KR100902608B1 - 지능형 전력 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모듈 내부의 전력 소모를 최소화하며, 입력 신호에 대한 노이즈를 감소시켜 안정된 전압 공급 및 노이즈에 의한 오동작 방지를 할 있는 지능형 전력 모듈에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 펄스폭 변조 방식에 따라 전력 소자의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버를 포함하는 제어블록이 집적된 지능형 전력 모듈에 있어서, 입력 전압을 저전압 레벨로 레벨 쉬프팅하여 게이트 드라이버에 전달하는 입력 스테이지부와, 상기 제어블록에 공급되는 VDD 전압과 동작에 필요한 바이어스용 전류 및 각종 기준 전압을 생성하는 바이어스 및 기준전압 발생부와, 상기 입력 스테이지부를 통해 일정 크기의 입력 신호가 들어 올 때 상기 바이어스 및 기준전압 발생부에 전원전압을 출력하는 셀프 턴온부와, 상기 입력 스테이지부의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 입력이 들어오지 않을 경우 상기 셀프 턴온부의 동작을 중지시키는 전력 제어부와, 상기 전력 소자의 게이트에 인가되는 전원 전압이 기준치 이하일 경우 에러신호를 발생하는 저전압 에러신호 발생부와, 상기 지능형 전력 모듈 동작온도가 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 과온 에러신호 발생부와, 상기 전력 소자의 전류를 저항으로 감지하는 전류 감지부와, 상기 전류 감지부로부터의 출력을 입력으로 받아 전류값이 제 1 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 과전류 에러신호 발생부와, 상기 저전압 에러신호 발생부와 과전류 에러신호 발생부와 과온 에러신호 발생부의 출력을 입력으로 받아 적어도 하나 이상에서 에러신호가 검출될 경우 에러신호를 발생하는 에러 선택부와, 상기 에러 선택부의 출력을 입력으로 받아 에러신호를 출력하는 에러신호 발생부와, 상기 에러신호 발생부의 출력을 에러신호를 입력으로 받아 상기 입력 스테이지부를 리셋시키는 입력 리셋 제어부를 포함하여 구성된다.

기능형 전력 모듈, 게이트 드라이버, 셀프 턴온, 에러, 보호

Description

지능형 전력 모듈{Intelligent Power Module}

본 발명은 지능형 전력 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모듈 내부의 전력 소모를 최소화하며, 입력 신호에 대한 노이즈를 감소시켜 안정된 전압 공급 및 노이즈에 의한 오동작 방지를 할 있는 지능형 전력 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 전원 공급 장치, 즉 지능형 전력 모듈(IPM: Intelligent Power Module)은 인버터 또는 모터를 구동할 때에 사용되는 MOSFET나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)등의 전력 스위칭 소자와 게이트 구동 IC, 제어회로, 기본적인 보호회로 등을 단일 패키지 내에 구성하고, 별도의 추가 부품 없이 전원과 신호만 공급하면 입력된 신호에 따라 높은 전압과 전류를 외부에 공급할 수 있도록 하는 것이다.

지능형 전력 모듈(IPM: Intelligent Power Module)에 내장되는 게이트 구동 IC는 과전류(over current) 보호, 단락(short circuit) 보호, 저전압(under voltage) 보호, 과열(over temperature) 보호 기능과 같은 각종 보호회로가 필요하다.

그런데, 전력 모스펫(Power MOSFET)이나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 큰 전력을 소비하는 모터나 램프와 같은 모듈 응용 제품에 적용되는 것으로서, 기본적으로 많은 전력을 소비한다.

따라서, 온도, 과전류, 회로 단락에 따른 회로 이상이나 장치의 손상 및 IC 파괴까지 이어질 수 있으므로, 필수적으로 보호회로가 구비되어야 하며, 보호회로에 소비되는 전력을 최소화되어야 한다.

본 발명의 목적은 전력 모듈 구성 요소들을 전원 전압보다 낮은 VDD 전압으로 구동시켜 전력 소모를 줄일 수 있도록 하는 지능형 전력 모듈을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 입력 신호의 부재시 전력 모듈 구성 요소들에 공급되는 전원을 차단하고, 전력 공급 차단 상태에서 입력 신호가 인지될 경우 자동으로 전원을 재공급함으로써, 전력 소모를 최소화할 수 있는 지능형 전력 모듈을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 입력 스테이지에 슈미트 트리거를 구성하여 노이즈의 영향을 최소화하여 신호를 안정화하며, 입력 신호 전압을 레벨 쉬프팅하여 저전압으로 동작 환경을 갖는 지능형 전력 모듈을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 전원 전압과 제어블록 전압을 구분하여 안정된 저전압 공급 및 저전력 소모를 가능하게 하기 위한 지능형 전력 모듈을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 보호 회로의 노이즈에 의한 에러검출 오동작의 영향을 최소화함으로써, 전력 모듈 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 지능형 전력 모듈을 제공함에 있다.

