KR102638883B1 - 전력반도체 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Desat 회로가 아닌 다른 방식으로 과전류가 흘렀을 때의 전력반도체를 보호할 수 있는 전력반도체 보호 장치에 관한 것으로, 전력반도체가 턴 온 되면, 상기 전력반도체의 켈빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00067
를 측정하는 전압 측정부, 상기 전압 측정부에서 측정된
Figure 112021137059990-pat00068
를 적분하여 상기 전력반도체에 흐르는 전류를 추정한
Figure 112021137059990-pat00069
를 출력하는 적분부 및 상기 적분부에서 추정된 전류인
Figure 112021137059990-pat00070
가 기준치보다 높으면, 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력반도체 보호 장치{Power semiconductor protection device}
본 발명은 전력반도체 보호 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력반도체 내부에 흐르는 전류를 추정하여 이를 기준으로 전력반도체를 보호하는 장치에 관한 것이다.
기존에 사용되는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, 이하 IGBT)는 과전류 보호를 위해서 desat 검출회로 등을 통해 desat 전압이 특정 값 이상이 될 경우 게이트 신호를 차단하는 방식을 사용하고 있다.
상기한 바와 같은 동작을 위해서는 IGBT의 채널이 완전히 열리고 포화된 이후 7us 이내에 차단하는 과정을 거치는데, 게이트 전압이 정상적인 경우보다 낮게 인가되는 이상상황에서 암쇼트가 발생하는 상황이 겹치면, 과전류로 포화되기 전에 빠른 속도로 전류가 증가하는 경우가 발생하며, 이 때 게이트 신호를 차단하지 못하는 문제점이 있었다. 즉, 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 FET)와 같이 Vds 포화가 잘 되지 않는 특성의 소자의 경우 일부 상황에서 desat 검출회로를 이용한 과전류 보호에 어려움이 있었다.
보다 구체적으로 설명하면, 게이트 전압이 15V가 정상이라고 가정하고, 게이트 전압에 이상이 생겨 10V만 인가되는 상황에서 암쇼트가 발생한 상황을 가정한다. 이때 게이트전압은 문턱전압보다는 높지만, IGBT의 열적 특성이 저하되어 같은 전류에서 견디는 시간이 정상상태보다 줄어들어, 게이트 신호를 더 빨리 차단해야 하나, 기존의 desat 검출회로로는 이를 구현하기 어려운 문제가 있었으며, 특히 FET와 같은 소자의 경우 Vds포화가 잘 되지 않는 특성이 있어, 종래 사용하는 Desat 검출회로를 통한 과전류 보호의 어려움이 있었다.
한국 공개특허공보 제10-2021-0118279호("1,200V급 트렌치 실리콘 IGBT", 공개일 2021.09.30.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 전력반도체 보호 장치의 목적은 Desat 회로가 아닌 다른 방식으로 과전류가 흘렀을 때의 전력반도체를 보호할 수 있는 전력반도체 보호 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 전력반도체 보호 장치는, 전력반도체가 턴 온 되면, 상기 전력반도체의 켈빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00001
를 측정하는 전압 측정부, 상기 전압 측정부에서 측정된
Figure 112021137059990-pat00002
를 적분하여 상기 전력반도체에 흐르는 전류를 추정한
Figure 112021137059990-pat00003
를 출력하는 적분부 및 상기 적분부에서 추정된 전류인
Figure 112021137059990-pat00004
가 기준치보다 높으면, 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적분부는, 상기 전력반도체에 흐르는 전류를 추정해 상기
Figure 112021137059990-pat00005
를 출력하는 적분기 및 상기 제어부에 의해 상기 전력반도체가 턴 오프 되면 상기 적분기의 에러값을 리셋 시키는 적분기 리셋부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력반도체의 콜렉터(C)에 연결되어 상기 전력반도체의 상기 콜렉터(C)와 상기 켈빈 이미터(E) 사이의 전압을 검출하는 Desat 검출부를 더 포함하고, 상기 제어부는 Desat 검출부에서 검출되는 전압이 기준치 이상이거나, 상기 적분부에서 추정된 전류인
Figure 112021137059990-pat00006
가 기준치 이상일 경우 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기
Figure 112021137059990-pat00007
는 아래 수식으로 표현되며,
Figure 112021137059990-pat00008
(여기서
Figure 112021137059990-pat00009
는 상기 켈빈 에미터의 기생 인덕턴스,
Figure 112021137059990-pat00010
는 상기 전력반도체 콜렉터에서 상기 켈빈 이미터로 흐르는 전류)
상기 제어부는, 상기
Figure 112021137059990-pat00011
가 기준치 이상이면 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전압 측정부는 상기 전력반도체가 턴 오프되고 턴 온된 후, 소정 시간 동안은 켈빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압을 측정하지 않고, 상기 소정 시간이 경과된 후 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
