KR102206918B1 - 절연형 게이트구동기를 가지는 전력 스위칭 모듈 - Google Patents

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곽봉우
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 질화갈륨트랜지스터를 이용하는 전력 스위칭 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 펄스폭변조 방식으로 직류전압을 스위칭하기 위하여 설정된 주파수를 가지는 구형파 펄스신호들이 입력되는 펄스신호입력부와, 상기 펄스신호입력부로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하는 신호중첩입력방지부와, 상기 신호중첩입력방지부의 후단에 결선되는 절연형게이트구동기와, 상기 절연형게이트구동기로부터 입력되는 펄스신호에 의하여 직류전압를 펄스폭변조 방식으로 스위칭하여 출력단자를 통하여 부하로 인가하는 스위칭유닛을 포함하여 구성되는 전력스위칭 모듈에 관한 것이다.

Description

절연형 게이트구동기를 가지는 전력 스위칭 모듈{Power switching module having the isolated gate driver}
본 발명은 질화갈륨트랜지스터를 이용하는 전력 스위칭 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 펄스폭변조 방식으로 직류전압을 스위칭하기 위하여 설정된 주파수를 가지는 구형파 펄스신호들이 입력되는 펄스신호입력부와, 상기 펄스신호입력부로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하는 신호중첩입력방지부와, 상기 신호중첩입력방지부의 후단에 결선되는 절연형게이트구동기와, 상기 절연형게이트구동기로부터 입력되는 펄스신호에 의하여 직류전압를 펄스폭변조 방식으로 스위칭하여 출력단자를 통하여 부하로 인가하는 스위칭유닛을 포함하여 구성되는 전력스위칭 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘(Si) 기반의 전력 반도체의 기술 개발이 한계에 도달함에 따라서 질화갈륨(GaN)계 반도체가 사용되고 있다.
이러한 질화갈륨(GaN,Gallium Nitride) 반도체는 실리콘이나 갈륨비소(GaAs) 반도체와 비교하여 와이드 밴드갭 특성과 고온에서의 안정성이 있으며, 실리콘 기반 트랜지스터보다 전력밀도가 10 배 이상 높은 장점이 있다.
특히, 질화갈륨(GaN) 전력 스위칭 소자는 실리콘(Si)기반 트랜지스터에 비하여 스위칭 손실과 온(ON)-저항 손실이 낮아 에너지 절감이 가능하며, 해당 소자를 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 또는 전기자동차에 적용하면 소형화 및 경량화가 가능하고 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그런데, 질화갈륨(GaN) 트랜지스터 소자의 경우, 게이트 소스(Gate Source)간의 문턱(threshold) 전압이 낮아서 허용전압이 낮게 형성되어 질화갈륨 소자 자체의 스위칭 특성이 빠르기 때문에 게이트 오실레이션(gate osillation)에 의해서 인가 전압보다 높은 전압이 발생될 수 있으며, 이렇게 되면 질화갈륨 트랜지스터의 게이트 단자에 심각한 데미지를 입혀서 질화갈륨 반도체 소자가 파괴될 우려가 있다.
따라서, 질화갈륨(GaN) 트랜지스터를 이용하는 전력 스위칭 회로의 경우, 질화갈륨(GaN) 소자와 외부의 게이트 구동용 IC 를 인접하여 설계하여야 하므로 회로 설계상의 제한이 존재하였으며, 나아가, 질화갈륨 트랜지스터를 고전력 스위칭용으로 이용하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 질화갈륨(GaN) 트랜지스터를 사용하는 전력 스위칭 회로는 스위칭 회로를 기동시키는 외부의 게이트구동기(Gate driver)로부터 스위칭에 필요한 펄스스신호가 입력되는데, 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압에 의하여 외부의 게이트구동기가 소손될 우려가 있었다.
