KR102388544B1 - 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로 - Google Patents

전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 IGBT와 같은 전력반도체 스위칭 소자를 사용하는 전력회로에서 과전류 차단시 발생되는 과전압으로부터 전력반도체 스위칭 소자를 보호하도록 하는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 관한 것이다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 게이트 드라이버에 전력반도체 스위칭 소자가 연결되어 있는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 있어서, 상기 게이트 드라이버에서 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단과 게이트 구동신호 출력단 사이에 제너다이오드와 다이오드 및 커패시터가 직렬로 연결되어 이루어진 과전압 보호회로가 연결된 것을 특징으로 한다.

Description

전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로{OVER VOLTAGE PROTECTION CIRCUIT FOR PROTECTING POWER SEMICONDUCTOR SWITCHING DEVICE}
본 발명은 인버터에 사용되는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IGBT와 같은 전력반도체 스위칭 소자에서 과전류 차단시 발생되는 과전압으로부터 전력반도체 스위칭 소자를 보호하도록 하는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 관한 것이다.
일반적으로 철도 차량의 전원 인버팅 시스템에서는 소정의 직류 입력전압이 인가되면 스위치 온되는 컨택터를 통해 인버터로 전류 전압이 인가되고, 이 인버터가 소정의 교류 전원을 출력하여 유도전동기에 공급되는 전류를 제어함으로써 철도 차량의 추진력을 얻도록 되어 있다. 그리고 유도전동기와 같은 부하가 고장났을 경우에 과전류가 발생하면 입력 전원을 차단하여 인버터에 내장되어 있는 반도체 스위칭 소자 및 각종 구성품을 보호하도록 되어 있다.
하지만, 선행문헌 1에 기재된 바와 같이 상기 컨택터는 릴레이와 같이 기계적으로 스위칭 동작을 하는 소자이기 때문에 부품을 주기적으로 유지 및 보수해야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라 실제로 과전류가 발생하였을 경우 입력 전원을 차단하는 시간이 수 ㎳ 이상 소요되기 때문에 과전류에 대한 내량한계가 수 ㎲ 이내인 상기 인버터의 반도체 소자가 소손되기 쉽다는 문제점이 있었다.
그리하여 최근에는 인버터에 IGBT와 같은 전력반도체 스위칭 소자를 사용하고 있으며, 또한 IGBT의 구동을 위해 게이트 드라이브 회로를 많이 사용하고 있다. 특히 게이트 드라이브 회로는 인버터 스위칭시에 발생되는 과전압 및 과전류를 억제하여 IGBT의 파괴를 사전에 방지하고 인버터 스위칭시 노이즈에 의해 발생되는 고조파 발생을 최소화하여 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 되어 있다.
선행문헌 2에는 인버터 스위칭시에 발생되는 과전압 및 과전류를 억제하여 단락사고와 같은 전동차용 인버터에 사용하는 IGBT의 파괴를 사전에 방지하고, 인버터 스위칭시 노이즈에 의해 발생되는 고조파 발생을 최소화하여 시스템의 신뢰도를 향상시키도록 하는 IGBT의 게이트 드라이브 회로에 관한 기술이 개시되어 있다. 이는 한 쌍의 IGBT가 상호 연결된 이미터에 제너다이오드가 서로 역방향으로 직렬 연결된 구동제한값 설정부를 연결하여, 인버터 스위칭시에 발생되는 과전압 및 과전류를 억제하여 단락사고와 같은 전동차용 인버터에 사용하는 IGBT의 파괴를 사전에 방지할 수 있도록 되어 있다.
도 1은 종래 게이트 드라이브용 광플러에서 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 일례를 나타내고, 도 2는 도 1에서 과전압 보호동작에 따른 파형도를 도시한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같은 게이트 드라이브용 광커플러 소자(도시된 예는 HCPL-316J)(10)는 전력반도체 스위칭 소자(12)를 구동하는 기능과 부하에 과전류 및 암단락 발생시 전력반도체 스위칭 소자(12) 양단간 전압을 측정하여 특정 전압이상 발생시 게이트 구동신호와 관련없이 전력반도체 스위칭 소자(12)의 게이트 구동용 PWM 출력인 VOUT을 차단하는 기능을 갖고 있다.
