KR101050696B1 - 전압 구동형 소자를 구동시키는 구동 장치 - Google Patents

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마사키 와세쿠라
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

구동 장치는, 제 1 접속부와 제 2 접속부와 스위칭 소자와 제어부를 구비하고 있다. 제 1 접속부는 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 접속하도록 구성되어 있다. 제 2 접속부는 구동 전원에 접속하도록 구성되어 있다. 스위칭 소자는, 제 1 입출력 단자가 제 1 접속부에 접속되어 있고, 제 2 입출력 단자가 제 2 접속부에 접속되어 있다. 제어부는, 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있고, 스위칭 소자의 제어 단자에 입력되는 전압을 제어한다. 제어부는, 오차 증폭기와 참조 전원과 스위치를 갖고 있다. 오차 증폭기는, 일방의 입력 단자가 참조 전원에 접속되어 있고, 타방의 입력 단자가 제 1 접속부에 접속되어 있고, 출력 단자가 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있다. 스위치는, 일단이 제 2 접속부에 접속되어 있고, 타단이 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있다.

Description

전압 구동형 소자를 구동시키는 구동 장치{DRIVE UNIT FOR DRIVING VOLTAGE-DRIVEN ELEMENT}
본 발명은 전압 구동형 소자를 구동시키는 구동 장치에 관한 것이다.
전압 구동형 소자는, 구동 전압을 이용하여 특정 기능을 발휘할 수 있는 소자로, 다양한 용도로 널리 이용되고 있다. 전압 구동형 소자의 일례에는, 절연 게이트를 구비하는 전압 구동형 스위칭 소자가 알려져 있다. 전압 구동형 스위칭 소자는, 절연 게이트에 공급되는 게이트 전압 (구동 전압의 일례) 에 기초하여 전류값을 제어하는 것으로, 예를 들어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터 장치에 이용되고 있다. 전압 구동형 스위칭 소자의 일례에는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 를 포함하는 파워 반도체 스위칭 소자를 들 수 있다.
이와 같은 전압 구동형 소자에 구동 전압을 공급하기 위하여, 전압 구동형 소자에는 구동 장치가 접속되어 있다. 구동 장치는 전압 구동형 소자에 공급되는 구동 전압을 제어하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 구동 장치는 전압 구동형 소자의 온·오프를 지시하는 제어 신호에 기초하여 구동 전압을 제어할 수 있다. 구동 장치는 또한 전압 구동형 소자의 구동 상태를 나타내는 신호, 또는 외부 환경의 상태를 나타내는 신호에 기초하여 구동 전압을 제어할 수 있다.
이와 같은 구동 장치에서는 고정밀도인 구동 전압을 생성하는 기술의 개발 이 요망되고 있다. 구동 장치에 의하여 생성되는 구동 전압의 정밀도가 낮으면, 그 구동 전압의 정밀도를 고려하여 전압 구동형 소자의 구동 조건을 설정하여야 한다. 이 때문에, 구동 전압의 정밀도가 낮으면 최적인 조건으로 전압 구동형 소자를 구동시킬 수 없다. 그 결과, 예를 들어 전압 구동형 소자의 서지 전압의 증대, 또는 전압 구동형 소자의 전력 손실의 악화라는 문제가 발생한다.
일본 공개특허공보 2006-324963호에는, 고정밀도인 구동 전압을 생성할 수 있는 구동 장치의 일례가 개시되어 있다. 이 구동 장치는, 제 1 접속부와 제 2 접속부와 스위칭 소자와 제어부를 구비하고 있다. 제 1 접속부는 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 접속하도록 구성되어 있다. 제 2 접속부는 구동 전원에 접속하도록 구성되어 있다. 스위칭 소자는, 출력 단자가 제 1 접속부에 접속되어 있고, 입력 단자가 제 2 접속부에 접속되어 있다. 제어부는 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있고, 스위칭 소자에 입력되는 전압을 제어한다.
이 구동 장치의 제어부는 스위칭 소자의 출력 전압을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하고 있다. 구체적으로는, 구동 장치의 제어부는 스위칭 소자의 출력 전압을 고정밀도인 참조 전압과 비교하여, 그 비교 결과에 기초하여 스위칭 소자의 제어 단자에 입력되는 전압을 제어하도록 구성되어 있다. 이로 인하여, 스위칭 소자의 출력 전압이 원하는 값으로 유지되어, 제 1 접속부에는 고정밀도인 구동 전압이 공급된다. 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 고정밀도인 구동 전압이 공급되므로, 전압 구동형 소자를 고정밀도로 제어할 수 있게 된다. 이 구동 장치는 고정밀도인 구동 전압을 생성할 수 있기 때문에 다양한 용도에서 유용한 결과를 제공할 수 있다.
그런데, 보다 고정밀도인 구동 전압이 필요시되는 경우가 있다. 일본 공개특허공보 2006-324963호의 구동 장치에서는 제어부의 온／오프를 전환하기 위한 스위치용의 트랜지스터가, 스위칭 소자의 출력 단자와 제 1 접속부 사이에 배치되어 있다. 이 때문에, 이 구동 장치에서는 제 1 접속부에 공급되는 구동 전압이, 스위칭 소자의 출력 전압으로부터 스위칭용 트랜지스터의 전압 강하에 의한 전압이 감하여진 크기로 되어 있다.
일반적으로, 트랜지스터의 온 (on) -저항은 소자마다 편차가 크다고 알려져 있다. 이 때문에, 이 구동 장치에서는 피드백 제어에 의하여 스위칭 소자의 출력 전압이 고정밀도로 제어되었다고 하여도, 스위치용 트랜지스터의 온-저항의 편차에 의존하여 스위치용 트랜지스터의 전압 강하에 편차가 발생하기 때문에 제 1 접속부에 공급되는 구동 전압에도 편차가 발생한다.
