KR20050012901A - 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로 - Google Patents

절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로

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Abstract

본 발명은 부하의 단락시 전원부의 고전압으로 인해 전력소자가 파괴되는 것을 방지하기 위한 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로에 관한 것이다.
본 발명은 부하의 단락시 전원부의 고전압으로 인해, 상기 부하에 애노드가 연결된 절연게이트형 전력소자가 파괴되는 것을 방지하기 위한 보호회로에 있어서, 게이트가 노드 A에서 상기 게이트절연형 전력소자의 게이트와 연결되고, 상기 애노드 전압을 노드 B로 전달하는 패스 트랜지스터와; 상기 절연게이트형 전력소자의 게이트전극 단자와 상기 노드 B와의 사이에 연결되고, 상기 노드 B에서의 전압이 문턱전압 이상일 경우 상기 노드 A의 전압을 강하시키는 풀-다운(pull-down)부와; 상기 게이트전극 단자의 전압이 0일 경우 상기 노드 B의 전압을 0로 낮추는 리셋 다이오드를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로{PROTECTION CIRCUIT OF INSULATED GATE TYPE POWER DEVICE FOR SHORT-CIRCUIT WITHSTANDING}
본 발명은 부하의 단락시 전원부의 고전압으로 인해 전력소자가 파괴되는 것을 방지하기 위한 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로에 관한 것이다.
최근 600V 이상의 고전압 응용분야에 전력소자로서 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated-Gate Bipolar Transistor: 이하 IGBT라 칭함)가 많이 사용되고 있으며, 차세대 전력 소자로 IGBT에 비해 순방향 전압강하(forward voltage drop_가 적은 에미터 스위치트 사이리스터(Emitter Switched Thyristor: 이하 EST라 칭함)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[B. J. Baliga,Power Semiconductor Device, PWS Publishing Company, Boston, 1996].
IGBT, EST 등의 전력 소자 사용시, 사용자의 실수 혹은 기타 이유로 인해 주회로를 구성하는 부하(Load)가 단락(short) 되는 경우가 발생한다. 부하가 단락되면 전력소자에 전원부의 고전압이 그대로 인가되어 고전류가 흐르게 되어 결국 전력소자는 열로 인해 파괴된다. 이런 경우, 전력소자가 파괴되기 전에 부하의 단락 상황을 감지하여 전체적으로 회로의 전원을 차단하게 되는데, 차단 전까지 전력소자는 고전압 고전류 상황을 견디어야 한다. 산업용 모터 제어의 경우 통상 10㎲의 단락 유지 능력(short-circuit withstanding capability)을 요구하고 있다[M. Kudoh et al, "Current Sensing IGBT Structure with Improved Accuracy", Proc. of 1995 ISPSD, 119-122, 1995].
이러한 부하의 단락 상황에서 만일 전력 소자가 전류포화 특성을 지니지 못한다면 전류가 무한히 증가하게 되므로 전력소자는 열로 인해 파괴될 것이므로 전력소자의 전류포화 능력이 요구된다. IGBT는 자체적으로 소자의 항복전압까지의 전류포화 특성이 있으나, EST의 경우는 전류포화 특성이 EST 자체 내의 MOSFET 항복전압에 의해 15V 내외로 제한되어 있다. 따라서, EST의 경우 단락유지 능력이 매우 취약하다. IGBT의 경우도 단락유지 능력을 향상시키기 위하여 문턱전압(Threshold Voltage)을 증가시켜 전체적인 전류량과 발열량을 줄이고 있으나 이는 순방향 전압강하 또한 증가시키는 문제점이 있다.
IGBT의 경우 단락유지 능력을 향상시키기 위해 전류감지(current sensing), Vce 센싱(Vce sensing)과 같은 보호회로(protection circuit)가 제안된 바 있다[Z. John et al, "Monolithic Integration of the Vertical IGBT and Intelligent Protection Circuits", Proc. of 1996 ISPSD, 295-298, 1996].
