KR20140009328A - 인버터를 동작시키기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

인버터를 동작시키기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

운송 수단 내 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)의 사용과 관련된 제어 시스템 및 방법이 제공된다. 예시의 제어 방법은 영향받는 컨버터의 IGBT 디바이스의 동작 내 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 또한 영향받는 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 추가적으로 IGBT 각각이 성공적으로 턴 오프되었는지 표시하는 IGBT 각각에 대한 제 2 상태 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 결함 신호의 지속기간에 따라, 결함 조건이 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 포화 조건과 관련된다는 표시를 생성하는 단계를 또한 포함한다.

Description

인버터를 동작시키기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING INVERTERS}
본 발명의 예시의 실시예들은, 전반적으로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor: IGBT) 인버터와 같은 전자 디바이스의 전력 처리 능력(power handling capabilities)을 개선하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱이, 그러한 예시의 실시예들은 IGBT 인버터의 온도를 모델링, 모니터링, 및 감소시키는 것과 관련될 수 있다.
예를 들어, 기관차(locomotive)와 같은 견인 운송 수단(traction vehicle)은 운송 수단의 운전 바퀴를 위해 전기 견인 모터(electric traction motors)를 사용한다. 이러한 운송 수단의 일부에서, 모터는 속도 및 전력이 모터의 계자 권선에 공급된 전력(electrical power)의 주파수 및 전압을 변화시킴으로써 제어되는 교류(AC) 모터이다. 흔히, 전력은 DC 전력으로서 운송 수단 시스템에서 적절한 시점에 공급되고 그 이후 IGBT와 같은 스위치 세트를 포함하는 인버터와 같은 회로에 의해 제어된 주파수 및 전압 진폭의 AC 전력으로 변환된다. 일부 시스템에서, 전력은 인버터의 다리에 연결된 일련의 전기 배터리로부터 유도될 수 있다.
동작 중, IGBT 인버터는 포화이탈 동작(an out-of-saturation operation)을 경험할 수 있고, 여기서 IGBT 인버터는 "온" 상태에 있거나 턴 온될 수 있는데, 이동안 관련 보완 모듈(예를 들어, IGBT, 다이오드 또는 버스 바(bus bar)) 또는 부하는 작동이 안 되고 단락 회로를 나타낸다. 또한, IGBT 인버터는 범위 조건을 벗어난 낮은 전압 전력 공급을 경험할 수 있다.
포화이탈 조건을 해결하는 알려진 방법들은 상대적으로 큰 저항을 외부 저항 Rg와 함께 직렬로 삽입하는 것을 포함한다. 이러한 방법에서, 전류의 감소 속도는 매우 느리다. 따라서, 추가 저항에 의해 제공된 "소프트 스위칭 오프" 동안 디바이스가 단락 회로 전류를 제 1 레벨로 제한한다면, 제 1 레벨은 수락가능한 레벨로 감소되지 않을 수 있다. 전류 감소의 타이밍은 또한 IGBT 디바이스에 대한 손상을 방지하는 상대적으로 정확한 방식으로 제어될 필요가 있다. 이러한 조건을 검출하고 이에 반응하는 개선된 시스템 및 방법이 바람직하다.
간단하게, 예시의 실시예에 따라, 운송 수단 내 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 디바이스의 사용과 관련된 제어 시스템 및 방법이 제공된다. 예시의 방법은, 영향받는 컨버터(an affected converter)의 IGBT 디바이스의 동작 내 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하는 단계를 포함한다. "영향받는" 컨버터는 자신에 관하여 결함 조건을 표시하는 상태 신호가 생성되었던 IGBT 디바이스를 가지는 컨버터이다. 예시의 방법은 또한 영향받는 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신하는 단계를 포함한다. 추가적으로, 예시의 방법은 IGBT 각각이 성공적으로 턴 오프되었는지 나타내는 IGBT 각각에 대한 제 2 상태 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 결함 신호의 지속기간에 따라, 결함 조건이 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 상태 조건에 관련된다는 표시를 생성하는 단계를 더 포함한다.
하나의 실시예는 인버터 시스템에 관한 것이다. 예시의 인버터 시스템은 영향받는 컨버터의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 포함한다. 예시의 인버터는 또한 IGBT의 동작 내 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하는 제어기를 포함한다. 제어기는 영향받는 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신한다. 제어기는 영향받는 컨버터의 모든 IGBT가 성공적으로 턴 오프되었는지 표시하는 제 2 상태 신호를 수신한다. 제어기는 또한 결함 신호의 지속기간에 따라 결함 조건이 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 포화 조건과 관련된다는 표시를 생성한다.
또 다른 실시예는 운송 수단을 위한 전력 시스템에 관한 것이다. 예시의 전력 시스템은 복수의 IGBT를 포함하는 IGBT 컨버터를 포함한다. 복수의 전자 디바이스는 IGBT에 의해 전력 공급된다. 예시의 전력 시스템은 또한 IGBT 컨버터의 IGBT들 중 하나의 동작에서의 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하는 제어기를 포함한다. 제어기는 IGBT 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신한다. 제어기는 IGBT 각각이 성공적으로 턴 오프되었는지를 표시하는 IGBT 각각에 대한 제 2 상태 신호를 수신한다. 또한, 결함 신호의 지속기간에 따라 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 포화 조건과 결함 조건이 관련된다는 표시를 생성한다.
본 발명에 관한 이러한 피쳐 및 다른 피쳐, 양태, 이점은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이며, 여기서 유사 특성들은 도면 전쳐에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 예시의 실시예에 따른 인버터 제어 회로를 사용할 수 있는 디젤 전기 기관차에 관한 블록도이다.
도 2는 예시의 실시예에 따른 전력 시스템에 관한 블록도이다.
도 3은 예시의 실시예에 따른 IGBT 인버터에 대한 제어 시스템에 관한 블록도이다.
도 4는 예시의 실시예에 따른 IGBT 회로(400)에 관한 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 IGBT 회로의 동작을 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 6은 포화이탈 조건을 설명하는데 유용한 그래프(600)이다.
도 7은 포화이탈 조건에 대한 전위 응답(a potential response)을 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 8은 예시의 실시예에 따라 포화이탈을 검출하는 회로의 개략도이다.
도 9는 본 기술에 따라 포화이탈 조건을 검출하는 비교 회로이다.
도 10은 예시의 실시예에 따라 포화이탈 조건을 검출하기 위해 비교기 회로의 동작을 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 따라 포화이탈 조건의 검출에 반응하는 소프트 턴 오프의 성능을 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 12는 본 기술의 일 실시예에 따라 포화이탈 이벤트의 발생 이후 IGBT 디바이스의 보호를 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 IGBT 제어 회로에 관한 개략도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 IBGT를 턴 온하는 프로세스를 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 15는 일 실시예에 따른 IGBT를 턴 오프하는 프로세스를 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 16은 일 실시예에 따른 포화이탈 보호 동작을 수행하는 프로세스를 설명하는데 유용한 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따른 IGBT 디바이스에서 포화이탈 조건을 식별하고 처리하는 방법에 관한 프로세스 흐름도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 결함의 타입을 결정하는 방법이다.
도 1은 예시의 실시예에 따른 인버터 제어 회로를 사용할 수 있는 디젤 전기 기관차에 관한 블록도이다. 단순화된 부분적 단면도로 도시된 기관차는, 개괄적으로 참조 번호 100으로 지칭된다. 도 1에 나타나지는 않지만 복수의 견인 모터가 구동 바퀴(102) 뒤에 위치되고 차축(104)에 구동 관계로 연결되어 있다. 도 1에 나타나지는 않으나 복수의 보조 모터가 기관차의 다양한 위치에 위치되고 블로워 또는 라디에이터 팬(blowers or radiator fans)과 같은 다양한 보조 부하와 연결된다. 모터는 교류(AC) 전기 모터일 수 있다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 기관차(100)는 모터로의 전력을 제어하기 위해 복수의 전기 인버터 회로를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시의 실시예에 따른 전력 시스템에 관한 블록도이다. 전반적으로 참조 번호 200으로 지칭되는 전력 시스템은, 비포장도로용 운송 수단(Off Highway Vehicle)으로의 AC 전력을 제어하는데 사용될 수 있으나, 도 1의 적용에 도시된 기관차에서는 4-6개의 AC 전기 모터가 사용되며 각 모터는 개별 인버터에 의해 제어된다. 전력 시스템(200)은 디젤 엔진(미도시)과 같은 온 보드 내부 연소실 엔진에 의해 구동되는 교류발전기(an alternator)(202)를 포함한다. 교류발전기(202)의 전력 출력은 계자 제어(field control)(204)로 표시되는 계자 여자 제어(field excitation control)에 의해 조절된다. 교류발전기(202)로부터의 전력은 정류기(206)에 의해 정류되고, 하나 이상의 인버터(208)에 연결된다. 인버터(208)는, DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 고전력 IGBT, 하나 이상의 AC 모터(210)로의 적용을 위한 가변 주파수 및/또는 가변 전압 진폭을 사용할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 전력 회로는 장비 칸(a equipment compartment)(106)에 적어도 부분적으로 위치된다. 인버터(208) 및 계자 제어(204)를 위한 제어 전자 장치뿐만 아니라 다른 전자 부품은 장비 칸(106) 내 받침대에 고정된 회로 기판 상에 배치될 수 있다. 장치 칸(106) 내에서, 전력 변환에 사용되는 고전력 IGBT 반도체 디바이스는 공랭식 히트 싱크(air-cooled heat sinks)(108)에 장착될 수 있다.
