KR20030020890A - 하프 브리지 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
하프 브리지 서브어셈블리를 이용하여 전력을 스위칭하며, 여기서 적어도 2개의 반도체 스위치가 직렬 접속되어 하프 브리지를 형성한다. 각 반도체 스위치는 제어 입력을 갖고, 제 1 반도체 스위치는 고전압 전위에 접속될 수 있는 제 1 전력 접속부를 갖고, 제 2 반도체 스위치는 저전압 전위에 접속될 수 있는 제 2 전력 접속부를 갖고, 제 1 반도체 스위치의 제 2 전력 접속부는 각각의 제 2 반도체 스위치의 제 1 전력 접속부에 접속되고, 각 반도체 스위치는 각 반도체 스위치의 2개의 전력 접속부에 대하여 병렬 위치에 배치되는 프리 휠링 다이오드(free-wheeling diode)를 갖고, 쇼트키 다이오드가 각 프리 휠링 다이오드에 대해 병렬로 장착된다. 각 반도체 스위치의 프리 휠링 다이오드 및 각 쇼트키 다이오드는 열전도 방식으로 열 싱크(heat sink)에 접속되며, 각 쇼트키 다이오드와 열 싱크 사이의 열 저항의 치수는 각 프리 휠링 다이오드와 열 싱크 사이의 열 저항의 치수보다 크다.
Description
그러한 하프 브리지 어셈블리는 DE-A-42 30 510으로부터 알려져 있다. 그러한 하프 브리지 구성은, 예컨대, 다위상 머신(polyphase machines), 영구 자석 모터(permanent magnet motors) 등(예를 들면, DE-A-40 27 969를 참조)의 제공을 위한 것과 같이, 가장 상이한 분야의 응용을 위한 인버터의 형성을 위해 이용된다.
특히 FET 전력 반도체 스위치를 가지고, 프리 휠링 다이오드는 일반적으로 반도체 스위치와 집적된다. 집적 프리 휠링 다이오드는 실리콘 접합 다이오드로서 형성된다. 그러나, 그러한 집적 프리 휠링 다이오드는 (10ns에서 수 마이크로초(microseconds) 정도의) 비교적 긴 스위칭 시간을 갖는다. 이로 인해 집적 프리 휠링 다이오드에 커다란 전력 손실이 초래되며, 그러한 전력 손실은 열로 변환되어 방출되어야 한다. 적어도 높은 전기 스위칭 능력을 위해, 하프 브리지 구성이 액체 냉각(liquid-cooled)된다. 집적 프리 휠링 다이오드는 상당한 전류 전달 능력을 가져야 한다는 사실로 인해, 이들은 또한 상당한 반도체 영역 및 그에 따른 설치 공간을 필요로 한다.
다이오드의 스위칭 시간 및 그에 따른 전력 손실을 감소하기 위해, 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 집적 프리 휠링 다이오드와 병렬로 접속하고-프리 휠링 다이오드와 동일한 극성을 가짐-, 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 각 반도체 스위치 및 각 쇼트키 다이오드를 냉각, 즉 그들을 열전도 방식으로 열 싱크(heat sink)와 접속하는 것이 이미 제안되어 왔다. 기생 인덕턴스(parasitic inductances)를 피하기 위해, 다이오드는 가능한 한 반도체 스위치와 가깝게 배열되어야 한다.
쇼트키 다이오드는, 정류기 효과를 또한 포함하는 pn 전이(transition) 대신에 금속 반도체 전이를 갖기 때문에 매우 짧은 스위칭 기간을 갖는다. 그러나, 금속 반도체 전이를 가지고, 저장된 전하는 매우 작게 변화되어, 스위칭 시간이 매우 짧아지게 된다. 쇼트키 다이오드의 다른 특성은 실리콘 접합 다이오드와 비교하여, 대략 0.3V의 보다 낮은 도전 상태 전압(conducting-state voltage)을 갖는 것이다.
집적 프리 휠링 다이오드는 대략 0.7V의 도전 상태 전압을 갖는 실리콘 접합 다이오드이다. 따라서, 하프 브리지 구성의 프리 휠링 동작에서, 쇼트키 다이오드의 도전 상태 전압이 더 낮기 때문에 사실상 쇼트키 다이오드를 통해 전체 전류가 흐른다. 쇼트키 다이오드는 10 내지 100ps 정도의 스위칭 시간을 갖는다. 따라서, 열로 변환될 전력 손실은 또한 크게 감소된다. 그럼에도 불구하고, 쇼트키 다이오드 역시 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 전력 반도체 스위치와 동일한 방법으로 냉각되는데, 그 이유는 그렇지 않은 경우에 (170oC 이상의) 과열(overheating) 및 열적 파괴(thermal destruction)가 예상되기 때문이다.
