KR101261944B1 - 인버터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인버터의 게이트 구동에 소프트 턴 오프(Soft Turn Off)를 제공하여 IGBT를 안정되게 보호할 수 있도록 하는 인버터 제어장치가 개시된다.
본 발명은 IGBT의 턴 온/오프를 제어하고, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되면 IGBT를 강제로 턴 오프시키는 게이트 구동부, 상기 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 턴 온/오프 제어전류를 증폭시키는 전류버퍼, 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류를 지연시켜 IGBT의 소프트 턴 오프시간을 길게 유지시키는 필터를 포함한다.

Description

인버터 제어장치{INVERTER CONTROL SYSTEM}
본 발명은 인버터 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터의 게이트 구동에 소프트 턴 오프(Soft Turn Off)를 제공하여 IGBT를 안정되게 보호할 수 있도록 하는 인버터 제어장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 전기자동차의 파워 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기자동차의 파워 시스템은 게이트 구동부(10)와 인버터(20) 및 모터(M)를 포함한다.
게이트 구동부(10)는 운전요구에 따라 모터(M)의 구동속도 및 토크를 제어하기 위한 PWM 신호를 복수개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성되는 인버터(20)에 출력한다.
인버터(20)는 상기 게이트 구동부(10)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 각 상별 IGBT의 스위칭을 통해 DC링크(Vdc)에서 공급되는 고전압의 직류전원을 3상 교류전원으로 생성하여 모터(M)의 각 상에 구동 전원으로 공급한다.
따라서, 모터(M)는 인버터(20)에서 전력 케이블을 통해 공급되는 3상 전원에 의해 구동되어 지정된 속도 및 토크를 출력한다.
상기의 도 1에서는 전기자동차를 예를 들어 설명하였으나, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차에서도 인버터와 모터가 적용되는바 인버터와 모터가 적용되는 자동차는 전기자동차, 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차 모두를 포함한다.
상기와 같이 인버터와 모터가 적용되는 자동차는 특성상 사고 발생이나 정비 불량, 전력 케이블 및 전장 케이블의 노후화, 조립 공정의 오류 등으로 인하여 인버터 3상 출력이 단락되는 경우가 발생할 수 있다.
인버터 3상 출력이 단락 될 경우 IGBT에는 과전류가 흐르게 되고, 과전류에 의한 IGBT의 소손을 방지하기 위해 게이트 구동부에서는 과전류 상황을 감지하여 강제로 스위칭을 멈춘다(강제 턴 오프).
그러나, IGBT에 과전류가 흐르는 상황에서 급격한 스위치 오프는 IGBT양단에서 순간적인 과전압(전압 오버슈트)을 유발하고, 이때 발생하는 순간적인 과전압이 IGBT의 내압 전압 보다 높을 경우 IGBT가 파손되는 문제점을 발생시킨다.
상기 문제점을 개선하기 위하여 게이트 구동부는 과전류 상황에서 강제 턴 오프를 실행할 때 출력 전류를 낮추어 IGBT가 천천히 턴 오프되도록 하는 소프트 턴 오프 기능이 제공되고 있다.
상기 소프트 턴 오프 기능은 IGBT의 턴 오프를 천천히 하여 IGBT의 양단간 전류 변화량(di/dt)를 작게 하여 기생 임피던스(L)와 순간적인 전류의 변화량에 기인하여 발생하는 과전압(△V)을 감소시켜 주고 있다.
즉, △V = L * (di/dt)를 만족시킨다.
그러나, 고출력 인버터 게이트 구동부에서 일반적으로 통용되는 전류버퍼를 사용하는 경우 게이트 구동부에서 낮은 전류가 출력되더라도 IGBT의 게이트에 입력되는 전류를 증폭시켜주는 전류버퍼로 인해 이러한 소프트 턴 오프 기능에 제약이 걸려 IGBT 양단에 발생하는 과전압을 억제하는데 한계가 있다..
즉, 게이트 구동부에서 낮은 전류가 출력되더라도 전류버퍼에서 증폭이 일어나며, 증폭된 전류가 IGBT의 게이트에 입력되므로 결국 IGBT는 빠르게 턴 오프되어 과전압이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 하이브리드 자동차(이하, 모터 시스템을 이용한 모든 차량을 포함한다.)의 고출력, 고효율, 고연비화 경향에 의해 모터 시스템, 즉 인버터에 입력되는 DC링크의 전압이 상승하는 추세에 있다.
이런 목표를 달성하기 위해 DC링크 전압을 승압시킬 경우 상기한 소프트 턴 오프 기능이 실행될 때 IGBT가 소손될 가능성은 더 높아지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 과전압 레벨을 최대한 억제하거나 IGBT의 내압 전압을 올리는 방법이 적용될 수 있으나, IGBT의 내압 전압 올리는 방법은 IGBT의 가격을 상승시키는 주요한 원인이 되므로, 결국 인버터의 제작 원가를 상승시켜 가격 경쟁력을 약화시키게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 인버터의 게이트 구동에 소프트 턴 오프 기능을 강화하여 IGBT의 양단에서 과전류가 발생되지 않도록 함으로써 IGBT를 안정되게 보호할 수 있도록 하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 IGBT의 내압 전압을 변화시키지 않은 상태에서 높은 DC링크의 전압 사용이 가능하도록 하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, IGBT의 턴 온/오프를 제어하고, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되면 IGBT를 강제로 턴 오프시키는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 턴 온/오프 제어전류를 증폭시키는 전류버퍼; 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류를 지연시켜 IGBT의 소프트 턴 오프시간을 길게 유지시키는 필터를 포함하는 인버터 구동장치가 제공된다.