도 3은 예시의 실시예에 따른 IGBT 인버터를 위한 제어 시스템(300)에 관한 블록도이다. 제어 시스템(300)은, 광 섬유 통신 링크를 통해 제어 시스템(300)의 나머지 부분에 접속될 수 있는 프로세서 제어기(302)를 포함한다. 배터리(304)는 전력을 스텝 업/다운 H 브리지(a sep-up/down H bridge)(306)로 전달한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리는 75-80 볼트 dc의 공칭 출력을 가질 수 있다. 스텝 업/다운 H 브리지(306)는, 도 3에 점선으로 표시된 게이트 드라이브(308)로, 25KHz에서 200v p-p의 출력을 제공한다. 게이트 드라이브(308)는, 예를 들어, 견인 인버터(traction inverters), 보조 인버터 또는 이중 H 브리지 컨버터에서 IGBT를 구동하는데 사용될 수 있다.
게이트 드라이브(306)는 스텝 업/다운 H 브리지(306)로부터 출력을 수신하는 절연 변압기(an isolating transformer)(310)를 포함한다. 절연 변압기(310)는 포지티브 레귤레이터(312) 및 네거티브 레귤레이터(314)로 출력을 전달한다. 포지티브 레귤레이터(312) 및 네거티브 레귤레이터(314)는 이들의 출력 15v 및 -15v 각각을 복수의 출력 FET(316)에 전달한다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 출력 FET(316)은 IGBT 인버터를 구동하는데 사용된다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 예시의 실시예는 IGBT 인버터의 다양한 조건 을 검출하고 처리하는 것에 관한 것이다. 하나의 그러한 조건은 IGBT의 포화이탈 동작(an out-of-saturation operation)이다. 포화이탈 동작 조건이 검출될 때, 로직 카드(예를 들어, 도 3에 도시된)로 결함을 전달하는 프로세스가 수행되고 손상으로부터 영향받는 IGBT 인버터를 보호하기 위해 동작의 시퀀스가 취해진다.
예시의 실시예에 따라 검출되고 처리될 수 있는 다른 조건은 범위를 벗어난 저전압 공급 조건이다. 게이트 드라이브(308)는 이 조건을 검출할 수 있고 관련 IGBT 인버터를 보호하기 위해 동작 과정에 착수할 수 있다. 또한, 예시의 실시예들은, 기관차, 비포장도로용 운송 수단, 마린 시스템(marine systems) 또는 윈드 시스템(wind systems)과 같은 넓은 범위의 적용에서 사용될 수 있다.
전형적인 전력 시스템에서, IGBT에 제공되는 Vge의 포지티브 레벨은, 적절한 IGBT 온 상태 전압을 제공하도록 14볼트보다 크다. 전압은 전형적으로 1800VDC에서 단락 회로 능력을 제공하기 위해 16.5볼트 미만이어야 한다. 레귤레이터의 출력으로 해석되는 이것은 포지티브 공급 전압이 12.5볼트와 16.5볼트 사이에 있어야 한다는 것을 의미한다. 게이트 드라이브(308)는 이 범위를 벗어나는 공급 전압을 검출한다. 포화이탈 동작 또는 범위를 벗어난 저전압 공급 조건의 경우, 게이트 드라이브(308)는 고장으로부터 IGBT 인버터를 보호하기 위해 제어된 방식으로 IGBT 인버터를 스위칭 오프하도록 동작한다.
도 3에 도시된 예시의 실시예에서, 프로세서 제어기(302)와 게이트 드라이브(308) 사이의 광섬유 링크는 파이어링 커맨드 링크(a firing command link)와는 관계가 없다. 그 대신, 광섬유 링크는, 게이트 드라이브(308)로부터, 프로세서 제어기(302)를 주관하는 로직 카드로 상태 정보를 제공하는데 사용된다. (견인 모터 제어-TMC 또는 보조 로직 제어-ALC). 이러한 상태 피드백은 다음을 포함할 수 있다:
1. IGBT이 턴 온됨
2. IGBT이 턴 오프됨
3. 게이트 드라이브가 포화이탈 보호를 수행함
4. 게이트 드라이브가 범위를 벗어난 저전압 전력 공급 보호를 수행함.
IGBT가 턴 온 또는 턴 오프하는지에 관한 상태 정보는, 프로세서 제어기(302)를 주관하는 로직 카드로 하여금, 자신의 보완물이 턴 오프되지 않거나 이의 부하가 고장난 디바이스로 온 커맨드를 발행하는 것을 방지하면서, 상위 IGBT와 하위 IGBT 사이에서 인터로크(interlocking)를 수행할 수 있도록 한다. 따라서, IGBT는 단락 회로 조건에서 턴 온할 수 없게 된다.
게이트 드라이브(308)가 포화이탈 보호 동작 또는 범위를 벗어난 저전압 전력 공급 보호 동작을 수행했는지에 관한 상태 정보는, IGBT가 게이트 드라이브(308)에 의해 국부적으로 턴 오프되었는지를 표시하도록 로직 카드에 의해 사용될 수 있다. 더욱이, 이 정보는 IGBT에 대하여 오프 커맨드를 발행하도록 로직 카드로 신호를 보낼 수 있다. 결함 정보에 따라, 제어기는 동작을 회복하도록 적절한 절차를 따를 것이다.
도 4는 예시의 실시예에 따른 IGBT 회로(400)에 관한 개략도이다. IGBT 회로(400)는 IGBT T1(404)와 IGBT T2(406)에 걸쳐 전압 Vdc를 제공하는 커패시터(402)를 포함한다. 다이오드 D1(408)은 IGBT T1(404)의 출력에 걸쳐 접속되고 다이오드 D2(410)는 IGBT T2(406)의 출력에 걸쳐 접속된다. 부하(412)는 다이오드 D1(408)에 걸쳐 접속되고 부하(414)는 다이오드 D2(410)에 걸쳐 접속된다.
본원에서 표시된 바와 같이, 예시의 실시예는 그러한 이벤트가 발생할 때 포화이탈 조건의 식별 및 보호를 제공한다. 인버터 또는 H 브리지 구성 내 IGBT의 정상 동작에서, 하나의 다리(leg) 또는 위상(phase)의 동작을 고려하자. 예증의 목적을 위해, IGBT T1(404)는 오프이고, 그 다음 IGBT T2(406)가 턴 오프된다고 가정하자. 이 시점에서, 스위치(S1)는 닫히고 스위치(S2)는 열린다. 스위치들(S1 및 S2)의 위치는 다른 2상 IGBT의 상태에 의해 좌우된다. 부하 전류는 L부하>D1다이오드(408)>S1스위치의 루프에서 프리휠링(freewheeling)한다.
도 5는 도 4에 도시된 IGBT 회로(400)의 동작을 설명하는데 유용한 그래프(500)이다. 그래프(500)는 커맨드 트레이스(502) 및 Vge 트레이스(504)를 포함한다. 또한, 그래프(500)는 Ic 트레이스(506) 및 Vce 트레이스(508)를 포함한다.
예시의 실시예에서, 게이트 드라이브(308)는 네거티브 Vge 바이어스를 인가하고, IGBT T1(404)의 게이트 투 이미터 터미널(gate-to-emitter terminals)에 양의 전압을 인가할 수 있다. IGBT T1(404)는 프리휠 루프로부터 전류를 인계받고(도 5에서 Ifw로 표시됨) 이를 도 4의 아래쪽 L부하에 인가한다. 따라서, Ic는 다음의 속도로 증가하고 있다:
dIc(t)/Dt = Vdc/L1
여기서,
L1 = 커패시터(lc)의 내부 l의 합, ls1+ls2+ls3+ls4+L부하+ls6+ls7+ls8
(ls1+ls2+ls3+ls4+ ls6+ls7+ls8 << L부하이기 때문에 L1은 L부하와 거의 동일함).
