KR101540147B1

KR101540147B1 - 오작동 방지 기능이 구비된 전력 모듈 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101540147B1
Application number: KR1020120122519A
Authority: KR
Inventors: 이준호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2015-07-28
Also published as: US20140118873A1; KR20140055518A; CN103795035A

Abstract

본 발명은 오작동 방지 기능이 구비된 전력 모듈 및 그 제어 방법에관한 것이다.
또한, 본 발명은 입력되는 전기 신호로 인한 전력 모듈의 손상을 방지하기 위한 보호 회로 및 상기 보호 회로에 연결되어 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 구동 회로를 포함하는 드라이브 집적 회로; 및 상기 구동 회로에 의해 제어되어 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 소자를 포함하고, 상기 드라이브 집적회로는 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑하기 위한 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 포함하는 전력 모듈 및 그 제어 방법을 개시하고 있다.

Description

오작동 방지 기능이 구비된 전력 모듈 및 그 제어 방법{Power module having the preventing malfunction and method thereof}

본 발명은 오작동 방지 기능이 구비된 전력 모듈 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

전력 모듈중 하나인 지능형 전력 모듈(Intelligent Power Module, IPM)은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT), 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide silicon field effect transistor, MOSFET), 고속 회복 다이오드(fast recovery diode, FRD) 등의 전력반도체 소자와, 제어회로, 구동회로, 보호회로, 제어전원을 단일 패키지 내에 구성한 것이다. 지능형 전력 모듈(IPM)은 사용되는 용도 및 사용되는 시스템의 요구에 따라서 입력/출력되는 전압 및 전류, 지능형 전력 모듈(IPM)의 제어 방식, 가용한 형상 및 크기 등을 다양하게 구현할 수 있다.

현재 전력 전자 분야의 응용 장치인 범용 인버터, 수치 제어(NC) 공작 기계, 산업용 로봇 등은 그 진보와 함께 고효율화 및 소형화를 요구하고 있다. IPM에서 사용되는 스위치인 IGBT는 장치의 고기능화 및 소형화를 가능하게 한다. IPM은 구동 회로 및 각종 보호 회로 등의 주변 회로를 모듈 패키지 내에 실장하는 인텔리전트화를 통해 주변회로 및 부품의 수를 줄이고, 시스템의 설계 기간을 단축시키는 장점을 가지고 있다. 또한, IPM은 IPM 내부 드라이버 회로와 전력용 스위칭 소자 사이의 와이어링 길이가 짧고 드라이브 회로의 임피던스가 낮아 EMI 특성과 기생효과 면역성도 개선된다.

IPM 개발 초기에는 종래의 전력소자 모듈에 단순히 구동회로나 보호회로를 삽입하여 구현하였다. 최근 들어서는 IPM에 IGBT, MOSFET 소자 및 전용 집적 회로(IC)를 내장한 것이 주류를 이끌고 있다. 즉 현재 설계되는 IPM은 단순히 제어회로 등을 하나의 모듈 내에 내장하는 것이 아니라, 시스템·소자·제어 및 보호 기능을 종합적으로 고려한 최적 설계를 요구하고 있다. 따라서, 시스템 측면에서 필요한 저소음(고주파화), 고효율(저손실), 평활도(Ruggdness), 안정된 제어, 소형 및 경량화, 설계 및 조립의 용이성 등을 고려하고, 스위칭 소자 측면에서는 개별소자로 사용될 때와 구별되는 고속 스위칭, 저손실, 안전 동작 영역(Safe Opreating Area, SOA)에 대한 최적의 트레이드 오프(Trade-off) 설계, 적절한 보호대책, 높은 노이즈 안정성, 소형 및 경량화(높은 집적도)를 만족하도록 설계해야 한다.

이와 같은 전력 모듈에 있어서 과전류를 방지하기 방법으로 션트(shunt) 저항을 사용하여 션트 저항의 양단 전압을 센싱하여, 센싱된 션트 저항의 양단 전압이 드라이브 IC 의 기준 전압보다 크게 되면 과전류 보호 기능을 동작시켜 출력을 오프하여 전력 모듈을 보호하고 있다.

