KR100419943B1 - 스위치구동기회로,절연게이트바이폴라트랜지스터구동기회로,모터용가변속도구동기회로,절연게이트바이폴라트랜지스터구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 전원 스위치를 위한 구동 회로에 관한 것이다. 구동 회로는 IGBT의 게이트에 고전압 펄스를 공급한다. 또한, 구동 회로는 IGBT의 이미터에 관한 콜렉터의 전압을 모니터링한다. IGBT가 턴온될 때 IGBT의 콜렉터에서의 전압이 떨어지지 않는 경우, IGBT 구동 회로는 단락 회로 검출하고 구동 회로내의 선형 적분기를 기동시킨다. 선형 적분기는 IGBT의 게이트의 전압을 완만하게 램핑 다운된다.

Description

스위치 구동기 회로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로, 모터용 가변 속도 구동기 회로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동 방법

발명 분야

본 발명은 반도체 전력 스위치를 위한 구동 회로에 관한 것이다. 본 발명은 임의의 형태의 반도체 전력 스위치에도 적합하지만, 특히, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터용의 게이트 구동 회로에 유용하다.

관련 기술의 설명

원심 냉각기(centrifugal chiller)와 같은 에어컨들은 임펠러(impeller)를 회전시키기 위해 모터를 요구한다. 모터는 예를 들어, 150 내지 900 마력의 3상 유도 모터일 수도 있다. 그러한 모터들은 교류(AC)로 동작한다. 일반적으로, 그 모터는 그것이 고정된 속도로 동작하도록 하는 460V의 전력선과 같은 표준 AC 전력선에 직접적으로 접속된다.

원심 냉각기를 구동시키는 모터는 항상 동일한 속도로 동작하기 때문에, 그 모터는 종종 냉각을 제공하기 위해 실제로 필요한 것보다 빠르게 동작할 수 있다. 이는 차례로 압축기(compressor)의 효율이 감소되도록 한다. 그러므로, 고정된 속도의 원심 냉각기들은 항상 최적의 효율로 동작되는 것은 아니다. 원심 냉각기의 압축기 속도를 변경시킴으로서, 원심 냉각기의 효율은 고정된 속도의 동작에 비해 실질적으로 증가된다.

유도 모터의 속도는 모터에 인가된 교류 전압의 주파수를 변화시킴으로서 변경될 수 있다. 상업용 설비는 단지 일반적으로 6Hz의 고정된 주파수의 전압을 제공한다. 통상적으로, 유도 모터의 속도를 변경시키기 위해, 설비 회사에 의해 제공되는 60Hz의 AC 전압은 고정된 극성(DC) 전압으로 변환된다. 이어서 고체 상태의 전력 스위칭 디바이스가 DC 전압을 AC 전압으로 변환시키고, 그 AC 전압을 모터에 인가한다. 스위치들의 스위칭 속도(switching rate)가 변경되면, AC 전압의 주파수 및 크기가 변경될 수 있고, 모터의 속도가 변할 것이다.

반도체 스위치들은 고전류들 및 고전압들을 제어하기 위해 신뢰할 수 있는 고속 수단을 제공한다. 그러나, 반도체 스위치들은 전류 용량 및 전압 저항 능력(voltage withstand capability)에 한계들을 가진다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터("IGBT")들은 고전압 반도체 스위치들이다. 그러므로, IGBT는 빠른 고전압 스위칭을 요구하는 응용들에 유용하다.

IGBT들은 통상적으로 콜렉터, 이미터 및 게이트를 포함한다. IGBT가 게이트에 인가된 전압에 응답하여 전류를 콜렉터와 이미터 사이에서 스위칭한다. 특수한 구동기 회로들은 IGBT의 게이트에 구동 전압을 인가한다. 그러한 회로들은 IGBT의 게이트를 구동시키기 위해 통상적으로 저전압의 작은 신호 입력 펄스를 고전압의 저임피던스 출력 펄스로 변환한다. 빠른 스위칭을 보장하기 위해, 그 구동기 회로는 IGBT의 게이트가 요구하는 전류를 정확히 전달해야 한다.

고전압, 고전류 스위치들로 사용되는 IGBT는 가끔 또 다른 IGBT가 게이트 온(gate on)되는 경우 배터리 또는 전원 양단에 단락 회로를 초래할 수 있는 브레이크 다운을 유발한다. 더구나, 의도하지 않은(inadvertent)단락 회로가 잘못하여 가변 속도 드라이브(variable speed drive)의 출력단자들 양단에 인가될 수 있다. 그러한 단락 회로들은 전류 흐름의 경로를 제거하기 위한 수단이 제공되지 않는 경우, 반도체 전력 스위치들 및 다른 회로 소자들을 빨리 파괴시킬 수 있는 큰 전류를 생성할 것이다.