강한(hard) Vdc 공급을 가정하여, 전류는, 커맨드 트레이스(502) 상의 지점 510에 도시된 바와 같이, IGBT T1(404)가 턴 오프될 때까지 이 속도로 계속 증가할 것이다.
T1이 오프로 커맨드될 때(지점 510), 게이트 드라이브는 빠르게 Vge를 반전시키고 따라서 IGBT T1(404)에 -ve 바이어스를 인가한다. 이 지점에서, 스위치(S1)는 여전히 열려있고 S2는 닫혀있다. IGBT의 속도 및 회로의 누설 인덕턴스(stray inductance)에 따라, Vce에 걸친 전압은 회복되기 시작하고 Ic(t) 전류는 빠른 속도로 스위칭 오프한다. IGBT T2(406)을 통한 전류는, 부하 전류를 비교적 일정하게 유지하면서, 프리휠링 루프 L부하 -> D2 -> S2로 우회된다.
IGBT T1(404)를 통한 lc(t)의 빠른 감소는, 이것이 Vdc로 회복되기 전에, 이의 C->E 단자에 걸친 피크 Vp를 가진 전압 오버슛을 야기한다.
Vp = - (dIc(t)/dt)*Lo
여기서, Lo = lc+ls1+ls2+ls3+ls4+ls5+ls6+ls7+ls8이다.
도 6은 포화이탈 조건을 설명하는데 유용한 그래프(600)이다. 그래프(600)는 커맨드 트레이스(602) 및 Vge 트레이스(604)을 포함한다. 또한, 그래프(600)는 Ic트레이스(606) 및 Vce 트레이스(608)을 포함한다.
본원에서 설명된 바와 같이, IGBT가 단락 회로에서 턴 온되거나 디바이스가 온 상태인 동안 단락 회로가 발생할 때 IGBT는 포화이탈을 동작시킨다. 이는 다음과 같을 때 발생할 수 있다:
1. 동일 위상 내 자신의 보완 IGBT, 또는 자신의 다이오드가 단락 회로임.
이는, 보완 IGBT가 파손되었기 때문에, 또는 제어의 오작동으로 인해 두 IGBT가 온으로 커맨드 되었기 때문에, 또는 보완 IGBT이 온이 되게 하는 잡음 때문에 발생할 수 있다.
2. 그라운드에 의해 생성된 단락 회로가 존재함.
3. 부하가 단락 회로를 나타냄.
모든 이러한 포화이탈 경우에서, IGBT를 통한 전류는 (dIc(t)/dt) = Vdc / Lo 의 속도로 빠르게 증가(도 6에서 Ic트레이스(606)을 빠르게 증가시키는 것으로 도시된 바와 같이)할 것이나, 더 이상 부하를 통해 흐르지 않는다.
Lo가 약 100mH 정도라면, 결함 전류의 상승 속도는 매우 높다. 이 빠른 속도와 함께, Ic(t)는 마이크로초의 몇 분의 1 동안에 IGBT의 정격 피크 전류를 초과하고, 디바이스는 "포화이탈"을 동작시킨다.
전형적으로, IGBT는 두 가지 사양으로 제조된다:
1. 임의의 손상을 지속시키지 않고 짧은 시간 동안 IGBT가 Icp를 제한할 수 있는 레벨. 이는 전형적으로 디바이스의 피크 정격 전류의 6배 내지 7배이다.
2. 임의의 손상을 지속시키지 않고 IGBT가 매우 높은 전류를 흐르게 할 수 있는 짧은 지속기간. 이는 전형적으로 10usec였으나, 최근에 이것은 일부 제조업자에 의해 20usec로 확대된다.
포화이탈 동작의 다른 특성이 관련 있다. 시작에서, IGBT가 턴 온 됨에 따라, 디바이스에 걸친 전압은 포화 레벨(몇 볼트의 Vce_sat) 쪽으로 감소되기 시작하는 반면, 디바이스는 자신의 전압 블로킹 능력(voltage blocking capability)(포화이탈)을 회복한다.
도 7은 포화이탈 조건에 대한 잠재적 반응을 설명하는데 유용한 그래프(700)이다. 또한 그래프(700)는 "소프트 턴 오프"로 알려진 프로세스의 영향을 도시한다. 그래프(700)는 커맨드 트레이스(702) 및 Vge 트레이스(704)을 포함한다. 또한, 그래프(700)는 Ic 트레이스(706) 및 Vce 트레이스(708)을 포함한다.
용어 소프트 턴 오프는 게이트 드라이브가 하드 턴 오프(a hard turn-off) 보다 더 점진적이거나 완만한 단락 회로 전류의 감소를 수행하는 것을 의미하며, 따라서 (di/dt에 비례하는) 전압 오버슛을 제한한다. 소프트 턴 오프에서, 매우 큰 저항이 Rg와 직렬로 위치될 수 있고, 전류의 감소 속도는 매우 느리다. 디바이스가 단락 회로 전류를 Icp1(도 7)로 제한한다면, "소프트 스위칭 오프" 동안, Icp1은 단지 Icp2로 감소할 것이다(도 7). 또한, 소프트 턴 오프의 마지막 부분에서, Vge는 Ic 또한 증가하도록 만들면서 증가한다. 타이밍이 Icp2가 디바이스의 정격(rating) 보다 낮게 남아있는 것 같지 않다면, 디바이스는 "하드 턴 오프" 동안 파괴될 것이다. 일 실시예에서, "소프트 턴 오프" 및 "하드 턴 오프"는 서로에 대해 상대적이며, 전자는 후자보다 더 점진적이거나 완만한 턴 오프를 지칭하며, 예를 들어, 소프트 턴 오프는, 소프트 턴 오프 보다 더 급작스럽거나 가파른 단락 회로 전류의 감소를 수반하는 하드 턴 오프 보다 더 점진적이거나 완만한 단락 회로 전류의 감소를 수반할 수 있다.
일 실시예에서, 소프트 턴 오프 동안 IGBT의 게이트에 적용된 전압은 IGBT의 정격 임계 전압보다 다소 더 클 수 있다. "다소 더 큰" 전압의 양은 소프트 턴 오프의 지속기간에 따라 달라진다. 지속기간이 길수록, 이것이 도달하는 레벨은 더 높다. 전반적으로, 본원에서 사용된 바와 같은 "다소 더 큰" 전압은 대략 0.5V 내지 1.0V 이다. 디바이스가 단락 회로 전류를 Icp1(도 7)로 제한한다면, "소프트 스위칭 오프" 동안, Icp1은 단지 Icp2로 감소할 것이다(도 7). 또한, 소프트 턴 오프의 마지막 부분에서, Vge는 Ic를 또한 증가시키면서 증가한다. 타이밍이 Icp2가 디바이스의 정격보다 낮게 유지되는 것과 같이 않다면, 디바이스는 "하드 턴 오프" 동안 파괴될 것이다. 일 실시예에서, "소프트 턴 오프" 및 "하드 턴 오프"는 서로에 상대적이며, 전자는 후자보다 더 완만하거나 점진적인 턴 오프로 지칭되며, 예를 들어, 소프트 턴 오프는, 소프트 턴 오프 보다 더 급작스럽거나 가파른 단락 회로 전류의 감소를 수반하는 하드 턴 오프 보다 더 점진적이거나 완만한 단락 회로 전류의 감소를 수반할 수 있다.
예시의 실시예들은 포화이탈 조건을 검출하도록 구성되고, 포화이탈 조건이 발생할 때 IGBT 디바이스들을 제어 가능하게 스위칭 오프함으로써 IGBT 디바이스에 대한 보호를 제공하도록 구성된다. Icp가 전형적으로 디바이스의 특정 상한 보다 몇 배 크기 때문에, 포화이탈 조건을 검출하고 하드 (정상) 오프 커맨드를 발행하는 것은 실현가능하지 않다. 이는, 식 Vp=-(dIc(t)/dt)*Lo로부터 과도 전압(a voltage transient) 때문에 스위칭 오프에서 IGBT를 고장나게 하는 파괴적인 (dIc(t)/dt)를 야기할 것이다. 또한, IGBT가 포화이탈 결함 하에서 고장난다면, 약 100mH 정도의 부유 인덕턴스(stray inductance)를 제외하고, 인버터를 통한 전류에 대한 어떤 제한도 없다. 이는 몇 백 킬로 암페어의 잠재적 전류를 야기할 것이다. 그러한 전류는, 심지어 단락 기간 동안에, IGBT가 개방 회로 조건에서 고장날 때까지, 버스바(busbars) 등을 손상시키면서, 인버터에 상당한 손상을 미칠 것이다.