그리고, 본 발명의 목적은 에러 발생시 게이트 드라이버의 구동을 정지시켜 스위칭 노이즈 및 전력 소모를 최소화할 수 있도록 하는 지능형 전력 모듈을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 지능형 전력 모듈은, 펄스폭 변조 방식에 따라 전력 소자의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버를 포함하는 제어블록이 집적된 지능형 전력 모듈에 있어서, 입력 신호 전압을 저전압 레벨로 레벨 쉬프팅하여 게이트 드라이버에 전달하는 입력 스테이지부와, 상기 제어블록에 공급되는 VDD 전압과 동작에 필요한 바이어스용 전류 및 각종 기준 전압을 생성하는 바이어스 및 기준전압 발생부와, 상기 입력 스테이지부를 통해 일정 크기의 입력 신호가 들어 올 때 상기 바이어스 및 기준전압 발생부에 전원전압을 출력하는 셀프 턴온부와, 상기 입력 스테이지부의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 입력이 들어오지 않을 경우 상기 셀프 턴온부의 동작을 중지시키는 전력 제어부와, 상기 전력 소자의 게이트 드라이버에 인가되는 전원 전압이 기준치 이하일 경우 에러신호를 발생하는 저전압 에러신호 발생부와, 상기 지능형 전력 모듈 및 전력 소자의 동작온도가 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 과온 에러신호 발생부와, 상기 전력 소자의 전류를 저항으로 감지하는 전류 감지부와, 상기 전류 감지부로부터의 출력을 입력으로 받아 전류값이 제 1 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 과전류 에러신호 발생부와, 상기 저전압 에러신호 발생부와 과전류 에러신호 발생부와 과온 에러신호 발생부의 출력을 입력으로 받아 적어도 하나 이상에서 에러신호가 검출될 경우 에러신호를 발생하는 에러 선택부와, 상기 에러 선택부의 출력을 입력으로 받아 에러신호를 출력하는 에러신호 발생부와, 상기 에러신호 발생부의 출력을 입력으로 받아 상기 입력 스테이지부를 리셋시키는 입력 리셋 제어부를 포함하여 구성된다.

본 발명은 전력 소모를 최소화할 수 있으며, 입력 노이즈의 영향을 줄여 노이즈에 따른 오동작을 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 전력 모듈 구성도이고, 도 2는 도 1의 본 발명의 지능형 전력 모듈을 회로로 구현 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 펄스폭 변조 방식에 따라 전력 소자의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버를 포함하는 제어블록이 집적된 지능형 전력 모듈에 관한 것으로서, 입력스테이지부(1), 바이어스 및 기준전압 발생부(2), 셀프 턴온부(3), 전력 제어부(4), 저전압 에러신호 발생부(5), 과온 에러신호 발생부(6), 전류 감지부(7), 과전류 에러신호 발생부(8), 쇼트 전류 보호부(9), 에러 선택부(10), 딜레이부(11), 에러신호 발생부(12), 입력 리셋 제어부(13)를 포함한다.

우선, V_POWER는 제어블록에 인가되는 전원 전압 입력 단자이다.

그리고, V_POWER를 통해 제어블록에 전원이 인가되면 이 전압은 바이어스 및 기준전압 발생부(2)의 입력으로 쓰이며, V_POWER로부터의 전원을 입력으로 하는 바이어스 및 기준전압 발생부(2)는 셀프 턴온부(3)를 제외한 구성 요소들에 V_POWER보다 낮은 VDD 전압을 공급한다.

또한, 각 구성요소들에 공급되는 기준 전압과 전류는 모두 바이어스 및 기준전압 발생부(2)에서 공급되므로, 셀프 턴온부(3)가 오프되는 경우 전체 모듈 내의 전원이 차단된다.

또한, V_POWER로부터의 전압보다 낮은 VDD 전압이 공급됨에 따라 입력 신호의 크기도 저전압 레벨로 쉬프팅하여 공급함이 바람직하다.

그리고, INPUT_PWM은 시스템에 인가되는 입력 신호 단자이고, FAULT OUT은 에러신호 발생시 외부로 에러신호를 전달하는 단자이고, OUTPUT은 전력소자 구동을 위한 신호가 입력되는 단자이고, CRT_SENSE는 전류를 감지하는 단자이며, TEMP_SENSE는 온도를 감지하는 단자를 나타낸다.

여기서, 입력 스테이지부(Input stage; 1)는, 입력 신호 전압을 저전압 레벨로 레벨 쉬프팅하여 기준 전압 이상의 전압이 감지될 경우 게이트 드라이버(14)에 신호를 전달하는 것이다.

더욱 상세하게는, 입력 스테이지부(1)는, 외부에서 PWM 신호를 입력받아 노이즈의 영향을 최소화하면서 게이트 드라이버(14)로 신호를 전달한다.

