KR102229656B1 - 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 전력 반도체 시스템 - Google Patents

전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 전력 반도체 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치는, 부하로 흐르는 전력을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부와, 상기 전력 반도체 소자의 상기 게이트 단자에 접속되고, 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보에 따라서 임피던스 선택이 가능한 임피던스 선택부와, 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보에 기초하여 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 변화시키기 위하여 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 변화시키도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 전력 반도체 시스템{Apparatus for controlling operating speed of power semiconductor device and power semiconductor system}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 이를 이용한 전력 반도체 시스템에 관한 것이다.
전력 반도체 소자는 고전압과 고전류 환경에서 동작하는 반도체 소자이다. 예를 들어, 전력 반도체 소자로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 모스펫(Power MOSFET) 등을 들 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전압에 대한 내압 특성이 기본적으로 요구되며, 최근에는 부가적으로 고속 스위칭 동작을 요하고 있다.
이러한 전력 반도체 소자는 시스템에서 설계한 게이트 턴-온(turn-on) 구동 전류에 구동 스피드가 결정되며, 이에 따라 시스템에서 동작 효율이 결정된다. 예를 들어, 인버터 시스템에서는 전력 반도체 소자의 반복적인 스위칭을 통해서 배터리의 직류(DC) 신호가 교류(AC) 신호로 바뀌어 모터를 구동할 수 있다. 이러한 인버터 시스템에서 전력 반도체 소자의 동작 속도는 인버터 시스템에서 에너지 변환 효율을 결정하게 된다.
하지만, 전력 반도체 소자의 동작 속도가 빨라지면 시스템 효율적인 측면에서는 좋겠지만, 전력 반도체 소자는 전기적인 스트레스를 받게 되어 강건성에서 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 시스템 요구 사항에 맞게 고효율을 만족하면서도 강건성도 동시에 만족하는 전력 반도체 소자를 설계하는 것이 중요하다.
하지만, 전력 반도체 소자의 스위칭 속도는 소자 자체의 기생 커패신턴스 뿐만 아니라 게이트를 구동하는 시스템 회로 등에 의해서도 영향을 받게 된다. 이에 따라, 구동 회로를 구성하고 있는 모든 요소들이 전력 반도체 소자의 스위칭 속도가 빨라지는 방향으로 특성이 변한다면, 전력 반도체 소자 내에 예상치 못한 손실(loss) 또는 손상(damage)이 발생될 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 전력 반도체 소자의 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off) 시 손실 또는 손상 가능성이 높다.
일본특허공개공보 2018-050297호(2018.03.29. 공개)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전력 반도체 소자의 구동 회로의 속도 변경 상황에 대응할 수 있는 소자 설계의 자유도를 갖는 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 이를 이용한 전력 반도체 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치는, 부하로 흐르는 전력을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부와, 상기 전력 반도체 소자의 상기 게이트 단자에 접속되고, 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보에 따라서 임피던스 선택이 가능한 임피던스 선택부와, 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보에 기초하여 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 변화시키기 위하여 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 변화시키도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치는, 상기 전력 반도체 소자 및 및 상기 부하 사이에 접속되고 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 검출하는 동작 모니터링부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 동작 모니터링부로부터 상기 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 받을 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치에 있어서, 상기 동작 모니터링부는, 상기 전력 반도체 소자 및 및 상기 부하 사이에 접속된 적어도 하나의 션트 저항과, 상기 션트 저항 양단의 전압 변화를 측정하는 전압 측정부를 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 동작 모니터링부로부터 받은 상기 동작 정보로부터 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도에 관한 정보를 검출하는 동작 속도 검출부와, 상기 동작 속도 검출부로부터 상기 동작 속도에 관한 정보를 받고, 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 제어하기 위해서 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 설정하도록 상기 임피던스 선택부에 임피던스 설정 신호를 출력하는 임피던스 설정부를 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치에 있어서, 상기 임피던스 선택부는 커패시턴스값 설정이 가능한 커패시터 어레이를 포함할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도가 기준 값보다 높은 경우, 상기 임피던스 선택부의 커패시턴스값이 높아지도록 상기 임피던스 선택부를 제어할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 동작 모니터링부로부터 받은 상기 동작 정보에 기초하여 상기 임피던스 선택부를 동적으로 제어할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 시스템은, 부하로 흐르는 전력을 스위칭하기 위해서, 게이트 단자를 각각 포함하는 적어도 하나의 전력 반도체 소자와, 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부와, 상기 전력 반도체 소자 및 및 상기 부하 사이에 접속되고 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 검출하는 동작 모니터링부와, 상기 게이트 구동부 및 상기 전력 반도체 소자의 상기 게이트 단자 사이에 접속되고, 상기 동작 모니터링부의 검출 결과에 따라서 임피던스 선택이 가능한 임피던스 선택부와, 상기 동작 모니터링부로부터 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 받고, 상기 동작 정보에 따라서 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 변화시키기 위하여 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 변화시키도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 전력 반도체 시스템 에 있어서, 상기 전력 반도체 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함하고, 상기 임피던스 선택부는 커패시턴스값 설정이 가능한 커패시터 어레이를 포함하고, 상기 제어부는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트 단자 및 에미터 단자 사이의 기생 커패시턴스값을 조절하도록 상기 임피던스 선택부를 제어할 수 있다.
