KR100353293B1 - 직렬회로반도체스위치의구동방법및회로장치 - Google Patents

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Abstract

직렬회로 반도체 스위치의 구동방법 및 회로장치에서, 전압제한디바이스가 각 반도체 스위치에 할당되고, 이 전압제한 디바이스의 전력손은 반도체 스위치에 걸리는 전압분포를 동등화하기 위한 제어장치에 의해 탐지된다. 제어장치는 전압제한디바이스의 탐지된 전력손을 근거로 하여 공통제어펄스로부터 각 반도체 스위치용 수정제어펄스를 발생시킨다.

Description

직렬회로 반도체 스위치의 구동 방법 및 회로장치
본 발명은 직렬회로의 반도체 스위치를 구동하는 방법과 이 방법을 실시하기 위한 회로장치에 관한 것이다.
일반적으로 파워 트랜지스터, MOSFET, IGBT (insulated gate bipolartransistor), GTO (gate turn-off transistor) 와 같은 반도체 스위치들은 제한된 최대 역전압을 가지고 있다. 보다 높은 전압을 스위칭하고자 할때에는 반도체 스위치를 직렬로 접속하게된다. 이러한 회로장치에서, 스위치되는 DC 전압은 직렬로 접속된 각각의 반도체 스위치의 최대허용전압을 초과한다. 결국, 보호 디바이스는 각 반도체 스위치상의 최대 허용전압이 동작조건에 상관없이 초과되지 않는 것을 보장하여야 한다. 만약 DC 전압이 개별적으로 개방된 반도체 스위치에 걸쳐서 균일하게 분포되는 경우에는 이러한 예가 된다. 대체로, 스위치 오프된 반도체 스위치에 걸리는 균일 또는 대칭 전압분포는 균형저항 (balancing resistors) 에 의한 안정(스테디, steady) 동작에서 얻어진다.
동적 (dynamic) 동작, 즉 스위치 온이나 스위치 오프 과정중에서는 만약 개별 반도체 스위치의 스위칭 동작이 동일하다면 반도체 스위치에 걸리는 대칭 전압분포가 보장된다. 그럼에도 불구하고, 개별 반도체 스위치는 스위칭 동작이나, 스위치 온 및 스위치 오프 지연이 각각 다른 것으로 알려져 있다. 게다가, 다른 스위치 온 및 스위치 오프 시간은 시간에 따라 변하고 온도의 함수이다. 이것은 모든 동작점에서 보장되지 않는 개별 반도체 스위치의 동일하게 빠른 스위치 온이나 스위치 오프를 가져온다. 그러므로, 더 느린 반도체 스위치는 여전히 도통되어 있기 때문에, 더 빠른 반도체 스위치는 스위치 오프 중에 더 높은 전압을 수용한다. 결국, 가장 빠른 반도체 스위치의 최대역전압 Ucmax이 초과될 수 있고 반도체 스위치가 파괴될 수 있다. 동일한 조건이 반도체 스위치의 비대칭 스위칭 온 중인 경우에도 생긴다. 이 경우, 나머지 모든 반도체 스위치가 이미 스위치 온되어 낮은 전압을 받기 때문에, 가장 느린 반도체 스위치가 전체 전압을 받는다. 공보 JP-A-55-033313 호에서는 개별 반도체 스위치의 스위칭 명령의 개별적인 변위에 의하여 스위칭 작동의 균형이 보장되는 직렬 접속된 반도체 스위치의 구동 회로장치가 개시되어 있다. 이 회로장치에서 가장 빠른 반도체 스위치는 최대 지연의 제어펄스를 접수하고 가장 느린 반도체 스위치는 신속히 제어펄스를 접수하므로써 모든 반도체 스위치가 종국적으로는 동시에 스위치한다.
공보 EP-A-0202962 호에서 개시된 기술적 해결책은 실제 트랜지스터 스위칭 에지가 측정되어 이로부터 필요한 스위칭 지연이 결정되는 것과 같은 측정 기술에 의하여 개별 반도체 스위치와 스위칭 명령의 개별적인 변위를 결정하는 것을 추가로 제안하고 있다. 그러나, 이 해결책은 측정기술로 부정확하게 탐지될 수 밖에 없는 극히 짧은 지연 시간으로 인하여 IGBT 의 경우에는 실용적으로 적용될 수가 없다.
또한, 공보 EP-B1-0288422 에서는 반도체 스위치의 스테디 전압을 측정하는 것과 스위칭 에지를 변위시킴으로써 스테디 전압을 소정치로 제어하는 것이 개시되어 있다. 이경우, 만약 마지막 스위칭 오프에서의 반도체 전압이 매우 컸다면, 다음 스위치 오프 에지는 제어기에 의해 지연된다. 만약, 앞서는 스위치 오프의 전압이 매우 낮다면, 스위치 오프 에지는 보다 이른 순간에 변위된다.
마지막 두가지 해결책에서의 한 문제점은 각 반도체 스위치의 개별 지연시간이 처음에 만들어져야만 하기 때문에, 최초의 스위치 오프는 보정되지 않은채 수행된다는 점이다. 공지된 스위칭 장치와 반도체 스위치를 구동하기 위한 후자에서 이용되는 방법 각각은 결국 최초 스위칭 오프가 감압된 DC 전압에서 수행되는 조건하에서만 사용되어 대응 제어 디바이스는 전체 작동 전압이나 전체 작동 전류 각각이 설정되기 전에 스위칭 동작과 정렬할수 있다.