이때, 노이즈로부터의 영향을 줄이고 전력소모를 줄이기 위해 슈미트 트리거 타입으로 구성하고, 들어오는 입력의 전압을 저전압 레벨로 레벨 쉬프팅한다.

또한, 입력신호 유무 판단을 위해 전력 제어부(4)로 출력을 전달하며, 에러신호 검출시 입력 리셋 제어부(13)로부터 신호입력을 받아 입력을 리셋 상태를 유지한다.

이에 따라, 게이트 드라이버(14)에 신호를 전달하지 못함으로써, 게이트 드라이버(14)의 구동을 정지된다.

도 3은 도 2의 입력 스테이지부의 구체적인 회로 구현도로서, 레벨 쉬프팅 부(1a)와, 역전압 보호부(1b) 및 슈미트 트리거부(1c)로 구성된다.

여기서, 레벨 쉬프팅부(1a)는 입력 신호 전압을 분배하여 고전압 레벨의 신호를 저전압 레벨의 신호로 레벨 쉬프팅하기 위한 저항들(R1,R2)로 구성되며, 역전압 보호부(1b)는 역전압을 방지하기 위한 다이오드(D1)로 구성된다.

그리고, 슈미트 트리거부(1c)는, 노이즈로부터의 영향을 줄이기 위하여 회로를 슈미트 트리거 형태로 구성한 것으로서, 비교기(COM1)와 비교기(COM1)의 출력에 다단으로 연결되는 인버터들(IV1,IV2)과 비교기(C0M1)의 입력에 연결되는 저항(R3,R4,R5)과 NPN 바이폴라트랜지스터(NPN1)를 포함하여, 각 저항값을 조절하여 트리거 전압을 조절할 수 있다.

바이어스 및 기준전압 발생부(Bias & reference generator; 2)는, 셀프 턴온부(3)의 출력을 입력으로 받아 제어블록 내의 전체 구성 요소들에 공급되는 VDD 전압과 동작에 필요한 바이어스용 전류 전압 및 각종 기준 전압이나 전류를 생성한다.

본 발명의 실시예에서는 전력 모스펫(Power MOSFET)이나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력 소자는 12V 이상의 전원으로 구동하지만, 제어블록 내의 구성 요소들은 5V 전원으로 구동하게 하여 전력 소모를 감소시킨다.

셀프 턴온부(Self turn-on; 3)는, 입력 스테이지부(1)를 통해 일정 크기의 입력 신호가 들어 올 때 바이어스 및 기준전압 발생부(2)에 전원전압을 출력하며, 셀프 턴온부(3)의 출력을 게이트 드라이버의 VDD 전압으로 사용할 수도 있다.

셀프 턴온부(3)는, 도 4에 도시된 바와 같이 V_POWER에 연결되어 전체 누설 전류의 크기를 결정하기 위한 저항(R6)과, 역전압을 방지하기 위한 역전압 보호용 다이오드들(D2,D3,D4,D5)과 NPN 바이폴라트랜지스터(NPN2) 및 PNP 바이폴라트랜지스터(PNP1)로 구성된다.

이러한 셀프 턴온부(3)는, 전원전압, PWM 입력 신호, 전력 제어부(4)의 출력을 입력으로 받아 바이어스 및 기준전압 발생부(2)에 전원 전압을 전달한다.

다시 말해, 최초 PWM 입력 신호가 일정한 크기로 들어올 때, 셀프 턴온부(3)는 동작이 계속유지(locking)되어 전원전압을 바이어스 및 기준전압 발생부(2)로 전달한다.

그리고, 셀프 턴온부(3)의 동작이 계속 유지(locking) 상태이면 입력의 유무에 상관없이 전원 전압을 바이어스 및 기준전압 발생부(2)로 전달한다.

이때, 전력 제어부(4)로부터의 제어 신호에 따라 계속 유지 상태가 해제되면 동작을 멈춰 전원전압을 바이어스 및 기준전압 발생부(2)로 전달하지 못하게 된다.

이에 따라, 바이어스 및 기준전압 발생부(2)는 제어블록 전체에 VDD 전압을 공급하지 못하게 되며, 이 상태에서 입력이 들어오면 다시 셀프 턴온 동작을 시작한다.

이러한 일련의 과정에 따라 셀프 턴온부가 동작 또는 동작 중지 상태를 반복하여 제어블록의 구성 요소들에 공급되는 VDD 전압을 제어할 수 있다.

여기서, 셀프 턴온부(3)가 정지 상태가 될 경우 전류 패스가 저항(R6)을 통해 NPN 바이폴라트랜지스터(NPN2)로 형성되어 누설 전류가 발생하는데, 이때, 저항(R6)의 용량을 가변시켜 누설 전류를 감소시킬 수 있다.

그리고, 게이트 드라이버(14)의 V_P2 단자와, 에러 신호 발생부(12)의 V_P2 단자 및 셀프 턴온부(3)의 PNP 바이폴라 트랜지스터(PNP1) 다음 노드의 V_P2 단자들은 경우에 따라 V_power 단자로 바꾸어 사용할 수 있다.