한편, 스위칭 모듈에 관한 공지기술로서, 대한민국특허공보 제 1873219 호의 질화갈륨계 전력 스위칭 장치의 기술과, 대한민국특허공보 제 1209639 호의 MOSFET 게이트 구동회로 및 구동방법의 기술이 공지되어 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 질화갈륨 트랜지스터를 이용하는 전력 스위칭 모듈을 제공하기 위한 것으로서, 고전력 리튬배터리 충전기나 태양광 인버터 시스템 등과 같이 고전력밀도를 요구하는 전력변환시스템 분야에 사용 가능한 질화갈륨트랜지스터를 이용하는 전력 스위칭 모듈의 구성을 제공하는데에 본 발명의 목적이 있다.
또한, 전력 스위칭 모듈로 펄스신호를 인가하는 게이트구동기를 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 보호할 수 있는 전력 스위칭 모듈의 구성을 제공하는데에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 절연형 게이트구동기를 가지는 전력 스위칭 모듈의 구성은, 펄스폭변조 방식으로 직류전압을 스위칭하기 위하여 설정된 주파수를 가지는 구형파 펄스신호들이 입력되는 펄스신호입력부와, 상기 펄스신호입력부로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하는 신호중첩입력방지부와, 상기 신호중첩입력방지부의 후단에 결선되는 절연형게이트구동기와, 상기 절연형게이트구동기로부터 입력되는 펄스신호에 의하여 직류전압를 펄스폭변조 방식으로 스위칭하여 출력단자를 통하여 부하로 인가하는 스위칭유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 신호중첩입력방지부는 2개의 AND 게이트를가지며, 상기 일측 AND 게이트의 일측 단자는 일측 펄스신호가 입력되고 그 타측 단자는 타측 펄스신호의 반대 신호가 입력되며, 타측 AND 게이트의 일측 단자는 타측 펄스신호가 입력되고, 그 타측 단자는 일측 펄스신호의 반대 신호가 입력되는 구성을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 절연형게이트구동기는, 강화분리배리어(barrier)를 가지며 저전압오동작방지소자(UVLO)(Under Voltage Lock Out)를 포함하는 구성을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스위칭유닛 자체를 과전류로부터 보호하기 위하여, 상기 스위칭유닛으로 인가되는 직류전압의 일측에 과전류보호다이오드를 연결한 구성을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스위칭유닛은, 외부의 게이트구동기(Gate driver)로부터 발생된 펄스신호가 입력되는 입력부와, 상기 입력부의 후단에 결선되어 입력부로부터 입력된 펄스에 의한 스위칭부의 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 외부의 게이트구동기를 보호하는 게이트구동기 보호부와, 상기 게이트구동기보호부의 후단에 결선되어 상기 입력부로부터 입력된 펄스에 의한 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 스위칭부의 스위칭소자를 보호하는 스위칭소자 보호부와, 상기 스위칭소자보호부의 후단에 결선되어 상기 입력부로부터 입력된 펄스신호에 의하여 직류전압(VDC+)을 펄스폭변조(PWM) 방식으로 스위칭하여 출력단자를 통하여 부하로 인가하는 스위칭부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스위칭부는, 2 개의 질화갈륨트랜지스터를 하프브릿지 방식으로 결선한 구성을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 게이트구동기보호부는, 입력부의 일측입력단자와 병렬 연결된 하한치제한다이오드와 일측입력단자와 병렬 연결된 상한치제한다이오드와, 입력부의 타측입력단자와 병렬 연결된 하한치제한다이오드와 타측입력단자와 병렬 연결된 상한치제한다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 하한치제한다이오드는 쇼트키다이오드인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 상한치제한다이오드는 제너다이오드인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스위칭소자보호부는, 상기 게이트구동기보호부의 후단으로 스위칭부의 일측 질화갈륨트랜지스터의 게이트 단자에 결선되는 한쌍의 상하한치제한다이오드와, 상기 게이트구동기보호부의 후단으로 스위칭부의 타측 질화갈륨트랜지스터의 게이트 단자에 결선되는 한쌍의 상하한치제한다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 상하한치제한다이오드는 제너다이오드인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 일측의 질화갈륨트랜지스터의 드레인단자와 타측의 질화갈륨트랜지스터의 소스단자 사이에 이상 전압 방지용 스너버 캐패시터가 결선된 구성을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 게이트구동기보호부와 상기 스위칭소자보호부 사이에서 질화갈륨트랜지스터의 소스 단자로 인가되는 직류의 옵셋값을 지정하기 위한 전류의 충방전을 수행하는 캐패시터가 부설되고, 해당 캐패시터의 충방전속도를 조절하는 충방전속도조절용저항이 해당 캐패시터와 병렬 연결된 구성을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질화갈륨트랜지스터들의 게이트-소스간 전압발생을 방지하는 전압분배저항들이 각 트랜지스터들의 게이트단자와 소스단자 사이에 각각 결선되는 구성을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 절연형 게이트구동기를 가지는 전력 스위칭 모듈은 빠른 스위칭 특성으로 인하여 고전력밀도를 가지는 전력변환 시스템에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전력스위칭 모듈은, 펄스신호입력부로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하는 신호중첩입력방지부를 포함함으로써 하프 브릿지 방식의 스위칭유닛의 회로에서 쇼트로 인하여 과전류가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있는 효과를 발현한다.
