KR102393664B1 - 인버터 스위치 게이트 구동 장치 및 인버터 - Google Patents

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장성록
김형석
유찬훈
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한국전기연구원
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Abstract

인버터 스위치 게이트 구동 장치는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 인버터 스위치를 포함하는 스위칭부, 및 복수의 인버터 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 인버터에서 인버터 스위치의 게이트를 구동하기 위한 장치로서, 정류부, 제 1 충전부, 제 2 충전부, 소신호 스위치부, 및 전류 부스터부를 포함한다. 정류부는 게이트 신호의 전류를 정류하고, 제 1 충전부는 정류된 전류를 이용하여 충전하고, 제 2 충전부는 게이트 신호의 전류를 이용하여 충전하고, 소신호 스위치부는 제 2 충전부에 충전된 전압이 미리 설정된 기준 이상인 경우 도통되며, 전류 부스터부는 소신호 스위치부가 도통되는 경우 소신호 스위치를 통해 입력 신호를 신호 입력단으로 입력받고 출력단에서 인버터 스위치의 게이트로 출력 신호를 출력한다.

Description

인버터 스위치 게이트 구동 장치 및 인버터 {INVERTER SWITCH GATE DRIVER AND INVERTER}
본 발명은 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터 및 인버터의 스위치의 게이트를 구동하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 게이트 구동회로의 기본 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 게이트 구동회로에서의 주요 파형을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 기본적인 형태의 게이트 구동회로는 간단한 구조로 인버터 구동이 가능하다는 장점이 있다.
하지만, 인버터에 큰 전류가 흐르는 경우, 인버터 스위치가 꺼져 있어야 하는 상황에서 밀러커패시터를 통해 들어오는 전류에 의해 턴-온이 되어, 암단락에 의해 인버터가 파손될 우려가 있다. 또한, 인버터 스위치를 구동하기 위한 신호의 데드 타임을 조절하는 것이 불가능하기 때문에 효율적인 스위칭이 불가능하며, 이로 인해 전력 손실이 증대되는 문제가 있다.
도 3은 종래 다른 게이트 구동회로의 기본 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 게이트 구동회로에서의 주요 파형을 도시한 도면이다. 도 3의 게이트 구동회로에서는 도 1의 게이트 구동회로와는 달리 인버터의 암단락을 방지할 수 있고, 데드 타임 조절이 가능하다.
하지만, 게이트 전압을 공급하는 전압원으로부터 스위치까지의 기생 성분으로 인해 게이트 전압의 링잉이 발생하여, 높은 게이트 전압을 인가하기 어렵고 스위치의 채널저항이 증가함에 따라 전력 손실 증대되는 문제가 있다.
또한, 게이트 구동회로 내부의 소신호 스위치들을 통해 인버터 스위치에 게이트 전압이 공급되기 때문에, 사용되는 소신호 스위치들에서의 전력 손실이 크고, 고주파 구동이 어려운 문제가 있다.
KR 101000561 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 게이트 전압에서의 링잉 발생을 방지하여 높은 게이트 전압의 인가가 가능하고, 스위치의 채널저항 감소에 따라 전력 손실을 감소시킬 수 있는 인버터 게이트 구동 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 게이트 구동회로 내부의 소신호 스위치들을 통한 게이트 전압 공급을 방지하여, 소신호 스위치들에서의 전력 손실을 저감하고, 고주파 구동을 가능하도록 하는 인버터 게이트 구동 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 인버터 스위치 게이트 구동 장치는, 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 인버터 스위치를 포함하는 스위칭부, 및 복수의 인버터 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 인버터에서 인버터 스위치의 게이트를 구동하기 위한 장치로서, 정류부, 제 1 충전부, 제 2 충전부, 소신호 스위치부, 및 전류 부스터부를 포함한다.
정류부는 게이트 신호의 전류를 정류하고, 제 1 충전부는 정류된 전류를 이용하여 충전되고, 제 2 충전부는 게이트 신호의 전류를 이용하여 충전되고, 소신호 스위치부는 제 2 충전부에 충전된 전압이 미리 설정된 기준 이상인 경우 도통되며, 전류 부스터부는 소신호 스위치부가 도통되는 경우 소신호 스위치를 통해 입력 신호를 입력단으로 입력받고 출력단에서 인버터 스위치의 게이트로 출력 신호를 출력한다.
