KR100852919B1 - 반도체 소자 진단을 위한 전압-전류 측정 장치 - Google Patents

반도체 소자 진단을 위한 전압-전류 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SCR(Silicon-Controlled Rectifier), GTO(Gate Turn-off Thyristor), RCT(Reverse-Conducting Thyristor), ASCR(Asymmetrical Silicon-Controlled Rectifier) 등과 같은 고용량의 반도체 소자의 상태를 진단하기 위한 전압-전류 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 소자의 상태 측정을 위한 전압-전류 측정 장치는, 전압 제어신호에 따라 입력 교류 전압으로부터 직류 전압을 발생시켜 진단 대상인 반도체 소자에 인가하는 전압 발생 모듈과, 상기 반도체 소자에 인가된 직류 전압에 의해 상기 반도체 소자에 발생되는 전류를 계측하는 전류 계측 모듈과, 상기 전압 발생 모듈에 상기 전압 제어신호를 인가하고, 상기 전압 제어신호에 따라 상기 전압 발생 모듈에 의해 발생되는 직류 전압 정보 및 상기 전류 계측 모듈로부터 전달받은 전류 정보를 매칭시키는 제어 모듈과, 상기 제어 모듈로부터 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 전달받아 외부 장치로 전달하는 통신 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
반도체 소자, SCR, 진단, 고전압, GTO

Description

반도체 소자 진단을 위한 전압-전류 측정 장치{Apparatus for measuring voltage-current for examining semiconductor devices}
도1a 및 도1b는 각각 SCR 및 GTO의 전압-전류(V-I) 특성을 도시한 도면임.
도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압-전류 측정 장치의 블록 구성도임.
도3은 도2의 전압 발생 모듈(11)의 일예를 도시한 블록 구성도임.
<도면 주요부호의 설명>
11 전압 발생 모듈 13 전류 계측 모듈
14 A/D 변환 모듈 15 제어 모듈
16 통신 모듈
본 발명은 전압-전류 측정 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 SCR(Silicon-Controlled Rectifier), GTO(Gate Turn-off Thyristor), RCT(Reverse-Conducting Thyristor), ASCR(Asymmetrical Silicon-Controlled Rectifier) 등과 같은 고용량의 반도체 소자의 상태를 진단하기 위한 전압-전류 측정 장치에 관한 것이다.
싸이리스터란 p-n-p-n 접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로, 그 종류에는 역저지 싸이리스터, 역도통 싸이리스터, 트라이액 등이 있다. SCR은 역저지 3단자 싸이리스터로서, 실리콘 제어 정류 소자를 말한다. GTO는 3단자 턴오프 싸이리스터를 의미하며, SCR 과는 달리 음의 게이트 전류 펄스에 의하여 턴 오프 가능하며, 일단 오프(off)되면 게이트 전류 없이도 오프 상태를 유지하는 트리거 오프(trigger off) 기능을 가진다.
도1a 및 도1b는 각각 SCR 및 GTO의 전압-전류(V-I) 특성을 도시한 도면이다. 싸이리스터를 포함하는 반도체 소자의 특성은 도1a 또는 도1b에 도시된 바와 같은 V-I 특성 곡선에 의해 파악할 수 있다. 즉, V-I 특성 곡선을 분석하면 해당 반도체 소자가 정상적으로 동작하고 있는지, 반대로 오동작하고 있는지 등의 반도체 소자 상태의 진단이 가능해진다.
