KR102660775B1 - 고전압 범위의 반도체 전력 스위치들을 제어하기 위한 디바이스 - Google Patents

고전압 범위의 반도체 전력 스위치들을 제어하기 위한 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 범위에서 복수의 부하들(Last1, Last2)의 동기적 동작을 위한 드라이버 전압들에 의해 복수의 반도체 회로 차단기들(S12, S21)을 제어하기 위한 디바이스에 관한 것으로, 여기서 드라이버 전압들(Uh1, Uh2)은 변압기에 의해 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면, 반도체 회로 차단기용 드라이버 전압들(Uh1, Uh2)은 변압기의 단일 2차 권선으로부터 탭핑(tap)되며, 전자 전압 레벨 변환기 회로들은 필요한 크기로 변압기의 2차 권선으로부터의 드라이버 전압들(Uh1, Uh2)을 얻기 위해 제공된다.

Description

고전압 범위의 반도체 전력 스위치들을 제어하기 위한 디바이스
본 발명은 고전압 범위에서 펄스(pulsed) 부하들의 경우에 복수의 반도체 전력 스위치들을 동시에 제어하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
서론에서 언급한 타입의 기존 디바이스들에 의한 반도체 전력 스위치들의 제어는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 반도체 전력 스위치들(MOSFET들, IGBT들, 바이폴라 트랜지스터들)의 제어를 위해, 스위치가 턴온된 상태에서 제어 입력(게이트, 베이스)에서 제어에 필요한 15V의 전압은 항상 기준 레벨에 대해 정의된 전위차를 가져야 한다. 그렇지 않으면 스위치를 켜질 수 없다. 최악의 경우, 이것은 심지어 반도체 전력 스위치의 파손을 초래할 수 있다. 도 1에 표시된 고전압 애플리케이션에서, 기준 레벨은 예를 들어 0 V(도 1의 좌측에 있는 회로 변형) 또는 500 V(도 1의 우측에 있는 회로 변형)에 있을 수 있고, 이는 심지어 전력 스위치가 턴 오프되거나 턴 온될 때 0 V에서 500 V로 점프할 수 있다(하이-사이드(high-side) 문제).
예로서 도 2에 도시된 바와 같이 고전압 범위의 애플리케이션을 위해, 드라이버 전압들(UL1, UH1 및 UH2)은 복수의 출력 전압들을 갖는 변압기에 의해 발생되며, 이는 갈바닉 절연 방식으로 서로 다른 기준 레벨들에서 드라이버 전압들을 제공한다. 구체적으로, 제1 부하(Load 1) 및 제2 부하(Load 2)는 예를 들어 한 쌍의 전자 전력 스위치들(S1, S12 및 S2, S21)을 통해 각각 영전위(HV) 및 500 볼트의 양전위(HV+)에 주기적으로 연결된다. 스위치(S1)를 제어하기 위한 드라이버 전압(UL1)은 변압기의 제1 2차 권선(도 2에서 변압기의 하위 2차 전압)으로부터 탭 오프된다. 스위치(S12)를 제어하기 위한 드라이버 전압(Uh1)은 변압기의 제2 2차 권선(도 2에서 변압기의 상위 2차 전압)으로부터 탭 오프된다. 스위치(S21)를 제어하기 위한 드라이버 전압(Uh2)은 변압기의 제3 2차 권선(도 2에서 변압기의 상위 2차 전압)으로부터 탭 오프된다. 스위치들(S1, S12 및 S2, S21)이 닫힐 때 각각의 부하(Load 1 및 Load 2)에 고전압이 인가되고, 스위치들이 열려있을 때 상기 부하에서 분리된다.
