KR101796323B1 - 전력 반도체용 드라이버의 ｐｗｍ 출력 운용 방법 - Google Patents

전력 반도체용 드라이버의 ｐｗｍ 출력 운용 방법 Download PDF

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Abstract

전력 반도체용 드라이버의 PWM 출력에서 아날로그 값을 출력하는 방법.
전력 반도체용 드라이버(2)의 PWM 출력(4)을 운용하는 방법에 있어서,
드라이버에 의해 출력될 아날로그 값(A)이 제1신호 레벨(Hi)과 제2신호 레벨(Lo)을 가진 고정 PWM 주파수(fp)로 된 PWM 신호(6)로 변환되는 단계, 및
드라이버에 의해 출력될 이진 보충 값(F)의 제1값(N)에 대해, PWM 출력(4)에서 PWM 신호(6)가 출력되며,
이진 보충 값(F)의 제2값(E)에 대해, PWM 출력(4)에서 PWM 신호(6)가 보충 신호(18)와 함께 출력되는 단계를 포함하며,
PWM 신호에 기초해 결정된 상기 제1신호 레벨(Hi) 또는 제2신호 레벨(Lo) 및 각자 다른 신호 레벨(Lo, Hi)이 교번하는 시퀀스로 보충 신호(18)로서 PWM 주파수(fp)보다 높은 신호 주파수(fs)에서 출력된다.

Description

전력 반도체용 드라이버의 ＰＷＭ 출력 운용 방법{METHOD FOR OPERATING A PWM OUTPUT OF A DRIVER FOR A POWER SEMICONDUCTOR}
본 발명은 전력 반도체용 드라이버의 PWM 출력을 운용하는 방법에 관한 것이다.
전력 반도체들, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)들은 보통 그들을 구동할 드라이버를 필요로 한다. 드라이버는 저전력 로직 신호를 전력 반도체의 스위칭 입력부, 예를 들어 IGBT의 게이트로 직접 공급될 수 있는 고전력 스위칭 신호로 변환하여, 궁극적으로 그것을 스위칭한다.
이 경우, 드라이버는 보통 실질적 스위칭 기능 외에 다양한 보조 기능들을 포함한다. 예를 들어, 온도나 전압, 즉 아날로그 값들이 전력 반도체 상에서 계측되거나, 드라이버나 반도체가 제 기능을 못할 경우 예/아니오 에러 신호, 즉 이진 보충 값(binary supplementary value)이 도출된다. 이 경우 전형적 전압 값들은 예를 들어 0-10V이다. 이런 종류의 아날로그 값 및 이진 보충 값 모두는 드라이버에 의해 출력된다. 이러한 목적을 위해, 후자는 아날로그 값을 PWM 신호의 형태로 출력하기 위해 보통 PWM 출력을 포함한다. 또, 이진 값은 추가 출력부에서 출력된다. 드라이버를 사용하는 소비자는 공급되는 신호들을 추가 처리하기 위해 자신의 요구사항에 따라 관련 출력들을 연결한다. 다시 말해, 소비자 로직을 위한 전송 링크가 출력을 뒤따른다.
아날로그 값은 드라이버 안에서 고정 PWM 주파수의 PWM 신호로 변환된다. 이 경우, PWM 출력은 그러한 PWM 신호에 대해 제1신호 레벨 (Hi)과 제2신호 레벨 (Lo)을 포함하고, 그 신호 레벨들 사이에서 PWM 출력이 번갈아 나타난다. 전송 링크 또한 두 신호 레벨만을 가지므로, 그것은 디지털이라 파악될 수 있고 광 섬유 등을 이용해 구현될 수 있다. 바꿔 말하면, 전송될 아날로그 값이나 아날로그 신호가 전송기에 의해 고정 주파수의 PWM 신호로 변환된다. 한 PWM 클록 사이클 안에서 신호 레벨이 1인 상태로 길수록, 전송될 아날로그 값은 높아진다.