상기 전류버퍼는 필터의 출력이 베이스단에 연결되고, 컬렉터단에 전원이 연결되며, 에미터단은 IGBT의 게이트단에 연결되는 제1트랜지스터; 상기 필터의 출력이 베이스단에 연결되고, 에미터단에 IGBT의 게이트단이 연결되며, 컬렉터단은 그라운드로 연결되는 제2트랜지스터; 상기 제1트랜지스터와 제2트랜지스터의 온/오프에 따라 증폭되어 출력되는 제어전류를 분압하여 IGBT의 안정된 동작을 제공하는 분압저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 필터는 커패시터와 저항이 병렬로 연결되는 RC필터로 구성되고, 시정수는 IGBT의 정상상태에서 온/오프 응답속도 지연을 발생시키지 않는 값으로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 필터는 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류를 지연시켜 전류버퍼를 구성하는 제2트랜지스터의 턴 온 시간을 지연시킬 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, IGBT의 턴 온/오프를 제어하고, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되면 IGBT를 강제로 턴 오프시키는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 턴 온/오프 제어전류를 증폭시키는 전류버퍼; 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 상기 전류버퍼에 공급되지 않고, IGBT의 게이트단에 직접 공급되는 별도의 패스를 형성시키는 필터저항을 포함하는 인버터 구동장치가 제공된다.
상기 필터저항은 게이트 구동부에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 전류버퍼에서 증폭되지 않도록 할 수 있다.
상기 필터저항은 전류버퍼를 구성하는 제1트랜지스터와 제2트랜지스터의 베이스단과 에미터단에 접속될 수 있다.
상기 필터저항은 (Iflt × Rflt) < VQ_on 및 (IO ×Rflt) > VQ_on 인 특성을 갖을 수 있다.
여기서, Iflt는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류이고, Rflt는 필터저항 값이며, VQ_on은 전류버퍼의 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 턴 온시키기 위한 최소 전압이고, IO는 IGBT의 정상상태에서 IGBT의 턴 온/오프를 실행시키기 위한 제어전류를 의미한다.
그리고, 상기 게이트 구동부는 IGBT의 정상상태에서 턴 온/오프 제어전류(lo)를 강제 턴 오프 제어전류(lflt) 보다 높은 제어전류로 출력하여, 필터저항에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼의 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 게이트 구동부는 IGBT의 과도상태에서 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류(lflt)를 정상상태의 제어전류(Io) 보다 낮은 전류로 출력하여, 필터저항에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼의 제2트랜지스터를 턴 온 시키기 위한 최소전압(VQ_on)보다 작게 유지시킬 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, IGBT의 턴 온/오프를 제어하고, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되면 IGBT를 강제로 턴 오프시키는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부에서 출력되는 온/오프 제어전류에 따라 스위칭되어 IGBT의 게이트단에 공급되는 제어전류를 증폭시키는 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터; 상기 제1트랜지스터와 제2트랜지스터의 베이스단과 에미터단에 연결되어 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터의 베이스에 공급되지 않고, IGBT의 게이트에 직접 공급되도록 별도의 패스를 형성시키는 필터저항을 포함하는 인버터 구동장치가 제공된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, IGBT의 턴 온/오프를 제어하고, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되면 IGBT를 강제로 턴 오프시키는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부에서 출력되는 온/오프 제어전류에 따라 스위칭되어 IGBT의 게이트단에 공급되는 제어전류를 증폭시키는 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터; 상기 제1트랜지스터의 베이스단에 연결되어 스위칭 기울기를 조정시키는 제1저항; 상기 제2트랜지스터의 베이스단에 연결되어 스위칭 기울기를 조정시키는 제2저항; 상기 제2저항과 직렬로 연결되고, 제2트랜지스터의 베이스단과 에미터단에 연결되어 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 제2트랜지스터의 베이스에 공급되지 않고, IGBT의 게이트에 직접 공급되도록 별도의 패스를 형성시키는 제3저항을 포함하는 인버터 구동장치가 제공된다.
상기 제3저항은 (Iflt × Rflt) < VQ_on 및 (IO ×Rflt) > VQ_on 인 특성을 갖을 수 있다.
여기서, Iflt는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류이고, Rflt는 필터저항 값이며, VQ_on은 전류버퍼의 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 턴 온시키기 위한 최소 전압이고, IO는 IGBT의 정상상태에서 IGBT의 턴 온/오프를 실행시키기 위한 제어전류를 의미한다.