예시의 전력 시스템 적용에서, 전력 회로의 네거티브 리턴은 "플로팅" 네거티브 리턴 시스템을 사용하며, 이는 네거티브 리턴이 섀시 접지(chassis ground)에 접속되지 않는다는 것을 의미한다. 절연 파괴(an insulation breakdown)가 인버터 회로와 섀시 사이에서 발생한다면, 이는 단락 회로 상황을 야기하지 않을 것이다. 또한 단락 회로는 두 번 이상의 절연 파괴가 존재하는 경우에만 발생할 것이다. 하지만, 접지 검출은, 두 개 이상의 접지 발생(grounding occurrences)이 동시에 일어나는 상황을 방지하면서, 절연 파괴가 발생한 인스턴스를 식별하도록 사용될 수 있다.
절연 변압기(310)는, 전력 회로로의 발행을 전파하기 위해, 접지 문제가 더 자주 발생할 수 있는 (배터리 구동 부하와 같은) 저전압 보조 시스템(low tension auxiliary systems)을 막는데 사용된다. 보통 부하 내 단락 회로는 점진적으로 나타나고 컨버터를 통한 전류의 증가로부터 검출될 수 있다. 과전류 보호 시스템은 그러한 결함 하에서 시스템 디바이스를 보호할 수 있다. 그러나, 본원에서 설명되는 바와 같이, IGBT가 턴 온 (또는 현재 온 상태)하고 있고 "완전 단락(dead short)" 부하 조건을 경험하는 상황이 있을 수 있다. 그러한 발생은 IGBT로 하여금 "포화이탈"을 동작하도록 만든다. 예시의 실시예들은 포화이탈 조건의 식별을 제공하고, 영향받는 IGBT를 제어가능하게 스위칭 오프하도록 게이트 드라이브(308)에 의해 행해지는 동작을 가능하게 하고, 이를 결함과 관련된 큰 에너지로부터 보호한다.
스위칭 오프하고 위험에서 IGBT를 보호한 이후에, 게이트 드라이브(308)는, 결함이 발생했다는 것을 광섬유 링크를 통해 프로세서 제어기(302)에 알린다. 이에 응답하여, 프로세서 제어기(302)는, 상태 광섬유 피드백을 통해, 컨버터 내 나머지 IGBT에 오프(OFF) 커맨드를 발행하고 디바이스가 턴 오프되었는지 확인한다. 고장난 IGBT로 인해 결함이 발생한다면, 그 이후 이의 상태 피드백은 "턴 오프 실패됨" 으로 특정 디바이스를 표시한다. 그렇지 않다면, IGBT의 연결 지점의 과열을 방지하기 위한 기간 이후에, 프로세서 제어기(302)는 결함을 리셋하고 컨버터의 동작을 지속한다.
IGBT 동작과 관련된 두 변수는, IGBT가 포화이탈 조건에서 동작하고 있을 때 변경된다. 제 1 변수는 Ic가 정격 전류의 6배 내지 7배의 비정상적으로 높은 레벨에 도달하는 것이다. 제 2 변수는 Vce가 낮은 Vce 포화 레벨(몇 볼트)로 감소되지 않지만 링크 커패시터(402)에 인가된 Vdc 근처에 남아있는 것이다.
도 8은 예시의 실시예에 따른 포화이탈 조건을 검출하는 회로(800)에 관한 개략도이다. 회로(800)는 IGBT T1(802)을 포함하는 게이트 드라이브(308)의 일부를 보여준다. 게이트 드라이브(308)의 접지면(804)은 IGBT T1(802)의 이미터 전위에 접속된다. 콜렉터 전압은, 게이트 드라이브(308)에 진입한 후에, 큰 R1 저항(2 MOhm)에 의해 감쇠될 수 있다. 이 신호는 도 8에 도시된 바와 같이 처리되고 비교기(806)로 진입한다. 디바이스가 온 상태이고 Vce > Vref라면, 포화이탈 조건이 식별된다.
도 9는 본 기술에 따른 포화이탈 조건을 검출하는 비교기 회로(900)이다. 비교기 회로(900)는 회로(800) 내 도시된 비교기(806)(도 8)의 실시예를 보여준다.
게이트 드라이브의 포화이탈 검출 비교기(806)에 도달하는 전압(v_det(t))은 단순히 Vce(t)의 감쇠된 형태가 아니다. 이는 R* 및 C*에 따른 시간에 의해 지연되며, 여기서 R*은 대략 R1과 같고, C*는 이 경우의 부유 캐패시턴스와 C의 합이다. 디바이스가 턴 온 하고 있는 경우, Vce(t)는 정상 조건 하에서 Vdc로부터 떨어질 것이다. 특히, Vdc는, 몇 볼트이고 Vcd에 비해 무시할만한 Vce_sat으로 떨어진다. 그러면
Figure pct00001
이다.
정상 조건 하에서 Vdet(t)가 Vref로 도달하는데 얼마나 걸리는지 아는 것은 유용할 수 있는데, 이는 본원에서 To로 지칭된다. Vdet를 Vref로 대체하고, t를 To로 대체하고 To에 대하여 풀면 다음과 같다,
Figure pct00002
도 10은 예시의 실시예에 따른 포화이탈 조건을 검출하도록 비교기 회로의 동작을 설명하는데 유용한 그래프(1000)이다. 그래프(1000)는 커맨드 트레이스(1002) 및 Vge 트레이스(1004)을 포함한다. 또한, 그래프(1000)는 Ic 트레이스(1006) 및 Vce 트레이스(1008)을 포함한다.
정상 조건 하에서, Vge가 "임계" 전압(일반적으로 ~8V)에 도달하고 디바이스는 스위치 온 하기 시작한 이후 To 시간에서, Vdet는 여전히 >= Vref이다. 따라서, Vge => 임계값 인 이후에, 포화이탈 동작을 식별하는 Vdet > Vref인지 여부를 검사하기 전에 To 시간을 기다리는 것이 바람직하다.
Vref는, 게이트 드라이브(308)가 게이트에 사용되는 디바이스의 더 큰 Vce_sat보다 몇 배 더 높도록 하는 것이 바람직하다. 추가적으로, Vref는 디바이스가 동작되는 임의의 Vdc보다 몇 배 더 낮아야 한다. 일 실시예에서, Vref는 12.5볼트로 선택될 수 있다. 추가의 실시예에서, 기판상의 C의 값은 15pF이고, 그래서 C*은 케이스 및 부유 캐패시턴스를 포함하여 30μF일 것이다.
식 1로부터, "To"는 R*, C*, 및 링크 전압 Vdc에 의존한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, Vdc가 높을수록 "To"는 더 낮다. 전형적인 값은:
To(1800V) = 0.5μsec(단락 회로 전력이 높기 때문에 좋음)
To(150V) = 5.96 μsec(전력이 상당히 낮기 때문에 또한 좋음).
도 11은 일 실시예에 따른 포화이탈 조건의 검출에 반응하는 소프트 턴 오프의 수행을 설명하는데 유용한 그래프(1100)이다. 그래프(1100)은 커맨드 트레이스(1102) 및 Vge 트레이스(1104)을 포함한다. 또한, 그래프(1100)는 Ic 트레이스(1106) 및 Vce 트레이스(1108)을 포함한다.
일 실시예에 따른 소프트 턴 오프는, 포화이탈 조건이 식별될 때 초기에 수행될 수 있다. 그러한 소프트 턴 오프에서, Vge는 약 2.5 마이크로초(μsec) 동안 약 +15볼트의 레벨에서 임계 전압(~8볼트) 바로 위의 레벨로 감소될 수 있다. 그러한 동작에서, 높은 단락 회로 전류는 0으로 감소될 수 있다. 이 타이밍은 사용된 디바이스의 정격에 따라 다르다. 그 다음, 하드 턴 오프는, IGBT가 오프를 유지하고 이로써 IGBT를 보호하도록, IGBT의 g-e에 걸쳐 역 바이어스를 적용하도록 수행될 수 있다. +15V에서 약 +8V로의 Vge 감소는, 정상의 Rg_on과 직렬로 삽입되도록 작은 것(예를 들어, Rg_on과 거의 비슷한 크기)만을 필요로 한다.