수신기 종단에서, 즉 전송 링크의 종단에서, 다시 말하면 소비자에 의해 연결된 회로에서, 수신기는 두 신호 레벨들 각각에 대해 규정된 레벨을 다시 출력한다. 이 경우, 수신기는 아날로그 형식이나 디지털 형식 중 하나로 구현될 수 있다. 아날로그 수신기의 경우, 가령 수신된 PWM 신호를 아날로그 출력 값으로 평활하기 위해 RC 요소 같은 저역 통과 필터가 사용된다. 디지털 수치화(digital evaluation)의 경우, 수신기는 PWM 신호를 알려진 한 주파수로 샘플링한다. 그 경우 수신기의 샘플링 레이트가 수신기의 정밀도를 결정한다.
마찬가지로 두 개의 신호 레벨들을 가지는 제2전송 링크, 이를테면 제2광섬유 상으로 이진 보충 값이 따로따로 전송된다는 것은 알려진 관행이다.
본 발명의 목적은 전력 반도체용 드라이버의 PWM 출력을 운용하는 개선된 방법을 특정하는 데 있다.
본 발명의 목적은 특허 청구항 1항에 따른 방법에 의해 달성된다. 드라이버에 의해 출력될 아날로그 값은 보통의 경우와 마찬가지로 제1 및 제2신호 레벨을 가지며 고정 PWM 주파수에 있는 PWM 신호로 변환된다.
그 방법에 따르면, 보충 값(supplementary value)이 제1값의 상태에 있을 때, PWM 신호는 두 개의 신호 레벨들을 사용하는 전송 링크를 통해 (종래 기술상에 알려진 대로, 혹은 관례대로) 전송된다. 그에 따라 PWM 신호는 보통의 경우와 마찬가지로 PWM 출력에서 출력된다.
그러나, 보충 값이 다른 값, 즉 제2값을 가질 때, PWM 신호는 PWM 출력에서 보충 신호와 함께 출력된다. 이 경우, 보충 신호는 다음과 같이 형성된다: PWM 신호의 사양에 따라 제공되는 제1신호 레벨이나 제2신호 레벨, 및 그와 교번하는(alternating) 시퀀스로 혹은 번갈아서 각자 다른 신호 레벨을 출력하기 위해 PWM 주파수보다 큰 신호 주파수가 사용된다.
다시 말해, 본 발명은 이진 보충 값이 제1값(비활성 값이라고도 칭함)이라고 판단되는 한, 보통의 경우대로 PWM 신호가 드라이버에 의해 출력되는 단계를 포함한다. 반대로, 보충 값의 제2값이 발생하거나 제공될 때, PWM 신호에 더해 고주파수(PWM 주파수보다 높은 신호 주파수) 신호가 출력된다. 다시 말해, 더해지는 신호는 현재의 PWM 레벨이 고주파수로 다른 레벨과 교번되는 단계를 필요로 한다. 특히, 그 신호 주파수는 PWM 주파수보다 실질적으로 크다, 즉 5, 10, 20, 50, 100 배 이상 크다.
예를 들어, 아날로그 값은 드라이버에 의해 판단되는 전력 반도체에 대한 온도나 전압 값이다. 예를 들어, 보충 값은 에러 없는 동작에 대해 제1값으로서 0을 전달하고 그와 다른 경우 제2값으로서 1을 전달하는 이진 에러 신호이다.
다시 말해, 보충 값의 제2값은 현재의 PWM 신호가 비교적 고주파 보충 신호로 덮어 씌워지는 단계를 필요로 한다.
전송 링크의 종단에서, PWM 출력부에서 출력되는 총 신호가 아날로그 및/또는 디지털 형식으로 수치화되는 것 역시 가능하다. 이것은 예를 들어 보충 신호가 아날로그 고역 통과 필터에 의해 PWM 신호로부터 분리되는 단계를 수반하며, 두 신호들 모두가 개별적으로 수치화되는 단계를 수반한다. 보충 신호는 가령 신호 주파수의 두 배보다 큰 샘플링 주파수로 디지털 형식에 따라 수치화될 수 있다. 반대로, PWM 신호는 알려진 바와 같이 적절한 수치화 방식을 통해 아날로그 값으로 다시 변환된다.