본원 명세서에 개시되는 기술은 고정밀도인 구동 전압을 생성하는 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 명세서에서 개시되는 구동 장치에서는 제어부의 온／오프를 전환하기 위한 스위치가, 스위칭 소자의 제어 단자와 제 2 접속부 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이 때문에, 본 명세서에서 개시되는 구동 장치는, 제 1 접속부의 전압을 직접적으로 피드백 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 이로 인하여, 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 공급되는 구동 전압 자체가 피드백 제어되므로, 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 공급되는 구동 전압이 고정밀도로 제어된다.
도 1 은 인버터 장치의 기본적인 구성을 나타낸다.
도 2 는 제 1 실시예의 구동 장치의 기본적인 구성을 나타낸다.
도 3 은 제 2 실시예의 구동 장치의 기본적인 구성을 나타낸다.
도 4 는 제 3 실시예의 구동 장치의 기본적인 구성을 나타낸다.
도 5 는 제 4 실시예의 구동 장치의 기본적인 구성을 나타낸다.
도 6(A) 는 제 1 구동 신호의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 6(B) 는 전류 조정 신호의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 6(C) 는 제 1 접속부의 전압과 전압 구동형 소자의 절연 게이트의 전압을 나타낸다.
도 7 은 제 5 실시예의 구동 장치의 기본적인 구성을 나타낸다.
도 8(A) 는 제 1 구동 신호의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 8(B) 는 분압 조정 신호의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 8(C) 는 제 1 접속부의 전압과 전압 구동형 소자의 절연 게이트의 전압을 나타낸다.
본 명세서에서 개시되는 구동 장치는 전압 구동형 소자를 구동시키기 위하여 이용된다. 여기에서, 전압 구동형 소자는 구동 전압을 이용하여 특정 기능을 발휘할 수 있는 소자이다. 전압 구동형 소자는 절연 게이트를 갖는 전압 구동형 스위칭 소자여도 되고, 특히 파워 반도체 스위칭 소자여도 된다. 파워 반도체 스위칭 소자에는 IGBT, MOSFET, 사이리스터가 포함된다. 구동 장치는, 제 1 접속부와 제 2 접속부와 스위칭 소자와 제어부를 구비하고 있다. 제 1 접속부는 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 접속하도록 구성되어 있다. 제 2 접속부는 구동 전원에 접속하도록 구성되어 있다. 구동 전원의 일례에는 트랜스형의 전원이 포함된다. 스위칭 소자는, 제 1 입출력 단자가 제 1 접속부에 접속되어 있고, 제 2 입출력 단자가 제 2 접속부에 접속되어 있다. 스위칭 소자의 일례에는 절연 게이트를 갖는 전압 구동형 스위칭 소자가 포함된다. 스위칭 소자에는 스위칭 속도가 빠른 소자가 이용되는 것이 바람직하다. 이 때문에, 스위칭 소자에는 MOSFET 가 이용되는 것이 바람직하다. 제어부는 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있고, 스위칭 소자의 제어 단자에 입력되는 전압을 제어한다. 제어부는, 오차 증폭기와 참조 전원과 스위치를 갖고 있다. 오차 증폭기는, 일방의 입력 단자가 참조 전원에 접속되어 있고, 타방의 입력 단자가 제 1 접속부에 접속되어 있고, 출력 단자가 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있다. 오차 증폭기는 2 개의 입력 단자 사이의 오차를 증폭시켜 출력하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 오차 증폭기에는 일례로 연산 증폭기가 포함된다. 또한, 오차 증폭기에는 다른 일례로 A／D 컨버터와 디지털 신호 처리 회로와 D／A 컨버터로 구성되는 회로가 포함된다. 스위치는, 일단 (一端) 이 제 2 접속부에 접속되어 있고, 타단이 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있다. 스위치가 폐쇄되면 스위칭 소자의 제 2 입출력 단자와 제어 단자가 단락되므로, 스위칭 소자가 오프로 된다. 이 때문에, 스위치가 폐쇄되었을 때는 전압 구동형 소자에 대한 구동 전압의 공급이 정지된다. 한편, 스위치가 개방되면 스위칭 소자가 온으로 되어, 전압 구동형 소자에 대한 구동 전압의 공급이 실시된다. 이 구동 장치에서는 제어부의 온／오프를 전환하기 위한 스위치가, 제 2 접속부와 스위칭 소자의 제어 단자 사이에 배치되어 있다. 이 때문에, 이 구동 장치에서는 제 1 접속부의 전압을 직접적으로 피드백 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 이로 인하여, 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 공급되는 구동 전압 자체가 피드백 제어되므로, 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 공급되는 구동 전압이 고정밀도로 제어된다.
본원 명세서에서 개시되는 구동 장치에서는 스위치가 전압 구동형 소자의 턴온에 동기하여 개방되어도 된다. 여기에서 말하는 「동기하다」 란, 전형적으로는 전압 구동형 소자 또는 구동 장치에 요구되는 제어 정밀도의 범위 내에서 시간이 완전히 일치하는 경우를 포함한다. 또한, 공통의 신호에 기초하여 동작하는 경우에도 여기에서 말하는 「동기하다」 에 포함된다. 예를 들어, 스위치의 개폐를 지시하는 신호와 전압 구동형 소자의 턴온을 지시하는 신호가 공통인 경우는 여기에서 말하는 「동기하다」 에 포함되어 있고, 신호가 공통되는 한에 있어서 스위치가 개폐되는 타이밍과 전압 구동형 소자가 턴온되는 타이밍이 불일치하여도 여기에서 말하는 「동기한다」 에 포함된다. 전압 구동형 소자의 서지 전압 및 스위칭 손실은 전압 구동형 소자의 스위칭 속도에 강하게 영향을 준다. 이 때문에, 전압 구동형 소자의 서지 전압 및 스위칭 손실을 개선하기 위해서는, 전압 구동형 소자가 턴온되는 타이밍에 있어서, 고정밀도인 구동 전압을 공급하는 것이 중요하다. 스위치가 전압 구동형 소자의 턴온에 동기하여 개방됨으로써, 구동 장치는 전압 구동형 소자의 턴온에 동기하여 고정밀도인 구동 전압을 공급할 수 있다. 그 결과, 전압 구동형 소자의 서지 전압 및 스위칭 손실을 개선할 수 있게 된다.
