KR100280226B1 - 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치 - Google Patents

고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100280226B1
KR100280226B1 KR1019990008742A KR19990008742A KR100280226B1 KR 100280226 B1 KR100280226 B1 KR 100280226B1 KR 1019990008742 A KR1019990008742 A KR 1019990008742A KR 19990008742 A KR19990008742 A KR 19990008742A KR 100280226 B1 KR100280226 B1 KR 100280226B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
circuit
gate
igbt
turn
fault
Prior art date
Application number
KR1019990008742A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20000060439A (ko
Inventor
최창호
방상석
송영주
김광섭
서재형
Original Assignee
차동해
주식회사포스콘
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 차동해, 주식회사포스콘 filed Critical 차동해
Priority to KR1019990008742A priority Critical patent/KR100280226B1/ko
Publication of KR20000060439A publication Critical patent/KR20000060439A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100280226B1 publication Critical patent/KR100280226B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66234—Bipolar junction transistors [BJT]
    • H01L29/66325—Bipolar junction transistors [BJT] controlled by field-effect, e.g. insulated gate bipolar transistors [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

본 발명은 고압/대용량 IGBT의 단락시 신속하게 트랜지스터를 차단시키면서 과전압 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 고압 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)용 게이트 구동회로에 관한 것으로, 그 구성은 고압/대용량의 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구현된 3레벨 인버터에 적용되는 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동 장치에 있어서, 상기 IGBT의 단락상태를 검출하여 단락상태검출시 고장신호를 발생시키는 단락검출회로와, 외부 제어신호의 하이레벨구간에서 상기 IGBT를 턴온시키는 턴온드라이브와 외부 제어신호의 로우레벨구간에서 상기 IGBT를 턴오프시키는 턴오프드라이브와 상기 단락검출회로에서 고장신호발생시 상기 턴온드라이브 및 턴오프드라이브를 동작정지시키고 정상턴오프시보다 높은 저항값으로 상기 IGBT를 턴오프시키는 고장드라이브로 이루어진 게이트구동회로와, 1차측과 2차측이 절연된 트랜스포머를 구비하여, 소정레벨의 입력전압을 다수 레벨의 회로구동전압으로 변환하여 상기 단락검출회로 및 게이트구동회로에 구동전원으로 인가하는 DC/DC컨버터로 이루어진다.

Description

고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동 장치{DEVICE FOR DRIVING HIGH VOLTAGE IGBT}
본 발명은 3 레벨 인버터에 이용되는 스위칭소자의 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3300V/1200A의 고압 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성된 인버터에 있어서, 고압/대용량 IGBT의 단락시 신속하게 트랜지스터를 차단시키면서 과전압 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 고압 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)용 게이트 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 인버터에서는 스위칭소자로서 IGBT 소자와 GTO 소자가 이용되는데, 이 둘을 비교해 볼때, IGBT는 제작의 편의성, 가격, 단락 특성등에 있어서 많은 잇점을 지니고 있지만, GTO 소자는 턴온과 턴오프시 전류와 전압의 상승률을 제 한해 주어야 하기때문에, 이를 위해서는 별도의 스너버 회로가 사용되어 효율이 떨어지고, 부피와 가격을 상승시키는 요인이 된다는 문제점이 있다.
그러나, 상기 IGBT는 게이트 구동회로에서 전압과 전류의 상승률을 제한할 수 있어 별도의 스너버 회로를 필요로 하지 않는다. 특히, 단락시 자체적으로 턴오프시킬 수 있어 보호회로 설계가 용이하다. 요즈음에 와서는, 3300V/1200A IGBT의 등장으로 예전에 GTO가 사용되었던 고압/대용량 인버터에까지 IGBT가 적용되고 있다.
이러한 IGBT의 동작은 게이트 구동회로를 통해 제어가 가능하기 때문에, 이 게이트 구동회로는 전체 시스템의 신뢰성에 매우 중요한 요소가 된다. 즉, 게이트 구동회로는 스위칭 속도와 손실, 급격한 전압과 전류의 변화에 기인한 EMI 노이즈등을 제한할 수 있고, 단락시 정상적인 경우와 같은 턴오프 과정을 행할 경우 발생하여 소자가 파괴되는 것을 초래할 수 있는 과도전압을 억제할 수 있어야 한다.
