KR20100080186A - 전력 변환 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 회로에 관한 것으로, 외부에 연결된 드라이버에 의해 ON 또는 OFF 되는 제 1 스위칭 소자, 상기 제 1 스위칭 소자에 직렬 연결되는 제 2 스위칭 소자 및 암단락 방지 기능을 가지면서 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자 사이에 연결되는 암단락 방지 다이오드를 포함한다.
전력 변환, IGBT, 다이오드

Description

전력 변환 회로{POWER TRANSFORMATION CIRCUIT}
본 발명은 암단락을 방지하기 위한 다이오드 및 전류의 서지를 보호하기 위한 제너 다이오드를 포함하는 전력 변환 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 전력용 액티브 반도체 소자를 모듈화하여 전력 변환 모듈을 구현하는데, 이 때 해당하는 전력 변환 회로에는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 IGBT(Insulater Gate Bipolar Transistor)와 같은 입력이 전압으로 구동하는 하프 브리지(Half Bridge), 풀 브리지(Full Bridge) 및 3 상 풀 브리지(3-Phase Full Bridge) 방식에 사용된다.
상기 장치 내의 스위치 소자는 일반적으로 IGBT가 널리 이용되고 있으며, 상기와 같은 장치의 50㎐~2㎑에서 전원이 ON 또는 OFF 되는 시에 발생하는 서지 전류로부터 상기 IGBT 소자를 보호하기 위한 보호 회로가 다양하게 이용되고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 목적은, 암단락 방지 다이오드 및 제너 다이오드를 포함하는 전력 변환 회로를 제공함에 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 예와 관련된 전력 변환 회로는, 외부에 연결된 드라이버에 의해 ON 또는 OFF 되는 제 1 스위칭 소자, 상기 제 1 스위칭 소자에 직렬 연결되는 제 2 스위칭 소자 및 암단락 방지 기능을 가지면서 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자 사이에 연결되는 암단락 방지 다이오드를 포함한다.
또한, 상기 암단락 방지 다이오드는, 상기 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터 및 출력단자에 연결되는 애노드 및 상기 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 콜렉터에 연결되는 캐서드를 포함한다.
또한, 상기 전력 변환 회로는, 상기 외부 드라이버에서 발생하는 전류의 서지로부터 상기 스위칭 소자를 보호하는 제너 다이오드를 더 포함하고, 상기 제너 다이오드는 상기 각각의 IGBT의 게이트와 이미터 사이에 서로 역방향으로 직렬 접속된다.
또한, 상기 전력 변환 회로는, 상기 암단락 방지 다이오드 및 상기 제너 다이오드가 포함되는 하나의 집적 모듈화이다.
또한, 상기 전력 변환 회로는, 스위칭 소자에 신호를 인가하는 고전압 칩(HVIC)을 더 포함하고, 상기 고전압 칩(HVIC)의 출력단자는 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결되고, 상기 고전압 칩(HVIC)의 그라운드는 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결된다.
또한, 상기 전력 변환 회로는, 스위칭 소자에 신호를 인가하는 고전압 칩(HVIC) 및 저전압 칩(LVIC)을 더 포함하고, 상기 고전압 칩(HVIC)의 출력단자는 상기 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결되고, 상기 고전압 칩(HVIC)의 그라운드는 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결되고, 상기 저전압 칩(LVIC)의 출력단자는 상기 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결되고, 상기 저전압 칩(LVIC)의 그라운드는 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 전력 변환 회로는 암단락 방지 및 정전기에 대한 내량 개선 등으로 상기 IGBT의 절연 파괴를 방지할 수 있는 이점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 회로도이다.
도 1을 참조하면, 상기 전력 변환 회로에는 스위칭 소자(111, 112), 프리휠 다이오드(121, 122), 암단락 방지 다이오드(130), 제너 다이오드(141, 142)를 포함한다.
상기 스위칭 소자(111, 112)는 입력되는 신호 시그널에 대응하여 스위치의 ON 또는 OFF를 제어한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 스위칭 소자는 IGBT(Insulater Gate Bipolar Transistor)를 이용한다. 상기 IGBT는 입력부의 임피던스가 무한 대에 가깝고 출력부의 콜렉터와 에미터 간의 전압은 트랜지스터의 특성을 갖는 전력용 반도체 소자이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 회로는 제 1 스위칭 소자 (111)및 제 2 스위칭 소자(112)를 포함한다. 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자는 직렬로 연결된다. 상기 제 1 스위칭 소자의 콜렉터는 상기 전력 변환 회로의 외부 콜렉터 단자로 연결되고, 상기 제 1 스위칭 소자의 에미터는 상기 전력 변환 회로의 출력 단자에 연결된다. 또한, 상기 제 2 스위칭 소자의 콜렉터는 상기 전력 변환 회로의 출력 단자에 연결되고, 상기 제 2 스위칭 소자의 에미터는 상기 전력 변환 회로의 외부 에미터 단자로 연결된다.