전압 구동형 소자가 대전력을 취급하는 경우, 예를 들어 차량용 인버터 장치에 탑재되는 전압 구동형 소자와 같은 경우, 전압 구동형 소자의 전류 용량이 크다. 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자를 단시간에 구동시키기 위해서는 구동 장치의 스위칭 소자의 전류 용량도 증가시킬 필요가 있다. 스위칭 소자의 전류 용량이 증가하면, 오차 증폭기의 슬루 레이트 (slew rate) 도 증가시켜야 한다. 그런데, 오차 증폭기의 슬루 레이트를 증가시키면 오차 증폭기의 정상 손실이 증가한다.
상기 문제를 해결하는 1 가지 양태의 구동 장치는, 스위칭 소자의 제 1 입출력 단자로부터 출력되는 출력 전류를 증폭시켜 제 1 접속부에 공급하는 전류 증폭 회로를 더 구비하고 있어도 된다. 전류 증폭 회로를 설치함으로써, 스위칭 소자의 전류 용량을 증가시키지 않아도, 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자를 단시간에 구동시킬 수 있다. 그 결과, 제어부의 오차 증폭기의 슬루 레이트를 증가시킬 필요가 없으므로, 오차 증폭기의 정상 손실의 증가도 회피할 수 있다.
상기 문제를 해결하는 다른 1 가지 양태의 구동 장치에서는, 오차 증폭기가 연산 증폭기인 경우, 그 연산 증폭기의 테일 전류값을 조정하는 테일 전류 조정 회로를 더 구비하고 있어도 된다. 상기한 바와 같이, 연산 증폭기에 큰 슬루 레이트가 필요시되는 것은, 전압 구동형 소자가 턴온되는 타이밍인 경우가 많다. 이 때문에, 전압 구동형 소자가 턴온되었을 때에 테일 전류 조정 회로를 이용하여 연산 증폭기의 테일 전류값을 증가시킴으로써, 연산 증폭기의 정상 손실의 증대를 억제하면서, 필요한 때에 연산 증폭기의 테일 전류값을 증대시켜 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자를 단시간에 구동시킬 수 있다. 보다 바람직하게는, 테일 전류 조정 회로는 전압 구동형 소자가 턴온되었을 때에 (1) 제 1 접속부의 전압이 정상 상태에 도달하기 전에 테일 전류값을 증대시키고, (2) 제 1 접속부의 전압이 정상 상태로부터 감소하기 전에 테일 전류값을 감소시키는 것이 바람직하다.
전압 구동형 소자의 서지 전압과 스위칭 손실 사이의 트레이드 오프 관계를 개선하기 위하여, 전압 구동형 소자의 스위칭 속도를 경시적으로 전환하고자 하는 경우가 있다. 예를 들어, 서지 전압보다 스위칭 손실이 문제시되는 기간에는 전압 구동형 소자의 스위칭 속도를 고속화시킴으로써 스위칭 손실의 증대를 억제하고, 스위칭 손실보다 서지 전압이 문제시되는 기간에는 전압 구동형 소자의 스위칭 속도를 지속화 (遲速化) 시킴으로써 서지 전압을 억제한다. 이와 같이, 전압 구동형 소자의 스위칭 속도를 경시적으로 전환함으로써 전압 구동형 소자의 서지 전압과 스위칭 손실 사이의 트레이드 오프 관계를 개선할 수 있다. 이와 같은 요구에 따르기 위하여, 제어부는 제 1 접속부의 전압을 상이한 크기의 고정 전압으로 전환하기 위하여 스위칭 소자의 제어 단자에 입력되는 전압을 제어할 수 있도록 구성되어 있어도 된다. 이 양태에 의하면, 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 공급되는 구동 전압이 전환된다. 구동 전압이 클 때는 전압 구동형 소자의 스위칭 속도가 고속화되고, 구동 전압이 작을 때는 전압 구동형 소자의 스위칭 속도가 지속화된다. 이 양태에 의하면, 전압 구동형 소자의 서지 전압과 스위칭 손실 사이의 트레이드 오프 관계를 개선할 수 있다.
[실시예]
이하, 도면을 참조하여 각 실시예를 설명한다. 또한, 각 실시예에서 공통되는 구성 요소에 관해서는 공통의 부호를 붙이며, 그 설명을 생략한다.
(제 1 실시예)
도 1 에, 차량에 탑재되는 인버터 장치 (100) 의 기본적인 구성을 나타낸다. 인버터 장치 (100) 는, 직류 전원 (101) 과, 평활 콘덴서 (102) 와, 인버터부 (103) 를 구비하고 있다. 인버터부 (103) 는, 6 개의 전압 구동형 소자 (2a ∼ 2f) 와, 각 전압 구동형 소자 (2a ∼ 2f) 를 구동시키는 6 개의 구동 장치 (1a ∼ 1f) 를 구비하고 있다. 전압 구동형 소자 (2a ∼ 2f) 에는 IGBT 가 이용되고 있다. 6 개의 전압 구동형 소자 (2a ∼ 2f) 는 삼상 (三相) 브릿지 접속을 구성하고 있다. 전압 구동형 소자 (2a ∼ 2f) 각각에는 환류용의 다이오드가 역병렬로 접속되어 있다. 인버터부 (103) 는 직류 전원 (101) 으로부터 평활 콘덴서 (102) 를 통해 공급되는 직류 전압을 스위칭함으로써, 그 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 모터 (104) 에 공급한다. 6 개의 구동 장치 (1a ∼ 1f) 는 모두 등가인 회로 구성을 갖고 있으므로, 이하에서는 6 개의 구동 장치 (1a ∼ 1f) 를 특별히 구별하지 않고 설명한다.