이와 같은 구성에 의하면, 구동 회로 내부에 절연 전원을 확보함으로써 게이트 전압의 링잉이 발생을 방지하여 높은 게이트 전압을 인가할 수 있고, 스위치의 채널저항의 감소에 따라 전력 손실 감소시킬 수 있게 된다.
이때, 전류 부스터부의 전원 입력단으로 제 1 충전부의 전압이 직접 인가된다. 이와 같은 구성에 의하면, 게이트 구동회로 내부의 소신호 스위치들을 통한 게이트 전압 공급을 방지하여, 소신호 스위치들의 전력 손실이 저감하고 고주파 구동이 가능하게 된다.
이를 위해, 정류부는 제 1 내지 제 4 다이오드를 포함하고, 직렬 연결된 제 1 다이오드와 제 2 다이오드 및 직렬 연결된 제 3 다이오드와 제 4 다이오드는 다시 병렬로 연결되고, 제 1 충전부의 제 1 커패시터는 제 1 다이오드와 제 3 다이오드의 음극이 연결된 제 1 노드, 및 제 2 다이오드와 제 4 다이오드의 양극이 연결된 제 2 노드에 각각 연결될 수 있다.
또한, 제 2 충전부의 제 2 커패시터는 제 1 노드와 소신호 스위치부의 트랜지스터 게이트에 각각 연결될 수 있으며, 전류 부스터부의 전원 입력단은 제 1 노드에 연결될 수 있다.
또한, 전류 부스터부의 신호 입력단은 소신호 스위치부를 통해 전달된 제 1 노드의 전압이 분배된 전압일 수 있다.
또한, 소신호 스위치부의 트랜지스터 게이트와 제 2 커패시터가 연결된 제 3 노드, 및 제 3 다이오드의 양극과 제 4 다이오드의 음극이 연결된 제 4 노드 사이에 연결된 제 2 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 소신호 신호부의 트랜지스터는 P 채널 MOS FET이고, 소스가 제 2 노드에 드레인이 제 3 저항에 각각 연결되며, 전류 부스터부의 신호 입력단은 제 3 저항과 제 4저항 사이에 연결될 수 있다.
또한, 제 2 노드와 인버터 스위치의 드레인 사이에 연결된 제 1 저항을 더 포함하고, 제 1 저항은 제 2 저항보다 저항값이 작을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 인버터는, 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 인버터 스위치를 포함하는 스위칭부, 및 복수의 인버터 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 인버터로서, 인버터 스위치의 게이트를 구동하기 위한 장치는, 게이트 신호의 전류를 정류하는 정류부, 정류된 전류를 이용하여 충전하는 제 1 충전부, 게이트 신호의 전류를 이용하여 충전하는 제 2 충전부, 제 2 충전부에 충전된 전압이 미리 설정된 기준 이상인 경우 도통되는 소신호 스위치, 및 소신호 스위치가 도통되는 경우 소신호 스위치를 통해 입력 신호를 신호 입력단으로 입력받고 출력단에서 인버터 스위치의 게이트로 출력 신호를 출력하는 전류 부스터부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 인버터 게이트의 오동작에 의한 암단락을 방지할 수 있게 된다.
또한, 인버터 스위치 양단 전압을 센싱하여 영전압 스위칭을 위한 데드타임을 자동으로 제어할 수 있게 된다.
또한, 기생 성분의 영향을 저감하여 높은 레벨의 게이트 전압을 확보함으로써 인버터의 효율 향상이 가능해 진다.
또한, 구동회로에서 사용되는 소신호 스위치의 전력 손실을 저감하여 고주파 구동이 가능해 진다.
또한, 래칭 기능을 포함하여 구동회로에 포함되는 변압기의 사이즈를 저감할 수 있게 된다.
도 1은 종래 게이트 구동회로의 기본 구조를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 게이트 구동회로에서의 주요 파형을 도시한 도면.