스위칭 동작의 이러한 개선은, 쇼트키 다이오드가 하프 브리지 구성의 프리 휠링 동작시에 전체 전류를 전달할 수 있어야 하기 때문에, 쇼트키 다이오드의 대응하는 치수화(dimensioning)를 또한 요구한다.
US 5,661,644로부터, 직렬 접속된 2개의 반도체 스위치를 갖는 하프 브리지 어셈블리가 알려져 있다. 프리 휠링 다이오드는 각각의 반도체 스위치와 병렬로 접속되며, 쇼트키 다이오드는 각각의 프리 휠링 다이오드와 병렬로 접속된다. 더욱이, 히트 싱크상의 반도체 스위치 및 프리 휠링 다이오드의 구성은 이 공개물(publication)로부터 알려져 있다.
DE 195 32 992 A1로부터, 한쪽 면은 전기 또는 전자 구성 요소와 정합되고,그 뒷면상에는 중간 층이 삽입된 상태에서 냉각판(cooling plate)이 적용되는 회로 보드가 알려져 있다. 고온 부하를 겪을 수 있는 구성 요소는 열 전도 브리지를 통해 냉각판과 접속된다.
US 6,055,148로부터, 기저판(base plate)상에 배열된 제 1 반도체 소자를 갖는 하프 브리지 어셈블리가 알려져 있다. 쇼트키 다이오드는 접착층(adhesive layer)에 의해 제 1 반도체 소자에 부착된다.
DE 196 24 475 A1로부터, 하우징내에 설치된 캐리어(carrier)상에 배열되는 전자 구성 요소를 템퍼링(tempering)하기 위한 장치가 알려져 있다. 캐리어와 하우징 벽(housing wall) 사이에 본체가 배열되고, 하우징 벽은 그 내부에 위치된 열전도 재료를 갖는 폐쇄된 탄성 덮개(a closed elastic envelope)를 가지며, 이것은 캐리어 및 하위징 벽과 본질적으로 기밀하게(air tight) 접촉된다.
본 발명이 기초로 하는 문제
본 발명은 그러한 하프 브리지 구성의 전력 밀도(power density)(설치 볼륨(installation volume)에 관련되는 스위칭가능한 전력)를 더 증가, 특히 그들을 보다 경제적으로 설계하기 위한 문제를 기초로 한다.
발명의 해결책
이러한 문제는 각 쇼트키 다이오드와 열 싱크 사이의 열 저항(thermal resistance)이 각 프리 휠링 다이오드와 열 싱크 사이의 열 저항보다 크게 치수화되고, 집적 프리 휠링 다이오드의 열 접속(thermal coupling)에 비해 쇼트키 다이오드의 열 접속이 감소되어 집적 프리 휠링 다이오드의 도전 상태 전압이, 심지어는 부하가 있는 상태에서도, 쇼트키 다이오드의 도전 상태 전압 이상에서 변하지 않도록 한다는 점에서, 위에서 언급한 유형의 하프 브리지 구성에서 해결된다.
이것은 냉각 매체에 대한 쇼트키 다이오드의 열 접속이 냉각 매체에 대한 집적 프리 휠링 다이오드의 열 접속보다 "불량(poorer)"함을 의미한다.
이러한 문맥에서 "냉각 매체에 대한 열 접속"은 (금속) 본체에 대한 접속과, 반도체 구성 요소를 둘러싸는 냉각 액체에 대한 접속 모두일 수 있다.
이러한 척도는 가능한 한 효율적으로 반도체를 냉각하는 통상적인 방안에 모순되는 것이다.
현 기술 수준과 비교해서, 그럼에도 불구하고 그것은 쇼트키 다이오드의 전류 전달 능력 및 그에 따라 요구되는 반도체 영역에 대한 쇼트키 다이오드의 훨씬 더 작은 치수화를 허용하는데, 그것은 다음과 같은 상황, 즉 쇼트키 다이오드의 다이오드 특성은 실리콘 접합 다이오드 특성을 갖는 집적 프리 휠링 다이오드의 특성보다 온도에 더 의존적이라는 상황 때문이다. 더욱이, 쇼트키 다이오드의 특성은 비교적 높은 옴 비율(ohmic proportion)을 포함한다. 쇼트키 다이오드에 전류를 공급시에, 불량한 냉각 때문에 쇼트키 다이오드가 많이 가열되어, 온도가 증가함에 따라 쇼트키 다이오드의 도전 상태 전압이 감소된다. 그 결과, 감소된 냉각 효과로 인해 그 특성이 많이 변화(shift)되어, 쇼트키 다이오드는 프리 휠링 다이오드로부터 전류를 취할 수 있다. (또한 쇼트키 다이오드의 냉각과 관련된) 전체적인구성은 반도체 파괴가 발생되지 않도록 그렇게 치수화되어야 한다.
