KR100398000B1 - Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module - Google Patents

Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module Download PDF

Info

Publication number
KR100398000B1
KR100398000B1 KR10-2001-0055892A KR20010055892A KR100398000B1 KR 100398000 B1 KR100398000 B1 KR 100398000B1 KR 20010055892 A KR20010055892 A KR 20010055892A KR 100398000 B1 KR100398000 B1 KR 100398000B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gate
power
hybrid integrated
integrated circuit
power semiconductor
Prior art date
Application number
KR10-2001-0055892A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20030023022A (en
Inventor
정재훈
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR10-2001-0055892A priority Critical patent/KR100398000B1/en
Publication of KR20030023022A publication Critical patent/KR20030023022A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100398000B1 publication Critical patent/KR100398000B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

본 발명은 게이트 구동 장치 중 3상 AC/DC 컨버터에서 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gate driving device for driving a power semiconductor device of a dual module in a three-phase AC / DC converter of the gate driving device.

이를 위하여 본 발명은 2개의 전력용 반도체 소자가 1개의 패키지 내에 존재하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자를 구동할 수 있도록 게이팅 회로기판은 일 기판의 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로(Gate trigger Hybrid integrated circuit)가 각각 설치되며, 게이팅 회로기판은 광커플러와 커패시터도 함께 하이브리드 집적 회로화 될 수 있다.To this end, the present invention is a gate trigger hybrid integrated circuit (Gate trigger hybrid integrated circuit) on both sides of a substrate so that the two power semiconductor devices can drive the power module of the dual module present in one package ), And the gating circuit board can be hybrid integrated circuit with optocoupler and capacitor.

따라서, 본 발명은 게이팅 회로기판이 파워보드 상에 수직으로 실장됨으로써 파워보드의 면적에 아무런 영향을 끼치지 않으면서 회로 설계를 간략하게 하고, 부품 수도 감소시키며, 스트레이 인덕턴스를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 게이트 트리거 하이브리드 집적회로와 함께 광커플러 및 필터용 커패시터도 기판의 양면에 실장하여 하이브리드 집적 회로화 함으로써 파워보드의 유지 보수가 용이하며, 종래에 비해 부품 수가 1/6으로 감소됨에 따라 1 파워보드당 원가가 3% 정도 절감될 수 있는 효과를 제공하여 준다.Accordingly, the present invention not only can simplify the circuit design, reduce the number of parts, and reduce the stray inductance without any influence on the area of the power board by mounting the gating circuit board vertically on the power board. In addition to the gate-triggered hybrid integrated circuit, optocouplers and filter capacitors are also mounted on both sides of the board to make hybrid integrated circuits easier to maintain and maintain the power boards. It provides cost savings of 3%.

Description

이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치{Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module}Gate driving device for driving power semiconductor elements of dual modules {Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module}

본 발명은 AC/DC 컨버터의 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 설계구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)를 구동시키기 위해 2개의 게이트 트리거 하이브리드 집적회로가 기판의 양면에 설계되어 인쇄회로기판에 대해 수직 실장되도록 하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a design structure of a gate trigger hybrid integrated circuit of an AC / DC converter, and more particularly, to a two gate trigger hybrid integrated circuit for driving a dual module power semiconductor device (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). The present invention relates to a gate module for driving a dual-module power semiconductor device, in which a double-sided module is designed on both sides of a substrate to be vertically mounted on a printed circuit board.

최근, 고속 연산이 가능한 32비트 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Processor, DSP)와 같은 마이크로프로세서가 출시되면서 이를 응용한 전력전자 기술이 비약적으로 발전하고 있다.Recently, with the introduction of microprocessors such as 32-bit digital signal processors (DSPs) capable of high-speed operation, power electronics technology using them has been rapidly developed.

전력전자 기술을 이용한 장치 중에서 컨버터와 인버터와 같은 게이트 구동 장치와 AC 모터 구동장치 등은 산업발전의 근간을 이루는 중요한 분야로 많은 개발이 이루어지고 있다.Among the devices using the power electronic technology, gate driving devices such as converters and inverters, and AC motor driving devices are important developments that form the basis of industrial development.

특히, 도 1은 일반적인 3상 AC/DC 컨버터의 구성이 도시된 회로도로서 이를 참고하면 다음과 같다.In particular, Figure 1 is a circuit diagram showing the configuration of a typical three-phase AC / DC converter as follows.

AC 전원을 DC 전원으로 변환시키는 컨버터는 그 구성이, 전압/전류를 제어하여 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어신호를 생성 출력하는 제어부(10)와, 다수의 스위칭 소자(M1, M2, M3)의 온/오프 스위칭 동작을 통해 실제 전력의 형태를 변환시키는 파워부(20)와, 상기 제어부(10)의 제어신호를 증폭하여 파워부(20)의 스위칭 소자를 구동하는 게이트 트리거부(30)를 포함한다.The converter for converting an AC power source into a DC power source includes a control unit 10 that controls voltage / current to generate and output a pulse width modulation (PWM) control signal, and a plurality of switching elements M1 and M2. , The power unit 20 for converting the actual power form through the on / off switching operation of M3, and the gate trigger unit for driving the switching element of the power unit 20 by amplifying the control signal of the control unit 10. (30).