도 2 에, 전압 구동형 소자 (2) 를 구동시키는 구동 장치 (1) 의 기본적인 구성을 나타낸다. 구동 장치 (1) 는 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트에 접속되는 1 쌍의 게이트 저항부 (R1, R2) 와, 1 쌍의 트랜지스터 (M1, M2) 와, 제 1 트랜지스터 (M1) 를 제어하는 제 1 제어부 (10) 와, 제 2 트랜지스터 (M2) 를 제어하는 제 2 제어부 (20) 와, 제 1 제어부 (10) 와 제 2 제어부 (20) 를 제어하는 제어 블록 (30) 과, 트랜스형의 구동 전원 (40) 을 구비하고 있다.
제 1 게이트 저항부 (R1) 는 고정 저항 소자로, 일단이 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트에 접속되어 있고, 타단이 제 1 접속부 (11) 에 접속되어 있다. 제 1 게이트 저항부 (R1) 는 전압 구동형 소자 (2) 의 게이트 전류의 충전 속도를 결정하고 있다. 제 2 게이트 저항부 (R2) 는 고정 저항 소자로, 일단이 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트에 접속되어 있고, 타단이 제 2 트랜지스터 (M2) 에 접속되어 있다. 제 2 게이트 저항부 (R2) 는 전압 구동형 소자 (2) 의 게이트 전류의 방전 속도를 결정하고 있다.
제 1 트랜지스터 (M1) 는 p 형의 MOSFET 로, 전압 구동형 소자 (2) 와 구동 전원 (40) 사이에 설치되어 있다. 보다 상세하게는, 제 1 트랜지스터 (M1) 는 드레인 단자가 제 1 접속부 (11) 를 통해 제 1 게이트 저항부 (R1) 에 접속되어 있고, 소스 단자가 제 2 접속부 (12) 를 통해 구동 전원 (40) 의 고전위측 배선에 접속되어 있다. 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온될 때 제 1 트랜지스터 (M1) 가 턴온됨으로써, 제 1 트랜지스터 (M1) 를 통해 구동 전원 (40) 으로부터 정 (正) 의 구동 전압이 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트에 공급된다.
제 2 트랜지스터 (M2) 는 n 형의 MOSFET 로, 전압 구동형 소자 (2) 와 접지 단자 사이에 설치되어 있다. 전압 구동형 소자 (2) 가 턴오프될 때에 제 2 트랜지스터 (M2) 가 턴온됨으로써, 제 2 트랜지스터 (M2) 를 통해 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트에 접지 전압이 공급된다.
제어 블록 (30) 은 도시하지 않은 전자 제어 유닛 (ECU) 으로부터 공급되는 제어 신호에 기초하여, 제 1 제어부 (10) 에 제 1 구동 신호 (S10) 를 출력함과 함께 제 2 제어부 (20) 에 제 2 구동 신호 (S20) 를 출력한다.
제 1 제어부 (10) 는 연산 증폭기 (OP1) 와 참조 전원 (EREF1) 과 스위치 (SW1) 를 갖고 있다. 연산 증폭기 (OP1) 는 비반전 입력 단자가 참조 전원 (EREF1) 에 접속되어 있고, 반전 입력 단자가 제 1 접속부 (11) 에 접속되어 있고, 출력 단자가 제 1 트랜지스터 (M1) 의 제어 단자에 접속되어 있다. 스위치 (SW1) 는, 일단이 제 2 접속부 (12) 에 접속되어 있고, 타단이 제 1 트랜지스터 (M1) 의 제어 단자에 접속되어 있다.
다음으로, 구동 장치 (1) 의 동작을 설명한다. 제 1 제어부 (10) 에서는, 제어 블록 (30) 으로부터 출력되는 제 1 구동 신호 (S10) 에 기초하여 스위치 (SW1) 가 개방되면, 제 1 트랜지스터 (M1) 가 온으로 된다. 이때, 제 2 제어부 (20) 에서는, 제어 블록 (30) 으로부터 출력되는 제 2 구동 신호 (S20) 에 기초하여 제 2 트랜지스터 (M2) 는 오프로 되어 있다. 제 1 트랜지스터 (M1) 가 온되면, 구동 전원 (40) 으로부터 제 1 트랜지스터 (M1) 를 통해 제 1 접속부 (11) 에 정 (正) 의 구동 전압이 공급된다. 연산 증폭기 (OP1) 의 반전 입력 단자에는 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 이 입력되어 있고, 비반전 입력 단자에는 참조 전원 (EREF1) 의 참조 전압 (VREF1) 이 입력되어 있다. 이 때문에, 제 1 제어부 (10) 는 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 참조 전압 (VREF1) 과 비교하여, 그 비교 결과에 기초하여 제 1 트랜지스터 (M1) 에 입력되는 게이트 전압 (Vg) 을 제어한다. 그 결과, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 은 참조 전원 (EREF1) 의 참조 전압 (VREF1) 과 일치하게 유지된다. 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 이 고정밀도로 제어되고 있으므로, 그 제 1 접속부 (11) 에 직접 접속되어 있는 제 1 게이트 저항부 (R1) 에 의하여 결정되는 게이트 전류의 충전 속도도 고정밀도로 제어된다.
