KR100287532B1 - 능동형igbt소자직렬구동회로및그구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동형 IGBT소자의 직렬 구동회로에 관한 것으로, 스너버회로 및 전압 피드백 루프를 포함하는 전력소자 전압 검출부와 전력소자에 인가되는 전압과의 비교를 위한 기준 전압을 설정해 주는 과전압 제어부와, 설정된 기준 전압과 상기 전력소자 검출부로부터의 피드백전압을 비교하고 전력소자 인가전압의 과전압 여부를 판단하여 한 제어주기 내에 전력소자의 구동전류 제어신호를 발생시켜 주는 전류제어 신호 발생부와, 기준 전압과 피드백 전압의 비교결과에 따른 구동 신호의 전압 리미트값을 설정하여 주는 전압 리미터와, 제어된 구동전류 신호를 실전력소자의 구동 및 제어를 위한 전압신호로 전환시켜 주는 게이트 드라이버들로 구성한 것이다.

따라서 본 발명은 전압이 기준전압보다 낮을 때에는 능동제어기가 구동되지 않고, IGBT 구동 시에는 지연 및 전력손실이 없으며 생산비용이 저렴하면서도 연속제어가 가능하고 응답속도도 빠르다. 또한 IGBT소자들이 직렬연결에 있어서 다른 소자들과 전압을 비교할 필요가 없으므로 하드웨어 구성 및 절연 문제가 간단하게되는 효과가 있다.

Description

능동형 ＩＧＢＴ소자 직렬 구동회로

본 발명은 능동형 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자의 직렬 구동회로에 관한 것으로, 특히 직렬 연결된 소자의 특성이나 외부회로에 의하여 발생하는 소자간의 전압불평형을 방지하고 직렬 연결된 소자간의 전압분배를 일정하게 제어함으로써, 과전압이 인가될 경우 발생할 수도 있는 소자의 파손 및 오동작을 방지하도록 하는 능동형 IGBT소자의 직렬 구동회로에 관한 것이다.

전력소자들 중에서 사이리스터(pnpn 접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로, 일반적으로는 SCR이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 가리키며 실리콘 제어 정류소자를 말한다. 소전력용부터 대전력용까지 각종 제어 정류소자로 널리 사용되고 있다.)나 GTO 등의 소자들을 직렬구동 시키는 기술은 HVDC(High Voltage DC : 고압직류), SVC 등 고전압 소스의 인버터에서 널리 쓰이고 있으며 전력소자를 직렬로 구동하는 이유는 전력 컨버터의 효율을 높일 수 있고, 시스템의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있기 때문이다.

그러나, 이와 같이 전력소자를 직렬구동시키기 위해서는 전력소자에 인가되는 과전압을 줄여야하기 때문에 전력소자간의 전압을 평형을 이루기 위하여 수동 전압 평형 방법이 쓰여져 왔고 이러한 수동제어기술은 소자에 주어지는 서지전압을 흡수하기 위한 스너버(snubber) 회로에서 많은 손실을 유발시키며 직렬 연결된 소자에서의 전압평형을 이루기 위하여 과도 상태를 스위칭하는 속도도 저하시킨다. 또한 IGBT소자는 스위치 속도가 빠르므로 기존의 수동제어 회로로는 전압평형이 불가능하여 직렬구동이 어렵다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러가지 연구가 진행되고 있으나 실용화된 구동회로는 극히 제한적으로 사용되고 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 사정을 고려하여 착안한 것으로 직렬로 연결된 각각의 IGBT 소자들에 대한 허용치 이상의 전압이 인가되어 발생하는 소자의 파손 및 오동작을 방지하며 전력계통에서의 시스템 손실과 설치면적을 감소시킬 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전력전달이 이루어지는 전력소자부분으로 반도체 정류소자등에서 소자에 주어지는 서지전압을 흡수하기 위한 스너버회로 및 전압 피드백 루프를 포함하는 전력소자 전압 검출부와 전력소자에 인가되는 전압과의 비교를 위한 기준 전압을 설정해 주는 과전압 제어부와, 설정된 기준 전압과 상기 전력소자 검출부로부터의 피드백전압을 비교하고 전력소자 인가전압의 과전압 여부를 판단하여 한 제어주기 내에 전력소자의 구동전류 제어신호를 발생시켜 주는 전류제어 신호 발생부와, 기준 전압과 피드백 전압의 비교결과에 따른 구동 신호의 전압 리미트값을 설정하여 주는 전압 리미터와, 제어된 구동전류 입력신호를 실전력소자의 구동 및 제어를 위한 전압신호로 전환시켜 주는 게이트 드라이버들로 구성하며 특히 상기 전력소자 검출부는 과전압 제어부에서의 전류가 역방행으로 흐르지 않도록 제한하기 위하여 스위칭 소자를 포함하여 구성한다.

