KR101643492B1 - 복합 반도체 스위치 장치 - Google Patents

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Abstract

온·오프의 스위치 동작에 수반하여 스위칭 손실이 생기는 제1 반도체 소자(11)와, 제1 반도체 소자(11)에 병렬 접속됨과 아울러, 온·오프의 스위치 동작에 수반하여 제1 반도체 소자(11)보다도 높은 스위칭 손실이 생기는 제2 반도체 소자(12)와, 제1 반도체 소자(11)에 제1 온 지령 신호를 준 후, 제2 반도체 소자(12)에 제2 온 지령 신호를 주고 나서, 제1 온 지령 신호를 소멸시키고, 제1 반도체 소자(11)에 제3 온 지령 신호를 준 후에, 제2 온 지령 신호를 소멸시키는 제어기(20)를 구비한 것이다.

Description

복합 반도체 스위치 장치{COMPOSITE SEMICONDUCTOR SWITCH DEVICE}
본 발명은 복합 반도체 스위치 장치에 관한 것이다.
종래의 복합 반도체 스위치 장치는, 하기 특허 문헌 1에 제시된 것처럼, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터와 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터를 병렬 접속하여, 스위칭 동작을 함으로써 전력 변환을 행하는 스위치 회로에 있어서, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터는, 게이트 임계치 전압을 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터의 게이트 임계치 전압보다도 낮게 하고 있는 것이다.
즉, IGBT와 MOSFET를 병렬로 접속하여, 소전류에서는 IGBT 보다도 포화 전압이 낮은 MOSFET에 전류를 흘리고, 중전류에서는 IGBT와 MOSFET가 전류를 분담하고, 대전류에서는 MOSFET 보다도 포화 전압이 낮은 IGBT에 전류를 흘리고 있다.
이러한 복합 반도체 스위치 장치에 의하면, 온시의 포화 전압은 소전류 영역에서는 MOSFET, 대전류 영역에서는 IGBT가 되므로, 모든 전류 영역에서 MOSFET 부품 또는 IGBT 부품(component)의 포화 전압보다도 낮아져, 온 손실이 감소되어 변환 효율을 향상시키고 있다.
다른 종래의 복합 반도체 스위치 장치는, 하기 특허 문헌 2에 제시된 것처럼, 부하에 급전하기 위해서 병렬 접속된 스위칭 트랜지스터와, 부하 전류에 응답하여 각 펄스 사이클마다 1개의 펄스 신호를 가지는 펄스폭 변조된 펄스 사이클을 제공하는 펄스 발생기를 구비하고 있고, 펄스 사이클에 있어서 소정의 트랜지스터가 다른 트랜지스터보다 선행하여 온으로 변함으로써 전(全) 턴온 손실을 소비함과 아울러, 소정의 트랜지스터가 다른 트랜지스터보다 늦게 오프로 바뀜으로써 전 턴오프 손실을 소비하도록 한 교호(交互) 실렉터(selector)를 구비한 것이다.
이러한 복합 반도체 스위치 장치에 의하면, MOSFET 트랜지스터를 병렬 접속했을 경우에 있어서, 각 트랜지스터의 균등한 스위칭 손실의 분담을 가능하게 할 수 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개평 5－90933호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특개평 6－90151호 공보
상기 특허 문헌 1에 기재된 복합 반도체 스위치 장치에서는, 반도체 소자의 스위칭 손실을 게이트의 임계치 전압에 의해 MOSFET, IGBT에 부담시키는 기술이며, 상기 특허 문헌 2에 기재된 복합 반도체 스위치 장치에서는, 트랜지스터의 온·오프시에 생기는 스위칭 손실을 균등하게 하는 기술이다.