그리고, 최근 들어 상용화된 3300V/1200A의 고압 IGBT 소자는 이전의 저압/소용량 IGBT와는 다른 입력특성과 단락특성을 지니고 있다. 즉, 입력 커패시턴스가 증가함으로 인해, 드라이브 용량이 증가하게 되며 입력/귀환 커패시턴스가 변화하고, 단락시에는 높은 전압과 전류로 인한 손실이 매우 커진다.
그런데, 기존에 이용되는 IGBT용 게이트구동장치는 도 7에 도시된 바와 같이, IGBT소자(72)의 게이트단자에 턴온저항(Ron)을 통해 연결되는 푸쉬풀증폭기(71)를 구비하고, 상기 푸쉬풀증폭기(71)를 온/오프시켜 IGBT소자(72)를 온/오프시키는 것이었다. 이러한 기존의 게이트구동장치를 상술한 바와 같이 입 력특성과 단락특성이 다른 고압/대용량 IGBT에 적용할 경우, IGBT가 정상적으로 동작할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 소용량 IGBT와는 다른 특성을 갖는 고압/대용량 IGBT를 적절하게 구동할 수 있는 전용 게이트 구동회로의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구를 감안하여 발명된 것으로서, 그 목적은 3300V/1200A 고압 IGBT를 이용한 3 레벨 인버터에 적용되어 고압/대용량의 IGBT를 수 있는 효과적으로 스위칭구동시킬 수 있는 고압 IGBT 용 게이트 구동장치를 제공하는 것이다.
도 1은 한 상에 대한 3 레벨 인버터의 구조를 보이는 회로도이다.
도 2는 3 레벨 인버터가 적용된 모터제어장치의 전체구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 3 레벨 인버터에서의 방열판 취부구조를 보이는 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고압 IGBT 용 게이트 구동장치에서의 DC-DC컨버터를 보인 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고압 IGBT 용 게이트 구동장치에서의 게이트 구동부를 보인 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고압 IGBT 용 게이트 구동장치에서의 단락검출부를 보인 회로도이다.
도 7은 종래의 게이트구동장치를 간략하게 도시한 회로도이다.
도 8a는 본 발명에 의한 게이트구동장치에 의해 제어된 IGBT의 단락시, 전압/전류파형이다.
도 8b는 본 발명에 의한 게이트구동장치에 의해 턴오프제어된 IGBT의 전압/전류파형이다.
도 8c는 본 발명에 의한 게이트구동장치에 의해 턴온제어된 IGBT의 전압/전류파형이다.
도 9는 본 발명에 따른 게이트 구동장치의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
21 : 컨버터22 : 인버터
23 : 역률제어기24 : 벡터제어기
31 : IGBT모듈32 : 방열판
33 : 다이오드모듈I.M : 모터
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 고압/대용량의 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구현된 3레벨 인버터에 적용되는 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동 장치에 있어서,
상기 IGBT의 단락상태를 검출하여 단락상태검출시 고장신호를 발생시키는 단락검출회로와,
외부 제어신호의 하이레벨구간에서 상기 IGBT를 턴온시키는 턴온드라이브와 외부 제어신호의 로우레벨구간에서 상기 IGBT를 턴오프시키는 턴오프드라이브와 상기 단락검출회로에서 고장신호발생시 상기 턴온드라이브 및 턴오프드라이브를 동작정지시키고 정상턴오프시보다 높은 저항값으로 상기 IGBT를 턴오프시키는 고장드라이브로 이루어진 게이트구동회로와,
1차측과 2차측이 절연된 트랜스포머를 구비하여, 소정레벨의 입력전압을 다수 레벨의 회로구동전압으로 변환하여 상기 단락검출회로 및 게이트구동회로에 구동전원으로 인가하는 DC/DC컨버터를 포함함을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세하게 설명하는데, 본 발명에 따른 게이트구동장치는 도 9에 보인바와 같이 크게 각 회로가 구동하기 위한 구동전원을 제공하는 DC/DC컨버터(93)와, IGBT소자(90)의 게이트전압을 조정하여 온/오프동작시키는 게이트구동회로(92)와, 상기 IGBT소자(90)의 단락상태를 체크하여 단락검출시 과전압발생을 억제하기 위한 게이트저항을 크게 하는 단락검출회로(91)로 이루어진다.
