KR20140113990A - 반도체 장치 콘트롤러들 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 상태들 중 선택된 하나로 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러에 있어서, 상기 상태들은 전부-오프(fully-off) 상태, 세츄에이티드-온(saturated-on) 상태, 및 상기 전부-오프 상태와 상기 세츄에이티드-온 상태 사이의 적어도 하나의 매개(intermediate) 상태를 포함하며, 상기 반도체 스위칭 장치는 제 1 및 제 2 입력/출력 단자 및 제어 단자를 가지고, 상기 스위칭 다바이스 콘트롤러는:
상기 스위칭 디바이스를 위한 명령된(commanded) 상기 상태를 정의하고 디바이스 명령어 데이터를 수신하기 위한 인터페이스;
상기 입력/출력 단자 상에서 전압을 센싱하기 위한 전압 센스 입력(voltage sense input);
상기 입력/출력 단자들을 매개로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 통해 통과하는 전류를 센싱하기 위한 전류 센스 입력(current sense input);
상기 제어 단자로 구동 신호를 제공하기 위한 제어 출력;
상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류에 응답하는 상기 구동 신호를 제공하기 위해, 상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력 및 상기 제어 출력에 결합된 피드백 제어 회로(feedback control circuit) - 여기서, 상기 피드백 제어 회로는 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 갖고, 상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류로의 상기 구동 신호의 상기 응답은 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들에 의존함 - ; 및
상기 피드백 제어 회로 및 상기 인터페이스에 결합된 회로 콘트롤러 - 상기 회로 콘트롤러는 상기 명령어 데이터에 응답하는 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 제어하기 위해 구성됨 - ;를 포함하되,
상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들의 상태는 상기 피드백 제어 회로로부터의 상기 구동 신호에 의해 세팅(set)되는 상기 스위칭 디바이스의 상태를 정의하며, 상기 명령된 상태들은 상기 전부-오프 상태, 상기 세츄에이티드-온 상태, 및 상기 적어도 하나의 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 상기 회로 콘트롤러에 대한 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라메타를 포함한다.
상기 스위칭 디바이스를 위한 명령된(commanded) 상기 상태를 정의하고 디바이스 명령어 데이터를 수신하기 위한 인터페이스;
상기 입력/출력 단자 상에서 전압을 센싱하기 위한 전압 센스 입력(voltage sense input);
상기 입력/출력 단자들을 매개로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 통해 통과하는 전류를 센싱하기 위한 전류 센스 입력(current sense input);
상기 제어 단자로 구동 신호를 제공하기 위한 제어 출력;
상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류에 응답하는 상기 구동 신호를 제공하기 위해, 상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력 및 상기 제어 출력에 결합된 피드백 제어 회로(feedback control circuit) - 여기서, 상기 피드백 제어 회로는 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 갖고, 상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류로의 상기 구동 신호의 상기 응답은 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들에 의존함 - ; 및
상기 피드백 제어 회로 및 상기 인터페이스에 결합된 회로 콘트롤러 - 상기 회로 콘트롤러는 상기 명령어 데이터에 응답하는 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 제어하기 위해 구성됨 - ;를 포함하되,
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Description
본 발명은 반도체 스위칭 장치들, 특히 전력 반도체 스위칭 장치들을 제어하기 위한 기법이다.
우리가 관심 있는 전력 반도체 스위칭 장치들은 일반적으로 1A보다 큰 전류 운반 능력을 가지고 있고 100V보다 더 큰 전압과 함께 동작한다. 우리가 관심있는 장치들의 실시예들은 10A, 50A 또는 100A보다 더 큰 전류를 운반할 수 있고/있거나 장치를 통해 500V 또는 1KV보다 더 큰 전압 차를 유지할 수 있다.
이런 장치들은 JFETs 및 MOSFETS (수직 또는 수평)과 같은 FETs 뿐만 아니라 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated gate bipolar transistors) (IGBTs)과 LILETs (lateral inversion layer emitter transistors), GTOs (Gate Turn-Off thyristors). IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristors) 등과 같은 잠재적 장치들(potentially devices)을 포함한다. 우리가 설명할 기술은 장치 구조(device architecture)의 어느 특정한 타입에 제한되지 않고 따라서 전력 스위칭 장치들 예를들어, 수직 또는 수평 장치들일 수 있다; 그들은 포함하는 기술들의 범위 내에서 제조될 수 있지만, 실리콘, 및 실리콘 카바이드(silicon carbide)에 한정되지 않을 수 있다.
이 유형의 스위칭 장치들은 모터 등, 예를 들어 기관차 모터들(locomotive motors)을 위한 중간 전압(예를 들어 1KV보다 큰) 스위칭과 예를 들어, 해상 풍력 구조물(offshore wind installation)로부터 전력을 운반할 수 있는 유형의 고전압 전송선들(high voltage transmission lines), 특히 DC 전송선들의 스위칭과 모터 등, 을 포함하는 응용들을 가질 수 있다.