또한, 본 발명의 전력스위칭 모듈은, 절연형게이트구동기를 채용함으로써, 외부의 잡음으로부터 스위칭유닛을 보호하여 스위칭소자의 안정적인 구동을 수행하고 스위칭소자의 주변회로를 보호할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 전력스위칭 모듈은 입력부 후단에 게이트구동기보호부를 설치하여 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 외부의 게이트구동기를 보호할 수 있는 효과를 발현한다.
또한, 본 발명의 전력스위칭 모듈은 게이트구동기보호부의 후단에 스위칭소자보호부를 설치하여 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 스위칭부의 스위칭소자를 보호할 수 있게 된 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전력스위칭 모듈은 일측 질화갈륨트랜지스터의 드레인단자와 타측의 질화갈륨트랜지스터의 소스단자 사이에 스너버 캐패시터를 연결함으로써 이들 단자 사이에 발생되는 이상 전압을 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 은 본 발명의 전력 스위칭 모듈의 블럭다이어그램이다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 스위칭 모듈의 회로도이다.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속,접촉,결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 전력 스위칭 모듈의 블럭다이어그램이다.
도면을 참조하면, 도시된 실시예의 스위칭 모듈은 두개의 질화갈륨(GaN)트랜지스터(GaN1,GaN2)를 이용하여 직류 전압(VDC+)을 스위칭하여 펄스폭변조방식으로 변조된 구형파 펄스를 발생시켜 이를 출력단자(CENTER)를 통하여 부하(LOAD)에 인가하는 스위칭 모듈이다.
보다 상세하게는, 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 직류전압(VDC+)을 스위칭하기 위하여 설정된 주파수를 가지는 구형파 펄스신호들(PWM_A, PWM_B)이 입력되는 펄스신호입력부(10)와, 상기 펄스신호입력부(10)로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하는 신호중첩입력방지부(20)와, 상기 신호중첩입력방지부(20)의 후단에 결선되는 절연형게이트구동기(30)(isolated gate driver)와, 상기 절연형게이트구동기(30)로부터 입력되는 펄스신호에 의하여 직류전압(VDC+)를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 스위칭하여 출력단자(CENTER)를 통하여 부하(LOAD)로 인가하는 스위칭유닛(100)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 스위칭유닛(100)은, 상기 절연형게이트구동기(30)로부터 입력되는 펄스신호가 입력되는 입력부(110)와, 상기 입력부(110)의 후단에 결선되어 입력된 펄스에 의한 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 외부의 게이트구동기를 보호하는 게이트구동기 보호부(120)와, 상기 게이트구동기보호부(120)의 후단에 결선되어 상기 입력부(110)로부터 입력된 펄스에 의한 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 스위칭부(140)의 스위칭소자를 보호하는 스위칭소자 보호부(130)와, 상기 스위칭소자보호부(130)의 후단에 결선되어 상기 입력부(110)로부터 입력된 펄스신호에 의하여 직류전압(VDC+)를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 스위칭하여 출력단자(CENTER)를 통하여 부하(LOAD)로 인가하는 스위칭부(140)를 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 전력 스위칭 모듈을 실시예의 회로도를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 스위칭 모듈의 회로도이다.