임계 전압 바로 위로의 Vge의 감소는, 단락 회로 전류로 하여금 소프트 턴 오프 동작 동안 완전히 스위칭 오프되도록 한다. 따라서, 하드 턴 오프 동작 동안, Vge가 -15V로 감소될 수 있을 때, 어떤 전류도 스위칭 오프로 남아있지 않는다. 따라서, -di/dt는 발생하지 않고 제 2의 전압 오버슛도 없다.
도 12는 본 기술에 따른 포화이탈 이벤트의 발생 이후 IGBT의 보호를 설명하는데 유용한 그래프(1200)이다. 그래프(1200)는 Vge 트레이스(1204), Ic 트레이스(1206), Vce(1208)을 포함한다.
그래프(1200)에 도시된 바와 같이, 전압 스위칭 오프 오버슛 = 95nH*3250A/usec = 309V이고, 초기 소프트 턴 오프 동안 발생한다. 스위칭 오프 동안의 Vpeak는, 1700V+309V=2009V이고, 소프트 턴 오프 동안 발생한다.
도 13은 일 실시예에 따른 IGBT 제어 회로(1300)에 관한 개략도이다. IGBT 제어 회로(1300)는 Vpos 입력(1302), 소프트 "턴 오프" 신호 입력(1304), 게이트 온 신호 입력(1306), 게이트 오프 신호 입력(1308), Vneg 입력(1310), IGBT 게이트(1312) 및 IGBT 이미터(1314)를 포함한다. IGBT 제어 회로(1300)에서, 추가 저항(R3)은 소프트 턴 오프를 동작시키는 동안 Rg_on(R1)에 직렬로 삽입되고, ~2.5μsec 이후에, FET을 게이팅함으로써 이러한 저항들 양자를 제거하고 Rg_off(R2)를 삽입한다. 게이트 드라이브가 소프트 턴 오프 동작에 머무르는 2.5μsec 기간은 디바이스의 전력 정격에 따라 달라진다는 것을 주목해야 한다.
일 실시예에서, 포화이탈 이벤트의 발생은 IBGT 디바이스를 포함하는 전력 시스템의 외부에 위치된 로직 카드상의 프로세서 제어기(302)에 보고될 수 있다. 본원에서 개시된 바와 같이, 이러한 통신은 광섬유 통신 링크를 통해 이뤄질 수 있다. 일 실시예에서, 두 개의 독립적인 통신 링크, 즉 커맨드를 위한 링크 및 상태 정보를 위한 다른 링크가 제공된다. 커맨드 통신 링크는 로직 카드로부터 게이트 드라이브로 "마크 업된" 커맨드 신호의 전송을 가능하게 할 수 있다. 포화이탈 이벤트를 포함하는 다양한 결함 발생에 관한 정보는, 상태 통신 링크를 통해 게이트 드라이브(308)로부터 프로세서 제어기(302)로 통신될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 상태 통신 링크를 통해 전송된 상태 정보는, IGBT 디바이스가 온인지 오프인지, 또는 IGBT 디바이스가 온에서 오프로 천이되고 있는지 또는 그 반대인지를 포함할 수 있다. 따라서, 동작 조건이 정상일 때, 동일한 IGBT에 대한 커맨드 및 상태 신호는 서로의 미러 이미지(mirror images)일 것이다.
일 실시예에서, IGBT를 턴 온하는 커맨드 신호는 온 상태의 광으로 표현되고 IGBT를 턴 오프하는 커맨드 신호는 오프 상태의 광으로 표현된다. 일 실시예에서, IGBT가 온 상태임을 표시하는 상태 신호는 오프 상태인 광으로 표시되고 IGBT가 오프임을 표시하는 상태 신호는 온 상태인 광으로 표시된다.
예시로, 프로세서 제어기(302)는 특정 간격(예를 들어, 2μsec 마다)으로 각 개별 IGBT에 커맨드를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서 제어기(302)는 특정 간격(예를 들어, 2μsec 마다)으로 각 IGBT에 대한 피드백을 수신할 수 있다. 피드백 정보는, IGBT의 보완물이 여전히 온 상태인 동안 IGBT로 온 펄스를 부여하는 것을 방지하기 위해, 제어 디바이스(예를 들어, FPGA 제어기)에 의해 사용될 수 있다. 또한, 광섬유 통신 시스템은, IGBT의 보완물이 또한 온으로 커맨드되는 동안 IGBT로 온 펄스가 전송되는 것을 하드웨어를 통해 방지하도록, 커맨드 통신 링크에 인터로크(interlock)를 사용할 수 있다.
다음의 설명은 IGBT가 프로세서 제어기(302)로 전송할 수 있는 다양한 상태조건에 관한 것이다. 전송될 수 있는 하나의 상태 조건은, IGBT가 턴 온하고 있는 경우이다. 게이트 드라이브(308)가 광섬유 커맨드 통신 링크를 통해 턴 온에 대한 커맨드를 수신하는 경우, 게이트 드라이브(308)는 본원에서 T1로 지칭된 필터링 기간을 거칠 것이다. 일 실시예에서, T1은, 게이트 드라이브(308)가 온 커맨드를 나타내는 높은 로직 신호를 수신할 때(예를 들어, 광섬유 수신기가 24dbm 이상의 광도(light intensity)를 수신할 때) 시작한다. 반응 시간 T1은 0.5μs 이상의 글리치(glitch)/잡음 필터링 기간을 포함하고 또한 게이트 응답을 포함한다. 일 실시예에서, T1은 0.5μs 와 2.5μs 사이이다.
게이트 드라이브(308)가 (글리치에 대한 필터링 이후) 유효 커맨드를 수신한 이후, 게이트 드라이브(308)는 결함이 없는지(예를 들어, 포화이탈 없음, 전력 공급기 고장 없음)를 먼저 확인한다. 전력 공급기 고장의 예시는, 높거나 낮은, 범위를 벗어난 전력 공급을 포함한다. 게이트 드라이브(308)는, 게이트 드라이브(308) 및 디바이스가 확실히 오프 상태인지를 결정하기 위해, Vge가 -10 +/-0.5 볼트 이하인지를 더 확인할 수 있다. 게이트 드라이브(308)는 또한 최소 오프 타이머가 비활성화 상태인지를 확인할 수 있다. 일 실시예에서, 최소 온이 반드시 발견되지는 않는 소프트 턴 오프 보호 동작이 발생하는 경우를 제외하고는, 최소의 오프 또는 온 기간은 20.0μs± 14%이다. 임의의 확인이 실패한 경우, 게이트 드라이브(308)는 오프 상태로 남아있을 것이고 억제 기능(inhibiting function)이 남아있는 동안은 결함 상태를 생성할 수 있다(즉, 커맨드가 높더라도 피드백은 높을 것임). 모든 확인이 성공적이라면, 게이트 드라이브(308)는 게이트 MOSFET을 파이어링함으로써 예시의 스위칭 온 프로세스를 거칠 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 IGBT를 턴 온하는 프로세스를 설명하는데 유용한 그래프(1400)이다. 그래프(1400)는 커맨드 트레이스(1402) 및 Vge 트레이스(1404)을 포함한다. 또한, 그래프(1400)는 Ic 트레이스(1406) 및 Vce 트레이스(1408)을 포함한다. 그래프(1400)는 또한 상태 트레이스(1410)을 갖는다.
T1은 적절한 게이트 MOSFET이 게이팅될 때 종료한다. 시간 T1의 마지막에서, 게이트 전압이 상승하기 시작하고, 최소 온 타이머(최소 온 = 18.3μs±14%)는 (본원에서 설명된) T2 타이머와 함께 시작된다. 게이트 전압이 출력 MOSFET이 턴 온되는 것을 표시하는 5±0.25볼트 바로 위로 변할 때, 게이트 드라이브(308)는 IGBT가 턴 온하고 있음을 나타내기 위해 상태 신호를 낮게 변경해야 한다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 상태 피드백은 게이트 드라이브(308)가 커맨드에 반응하여 동작했다는 증거뿐만 아니라 게이트 드라이브가 커맨드를 수신했다는 확인을 제공한다.
Vce 전압이 포화이탈에 대한 확인을 위해 모니터링되기 전에, T2 기간은, IGBT 게이트 전압이 높게 도달하고 (예를 들어, >14V) IGBT를 온 상태로 전환하는 것이 가능하게 한다. 일 실시예에서, T2 = 8.5μs ±14%이다.
도 15는 일 실시예에 따라 IGBT를 턴 오프하는 프로세스를 설명하는데 유용한 그래프(1500)이다. 그래프(1500)는 커맨드 트레이스(1502) 및 Vge 트레이스(1504)을 포함한다. 또한, 그래프(1500)는 Ic 트레이스(1506) 및 Vce 트레이스(1508)을 포함한다. 그래프(1500)는 또한 상태 트레이스(1510)을 갖는다.