여기서, 제어부(10)는 전압제어기(11), 전류제어기(12), 삼각파비교기(13), 전류센서를 포함한다. 그리고, 제어부(10)는 파워부(20)에 입력되는 3상 입력전압(VR, VS, VT)과 파워부(20)의 VDC-link피드백 값, 그리고 R, S상 입력 전류를 감지하여 전압제어기(11)와 전류제어기(12)에 의해 파워부(20)의 VDC-link를 정전압 제어하기 위한 제어 신호를 게이트 트리거부(30)로 출력한다.Here, the controller 10 includes a voltage controller 11, a current controller 12, a triangle wave comparator 13, and a current sensor. The controller 10 may include three-phase input voltages V R , V S and V T input to the power unit 20, V DC-link feedback values of the power unit 20, and R and S phase input currents. The control unit outputs a control signal for controlling the constant voltage of the V DC-link of the power unit 20 by the voltage controller 11 and the current controller 12 to the gate trigger unit 30.

그리고, 파워부(20)는 전력용 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 스위칭 소자(M1, M2. M3)로 사용하는데, IGBT는 온-스테이지(On-stage) 전압 강하가 적은 트랜지스터의 장점과 스위칭 손실이 적은 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)의 장점을 갖고 있다.In addition, the power unit 20 uses an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as a switching device (M1, M2, M3), which is a power semiconductor device, and the IGBT is a transistor having a low on-stage voltage drop. It has the advantages of Field Effect Transistors (FETs) with low switching losses.

상기 스위칭 소자(M1, M2, M3)는 2개의 IGBT가 1개의 기판 상에 성형되어 하나의 패키지 형태를 구현하는 이중 모듈 형태로 형성된다.The switching elements M1, M2, and M3 are formed in a double module form in which two IGBTs are formed on one substrate to realize one package form.

또한, 게이트 트리거부(30)는 IGBT 개수만큼의 게이트 트리거(Gate trigger)용 구동기로 이루어져 각각의 IGBT를 구동하기 위해서 제어부(10)의 제어신호를 증폭시키고, IGBT의 과전류를 보호하며, 게이트 구동전압의 저전압 보호 기능도 담당한다.In addition, the gate trigger unit 30 includes as many gate trigger drivers as the number of IGBTs to amplify the control signal of the control unit 10 to drive each IGBT, protect the overcurrent of the IGBT, and drive the gate. It is also responsible for undervoltage protection of the voltage.

위에서 설명한 게이트 트리거부(30)는 게이트 트리거 하이브리드 집적회로 (Hybrid Integrated Circuit, HIC)로서 그 출력은 스위칭 소자의 사양에 따라 다르다.The gate trigger unit 30 described above is a gate trigger hybrid integrated circuit (HIC), and its output depends on the specification of the switching element.

일반적으로, 10~50㎾급의 산업용 게이트 구동 장치에 사용되는 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 출력은 20V/2A 미만의 저전압/저전류이다. 이렇게 저전압/저전류의 게이트 트리거로 고전압/고전류의 게이트 구동 장치를 제어하는 과정에서 파워부(20)에 근접하고 있는 게이트 트리거부(30)에는 파워부에서 발생하는 시간에 대한 전압, 전류의 변화율, 즉 di/dt, dv/dt에 의한 영향을 받기 쉽다.In general, the output of a gate trigger hybrid integrated circuit used in an industrial gate drive device of 10 to 50 kW is a low voltage / low current of less than 20V / 2A. In the process of controlling the high voltage / high current gate driving device using the low voltage / low current gate trigger, the gate trigger unit 30 close to the power unit 20 has a change rate of voltage and current with respect to the time generated from the power unit. , Ie, susceptible to di / dt and dv / dt.

이에 대한 방지책으로, 우선 제어부(10)와 파워부(20)의 절연이 확실해야 하고, 그 역할은 광커플러에서 담당하고 있다. 다음, 파워부(20)의 스위칭 소자(M1)의 게이트 단자와 게이트 트리거부(30)의 출력 핀과의 거리를 짧게 하여 도선 상에 존재하는 스트레이 인덕턴스(Stray Inductance)를 최소한 줄이는 회로설계가 매우 중요하다.As a countermeasure against this, first, the insulation of the control part 10 and the power part 20 should be ensured, and the role is played by the optocoupler. Next, a short circuit distance between the gate terminal of the switching element M1 of the power unit 20 and the output pin of the gate trigger unit 30 is reduced to at least reduce the stray inductance present on the conductive line. It is important.

게이트 트리거부(30)는 용량에 따라 다소 차이가 있지만 대부분 하이브리드 집적 회로화 하여 인쇄회로기판(PCB)에 실장한 형태로, 1개의 게이트 트리거용 하이브리드 집적 회로로 1개의 IGBT를 구동한다.Although the gate trigger unit 30 is somewhat different depending on the capacitance, it is mostly a hybrid integrated circuit mounted on a printed circuit board (PCB) and drives one IGBT with one gate trigger hybrid integrated circuit.

도 2는 종래 기술에 따른 이중모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 구조가 도시된 도면이다.2 is a diagram illustrating a structure of a gate trigger hybrid integrated circuit for driving a power semiconductor device of a dual module according to the prior art.