전원(power source) 및 연관 회로를 보호하기 위해서, IGBT에서의 단락 회로 상태를 빨리 검출하고, IGBT를 턴 오프하기 위해 IGBT의 게이트에 인가된 전압을 감소시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 단락 회로 상태들 하에서, 그 게이트 전압은 예를 들어, 저항기(resistor)를 통한 커패시터의 지수적 방전(exponential discharge)에 의해 제어될 수 있다. 이 변화속도는 그 활성 영역을 통해서 IGBT 전이(transition)들로서 매우 급격하고, 그 급속히 변화하는 게이트 전압은 IGBT의 콜렉터 전류가 대응하여 급속한 방식으로 변하도록 한다. 전력 회로에서 표유 인덕턴스(stray inductance) 때문에 높은 콜렉터-이미터 과도 전압(transient voltage)이 발생할 수 있다.

그러나, 본 발명의 발명자들은 IGBT의 게이트에 인가된 전압의 변화속도가 감소되면, IGBT에서의 전류의 변화 속도가 또한 감소되고, 표유 인덕턴스 양단에 나타나는 과도 전압이 상당히 감소되어, 단락 회로 상태들 동안 과전압(overvoltage)에 기인한 디바이스 파괴 가능성을 제거한다는 것을 알아냈다.

발명의 개요

따라서, 본 발명은 관련 기술의 한계점(limitation)들과 단점들에 기인한 하나 또는 그 이상의 문제점들을 실질적으로 제거하는 구동기 회로에 관한 것이다.

본 발명의 이점들 및 목적은 다음의 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 상세한 설명으로부터 부분적으로 명백해질 것이며, 또는 본 발명의 실행에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 이점들 및 목적은 첨부된 청구항들에서 특히 지적된 요소와 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다.

본 발명의 목적에 따라, 명세서에서 구체적이고 넓게 기재된 본 발명의 이점들을 달성하기 위해, 본 발명은 스위치 구동기 회로(switch driver circuit)를 포함한다. 스위치는 제어 단자 및 스위치가능 전류 경로(path)를 갖는다. 구동기 회로는 전압을 제어 단자에 공급한다. 그 구동기 회로는 단락 회로 상태를 검출하기 위해 전류 경로(path)에 접속된 수단과, 그 수단에 응답하여, 단락 회로 상태를 검출하고 단락 회로가 검출된 경우 그 제어 단자 상의 전압을 선형으로 램핑 다운하기 위한 수단을 갖는다.

앞서 말한 포괄적인 기재와 다음의 상세한 설명은 예이고 단지 설명적인 것이며, 청구된 바와 같이 본 발명을 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.

본 명세서의 일부를 구성하며, 그에 포함되는 첨부 도면들이 상세한 설명과 함께 본 발명의 일실시예를 예시하며 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 구동기 회로는 이미터에 대해 고전압 펄스를 IGBT의 게이트에 공급한다. 그 구동기 회로는 또한 이미터에 대해 IGBT의 콜렉터에서 전압을 모니터링한다. IGBT의 콜렉터의 전압이 IGBT가 게이트 온(gate on)된 후의 주어진 시간 주기 내에 주어진 레벨까지 떨어지지 않는다면, IGBT 구동기 회로는 단락 회로가 발생되었음을 결정하고 구동기 회로내의 선형 적분기를 트리거한다. 그 선형 적분기는 IGBT의 게이트 상의 전압을 서서히 램핑 다운(ramp down)시킨다. 게이트 전압의 램핑 다운은 IGBT내의 큰 콜렉터-이미터 전류 변화를 방지한다. 표유 전력 회로 인덕턴스 내의 큰 전류 변화는 IGBT를 파괴할 수 있는 큰 전압 스파이크(spike)를 생성한다.

이제 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 참조될 것이며, 한 예가 첨부 도면들에 예시된다. 가능하면 어디에서라도 동일하거나 유사한 부분들을 언급하기 위해 동일한 참조번호들이 도면들 전체에 사용될 것이다.

본 발명의 구동기 회로의 전형적인 실시예가 제 1 도에 도시되고, 일반적으로 참조번호(12)로 표시된다. 그 구동기 회로(12)는 IGBT(10)를 구동한다. IGBT(10)는 이미터(E), 콜렉터(C), 게이트(G)를 포함한다.

저전압/고전압 인터페이스(14)는 입력 노드(node) 또는 단자(I)로 입력 펄스를 수신하고, 저전압 입력 펄스를 고전압으로 변환한다. 저전압/고전압 인터페이스(14)의 고전압 출력은 쿼드 달링톤(quad Dalington) 출력단(16)을 통해 게이트와 이미터 저항기들(18)에 공급된다. 게이트 저항기들(18) 중 하나는 쿼드 달링톤 출력단(16)을 IGBT(10)의 게이트(G)에 접속한다.