IGBT를 턴 온하는 프로세스는, 상태 정보가 게이트 드라이브(308)로부터 프로세서 제어기(302)로 송신될 수 있는 또 다른 조건이다. 온에서 오프로의 커맨드 변경이 수신될 때, 게이트 드라이브(308)는 결함 조건이 존재하는지 결정하기 위해 확인을 수행할 수 있다. 결함의 예시는 범위를 벗어난 전력 공급을 포함하는 전력 공급 결함을 포함한다. 전력 공급 결함이 발생한다면, 게이트 드라이브는 보호적인 턴 오프를 이미 수행하고 결함 상태를 생성했어야 한다. 게이트 드라이브(308)는 또한 최소 온 타이머가 활성화 상태인지를 확인할 수 있다. 확인이 성공적이라면, 그 이후 게이트 드라이브는 지정된 보호 프로세스를 거칠 것이다.
도 15에 도시된 T3 기간은 도 14를 참조하여 설명된 턴 온 프로세스에서의 T1 기간과 유사하다. 이와 같이, T3은 게이트 드라이브(308)가 오프 커맨드를 나타내는 낮은 로직 신호(예를 들어, 광 없음)를 수신할 때 시작한다. T3 기간은 적절한 게이트 MOSFET이 게이팅되었을 때 종료한다. 응답 시간 T3은, 0.5μsec 이상일 수 있는 글리치/잡음 필터링 기간이고, 또한 게이트 응답을 포함한다. 일 예시에서, T3은 0.5μs 와 2.5μs 사이이다.
시간 T3의 마지막에서, 게이트 전압은 네거티브 바이어스 레벨(negative bias level)로 떨어지기 시작하고, 최소 오프 타이머가 T4 타이머와 함께 시작된다. 도 15에 도시된 T4 기간은 IGBT가 완전히 턴 오프하도록 한다. 이는, T3의 마지막에서부터 Vge가 완전한 네거티브 바이어스에 도달하는데 걸리는 시간, Vce가 낮은 링크 전압에 대한 스위칭 오프 오버슛 10μs에서 회복하는 시간(예를 들어, 5μs), 및 IGBT가 Ic 꼬리 전류(tail current)를 구별하는데 걸리는 시간(예를 들어, 5μs)을 포함한다. 일 실시예에서, T4는 20μsec ±14%의 범위 내에 있다.
게이트 전압이 턴 오프 출력 회로가 활성화 상태임을 나타내는 -10±0.5 아래로 변할 때, 게이트 드라이브(308)는, (상태 트레이스(1510)에 의해 도시된) 상태 신호를 IGBT가 턴 오프되고 있음을 나타내도록 높은 값으로 변경할 것이다. 이와 같이, 상태 피드백은, 게이트 드라이브(308)가 오프 커맨드로 동작했다는 증거로서 뿐만 아니라 게이트 드라이브(308)가 오프 커맨드를 수신했다는 확인으로서 역할을 한다.
도 16은 일 실시예에 따른 포화이탈 보호 동작을 수행하는 프로세스를 설명하는데 유용한 그래프(1600)이다. 그래프(1600)는 커맨드 트레이스(1602) 및 Vge 트레이스(1604)을 포함한다. 또한, 그래프(1600)는 Ic 트레이스(1606) 및 Vce 트레이스(1608)을 포함한다. 그래프(1600)는 또한 상태 트레이스(1610)을 갖는다.
게이트 드라이브(308)가 포화이탈 조건을 검출할 때, (상태 트레이스(1610)으로 나타낸) 상태 신호는 결함 검출을 표시하도록 높아진다. 시간 기간 T6의 마지막에서(T7의 시작에서), 게이트 드라이브는 기간 T7 동안(20μs±14%) 결함 상태 신호를 생성한다.
다음의 설명은 프로세서 제어기(302)를 주관하는 로직 카드의 동작에 관한 것이다. 프로세서 제어기가 결함을 표시하는 상태를 수신할 때, 이는 컨버터 내 모든 IGBT에 오프 커맨드를 발행하고, 상태 광섬유 피드백을 통해, 디바이스가 턴 오프 되었음을 확인한다. 고장난 IGBT로 인해 결함이 발생한 다면, 그 이후 이의 상태 피드백은 "턴 오프 실패함"으로 특정 디바이스를 표시한다.
도 16에 도시된 예시에서, 결함 상태를 수신한 이후 40usec(T7 초과) 동안, 프로세서 제어기(302)는 다시 상태 신호를 검사한다. 상태가 높고(IGBT가 오프로 커맨드 되었기 때문에 커맨드는 낮지만) 결함이 "포화이탈"이었다면, 그 이후로 그러한 결함은 T7=20μsec<40μsec 이후에 결함 상태를 생성하는 것을 중단할 것이다. 따라서, 로직 카드는 포화이탈 사건을 기록하고 로직 카드를 리셋하기 위해 시스템 제어기에 포화이탈 결함이 발생했음을 알린다.
일 실시예에서, 로직 카드는, 시스템 제어기가 이를 리셋하고자 시도하더라도, 10초 동안 게이트 드라이브로 임의의 추가의 온 펄스를 전송하지 않는다. 이러한 단계는 IGBT의 접합의 과열을 방지하기 위해 실시된다. 10초 이후에, 이 인버터 내 모든 IGBT가 기능하는 것을 확인하고 시스템에 의해 리셋되는 메인 제어기는, 컨버터의 동작을 재시작한다.
T6 동안, 게이트 드라이브(308)는 임의의 커맨드 신호를 무시하고 결함 상태를 반환한다. T7 동안, 게이트 드라이브(308)는 커맨드를 무시하거나 무시하지 않을 수 있다. 게이트 드라이브(308)는 커맨드 신호가 "오프"가 되고 그 이후 다시 "온" 될 때까지 IGBT를 오프 상태로 유지한다.
포화이탈 조건을 처리하는 것에 더하여, 일 실시예는 또한 범위를 벗어난 낮는 전압 전력 공급 조건과 관련된 결함을 처리할 수 있다. 일 실시예에서, 게이트 드라이브는 낮은 전압 전력 공급에 의해 전력 공급된다. 이 낮은 전압 전력 공급은 배터리 전압(공칭 75V-80V dc)으로부터 동작하고 게이트 드라이브(308)(도 3)에 200V 피크 투 피크 출력을 제공한다.
게이트 드라이브(308)는, 이 전압을 수신하고, 스텝 다운 절연 변압기(310)의 사용 이후에, +15V 및 -15V 레일을 세팅하기 위해 두 개의 독립적인 레귤레이터(312, 314)를 사용한다. 이러한 전압은, 디바이스를 온/오프 전환하도록, 스위칭 MOSFET(316)을 통해, IGBT의 게이트 투 이미터 단자(gate-to-emitter terminals)에 제공된다.
일 실시예에서, IGBT에 제공된 포지티브 레벨의 Vge는, 적절한 IGBT 온 상태의 전압을 보장하도록 14볼트보다 크고, 뿐만 아니라 1800VDC에서 확실한 단락 회로 능력을 보장할 수 있도록 16.5V이하여야 한다. 레귤레이터의 출력으로 변환된 이것은, -40℃와 75℃ 사이의 동작 온도에 동안 포지티브 공급 전압이 12.5V와 16.5V 사이에 있어야 한다는 것을 의미한다. 포지티브 레귤레이터(312)에 의해 공급된 포지티브 공급 전압이 이 범위 밖에 있다면, 게이트 드라이브(308)는 "범위를 벗어난 공급 전압"을 검출할 것이고, 제어 가능하게 IGBT를 오프로 전환할 것이다. 검출 이후, 게이트 드라이브(308)는, 결함의 지속기간 또는 200μsec의 기간(가장 긴 것 중 아무거나) 동안 커맨드 신호와 동일한 상태 신호를 전송함으로써 (로직 카드에 의해 주관됨) 프로세서 제어기(302)로 다시 결함 상태를 제공한다. 이는 정상 동작에 반대되며, 여기서 커맨드 신호 및 상태 신호는 서로의 미러 이미지라는 것을 주목하자.
로직 카드가 결함 상태를 수신할 때, 로직 카드는 컨버터 내 모든 IGBT로 오프 커맨드를 발행하고, 상태 광섬유 피드백을 통해, 디바이스가 오프로 전환되었는지를 확인한다. 고장난 IGBT로 인해 결함이 발생한 경우, 그 다음에 IGBT의 상태 피드백은 "턴 오프 실패함"으로 특정 디바이스를 표시한다.
