KR101019816B1 - 용접기의 아이지비티 드라이브 - Google Patents

용접기의 아이지비티 드라이브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접기의 IGBT 드라이브에 관한 것으로서, 펄스 트랜스 방식으로 IGBT를 제어하고 동시에 노이즈나 서지등에 의한 오동작을 막아 상기 IGBT을 보호하기 위한 것이다.
일반적으로 용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 2가지 고체재료 사이에 원자간 결합이 이루어지도록 가열 또는 가압 등의 조작을 통하여 야금적으로 접합시키는 기술을 말한다.
그리고 이러한 용접기의 스위칭 소자에는, SCR과 IGBT, 트랜지스터가 주축을 이루고 있는데, 현재 트랜지스터는 거의 사용되지 않고 있으며, SCR도 역시 Co2용접기외에는 사용빈도가 낮아, 주로 IGBT만을 많이 사용되고 있다. 그리고 이중 IGBT를 구동시켜 주기 위한 방식에는 펄스 트랜스 방식과, 하이브리드 구동방식이 있는데, 이중 하이브리드 방식은 회로가 복잡하고 전원이 많이 필요해서 고가이나 펄스 상승 및 하강시간을 조절할 수 있으며, 대용량의 경우 펄스 트랜스구동보다 좀더 신뢰성을 확보할 수 있고, 특히 IGBT의 동작을 감시하여 신호의 에러 인한 IGBT의 파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 다량의 분리된 전원과 IGBT의 종류에 따라 지연시간에 의해 계속적인 에러신호를 발생시키는 등의 문제가 있고, 더불어 IGBT파괴시 드라이브 전체를 버려야 한다는 문제점이 있었다.
반면에, 펄스 트랜스 구동방식은 회로가 간단하고 신호부와 구동부간의 지연시간이 원리적으로 없는게 특징이나, IGBT가 OFF상태에 있을 때에는 마이너스 전압 을 지속적으로 주기 어려워서 노이즈와 서지로인해 IGBT의 파괴가 종종 발생하였다.
따라서 본 발명은 펄스 트랜스 방식을 이용하여 신호부와 구동부가 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있도록 함으로써 IGBT의 파괴시에도 구동부 중 일부분의 부품만을 교체하여 재사용할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 노이즈와 서지로 인한 IGBT의 오작동을 막아 IGBT의 파손을 최소화하기 위한 것이다.
용접기, IGBT, 드라이브, 마이너스 전압, 소프트오프(Soft Off)회로,

Description

용접기의 아이지비티 드라이브{The IGBT driver of a welding machine}
본 발명은 용접기의 IGBT 드라이브에 관한 것으로서, 펄스 트랜스 방식으로 IGBT를 제어하고 동시에 노이즈나 서지등에 의한 오동작에 의한 IGBT의 파손을 최소화한 것이다.
일반적으로 용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 2가지 고체재료 사이에 원자간 결합이 이루어지도록 가열 또는 가압 등의 조작을 통하여 야금적으로 접합시키는 기술을 말한다.
그리고 이러한 용접기의 스위칭 소자에는, SCR과 IGBT, 트랜지스터가 주축을 이루고 있는데, 현재 트랜지스터는 거의 사용되지 않고 있으며, SCR도 역시 Co2용접기외에는 사용빈도가 낮아, 주로 IGBT만을 많이 사용한다.
그리고 이러한 IGBT를 구동시켜 주기 위한 방식에는 펄스 트랜스 방식과, IGBT 갯수 만큼이나 또는 2배수 만큼 전기적으로 분리된 전원을 확보하고 각 IGBT를 구동시켜 주는 하이브리드 구동방식이 있다.
그리고 이중 하이브리드 방식은 회로가 복잡하고 전원이 많이 필요해서 고가이나 펄스 상승 및 하강시간을 조절할 수 있으며, 대용량의 경우 펄스 트랜스구 동보다 좀더 신뢰성을 확보할 수 있고, 특히 IGBT의 동작을 감시하여 신호의 에러 인한 IGBT의 파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 다량의 분리된 전원과 IGBT의 종류에 따라 지연시간에 의해 계속적인 에러신호를 발생시키는 등의 문제가 있고, 더불어 IGBT파괴시 드라이브 전체를 버려야 한다는 문제점이 있다.
