KR20110139144A - 반도체 스위칭 시스템 - Google Patents

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Abstract

일 실시형태에 따르면, 반도체 스위치는 스위칭 소자와 역병렬 다이오드를 포함하는 제1 소자를 포함한다. 스위칭 소자는 항복 전압을 가지며, 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합된다. 반도체 스위치는 제1 소자의 항복 전압보다 낮은 항복 전압을 가지는 제2 소자를 더 포함한다. 제2 소자는 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합된다. 반도체 스위치는 또한 제1 소자의 항복 전압과 실질적으로 유사한 항복 전압을 가지는 환류 다이오드를 포함한다. 제1 소자의 부극은 제2 소자의 부극에 접속되며, 환류 다이오드는 제1 소자의 정극 단자와 제2 소자의 정극 단자 사이에서 병렬로 접속된다. 제1 소자용의 제어 단자와 제2 소자용의 제어 단자는 서로 독립적으로 하나 이상의 제어 회로에 결합된다.

Description

반도체 스위칭 시스템{SEMICONDUCTOR SWITCHING SYSTEM}
본원에 설명된 실시형태들은 일반적으로 전기 소자에 관한 것이다.
종래, 주 회로의 스위칭 소자에 환류 다이오드(freewheeling diode)가 역병렬 접속되는 전력 변환 회로의 일례로서, 전압 구동형 스위칭 소자와 역병렬 다이오드로 각각 형성된 보조 소자와 주 소자를 직렬 접속함으로써 브리지 회로의 일 암(arm)에 상당하는 반도체 스위치를 구성한 전력 변환 회로가 알려져 있다. 또한, 주 소자와 보조 소자의 직렬 접속에 대하여 주 소자의 내압(withstanding voltage)과 동등한 내압을 가지는 고속 환류 다이오드를 역병렬 접속한다.
상술과 같은 이러한 전력 변환 회로에서는, 부하 전류가 과대하거나 장치의 온도가 규정값 이상이 되는 등의 원인에 의해 장치가 비정상적으로 정지한다면, 브리지 회로의 상하 암 각각의 주 소자에 오프 신호가 입력되어, 게이트-오프 상태가 된다. 이 때, 주 소자에 동기하여 보조 소자에도 오프 신호가 계속 입력된다. 이는, 각 암의 보조 소자에 전류를 공급하기 어렵게 만든다. 그래서, 고속 환류 다이오드를 통하여 주 전류가 계속해서 흐른다. 게이트 오프 상태 동안 흐르는 전류는 1상(single-phase)분의 브리지 회로에서 일방의 반도체 스위치가 오프하고 나서 타방의 반도체 스위치가 온 할 때까지의 기간, 즉, 데드 타임 기간(dead time interval) 동안에만 전류가 흐르는 통상의 동작에 비해서 평균치가 급격하게 증가한다. 이에 따라 고속 환류 다이오드에서 발생하는 손실, 즉 발열량도 대폭 상승한다. 따라서, 고속 환류 다이오드에 요구되는 냉각의 설계도 엄격해지는 문제점이 있다. 최근, 고속 다이오드의 일례로서 SiC 다이오드가 주목을 받고 있지만, SiC 다이오드는 여전히 고가이다. 따라서, 비교적 저렴한 가격으로 실현할 수 있는 저내압 저용량의 SiC 다이오드와, 이러한 SiC 다이오드를 포함하는 회로 구현이 요구된다.
일 실시형태에 따르면, 반도체 스위치는 스위칭 소자와 역병렬 다이오드를 포함하는 주 소자를 포함한다. 스위칭 소자는 고내압이며 하나의 제어 단자 및 두 개의 주 단자에 제공된다. 반도체 스위치는 주 소자의 내압보다 낮은 내압을 가지는 보조 소자를 더 포함한다. 보조 소자는 하나의 제어 단자와 두 개의 주 단자에 제공된다. 반도체 스위치는 주 소자의 내압과 동등한 내압을 가지는 환류 다이오드를 더 포함한다. 주 소자의 부극은 보조 소자의 부극에 접속되어, 주 소자의 정극이 정극 단자로서 사용되며 보조 소자의 정극이 부극 단자로서 사용된다. 또한, 환류 다이오드는 정극 단자와 부극 단자 사이에서 병렬로 접속되어, 부극 단자로부터 정극 단자로 향하는 방향이 순방향이 된다. 반도체 스위치는 서로 독립적으로 주 소자와 보조 소자의 온-오프 제어를 수행하는 단자를 더 포함한다.
도 1은 제1 실시형태의 반도체 스위치를 나타내는 회로도.
도 2는 제2 실시형태의 반도체 스위치를 나타내는 회로도.
도 3은 제3 실시형태의 반도체 스위치를 나타내는 회로도.
도 4는 제4 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타내는 회로도.
도 5는 제5 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타내는 회로도.
도 6은 제6 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타내는 회로도.
도 7은 제7 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타내는 회로도.
도 8은 제8 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타내는 회로도.
도 9는 제9 실시형태의 전력 변환 장치를 나타내는 회로도.