이런 장치들을 제어함에 있어, 특별한 문제들이 있다, 부분적으로 관련된 고 전류/전압들은 에러, 예를들어, 제어 시스템의 에러 또는 과도한 전력 소모 또는 전력 스위칭 장치의 과전압, 가 잠재적으로 심각한 결과들을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 이러한 장치들은 종종 전기적으로 잡음 환경에서 동작하고, 또한 수십개 또는 수백 개의 장치들은 원하는 등급(ratings)을 달성하기 위하여 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 장치들의 이러한 배열 스위칭(arrangement switching)은 조심스럽게 동기화될 필요가 있다. 제어 기법들이 많이 연결된 장치들 중 하나가 고장나는(fails) 상황을 어드레스(address) 할 수 있다는 것 역시 바람직하다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 복수의 상태들 중 선택된 하나로 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러가 제공되고, 상기 상태들은 전부-오프(fully-off) 상태, 세츄에이티드-온(saturated-on) 상태, 및 상기 전부-오프 상태와 상기 세츄에이티드-온 상태 사이의 적어도 하나의 매개(intermediate) 상태를 포함하며, 상기 반도체 스위칭 장치는 제 1 및 제 2 입력/출력 단자 및 제어 단자를 가지고, 상기 스위칭 다바이스 콘트롤러는: 상기 스위칭 디바이스를 위한 명령된(commanded) 상기 상태를 정의하고 디바이스 명령어 데이터를 수신하기 위한 인터페이스; 상기 입력/출력 단자 상에서 전압을 센싱하기 위한 전압 센스 입력(voltage sense input); 상기 입력/출력 단자들을 매개로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 통해 통과하는 전류를 센싱하기 위한 전류 센스 입력(current sense input); 상기 제어 단자로 구동 신호를 제공하기 위한 제어 출력; 상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류에 응답하는 상기 구동 신호를 제공하기 위해, 상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력 및 상기 제어 출력에 결합된 피드백 제어 회로(feedback control circuit) - 여기서, 상기 피드백 제어 회로는 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 갖고, 상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류로 상기 구동 신호의 상기 응답은 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들에 의존함 - ; 및 상기 피드백 제어 회로 및 상기 인터페이스에 결합된 회로 콘트롤러 - 상기 회로 콘트롤러는 상기 명령어 데이터에 응답하는 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 제어하기 위해 구성됨 - ;를 포함하되, 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들의 상태는 상기 피드백 제어 회로로부터의 상기 구동 신호에 의해 세팅(set)되는 상기 스위칭 디바이스의 상태를 정의하며, 상기 명령된 상태들은 상기 전부-오프 상태, 상기 세츄에이티드-온 상태, 및 상기 적어도 하나의 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 상기 회로 콘트롤러에 대한 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들의 상태들을 정의한다.
이러한 콘트롤러의 실시예들은 잠재적으로 수백의 전력 반도체 스위칭 디바이스들이 제어되고 동기화되는 방식으로 스위칭되어지는 것을 가능케한다. 대체로, 전부-오프 및 세츄에이티드-온 상태 사이의 적어도 하나의 매개 상태들을 제공하는 것은 디바이스의 전도(conduction) 상태가 제어되어지는 것을 가능케하고, 따라서, 다수의 디바이스들의 전도 상태들이 락스텝(locksetp)으로 변하도록 제어되어지는 것을 가능케한다. 동기화 스위칭과 마찬가지로, 이는 또한, 전류/전압 부하가 다수의 디바이스들을 고르게 가로질러 공유되는 것을 보장하는 걸 돕는다. 스위칭 디바이스의 상태를 결정하는데 사용되는 조절가능한 파리미터(들)는 게이트 전압 레퍼런스 레벨와 같은 전류 또는 전압 값, 및/또는 (이하 더 상세히 설명되어지는) 피드백 제어 회로의 적어도 하나의 피드백 루프들의 스케일링 또는 오프셋 파라미터, 및/또는 콘트롤러의 제어 루프의 스위치 형성부의 상태를 정의하는 파라미터일 수 있다.
제어된 전력 반도체 스위칭 디바이스는 소개(introduction)에서 설명된 타입들 중 어느 것을 포함하는 디바이스들의 범위 중 임의의 것일 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 바람직하게는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET인 절연 게이트 디바이스에 적용되는 때, 특히 이점을 갖는다. 바람직하게는, 이러한 디바이스를 가지고, 피드백 제어 회로는 적어도 하나의 조절 가능한 파라미터들이 변화됨에 따라 스위칭 디바이스의 제어 단자(게이트)로부터/로(into/out of) 흐르는 전하를 제어하기 위한 제어가능한 전류 구동 회로를 포함한다. 이것은 (가변) 밀러(Miller) 커패시턴스 및 게이트 커패시턴스를 구동하는 것을 촉진한다. 이러한 커패시턴스들이 낮은 임피던스 전압 소스에 의해 구동될 수 있음에도 불구하고, 이는 제어가 어려울 수 있다. 반면에, 전류(전하) 제어는 시간이 흐름에 따라, 디바이스를 통해 전류의 변화의 비율, 및 디바이스를 가러지르는 전압의 변화의 비율의 정밀한 제어를 촉진한다.
콘트롤러의 소정의 특별히 유리한 실시예들에 있어서, 피드백 제어 회로는 네가티브(negative) 피드백 회로이고, 파라미터(들)는 회로의 제어 루프 게인 파라미터들을 포함하며, 회로는 저항 값으로 스위칭 디바이스를 제어하기 위해 구성되고, 회로 콘트롤러는 저항 값을 조절하여 상태들 사이에서 스위칭 디바이스가 이동하도록 루프 게인 파라미터들을 제어한다.
따라서, 콘트롤러의 실시예들은 스위치 디바이스가 마치 그것이 수동 저항인 것처럼 동작하도록 만들기 위해 센싱된 전압 및 전류 피드백 신호들에 기반하여 스위치 디바이스의 행동을 제어하는 방식으로, 네가티브 피드백을 이용하는 제어 시스템을 제공한다. 그리고는, 하나는 이러한 유효 저항을 변화시키기 위해 이러한 제어 루프의 파라미터들을 변화시킬 수 있고, 따라서, 높은 저항으로부터 낮은 저항으로 디바이스를 이동시킨다. 저항 내의 이러한 변화의 부산물은 스위칭되어지는 외부 회로 내에서 "스위칭 전이 이벤트"를 달성하는 것이다. 따라서, 실시예들에 있어서, 제어 시스템은 제어 루프 내에서 스위치 디바이스의 행동을 제어하는 수많은 스케일링 파라미터들을 가지며, 이들은 스위칭 디바이스가 수동 저항인 것처럼 행동하도록 만들기 위해 조절될 수 있다. 이는 V 및 I의 인지된 피드백 값들을 변화시킴으로써 회로가 제어 루프의 유효 R을 변화시키는, 옴의 법칙, R = V/I에 관련된다.