이러한 제한은 차치하더라도, 추가의 문제가 전압용 제어장치의 고장이나 장해의 경우 반도체 스위치의 보호와 관련하여 존재한다. 이러한 관점에서, 지금까지 사용가능한 해결책이 없었다.
또한 청구항 제 1 항의 전제특징부와 일치하는 직렬 접속된 반도체 스위치의 보호방법이 종래 기술로부터 알려져 있는데, 상기 방법을 수행하기 위한 각 반도체 스위치에 전압제한 디바이스가 할당된다. 특정값을 초과하여 전압제한 디바이스를 활성화시키는 반도체 스위치상의 고전압의 경우, 큰 전류가 고전압의 전압제한 디바이스를 통과하여 흐른다. 이러한 경우, 펄스형 전기손실이 전압제한 디바이스내에서 발생하며, 이러한 손실은 스위칭이 반복되는 과정에서 전압제한 디바이스의 수명을 상당히 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 한 목적은 반도체 스위치가 모든 동작점에서 가장 간단한 방식으로 신뢰성 있게 보호되는 직렬회로의 반도체 스위치를 구동하는 신규한 방법과 회로장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1 항의 특징부에 의해 얻어진다. 이러한 특징에 따라서, 개별 반도체 스위치에 할당된 전압제한 디바이스의 전력손실은 제어장치에 의해 탐지되는데, 이 제어장치는 공통 제어펄스로부터 각 반도체 스위치용 수정제어펄스를 발생하며, 이 수정제어펄스에 의해 반도체 스위치에 걸리는 전압분포를 균등화하고 동시에 전압제한 디바이스의 전력손실을 최소화하도록 제어한다.
본 발명에 따른 방법에서, 공통 제어펄스는 각 전압제한 디바이스가 더이상 반응하지 않을 때까지 제어장치에 의해 변위되는 식으로 수정된다. 결국, 반도체 스위치의 스위칭은 대칭적이되고 반도체 전압은 대응 전압제한 디바이스의 반응 전압보다 낮아지게 된다. 개별 전압제한 디바이스의 반응 전압이 연속적으로 초과되지 않기 때문에, 그들 부품의 수명이 증가된다. 이러한 방식에서, 본 발명에 따르면, 먼저, 대응 반도체 스위치가 수동 전압제한 디바이스에 의해 과부하로부터 보호되며, 그 후 전압제한 디바이스 자체는 부하-경감 제어에 의한 과부하로부터 보호된다는 점에서 직렬회로의 결합된 보호가 보장된다. 이것에 의하여, 직렬접속된 반도체 스위치의 기능이 각 동작 조건마다 보장된다. 매우 빠른 방해나 제어장치의 고장인 경우 각 수동 전압제한 디바이스가 보호 기능을 떠맡게 된다. 반도체 스위치의 스위칭 동작의 느린 변화나 비대칭은 전술한 능동 제어에 의해 제어되어 전압제한 디바이스의 부하는 경감된다.
본 발명에 의한 방법에 의하여, 서로 다른 스위칭 시간을 갖는 IGBT, GTO 나 트랜지스터와 같은 반도체 스위치를 미리 선택함이 없이 직렬로 접속하는 것이 가능하다. 제너다이오드나 바리스터와 같이 저전력손실을 찾는 전압제한 디바이스처럼 소형이고 저렴한 부품에 의해 회로장치가 가능하다는 추가의 장점이 본 발명에 있다. 동시에, 전압제한 디바이스 부품들이 부하가 경감되므로 회로장치의 수명이 증가한다. 또한, 본 발명에 의한 방법은 고전압영역에서 IGBT 와 같은 반도체 스위치를 고속스위칭하는데 유용하게 응용할 수 있다.
본 방법의 발명을 실시하기 위한 바람직한 회로장치가 청구범위 제 18 항에 제시되어 있다.
본 발명에 의한 방법과 직렬회로에서의 반도체 스위치를 구동하기 위한 회로장치의 상세한 장점들은 청구항 2 ∼ 17 항 및 19 ∼ 21 항에 각각 정의되어 있다.
본 발명의 좀더 완전한 이해를 위하여 이하에서 도면을 참고로 하여 설명한다.
도면에서의 동일한 부호는 동일 또는 대응되는 부분을 가리키며, 제 1 도는 소위 스위치 브리지인 종래 직렬회로의 반도체 스위치 회로장치를 도시하고, 여기서 DC 전압 (Udc) 은 상단 스위치 (301) 와 하단스위치 (302)에 의해 변조된다. 제 2 도에 나타난 바와같이, 각각의 스위치는 2 개 이상의 직렬접속된 반도체 스위치 (10,11) 를 포함하며, 여기서 반도체 스위치는 비병렬 (antiparallel) 다이오드를 구비한 IGBT 로 이루어진다. 바이폴라 트랜지스터와 같은 또다른 비래칭 반도체 스위치도 반도체 스위치로서 사용가능하다. 여기서 사용된 비래칭 (non-latching) 반도체 스위치는 스위치 온 후에는 소량의 제어전류에 의해 스위치 오프될 수 있다는 사실이 알려져 있다.