그리고, 상기 게이트 구동부는 IGBT의 정상상태에서 턴 온/오프 제어전류(lo)를 강제 턴 오프 제어전류(lflt) 보다 높은 제어전류로 출력하여, 제3저항에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼의 제1트랜지스터와 제2트랜지스터를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 게이트 구동부는 IGBT의 과도상태에서 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류(lflt)를 정상상태의 제어전류(Io) 보다 낮은 전류로 출력하여, 제3저항에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼의 제2트랜지스터를 턴 온 시키기 위한 최소전압(VQ_on)보다 작게 유지시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면 인버터의 게이트 구동에서 소프트 턴 오프 기능강화를 수동소자만으로 간단하게 구성하여 IGBT의 양단에서 발생되는 과전압을 효과적으로 억제할 수 있어 IGBT의 보호에 신뢰성을 제공할 수 있다.
또한, 인버터의 신뢰성 향상과 더불어 IGBT의 내압 사양을 변경하지 않은 상태에서 부품 공용화 및 생산성 향상, 원가절감의 효과를 얻을 수 있어 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 전기자동차의 파워 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 구동장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치의 정상상태 등가회로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치의 과도상태 등가회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치의 정상상태 등가회로를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치의 고장상태 등가회로를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
(제1실시예)
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 구동장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 구동장치는 게이트 구동부(101)와 전류버퍼(102), 필터(103)를 포함한다.
상기 게이트 구동부(101)는 IGBT의 턴 온과 턴 오프를 제어하고, IGBT의 단락 및 과전류를 검출하며, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되는 경우 IGBT를 강제로 턴 오프시킨다.
전류버퍼(102)는 게이트 구동부(101)에서 출력되는 제어전류를 증폭하여 IGBT의 게이트에 구동전류로 공급한다.
상기 전류버퍼(102)는 NPN형인 제1트랜지스터(Q101)와 PNP형인 제2트랜지스터(Q102) 및 분압저항(R101)(R102)로 구성된다.
상기 제1트랜지스터(Q101)는 베이스단에 게이트 구동부(101)에서 출력되는 온/오프신호가 연결되고, 컬렉터단에 전원(B+)이 연결되며, 에미터단은 IGBT의 게이트단에 연결된다.
제2트랜지스(Q102)는 베이스단에 게이트 구동부(101)에서 출력되는 온/오프신호가 연결되고, 에미터단이 IGBT의 게이트단에 연결되며, 컬렉터단은 그라운드에 연결된다.
상기 제1트랜지스터(Q101)와 제2트랜지스터(Q102)는 게이트 구동부(101)에서 출력되어 베이스단에 인가되는 온/오프 제어전류에 대하여 서로 대응되는 동작을 실행하여 IGBT의 온/오프를 실행시킨다.
분압저항(R101)(R102)은 상기 제1트랜지스터(Q101)와 제2트랜지스터(Q102)의 온/오프에 따라 출력되어 IGBT의 게이트단에 공급되는 제어전류를 분압하여 IGBT의 동작이 안정되게 유지될 수 있도록 한다.
필터(103)는 게이트 구동부(101)와 전류버퍼(102)의 사이에 구성되어 IGBT의 단락 혹은 과전류의 검출에 따라 게이트 구동부(101)에서 출력되는 강제 턴 오프 제어전류를 지연시켜 IGBT의 소프트 턴 오프를 길게 유지하여 준다.
상기 필터(103)는 커패시터(C101)와 저항(R103)이 병렬로 연결되는 RC필터로 구성될 수 있으며, 시정수는 정상 동작 상태에서 IGBT의 온/오프 응답속도에 영향을 줄 수 있으므로 보호동작을 강화하고, 응답속도 지연을 최소화하는 값으로 설정될 수 있다.
상기 필터(103)는 게이트 구동부(101)에서 소프트 턴 오프를 실행하기 위해 출력되는 제어전류를 시정수로 설정된 시간동안 지연(유지)시켜 전류버퍼(102)내 제2트랜지스터(Q102)의 온이 길게 유지될 수 있도록 한다.
따라서, IGBT의 턴 오프 시간을 길게 유지하여 준다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명이 제1실시예에 따른 인버터 구동장치의 동작은 다음과 같이 실행된다.
먼저, IGBT의 단락이나 과전류가 검출되지 않는 정상상태의 동작은 다음과 같다.
게이트 구동부(101)에서 IGBT의 턴 온을 실행시키기 위한 제어전류가 출력되면 전류버퍼(102)를 구성하는 NPN형인 제1트랜지스터(Q101)가 턴 온 된다.
상기 제1트랜지스터(Q101)의 턴 온에 따라 컬렉터단에서 공급되는 전원(B+)에 의해 제어전류가 증폭되어 IGBT의 게이트단에 게이트 전류로 공급되므로, IGBT를 턴 온 시키게 된다.
이때, 전류버퍼(102)를 구성하는 PNP형인 제2트랜지스터(Q102)는 턴 오프의 상태를 유지한다.
또한, 게이트 구동부(101)에서 IGBT의 턴 오프를 실행시키기 위한 제어전류가 출력되면 전류버퍼(102)를 구성하는 NPN형인 제1트랜지스터(Q101)는 턴 오프되고, PNP형인 제2트랜지스터(Q102)는 턴 온 된다.