도 1 은 본 발명의 전체적인 구성을 나타낸 블록도.

도 2 는 본 발명의 동작과정을 나타낸 플로우 차트.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전력소자 전압 검출부 2 : 과전압 제어부

3 : 전류제어신호 발생부 4 : 전압 리미터

5 : 게이트 드라이버

이하 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시 형태에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 전체적이 구성을 나타내는 블록도 이다.

전력전달이 이루어지는 전력소자부분으로 반도체 정류소자등에서 소자에 주어지는 서지전압을 흡수하기 위한 스너버회로 및 전압 피드백 루프를 포함하는 전력소자 전압 검출부(1)와 전력소자에 인가되는 전압과의 비교를 위한 기준 전압을 설정해 주는 과전압 제어부(2)와, 설정된 기준 전압과 상기 전력소자 검출부로부터의 피드백전압을 비교하고 전력소자 인가전압의 과전압 여부를 판단하여 한 제어주기 내에 전력소자의 구동전류 제어신호를 발생시켜 주는 전류제어 신호 발생부(3)와, 기준 전압과 피드백 전압의 비교결과에 따른 구동 신호의 전압 리미트값을 설정하여 주는 전압 리미터(4)와, 제어된 구동전류 입력신호를 실전력소자의 구동 및 제어를 위한 전압신호로 전환시켜 주는 게이트 드라이버(5)들로 구성한다.

상기 전력소자 전압 검출부(1)에는 상기 과전압 제어부(2)에서의 전류가 역방향으로 흐르지 않도록 제한하는 스위칭 소자를 포함한다.

이때 일반적인 IGBT소자의 턴-온 시간과 턴-오프 시간이 1us(단위 시간) 이내에서 이루어져야 하므로 과전압제어는 10MHz이상의 주파수를 갖고 동작하여야 안정된 제어를 얻을 수 있다. 그러나 디지털 제어를 이용할 경우 스위칭소자를 제어하게 되는데, 이를 10MHz 로 제어 할 경우 기술적으로 가능할 수는 있지만 회로가 복잡해지고 실용적이지 못하다. 따라서 본 발명에서는 아날로그 제어를 이용하여 각 IGBT들을 개별적으로 과전압 제어가 가능하게한다. 아날로그 제어를 구현함에 있어서도 제어의 시간을 최소화하기 위하여는 제어에 필요한 IC소자의 수를 최소화시키고 그 제어소자의 주파수특성이 우수한 소자들을 선택함이 중요하게 된다.

따라서 제어회로에 사용되는 OP 앰프와 트랜지스터는 100MHz 의 주파수특성을 갖는 소자를 선택하였다. 또한 스위칭소자간의 구동신호의 차이에 의한 과전압의 제어에 있어서는 과도 상태를 최소화하기 위하여 논리회로를 이용함으로써 제어에 필요한 과도현상을 최소화시키게 된다. 제어는 크게 다음의 2가지 상태로 나누어진다.

첫째로 과도상태 전압제어는 트랜지트 컨트롤러에 의하여 이루어지게 되며 턴 온/ 턴 오프 트랜지트에서 발생하는 과도상태의 전압을 일정 전압 이하로 제한한다. 제어대상이 과도상태의 과전압으로써 스위칭소자의 전압이 기준전압 이하에서는 어떠한 제어도 이루어지지 않고, 과전압의 크기에 따라서 스위칭소자의 전압이 제어되므로 큰 과전압이 발생하게 되어도 제어의 시간은 거의 일정하다.

둘째로는 직렬 연결된 IGBT소자 중 하나의 게이트에 턴 온 신호가 지연되면 나머지 IGBT소자는 모두 턴온 상태가 되고 시간지연이 발생한 스위칭소자에 과도한 전압이 인가되게 된다. 이 경우 상기의 트랜지트 컨트롤러로 제어하게되면 과도현상이 크게 발생하고 IGBT가 액티브영역에서 동작하게 되므로 소자에 순차적인 발열이 생겨 소자의 파손이 이루어질 수 있다. 따라서 이는 스태틱 리미터회로를 이용하여 제어하게 되는데 오프상태에서 급격히 큰 전압이 발생하게되면 이 회로가 동작하게되어 IGBT를 턴 온 시키게 된다. 한편 턴 오프 신호가 하나의 IGBT에 시간지연을 갖고 동작하는 경우에는 나머지 IGBT들의 그 만큼의 전압을 분배하게되므로 트랜지트 컨트롤러만의 제어로 충분히 제어 가능하게 된다.