상기 각 회로부의 일실시예를 도 4∼도6에 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 게이트구동장치에 있어서, DC/DC 컨버터장치를 보인것으로, 소정의 DC공급전원(15V)을 다른 여러 레벨의 구동전원(+15V,+18V,-12V)으로 변환하도록, 입력전원(15VDC)을 전력용 반도체소자(Q41∼Q44)로 이루어진 단상인버터를 구비하고, 상기 인버터의 출력단은 커패시터(C41)와 직렬로 연결되어 트랜스포머(T)의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에는 다수의 정류소자와 함께 각각 소정 전압(+15V,-12V,18V)을 출력시키는 레귤레이터(7815, 7818, 7912)가 연결되도록 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 게이트구동장치에서 상기 도 4에 도시된 DC/DC컨버터로부터 구동전원을 인가받고, 도 2에 도시한 바와 같은 외부의 제어기로부터 제어신호(Signal_in)를 입력받아 IGBT를 온/오프스위칭시키는 게이트구동회로를 보인 것이다.
본 발명에 따른 게이트구동장치에서 게이트구동회로는 도 5에 도시된 바와 같이, 외부 제어기로부터 인가되는 제어신호(Signal_in)가 턴온구동용 전계효과트랜지스터(F51)(이하, '턴온드라이브'라 칭한다)와 턴오프구동용 전계효과트랜지스터(F52)(이하, 턴오프드라이브'라 칭한다)의 게이트에 인가되도록 연결하고, 상기 턴온구동용 트랜지스터(F51)의 소스는 +전원단(+15V)에 연결하고, 상기 턴오프구동용 트랜지스터(F52)의 드레인은 -전원단(-12V)에 연결하고, 각각의 드레인과 소스는 저항(Ron,Roff)을 통해 IGBT(도시생략)의 게이트에 연결하며, 또한 상기 구동용 트랜지스터(F51,F52)의 게이트는 각각 트랜지스터(Q51),(Q52)를 통해 전원단(+15V)/(-12V)에 연결하고, 상기 트랜지스터(Q51,Q52)의 베이스에는 다수의 저항 및 낫게이트(I52,I53)를 통해 IGBT가 단락 상태임을 표시하는 고장신호 (Fault_L)가 입력되도록 연결하고, 또한, 상기 고장신호(Fault_L)는 낫게이트(I51)를 통해 전원단(+15V)-접지사이에 콜렉터-이미터로 직렬연결된 트랜지스터(Q53)의 베이스에 인가되도록 연결하고, 상기 트랜지스터(Q53)의 콜렉터는 또한 전원(+15V)과 접지사이에 이미터-콜렉터가 직렬연결된 트랜지스터(Q54)의 베이스에 연결되고, 상기 트랜지스터(Q54)의 콜렉터를 다시 이미터접지된 트랜지스터(Q55)의 베이스에 연결하고, 상기 트랜지스터(Q55)의 콜렉터는 저항(R_fault) 및 다수의 병렬연결된 다이오드(D53∼D56)을 통해 게이트신호출력단(Gate)에 연결되어 이루어진다.