피드백 제어 회로는 아날로그 회로, 또는 디지털 회로, 또는 둘 모두의 조합 중 하나에서 실행될 수 있다.
콘트롤러의 소정 바람직한 실시예들은, 인터페이스를 통해 답신(acknowledgment) 데이터를 전송하는데 응답하여, 및 명령된 매개 상태가 달성되었을 때를 검출하기 위한 스위칭 디바이스 상태 검출 시스템을 포함한다. 이는 락스텝으로 스위칭하기 위한 다수의 디바이스들의 동기화를 촉진한다. 검출되는 매개 상태에 의존하여, 상태 검출 시스템은 디바이스를 통하는 전류, 디바이스를 가로지르는 전압 및 제어 단자(게이트) 전압 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다.
소정 바람직한 실시예들에 있어서, 전부-오프 및 세츄에이티드-온 상태들에 더붙여, 복수의 정의된, 매개 상태들이 콘트롤러에 의해 제공된다. 전부-오프 상태에 있어서, 스위칭 디바이스는 턴-오프되고 디바이스를 통과하는 전류는 실질적으로 제로이다 - 즉, 단지 누설 전류만이 흐른다. 제공될 수 있는 하나의 차후의 매개 상태는 스위칭 디바이스가 전부-오프 상태를 위한 전압보다 크고(보다 상세하게는 0보다 큼), 디바이스의 턴-온 임계 전압보다는 적은 게이트 전압을 가지면서, 여전히 턴-오프인 오프-임계(off-threshold) 상태이다. 선택적으로 콘트롤러는 (디바이스가 통과하는 전류가 센싱될 수 있고 게이트 전압이 제어될 수 있기 때문에, 그것이 가능할 수 있는) 디바이스 자신으로부터 이러한 전압의 값을 학습하도록 구성될 수 있다. 제공되어질 수 있는 추가적인 매개 상태는, 게이트 전압이 디바이스의 세츄에이티드-온 (세츄에이션된) 상태를 위한 전압보다 적으나, 디바이스의 턴-오프 임계값보다는 큰, 온-임계(on-threshold) 상태인 이러한 상태의 '미러 이미지(mirror image)'이다. 다시, 이러한 온-임계 전압은 디바이스를 가로지르는 센싱된 전압에 의존하여 조절되고, 그리고/또는 콘트롤러에 의해 학습될 수 있다. 그 대신에, 콘트롤러는 휘발성 또는 비휘발성 메모리 내에서 이러한 전압 값들을 정의하는 적어도 하나의 레지스터들을 포함할 수 있다(프로그래밍된 값들이 예컨대, 디바이스 데이터시트로부터 유도될 수 있음).
아날로그 제어 회로의 실시예들은 조절가능한 전압 제어 파라미터에 의해 정의되는 값들로 구동 신호 전압을 제어하기 위해 제어 출력으로부터의 피드백 루프를 포함할 수 있다. 그리고는, 이러한 파라미터는 오프-임계 또는 온-임계 상태로 디바이스를 제어하기 위해, 조절(adjusted)될 수 있다(이는 선택(selected)을 포함하는 개념임). 여기서, 이러한 임계 상태 제어 피드백 루프는 아날로그 제어 회로에 제공되고, 바람직하게는, 이는 (이후 설명되는 바와 같이) 이러한 피드백 루프가 스위칭 아웃(switched out)될 수 있고, 다른 제어 루프가 스위칭 인(switched in)될 수 있도록 스위칭가능하다(switchable). 따라서, 보다 일반적으로, 콘트롤러의 실시예들은 다수의 피드백 루프들을 갖고, 원하는 피드백 루프는, 예컨대, 전형적으로 디지털 콘트롤러인 회로 콘트롤러의 제어 아래(under control), 스위칭가능하게 선택될 수 있다.
전부-오프 상태로부터 오프-임계 상태로, 및 세츄에이티드-온 상태에서 온-임계 상태(및 그 반대(vice versa))로의 스위칭 디바이스의 제어는, 특히, 디바이스를 통과되는/가로지르는 높은 전류/전압 내에서 어떠한 변화도 없거나, 아주 작은 변화만이 존재하기 때문에, 특히, 단지 게이트 전압을 제어함으로써 준정적으로(quasistatically) 수행될 수 있다. 그러나, 콘트롤러의 소정 바람직한 실시예들은 또한 적어도 하나의 정의된 액티브 매개 상태들을 제공하고, 여기서, 스위칭 디바이스는 디바이스를 통과하는/가로지르는 전류/전압이 제어되고 디바이스가 전부 오프 또는 전부 온으로 턴(turned)되지 않는 - 보다 상세하게는, 스위칭 디바이스가 온이지만 그것의 세츄에이티드-온 상태에서는 아님 - 센스(sense) 내에서 액티브하다. 이러한 액티브 상태에 있어서, 피드백 제어 회로는 명령된 액티브 상태를 달성하기 위해 이러한 제어 루프의 적어도 하나의 파라미터들을 제어하는 전력 디바이스를 가로지르는 전압 및 통과하는 전류의 액티브 제어를 위한 제어 루프를 포함한다. 따라서, 이러한 액티브 상태 제어를 위해, 앞서 설명한 임계 상태 제어 루프가 실행된다면, 스위칭아웃될 수 있다. 소정 특정 바람직한 실시예들에 있어서, 피드백 제어 회로는 타겟(target) 저항으로 스위칭 디바이스를 제어하고, 회로 콘트롤러는 원하는 액티브 상태를 달성하기 위해 이러한 타겟 저항을 제어한다. 따라서, 대체로, 실제로 스위칭 디바이스 콘트롤러의 소정 바람직한 실시예들은 전력 반도체 스위칭 디바이스를 수동 저항과 같이 행동하도록 만든다.