트랜스형 구동 전원 (40) 의 전원 정밀도는 낮기 때문에, 구동 전원 (40) 의 출력 전압이 수 V 의 범위로 변동되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 본 실시예의 기술이 이용되고 있지 않은 경우, 구동 전원 (40) 의 출력 전압이 낮게 변동되면, 게이트 전류의 충전 속도가 설정치보다 지속화되어, 전압 구동형 소자 (2) 를 턴온시키는데 요하는 시간이 길어져, 스위칭 손실이 증가한다. 한편, 구동 전원 (40) 의 출력 전압이 높게 변동되면, 게이트 전류의 충전 속도가 설정치보다 고속화되어, 전압 구동형 소자 (2) 를 턴온시킬 때의 전류 변화율이 커져, 서지 전압이 발생한다.
본 실시예의 구동 장치 (1) 에서는, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 고정밀도인 참조 전원 (EREF1) 을 이용하여 피드백 제어함으로써, 구동 전원 (40) 의 출력 전압의 변동의 영향을 받는 일 없이 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 매우 고정밀도로 제어할 수 있다. 또한, 본 실시예의 구동 장치 (1) 는, 제 1 접속부 (11) 와 제 1 게이트 저항부 (R1) 가 직접 접속되어 있으므로, 고정밀도로 제어된 구동 전압이 제 1 게이트 저항부 (R1) 의 단부에 항상 공급된다. 따라서, 본 실시예의 구동 장치 (1) 는 제 1 게이트 저항부 (R1) 에 의하여 결정되는 게이트 전류의 충전 속도를 고정밀도로 제어할 수 있어, 전압 구동형 소자 (2) 를 고정밀도로 구동시킬 수 있으므로, 의도하지 않은 서지 전압의 발생이나 스위칭 손실의 증가를 억제할 수 있다.
(제 2 실시예)
도 3 에, 제 2 실시예의 구동 장치 (1) 의 기본적인 구성을 나타낸다. 이 구동 장치 (1) 는 제 2 제어부 (20) 에도 고정밀도로 전압을 제어하는 회로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우, 제 2 트랜지스터 (M2) 는 드레인 단자가 제 3 접속부 (21) 를 통해 제 2 게이트 저항부 (R2) 에 접속되어 있고, 소스 단자가 제 4 접속부 (22) 를 통해 구동 전원 (40) 의 부 (負) 전위측 배선에 접속되어 있다. 제 2 제어부 (20) 는, 제 2 연산 증폭기 (OP2) 와 제 2 참조 전원 (EREF2) 과 제 2 스위치 (SW2) 를 갖고 있다. 제 2 연산 증폭기 (OP2) 는 비반전 입력 단자가 제 2 참조 전원 (EREF2) 에 접속되어 있고, 반전 입력 단자가 제 3 접속부 (21) 에 접속되어 있고, 출력 단자가 제 2 트랜지스터 (M2) 의 제어 단자에 접속되어 있다. 제 2 스위치 (SW2) 는, 일단이 제 4 접속부 (22) 에 접속되어 있고, 타단이 제 2 트랜지스터 (M2) 의 제어 단자에 접속되어 있다.
제 2 제어부 (20) 에서는, 제어 블록 (30) 으로부터 출력되는 제 2 구동 신호 (S20) 에 기초하여 스위치 (SW2) 가 개방되면, 제 2 트랜지스터 (M2) 가 온으로 된다. 이때, 제 1 제어부 (10) 에서는, 제어 블록 (30) 으로부터 출력되는 제 1 구동 신호 (S10) 에 기초하여 제 1 트랜지스터 (M1) 는 오프로 되어 있다. 제 2 트랜지스터 (M2) 가 온되면, 구동 전원 (40) 으로부터 제 2 트랜지스터 (M2) 를 통해 제 3 접속부 (21) 에 부 (負) 의 구동 전압이 공급된다. 제 2 연산 증폭기 (OP2) 의 반전 입력 단자에는 제 3 접속부 (21) 의 전압 (V21) 이 입력되어 있고, 비반전 입력 단자에는 제 2 참조 전원 (EREF2) 의 참조 전압 (VREF2) 이 입력되어 있다. 이 때문에, 제 2 제어부 (20) 는 제 3 접속부 (21) 의 전압 (V21) 을 참조 전압 (VREF2) 과 비교하여, 그 비교 결과에 기초하여 제 2 트랜지스터 (M2) 에 입력되는 게이트 전압 (Vg) 을 제어한다. 그 결과, 제 3 접속부 (21) 의 전압 (V21) 은 제 2 참조 전원 (EREF2) 의 참조 전압 (VREF2) 과 일치하게 유지된다. 제 3 접속부 (21) 의 전압 (V21) 이 고정밀도로 제어되고 있으므로, 그 제 3 접속부 (21) 에 직접 접속되어 있는 제 2 게이트 저항부 (R2) 에 의하여 결정되는 게이트 전류의 방전 속도도 고정밀도로 제어된다.