그러나, 상기 전류센싱(current sensing) 방법의 경우 주(main) 소자와 센싱(sensing) 소자 사이의 전류비율을 일정하게 고정시키기가 어려워 정확한 센싱을 하기가 어려운 단점이 있으며, Vce 센싱의 경우 보호회로와 전력 소자를 함께 집적하기가 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 IGBT의 경우 종래 전류 센싱, Vce 센싱 방법을 사용하였을 때의 문제점을 극복할 수 있는 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 EST의 경우 본래 취약한 단락 유지 능력을 획기적으로 개선할 수 있는 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락상태 유지를 위한 보호회로를 구비한 IGBT 전력소자의 회로구성을 나타낸 도면,
도 2는 통상적인 IGBT의 전압-전류 곡선(①)과 본 발명에 따른 보호회로를 가지는 IGBT의 전압-전류 곡선(②) 및 도 1의 노드 A와 노드 B에서의 전압 특성을 나타낸 도면,
도 3의 (a)는 통상적인 GP7NB60HD의 전압-전류 특성을 나타낸 도면,
도 3의 (b)는 통상적인 GP7NB60HD의 전압-전류 특성과 보호회로를 가지는 GP7NB60HD의 전압-전류 특성을 비교하여 나타낸 도면,
도 4는 도 1에서 RG의 값이 10Kohm에 고정되고 RD의 값이 1Kohm, 6Kohm, 10Khom으로 바뀔 때 포화전류레벨의 변화를 나타낸 도면.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 부하의 단락시 전원부의 고전압으로 인해, 상기 부하에 애노드가 연결된 절연게이트형 전력소자가 파괴되는 것을 방지하기 위한 보호회로에 있어서, 게이트가 노드 A에서 상기 게이트절연형 전력소자의 게이트와 연결되고, 상기 애노드 전압을 노드 B로 전달하는 패스 트랜지스터와;
상기 절연게이트형 전력소자의 게이트전극 단자와 상기 노드 B와의 사이에 연결되고, 상기 노드 B에서의 전압이 문턱전압 이상일 경우 상기 노드 A의 전압을 강하시키는 풀-다운(pull-down)부와; 상기 게이트전극 단자의 전압이 0일 경우 상기 노드 B의 전압을 0로 낮추는 리셋 다이오드를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 풀-다운부는 게이트가 상기 노드 B에 연결되고, 소스/드레인 채널의 일측 단자가 상기 절연게이트형 전력소자의 케소드와 연결된 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)와; 상기 절연게이트형 전력소자의 게이트전극 단자와 노드 A 사이에 연결된 제1 저항소자와; 상기 제1 저항소자와 상기 소스/드레인 채널의 타측 단자에 연결된 제2 저항소자를 구비함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연게이트형 전력소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 또는 에미터 스위치트 사이리스트(Emitter Switched Thyristor)임을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락상태 유지를 위한 보호회로를 구비한 IGBT 전력소자의 회로구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 주 전력소자인 IGBT(100)는 보호회로(200)를 구비하며, 부하(300)와 연결된다.
상기 보호회로(200)는 패스 트랜지스터(210), 풀-다운부(220) 및 리셋 다이오드(230)를 포함하여 구성되며, 상기 풀-다운부(220)는 MOSFET(221)과 병렬연결된 두 개의 저항소자(222, 223)을 구비한다.
상기 패스 트랜지스터(210)는 게이트가 노드 A에서 상기 IGBT(100)의 게이트와 연결되어 애노드 전압(VA)을 노드 B로 전달하는 역할을 하며, IGBT, FET 등으로 구현할 수 있다.
상기 풀-다운부(220)는 IGBT(100)의 게이트전극 단자(Gate)와 노드 B와의 사이에 연결되며, 노드 B에서의 전압이 MOSFET(221)의 문턱전압 이상일 경우 노드 A의 전압을 강하시키는 역할을 한다. 이때, 전압강하의 정도는 상기 MOSFET(221)의 저항값과 저항소자 RG(222), RD(223)의 저항값에 의해 결정된다.
상기 리셋 다이오드(230)는 IGBT(100)의 게이트전극 단자(Gate)에서의 전압이 0일 경우 노드 B의 전압을 0로 낮추는 역할을 한다.
상기 구성을 갖는 보호회로를 구비한 IGBT 전력소자의 동작은 다음과 같다. 게이트 전압VG가 전력소자인 IGBT(100)를 턴-온(turn-on)시킬 정도로 충분히 높으면 패스 트랜지스터(210)가 도통되어 애노드 전압VA가 MOSFET M1(221)의 게이트로 전달(transfer) 되며, 그 상한은 VG- VT가 된다. 부하(300)의 단락 시에는 전원부의 고전압이 IGBT(100)의 애노드에 걸리게 된다. 노드 B에서의 전압이 MOSFET M1(221)의 문턱전압 이상으로 증가하면 노드 A 에서의 전압이 떨어지게 되는데, 전압 강하 정도는 MOSFET M1(221), RG(222), RD(223)의 저항값에 의해 결정된다. 다이오드 D1(230)은 게이트 전압VG가 0V 일 때, MOSFET M1(221)의 게이트 전압을 0V 근처로 낮추는 역할을 한다. 정상 동작 시에는 애노드 전압VA가 MOSFET M1의 문턱전압보다 낮아 보호회로에 영향을 받지 않는다.