상기 신호중첩입력방지부(20)는, 펄스신호입력부(10)로부터 입력되는 구형파 펄스신호들(PWM_A, PWM_B)이 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하기 위하여, 2개의 AND 게이트(U1,U2)를 이용한 논리회로를 포함한다.
상기 일측 AND 게이트(U1)의 일측 단자(x)는 일측 펄스신호(PWM_A)가 입력되고 그 타측 단자(y)는 타측 펄스신호(PWM_B)의 반대 신호(NOT,논리부정신호)가 입력되며, 타측 AND 게이트(U2)의 일측 단자(x)는 타측 펄스신호(PWM_B)가 입력되고, 그 타측 단자(y)는 일측 펄스신호(PWM_A)의 반대 신호(NOT,논리부정신호)가 입력된다.
따라서, 상기와 같이 결선된 신호중첩입력방지부(20)는 하기의 표 1 의 진리표와 같은 출력을 나타내게 된다.
PWM_A PWM_B 일측 AND 게이트(U1) 타측 AND 게이트(U2)
X Y 출력 X Y 출력
0 0 0 1 0 1 0 0
1 0 1 1 1 0 1 0
0 1 0 0 0 1 1 1
1 1 1 0 0 0 1 0
따라서, 표 1 을 참조하면, 일측 펄스신호(PWM_A)가 ON 상태로 되었을 경우에만 일측 AND 게이트(UI)가 ON 상태로 출력되고, 타측 펄스신호(PWM_B)가 ON 상태로 되었을 경우에만 타측 AND 게이트(U2)가 ON 상태로 출력된다.
또한, 일측 펄스신호(PWM_A)가 ON 상태이고, 타측 펄스신호(PWM_B)가 ON 상태인 경우에는 일측 AND 게이트(U1) 및 타측 AND 게이트(U2)의 출력이 모두 OFF 상태로 출력되므로, 상기 펄스신호입력부(10)로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지함으로써, 후술할 하프 브릿지(Half bridge) 방식의 스위칭유닛(100)의 회로에서 쇼트(short)로 인하여 과전류가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 신호중첩입력방지부(20)의 후단에 결선되는 절연형게이트구동기(30)(isolated gate driver)는, 스위칭유닛(100)의 스위칭소자의 게이트 단자로 펄스신호입력부(10)로부터 입력된 구형파의 펄스신호를 인가하는 부분으로서, 본 발명 실시예는 스위칭유닛(100)의 스위칭소자의 안정적인 구동과 스위칭소자의 주변회로의 보호를 위하여 잡음으로부터의 절연기능을 가지는 절연형게이트구동기를 채용한다.
상기 절연형게이트구동기는 타입에 따라서 정션절연형드라이버(Junction-isolated Driver), 옵토커플드라이버(Opto-Coupled Gate Driver), 정전용량커플절연형 게이트드라이버(Capacitive-Coupled) 등의 게이트드라이버용 소자들이 공지되어 있다.
상기 정션절연형드라이버(Junction-isolated Driver)는 고전압 레일을 수용할 수 있도록 부동 하이사이드 드라이버를 사용하는 타입으로서, 소자의 최대 정격은 대략 600 V 이며, 정격 CMTI 사양은 무결성용일 경우 10KV/μs 대이고, 래치업 내성용인 경우 50KV/μs 이다.
상기 CMTI 는 공통모드잡음트랜션트(Common Mode Transient Immunity)로서, 회로 외부로부터 가해지는 노이즈(noise) 신호의 총량을 나타낸다.