도 10은 제10 실시형태의 전력 변환 장치를 나타내는 회로도.
도 11은 제11 실시형태의 전력 변환 회로 소자를 나타내는 평면도 및 사시도.
도 12a는 제1 실시형태의 반도체 스위치에서의 주 소자가 턴 오프, 보조 소자가 턴 온일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도.
도 12b는 주 소자와 보조 소자가 모두 턴 오프일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도.
첨부 도면들을 참조하여 특정 실시형태들을 설명한다. 본 발명에서, 동일 또한 유사한 회로 구성 요소는 동일 또는 유사한 참조 부호를 사용하여 설명된다.
[제1 실시형태]
도 1은 제1 실시형태의 전력 변환 장치에서의 1 브리지 회로의 상부 암의 반도체 스위치(6a)를 나타낸다. 하부 암의 반도체 스위치(6b)는 반도체 스위치(6a)와 동일한 회로 구성을 가지므로, 여기에서는 상부 암의 반도체 스위치(6a)에 대해서만 설명한다. 또한, 상하 암의 반도체 스위치(6a, 6b)를 서로 구별할 필요가 없는 한, "반도체 스위치(6)"의 일반화된 용어를 사용한다.
본 실시형태에서의 반도체 스위치(6)는 고내압의 전압 구동형 스위칭 소자(1a)와 고내압의 역병렬 다이오드(2a)로 형성된 주 소자(3)와, 주 소자(3)에 비해서 내압이 낮은 전압 구동형 스위칭 소자(1b)와 역병렬 다이오드(2b)로 형성된 보조 소자(5)를 포함한다. 주 소자(3)와 보조 소자(5)의 부극들은 서로 접속되어 있다. 주 소자(3)의 정극은 정극 단자(7)에 접속되어 있으며, 보조 소자(5)의 정극 단자는 부극 단자(8)에 접속되어 있다. 고속 환류 다이오드(4)는 주 소자(3)와 보조 소자(5)의 직렬 접속에 대하여 역병렬로 접속되어 있다. 본 실시형태의 반도체 스위치(6)에서는, 주 소자(3)의 제어 단자(11)와 보조 소자(5)의 제어 단자(12)를 개별적으로 제공하여, 주 소자(3)과 보조 소자(5)를 개별적으로 제어하도록 하고 있다. 도 1에서, 참조 부호 9는 주 소자 부극 단자를 나타내며, 참조 부호 10은 보조 소자 부극 단자를 나타낸다.
반도체 스위치(6)는 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 동작한다. 순방향, 즉 정극 단자(7)로부터 부극 단자(8)로 주 전류가 흐르는 경우에, 온-신호가 주 소자(3) 및 보조 소자(5)에 입력된다. 이는 주 소자(3)의 전압 구동형 스위칭 소자(1a) 및 보조 소자(5)의 전압 구동형 스위칭 소자를 통해서 전류가 흐르는 것을 의미한다. 역방향, 즉 부극 단자(8)로부터 정극 단자(7)로 주 전류가 흐르는 경우에도, 온 신호가 보조 소자(5)에 입력된다. 이는 부극 단자(8)로부터 유입한 주 전류가 보조 소자(5)의 전압 구동형 스위칭 소자(1b)와 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 정극 단자(7)로 흐르는 것을 의미한다(도 12a의 전류 흐름(31a) 참조). 이때, 주 소자(3)가 턴 오프된다면, 보조 소자(5)도 동기해서 턴 오프된다. 이러한 전류는 보조 소자(5)의 전압 구동형 스위칭 소자(1b)를 통과하지 못하게 되어, 고속 환류 다이오드(4)를 향하여 전류 흐름이 바뀌게 된다(도 12b의 전류 흐름(31b) 참조). 이러한 구성을, 상부 암의 반도체 스위치(6a)와 하부 암의 반도체 스위치(6b)로 형성된 1상분의 브리지 회로에 적용하면, 일방의 반도체 스위치(6a)가 턴 온 하더라도, 타방의 반도체 스위치(6b)(오프 상태로 남아있음)에서 주 전류는 고속 환류 다이오드(4)를 향하여 전류 흐름이 바뀌게 된다. 이는 역병렬 다이오드(2a)로 역 회복 전류가 흐르는 것을 방지함으로써, 역 회복 현상이 효과적으로 억제된다. 1상분의 브리지 회로에서의 통상의 동작 동안에는, 일방의 반도체 스위치(6a)가 오프하고 나서 타방의 반도체 스위치(6b)가 온 하는 기간, 즉 데드 타임 기간 동안에만 전류가 고속 환류 다이오드(4)로 흐른다. 따라서, 평균 순방향 전류는 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 흐르는 전류보다 작게 된다. 일반적인 다이오드에 전류가 흐름에 따라, 전류치에 대응한 전압 강하(온-전압)가 발생하며, 그 결과 전압 손실이 된다. 온-전압은 흐르는 전류에 비례하여 증가되기 때문에, 흐르는 전류가 커지면 손실도 증가한다. 따라서, 정상 동작 동안, 고속 환류 다이오드(4)의 평균 순방향 전류는 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)의 평균 순방향 전류보다 작게 된다. 이는 손실, 즉 발열량이 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)에서 발생된 발열양보다 작게 된다는 것을 의미한다.