쿼드 달링톤 출력단(16)은 저전압/고전압 인터페이스(14)로부터 수신된 전류 및 전압 레벨들을 높인다. 쿼드 달링톤 출력단(16)의 입력은 밀리암페어(milliamps)로 측정되는 반면 출력은 암페어(amps)로 측정된다. 그러므로, 쿼드 달링톤 출력단은 게이트 저항기들(18)을 통해서 고전류 출력 펄스를 IGBT의 게이트(G)에 전달한다.

단지 하나의 IGBT(10)만이 제 1 도에 도시되며, 그 구동기 회로(12)는 하나보다 많은 IGBT(10)를 구동시킬 수 있으며, 바람직하게는 4개의 IGBT(10)들을 구동시킨다. 4개의 IGBT(10)들은 스위칭 용량을 증가시키기 위해 병렬로 접속될 수 있다. 그러므로, 게이트 저항기 회로(18)는 바람직하게 4개의 10Ω저항기들 및 4개의 1Ω 저항기들을 포함한다.

단락 회로 과전류(overcurrent) 검출기(24)는 단락 회로가 발생했는지 여부를 결정하기 위해 IGBT(10)의 콜렉터(C)에서의 전압을 모니터링한다. IGBT(10)가 정상 동작 중에 턴 온 및 턴 오프하는 경우, 콜렉터 전압은 스위치가 턴 온될 때 강하한다. 단락 회로 과전류 검출기(24)는 또한 IGBT(10)가 턴 온 및 턴 오프되도록 명령될 때를 단락 회로 과전류 검출기(24)가 감지하도록 저전압/고전압 인터페이스(14)에 접속된다.

콜렉터 전압이 IGBT(10)가 턴 온될 때 주어진 시간 주기 내의 주어진 임계치 아래로 강하하지 않는 경우, 또는 콜렉터 전압이 IGBT(10)가 온 되도록 명령된 후 주어진 임계치를 넘어 상승하는 경우, 단락 회로 과전류 검출기(24)는 단락 회로를 검출한다. 단락 회로가 검출될 때, 그 단락 회로 과전류 검출기(24)는 출력 신호를단안정(one-shot; 22)으로 보낸다. 이어서 그 단안정(22)은 선형 적분기(20)의 클램프(clamp)를 해제하는 펄스를 발생시킨다.

선형 적분기(20)는 다이오드(26)를 통해 쿼드 달링톤 출력단(16)의 입력에 접속된다. 단락 회로가 검출될 때, 선형 적분기(20)는 단안정(22)으로부터 펄스를 수신한다. 이 펄스를 수신하자마자 선형 적분기(20)는 램핑다운을 시작할 것이다. 쿼드 달링톤 출력단(16)의 입력은 선형 적분기(20)의 출력 전압에 이어서 다이오드(26)를 경유하여 선형 적분기(20)의 전압 레벨보다 하나의 다이오드 강하만큼(0.6볼트) 램핑 다운할 것이다.

제 2 도 및 제 3 도는 시간의 함수로서 단자들 G와 E 사이의 출력 전압 펄스를 도시한다. 제 2 도는 IGBT 구동기 회로(12)의 정상 동작의 타이밍도를 도시한다. 정상 출력 파형(27)은 실질적으로는 15 볼트의 직사각형 펄스이다.

제 3 도는 구동기 회로(12)가 IGBT를 단락 회로로 게이트 온하는 시간의 함수로서 단자들 G 와 E 사이의 출력 전압 펄스를 도시한다. 선형 적분기(20)에 의한 게이트 전압(28)의 선형 램핑 다운은 제 3 도에서 명백하다.

구동기 회로(12)로서, 디바이스의 출력 단자들 양단에서 단락 회로가 신속하게 검출되고, IGBT 게이트에 대한 입력 전압은 갑자기 컷오프(cut off)되는 것이 아니라 램핑 다운된다. G-E 전압의 변화 속도는 턴 오프시의 과도한 콜렉터-이미터 전압의 감소를 초래하는 IGBT의 선형 영역을 통해 일정하다. 그러므로, 표유 회로 인덕턴스들 내의 급속한 전류 변화들에 기인한 전압 스파이크들이 방지된다.

제 3 도에 도시된 선형의 램핑 다운의 대안으로서, 그 구동기 회로는 단락회로 검출 시에 게이트 전압의 선형 램핑 다운에 선행하는 초기의 스텝 변화 감소를 통합할 수 있다. 그 스텝 변화 감소는 단락 회로 상태들 하에서 IGBT에 의해 유도된 전류의 초기 값을 신속하게 저하시킨다. 그러나 전압 스텝 크기는 선형 램핑 다운에 앞서 큰 전압 스파이크의 생성을 피할 수 있을 만큼 충분히 낮다.