일 실시예에서, 로직 가드는 포화이탈 결함과 범위를 벗어난 낮은 전압 전력 공급 결함 사이에 차이를 둔다. 예시로써, 로직 카드가 결함 상태를 수신한 이후 40usec 동안, 로직 카드는 상태 신호를 다시 검사한다. 상태가 (커맨드가 이전에 훨씬 더 일찍 낮게 전환되었음) 낮다면, 그 다음에 결함은 범위를 벗어난 낮은 전압 전력 공급 결함으로 결정된다. 이 예시에서, 게이트 드라이브(308)는 포화이탈 결함의 경우에 20μsec 동안만 결함 상태를 반환한다.
로직 카드는 그 이후 "범위를 벗어난 전력 공급"을 기록하기 위해, 시스템 제어기에 범위를 벗어난 낮은 전압 전력 공급이 발생했음을 알릴 수 있다. 로직 카드는 결함 상태를 수신하고 2.5초 이후 자동으로 리셋할 수 있으나, 로직 카드는, 게이트 드라이브의 출력 커패시터가 재충전되는 것이 가능하도록 결함 신호의 기간 또는 2.5초의 추가 기간(가장 긴 것 중 아무거나) 동안, 임의의 추가 온 펄스를 게이트 드라이브로 전송하지 않을 것이다. 상기 기간 이후에, 이 인버터 내 모든 IGBT가 기능하는지 확인하는 로직 카드는 컨버터의 동작을 재시작한다.
도 17은 일 실시예에 따른 IGBT 디바이스 내 포화이탈 조건을 식별하고 처리하는 방법에 관한 프로세스 흐름도(1700)이다. 블록 1702에서, IGBT 턴 온 하도록 IGBT 디바이스의 게이트에 전압이 인가된다. 블록 1704에 보여지는 바와 같이, IGBT의 게이트 투 이미터 전압이 측정된다. 측정된 게이트 투 이미터 전압은 기준 전압과 비교되고(블록 1706), 측정된 게이트 투 이미터 전압이 기준 전압을 초과한다면 결함 조건이 생성된다(블록 1708).
블록 1710에서, 소프트 턴 오프는, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 IGBT의 정격 임계 전압보다 약간 더 큰 전압으로 감소시킴으로써 결함 조건에 응답하여 시작된다. 블록 1712에서, 하드 턴 오프는, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 IGBT의 정격 임계 전압 아래로 감소시킴으로써 소프트 턴 오프의 시작을 지나 정해진 시간 기간 이후에 시작된다.
도 18은 일 실시예에 따라 결함의 타입을 결정하는 방법(1800)이다. 블록 1802에서, IGBT 디바이스의 결함 조건을 표시한 상태 신호가 수신된다. 블록 1804에 도시된 바와 같이, IGBT 디바이스의 모든 IGBT를 턴 오프하도록 제어 신호가 송신된다. 블록 1806에서, 각 IGBT가 성공적으로 턴 오프되었는지 표시하는 각 IGBT에 대한 제 2 상태 신호가 수신된다. 제 2 상태 신호가 하나 이상의 IGBT가 정해진 시간 기간 내에 턴 오프하지 않았음을 표시한다면, 블록 1808에 도시된 바와 같이, 결함 조건이 포화이탈 결함이라는 표시가 생성된다. 그렇지 않다면, 결함 조건이 범위를 벗어난 전력 공급이라는 표시가 생성된다(블록 1808).
다른 실시예는 제어 방법에 관한 것이다. 방법은 IGBT를 턴 온하기 위해 IGBT 디바이스의 게이트에 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 방법은 IGBT의 콜렉터 투 이미터 전압을 측정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 측정된 컬렉터 투 이미터 전압을 기준 전압과 비교하는 단계를 더 포함한다. 측정된 컬렉터 투 이미터 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 결함 조건을 생성하는 단계를 더 포함한다. 방법은, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 IGBT의 정격 임계 전압보다 약간 더 큰 전압으로 감소시킴으로써 결함 조건에 반응하여 소프트 턴 오프를 시작하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 소프트 턴 오프의 시작 뒤 정해진 시간 기간 후에, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 정격 임계 전압 아래인 음의 값으로 감소시킴으로써, IGBT에 음 전압 바이어스를 제공하여 하드 턴 오프를 시작하는 단계를 더 포함한다.
본 방법에 관한 다른 실시예에서, 결함 조건은 포화이탈 결함 조건을 포함한다.
본 방법에 관한 다른 실시예에서, 소프트 턴 오프를 시작하는 단계는 상태 신호를 제어기에 송신하는 것을 포함한다.
본 방법에 관한 다른 실시예에서, 상태 신호는 결함 조건을 포함한다.
본 방법에 관한 다른 실시예에서, 상태 신호는 광 통신 링크를 통해 송신된다.
본 방법에 관한 다른 실시예에서, 소프트 턴 오프를 시작하는 단계는 제어기로부터 커맨드 신호를 수신하는 것을 포함한다.
본 방법에 관한 다른 실시예에서, 본 방법은 커맨드 수신 즉시 IGBT의 컬렉터 투 이미터 전압을 측정하는 것을 더 포함한다.
다른 실시예는 인버터 시스템에 관한 것이다. 시스템은 복수의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 포함하며, 이 IGBT는 IGBT를 턴 온 하도록 IGBT의 게이트에 인가된 전압을 갖는다. 시스템은 IGBT의 컬렉터 투 이미터 전압을 측정하고, 측정된 컬렉터 투 이미터 전압을 기준전압에 비교하고, 측정된 컬렉터 투 이미터 전압이 기준 전압을 초과한다면 결함 조건을 생성하는 게이트 드라이브를 포함한다. 게이트 드라이브는 IGBT의 게이트에 인가된 전압을 IGBT의 정격 임계 전압보다 약간 더 큰 전압으로 감소시킴으로써 결함 조건에 기초하여 IGBT의 소프트 턴 오프를 수행하고, 소프트 턴 오프의 시작 뒤 정해진 시간 기간 후에, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 정격 임계 전압 아래 음의 값으로 감소시킴으로써, IGBT에 음 전압 바이어스를 제공하여 하드 턴 오프를 수행한다.
인버터 시스템의 다른 실시예에서, 결함 조건을 포화이탈 결함 조건을 포함한다.
인버터 시스템의 다른 실시예에서, 소프트 턴 오프는, 상태 신호를 제어기에 송신함으로써 부분적으로 시작된다.
인버터 시스템의 다른 실시예에서, 상태 신호는 결함 조건을 포함한다.
인버터 시스템의 다른 실시예에서, 상태 신호는 광 통신 링크를 통해 송신된다.
인버터 시스템의 다른 실시예에서, 소프트 턴 오프는 제어기로부터 커맨드 신호를 수신함으로써 부분적으로 시작된다.
인버터 시스템의 다른 실시예에서, IGBT의 컬렉터 투 이미터 전압은 커맨드 수신 즉시 측정된다.
또 다른 실시예는 운송 수단을 위한 전력 시스템에 관한 것이다. 시스템은 복수의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 포함하고, IGBT 각각은 IGBT가 턴 온 하도록 게이트에 인가된 전압을 갖는다. 시스템은 IGBT에 의해 전력을 공급받는 복수의 전자 디바이스를 더 포함한다. 시스템은 복수의 IGBT의 컬렉터 투 이미터 전압을 측정하고, 측정된 컬렉터 투 이미터 전압을 기준전압에 비교하고, 측정된 컬렉터 투 이미터 전압이 기준 전압을 초과한다면 복수의 IGBT 중 하나에 대하여 결함 조건을 생성하는 게이트 드라이브를 더 포함한다. 게이트 드라이브는 복수의 IGBT 중 하나의 게이트에 인가된 전압을 복수의 IGBT 중 하나의 정격 임계 전압보다 약간 더 큰 전압으로 감소시킴으로써 결함 조건에 기초하여 복수의 IGBT 중 하나에 관한 소프트 턴 오프를 수행하고, 소프트 턴 오프의 시작 뒤 정해진 시간 기간 후에, 복수의 IGBT 중 하나의 게이트에 인가된 전압을 정격 임계 전압 아래 음의 값으로 감소시킴으로써, 복수의 IGBT 중 하나에 음 전압 바이어스를 제공하여 하드 턴 오프를 수행한다.
전력 시스템에 관한 다른 실시예에서, 결함 조건은 포화이탈 결함 조건을 포함한다.