과대한 부하 전류나 장치 온도가 규정값을 초과하는 등의 원인에 의해 장치가 비정상적으로 정지했을 경우에, 상하 암의 반도체 스위치(6a, 6b)의 스위칭 소자(1a, 1b)에 동시에 오프 신호가 입력되면, 장치는 게이트-오프 상태가 된다. 주 소자(3)의 스위칭 소자(1a)와 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b) 모두에 오프 신호가 계속 입력되면, 보조 소자(5)를 통하여 전류를 흘릴 수 없게 될 수 있다. 이러한 이유로, 고속 환류 다이오드(4)를 향하여 주 전류가 계속해서 흐르게 된다. 따라서, 데드 타임 기간 동안에만 전류가 흐르는 통상의 동작에 비하여, 평균 전류치가 대폭 증가된다. 이는, 고속 환류 다이오드(4)에서 발생된 손실, 즉 발열량의 대폭 상승을 수반한다.
한편, 본 실시형태의 반도체 스위치(6)에는 주 소자(3)의 스위칭 소자(1a)와 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)에 개별적으로 게이트 신호를 공급하는 제어 단자(11, 12)가 제공된다. 따라서, 게이트 오프 상태가 되었을 경우에는, 후술하는 실시형태의 반도체 제어 장치(18)의 회로 구성이, 주 소자(3)의 스위칭 소자(1a)에 오프 신호를 공급하고, 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)에 온 신호를 공급함으로써, 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)를 온 상태로 유지하는 제어를 수행할 수 있다. 이러한 제어를 수행함으로써, 부극 단자(8)로부터 정극 단자(7)로 흐르는 주 전류는 온 상태로 유지되는 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)를 통하여 위로 통과하고, 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 순방향으로 흐른다. 이는 게이트 오프 상태의 고속 환류 다이오드(4)가 비교적 저내압이며 저용량의 SiC 다이오드로 형성될 경우에도, 높은 전류가 장시간 공급되지 않게 하여, 고속 환류 다이오드(4)의 보호에 도움이 된다. 이러한 특징에 의해, 고속 환류 다이오드(4)에 관한 냉각 설계를 간소하게 구현할 수 있다.
[제2 실시형태]
도 2는 제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치(6A)는 주 소자(3)와 보조 소자(5)의 위치가 서로 교체된 것이 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 반도체 스위치(6)와 상이하다. 반도체 스위치(6A)의 동작 원리는 제1 실시형태의 반도체 스위치(6)와 동일하다.
[제3 실시형태]
도 3은 제3 실시형태의 반도체 스위치(6B)를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치(6B)는 고속 환류 다이오드(4)와 보조 소자(5)를 직렬로 접속하고, 고속 환류 다이오드(4)와 보조 소자(5)의 직렬 접속에 대하여 주 소자(3)를 병렬로 접속한 구성을 가진다.
본 실시형태의 반도체 스위치(6B)에서는 보조 소자(5)와 고속 환류 다이오드(4)가 직렬로 접속되어 있기 때문에, 보조 소자(5)가 온 상태일 경우에는 고속 환류 다이오드(4)에 전류를 공급할 수 있다. 보조 소자(5)를 오프 상태로 함으로써 고속 환류 다이오드(4)의 전류 흐름 경로가 차단된다. 본 실시형태에서는 주 소자(3)의 제어 단자(11)와 보조 소자(5)의 제어 단자(12)를 개별적으로 제공하여, 주 소자(3)와 보조 소자(5)를 개별적으로 제어하는 것이 가능하다. 다만, 본 실시형태의 경우, 데드 타임 기간 동안에는 주 소자(3)를 턴 오프하고, 보조 소자(5)를 턴 온 함으로써 고속 환류 다이오드(4)를 통하여 전류를 흘린다. 게이트 오프 상태에서는 주 소자(3)와 보조 소자(5)를 동시에 턴 오프하여, 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)에 주 전류를 흘려보낸다. 이에 의해, 고속 환류 다이오드(4)를 보호할 수 있다.
[제4 실시형태]
도 4는 제4 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18)는 제1 실시형태 내지 제3 실시형태의 반도체 스위치들(6, 6A, 6B) 중 어느 하나를 제어하는데 사용된다. 본 실시형태에서는 반도체 스위치 제어 장치(18)가 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 반도체 스위치(6)를 제어하는 일례에 대하여 설명한다.