또한, 상기 적분기 리셋부는, 상기 전력반도체가 턴 오프되고 턴 온된 후, 소정 시간동안 리셋상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력반도체는 IGBT, FET, GaN 또는 SiC인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부와 상기 전력반도체 사이에 직렬로 연결되는 게이트 드라이버, 버퍼 및 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 전력반도체 보호 장치에 의하면, 전력반도체의 켈빈 이미터와 반도체 이미터 사이의 전압을 이용해 전력반도체의 콜렉터에서 켈빈 이미터로 흐르는 전류를 추정할 수 있어, 과전류 상황이 발생했을 때 빠른 시간안에 전력반도체를 오프할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부는 추정부에서 추정된 전류를 기준치와 비교하여 추정된 전류가 기준치를 초과하면 과전류로 판단하는데, 이때 이 기준치를 다양하게 변경하여, 상황에 따라 전력반도체를 더 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제어부는 전압 측정부에서 측정된 캘빈 이미터와 반도체 이미터 사이의 전압을 통해
Figure 112021137059990-pat00012
를 추정해, 추정부에서 추정된 전류가 기준치 이하더라도
Figure 112021137059990-pat00013
가 비정상적으로 클 경우 전력반도체를 오프시켜, 보다 안전하게 전력반도체를 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 전압 측정부, 추정부를 이용하여 전력반도체 내부에 흐르는 전류를 추정하는 방법과, 종래의 Desat 검출부를 함께 사용하여 전력반도체를 보호하므로, 서로 다른 방법이 상호보완적으로 동작하여 보다 안전하게 전력반도체를 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치의 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치의 적분부의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치의 전력반도체의 게이트에 신호가 인가되었을 때, 전력반도체에 흐르는 전류인
Figure 112021137059990-pat00014
, 켈빈 에미터(E)와 반도체 에미터(e) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00015
, 적분부에서
Figure 112021137059990-pat00016
를 이용해 추정한 전류인
Figure 112021137059990-pat00017
의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치에서
Figure 112021137059990-pat00018
와
Figure 112021137059990-pat00019
를 기준치와 비교하여 전력반도체를 보호하는 순서도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 실시예에 의한 전력반도체 보호 장치에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치의 개략적인 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치는, 전압 측정부(100), 적분부(200) 및 제어부(300)를 포함할 수 있으며, 도 1에는 본 발명에 포함되는 상기한 구성들 외에도 전력반도체(10)가 도시되어 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치의 대상이 되는 전력반도체(10)는 전력을 제어하는 반도체로, 전기를 변환하는 부분에서 스위치 역할을 한다. 도 1에 도시된 전력반도체(10)는 IGBT이나, 본 발명은 전력반도체(10)의 종류를 IGBT로 한정하지 않고, 전력반도체(10)는 FET, GaN 또는 SiC 같은 반도체 소자일 수 있다.
도 1을 참조하면, 전력반도체(10)는 게이트 신호가 인가되는 게이트(G), 콜렉터(C), 켈빈 에미터(E) 및 반도체 에미터(e)를 포함한다. 전력반도체(10)에 포함되는 게이트(G), 콜렉터(C), 켈빈 에미터(E) 및 반도체 에미터(e) 각각에는 기생 인덕턴스가 포함될 수 있는데, 본 발명에서는 켈빈 에미터(E)의 기생 인덕턴스인
Figure 112021137059990-pat00020
만을 도시한다.
전압 측정부(100)는 전력반도체(10)가 턴 온 되면, 전력반도체(10)의 캘빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00021
를 측정한다. 전압 측정부(100)에서 측정된 캘빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00022
은 아래와 같은 수식으로 표현될 수 있다.
Figure 112021137059990-pat00023
상기한 수식에서
Figure 112021137059990-pat00024
는 전력반도체(10)가 턴 온 되었을 때, 콜렉터(C)에서 켈빈 에미터(E)측으로 흐르는 전류를 의미하며,
Figure 112021137059990-pat00025
는 반도체 이미터(e)의 기생 인덕턴스를 의미하며,
Figure 112021137059990-pat00026
는 게이트(G)에서 반도체 이미터(e)로 흐르는 전류를 의미한다. 단, 상기한 수식에서
Figure 112021137059990-pat00027
는 매우 작으므로,
Figure 112021137059990-pat00028
는 아래 수식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021137059990-pat00029
상기한 수식을 이용하면, 캘빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압을 측정함으로써 전력반도체(10)에 흐르는 전류를 추정할 수 있다.