이러한 액티브 제어 루프의 실시예들은 서로 다른 매개 액티브 상태들 사이에서 스위칭 디바이스의 양-방향 제어를 촉진한다. 이는 디바이스가, 예컨대, 제어되는 디바이스에 영향을 미칠 수 있는 실패와 관련된 다른 디바이스 내에서 또는 제어되는 디바이스 내에서 폴트(fault)가 검출된다면, 이미 "좋게 알려진(known good)" 또는 소정 다른 안전한 상태로 되돌려 제어될 수 있도록 할 수 있기 때문에 유용하다. 이는 고 전력 시스템에서, 하나의 디바이스의 실패가 종종 다른 디바이스들의 실패로 이끌는 연쇄 반응을 야기할 수 있기 때문에, 부수적 피해를 제한하는데 유용하다.
콘트롤러에 의해 실행되는 하나의 바람직한 액티브 상태는 스위치가 액티브하나, 디바이스를 통해 흐르는 정의된 저 전류가 존재하는 상태에서 디바이스를 가로지르는 전전압(full voltage)에 가까운 액티브 저전류 상태이다. 따라서, 이러한 액티브 저전류 상태에서, 센싱된 전류는 0보다는 크나, 예컨대, 5 amps, 1 amps, 0.1 amps, 10mA, 1mA 또는 10μA보다 적은 것과 같이, 세츄에이티드-온 전류보다 적어도 더 적고, 상대적으로 여전히 낮다. 이러한 상태의 디바이스를 가로지르는 전압은 100 volts, 500 volts 또는 1kV보다 클 수 있고, 예컨대, 센싱된 전압의 최대 값의 90%보다 크다. 그러나, 원칙적으로, 저전류 상태에서는, 디바이스를 가로지르는 임의의 전압이 존재할 수 있다(이는 전류가 유도 부하들(inductive loads)을 구동하는 때, 발생할 수 있는 것과 같이, 스위치를 통해 반전되기 때문에, 만약 역 병렬 다이오드(reverse parallel diode)가 컨덕팅하다면(conducting), 심지어 네가티브일 수 있다).
콘트롤러의 실시예들에서 실시되는 다른 유용한 액티브 상태는 디바이스를 가로지르는 정의된 저 전압이 존재하는 액티브 저 전압 상태이다(세츄에이션 전압보다 높지만 전부-오프(fully-off) 전압/전부 스위칭되는(full switched) 공급 전압보다 더 적은 전압). 따라서, 실시예들에 있어서, 이러한 생태 내의 디바이스를 가로지르는 센싱된 전압은 50 volts, 30 volts 또는 20 volts보다 적을 수 있고, 예컨대, 10 volts일 수 있고; 또는 센싱된 전압의 최대 전압의 10% 또는 5%보다 적을 수 있다. 추가적으로, 센싱된 전압은 (예컨대, 2 volts일 수 있는) 세츄에이티드-온 상태에 대한 전압보다 크고 따라서, 센싱된 전압은 2 volts, 3 volts, 5 volts 또는 10 volts보다 클 수 있다. 액티브 저 전압 상태에 있어서, 원칙적으로, 이러한 상태 내의 디바이스를 통해 흐르는 임의의 전류가 존재할 수 있음에도 불구하고, 디바이스를 통해 가는 전전류(full current)에 가깝게 존재할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 소정 바람직한 실시예들에 있어서, 액티브 상태 제어 루프는 수동 저항과 같이 행동하도록 스위칭 디바이스를 제어한다. 따라서, 실시예들에 있어서, 액티브 상태 제어 루프는 전압 센스 입력에 결합되고 전압-스케일링 파라미터에 응답하는 회로를 포함하는 제 1 제어 회로, 및 전류 센스 입력에 결합되고 전류-스케일링 파라미터에 응답하는 회로를 포함하는 제 2 제어 회로를 포함한다. 그리고는, 액티브 상태 제어 루프는 예컨대, 차분 회로(differencing circuit) 내에서 이러한 두 개의 스케일링된 파라미터들을 조합할 수 있다. 그리고는, 조합된 결과는 제어 출력으로부터의 구동 신호를 제어하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, (디지털) 회로 콘트롤러는, 실제로, 디바이스를 위한 타겟 저항을 변화시키기 위한 전류-스케일링 파라미터 및 전압-스케일링 파라미터 중 하나 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 액티브 상태 또는 상태들 로/로부터/사이에서(to/from/between)의 전이를 제어할 수 있다.
바람직한 실시예들에 있어서, 콘트롤러는 액티브 및 임계 매개 상태들의 각각의 쌍들 각각을 위한 하나, 스위칭 가능한 제어 루프들의 쌍을 갖는 조합된 제어 회로를 이용하여 두 개의 임계 매개 상태들 및 두 개의 액티브 임계 상태들 둘 모두를 실행시킨다.
관련된 양상에 있어서, 본 발명은 반도체 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하기 위해 스위칭 디바이스 콘트롤러를 사용하는 방법을 제공하고, 상기 방법은: 초기 전부-오프 또는 세츄에이티드-온 상태로부터 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 스위칭하기 위한 명령어를 수신하는 단계; 상기 초기 상태로부터 상기 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하는 단계; 상기 반도체 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태 내에 있는지 결정하는 단계; 상기 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태에 있는지에 대한 상기 결정에 응답하여 답신하는 단계(acknowledging); 상기 답신 단계 이후에, 상기 매개 상태로부터 차후의 상태로 스위칭하기 위한 추가적인 명령어를 수신하는 단계; 및 상기 반도체 스위칭 디바이스를 상기 차후의 상태로 제어하는 단계를 포함한다.