상기 전력 반도체 시스템 에 있어서, 상기 전력 반도체 소자는 인버터 시스템의 전력을 스위칭하기 위해서 사용될 수 있다.
상기 전력 반도체 시스템 에 있어서, 상기 인버터 시스템은 3상 전력을 스위칭하기 위한 3상 인버터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 소자는 상기 3상 전력에 대응되는 3군의 전력 반도체 소자들을 포함하고, 상기 동작 모니터링부는 상기 3군의 전력 반도체 소자들 및 상기 부하 사이에 접속되어, 상기 3군의 전력 반도체 소자들의 동작 정보룰 각각 검출할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 전력 반도체 시스템에 의하면, 전력 반도체 소자의 동작 속도를 모니터링하여 이에 기초하여 기생 임피던스가 변경되게 함으로써 전력 반도체 소자 내 소손 발생을 방지할 수 있어서 소자 설계의 자유도를 늘릴 수 있다.
물론 이러한 효과는 예시적인 것이고, 이러한 효과에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 통상적인 전력 반도체 소자의 스위칭시 동작 특성을 보여주는 타이밍 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 및 이를 포함하는 전력 반도체 시스템을 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 내 임피던스 선택부를 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 4는 도 2의 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 내 게이트 구동부를 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 5는 도 2의 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치 내 제어부를 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 시스템 내 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 7은 도 6의 전력 반도체 소자를 보다 구체적으로 보여주는 개략적인 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
다르게 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 용어들은 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미로 사용된다. 도면에서, 층 및 영역의 크기는 설명을 위해 과장되었고, 따라서 본 발명의 일반적인 구조들을 설명하기 위해 제공된다. 동일한 참조 부호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 한 구성이 다른 구성 상(on)에 있다고 지칭할 때, 그것은 다른 구성의 바로 상부에 있거나 또는 그 사이에 다른 개재된 구성이 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 한 구성이 다른 구성의 “바로 위에(directly on)” 있다라고 지칭할 때는 중간 개재 구성들이 존재하지 않는다고 이해된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치(100) 및 이를 포함하는 전력 반도체 시스템(100)을 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도 제어 장치(110)는 전력반도체 시스템(100)내 동작 정보에 따라서 전력 반도체 소자의 동작 속도를 제어하기 위한 장치일 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도 제어 장치(110)는 제어부(115), 게이트 구동부(120) 및 임피던스 선택부(140)를 포함할 수 있다.
게이트 구동부(120)는 부하(70)로 흐르는 전력을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자(50)를 구동할 수 있다.
임피던스 선택부(140)는 전력 반도체 소자(50)에 접속되어, 전력 반도체 소자(50)의 동작 정보에 따라서 임피던스 선택이 가능할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 선택부(140)는 전력 반도체 시스템(100)으로부터 전력 반도체 소자(50)의 동작 정보를 제공 받을 수 있다.
다른 예로, 임피던스 선택부(140)는 자체적으로 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도를 모니터링 할 수 있다. 이를 위해서, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도 제어 장치(110)는 동작 모니터링부(130)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 모니터링부(130)는 전력 반도체 소자(50) 및 부하(70) 사이에 접속되어 전력 반도체 소자(50)의 동작 정보를 검출할 수 있다.