상기 옵토커플드라이버(Opto-Coupled Gate Driver)는 CMTI 사양이 10-20KV/μs 대이며, 상기 정전용량커플절연형 게이트드라이버(Capacitive-Coupled)는 200KV/μs 및 래치업 내성용으로 400KV/μs 으로서 고주파 시스템에 적합한 특성을 가지고 있다.
그러므로, 본 발명 전력 스위칭 모듈은 상기와 같은 공지의 절연형게이트구동기중 적절한 용도와 정격에 부합되는 타입의 절연형게이트구동기를 사용한다.
도면을 참조하면, 본 발명 실시예의 절연형게이트구동기(30)는 강화분리배리어(barrier)(도면중 'ISOLATION'으로 표기)를 가지며, 공지의 저전압오동작방지소자(UVLO)(Under Voltage Lock Out)를 포함한다.
상기 저전압오동작방지회로는 입력전압이 일정 수준이하로 되었을 경우 출력전압이 0 인 회로로서 기설정된 전압치보다 저전압이 입력될 경우 회로가 오동작 하는 것을 방지하기 위하여 연결된다.
다음으로, 본 발명 전력스위칭 모듈의 실시예에 따른 스위칭유닛(100)을 상세하게 설명한다.
본 발명 실시예의 상기 스위칭유닛(100)은 2 개의 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)를 병렬 연결한 하프브릿지(Half bridge) 회로의 구성이며, 상기 스위칭유닛(100)의 일측 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 드레인단자와 타측 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 소스단자에 부하로 인가될 직류전압의 양단(VDC+,VDC-)이 각각 입력된다.
또한, 상기 스위칭유닛(100)의 입력부(110)로 입력되는 신호는 상기 절연형게이트구동기(30)로부터 입력되되 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 직류전압(VDC+)을 스위칭하기 위하여 설정된 주파수를 가지는 구형파 펄스로서, 하프브릿지 방식으로 결선된 스위칭부(140)의 2 개의 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)를 각각 스위칭하기 위하여 펄스의 상한전압(Voltage Gate High,VGH)를 이루는 게이트바이어스전압이 인가되는 일측입력단자(INH+ INH-)와, 펄스의 하한전압(Voltage Gate Low,VGL)를 이루는 게이트바이어스전압이 인가되는 타측입력단자(INL+, INL-)로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명의 전력스위칭모듈은 스위칭부(140)를 통하여 필요한 듀티사이클(duty cycle)을 가지는 직류 전압을 출력하여 부하로 공급하여 줄 수 있게 된다.
상기 게이트구동기보호부(120)는, 일측입력단자(INH+,INH-)와 병렬 연결되어 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 하한치를 제한하는 하한치제한다이오드(DsIN1)과, 일측입력단자(INH+,INH-)와 병렬 연결되어 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 상한치를 제한하는 상한치제한다이오드(DzIN1)으로 이루어져 있으며, 마찬가지로, 타측입력단자(INL+,INL-)와 병렬 연결되어 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 하한치를 제한하는 하한치제한다이오드(DsIN2)와, 타측입력단자(INL+,INL-)와 병렬 연결되어 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 하한치를 제한하는 상한치제한다이오드(DzIN2)가 결선되어 있다.
본 발명 실시예는 상기 하한치제한다이오드(DsIN1,DsIN2)는 문턱전압(threshold voltage)이 낮은 쇼트키다이오드(shottky diode)를 채용하고, 상기 상한치제한다이오드(DzIN1,DzIN2)는 역방향에서의 정전압 특성을 가지는 제너다이오드(Zener Diode)를 채용한다.
따라서, 상기 게이트구동기보호부(120)는 하한치제한다이오드와 상한치제한다이오드에 의하여 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 하한치와 상한치가 일정하게 제한되므로 일측입력단자(INH+,INH-)와 타측입력단자(INL+,INL-)에 연결된 외부의 게이트구동기(Gate Driver)를 고전압으로부터 보호할 수 있게 된다.
