KR102637087B1 - SiC 파워 모듈 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SiC 파워 모듈 구동장치에 관한 것으로, SiC MOSFET이 스위칭하며 전력 변환을 실시하는 SiC 파워 모듈부; 상기 SiC 파워 모듈부의 고속 스위칭으로 인한 발열을 감지하는 NTC 저항으로부터 전달받은 내부 온도 신호를 근거로 검출 레벨을 계산하는 고장전류 검출레벨 계산부; 상기 고장전류 검출레벨 계산부에서 내부 온도에 근거하여 계산된 조정 신호를 전달받고 검출 전압 레벨을 직접 조정하는 고장전류 검출레벨 조정부; 상기 SiC 파워 모듈부를 구동하는 신호를 내보내고, 고장전류 발생 시 구동 신호를 차단하여 단락으로부터 소자를 보호하는 구동·보호 IC; 및 상기 구동·보호 IC로부터 들어온 동작 신호를 증폭시켜 SiC MOSFET의 게이트 신호로 활용하는 게이트 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

SiC 파워 모듈 구동장치{SiC Power Module Driver}

본 발명은 SiC 파워 모듈 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SiC MOSFET 소자 내부 접합부 온도에 따라 변화하는 고장전류 검출전압(

)을 조절하여 고장 전류로부터 소자를 보호할 수 있는 SiC 파워 모듈 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 Si IGBT와 같은 전력 반도체의 경우, 단락 강도가 강하여 수십 μs 이내 고장 전류를 검출해도 소자가 소손되지 않는다. 그러나 SiC MOSFET 같은 SiC 소재 반도체는 단락 강도가 약하여 1~2μs 이내로 고장 전류 검출 및 보호가 필요하다. 또한 SiC MOSFET은 스위치 턴-온과 턴-오프 속도가 빨라서 고속 스위칭이 가능한 반면, 스위칭 동작 간에 전류 상승 속도도 매우 빠르기에 고속으로 고장 전류를 검출해야 한다.

한편, SiC MOSFET의 드레인-소스(Drain-Source)간 전압인

는 고장 전류 검출용 전압 신호

을 만드는데 사용되며 검출용 레퍼런스 전압 신호

와 비교했을 때 그 전압값이 동일하거나 초과되었으면 단락되었다고 판단한다. 그런데

는 소자 내부 접합부 온도(

)에 따라서 고장 전류 검출에 필요한 값이 변화할 수 있는 반면, 현재의 보호 IC들은 접합부 온도를 전혀 고려하지 않고 특정 온도 기준으로 설정된 전압 신호를 사용한다. 도 1과 같이, 소자 내부 온도가 증가하면 전압에 대한 전류 특성이 변화하여 동일한 전압에 대해 더 적은 전류가 소자에 흐른다. 이로 인해 소자가 고속 스위칭으로 인해 발열하면

에 대한 전류량이 변화하여 실제 고장 전류가 흐르지 않음에도 고장 신호가 검출될 수 있다. 이는 모듈 구동 장치의 오작동을 유발할 수 있고 고장 전류 보호에 대한 신뢰성을 보장하기 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 SiC MOSFET 내부 접합부 온도를 실시간으로 모니터링 하고 단락 검출 신호인

