KR101657878B1 - 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로 및 이를 포함하는 플로팅 스위치 게이트 구동 회로 - Google Patents

플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로 및 이를 포함하는 플로팅 스위치 게이트 구동 회로 Download PDF

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Abstract

본 실시예에 따른 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로는, 입력 전압을 제공받고 포지티브 전압을 형성하는 포지티브 전압 형성부와, 입력 전압을 제공받아 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성부를 포함하되, 네거티브 전압 형성부는: 충전 경로를 통하여 입력 전압을 제공받아 충전하는 탱크 커패시터와, 탱크 커패시터 방전시 방전 경로를 형성하는 방전 스위치와, 방전 경로상에 위치하며 탱크 커패시터 방전시 방전된 전하를 축적하여 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성 커패시터를 포함한다.

Description

플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로 및 이를 포함하는 플로팅 스위치 게이트 구동 회로{Power Supply Circuit for Floating Switch Gate Driver and Floating Switch Gate Driver Comprising the Same}
본 발명은 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로 및 이를 포함하는 플로팅 스위치 게이트 구동 회로에 관한 것이다.
종래의 게이트 구동회로는 단극성 전압을 상부 스위치 게이트 구동부와 하부 스위치 게이트 구동부에 제공하여 상부 스위치와 하부 스위치를 모두 구동하도록 구성된다.
종래 기술에 따른 단극성 게이트 구동 회로는 IGBT의 밀러 커패시턴스에 의한 높은 dv/dt로 인해 턴 온 시 발생하는 기생 전류 진동현상 및 기생 성분에 의한 의도하지 않은 턴 온 현상 등 해결하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
이를 해소하기 위하여 음극성 게이트 전압을 형성하기 위해서는 게이트 구동부에 전원을 인가하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 넓은 범위의 전압을 제공하도록 하거나 추가적인 회로를 설치해야 한다. 그 결과, 게이트 구동부에 사용되는 SMPS는 전력소모가 증가되고, 복잡한 회로를 필요로 하며 가격이 비싸지게 된다. 또한 gate drive 회로는 의도하지 않은 턴 온 현상을 방지하기 위해 밀러 클램프 회로를 추가해야 한다.
본 실시예는 상기한 종래 기술에 의한 게이트 구동부의 단점을 해소하기 위한 것이다. 즉, 네거티브 전압을 제공하도록 SMPS(Switching Mode Power Supply)의 정격전력을 증가시키거나, 추가적인 회로의 설치 필요없이 포지티브 전압을 형성하는 과정과 동시에 네거티브 전압을 제공하는 전원회로를 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.
본 실시예에 따른 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로는, 입력 전압을 제공받아 포지티브 전압을 형성하는 포지티브 전압 형성부 및 입력 전압을 제공받아 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성부를 포함하되, 네거티브 전압 형성부는: 충전 경로를 통하여 입력 전압을 제공받아 충전하는 탱크 커패시터와, 탱크 커패시터 방전시 방전 경로를 형성하는 방전 스위치 및 방전 경로상에 위치하며 탱크 커패시터 방전시 탱크 커패시터가 방전한 전하를 축적하여 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성 커패시터를 포함한다.
본 실시예에 따른 플로팅 스위치 게이트 구동 회로는 플로팅 스위치의 게이트를 구동하는 게이트 구동부 및 게이트 구동부에 전원을 공급하는 전원 회로부를 포함하는 플로팅 스위치 게이트 구동 회로로, 전원 회로부는: 입력 전압을 제공받아 포지티브 전압을 형성하는 포지티브 전압 형성부 및 입력 전압을 제공받아 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성부를 포함하되, 네거티브 전압 형성부는: 입력 전압을 제공받아 충전하는 탱크 커패시터와, 탱크 커패시터 방전시 방전 경로를 형성하는 방전 스위치 및 탱크 커패시터 방전시 탱크 커패시터가 방전한 전하를 축적하여 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성 커패시터를 포함한다.
