KR100515139B1 - 사이리스터 스태킹 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체는, 다수의 사이리스터가 상호 연속적으로 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이루는 사이리스터 스태킹 구조체에 있어서, 상기 다수의 사이리스터가 연속 접속 구조를 가지되, 각 사이리스터에는 역방향 전류의 통로 제공을 위한 다이오드와 전압의 균등 분포를 위한 저항이 각각 병렬로 접속되고, 각각 2개씩의 또 다른 다이오드와 저항, 그리고 한 개의 커패시터의 조합으로 구성된 보조 트리거 회로가 직렬로 접속되어, 하나의 단위 스태킹 회로를 이루고, 그와 같은 단위 스태킹 회로들이 다수개 중첩되어 이루어지는 회로구조체의 최외곽 단위 스태킹 회로에는 외부로부터 시스템 구동을 위한 트리거링 펄스를 입력받는 구동회로부가 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이룬다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 한 개의 능동 구동기만을 필요로 하므로, 전체적으로 구조가 간단하고 다수의 능동기가 존재함으로써 필요했던 절연 및 구동기 간의 동기화가 불필요하며, 트리거링 회로가 스너버의 역할을 겸하므로, 부품수가 감소하여 제품의 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

Description

사이리스터 스태킹 구조체{Thyristor stacking structure}
본 발명은 사이리스터 스태킹(thyristor stacking) 구조체에 관한 것으로서, 특히 직렬 연결되는 반도체 소자의 수와 관계 없이 한 개의 구동기만을 필요로 하고, 그 구동기 또한 가장 낮은 전압의 사이리스터에 접속됨으로써 절연이 필요하지 않은 간단한 구조의 사이리스터 스태킹 구조체에 관한 것이다.
일반적으로, 상업적으로 이용 가능한 반도체 소자의 전압과 전류의 정격은 한계가 있으며, 따라서 그와 같은 전압과 전류의 정격을 높이기 위한 연구 및 개발이 꾸준히 지속되어 오고 있다. 지금까지 개발된 사이리스터의 최대 정격은 8000V, 5600A이다. 따라서, 더 큰 정격의 시스템을 위해서는 소자의 스태킹이 유일한 해결책이다. 소자의 직렬 연결로 더 큰 전압 정격이 얻어지고, 병렬 연결로 더 큰 전류 정격이 얻어 질 수 있다. 전압 정격의 증대에 있어서 중요한 기술적 사항은 소자 간의 전압 균형이고, 전류 정격의 증대에 있어서 중요한 기술적 사항은 소자 간의 전류 균형이다.
도 1은 종래의 방식에 의한 반도체 소자(사이리스터)의 직렬 스태킹 구조를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 반도체 소자(사이리스터)의 직렬 스태킹 구조는 각각의 소자(사이리스터)(T1,T2,...,Tn)가 자신의 절연된 능동 구동기를 하나씩 가지고 있다. 따라서, 소자의 수만큼 능동 구동기 및 이의 절연이 필요하고, 각 구동기 간의 전자장 간섭을 줄이기 위해 특별한 대책이 강구되어야 한다. 그리고, 이로 인해 회로가 매우 복잡하고, 제조 단가가 상승되는 문제가 있다.
또한, 구동 시간의 차이로 인한 스위치의 불안정한 동작을 최소화하기 위해, 구동부의 동기화가 반드시 필요하다. 이로 인해 소자의 특성 중 turn-on 지연시간 이 특정 범위 안에 들어가는 것만을 선정해야 하는 번거로움이 있다.