을 능동적으로 조절하여 고장 전류로부터 소자를 보호할 수 있는 SiC 파워 모듈 구동장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SiC 파워 모듈 구동장치는 SiC MOSFET이 스위칭하며 전력 변환을 실시하는 SiC 파워 모듈부; 상기 SiC 파워 모듈부의 고속 스위칭으로 인한 발열을 감지하는 NTC 저항으로부터 전달받은 내부 온도 신호를 근거로 검출 레벨을 계산하는 고장전류 검출레벨 계산부; 상기 고장전류 검출레벨 계산부에서 내부 온도에 근거하여 계산된 조정 신호를 전달받고 검출 전압 레벨을 직접 조정하는 고장전류 검출레벨 조정부; 상기 SiC 파워 모듈부를 구동하는 신호를 내보내고, 고장전류 발생 시 구동 신호를 차단하여 단락으로부터 소자를 보호하는 구동·보호 IC; 및 상기 구동·보호 IC로부터 들어온 동작 신호를 증폭시켜 SiC MOSFET의 게이트 신호로 활용하는 게이트 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고장전류 검출레벨 계산부는 NTC 저항의 온도 신호를 검출하는 온도 검출부와, 상기 온도 신호를 읽고 고장전류 검출에 필요한 전압을 계산하는 MCU, 및 상기 MCU로부터 동작 지시를 받아 검출 레벨을 조정하는 신호를 출력하는 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고장전류 검출레벨 조정부는 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부에서 받은 조정 신호를 바탕으로 검출 전압 조정부를 구동하는 신호를 출력하는 스위치 소자 구동부, 및 스위칭 가능한 소자(전력반도체 소자)의 릴레이로 구성되며 필요한 검출 전압을 능동적으로 직접 조정하는 검출 전압 조정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구동·보호 IC는 고장전류 검출레벨 조정부를 통해 조정된 검출 전압

와 검출 레퍼런스 전압 신호인

을 비교하는 검출 전압 비교기, 및 상기 검출 전압 비교기의 출력인 고장 신호

와 연결되며, 고장 신호 여부에 따라 출력을 High 혹은 Low로 결정하는 AND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기

가

보다 낮으면 정상으로 판단하여 Low가 출력되고,

보다 같거나 높으면 스위칭 단락으로 판단하여 High가 출력되며, 상기 고장 신호

의 High 전압이 감지되면 AND 게이트는 Low 출력을 내보내서 게이트 동작 신호를 즉시 끊는 것을 특징으로 한다.

상기 게이트 구동부는 구동·보호 IC의 AND 게이트에서 나오는 전류 신호를 증폭하는 전류 증폭기, 및 상기 전류 증폭기의 출력 신호에서 발생하는 노이즈를 줄여 과도 특성을 개선하는 게이트 저항

와

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이, 본 발명에 따르면 고속 스위칭 시 SiC MOSFET 내부 접합부 온도

를 실시간 측정하고 단락 검출 신호에 필요한 전압을 계산하여

을 조절하여 내부 온도와는 무관하게 일정한 고장 전류로부터 소자를 보호할 수 있다.

도 1은 SiC MOSFET 모듈의 드레인-소스 전압에 대한 전류 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 SiC 파워 모듈 구동장치를 나타낸 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

그러면 본 발명에 따른 SiC 파워 모듈 구동장치의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 SiC 파워 모듈 구동장치를 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 SiC 파워 모듈 구동장치는 SiC 파워 모듈부(100), 고장전류 검출레벨 계산부(200) 고장전류 검출레벨 조정부(300), 구동· 보호 IC(400), 및 게이트 구동부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 SiC 파워 모듈부(100)는 SiC MOSFET이 스위칭하며 전력 변환을 실시할 수 있다. 여기서, 상기 SiC 파워 모듈부(100)는 고속 스위칭으로 인한 발열을 감지하는 NTC 저항(110)을 포함하고 있어, 내부 접합부 온도 신호를 실시간 모니터링하고 장치로 전달할 수 있다.

상기 고장전류 검출레벨 계산부(200)는 NTC 저항(110)로부터 전달받은 내부 온도 신호를 근거로 검출 레벨을 계산할 수 있다.

여기서, 상기 고장전류 검출레벨 계산부(200)는 온도 검출부(210), 마이크로컨트롤러(MCU)(220), 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부(230)를 포함할 수 있다.

상기 온도 검출부(210)는 NTC 저항(110)의 온도 신호를 검출할 수 있다.

상기 MCU(220)는 온도 신호를 읽고 고장전류 검출에 필요한 전압을 계산할 수 있다. 이때, 검출 전압을 계산하면 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부(230)가 필요한 신호를 보낼 수 있도록 동작을 지시할 수 있다.