제 3 도의 제 1 실시예에 의하면, 회로장치는, 직렬로 접속되고 상기 스위치 중 하나에 속한 3 개의 반도체 스위치 (10, 11, 12) 를 갖는다. 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 는 각 경우에 있어서 각각 비래칭 반도체 스위치 (10, 11, 12) 에 제공되며, 상기 전압 제한 디바이스는 반도체 스위치의 컬렉터와 제어전극 사이에 접속된다.
모든 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 는 각각 측정이 가능하도록 제어장치 (110) 에 접속된다. 상기 제어장치의 일부는 모든 반도체 스위치에 공통인 제어 펄스 P1으로부터 개별반도체 스위치용 수정제어펄스 (P20, P21, P22)를 발생시키기 위하여 제 3 도에는 도시되지 않은 외부 제어펄스 발생기에 접속된다. 제 3 도의 회로장치는 이하의 설명과 같이 작동한다.
예를 들어, 만약 반도체 스위치 (10) 에 걸리는 전압이 특정제한값을 초과한다면, 대응전압제한 디바이스 (30) 을 통하여 전류가 흐르게 된다. 이렇게하여 전압제한장치 (30) 에서 발생되는 전력손은 제어장치 (110) 에 의해 각각 탐지 또는 측정되며, 이 제어장치는 상기 측정된 전력손에 따라서 공통제어펄스 (P1) 를 지연에 의해 수정하여 수정제어펄스 (P20) 를 만든다. 이 프로세스는 또한 나머지 반도체 스위치 (11,12) 에 대하여 동일하게 반복되어 결국 모든 반도체 스위치 (10,11,12) 에 걸리는 전압분포가 동등해진다. 반도체 스위치에 걸리는 전압분포의 이러한 균형화에 의하여, 전압제한 디바이스 (30,31,32) 자체의 전력손이 최소화 상태로 제어된다.
제 4 도의 제 2 실시예인 회로장치에서, 제어장치 (110) 는 3 개의 독립제어디바이스 (100,101,102) 를 포함하고, 이들은 대응되는 반도체 스위치(10,11,12) 에 할당된다.
제 5 도의 제 3 실시예인 스위치장치에서, 각 반도체 스위치는 반도체 스위치 (10) 의 예를 이용하여 GTO 나 MCT (MOS controlled thyristor) 와 같은 래칭 반도체 스위치로서 형성된다. 래칭 반도체 스위치는 스위치 온 후에는 큰 제어전류에 의해 스위치 오프될 수 있다는 사실이 알려져 있다. 여기서는, 전압제한 디바이스 (30) 의 예를 이용하여 대응전압제한 디바이스가 반도체 스위치 (10) 의 애노드와 캐소드 사이에 접속된다.
제어장치 (110) 나 개별 제어 디바이스 (100,101,102) 에 의해 각각 탐지되는 전압제한 디바이스 (30,31,32) 의 전력손의 측정치로서 다양한 변수가 사용가능하다. 이러한 변수의 예로서, 각 전압제한 디바이스를 통하여 흐르는 전류의 시간적분이 탐지될 수 있다. 이 시간 적분은 전압 제한 디바이스의 전압과 곱하여 손실에너지를 나타내고 따라서 특정 스위칭 주파수에서 전압 제한 장치의 전력손에 비례한다. 전압 제한 디바이스의 반응전압이 일정하기 때문에, 전류시간적분은 전력손을 표시하게 된다.
전력손을 나타내는 전류의 시간적분은 그자체로 전류 진폭에 비례하고 전압제한 디바이스내에 흐르는 전류의 지속 기간에 비례한다. 따라서, 반도체 스위치 (10,11,12) 를 통한 전류 (Is) 의 진폭만이 제어장치나 제어디바이스에 의해 탐지될 수 있는데, 이는 진폭이 전압제한 디바이스의 전력손에 비례하기 때문이다. 이러한 형태를 실행하기 위한 방법은 특히 전압제한 장치의 전력손의 이진계산에 매우 적합하다. 제어장치나 제어디바이스의 이진 진폭측정소자의 구현을 위해, 특정 진폭값을 오버슈팅하는 경우에 펄스 (Ⅰ-펄스) 를 발생하는 비교기만이 필요하다. 이진 전류 지속 기간 측정소자는 전압제한 디바이스의 전류 존재를 지시하는 일정길이의 펄스 (Ⅰ-펄스) 를 발생시킨다.
그러나, 반도체 스위치 (10,11,12) 를 통한 전류 (Is) 의 지속 기간만이 제어장치나 제어디바이스에 의해 역시 탐지 가능한데, 이것은 지속 기간도 전압제한 디바이스의 전력손에 비례하기 때문이다. 제어장치나 제어디바이스의 전류 지속 기간 측정소자의 구현을 위해, 전압제한 디바이스를 통해 전류가 흐르는 동안 펄스를 발생시키는 비교기만이 필요하다. 이 경우 펄스의 길이는 결과적인 전력손에 비례한다.
전압제한 디바이스 소자의 온도도 전압제한 디바이스의 전력손을 나타낸다. 이 온도는 전자적으로 탐지가능하고 제어의 기초로서 이용가능함에도 불구하고 이 소자의 온도 시정수를 고려하여야 한다.
회로장치의 모든 실시예에서, 사용된 반도체 스위치형에 무관하게, 반도체 스위치 전류를 스위치 오프할 때 전압피크를 제한하기 위하여 완충기(snubber) 가 각 반도체 스위치와 병렬로 접속될 수 있다.