또한, 스위칭부(140)의 스위칭소자를 보호하는 스위칭소자보호부(130)는, 상기 게이트구동기보호부(120)의 후단으로 스위칭부(140)의 일측 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 게이트 단자에 결선되어 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 상한치 및 하한치를 각각 제한하는 한쌍의 상하한치제한다이오드(DzU1,DzD1)들로 이루어져 있으며, 양 다이오드들은 애노드(anode)측이 상호 연결되어 있다.
마찬가지로, 상기 게이트구동기보호부(120)의 후단으로 스위칭부(140)의 타측 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 게이트 단자에 결선되어 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 상한치 및 하한치를 각각 제한하는 한쌍의 상하한치제한다이오드(DzU2,DzD2)들로 이루어져 있으며, 양 다이오드들은 애노드(anode)측이 상호 연결되어 있다.
본 발명 실시예는 상기 상하한치제한다이오드(DzU1,DzD1,DzU2,DzD2)로서 역방향에서의 정전압 특성을 가지는 제너다이오드(Zener Diode)를 채용한다.
따라서, 상기 스위칭소자보호부(120)는 하한치제한다이오드와 상한치제한다이오드들에 의하여 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 하한치와 상한치가 일정하게 제한되므로 스위칭부(140)의 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)를 고전압으로부터 보호할 수 있게 된다.
또한, 스위칭부(140)의 빠른 스위칭 속도로 인하여 일측의 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 드레인(Drain)단자와 타측의 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 소스(Source)단자 사이의 이상 전압을 발생하는 것을 방지하기 위하여 이들 단자들 사이에 스너버 캐패시터(Snubber Capacitor)(C snubber)를 직렬로 결선하였다.
상기 스너버 캐패시터는 부하를 스위칭소자로 On/Off 시킬 때 발생하는 과도전압을 억제시키는 용도로서, 스너버 캐패시터(C snubber)의 용량은 스위칭 출력되는 부하 전류의 크기에 따라서 결정된다.
또한, 상기 게이트구동기보호부(120)와 상기 스위칭소자보호부(130) 사이에 직렬로 결선되어, 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)의 소스(Source) 단자로 인가되는 직류의 옵셋(offset)값을 지정하기 위하여 전류의 충방전을 수행하는 캐패시터(Cde1,Cde2)가 결선되고, 해당 캐패시터의 충방전속도를 조절하는 충방전속도조절용저항(Rd1,Rd2)이 해당 캐패시터와 병렬로 연결된다.
또한, 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)들의 게이트(gate)-소스(source)간 전압발생을 방지하는 전압분배저항(Rp1,Rp2)들이 각 트랜지스터의 게이트(gate)단자와 소스(source)단자 사이에 각각 결선된다.
한편, 하프 브릿지 방식의 스위칭유닛(100) 자체를 과전류로부터 보호하기 위하여 상기 스위칭유닛(100)으로 인가되는 직류전압의 일측(VDC+)에 과전류보호다이오드(Dsat1,Dsat2)를 연결한 구조이다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 실시예의 전력 스위칭 모듈의 작동을 설명한다.
본 발명 실시예의 펄스신호입력부(10)로부터 구형파 펄스신호들(PWM_A, PWM_B)이 입력되면 신호중첩입력방지부(20)를 거쳐서 절연형게이트구동기(30)에 입력되고, 절연형게이트구동기(30)는 스위칭유닛(100)의 입력부(110)의 일측입력단자(INH+ INH-)를 통하여 게이트바이어스전압이 인가되면, 하한치제한다이오드(DsIN1)와 상한치제한다이오드(DzIN1) 및 한쌍의 상하한치제한다이오드(DzU1,DzD1)들을 거쳐서 일측 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 게이트단자로 입력된다.
그러면, 일측 질화갈륨트랜지스터(GaN1)이 ON 상태로 되면서 바이어스된 인가전압의 주파수에 따라서 직류전압(VDC+)을 스위칭하여 출력단자(CENTER)로 출력하여 부하(LOAD)로 인가시킨다.