실시예들에 있어서, 스위칭 디바이스가 제어될 수 있는 적어도 하나의 매개 상태들을 제공하는 것, 및 정의된 매개 상태가 달성되는 때, 답신 신호를 전송하는 것은 동기(synchronism) 시에 복수의 이러한 디바이스를 제어하는 것을 촉진시킨다. 더욱이, 방법의 실시예들은 또한, 예컨대, 고장 안전(fail-safe) 메카니즘과 같이, 그 또는 다른 디바이스의 실패의 검출 시에, 디바이스가 매개 상태로부터 이전 상태로 되돌려 제어되어지는 것을 가능케한다.
방법의 소정 바람직한 실시예들에 있어서, 스위칭 디바이스는 차후 단계로 이동하기 전에, 차후의 상태-변화(state-change) 명령어를 기다리고, 이러한 매개 상태들의 각각을 보고하면서, 전부-오프 및 세츄에이티드-온 상태 사이에서 스위칭하는 때, 복수의 연속적인 매개 상태들로 제어된다. 앞서 설명한 바와 같이, 소정 바람직한 실시예들에 있어서, 매개 상태들은 오프-임계 상태, 온-임계 상태, 액티브 저 전류 상태, 및 액티브 저 전압 상태 중 적어도 하나를 포함한다.
관련된 양상에 있어서, 본 발명은 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 스위칭 디바이스 콘트롤러를 제공하고, 상기 스위칭 디바이스 콘트롤러는: 명령어들을 수신하고 답신들(acknowledgements)을 전송하기 위한 인터페이스; 초기 전부-오프 또는 세츄에이티드-온 상태로부터 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 스위칭하기 위한 명령어를 수신하기 위한 수단; 상기 초기 상태로부터 상기 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 수단; 상기 반도체 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태 내에 있는지 결정하기 위한 수단; 상기 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태에 있는지에 대한 상기 결정에 응답하여 답신하기 위한 수단; 상기 답신 단계 이후에, 상기 매개 상태로부터 차후의 상태로 스위칭하기 위한 추가적인 명령어를 수신하기 위한 수단; 및 상기 반도체 스위칭 디바이스를 상기 차후의 상태로 제어하기 위한 수단을 포함한다.
앞서 설명된 바와 같이, 전력 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러의 소정 바람직한 실시예들은 제어되는 스위칭 디바이스가 수동 저항과 같이 효과적으로 동작하도록 만든다.
따라서, 추가적인 양상에 있어서, 본 발명은 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러를 제공하고, 상기 반도체 스위칭 디바이스는 제 1 및 제 2 입력 단자들 및 제어 단자를 가지며, 스위칭 디바이스 콘트롤러는: 상기 반도체 스위칭 디바이스의 상태를 제어하기 위한 제어 신호를 수신하기 위한 제어 입려기 상기 입력/출력 단자 상에서 전압을 센싱하기 위한 전압 센스 입력; 상기 입력/출력 단자들을 매개로 스위칭 디바이스를 통해 통과하는 전류를 센싱하기 위한 전류 센스 입력; 상기 제어 단자로 구동 신호를 제공하기 위한 제어 출려기 및 상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력 및 상기 제어 입력 및 상기 제어 출력에 결합된 피드백 제어 시스템;을 포함하되, 상기 제어 신호는 상기 반도체 스위칭 디바이스의 타겟 유효 저항을 정의하고, 상기 센싱된 전압 및 상기 센싱된 전류가 함께 상기 타겟 유효 저항을 실행시키기 위해, 상기 피드백 제어 회로는 상기 구동 신호를 제어하기 위해 구성된다.
다시, 콘트롤러는 아날로그 회로, 또는 (선택적으로, 소프트웨어 제어 아래서 부분적으로 또는 전부 아래의 회로를 포함하는) 디지털 회로, 또는 둘의 조합 내에서 실행될 수 있다.
제어 신호는 타겟 스위치 상태들의 세트 중 하나의 용어로 타겟 저항을 정의할 수 있다. 소정 바람직한 실시예들에 있어서, 제어 입력은 디바이스/회로를 위한 타겟 유효 저항을 정의하기 위해, 각각의 제어 회로들의 전압-스케일링 및 전류-스케일링 파라미터를 제어한다. 앞서 설명한 바와 같이, 디바이스의 상태는 하나의 상태에서 다른 상태로 디바이스를 제어하기 위해, 이러한 타겟 유효 저항을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 제 1 및 제 2 제어 회로들로부터의 신호들은 차분되고(differenced), 결과 에러 신호는 구동 회로, 보다 상세하게는 게이트 구동 회로를 제어하는데 사용된다. 구동 회로(게이트 구동 회로)는 바람직하게는, 앞서 설명한 바와 같이, 전류(전하 미터링(metering)) 구동 회로이다.
센싱된 전압 및 전류에 의해 측정되어지는 것과 같이 완전한 제어 시스템의 행동은 디바이스에 유효 저항을 부여하고, 스케일링 파라미터들은 타겟 유효 저항을 정의한다. 따라서, 실시예들에 있어서, 네가티브 피드백 제어 시스템은 이러한 차이값을 0으로 구동시키는 것과 같은 방법으로, 센싱된 전압 및 전류를 통해 측정되어지는 바와 같이, 실제(actual) 유효 저항과 정의된 타겟 저항 사이의 차이값에 비례하는 구동 신호를 부여하기 위해 구성된다.
실시예들에 있어서, 차이값 신호는, 네가티브 피드백으로 인해, 이러한 에러 신호가 시간을 지나 0으로 줄도록 하기 위해, 이러한 에러에 비례하는 폭을 가지며 이러한 방향 내의 메인(main) 스위치 디바이스의 제어 게이트를 구동하는 제어 루프 에러 신호이다. 이는, 이것이 본질적으로 비-선형이고, 특히, 그것의 본래 특성들과 상당히 다른, 선형 저항을 갖는 수동 저항과 같이 행동하는 어떤 것으로 본질적으로 비-선형 디바이스를 변경시키는 스위치 디바이스의 제어를 촉진하는 것과 같이, 콘트롤러의 실시예들의 중요한 동작 원리이다.