도 3은 종래 다른 게이트 구동회로의 기본 구조를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 게이트 구동회로에서의 주요 파형을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동 장치를 실제 구현한 구동 회로의 회로도.
도 6은 도 5의 구동 회로가 적용된 브리지 공진형 컨버터의 회로도.
도 7은 도 5의 구동 회로에서의 주요 동작 파형을 도시한 도면.
도 8은 도 5의 전류 부스터 출력단의 토템폴 스위치의 회로 구조를 도시한 도면.
도 9는 도 8의 회로에서의 파형을 도시한 도면.
도 10은 도 5의 구동 회로에 R2와 R1을 통한 충전 경로를 각각 도시한 도면.
도 11은 도 10의 회로에서의 파형을 도시한 도면.
도 12는 도 3의 종래 회로에서의 게이트 전략 전달 경로를 도시한 도면.
도 13은 도 5의 구동 회로에서 게이트 전력 전달 경로를 도시한 도면.
도 14는 도 12와 도 13에 각각 도시된 회로에서의 게이트 전압 파형을 비교한 도면.
도 15는 도 13의 회로에서의 래칭 기능을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동 장치를 실제 구현한 구동 회로의 회로도이고, 도 6은 도 5의 구동 회로가 적용된 브리지 공진형 컨버터의 회로도이다.
도 5에서는 내부에 절연 전원을 확보하여, 게이트 전압을 공급하는 전원으로부터 스위치까지의 기생 성분을 저감하고, 사용되는 소신호 스위치들의 구동 전력을 저감하여 높은 신뢰성의 고주파 구동이 가능하며, 래칭 기능이 포함되어 구동회로에 사용되는 변압기의 사이즈를 대폭 줄일 수 있는 새로운 구조의 고주파 인버터 구동 회로를 제시한다.
도 5의 구동 회로는 인버터에 포함되는 하나 이상의 스위치를 구동하기 위한 회로로서, 구동 회로는 제어기 및 변압기로부터 신호를 입력받아 절연 전원을 확보하는 회로 및 게이트 전압 발생하는 회로를 포함한다.
절연 전원 확보 회로는 복수개의 다이오드(D1~D4) 및 충전 커패시터(C1)를 포함하며, 게이트 전압 발생 회로는 스위치 Q1의 영전압을 검출하기 위한 저항 R1과 다이오드 D6의 직렬 구조, 소신호 스위치 M1을 구동하기 위한 C2, R2, D5, 인버터 스위치 Q1의 게이트에 전압을 충전하기 위한 전류 부스터를 포함한다.
도 7은 도 5의 구동 회로에서의 주요 동작 파형을 도시한 도면이다. 먼저, 제어기(200)로부터 Vin 신호가 변압기를 통해 구동 회로로 인가되면, 정류 다이오드 D1-D4를 통해 C1에 전압이 충전된다.
이어서, Vin이 음의 전압이 나올 때, 다이오드 D1, D4가 도통되어 C2 커패시터가 R2를 통해 충전되고, C2의 전압이 M1 게이트의 문턱을 넘어가면 M1 도통되고, M1이 도통 되면 C1에 충전되어있던 전압이 R3, R4에 의해 분압되어 전류 부스터의 입력으로 인가되며, 전류부스터가 C1으로부터 큰 전류를 출력으로 공급하여 Q1의 게이트를 충전한다.
도 5의 회로 구성에 의하면, 밀러 커패시터를 통해 유입되는 전류에 의한 인버터 게이트의 오동작을 방지할 수 있게 된다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 종래 게이트 구동회로의 경우, 인버터의 파워라인에 흐르던 전류가 인버터 스위치의 드레인과 게이트에 존재하는 기생 커패시터에 의해서 게이트로 유입되는 현상이 발생하게 되고, 유입된 전류에 의해서 스위치 게이트-소스 양단의 커패시터를 충전시켜 원하지 않는 구간에서 스위치를 턴-온 하게 된다. 이는 인버터의 암단락을 초래하여 큰 전류를 야기하고 인버터를 소손시키게 된다.