적분부(200)는 전압 측정부(100)로부터 전압 측정부(100)에서 측정된
Figure 112021137059990-pat00030
를 입력받고,
Figure 112021137059990-pat00031
를 적분하여 전력반도체(10)에 흐르는 전류의 추정값인를
Figure 112021137059990-pat00032
를 출력한다.
도 2는 적분부(200)를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 적분부(200)는 적분기(210) 및 적분기 리셋부(220)를 포함할 수 있다.
적분부(210)는
Figure 112021137059990-pat00033
를 적분하여 전력반도체(100)에 흐르는 전류의 추정값인
Figure 112021137059990-pat00034
를 출력한다. 적분부(210)는 연산 증폭기(OP Amp)를 이용하여 구성될 수 있다. 연산 증폭기의 피드백 회로의 커패시터가 충전되는 전압을 통해 적분부(210)의 출력 전압을 표현할 수 있다. 또한 연산 증폭기의 출력단에 병렬로 연결된 두 개의 저항을 통해 연산 증폭기의 증폭비를 제한할 수 있다. 즉, 적분부(210)는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 아날로그 적분기를 구성할 수 있다.
적분부(200)의 입력전압인
Figure 112021137059990-pat00035
는 매우 작은 값으로 측정된다. 따라서 적분되어 출력된
Figure 112021137059990-pat00036
에는
Figure 112021137059990-pat00037
에 포함되어 있던 작은 노이즈에 대응되는 상당히 큰 노이즈를 포함할 수 있어, 이를 초기화시켜줘야 한다. 적분기 리셋부(220)는 이를 위한 것으로, 제어부(300)에 의해 전력반도체(10)가 턴 오프 되면 적분기(210)의 에러값을 리셋시킬 수 있다. 또한, 전력반도체(10)가 턴 오프 된 후 턴 온 되었을 때에는 상대적으로 노이즈가 많게 된다. 따라서 전력반도체(10)가 턴 오프 후 턴 온된 직후 소정 시간동안은 전압 측정부(100)에서
Figure 112021137059990-pat00038
를 측정하지 않거나, 전압 측정부(100)에서
Figure 112021137059990-pat00039
를 측정하더라도 적분부(200)의 적분기 리셋부(220)에서 턴 온후 소정 시간동안 리셋상태를 유지하여 노이즈를 방지할 수 있다.
제어부(300)는 적분부(200)에서 추정된 전류값인
Figure 112021137059990-pat00040
가 기준치보다 높으면, 전력반도체(10)를 턴 오프 시킨다. 제어부(300)와 전력반도체(10) 사이에는 게이트 드라이버(310), 버퍼(320) 및 저항인
Figure 112021137059990-pat00041
가 직렬로 연결될 수 있다.
도 3은 전력반도체(10)의 게이트에 신호가 인가되었을 때, 전력반도체에 흐르는 전류인
Figure 112021137059990-pat00042
, 켈빈 에미터(E)와 반도체 에미터(e) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00043
, 적분부에서
Figure 112021137059990-pat00044
를 이용해 추정한 전류인
Figure 112021137059990-pat00045
의 그래프이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 구성을 가짐으로써, 전력반도체(10)에 과전류가 발생했을 때 종래 Desat 검출회로를 이용하는 방식보다 빠르게 동작할 수 있어, 보다 효과적으로 전력반도체(10)를 보호할 수 있는 효과가 있다. 특히, 전력반도체(10) 내부의 기생성분을 활용하여 전류의 기울기(전류가 증가하는 속도)와 동일한 전압값을 이용해 전력반도체(10) 내부의 전류레벨을 모니터링하여, 과전류시 게이트신호를 식속하게 차단해, 과전류 차단 실패를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제어부(300)는 전력반도체(10)를 턴 오프 시키는 기준치인 전류 레벨을 다양하게 설정할 수 있어, 다양한 상황에 따라 전력반도체(10)를 보호할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 제어부(300)는 기생 인덕턴스를 알고 있으면 전압 측정부(100)에서
Figure 112021137059990-pat00046
를 이용해 단위시간당 전류의 변화량인
Figure 112021137059990-pat00047
를 확인할 수 있어, 추정부(200)에서 추정된
Figure 112021137059990-pat00048
가 기준치 이하더라도, 단위시간당 전류의 변화량의 비정상적으로 큰 경우 전력반도체(10)를 턴 오프 시킬 수 있으며,
Figure 112021137059990-pat00049
와
Figure 112021137059990-pat00050
를 동시에 활용하여 전력반도체(10)의 턴 오프를 결정하는 순서도에 대해서는 도 4에 도시되어 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 전력반도체 보호 장치는 Desat 검출부(400)를 더 포함할 수 있다.