본 실시예에 의하면 SMPS회로의 전력 소모 증가와 추가적인 회로의 설치 필요없이 포지티브 전압을 형성하는 과정과 동시에 네거티브 전압을 제공할 수 있다는 장점이 제공된다. 또한, 네거티브 전압을 이용하여 플로팅 스위치를 제어할 수 있으므로 밀러 클램프 회로가 불필요하다는 장점도 제공된다.
도 1은 본 실시예에 따를 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로의 개요적 회로도이다.
도 2는 본 실시예에 따를 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로에 대하여 컴퓨터 모의 시험을 수행하여 얻어진 결과를 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 사용되는 " 및/또는"이라는 표현은 각각 과 모두를 지칭하는 것으로 사용된다. 일 예로, "A 및/또는 B "라는 기재는 "A, B 그리고 A와 B 모두"를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예를 설명하고자 한다. 도 1은 본 실시예에 따른 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로의 개요적 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 플로팅 스위치 게이트의 전원 회로는 입력 전압(Vdc)을 제공받아 포지티브 전압(Vpositive)을 형성하는 포지티브 전압 형성부(100)와, 입력 전압을 제공받아 네거티브 전압(Vnegative)을 형성하는 네거티브 전압 형성부(200)를 포함하되, 네거티브 게이트 전압 형성부는 충전 경로를 통하여 입력 전압을 제공받아 충전하는 탱크 커패시터(Ctank)와, 탱크 커패시터 방전시 방전 경로를 형성하는 방전 스위치(SWdischarge)와, 방전 경로상에 위치하며 탱크 커패시터가 방전한 전하를 축적하여 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성 커패시터(Cnegative)를 포함한다.
포지티브 전압 형성부(100)는 입력 전압(Vdc)을 제공받아 포지티브 전압(Vpositive)을 형성하는 포지티브 전압 형성 커패시터(Cpositive)와, 포지티브 전압 형성 커패시터(Cpositive) 충전시 전류를 제한하는 제1 저항(Rcharge1)을 포함한다. 포지티브 전압 형성부(100)는 역류 방지 다이오드(D2)를 포함하며, 역류 방지 다이오드(D2)는 포지티브 전압 형성 커패시터에 충전된 에너지가 역류하여 방전 스위치(SWdischarge)를 지속적으로 턴 오프(turn-off)시키는 것을 방지한다.
네거티브 전압 형성부(200)는 포지티브 전압 형성부(100)가 포지티브 전압을 형성하는 것과 동시에 상부 플로팅 스위치(IGBTH)를 턴 오프 할 수 있는 전원인 네거티브 전압을 형성한다. 본 실시예에 따른 네거티브 전압 형성부(200)는 게이트 구동부에 전원을 인가하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)의 정격전력을 증가시키거나 추가적인 회로를 설치할 필요없이 상부 스위치(IGBTH)를 턴 오프(turn-off)할 수 있는 네거티브 전압을 형성한다.
하부 스위치(IGBTL)가 턴 온(turn-on)되면 전류(미도시)가 부트스트랩 다이오드(Dboot)와 역류 방지 다이오드(D2), 제1 저항(Rcharge1)을 거쳐 포지티브 전압 형성 커패시터(Cpositive)에 제공되어 포지티브 전압을 형성함과 동시에 충전 전류(icharge)가 점선으로 도시된 충전 경로인 부트스트랩 다이오드(Dboot), 제2 저항(Rcharge2), 탱크 커패시터(Ctank), 충전 다이오드(Dcharge)와 하부 스위치(IGBTL)를 거쳐 그라운드로 흘러 탱크 커패시터(Ctank)에 에너지를 충전하여 전압(Vtank)을 형성한다.
충전시 부트스트랩 다이오드(Dboot), 충전 다이오드(Dcharge) 및 하부 스위치(IGBTL)가 이상적인 다이오드 및 스위치로 다이오드의 순방향 전압 강하와 스위치의 도통시 전압강하도 없다면 탱크 커패시터에 충전된 전압(Vtank)값은 직류 전압(Vdc)값에 근사된다. 제2 저항(Rcharge2)은 충전 전류(icharge)를 제한하여 임펄스 형태의 러시 전류(rush current)가 탱크 커패시터(Ctank)로 인가되는 것을 방지한다.