본 발명은 이상과 같은 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 직렬 연결되는 반도체 소자의 수와 관계 없이 한 개의 구동기만을 필요로 하고, 그 구동기 또한 가장 낮은 전압의 사이리스터에 접속됨으로써 절연이 필요하지 않은 간단한 구조의 사이리스터 스태킹 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체는, 다수의 사이리스터가 상호 연속적으로 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이루는 사이리스터 스태킹 구조체에 있어서,
상기 다수의 사이리스터가 연속 접속 구조를 가지되, 각 사이리스터에는 역방향 전류의 통로 제공을 위한 다이오드와 전압의 균등 분포를 위한 저항이 각각 병렬로 접속되고, 각각 2개씩의 또 다른 다이오드와 저항, 그리고 한 개의 커패시터의 조합으로 구성된 보조 트리거 회로가 직렬로 접속되어, 하나의 단위 스태킹 회로를 이루고, 그와 같은 단위 스태킹 회로들이 다수개 중첩되어 이루어지는 회로구조체의 최외곽 단위 스태킹 회로에는 외부로부터 시스템 구동을 위한 트리거링 펄스를 입력받는 구동회로부가 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이루는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체의 회로구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체는 다수의 사이리스터(T1∼T10)가 상호 연속적으로 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이루는 사이리스터 스태킹 구조체에 있어서, 상기 다수의 사이리스터(T1∼T10)가 연속 접속 구조를 가지되, 각 사이리스터(T1∼T10)에는 역방향 전류의 통로 제공을 위한 다이오드(D1∼D10)와 전압의 균등 분포를 위한 저항(R1∼R10)이 각각 병렬로 접속되고, 각각 2개씩의 또 다른 다이오드(D12,D22)와 저항(R12,R22), 그리고 한 개의 커패시터(C11)의 조합으로 구성된 보조 트리거 회로(230)가 직렬로 접속되어, 하나의 단위 사이리스터 스태킹 회로(220)를 이루고, 그와 같은 단위 사이리스터 스태킹 회로(220)들이 다수개 중첩되어 이루어지는 회로구조체의 최외곽 단위 사이리스터 스태킹 회로(220)에는 외부로부터 시스템 구동을 위한 트리거링 펄스를 입력받는 구동회로부(210)가 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이룬다.
여기서, 상기 구동회로부(210)는 상기 최외곽 단위 사이리스터 스태킹 회로 (220)의 사이리스터(T2)와 직렬 접속되는 사이리스터(T1)와, 그 사이리스터(T1)와 각각 병렬 접속되는 것으로 역방향 전류의 통로 제공을 위한 다이오드(D1) 및 전압의 균등 분포를 위한 저항(R1)과, 입력되는 트리거링 펄스의 정전압 유지를 위한 것으로 입력단에 병렬로 접속되는 제너다이오드(ZD)와, 제너다이오드(ZD)와 상기 사이리스터(T1) 사이에 접속되어 순방향 전류의 통로 제공을 위한 또 다른 다이오드(D21)로 구성된다. 참조번호 240은 실험을 위해 연결한 L-C 공진회로부를 나타낸 것으로, 42Ω의 특성 임피던스와 133㎲의 공진주기(Tr)를 갖는다. L-C 공진 회로부의 커패시터 C는 가변 DC 전원 장치(V0)(0∼10kV)로부터 충전된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.
사이리스터들(T1∼T10)이 꺼질 때, 커패시터들(C11∼C110)은 V0/n까지 충전된다. 여기서, V0은 DC 전원 장치의 출력 전압이고, n은 스택에 직렬로 연결된 사이리스터의 개수이다. 구동회로부(210)의 사이리스터 T1의 게이트에 트리거링 펄스가 가해지면, 사이리스터 T1이 동작되고 커패시터 C11은 C11 - D12 - R22 - T2의 게이트 - T1 - G의 경로로 방전을 시작한다.