단, 이 경우 누설 전류가 증가할 수 있다.

또한, V_P2 단자를 그대로 사용할 경우 높은 용량의 입력 전류를 버티기 위하여 PNP 바이폴라 트랜지스터(PNP1)의 전력 용량이 커져야 한다.

전력 제어부(Power control;4)는, 입력 스테이지부(1)의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 입력이 들어오지 않을 경우 셀프 턴온부(3)의 동작을 중지시키는 것으로서, 셀프 턴온부(3) 제어 역할을 한다.

전력 제어부(4)는 도 5에 도시된 바와 같이 입력 스테이지부(1)에 연결되는 인버터(IV3)와 인버터(IV3)의 출력에 다단으로 연결되는 비교기들(COM2,COM3)과 비교기들 사이에 접지 연결된 캐패시터(C1)과 비교기의 최종 출력단에 연결된 NPN 바이폴라 트랜지스터(NPN3) 및 저항(R7)으로 구성된다.

이때, 입력 신호가 일정 시간 이상 동안 들어오지 않을 경우 입력 신호의 정지로 판단하여 셀프 턴온부의 동작을 오프시키는데, 이때의 일정 지연 시간에 대한 조절을 캐패시터(C1)를 이용하여 실시할 수 있다. 여기서, 본 발명은 일정 지연 시간 조절을 캐패시터를 이용하여 실시하는 것으로 설명하였으나, 다양한 실시예를 통해 다른 소자들을 적용하는 것으로 변형 가능하다.

예를 들어, 10초 이상으로 입력 신호가 없으면 입력 스테이지부로의 신호 입력이 없는 것으로 판단하여, 셀프 턴온부(3)를 오프 시키는데, 이때 10초라는 시간 설정은 캐패시터(C1)를 통한 충전 시간을 이용하여 구현하는 것이다.

이러한 구성에 따라 전력 제어부(4)는, 입력 스테이지부(1)의 PWM 출력 신호를 입력으로 받아 일정 시간 이상 입력이 들어오지 않을 경우 셀프 턴온부(3)의 동작을 중지(locking 해지) 시키는 출력을 셀프 턴온부(3)의 입력으로 보내, 셀프 턴온부(3)의 동작을 중지 시킴으로써, V_POWER를 통해 인가되는 전원전압이 바이어스 및 기준전압 발생부로 전달되지 못하도록 하여 전력 소모를 방지한다.

저전압 에러신호 발생부(Under voltage error signal generator; 5)는, 전력 소자의 게이트드라이버(14)에 인가되는 전원 전압이 기준치 이하일 경우 에러신호를 발생한다.

즉, 저전압 에러신호 발생부는 전원전압이 일정한 수준 이하로 낮아졌다는 것을 에러신호로 발생하는 것으로서, 에러신호를 에러 선택부(10)로 전달하며 일정 수준의 전원전압에 대한 제어는 제어블록 내부 또는 외부에서 이루어질 수 있다.

과온 에러신호 발생부(Over Temperature Error Signal Generator;6)는, 전력 소자의 동작온도가 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 것으로서, 비교기(COM6)와 버퍼들(B7,B8)을 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 과온 에러신호 발생부(6)는, 지능형 전력 모듈과 모터의 온도가 일정 수준 이상일 경우 에러신호를 발생하는 것으로서, 온도가 일정 수준 이상으로 높아질 경우 에러 선택부(10)로 에러신호를 전달하며, 온도를 나타내는 전압이나 전류는 내부나 외부에서 입력으로 취할 수 있다.

전류 감지부(Current sensing; 7)는, 전력 소자의 전류를 저항으로 감지하는 버퍼(B1)로 구성된다.

즉, 외부에 구동되어지는 전력소자들의 전류를 저항으로 감지하여 과전류 에러신호 발생부(8)와, 쇼트 전류 보호부(9)의 입력으로 증폭하여 보내주는 것으로서, 저항으로 감지된 전압의 증폭률은 내부나 외부에서 제어 가능하다.

또한, 전류 감지부(7)의 게이트 드라이버의 출력 노드(OUTPUT)와 전류 감지 센서(CRT_SENSE) 사이에는 전력 소자의 전류를 안정화된 DC 전압으로 변화하여 전류 감지부(7)로 전달하는 전류 안정화부(11)가 더 포함된다.

여기서, 전류 안정화부(11)는, 전력 소자의 전류를 저항으로 감지하여 전압으로 바꾼후 필터를 거쳐 DC 레벨 전압으로 변환하고, 변환된 DC 레벨 전압을 증폭함으로써, 노이즈와 리플을 제거하여 안정화된 DC 전압을 만들어 준다.

과전류 에러신호 발생부(Over current error signal generator;8)는, 전류 감지부(7)로부터의 출력을 입력으로 받아 전류값이 제 1 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하여 에러 선택부로 전달하는 것으로서, 비교기(COM5)와 버퍼들(B5,B6)로 구성될 수 있다.