상기 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부(230)는 MCU(220)로부터 동작 지시를 받아 검출 레벨을 조정하는 신호를 출력할 수 있다. 이때, 출력한 신호는 스위칭 소자 구동부(310)로 입력될 수 있다.

상기 고장전류 검출레벨 조정부(300)는 내부 온도에 근거하여 계산된 조정 신호를 전달받고 검출 전압 레벨을 직접 조정할 수 있으며, 스위치 소자 구동부(310)와 검출 전압 조정부(320)를 포함할 수 있다.

상기 스위치 소자 구동부(310)는 검출 전압 조정부(320)를 구동하는 신호를 출력할 수 있다. 이때, 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부(230)에서 받은 조정 신호를 바탕으로 검출 전압 조정부(320)를 제어할 수 있다.

상기 검출 전압 조정부(320)는 스위칭 가능한 소자(전력반도체 소자)의 릴레이로 구성되어 있으며 필요한 검출 전압을 능동적으로 직접 조정할 수 있다. 이때, 조정된 검출 전압을 만들기 위한 전압 강하는

로 표현할 수 있다.

상기 구동·보호 IC(400)는 SiC 파워 모듈부(100)를 구동하는 신호를 내보내고, 고장전류 발생 시 구동 신호를 차단하여 단락으로부터 소자를 보호할 수 있다.

여기서, 상기 구동·보호 IC(400)는 검출 전압 비교기(410)와 AND 게이트(420)를 포함할 수 있다,

상기 검출 전압 비교기(410)는 고장전류 검출레벨 조정부(300)를 통해 조정된 검출 전압

와 검출 레퍼런스 전압 신호인

을 비교할 수 있다. 이때,

가

보다 낮으면 정상으로 판단하여 Low가 출력되고,

보다 같거나 높으면 스위칭 단락으로 판단하여 High가 출력된다. 여기서, 검출 전압 비교기(410)의 출력은 고장 신호

이며 AND 게이트(420)에 입력될 수 있다.

상기 AND 게이트(420)는 검출 전압 비교기(410)의 출력인 고장 신호

와 연결되어 있으며, 고장 신호 여부에 따라 출력을 High 혹은 Low로 결정할 수 있다. 고장 신호

의 High 전압이 감지되면 AND 게이트(420)는 Low 출력을 내보내서 게이트 동작 신호를 즉시 끊는다.

상기 게이트 구동부(500)는 구동·보호 IC(400)에서 들어온 동작 신호를 증폭시켜 SiC MOSFET의 게이트 신호로 활용하며, 전류 증폭기(510)와 게이트 저항

와

(520)을 포함할 수 있다.

상기 전류 증폭기(510)는 AND 게이트(420)에서 나오는 전류 신호를 증폭하여 게이트 신호로 활용할 수 있게 한다. 이때, 스위치 단락이 발생하면 작동하지 않는다.

상기 게이트 저항

와

(520)은 게이트 On/Off 시, SiC 파워 모듈의 스위칭 특성을 조정할 수 있다. 저항이 클수록 과도가 개선되나 손실 및 발열이 증가하며, 저항이 작으면 손실은 적으나 노이즈가 잘 제거되지 않아 과도가 나빠질 수 있다.

본 발명의 SiC 파워 모듈 구동 장치의 고장전류 검출 전압을 조정하는 과정은 먼저, SiC 파워 모듈부(100)의 내부 온도를 측정하고, 고장전류 검출레벨 계산부(200)에서 측정된 온도를 바탕으로 필요한 검출 전압을 계산한다.

이어서, 고장전류 검출레벨 조정부(300)에서 검출 전압

의 레벨이 조정되도록 만들고, 구동· 보호 IC(400)에서 단락이 발생했는지 여부를 판단하여 동작 신호를 보내거나 게이트 신호를 끊는다. 이때, 게이트 구동부(500)는 동작 신호를 게이트 신호로 증폭하여 SiC 파워 모듈부(100)로 전달하고 단락 시에는 작동하지 않는다.