반면에, 펄스 트랜스 구동방식은 회로가 간단하고 신호부와 구동부간의 지연시간이 원리적으로 없는게 특징이나, IGBT가 OFF상태에 있을 때에는 마이너스 전압을 지속적으로 주기 어려워서 노이즈와 서지로인해 IGBT의 파괴가 종종 발생하였다.
즉, 용접기의 특성상 부하의 변화가 매우 심하고 빈번하게 쇼트상태에 놓이기 등 구동조건이 매우 까다롭기 때문에 잘못된 신호나 노이즈로 인해 구동부의 오동작으로 IGBT가 파괴되는 문제점이 있었던 것이다.
따라서 본 발명은 펄스 트랜스 방식을 이용하여 신호부와 구동부가 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있도록 함으로써 IGBT의 파괴시에도 구동부 중 일부분의 부품만을 교체하여 재사용할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 노이즈와 서지및 회로의 파손등으로 인한 IGBT의 오작동을 막아 IGBT의 파손을 최소화할 수 있도록 하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은 구동부와 게이트부 사이에 IGBT 감시부를 형성할 때, 4의 펄스 트랜스를 사용하여 분리된 4개의 파형을 생성하고, 이를 통해 일방의 IGBT가 On상태일 때에는 다른 IGBT의 게이트 전압이 마이너스 상태가 유지되어 지도록 하여 ON과 OFF되는 IGBT간의 노이즈 내량을 높이도록 되어 있는 것이다.
본 발명은 펄스 트랜스 방식을 이용하여 게이트부의 IGBT를 구동시켜 주기 때문에 신호부와 구동부가 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있어 있기 때문에, 파손된 게이트부의 부품만을 교체하여 사용할 수 있고, 동시에 마이너스 전압을 자유롭게 부가할 수 있는 점과 신호의 지연이 없어 오작동에 의한 IGBT 파괴를 최소화하여 준다는 특징이 있고 IGBT 감시부의 내장으로 IGBT의 파괴를 현저히 줄일수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 용접기 등의 전력제어용 IGBT 드라이브에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 IGBT 드라이브의 블럭도로서, 도시된 바와 같이, 구동신호를 인가하여 주게 되면 설정된 조건에 따라 일정하게 스위칭소자를 작동시켜 주기 위해 제어신호를 하위의 구동부(11)에 인가하여 주는 신호정형부(10)와, 상기 신호정형부(10)에 의해 생성된 제어신호를 인가받아 4개의 펄스 트랜스를 통해 각각의 게이트부(12)를 구동시켜 주는 한편, 소프트오프(Soft Off)부를 통해 인가받은 에러신호에 의해 상기 게이트부(12)의 IGBT구동을 정지시키고 동시에 에러발생 사실을 에러표출부에 표출토록 되어 있는 구동부(11)와, 상기 구동부에 의해 동작되어진 각 게이트부(12)의 오작동을 감시하는 한편 오작동발생시 에러신호를 생성하여 상기 소프트 오프(Soft Off)부에 인가하여 주는 IGBT감시부(13)와, 상기 용접기의 전압변동에 의해 불완전한 전원이 공급으로 인한 IGBT의 파괴를 막아주기 주는 한편 전압변동시 에러신호를 생성하여 상기 소프트 오프부(14)에 인가하여 주도록 되어 있는 전원감시부(15)를 포함하여 이루어져 있다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이. 구동부와 게이트부 사이에는 4개의 펄스 트랜스가 설치되어 있고, 동시에 제1펄스 트랜스(16a)와 제2펄스 트랜스(16b)는 병렬연결되어져 있으며, 제3펄스 트랜스(16c)와 제4펄스 트랜스(16d) 역시 병렬연결되어 있다.