도 2 는 본 상기 두가지 제어상태에 따른 발명의 동작 과정을 나타낸 플로우 차트로서,

상기 과전압 제어부(2)에 기준 전압을 설정하여 입력시킨 상태에서(단계 11),

직렬 연결된 각각의 전력소자에 인가되는 전압을 전력소자 전압검출부(1)에서 검출하여(단계 12), 상기 전력소자 전압검출부(1)에서 검출되는 전압과 설정되어 있는 기준 전압을 비교하여 과전압인지를 과전압 제어부(2)에서 비교한다.(단계 13) 상기의 비교결과 IGBT소자에 과전압이 인가되어 있을 경우에는 상기 과전압 제어부(2)가 동작하게 되고(단계 14), 전력소자 검출부(1)에서 검출되는 전압과 설정되어 있는 기준전압의 오차 값을 적절한 피드백 게인과 함께 게이트 전류로 변환하여 전류제어신호 발생부(3)로 구동신호를 출력한다.(단계 15)

상기 전류제어신호 발생부(3)에서 발생되는 구동 전류는 IGBT소자에 전압 오차가 발생하는 동안 만큼 전력소자 전압 검출부(1) 트랜지스터의 게이트에 작용하여 과전압 전압제어부(2)가 제어되도록 한다.(단계 16)

따라서 상기 과전압제어부(2)의 제어에 의해 전력이 소자로 전달된다.(단계 17) 한편, 소자에 기준전압보다 작은 값의 전압이 인가된 경우에는 상기 과전압 제어부(2)는 동작하지 않게 된다.

이와 같은 본 발명은 전압이 기준전압보다 낮을 때에는 능동제어기가 구동되지 않고, IGBT 구동시 지연 및 전력손실을 발생시키지 않는다. 또한 디지털 로직을 사용하지 않으므로 생산 비용이 저렴하면서도 연속제어가 가능하고 응답속도도 빠르다. 그리고 각각의 전력소자들이 독립적으로 제어되므로 각 IGBT소자들은 전압이 제한된 모듈로써 취급된다. 따라서, IGBT소자들이 제약없이 연결될 수 있고 직렬연결에 있어서 다른 소자들과 전압을 비교할 필요가 없으므로 하드웨어 구성 및 절연 문제가 간단하게되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 직렬연결된 각각의 전력소자에 인가되는 전압을 검출하여 전력소자의 게이트에 적절한 전류를 공급해주는 능동형 IGBT소자의 직렬 구동회로에 있어서,

   전력전달이 이루어지는 전력소자부분으로 반도체 정류소자등에서 소자에 주어지는 서지전압을 흡수하기 위한 스너버회로 및 전압 피드백 루프를 포함하는 전력소자 전압 검출부(1)와 전력소자에 인가되는 전압과의 비교를 위한 기준 전압을 설정해 주는 과전압 제어부(2)와, 설정된 기준 전압과 상기 전력소자 검출부(1)로 부터의 피드백전압을 비교하고 전력소자 인가전압의 과전압 여부를 판단하여 한 제어주기내에 전력소자의 구동전류 제어신호를 발생시켜 주는 전류제어 신호 발생부(3)와, 기준 전압과 피드백 전압의 비교결과에 따른 구동 신호의 전압 리미트값을 설정하여 주는 전압 리미터(4)와, 제어된 구동전류 입력신호를 실전력소자의 구동 및 제어를 위한 전압신호로 전환시켜 주는 게이트 드라이버(5)들로 구성됨을 특징으로 하는 능동형 IGBT소자의 직렬 구동회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전력소자 검출부(1)는 과전압 제어부(2)에서의 전류가 역방행으로 흐르지 않도록 제한하는 스위칭 소자를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 능동형 IGBT소자의 직렬 구동회로.
3. 상기 과전압 제어부(2)에 기준 전압을 설정하여 입력시키는 단계와, 직렬 연결된 각각의 전력소자에 인가되는 전압을 전력소자 전압검출부(1)에서 검출하는 단계와, 상기 전력소자 전압검출부(1)에서 검출되는 전압과 설정되어 있는 기준 전압을 비교하여 과전압인지를 과전압 제어부(2)에서 비교하는 단계와, 상기의 비교결과 IGBT소자에 과전압이 인가되어 있을 경우에는 상기 과전압 제어부(2)가 동작하는 단계와, 상기 전력소자 검출부(1)에서 검출되는 전압과 설정되어 있는 기준전압의 오차 값을 적절한 피드백 게인과 함께 게이트 전류로 변환하여 전류제어신호 발생부(3)로 구동신호를 출력하는 단계와, 상기 전류제어신호 발생부(3)에서 발생되는 구동 전류는 IGBT소자에 전압 오차가 발생하는 동안 만큼 전력소자 전압 검출부(1) 트랜지스터의 게이트에 작용하여 과전압 전압제어부(2)가 제어되도록 하는 단계와, 상기 과전압제어부(2)의 제어에 의해 전력을 소자로 전달하는 단계들에 의해 동작이 수행됨을 특징으로 하는 능동형 IGBT 소자의 직렬 구동회로.