보통, 보충 값이 아날로그 값보다 높은 우선권을 가진다. 예를 들어, 어떤 좁은 시간 프레임 안에서 에러 신호가 인식되는 것이 같은 시간 (에러 신호와 관련된 에러의 발생 시간)에 정확한 온도가 또한 알려지는 것보다 중요하다. 보충 신호를 전송할 때, 아날로그 값, 즉 실제 PWM 신호의 수치화 결과가 그 시간에 훼손되는 것은 그래서 용인될 수 있다. 그러한 경우, 아날로그 값은 부차적 중요도를 가지며, 그 안의 정보는 파괴될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 보충 신호가 제공될 때라도 아날로그 값으로 된 정보가 파괴되지 않는 것이 바람직하다. 출력 PWM 신호는 보통 수신기 상에서 수치화 방법에 의해 아날로그 값으로 다시 변환된다. 그 수치화 방법은 추후 알려진다고 가정된다.
상기 방법의 바람직한 일 실시예에서, 수치화 방법이 알려질 때, 아날로그 값이 그 수치화 방법의 결과로서 보유되도록 보충 신호의 신호 레벨들이 수치화 방법에 기초해 PWM 클록 사이클 안에서 선택된다.
따라서 보충 신호가 PWM 신호 상으로 변조되었는지 아닌지 여부와 무관하게, 수치화 방법의 마지막에 아날로그 값이 구해진다. 다시 말해, 보충 신호는 가령 PWM 신호 및 그를 위한 수치화 방법와 관련해 의미가 없도록("mean-free"), 다시 말해 수치화 방법의 결과를 훼손하지 않도록 설계된다. 따라서, 아날로그 값 역시 보충 신호 전송 도중에 계속해서 수치화되거나 획득될 수 있다.
그러한 보충 신호 디자인의 다른 변형예들이 존재한다, 즉 다시 말해, 보충 신호가 제공될 때 신호 레벨이 번갈아 나타나도록 기초가 되는 시간 사양 등의 조건들이 존재한다.
첫 번째 변형예에서, 보충 신호는 PWM 신호가 제1 또는 제2신호 레벨 중 하나라고 판단될 때에만 유일하게 출력된다. 이것의 전제조건은 PWM 신호의 각 PWM 클록 사이클이 각각의 경우에 두 신호 레벨들 모두를 포함하는 것이다. 다시 말해, 보충 신호는 따라서 PWM 신호의 Hi나 Lo 레벨 도중에만 전송된다. 이러한 변형예는 전송 링크의 종단에서 특히 디지털 수치화와 결합되는 옵션이다. 이 실시예에서, 오리지널 PWM 신호의 레벨 변화에 대한 시간 제한이 계속된다. 보충 신호에도 불구하고, 디지털 수치화는 따라서 PWM 클록 사이클 안에서 오리지널 PWM 신호의 레벨 제한을 지장없이 인식할 수 있다. PWM 신호의 듀티 (duty) 사이클 및 그에 따른 아날로그 값이 이제 바르게 재구성될 수 있다.
그러나, 이 상황과 관련된 결함은 보충 신호의 신호 변화에 대한 전송 및 검출이 PWM 신호의 Hi나 Lo 레벨의 최대 지속 시간(duration) 만큼, 즉 최대 거의 한 PWM 클록 사이클만큼 지연될 가능성이 있을 수 있다는 것이다. 따라서 이러한 변형예는 보충 값과 관련해 특히 시간 임계적인(time-critical) 응용들에는 적합하지 않다.
전송 링크의 종단에서 특히 아날로그 수치화에 대한 옵션인 하나의 대안적 실시예에서, 한 PWM 클록 사이클 안에서 PWM 신호의 제1신호 레벨의 시간 인터벌 안에서 보충 신호에 의해 제거된 신호 성분들이 PWM 신호의 제2신호 레벨의 보충 신호에 의해 추가되는 신호 성분들을 이용해 복구되도록 보충 신호가 선택된다.