그러나 이러한 방법은 스위칭 소자가 동작함에 따라 스위칭 노이즈가 발생하게 되고, 이러한 스위칭 노이즈가 전류 센싱 입력단에 유입되면서 오동작을 일으킬 수 있다

특허문헌 1 JP1994-284710

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 전자 방해 잡음이나 서지 전압 등에 의한 전기적 과전압으로 인한 모듈의 오작동을 방지하는 전력 모듈에 관한 것이다.

본 발명의 다른 측면은 전자 방해 잡음(electric interference, EMI)나 서지 전압등에 의한 전기적 과전압으로 인한 전력 모듈의 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈은 입력되는 전기 신호로 인한 전력 모듈의 손상을 방지하기 위한 보호 회로 및 상기 보호 회로에 연결되어 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 구동 회로를 포함하는 드라이브 집적 회로; 및 상기 구동 회로에 의해 제어되어 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 소자를 포함하고, 상기 드라이브 집적회로는 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑하기 위한 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 상기 백-투-백 다이오드는, 두 개의 제너 다이오드(zener diode)의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 상기 보호 회로는, 상기 백-투-백 다이오드를 이용하여 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수를 산출하고 상기 횟수가 일정 값 이상일 경우, 상기 전력 모듈의 작동을 중단하도록 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈은 입력되는 전기 신호로 인한 손상을 방지하기 위한 보호 회로 및 상기 보호 회로에 연결되어 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 구동 회로를 포함하는 드라이브 집적 회로; 상기 구동 회로에 의해 제어되어 스위칭 동작을 수행하는 스위칭 소자; 및 상기 드라이브 집적 회로의 입력부 전단에 위치하여 상기 드라이브 집적회로로 입력되는 과전압의 전기 신호를 클램핑하기 위한 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈의 상기 백-투-백 다이오드는,두 개의 제너 다이오드(zener diode)의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 모듈의 상기 보호 회로는, 상기 백-투-백 다이오드를 이용하여 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수를 산출하고 상기 횟수가 일정 값 이상일 경우, 상기 스위칭 소자를 오프시킨다.

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한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법은 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 이용하여 전력 모듈에 포함된 드라이브 집적 회로에 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑(clamping)하는 단계; 및 상기 클램핑된 전기 신호를 기초로 상기 전력 모듈에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 백-투-백 다이오드는, 두 개의 제너 다이오드(zener diode)의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 드라이브 집적회로는, 입력되는 전기 신호로 인한 상기 전력 모듈의 손상을 방지하기 위한 보호 회로; 및 상기 보호 회로 및 상위 제어 계층에 연결되어 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 구동 회로를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 백-투-백 다이오드는, 상기 드라이브 집적 회로에 집적되어 구현된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 백-투-백 다이오드는, 상기 전력 모듈 내부에 구현되어 상기 드라이브 집적 회로의 입력부 전단에 구현된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 백-투-백 다이오드는, 상기 전력 모듈 외부에 구현된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법은 션트(shunt) 저항을 이용하여 상기 스위칭 소자의 콜렉터와 에미터 사이에 흐르는 전류를 측정하여 상기 드라이브 집적 회로에 입력되는 전류가 과전류인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 클램핑된 전기 신호를 기초로 상기 전력 모듈에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 단계는, 상기 백-투-백 다이오드를 이용하여 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수를 산출하는 단계; 및 상기 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수가 일정 값 이상일 경우, 상기 스위칭 소자를 오프하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 제어 방법의 상기 전기 신호의 과전압은, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작으로 발생한 펄스성 서지(serge)이거나 상기 전력 모듈의 외부로부터 발생된 전자 방해 잡음(electric interference, EMI)이다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 사항으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 사용하여 드라이브 집적 회로로 입력되는 전자 방해 잡음이나 서지 전압에 의한 오동작을 방지함으로서 전력 모듈(Power Module)의 오작동을 방지할 수 있고 또한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 모듈을 간략히 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자기적 과전압의 파형을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 모듈을 간략히 나타낸 개념도이다.
도 4 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 모듈 장치를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자기적 과전압을 방지하여 전력 모듈(그 장치)의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 모듈을 나타낸 개념도이다.