제 4 실시예인 제 6 도의 회로장치에서, 제 1 제어 디바이스 (100) 는 나머지 제어디바이스 (101, 102) 에 결합된다. 제 1 제어 디바이스 (100)가 접속된 반도체 스위치 (10) 는 기준 스위치 또는 마스터로서 사용되고, 나머지 반도체 스위치 (11, 12) 는 슬레이브(slave) 로서 지정된다. 이 회로장치에 의하여, 아래와 같은 프로세스가 보장된다. 마스터 (10) 의 제어디바이스 (100) 는 반도체 스위치 (10) 및 신호 전자장치의 최대 비대칭 시간보다 긴 일정한 초기 시간 값만큼 공통제어펄스 (P20) 를 변위 또는 지연시킨다. 동일한 지연이 슬레이브 (11,12) 의 제어펄스 (P21, P22) 의 초기값으로 로드 (load) 된다. 제어 디바이스 (100) 는 마스터 (10) 의 펄스 변위의 초기값을 변경시키지 않는다. 슬레이브 (11,12) 의 제어디바이스 (101, 102) 는 전압제한 디바이스 (31, 32) 의 전력손이 각각 최소 또는 영으로 제어되는 식으로 슬레이브 (11) 의 제어펄스 (P21, P22) 를 변위시킨다. 만약 마스터 (10) 가 매우 느리게 스위치 오프하고 전압제한 디바이스 (30) 가 중개된다면, 제어디바이스 (100) 는 스위치 오프시의 전압제한 디바이스 (30)의 전력손을 특정하는 신호 (Pa) 를 발생시킨다. 신호 (Pa) 가 나머지 제어디바이스 (101, 102) 에 공급되며 나머지 제어디바이스에서, 신호가 스위치 오프 에지의 펄스 지연의 동일한 증가에 도달한다. 이렇게 하여, 마스터 (10) 의 스위치 오프가 슬레이브 (11, 12) 의 스위치 오프와 비교하여 마스터 (10) 상에 수정제어펄스 (P20) 의 지연을 변경시키지 않고 더욱 빨라진다. 만약 마스터 (10) 가 매우 빠르게 스위치 온하고 전압제한 디바이스 (30) 가 중개된다면, 제어디바이스 (100) 는 스위치 온시의 전압제한 디바이스 (30) 의 전력손을 특정하는 신호 (Pe) 발생한다. 신호 (Pe) 가 나머지 제어디바이스 (101, 102) 에 공급되며 나머지 제어디바이스에서, 신호가 스위치 온 에지의 펄스 지연의 동일한 감소에 도달한다. 이렇게 하여, 마스터 (10) 의 스위치 온이 슬레이브 (11, 12) 의 스위치 온과 비교하여 마스터 (10) 에 수정제어펄스 (P20) 의 지연을 변경시키지 않고 더욱 느려진다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 제 5 실시예인 회로장치는 반도체 스위치 (10, 11, 12) 와 각각 병렬로 접속되는 단락회로 소자 (90, 91, 92) 가 제공된다는 점에서 전기의 실시예와 일치된다. 이러한 회로장치에서, 만약 직렬 접속 반도체 스위치 (10, 11, 12) 중 하나 이상에서 장애가 발생하여, 스위칭 전류 (Is) 를 위한 도전 경로가 인터럽트된다면, 단락회로소자 (90, 91, 92) 는 각각 제한된 시간동안 전류를 받고 방해 전기 방전 (arc) 의 발생을 방지한다. 단락회로 소자 그 자체는 대응 전압제한 디바이스의 반응 문턱값 (threshold) 보다 큰 전압 반응 문턱값을 갖는다. 만약, 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 에 의한 전압 제한과 제어 디바이스 (100, 101, 102) 에 의한 전력제어가 작용하지 않는다면, 각 단락회로 소자 (90, 91, 92) 가 각각 중개되는데, 이는 비래칭 반도체 스위치 (10, 11, 12) 에 각각 장애가 발생하였기 때문인데 이렇게 하여 전류흐름을 인터럽트 한다. 제 5 도와 같이 만약 전압제한 디바이스가 래칭 반도체 스위치의 애노드와 캐소드 사이에 접속된다면, 전압 제한 디바이스가 전류를 받기 때문에 단락회로 소자가 반드시 필요한 것은 아니다.
제 6 실시예인 제 8 도의 회로장치에서, 수정제어펄스 (P20, P21, P22) 가 제어장치 (110) 의해 모든 반도체 스위치 (10, 11, 12) 에 공통으로 발생된다. 이러한 제어펄스에 의해, 각 반도체 스위치의 전압은 각 전압제한 디바이스의 반응전압보다 작은 전압값 (S1)으로 맞춰진다. 전압제어기 (110) 는 반도체 전압을 각 전압제한 디바이스의 반응전압보다 작은 소정값 (S1) 으로 제어하기 때문에, 전압 제한디바이스는 연속동작에서 반응하지 않는다. 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 는 전압제어가 펄스 (P1) 의 에지 변위에 의해 비대칭을 아직 교정하지 않는 동안 중개한다. 제어 완료 프로세스 (controlling-out process) 는 약간의 스위칭 주기에서만 지속된다. 그러므로, 이 프로세스는 전압제한 디바이스의 간접보호를 제공한다. 이것의 전제조건은 소정 전압값 (S1) 이 전압 제한 디바이스의 반응전압보다 충분히 작은 것이다.