나아가, 동작 모니터링부(130)는 전력 반도체 소자(50) 및 및 부하(70) 사이에 접속된 적어도 하나의 션트 저항(Rs) 및 션트 저항(Rs) 양단의 전압 변화를 측정하는 전압 측정부(135)를 포함할 수 있다. 전압 측정부(135)는 전압 변화값을 제어부(115)에 전달할 수 있다.
제어부(115)는 전력 반도체 소자(50)의 동작 정보에 기초하여 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도를 변화시키기 위하여 임피던스 선택부(140)의 임피던스값을 변화시키도록 임피던스 선택부(140)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(115)는 전력 반도체 시스템(100) 자체 또는 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도 제어 장치(100) 내 동작 모니터링부(130)로부터 전력 반도체 소자(50)의 동작 정보를 받을 수 있다.
이 실시예에 따른 전력 반도체 시스템(100)은 전원부(60) 및 부하(70) 사이에 접속되는 것으로서, 전원부(60)로부터 부하(70)로 흐르는 전력을 스위치하기 위한 적어도 하나의 전력 반도체 소자(50)와, 이러한 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도 제어 장치(110)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 시스템(100)에서, 전력 반도체 소자(50)는 인버터 시스템의 전력을 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 인버터 시스템은 배터리의 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 데 이용될 수 있고, 전력 반도체 소자(50)는 이러한 전력 변환 스위치로 이용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 시스템 내 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인 회로도이고, 도 7은 도 6의 전력 반도체 소자를 보다 구체적으로 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 이러한 전력 반도체 시스템(100) 내 전력 반도체 소자(50)는 메인 셀 영역 및 센서 영역을 포함하는 반도체층을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자(50)는 웨이퍼(wafer), 칩(chip) 또는 다이(die) 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 메인 셀 영역에는 복수의 전력 반도체 트랜지스터들(power semiconductor transistors, PT)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터(PT)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 또는 전력 모스펫(power MOSFET)을 포함할 수 있다. IGBT는 게이트 전극, 에미터 전극(emitter electrode) 및 컬렉터 전극(collector electrode)을 포함할 수 있다. 이하에서는 전력 반도체 소자(100)로 IGBT를 예로 설명한다.
이러한 전력 반도체 소자(50)는 외부와 연결을 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 소자(50)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 에미터 전극에 연결되는 에미터 단자(69), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 켈빈 에미터 전극에 연결되는 켈빈 에미터 단자(66), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자(62), 전류를 모니터링하기 위한 전류 센서 트랜지스터들(ST)과 연결되는 전류 센서 단자(64), 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(TC)와 연결되는 온도 센서 단자들(67, 68) 및/또는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 컬렉터 전극과 연결되는 컬렉터 단자(61)를 포함할 수 있다
온도 센서(TC)는 온도 센서 단자들(67, 68)과 연결된 정션 다이오드(junction diode)를 포함할 수 있다. 정션 다이오드는 적어도 하나의 n형 불순물 영역과 적어도 하나의 p형 불순물 영역의 접합 구조, 예컨대 P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조, N-P-N 접합 구조 등을 포함할 수 있다. 본 구조는 전력 반도체 소자(50) 내에 온도 센서(TC)가 내장된 구조를 예시적으로 설명하고 있으나, 이 실시예의 변형된 예에서 온도 센서(TC)가 생략될 수도 있다.
전력 반도체 트랜지스터(PT)는 에미터 단자(69)와 컬렉터 단자(61) 사이에 접속되고, 전류 센서 트랜지스터(ST)는 전류 센서 단자(64)와 컬렉터 단자(61) 사이에 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 일부 병렬적으로 접속된다. 전류 센서 트랜지스터(ST)의 게이트 전극과 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 게이트 전극은 소정의 저항을 개재하여 게이트 단자(62)에 공유로 연결된다.
전류 센서 트랜지스터(ST)는 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 실질적으로 같은 구조로 형성되며, 다만 소정의 비로 축소되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 전류 센서 트랜지스터(ST)의 출력 전류를 모니터링함으로써 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 출력 전류를 간접적으로 모니터링할 수 있게 된다.
에미터 단자(69)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 접지 단자로 기능하고, 켈빈 에미터 단자(66)는 게이트 단자(62)의 드라이버부에 대한 접지 단자로 기능할 수 있다. 전류 센서 단자(64)에 접속된 센싱 저항의 센싱 전압을 읽으면 전류 센서 단자(64)로 흐르는 전류의 양을 계산할 수 있다.