추가적인 관련 양상에 있어서, 본 발명은 반도체 스위칭 디바이스를 제어하는 방법을 제공하고, 상기 방법은: 반도체 스위칭 디바이스의 제 1 및 제 2 입력/출력 단자들을 가로지르는 전압을 센싱하는 단계; 상기 반도체 스위칭 디바이스를 통해 상기 제 1 및 제 2 입력/출력 단자들 사이에 흐르는 전류를 센싱하는 단계; 및 상기 반도체 스위칭 디바이스가 수동 저항과 같이 행동하도록 상기 센싱된 전압 및 전류에 응답하여 반도체 스위칭 디바이스의 제어 단자 상의 신호를 제어하는 단계를 포함한다.
다시, 바람직한 실시예들에 있어서, 스위칭 디바이스는 절연 게이트를 갖는다. 게이트로부터 제거된 및/또는 게이트로 주입되는 전하는, 게이트 상의 전기장을 제어하기 위해, 보다 상세하게는, 센싱되는 전류 대비 센싱되는 전압의 비율을 제어하기 위해, 그에 따라 그것의 매개 상태들 중 적어도 하나 내에서 스위칭 다바이스에 대한 타겟 유효 저항을 달성하도록 제어된다.
또 다른 관련 양상에 있어서, 본 발명은 IGBT의 스위칭을 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러를 제공하고, 상기 스위칭 디바이스 콘트롤러는: 타겟 게이트 전압 값(Vg), 타겟 콜렉터 전류 값(Ic), 타겟 콜렉터-에미터 전압 값(Vce), 및 타겟 유효 저항 값(Re) 중 적어도 하나를 정의하는 데이터를 저장하기 위한 적어도 하나의 레지스터들의 한 세트; 상기 IGBT의 상기 Vg, Ic 및 Vce를 제어하기 위해 구성되는 피드백 제어 루프; 및 상기 IGBT에 대한 상기 Vg, Ic, Vce 및 Re 중 적어도 하나를 타겟팅하기 위해, 상기 저장된 데이터에 따라 상기 피드백 제어 루프를 제어하기 위한 콘트롤러;를 포함하고, 상기 콘트롤러는 상기 IGBT의 상기 스위칭을 제어하기 위해 상기 Vg, Ic, Vce 및 Re 중 적어도 하나에 의해 정의되는 매개 상태들을 타겟팅하기 위해 구성된다.
실시예들에 있어서, 레지스터들은 상태에 대한 Vg 값과 마찬가지로, Ic 및 Vce 값들의 쌍, 및/또는 (완전한 제어 시스템/IGBT의 타겟 저항을 정의하는) Re 값을 저장한다. 콘트롤러는 각각이 Vg, Ic, Vce 및 Re 값들 중 적어도 하나에 의해 정의되는 복수의 매개 상태들 각각 내에서 IGBT를 유지하도록 구성된다. 대응하는 기술은 MOSFET을 제어하는데 사용될 수 있다.
따라서, 대응하는 양상에 있어서, MOSFET의 스위칭을 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러가 제공되고, 스위칭 디바이스 콘트롤러는: 타겟 게이트 전압 값(Vg), 타겟 드레인 전류 값(ID), 타겟 드레인-소스 전압 값(VDS), 및 타겟 유효 저항 값(Re) 중 적어도 하나를 정의하는 데이터를 저장하기 위한 적어도 하나의 레지스터들의 한 세트; 상기 MOSFET의 상기 Vg, ID 및 VDS를 제어하기 위해 구성되는 피드백 제어 루프; 및 상기 MOSFET에 대한 상기 Vg, ID, VDS 및 Re 중 적어도 하나를 타겟팅하기 위해, 상기 저장된 데이터에 따라 상기 피드백 제어 루프를 제어하기 위한 콘트롤러;를 포함하고, 상기 콘트롤러는 상기 MOSFET의 상기 스위칭을 제어하기 위해 상기 Vg, ID, VDS 및 Re 중 적어도 하나에 의해 정의되는 매개 상태들을 타겟팅하기 위해 구성된다.
본 발명의 이러한 및 다른 양상들이 다음과 같이 첨부되는 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방법으로, 이하 설명될 것이다:
도 1a 및 1b는 각각, 서브-콘트롤러에 결합된 중앙 콘트롤러를 포함하는 조정 제어 시스템(coordinating control system)과 결합하는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 디바이스 콘트롤러 및 콘트롤러에 대한 디지털 로직의 상세;
도 2a 및 2b는 각각, 브릿지 응용(bridge application) 내의 전력 반도체 스위칭 디바이스 제어 시스템의 예시, 및 도 2a의 배열의 상세;
도 3a 내지 3c는 IGBT가 본 발명에 다른 스위칭 디바이스 콘트롤러의 실시예에 의해 제어될 수 있는 복수의 서로 다른 매개 상태들을 도시하는 IGBT에 대한 게이트 전하에 대항하는 전류/전압 곡선, 및 각각 저항 부하 및 유도 부하를 스위칭하는 디바이스 회로 토폴로지들의 제 1 및 제 2 예시들;
도 4는 새로운 상태로의 전이가 완료되는 때 스위치 상태 변경 명열어들 및 응답과 함께 스위칭 디바이스 콘트롤러에 의해 제공되는 디바이스의 상태들 및 전이들을 도시하는, 시간에 대항하는 IGBT의 전압/전류 곡선;
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러의 실시예의 회로도; 및
도 6은 한 쌍의 구성 레지스터 뱅크들(banks)을 포함하는 스위칭 디바이스 콘트롤러를 도시한다.