도 2를 참고하면, IGBT1과 IGBT2가 한 쌍으로 이루어진 IGBT 이중 모듈(M), 상기 IGBT 이중 모듈(M)의 IGBT1과 IGBT2를 각각 구동하기 위한 2개의 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2), 2개의 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2)의 전단에 설치되어 절연 및 노이즈 필터링 기능을 수행하는 광커플러(U1, U2) 및 필터 커패시터(C1, C2), 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2)에 절연 전압(VG1, VG2)을 공급하는 펄스변환기(T1)를 포함한다.Referring to FIG. 2, an IGBT dual module M in which IGBT1 and IGBT2 are paired, two gate trigger HICs GT1 and GT2 for driving IGBT1 and IGBT2 of the IGBT dual module M, respectively, Optocouplers (U1, U2) and filter capacitors (C1, C2) and gate trigger HICs (GT1, GT2) installed in front of the gate trigger HICs (GT1, GT2) to perform isolation and noise filtering functions. It includes a pulse converter (T1) for supplying ( G1 , V G2 ).

특히, 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2)는 제너 다이오드(Zenor diode)의 특성을이용하여 구동전압을 감시하는 전압감시부(31)와, 암쇼트(Arm short)를 사전에 방지하여 약 2㎲ 정도 지연시켜 IGBT의 파손을 방지하는 데드타임(dead time) 인가부(32)와, IGBT 양단 전압이 특정 값 이상 상승되어 과전류 상태가 되는 것을 방지하는 과전류 보호부(33)와, 전력소모가 작고 부하에 많은 전력을 전달하는 푸쉬-풀(push-pull) 증폭기(33)를 포함한다.In particular, the gate trigger HIC (GT1, GT2) is a voltage monitoring unit 31 for monitoring the driving voltage by using the characteristics of the Zener diode (Zenor diode), and the arm short (Arm short) in advance to prevent about 2㎲ Dead time application unit 32 for delaying and preventing breakage of the IGBT, overcurrent protection unit 33 for preventing the voltage across the IGBT from rising above a certain value and becoming an overcurrent state; And a push-pull amplifier 33 that delivers a lot of power to the.

게이트 트리거 하이브리드 집적 회로의 주변에 있는 소자들의 기본적인 동작은 다음과 같다.The basic operation of the devices around the gate trigger hybrid integrated circuit is as follows.

펄스변환기(T1)는 별도의 전원 공급장치에서 전달되는 교류 전압을 게이트 구동전압 수준으로 감압함으로써 2개의 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2)에 절연 전압(VG1, VG2)을 공급한다.The pulse converter T1 supplies the insulation voltages V G1 and V G2 to the two gate triggers HIC GT1 and GT2 by reducing the AC voltage transmitted from the separate power supply to the gate driving voltage level.

제어부(10)는 게이트 제어신호를 광커플러(U1, U2)에 전달한다. 그러면, 광커플러(U1, U2)는 광커플러의 1차측에 도 1의 제어부(10)와, 2차측에 파워부(20) 사이를 빛으로써 절연된 신호를 전달한다. 이 과정에서 광커플러의 2차측에 연결된 커패시터(C1, C2)는 노이즈 필터링 기능을 수행한다.The controller 10 transfers the gate control signal to the optocouplers U1 and U2. Then, the optocouplers U1 and U2 transmit an insulated signal by light between the control unit 10 of FIG. 1 and the power unit 20 on the secondary side of the optocoupler. In this process, the capacitors C1 and C2 connected to the secondary side of the optocoupler perform a noise filtering function.

RG1과 RG2는 IGBT 이중 모듈(M)에 적절한 전류를 인가할 수 있도록 설정되어 각 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2)의 구동신호에 따라 해당 IGBT(IGBT1, IGBT2)를 온/오프 하게 된다. Dsat.1과 Dsat.2에 의해 IGBT1과 IGBT2의 암쇼트(Arm-short) 보호를 위해 IGBT 각각의 컬렉터와 에미터 양단 전압을 모니터링 하는 역할을 담당한다.R G1 and R G2 are set to apply an appropriate current to the IGBT dual module M, and turn on / off corresponding IGBTs (IGBT1, IGBT2) according to the driving signals of the gate triggers HIC (GT1, GT2). Dsat.1 and Dsat.2 monitor the voltage across the collector and emitter of each IGBT for arm-short protection of the IGBT1 and IGBT2.

종래 게이트 트리거 HIC(GT1, GT2)는 1개의 HIC로 1개의 IGBT를 구동할 수 있는 구조이며, 광커플러(U1, U2)와 커패시터(C1, C2)가 HIC에 포함되어 있지 않아 별도로 PCB 상에 각각 실장되어야 한다.Conventional gate trigger HIC (GT1, GT2) is a structure capable of driving one IGBT with one HIC, optocouplers (U1, U2) and capacitors (C1, C2) are not included in the HIC separately on the PCB Each must be mounted.

따라서, 컨버터 구성시 전체 필요한 부품은 6개의 게이트 트리거 HIC를 비롯해 IGBT, 광커플러, 커패시터를 포함해 총 18개가 필요하고, 그로 인해 종래 경우에는 PCB 내 부품 실장시 각 부품 배치 문제나 면적 및 패턴 처리에 제약을 받게 되고, 회로 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.Therefore, a total of 18 components, including IGBTs, optocouplers, and capacitors, as well as six gate-triggered HICs, are required for the converter configuration. Therefore, in the conventional case, each component placement problem, area, and pattern processing when mounting components in a PCB are handled. There is a problem in that the circuit configuration becomes complicated.