종래기술에 있어서, 반도체 소자의 V-I 특성을 파악하는 방법으로 곡선 트레이서(curve tracer)를 사용하는 방법이나 메가 미터(megohm meter)를 통한 절연 저항의 측정 방법 등이 있다. 곡선 트레이서를 사용하는 방법은 진단 전압이 낮고, 전류 용량이 낮아 소용량 소자의 경우에는 적합하지만, 싸이리스터와 같은 대전력 소자의 특성을 분석하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 메가 미터를 통한 절연 저항의 측정 방법은 특정 전압에서의 저항값만 측정할 수 있어 비선형적으로 나타나는 반도체 소자의 I-V 특성을 파악하는데 한계가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점 내지는 한계를 극복하기 이하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대용량의 반도체 소자의 상태를 정확하게 파악할 수 있는 전압-전류 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 소자의 전압-전류 특성을 파악하여 외부 장치로 전달하는 과정에서 상기 전압-전류 특성을 파악하기 위해 발생되는 고전압의 영향이 상기 외부 장치에 영향을 미치지 않도록 할 수 있는 전압-전류 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명에 따른 반도체 소자의 상태 측정을 위한 전압-전류 측정 장치는, 전압 제어신호에 따라 입력 교류 전압으로부터 직류 전압을 발생시켜 진단 대상인 반도체 소자에 인가하는 전압 발생 모듈과, 상기 반도체 소자에 인가된 직류 전압에 의해 상기 반도체 소자에 발생되는 전류를 계측하는 전류 계측 모듈과, 상기 전압 발생 모듈에 상기 전압 제어신호를 인가하고, 상기 전압 제어신호에 따라 상기 전압 발생 모듈에 의해 발생되는 직류 전압 정보 및 상기 전류 계측 모듈로부터 전달받은 전류 정보를 매칭시키는 제어 모듈과, 상기 제어 모듈로부터 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 전달받아 외부 장치로 전달하는 통신 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 세부적 특징으로서, 상기 제어 모듈은 상기 전압 발생 모듈이 제1 직류 전압으로부터 제2 직류 전압까지 순차적으로 증가시키면서 상기 직류 전압을 발생시킬 수 있도록 상기 전압 제어신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 세부적 특징으로서, 상기 전압 발생 모듈은, 상기 입력 교류전압을 변압시키는 절연 변압부와, 상기 절연 변압부의 출력을 직류전압으로 변환하는 AC-DC 정류부와, 상기 AC-DC 정류부의 출력을 입력으로 하여 고압 트랜스를 구동하는 반파 인버터와, 상기 고압 트랜스의 출력을 배전압시키는 배전압 정류부를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 세부적 특징으로서, 상기 통신 모듈은, 상기 제어 모듈로부터 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 전달받아 무선 전송을 위한 신호 포맷으로 변환하여 무선 전송하는 제1 통신 모듈과, 상기 제1 통신 모듈로부터 무선 신호로 수신된 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 유선 신호로 변환하여 상기 외부 장치로 전달하는 제2 통신 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압-전류 측정 장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압-전류 측정 장치(10)는, 전압 제어신호에 따라 입력 교류 전압으로부터 직류 전압을 발생시켜 진단 대상인 반도체 소자에 인가하는 전압 발생 모듈(11)과, 상기 반도체 소자에 인가된 직류 전압에 의해 상기 반도체 소자에 발생되는 전류를 계측하는 전류 계측 모듈(13)과, 상기 전류 계측 모듈(13)에 의해 계측된 전류 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 변환부(14)와, 상기 전압 발생 모듈(11)에 상기 전압 제어신호를 인가하고, 상기 전압 제어신호에 따라 상기 전압 발생 모듈(11)에 의해 발생되는 직류 전압 정보 및 상기 A/D 변환부(14)로부터 전달받은 전류 정보를 매칭시키는 제어 모듈(15) 및 상기 제어 모듈(15)로부터 상기 직류 전압 정보 및 상기 직류 전압 정보에 매칭되는 전류 정보를 전달받아 외부 장치(20)로 전달하는 통신 모듈(16)을 포함하여 구성된다.
상기 전압 발생 모듈(11)은 교류 전압, 바람직하게는 상용 220V 교류 전압을 입력 받아 상기 제어 모듈(15)로부터 인가되는 전압 제어신호에 따라 직류 전압을 발생시켜 측정 대상인 반도체 소자(12)에 인가한다. 상기 전압 제어신호는 상기 전압 발생 모듈(11)이 제1 직류 전압으로부터 제2 직류 전압까지 순차적으로 증가되면서 발생할 수 있도록 제어하는 신호를 의미하고, 상기 제어 모듈(15)로부터 인가된다. 상기 전압 제어신호는 상기 제어 모듈(15)이 자체적으로 발생시키는 것도 가능하지만, 사용자가 상기 외부 장치(20) 또는 상기 제어 모듈(15)에 연결된 별도의 스위치 같은 조작 장치를 통해 내린 명령 정보에 따라 발생시킬 수 있도록 구성하는 것도 가능하다. 상기 제1 직류 전압 및 제2 직류 전압은 상기 반도체 소자(12)의 종류에 따라 해당 반도체 소자의 특성을 파악할 수 있는 범위 내에서 선택할 수 있다. 예를 들어, 도1a에 도시된 SCR의 경우 애벌란시 항복 전압(-VA)를 상기 제1 직류 전압으로 하고, 순방향 항복 전압(VA)을 상기 제2 직류 전압으로 할 수 있다.