도 1a 및 1b는 각각, 서브-콘트롤러에 결합된 중앙 콘트롤러를 포함하는 조정 제어 시스템(coordinating control system)과 결합하는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 디바이스 콘트롤러 및 콘트롤러에 대한 디지털 로직의 상세;
도 2a 및 2b는 각각, 브릿지 응용(bridge application) 내의 전력 반도체 스위칭 디바이스 제어 시스템의 예시, 및 도 2a의 배열의 상세;
도 3a 내지 3c는 IGBT가 본 발명에 다른 스위칭 디바이스 콘트롤러의 실시예에 의해 제어될 수 있는 복수의 서로 다른 매개 상태들을 도시하는 IGBT에 대한 게이트 전하에 대항하는 전류/전압 곡선, 및 각각 저항 부하 및 유도 부하를 스위칭하는 디바이스 회로 토폴로지들의 제 1 및 제 2 예시들;
도 4는 새로운 상태로의 전이가 완료되는 때 스위치 상태 변경 명열어들 및 응답과 함께 스위칭 디바이스 콘트롤러에 의해 제공되는 디바이스의 상태들 및 전이들을 도시하는, 시간에 대항하는 IGBT의 전압/전류 곡선;
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러의 실시예의 회로도; 및
도 6은 한 쌍의 구성 레지스터 뱅크들(banks)을 포함하는 스위칭 디바이스 콘트롤러를 도시한다.
도 1을 참조하면, 전력 반도체 스위칭 장치 제어 시스템(100)의 실시예는 차례로 복수의 장치 콘트롤러들(130)(역시 단지 하나만 도시됨)에 결합되는 복수의 서브 콘트롤러들(120)(단지 하나만 도시됨)에 결합되는 중앙 콘트롤러(100)을 포함한다. 비록 도 1의 실시예에서 서브 콘트롤러가 제공되더라도 상기 제어 시스템은 중앙 콘트롤러만 이용하거나 또는 (중첩된, nested) 서브 콘트롤러들의 복수 레벨을 이용할 수 있다. 전력 전자 시스템 또는 회로는 일반적으로 각각 하나 또는 전형적으로 복수 스위치 장치를 포함하는 복수의 스위치들을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 비록 MOSFETs, JFETs 등과 같은 다른 장치들이 역시 이용될 수 있다 하더라도, 상기 전력 반도체 스위칭 장치는 IGBT(132)이다.
도시된 바와 같이, 상기 스위칭 장치 콘트롤러(스위치 장치)(130)는 상기 서브 콘트롤러(120)로 상기 장치 콘트롤러(130)를 연결하는 버스(122)와 인터페이스하도록 디지털 로직을 포함한다.
바람직한 실시예들에서 상기 장치 콘트롤러(130)는 또한 이런 버스를 통해 전력을 수신하고 상기 콘트롤러는 상기 장치 콘트롤러/스위치 장치(130)의 저전압부들dp 전력을 공급하기 위하여 상기 버스로부터 전력을 얻기 위한(to derive) 파워 서플라이 회로(power supply circuit)(141)을 포함한다. 동작시 상기 디지털 로직(140)은 버스(122)를 통해 구성 정보와 명령들을 수신하고 다른 데이터 및 확인응답(acknowledgement)으로 응답한다(replies).
상기 디지털 로직(140)은, 도시된 실시예에서, 구동 IGBT(132), 게이트 드라이버(136)에 결합된 피드백 제어 회로(138)와 인터페이스한다. 하나의 구현 예에서 상기 피드백 제어 회로는 아날로그 및 디지털 회로의 혼합을 포함한다. 상기 도시된 실시예에서, 스위치 장치 콘트롤러와 서브 콘트롤러 간에 상기 결합은 고속 포인트 투 포인트 링크들(high speed point-to-point links)이나, 공유된 버스 역시 이용될 수 있다. 일 실시예에서 상기 연결은 꼬인(twisted) 구리 전선 쌍을 포함한다; 같은 쌍 또는 추가 쌍은 스위칭 장치 콘트롤러들에 전력 공급을 제공하기 위하여 이용될(employed) 수 있다. 또는 광 섬유 연결이 이용될 수 있다. 이러한 배열들은 예를 들어 100Mbit/s 또는 1Gbit/s보다 큰 고속 데이터 전송을 가능하게 한다.
도 6은, 후술할, 도 1의 상기 디지털 로직(140)의 세부사항을 나타낸다. 후술하는 바와 같이, 스위치 상태는 구성 및 모니터링 데이터가 비 실시간 메시지들에 의해 송신되고 수신될 수 있는 동안, 상기 중앙 콘트롤러로부터 실시간 메시지에 의해 요청된다(그리고 달성될 때 유사하게 인정된다).따라서 버스(122)에 대한 상기 인터페이스는 실시간 로직(150)과 비실시간 로직(152)를 포함한다. 실시예들에서 상기 콘트롤러는 (멀티플렉서multiplexor)(156)에 의해 선택가능한 구성 데이터를 저장하는 두 개의 레지스터 뱅크들(154a,b)을 포함한다. 상기 레지스터 뱅크는 어느 레지스터가 활성이고 어느 하나가 기록될 수 있는지를 또한 제어하는, 상기 디지털 로직에 의해 프로그램된다. 활성인 상기 레지스터 뱅크는 후술할 활성 피드백 콘트롤 루프의 상태를 설정하는 파라메타 정보를 제공한다. 비활성화인 상기 레지스터 뱅크는 상기 통신들 인터페이스를 통해 업데이트될 수 있고 이후 이 새로운 파라메타 데이터가 상기 시스템 상태를 제어하도록 활성화된다. 이것은 많은 스위치들/콘트롤러들을 갖는 시스템에서 동기화된 업데이트 및 상기 콘트롤러 구성의 실시간 업데이트를 가능하게 한다.