또한, 컨버터 구성시 컨버터 게이트 트리거 HIC를 구성하는 부품의 수가 많기 때문에 작업 공정상 조립이 어렵고 복잡해지고, 그로 인해 제품의 비용이 상승한다는 문제점도 있다.In addition, since the number of components constituting the converter gate trigger HIC in the converter configuration is difficult and complicated assembly in the work process, there is also a problem that the cost of the product increases.

또한, IGBT 이중 모듈(M)은 도 3에서 IGBT 이중 모듈의 외부 구성과 등가회로의 도면이 도시되어 있듯이, IGBT의 2개의 게이트 단자에 2개의 게이트 트리거 HIC 모두를 최대한 근접 배치하는 것이 사실상 불가능하다. 따라서, IGBT의 게이트 단자와 게이트 트리거 HIC의 출력 핀과의 거리를 최대한 짧게 해야 하지만 도선 상에 존재하는 스트레이 인덕턴스를 감소시키고 파워부의 di/dt, dv/dt에 의한 게이트 트리거 신호의 왜곡 및 스위칭 오동작 현상 등의 악영향이 최소화될 수 있다는 측면에서 문제가 있다.In addition, the IGBT dual module M is virtually impossible to place as close as possible to the two gate trigger HICs at the two gate terminals of the IGBT, as shown in FIG. 3 the external configuration and equivalent circuit diagram of the IGBT dual module. . Therefore, the distance between the gate terminal of the IGBT and the output pin of the gate trigger HIC should be kept as short as possible, but the stray inductance present on the lead is reduced, and the distortion and switching malfunction of the gate trigger signal due to the di / dt and dv / dt of the power part are reduced. There is a problem in that adverse effects such as phenomenon can be minimized.

즉, IGBT 이중 모듈은 게이트 트리거 HIC에 연결되는 IGBT의 게이트 단자(A)가 IGBT1과 IGBT2 모두 동일 라인 상에 위치되는 구조로 형성된다. 그리고, IGBT 이중 모듈은 PCB 상에 2개의 게이트 트리거 HIC, 2개의 광커플러, 2개의 커패시터와 함께 배치되야 하므로 PCB 여유 공간의 확보에 문제가 있어 게이트 트리거 HIC에 근접 배치하는 하는 것이 불가능하다.That is, the IGBT dual module has a structure in which the gate terminal A of the IGBT connected to the gate trigger HIC is located on the same line in both the IGBT1 and the IGBT2. In addition, since the IGBT dual module must be disposed with two gate trigger HICs, two optocouplers, and two capacitors on the PCB, there is a problem in securing PCB free space, and thus it is impossible to place the IGBT dual module close to the gate trigger HIC.

이렇게, 게이트 트리거 HIC와 IGBT 이중 모듈이 원거리 배치되어 있어 상대적으로 스트레이 인덕턴스가 상승하고 그로 인해 노이즈의 영향을 받기 쉽다는 문제점이 있다.As such, since the gate trigger HIC and the IGBT dual module are remotely disposed, there is a problem in that the stray inductance is relatively increased, and therefore, the noise is easily affected.

본 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 컨버터에서 이중 모듈의 전력용 반도체 소자를 구동하기 위해 게이트 트리거 하이브리드 집적회로를 2-in-1로 콤팩트(Compact)하게 설계함으로써 회로 구성을 간략하게 하고, 스트레이 인덕턴스를 감소시키는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to compactly design a gate trigger hybrid integrated circuit 2-in-1 to drive a dual module power semiconductor device in a converter. It is to provide a gate drive device for driving a dual module power semiconductor element that simplifies the configuration and reduces stray inductance.

또한, 본 발명의 목적은 게이트 트리거 하이브리드 집적회로와 광커플러 및 커패시터를 함께 하이브리드 집적회로화 함으로써 필요 부품 수를 감소시켜 인쇄 기판 설계시 다른 부품의 공간 활용성을 높이고 조립 공정을 보다 간편하게 할뿐만 아니라, 제품의 가격도 저하시키는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치를 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to reduce the number of parts required by hybridizing the gate trigger hybrid integrated circuit, the optocoupler and the capacitor together to increase the space utilization of other components and simplify the assembly process in the design of the printed board, To provide a dual-module power semiconductor device driving gate drive device that also lowers the price of the product.

도 1은 일반적인 3상 AC/DC 컨버터의 구성이 도시된 회로도이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a typical three-phase AC / DC converter.

도 2는 종래 기술에 따른 이중모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 구조가 도시된 도면이다.2 is a diagram illustrating a structure of a gate trigger hybrid integrated circuit for driving a power semiconductor device of a dual module according to the prior art.

도 3은 일반적인 IGBT 이중 모듈의 외부 구성과 등가회로가 도시된 도면이다.3 is a diagram illustrating an external circuit and an equivalent circuit of a general IGBT dual module.

도 4는 본 발명에 따른 실시예로서 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치의 구성이 도시된 블록도이다.4 is a block diagram illustrating a configuration of a gate driving apparatus for driving a power semiconductor element of a dual module as an embodiment according to the present invention.