도 2, 도 6 및 도 7을 같이 참조하면, 게이트 구동부(120)는 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)에 접속될 수 있다. 게이트 구동부(120)는 제어부(115)의 신호에 따라서, 전력 반도체 소자(50)를 턴-온 시키거나 또는 턴-오프 시킬 수 있다.
도 4는 도 2의 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치(110) 내 게이트 구동부(120)를 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 4를 더 참조하면, 게이트 드라이버(120)는 구동 집적회로(driver IC, 122), 전원 스위칭부(124) 및 수동소자부(126)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 구동 집적회로(122)는 제어부(115)로부터 구동 신호를 인가받을 수 있고, 이에 따라 전원 스위칭부(124)로 스위칭 신호를 출력할 수 있다. 제어부(115)로부터 구동 신호가 수신되면, 구동 집적회로(122)는 전원 스위칭부(124)로 턴-온(turn-on) 전압을 출력할 수 있다.
전원 스위칭부(124)는 전원(Vcc)과 접지부 사이에 연결된 2개의 스위칭 소자(Q1, Q2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자들(Q1, Q2)은 NMOS 트랜지스터일 수 있고, 이 경우 전원 스위칭부(124)로부터 출력되는 턴-온 전압은 NMOS 트랜지스터들을 켜기 위한 하이 레벨 전압일 수 있다.
수동 소자부(126)는 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2), 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)은 서로 병렬 연결되고, 제 1 다이오드(D1)는 제 1 저항(R1)에 직렬 연결되고, 제 2 다이오드(D2)는 제 2 저항(R2)에 직렬 연결될 수 있다. 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)는 서로 반대 방향으로 병렬 접속될 수 있다. 수동 소자부(126)는 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)로 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다.
이에 따르면, 게이트 드라이버(120)는 제어부(115)의 구동 신호에 따라서, 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)에 턴-온 전압 또는 턴-오프 전압을 출력할 수 있다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치(100) 내 임피던스 선택부(140)를 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 3을 더 참조하면, 임피던스 선택부(140)는 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)에 접속될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 임피던스 선택부(140)는 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)와 에미터 단자(69) 사이에 접속될 수 있다. 이 경우, 임피던스 선택부(140)는 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)와 에미터 단자(69) 사이의 임피던스값을 조절할 수 있다.
임피던스 선택부(140)는 커패시턴스값 설정이 가능한 커패시터 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에는 임피던스 선택부(140) 내 3개의 커패시터들(C1, C2, C3)이 스위칭 소자들(S1, S2, S3)을 개재하여 병렬 연결된 커패시터 어레이 구조가 도시되어 있다. 이 구조에서는 스위칭 소자들(S1, S2, S3)의 온/오프에 따라서 커패시턴스값이 변경될 수 있다.
하지만, 도 3은 예시적이고, 임피던스 선택부(140) 내 커패시터들의 수 및 연결 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 커패시터들(C1, C2, C3)과 별개로 복수의 커패시터들이 병렬 연결되거나 또는 직렬-병렬 될 수도 있다. 나아가, 임피던스 선택부(140) 내 커패시터들(C1, C2, C3) 외에 복수의 저항 또는 인덕터들이 부가될 수도 있다.
도 5는 도 2의 전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치(110) 내 제어부(115)를 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 5를 더 참조하면, 제어부(115)는 동작 속도 검출부(116), 임피던스 설정부(117) 및 게이트 제어부(118)를 포함할 수 있다.
게이트 제어부(118)는 게이트 구동부(120)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 게이트 제어부(118)는 게이트 구동부(120) 내 구동 집적회로(122)로 전력 반도체 소자(50)의 턴-온 또는 턴-오프를 위한 게이트 구동 신호를 출력할 수 있다.
동작 속도 검출부(116)는 동작 모니터링부(130)로부터 받은 동작 정보로부터 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도에 관한 정보를 검출할 수 있다. 예를 들어, 동작 속도 검출부(116)는 동작 모니터링부(130) 내 전압 측정부(135)로부터 전압 변화에 관한 데이터를 받고, 이로부터 전력 반도체 소자(50)의 동작 전류에 관한 정보를 계산하여, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도에 관한 정보를 검출할 수 있다.