반도체 스위치 제어 장치(18)는 전압 증폭 회로(14a, 14b)에 의해 각각 증폭되어 출력되는 주 소자 제어 신호(16) 및 보조 소자 제어 신호(17)를 개별적으로 발생시키는 게이트 신호 발생 회로(50)를 포함한다. 주 소자(3)에 대응하는 전압 증폭 회로(14a)의 출력은 저항(13a)을 거쳐서 주 소자 제어 단자(11)에 결합된다. 주 소자(3)에 대응하는 전압 증폭 회로용 전원(15a)의 부극은 주 소자 부극 단자(9)에 접속된다. 한편, 보조 소자(5)에 대응하는 전압 증폭 회로(14b)의 출력은 저항(13b)을 거쳐서 보조 소자 제어 단자(12)에 결합된다. 보조 소자(5)에 대응하는 전압 증폭 회로용 전원(15b)의 부극은 보조 소자 부극 단자(10)에 접속된다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18)에서는 주 소자 제어 신호(16)와 보조 소자 제어 신호(17)를 서로 개별적으로 생성한다. 이는, 비정상적인 정지에 의해 주 소자(3)가 오프 상태로 지속된 경우에도, 보조 소자(5)를 제어함으로써 주 전류가 고속 환류 다이오드(4)로 계속해서 흐르지 않게 한다. 즉, 게이트 오프 상태가 되면, 반도체 제어 장치(18)는 주 소자(3)의 스위칭 소자(1a)의 제어 단자(11)에는 오프 신호를 인가하고, 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)의 제어 단자(12)에는 온 신호를 인가함으로써 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)를 온 상태로 유지시키는 제어를 수행할 수 있다. 이러한 제어를 수행함으로써, 부극 단자(8)로부터 정극 단자(7)로 흐르는 주 전류는 온 상태로 유지되는 보조 소자(5)의 스위칭 소자(1b)를 통하여 위로 통과하고, 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 순방향으로 흐른다. 이는 게이트 오프 상태의 SiC 다이오드로 형성되는 비교적 저내압이며 저용량의 고속 환류 다이오드(4)에 장시간 고전류가 공급되는 것을 방지하여, 고속 환류 다이오드(4)의 보호를 도울 수 있다. 이러한 특징에 의해, 고속 환류 다이오드(4)에 관한 냉각 설계를 간소하게 구현할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 도 4의 반도체 스위치(6)는 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 반도체 스위치와 동일한 구성을 가지나, 그 대신에, 도 2에 나타낸 제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)를 채용할 수 있다. 이러한 경우에, 상술한 것과 동일한 방식으로 제어가 수행될 수 있다. 다른 대안으로서, 도 1에 나타낸 반도체 스위치(6) 대신에, 도 3에 나타낸 제3 실시형태의 반도체 스위치(6B)를 채용해도 좋다. 이러한 경우에는, 게이트 오프 상태일 때, 상기와는 반대로 주 소자(3)와 보조 소자(5)를 동시에 턴 오프 시킴으로써, 주 전류가 부극 단자(8)로부터 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 정극 단자(7)로 흐르도록 제어한다.
[제5 실시형태]
도 5는 제5 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치 제어장치(18A)는 제4 실시형태의 제어 장치(18)의 구성 외에도, 로직 회로(19a, 19b)와, 강제 턴 오프 신호 발생 회로(20)를 더 포함한다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18A)는 통상의 상태에서는 게이트 신호 발생 회로(50)로 하여금 로직 회로(19a, 19b)에 공통 제어 신호(21)를 출력한다. 통상의 상태에서의 강제 턴 오프 신호 발생 회로(50)로부터 강제 턴 오프 신호가 입력되지 않는 경우에, 로직 회로(19a, 19b)는 주 소자 제어 신호(16)와 보조 소자 제어 신호(17)에 공통 제어 신호(21)를 출력하는 기능을 한다. 한편, 전류 검출기 CT에 의해 검출된 부하 전류가 과대해져, 장치의 온도가 규정 값을 초과하는 비정상이 발생하면, 강제 턴 오프 신호 발생 회로(20)는 강제 턴 오프 신호(22)를 출력하여 로직 회로(19a)에 의해 주 소자(3)를 턴 오프 상태로 한다. 동시에, 로직 회로(19b)가 주 소자(5)에 온 신호를 인가하여, 주 전류가 부극 단자(8)로부터 보조 소자(5) 및 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 정극 단자(7)로 흐르게 한다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18A)에서는, 상술된 기능에 의해 장치의 비정상 정지시에 고속 환류 다이오드(4)로 전류가 흐르지 않게 된다. 이는 고속 환류 다이오드(4)의 전류 분담을 감소시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 이는 게이트-오프 상태의 SiC 다이오드로 형성되는 비교적 저내압이며 저용량의 고속 환류 다이오드(4)에 높은 전류가 장시간 공급되지 않게 하여, 고속 환류 다이오드(4)의 보호에 도움이 된다. 이러한 특징으로 인하여, 고속 환류 다이오드(4)에 관한 냉각의 설계가 간소하게 구현될 수 있다.
도 5에 나타낸 본 실시형태의 반도체 스위치(6)는 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 반도체 스위치와 동일한 구성을 가지지만, 이 대신에, 도 2에 나타낸 제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)를 채용하여도 좋다. 이 경우의 제어는 상기한 것과 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 대안으로서, 도 1에 나타낸 반도체 스위치(6) 대신에 도 3에 나타낸 제3 실시형태의 반도체 스위치(6B)를 채용하여도 좋다. 이 경우의 제어는 게이트 오프 상태일 때에 주 소자(3)와 보조 소자(5)를 동시에 턴 오프 시킴으로써, 주 전류가 부극(8)으로부터 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 정극(7)으로 흐르도록 수행되어도 좋다.