제 9 도의 제 7 실시예는 제어디바이스 (100) 의 가능한 구성을 도시하며, 이 제어 디바이스는 나머지 반도체 스위치에도 유사하게 응용가능하다. 이 회로장치는 제너 다이오드로서 설계된 전압제한 디바이스 (30) 을 구비하며, 이 전압 제한 디바이스 (30) 는 반도체 스위치 (10) 의 컬렉터와 제어 전극 사이에서 접속된다. 전력손 탐지 장치 (40) 에 의하여 제너 다이오드내의 전류흐름을 탐지하여 펄스 지연 유닛 (60) 을 갖는 제어기 (50) 에 보고한다. 제너 다이오드 (10) 에서 측정된 실제값을 근거로 하여, 제어기 (50) 는 지연을 형성하고, 이에 일치하여 펄스 지연 유닛은 외부제어펄스 (P1) 를 지연시킴으로써 수정제어펄스 (P20) 를 형성한다.
제 10 도는 제 9 도 회로장치의 특별한 실시예를 도시하고, 여기서 탐지장치 (40) 는 이진 실제값 (binary actual value) 탐지 장치이다. 만약 스위칭 오프시 전류가 전압제한 디바이스 (30) 를 통하여 흐른다면, 이진 실제값 탐지장치 (40) 는 스위치 오프 프로세스 (I-펄스) 마다 각 경우에 하나의 펄스를 발생시킨다. I-펄스는 전기 절연소자 (80, optocoupler) 를 경유하여 디지탈 스위치-오프 제어기 (501) 에 전송되고, 상기 디지탈 스위치-오프 제어기는 각 I-펄스후에 각 경우에서 한 시간 양자 (quantum) 만큼 스위치-오프 제어펄스에지를 위해 지연을 증가시킨다, 이것에 의하여, 수정제어펄스 (P20) 가 형성되고, 이것은 전기 절연소자 (81) 를 통하여 반도체 스위치 (10) 의 제어입력에 도달된다.
제 11 도는 제 9 도 회로장치의 추가된 특별예를 나타내고, 이 예에서 탐지장치 (40) 는 또한 전류가 스위칭 오프시 전압제한 디바이스를 흐르는 경우에 스위칭 프로세스 (I-펄스) 당 하나의 펄스를 발생시키는 이진실제값 탐지 장치이다. 여기서, I-펄스가 전기 절연소자 (80) 를 경유하여 스위치 (41) 로 전송되는데, 이 스위치 (41) 는 스위치-온으로부터의 I-펄스는 디지탈 스위치-온 제어기 (502) 에 도달하고 스위치-오프로부터의 I-펄스는 디지탈 스위치-오프 제어기 (501) 에 도달하는 식으로 제어펄스 (P1) 에 의해 제어된다. 스위치-온 제어기 (502) 와 스위치-오프 제어기 (501) 의 각 출력은 디지탈 스위치-온 지연유닛 (602) 과 디지탈 스위치-오프 펄스 지연유닛 (601) 에 각각 작용하여, 지연제어펄스 (P20) 가 형성된다. 결국, 지연제어펄스 (P20) 는 전기절연소자 (81) 를 경유하여 반도체 스위치 (10) 의 제어입력에 도달한다.
또한, 이진 전압측정소자가 이러한 회로장치에 제공될 수 있으며, 상기 이진 전압측정소자는 각 스위치-오프 후이 소정 반도체 스위치 전압의 언더슈팅을 디지탈 스위치-오프 제어기 (501) 에 펄스 (U-펄스)를 사용하여 보고함으로써 수정되는제어펄스 (P1) 의 스위치-오프 에지의 지연감소를 보장한다. 이것에 의해서, 반도체 스위치 전압은 이값을 언더슈트하지 않게 된다. 전압제한 디바이스의 전압제어기와 전력손 제어기는 병렬로 작동한다. 반도체 전압이 스위치-오프 상태에서 매우 낮은 경우에는 스위치-오프 펄스 에지가 전압제어기에 의해 일찍 만들어져서 반도체 스위치 전압이 다음 스위칭 오프에서 증가한다. 반도체 스위치 전압이 매우 높아지는 경우에는, I-펄스가 뒤따르며, 이 I-펄스는 스위치-오프 에지를 더욱 변위시킴으로써 스위치-오프 전압을 감소시킨다. 결국, 전압제한 디바이스의 전압제어기와 전력손 제어기는 전압 히스테리시스 제어기처럼 작동한다.
제 12 도에서 제 10 실시예가 도시되어 있는데, 여기서는 제 4 도의 회로장치외에, 제어장치 (200) 가 제공된다. 제어장치 (200) 는 이하에서 설명할 동작조건에서 과전류, 과전압 및 다이오드 비대칭의 조건들을 탐지한다.
직렬접속 반도체 스위치 (10, 11,12) 의 전류가 클 수록, 이 전류의 스위치 오프시에 발생되는 전압피크는 보다 커진다. 만약 전압피크가 높아서 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 반응전압이 초과된다면, 이러한 피크는 전류 스위치-오프 시간동안 모든 전압 제한 디바이스의 반응을 야기시킨다. 모든 전압제한 디바이스가 반응하는 전류가 최대허용 스위치전류 (Ismax) 이다. 제어장치(200) 는 이 조건을 탐지하고 과전류신호 (Imax) 를 발생시킨다.