그러나 도 2에 도시된 바와 같이, 기존 게이트 드라이브용 광커플러 소자(10)는 전력반도체 스위칭 소자(12)가 턴-온 되는 경우 전력반도체 스위칭 소자(12)의 양단간 전압 VDESAT 를 검지하여, 도 2의 (b)와 같이 VDESAT 가 7V이상 발생시 과전류(대략 정격전류의 3배)로 판단하고, 도 2의 (c)와 같이 전력반도체 스위칭 소자(12)를 구동하기 위한 PWM 출력인 VOUT을 차단하나, 이때 전력회로의 표류인덕턴스 LSTRAY에 축적된 전류가 짧은 시간에 변화하여 도 2의 (a)와 같이 RBSOA(Reverse Bias Safe Operating Area)를 넘는 과전압이 유도되고, 이로 인해 전력반도체 스위칭 소자(12)를 손상시키는 문제점이 있다. 도 2의 (d)에 도시된 FAULT는 상기 게이트 드라이버(10)에서 전력반도체 스위칭 소자(12)에 과전류가 발생하였음을 감지하여 출력하는 오류신호를 나타낸다.
공개실용신안공보 20-1998-049572 (1998.10.07. 공개) 공개특허공보 10-2001-0098203 (2001.11.08. 공개)
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 게이트 드라이버에서 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단과 게이트 구동신호 출력단 사이에 제너다이오드-다이오드-커패시터로 구성된 과전압 보호회로를 설치하여, 과전류 차단으로 인해 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단에서 소정 전압 이상이 발생되면, 전력반도체 스위칭 소자를 턴온시켜 전력반도체 스위칭 소자의 양단간 전압을 제한하는 한편, 상기 과전압 보호회로의 커패시커 값을 조절하여 턴온시간을 조절할 수 있도록 함으로써 과전압 보호회로의 글리치 동작을 제한 할 수 있도록 이루어진 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로를 제공함을 기술적 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로는, 게이트 드라이버에 전력반도체 스위칭 소자가 연결되어 있는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 있어서, 상기 게이트 드라이버에서 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단과 게이트 구동신호 출력단 사이에 제너다이오드-다이오드-커패시터로 구성된 과전압 보호회로가 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 게이트 드라이버는 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것으로 판단되면 상기 전력반도체 스위칭 소자의 게이트 구동신호를 차단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자를 턴오프 시키도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 게이트 드라이버는 상기 전력반도체 스위칭 소자의 게이트 구동신호를 차단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자가 턴오프될 때 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전압이 발생되는 것으로 판단되면 게이트 구동신호를 출력하여 상기 전력반도체 스위칭 소자를 턴온시켜 전력반도체 스위칭 소자의 양단간 전압을 제한하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 게이트 드라이버가 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것으로 판단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자가 턴오프될 때 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 8 V 이상의 전압이 인가되는 것으로 판단되면 과전압이 발생한 것으로 판단하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 과전압 보호회로에 구비되는 커패시터의 값을 조절하여 상기 전력반도체 스위칭 소자의 턴온시간을 조절함으로써 상기 과전압 보호회로의 글리치 동작을 제한하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전력반도체 스위칭 소자를 기반으로 하는 전력변환회로에서 이상전류 차단시 발생되는 이상전압에 의한 전력반도체 스위칭 소자의 소손으로부터, 과전압 발생을 제한하여 전력회로의 신뢰성 향상으로 인해 전력반도체 스위칭 소자 자체의 비용절감 뿐만 아니라 유지보수 비용 및 운영차질에 의한 손실을 줄일 수 있어 경제적 효과가 매우 높은 장점이 있다.
