemented in the existing systems without major modifications. To show the effectiveness of the proposed method, the simulations and experiments are carried out for the digitally controlled rectifier mode of the three-phase PWM converter. The simulation and experimental results verify the validity of the proposed method and show that the proposed method gives the good performance and practical value.
The fault diagnosis and tolerant operation is becoming more and more important for industrial applica-tions, because the breakdown of a system results in tremendous loss of property or human life. Therefore, the system used in such safety critical or product sensitive application should be highly available and they should continue to work, at least with acceptable performance. So, the solutions to improve the reliability and availability of the three-phase PWM converters developed in this dissertation can be easily adapted to safety critical and product sensitive applications.
3상 PWM 컨버터는 전동 휠체어, 항공우주, 의료 및 군사 기기, 핵발전, 무정전 전원장치, 능동 전력 필터, 그리고 최근에는 신재생 에너지와 전기/하이브리드 자동차에까지 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 응용분야에서 사고나 고장은 인간의 삶과 환경에 큰 피해를 줄 수 있기 때문에 비록 사고나 고장이 발생하여도 안전하고 지속적이면서 고성능 운전을 보장하기 위한 신뢰성은 가장 중요한 요소이다. 일반적으로 사고나 고장이 발생하게 되면, 응급 상황이나 유지보수를 위해 전체 시스템을 멈추게 되는데, 그 결과 큰 추가 비용이 발생하기 때문에 신뢰성 있는 시스템을 개발하는 것은 지난 세월 큰 관심 분야였다.
한 통계에서는 약 38%의 고장이 컨버터에서 발생하고 있으며, 대부분의 그 고장들이 전력용 스위치에 집중되어 있다고 밝히고 있다. 최근에는 전력 변환회로의 신뢰성에 대해 다룬 조사에서 전력용 스위치, 캐패시터, 그리고 스위치 제어 회로에서 가장 고장이 빈번하게 발생하고 있다고 나타났다. 다른 연구에서도 역시 반도체 소자, 납땜, 그리고 PCB에서 약 60%의 불량이 발생하고 있다고 나타났다.
전력 변환회로는 IGBT를 전력용 스위치로 채용하고 있는데, 이는 높은 내압과 전류, 그리고 어느 정도는 단락 과전류를 견딜 수 있기 때문이다. 일반적으로 IGBT 고장은 크게 단락 고장과 개방 고장으로 나눌 수 있다. 단락 고장은 한 상의 위쪽과 아래쪽 스위치가 적절치 못한 게이트 신호 등에 의해 모두 도통하여 발생한다. 그 결과 입력 전원이 두 개의 스위치를 통해 단락 되어 큰 전류가 발생하여 작게는 스위치의 파괴에서 크게는 전체 시스템의 파괴로 이어질 수 있다. 따라서 단락 고장은 가장 치명적인 고장 중 하나이며, 즉시 적절한 대응을 취하는 것이 무엇보다 중요하다. 그 결과. 스위칭 소자의 제어 회로들은 비정상적인 과전류를 막기 위해 빠른 고장 감지 특성을 갖도록 필히 설계되며, 주로 하드웨어 기반의 보호 기법들이 적용된다. 그에 반해, 개방 고장은 단락 고장에 비해 전체 시스템에 덜 치명적이며 빠르게 대처하지 않아도 되기 때문에 간과되는 경향이 있다. 개방 고장은 스위칭 소자로 이어지는 전선이 열에 의해 반복적으로 영향을 받아 단선되거나 혹은 게이트 구동 소자의 고장으로 인해 발생한다. 개방 고장은 전류의 불균형을 초래하여 전류의 맥동 현상이 나타나 전체 시스템의 성능을 크게 떨어뜨리게 된다. 개방 고장은 일반적으로 전체 시스템에 치명적이지 않기 때문에 필연적으로 시스템을 멈추게 하지 않으며 따라서 오랫동안 방치될 수 있다. 이럴 경우 다른 스위치로의 고장 혹은 전체 시스템으로의 제 2차 고장으로 전이되어 전체 시스템을 정지시키고, 또한 높은 보수 비용이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 새로운 개방 고장 진단 방법과 그 허용 운전에 관한 연구내용을 제시한다.
1. MRAS 기반의 개방 고장 감지 기법
개방 고장 감지에 관한 기존의 방법들은 크게 전압 정보와 전류 정보를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 전압 정보를 이용하는 방법들은 빠른 고장 감지 특성을 갖기 때문에 고장 발생과 그 대책을 최단 시간에 이어갈 수 있는 장점을 갖는데 반해 전압 센서와 그에 따른 부가 회로들을 추가적으로 사용하기 때문에 전체 시스템의 가격과 복잡성을 높이는 단점을 갖는다. 이와는 대조적으로 전류 정보를 이용하는 방법들은 부가적인 회로를 사용하지 않지만 대체적으로 감지 속도가 느리고, 복잡한 계산 과정과 긴 연산 시간으로 구현이 용이 하지 않는 문제점이 있다.