도3은 상술한 바와 같은 기능을 할 수 있는 상기 전압 발생 모듈(11)의 일예 를 도시한 블록 구성도이다. 예를 들어, 가정용 상용 전원인 220V 교류 전압을 절연변압부(11)에 의해 변압시키고, AC-DC 정류부(112)에 의해 DC 전압으로 변환한다. 상기 AC-DC 정류부(112)의 출력인 DC 전압을 반파인버터(112)의 전원으로 공급하여 고압 트랜스에 의해 전압의 출력을 높인 후에 배전압 정류부(114)에 의해 배전압시키면 최대 7000V 까지의 고전압을 출력시킬 수 있다. 이때, 상기 제어 모듈(15)로부터 인가되는 상기 전압 제어신호는 상기 AC-DC 정류부(112)의 출력을 제어함으로써 상기 전압 발생 모듈(110의 출력을 제1 직류 전압으로부터 제2 직류 전압까지 순차적으로 증가되면서 발생할 수 있도록 제어할 수 있다. 도3에 도시된 구성은 상기 전압 발생 모듈(11)의 일예에 불과한 것으로서, 이외에도 다양한 방법에 의해 상기 전압 발생 모듈(11)을 구성하는 것이 가능하다.
상기 전류 계측 모듈(13)은 상기 전압 발생 모듈(11)에 의해 인가된 직류 전압으로 인해 상기 반도체 소자로부터 나오는 전류를 계측한다. 상기 A/D 변환 모듈(14)은 상기 전류 계측 모듈(13)에 의해 계측된 전류 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 상기 제어 모듈(15)에 전달한다. 설계 방식에 따라서는 상기 A/D 변환 모듈(14)을 상기 전류 계측 모듈(13)에 포함시켜 하나의 모듈로 구성할 수 있음은 자명하다.
상기 제어 모듈(15)은 상기 A/D 변환 모듈(14)로부터 전달받은 전류 정보를 해당 전류를 발생시킨 전압 정보와 매칭시켜 상기 통신 모듈(16)에 전달한다. 상기 제어 모듈(15)은 상기 전압 발생 모듈(11)에서 발생되는 직류 전압을 제어하는 전압 제어신호를 발생시키므로 상기 전류 정보 및 전압 정보를 용이하게 매칭시킬 수 있다. 상기 전압 제어신호를 상기 전압 발생 모듈(11)에 인가하고, 상기 전압 제어신호에 따라 상기 전압 발생 모듈(11)에 의해 발생되는 직류 전압 정보 및 상기 A/D 변환부(14)로부터 전달받은 전류 정보를 매칭시키는 기능을 수행하는 제어 모듈(15) 하나의 DSP(Digital Signal Processing) 칩으로 구현 가능하다.
상기 통신 모듈(16)은 상기 제어 모듈(15)로부터 전달받은 전압-전류 정보를 상기 외부 장치(20)에 전달한다. 상기 통신 모듈(16)을 USB 포트(port)와 같은 일반 포트를 이용하여 구성하는 것도 가능하지만, 상기 통신 모듈(16)을, 상기 제어 모듈(16)로부터 상기 전압-전류 정보를 전달받아 무선 전송을 위한 신호 포맷으로 변환하여 무선 전송하는 제1 통신 모듈(16a)과, 상기 제1 통신 모듈(16a)로부터 무선 신호로 수신된 상기 전압-전류 정보를 유선 신호로 변환하여 상기 외부 장치(20)로 전달하는 제2 통신 모듈(16b)에 의해 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 통신 모듈(16a) 및 제2 통신 모듈(16b)을 광 결합기(photo coupler) 또는 블루투스(bluetooth) 칩 등을 이용하여 구성하면 서로 간에 무선 방식에 의해 정보를 교환할 수 있도록 할 수 있다. 상기 제1 통신 모듈(16a)과 제2 통신 모듈(16b) 무선 통신 방식에 의해 정보를 교환할 수 있도록 함으로써 상기 전압-전류 측정 장치(10)와 상기 외부 장치(20)를 전기적으로 고립시킬 수 있어 상기 전압-전류 측정 장치(10)에서 발생되는 고전압의 영향이 상기 외부 장치(20)에 미치지 않도록 할 수 있다. 상기 제2 통신 모듈(16)과 상기 외부 장치(20) 간에는 USB와 같은 일반 유선 포트를 이용하여 연결할 수 있다.