그렇지만, 반도체 소자에는, 스위칭 손실과 정상 손실이 있고, 이들 양자의 전력 손실이 복합 반도체 스위치 장치를 이루는 제1 반도체 소자와 제2 반도체 소자의 전력 손실 특성이 서로 다른 경우에는, 그 전력 손실 특성에 따라 각 반도체 소자에 스위칭 손실과 정상 손실을 적절히 부담하고 있지 않다고 하는 과제를 가지는 것을 찾아냈다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 병렬 접속된 스위칭 손실 특성이 서로 다른 제1 및 제2 반도체 소자를 병렬 접속하고, 이들 제 1 및 제2 반도체 소자의 전력 손실 특성에 따라 제1, 제2 반도체에 제어 지령 신호를 주는 복합 반도체 스위치 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1 발명에 따른 복합 반도체 스위치 장치는, 온·오프의 스위치 동작에 수반하여 스위칭 손실이 생기는 제1 반도체 소자와, 그 제1 반도체 소자에 병렬 접속됨과 아울러, 온·오프의 스위치 동작에 수반하여 상기 제1 반도체 소자보다도 높은 상기 스위칭 손실이 생기는 제2 반도체 소자와, 상기 제1 반도체 소자에 제1 온 지령 신호를 준 후, 상기 제2 반도체 소자에 제2 온 지령 신호를 주고 나서, 상기 제1 온 지령 신호를 소멸시키고, 상기 제1 반도체 소자에 제3 온 지령 신호를 준 후에, 상기 제2 온 지령 신호를 소멸시키는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 복합 반도체 스위치 장치에 의하면, 제어 수단에 의해 제1 반도체 소자에 제1 온 지령 신호를 주어 제1 반도체 소자를 온시킨 후, 제2 반도체 소자에 제2 온 지령 신호를 주고 나서, 제1 온 지령 신호를 소멸시키고, 제1 반도체 소자에 제3 온 지령 신호를 준 후에, 제2 온 지령 신호를 소멸시킨다. 이것에 의해, 온·오프 손실만이 제1 반도체 소자에 생기고, 정상 손실이 제2 반도체 소자에 생기므로, 스위칭 손실 특성에 따라 각 반도체 소자에 전력 손실을 적절히 분담할 수 있다.
제2 발명에 따른 복합 반도체 스위치 장치에 있어서의 제어 수단은, 제2 온 지령 신호의 상승(build up)시에 있어서의 제1 온 지령 신호와의 겹침(overlap)이 제2 반도체 소자의 턴온 시간 이상으로, 그 턴온 시간의 2배 이하가 되도록 제1 및 제2 온 지령 신호를 생성하는 것이 바람직하다.
이것에 의해, 제1 반도체 소자가 턴온 된 상태에 있어서, 제2 반도체 소자를 확실히 턴온 시킨 후, 제1 반도체 소자를 신속하게 오프시키므로, 제1 반도체 소자의 정상시의 전력 손실을 저감시킬 수 있다.
제3 발명에 따른 복합 반도체 스위치 장치에 있어서의 제어 수단은, 제3 온 지령 신호가 생성될 때에 있어서의 제2 온 지령 신호와의 겹침이 제2 반도체 소자의 턴오프 시간 이상으로, 그 턴오프 시간의 2배 이하가 되도록 제2 및 제3 온 지령 신호를 생성하는 것이 바람직하다.
이것에 의해, 제1 반도체 소자를 도통 상태에 있어서, 제2 반도체 소자가 턴오프 한 후, 제1 반도체 소자를 신속하게 오프하므로, 제1 반도체 소자의 정상시의 전력 손실을 저감시킬 수 있다.