도 6는 본 발명에 따른 게이트구동장치에서 단락검출회로를 보인 회로도로서, 본 발명에 따른 단락검출회로는 IGBT소자의 콜렉터(collector)를 저항(R61)을 통해 구동전원단(+18V)에 연결하고, 상기 저항(R61)의 일단을 콘덴서(C61)를 통해 접지에 연결하여 로우패스필터회로를 구성하고, 상기 저항(R61)과 콘덴서(C61)의 접점을 제너다이오드(ZD61)를 통해 -전원단(-12V)에 연결함과 동시에 또한 단락검출트랜지스터(Q61)의 베이스에 연결하고, 상기 트랜지스터(Q61)의 콜렉터는 낫게이트(I63)를 통해 앤드게이트(A61)의 일 입력단에 연결되고, 상기 앤드게이트(A61)의 타 입력단에는 낫게이트(I61,I62)를 통해 외부 제어기의 제어신호(Signal_in)가 입력되게 연결되며, 상기 앤드게이트(A61)의 출력신호는 바이브레이터(60) 및 낫게이트(I65)를 통해 상술한 게이트구동회로(도 4)에 고장신호(Fault_L)로 인가되도록 연결되어 이루어진다.
상기 게이트 구동장치의 동작 설명에 앞서, 일반적인 3 레벨 인버터에 대해서 설명한다.
보통 인버터의 용량을 높이는 방법으로는 크게 두가지로 분류하여, 소자를 병렬연결하여 전류용량을 증가시키는 것과 소자를 직렬연결하여 전압을 높이는 것이 있다. 여기에서, 전류용량을 키우는 것은 손실의 증가로 인해 효율이 저하되고 소자간 전류분배의 불균형이 발생하는 단점이 있으며, 직렬 연결구조는 두개의 소자를 동시에 턴온하거나 턴오프해야 하므로, 소자의 정/동특성의 차이에 의하여 차단전압 불균형이 심각해진다는 단점이 있다. 그러나, 직렬연결구조중 3 레벨 인버터는 소자의 직렬연결에 따른 문제점들을 구조적으로 해결해 주고, 출력전압의 고조파 성분도 대폭 줄이는 잇점을 지니고 있어 주로 이용된다.
3 레벨 인버터는 도 1에 보인 바와 같이, 4개의 스위칭소자(S1, S2, S3, S4) 와 2개의 브랜치 다이오드(BD1, BD2)로 구성되어 있으며, 스위칭 소자의 조작에 의해 3가지의 출력전압을 낼 수 있다. 다음의 표 1에 스위칭 조작에 따른 출력전압을 나타낸다. 참고로, 3 레벨 인버터에서는 한 시점에서 하나의 스위칭만 일어나도록 하며, 한상에서의 출력전압은 E만큼(P↔O, O↔N)만 변하도록 스위칭이 이루어진다.
구분 스위칭상태 출력전압
S1 S2 S3 S4
P ON ON OFF OFF E
O OFF ON ON OFF 0
N OFF OFF ON ON -E
이러한, 3 레벨 인버터는 기본적으로 직렬 연결 구조이므로 소자의 차단 임피던스(blocking impedance) 차이에 의해 차단전압 불균형을 초래할 수 있다. 이것은 소자가 차단상태(blocking state)에 있을 때 각 소자에 흐르는 누설전류의 차이로 인해 발생된다. 그래서, 해결방안으로 각 소자의 임피던스 매칭을 위해 스위칭소자(S1∼S4) 각각에 병렬로 분압저항(R1, R2, R3, R4)을 연결한다.