다시 말해, 보충 신호가 제공될 때, 아날로그 값, 특히 예를 들어 필수 값의 재건과 관련된 신호 콘텐트가 한 PWM 클록 사이클 중 한 신호 프로파일 하에 유지되도록 신호 레벨들의 고주파 변화가 선택된다.
예를 들어, PWM 신호의 Hi 레벨로 보충 신호를 제공하는 것은 오리지널 PWM 신호와 비교해 그 보충 신호에 의해 커버 되는 필수 값을 감소시키는 Lo 레벨들 역시 발생시킨다. 오리지널 PWM 신호의 Lo 레벨에서, 보충 신호는 그에 따라 PWM 클록 사이클의 남은 과정 중에, 위에서 감소 된 필수 값을 다시 균등하게 하는 추가 Hi 레벨들을 생성한다.
예를 들어, PWM 신호가 저역 통과 필터링을 거칠 때, 이 방법의 변형예로는 보충 신호가 제공될 때라도 한 PWM 클록 사이클 내 오리지널 PWM 신호의 값이 항상 제공된다. 다시 말해, 수치화에 기반한 보충 신호의 신호 콘텐트가 변화없이 유지되며 그에 따라 수치화 방법이 변경없는 값을 전달하도록 보충 신호가 PWM 신호에 적응된다.
이 방법의 또 다른 바람직한 실시예에서, 보충 신호의 신호 주파수는 추가 보충 정보 항목에 기초해 변경된다. 이러한 조정시, 활성화되거나 비활성화된 것으로서 전송되는 것이 이진 보충 신호만은 아니다. 다른 신호 주파수들의 적절한 선택이 보충 신호의 다른 값들을 추가로 전송할 수 있게 한다. 이상적으로는, 미세하게 단계화되거나 연속적인 신호 주파수의 변경 역시 (보충 값에 추가하여 최소한 오리지널 아날로그 값의 대안으로서) 보충 값과 결부된 추가 아날로그 값이 동일한 전송 링크를 통해 주파수 코딩 형식으로 전송될 수 있게 한다. 그러나, 보충 신호는 보충 값이 활성화된 경우에만 전송된다.
본 발명에 따르면, 전력 반도체용 드라이버의 PWM 출력을 운용하는 개선된 방법이 제공된다.
본 발명을 더 상세히 기술하기 위해서, 개략적 기본 윤곽으로서 나타낸 각 경우의 도면 안에 도시된 전형적 실시예들이 참조된다.
도 1은 수치화 회로와 함께 본 발명에 따른 드라이버를 도시한다.
도 2는 보충 신호와 함께 PWM 신호를 도시한다.
도 1은 PWM 출력부(4)를 포함한 전력 반도체(미도시)용 드라이버(2)를 도시한다. PWM 출력부(4)는 전력 반도체의 온도를 PWM 신호(6)의 형식을 통해 아날로그 값 A로서 출력하기 위해 사용되도록 되어 있다. 출력, 즉 PWM 신호의 타이밍 등과 같은 세부 사항들은 드라이버(2) 제조자의 사양에 기초해 발효된다. 도 1은 또 드라이버(2)의 소비자나 구매자가 PWM 신호(6)를 다시 아날로그 값 A로 변환하기 위해 설계하거나 설정하는 수신기(11) 형태로 된 수치화 회로(8)를 도시한다. PWM 신호(6)는 전송 링크(10)인 광 섬유를 통해 전송된다. 수치화 회로(8)는 전송 링크(10)와 연결된 수신 증폭기(12), 아날로그 저역 통과 필터(14), 및 아날로그 증폭기(16)를 포함한다. 따라서, 수치화 회로(8)는 아날로그 방식으로 동작한다.