도 1을 참조하면, 한 개의 스위칭 소자인 IGBT(100)를 기준으로 드라이브 집적 회로(120)와 션트 저항(180)이 연결될 수 있다.

드라이버 집적 회로(120)는 보호 회로(protection logic, 130)와 구동 회로(driving logic, 140)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 구동 회로(140)는 보호 회로(130)과 CPU와 같은 상위 제어부(미도시)에서 입력된 신호에 의해 IGBT(100)를 구동시킬지 여부에 대하여 결정할 수 있다.

보호 회로(130)는 단락 전류(Short-Current, SC), 과전류(Over-Current, OC), 부족 전압(Under-Voltage, UV) 및 초과 온도(Over-Temperature, OT) 등과 같은 이상 전기 신호 및 외부 요인으로 인한 손상을 방지하기 위해 구현될 수 있다. 예를 들어, 과전류나 과전압이 발생할 경우 보호 회로(130)는 고장(Fault) 출력 전압을 발생시켜 구동 회로(140)가 IGBT(100)의 동작을 제어하도록 할 수 있다. 보호 회로에서는 전류 검출 저항을 사용하여 IGBT에 흐르는 전류를 검출하여 단락 전류(SC) 또는 과전류(OC)를 판별할 수 있다.

보호 회로(130)는 예를 들어, 저전압 보호회로, 단락 전류 보호회로, 과전류 보호회로 및 초과온도 보호회로를 포함할 수 있다. 이러한 보호 회로들은 하나의 예시로서 추가적인 보호 회로가 더 포함될 수도 있고 일부의 보호 회로가 구현되지 않을 수도 있다.

각각의 회로에 의한 보호 동작은 아래와 같이 수행될 수 있다.

저전압 보호회로는 전원의 전압이 기준 전압 이하로 떨어지면 내부 구동 회로(240)가 IGBT(200)를 턴-오프(Turn-off)시켜 시스템을 보호할 수 있다.

단락 전류 보호 회로는 출력 전류 검출 저항을 이용하여 양단 전압을 검출함으로서 단락된 전류를 검출할 수 있다. 시스템의 어떤 이상 현상으로 인하여 회로가 일정시간 이상 단락이 되었을 경우, 출력 전류 검출 저항의 양단전압이 기준전압(P2)이상이고 일정시간 이상 지속되면 회로 단락현상으로 인식하여 내부 구동회로(140)가 IGBT(100)를 턴-오프(Turn-off)시켜 시스템을 보호할 수 있다.

과전류 보호회로는 검출 저항의 양단전압이 기준전압(P2)이상이고 일정 시간 이상 지속되면 과전류 현상으로 인식하여 내부 구동 회로(140)가 IGBT(100)를 턴-오프(Turn-off)시켜 시스템을 보호하도록 할 수 있다.

과온도 보호회로는 IPM의 히트 싱크(Heat Sink) 온도가 기준 온도 이상으로 상승하면 내부 구동 회로(140)가 IGBT(100)를 턴-오프(Turn-Off)시켜 시스템을 보호할 수 있다.

IGBT(100)에 연결된 션트 저항(shunt resistance, 180)도 과전류를 측정하는데 사용될 수 있다. IGBT(100)에 입력되는 입력 전원이 정상적일 경우는 IGBT(100)의 콜렉터(collector)와 에미터(emitter) 사이에 전압을 기초로 흐르는 전류(190)가 과전류에 해당하지는 않는다. 하지만, 입력 전원에 이상이 발생한 경우, IGBT(100)의 콜렉터(collector)와 에미터(emitter) 사이에 전압을 기초로 흐르는 전류(190)가 과전류가 된다.