쇼트키 다이오드와 냉각 매체 사이의 보다 낮은 열 냉각 (및 그에 기인한 보다 높은 열 저항) 때문에 쇼트키 다이오드가 집적 프리 휠링 다이오드보다 훨씬 더 많이 가열된다면, 그 결과 집적 프리 휠링 다이오드의 도전 상태 전압은, 심지어 부하가 있는 상태에서도, 쇼트키 다이오드의 도전 상태 전압 이상에서 변하지 않게 된다. 따라서, 하프 브리지 구성의 프리 휠링 동작에서, 전류는 항상 보다 신속하게 스위칭하는 쇼트키 다이오드를 통해 흐르게 된다.
발명의 이점
본 발명의 하프 브리지 어셈블리 구성을 통해, 이전의 해결책과는 비교될 수 없는 패킹(packing) 밀도를 가능하게 하는, 특히 콤팩트한 구성이 성취된다. 이전의 설계와 비교하여, 쇼트키 다이오드의 반도체 영역은 대략 66 퍼센트(per cent)만큼 감소될 수 있다. 이것은 냉각 매체 또는 냉각 액체 각각의 요구되는 볼륨을 총 볼륨에 관련되는 작은 값으로 유지할 수 있고, 전체 구성의 소형화를 통해 본 발명이, 특히 모바일 응용에서, 매우 경제적으로 이용될 수 있도록 한다.
본 발명은 적어도 2개의 반도체 스위치가 직렬 접속되어 하프 브리지를 형성하는, 전력(electrical power)을 스위칭하기 위한 하프 브리지 어셈블리(half-bridge assembly)에 관한 것이다. 각 반도체 스위치는 제어 입력을 포함한다. 더욱이, 각 제 1 반도체 스위치는 고전압 전위와 접속될 수 있는 제 1 전력 단자(power terminal)를 가지며, 각 제 2 반도체 스위치는 저전압 전위와 접속될 수 있는 제 2 전력 단자를 포함한다. 각 제 1 반도체 스위치에 대한 제 2 전력 단자는 각 제 2 반도체 스위치의 제 1 전력 단자와 접속된다. 마지막으로, 각각의 반도체 스위치는 각각의 반도체 스위치의 두 전력 단자와 병렬로 위치되는 프리 휠링 다이오드(free-wheeling diode)를 포함한다.
도면은 본 발명의 내용(subject matter)의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 1은 본 발명의 하프 브리지 구성의 전기 회로도를 도시한다.
도 2는 냉각 본체상에 배열된 도 1에 따른 본 발명의 하프 브리지 구성의 병렬 접속된 쇼트키 다이오드 뿐만 아니라 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 반도체 스위치의 개략 측면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 쇼트키 다이오드와 필요한 경우 두 측면에 구리 도금이 제공되는 쇼트키 다이오드에 대한 냉각 본체 사이에 세라믹 판(ceramic platelet) 또는 합성 재료층(synthetic material layer)이 배열되고, 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 반도체 스위치가 냉각 본체와 열적으로 직접 접속된다. 그러나, (집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 반도체 스위치와 동일한 방법으로) 사실상 쇼트키 다이오드와 열적으로 직접 접속되는, 쇼트키 다이오드에 대한 냉각 본체를 선택하는 것이 또한 가능하지만, 그 자체는 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 반도체 스위치에 대한 냉각 본체보다, 환경(액체 또는 기류(air stream))에 대해 보다 높은 열 저항을 갖는다.
차가운 반도체 및 차가운 냉각 매체를 갖는 회로의 "개시(start-up)" 단계에서, 고전력 전류 서지(high power current surge)에 의해 반도체 스위치의 집적 프리 휠링 다이오드가 파괴될 수 없도록 보장하기 위해, 하프 브리지 구성의 실제 동작 이전에 "워밍업(warm-up) 단계"를 제공하는 것이 유리하다. 이러한 워밍업 단계 동안 쇼트키 다이오드를 통해 전류가 흐르는데, 이것은 쇼트키 다이오드 및 가능하게는 집적 프리 휠링 다이오드를 가열하게 되지만, 그것의 파괴를 초래하지는 않는다. 쇼트키 다이오드가 충분히 가열되면, 심지어 완전한 부하 동작 상태에서도, 쇼트키 다이오드의 도전 상태 전압은 충분히 낮을 것이기 때문에, 전류는 쇼트키 다이오드를 과부하 상태로 만들 수 없다.