상기 제2트랜지스터(Q102)의 턴 온에 따라 IGBT의 게이트단에 공급되는 게이트 제어전류는 제2트랜지스터(Q102)의 에미터단을 통해 컬렉터단에 연결되는 그라운드로 흐르게 되므로, IGBT는 턴 오프된다.
상기한 바와 같이 게이트 구동부(101)의 제어에 따라 IGBT가 턴 온/턴 오프 동작되는 상태에서 게이트 구동부(101)는 IGBT의 단락이나 과전류가 발생되는지 검출한다.
만약, IGBT의 단락이나 과전류가 검출되면 게이트 구동부(101)는 IGBT를 강제 턴 오프시키기 위해 제어전류를 출력한다.
상기와 같이 IGBT를 강제 턴 오프시키기 위해 게이트 구동부(101)에서 출력되는 제어전류는 필터(103)를 통해 전류버퍼(102)에 공급된다.
이때, 필터(103)를 구성하는 커패시터(C101)의 충전동작에 의해 전류버퍼(102)를 구성하고 있는 제1트랜지스터(Q101)의 턴 오프가 천천히 실행되고, 이에 대응하여 제2트랜지스터(Q102)의 턴 온이 천천히 실행된다.
따라서, IGBT의 턴 오프 역시 천천이 진행되어 IGBT의 양단에서 과도한 과전압이 발생되는 것을 방지하기 위한 소트프 턴 오프 동작을 실행된다.
또한, 상기 필터(103)를 구성하는 커패시터(Q101)에 충전된 전압은 저항(R103)의 설정값에 따라 방전되어 전류버퍼(102)에 공급된다.
따라서, 전류버퍼(102)를 구성하고 있는 제1트랜지스터(Q101)의 턴 오프 시간이 지연되고, 이에 대응하여 제2트랜지스터(Q102)의 턴 온 시간이 지연되므로 IGBT의 턴 오프 시간을 길게 가져가게 된다.
그러므로, IGBT의 단락이나 과전류의 검출에 따른 강제 턴 오프 동작에서 소프트 턴 오프를 안정되게 실행한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 제1실시예는 인버터 구동장치에서 강제 턴 오프 동작을 실행할 때 소프트 턴 오프 기능을 강화하고, 과전압이 발생되지 않도록 함으로써 IGBT의 소손을 방지할 수 있어 인버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 강제 턴 오프로 발생되는 오버슈트와 IGBT의 정격 내압 사이에 마진을 충분히 확보할 수 있어 IGBT 공용화를 통한 원가절감과 생산성 향상을 제공할 수 있다.
(제2실시예)
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치는 게이트 구동부(201)와 전류버퍼(202) 및 필터(203)를 포함한다.
상기 게이트 구동부(201)는 IGBT의 턴 온과 턴 오프를 제어하고, IGBT의 단락 및 과전류를 검출하며, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되는 경우 IGBT를 강제 턴 오프시킨다.
전류버퍼(202)는 게이트 구동부(201)에서 출력되는 제어전류를 증폭하여 IGBT의 게이트에 구동전류로 공급한다.
상기 전류버퍼(202)는 NPN형인 제1트랜지스터(Q201)와 PNP형인 제2트랜지스터(Q202) 및 분압저항(R201)(R202)로 구성된다.
상기 제1트랜지스터(Q201)는 베이스단에 게이트 구동부(201)에서 출력되는 온/오프신호가 연결되고, 컬렉터단에 전원(B+)이 연결되며, 에미터단은 IGBT의 게이트단에 연결된다.
제2트랜지스(Q202)는 베이스단에 게이트 구동부(201)에서 출력되는 온/오프신호가 연결되고, 에미터단이 IGBT의 게이트단에 연결되며, 컬렉터단은 그라운드에 연결된다.
상기 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)는 게이트 구동부(201)에서 출력되어 베이스단에 인가되는 온/오프신호에 대하여 서로 대응되는 동작을 실행하여 IGBT의 턴 온 및 턴 오프를 실행시킨다.
분압저항(R201)(R202)은 상기 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)의 온/오프에 따라 출력되어 IGBT의 게이트단에 공급되는 게이트 전류를 분압하여 IGBT의 동작이 안정되게 유지될 수 있도록 한다.
필터(203)는 저항(R205)으로 구성되고, 전류버퍼(202)의 사이에 구성되어 IGBT의 단락 혹은 과전류의 검출에 따라 게이트 구동부(201)에서 IGBT를 강제로 턴 오프시키기 위하여 출력되는 제어전류가 전류버퍼(202)를 거치지 않도록 별도의 패스로 형성한다.
따라서, 게이트 구동부(201)에서 출력되는 제어전류가 전류버퍼(202)에서 증폭되지 않도록 하여 IGBT의 소프트 턴 오프를 안정되게 제공한다.
상기 필터(203)인 저항(R205)은 상기 전류버퍼(202)의 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)의 베이스단과 에미터단에 접속된다.