그리고 상기 제1펄스 트랜스로부터 분기된 상부의 9번과 10번 전선(각 펄스 트랜스의 9번과 10번포트에 연결된 전선)들은 게이트부(12)의 커넥터(17) 5번과 4포트에 연결되고, 제3펄스 트랜스로부터 분기된 상부의 9번과 10번 전선들은 게이트부의 커넥터 2번 포트과 1번 포트에 연결된다. 이때 게이트부는 커넥터와 함께 IGBT소자(미도시)를 포함하여 이루어지고 상기 커넥터를 통해 IGBT소자의 베이스단과 이미터단에 연결된다. 또한, 실시 예에 따라 상기 커넥터(17) 없이 직접 각 펄스 트랜스의 10번 전선이 각 IGBT소자의 베이스단에 연결되고, 펄스 트랜스의 9번 전선이 IGBT소자의 이미터단에 연결될 수도 있다. 마찬가지로 제1펄스 트랜스의 분기된 하부 7번과 6번 전선(각 펄스 트랜스의 6번과 7번에 연결된 전선)들은 게이트부의 커넥터(17a) 2번과 1포트에 연결되고 제3펄스 트랜스로부터 분기된 상부의 7번 전선과 6번 전선들은 게이트부의 커넥터 5번과 4번 포트에 연결된다.
그리고 이때, 상기 IGBT소자의 구동파형을 살펴보면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 펄스폭이 변하더라도 일방의 IGBT가 On상태일 때는 또 다른 IGBT의 게이트 전압이 빠르게 턴오프(Turn-Off)되어 마이너스 상태를 유지되게 되어 있어, 상기 IGBT를 보호할 수 있게 된다.
또한, IGBT의 OFF시 마이너스 전압을 부가하게 되면, 파형의 진동으로 OFF상태에 있어야할 IGBT를 ON시켜서 쇼트상태를 유발하여 IGBT를 파괴시키게 된다. 따라서 빠른 IGBT의 OFF를 위해 마이너스 전압을 자유롭게 부가할 수 있으며, 상하 한 쌍의 IGBT중 일방의 IGBT가 OFF일 경우 다른 IGBT를 마이너스 전압을 실어줌으로 일방의 IGBT의 on/off로 인한 서지 등의 노이즈에서도 안전하게 IGBT를 동작시켜 줄 필요가 있다.
따라서 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이. IGBT에 마이너스 전압을 인가하여 빠르게 턴오프시켜 주게될 때, 1/100000ch 이내에 서서히 OFF시켜 주는 소프트오프(Soft Off)부가 필요하게 되는 것이다.
여기서 상기 소프트오프(Soft Off)부는 일측이 IGBT 감시부 및 펄스트랜스(16a,16b,16c,16d)와 연결되고 타측은 캐패시터와 저항이 병렬연결된 상태에서 또 다른 저항을 연결하여 설치한 후, 상기 캐패시터와 병렬 연결되어 있는 저항의 타단에 트랜지스터의 일단을 연결하여 설치된다. 그리고 상기 트랜지스터의 베이스단을 구동부에 연결하여, 에러신호 발생사실을 감지하게 되면 이러한 사실을 구동부에 알리도록 되어 있다. 더불어 상기 소프트오프부는 전원감지부로부터 에러가 발생사실을 인가받아 상기 구동부에 에러발생사실을 알려줄 수도 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 전원감시부(15)는 전원전압의 저하나 전원이 ON/OFF시에도 그리고 과전압에도 IGBT의 보호가 이루어지도록, 기준전압과 과전압 또는 저전압을 비교하여 불안전한 전원상태에서 IGBT가 구동되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 되어 있다. 즉, 상기 전원감시부는 전원공급부와 연결되어 병렬연결된 다이오드와 저항을 통해 전원이 빨리 오프되도록 하고, 다수의 캐패시터를 통해 전원On시 지연되게 함은 물로 가변저항을 통해 감지전압을 조절할 수 있도록 되어 있다. 더불어 전원공급루를 통해 인가된 감지전압이 과전압 여부를 감지하기 위한 비교기의 -단에 인가되고, 더불어 저전압을 감지하기 위한 비교기의 +단에 인가된다. 