하지만, 도 5의 구동 회로의 경우, 인버터의 전류가 게이트로 유입되더라도, 전류 부스터 내부의 출력단에 연결된 토템폴 스위치 구조의 아래단 스위치가 항상 켜져 있기 때문에, 전류의 우회 경로를 만들어 게이트가 오동작하는 것을 방지할 수 있다. 도 8은 도 5의 전류 부스터 출력단의 토템폴 스위치의 회로 구조를 도시한 도면이고, 도 9는 도 8의 회로에서의 파형을 도시한 도면이다.
또한, 도 5의 구동 회로의 경우, 인버터에 사용되는 스위치 양단의 전압을 검지하여, 인버터 스위치 Q1의 양단 전압이 0으로 떨어지는 순간 M1의 게이트에 연결된 C2를 충전하는 경로를 바꾸게 된다.
기본 충전 경로 R2의 경우, R1보다 훨씬 큰값으로 설계되어 인버터 스위치 Q1 양단 전압이 충전되어 있을 경우, R2를 통해 C2를 충전하며 큰 R2에 의해 느리게 충전된다.
하지만, 인버터 스위치 Q1 양단의 전압이 0으로 떨어지고 나면, 다이오드 D6가 도통하여 C2를 충전하는 경로가 경로 2로 변경되며, 작은값의 R1을 통해 충전을 하기 때문에, 빠르게 충전되어 즉시 Q1의 게이트 전압을 인가하게 된다. 도 10은 도 5의 구동 회로에 R2와 R1을 통한 충전 경로를 각각 도시한 도면이고, 도 11은 도 10의 회로에서의 파형을 도시한 도면이다.
도 12는 도 3의 종래 회로에서의 게이트 전력 전달 경로를 도시한 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 종래 회로에서는 인버터 스위치 Q1의 게이트에 전력을 공급하는 경로에 많은 기생 성분이 존재하여 최종 게이트 구동 전압에서 링잉이 발생하며, Q1 스위치의 최대 게이트 전압까지 사용 불가능하기 때문에, 채널저항의 증가로 전력 손실 증대된다.
또한, 구동회로에 사용되는 소신호 스위치 M1을 통해 Q1의 게이트에 전력을 전달하기 때문에, 구동 주파수가 높아지면 소신호 스위치 M1의 전력 손실로 인하여 고주파 구동에 어려움이 있다.
하지만, 도 5의 회로의 경우, 2차측에 절연 전원을 확보하여 기생 성분에 의한 게이트 전압에서의 링잉현상을 해소하고 높은 게이트 전압으로 인버터 스위치 Q1을 구동할 수 있으며, 게이트에 전력을 공급하는 경로에 소신호 스위치가 존재하지 않기 때문에 고주파 구동이 가능하다. 도 13은 도 5의 구동 회로에서 게이트 전력 전달 경로를 도시한 도면이고, 도 14는 도 12와 도 13에 각각 도시된 회로에서의 게이트 전압 파형을 비교한 도면이다.
또한, 본 발명에서는 래칭 기능을 통해 게이트 변압기의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 도 5의 구동 회로에서의 경우, 종래 회로와는 다르게 게이트의 전력 공급은 컨트롤러에 있는 전력을 통하여 공급하지 않고, 게이트 구동회로에 존재하는 별도의 절연 전원(충전된 C1 커패시터의 전압)을 통해 인버터 스위치 Q1의 게이트를 공급하게 된다.
따라서, 컨트롤러로부터 입력되는 양의 신호가 초기에 한번 공급되기만 하면, Vin의 전압이 0으로 떨어지더라도 계속해서 Q1에 게이트 전압을 공급할 수 있게 되어(Vin에 음의 전압이 인가되기 이전까지 유지됨), 입력된 신호를 기억하는 래칭회로로써 동작하게 된다.