상기 외부 장치(20)는 상기 전압-전류 측정 장치(10)로부터 상기 반도체 소 자의 전압-전류 정보를 전달받아 사용자가 시각적으로 확인할 수 있도록 문자 또는 그래픽 데이터로 변환하여 디스플레이 장치에 디스플레이하거나 프린터를 통해 출력할 수 있도록 하는 소프트웨어가 내장된 사용자-인터페이스 장치로서, 일반 개인용 컴퓨터(PC), PDA(Personal Digital Assistant) 또는 이동통신용 단말 등이 될 수 있다. 상기 소프트웨어의 구현 방식에 따라서는 상기 전압 발생 모듈(11)로부터 출력되는 제1 직류 전압으로부터 제2 직류 전압까지 변할 때까지의 전류 특성의 정상 동작 범위를 미리 설정하고 상기 정상 동작 범위를 벗어나면 상기 반도체 소자(12)가 정상이 아님을 적절한 수단에 의해 사용자에게 알려줄 수 있도록 구성할 수 있다. 상기 전압-전류 측정 장치에 의해 진단 가능한 상기 반도체 소자는 도1a 및 도1b를 통하여 예를 들은 SCR이나 GTO 뿐만 아니라 다른 선형 또는 비선형의 전압-전류 특성을 갖는 다른 반도체 소자일 수 있다. 즉, 해당 반도체 소자의 전압-전류 특성에 따라 상기 제어 모듈(15)로부터 인가되는 전압 제어신호를 적절하게 조절하여 상기 전압 발생 모듈(11)로부터 출력되는 출력 전압을 제어하면 모든 종류의 반도체 소자가 실제로 동작하는 전압-전류 특징을 진단할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명에 의한 전압-전류 측정 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, SCR, GTO, RCT 등과 같은 대전력의 반도체 소자의 전압-전류 특성을 정확하게 파악할 수 있어 상기 반도체 소자의 열화 상태의 판단이 가능하다.
둘째, 반도체 소자의 전압-전류 특성을 파악하여 외부 장치로 전달하는 과정에서 상기 전압-전류 특성을 파악하기 위해 발생되는 고전압의 영향이 상기 외부 장치에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.

Claims (11)

  1. 반도체 소자의 상태를 진단하기 위한 전압-전류 측정 장치에 있어서,
    전압 제어신호에 따라 입력 교류 전압으로부터 직류 전압을 발생시켜 진단 대상인 반도체 소자에 인가하는 전압 발생 모듈;
    상기 반도체 소자에 인가된 직류 전압에 의해 상기 반도체 소자에 발생되는 전류를 계측하는 전류 계측 모듈;
    상기 전압 발생 모듈에 상기 전압 제어신호를 인가하고, 상기 전압 제어신호에 따라 상기 전압 발생 모듈에 의해 발생되는 직류 전압 정보 및 상기 전류 계측 모듈로부터 전달받은 전류 정보를 매칭시키는 제어 모듈; 및
    상기 제어 모듈로부터 상기 직류 전압 정보 및 상기 직류 전압 정보에 매칭되는 전류 정보를 전달받아 외부 장치로 전달하는 통신 모듈을 포함하고,
    상기 제어 모듈은 상기 전압 발생 모듈이 제1 직류 전압으로부터 제2 직류 전압까지 순차적으로 증가시키면서 상기 직류 전압을 발생시킬 수 있도록 상기 전압 제어신호를 인가하는 전압-전류 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전압 발생 모듈은,
    상기 입력 교류전압을 변압시키는 절연 변압부와;
    상기 절연 변압부의 출력을 직류전압으로 변환하는 AC-DC 정류부와;
    상기 AC-DC 정류부의 출력을 입력으로 하여 고압 트랜스를 구동하는 반파 인버터와;
    상기 고압 트랜스의 출력을 배전압시키는 배전압 정류부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 제어신호는 상기 AC-DC 정류부의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  5. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 계측 모듈은 계측된 전류 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  6. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통신 모듈은,
    상기 제어 모듈로부터 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 전달받아 무선 전송을 위한 신호 포맷으로 변환하여 무선 전송하는 제1 통신 모듈과;
    상기 제1 통신 모듈로부터 무선 신호로 수신된 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 유선 신호로 변환하여 상기 외부 장치로 전달하는 제2 통신 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 통신 모듈은,
    상기 제어 모듈로부터 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 전달받아 무선 전송을 위한 신호 포맷으로 변환하여 무선 전송하는 제1 통신 모듈과;
    상기 제1 통신 모듈로부터 무선 신호로 수신된 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 유선 신호로 변환하여 상기 외부 장치로 전달하는 제2 통신 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 싸이리스터(thyristor)인 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외부 장치는 상기 직류 전압 정보 및 전류 정보를 문자 데이터 또는 그래픽 데이터의 형태로 가공하여 화면 또는 프린터를 통해 출력할 수 있는 소프트웨어를 구비한 장치인 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 외부 장치는 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant) 및 이동통신용 단말 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 통신 모듈 및 제2 통신 모듈은 광 결합기(photo coupler)를 통해 무선 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 전압-전류 측정 장치.
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