도 2는 12 비트 값, 즉 0과 212-1=4095 사이 값들의 전송 예를 이용해 PWM 신호(6)를 시간 t에 대해 상세히 보여준다. 예를 들어, 이 경우 0℃ 온도는 0 값에 상응하고, 300℃의 온도는 4095의 값에 상응한다. 도 2는 200℃의 아날로그 값을 2730 값으로서 전송하는 것을 보여준다. PWM 신호(6)는 일정한 PWM 주파수 fp를 가진다, 즉 각각의 PWM 클록 사이클(7)은 동일한 지속 시간 TP를 가진다. 알려진 PWM 방식에 따라, 제1의 높은 신호 레벨 Hi가 한 PWM 클록 사이클 안에서 2730/4095*TP인 시간 Ton 동안 주어지고, 제2의 낮은 신호 레벨 Lo가 나머지 시간 , 즉 오프 시간 Toff=TP-Ton=4095-(2730/4095*TP) 동안 주어진다.
또한, 드라이버(2)는 이진 보충 값 F, 즉 0(무 에러)인 제1값 N과 1(에러)인 제2값 E를 가정할 수 있는 에러 신호 역시 출력해야 한다. 본 발명에 따르면, 그 출력 역시 마찬가지로 PWM 출력부(4)를 이용해 발효된다. 도 2의 PWM 신호(6)에서, 보충 값 F는 초기에 비활성화되어 있다, 즉 보충 값 F는 0에 해당하는 제1값 N을 가진다. 에러 시간 tF가 되기 전까지 전달되어야 할 에러는 드라이버(2)에서 발생되지 않는다. 따라서 본 발명에 따르면 에러 시간 tF부터, 즉 에러 신호 F가 활성화되거나, 1에 해당하는 제2값 E가 취해질 때 보충 신호(18)가 출력된다. 이러한 보충 신호에 기초해, PWM 신호(6)의 현재 신호 레벨 Hi (이 신호 레벨은 오리지널 PWM 신호에 기초해 유효하다)및 교번하는 시퀀스로서 다른 레벨 (이 경우 Lo)을 전송 링크(10)를 통해 번갈아 전송하도록 PWM 주파수 fP=1/TP보다 큰 신호 주파수 fS가 사용된다. 이것은 온(On) 타임 ton의 끝까지 수행된다. 온 타임 ton의 끝에서, 신호를 Lo로 유지하기 위해 다음 PWM 클록 사이클 전에 보충 신호(18)의 전송이 중지된다.
도 1에 도시된 저역 통과 필터(14) 및 고역 통과 필터(22)를 이용한 신호 수치화의 아날로그 변형예에 대한 대안으로서, 아날로그 값 A와 검출된 보충 신호 F 둘 모두를 출력할 수 있는 샘플링 회로(24)에 의한 디지털 수치화 (점선으로 보임)가 일어날 수도 있다.
위의 내용에 기초해, 신호의 PWM 정보가 파괴되지 않았기 때문에, 즉 오프(off) 타임 Toff가 명확히 인식될 수 있기 때문에, 아날로그 값 A가 유지된다. 따라서 수치화 회로(12)가 올바른 아날로그 값 A를 출력하는 것이 여전히 가능하다. 디지털 수치화의 경우, 온 타임 Ton의 한계가 고수되어, 아날로그 값 A가 올바로 재건될 수 있다. 수신 증폭기(21)의 하위로 뻗어있고 도 1에 도시된 것과 같은 고역 통과 필터(22)를 포함하는 고역 통과 브랜치(20)에 의해, 수치화 회로의 상술한 아날로그 변형예 안에서 보충 신호 F가 수치화된다.
한 대안적 실시예에서, 보충 신호(18)(점선으로 도시됨)는 오프 시간 T-off 중에도 계속된다. 다시 말해, 보충 신호(18)의 추가 펄스들을 오프 시간 Toff에 삽입하는 것이 PWM 클록 사이클당 총신호의 필수 값 W를 유지시킨다. 즉, 아날로그 수치를 동일한 아날로그 값으로 되돌리기 위해 온 타임 Ton 중에 "사라진" Hi 신호 성분들이 나중에 제공되거나 오프 타임 Toff 중에 추가된다. 그에 따라, 원래의 PWM 신호의 필수 영역(신호 프로파일로 커버됨) 및 보충 신호가 추가되었던 신호 프로파일의 필수 영역은 동일하게 된다.