즉, 과전류 에러신호 발생부(8)는, 전류 감지부(7)의 출력을 입력으로 받아 일정 수준 이상의 입력이 들어올 경우 전력 소자들의 동작 전류가 과전류인 것으로 간주하고, 이를 에러신호로 발생하는 것으로서, 과전류의 기준은 내부나 외부에서 제어 가능하다.

쇼트 전류 보호부(Short circuit protection;9)는, 전류 감지부(7)로부터의 출력을 입력으로 받아 제 2 기준치 이상일 경우 쇼트된 것으로 판단하여 게이트 드라이버를 강제로 리셋시킨다.

쇼트 전류 보호부(9)는, 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 버퍼(B1,B2,B3)와 비교기(COM4) 및 NPN 바이폴라트랜지스터(NPN4)를 포함한다.

이러한 구성에 따라, 쇼트 전류 보호부(9)는, 전류 감지부(7)의 출력을 입력으로 받아 일정 수준 이상의 입력이 들어오는지 비교하여, 일정 수준 이상의 입력이 들어올 경우 외부 회로가 쇼트된 것으로 가정하여 게이트 드라이버(14)를 강제로 리셋 시킨다. 여기서, 일정 수준의 기준은 내부나 외부에서 제어 가능하다.

한편, 에러 선택부(10)는, 저전압 에러신호 검출부(5), 과전류 에러신호 발생부(8)와 과온 에러신호 발생부(6)의 출력을 입력으로 받아 적어도 하나 이상에서 에러신호가 검출될 경우 로우(low) 신호를 출력하는 3 입력(INPUT) NOR와 3 입력(INPUT) NOR로부터의 출력을 딜레이시켜 역변환하는 인버터(IV4)로 구성된다.

즉, 에러신호 중 어느 하나 즉, 저전압 에러신호 발생부(5), 과전류 에러신호 발생부(8), 과온 에러신호 발생부(6)의 에러신호 중 하나라도 입력되면, 3 입력(INPUT) NOR에서 로우(low) 신호를 출력하고, 이 신호는 인버터로 구성되는 딜레이부(IV4)로 전달된다.

딜레이부(IV4)는, 3 입력(INPUT) NOR의 출력을 입력으로 받아 에러 신호가 일정 시간 이상 지속되는지 감지하여 역변환된 신호를 출력한다.

즉, 에러신호가 일정 시간 이하 발생한 경우 에러로 보지 않고 에러신호를 노이즈로 판단하는 것으로서, 노이즈로 인한 에러 검출 오동작을 방지하기 위한 것이다.

이를 위하여, 에러 선택부(10)로부터의 신호가 일정 시간 이상 지속될 경우에만 에러신호 발생부(12)의 입력으로 출력 신호를 전달하며, 일정 시간은 외부나 내부에서 제어 가능하다.

에러신호 발생부(Error signal generator;12)는, 에러 선택부(10)의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 동안 에러신호를 발생하여 출력하며 에러신호를 외부로 전달하는 것으로서, 일정 시간은 외부나 내부에서 제어 가능하게 구성된다.

상세하게는, 에러신호 발생부(12)는 도 7에 도시된 바와 같이 딜레이의 출력을 입력으로 받아 출력 신호를 출력하되, 일정 시간 동안의 에러신호를 전달한 후 원상태로 복귀하기 위하여 SR-래치(SR-latch)를 포함한다. 또한, 에러 발생 시간을 조절하여 각 구성 요소들의 구동 정지 시간을 제어하기 위하여, 딜레이용 캐패시터(C2)를 포함한다.

즉, 캐패시터(C2)의 용량에 따라 에러신호의 출력 시간이 조절됨에 따라 입력 리셋 제어부(13)를 통한 제어 신호의 출력이 제어되고, 그에 따라 입력 스테이지부(1)의 리셋 시간이 제어된다.

여기서, 본 발명은 일정 에러 시간 조절을 캐패시터를 이용하여 실시하는 것으로 설명하였으나, 다양한 실시예를 통해 다른 소자들을 적용하는 것으로 변형 가능하다.

그리고, 입력 스테이지부(1)의 리셋 시간 제어는 게이트 드라이버(14)의 구동 신호 입력 정지 시간을 제어하는바, 게이트 드라이버(14) 구동 정지 시간을 제어할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 중요한 것은 에러 신호 발생 시간을 전력 제어부(4)에서 셀프 턴온부(3)를 오프시키기 위한 입력 신호의 부재 시간보다 짧은 것이 바람직하다.

다시 말해, 에러 발생시에는 제어 블록 전체 동작을 정지시킬 필요가 없고, 게이트 드라이버(14)만 정지시키면 된다.