이에 따라, T2가 동작하게 되고, C12는 C12 - D13 - R23 - T3의 게이트 - T2 경로로 방전을 시작하고, T3 또한 동작하기 시작한다. 이러한 방식으로 스택에서 모든 사이리스터가 연속적으로 동작된다. 스택이 구동되면, 방전 전류는 Tr/2(133 ㎲/2 = 66.5㎲) 동안은 커패시터 C에서 스택을 통해 흐르고, 그 이후에는 전류는 방향이 바뀌어 스택의 다이오드들(D1∼D10)을 통해 흐르며, C는 역방향으로 충전된다. 공진주기의 후반부 동안 사이리스터(T1∼T10)는 오프(OFF) 상태로 있게 된다. 일단 공진주기의 한 사이클이 완성되면, 다이오드들(D1∼D10)은 오프되고 보조 트리거 회로(230)에 있는 모든 커패시터들(C11∼C110)은 CS - RS - D210 - R210 - R110 - C110 - D29 - R29 - R19 - C19 ∼ D22 - R22 - R12 - C11 - G로 이어지는 회로를 통해 V0/n까지 충전된다.
이때, D2j - R2j - R1j - C1i로 구성되는 회로(여기서,i=1,2,…,10, j=2,3,…,10)는 다이오드 Di의 스너버(snubber)로 동작하여 다이오드가 오프될 때 스위칭 오실레이션(oscillation)의 진폭을 감소시킨다. 그들은 또한 커패시터 C1i의 충전통로로 이용된다. 사이리스터(T1∼T10)에 대한 동일한 스너버를 위해 CS는 C1i, RS는 R1j와 R2j의 합과 각각 같다. C1i에 대한 다른 충전과 방전 통로는 두 가지 목적, 즉 트리거링 신호의 오실레이션과 사이리스터와 다이오드로 구성된 스위치 모듈의 오실레이션을 없애기 위해 설계되었다. 스너버에서 저항 R1j와 R2j는 C1i의 충전과 방전 전류를 제한하고 스택이 꺼질 때 야기되는 오실레이션을 없애기 위해 반드시 필요하다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체는 한 개의 능동 구동기만을 필요로 하므로, 전체적으로 구조가 간단하고 다수의 능동기가 존재함으로써 필요했던 절연 및 구동기 간의 동기화가 불필요하며, 트리거링 회로가 스너버의 역할을 겸하므로, 부품수가 감소하여 제품의 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 방식에 의한 반도체 소자(사이리스터)의 직렬 스태킹 구조를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 사이리스터 스태킹 구조체의 회로구성을 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210...구동회로부 220...단위 사이리스터 스태킹 회로
230...보조 트리거 회로 240...L-C 공진회로부

Claims (2)

  1. 다수의 사이리스터가 상호 연속적으로 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이루는 사이리스터 스태킹 구조체에 있어서,
    상기 다수의 사이리스터가 연속 접속 구조를 가지되, 각 사이리스터에는 역방향 전류의 통로 제공을 위한 다이오드와 전압의 균등 분포를 위한 저항이 각각 병렬로 접속되고, 각각 2개씩의 또 다른 다이오드와 저항, 그리고 한 개의 커패시터의 조합으로 구성된 보조 트리거 회로가 직렬로 접속되어, 하나의 단위 스태킹 회로를 이루고, 그와 같은 단위 스태킹 회로들이 다수개 중첩되어 이루어지는 회로구조체의 최외곽 단위 스태킹 회로에는 외부로부터 시스템 구동을 위한 트리거링 펄스를 입력받는 구동회로부가 접속되어 전체적으로 하나의 회로구조체를 이루는 것을 특징으로 하는 사이리스터 스태킹 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동회로부(210)는 상기 최외곽 단위 사이리스터 스태킹 회로의 사이리스터(T2)와 직렬 접속되는 사이리스터(T1)와, 그 사이리스터(T1)와 각각 병렬 접속되는 것으로 역방향 전류의 통로 제공을 위한 다이오드(D1) 및 전압의 균등 분포를 위한 저항(R1)과, 입력되는 트리거링 펄스의 정전압 유지를 위한 것으로 입력단에 병렬로 접속되는 제너다이오드(ZD)와, 제너다이오드(ZD)와 상기 사이리스터(T1) 사이에 접속되어 순방향 전류의 통로 제공을 위한 또 다른 다이오드(D21)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 사이리스터 스태킹 구조체.
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