여기서, 고장전류 검출전압

와 검출 레퍼런스 전압

은 수학식 1로 표현된다.

[수학식 1]

여기서, Rs는 직렬저항, Is는 내부 전류원,

는 검출용 전압이다.

이때

의 값은 매우 작아서 무시되며, 수학식 1은 다음과 같이 수학식 2로 정리된다.

[수학식 2]

검출 레퍼런스 전압

는 고정이므로 을 조정하면 원하는 검출 전압

을 만들 수 있다. 여기서,

는 검출 전압 조정부의 전압 강하이며 접합부 온도

에 따라 값이 변함을 의미한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: SiC 파워 모듈부 110: NTC 저항
200: 고장전류 검출레벨 계산부 210: 온도 검출부
220: MCU 230: 고장전류검출레벨 조정신호 발생부
300: 고장전류 검출레벨 조정부 310: 스위치 소자 구동부
320: 검출 전압 조정부 400: 구동· 보호 IC
410: 검출 전압 비교기 420: AND 게이트
500: 게이트 구동부 510: 전류 증폭기
520: 게이트 저항

Claims (6)

1. SiC MOSFET이 스위칭하며 전력 변환을 실시하는 SiC 파워 모듈부;
   상기 SiC 파워 모듈부의 고속 스위칭으로 인한 발열을 감지하는 NTC 저항으로부터 전달받은 내부 온도 신호를 근거로 검출 레벨을 계산하는 고장전류 검출레벨 계산부;
   상기 고장전류 검출레벨 계산부에서 내부 온도에 근거하여 계산된 조정 신호를 전달받고 검출 전압 레벨을 직접 조정하는 고장전류 검출레벨 조정부;
   상기 SiC 파워 모듈부를 구동하는 신호를 내보내고, 고장전류 발생 시 구동 신호를 차단하여 단락으로부터 소자를 보호하는 구동·보호 IC; 및
   상기 구동· 보호 IC로부터 들어온 동작 신호를 증폭시켜 SiC MOSFET의 게이트 신호로 활용하는 게이트 구동부;를 포함하되,
   상기 고장전류 검출레벨 계산부는,
   NTC 저항의 온도 신호를 검출하는 온도 검출부와,
   상기 온도 신호를 읽고 고장전류 검출에 필요한 전압을 계산하는 MCU, 및
   상기 MCU로부터 동작 지시를 받아 검출 레벨을 조정하는 신호를 출력하는 고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부를 포함하며,
   상기 고장전류 검출레벨 조정부는,
   고장전류 검출레벨 조정 신호 발생부에서 받은 조정 신호를 바탕으로 검출 전압 조정부를 구동하는 신호를 출력하는 스위치 소자 구동부, 및
   전력반도체 소자(SiC MOSFET)의 릴레이로 구성되며, SiC MOSFET로부터 측정한 전압을 조정하는 검출 전압 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 파워 모듈 구동장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동·보호 IC는,
   고장전류 검출레벨 조정부를 통해 조정된 검출 전압

   

   와 검출 레퍼런스 전압 신호인

   

   을 비교하는 검출 전압 비교기, 및
   상기 검출 전압 비교기의 출력인 고장 신호

   

   와 연결되며, 고장 신호 여부에 따라 출력을 High 혹은 Low로 결정하는 AND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 파워 모듈 구동장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 검출 전압 비교기는

   

   가

   

   보다 낮으면 정상으로 판단하여 Low가 출력되고,

   

   보다 같거나 높으면 스위칭 단락으로 판단하여 High가 출력되며,
   상기 고장 신호

   

   의 High 전압이 감지되면 AND 게이트는 Low 출력을 내보내서 게이트 동작 신호를 즉시 끊는 것을 특징으로 하는 SiC 파워 모듈 구동장치.
6. 삭제