또, 상기 제 2 및 제3 발명에 따른 복합 반도체 스위치 장치를 조합함으로써, 제1 반도체 소자가 대략 온·오프 손실을 담당하고, 제2 반도체 소자가 대략 정상 손실을 담당할 수 있다. 따라서 제1 반도체 소자에 온·오프 손실, 제2 반도체 소자에 정상 손실을 적절히 부담시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 병렬 접속된 스위칭 손실 특성이 서로 다른 제1 및 제2 반도체 소자를 병렬 접속하고, 이들 반도체 소자의 스위칭 손실 특성을 고려하여 제1, 제2 반도체 소자에 각각 제1, 제2 제어 지령 신호를 주므로, 제1, 제2 반도체 소자에 스위칭 손실을 적절히 부담시킬 수 있는 복합 반도체 스위치 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 나타낸 복합 반도체 스위치 장치의 전체도이다.
도 2는 도 1에 도시한 복합 반도체 스위치 장치의 동작을 나타낸 타임 차트이다.
실시 형태 1.
본 발명의 일 실시 형태를 도 1 및 도 2에 의해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 나타낸 복합 반도체 스위치 장치의 전체도, 도 2는 도 1에 도시한 복합 반도체 스위치 장치의 동작을 나타낸 타임 차트이다.
도 1에 있어서, 복합 반도체 스위치 장치(1)에는, 스위칭 가능한 반도체 소자로 이루어진 반도체 스위칭부(10)와, 반도체 스위칭부(10)에 제어 지령 신호를 생성하는 제어기(20)로 이루어져 있다.
반도체 스위칭부(10)는, SiC MOSFET로 이루어진 제1 반도체 소자(11)와, 제1 반도체 소자(11)와 병렬 접속됨과 아울러, 제1 반도체 소자보다도 스위칭 로스가 큰 Si IGBT로 이루어진 제2 반도체 소자(12)를 가지고 있다. 추가로, 반도체 스위칭부(10)는 제1 반도체 소자(11)를 구동하는 제1 게이트 단자(Ga)와, 제2 반도체 소자(12)를 구동하는 제2 게이트 단자(Gb)를 가지고 있고, 두 개의 출력 단자(Oa, Ob)를 구비하고 있다.
여기서, 제1 반도체 소자(11)는 제2 반도체 소자(12)와 비교하여 저손실이면서, 고속 스위칭 특성을 가지고 있지만, 코스트가 비싼 것이 난점이다.
제어기(20)는, 제1 반도체 소자(11)를 구동하는 제1 제어 지령 신호(20a)를 생성함과 아울러, 제2 반도체 소자(12)를 구동하는 제2 제어 지령 신호(20b)를 생성하도록 형성되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 제어 지령 신호(20a)는 기준 시간 t1에서, 제1 반도체 소자(11)의 턴온 시간 보다도 약간 긴 시간, 즉 제1 일정시간 ton1 동안, 제1 온 지령 신호를 주도록 형성되어 있고, 제2 제어 지령 신호(20b)는, 기준 시간 t1에서부터 시간 ta 지연된 시간 t2에서부터 제2 일정시간 ton2 동안, 제2 온 지령 신호를 생성하도록 형성되어 있다.
여기서, 제1 온 지령 신호가 생성되어 있을 때에, 제2 온 지령 신호의 상승에서부터 약간의 시간 동안, 제1 온 지령 신호와 제2 온 지령 신호가 겹치도록 되어 있다. 제1 반도체 소자(11)가 온 되어 있을 시에, 제2 반도체 소자(12)를 온 함으로써, 제2 반도체 소자(12)의 온시의 스위칭 손실을 발생시키지 않기 위함이다.
그리고 제어기(20)는, 시간 t2에서부터 시간 ton2 보다도 약간 짧은 시간 tb를 경과한 시간 t3에서, 제3 온 지령 신호를 생성하고 나서 제3 일정시간 ton3 동안 계속해서 생성하고, 시간 t4에서, 소멸하도록 형성되어 있다. 여기서, 제2 온 지령 신호의 종료 직전에, 제3 온 지령 신호와 제2 온 지령 신호가 약간의 시간 겹치도록 되어 있다. 제1 반도체 소자(11)가 온 되어 있을 시에, 제2 반도체 소자(12)를 오프함으로써, 제2 반도체 소자(12)의 오프시의 스위칭 손실을 발생시키지 않기 위함이다.