탱크 커패시터(Ctank)의 충전 시, 방전 스위치의 에미터(emitter)에는 탱크 커패시터가 충전됨에 따라 직류 전압(Vdc)에 가까운 전압 Vtank가 제공된다. 저항 R1은 충전 전류(icharge)를 제한할 수 있는 저항값을 가지며, R2의 저항 값에 비하여 작으므로(R1≪R2), 방전 스위치의 베이스에는 피드백 방지 다이오드(D1)와 저항 R1을 통하여 입력 전압(Vdc)에 가까운 전압이 인가된다. 방전 스위치(SWcharge)의 에미터와 베이스 사이에는 방전 스위치(SWcharge)가 턴 온되기에 충분한 바이어스 형성되지 않으므로 탱크 커패시터 충전 시에는 방전 스위치가 턴 온되지 않는다.
데드 타임(dead time)에서는 하부 스위치(IGBTL)와 상부 스위치(IGBTH)가 모두 턴 오프된다. 하부 스위치(IGBTL)가 턴 오프되면 충전 전류(icharge)는 더 이상 흐르지 못하고, 부트스트랩 다이오드(Dboot)는 도통되지 않는다.
하부 스위치(IGBTL)가 턴 오프되면 탱크 커패시터(Ctank)는 충전된 에너지를 일점 쇄선으로 도시된 방전 경로를 따라 방전한다. 방전 시, 방전 스위치의 에미터(emitter)에는 입력 전원(Vdc)의 전압값과 가까운 값으로 탱크 커패시터에 충전된 전압 Vtank가 제공되고, 베이스는 저항 R2를 통하여 공통 노드(common)의 전위가 인가되므로 방전 스위치(SWdischarge)는 턴 온되어 방전 경로를 형성한다.
탱크 커패시터(Ctank)가 방전함에 따라 네거티브 전압 형성 커패시터(Cnegative)에 전류(idischarge)가 제공되어 네거티브 전압 형성 커패시터에 전압(Vnegative)이 형성된다. 방전 시, 네거티브 전압 형성 커패시터(Cnegative)에 임펄스 형태의 러시 전류가 제공되는 방지하기 위하여 방전 저항(Rdischarge)을 두어 탱크 커패시터(Ctank)로부터 제공되는 방전 전류(idischarge)를 제한한다. 방전 전류(idischarge)는 방전 다이오드(Ddischarge)를 통하여 탱크 커패시터로 돌아와 방전 경로를 형성한다.
네거티브 전압 형성 커패시터(Cnegative)는 공통 노드와 연결된 일단으로부터 충전 전류를 제공받아 네거티브 전압(Vnegative)으로 충전되고, 타단으로 네거티브 전압(Vnegative)을 제공한다. 네거티브 전압 형성부(200)가 제공하는 네거티브 전압(Vnegative)은 포지티브 전압(Vpositive)과 함께 플로팅 스위치(floating switch)를 구동하는 게이트 드라이버(300)에 제공된다. 네거티브 전압(Vnegative)은 플로팅 스위치인 상부 스위치(IGBTH)가 기생 발진에 영향을 받아 의도하지 않은 턴 온/턴 오프 동작을 발생하지 않도록 게이트에 제공되는 제어 전압의 마진을 형성한다.
본 실시예에 의하면 하부 스위치의 턴 오프 시 상부 스위치의 제어단에 네거티브 전압을 인가하여 기생 발진에 따른 의도하지 않는 상부 플로팅 스위치의 턴 온/턴 오프를 억제할 수 있다. 따라서 플로팅 스위치의 턴 오프를 위하여 음극성 전압원 SMPS 회로와 밀러 클램프 회로를 사용할 필요가 없으며, 그에 따라 보다 경제적인 게이트 드라이버를 형성할 수 있다는 장점이 제공된다.
본 실시예는 상부 스위치와 하부 스위치를 모두 IGBT로 구현한 예를 도시하였으나, 이는 일 예일 따름이며, MOSFET으로 상부 및 하부 스위치를 구현하는 것도 가능하다. 또한, 본 실시예는 방전 스위치(SWdischarge)를 PNP BJT로 구현하였으나, 이는 일 예일 따름이며 MOSFET으로 구현하는 것도 가능하다.
모의 시험예
도 2는 본 실시예에 따른 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원 회로에 대한 컴퓨터 모의 시험예이다. 입력 전압(Vdc)으로 직류 15V를 제공하였으며, 탱크 커패시터는 47uF의 커패시터를 사용하였다. 도 2에서 도시된 바와 같이 포지티브 전압으로 15V에 인접한 전압이 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 네거티브 전압으로 -7V에 인접한 전압이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
Vdc: 입력 전원 D1: 피드백 방지 다이오드
D2: 역류 방지 다이오드 Dcharge: 충전 다이오드
Ddischarge: 방전 다이오드 R1: 제1 저항
Rcharge2: 제2 저항 Rdischarge: 방전 저항
Ctank: 탱크 커패시터 Cpositive: 포지티브 전압 형성 커패시터
Cnegative:네거티브 전압 형성 커패시터
IGBTH: 상부 스위치 IGBTL: 하부 스위치
SWdischarge: 방전 스위치
100: 포지티브 전압 형성부 200: 네거티브 전압 형성부
300: 플로팅 게이트 드라이버