따라서, 에러 신호 발생 시간을 전력 제어부에서 입력 신호 부재라 판단하는 시간 보다 짧게 하여 에러가 발생하는 경우 게이트 드라이버의 구동만을 정지시키고, 에러 발생 시간보다 긴 시간 동안 입력 신호의 부재가 있을 경우 제어블록 내의 전체 구성 요소들에 대한 구동을 정지시키도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 인버터(IV5, IV6)와, 저항(R8), NPN 바이폴라트랜지스터(NPN5)와, 버퍼(B9,B10) 및 비교기(COM7)를 더 포함할 수 있다.

이러한 구성에 따라, 에러신호 발생부(12)는 에러신호 검출시 에러 선택부(10)의 출력을 입력으로 받아 일정한 시간 폭을 갖는 에러신호를 발생하여 일정 시간 동안 입력 리셋 제어부(13) 및 외부에 에러신호를 전달하고 다시 원상태로 복귀한다.

다시 말해, SR 래치(SR-latch)로 입력되는 에러신호를 입력 리셋 제어부(13)로 출력하고, 캐패시터(C2)가 일정 시간이 지나 충전되어 기준값보다 커지면, SR 래치(SR-latch)가 원상태로 복귀되어 입력 리셋 제어부(13)로 출력하는 신호가 바뀐다.

이때, 에러신호는 짧은 원 샷 펄스 형태로 출력하거나 일정한 시간폭을 가지는 에러신호를 그대로 사용할 수 있다.

입력 리셋 제어부(Input reset control;13)는, 에러신호 발생부(12)의 출력을 에러신호를 입력으로 받아 셀프 턴온부(3)와 입력 스테이지부(1)를 리셋시킨다.

입력 리셋 제어부(13)는 에러신호 발생부(12)의 출력에 따라 에러신호가 입력될 경우 입력 스테이지부(1)를 리셋시켜 스위칭 노이즈를 최소화하는 역할을 하는 것으로서, 비교기(COM8)와 버퍼들(B11,B12) 및 NPN 바이폴라트랜지스터(NPN6)를 포함하여 구성될 수 있다.

이와 같이 입력 리셋 제어부(13)가 리셋 제어 신호를 출력하면 입력 스테이지부(1)가 리셋 되어, 게이트 드라이버 구동 신호가 출력되지 않아 게이트 드라이버(14)의 구동이 정지된다.

그리고, 게이트 드라이버(14)는, 입력 스테이지부(1)의 PWM 출력 신호의 입력을 받아 고전압 레벨로 레벨 쉬프팅하고, 대용량의 전력 소자의 입력 게이트로 출력을 보내 구동할 수 있도록 하는 것으로서, 대용량 전력 소자를 구동하기 위해 충분한 다단 구동기로 구성한다.

아울러, 본 발명의 각 구성요소 들의 전원 전속 노드들(V_P2)은 필요에 따라 V_POWER로 연결하여 이용할 수 있다.

이러한 구성에 따른 본 발명의 지능형 전력 모듈의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선, 입력 스테이지부(1)에서 PWM 신호를 받아 게이트 드라이버(14)에 전달하되, 레벨 쉬프팅부(1a)에서 입력 전압을 저전압 레벨로 레벨 쉬프팅하여 출력한다.

이때, 외부에서 입력된 PWM 신호를 저전압 레벨로 변경하여 전달하되, 슈미트 트리거부(1c)에서 노이즈에 대한 영향을 줄여 안정화된 신호를 출력한다.

그리고, 셀프 턴온부(3)는 입력 스테이지부(1)를 통해 일정 크기의 입력 신호가 들어오면 동작하여 바이어스 및 기준전압 발생부(2)에 전원전압을 출력함으로써, 바이어스 및 기준전압 발생부(2)가 VDD 전압 및 기준 전류를 생성하여 각 구성 요소들에 공급하도록 한다.

또, 셀프 턴온부(3)의 동작이 계속 유지(locking) 상태이면 입력의 유무에 상관없이 전원 전압을 바이어스 및 기준전압 발생부(2)로 전달하여, 각 구성 요소들에 VDD 전압이나 기준 전류가 공급되도록 한다.

그리고, 입력 신호가 없을 경우 전력 제어부(4)가 셀프 턴온부(3)의 동작을 중지시켜, 셀프 턴온부(3)가 바이어스 및 기준전압 발생부(2)로 전원 전압 출력을 하지 못하게 하여, 각 구성 요소들에 VDD 전압이나 기준 전류가 공급되지 않도록 하여 전력 소모를 막는다.

한편, 전력 소자의 전류를 전류 감지부(7)를 통해 지속적으로 감지하고, 쇼트 전류 보호부(9)와, 과전류 에러신호 발생부(8)에서 전달하여, 에러 유무를 판단하도록 한다.

그리고, 저전압 에러신호 발생부(5)는 게이트 드라이버(14)의 전원 전압을 지속적으로 감지하여 에러 유무를 판단하고, 과온 에러신호 발생부(6)는 온도 센서(TEMP-SENSE)를 통해 전체 모듈 온도나 전력 소자의 온도를 지속적으로 감지하 여, 에러 유무를 판단한다.