또한, 상기 전력 변환 회로는 상기 IGBT의 게이트 및 에미터 센스를 이용하여 외부 회로와 접속된다.
상기 프리휠 다이오드(121, 122)는 플라이휠 다이오드 또는 회생 다이오드로도 정의될 수 있다. 상기 프리휠 다이오드는 코일 등의 스위칭 소자를 구동함에 있어 ON 에서 OFF 가될 때 발생하는 역기전력이 발생하면, 상기 프리휠 다이오드를 통해 다시 출력으로 되돌려 주는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 스위칭 소자를 IGBT로 이용하는 경우에는, 상기 IGBT는 내부에 다이오드 소자를 포함하지 않으므로 역기전력이 발생할 때 상기 소자를 보호하기 위하여 다이오드와 함께 사용함이 일반적이다.
상기 프리휠 다이오드(121, 122)는 상기 IGBT 각각에 연결되고, 따라서 제 1 프리휠 다이오드 및 제 2 프리휠 다이오드를 포함한다.
상기 암단락 방지 다이오드(130)는 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자 사이에 연결된다. 상기 암단락이란, 상기 두 스위칭 소자가 동시에 ON이 되지 않도록 데드 타임(dead time)을 가지고 상기 스위칭 소자에 신호를 입력하는데, 시그널의 이상으로 상기 데드 타임의 딜레이에 변화가 생겨 두 개의 스위칭 소자가 동시에 ON 됨에 따라 소자의 파괴가 일어나는 현상을 의미한다.
상기 암단락 방지 다이오드(130)는 상기 암단락 현상을 방지하기 위하여, 에미터가 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT의 에미터 및 출력 단자에 연결되고, 캐서드가 상기 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT의 게이트 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 콜렉터에 연결된다.
상기 암단락 방지 다이오드(130)는 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT가 ON 되고, 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT가 OFF 되었을 경우나, 상기 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT가 OFF 되고, 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT가 ON 되었을 경우에는 단순히 전압 강화를 일으키는 저항 기능을 수행한다.
만약, 상기 전력 변환 회로에 데드 타임에 대한 잘못된 신호나 노이즈 등에 의하여 그 기능에 이상이 생겨, 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT와 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT가 동시에 ON 되고자 할 때에는, 상기 암단락 방지 다이오드(130)의 캐서드 측이 상기 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT의 게이트와 연결되어 있으므로, 상기 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT의 게이트의 구동 전압은 상기 암단락 방지 다이오드(130)의 구동 전압의 크기만큼만 가해질 수 있다. 따라서, 상기 암단락 방지 다이오드(130)에 의하여 상기 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT와 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT가 동시에 ON 될 수 없게 된다.
상기 제너 다이오드(141, 142)는 전류의 서지로부터 상기 스위칭 소자(111, 112)를 보호한다. 상기 제너 다이오드(141, 142)는 각각의 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이터와 이미터 사이에 서로 역방향으로 직력 접속 된다.
상기 제너 다이오드(141, 142)에 의한 제너 전압은, 상기 스위칭 소자에(111, 112)에 포함되는 IGBT의 게이트와 에미터 단자 사이에 인가되는 제어 전압 보다 높고, 상기 게이트와 에미터 단자 사이의 파괴 전압보다 낮다.
따라서, 상기 제너 다이오드(141, 142)에 의하여 상기 전력 변환 회로가 정전기에 노출 되어을 때, 상기 제너 다이오드가 안전한 값으로 클램프를 하므로 운반, 장착, 동작시에 상기 IGBT의 파손을 방지하게 된다.
상기 제너 다이오드(141, 142)는 각각의 스위칭 소자(111, 112)에 연결되므로 제 1 제너 다이오드(141) 및 제 2 제너 다이오드(142)를 포함한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Full-Bridge 및 3-Phase Full- Bridge 전력 변환 회로도이다.
도 2a를 참조하면, 상기 Full-Bridge 회로는 상기 도 1의 전력 변환 회로인 Half-Bridge 회로를 병렬로 연결하여 2개의 출력 단자를 포함한다. 상기 Full-Bridge 회로는 2개의 출력단자를 포함하므로, 단상 전원에 적용될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 3-Phase Full-Bridge 회로는 상기 도 1의 전력 변환 회로인 Half-Bridge 회로를 병렬로 연결하여 3개의 출력 단자를 포함한다. 상기 3-Phase Full-Bridge 회로는 3개의 출력 단자를 포함하므로, 3상 전원에 적용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 상기 스위칭 소자에 신호를 인가하는 IC를 더 포함하는 전력 변환 회로도들이다.