제 4 도, 제 5 도 및 제 6 도는 제 1 도에 도시된 구동기 회로(12)의 일실시예의 개략도를 상세하게 도시한다. 제 4 도, 제 5 도 및 제 6 도의 저항기들은 작수의 참조번호(30 내지 100)로 표시되어 있다. 본 발명의 일실시예에서 저항기들은 다음 표1에 도시된 바와 같이 저항 값들을 가질 수 있다.

표 1

제 4 도, 제 5 도 및 제 6 도에서의 커패시터들은 짝수의 참조번호들(102 내지 134)로 표시되어 있다. 일실시예에서, 커패시터들은 다음의 표 2에 도시된 바와같이 커패시턴스 값들을 가질 수 있다.

표 2

접지 전압들 SGND 및 PGND는 최후로 게이트 구동기 전원에 함께 결합되는 개별 접지 참조부호들(신호 접지와 전원 접지)이다.

제 4 도에 도시된 바와 같이, 저전압/고전압 인터페이스(14)는 제 1 도에 도시된 단자 I에 대응하는 입력 단자들(136, 138)과, 함께 접속된 광 결합기(140)와, 전압 비교기(142) 및 구동 신호 트랜지스터(144)를 포함한다. 상업적으로 이용 가능한 전압 비교기는 예를 들어 National Semiconductor Corp의 모델 번호 LM393과 같은 전압 비교기(142)가 사용될 수 있다. 입력 단자들(136, 138)은 저항기들(30, 32)을 통해 광 결합기(140) 양단에 공급되는 입력 전압을 수신한다. 이어서 온/오프 펄스는 전압 비교기(142)를 통해 구동 신호 트랜지스터(144)에 공급된다.

광 결합기(140)는 2가지 목적들에 도움이 된다. 광 결합기(140)는 단자들 2/3 과 8/7/6/5 사이의 전압 분리(isolation)를 제공하며, 온/오프 게이팅 신호를 비교기(142)에 결합시킨다.

구동 신호 트랜지스터(144)가 턴 오프될 때, 선형 적분기(20)가 활성화되지 않는다면, 그 구동 신호 트랜지스터(144)의 출력은 다이오드(146)를 역 바이어스하고, 단자(148)는 저항기(64)를 통해 +20 볼트로 풀링된다(pulled). 제 4도에 도시된 단자(148)는 제 5 도에 도시된 단자(148)와 접속한다. 구동 신호 트랜지스터(144)의 출력은 제 5도에 도시된 전계 효과 트랜지스터(152)의 게이트에 나타난다. 단자(148)의 포지티브 전압 펄스는 전류가 발광 다이오드(153)와 저항기(66)를 통해 흐르는 것을 허용하는 트랜지스터(152)를 턴 온한다. 트랜지스터(152)가 턴 온되어 G-E 단자 전압이 -5 볼트 레벨까지 전이한 경우, 쿼드 달링톤 출력단(16) 내의 pnp 트랜지스터들이 활성화된다.

제 5 도에 도시된 바와 같이, 쿼드 달링톤 출력단(16)은 짝수 번호들(154 내지 160)로 표시된 4개의 바이폴라 달링톤 트랜지스터들을 포함한다. 달링톤 npn 트랜지스터(154)는 달링톤 pnp 바이폴라 트랜지스터(156)와 함께 푸시-풀 팔로워(push-pull follower)를 생성한다. 유사한 방식으로, 달링톤 접속된 npn 바이폴라 트랜지스터(158)는 달링톤 pnp 바이폴라 트랜지스터(160)와 함께 푸시-풀 팔로워를 생성한다. 쿼드 달링톤 출력단(16)은 게이트 저항기들(18)에 인가된 전류를 높인다 대안의 실시예에서, 쿼드 달링톤 출력단(16)은 단일 npn/pnp 이미터 폴로워 쌍, 단일 npn 달링톤/pnp 달링톤 쌍, 또는 원하는 전류 구동 특성에 의존하는몇몇 다른 회로로 대체될 수 있다.

게이트 저항기들(76, 80, 84, 88)은 쿼드 달링톤 출력단(16)을 4개의 병렬 IGBT들의 게이트들에 접속한다. 제 5 도에서 도시된 저항기들(74, 78, 82, 86)은 4개의 병렬 IGBT들의 이미터들에 접속한다.

제 4 도에 도시된 바와 같이, 단락 회로 과전류 검출기(24)는 전계 효과 트랜지스터들(175, 176) 및 전압 비교기(172)를 포함한다. 상업적으로 이용 가능한 전압 비교기는 예를 들어, National Semicoliductor Corp의 모델 번호 LM393과 같은 전압 비교기(172)가 사용될 수 있다. 트랜지스터(175)의 드레인은 전압 비교기(172)의 비반전(non-inverting) 단자에 접속되는 반면 트랜지스터(176)의 드레인은 전압 비교기(172)의 반전 단자에 접속된다. 전압 비교기(172)의 출력은 단자(174)에 접속된다. 저항기(48)가 트랜지스터(175)의 소스에 20 볼트 전위를 접속시키는 반면 저항기(46)는 트랜지스터(176)의 소스에 20 볼트 전위를 접속시킨다. 트랜지스터들(175, 176)의 게이트들은 구동 신호 트랜지스터(144)에 접속된다.

단락 회로 과전류 검출기(24)는 IGBT(10)의 콜렉터(C)에 접속된다. 단락 회로 과전류 검출기는 IGBT(10)의 콜렉터(C)의 전압을 모니터링하여 단락 회로가 발생했는지의 여부를 결정한다. 단자(C)의 전압이 강하하는 경우, 다이오드(170)는 연산 증폭기(172)의 비반전 단자를 풀링 다운(pull down)하고, 그 비반전 단자에서의 전압은 전압 비교기 증폭기(172)의 반전단자에서의 전압보다 아래로 강하할 것이다. 비반전 단자의 전압이 강하하지 않으면, 전압 비교기(172)는 상태를 바꾸어 출력을 단자(174)에 보낸다.

트랜지스터들(175, 176)은 단락 회로 과전류 검출기(24)에 대해 온 및 오프 스위치들로서 동작한다. 전압 비교기(172)의 단락 회로 감지 기능을 억제하는 IGBT가 게이트 오프되면, 구동 신호 트랜지스터(144)의 출력은 트랜지스터들(175, 176)을 턴 오프한다. 커패시터들(110, 112, 114)은 IGBT를 게이트 온하는 것과 과전류 검출기를 인에이블하는 것간의 시간 지연을 결정한다. 저항기들(40, 50)은 그 분압기는 과전류 검출기가 시작하는 것을 피하기 위해 콜렉터 단자가 임계치 레벨보다 아래로 강하해야 함을 결정하는 분압기(voltage divider)를 형성한다.

제 4 도에서 도시된 단자(174)는 제 6 도에서 도시된 단자(174)에 접속된다.

제 6 도에 도시된 바와 같이, 단안정(22)은 단자(174)에서 전압 비교기(172)의 출력을 수신한다. 단자(174)는 전계 효과 트랜지스터(178)의 게이트에 접속되고, 전계 효과 트랜지스터(178)의 드레인은 전압 비교기(180)의 반전 단자에 접속된다. 상업적으로 이용 가능한 전압 비교기는 예를 들어, National Semiconductor Corp의 모델 번호 LM311과 같은 전압 비교기(180)가 사용될 수 있다. 단락 회로가 검출되면, 단안정(122)은 단자(182)에 펄스를 출력한다. 제 6 도에 도시된 단자(182)는 제 5 도에 도시된 선형 적분기(20)의 단자(182)에 접속된다.

제 6 도에 도시된 단안정(22)은 또한 하위 전압 센서(under voltage sensor)(184)와 고전압/저전압 인터페이스(186)에 접속되어 있다. 고전압/저전압 인터페이스(186)는 단안정의 출력을 수신하며, 단락 회로 상태의 회로 입력을 경계한다. 하위 전압 센서(184)는 IGBT 구동기 회로의 전원을 모니터링한다.

제 5 도에 도시된 바와 같이, 선형 적분기(20)는 연산 증폭기(188) 및 피드백 회로를 포함한다. 상업적으로 이용 가능한 연산 증폭기는 예를 들어 Texas Instruments Corp의 모델 번호 TL081과 같은 연산 증폭기(188)가 사용될 수 있다. 피드백 회로는 병렬로 접속된 저항기(62), 커패시터(122) 및 제너 다이오드(192)를 포함한다. 선형 적분기(20)의 입력 단자(182)는 피드백 회로 내의 전계 효과 트랜지스터(190)의 게이트에 접속된다.

전계 효과 트랜지스터(190)는 커패시터(122)에 병렬인 저항기(62)로 인해 보통 턴 온되지만, 단락 회로에 응답하여 단안정(22)으로부터 단자(182)상의 펄스가 전계 효과 트랜지스터(190)를 턴 오프할 것이다. 전계 효과 트랜지스터(190)가 턴 오프할 때, 연산 증폭기(188)의 출력은 저항기(58) 및 커패시터 (122)에 의해 설정된 비율로 선형 램핑 다운을 시작할 것이다. 저항기(70)에서의 쿼드 달링톤 출력단(16)의 입력은 다이오드(26)를 통해 연산 증폭기(188)의 출력 전압보다 하나의 다이오드 강하(0.6 볼트)만큼 램핑 다운할 것이다.

그러므로, IGBT의 게이트 전압은 선형 적분기(20)의 선형 램핑 다운에 의해 제어된다. 게이트 전압의 방전율(rate of discharge)은 IGBT의 선형 영역 내내 일정하고, 표유 인덕턴스와 높은 전류 변화율에 기인하여 IGBT 양단의 과도 전압이 회피된다.

게이트 전압의 선형 방전 변화율은 선형 적분기(20)에 사용되는 특정 커패시턴스(capacitance)들 및 레지스턴스(resistance)들을 조정함으로써 조정할 수 있다. 선형 변화율을 설정할 때 고려되는 요소들은 다음과 같다: IGBT의 특성들, IGBT가 배치된 전력 회로의 기생 컨덕턴스들 및 인덕턴스들, 및 단락 회로 상태들하에서 수용 가능하다고 생각되는 전압 오버슈트(overshoot)의 레벨.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 변화율은 마이크로초당 2볼트이다. 선형 적분기(20) 내의 저항기(58) 및 커패시터(122)는 램핑 다운 속도를 결정한다. 저항기(58) 양단의 전압은 저항기(58)를 통해 흐르는 전류가 트랜지스터(190)가 턴 오프할 때는 커패시터(122)를 통해 차례로 흐른다는 것을 결정한다. 변화율은 다음과 같이 계산된다.

i = C(dv/dt)

dv/dt = i/C

여기서, i = 전류, C = 커패시턴스

dv/dt = 시간 함수에 따른 전압 변화

본 실시예에서는;

i = -(24V - 20V)/1.33k = 3 밀리암페어이고,

dv/dt = -3ma/1500pF = -2V/㎲ec

구동기 회로는 정격 1200볼트 및 200암페어의 4개의 IGBT들을 구동할 수 있다. 전력 회로의 기생 인덕턴스가 50nH보다 작은 경우, 1200볼트의 전원 양단에 직접 배치되었을 때, 그러한 IGBT들은 10마이크로초의 "온" 시간을 견디는 정격이다. 각 IGBT가 +15 볼트의 게이트 전압으로 도전할 수 있는 전류 레벨은 통상적으로 정격 값의 10배로 지정된다. 이러한 값들은 각 200 AMP IgBT의 저항 에너지는:

(1200 V)(200 A)(10)(10 ㎲ec) = 24 줄(Joules)이다.

그러므로, 구동기 회로(12)는 단락 회로 상태를 검출해야 하며, IGBT의 도전임계 레벨보다 아래의 게이트 전압이 충분히 짧은 시간 내에 24줄보다 낮게 에너지를 제한하도록 해야 한다. 도전 간격의 지속 기간은 바람직하게는 10마이크로초보다 적다. 이 시간은 에너지가 24줄보다 아래로 감소되면 연장될 수 있다. 단락 회로 에너지와 램핑 다운 지속 시간 사이의 트레이드 오프(trade-off)는 단락 회로 상태동안 전력 디바이스의 피크 접합(Junction) 온도의 함수이다.

본 구동기 회로의 바람직한 실시예는 통상적으로 단락 회로 상태를 검출하는데는 3.8마이크로초가 걸린다. 최대 검출 시간이 4.6마이크로초 이고 저항 시간이 10마이크로초라고 가정한다면, 선형 램핑 다운 시간은 바람직하게는 5.4마이크로초가 된다. 정상적인 디바이스 턴 온에 대한 포지티브 게이트 구동 레벨은 통상적으로 +15 볼트이고 IGBT 게이트의 통상적인 도전 임계치는 10 볼트이다. 이것은 다음과 같은 단락 회로 상태 동안 허용 가능한 램핑 다운 비율을 산출한다.

(15 V - 10 V)/5.4 ㎲ec = -0.926 V/㎲ec

따라서, -2 V/㎲ec의 실제 램핑 다운 속도는 -0.926V/㎲ec의 수용가능한 속도보다 빠르다.

구동기 회로에 대한 응용들은 원심 냉각기들의 모터들과 같은 유도 모터들에 대한 인버터들을 포함한다. 앞서 언급된 바와 같이, 구동기 회로(12)는 바람직하게 4개의 IGBT를 구동한다. 4개의 IGBT들은 단일 IGBT의 전압 및 전력의 4배를 처리하기 위해 병렬로 접속될 수 있다. 구동기 회로들은 또한 바람직하게 상부 게이트 구동기 회로들 및 하부 게이트 구동기 회로들을 쌍으로 배열된다. 그러므로, 구동기 회로들의 각 쌍은 전체 8개의 IGBT들을 구동시키고, 각각의 8개의 IGBT들은 AC 모터의 하나의 극에 접속된다. 이런 구성을 갖는 3상 AC 모터를 구동하기 위해서는 24개의 IGBT들을 요구한다.

제 7 도를 참조하면, 복수와 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(10)은 교류 유도 모터(194)를 구동할 수 있다. 제 7 도에서, 각각의 IGBT(10)는 실제로 병렬로 접속된 많은 예를 들어 4개의 IGBT들을 포함할 수 있다. IGBT들(10)은 입력 DC 전압 라인들간에 쌍으로 접속된다. 게이트 구동기 회로(12)는 각 쌍의 IGBT들의 게이트들에 접속된다. 구동기 회로들(12)은 다른 속도들로 모터(194)를 동작시키기 위해서 다른 속도들로 IGT들을 스위칭할 수 있다. 가변 속도 유도 모터(194)는 원심 냉각기 유닛상의 임펠러(jmpeller)를 구동시킬 수 있다.

교류 구동 소스(198)는 AC 전압을 다이오드 정류기 또는 실리콘 제어 정류기(SCR)(200)에 공급한다. 정류기(200)는 입력 AC 전압을 DC 전압으로 변환시킨다. DC 전압은 한 쌍의 인덕터들(202) 및 커패시터들(204)을 통해 출력된다. 커패시터들 및 인덕터들은 정류된 AC 전압을 평탄한 DC 레벨로 필터링한다.

구동기 회로들(12)은 인버터 로직(198)에 의해 발생된 낮은 레벨의 신호들을 IGBT 전력 스위치들(10)을 게이트 온 및 게이트 오프할 수 있는 레벨로 변환시킨다. 적절한 방법으로 IGBT 전력 스위치들(10)을 게이트 온 및 게이트 오프함으로써, 정류기(200), 인덕터들(202) 및 필터 커패시터들(204)에 의해 공급된 DC 전압은 주파수 및 크기 둘 모두에 가변적인 AC 전압으로 다시 변환된다. 다음으로 이러한 가변 출력 전압/주파수 소스는 주어진 속도로 압축기(compressor)를 회전시키기에 적절한 주파수 및 전압으로 모터(194)를 구동시킨다.

여러 가지 변경들 및 변동들이 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고도 본 발명의 구동기 회로 본 구동기 회로의 구조를 구성할 수 있음이 본 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이다.

예를 들어, 본 발명의 일 양상에 따라서, 예를 들어 Fuji EXB841과 같은 공지된 구동기 회로가 지수적인 R-C 방전 대신에 선형 단락 회로의 램핑 다운을 제공하도록 변경될 수 있다. 부가적으로, 본 발명이 IGBT 구동기 회로를 기재했지만, 단락 회로 검출에 관한 선형 램핑 다운을 갖는 구동기 회로가 MOSFET 또는 MCT와 같은 다른 전압 제어 전력 스위치들이 사용될 수 있다. 대부분의 스위치들은 제 1 및 제 2 단자들과 제어 단자 사이에 스위칭 가능한 전류 경로(path)를 갖는다. 트랜지스터의 제어 단자는 예를 들어, 게이트 또는 베이스일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예들은 본 발명에 기재된 명세서 및 실행을 고려하면 본 기술분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다. 본 명세서 및 예들은 다음의 청구범위에 의해 지시되는 본 발명의 범위 및 정신에서만 전형적인 것으로 간주될 수 있도록 의도된 것이다.

제 1 도는 본 발명의 일실시예에 따른 IGBT 및 구동기 회로의 블록도.

제 2 도는 정상 동작 상태들 하에서 제 1 도에 도시된 구동기 회로의 시변 전압 출력을 도시한 도면.

제 3 도는 단락 회로 동작 상태들 하에서 제 1 도에 도시된 구동기 회로의 시변 전압 출력을 도시한 도면.

제 4 도는 제 1 도에 도시된 구동기 회로에 사용될 수 있는 탈락 회로 과전류 검출기 및 저전압/고전압 인터페이스의 일실시예를 도시한 개략적인 회로도.

제 5 도는 제 1 도에 도시된 구동기 회로에 사용될 수 있는 선형 적분기, 쿼드 달링톤 출력단 및 게이트 저항기의 일실시 예를 도시한 개략적인 회로도.

제 6 도는 제 1 도에 도시된 IGBT 게이트 구동기 회로에 사용될 수 있는 단안정(one-shot)의 일실시예를 도시한 개략적인 회로도.

제 7 도는 구동기 회로, 6개의 IGBT들 및 모터의 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : IGBT 전력 스위치

12 : 구동기 회로

14, 186 : 저전압/고전압 인터페이스

16 : 쿼드 달링톤 출력단

20 : 선형 적분기

22 : 단안정(one-shot)

Claims (15)

1. 제어 단자 및 스위칭가능 전류 경로를 갖는 스위치를 구동하기 위한 스위치 구동기 회로에 있어서,

   상기 제어 단자에 전압을 공급하기 위해 상기 제어 단자에 접속된 수단과;

   단락 회로 상태를 검출하기 위해 스위칭가능 전류 경로에 접속된 수단과;

   검출된 단락 회로 상태에만 응답하여, 상기 제어 단자에 상기 전압을 선형으로 램핑 다운(linearly ramping down)하고, 상기 스위칭가능 전류 경로 양단의 큰 전압 스파이크를 방지하기 위한 수단을 포함하는, 스위치 구동기 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 램핑 다운하기 위한 수단은 선형 적분기(linear integrator)를 포함하는, 스위치 구동기 회로.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 단락 회로를 검출하기 위한 수단은 전압 비교기(voltage comparator)를 포함하는, 스위치 구동기 회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolartransistor)를 포함하고, 상기 제어 단자는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트를 포함하는, 스위치 구동기 회로.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 포함하고, 상기 제어 단자는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트를 포함하는, 스위치 구동기 회로.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전압을 공급하기 위한 수단은 입력 노드(node)에 접속된 저 전압/고전압 변환기와;

   저전압/고전압 변환기에 접속된 쿼드 달링톤(quad Darlington) 출력단과;

   상기 쿼드 달링톤 출력단과 상기 제어 단자 사이에 접속된 적어도 하나의 저항기(resistor)를 포함하는, 스위치 구동기 회로.
7. 게이트, 콜렉터 및 이미터를 갖는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 구동하기 위한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로에 있어서,

   상기 게이트에 전압을 공급하기 위해 상기 게이트에 접속된 수단과;

   단락 회로 상태를 검출하기 위해 상기 콜렉터에 접속된 수단과;

   상기 단락 회로 상태를 검출하기 위한 수단에 응답하여, 단락 회로가 검출된경우에만 상기 게이트 상의 전압을 선형으로 램핑 다운하고, 상기 콜렉터 및 이미터 양단의 큰 전압 스파이크를 방지하기 위한 수단을 포함하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 램핑 다운하기 위한 수단은 선형 적분기를 포함하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 단락 회로를 검출하기 위한 수단은 전압 비교기를 포함하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 전압을 공급하기 위한 수단은,

    입력 노드(node)에 접속된 저전압/고전압 변환기와;

    상기 저전압/고전압 변환기에 접속된 쿼드 달링톤 출력단과;

    상기 쿼드 달링톤 출력단과 상기 게이트 사이에 접속된 게이트 저항기를 포함하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로.
11. 모터용 가변 속도 구동기 회로에 있어서,

    적어도 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들로서, 각각은 게이트, 콜렉터 및 이미터를 가지고, 상기 콜렉터들 중 하나와 상기 이미터들 중 하나는 상기 모터의 고정자 권선(stator winding)들에 접속되는, 상기 적어도 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들과;

    절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로로서, 상기 구동기 회로는 상기 게이트들에 전압을 공급하는, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동기 회로를 포함하고,

    상기 구동기 회로는,

    전압을 공급하기 위해, 상기 게이트들의 적어도 하나에 접속된 수단과,

    단락 회로 상태를 검출하기 위해, 상기 콜렉터들 중 적어도 하나에 접속된 수단과;

    단락 회로 상태를 검출하기 위한 수단에 응답하여, 단락 회로가 검출된 경우에만 상기 게이트들 중 적어도 하나 상의 전압을 선형으로 램핑 다운하고, 상기 고정자 권선들에 접속된 상기 콜렉터들 중 하나와 상기 이미터들 중 하나의 양단의 큰 전압 스파이크를 방지하기 위한 수단을 포함하는, 모터용 가변 속도 구동기 회로.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 단락 회로를 검출하기 위한 수단은 전압 비교기를 포함하는, 모터용 가변 속도 구동기 회로.
13. 제 12 항에 있어서,

    램핑 다운하기 위한 수단은 선형 적분기를 포함하는, 모터용 가변 속도 구동기 회로.
14. 제 13 항에 있어서,

    전압을 공급하기 위한 수단은 입력 노드(node)에 접속된 저전압/고전압 변환기와;

    상기 저전압/고전압 변환기에 접속된 쿼드 달링톤 출력단과;

    상기 쿼드 달링톤 출력단과 상기 게이트 사이에 접속된 게이트 저항기를 포함하는, 모터용 가변 속도 구동기 회로.
15. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 구동하기 위한 방법으로서, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 게이트, 콜렉터 및 이미터를 갖는, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구동 방법에 있어서,

    전압을 상기 게이트에 공급하는 단계와;

    상기 콜렉터에서의 전압을 검출하는 단계와;

    상기 콜렉터에서의 전압이 소정의 시간 주기에 걸쳐 강하하지 않는 경우에 단락 회로 상태를 검출하는 단계와;

    단지 단락 회로가 검출된 경우에만 상기 게이트의 전압을 선형으로 램핑 다운하여, 상기 콜렉터와 이미터 양단의 큰 전압 스파이크를 방지하는 단계를 포함하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 구동 방법.