이와 같은 구성을 갖는 3레벨인버터를 고압 IGBT소자로 구현하는 경우 기존의 소용량 스위칭소자로 이루어진 인버터와는 달리 각 소자의 절연특성을 고려하여야 한다. 왜냐하면, 4개의 소자를 하나의 방열판에 취부할 경우, 한 소자에 걸리는 전압은 부분방전(partial discharge) 전압 이상이 걸릴 수 있기 때문이다. 스위칭 상태가 N일 경우를 예를 들면, 윗단의 두 스위칭소자(S1, S2)는 오프(OFF)상태이므로 정상상태에서는 이상적으로 각각의 소자가 E만큼의 전압을 차단하고 있지만, 과도상태(O→N)에서는 스위칭시 나타나는 과전압이 여기에 겹쳐지게 되므로 스위칭소 자(S1)의 콜렉터와 방열판 사이에만큼의 전압이 인가된다. 이 전압은 소자의 부분방전 전압을 넘어서게 되므로, 수명을 단축시키고 전체 시스템의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 방열판을 소자별로 절연시키는데, 이렇게 구현된 3레벨 인버터를 도 3에 도시한다. 이때, 각 소자의 콜렉터와 방열판 사이에 걸리는 전압은이 되어, 소자의 부분방전 전압이하로 낮출 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 게이트구동장치는 3 레벨 구조로 인해 DC LINK 전압이 2배가 되는 상태에 맞추기위해 전원장치의 1차측과 2차측간의 절연전압을 10KV까지 높히고, 외측소자의 스위칭시 내측소자의 이미터 전위가 크게 변화하므로 인한 오동작을 막기 위해 필터를 추가하여 구성한 것으로, 그 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 4에서, 커패시터(C41)는 반도체 소자(Q41∼Q44)의 특성차와 PWM 파형의 왜곡 등으로 인한 직류/저주파 전압성분을 제거하여 트랜스포머(T)가 포화되는 것을 방지한다.
그리고, 상기 1차측과 2차측간에는 DC-LINK 전압과 소자의 스위칭으로 인한 과전압이 걸릴 수 있다. 상기 과전압을 방지하기 위해서 본 발명에서는 상기 트랜스포머의 1차코일과 2차코일을 구현하는데 있어, 절연테이프로 둘러쌓이고 코팅된 코어로 1차코일과 2차코일을 형성하여, 1차측과 2차측간에 절연이 이루어지도록 한다. 예를 들어, IGBT의 전압정격이 3300V이고, 3 레벨에서는 최소한 2개의 소자가 턴-오프하게 되므로 6600V를 기준으로 설정하고, IEC 규정에 따라 10[kV/min]간 절연시험을 하였을때, 과전압이 발생되지 않았다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 게이트구동장치에 구비되는 DC/DC컨버터의 특징은 상기 트랜스포머(T)의 1차측과 2차측간을 절연시키는데 있다.
그리고, 도 5에 도시한 게이트구동회로는 IGBT의 턴온과 턴오프시의 구동조건을 다르게 설정할 수 있도록 독립적인 출력단 드라이브로 구성된 것이다. 즉, IGBT소자를 턴온시에는 FWD(Free Wheeling Diode)의 역회복 전류를 제한하여 안정동작영역(SOA)내에 머물도록 턴온저항값(Ron)을 설정할 수 있고, IGBT를 턴오프시에는 과도한 전압상승률과 전력회로내의 표유 인덕턴스(stray inductance)로 인한 과전압을 제한하도록 턴오프 저항값(Roff)을 결정할 수 있다.
그리고, 단락사고 발생시에는 정격전류의 5배에 이르는 단락전류가 흐르게 되므로, 정상적인 게이트 저항(Roff)으로 턴오프하게 되면 소자정격 이상의 과전압이 발생하여 소자가 파괴될 수 있다. 따라서, 고장시 구동용 소자(Q55)는 과전압의 크기를 줄일 수 있도록 고장신호(Fault_L)가 인가될 때 턴온하여 큰 게이트 저항(R_fault=20Ω)으로 IGBT를 턴오프한다. 이때 턴온 및 턴오프 드라이브(F51,F52)는 모두 고장신호(Fault_L)에 의해 하이 임피던스 상태가 된다. 즉, 고장신호(Fault 신호, low active)는 트랜지스터(Q1,Q2)를 모두 턴온시켜 턴온 드라이브(F51)와 턴오프 드라이브(F52)가 모두 오프상태에 있게 한다. 따라서, 턴 온드라이브(F51)와 턴오프 드라이브(F52)의 동작을 차단시키면서, 별도의 큰 저항값(R_fault)으로 IGBT를 턴오프시티는 것이다.