상기 필터(203)인 저항(R205)은 (Iflt × Rflt) < VQ_on 및 (IO ×Rflt) > VQ_on 인 특성을 갖는다.
상기 Iflt는 IGBT의 단락 혹은 과전류의 검출에 따라 IGBT를 강제로 턴 오프시키기 위한 제어전류이다.
Rflt는 필터(203)인 저항(R205)의 저항값이다.
VQ_on은 전류버퍼(202)내의 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온시키기 위한 최소 전압을 의미한다.
IO는 IGBT의 정상상태에서 IGBT의 턴 온 및 턴 오프를 실행시키기 위한 제어전류이다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치의 동작은 다음과 같이 실행된다.
IGBT의 단락이나 과전류가 검출되지 않는 정상상태의 동작은 다음과 같다.
게이트 구동부(201)는 IGBT의 턴 온을 실행시키기 위하여 IGBT를 강제 턴 오프시키는 제어전류(lflt) 보다 높은 제어전류(lo)를 출력한다.
이때, 필터(203)인 저항(R205)에 걸리는 전압(Io × Rflt)은 전류버퍼(202)를 구성하고 있는 제1트랜지스터(Q201)과 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 되므로 전류버퍼(202)는 정상적으로 작동한다.
즉, 게이트 구동부(201)에서 출력된 제어전류(Io)는 전류버퍼(202)를 구성하는 NPN형인 제1트랜지스터(Q201)의 베이스에 공급되어 제1트랜지스터(Q201)가 턴 온 된다.
따라서, 상기 제1트랜지스터(Q201)의 턴 온에 따라 컬렉터단에서 공급되는 전원(B+)에 의해 제어전류가 증폭되어 IGBT의 게이트단에 게이트 전류로 공급되므로, IGBT를 턴 온 시키게 된다.
이때, 전류버퍼(202)를 구성하는 PNP형인 제2트랜지스터(Q202)는 턴 오프의 상태를 유지한다.
또한, 게이트 구동부(201)는 IGBT의 턴 오프를 실행시키기 위하여 제어전류(lo)를 출력한다.
이때, 필터(203)인 저항(R205)에 걸리는 전압(Io × Rflt)은 전류버퍼(202)를 구성하는 제1트랜지스터(Q201)과 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 되므로 전류버퍼(202)는 정상적으로 작동한다.
따라서, 게이트 구동부(201)에서 출력된 제어전류(Io)는 전류버퍼(202)를 구성하는 NPN형인 제1트랜지스터(Q201)의 베이스에 공급되어 제1트랜지스터(Q201)는 턴 오프되고, PNP형인 제2트랜지스터(Q202)는 턴 온 된다.
상기 제2트랜지스터(Q202)의 턴 온에 따라 IGBT의 게이트단에 공급되는 게이트 전류는 제2트랜지스터(Q202)의 에미터단을 통해 컬렉터단에 연결되는 그라운드로 흐르게 되므로, IGBT는 턴 오프된다.
상기한 정상상태의 동작은 도 4에 도시된 등가회로로 표현할 수 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 게이트 구동부(201)의 제어전류에 따라 IGBT가 턴 온/턴 오프 동작되는 상태에서 IGBT의 단락이나 과전류가 발생되면 다음과 같이 동작된다.
IGBT의 단락이나 과전류가 검출되면 게이트 구동부(201)는 IGBT를 보호하기 위하여 IGBT를 강제 턴 오프시키기 위한 제어전류를 출력한다.
이때 게이트 구동부(201)는 IGBT의 양단(Vce)에서 과도한 과전압이 발생되지 않도록 하기 위하여 제어전류(lflt)를 정상상태에서의 제어전류(Io) 보다 작게 전류로 출력한다.
따라서, 전류버퍼(202) 사이에 삽입된 저항(R205)에 걸리는 전압은 전류버퍼(202)를 구성하는 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온 시키기 위한 최소전압(VQ_on)보다 작게 걸리기 때문에 제2트랜지스터(Q202)는 턴 오프의 상태로 유지된다.
이때, 도 5에 도시된 과도상태의 등가회로에 도시된 바와 같이 저항(R205)과 IGBT의 게이트단에 연결되는 저항(R202)은 직렬로 연결되어 게이트 구동부(201)에 출력되는 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온시키기 위한 최소전압(VQ_on) 보다 작은 전압의 구동전류가 IGBT의 게이트 단에 인가된다.
따라서, IGBT는 소프트 턴 오프되어 양단에서 과도한 과전압이 발생되지 않게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 구동장치는 IGBT의 단락이나 과전류가 검출되면 IGBT를 소프트 턴 오프시키는 전류패스를 다르게 형성함으로써, 정상 스위칭 동작에서 응답속도의 지연이 발생되지 않아 인버터의 신뢰성 및 안정성을 제공할 수 있다.
(제3실시예)
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치의 과도상태 등가회로를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치는 게이트 구동부(301)와 전류버퍼(302) 및 필터(303)을 포함한다.
상기 게이트 구동부(301)는 IGBT의 턴 온과 턴 오프를 제어하고, IGBT의 단락 및 과전류를 검출하며, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되는 경우 IGBT를 강제 턴 오프시킨다.