임피던스 설정부(117)는 동작 속도 검출부(116)로부터 동작 속도에 관한 정보를 받고, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도를 제어하기 위해서 임피던스 선택부(140)의 임피던스값을 설정하도록 임피던스 선택부(140)에 임피던스 설정 신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 임피던스 설정부(117)는 요구되는 임피던스값에 따라서 임피던스 선택부(140) 내 스위칭 소자들(S1, S2, S3)의 온/오프를 제어하는 임피던스 설정 신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 제어부(115)는 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도가 기준 값보다 높은 경우, 임피던스 선택부(140)의 커패시턴스값이 높아지도록 임피던스 선택부(140)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 전력 반도체 소자(50)가 설계 범위에서 벗어나 동작하는 것을 막을 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 동작 모니터링부(130)는 션트 저항(Rs)의 전압 변화를 통해서 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도가 너무 빠르거나 부하(70)로 과전류가 흐르는 것울 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도를 결정할 수 있는 시스템 요소들 중 어느 것이 바뀔 경우 전력 반도체 소자(50)의 턴-온 및 턴-오프 전류가 변경될 수 있다. 이에 따라, 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 속도가 설계대로 동작하지 않는 문제가 발생할 수 있다.
하지만, 동작 모니터링부(130)를 통하여 션트 저항(Rs)에서 전압 변화를 지속적으로 모니터링하여 이를 기초로 제어부(115)에서 임피던스 선택부(140)의 임피던스값을 변경하여 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도를 제어할 수 있다.
전압 변화를 측정하면 전류 변화를 계산할 수 있고, 전류 변화는 게이트-에미터 간 전압에 비례하고 게이트-에미터간 커패시턴스에 반비례하므로, 게이트-에미터간 커패시턴스를 높이면 전류 변화 속도를 낮출 수 있게 된다. 예를 들어, 게이트-에미터간 커패시턴스는 임피던스 선택부(140)의 임피던스값을 변경하여 변경할 수 있게 된다.
한편, 제어부(115)는 동작 모니터링부(130)로부터 받은 동작 정보에 기초하여 임피던스 선택부(140)를 동적으로 제어할 수 있다. 이에 따르면, 전력 반도체 소자(50)의 동작 속도를 실시간으로 제어할 수 있게 된다. 제어부(115)는 실시간으로 임피던스 선택부(140)의 임피던스값을 계산하여 설정하거나 또는 동작 정보에 매칭되게 임피던스값을 미리 데이터 테이블로 설정할 수도 있다.
한편, 전력 반도체 시스템(100)은 전력 반도체 소자(50)가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 경우, 제어부(115)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 게이트 단자(62) 및 에미터 단자(69) 사이의 기생 커패시턴스값을 조절하도록 상기 임피던스 선택부(140)를 제어할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 전력 반도체 소자(50)는 인버터 시스템의 전력을 스위칭하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 인버터 시스템은 3상 전력을 스위칭하기 위한 3상 인버터를 포함할 수 있고, 전력 반도체 소자(50)는 3상 전력에 대응되는 3군의 전력 반도체 소자들을 포함할 수 있다.
이 경우, 동작 모니터링부(130)는 3군의 전력 반도체 소자들(50)과 부하(70) 사이에 각각 접속되어, 3군의 전력 반도체 소자들(50)의 동작 정보를 각각 검출할 수 있다. 예를 들어, 션트 저항(Rs) 및 전압 측정부(135)는 각 상을 나타내는 각 군의 전력 반도체 소자들(50)의 출력과 부하(70) 사이에 각각 접속될 수 있다. 따라서, 각 상의 전력 반도체 소자들(50)의 동작 속도를 분리하여 모니터링 및 제어할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
50: 전력 반도체 소자
100: 전력 반도체 시스템
110: 동작 속도 제어 장치
115: 제어부
120: 게이트 드라이버
130: 동작 모니터링부
140: 임피던스 선택부

Claims (11)

  1. 부하로 흐르는 전력을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부;
    상기 전력 반도체 소자의 상기 게이트 단자에 접속되고, 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보에 따라서 임피던스 선택이 가능한 임피던스 선택부; 및
    상기 전력 반도체 소자의 동작 정보에 기초하여 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 변화시키기 위하여 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 변화시키도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력 반도체 소자 및 및 상기 부하 사이에 접속되고 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 검출하는 동작 모니터링부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 동작 모니터링부로부터 상기 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 받고,
    상기 제어부는,
    상기 동작 모니터링부로부터 받은 상기 동작 정보로부터 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도에 관한 정보를 검출하는 동작 속도 검출부; 및
    상기 동작 속도 검출부로부터 상기 동작 속도에 관한 정보를 받고, 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 제어하기 위해서 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 설정하도록 상기 임피던스 선택부에 임피던스 설정 신호를 출력하는 임피던스 설정부;를 포함하는,
    전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 동작 모니터링부는,
    상기 전력 반도체 소자 및 및 상기 부하 사이에 접속된 적어도 하나의 션트 저항; 및
    상기 션트 저항 양단의 전압 변화를 측정하는 전압 측정부를 포함하는,
    전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 선택부는 커패시턴스값 설정이 가능한 커패시터 어레이를 포함하는,
    전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도가 기준 값보다 높은 경우, 상기 임피던스 선택부의 커패시턴스값이 높아지도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는,
    전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 동작 모니터링부로부터 받은 상기 동작 정보에 기초하여 상기 임피던스 선택부를 동적으로 제어하는,
    전력 반도체 소자의 동작 속도 제어 장치.