그리고, IGBT의 단락시에는 콜렉터전압이 급격히 상승하고 Ccg(collector-emitter간 커패시터)를 통해 충전전류가 흐르게 된다. 이로 인해 게이트 전압이 상승하게 되며 단락전류가 증가하게 된다. 이때, 다이오드(D51)는 게이트전압을 정전전압으로 클램핑시켜 단락전류를 제한시켜준다.
다음으로, IGBT소자의 단락상태를 검출하여 상기 게이트구동회로에 단락신호를 출력하는 단락검출회로에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다.
단락시에는 IGBT가 포화영역에서 활성영역으로 바뀌게 되고, 그 컬렉터 전압은 DC-LINK 전압까지 상승하게 된다. 이때 다이오드(61)는 차단되면서, 소정 전압이 트랜지스터(Q61)의 베이스에 인가되어 상기 트랜지스터(Q61)가 턴온하고, 이에, 앤드게이트(I64)의 일입력단으로 '0'의 반전된 신호, 즉 '1'이 입력된다. 그리고, 외부 제어기로부터 출력된 제어신호(Signal_in)는 RC회로에 의해 IGBT가 턴온되는 시간만큼 지연되어(τ=R60*C60), 앤드게이트(A61)의 다른 입력단에 입력된다. 따라서, 상기 두 신호(앤드게이트(A61)의 두 입력신호)가 모두 하이(H)이면, 바이브레이터(60)(monostable one shot vibrator)는 폴링엣지에서 트리거되어, 고장펄스(Fault)를 출력한다. 이때, 고장펄스의 폭은 RC시정수(R61,C61)로 결정되며, 상기 고장펄스가 낫게이트(I65)에 의해 반전되어 고장신호(Fault_L)로서 상술한 게이트구동회로(도 5)로 입력되어 턴온 드라이브 및 턴오프 드라이브(F51,F52)를 모두 턴오프시키면서, 고장구동용 트랜지스터(Q55)를 동작시켜 IGBT소자를 높은 게이트저항(R_fault)으로 턴오프시킨다.
그리고, 보통 3 레벨 구조에서 네개의 스위칭소자(S1∼S4)에서 내측소자(S2,S3)의 에미터 전위는 외측소자(S1,S4)가 스위칭하게 되면 급격하게 변화하게 된다. 이로 인해, 변위전류가 흐르고 단락검출 회로는 오동작을 하게 된다. 따라서, 정상적인 스위칭시의 오동작을 막기위해 필터링용 캐패시터(C1)을 삽입하였다. 상기와 같은 필터의 삽입으로 인한 지연시간은 고장 드라이브가 10[㎲]이내에 동작하도록 저항값(R1)으로 RC회로의 시정수를 조절할 수 있다.
첨부된 도8a∼도8c는 본 발명에 의한 게이트구동장치에 의하여 스위칭제어된 IGBT의 동작상태를 보이는 파형도로서, 도 8a는 단락시의 IGBT에 나타나는 전압/전류파형을 보인 것으로서, IGBT소자의 콜렉터-이미터간 전압이 비정상으로 높아지자마자, 본 발명에 의한 게이트구동장치가 상기와 같은 단락상태를 검출하여, IGBT소자의 에미터를 높은 폴트저항(R_fault)으로 접지시킴에 의해, IGBT소자를 즉시(약, 1㎲이내) 턴오프시키는 것을 알 수 있다.