전류버퍼(302)는 게이트 구동부(301)에서 출력되는 제어전류를 증폭하여 IGBT의 게이트에 구동전류로 공급한다.
상기 전류버퍼(302)는 NPN형인 제1트랜지스터(Q301)와 PNP형인 제2트랜지스터(Q302) 및 분압저항(R301)(R302)로 구성된다.
상기 제1트랜지스터(Q301)는 베이스단에 게이트 구동부(301)에서 출력되는 온/오프신호가 연결되고, 컬렉터단에 전원(B+)이 연결되며, 에미터단은 IGBT의 게이트단에 연결된다.
제2트랜지스(Q302)는 베이스단에 게이트 구동부(301)에서 출력되는 온/오프신호가 연결되고, 에미터단이 IGBT의 게이트단에 연결되며, 컬렉터단은 그라운드에 연결된다.
상기 제1트랜지스터(Q301)와 제2트랜지스터(Q302)는 게이트 구동부(301)에서 출력되어 베이스단에 인가되는 온/오프신호에 대하여 서로 대응되는 동작을 실행하여 IGBT의 턴 온 및 턴 오프를 실행시킨다.
분압저항(R301)(R302)은 상기 제1트랜지스터(Q301)와 제2트랜지스터(Q302)의 온/오프에 따라 출력되어 IGBT의 게이트단에 공급되는 게이트 전압을 분압하여 IGBT의 동작이 안정되게 유지될 수 있도록 한다.
필터(303)는 게이트 구동부(201)와 전류버퍼(302)의 사이에 구성되어 IGBT의 단락 혹은 과전류의 검출에 따라 게이트 구동부(301)가 IGBT를 강제로 턴 오프시키기 위하여 출력하는 제어전류의 전류 패스를 전류버퍼(302)를 경유하지 않는 다른 패스로 형성한다.
따라서, 게이트 구동부(301)에서 출력되는 신호가 전류버퍼(302)에서 증폭되지 않도록 하여 IGBT의 소프트 턴 오프를 안정되게 제공한다.
상기 필터(303)는 전류버퍼(302)를 구성하는 제1트랜지스터(Q301)의 베이스단에 연결되는 제1저항(R307), 전류버퍼(301)를 구성하는 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단에 연결되는 제2저항(R308), 상기 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단과 에미터단의 사이에 접속되는 제3저항(R309)로 구성된다.
상기 제1저항(R307)은 게이트 구동부(301)에서 제1트랜지스터(Q301)의 베이스단에 게이트 신호로 공급되는 제어전류의 크기(전류량)를 제한하여 IGBT의 턴 온에 대한 스위칭 기울기를 조정한다.
상기 제2저항(R308)은 게이트 구동부(301)에서 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단에 게이트 신호로 공급되는 제어전류의 크기(전류량)를 제한하여 IGBT의 턴 오프에 대한 스위칭 기울기를 조정한다.
상기 스위칭 기울기는 다음과 같이 결정된다.
Vce(IGBT의 양단간 전압)/△t(경과시간) ∝ 1/제1,2저항값(R307)(R308)
상기 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단과 에미터단의 사이에 접속되는 제3저항은 (Iflt × Rflt) < VQ_on 및 (IO ×Rflt) > VQ_on 인 특성을 갖는다.
상기 Iflt는 IGBT의 단락 혹은 과전류의 검출에 따라 IGBT를 강제로 턴 오프시키기 위한 제어전류이다.
Rflt는 제3저항(R309)의 저항값이다.
VQ_on은 전류버퍼(302)를 구성하는 제1트랜지스터(Q301)와 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온시키기 위한 최소 전압을 의미한다.
IO는 IGBT의 정상상태에서 IGBT의 턴 온 및 턴 오프를 실행시키기 위한 제어전류이다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치의 동작은 다음과 같이 실행된다.
IGBT의 단락이나 과전류가 검출되지 않는 정상상태의 동작은 다음과 같다.
게이트 구동부(301)는 IGBT의 턴 온을 실행시키기 위하여 IGBT를 강제 턴 오프시키는 제어전류(lflt) 보다 높은 제어전류(lo)를 출력한다.
이때, 필터(303)에 구성되는 제3저항(R309)에 걸리는 전압(Io × Rflt)은 전류버퍼(302)를 구성하고 있는 제1트랜지스터(Q301)과 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 되므로 전류버퍼(302)는 정상적으로 작동한다.
즉, 게이트 구동부(301)에서 출력된 제어전류(Io)는 전류버퍼(302)를 구성하는 NPN형인 제1트랜지스터(Q301)의 베이스에 공급되어 제1트랜지스터(Q301)를 턴 온시킨다.
따라서, 상기 제1트랜지스터(Q301)의 턴 온에 따라 컬렉터단에서 공급되는 전원(B+)에 의해 증폭된 제어전류는 IGBT의 게이트단에 게이트 전류로 공급되므로, IGBT를 턴 온 시키게 된다.