(제 3 실시예)
도 4 에, 제 3 실시예의 구동 장치 (1) 의 기본적인 구성을 나타낸다. 이 구동 장치 (1) 는, 제 1 트랜지스터 (M1) 의 드레인 단자로부터 출력되는 출력 전류를 증폭시켜 제 1 접속부 (11) 에 공급하는 전류 증폭 회로 (50) 를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
전류 증폭 회로 (50) 는, 바이폴러 트랜지스터 (Tr11) 와 저항부 (52) 를 구비하고 있다. 바이폴러 트랜지스터 (Tr11) 는 npn 형으로, 에미터 단자가 제 1 접속부 (11) 에 접속되어 있고, 컬렉터 단자가 제 2 접속부 (12) 에 접속되어 있고, 베이스 단자가 제 1 트랜지스터 (M1) 의 드레인 단자에 접속되어 있다. 저항부 (52) 는, 일단이 제 1 접속부 (11) 에 접속되어 있고, 타단이 제 1 트랜지스터 (M1) 의 드레인 단자 및 바이폴러 트랜지스터 (Tr11) 의 베이스 단자에 접속되어 있다. 전류 증폭 회로 (50) 는 에미터 팔로워 회로를 구성하고 있다. 또한, 전류 증폭 회로 (50) 에서는 바이폴러 트랜지스터 (Tr11) 대신 절연 게이트를 갖는 트랜지스터를 이용하여도 된다.
차량용 인버터 장치 (100) (도 1 참조) 에 탑재되는 전압 구동형 소자 (2) 는 대전류를 취급할 필요가 있기 때문에, 그 전류 용량이 크다. 따라서, 스위칭 손실의 증대를 억제하기 위해서는 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자 (2) 를 단시간에 턴온시킬 필요가 있고, 그러기 위해서는 큰 게이트 충전 전류가 필요해진다. 예를 들어, 제 1 실시예와 같은 전류 증폭 회로 (50) 가 설치되어 있지 않은 구동 장치 (1) 에서는 큰 게이트 충전 전류를 얻기 위하여 제 1 트랜지스터 (M1) 의 전류 용량을 증가시킬 필요가 있다. 제 1 트랜지스터 (M1) 의 전류 용량을 증가시키면, 제 1 제어부 (10) 의 연산 증폭기 (OP1) 의 슬루 레이트도 증가시켜야 한다. 그런데, 제 1 제어부 (10) 의 연산 증폭기 (OP1) 의 슬루 레이트를 증가시키면 연산 증폭기 (OP1) 의 테일 전류도 증가하므로, 연산 증폭기 (OP1) 의 정상 손실이 증가한다.
본 실시예와 같이 전류 증폭 회로 (50) 를 갖는 구동 장치 (1) 는, 제 1 트랜지스터 (M1) 의 드레인 단자로부터 출력되는 출력 전류를 증폭시켜 제 1 접속부 (11) 에 공급할 수 있다. 전류 증폭 회로 (50) 를 설치함으로써 제 1 트랜지스터 (M1) 의 전류 용량을 증가시키지 않아도 큰 게이트 충전 전류를 얻을 수 있다. 그 결과, 제 1 제어부 (10) 의 연산 증폭기 (OP1) 의 슬루 레이트를 증가시킬 필요가 없으므로, 연산 증폭기 (OP1) 의 테일 전류를 낮게 억제할 수 있어, 연산 증폭기 (OP1) 의 정상 손실의 증가를 억제할 수 있다.
또한, 출력이 상이한 복수의 교류 모터 (104) 를 제어하는 인버터 장치 (100) 를 제작하는 경우, 전압 구동형 소자 (2) 의 전류 용량을 교류 모터 (104) 마다 상이하게 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 출력이 큰 교류 모터 (104) 에는 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자 (2) 가 이용되고, 출력이 작은 교류 모터 (104) 에는 전류 용량이 작은 전압 구동형 소자 (2) 가 이용되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 전압 구동형 소자 (2) 의 전류 용량이 각각 상이하면, 그 전압 구동형 소자 (2) 의 전류 용량의 크기에 따라 구동 장치 (1) 의 전류 용량도 상이한 것을 준비하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우에, 본 실시예의 구동 장치 (1) 는 유용하다. 즉, 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자 (2) 를 구동시키는 구동 장치 (1) 에는 전류 증폭 회로 (50) 를 접속시킨 것을 준비하고, 전류 용량이 작은 전압 구동형 소자 (2) 를 구동시키는 구동 장치 (1) 에는 전류 증폭 회로 (50) 를 접속시키지 않은 것을 준비하면, 제 1 트랜지스터 (M1) 와 제어부 (10) 를 공통화시킬 수 있다. 이와 같은 구성을 채용하면, 제 1 트랜지스터 (M1) 와 제어부 (10) 를 모놀리식 (monolithic) 화할 수 있어, 구동 장치 (1) 의 저비용화에 기여할 수 있다.
(제 4 실시예)
도 5 에, 제 4 실시예의 구동 장치 (1) 의 기본적인 구성을 나타낸다. 이 구동 장치 (1) 는, 제 1 제어부 (10) 의 연산 증폭기 (OP1) 의 테일 전류값을 조정하는 테일 전류 조정 회로 (60) 를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 테일 전류 조정 회로 (60) 는, 제 1 정전류원 (61) 과 제 2 정전류원 (62) 과 스위치 (63) 를 갖고 있다. 제 1 정전류원 (61) 은, 일단이 연산 증폭기 (OP1) 에 접속되어 있고, 타단이 접지되어 있다. 제 1 정전류원 (61) 은 제 1 정전류 (I1) 를 생성한다. 제 2 정전류원 (62) 은, 일단이 스위치 (63) 에 접속되어 있고, 타단이 접지되어 있다. 제 2 정전류원 (62) 은 제 2 정전류 (I2) 를 생성한다. 제 1 정전류 (I1) 와 제 2 정전류 (I2) 는 같은 크기여도 되고, 상이한 크기여도 된다. 스위치 (63) 는, 일단이 연산 증폭기 (OP1) 에 접속되어 있고, 타단이 제 2 정전류원 (62) 에 접속되어 있다. 스위치 (63) 는, 제어 블록 (30) 으로부터 출력되는 전류 조정 신호 (S60) 에 기초하여 개폐할 수 있도록 구성되어 있다. 연산 증폭기 (OP1) 에 공급되는 테일 전류값은 스위치 (63) 의 개폐에 따라, 제 1 정전류원 (61) 에 의하여 생성되는 제 1 정전류 (I1) 와, 제 1 정전류원 (61) 에 의하여 생성되는 제 1 정전류 (I1) 와 제 2 정전류원 (62) 에 의하여 생성되는 제 2 정전류 (I2) 의 합계 전류 (I1 ＋ I2) 사이에서 전환된다.