그리고, 도 8b는 본 발명에 의한 게이트구동장치에 의해 턴오프제어된 IGBT소자의 전압(C-E) 및 도통전류를 보인 파형도이고, 턴온제어된 IGBT소자의 전압(C-E) 및 도통전류를 보인 파형도로서, 1㎲이내의 빠른 속도로 온/오프 전환이 이루어지는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고압 IGBT용 게이트구동장치는 소용량 IGBT와는 다른 입력특성 및 단락특성을 갖는 고압/대용량 IGBT 소자를 과전압의 발 생을 억제하면서 효율적으로 스위칭제어할 수 있으며, 단락발생시 IGBT소자의 정상시의 턴오프저항보다 높은 저항으로 IGBT를 턴오프시켜 과전압발생을 억제하면서 신속하게 IGBT를 차단시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 고압/대용량의 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구현된 3레벨 인버터에 적용되는 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동 장치에 있어서,
    상기 IGBT의 단락상태를 검출하여 단락상태검출시 고장신호를 발생시키는 단락검출회로와,
    외부 제어신호의 하이레벨구간에서 상기 IGBT를 턴온시키는 턴온드라이브와 외부 제어신호의 로우레벨구간에서 상기 IGBT를 턴오프시키는 턴오프드라이브와 상기 단락검출회로에서 고장신호발생시 상기 턴온드라이브 및 턴오프드라이브를 동작정지시키고 정상턴오프시보다 높은 저항값으로 상기 IGBT를 턴오프시키는 고장드라이브로 이루어진 게이트구동회로와,
    1차측과 2차측이 절연된 트랜스포머를 구비하여, 소정레벨의 입력전압을 다수 레벨의 회로구동전압으로 변환하여 상기 단락검출회로 및 게이트구동회로에 구동전원으로 인가하는 DC/DC컨버터를 포함함을 특징으로 하는 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC컨버터에서는 트랜스포머의 1차측과 2차측간의 절연을 위하여 절연테이프로 감긴 코어를 이용하여 1차코일과 2차코일을 구현하는 것을 특징으로 하는 고압 절연게이트 바이폴라 트랜지스터용 게이트 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단락검출회로는 상기 IGBT의 콜렉터에 걸리는 전압을 로우패스필터를 통해 체크하여, 이 전압이 소정 레벨이상일때 고장신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고압 절연게이트 바이폴라 트랜지스터용 게이트 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단락검출회로는 상기 IGBT의 콜렉터를 순방향연결된 다수의 다이오드(61)와 저항(R61)을 통해 전원단에 연결하고, 상기 저항(R61)을 콘덴서(C61)을 통해 접지시킴과 동시에 트랜지스터(Q61)의 베이스에 연결하고, 상기 트랜지스터(Q61)의 콜렉터를 낫게이트(I63)을 통해 앤드게이트(A61)의 일입력단에 연결하고, 상기 앤드게이트(A61)의 타입력단은 상기 게이트구동회로로 인가되는 외부 제어신호(Signal_in)가 버퍼(I61,I62) 및 RC회로에 의해 지연인가되도록 연결되고, 상기 앤드게이트(A61)의 출력은 낫게이트(I64)를 통해 바이브레이터(60)의 트리거단에 연결되고, 상기 바이브레이터(60)의 출력신호를 낫게이트(I65)를 통해 고장신호(Fault_L)로 출력되도록 연결하고,
    상기 게이트구동회로는 IGBT소자의 게이트단에 병렬로 턴온저항(Ron)과 턴오프저항을 연결하고, 상기 턴온저항(Ron)과 턴오프저항(Roff)는 각각 외부 제어신호(Signal_in)가 하이레벨일때 온되는 턴온구동용 트랜지스터(F51)과 외부제어신호가 로우레벨일때 온되는 턴오프구동용 트랜지스터(F52)를 통해 전원단에 연결하고, 상기 단락검출회로의 고장신호(Fault_L)에 의해 턴온되는 두개의 스위칭트랜지스터(Q51,Q52)를 통해 상기 턴온구동용 트랜지스터(F51) 및 턴오프구동용트랜지스터(F52)의 베이스를 각각 전원단에 연결하며, 상기 턴오프저항(Roff)보다 큰 저항값을 갖는 저항(R_fault)을 상기 IGBT의 게이트에 연결하고, 상기 저항(R_fault)은 고장신호(Fault_L)에 의해 턴온되는 고장구동용 트랜지스터(Q55)를 통해 접지시키도록 회로구성하는 것을 특징으로 하는 고압 절연게이트 바이폴라 트랜지스터용 게이트 구동 장치.