본 실시형태에서는, 부하 전류가 비정상적으로 증대되었을 경우, 부하 출력에 급격한 온도 상승이 보여진다. 이러한 관점에서, 전류 검출기 CT 대신에 온도 센서를 설치하여, 온도 검출 신호에 기초하여 강제 턴 오프 신호 발생 회로(20)가 강제 턴 오프 신호(22)를 출력하여도 좋다.
[제6 실시형태]
도 6은 제6 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18B)는, 제4 실시형태의 제어 장치(18)의 구성 외에, 보조 소자 제어 측에 설치된 로직 회로(19)를 포함한다. 게이트 신호 발생 회로(50)로부터 생성된 게이트 제어 신호(21)를 그대로 주 소자 전압 증폭기(14a)에 인가한다. 이와 동시에, 게이트 제어 신호(21)에 의해 로직 회로(19)를 통과시킴으로써 보조 소자 제어 신호(17)가 생성된다. 보조 소자 제어 신호(17)가 보조 소자 전압 증폭기(14b)에 인가된다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18B)에서는 주 소자 제어 신호(16)에 결합되는 게이트 제어 신호(21)가 로직 회로(19)에 입력된다. 몇몇 실시형태에서의 로직 회로(19)에 의해, 주 소자 제어 신호(16)가 오프를 출력하는 순간으로부터 데드 타임 기간에 상당하는 기간(1상분의 브리지 회로에서 일방의 반도체 스위치(6a)가 오프 하고나서 타방의 반도체 스위치(6b)가 온 할 때까지의 기간) 동안에만, 고속 환류 다이오드(4)에 전류를 공급함으로써, 보조 소자 제어 신호(17)를 출력한다. 상기 이외의 기간에는 보조 소자(5)가 온 상태로 유지된다.
이에 따라, 본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18B)에서는, 데드 타임 기간에 상당하는 상기 기간 이외의 기간에서는, 주 소자(3)의 역병렬 다이오드(2a)에 전류를 공급할 수 있다. 이는 고속 환류 다이오드(4)의 전류 분담을 감소시킬 수 있다. 제4 실시형태와 마찬가지로, 이는, 게이트 오프 상태에서 SiC 다이오드로 형성된 비교적 저내압이며 저용량의 고속 환류 다이오드(4)에 높은 전류가 장시간 공급되는 것을 방지하여, 고속 환류 다이오드(4)를 보호하는데 도움이 된다. 이러한 특징으로 인하여, 고속 환류 다이오드(4)에 관한 냉각 설계가 간소하게 구현될 수 있다.
도 6에 나타낸 본 실시형태의 반도체 스위치(6)는 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 반도체 스위치와 동일한 구성을 가지지만, 이 대신에, 도 2에 나타낸 제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)가 채용되어도 좋다. 이러한 경우의 제어는 상술한 바와 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 다른 대안으로서, 도 1에 나타낸 반도체 스위치(6) 대신에, 도 3에 나타낸 제3 실시형태의 반도체 스위치(6B)을 채용하여도 좋다. 이러한 경우의 제어는 게이트 오프 상태일 때에 주 소자(3)와 보조 소자(5)를 동시에 턴 오프 시킴으로써, 주 전류가 부극 단자(8)로부터 역병렬 다이오드(2a)를 통하여 정극 단자(7)로 흐르도록 행하여도 좋다.
[제7 실시형태]
도 7은 제7 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18C)는 게이트 신호 발생 회로(50)가 게이트 제어 신호(16, 17)를 개별적으로 출력한다는 점이 제4 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18)와 상이하다. 보조 소자 제어 계통에는 로직 회로(19A)가 포함되어 있어, 로직 회로(19A)의 출력을 보조 소자 제어 신호(17')로서 사용한다. 또한, 고속 환류 다이오드(4)의 온도를 검출하는 온도 검출기(31)를 제공해서 그 온도 검출 신호를 로직 회로(19A)에 입력한다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18C)에서는 통상의 동작 동안에 게이트 신호 발생 회로(50)의 게이트 제어 신호(16, 17)를 그대로 주 소자 제어 신호(16) 및 보조 소자 제어 신호(17')로서 반도체 스위치(6)의 제어 단자(11, 12)에 입력한다. 게이트 오프 상태에서는 제4 실시형태에서 설명된 것과 동일한 방식으로 반도체 스위치 제어 장치(18C)가 동작한다.
고속 환류 다이오드(4)의 온도가 상승해서 온도 검출기(31)에 의해 검출된 온도값이 규정 온도 값을 초월했을 경우, 로직 회로(19A)는 고속 환류 다이오드(4)에 전류를 흘려보내지 않도록 보조 소자 제어 신호(17')를 출력한다. 즉, 로직 회로(19A)는 보조 소자(5)를 온 상태로 하는 보조 소자 제어 신호(17')를 출력한다. 이러한 특징으로 인해, 제4 실시형태에 의해 제공된 유리한 효과 이외에, 게이트 오프 상태에서의 고속 환류 다이오드(4)의 보호와 함께, 어떤 원인에 의하여 고속 환류 다이오드(4)의 온도가 비정상적으로 상승할 경우에도 그 과열을 방지할 수 있다.