션트 저항(180)에서는 이러한 과전류 검출 값을 전압으로 변환하여 검출할 수 있다. 드라이브 IC(120) 내에는 전압 비교기(125)가 포함될 수 있는데, 전압 비교기(125)의 참조 전압(reference voltage)과 션트 저항(180)으로 인해 발생된 전압을 비교하여 현재 IGBT(100)에 과전류가 흐르는지 여부를 검출할 수 있고 과전류가 흐르는 경우 내부 구동 회로(140)가 IGBT(100)를 턴-오프(Turn-Off)시켜 시스템을 보호할 수 있다.

즉, 션트 저항(180)을 기초로 과전류가 흐르는 것을 센싱하여 그 결과를 드라이브 집적 회로 (120)에 입력시킴으로서 과전류가 흐를 시 IGBT(100)의 동작을 중단시켜 스위치가 손실되는 것을 방지하고 IPM이 정상적으로 동작하도록 할 수 있다.

보호 회로(130)에 의해서 IGBT(100)의 동작을 제어할 경우, 스위칭 동작에 의해 스위칭 노이즈가 발생할 수 있다. 스위칭 노이즈는 스위칭 전원을 사용할 경우 반도체 소자에 의해 흐르는 전류를 고속으로 온/오프(ON/OFF)하는 방식이기 때문에 발생하는 고주파의 노이즈이다. 스위칭 노이즈가 발생할 경우 스위칭 노이즈가 전류를 센싱하는데 영향을 주게 되어 IPM이 오작동을 할 가능성이 있다. 또한, IPM이 작동하는 주변 환경 및 내부 회로 소자에 의해서도 IPM이 오작동을 할 가능성이 있다.

즉, IPM에서는 스위칭 노이즈, 동작 환경, 회로 내부 소자 등에 의해 발생되는 전자 방해 잡음(electronic magnetic interference, EMI)나 서지 전압등의 전자기적 과전압을 방지하고 이러한 이상 전기 신호를 제어하기 위한 방법이 필요하다. 회로에서 발생할 수 있는 전자기적 과전압은 아래와 같이 여러 가지로 존재할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자기적 과전압의 파형을 나타낸 개념도이다.

도 2를 참조하면, 전자기적 과전압은 정전기 방전(ESD, electrostatic Discharge, 200) 전기적 빠른 과도 현상(EFT/burst)(220), 서지(240, 260) 등과 같은 회로에 작용할 수 있는 펄스성의 전자기적 간섭을 말한다.

(1) 정전기 방전(electrostatic Discharge, ESD, 200)

정전기 방전은 마찰에 의해서 발생할 수 있는 전자 장해 잡음(EMI) 현상으로서 사람이나 물체에 축적된 전하들이 갑작스럽게 방출되면서 일어나는 현상을 가리킨다. 예를 들어, IPM 모듈 주변에서 발생한 마찰에 의해 이러한 정전기 방전이 발생할 수 있고 이러한 경우, 회로가 오작동 될 수 있다.

(2) 전기적 빠른 과도 현상(electric fast transient, EFT/Burst)(220)

모터와 같은 단위 시간당 전류 변화가 빠른 기기에서는 전자파적 잡음이 많이 발생될 수 있다. 예를 들어, 모터를 조절하는 스위치가 차단될 경우 전압 스파이크가 발생하게 되고 전압 강하가 이루어 진다. 다시 전류의 극성이 바뀌게 되면 모터의 인덕터와 커패시터의 작용에 의해 다시 전압 상승이 발생하게 된다. 이러한 빠른 과도 현상으로 인해 버스트가 발생하게 된다. 이러한 전기적 빠른 과도 현상(electric fast transient/Burst)는 회로의 오작동의 원인이 된다.

(3) 서지(240, 260)

서지는 번개나 전원의 스위칭으로 야기되는 고 에너지 짧은 지속 펄스를 가리킨다. 서지가 발생할 경우 펄스당 에너지가 크기 때문에 IPM에 막대한 피해를 줄 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 IPM에서는 이러한 과전압을 방지하기 위해 백-투-백 다이오드(back-to-back)를 사용하여 이상 전압을 방지할 수 있다.