KR1019990008742A 1999-03-16 1999-03-16 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치 KR100280226B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990008742A KR100280226B1 (ko) 1999-03-16 1999-03-16 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990008742A KR100280226B1 (ko) 1999-03-16 1999-03-16 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20000060439A KR20000060439A (ko) 2000-10-16
KR100280226B1 true KR100280226B1 (ko) 2001-01-15

Family

ID=19576657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019990008742A KR100280226B1 (ko) 1999-03-16 1999-03-16 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100280226B1 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100554134B1 (ko) * 2000-11-02 2006-02-20 현대중공업 주식회사 Ｉｇｃｔ 전력소자를 사용하는 고압 대용량 시스템의보호장치
US8817429B2 (en) 2010-11-23 2014-08-26 Samsung Display Co., Ltd. Power converter, display device including power converter, system including display device, and method of driving display device
KR101254263B1 (ko) * 2010-11-23 2013-04-12 삼성디스플레이 주식회사 전원 변환기, 직류-직류 변환기를 포함하는 표시 장치, 표시 장치를 포함하는 시스템 및 표시 장치의 구동 방법
KR101860739B1 (ko) 2011-05-18 2018-05-25 삼성디스플레이 주식회사 전원 변환기, 이를 포함하는 디스플레이 장치 및 구동 전압 제어 방법
KR102276588B1 (ko) 2015-08-25 2021-07-13 한국전자기술연구원 기준전압 가변형 igbt 구동회로
CN109450418B (zh) * 2018-11-12 2024-02-23 成都法姆科技有限公司 一种带开关控制单元的igbt隔离驱动电路及其控制方法
CN109327008B (zh) * 2018-11-30 2024-04-16 中电普瑞电力工程有限公司 保护电路及保护系统
CN109888739B (zh) * 2019-01-30 2023-12-15 上海拓为汽车技术有限公司 一种用于驱动桥mosfet短路保护电路
CN110086330B (zh) * 2019-06-14 2024-02-09 山西恒信风光新能源技术有限公司 基于分离式绝缘栅双极igbt驱动结构的风电场变频器功率单元

Also Published As

Publication number Publication date
KR20000060439A (ko) 2000-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3598933B2 (ja) 電力変換装置
CA2312456C (en) Npc inverter control system
US6407937B2 (en) Active overvoltage protection apparatus for a bidirectional power switch in common collector mode
EP0693825A1 (en) Apparatus and method for generating negative bias for isolated mosfet gate-drive circuits
US5635867A (en) High performance drive structure for MOSFET power switches
CN110620573B (zh) 功率半导体开关的驱动电路
JPH11234104A (ja) 半導体モジュール及びインバータ装置
CN109861505B (zh) 适用于高速变频器的igbt驱动电路拓扑结构
KR100280226B1 (ko) 고압 절연게이트바이폴라트랜지스터용 게이트 구동장치
US11050358B2 (en) Power module with built-in drive circuit
CN113676029A (zh) 一种基于igbt的有源钳位电路
CN210201706U (zh) 一种燃料电池汽车高速空压机用逆变器驱动电路
JP2021145432A (ja) 半導体装置の配線回路、半導体装置の配線回路の制御方法、半導体装置、電力変換装置、並びに鉄道車両用電気システム
JPH0250518A (ja) 静電誘導形自己消弧素子の駆動回路及び静電誘導形自己消弧素子を有するインバータ装置
Motto Hybrid circuits simplify IGBT module gate drive
JP2000049581A (ja) 半導体電力変換装置
JP6298735B2 (ja) 半導体駆動装置ならびにそれを用いた電力変換装置
JPH0956166A (ja) 電力変換装置
JP3315303B2 (ja) 電動機制御装置
JP2006014402A (ja) 電力変換装置の過電流保護装置
JPH09107673A (ja) 電力変換装置の駆動回路
JPH10209832A (ja) 半導体スイッチ回路
JPS60157194A (ja) Ｘ線発生器用のインバ−タドライバ
CN114884333B (zh) 驱动电路、智能功率模块及电子设备
CN210986068U (zh) 一种新型igbt负压关断电路

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121030

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131029

Year of fee payment: 14

LAPS Lapse due to unpaid annual fee