[제8 실시형태]
도 8은 제8 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18D)는 도 7에 나타낸 제7 실시형태의 온도 검출기(31) 대신에, 고속 환류 다이오드(4)를 통하여 흐르는 전류의 전압을 검출하는 전압 검출기(32)와, 전류를 검출하는 전류 검출기(33)가 제공되며, 전압 검출기(32)와 전류 검출기(33)의 검출 신호를 로직 회로(19B)에 입력하도록 구성되어 있다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18D)에서는, 통상뿐만 아니라 및 게이트 오프 시의 주 소자(3)와 보조 소자(5)의 온/오프 제어가 제4 실시형태에서 설명된 방식과 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 반도체 스위치 제어 장치(18D)는 다음 보호 동작을 수행한다.
제1 실시형태의 반도체 스위치(6) 또는 제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)를 채용한 전력 변환 장치에서는, 고속 환류 다이오드(4)가 오픈 파괴(open failure)를 일으켰을 경우, 보조 소자(5)가 오프 상태에 있다면 환류(정류) 모드의 때에 전류가 흐르는 경로가 없어진다. 그래서, 고속 환류 다이오드(4)의 전압과 전류를 전압 검출기(32)와 전류 검출기(33)로 각각 검출한다. 로직 회로(19B)는 검출된 전압 및 전류치에 기초하여 고속 환류 다이오드(4)에 오픈 파괴가 발생했는지를 판정한다. 오픈 파괴가 발생했다고 판정되었다면, 보조 소자(5)를 온 상태로 유지하여 전류가 흐르는 경로를 확보한다.
로직 회로(19B)는 이하와 같이 오픈 파괴가 발생했는지를 판정한다. 다이오드의 특성상, 정상 동작시에는 순전압이 다이오드에 걸리면 전류가 흐른다. 한편, 오픈 파괴가 발생하면, 순전류가 다이오드에 걸려와도 전류는 흐르지 않는다. 그래서, 본 실시형태에서는, 전압 검출기(32)와 전류 검출기(33)의 검출 신호에 기초하여 순전압을 검출한다. 전류치가 0 이라면, 고속 환류 다이오드(4)가 오픈 파괴를 일으켰다고 판단한다.
본 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치(18D)에서는 전압 검출기(32) 및 전류 검출기(33)에 의해 검출된 전압 및 전류치를 이용하여 고속 환류 다이오드(4)에서의 오픈 파괴의 발생을 판정한다. 오픈 파괴가 발생했다고 판정되면, 보조 소자(5)를 온 상태로 유지시켜 전류가 흐르는 경로를 확보한다.
[제9 실시형태]
도 9는 제9 실시형태의 전력 변환 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 전력 변환 장치는, 제2 실시형태 또는 제3 실시형태의 반도체 스위치(6A 또는 6B)를 2개 직렬 접속하여 형성한 브리지 회로(24)를 1상 이상 포함한다. 이러한 전력 변환 장치에서는, (정극 단자 직류 모선(bus bar; 27)에 접속되는) 반도체 스위치(6Aa)의 주 소자(3a)의 전압 증폭 회로(14a)에 대한 전원과, (부극 단자 직류 모선(28)에 접속되는) 반도체 스위치(6Ab)의 보조 소자(5b)의 전압 증폭 회로(14b)에 대한 전원이 1개의 전원(15)을 공유하도록 설계되어 있다.
제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)를 사용한 경우, 상하의 반도체 스위치(6Aa, 6Ab)를 직렬 접속하여 브리지 회로(24)가 형성될 수 있다. 제3 실시형태의 반도체 스위치(6B)를 사용한 경우, 상하의 반도체 스위치(6Ba, 6Bb)를 직렬 접속하여 브리지 회로(24)가 형성될 수 있다. 상부 정극 단자를 참조 부호 7a로 나타내고, 하부 정극 단자를 참조 부호 7b로 나타낸다. 상부 부극 단자를 참조 부호 8a로 나타내고, 하부 부극 단자를 참조 부호 8b로 나타낸다. 주 전원은 참조 부호 25로 나타낸다.
도 9에서는, 도시의 간략화를 위해서 브리지 회로(24)의 상부 암의 반도체 스위치(6Aa)에 대해서는 주 소자(3a) 만을 나타내고, 보조 소자(5a)의 도시를 생략한다. 도 9에서는, 브리지 회로(24)의 하부 암의 반도체 스위치(6Ab)에 대해서는 보조 소자(5b) 만을 나타내고, 주 소자(3b)의 도시를 생략한다.
본 실시형태의 전력 변환 장치에서는, 일반적인 게이트 제어 동작 및 게이트-오프 상태의 동작이 제4 내지 제6 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치와 동일한 방식으로 수행됨으로써, 제4 내지 제6 실시형태에 제공된 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 본 실시형태의 전력 변환 장치에서는, 주 소자(3) 및 보조 소자(5)의 제어 신호(16, 17)에 대한 전압 증폭 회로용 전원(15)을 공통으로 사용함으로써 회로가 간소화될 수 있다.