도 1를 다시 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈의 드라이브 IC에 백-투-백 다이오드(110)를 포함하여 구현할 수 있다. 백-투-백 다이오드(110)는 보호 회로(130)의 전단에 구비될 수 있다. 백-투-백 다이오드는 양 방향성을 가진 다이오드 구조로서 양단에서 입력되는 일정 전압 이상의 이상 과전압을 클램핑할 수 있는 전기 소자를 가리킬 수 있다.

백-투-백 다이오드(110)는 예를 들어, 두 개의 제너 다이오드의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있는 구조로 구현될 수 있다. 하지만, 제너 다이오드가 아닌 다른 다이오드 구조를 사용하여 백-투-백 다이오드(110)를 구현하는 것도 가능하다.

제너 다이오드는 전압 조정을 위해 사용될 수 있는 다이오드다. 제너 다이오드는 일정 전압 이상이 다이오드의 양단에 걸리게 되면 더 이상의 전압이 걸리지 못하도록 제한할 수 있는 성질을 가진다. 이러한 제너 다이오드를 2개를 맞붙여 놓아서 양방향으로 입력되는 과전압을 클램핑함으로서 일정 전압 이하의 전압만이 입력되도록 할 수 있다.

예를 들어, IGBT(100)의 스위칭에 의해 펄스성 서지(105)가 발생한 경우 백투백 다이오드(110)는 펄스성 서지가 드라이브 IC(120)에 입력되지 못하도록 보호 회로(130)의 전단에서 펄스성 서지를 막아줄 수 있다. 또한 백-투-백 다이오드는(110)는 양방향으로 펄스성 서지를 막을 수 있어 드라이브 IC의 외부로부터 역방향으로 발생된 펄스성 서지(107)도 막을 수 있다.

백-투-백 다이오드(110)는 펄스성 서지 뿐만 아니라 전술한 정전기 방전(ESD) 전기적 빠른 과도 현상(EFT/burst)과 같은 다른 전자 방해 잡음(EMI)를 막기 위해 사용될 수 있다.

백-투-백 다이오드(110)는 드라이브 집적 회로(120)에 함께 집적화하여 구현함으로서 모듈의 소형화 및 경량화시킬 수 있다. 도 2에서 개시한 과전압을 방지하기 위한 백-투-백 다이오드(110)의 위치는 임의적인 것으로서 과전압을 방지하기 위해 백-투-백 다이오드(110)는 다른 위치에도 구현될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 모듈을 나타낸 개념도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예로 백-투-백 다이오드(300)가 모듈 내부에 구현되되 드라이브 집적 회로(310)에 집적되지 않고 드라이브 집적 회로(310)의 전단에 구현될 수 있다. 드라이브 집적 회로(310)의 전단에 구현된 백-투-백 다이오드(300)는 드라이브 집적 회로(310)에 입력되는 과전압을 차단할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 모듈 장치를 나타낸 개념도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈 장치는 백-투-백 다이오드(400)가 모듈 외부의 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)에 구현되어 드라이브 IC(410)의 전단에서 입력되는 과전압을 방지할 수 있다. IPM에서 발생되는 열을 방출할 수 있도록 IPM의 일면에 냉각판을 설치하여 IPM에서 발생되는 열이 냉각판을 통해 방열도록 할 수 있다.

도 3 및 도 4와 같이 백-투-백 다이오드를 드라이브 집적 회로에 집적시키지 않음으로서 백-투-백 다이오드가 파손될 경우 드라이브 집적 회로 전체를 교체하지 않고 파손된 백-투-백 다이오드 부분만 교체할 수 있다. 도 3 및 도 4에서 개시된 실시예 또한 하나의 예시로서 백-투-백 다이오드가 과전압을 방지하기 위해 다른 위치에도 구현될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 과전압을 방지하여 전력 모듈( 그 장치)의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5에서는 설명의 편의상 스위칭에 의해 펄스성 서지가 발생하는 경우를 가정하여 설명하였지만, 백-투-백 다이오드를 이용하여 전자 방해 잡음(EMI)를 방지하는 과정에 모두 적용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 구동 회로에서 전달된 명령에 기초하여 IGBT에 제어 신호를 전송한다(단계 S500).