컴팩트한 권선 구조로 인해, 전력 반도체들의 클록킹에 의해 야기된 전자파 간섭이 변압기의 1차측으로 전달된다. 따라서 자동차 애플리케이션에서 디바이스의 HV 부분에서 발생된 간섭은 저전압 측으로 전달된다. 또한 발생된 간섭은 변압기의 추가 2차 권선들에 전압 스파이크들을 초래할 수 있다. 상기 간섭은 EMC 필터 컴포넌트들의 도움으로 비교적 복잡한 방식으로 감소되어야 한다. 이 방법의 또 다른 단점은 복수의 2차 권선들을 갖는 변압기를 사용한다는 점이다. 후자는 요구되는 절연 강도와 고품질 및 따라서 더 비싼 절연 재료의 사용으로 인해 복잡하고 비용이 많이 든다.
본 발명의 목적은 디바이스가 EMC 측면에서 최적화된 방식으로 비용 효율적으로 생산될 수 있도록 하는 디바이스를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1의 피처들에 의해 달성된다. 발명의 유리한 개발은 종속항에 정의된다.
발명은 따라서 고전압 범위에서 복수의 부하들의 클록킹된 동작을 위해 드라이버 전압들에 의해 복수의 반도체 전력 스위치들을 제어하기 위한 디바이스를 제공한다. 이들은 변압기를 통해 제공되며, 반도체 전력 스위치용 드라이버 전압들은 변압기의 단일 2차 권선으로부터 파생된다. 변압기의 2차 권선에서 생성된 전압으로부터 필요한 전압 레벨의 드라이버 전압들을 얻는 전압 레벨 시프터 회로들이 제공된다.
바람직하게 단 하나의 2차 권선만을 갖는 단 하나의 변압기가 요구되는 것이 규정되어 있다. 임의의 수의 PWM 제어 부하들에 대한 드라이버 전압들은 바람직하게는 각각의 경우에 간단한 전자 전압 레벨 시프터 회로들을 통해 생성된다.
본 발명에 따른 디바이스는 복수의 2차 권선들을 갖는 종래 기술에 따른 디바이스에 비해 더 콤팩트하고 EMC 간섭이 더 적다.
변압기 및 EMC 필터 컴포넌트들에 대한 지출이 감소되고 비용이 크게 절감된다.
전자 전압 레벨 시프터 회로들은 전하 펌프의 개념에 기초한다. 전하 펌프라는 용어는 전압 값을 증가시키거나 DC 전압의 극성을 반전시키는 복수의 상이한 전기 회로들을 포함한다.
전하 펌프들은 높은 출력 전류가 필요하지 않거나 코일들과 같은 적합한 자기 컴포넌트들이 사용될 수 없는 경우 전압 시프터들로서 사용할 수 있다.
전하 펌프들은 커패시터들의 충전과 캐스케이딩 사이의 시간적 순서에 의해 그들의 전압을 상이한 값으로 설정한다. 이것은 스위치들을 주기적으로 전환함으로써 실현된다.
프로세스들은 왕복 피스톤 펌프의 프로세스들과 유사하다. 커패시터들의 충전은 실린더의 채움(chilling)에 대응하고, 캐스케이딩은 실린더의 상승에 대응한다. 다이오드들은 바람직하게는 각각의 경우에 전위차들에 의해 오프 상태 또는 온 상태 범위로 전환되고, 커패시터들을 충전하거나 그들의 전압을 높이는 전자 스위치들로서 작동한다. 다중 캐스케이드된 전하 펌프들은 매우 높은 DC 전압들을 생성할 수 있다. 그러한 회로들은 고전압 캐스케이드로 지칭된다.
각각의 부하의 클록킹이 각각의 전하 펌프의 클록킹의 역할을 하는 것이, 특히 각각의 부하의 PWM 펄스는 전하 펌프의 클록킹에 사용되는 것이 유리하다. 그 결과 회로 설계가 크게 단순화된다.