도 5는 게이트 트리거 하이브리드 집적회로에서 데드타임의 발생 실험 파형이 도시된 도면이다.5 is a diagram illustrating a test waveform of generation of dead time in a gate trigger hybrid integrated circuit.

도 6은 본 발명에 따른 실시예의 게이팅 회로기판과 종래 기술의 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 기판 외형이 도시된 도면이다.6 is a diagram illustrating a gating circuit board of an embodiment according to the present invention and a board outline of a gate trigger hybrid integrated circuit of the related art.

상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 전압/전류를 제어하여 펄스폭 변조된 게이트 제어신호를 발생하는 제어부와, 2개의 전력용 반도체 소자가 1개의 패키지 내에 설치되고, 각 반도체 소자들이 온/오프(On/OFF) 동작되어 전력변환을 지시하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들과, 일 기판의 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로(Gate trigger Hybrid integrated circuit)가 각각 설치되고, 상기 제어부로부터 게이트 제어신호를 전달받아 이를 증폭하여 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들을 구동하는 게이팅 회로기판들과, 상기 제어부와 게이팅 회로기판들 사이에 설치되어 절연 및 노이즈 필터링 기능을 수행하는 다수의 광커플러 및 커패시터와, 상기 제어부에 의해 전압/전류가 지속적으로 감지되면서 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들의 온/오프 동작에 따라 전력 변환이 진행되는 전력부를 포함한다.The present invention for achieving the above object is a control unit for generating a pulse width modulated gate control signal by controlling the voltage / current, two power semiconductor devices are installed in one package, each semiconductor device is turned on Power semiconductor elements of a dual module that are on / off and instruct power conversion, and gate trigger hybrid integrated circuits are provided on both sides of a substrate, respectively, and are gated from the controller. Gating circuit boards that receive control signals and amplify them to drive power semiconductor elements of a dual module, and a plurality of optocouplers and capacitors installed between the controller and the gating circuit boards to perform insulation and noise filtering functions. On / off of the power semiconductor elements of the dual module while the voltage / current is continuously sensed by the controller In accordance with the print operation, comprising: a power that is a power conversion process.

그리고, 본 발명은 상기 게이팅 회로기판들은 기판 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로와 광커플러 및 커패시터를 함께 실장하여 하이브리드 집적회로화 한다.In addition, the gating circuit boards are hybrid integrated circuits by mounting a gate trigger hybrid integrated circuit, an optocoupler, and a capacitor together on both sides of a substrate.

상기 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치는 파워보드 (Power board)에 부품 실장시 게이팅 회로기판을 수직으로 실장한다.The gate driving device for driving the power semiconductor elements of the dual module mounts the gating circuit board vertically when the component is mounted on the power board.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명에 따른 실시예의 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치의 구성을 도시한 것이다.4 illustrates the configuration of a gate driving device for driving a power semiconductor element of a dual module according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 전력용 반도체 소자들은 1개의 패키지 내에 IGBT1과 IGBT2가 동시에 성형된 IGBT 이중 모듈(50) 형태로 형성되고, 게이팅 회로기판(60)은 IGBT 이중 모듈(50) 내의 IGBT1과 IGBT2를 구동시키기 위해 기판의 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로가 각각 구현된 구조를 갖으며, 펄스변환기(70)가 게이팅 회로기판(60)으로 각 게이트 트리거 하이브리드 집적회로에 절연 전압(VG1, VG2)을 공급한다.As shown in FIG. 4, the power semiconductor devices are formed in the form of an IGBT dual module 50 in which IGBT1 and IGBT2 are simultaneously formed in one package, and the gating circuit board 60 is formed of IGBT1 in the IGBT dual module 50. And gate-triggered hybrid integrated circuits are implemented on both sides of the substrate to drive the and IGBT2, and the pulse converter 70 is a gating circuit board 60 with an insulating voltage (V G1 ,) for each gate-triggered hybrid integrated circuit. V G2 ) is supplied.

이때, 상기 게이팅 회로기판(60)은 기판의 각 면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로마다 광커플러(U1, U2)와 커패시터(C1, C2)를 1개씩 함께 하이브리드 집적회로화 한 구조로 형성된다.In this case, the gating circuit board 60 is formed in a structure in which the optical couplers U1 and U2 and the capacitors C1 and C2 are hybrid integrated circuits on each side of the substrate for each gate trigger hybrid integrated circuit.

본 발명의 실시예는 3상 AC/DC 컨버터로서, 제어부가 전압/전류를 제어하여 펄스폭 변조된 게이트 제어신호를 발생하고, 게이팅 회로기판들이 제어부로부터 게이트 제어신호를 전달받아 이를 증폭하여 전용 반도체 소자들을 구동한다.An embodiment of the present invention is a three-phase AC / DC converter, the control unit controls the voltage / current to generate a pulse width modulated gate control signal, the gating circuit board receives the gate control signal from the control unit to amplify it by a dedicated semiconductor Drive the devices.

또한, 3상 AC/DC 컨버터는 상기 제어부와 게이팅 회로기판들 사이에 설치되어 절연 및 노이즈 필터링 기능을 수행하는 다수의 광커플러 및 커패시터와, 상기 제어부에 의해 전압/전류가 감지되고 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들의 온/오프 동작에 따라 전력 변환이 진행되는 전력부를 포함한다.In addition, the three-phase AC / DC converter is installed between the control unit and the gating circuit board, a plurality of optocouplers and capacitors to perform the insulation and noise filtering function, the voltage / current is sensed by the control unit and the power of the dual module And a power unit in which power conversion is performed according to on / off operations of the semiconductor devices.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation of the present invention configured as described above is as follows.