다음으로, 제어기(20)는, 시간 t4에서부터 시간 ts 동안, 제1 및 제2 제어 지령 신호로서의 오프 지령을 생성하여 제1 및 제2 반도체 소자(11,12)를 오프하도록 형성되어 있다. 이와 같이, 제어기(20)는 시간 t1에서부터 시간 t5까지에 있어서, 시간 t1에서 제1 온 지령 신호를 제1 일정시간 ton1 생성하고, 시간 t2에서 제2 온 지령 신호를 제2 일정시간 ton2 생성하고, 시간 t3에서 제3 온 지령 신호를 제3 일정시간 ton3 생성하고, 시간 t4에서 제1 및 제2 제어 지령 신호를 오프로 하는 일주기를 이루고 있다. 그리고 시간 t5(t1)에서부터 다음의 일주기가 개시된다.
상기와 같이 구성된 복합 반도체 스위치 장치의 동작을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 제어기(20)는 기준 시간 t1에서, 제1 반도체 소자(11)에 제1 일정시간 ton1 동안, 제1 온 지령 신호를 반도체 스위칭부(10)의 제1 게이트 단자(Ga)에 입력하면, 제1 반도체 소자(11)가 턴온 되어 부하(도시하지 않음)에 전류를 흘린다. 제어기(20)는, 기준 시간 t1에서부터 시간 ta 경과한 시간 t2에서, 제2 온 지령 신호를 제2 일정시간 ton2 동안, 제2 게이트 단자(Gb)에 입력하면, 제1 반도체 소자(11)가 확실히 온된 상태에서 제2 반도체 소자(12)가 턴온된다. 시간 t2에서부터 약간의 시간 경과 후에, 제1 온 지령 신호가 소멸되어 제1 반도체 소자(11)를 오프시켜고 제2 반도체 소자(12)만이 잠깐 온되어 부하(도시하지 않음)에 전류를 흘린다.
여기서, 제어기(20)는 시간 t2에서의 온 지령 신호의 상승시에 있어서의 제1 온 지령 신호와의 겹침이 제2 반도체 소자(12)의 턴온 시간 이상으로, 그 턴온 시간의 2배 이하가 되도록 제1 및 제2 온 지령 신호를 생성하는 것이 바람직하다. 제2 반도체 소자(12)를 확실히 턴온 한 후, 제1 반도체 소자(11)를 신속하게 오프함으로써, 제1 반도체 소자(11)의 정상시의 전력 손실을 저감시킬 수 있기 때문이다.
그리고 제어기(20)는 시간 t2에서부터 제2 일정시간 ton2 보다도 약간 짧은 시간 tb를 경과한 시간 t3에서, 제3 온 지령 신호를 제3 일정시간 ton3 동안 생성하여 제1 반도체 소자(11)를 온시킨다. 시간 t3에서부터 약간의 시간 경과 후에, 제2 온 지령 신호가 소멸하여 제2 반도체 소자(12)를 오프시켜고 제1 반도체 소자(11)만이 잠깐 온되어 부하(도시하지 않음)에 전류를 흘린다.
여기서, 제어기(20)는 시간 t3에서 제3 온 지령 신호가 상승시에 있어서의 제2 온 지령 신호와의 겹침이 제2 반도체 소자(12)의 턴오프 시간 이상으로, 그 턴오프 시간의 2배 이하가 되도록 제2 및 제3 온 지령 신호를 생성하는 것이 바람직하다. 제1 반도체 소자(11)를 도통 상태에 있어서, 제2 반도체 소자(12)가 턴오프된 후, 제1 반도체 소자(11)를 신속하게 오프시키므로, 제1 반도체 소자(11)의 정상시의 전력 손실을 저감시킬 수 있기 때문이다.