Desat 검출부(400)는 종래의 Desat 검출회로와 동일한 것으로, 전력반도체(10)의 콜렉터(C)에 연결된다. Desat 검출부(400)는 전력반도체(10)의 콜렉터(C)와 켈빈 에미터(C) 사이의 전압인
Figure 112021137059990-pat00051
가 기준치를 초과하면 제어부(300)로 게이트 정지 신호를 송신한다.
본 발명은 앞서 설명한 측정된
Figure 112021137059990-pat00052
를 이용해
Figure 112021137059990-pat00053
를 구하고, 이를 통해 과전류를 판단하는 방법과, Desat 검출부(400)를 이용하여 과전류를 판단하는 방법을 같이 사용하여 전력반도체(10)의 과전류 여부를 판단할 수 있다.
Figure 112021137059990-pat00054
를 추정하여 과전류를 판단하는 방법과 Desat 검출부(400)를 이용하는 방법은 개별적으로 동작할 수 있으며, 제어부(300)는 각각의 방법 중 어느 하나에서 전력반도체(10)의 과전류를 판단하면, 즉각적으로 게이트 신호를 인가하여 전력반도체(10)를 턴 오프 시켜, 전력반도체(10)를 보호한다. 즉,
Figure 112021137059990-pat00055
를 추정하여 과전류를 판단하는 방법과 Desat 검출부(400)를 이용하는 방법은 서로 다른 방식으로 과전류를 판단하여 상호보완적으로 동작할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 전압 측정부
200 : 적분부
210 : 적분기
220 : 적분기 리셋부
300 : 제어부
310 : 게이트 드라이버
320 : 버퍼
400 : Desat 검출부

Claims (8)

  1. 전력반도체가 턴 온 되면, 상기 전력반도체의 켈빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압인
    Figure 112023116490280-pat00056
    를 측정하는 전압 측정부;
    상기 전압 측정부에서 측정된
    Figure 112023116490280-pat00057
    를 적분하여 상기 전력반도체에 흐르는 전류를 추정한
    Figure 112023116490280-pat00058
    를 출력하는 적분부; 및
    상기 적분부에서 추정된 전류인
    Figure 112023116490280-pat00059
    가 기준치보다 높으면, 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 적분부는,
    상기 전력반도체에 흐르는 전류를 추정해 상기
    Figure 112023116490280-pat00060
    를 출력하는 적분기; 및
    상기 제어부에 의해 상기 전력반도체가 턴 오프 되면 상기 적분기의 에러값을 리셋 시키는 적분기 리셋부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력반도체의 콜렉터(C)에 연결되어 상기 전력반도체의 상기 콜렉터(C)와 상기 켈빈 이미터(E) 사이의 전압을 검출하는 Desat 검출부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 Desat 검출부에서 검출되는 전압이 기준치 이상이거나, 상기 적분부에서 추정된 전류인
    Figure 112021137059990-pat00061
    가 기준치 이상일 경우 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기
    Figure 112021137059990-pat00062
    는 아래 수식으로 표현되며,
    Figure 112021137059990-pat00063

    (여기서
    Figure 112021137059990-pat00064
    는 상기 켈빈 에미터의 기생 인덕턴스,
    Figure 112021137059990-pat00065
    는 상기 전력반도체 콜렉터에서 상기 켈빈 이미터로 흐르는 전류)
    상기 제어부는,
    상기
    Figure 112021137059990-pat00066
    가 기준치 이상이면 상기 전력반도체를 턴 오프 시키는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정부는 상기 전력반도체가 턴 오프되고 턴 온된 후, 소정 시간 동안은 켈빈 이미터(E)와 반도체 이미터(e) 사이의 전압을 측정하지 않고, 상기 소정 시간이 경과된 후 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적분기 리셋부는,
    상기 전력반도체가 턴 오프되고 턴 온된 후, 소정 시간동안 리셋상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력반도체는,
    IGBT, FET, GaN 또는 SiC인 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 상기 전력반도체 사이에 직렬로 연결되는 게이트 드라이버; 버퍼; 및 저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 보호 장치.
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