도 6 에, 제 3 실시예의 구동 장치 (1) 의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 6(A) 는 제 1 제어부 (10) 에 입력되는 제 1 구동 신호 (S10) 를 나타내고 있고, 도 6(B) 는 테일 전류 조정 회로 (60) 에 입력되는 전류 조정 신호 (S60) 를 나타내고 있고, 도 6(C) 는 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 및 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트의 게이트 전압 (V2) 을 나타내고 있다.
도 6(A) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 제어부 (10) 의 제 1 구동 신호 (S10) 는 타이밍 (t1) 에서 상승하고, 타이밍 (t4) 에서 하강한다. 상기한 바와 같이, 제 1 트랜지스터 (M1) 는 제 1 구동 신호 (S10) 의 상승에 동기하여 온됨과 함께, 제 1 구동 신호 (S10) 의 하강에 동기하여 오프된다. 따라서, 도 6(C) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 과 전압 구동형 소자 (2) 의 게이트 전압 (V2) 은 모두 타이밍 (t1) 에서 상승하고, 타이밍 (t4) 에서 하강한다.
도 6(B) 에 나타내는 바와 같이, 전류 조정 신호 (S60) 는 타이밍 (t1) 에서 상승하고, 타이밍 (t2) 에서 하강한다. 이와 같이, 테일 전류 조정 회로 (60) 는 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간만 제 1 정전류원 (61) 과 제 2 정전류원 (62) 의 합계 전류 (I1 ＋ I2) 를 연산 증폭기 (OP1) 에 공급한다. 테일 전류 조정 회로 (60) 는 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 이외의 기간에는 제 1 정전류원 (61) 의 제 1 정전류 (I1) 를 연산 증폭기 (OP1) 에 공급한다.
상기한 바와 같이, 제 1 제어부 (10) 의 연산 증폭기 (OP1) 에 큰 슬루 레이트가 필요시되는 것은 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간인 경우가 많다. 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 이외에는 제 1 제어부 (10) 의 연산 증폭기 (OP1) 에 큰 슬루 레이트가 필요시되지 않는다. 따라서, 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간에만 테일 전류 조정 회로 (60) 를 이용하여 연산 증폭기 (OP1) 의 테일 전류값을 증가시킴으로써, 연산 증폭기 (OP1) 의 정상 손실의 증대를 억제하면서, 필요한 때에 연산 증폭기 (OP1) 의 테일 전류값을 증대시켜 전류 용량이 큰 전압 구동형 소자 (2) 를 단시간에 구동시킬 수 있다.
또한, 상기 예에서는, 전류 조정 신호 (S60) 가 타이밍 (t1) 에서 상승하고, 타이밍 (t2) 에서 하강하고 있다. 이것은 일례로, 전류 조정 신호 (S60) 는 이 외의 타이밍에서 상승하고, 하강해도 된다. 전류 조정 신호 (S60) 의 상승은, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 이 정상 상태에 도달하는 타이밍보다 전방 범위에 설정되어 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 전류 조정 신호 (S60) 의 상승은, 제 1 제어부 (10) 에 입력되는 제 1 구동 신호 (S10) 의 상승보다 전방 범위에 설정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 전류 조정 신호 (S60) 의 하강은, 제 1 제어부 (10) 에 입력되는 제 1 구동 신호 (S10) 의 하강 (t4 참조) 보다 전방 범위에 설정되어 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 전류 조정 신호 (S60) 의 하강은 전압 구동형 소자 (2) 의 게이트 전압 (V2) 이 정상 상태에 도달하는 것보다 전방 범위 (t3 참조) 에 설정되어 있는 것이 바람직하다.
(제 5 실시예)
도 7 에, 제 5 실시예의 구동 장치 (1) 의 기본적인 구성을 나타낸다. 이 구동 장치 (1) 는, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 전환시키기 위한 분압 조정 회로 (70) 를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 분압 조정 회로 (70) 는, 분압 조정용의 제 1 ∼ 제 3 저항부 (72, 74, 76) 와 전환 스위치 (78) 를 구비하고 있다. 분압 조정용 제 1 저항부 (72) 는 고정 저항 소자로, 일단이 제 1 접속부 (11) 에 접속되어 있고, 타단이 중간 접속점 (73) 에 접속되어 있다. 분압 조정용 제 2 저항부 (74) 는 고정 저항 소자로, 일단이 전환 스위치 (78) 를 통해 중간 접속점 (73) 에 접속될 수 있도록 구성되어 있고, 타단이 접지되어 있다. 분압 조정용 제 3 저항부 (76) 는 고정 저항 소자로, 일단이 전환 스위치 (78) 를 통해 중간 접속점 (73) 에 접속될 수 있도록 구성되어 있고, 타단이 접지되어 있다. 중간 접속점 (73) 은, 연산 증폭기 (OP1) 의 반전 입력 단자에 접속되어 있다.
분압 조정용 제 2 저항부 (74) 의 저항값과 분압 조정용 제 3 저항부 (76) 의 저항값은 상이하다. 이 때문에, 전환 스위치 (78) 가 분압 조정용 제 2 저항부 (74) 와 분압 조정용 제 3 저항부 (76) 사이에서 접속을 전환시키면 중간 접속점 (73) 의 분압치가 변화된다. 그 결과, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 도 전환된다.