이때, 전류버퍼(302)를 구성하는 PNP형인 제2트랜지스터(Q302)는 턴 오프의 상태를 유지한다.
또한, 게이트 구동부(301)는 IGBT의 턴 오프를 실행시키기 위하여 제어전류(lo)를 출력한다.
이때, 제3저항(R309)에 걸리는 전압(Io × Rflt)은 전류버퍼(302)를 구성하고 있는 제1트랜지스터(Q301)와 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온시키는 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 되므로 전류버퍼(302)는 정상적으로 작동한다.
따라서, 게이트 구동부(301)에서 출력된 제어전류(Io)는 전류버퍼(302)를 구성하는 NPN형인 제1트랜지스터(Q301)의 베이스에 공급되어 제1트랜지스터(Q301)는 턴 오프되고, PNP형인 제2트랜지스터(Q302)는 턴 온 된다.
상기 제2트랜지스터(Q302)의 턴 온에 따라 IGBT의 게이트단에 공급되는 게이트 전류는 제2트랜지스터(Q302)의 에미터단을 통해 컬렉터단에 연결되는 그라운드로 흐르게 되므로, IGBT는 턴 오프된다.
상기 게이트 구동부(301)에서 출력되는 제어전류는 필터(303)에 구성되는 제1저항(R307)을 통해 제1트랜지스터(Q301)의 베이스단에 공급되어 제1트랜지스터(Q301)를 온 시키고, 제1트랜지스터(Q301)의 온에 따라 증폭된 제어전류는 IGBT를 턴 온시킨다.
따라서, 제1저항(R307)의 크기에 따라 제1트랜지스터(Q301)의 베이스단에 공급되는 제어전류가 조정되어 스위칭 동작시간이 조절되므로, IGBT를 턴 온시키는 제어전류의 크기가 조절되어 턴 온의 기울기가 조절된다.
또한, 게이트 구동부(301)에서 출력되는 제어전류는 필터(303)에 구성되는 제2저항(R308)을 통해 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단에 공급되어 제2트랜지스터(Q302)를 오프 시키고, 제2트랜지스터(Q302)의 오프에 따라 증폭된 제어전류는 IGBT를 턴 오프시킨다.
따라서, 제2저항(R308)의 크기에 따라 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단에 공급되는 제어전류가 조정되어 스위칭 동작시간이 조절되므로, IGBT를 턴 오프시키는 제어전류의 크기가 조절되어 턴 오프의 기울기가 조절된다.
상기한 IBGT의 정상상태 동작은 도 7에 도시된 등가회로로 표현될 수 있다.
그러나, 전술한 정상동작 상태에서 IGBT의 단락이나 과전류가 발생되면 다음과 같이 동작된다.
IGBT의 단락이나 과전류가 검출되면 게이트 구동부(301)는 IGBT를 보호하기 위하여 IGBT를 강제 턴 오프시키기 위한 제어전류를 출력한다.
이때, 게이트 구동부(201)는 IGBT의 양단에서 과도한 과전압(Vce)이 발생되지 않도록 하기 위하여 제어전류(lflt)를 정상상태에서의 제어전류(Io) 보다 작게 전류로 출력한다.
따라서, 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단과 에미터단에 연결되며 필터(303)에 구성되는 제3저항(R309)에 걸리는 전압은 전류버퍼(302)를 구성하는 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온 시키기 위한 최소전압(VQ_on)보다 작게 걸리기 때문에 제2트랜지스터(Q302)는 턴 오프의 상태로 유지된다.
이때, 도 8에 도시된 과도상태의 등가회로에 도시된 바와 같이 스위칭 기울기를 조정하기 위한 제2저항(R308)과 필터을 제공하는 제3저항(R309) 및 IGBT의 게이트단에 연결되는 분압저항(R302)은 직렬로 연결되어 게이트 구동부(301)에 출력되는 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온시키기 위한 최소전압(VQ_on) 보다 작은 전압의 구동전류가 IGBT의 게이트 단에 인가된다.
따라서, IGBT는 소프트 턴 오프되어 양단에서 과도한 과전압이 발생되지 않게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 구동장치는 IGBT의 단락이나 과전류가 검출되면 IGBT를 소프트 턴 오프시키는 전류패스를 다르게 형성함으로써, 정상 스위칭 동작에서 응답속도의 지연이 발생되지 않아 인버터의 신뢰성 및 안정성을 제공할 수 있다.