이를 극복하고자 3상 PWM 컨버터의 신뢰성을 높일 수 있는 새로운 MRAS 기반의 개방 고장 감지 기법을 제안한다. 개방 고장은 고장 발생 상의 단자 전압이 다른 값을 갖게 하고, 이에 따라 각 상의 상전압에 전압왜곡이 발생한다. 따라서, 개방 고장은 이러한 전압왜곡을 MRAS 기반의 관측기를 사용하여 진단할 수 있다. 관측기를 통해 전압왜곡 값을 얻고 이를 문턱 값과 비교하여 고장 상황을 확인할 수 있다. 개방 고장이 발생하면, 관측된 전압왜곡 값은 문턱 값에 비해 상당히 큰 값을 갖게 된다. 따라서 이 두 값을 비교하여 에러 신호를 생성하고 고장 상황을 판단한다. 또한, 오경보에 강인한 특성을 갖기 위해 시간 기반의 비교 방법을 제시한다. 시간 기반 비교 방법을 통해 얼마나 오랫동안 에러 신호가 생성되는지를 확인하여 오경보에 강인한 특성을 얻을 수 있다. 고장 스위치에 따라 관측된 각 상의 전압왜곡 값이 달라지기 때문에 이를 이용하여 고장 스위치를 구별할 수 있다. 이 고장 감지 기법은 하나의 스위치 개방 고장뿐만 아니라 한 상의 위쪽과 아래쪽 스위치 모두가 개방 고장이 발생한 것까지 확장하여 적용할 수 있다. 마지막으로, 시스템 파라미터 변화에 따른 영향에 관해서도 살펴본다. 제안한 개방 고장 진단 기법은 시간 기반 비교를 통해 파라미터 변화에 비교적 둔감한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
기존의 방법과 비교하여 제안한 개방 고장 감지 기법은 그 구조가 간단하고 빠른 고장 감지 특성을 갖고 있다. 또한, 전압 센서와 같은 추가적인 소자를 사용하지 않으며 계산 과정 또한 복잡하지 않다. 따라서, 제안하는 알고리즘을 기존의 시스템에 별다른 수정 없이 바로 이식이 가능한 장점을 갖는다. 제안 방법의 우수성을 보이기 위해 영구자석 전동기 구동 시스템에 적용하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 그 결과, 제안 방법의 타당성과 성능 및 실용가치가 있음을 확인하였다.
2. PWM 스위칭 패턴의 수정에 기반한 허용 운전 기법
조향 장치, 연료 펌프, 서버 컴퓨터를 위한 무정전 전원 장치, 그리고 와이어에 의한 제동 장치와 같이 안전이 최우선시 되고, 또한 지속적인 동작이 보장되어야만 하는 하는 응용분야가 있다. 그 결과 병렬 시스템이 종종 채용되는데, 이는 높은 가격과 복잡성을 갖는다. 또한 입력 단 의 캐패시터의 중간점 연결이나 전동기의 중성점 연결이 필요하며, 부가적으로 스위치, 퓨즈, 그리고 캐패시터 등이 필요한 문제를 갖는다.
이러한 문제를 해결하기 위해 3상 PWM 컨버터의 정류기 모드에 대한 새로운 허용 운전 기법을 제시한다. 개방 고장이 발생하면 고장 스위치에 따라 양 혹은 음의 전류가 스위치나 바디 다이오드를 통해 흐르지 못하게 된다. 다시 말해, 전류가 스위치를 통해 흐르지 않고 다이오드만을 통해 흐르게 된다. 그 결과, 전류의 불균형 문제가 나타나고 고조파 성분의 증가와 출력 전압 리플이 커져 그 성능이 크게 저하된다. 이렇게 전류의 불균형이 나타나는 이유는 개방 고장으로 인해 영향을 받게 된 제로 벡터 때문이다. 따라서 개방 고장으로 영향을 받는 제로 벡터를 그렇지 않은 다른 제로 벡터로 대체한다면 전압 명령 벡터를 온전히 생성할 수 있게 되어 전류의 왜곡을 크게 줄일 수 있다. 따라서, 기존에 인가되어야 할 PWM 스위칭 패턴에서 개방 고장으로 인해 영향을 받게 된 제로 벡터를 다른 제로 벡터로 대체하는 식으로 수정하여 인가한다면, 스위치를 통해 전류를 흐르게 하는 대신 바디 다이오드를 통해 충분히 전류를 흐를 수 있게 하여 전류의 왜곡을 크게 줄일 수 있으며, 그 결과 출력 전압의 리플 역시 크게 감소시킬 수 있다.
기존의 방법과 비교하여 제안 방법은 부가적인 스위치나 회로를 사용하지 않기 때문에 가격 경쟁력이 크며 그 구조가 간단하기 때문에 기존의 시스템에 별다른 수정 없이 적용 가능한 장점을 갖는다. 제안 방법의 우수성을 보이기 위해 6.6kW 정류기를 제작하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였으며, 그 결과 제안 방법의 타당성과 성능 및 실용가치가 있음을 확인하였다.
여러 산업분야에서 다양한 장치들의 고장 진단 및 허용 운전의 중요성은 날로 증가하고 있다. 따라서 이러한 응용분야에서 고장이 발생하였을 때 빠르게 그 고장을 진단하고 적절한 대책을 취하여 어느 수준의 성능을 보장하면서 지속적인 동작이 가능한 시스템의 개발은 필연적이다. 이에, 3상 PWM 컨버터의 신뢰성과 유효성 향상을 위해 본 연구에서 진행된 제안 방법들을 통하여 무엇보다 안전 및 지속적인 운전이 필요한 응용분야에 기여할 수 있을 것이라 생각한다.