도 8 에, 제 5 실시예의 구동 장치 (1) 의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 8(A) 는 제 1 제어부 (10) 에 입력되는 제 1 구동 신호 (S10) 를 나타내고 있고, 도 8(B) 는 분압 조정 회로 (70) 에 입력되는 분압 조정 신호 (S70) 를 나타내고 있고, 도 8(C) 는 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 및 전압 구동형 소자 (2) 의 절연 게이트의 게이트 전압 (V2) 을 나타내고 있다.
도 8(A) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 제어부 (10) 의 제 1 구동 신호 (S10) 는 타이밍 (t1) 에서 상승하고, 타이밍 (t3) 에서 하강한다. 상기한 바와 같이, 제 1 트랜지스터 (M1) 는 제 1 구동 신호 (S10) 의 상승에 동기하여 온됨과 함께, 제 1 구동 신호 (S10) 의 하강에 동기하여 오프된다. 따라서, 도 8(C) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 과 전압 구동형 소자 (2) 의 게이트 전압 (V2) 은 모두 타이밍 (t1) 에서 상승하고, 타이밍 (t3) 에서 하강한다.
도 8(B) 에 나타내는 바와 같이, 분압 조정 신호 (S70) 는 타이밍 (t2) 에서 상승하고, 타이밍 (t3) 에서 하강한다. 타이밍 (t2) 은 전압 구동형 소자 (2) 의 게이트 전압 (V2) 의 밀러 구간이 종료된 후의 범위에 설정되어 있다. 이와 같이, 분압 조정 회로 (70) 는 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간에 있어서, 전반은 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 를 낮게 설정하고, 후반은 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 높게 설정한다.
전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 중 전반은 특히 서지 전압이 문제시된다. 분압 조정 회로 (70) 는 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 중 전반의 전압 (V11) 을 낮게 설정함으로써 서지 전압을 억제한다. 그에 반하여, 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 중 후반은 서지 전압이 특별히 문제시되는 경우는 없다. 따라서, 분압 조정 회로 (70) 는 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 중 후반의 전압 (V11) 을 높게 설정함으로써 스위칭 손실의 증대를 억제함과 함께, 전압 구동형 소자 (2) 의 온 전압을 저감시키고 있다. 이와 같이, 분압 조정 회로 (70) 는, 전압 구동형 소자 (2) 의 스위칭 속도를 경시적으로 전환함으로써 전압 구동형 소자 (2) 의 서지 전압과 스위칭 손실 사이의 트레이드 오프 관계를 개선할 수 있다.
또한, 상기 예에서는 분압 조정 회로 (70) 는 전압 구동형 소자 (2) 가 턴온되는 기간 중 전반은 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 낮게 설정하고, 후반은 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 높게 설정하고 있다. 이것은 일례로, 분압 조정 회로 (70) 는 필요에 따라 제 1 접속부 (11) 의 전압 (V11) 을 다양한 크기 및 타이밍에서 전환할 수 있다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명했는데, 이들은 예시에 지나지 않아, 특허 청구의 범위를 한정하는 것은 아니다. 특허 청구의 범위에 기재된 기술에는 이상에 예시한 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다.
본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는 단독으로 또는 각종 조합에 의하여 기술적 유용성을 발휘하는 것으로, 출원시의 청구항에 기재된 조합에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수의 목적을 동시에 달성하는 것으로, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 갖는 것이다.

Claims (6)

  1. 전압 구동형 소자를 구동시키는 구동 장치로서,
    상기 전압 구동형 소자의 게이트 저항부에 접속하도록 구성되는 제 1 접속부와,
    구동 전원에 접속하도록 구성되는 제 2 접속부와,
    제 1 입출력 단자가 상기 제 1 접속부에 접속되어 있고, 제 2 입출력 단자가 상기 제 2 접속부에 접속되어 있는 스위칭 소자와,
    상기 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있고, 상기 스위칭 소자의 제어 단자에 입력되는 전압을 제어하는 제어부를 구비하고 있고,
    상기 제어부는 오차 증폭기와 참조 전원과 스위치를 갖고 있고,
    상기 오차 증폭기는 일방의 입력 단자가 상기 참조 전원에 접속되어 있고, 타방의 입력 단자가 상기 제 1 접속부에 접속되어 있고, 출력 단자가 상기 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있고,
    상기 스위치는 일단이 상기 제 2 접속부에 접속되어 있고, 타단이 상기 스위칭 소자의 제어 단자에 접속되어 있는, 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 전압 구동형 소자의 턴온에 동기하여 개방되는, 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 제 1 입출력 단자로부터 출력되는 출력 전류를 증폭시켜 상기 제 1 접속부에 공급하는 전류 증폭 회로를 더 구비하는, 구동 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오차 증폭기가 연산 증폭기이며,
    상기 연산 증폭기의 테일 전류값을 조정하는 테일 전류 조정 회로를 더 구비하는, 구동 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 테일 전류 조정 회로는 상기 전압 구동형 소자가 턴온될 때에,
    (1) 상기 제 1 접속부의 전압이 정상 상태에 도달하기 전에 테일 전류값을 증대시키고,
    (2) 상기 제 1 접속부의 전압이 정상 상태로부터 감소하기 전에 테일 전류값을 감소시키는, 구동 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 접속부의 전압을 상이한 크기의 고정 전압으로 전환하기 위하여, 상기 스위칭 소자의 제어 단자에 입력되는 전압을 제어할 수 있도록 구성되어 있는, 구동 장치.
KR1020117002780A 2010-07-30 2010-07-30 전압 구동형 소자를 구동시키는 구동 장치 KR101050696B1 (ko)

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PCT/JP2010/062911 WO2012014314A1 (ja) 2010-07-30 2010-07-30 電圧駆動型素子を駆動する駆動装置

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