게이팅 회로기판(60)은 펄스변환기(70)로부터 IGBT의 구동을 위한 절연 전압(VG1, VG2)을 공급받고, 제어부의 게이트 제어신호를 광커플러(U1, U2) 및 커패시터(C1, C2)를 거쳐 전달받는다.The gating circuit board 60 receives the insulation voltages V G1 and V G2 for driving the IGBT from the pulse converter 70, and outputs the gate control signals of the control unit to the optocouplers U1 and U2 and the capacitors C1 and C2. Received through)

그러면, 게이팅 회로기판(60)의 양면에 각각 설치되어 있는 게이트 트리거하이브리드 집적회로에서는 IGBT 이중 모듈(50) 내의 IGBT1과 IGBT2를 각각 구동시키기 위한 구동신호를 발생한다.Then, the gate trigger hybrid integrated circuits provided on both sides of the gating circuit board 60 generate driving signals for driving the IGBT1 and the IGBT2 in the IGBT dual module 50, respectively.

상기 게이팅 회로기판(60)은 도 4에 도시되어 있듯이 게이팅 회로기판(60)의 앞면과 뒷면은 동일한 구조와 기능을 갖고 있는데, 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 기능을 보다 상세하게 설명한다.As shown in FIG. 4, the gating circuit board 60 has the same structure and function as the gating circuit board 60, and the function of the gate trigger hybrid integrated circuit will be described in more detail.

게이트 트리거 하이브리드 집적회로는 제어부의 게이트 제어신호를 증폭시키는 기능 외에도 구동전압 감시부(61, 65), 데드타임 인가부(62, 66), 푸쉬-풀 증폭기(63, 67), 과전류 보호부(64, 68)를 통해 여러 기능을 수행한다.In addition to the function of amplifying the gate control signal of the controller, the gate trigger hybrid integrated circuit includes driving voltage monitoring units 61 and 65, dead time applying units 62 and 66, push-pull amplifiers 63 and 67, and an overcurrent protection unit ( 64, 68) to perform several functions.

즉, 구동전압 감시부(61, 65)는 제너 다이오드의 특성을 이용하여 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 입력이 특정전압 이하(약 13V 미만)가 되면 게이트 제어신호를 차단함으로써 저전압으로 인한 IGBT의 불완전한 턴-온(turn-on) 동작을 방지하고, IGBT의 불완전한 턴-온 동작으로 인해 발생할 수 있는 IGBT의 파손(fail)을 보호한다.That is, the driving voltage monitors 61 and 65 cut off the gate control signal when the input of the gate trigger hybrid integrated circuit is below a specific voltage (less than about 13V) by using the characteristics of the zener diode, thereby incomplete turn of the IGBT due to the low voltage. Prevents turn-on operation and protects the IGBT from failures that may occur due to incomplete turn-on operation of the IGBT.

일반적으로, 컨버터는 IGBT 이중 모듈(50) 내부의 IGBT1과 IGBT2가 DC 링크(link) 전압의 양극 사이에서 하나의 레그(leg)를 형성하고 있다. IGBT1의 캐소드 단과 IGBT2의 애노드 단이 DC 링크 전압(주로, 300~600 VDC) 양단에 연결되어 있다. 따라서, IGBT1과 IGBT2는 턴-온/턴-오프 동작을 상보적으로 하도록 제어된다.In general, the converter has a leg between the IGBT1 and the IGBT2 in the IGBT dual module 50 between the anodes of the DC link voltage. The cathode terminal of IGBT1 and the anode terminal of IGBT2 are connected across the DC link voltage (mainly 300-600 V DC ). Thus, IGBT1 and IGBT2 are controlled to complement the turn-on / turn-off operation.

그런데, 턴-온, 턴-오프 과도상태가 존재하여 IGBT1과 IGBT2가 동시에 턴-온구간이 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 과도한 단락전류가 IGBT로 흘러 IGBT가 파손되는 암-쇼트(Arm-short) 현상이 발생한다.However, there is a possibility that turn-on intervals occur at the same time as IGBT1 and IGBT2 due to the presence of turn-on and turn-off transients. In this case, an excessive short-circuit current flows into the IGBT, causing an arm-short phenomenon in which the IGBT is broken.

도 5는 게이트 트리거 하이브리드 집적회로에서 데드타임 발생 실험 파형이 도시된 도면이다.5 is a diagram illustrating a dead time generation experimental waveform in a gate trigger hybrid integrated circuit.

도 5에 도시되어 있듯이, 데드타임 인가부(62, 66)는 암-쇼트 현상을 방지하기 위해 제어부의 게이트 신호 중 턴-온 신호에 대해 게이트 트리거 하이브리드 집적회로에서 약 2㎲ 정도를 지연시켜 턴-온 출력이 발생하도록 한다.As shown in FIG. 5, the dead time applying units 62 and 66 delay the turn-on signal of the gate trigger hybrid integrated circuit with a turn-on signal of the gate signal of the control unit to prevent a dark short. Allows on-output to occur.