Claims (14)

  1. 입력 전압을 제공받아 포지티브 전압을 형성하는 포지티브 전압 형성부 및
    상기 입력 전압을 제공받아 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성부를 포함하되, 상기 네거티브 전압 형성부는:
    충전 경로를 통하여 상기 입력 전압을 제공받아 충전하는 탱크 커패시터와,
    탱크 커패시터 방전시 방전 경로를 형성하는 방전 스위치 및
    상기 방전 경로상에 위치하며 상기 탱크 커패시터 방전시 상기 탱크 커패시터가 방전한 전하를 축적하여 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성 커패시터를 포함하며,
    상기 네거티브 전압 형성 커패시터는 제1 단과 제2 단을 가지며,
    상기 제1 단으로 상기 탱크 커패시터가 방전할 때 제공하는 전류를 제공받아 충전되고,
    상기 제2 단으로 네거티브 전압을 제공하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 경로는, 상기 탱크 커패시터와, 상기 탱크 커패시터가 상기 충전 경로를 따라 충전될 때 도통되는 충전 다이오드 및 상기 탱크 커패시터를 충전하는 전류를 제한하는 제2 저항을 포함하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방전 경로는 상기 방전 스위치와, 상기 네거티브 전압 형성 커패시터와, 상기 탱크 커패시터가 상기 방전 경로를 따라 방전할 때 도통되는 방전 다이오드 및 상기 네거티브 전압 형성 커패시터를 충전하는 전류를 제한하는 방전 저항을 포함하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방전 스위치는, 상기 탱크 커패시터 충전시 제어단과 제1 단에 상기 입력전압이 제공되어 턴 오프되며, 상기 탱크 커패시터 방전시 상기 제1 단에 상기 탱크 커패시터에 충전된 전압이 제공되고, 제어단에 공통 노드 전압이 제공되어 턴 온되어 방전 경로를 형성하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 스위치는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)중 어느 하나인 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 네거티브 전압은 플로팅 스위치의 게이트 드라이버에 제공되어 상기 플로팅 스위치를 턴 오프하도록 상기 플로팅 스위치를 제어하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버의 전원회로.
  8. 플로팅 스위치의 게이트를 구동하는 게이트 구동부 및
    상기 게이트 구동부에 전원을 공급하는 전원 회로부를 포함하는 플로팅 스위치 게이트 구동 회로로,
    상기 전원 회로부는:
    입력 전압을 제공받아 포지티브 전압을 형성하는 포지티브 전압 형성부; 및
    상기 입력 전압을 제공받아 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성부를 포함하되, 상기 네거티브 전압 형성부는:
    상기 입력 전압을 제공받아 충전하는 탱크 커패시터와,
    탱크 커패시터 방전시 방전 경로를 형성하는 방전 스위치 및
    상기 탱크 커패시터 방전시 상기 탱크 커패시터가 방전한 전하를 축적하여 네거티브 전압을 형성하는 네거티브 전압 형성 커패시터를 포함하며,
    상기 방전 스위치는, 상기 탱크 커패시터 충전시 제어단과 제1 단에 상기 입력전압이 제공되어 턴 오프되며, 상기 탱크 커패시터 방전시 상기 제1 단에 상기 탱크 커패시터에 충전된 전압이 제공되고, 제어단에 공통 노드 전압이 제공되어 턴 온되어 방전 경로를 형성하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탱크 커패시터는 충전 경로를 통하여 상기 입력 전압을 제공받아 충전되며, 상기 충전 경로는, 상기 탱크 커패시터가 충전될 때 도통되는 충전 다이오드 및 상기 탱크 커패시터를 충전하는 전류를 제한하는 제2 저항을 포함하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방전 경로는 상기 방전 스위치와, 상기 네거티브 전압 형성 커패시터와, 상기 탱크 커패시터가 상기 방전 경로를 따라 방전할 때 도통되는 방전 다이오드 및 상기 네거티브 전압 형성 커패시터를 충전하는 전류를 제한하는 방전 저항을 포함하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 네거티브 전압 형성 커패시터는 제1 단과 제2 단을 가지며,
    상기 제1 단으로 상기 탱크 커패시터가 방전할 때 제공하는 전류를 제공받아 충전되고,
    상기 제2 단으로 네거티브 전압을 제공하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 플로팅 스위치는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)중 어느 하나인 플로팅 스위치 게이트 드라이버.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 네거티브 전압은 플로팅 스위치의 게이트 드라이버에 제공되어 상기 플로팅 스위치를 턴 오프하도록 상기 플로팅 스위치를 제어하는 플로팅 스위치 게이트 드라이버.
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