도 2는 전술한 본 발명에 따른 보호회로의 특성을 검증하기 위해 IGBT를 이용한 시뮬레이션과 실험 결과를 종래 ISE[ISE Integrated Systems Engineering AG,Technoparkstrasse 1, CH -8005 Zurich, Switzerland. Modeling of Semiconductor Technology, Devices and Systems- ISE TCAD Manulas, Release 8.0, 2002]를 이용한 시뮬레이션 결과와 비교하여 도시한 것이다. 통상적인 IGBT의 전압-전류 곡선(①)과 보호회로를 가지는 IGBT의 전압-전류 곡선(②) 및 노드 A와 노드 B에서의 전압이 도시되어 있다. MOSFET M1의 문턱전압은 4.5V로 설정하였으며, 애노드 전압 VA가 4.5V 이상으로 증가하면 노드 A에서의 전압이 감소하기 시작하여 9.2V로 고정됨을 알 수 있다. 여기서 MOSFET M1의 문턱전압과 MOSFET M1, RG, RD의 저항비율을 조정함으로써 보호회로가 동작하는 애노드 전압과 포화전류레벨을 조절할 수 있다.
도 3은 600V 급 IGBT인 Stmiconics 사의 GP7NB60HD를 이용한 테스트회로를 통하여 실험으로 검증한 결과를 나타낸 것으로, 371A tracer를 사용하여 측정한 결과이다.
도 3의 (a)는 통상적인 GP7NB60HD의 전압-전류 특성을 나타낸 것으로, 게이트 전압VG가 15V 일 때, 동작전류는 7A 임에도 포화전류가 80A에 이름을 알 수 있다.
도 3의 (b)는 통상적인 GP7NB60HD의 전압-전류 특성과 보호회로를 가지는 GP7NB60HD의 전압-전류 특성을 나타낸 것으로, RG와 RD의 값은 각각 10Kohm과 1Kohm이다. 도 3의 (b)에서 순방향 전압 강하는 보호회로에 의하여 악화되지 않으며, 보호회로를 가지는 GP7NB60HD의 경우 최대전류가 25A 이하임을 알 수 있다.
도 4는 RG의 값이 10Kohm에 고정되고 RD의 값이 1Kohm, 6Kohm, 10Khom으로 바뀔 때 포화전류레벨의 변화를 나타낸 것이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들어, 전력소자로서 상시 실시예에 개시된 IGBT 외에 EST, MOSFET 등의 소자를 이용하여 구현할 수 있다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로에 의하면 IGBTDML 경우 기존의 문턱전압을 높이는 방법보다 순방향 전압강하가 줄어들게 되고, 전류센싱(current sensing)을 이용한 보호회로에 비해 센싱 정확도에 대한 문제가 적으며, Vce 센싱 방법에 비해서는 집적이 용이한 장점이 있다. 또한, EST의 경우엔 통상적인 EST가 단락유지 능력이 매우 약하므로 본 발명에 따른 보호회로를 사용할 경우 단락유지 능력이 현저히 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 부하의 단락시 전원부의 고전압으로 인해, 상기 부하에 애노드가 연결된 절연게이트형 전력소자가 파괴되는 것을 방지하기 위한 보호회로에 있어서,
    게이트가 노드 A에서 상기 게이트절연형 전력소자의 게이트와 연결되고, 상기 애노드 전압을 노드 B로 전달하는 패스 트랜지스터와;
    상기 절연게이트형 전력소자의 게이트전극 단자와 상기 노드 B와의 사이에 연결되고, 상기 노드 B에서의 전압이 문턱전압 이상일 경우 상기 노드 A의 전압을 강하시키는 풀-다운(pull-down)부와;
    상기 게이트전극 단자의 전압이 0일 경우 상기 노드 B의 전압을 0로 낮추는 리셋 다이오드를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 풀-다운부는
    게이트가 상기 노드 B에 연결되고, 소스/드레인 채널의 일측 단자가 상기 절연게이트형 전력소자의 케소드와 연결된 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)와;
    상기 절연게이트형 전력소자의 게이트전극 단자와 노드 A 사이에 연결된 제1 저항소자와;
    상기 제1 저항소자와 상기 소스/드레인 채널의 타측 단자에 연결된 제2 저항소자를 구비함을 특징으로 하는 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연게이트형 전력소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated-Gate Bipolar Transistor)임을 특징으로 하는 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연게이트형 전력소자는 에미터 스위치트 사이리스트(Emitter Switched Thyristor)임을 특징으로 하는 절연게이트형 전력소자의 단락상태 유지를 위한 보호회로.
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