결국, IGBT1과 IGBT2는 턴-온, 턴-오프 교차 순간에 동시에 오프 동작되어 있는 약2㎲의 시간을 갖게 되므로 암-쇼트가 방지된다.As a result, IGBT1 and IGBT2 have a time of about 2 ms which is turned off at the same time at the turn-on and turn-off crossing moments, thereby preventing dark short.

푸쉬-풀 증폭기(63, 67)는 광커플러 2차측까지 전달된 스위칭 제어 신호를 IGBT를 구동할 수 있는 큰 전류로 증폭하는 역할을 담당한다.The push-pull amplifiers 63 and 67 are responsible for amplifying the switching control signal transmitted to the optocoupler secondary side with a large current capable of driving the IGBT.

과전류 보호부(64, 68)는 제어부의 게이트 제어신호의 오류나 IGBT의 손상 및 부하의 이상 등으로 인해 발생할 수 있는 IGBT의 과전류를 보호한다. 게이팅 회로기판(60)의 앞면을 예를 들면, 과전류 보호부(64, 68)의 동작 원리는 Dsat.1을 통해 턴-온 시에 IGBT1 양단 전압을 모니터링하고 있다가 전압이 특정 값(약 +7V) 이상으로 상승하는 경우 게이트 트리거 하이브리드 집적회로 내부에서 강제적으로 턴-오프 신호를 출력하고 이 상태가 래치(latch)되도록 한다.The overcurrent protection units 64 and 68 protect the overcurrent of the IGBT, which may occur due to an error in the gate control signal of the controller, damage to the IGBT, abnormal load, and the like. Using the front side of the gating circuit board 60 as an example, the operating principle of the overcurrent protection units 64 and 68 monitors the voltage across IGBT1 at turn-on through Dsat. When rising above 7V), the gate-triggered hybrid integrated circuit forcibly outputs a turn-off signal and causes this state to latch.

여기서, IGBT의 양단 전압이 특정 값 이상으로 상승함은 IGBT에 존재하는 내부 저항(Ron)에 특정 값 이상의 전류가 흐르고 있음을 의미하고, 이 상태가 과전류 상태로 감지되도록 한다.Here, when the voltage across the IGBT rises above a certain value, it means that a current of a specific value or more flows through the internal resistance Ron present in the IGBT, and this state is detected as an overcurrent state.

도 6은 본 발명에 따른 실시예의 게이팅 회로기판과 종래 기술의 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 기판 외형이 도시된 도면으로, 게이팅 회로기판을 종래에 비교해 볼 때 게이팅 회로기판의 면적은 종래 게이트 트리거 하이브리드 집적회로의 기판에 비해 커졌지만 파워보드 상에서 PCB에 대해 수직으로 실장되므로 파워보드의 면적에는 아무런 영향을 끼치지 않는다.FIG. 6 is a view illustrating a gating circuit board according to an embodiment of the present invention and a board outline of a gate trigger hybrid integrated circuit according to the related art. In comparison with a gating circuit board, an area of a gating circuit board is conventional gate trigger hybrid integrated. It is larger than the board of the circuit, but it is mounted vertically with respect to the PCB on the power board and does not affect the area of the power board.

상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The drawings and detailed description of the invention are merely exemplary of the invention, which are used for the purpose of illustrating the invention only and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the appended claims or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

본 발명에 의한 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자를 구동시키기 위해 기판의 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로를 설계하고 파워보드 상에 수직으로 실장함으로써 파워보드의 면적에 아무런 영향을 끼치지 않으면서 회로 설계를 간략하게 하고, 부품 수도 감소시키며, 스트레이 인덕턴스를 줄일 수 있는 효과가 있다.The gate drive device for driving a power semiconductor device of a dual module according to the present invention is designed by designing a gate trigger hybrid integrated circuit on both sides of a substrate and mounting it vertically on a power board to drive the power semiconductor device of a dual module. This can simplify circuit design, reduce component count, and reduce stray inductance without affecting the area of the circuit.

또한, 본 발명은 게이트 트리거 하이브리드 집적회로와 함께 광커플러 및 커패시터도 기판의 양면에 실장하여 하이브리드 집적회로화 함으로써 파워보드의 유지 보수가 용이하며, 종래에 비해 부품 수가 1/6으로 감소되고, 그에 따라 1 파워보드당 원가가 3% 정도 절감될 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention is easy to maintain the power board by mounting the optocouplers and capacitors on both sides of the substrate together with the gate trigger hybrid integrated circuit to form a hybrid integrated circuit, the number of parts is reduced to 1/6 compared to the conventional, Therefore, the cost per power board can be reduced by 3%.