또한, IGBT의 턴 온과 턴 오프 동작의 기울기를 각각 조절할 수 있어 스위칭 손실을 최소화하고, 응답시간의 최적화를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
101,201,301 : 게이트 구동부 102,202,302 : 전류버퍼

Claims (15)

  1. IGBT의 턴 온/오프를 제어하고, IGBT에서 단락 혹은 과전류가 검출되면 IGBT를 강제로 턴 오프시키는 게이트 구동부(101,201,301); 상기 게이트 구동부(101,201,301)에서 출력되는 IGBT의 턴 온/오프 제어전류를 증폭시키는 전류버퍼(102,202,302)를 포함하는 인버터 구동장치에 있어서,
    상기 게이트 구동부(101,201,301)에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류를 지연시켜 IGBT의 소프트 턴 오프 시간을 유지시키는 필터(103,203.303);
    를 포함하는 인버터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류버퍼(102)는 필터(103)의 출력이 베이스단에 연결되고, 컬렉터단에 전원이 연결되며, 에미터단은 IGBT의 게이트단에 연결되는 제1트랜지스터(Q101);
    상기 필터(103)의 출력이 베이스단에 연결되고, 에미터단에 IGBT의 게이트단이 연결되며, 컬렉터단은 그라운드로 연결되는 제2트랜지스터(Q102);
    상기 제1트랜지스터(Q101)와 제2트랜지스터(Q102)의 온/오프에 따라 증폭되어 출력되는 제어전류를 분압하여 IGBT의 안정된 동작을 제공하는 분압저항(R101,R102);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터(103)는 커패시터(C101)와 저항(R103)이 병렬로 연결되는 RC필터로 구성되고, 시정수는 IGBT의 정상상태에서 온/오프 응답속도 지연을 발생시키지 않는 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터(103)는 게이트 구동부(101)에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류를 지연시켜 전류버퍼(102)를 구성하는 제2트랜지스터(Q102)의 턴 온 시간을 지연시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필터(203)는 게이트 구동부(201)에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 전류버퍼(202)에 공급되지 않고, IGBT의 게이트단에 직접 공급되는 별도의 패스를 형성시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터(203)는 게이트 구동부(201)에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 전류버퍼(202)에서 증폭되지 않도록 하는 인버터 구동장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 필터(203)는 전류버퍼(202)를 구성하는 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)의 베이스단과 에미터단에 접속되는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 필터(203)는 (Iflt × Rflt) < VQ_on 및 (IO ×Rflt) > VQ_on 인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
    여기서, Iflt는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류이고, Rflt는 필터 값이며, VQ_on은 전류버퍼(202)를 구성하는 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온시키기 위한 최소 전압이고, IO는 IGBT의 정상상태에서 IGBT의 턴 온/오프를 실행시키기 위한 제어전류를 의미한다.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 게이트 구동부(201)는 IGBT의 정상상태에서 턴 온/오프 제어전류(lo)를 강제 턴 오프 제어전류(lflt) 보다 높은 제어전류로 출력하여, 필터에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼(202)를 구성하는 제1트랜지스터(Q201)와 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 유지시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 게이트 구동부(201)는 IGBT의 과도상태에서 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류(lflt)를 정상상태의 제어전류(Io) 보다 낮은 전류로 출력하여, 필터에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼(202)를 구성하는 제2트랜지스터(Q202)를 턴 온 시키기 위한 최소전압(VQ_on)보다 작게 유지시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 필터(303)는 게이트 구동부(301)에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 전류버퍼(302)를 구성하는 제1트랜지스터(Q301)과 제2트랜지스터(Q302)의 베이스에 공급되지 않고, IGBT의 게이트에 직접 공급되도록 별도의 패스를 형성시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필터(303)는 전류버퍼(302)를 구성하는 제1트랜지스터(Q301)의 베이스단에 연결되어 스위칭 기울기를 조정시키는 제1저항(R307);
    상기 전류버퍼(302)를 구성하는 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단에 연결되어 스위칭 기울기를 조정시키는 제2저항(R308);
    상기 제2저항(R308)과 직렬로 연결되고, 상기 전류버퍼(302)를 구성하는 제2트랜지스터(Q302)의 베이스단과 에미터단에 연결되어 게이트 구동부(301)에서 출력되는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류가 제2트랜지스터(Q302)의 베이스에 공급되지 않고, IGBT의 게이트에 직접 공급되도록 별도의 패스를 형성시키는 제3저항(R309);
    을 포함하는 인버터 구동장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3저항(R309)은 (Iflt × Rflt) < VQ_on 및 (IO ×Rflt) > VQ_on 인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
    여기서, Iflt는 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류이고, Rflt는 필터저항 값이며, VQ_on은 전류버퍼(302)를 구성하는 제1트랜지스터(Q301)와 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온시키기 위한 최소 전압이고, IO는 IGBT의 정상상태에서 IGBT의 턴 온/오프를 실행시키기 위한 제어전류를 의미한다.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 게이트 구동부(301)는 IGBT의 정상상태에서 턴 온/오프 제어전류(lo)를 강제 턴 오프 제어전류(lflt) 보다 높은 제어전류로 출력하여, 제3저항(R309)에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼(302)를 구성하는 제1트랜지스터(Q301)와 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온시키기 위한 최소전압 (VQ_on) 보다 크게 유지시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 게이트 구동부(301)는 IGBT의 과도상태에서 IGBT의 강제 턴 오프 제어전류(lflt)를 정상상태의 제어전류(Io) 보다 낮은 전류로 출력하여, 제3저항(R309)에 걸리는 전압(Io × Rflt)이 전류버퍼(302)를 구성하는 제2트랜지스터(Q302)를 턴 온 시키기 위한 최소전압(VQ_on)보다 작게 유지시키는 것을 특징으로 하는 인버터 구동장치.
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