도 2에서, 보충 신호(18)는 고정 신호 주파수 fs를 가진다. 다만, 상징적으로 제시되는 본 발명의 대안적 실시예에서, 신호 주파수 fs는 보충 정보 항목 I를 이용해 변경될 수도 있다. 다시 말해, 보충 정보 I는 여기서 신호 주파수 fs로 주파수 코딩된다. 수신기 또는 소비자 단에서, 고역 통과 브랜치(20)나 샘플링 회로(24)에서 보충 신호(18)와 함께 수신된 PWM 신호(6)로부터 보충 정보 I가 이제 재구성될 수 있다.
2: 드라이버(Driver)
4: PWM 출력(PWM output)
6: PWM 신호(PWM signal)
8: 수치화 회로(Evaluation circuit)
10: 전송 링크(Transmission link)
12: 수신 증폭기(Reception amplifier)
14: 저역 통과 필터(Low-pass filter)
16: 증폭기(Amplifier)
18: 보충 신호(Supplementary signal)
20: 고역 통과 브랜치(High-pass branch)
22: 고역 통과 필터(High-pass filter)
24: 샘플링 회로(Sampling circuit)
A: 아날로그 값(Analogue value)
t: 시간(Time)
Tp: 지속 시간(Period duration)
fp: PWM 주파수(PWM frequency)
Ton: 온 타임(On time)
Toff: 오프 타임(Off time)
Hi,Lo: 신호 레벨(Signal level)
F: 보충 값(Supplementary value)
TF: 에러 시간(Error time)
fS: 신호 주파수(Signal frequency)
I: 보충 정보(Supplementary information)
W: 필수 값(Integral value)
N,E: 값(Value)

Claims (5)

  1. 전력 반도체용 드라이버(2)의 PWM 출력(4)을 운용하는 방법에 있어서,
    드라이버에 의해 출력될 아날로그 값(A)이 제1신호 레벨(Hi)과 제2신호 레벨(Lo)을 가진 고정 PWM 주파수(fp)의 PWM 신호(6)로 변환되는 단계, 및
    드라이버에 의해 출력될 이진 보충 값(F)의 제1값(N)에 대해, PWM 출력(4)에서 PWM 신호(6)가 출력되며,
    이진 보충 값(F)의 제2값(E)에 대해, PWM 출력(4)에서 PWM 신호(6)가 보충 신호(18)와 함께 출력되는 단계를 포함하고,
    상기 PWM 신호에 기초해 결정된 상기 제1신호 레벨(Hi) 또는 제2신호 레벨(Lo) 및 각각 다른 신호 레벨(Lo, Hi)이 교번하는 시퀀스로 보충 신호(18)로서 상기 PWM 주파수(fp)보다 높은 신호 주파수(fs)에서 출력되며,
    상기 PWM 신호(6)는 알려진 수치화 방법에 의해 수신기(11) 상에서 다시 아날로그 값(A)으로 변환되며, 여기서 보충 신호(18)의 신호 레벨들(Hi, Lo)은 아날로그 값(A)이 상기 수치화 방법의 결과로서 보유되도록 PWM 클록 사이클(7) 안에서 상기 수치화 방법에 기초해 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 PWM 클록 사이클(7)은 두 신호 레벨들(Hi, Lo) 모두를 포함하며, 여기서 보충 신호(18)는 오직 상기 PWM 신호(6)가 제1신호 레벨(Hi)이나 제2신호 레벨(Lo)을 채택할 때에만 출력되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 한 PWM 클록 사이클(7) 안에서 상기 PWM 신호(6)의 제1신호 레벨(Hi)에서 상기 보충 신호(18)에 의해 제거된 신호 성분들이 상기 PWM 신호(6)의 제2신호 레벨(Lo)에서 상기 보충 신호에 의해 추가되는 신호 성분들을 이용해 복구되도록 상기 보충 신호(18)가 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보충 신호(18)의 신호 주파수(fs)는 보충 정보 항목(I)에 기초해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
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