구동 회로는 중앙 처리 장치(CPU)와 같은 상위 제어부 또는 보호 회로에 의해 IGBT의 스위치를 온(ON)하라는 명령을 전달받을 수 있다. 이러한 경우 구동 회로는 IGBT가 스위칭 동작을 할 수 있도록 전기적인 명령을 전송하여 IGBT를 구동시킬 수 있다.

IGBT를 스위칭한다(단계 S510)

구동 회로에 의해 전달된 제어 신호에 의해 IGBT의 스위치가 오프(OFF)가 되었던 경우 온(ON)으로, 오프(OFF)가 된 경우 온(ON)으로 스위칭이 될 수 있다. 스위칭을 수행하는 경우 펄스성 서지와 같은 전술한 과전압이 발생할 수 있다.

백-투-백 다이오드를 이용하여 과전압을 제한한다(단계 S520).

IGBT의 스위칭으로 인해 발생된 과전압이 드라이브 집적 회로로 입력되는 것을 방지하기 위해 백-투-백 다이오드를 사용하여 과전압을 클램핑할 수 있다. 예를 들어, 제너 다이오드를 사용할 경우, 드라이브 집적 회로로 입력되는 전기 신호의 전압이 제너 항복 전압 이상일 경우, 일정 전압 이상은 클램핑하여 일정 전압 이하의 신호만이 입력되도록 할 수 있다. 즉, 백-투-백 다이오드는 입력되는 드라이브 집적 회로(IC)로 입력되는 과전압을 방지함으로서 다시 피드백으로 IGBT와 같은 증폭소자의 게이트에 이상 과전압이 입력되는 것을 방지할 수 있어 IGBT와 같은 증폭 스위치 소자의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 과전압이 연속적으로 발생될 경우, 백투백 다이오드의 손상을 막기 위해 IGBT 스위치를 오프(OFF) 시킬 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 전술한 보호 회로 또는 구동 회로에 과전압의 발생 횟수를 기록할 수 있는 메모리를 구비할 수 있다. 만약 보호 회로에서 연속적으로 발생되는 과전압이

감지되는 경우 보호 회로에서는 구동 회로로 IGBT를 오프(OFF)할 것을 명령할 수 있다. IGBT를 오프(OFF)할 것을 명령하기 위해서는 보호 회로에서 과전압의 연속 발생 횟수 및 발생 주기 등의 IGBT를 오프(OFF)할 것을 명령하기 위한 임계값을 미리 설정할 수 있다. 이러한 판단은 보호 회로가 아닌 상위의 제어부인 중앙 처리 장치(CPU)와 같은 유닛에서 수행될 수도 있다.

이러한 방법을 사용함으로서 백-투-백 다이오드의 손상을 방지할 수 있고 더 나아가서 IPM의 손상을 방지할 수 있다.

이상 본 발명을 구제적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 즉, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의하여 명확해질 것이다.

100: 절연 게이트 양극성 트랜지스터
110: 백-투-백 다이오드
120: 드라이브 집적 회로(Drive IC)
130: 보호 회로(Protection Logic)
140: 구동 회로(Driving Logic)
180: 션트 저항(shunt resistance)