  8. 부하로 흐르는 전력을 스위칭하기 위해서, 게이트 단자를 각각 포함하는 적어도 하나의 전력 반도체 소자;
    상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부;
    상기 전력 반도체 소자 및 상기 부하 사이에 접속되고 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 검출하는 동작 모니터링부;
    상기 게이트 구동부 및 상기 전력 반도체 소자의 상기 게이트 단자 사이에 접속되고, 상기 동작 모니터링부의 검출 결과에 따라서 임피던스 선택이 가능한 임피던스 선택부;
    상기 동작 모니터링부로부터 상기 전력 반도체 소자의 동작 정보를 받고, 상기 동작 정보에 따라서 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 변화시키기 위하여 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 변화시키도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 동작 모니터링부로부터 받은 상기 동작 정보로부터 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도에 관한 정보를 검출하는 동작 속도 검출부; 및
    상기 동작 속도 검출부로부터 상기 동작 속도에 관한 정보를 받고, 상기 전력 반도체 소자의 동작 속도를 제어하기 위해서 상기 임피던스 선택부의 임피던스값을 설정하도록 상기 임피던스 선택부에 임피던스 설정 신호를 출력하는 임피던스 설정부;를 포함하는,
    전력 반도체 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함하고,
    상기 임피던스 선택부는 커패시턴스값 설정이 가능한 커패시터 어레이를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트 단자 및 에미터 단자 사이의 기생 커패시턴스값을 조절하도록 상기 임피던스 선택부를 제어하는,
    전력 반도체 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 소자는 인버터 시스템의 전력을 스위칭하기 위해서 사용되는,
    전력 반도체 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 인버터 시스템은 3상 전력을 스위칭하기 위한 3상 인버터를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전력 반도체 소자는 상기 3상 전력에 대응되는 3군의 전력 반도체 소자들을 포함하고,
    상기 동작 모니터링부는 상기 3군의 전력 반도체 소자들 및 상기 부하 사이에 접속되어, 상기 3군의 전력 반도체 소자들의 동작 정보룰 각각 검출하는,
    전력 반도체 시스템.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004072804A (ja) * 2002-06-14 2004-03-04 Honda Motor Co Ltd 車両用インバータ装置
KR20180007567A (ko) * 2016-07-13 2018-01-23 현대오트론 주식회사 3상 모터의 전류측정을 위한 전압 측정 회로, 3상 모터 제어 시스템 및 3상 모터의 전류 측정 방법
JP2018050297A (ja) 2016-09-23 2018-03-29 アルストム・トランスポール・テクノロジーズ Ｉｇｂｔ型トランジスタの制御方法および関連する制御装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004072804A (ja) * 2002-06-14 2004-03-04 Honda Motor Co Ltd 車両用インバータ装置
KR20180007567A (ko) * 2016-07-13 2018-01-23 현대오트론 주식회사 3상 모터의 전류측정을 위한 전압 측정 회로, 3상 모터 제어 시스템 및 3상 모터의 전류 측정 방법
JP2018050297A (ja) 2016-09-23 2018-03-29 アルストム・トランスポール・テクノロジーズ Ｉｇｂｔ型トランジスタの制御方法および関連する制御装置

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