바람직하게는, 디바이스의 클록킹은 각각의 경우에 변압기의 2차 권선에 연결되는 스위치를 통해 이루어지며, 이 스위치는 폐쇄 상태에서 전하 펌프를 충전하고, 전하 펌프에서 생성된 드라이버 전압을 개방 상태의 각각의 반도체 전력 스위치에 인가한다. 전하 펌프 클록킹은 바람직하게는 PWM 스위칭 전원 스위치(Sn)를 통해 각각의 경우에 이루어진다. 이와 관련하여, 예를 들어 S1의 폐쇄 상태에서 커패시터(C1)는 D1 R1을 통해 전압(UL1)으로 충전된다. 개방 상태에서 C1은 D12를 통해 C12로 방전된다. 다이오드(D1)가 턴 오프되고 충전된 커패시터가 전력 스위치(S12)의 기준 레벨로 설정된다. Uh1=UL1=15V일 때, S12의 드라이버에는 필요한 전압이 공급된다.
발명은 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 일반적으로 종래 기술에 따른 반도체 전력 스위치들(MOSFET들, IGBT들, 양극 트랜지스터들)의 제어를 도시한다.
도 2는 전력 스위치들에 대한 각각의 드라이버 전압들의 갈바닉 절연을 위해 변압기에 의해 고전압 범위에서 도 1의 제어를 적용한 것을 도시하며, 여기서 전력 스위치들의 드라이버 전압들은 변압기의 2차 권선에 의해 갈바닉 절연된다.
도 3은 단일 2차 권선을 갖는 변압기에 의해 전력 스위치들을 제어하기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 실시예를 도시하며, 이로부터 전력 스위치들에 대한 다양한 드라이버 전압들이 유도된다.
도 1 및 도 2는 선행기술에 관한 도입부에서 설명되었다.
본 발명에 따른 디바이스의 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이 실시예는전자 부하 스위치들(S1, S2)에 드라이버 전압(UL1)을 제공하기 위해 단일 2차 권선을 갖는 변압기를 사용하여 0 전위(HV)의 세 가지 레벨을 갖는 변압기의 하부 2차 권선에 의해 2개의 전자 부하 스위치들(S1 및 S2)에 보다 정확하게 전달한다는 점에서 도 2에 도시된 디바이스와 상이하다.
도 3의 디바이스에서 전자 부하 스위치들(S12 및 S21)을 제어하기 위한 드라이버 전압들(Uh1 및 Uh2)은 변압기의 추가 2차 권선들에 의해 제공되지 않고 오히려 전하 펌프들에 의해 변압기의 단일 2차 권선으로부터 파생된다.
드라이버 전압(Uh1)을 제공하기 위한 전하 펌프는 한쪽 단부에서는 스위치(S1)에 연결된 부하(Load 1)의 단부에 그리고 다른쪽 단부에서는 직렬 레지스터(R1)를 통해 UL1 전위에서 다른쪽 단부가 다이오드(D1)에 연결된 커패시터(C1)를 포함한다. 전하 펌프를 통해 전압(UL1)으로부터 생성된 드라이버 전압(Uh1)은 다이오드(D12)를 통해 입력 측의 커패시터(C12)에 의해 브릿지된 전자 스위치(S12)에 인가된다.
드라이버 전압(Uh2)을 제공하기 위한 전하 펌프는 한쪽 단부에서는 스위치(S2)에 연결된 부하(Load2)의 단부에 그리고 다른쪽 단부에서는 직렬 레지스터(R2)를 통해 UL1 전위에서 다른쪽 단부가 다이오드(D2)에 연결된 커패시터(C2)를 포함한다. 전하 펌프를 통해 전압(UL1)으로부터 생성된 드라이버 전압(Uh2)은 다이오드(D12)를 통해 입력 측의 커패시터(C21)에 의해 브릿지된 전자 스위치(S12)에 인가된다.
스위치(S1)가 폐쇄되면, 커패시터(C1, C2)가 직렬 저항(R1, R2) 및 블록킹 다이오드(D1, D2)를 통해 드라이버 전압 전위(UL)로 충전된다.