하프 브리지 구성의 동작 또는 하프 브리지 구성과 접속된 소비자(consumer)의 구동을 위해(예를 들면, 비동기 모터), 각 위상에 전류를 대응하여 공급하기 위해서는 제어 컴퓨터를 갖는 제어 회로가 요구된다는 사실로 인해, 이러한 워밍업을 위한 프로그램이 제어 컴퓨터내에 저장될 수 있다. 워밍업 단계를 위한 이러한 제어 컴퓨터 프로그램에 의해, 하프 브리지 구성은 쇼트키 다이오드가 반도체 스위치 및 그 집적 프리 휠링 다이오드에 비해, 집적 프리 휠링 다이오드의 도전 상태 전압이, 심지어 부하가 있는 상태에서도, 쇼트키 다이오드의 도전 상태 전압 이상에서 변하지 않게 되는 정도로 가열될 때까지, 프리 휠링 동작시의 쇼트키 다이오드를 통한 전류가 감소된 채로 유지되는 방법으로 동작된다.
바람직한 실시예에서, 반도체 스위치는 신속하게 스위칭하는 저손실 FET(field effect transistors)에 의해 형성된다. 직렬로 접속된 몇 쌍의 반도체 스위치가 병렬로 접속될 수 있다. 더욱이, 반도체 스위치는 각각 작은 스위칭 능력을 갖는 다수의 개별적인 반도체 스위치 소자에 의해 형성될 수 있다. 각각 비교적 작은 스위칭 능력을 갖지만, 간단한 방법으로 병렬 접속될 수 있는 다수의 반도체 스위치 소자를 이용함으로써, 양호한 냉각 효과를 성취할 수 있는데, 이것은 다수의 개별적인 구성 요소가 냉각 매체에 의해 쉽게 도달될 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명은 다위상 전기 모터에 대한 제어 장치의 전력 최종단(power final stage)에 관한 것으로서, 여기서 전기 모터의 각 위상(phase)에 대해 하프브리지 구성이 제공된다.
도 1은 직렬 접속된 한 쌍의 n 채널 MOSFET(12, 14)를 포함하는 하프 브리지(10)를 도시한다. 제 1 MOSFET(12)의 소스 단자 S1(= 제 1 전력 단자)은 고전압 전위 VSS와 접속된다. 제 2 MOSFET(14)의 드레인 단자 D2(= 제 2 전력 단자)는 저전압 전위 VDD와 접속된다. 하프 브리지의 출력 A를 형성하기 위해, 제 1 MOSFE(12)의 드레인 단자 D1(= 제 2 전력 단자)와 제 2 MOSFET(14)의 소스 단자 S2(= 제 1 전력 단자)가 서로 접속된다. 하나의 제어 입력인 각각의 G1, G2가 2개의 MOSFET(12, 14)에 제공되며, MOSFET(12, 14)는 구동 회로 ECU에 의해 게이트 저항(상세히 도시되지 않음)을 통해 구동된다.
고전압 전위 VSS와 저전압 전위 VDD사이에 백업(backup) 캐패시터(상세히 도시되지 않음)가 제공된다. 각각의 MOSFET(12, 14)는 20kHz보다 큰 스위칭 주파수를 갖는 (펄스폭 변조된) 제어 신호에 의해 구동된다. 바람직하게, 스위칭 주파수는 100kHz 이상이다.
2개의 MOSFET(12, 14)는 실리콘 접합 다이오드 특성을 갖는 집적 프리 휠링 다이오드를 포함한다. 본 발명에 따르면, 쇼트키 다이오드(16, 18)는 2개의 MOSFET(12, 14)의 집적 프리 휠링 다이오드와 병렬로 접속되며, 쇼트키 다이오드(16, 18)는 집적 프리 휠링 다이오드와 동일한 방향성(orientation)을 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 각 MOSFET(12)는열전도 방식으로 냉각 본체(22)와 직접 접속된다. 병렬 접속된 관련 쇼트키 다이오드(16) 또한 냉각 본체(22)와 접속되지만, 쇼트키 다이오드(16)와 냉각 본체(22) 사이에 세라믹 판(20)이 배열되어, 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 MOSFET(12)와 냉각 본체(22) 사이의 열전도가 쇼트키 다이오드(16)와 냉각 본체(22) 사이의 열전도보다 우수하게 되도록 한다.