여기서, 쇼트 전류 보호부(9)는 일정 수준 이상의 입력이 들어올 경우 외부 회로가 쇼트된 것으로 판단하여, 게이트 드라이버(14)의 동작을 즉시 중지시킨다.

그리고, 저전압 에러신호 발생부(5)는 일정 수준 이하의 입력이 들어 올 경우 에러신호를 발생하고, 과전류 에러신호 발생부(8)와 과온 에러신호 발생부(6)는 각각 일정 수준 이상의 입력이 들어오면 에러신호를 발생한다.

이렇게 발생하는 에러신호는 에러 선택부(10)에 입력되며, OR 논리 회로를 가지는 에러 선택부(10)는 과전류 에러신호 발생부(8)와 과온 에러신호 발생부(6) 및 저전압 에러신호 발생부(5)의 출력 중 적어도 하나 이상에서 에러신호가 출력되는 경우 에러신호를 출력한다.

상세하게는, 3 입력(INPUT) NOR로 과전류 에러신호 발생부(8)와 과온 에러신호 발생부(6) 및 저전압 에러신호 발생부(5) 중 어느 하나로부터 에러 신호가 입력되면, 3 입력(INPUT) NOR에서 로우(low) 신호를 출력하고, 이 출력 신호를 딜레이부(IV4)에서 일정 시간 지속되는지 감지하여, 일정 시간 이상 지속될 경우 역변환하여 에러 신호로 출력한다.

즉, 노이즈로 인한 에러 검출 오동작을 방지하기 위하여, 에러 신호가 일정 시간 이상 지속될 경우에만 에러신호 발생부(12)로 에러 신호를 전달한다.

그리고, 에러신호 발생부(12)는 에러 선택부(10)의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 동안 에러신호를 발생하여 출력하며 도시되지는 않았으나 에러신호를 외부의 MCU(micro control unit)로 전달한다.

이때, 에러신호 발생부(12)는 일정 시간 동안 일정 폭을 갖는 에러신호를 전달하고, 원상태로 복귀하기 위하여 SR-래치(SR-latch)를 이용하여 에러신호를 전달한다. 여기서, 일정 시간에 대한 설정을 캐패시터(C2) 용량을 가변시켜 캐패시터(C2)의 충전 시간 만큼 에러신호를 전달한다.

이에 따라 입력 리셋 제어부(13)는, 에러신호 발생부(12)로부터 에러신호를 입력으로 받아 입력 스테이지부(1)를 리셋시킨다.

결국, 입력 스테이지부(1)가 게이트 드라이버(14)에 구동 제어 신호를 출력하지 못하여 게이트 드라이버(14)의 구동이 정지된다.

이와 같이 본 발명은 전력 소자의 전류나 전압 또는 동작 온도 중 어느 하나라도 에러가 발생하면, 게이트 드라이버의 구동을 정지시켜 전력 소자를 보호하도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 전력 모듈 구성도.

도 2는 도 1의 본 발명의 지능형 전력 모듈을 회로로 구현 구성도.

도 3은 도 2의 입력 스테이지부의 구체적인 회로 구현도.

도 4는 도 2의 셀프 턴온부 확대 회로도.

도 5는 도 2의 전력 제어부 확대 회로도.

도 6은 도 2의 쇼트 전류 보호부 확대 회로도.

도 7은 도 2의 에러신호 발생부의 확대 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 입력 스테이지부

1a : 레벨 쉬프팅부, 1b : 역전압 보호부, 1c : 슈미트 트리거부

2 : 바이어스 및 기준전압 발생부

3 : 셀프 턴온부

4 : 전력 제어부

5 : 저전압 에러신호 발생부

6 : 과온 에러신호 발생부

7 : 전류 감지부

8 : 과전류 에러신호 발생부

9 : 쇼트 전류 보호부

10 : 에러 선택부

11 : 딜레이부

12 : 에러신호 발생부

13 : 입력 리셋 제어부

14 : 게이트 드라이버

Claims (14)

1. 펄스폭 변조 방식에 따라 전력 소자의 게이트를 구동하기 위한 게이트 드라이버를 포함하는 제어블록이 집적화된 지능형 전력 모듈에 있어서,

   입력 신호 전압을 저전압 레벨로 레벨 쉬프팅하여 게이트 드라이버에 전달하는 입력 스테이지부;

   상기 제어블록에 공급되는 VDD 전압과 동작에 필요한 바이어스용 전류 및 각종 기준 전압을 생성하는 바이어스 및 기준전압 발생부;

   상기 입력 스테이지부를 통해 일정 크기의 입력 신호가 들어 올 때 상기 바이어스 및 기준전압 발생부에 전원전압을 출력하는 셀프 턴온부;

   상기 입력 스테이지부의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 입력이 들어오지 않을 경우 상기 셀프 턴온부의 동작을 중지시키는 전력 제어부;