스위치(S1, S2)가 개방되면, 커패시터(C12, C21)는 커패시터(C1, C2)의 전하로 충전된다. 따라서 스위치(S12, S21)를 제어하는 데 필요한 전위 Uh1(Uh2) = UL이 이용가능하다. 이 프로세스는 스위치들(S1, S2)의 클로킹과 함께 주기적으로 반복된다.
본 발명에 따른 디바이스는 2개의 반도체 전력 스위치들을 갖는 실시예에 기초하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 오히려 반도체 전력 스위치들을 제어하기 위한 디바이스에는 이러한 타입의 2개 초과의 스위치들이 고려된다.

Claims (6)

  1. 펄스(pulsed) 부하들(Load 1, Load 2)에 연결된 복수의 반도체 전력 스위치들(S12, S21)을 동시에 제어하기 위한 디바이스에 있어서,
    상기 반도체 전력 스위치들(S12, S21)의 드라이버 전압들(Uh1, Uh2)은 변압기를 통해 제공될 수 있고,
    상기 반도체 전력 스위치들을 위한 드라이버 전압들(Uh1, Uh2)은 상기 변압기의 단일 2차 권선의 전압(UL1)으로부터 파생되는 것을 특징으로 하며,
    상기 변압기의 상기 2차 권선으로부터 요구되는 크기의 드라이버 전압들(Uh1, Uh2)을 얻기 위하여 전자 전압 레벨 시프터 회로들이 제공되고,
    상기 전자 전압 레벨 시프터 회로들은 전하 펌프(C1, R1, D1; C2, R2, D2)를 포함하고,
    각각의 상기 부하(Load 1, Load 2)의 클록킹(clocking)은 각각의 상기 전하 펌프의 클록킹 역할을 하고,
    상기 디바이스의 클록킹은 각각의 전자 전압 레벨 시프터 회로의 경우에 상기 변압기의 상기 2차 권선에 연결된 스위치(S1, S2)를 통해 수행되며,
    상기 스위치(S1, S2)는 폐쇄 상태에서 상기 전하 펌프를 충전하고, 개방 상태에서 상기 전하 펌프에서 생성된 상기 드라이버 전압(Uh1, Uh2)을 각각의 상기 반도체 전력 스위치(S12, S21)에 인가하도록 구성되는 것인, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    드라이버 전압(Uh1, Uh2)을 제공하기 위한 각각의 상기 전하 펌프(C1, R1, D1; C2, R2, D2)는, 한쪽 단부에서 상기 부하(Load 1, Load 2)에 연결되고 다른쪽 단부에서 직렬 레지스터(R1, R2)를 통해 다이오드(D1, D2)에 연결되는 커패시터(C1, C2)를 포함하는 것인, 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치(S1, S2)는 낮은 측 포텐셜과 높은 측 포텐셜 사이에서 각각의 부하(Load 1, Load 2) 및 반도체 전력 스위치(S12, S21)와 이 순서대로 직렬로 연결되는 것인, 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커패시터(C1, C2)는 한쪽 단부에서, 상기 스위치(S1, S2)에 연결된 상기 부하(Load 1, Load 2)의 단부에 연결되는 것인, 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전하 펌프를 통해 상기 전압(UL1)으로부터 생성된 상기 드라이버 전압(Uh1, Uh2)은 각각의 제2 다이오드(D12, D21)를 통해 입력 측의 각각의 제2 커패시터(C12, C21)에 의해 브릿지된 상기 반도체 전력 스위치(S12, S21)에 인가되는 것인, 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 전력 스위치들은 입력 측의 커패시터들에 의해 브릿지되고,
    전하 펌프들에 의해 요구되는 크기로 얻어진 상기 드라이버 전압들은, 전하 펌프들로부터, 상기 복수의 반도체 전력 스위치들을 이들의 입력 측에서 브릿지하는 상기 커패시터들에 인가되는 것인, 디바이스.
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