도 1은 종래 게이트 드라이브용 광플러에서 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 일예시도,
도 2는 도 1에 도시된 회로에서 과전압 보호동작에 따른 요부 파형도,
도 3은 본 발명에 따른 게이트 드라이브용 광커플러에서 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 일예시도,
도 4는 도 3에 도시된 회로에서 과전압 보호동작에 따른 요부 파형도,
도 5는 본 발명에 따른 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로를 게이트 드라이브용 광커플러의 일례인 HCPL-316 소자에 적용한 도면.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 게이트 드라이브용 광커플러에서 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 일예시도, 도 4는 도 3에 도시된 회로에서 과전압 보호동작에 따른 요부 파형도, 그리고 도 5는 본 발명에 따른 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로를 게이트 드라이브용 광커플러의 일례인 HCPL-316에 적용한 도면을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 게이트 드라이버에서 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로를 나타내는 도면으로서, 게이트 드라이버(10)와 전력반도체 스위칭 소자(12)를 구비하고 있다.
상기 게이트 드라이버(10)에서 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)과 게이트 구동신호 출력단(VOUT) 사이에 제너다이오드(ZD), 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)로 구성된 과전압 보호회로(14)가 연결되어 있다.
상기 과전압 보호회로(14)는 제너다이오드(ZD)의 캐소드가 상기 게이트 드라이버(10)의 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)에 연결되고, 제너다이오드(ZD)의 애노드에 다이오드(D1)의 애노드가 연결되며, 상기 다이오드(D1)의 캐소드에 커패시터(C1)의 일단이 연결되는 한편 상기 커패시터(C1)의 다른 일단이 상기 게이트 드라이버(10)의 게이트 구동신호 출력단(VOUT)에 연결되어 있다.
그리고 상기 게이트 드라이버(10)의 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)에 전력반도체 스위칭 소자(12)의 컬렉터가 연결되되, 상기 게이트 드라이버(10)의 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)과 전력반도체 스위칭 소자(12)의 컬렉터 사이에는 저항(R1)과 다이오드(D2)가 직렬로 연결될 수 있고, 상기 게이트 드라이버(10)의 게이트 구동신호 출력단(VOUT)과 전력반도체 스위칭 소자(12)의 게이트 사이에는 저항(R2)이 연결될 수 있다. 상기 게이트 드라이버(10)의 VEE단은 출력전압단으로서, 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)의 이미터에 연결될 수 있다.
여기서 과전압 보호회로(14)에 구비된 다이오드(D1)는 애노드가 전력반도체 스위칭 소자(12)의 컬렉터측에 연결되고 캐소드가 전력반도체 스위칭 소자(12)의 게이트측에 연결되어, 게이트 측에서 컬렉터 측으로 전류가 흐르는 것을 방지한다.
또한, 제너다이오드(ZD)는 전력반도체 스위칭 소자(12)가 턴오프 될 때 사전에 설정된 소정 전압 이상의 과전압이 전력반도체 스위칭 소자(12)의 컬렉터에 발생되면 턴온되어, 제너다이오드(ZD)에 의해 사전에 설정된 소정 전압 이상의 과전압이 제한되어 전력반도체 스위칭 소자(12)를 보호할 수 있도록 된 것이다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 게이트 드라이버(10)의 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)에서 전력반도체 스위칭 소자(12)에 과전류가 흐르는 것으로 검지되면, 상기 게이트 드라이버(10)는 게이트 구동신호 출력단(VOUT)의 출력신호를 차단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)를 턴오프 시킨다. 상기 게이트 드라이버(10)의 게이트 구동신호 출력단(VOUT)은 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)를 구동하기 위한 PWM신호가 출력되는 단자이다.
상기 전력반도체 스위칭 소자(12)의 턴오프에 따라 전력반도체 스위칭 소자(12)의 양단에 걸리는 전압은 서서히 줄게 되나, 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)를 포함하는 전력회로의 표류인덕턴스 Lstray에 축적된 전류가 짧은 시간에 변화하여 도 4 (a)의 t1 시점에 도시된 바와 같이 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)의 양단에 과전압이 유도될 수 있다.
이에 따라 상기 게이트 드라이버(10)가 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전압이 발생되는 것으로 판단되면, 게이트 구동신호 출력단(VOUT)을 통해 게이트 구동신호를 출력하여 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)를 턴온시켜 전력반도체 스위칭 소자(12)의 양단간 전압을 제한한다(t1~t2 시점). 이후 다시 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)를 턴오프시키면 전력회로의 표류인덕턴스 Lstray에 축적된 전류가 짧은 시간에 변화하여 도 4 (a)의 t2 이후 시점에 도시된 바와 같이 상기 전력반도체 스위칭 소자의 양단에 과전압이 유도되더라도 전압이 낮아 전력반도체 스위칭 소자(12)가 소손되지 않는다.