특정 동작조건하에서, 인가 DC 전압(Vdc) 은 최대 허용값(Ldcmax) 을 영구히 초과할 수 있다. 이 최대 전압은 개별 반도체 스위치 (10,11,12) 에 걸쳐서 대칭분포되고, 모든 전압 제한 디바이스(30, 31, 32) 의 반응문턱이 초과된다. 이 조건은 스테디하다. 즉, 최대전압 (Udcmax) 이 존재하는 한 상기 조건이 지속된다. 스위치 전류(Is) 가 흐르지 않는 조건은 과전압 (Udc) 을 스위치 오프함으로써 종결된다. 전압제한 디바이스(30, 31,32) 와 반도체 스위치 (10, 11, 12) 는 이러한 조건에 의해 장기간에 걸쳐 손상된다.
만약, 제 1 도의 대칭적으로 도시된 스위치 브리지의 상단 스위치 (301)의 제 12 도 반도체 스위치 (10, 11, 12) 가 스위치온된다면, 상기 반도체 스위치는 하단 스위치 (302) 의 반도체 스위치의 비병렬 하단 다이오드로부터 전류 (Is) 를 받는다. 하단 다이오드는 비제어 방법으로 스위치오프된다. 또한, 이러한 다이오드의 스위치-오프 동작은 서로로부터 이탈된다. 제 7 도의 단락-회로소자 (90, 91, 92) 와 유사하게 반도체 스위치와 병렬접속된 완충기에 의해, 직렬접속 다이오드의 스위칭은 균형이 잡히게 되고 따라서 균일한 전압분포가 보장된다. 이러한 것에도 불구하고, 만약 과전압이 다이오드상에 생기면, 대응 전압제한 디바이스가 끼어들게 되고 관련 다이오드와 병렬접속된 반도체 스위치가 스위치 온되어, 상기 반도체 스위치는 도통되고 다이오드 전압을 제한하게 된다. 그러나, 이 프로세스는 임의로 자주 반복될 수는 없는데, 이것은 대응 전압제한 디바이스가 각 스위치-오프 프로세스에서 로드되기 때문이다. 여기서, 제어장치 (200) 는 이러한 경우에 다이오드 비대칭 신호(Dmax) 를 발생할 목적으로 이용되고 있다.
제어장치 (200) 에 의해 공급되는 과전류신호 (Imax), 과전압신호 (Umax) 와 다이오드 비대칭신호 (Dmax) 가 예를들어 제 12 도의 회로장치와 같은데 있는 추가의 제어를 위하여 사용될 수 있으며, 제 12 도의 회로장치에서는 제어디바이스가 제 11 도와 일치하여 설계되고 실제값 필터가 스위치 (41) 와 제어기 (501, 502) 사이에 접속된다. 실제값 필터는 과전류신호 (Imax) 나 과전압신호 (Umax) 에 의해 또는 다이오드 비대칭 신호 (Dmax) 에 의해 각각 구동되는데, 이때의 구동은 상기 신호들의발생을 가져오는 상기의 조건에서 대응 전압제한디바이스를 통하여 흐르고 탐지장치 (40) 에 의해 측정된 전류의 실제값이 실제값 필터로써 필터링되는 식으로 구동된다.
직렬회로가 각 경우에 반도체 스위치당 하나의 제어디바이스를 갖는 2 개의 반도체 스위치만을 구비하는 회로장치의 구체예가 제 13 도에 나타나 있다. 여기서, 반도체 스위치 (10, 11)의 한 모듈은 각 경우에 하나의 IGBT 와 하나의 프리러닝 (free-running) 다이오드를 포함한다. RCD-완충기는 부하전류의 스위칭 오프동안 과전압피크로부터 모듈을 보호한다. 완충기는 소자 (Rsn1, Csn1, Dsn1) 과 소자 (Rsn2, Csn2, Dsn2) 로 각각 형성된다. 균형저항 (Rsym1, Rsym2) 는 직렬회로의 스테디 전압분포를 보장한다. 단락-회로 소자는 애벌런시 다이오드(Dk1, Dk2) 나 바리스터로서 설계된다. 만약 모듈이 고장나고 모듈전압이 전압제한 디바이스의 반응문턱값과 이러한 단락-회로소자(Dk1, Dk2) 의 더 높은 반응 문턱값을 초과한다면, 바리스터는 전류흐름을 받는다.