Claims (3)

전압/전류를 제어하여 펄스폭 변조된 게이트 제어신호를 발생하는 제어부;A controller for controlling the voltage / current to generate a pulse width modulated gate control signal; 2개의 전력용 반도체 소자가 1개의 패키지 내에 설치되고, 각 반도체 소자들이 온/오프(On/OFF) 동작되어 전력 변환을 지시하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들;Dual-module power semiconductor devices in which two power semiconductor devices are installed in one package, and each semiconductor device is turned on / off to instruct power conversion; 일 기판의 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로(Gate trigger Hybrid integrated circuit)가 각각 설치되고, 상기 제어부로부터 게이트 제어신호를 전달받아 이를 증폭하여 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들을 구동하는 게이팅 회로기판들;A gate trigger hybrid integrated circuit is installed on both sides of one substrate, and receives a gate control signal from the controller and amplifies the gate trigger hybrid integrated circuit to drive power semiconductor elements of a dual module; 상기 제어부와 게이팅 회로기판들 사이에 설치되어 절연 및 노이즈 필터링 기능을 수행하는 다수의 광커플러 및 커패시터;A plurality of optocouplers and capacitors installed between the control unit and the gating circuit board to perform insulation and noise filtering functions; 상기 제어부에 의해 전압/전류가 지속적으로 감지되면서 이중 모듈의 전력용 반도체 소자들의 온/오프 동작에 따라 전력 변환이 진행되는 전력부A power unit that performs a power conversion in accordance with the on / off operation of the power semiconductor elements of the dual module while the voltage / current is continuously detected by the control unit 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치.Gate driving device for power semiconductor device driving of the dual module, characterized in that it comprises a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 게이팅 회로기판들은 기판 양면에 게이트 트리거 하이브리드 집적회로와 광커플러 및 커패시터를 함께 실장하여 하이브리드 집적회로화 한 것을 특징으로 하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치.And the gating circuit boards are hybrid integrated circuits by mounting a gate trigger hybrid integrated circuit, an optocoupler, and a capacitor together on both sides of a substrate to form a hybrid integrated circuit. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치는 파워보드(Power board)에 부품 실장시 게이팅 회로기판을 수직으로 실장하는 것을 특징으로 하는 이중 모듈의 전력용 반도체 소자 구동용 게이트 구동 장치.The gate driving device for driving power semiconductor elements of the dual module is a gate driving device for driving power semiconductor elements of a dual module, characterized in that the mounting of the gating circuit board vertically when the component is mounted on a power board (Power board).
KR10-2001-0055892A 2001-09-11 2001-09-11 Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module KR100398000B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0055892A KR100398000B1 (en) 2001-09-11 2001-09-11 Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0055892A KR100398000B1 (en) 2001-09-11 2001-09-11 Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030023022A KR20030023022A (en) 2003-03-19
KR100398000B1 true KR100398000B1 (en) 2003-09-19

Family

ID=27723531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-0055892A KR100398000B1 (en) 2001-09-11 2001-09-11 Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100398000B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103138538B (en) * 2011-11-23 2015-08-26 永济新时速电机电器有限责任公司 Photoelectric conversion unit
KR101872828B1 (en) * 2016-12-14 2018-06-29 주식회사 유라코퍼레이션 Noise reduction circuit for PWM signal

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS627774U (en) * 1985-06-28 1987-01-17
KR970013606A (en) * 1995-08-31 1997-03-29 유상부 Transistor drivers
KR19980045131A (en) * 1996-12-09 1998-09-15 곽정소 Power semiconductor module
JP2001119926A (en) * 1999-08-10 2001-04-27 Fuji Electric Co Ltd Gate driver of voltage-drive type semiconductor element
JP2002300016A (en) * 2001-04-02 2002-10-11 Toshiba Corp Gate drive means and gate drive circuit

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS627774U (en) * 1985-06-28 1987-01-17
KR970013606A (en) * 1995-08-31 1997-03-29 유상부 Transistor drivers
KR19980045131A (en) * 1996-12-09 1998-09-15 곽정소 Power semiconductor module
JP2001119926A (en) * 1999-08-10 2001-04-27 Fuji Electric Co Ltd Gate driver of voltage-drive type semiconductor element
JP2002300016A (en) * 2001-04-02 2002-10-11 Toshiba Corp Gate drive means and gate drive circuit

Also Published As

Publication number Publication date
KR20030023022A (en) 2003-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10134718B2 (en) Power semiconductor module
Lobsiger et al. Stability and robustness analysis of d/dt-closed-loop IGBT gate drive
JP2015502732A (en) Method, power unit and power system having gate voltage limiting circuit
JP4442348B2 (en) Power converter
US10084305B2 (en) Electronic circuit device
US10418893B2 (en) Fast-switching circuit assembly for a converter
US11711025B2 (en) Power semiconductor module and power conversion apparatus including the same
US11050358B2 (en) Power module with built-in drive circuit
JP3793700B2 (en) Power converter
KR100398000B1 (en) Apparatus for gate driving for controlling of Insulated Gate Bipolar Transistor dual module
US20050270715A1 (en) Snubber module and power conversion device
JP2019176696A (en) Drive circuit for power transistor, power module
JPH1118410A (en) Driving circuit of self arc-extinguishing element
EP0713251B1 (en) Semiconductor conversion device
JPH0756629Y2 (en) Snubber circuit of semiconductor switch element
JP6483963B2 (en) Power converter
JP4691813B2 (en) Power board for double chopper
WO2023095244A1 (en) Power conversion device
JP2000196425A (en) Method for monitoring switching state of gate electrode and device to execute this method
CN215817910U (en) Drive circuit of single-power-supply power switch tube and electronic equipment
CN210016398U (en) Frequency converter driving conversion plate
CN115913198B (en) Multi-drive channel high-voltage integrated circuit and semiconductor circuit
WO2023145144A1 (en) Power semiconductor module
KR20120086121A (en) Noise Reduction Inverter
JP2023028645A (en) Power semiconductor module and motor driving system using the same

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: 20080901

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee