KR100436352B1 - 전력용 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 통상동작시의 손실을 저감을 저감할 수 있고, 고정밀도로 과전류 보호를 가능하게 하는 전력용 반도체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 파워모듈은, 2개의 주전극 및 제어전극을 갖는 전력용 스위칭소자(11)와, 전력용 스위칭소자(IGBT; 11)의 에미터에 접속된 에미터전극(17)과, 전력용 스위칭소자(11)의 주전극 사이에 흐르는 주전류를 검출하고, 검출된 주전류가 과전류라고 판단되었을 때 주전류를 제한하도록 전력용 스위칭소자(11)의 동작을 제어하는 제어회로(15)를 구비한다. 제어회로(15)는 전력용 스위칭소자(11)에 흐르는 주전류를, 에미터전극(17)을 사용하여 검출한다.

Description

전력용 반도체장치{POWER SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, IGBT 등의 반도체 스위치를 사용한 전력용 반도체장치의 과전류 보호에 관한 것이다.
도 4는 IGBT 등의 반도체 스위칭소자를 사용한 종래의 파워모듈의 일부 구성을 나타낸 도면이다. IGBT 등의 스위칭소자(31)는 게이트 드라이버회로(33)에 의해 온·오프가 제어된다. 종래의 파워모듈에 있어서는, 과전류 보호를 위해, 스위칭소자의 공통(에미터)측에 직렬로 저항소자(32)가 삽입되어 있어, 스위칭소자(31)를 흐르는 주전류에 의해 발생하는 저항소자(32)의 전압강하를 게이트 드라이버회로(33)로 피드백하고 있다. 게이트 드라이버회로(33)의 출력전압은 일정하게 유지되고 있기 때문에, 피드백된 전압에 의해, 스위칭소자(31)의 에미터-게이트간 전압이 실질적으로 강하하는 것에 의해, 스위칭소자(31) 단락시의 주전류를 제어하여, 단락시의 능력을 향상시키도록 되어 있다.
이상과 같은 방법에서는, 단락시에 과잉의 주전류를 억제하기 위해 에미터-게이트간 전압을 수 V 정도 하강시키는 것이 필요하다. 이 때문에, 저항소자(32)의 저항값은, 통상, 수 10mΩ 정도로 설정될 필요가 있다. 그러나, 이와 같은 수 10mΩ 정도의 저항값에서는, 스위칭소자에서 통상동작시에 있어서 저항소자(32)에서의 손실이 커져, 무시할 수 없는 손실이 된다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그것의 목적으로하는 점은, 파워모듈의 통상동작시의 손실을 저감할 수 있고, 고정밀도로 과전류 보호를 가능하게 하는 전력용 반도체장치를 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명에 관한 파워모듈에 있어서 과전류 검출을 위한 구성을 나타낸 도면(실시예 1)이고,
도 2는 파워모듈에 있어서 에미터전극의 형상을 나타낸 도면(실시예 2)이며,
도 3은 3상 인버터에 있어서 과전류 검출을 위한 에미터전극의 배치를 나타낸 도면(실시예 3)이고,
도 4는 종래의 파워모듈에 있어서 과전류 검출을 위한 구성을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11: IGBT(스위칭소자) 13: 게이트 드라이버회로
15: 제어회로 17, 17u, 17v, 17w: 에미터전극
17a: 에미터전극의 대략 U자 형상 부분
본 발명에 관한 전력용 반도체장치는, 2개의 주전극 및 제어전극을 갖는 전력용 스위칭소자와, 전력용 스위칭소자의 주전극의 한 개에 접속된 금속전극과, 전력용 스위칭소자의 주전극 사이에서 흐르는 주전류를 검출하고, 그 검출된 주전류가 과전류라고 판정되었을 때 주전류를 제한하도록 전력용 스위칭소자의 동작을 제어하는 게이트 드라이버회로의 게이트-에미터간 전압을 강하시키는 제어회로를 구비한다. 전력용 반도체장치에 있어서, 보호수단은 전력용 스위칭소자에 흐르는 주전류를 금속전극의 소정의 2점 사이의 전압을 검출하는 것에 의해 검출한다. 이와 같이, 전력용 스위칭소자에 접속되는 금속전극을 사용하여, 전력용 스위칭소자에 흐르는 주전류를 검출하는 것에 의해, 전력용 반도체장치에 있어서, 금속전극에 의한 변동이 없는 안정된 과전류 검출이 가능하게 되고, 더구나 통상동작시의 손실을 저감할 수 있다.
전력용 반도체장치에 있어서, 금속전극은 대략 U자 형상을 갖는 것이 바람직하다. 금속전극을 대략 U자 형상으로 하는 것에 의해, 금속전극의 인덕턴스 성분을 저감할 수 있어, 스위칭 동작에 의한 전류변화에 의해 발생하는 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 금속전극의 인덕턴스 성분 때문에 생기는 스위칭 동작에 의한 노이즈의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 제어회로로 피드백하는 전압에 노이즈가 발생하지 않으면서, 통상동작시의 잘못된 보호동작을 방지할 수 있다. 또한, 금속전극의 저항값을 작게 할 수 있기 때문에, 손실을 저감할 수 있다.
전력용 반도체장치는, 직류전압을 다상 교류전압으로 변환하고, 각 상마다 직렬로 접속된 전력용 스위칭소자로 이루어진 하프 브리지(half-bridge)를 갖는 전력변화장치를 구비하여도 된다. 이때, 각 상마다 하프 브리지에 있어서 저압측에 접속된 전력용 스위칭소자의 주전극의 한 개에 금속전극이 접속되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해, 각 상마다 과전류의 검출이 가능하게 된다.
[실시예]
이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명에 관한 전력용 반도체장치의 실시예를 상세히 설명한다.
실시예 1:
도 1에 본 발명에 관한 전력용 반도체장치(파워모듈)의 구성을 나타낸다. 도 1에 있어서 파워모듈은, 전력용 반도체 스위칭소자인 IGBT(11)와, IGBT(11)를 구동하는 게이트 드라이버회로(13)와, 게이트 드라이버회로(13)를 제어하는 제어회로(15)를 구비한다. 제어회로(15)는 집적회로로서 제공된다. 제어회로(15)는 통상적으로는 게이트 드라이버회로(13)를 제어하여 IGBT(11)의 스위칭 동작을 제어한다.
본 실시예의 파워모듈에 있어서, 스위칭소자인 IGBT(11)의 에미터 단자에 배선접속용의 금속전극(이하, 「에미터전극」이라 한다)(17)이 접속되어 있으며, 특히, 이 에미터전극(17)의 양단 전압은 제어회로(15)로 피드백된다. 제어회로(15)는, 에미터전극(17)의 양단 전압에 근거하여 IGBT(11)의 콜렉터-에미터 사이에 흐르는 주전류를 검출하고, 그 주전류가 소정값 이상이 되었을 때 과전류가 발생하였다고 판단하여, 과전류에 대한 보호기능을 실행한다. 즉, 과전류 발생시에는, 제어회로(15)는 IGBT(11)의 에미터-게이트 사이의 전압을 강하시켜 IGBT(11)의 콜렉터-에미터 사이에 흐르는 전류를 제한하도록, 게이트 드라이버회로(13)에 제어신호를 출력한다.
과전류 검출을 위해 사용되는 에미터전극(17)의 저항값(Re)은 다음 식으로 얻어진다:
Re = Vfe/Ip (1)
여기에서, Vfe는, 제어회로(15)에 대한 설정전압으로, 제어회로(15)가 과전류의 검출을 판단할 때의 기준이 되는 설정전압이다. Ip는 과전류 보호를 위한 임계값 전류로서, 회로에 흐르는 전류가 과전류인 것으로 판단할 때의 기준이 되는 전류값으로 설정한다. 에미터전극(17)의 저항값 Re가 상기 식의 관계를 만족하도록, 에미터전극(17)의 재질의 저항율과 단면적이 결정된다.
이상과 같이, 본 실시예의 파워모듈에서는 스위칭소자(11)의 에미터전극(17)을 과전류 검출을 위한 수단으로 사용하고 있다. 에미터전극(17)은 금속전극이기 때문에, 저항값이 낮고(예를 들면, 1mΩ), 또한, 저항값이 변동없이 안정하기 때문에, 종래와 같이 스위칭소자(11)의 에미터 측에 저항소자를 설치하는 경우에 비해, 스위칭 동작시의 손실을 저감할 수 있으며, 안정된 과전류 검출이 가능하게 된다.
실시예 2:
도 2는, 전술한 파워모듈에 있어서, 과전류 검출용으로서 사용되는 에미터전극(17)의 형상을 나타낸 도면이다. 도면에 나타낸 것과 같이, 절연기판(25) 위에는 에미터전극(17)과 함께, 콜렉터전극(21)이 설치되고, 에미터와이어(23)로 전기적으로 접속되어 있다.
도 2에 나타낸 것과 같이 에미터전극(17)은 대략 U자 형상 부분(17a)을 갖고 있다. 이 대략 U자 형상 부분(17a)의 저항값을 이용하기 때문에, 대략 U자 형상 부분(17a)의 양단이 제어회로(15)에 접속되어 있다.
이와 같이 에미터전극(17)의 형상을 대략 U자 형상으로 하는 것은 다음의 이유에 의한다.
스위칭 동작시의 손실을 가능한한 저감하기 위해서는, 저항값 Re를 작게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 (1) 식에 의해, 전압 Vfe를 작게 할 필요가 있지만, 전압 Vfe를 작게 하면, 제어회로(15)는 과전류 검출에 있어서 노이즈의 영향을 받기 쉬워지고, 이때, 에미터전극(17)의 인덕턴스 성분이 크면, 그것의 인덕턴스 성분과 스위칭시의 전류 변화에 의해 유기전압이 발생하여, 그것에 의한 오동작이 생길 우려가 있다. 그래서, 에미터전극(17)의 형상을 대략 U자 형상으로 하는 것에 의해, 전극 상에서 발생하는 자계를 상쇄하여 에미터전극(17)의 인덕턴스 성분을 저감한다. 이것에 의해, 스위칭시의 전류변화에 의해 발생하는 노이즈에 의한 오동작을 방지할 수 있다.
이상과 같이, 에미터전극(17)의 형상을 대략 U자 형상으로 하는 것으로 에미터전극(17)의 인덕턴스 성분을 저감하고, 이것에 의해, 스위칭시의 손실을 저감하면서, 오동작을 방지하는 과전류 검출을 가능하게 한다.
실시예 3:
도 3은, 6개의 IGBT를 사용하여 3상 인버터를 구성한 파워모듈의 구성을 나타낸 것이다. 3상 인버터(12)는 직류전압을 모터 구동을 위한 원하는 3상 전류로 변환하는 전력변환회로이다. 3상 인버터(12)의 각 IGBT는 게이트 드라이버회로(13)에 의해 구동된다. 게이트 드라이버회로(13)는 제어회로(15)에 의해 제어된다.
3상 인버터(12)는, 각 상(U상, V상, W상)마다 2개의 IGBT로 이루어진 하프 브리지를 포함한다. 각 상의 하부 아암의 IGBT의 에미터측에 소정의 저항(Re)을 갖는 에미터전극(17u, 17v, 17w)을 설치하고 있다. 각 에미터전극(17u, 17v, 17w)의 양단 전압은 제어회로(15)로 피드백 입력된다.
이상의 구성에 의해, 각 상마다 과전류 검출이 가능하게 되어, 3상 인버터(12)의 동작중에 아암 단락 등에 의한 과전류가 흐른 경우에도, 전체의 IGBT의 게이트 전압을 하강시켜 3상 인버터(12)의 동작을 즉시 정지할 수 있어, 모듈을 과전류에 의한 파괴로부터 보호할 수 있다.
본 발명에 따르면, 동작중의 손실을 저감하고, 안정되게 과전류 검출이 가능한 전력용 반도체장치를 실현할 수 있다.

Claims (3)

  1. 2개의 주전극 및 제어전극을 갖는 전력용 스위칭소자와,
    이 전력용 스위칭소자의 주전극의 한 개에 접속된 배선접속용 금속전극과,
    전력용 스위칭소자의 주전극 사이에서 흐르는 주전류를 검출하고, 이 검출된 주전류가 과전류라고 판정되었을 때 상기 주전류를 제한하도록 상기 전력용 스위칭소자의 동작을 제어하는 보호수단을 구비한 전력용 반도체장치에 있어서,
    상기 보호수단은, 상기 전력용 스위칭소자에 흐르는 주전류를 상기 배선접속용 금속전극의 소정의 2점 사이의 전압을 검출하는 것에 의해 검출하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속전극은 대략 U자 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    직류전압을 다상 교류전압으로 변환하고, 각 상마다 직렬로 접속된 상기 전력용 스위칭소자로 이루어진 하프 브리지를 갖는 전력변화장치를 구비하고, 각 상마다 하프 브리지에 있어서 저압측에 접속된 전력용 스위칭소자의 주전극의 한 개에 상기 금속전극이 접속된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체장치.
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