[제10 실시형태]
도 10은 제10 실시형태의 전력 변환 장치를 나타낸다. 본 실시형태의 전력 변환 장치는 제2 또는 제3 실시형태의 반도체 스위치(6A 또는 6B)를 2개 직렬 접속하여 각각 형성된 브리지 회로(24a, 24b)를 2상 이상 포함한다. 전력 변환 장치에서, 전원(15a)은 정극 단자 직류 모선(27)에 각각 접속된 반도체 스위치(6Aa, 6Ac)의 보조 소자(5a, 5c)의 전압 증폭 회로들에 공통으로 사용된다. 또한, 전원(15b)은 부극 단자 직류 모선(28)에 각각 접속된 반도체 스위치(6Ab, 6Ad)의 주 소자(3b, 3d)의 전압 증폭 회로들에 공통으로 사용된다.
제2 실시형태의 반도체 스위치(6A)를 사용한 경우, 상하의 반도체 스위치(6Aa, 6Ab)를 직렬 접속함으로써 형성된 제1 브리지 회로(24)를 브리지 회로(24a)로 나타내고, 상하의 반도체 스위치(6Ac , 6Ad)를 직렬 접속함으로써 형성된 다른 브리지 회로(24)를 브리지 회로(24b)로 나타낸다. 대안으로서, 제3 실시형태의 반도체 스위치(6B)를 사용한 경우, 상하의 반도체 스위치(6Ba, 6Bb)를 직렬 접속함으로써 형성된 2상의 브리지 회로(24)를 병렬 접속하여 브리지 회로(24a, 24b)를 제공한다. 반도체 스위치(6Aa, 6Ab, 6Ac 및 6Ad)에서는 각각의 주 소자(3)를 주 소자(3a, 3b, 3c 및 3d)로 나타낸다. 또한, 각각의 보조 소자(5)를 보조 소자(5a, 5b, 5c 및 5d)로 나타낸다. 반도체 스위치(6Aa, 6Ac)의 각각을 제어하는 제조 장치를 제어 장치(18a, 18b)로 나타낸다. 반도체 스위치(6Ab, 6Ad)의 각각을 제어하는 제어 장치를 제어 장치(18c, 18d)로 나타낸다. 참조 부호 26a, 26b은 출력 단자를 나타낸다.
도 10에서는, 도시의 간략화를 위하여 좌측의 제1 상의 브리지 회로(24a)의 상부 암의 반도체 스위치(6Aa)에 대해서는 보조 소자(5a)만을 나타내고, 주 소자(3a)의 도시를 생략한다. 도 10에서는, 하부 암의 반도체 스위치(6Ab)에 대해서는 주 소자(3b)만을 나타내고, 보조 소자(5b)의 도시를 생략한다. 도 10에서는, 우측의 제2 상의 브리지 회로(24b)의 상부 암의 반도체 스위치(6Ac)에 대해서는 보조 소자(5c)만을 나타내고, 주 소자(3c)의 도시를 생략한다. 도 10에서는, 하부 암의 반도체 스위치(6Ad)에 대해서는 주 소자(3d)만을 나타내고, 보조 소자(5d)의 도시를 생략한다.
본 실시형태의 전력 변환 장치에서는, 통상의 게이트 제어 동작 및 게이트-오프 상태의 동작은 제4 내지 제6 실시형태의 반도체 스위치 제어 장치와 동일한 방식으로 수행됨으로써, 제4 내지 제6 실시형태에 제공된 것과 동일한 효과를 제공할 수 있다. 본 실시형태의 전력 변환 장치에서는, 제9 실시형태의 전력 변환 장치에 제공된 것과 동일한 방식으로 전압 증폭 회로용 전원(15a, 15b)을 공통으로 사용함으로써 회로가 간소화될 수 있다.
[제11 실시형태]
도 11은 제11 실시형태의 모듈화를 특징으로 하는 전력 변환 회로 소자를 나타낸다. 본 실시형태의 전력 변환 회로 소자에서, 주 소자(3a), 환류 다이오드(4a) 및 보조 소자(5a)를 포함하는 반도체 칩들은 한 장의 기판(29a) 상에 배치되어 반도체 스위치(6a)를 제공한다. 또한, 주 소자(3b), 환류 다이오드(4b) 및 보조 소자(5b)의 반도체 칩들을 한 장의 기판(29b) 상에 배치하여 반도체 스위치(6b)를 제공한다. 이후, 기판(29a, 29b)을 하나의 패키지(30)에 넣어, 모듈형의 소자를 형성한다.
본 실시형태의 전력 변환 회로 소자에서는, 동일 극성을 가지는 반도체 칩의 단자를 본딩 와이어(bonding wire) 등의 도체로 서로 접속한다. 모듈화된 소자의 표면에는 정극 단자(7c), 부극 단자(8c), 주 소자 제어 단자(11), 보조-소자 제어 단자(12), 주 소자 부극 단자(9) 및 보조 소자 부극 단자(10)가 제공된다. 주 소자 제어 단자(11), 보조 소자 제어 단자(12), 주 소자 부극 단자(9) 및 보조 소자 부극 단자(10)는 각각 주 소자(3) 및 보조 소자(5)를 구동하기 위한 제어 신호를 입력하는데 사용된다. 전력 변환 장치를 모듈화된 소자로 형성함으로써 회로의 간소화 및 회로 인덕턴스의 감소가 가능해 진다.