도 3a는 하나의 고전압 칩(HVIC:High Voltage IC)을 포함하는 전력 변환 회로도이고, 도 3b는 고전압 칩(HVIC:High Voltage IC) 및 저전압 칩(LVIC:Low Voltage IC)을 포함하는 전력 변환 회로도이다.
상기 스위칭 소자(111, 112)에 포함되는 IGBT는 수동 소자로 전원의 ON 또는 OFF를 제어하는 기능이 없다. 따라서 외부로부터 전원 신호의 입력이 필요하고, 상기 스위칭 소자(111, 112)에 전원 신호를 입력할 수 있는 장치로 HVIC (High Voltage IC)또는 LVIC(Low Voltage IC)를 이용할 수 있다.
상기 HVIC 또는 LVIC는 CPU, MCU 또는 SMPS 등이 이용될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 변환 회로는 HVIC(151) 및 LVIC(152)를 포함한다.
상기 HVIC(151)의 출력 단자는 상기 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결된다. 또한, 상기 HVIC(151)의 그라운드는 제 1 스위칭 소자(111)에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결된다.
상기 LVIC(152)의 출력 단자는 상기 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결된다. 또한, 상기 LVIC(152)의 그라운드는 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결된다.
도 3b를 참조하면, 상기 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 변환 회로는 상기 LVIC를 하나의 HVIC로 대체하여 사용한다.
상기 HVIC(153)의 출력 단자는 상기 제 1 스위칭 소자(111) 및 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결된다. 또한, 상기 HVIC(153)의 그라운드는 제 1 스위칭 소자(111) 및 제 2 스위칭 소자(112)에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 암단락 방지 다이오드 및 제너 다이오드가 집적된 전력 변환 회로 모듈을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 전력 변환 모듈은 제 1 스위칭 소자(411) 및 제 2 스위칭 소자(412), 제 1 프리휠 다이오드(421) 및 제 2 프리휠 다이오드(422), 암단 락 방지 다이오드(430) 및 제 1 제너 다이오드(441) 및 제 2 제너 다이오드(442)를 포함한다.
상기 전력 변환 모듈에는 상기 암단락 방지 다이오드(430) 및 제너 다이오드(441, 442)가 집적화를 통하여 하나의 모듈에 포함된다.
상기 암단락 방지 다이오드(430) 및 제너 다이오드(441, 442)가 하나의 모듈로 집적화되어, 상기 회로 구성시 하나의 모듈 장치로 이용할 수 있고 생산 비용을 절감할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되고 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 범위에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 회로도.
도 2a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Full-Bridge 전력 변환 회로도들.
도 2b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3-Phase Full- Bridge 전력 변환 회로도들.
도 3a 및 도 3b는 상기 스위칭 소자에 신호를 인가하는 IC를 더 포함하는 전력 변환 회로도들.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 암단락 방지 다이오드 및 제너 다이오드가 집적된 전력 변환 회로의 모듈을 설명하는 도면.

Claims (7)

  1. 외부에 연결된 드라이버에 의해 ON 또는 OFF 되는 제 1 스위칭 소자;
    상기 제 1 스위칭 소자에 직렬 연결되는 제 2 스위칭 소자; 및
    암단락 방지 기능을 가지면서 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자 사이에 연결되는 암단락 방지 다이오드를 포함하는 전력 변환 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자는 각각,
    IGBT 및
    상기 IGBT에 인가되는 역기전력을 방지하는 프리휠 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 암단락 방지 다이오드는,
    상기 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터 및 출력단자에 연결되는 애노드 및
    상기 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 콜렉터에 연결되는 캐서드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는,
    상기 외부 드라이버에서 발생하는 전류의 서지로부터 상기 스위칭 소자를 보호하는 제너 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제너 다이오드는 상기 각각의 IGBT의 게이트와 이미터 사이에 서로 역방향으로 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는,
    상기 암단락 방지 다이오드 및 상기 제너 다이오드가 포함되는 하나의 집적 모듈화인 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는,
    스위칭 소자에 신호를 인가하는 고전압 칩(HVIC)을 더 포함하고,
    상기 고전압 칩(HVIC)의 출력단자는 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결되고,
    상기 고전압 칩(HVIC)의 그라운드는 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 전력 변환 회로는,
    스위칭 소자에 신호를 인가하는 고전압 칩(HVIC) 및 저전압 칩(LVIC)을 더 포함하고,
    상기 고전압 칩(HVIC)의 출력단자는 상기 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결되고, 상기 고전압 칩(HVIC)의 그라운드는 제 1 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결되고,
    상기 저전압 칩(LVIC)의 출력단자는 상기 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 게이트에 연결되고, 상기 저전압 칩(LVIC)의 그라운드는 제 2 스위칭 소자에 포함되는 IGBT의 에미터에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
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