다음으로, 제어기(20)로부터 생성된 제3 온 지령 신호가 시간 t4에서 소멸되고, 제어기(20)는 시간 t4에서부터 제4 일정시간 ts 동안, 제1, 제2 오프 지령 신호를 각각 제1 게이트 단자(Ga), 제2 게이트 단자(Gb)에 입력하여 제 1 및 제2 반도체 소자(11,12)를 계속 오프시킨다. 이와 같이, 제어 지령 신호로서의 제1 및 제2 제어 지령 신호(20a, 20b)는, 시간 t1에서부터 시간 t5까지가 일주기를 이루며, 이 주기를 반복하여 반도체 스위칭부(10)를 구동하게 된다.
상기 실시 형태의 복합 반도체 스위치 장치는, 온·오프의 스위치 동작이 가능한 제1 반도체 소자(11)와, 제1 반도체 소자(11)에 병렬 접속됨과 아울러, 제1 반도체 소자(11)보다도 높은 스위칭 손실로 온·오프의 스위치 동작이 가능한 제2 반도체 소자(12)와, 제1 반도체 소자(11)에 제1 온 지령 신호를 준 후, 제2 반도체 소자(12)에 제2 온 지령 신호를 주고 나서, 제1 온 지령 신호를 소멸시키고, 제1 반도체 소자(11)에 제3 온 지령 신호를 준 후에, 제2 온 지령 신호를 소멸시키는 제어기(20)를 구비한 것이다.
이러한 복합 반도체 스위치 장치(1)에 의하면, 제1 반도체 소자(11)에 병렬 접속됨과 아울러, 제1 반도체 소자(11)보다도 높은 스위칭 손실을 가지는 제2 반도체 소자(12)를 구비하고, 제어기(20)에 의해 제1 반도체 소자(11)를 온·오프시킴과 아울러, 온에서부터 오프까지 제2 반도체 소자(12)를 도통한다. 이것에 의해, 온·오프 손실만이 제1 반도체 소자(11)에 생기고, 정상 손실이 제2 반도체 소자(12)에 생기므로, 스위칭 손실에 따라 각 반도체 소자(11, 12)에 분담시킬 수 있다. 이것에 의해, 제1 반도체 소자(11)의 정격 전력 손실을 작게 할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 복합 반도체 스위치 장치에 적용할 수 있다.
1: 복합 반도체 스위치 장치, 11: 제1 반도체 소자,
12: 제2 반도체 소자, 20: 제어기,
20a: 제1 제어 지령 신호, 20b: 제2 제어 지령 신호.

Claims (3)

  1. 온·오프의 스위치 동작에 수반하여 스위칭 손실이 생기는 제1 반도체 소자와,
    그 제1 반도체 소자에 병렬 접속됨과 아울러, 온·오프의 스위치 동작에 수반하여 상기 제1 반도체 소자보다도 높은 상기 스위칭 손실이 생기는 제2 반도체 소자와,
    상기 제1 반도체 소자에 제1 온 지령 신호를 준 후, 상기 제2 반도체 소자에 제2 온 지령 신호를 주고 나서, 상기 제1 온 지령 신호를 소멸시키고, 상기 제1 반도체 소자에 제3 온 지령 신호를 준 후에, 상기 제2 온 지령 신호를 소멸시키는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 복합 반도체 스위치 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 제2 온 지령 신호의 상승시에 있어서의 상기 제1 온 지령 신호와의 겹침이 상기 제2 반도체 소자의 턴온 시간 이상으로, 그 턴온 시간의 2배 이하가 되도록 제1 및 제2 온 지령 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 반도체 스위치 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 제3 온 지령 신호가 상승시에 있어서의 상기 제2 온 지령 신호와의 겹침이 상기 제2 반도체 소자의 턴오프 시간 이상으로, 그 턴오프 시간의 2배 이하가 되도록 제2 및 제3 온 지령 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 반도체 스위치 장치.
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