제 13 도에서, 마스터 (10) 의 제어디바이스 (100) 와 슬레이브 (11) 의 제어디바이스 (101) 가 도시되어 있다. 마스터와 슬레이브의 전압제한 디바이스는 제너 다이오드 (Dz10, Dz11) 로서 설계된다. 각 제너 다이오드 (Dz10, Dz11) 을 통하여 흐르는 전류는 탐지되고, 각 경우에 있어서, 하나의 펄스(I-펄스) 를 발생한다. 이는 차동소자 (Dif10, Dif11) 에 기인 한다. I-펄스는 각각 광결합기 (optocoupler, Ok10, Ok12) 를 경유하여 마스터나 슬레이브의 제어디바이스로 전송된다. 제어디바이스 (100, 101) 의 디지탈 성분은 PLD (programmable logic device) 에서 집적된다. 제 7 도에 의한 실시예와 같이 신호 (Pa, Pe) 는 마스터 (10) 의 제어디바이스 (100) 에 의해 발생되어 PLD 더 내부로 슬레이브제어기 (101) 에 공급된다. 더욱이, 이 신호 (Pa, Pe) 는 PLD 로부터 나오며 추가의 슬레이브 PLD 의 제어를 위하여 사용가능하다. 이런식으로, 원하는 만큼의 슬레이브 PLD 가 캐스케이드 된다. 신호(Pe) 는 스위치-온 에지가 변경되었는지의 여부를 정의하며, 신호 (Pa) 는 스위치-오프에지가 변경되었는지의 여부를 특정한다. 신호 (Pa, Pe) 각각은 2 개의 비트로 이루어진다. 한 비트는 대응 에지가 일찍 만들어지는 것을 지시하고 두 번째 비트는 에지가 늦게 만들어지는 것을 지시한다. 계산된 지연 시간은 EEPROM 에 저장되고 전압장애후에 유지된다. 디지탈화된 지연시간은 마스터 (Vin0, Vout0) 의 스위칭온과 스위칭 오프를 위한 지연소자에 로드되고, 슬레이브 (Vin1, Vout1) 의 스위칭 온과 스위칭 오프를 위한 지연소자에 로드되어, 나노초 범위에서 지연이 가능토록 한다. 새로 계산된 시간의 로딩은 각 펄스후에 PLD 에 의해 수행된다. 중앙제어신호 (P1) 는 지연소자 (Vin1, Vout1, Vin0, Vout0) 에 의해 지연되고 수정제어신호 (P20, P21) 는 광결합기 (Ok11, Ok13)를 경유하여 드라이버 (Drv10, Drv11) 로 전송된다. 증폭된 신호는 게이트저항 (Rg1, Rg2) 을 경유하여 IGBT 의 게이트에 도달한다.
PLD 는 또한 모든 전압 제한 디바이스의 I-펄스가 반응하는 경우에 이진 신호 (Imax) 를 발생시키고 한편 부하전류는 IGBT 에 의해 스위치 오프된다. 모든 I-펄스가 비전류 조건에서 발생되는 경우에, 신호 (Umax) 가 생긴다. 신호 (Dmax, 다이오드 비대칭) 는 모든 I-펄스가 존재하는 경우에 발생하고 만약, 제 13 도의 부하전류가 양의 값으로 직접 향한다면, 부하전류 (Is)가 프리러닝 다이오드에 의해 스위치 오프된다. 부하전류가 이진신호 (Isign) 에 의해 전류 방향을 특정하는 전류센서 (I) 에 의해 탐지된다. 신호 (Umax, Imax, Dmax) 에 대응하는 에러조건이 PLD 의 폴트 (fault) 레지스터에 저장된다. 리셋 신호의 외부활동은 에러조건과 신호 (Umax, Imax, Dmax) 의 리셋을 수행한다.
상술한 실시예에서 당업자가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 변형예를 실시할 수 있음은 명백하다.
제 1 도는 종래 직렬회로 반도체 스위치의 회로장치도.
제 2 도는 제 1 도의 회로장치의 스위치에 대한 상세도.
제 3 도 에서 제 13 도는 직렬회로의 반도체 스위치를 구동하기 위한 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 회로장치의 실시도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10, 11, 12: 반도체 스위치 30, 31, 32:전압제한 디바이스
41:스위치 100,101,102:제어디바이스
110:제어장치 80, 80:전기절연소자
501:스위치-오프제어기 502:스위치-온 제어기
601:스위치-오프 펄스지연유닛

Claims (18)

  1. 반도체 스위치 (10, 11,12) 에 걸리는 전압분포를 동등화 하기 위하여, 각 반도체 스위치 (10, 11, 12) 용 수정제어펄스 (P20, P21, P22) 가 공통 제어펄스 (P1) 로부터 제어장치 (110) 에 의해 발생되고, 각 반도체 스위치에 할당된 전압 제한 디바이스로부터 전력손 값이 탐지되고, 그 값이 최소가 되도록 제어되는 직렬회로 반도체 스위치 (10, 11, 12) 의 구동방법으로서, 반도체 스위치 (10, 11, 12) 로서 비래칭 반도체 스위치가 이용되고 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 가 각 반도체 스위치 (10, 11,12) 의 컬렉터와 제어전극 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어장치 (110) 는 반도체 스위치 (10, 11, 12) 당 하나의 제어디바이스 (100, 101, 102) 가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 전력손이 영으로 제어되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 를 통과하는 전류의 시간적분이 상기 전압제한 디바이스 전력손의 측정기준으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 를 통과하는 전류의 진폭이 상기 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 전력손의 측정기준으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 를 통과하는 전류의 지속 기간이 상기 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 전력손의 측정기준으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 온도가 상기 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 전력손의 측정기준으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 