전력 시스템에 관한 다른 실시예에서, 소프트 턴 오프는 상태 신호를 제어기에 송신함으로써 부분적으로 시작된다.
전력 시스템에 관한 다른 실시예에서, 상태 신호는 결함 조건을 포함한다.
전력 시스템에 관한 다른 실시예에서, 상태 신호는 광 통신 링크를 통해 송신된다.
전력 시스템에 관한 다른 실시예에서, 소프트 턴 오프는 제어기로부터 커맨드 신호를 수신함으로써 부분적으로 시작된다.
또 다른 실시예는 인버터 시스템에 관한 것이다. 시스템은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 포함하며, 여기서 IGBT는 IGBT의 게이트에 전압을 인가할 때 턴 온하도록 구성된다. 시스템은, 활성화될 때, IGBT가 턴 온 되면 IGBT의 컬렉터 투 이미터 전압을 측정하고, 측정된 컬렉터 투 이미터 전압을 기준전압과 비교하고, 측정된 컬렉터 투 이미터 전압이 기준 전압을 초과한다면 결함 조건을 생성하도록 구성된 게이트 드라이브를 더 포함한다. 게이트 드라이브는 활성화될 때, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 IGBT의 정격 임계 전압보다 약간 더 큰 전압으로 감소시킴으로써 결함 조건에 기초하여 IGBT의 소프트 턴 오프를 수행하고, 소프트 턴 오프의 시작 뒤 정해진 시간 기간 후에, IGBT의 게이트에 인가된 전압을 정격 임계 전압 아래 음의 값으로 감소시킴으로써, IGBT에 음 전압 바이어스를 제공하여 하드 턴 오프를 수행하도록 더 구성된다.
위의 설명은 예증을 위한 것으로 제한적인 의도가 아니라는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 전술된 실시예들(및/또는 이들의 양태들)은 서로와 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 본 발명의 개시 내용에 특정 상황 또는 내용을 적용하도록 많은 수정들이 행해질 수 있다. 본원에서 설명된 내용의 타입 및 치수는 본 발명의 실시예들을 예증하고자 하는 것이나, 이들은 제한하는 수단이 아니며 예시 본연의 목적을 위한 것이다. 다른 실시예들은 위의 설명을 검토하는 즉시 명백해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는, 특허청구범위가 권리를 갖는 균등물의 전체 범주와 함께, 첨부된 특허청구범위와 관련하여 결정되어야한다.
첨부된 특허청구범위에서, 용어 "포함하는(including)" 및 "여기서(in which)"는 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)" 각각의 쉬운 영어 표현으로서 사용되었다. 다음의 특허청구범위에서, 용어 "제 1", "제 2", "3rd", "상위(upper)", "하위(lower)", "하부(bottom)", "최상위(top)", "위(up)", "아래(down)"는, 단순히 표식(label)으로서 사용되며, 이들 객체에 대하여 숫자적 또는 위치적 요구조건을 부과하고자 하는 것은 아니다. 또한, 다음의 특허청구범위에 관한 제한들은, 특허청구범위에 관한 제한이 "~을 위한 수단"이라는 문장을 분명히 사용하고 나서 추가 구조를 갖지 않는 기능에 관한 서술이 이어지지 않는 한, 기능+수단 형식으로 적혀지지 않으며 U.S.C §112, 6번째 문단에 기초하여 해석되어야 하는 것은 아니다.
본원에서 사용된 바와 같이, 단일로 언급되고 단어 "하나(a or an)"로 진행된 구성요소 또는 단계는, 명시적으로 예외가 언급되지 않더라도, 그러한 요소 또는 단계의 복수형을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 본 발명의 "일 실시예"에 대한 참조는, 언급된 피쳐들을 또한 포함하는 추가의 실시예들의 존재를 배제하는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 더욱이, 이와 반대로 정확히 서술되지 않더라도, 특정 특성을 가지는 구성요소 또는 복수의 구성요소를 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 또는 "가진(having)" 실시예들은 그러한 특성을 갖지 않는 추가의 구성요소를 포함할 수 있다.
특정 변경은 본원에 포함된 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않으면서 위에서 설명된 제어 방법으로 실시될 수 행해질 수 있기 때문에, 위의 설명의 모든 요지 또는 첨부된 도면들에 도시된 모든 요지는 단지 본원의 발명적 개념을 예증하는 예시로서 해석되어야 하며 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 제어 방법으로서,
    영향받는 컨버터(an affected converter)의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor: IGBT) 디바이스의 동작 내 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하는 단계와,
    상기 영향받는 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신하는 단계와,
    상기 IGBT 각각이 성공적으로 턴 오프되었는지 표시하는 상기 IGBT 각각에 대한 제 2 상태 신호를 수신하는 단계와,
    결함 신호의 지속기간에 따라, 상기 결함 조건이 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 포화 조건에 관련된다는 표시를 생성하는 단계를 포함하는
    제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    게이트 드라이브로부터 제어기로 상기 상태 신호를 전송하는 단계를 포함하는
    제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 신호는 광 통신 링크를 통해 전송되고 상기 제어 신호는 분리된 광 통신 링크를 통해 전송되는
    제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 신호가 상기 상태 신호와 동일하다면 상기 결함 조건이 표시되는
    제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 결함 조건을 표시하는 상기 상태 신호를 수신한 이후 정해진 시간에 리셋 동작을 수행하는 단계를 포함하는
    제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 리셋 동작 후 정해진 시간까지 온 제어 신호(an ON control signal)의 전송을 지연하는 것을 포함하는
    제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 리셋 동작 이후 정해진 시간 또는 상기 결함 조건이 중단된 이후 정해진 시간 중 더 긴 시간까지, 온 제어 신호의 전송을 지연하는 것을 포함하는
    제어 방법.
  8. 인버터 시스템으로서,
    영향받는 컨버터의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와,
    제어기를 포함하되, 상기 제어기는,
    상기 영향받는 컨버터의 상기 IGBT의 동작 내 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하고, 상기 영향받는 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신하고, 상기 영향받는 컨버터의 모든 IGBT가 성공적으로 턴 오프되었는지 표시하는 제 2 상태 신호를 수신하고, 결함 신호의 지속기간에 따라 상기 결함 조건이 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 포화 조건과 관련된다는 표시를 생성하는
    인버터 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 상태 신호를 상기 제어기로 전송하는 각 IGBT와 관련된 게이트 드라이브를 포함하는
    인버터 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    관련 게이트 드라이브 내 위치되는, 상기 상태 신호를 전송하는 광 통신 링크 및 상기 제어 신호를 전송하는 분리된 광 통신 링크를 포함하는
    인버터 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 신호가 상기 상태 신호와 동일하다면 상기 결함 조건이 표시되는
    인버터 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 결함 조건을 표시하는 상기 상태 신호를 수신한 이후 정해진 시간에 리셋 동작을 수행하는
    인버터 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 리셋 동작 이후 정해진 시간까지 온 제어 신호의 전송이 지연되는
    인버터 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 리셋 동작 이후 정해진 시간 또는 상기 결함 조건이 중단된 이후 정해진 시간 중 더 긴 시간까지 온 제어 신호의 전송이 지연되는
    인버터 시스템.
  15. 운송 수단(a vehicle)을 위한 전력 시스템으로서,
    복수의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor: IGBT)를 포함하는 IGBT 컨버터와,
    상기 IGBT에 의해 전원 공급되는 복수의 전자 디바이스와,
    제어기를 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 IGBT 컨버터의 IGBT들 중 하나의 동작에서의 결함 조건을 표시하는 상태 신호를 수신하고,
    상기 IGBT 컨버터의 모든 IGBT를 턴 오프하는 제어 신호를 송신하고,
    상기 IGBT 각각이 성공적으로 턴 오프되었는지를 표시하는 상기 IGBT 각각에 대한 제 2 상태 신호를 수신하고,
    결함 신호의 지속기간에 따라, 상기 결함 조건이 지정된 범위를 벗어난 전력 공급 또는 포화 조건과 관련된다는 표시를 생성하는
    전력 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상태 신호를 상기 제어기로 전송하는 게이트 드라이브를 포함하는
    전력 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 상태 신호를 전송하는 광 통신 링크 및 상기 제어 신호를 전송하는 분리된 광 통신 링크를 포함하는
    전력 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 신호가 상기 상태 신호와 동일하다면 상기 결함 조건이 표시되는
    전력 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 결함 조건을 표시하는 상기 상태 신호를 수신한 이후 정해진 시간에 리셋 동작을 수행하는
    전력 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 리셋 동작 이후 정해진 시간까지 온 제어 신호의 전송이 지연되는
    전력 시스템.
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