또한, 입력부(110)의 타측입력단자(INL+ INL-)를 통하여 게이트바이어스전압이 인가되면, 하한치제한다이오드(DsIN2)와 상한치제한다이오드(DzIN2) 및 한쌍의 상하한치제한다이오드(DzU2,DzD2)들을 거쳐서 타측 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 게이트단자로 입력된다.
그러면, 타측 질화갈륨트랜지스터(GaN2)이 ON 상태로 되면서 바이어스된 인가전압의 주파수에 따라서 직류전압(VDC+)을 스위칭하여 출력단자(CENTER)로 출력하여 부하(LOAD)로 인가시킨다.
이때, 상기 일측질화갈륨트랜지스터(GaN1) 및 타측질화갈륨트랜지스터(GaN2)가 입력단으로 인가되는 바이어스전압에 따라서 하브브릿지 방식으로 교대로 활성화되면서 설정된 주파수를 가지는 직류전압이 PWM 방식으로 변조되어 부하에 전력을 인가하게 된다.
이때, 상기 일측입력단자(INH+,INH-)와 타측입력단자(INL+,INL-)의 후단으로 하한치제한다이오드(DsIN1,DsIN2)와 상한치제한다이오드(DzIN1,DzIN2) 및 상하한치제한다이오드(DzU1,DzD1,DzU2,DzD2)들이 결선되어 있으므로 게이트 오실레이션시 발생되는 전압의 하한치와 상한치가 일정하게 제한되어, 일측입력단자(INH+,INH-)와 타측입력단자(INL+,INL-)에 연결된 외부의 게이트구동기(Gate Driver) 및 스위칭부(140)의 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)를 고전압으로부터 보호할 수 있게 된다.
한편, 스위칭부(140)의 스위칭 작동시 빠른 스위칭 속도로 인하여 일측의 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 드레인(Drain)단자와 타측의 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 소스(Source)단자 사이의 이상 전압이 발생될 수 있는데, 이러한 이상전압은 이들 단자들 사이에 직렬로 결선된 스너버 캐패시터(Snubber Capacitor)(C snubber)에 의하여 제거된다.
따라서, 상기와 같이 작동하는 본 발명의 전력 스위칭모듈은 고전력밀도를 가지는 전력변환 시스템에 적용가능한 효과를 수득하게 되었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로, 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10; 펄스신호입력부
20; 신호중첩입력방지부
30; 절연형게이트구동기
100; 스위칭유닛
110; 입력부
120; 게이트구동기 보호부
130; 스위칭소자 보호부
140; 스위칭부

Claims (14)

  1. 전력스위칭 모듈에 있어서,
    펄스폭변조 방식으로 직류전압(VDC+)을 스위칭하기 위하여 설정된 주파수를 가지는 구형파 펄스신호들(PWM_A, PWM_B)이 입력되는 펄스신호입력부(10);
    상기 펄스신호입력부(10)로부터 입력된 펄스신호가 동시에 ON 상태로 중첩되는 현상을 방지하는 신호중첩입력방지부(20);
    상기 신호중첩입력방지부(20)의 후단에 결선되는 절연형게이트구동기(30)(isolated gate driver);
    상기 절연형게이트구동기(30)로부터 입력되는 펄스신호에 의하여 직류전압(VDC+)를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 스위칭하여 출력단자(CENTER)를 통하여 부하(LOAD)로 인가하는 스위칭유닛(100);을 포함하고,
    상기 스위칭유닛(100)은,
    상기 절연형게이트구동기(30)(isolated gate driver)로부터 발생된 펄스신호가 입력되는 입력부(110);
    상기 입력부(110)의 후단에 결선되어 입력부(110)로부터 입력된 펄스에 의한 스위칭부(140)의 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 상기 절연형게이트구동기(30)(isolated gate driver)를 보호하는 게이트구동기보호부(120);
    상기 게이트구동기보호부(120)의 후단에 결선되어 상기 입력부(110)로부터 입력된 펄스에 의한 게이트 오실레이션시 발생되는 고전압으로부터 스위칭부(140)의 스위칭소자를 보호하는 스위칭소자보호부(130);
    상기 스위칭소자보호부(130)의 후단에 결선되어 상기 입력부(110)로부터 입력된 펄스신호에 의하여 직류전압(VDC+)을 펄스폭변조(PWM) 방식으로 스위칭하여 출력단자(CENTER)를 통하여 부하(LOAD)로 인가하는 스위칭부(140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호중첩입력방지부(20)는 2개의 AND 게이트(U1,U2)를 가지며,