이때 과전압 여부를 감지하기 위한 비교기의 +단과 저전압을 감지하기 위한 비교기의 -단에는, 다이오드와 저항이 병렬연결되어 저전압 상태 혹은 과전압 상태를 확인할 수 있는 기준전압을 비교기에 인가해 주고, 상기 비교기는 비교한 결과에 따라 발광다이오드를 동작시키는 한편 이러한 사실을 소프트오프부를 통해 구동부에 알리게 된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, IGBT 감시부는 IGBT의 이미터단과 컬렉터단을 연결하여 흐르는 전압의 변화량을 감지하고, 이에 따른 응답으로 에러신호를 생성하여 소프트오프부에 인가하여 주게 된다. 즉, IGBT의 동작이 정상적인지 아닌지를 감시하는 방법은, IGBT단자의 컬렉트단과 이미터단 사이의 전압(Vce)을 감시하고, 이것을 구동신호와 비교함으로써 정상유무를 판단하게 된다. 따라서 감시대상 IGBT에 ON구동신호를 주면 해당 IGBT는 ON상태가 되고 그 결과 Vce는 2-10볼트로 저하된다. 그리고 어떤 이유로 IGBT가 ON신호인데도 불구하고 Vce가 2-10볼트 이상이면 IGBT가 쇼트상태가 되어 파괴되는 것이다. 이때 이 Vce를 감지하여 이러한 에러발생사실(에러신호)을 소프트오프부에 인가하여 상기 구동부에 의해 해당 IGBT를 정지시킴으로 IGBT의 파괴로부터 막을 수 있게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 블럭도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.
도 3은 상기 도 2의 아이지비티 드라이브의 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 신호정형부 11: 구동부
12: 게이트부 13: IGBT감시부
14: 소프트오프부 15: 전원감시부

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 펄스트랜스 방식으로 용접기의 IGBT소자를 제어하여 구동시켜 주는 IGBT드라이버에 있어서,
    상기 IGBT 드라이버는 신호부를 통해 구동신호를 인가하여 주게 되면 설정된 조건에 따라 일정하게 스위칭소자를 작동시켜 주기 위해 제어신호를 하위의 구동부(11)에 인가하여 주는 신호정형부(10)와, 상기 신호정형부(10)에 의해 생성된 제어신호를 인가받아 4개의 펄스 트랜스를 통해 각각의 게이트부(12)를 구동시켜 주는 한편, 소프트오프(Soft Off)부를 통해 인가받은 에러신호에 의해 상기 게이트부(12)의 IGBT구동을 정지시키고 동시에 에러발생 사실을 에러표출부에 표출토록 되어 있는 구동부(11)와, 상기 구동부에 의해 동작되어진 각 게이트부(12)의 오작동을 감시하는 한편 오작동발생시 에러신호를 생성하여 상기 소프트 오프(Soft Off)부에 인가하여 주는 IGBT감시부(13)와, 상기 용접기의 전압변동에 의해 불완전한 전원이 공급으로 인한 IGBT의 파괴를 막아주기 주는 한편 전압변동시 에러신호를 생성하여 상기 소프트 오프부(14)에 인가하여 주도록 되어 있는 전원감시부(15)를 포함하여 이루어지고,
    상기 IGBT 드라이버는 4개의 펄스 트랜스를 사용하여 분리된 4개의 파형을 생성하고 이를 게이트부의 IGBT에 인가하여 일방의 IGBT가 On상태일 때에는 다른 IGBT의 게이트 전압이 마이너스 전압을 유지케 하여 ON과 OFF되는 IGBT간의 노이즈 내량을 높이도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 IGBT 드라이브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전원감시부는 기준전압과 과전압 또는 기준전압과 저전압 상태를 비교하여 불안전한 전원상태에 있을 때에는 상기 IGBT가 구동되지 않도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 IGBT 드라이브.
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