Claims

스위칭 소자;
입력되는 전기 신호로 인한 전력 모듈의 손상을 방지하기 위한 보호 회로 및 상기 보호 회로에 연결되어 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 구동 회로를 포함하는 드라이브 집적 회로; 및
상기 스위칭 소자의 콜렉터와 에미터 사이에 흐르는 전류를 측정하는 션트 저항을 포함하며,
상기 스위칭 소자는 상기 구동 회로에 의해 제어되어 스위칭 동작을 수행하고,
상기 드라이브 집적회로는 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑하여 일정 전압 이하의 전압만이 입력되도록 하기 위한 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 포함하며,
상기 백-투-백 다이오드는 상기 션트 저항에 병렬 연결되고, 상기 보호회로에 연결되어 상기 스위칭 소자를 통하여 션트 저항에 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑하여 일정 전압 이하의 전압만이 보호 회로에 입력되도록 하는 전력 모듈.
제1항에 있어서, 상기 백-투-백 다이오드는,
두 개의 제너 다이오드(zener diode)의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있는 전력 모듈.
제1항에 있어서, 상기 보호 회로는,
상기 백-투-백 다이오드를 이용하여 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수를 산출하고 상기 횟수가 일정 값 이상일 경우, 상기 전력 모듈의 작동을 중단하도록 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 전력 모듈.
스위칭 소자;
입력되는 전기 신호로 인한 손상을 방지하기 위한 보호 회로 및 상기 보호 회로에 연결되어 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 구동 회로를 포함하는 드라이브 집적 회로;
상기 스위칭 소자의 콜렉터와 에미터 사이에 흐르는 전류를 측정하는 션트 저항; 및
상기 드라이브 집적 회로의 입력부 전단에 위치하여 상기 드라이브 집적회로로 입력되는 과전압의 전기 신호를 클램핑하여 일정 전압 이하의 전압만이 입력되도록 하기 위한 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 포함하며,
상기 스위칭 소자는 상기 구동 회로에 의해 제어되어 스위칭 동작을 수행하고,
상기 백-투-백 다이오드는 상기 션트 저항에 병렬 연결되고, 상기 보호회로에 연결되어 상기 스위칭 소자를 통하여 션트 저항에 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑하여 일정 전압 이하의 전압만이 보호 회로에 입력되도록 하는 전력 모듈.
제4항에 있어서, 상기 백-투-백 다이오드는,
두 개의 제너 다이오드(zener diode)의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있는 전력 모듈.
제4항에 있어서, 상기 보호 회로는,
상기 백-투-백 다이오드를 이용하여 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수를 산출하고 상기 횟수가 일정 값 이상일 경우, 상기 스위칭 소자를 오프시키는 전력 모듈.
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스위칭 소자의 콜렉터와 에미터 사이에 흐르는 전류를 측정하는 션트 저항에 병렬 연결되고, 보호 회로에 연결된 백-투-백 다이오드(back-to-back diode)를 이용하여 상기 스위칭 소자를 통하여 션트 저항에 입력되는 전기 신호의 과전압을 클램핑하여 일정 전압 이하의 전압만이 보호 회로에 입력되도록 하는 단계; 및
상기 클램핑된 전기 신호를 기초로 전력 모듈에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 단계를 포함하는 전력 모듈의 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 백-투-백 다이오드는,
두 개의 제너 다이오드(zener diode)의 캐소드(cathode)가 서로 마주보고 있는 구조인 전력 모듈의 제어 방법.
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제10항에 있어서, 상기 백-투-백 다이오드는,
드라이브 집적 회로에 집적되어 구현되는 전력 모듈의 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 백-투-백 다이오드는,
상기 전력 모듈 내부에 구현되어 드라이브 집적 회로의 입력부 전단에 구현되는 전력 모듈의 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 백-투-백 다이오드는,
상기 전력 모듈 외부에 구현되는 전력 모듈의 제어 방법.
제10항에 있어서,
션트(shunt) 저항을 이용하여 상기 스위칭 소자의 콜렉터와 에미터 사이에 흐르는 전류를 측정하여 드라이브 집적 회로에 입력되는 전류가 과전류인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 전력 모듈의 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 클램핑된 전기 신호를 기초로 상기 전력 모듈에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 단계는,
상기 백-투-백 다이오드를 이용하여 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수를 산출하는 단계; 및
상기 클램핑된 과전압 전기 신호의 횟수가 일정 값 이상일 경우, 상기 스위칭 소자를 오프하는 단계를 더 포함하는 전력 모듈의 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 전기 신호의 과전압은,
상기 스위칭 소자의 스위칭 동작으로 발생한 펄스성 서지(serge)이거나 상기 전력 모듈의 외부로부터 발생된 전자 방해 잡음(electric interference, EMI)인 전력 모듈의 제어 방법.