   상기 전력 소자의 게이트 드라이버에 인가되는 전원 전압이 기준치 이하일 경우 에러신호를 발생하는 저전압 에러신호 발생부;

   상기 지능형 전력 모듈과 전력 소자의 온도가 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 과온 에러신호 발생부;

   상기 전력 소자의 전류를 저항으로 감지하는 전류 감지부;

   상기 전류 감지부로부터의 출력을 입력으로 받아 전류값이 제 1 기준치 이상일 경우 에러신호를 발생하는 과전류 에러신호 발생부;

   상기 저전압 에러신호 발생부와 과전류 에러신호 발생부와 과온 에러신호 발생부의 출력을 입력으로 받아 적어도 하나 이상에서 에러신호가 검출될 경우 에러신호를 발생하는 에러 선택부;

   상기 에러 선택부의 출력을 입력으로 받아 에러신호를 출력하는 에러신호 발생부;

   상기 에러신호 발생부의 출력을 에러신호를 입력으로 받아 상기 입력 스테이지부를 리셋시키는 입력 리셋 제어부;

   를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전류 감지부로부터의 출력을 입력으로 받아 제 2 기준치 이상일 경우 쇼트된 것으로 판단하여 상기 게이트 드라이버를 강제로 리셋 시키는 쇼트 전류 보호부를 더 포함함을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 입력 스테이지부는,

   노이즈의 영향 및 전력 소모를 감소시키기 위하여 슈미트 트리거 타입으로 구성하고, 입력 신호의 유무 판단을 위한 전력 제어부로 출력을 전달하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 입력 스테이지부는 입력 전압을 분배하여 고전압 레벨의 신호를 저전압레벨의 신호로 레벨 쉬프팅하는 레벨 쉬프팅부와,

   역전압을 방지하기 위한 역전압 보호부, 및

   노이즈로부터의 영향을 줄여 신호 안정화를 하기 위한 슈미트 트리거부로 구성됨을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 셀프 턴온부는;

   상기 입력 스테이지부를 통해 최초 입력 신호가 일정 크기로 들어오면 동작 상태를 유지하여 전원 전압을 바이어스 생성부로 전달하고,

   상기 입력 스테이지부를 통해 일정 시간 이상 입력 신호가 들어오지 않을 경우 상기 전력 제어부로부터 동작 중지 신호를 받아 상기 바이어스 생성부로 출력을 전달하지 않아 제어블록에 VDD 전압 공급이 이루어지지 못하게 하며,

   상기 제어블록에 VDD 전압이 공급되지 못하는 상태에서 입력이 다시 들어오면 동작을 시작하여 전원 전압을 바이어스 생성부로 전달하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 전력 제어부는;

   입력 신호가 들어오지 않는 일정 시간에 대한 설정을 캐패시터의 용량을 가 변하여 캐패시터 충전 시간에 따라 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 에러 선택부는,

   상기 저전압 에러신호 검출부와 상기 과전류 에러신호 발생부와 상기 과온 에러신호 발생부의 출력을 입력으로 받아 적어도 하나 이상에서 에러신호가 검출될 경우 로우(low) 신호를 출력하는 3 입력 NOR와,

   상기 3 입력 NOR로 부터의 출력을 입력으로 받아 일정 시간 이상 에러가 지속되는지 감지하여 일정 시간 에러가 감지될 경우 신호를 역변환하여 출력하는 인버터(IV4)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 에러신호 발생부는 에러 검출 신호를 짧은 원샷 펄스 형태로 출력하거나 일정한 시간폭을 가지는 에러신호를 그대로 출력하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 에러신호 발생부는 SR-래치(SR-latch)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈
10. 제 1항에 있어서,

    상기 에러신호 발생부는;

    에러신호 발생 시간을 조절하여 상기 게이트 드라이버 구동 정지 시간 조절을 위한 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 에러신호 발생부에서 에러신호를 발생하는 시간은 상기 제어블록에 입력이 들어오지 않아 상기 입력 스테이지부를 통한 입력이 없다고 판단하는 시간 보다 짧은 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 바이어스 및 기준전압 발생부에서 생성되는 VDD 전압은 전원에서 공급되는 전압보다 저전압인 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 입력 리셋 제어부는;

    상기 저전압 에러신호 발생부와 과전류 에러신호 발생부 및 과온 에러신호 발생부 중 적어로 하나 이상으로부터 에러신호가 검출될 경우 에러신호 발생부로부터 에러신호를 전달받아 상기 입력 스테이지부를 리셋시켜 상기 게이트 드라이버의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 게이트 드라이버는,

    상기 입력 스테이지부의 PWM 출력 신호의 입력을 받아 고전압 레벨로 레벨 쉬프팅하고, 대용량의 전력 소자의 입력 게이트로 출력을 보내 전력 소자를 구동시키는 것을 특징으로 하는 지능형 전력 모듈.

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