    일측 AND 게이트(U1)의 일측 단자(x)는 일측 펄스신호(PWM_A)가 입력되고 그 타측 단자(y)는 타측 펄스신호(PWM_B)의 반대 신호(NOT,논리부정신호)가 입력되며, 타측 AND 게이트(U2)의 일측 단자(x)는 타측 펄스신호(PWM_B)가 입력되고, 그 타측 단자(y)는 일측 펄스신호(PWM_A)의 반대 신호(NOT,논리부정신호)가 입력되는 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연형게이트구동기(30)는,
    저전압오동작방지소자(UVLO)(Under Voltage Lock Out)를 포함하는 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭유닛(100) 자체를 과전류로부터 보호하기 위하여, 상기 스위칭유닛(100)으로 인가되는 직류전압의 일측(VDC+)에 과전류보호다이오드(Dsat1,Dsat2)를 연결한 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭부(140)는,
    2 개의 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)를 하프브릿지(Half bridge) 방식으로 결선한 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트구동기보호부(120)는,
    입력부(110)의 일측입력단자(INH+,INH-)와 병렬 연결된 하한치제한다이오드(DsIN1)와 일측입력단자(INH+,INH-)와 병렬 연결된 상한치제한다이오드(DzIN1); 및
    입력부(110)의 타측입력단자(INL+,INL-)와 병렬 연결된 하한치제한다이오드(DsIN2)와 타측입력단자(INL+,INL-)와 병렬 연결된 상한치제한다이오드(DzIN2); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하한치제한다이오드(DsIN1,DsIN2)는 쇼트키다이오드(shottky diode)인 것을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 상한치제한다이오드(DzIN1,DzIN2)는 제너다이오드(Zener Diode)인 것을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭소자보호부(130)는,
    상기 게이트구동기보호부(120)의 후단으로 스위칭부(140)의 일측 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 게이트 단자에 결선되는 한쌍의 상하한치제한다이오드(DzU1,DzD1); 및
    상기 게이트구동기보호부(120)의 후단으로 스위칭부(140)의 타측 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 게이트 단자에 결선되는 한쌍의 상하한치제한다이오드(DzU2,DzD2)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상하한치제한다이오드(DzU1,DzD1,DzU2,DzD2)는 제너다이오드(Zener Diode)인 것을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  12. 제 6 항에 있어서,
    일측의 질화갈륨트랜지스터(GaN1)의 드레인(Drain)단자와 타측의 질화갈륨트랜지스터(GaN2)의 소스(Source)단자 사이에 이상 전압 방지용 스너버 캐패시터(Snubber Capacitor)(C snubber)가 결선된 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 게이트구동기보호부(120)와 상기 스위칭소자보호부(130) 사이에서 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)의 소스(Source) 단자로 인가되는 직류의 옵셋(offset)값을 지정하기 위한 전류의 충방전을 수행하는 캐패시터(Cde1,Cde2)가 부설되고,
    해당 캐패시터의 충방전속도를 조절하는 충방전속도조절용저항(Rd1,Rd2)이 해당 캐패시터(Cde1,Cde2)와 병렬 연결된 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 질화갈륨트랜지스터(GaN1,GaN2)들의 게이트(gate)-소스(source)간 전압발생을 방지하는 전압분배저항(Rp1,Rp2)들이 각 트랜지스터들의 게이트(gate)단자와 소스(source)단자 사이에 각각 결선되는 구성을 특징으로 하는 전력스위칭 모듈.
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