도 4의 (d)에 도시된 FAULT는 상기 게이트 드라이버(10)에서 전력반도체 스위칭 소자(12)에 과전류가 발생하였음을 감지하여 출력하는 오류신호를 나타낸다.
따라서 전력반도체 스위칭 소자(12)가 턴오프 될 때 전력회로의 표류인덕턴스 Lstray에 축적된 전류에 의해 과전압이 유도되더라도 전력반도체 스위칭 소자(12)의 양단간 전압을 제한하여 전력반도체 스위칭 소자(12)의 소손을 방지할 수 있다.
상기 게이트 드라이버(10)는 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)에 과전류가 흐르는 것으로 판단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)가 턴오프될 때 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단(VDESAT)을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)에 8 V 이상의 전압이 인가되면 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)에 과전압이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 상기 과전압 보호회로(14)에 구비되는 제너다이오드(ZD)는 항복전압이 5 V인 것을 사용할 수 있다. 또한 상기 과전압 보호회로(14)에 구비되는 커패시터(C1)의 값을 조절하면 상기 전력반도체 스위칭 소자(12)의 턴온시간을 조절할 수 있어서 상기 과전압 보호회로(14)의 글리치 동작을 제한할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로를 게이트 드라이브용 광커플러의 일례인 HCPL-316 소자에 적용한 도면을 나타낸다.
본 발명의 게이트 드라이버(10)에 해당하는 HCPL-316 소자(20)에서 전력반도체 스위칭 소자의 전압을 검출하는 단자인 DESAT 입력단과 PWM 게이트 구동신호를 출력하는 단자인 VOUT 출력단 사이에 제너다이오드(ZD), 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)로 구성된 과전압 보호회로(14)를 연결할 수 있다.
이에 따라 전력회로의 과전류 및 단락전류로부터 회로차단시 발생되는 과전압을 차단할 수 있으며, 전력회로 구성에 따라 과전압 보호회로(14)의 제너다이오드(ZD) 항복전압 및 커패시커(C1)의 용량을 조절하여 적용할 수 있다.
10 -- 게이트 드라이버,
12 -- 전력반도체 스위칭 소자,
14 -- 과전압 보호회로,
VDESAT -- 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단,
VOUT -- 게이트 구동신호 출력단,
ZD -- 제너다이오드,

Claims (5)

  1. 게이트 드라이버에 전력반도체 스위칭 소자가 연결되어 있는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 있어서, 상기 게이트 드라이버에서 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단과 게이트 구동신호 출력단 사이에 제너다이오드와 다이오드 및 커패시터가 직렬로 연결되어 이루어진 과전압 보호회로가 연결되되,
    상기 과전압 보호회로에 구비되는 커패시터의 값을 조절하여 상기 전력반도체 스위칭 소자의 턴온시간을 조절함으로써 상기 과전압 보호회로의 글리치 동작을 제한하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 게이트 드라이버는 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것으로 판단되면 상기 전력반도체 스위칭 소자의 게이트 구동신호를 차단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자를 턴오프 시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 게이트 드라이버는 상기 전력반도체 스위칭 소자의 게이트 구동신호를 차단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자가 턴오프될 때 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전압이 발생되는 것으로 판단되면 게이트 구동신호를 출력하여 상기 전력반도체 스위칭 소자를 턴온시켜 전력반도체 스위칭 소자의 양단간 전압을 제한하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 게이트 드라이버가 상기 전력반도체 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것으로 판단하여 상기 전력반도체 스위칭 소자가 턴오프될 때 상기 전력반도체 스위칭 소자 전압 검출단을 통해 상기 전력반도체 스위칭 소자에 8 V 이상의 전압이 인가되는 것으로 판단되면 과전압이 발생한 것으로 판단하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전력반도체 스위칭 소자의 과전압 보호회로.
  5. 삭제
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