수정제어펄스 (P20, P21, P22) 가 제어펄스 (P1) 의 스위칭 에지에 대한 시간변위에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제어장치 (110) 또는 제어 디바이스 (100, 101, 102) 각각은 디지탈이며, 각 전압제한 디바이스가 반응시 및 전력손의 발생시하나의 펄스가 발생하고, 각 수정 제어펄스 (P20, P21, P22) 의 스위칭 에지가 하나의 양자화된 시간만큼 변위되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하나의 반도체 스위치 (10) 가 기준스위치 (마스터) 로서 사용되고, 상기 기준 스위치를 구동하는 스위칭 에지가 일정시간만큼 지연되며, 모든 반도체 스위치의 전압제한디바이스 (30, 31, 32) 의 측정 전력손을 근거로 하여, 모든 반도체 스위치 (10, 11, 12) 의 전력손이 최소화되게 제어되도록 나머지 반도체 스위치 (슬레이브, 11, 12) 의 스위칭에지가 변화되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단락-회로 소자 (90, 91, 92) 는 반도체 스위치 (10, 11, 12) 와 각각 병렬 접속되어, 각 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 의 반응문턱값보다 큰 단락-회로소자의 반응문턱값을 초과하는 경우에는, 단락-회로소자는 각 반도체 스위치로부터 전류흐름을 수용하는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 반도체 스위치를 통하여 흐르는 전류를 스위치오프하는 단 하나의 프로세스동안에 모든 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 가 동시에 반응하는 경우에는, 반도체 스위치 과전류를 지시하는 신호 (Imax) 가 발생되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 반도체 스위치의 무전류 상태에서 모든 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 가 반응하는 경우에는, 반도체 스위치 과전압을 지시하는 신호 (Umax) 가 발생되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 다이오드 (D10, D11, D12) 는 반도체 스위치와 각각 비병렬로 접속되고, 직렬회로의 비병렬 다이오드로부터 전류공급시 모든 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 가 반응하는 경우에는 비병렬 다이오드의 비대칭을 지시하는 신호 (Dmax) 가 발생되는 것을 특징으로 하는 직렬회로 반도체 스위치의 구동방법.
  15. 제 2 항에 개시된 방법을 수행하기 위한 회로 장치로서, 공통제어펄스 (P1) 를 수정하기 위하여 각 반도체 스위치 (10, 11,12) 에 배정된 상기 제어디바이스 (100, 101, 102) 는 전력손 탐지장치 (40) 와 펄스지연 유닛 (60) 을 갖는 제어기를 (50) 구비하고, 상기 탐지장치 (40) 는 스위칭 프로세스시 관련된 전압 제한 디바이스 (30, 31, 32) 각각의 전력손을 측정하며, 상기 제어기 (50) 는 실제 전력손 값에 근거한 지연을 형성하고, 상기 펄스 지연유닛은 상기 지연에 따라 상기 제어펄스를 지연시킴으로써 상기 제어디바이스에 할당되는 수정제어펄스 (P20, P21,P22) 를 형성하는 것을 특징으로 하는 회로장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 탐지장치 (40) 는 스위치 오프시 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 각각을 통하여 흐르는 전류가 발생하는 경우 스위치-오프 프로세스당 하나의 펄스(I-펄스)를 발생시키는 이진 실제값 탐지장치이며, 상기 펄스는 각 경우에 전기절연소자 (80) 를 경유하여 디지탈 스위치-오프 제어기 (501) 에 전송되고, 상기 제어기는 디지탈 스위치-오프 펄스 지연유닛 (601) 에 작용하며, 상기 지연유닛은 각 I-펄스 후에 하나의 양자화된 시간만큼 스위치-오프 제어펄스 에지의 지연을 증가 시켜서 수정제어펄스 (P20, P21, P22) 를 형성하고, 상기 수정제어펄스는 전기 절연소자 (81) 를 경유하여 각 반도체 스위치 (10, 11, 12) 의 제어입력에 도달하는 것을 특징으로 하는 회로장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 탐지장치 (40) 는 스위칭시 전압제한 디바이스 (30, 31, 32) 각각을 통하여 흐르는 전류가 발생하는 경우 스위칭 프로세스당 하나의 펄스(I-펄스)를 발생시키는 이진실제값 탐지장치이며, 상기 펄스는 각 경우에 전기절연소자 (80) 를 경유하여 스위치 (41) 에 전송되고, 상기 스위치는 스위치-온으로부터의 Ⅰ-펄스는 디지탈 스위치-온 제어기 (502) 로 도달하고 스위치-오프로부터의 Ⅰ-펄스는 디지탈 스위치-오프 제어기 (501) 로 도달하는 식으로 제어펄스 (P1) 에 의해 제어되며, 스위치-온 제어기 (502) 또는 스위치오프 제어기 (501) 의 출력은 각각 디지탈 스위치-온 펄스 지연유닛 (602) 과 디지탈 스위치-오프 펄스지연유닛 (601) 에 작용하고, 이것에 의해 지연제어펄스 (P20, P21, P22) 가 형성되며, 상기 지연제어펄스는 각 경우에 전기절연소자 (81) 를 경유하여 대응하는 반도체스위치 (10, 11, 12) 의 제어입력에 도달되는 것을 특징으로 하는 회로장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 이진 전압측정소자가 제공되고, 상기 측정소자는 펄스 (U-펄스) 에 의해 각 스위치-오프후의 소정반도체 스위치 전압의 언더슈팅을 지시하며, 상기 펄스는 디지탈 스위치-오프제어기 (501) 상에 작용하여 스위치-오프에지의 추가지연을 가져오는 것을 특징으로 하는 회로장치.
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