이와 같은 이유로, 컨트롤러에서 제공하는 입력신호 Vin의 펄스폭의 작게 만들더라도 충분히 인버터 스위치를 공급할 수 있게 된다. 컨트롤러에서 제공되는 Vin의 펄스폭이 줄어들게 되면 구동회로에 사용되는 TX1 변압기의 자화인덕터에 빌드업되는 전류를 작게할 수 있으므로, 포화를 방지하기 위한 변압기 코어의 면적을 줄일 수 있어, 변압기의 사이즈를 종래회로에 비해 크게 줄일 수가 있게 된다. 도 15는 도 13의 회로에서의 래칭 기능을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.

Claims (10)

  1. 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 인버터 스위치를 포함하는 스위칭부; 및
    상기 복수의 인버터 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 인버터에서 상기 인버터 스위치의 게이트를 구동하기 위한 장치로서,
    상기 게이트 신호의 전류를 정류하는 정류부;
    상기 정류된 전류를 이용하여 충전하는 제 1 충전부;
    상기 게이트 신호의 전류를 이용하여 충전하는 제 2 충전부;
    상기 제 2 충전부에 충전된 전압이 미리 설정된 기준 이상인 경우 도통되는 소신호 스위치부; 및
    상기 소신호 스위치부가 도통되는 경우 상기 소신호 스위치를 통해 입력 신호를 신호 입력단으로 입력받고 출력단에서 상기 인버터 스위치의 게이트로 출력 신호를 출력하는 전류 부스터부를 포함하며,
    상기 전류 부스터부의 전원 입력단으로 상기 제 1 충전부의 전압이 직접 인가되는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정류부는 제 1 내지 제 4 다이오드를 포함하고,
    직렬 연결된 제 1 다이오드와 제 2 다이오드 및 직렬 연결된 제 3 다이오드와 제 4 다이오드는 다시 병렬로 연결되고,
    상기 제 1 충전부의 제 1 커패시터는 상기 제 1 다이오드와 상기 제 3 다이오드의 음극이 연결된 제 1 노드, 및 상기 제 2 다이오드와 상기 제 4 다이오드의 양극이 연결된 제 2 노드에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 충전부의 제 2 커패시터는 상기 제 1 노드와 상기 소신호 스위치부의 트랜지스터 게이트에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류 부스터부의 전원 입력단은 상기 제 1 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 신호 입력단은 상기 소신호 스위치부를 통해 전달된 상기 제 1 노드의 전압이 분배된 전압을 입력받는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 소신호 스위치부의 트랜지스터 게이트와 상기 제 2 커패시터가 연결된 제 3 노드, 및 상기 제 3 다이오드의 양극과 상기 제 4 다이오드의 음극이 연결된 제 4 노드 사이에 연결된 제 2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 소신호 스위치부의 트랜지스터는 P 채널 MOS FET이고, 소스가 상기 제 2 노드에 드레인이 제 3 저항에 각각 연결되며,
    상기 전류 부스터부의 신호 입력단은 상기 제 3 저항과 제 4저항 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 2 노드와 상기 인버터 스위치의 드레인 사이에 연결된 제 1 저항을 더 포함하고,
    상기 제 1 저항은 상기 제 2 저항보다 저항값이 작은 것을 특징으로 하는 인버터 스위치 게이트 구동 장치.
  10. 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 인버터 스위치를 포함하는 스위칭부; 및
    상기 복수의 인버터 스위치를 턴온시키기 위한 게이트 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 인버터로서,
    상기 인버터 스위치의 게이트를 구동하기 위한 장치는,
    상기 게이트 신호의 전류를 정류하는 정류부;
    상기 정류된 전류를 이용하여 충전하는 제 1 충전부;
    상기 게이트 신호의 전류를 이용하여 충전하는 제 2 충전부;
    상기 제 2 충전부에 충전된 전압이 미리 설정된 기준 이상인 경우 도통되는 소신호 스위치; 및
    상기 소신호 스위치가 도통되는 경우 상기 소신호 스위치를 통해 입력 신호를 신호 입력단으로 입력받고 출력단에서 상기 인버터 스위치의 게이트로 출력 신호를 출력하는 전류 부스터부를 포함하며,
    상기 전류 부스터부의 전원 입력단으로 상기 제 1 충전부의 전압이 직접 인가되는 것을 특징으로 하는 인버터.
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