특정 실시형태들이 설명되었을지라도, 이들 실시형태들은 예로서 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 본 명세서에 설명된 신규한 실시형태들은 본 발명의 요지를 벗어남 없이 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시형태들 내에서 다양한 생략, 치환 및 변경이 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 이의 등가물은 상기의 형태 또는 변형들이 본 발명의 범위 및 요지 내에 있는 한 상기의 형태 또는 변형들이 커버되는 것을 의도한다.

Claims (8)

  1. 반도체 스위치로서,
    스위칭 소자와 역병렬 다이오드를 포함하는 제1 소자 - 상기 스위칭 소자는 항복 전압(breakdown voltage)을 가지며 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합됨 - 와,
    상기 제1 소자의 항복 전압보다 낮은 항복 전압을 가지는 제2 소자 - 상기 제2 소자는 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합됨 - 와,
    상기 제1 소자의 항복 전압과 실질적으로 유사한 항복 전압을 가지는 환류 다이오드(freewheeling diode)를 포함하며,
    상기 제1 소자의 부극은 상기 제2 소자의 부극에 접속되며,
    상기 환류 다이오드는 상기 제1 소자의 정극 단자와 상기 제2 소자의 정극 단자 사이에서 병렬로 접속되며,
    상기 제1 소자용의 상기 제어 단자와 상기 제2 소자용의 상기 제어 단자는 서로 독립적으로 하나 이상의 제어 회로에 결합되는, 반도체 스위치.
  2. 반도체 스위치로서,
    스위칭 소자와 역병렬 다이오드를 포함하는 제1 소자 - 상기 스위칭 소자는 항복 전압을 가지며 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합됨 - 와,
    상기 제1 소자의 항복 전압보다 낮은 항복 전압을 가지는 제2 소자 - 상기 제2 소자는 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합됨 - 와,
    상기 제1 소자의 항복 전압과 실질적으로 유사한 항복 전압을 가지는 환류 다이오드를 포함하며,
    상기 제1 소자의 정극은 상기 제2 소자의 정극에 접속되며,
    상기 환류 다이오드는 상기 제1 소자의 정극 단자와 상기 제2 소자의 정극 단자 사이에 병렬로 접속되는, 반도체 스위치.
  3. 반도체 스위치로서,
    스위칭 소자와 역병렬 다이오드를 포함하는 제1 소자 - 상기 스위칭 소자는 항복 전압을 가지며 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합됨 - 와,
    상기 제1 소자의 항복 전압보다 낮은 항복 전압을 가지는 제2 소자 - 상기 제2 소자는 제어 단자와 제2 및 제3 단자에 결합됨 - 와,
    상기 제1 소자의 항복 전압과 실질적으로 유사한 항복 전압을 가지는 환류 다이오드를 포함하며,
    상기 제2 소자는 상기 환류 다이오드와 직렬로 접속되며,
    상기 환류 다이오드의 정극은 상기 제1 소자의 부극에 결합되며,
    상기 제1 소자의 정극은 상기 제2 소자의 부극에 결합되는, 반도체 스위치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 상기 반도체 스위치의 상기 제1 소자와 상기 제2 소자를 개별적으로 제어하여, 실질적으로 데드 타임(dead time) 기간에만 상기 환류 다이오드로 전류가 흐르도록 구성된, 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    강제적으로 상기 제1 소자를 턴오프하는 신호를 출력하도록 또한 구성되고,
    상기 제1 소자의 오프 타임 기간 동안에는 상기 환류 다이오드에 전류가 공급되지 않도록 상기 제2 소자를 제어하도록 또한 구성되는, 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    실질적으로 상기 제1 소자가 온 상태에서 오프 상태로 전환될 때에만 상기 환류 다이오드로 향하는 전류 흐름 경로가 유지되도록 상기 제2 소자를 제어하도록 또한 구성되는, 제어 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 환류 다이오드의 온도를 검출하는 온도 검출기를 더 포함하고, 상기 환류 다이오드의 검출 온도가 미리 정해진 값을 초과했을 때에 상기 환류 다이오드에 전류를 공급하지 않도록 상기 제1 소자 및 상기 제2 소자를 제어하도록 또한 구성되는, 제어 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 환류 다이오드의 단자 양단의 전압을 검출하는 전압 검출기와, 상기 환류 다이오드를 통하여 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기를 더 포함하며, 전압 검출 값과 전류 검출 값에 기초하여 상기 환류 다이오드에 오픈 파괴(open failure)가 발생하였는지를 판정하고, 오픈 파괴가 발생하였다고 판정된 경우에 상기 제2 소자를 온 상태로 유지시켜 전류 흐름 경로를 확보하도록 상기 제2 소자를 제어하도록 또한 구성되는, 제어 장치.
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