도 2에서, 이러한 구성은 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 제 1 MOSFET(12) 및 병렬 접속된 쇼트키 다이오드(16)에 대해서만 도시된다. 그러나, 본 발명의 이와 같은 구성은 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 제 2 MOSFET(14) 및 병렬 접속된 쇼트키 다이오드(18)에도 적용가능함을 이해할 것이다.
Claims (8)
- 전력(electrical power)을 스위칭하기 위한 하프 브리지 어셈블리(half-bridge assembly)에 있어서,적어도 2개의 반도체 스위치(12, 14)가 직렬 접속되어 하프 브리지를 형성하고,각각의 상기 반도체 스위치(12, 14)는 제어 입력(G1, G2)을 포함하고,제 1 반도체 스위치(12)는 고전압 전위(VSS)와 접속될 수 있는 제 1 전력 단자(S1)를 포함하고,제 2 반도체 스위치(14)는 저전압 전위(VDD)와 접속될 수 있는 제 2 전력 단자(D2)를 포함하고,각각의 상기 제 1 반도체 스위치(12)의 제 2 전력 단자(D1)는 각각의 상기 제 2 반도체 스위치(14)의 제 1 전력 단자(S2)와 접속되고,각각의 상기 반도체 스위치(12, 14)는 각각의 상기 반도체 스위치(12, 14)의 2개의 전력 단자(D1, S1; D2, S2)와 병렬로 위치되는 프리 휠링 다이오드(free-wheeling diode)를 포함하고,쇼트키 다이오드(Schottky diode)(16, 18)가 각각의 상기 프리 휠링 다이오드와 병렬로 접속되고,상기 프리 휠링 다이오드를 갖는 각각의 상기 반도체 스위치(12, 14)와 각각의 상기 쇼트키 다이오드(16, 18)는 열전도 방식으로 열 싱크(heat sink)(22)와 접속되고,각각의 상기 쇼트키 다이오드(16, 18)와 상기 열 싱크(22) 사이의 열 저항은 각각의 상기 프리 휠링 다이오드와 상기 열 싱크(22) 사이의 열 저항보다 크게 치수화(dimensioning)되고, 상기 집적 프리 휠링 다이오드의 열 접속(thermal coupling)에 비해 상기 쇼트키 다이오드(16, 18)의 열 접속이 감소되어, 상기 집적 프리 휠링 다이오드의 도전 상태 전압이, 심지어 부하가 있는 상태에서도, 상기 쇼트키 다이오드(16, 18)의 도전 상태 전압 이상에서 변하지 않도록 하는하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 스위치(14, 22; 24, 18, 26; 20, 28)는 FET(field effect transistors) 또는 IGBT(insulated gate bipolar transistors)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,상기 쇼트키 다이오드(16, 18)는 상기 프리 휠링 다이오드에 비해 더 높은 온도 레벨에서 동작되는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,상기 쇼트키 다이오드(16, 18)와 필요한 경우 두 측면상에 구리 도금이 제공되는 상기 쇼트키 다이오드에 대한 상기 열 싱크(22)로서 작용하는 냉각 본체(cooling body) 사이에 판(platelet) 또는 합성 재료층(synthetic material layer)이 배열되고, 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 상기 반도체 스위치는 상기 냉각 본체와 열적으로 직접 접속되는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,상기 쇼트키 다이오드는 냉각 본체와 열적으로 접속되고, 상기 냉각 본체는 상기 쇼트기 다이오드와 열적으로 직접 접속되지만, 집적 프리 휠링 다이오드를 갖는 상기 반도체 스위치에 대한 상기 냉각 본체보다, 그 환경에 대해 높은 열 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,상기 하프 브리지 구성의 워밍업(warm-up) 단계를 위해, 상기 쇼트키 다이오드가 상기 반도체 스위치 및 그 집적 프리 휠링 다이오드에 비해, 상기 집적 프리 휠링 다이오드의 상기 도전 상태 전압이, 심지어 부하가 있는 상태에서도, 상기 쇼트키 다이오드의 상기 도전 상태 전압 이상에서 변하지 않게 되는 정도로 가열될 때까지, 상기 프리 휠링 동작시의 상기 쇼트키 다이오드를 통한 전류가 감소된 채로 유지되는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,직렬 접속된 몇 개의 쌍의 반도체 스위치가 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 스위치는 각각 작은 스위칭 능력을 갖는 다수의 개별적인 반도체 스위치 소자에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 하프 브리지 어셈블리.
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