더욱 상세히 후술할 바와 같이, 도 1의 상기 스위칭 장치 콘트롤러(130)의 바람직한 실시예들은 상기 장치를 통해(though) 통과하는(passing) 전류를 감지하기 위한, 전류 센싱 회로(current sensing circuit)(144)와 상기 반도체 스위칭 장치의 전압을 감지하기 위한 전압 센싱 회로(voltage sensing circuit)(142)를 포함한다. 상기 전체 시스템의 일부 바람직한 실시예들에서 이들 센싱 회로들의 어느 하나 또는 양쪽으로부터 데이터는 요청에 의해 서브 콘트롤러(120) 및 중앙 콘트롤러(110) 중 하나 또는 양쪽으로 피드백될 수 있다.
풀(full) (H-) 브릿지(bridge), 하프 브릿지(half bridge) 또는 3상 인버터(3-phase inverter)와 같은 전력 컨버터(electrical power converter)에서 각 스위치 위치(position)는 하나 이상의 반도체 스위칭 장치들을 포함할 수 있다. 도입에 설명된 유형의 고 전압 및/또는 고 전류 응용들에서 많은 반도체 스위칭 장치들은 각각의 스위칭 장치 콘트롤러와 각각 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
도 2a는 예를 들어, DC를 AC로 변환하거나 그 반대로 변환하기 위하여, 이용될(employed) 수 있는 H-브릿지(bridge) 전력 컨버터(electrical power converter)(200)의 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서 상기 H-브릿지(bridge)(204)의 각각의 스위치(202a-d)는 도 2b에서 더 상세히 도시된 대로, 반도체 스위칭 장치 다이들(dies)의 세트를 포함한다. 도 2b의 확대도에서 단일 제어가능한 스위치(single controllable switch)(202)는 예를 들어 실리콘 카바이드 다이, 전압 레벨을 생성하도록 병렬로 연결된 복수의 장치들, 이후에 직렬-연결 전압 레벨들(series-connect the voltage levels)에 직렬로 연결되는(being connected in series) 복수 장치들의 세트들을 각각 포함하는 9개 전력 반도체 스위칭 장치들(210)을 포함한다. 다른 실시예들에서 단일 스위칭 장치 콘트롤러(single switching device controller)는 둘 이상의 스위치들 또는 장치 다이들(device dies)을 제어할 수 있다. 각 스위치(210)는 차례로, 서브 콘트롤러들(120a, b) 중 하나와 결합된, 각각의 스위칭 장치 콘트롤러(130)를 갖는다
도시한 바와 같이 별도의(separate) 버스는 각 스위칭 장치 콘트롤러에 대하여 이러한 장치(one such bus)가 되도록 스위칭 장치 콘트롤러와 서브 콘트롤러 사이에 실행된다. 하나의 예시적인 시스템에서 서브 콘트롤러는 각각의 스위칭 장치 콘트롤러들에 30개 별도의 버스들 연결들을 제공하고 따라서 예를 들어 36개 반도체 스위치들을 채용하는(employs), 도 2a의 H-브릿지(bridge), 2개 서브 콘트롤러들이 채용된다(employed).당업자는 복수의 스위치들을 갖는 고 전압 및/또는 전류 전력 전기 회로(power electrical circuit)에서 수백 또는 잠재적으로 수천의 반도체 스위칭 장치들이 이용될(employed) 수 있다는 것을 알 것이다. 이러한 배열에서(In such an arrangement) 상기 전력 반도체 스위칭 장치들은 직렬과 병렬로 연결될 수 있고 상기 스위칭 장치 콘트롤러들 시스템은 그들이 동기되어(in synchronism), 사실상 실질적으로 동시에(in effect substantially simultaneously) 스위치되도록 이들 장치들의 스위칭을 제어할 수 있어야 한다.
동시 제어(simultaneous control)를 용이하게 하기 위하여 스위치 상태들의 개수가 정의된다. 이들은 광범위하게 다음과 같다, (더 많거나 더 적은 상태들이 다른 구현들에 이용될(employed) 수 있다);
상태 1: 완전 오프(FULLY OFF) 상기 스위치가 턴 오프되고(turned off), 단지 누설 전류(leakage current)가 흐른다
상태 2: 낮은 게이트 전압으로 오프(OFF WITH LOW GATE VOLTAGE) 상기 스위치가 턴 오프(turned off)되나 상기 게이트 임계치 전압(gate threshold voltage)에 가깝다
상태 3: 활성화 낮은 전류(ACTIVE LOW CURRENT) - 상기 스위치가 활성(active)되나 상기 장치를 통해 흐르는 정의된 낮은 전류가 있는 상태에 있다.
상태 4: 활성화 낮은 전압(ACTIVE LOW VOLTAGE) - 상기 스위치가 활성화 되나 정의된 저전류가 흐르는 상태이다
상태 5: 높은 게이트 전압으로 온(ON WITH HIGH GATE VOLTAGE) 상기 스위치가 턴 온(turned on) 되고 포화에서 그러나 완전히 포화되지(fully saturated) 않을 수 있다
상태 6: 포화된 온(SATURATED ON) - 상기 스위치가 포화된 온 상태로 포화된다.
상기 요청된(required) 스위치 상태의 통신은 상기 중앙 콘트롤러에서 상기 스위칭 장치들로 실시간 메시지들에 의존한다. 또한 구성(configuration) 및 모니터링(monitoring) 데이터는 비 실시간 메시지들(non-real-time messages)에 의해 교환될 수 있다.
넓은 의미에서 상기 장치, IGBT power semiconductor switching device라 불리는, 가 오프(off)일 때 상기 장치에 높은 전압이 걸리고, 예를 들어 1KV 단위, 그리고 실질적으로 영 전류(zero current)(단지 누설 전류), 그리고, 실질적으로 영 게이트 전압(zero gate voltage)(또는 상기 장치에 의존하는, 음(negative) 게이트 전압)일 수 있다. 상기 게이트로의 전류를 주입은 상기 게이트 전압을 조금 증가시키며, 그리고 그 결과 예를 들어, 0.1-1 암페어 단위의 작은 전류가 흐르기 시작하도록 한다. 이것은 효과적으로 직렬-결합된 장치들을 동시에 활성화시킨다. 이러한 상태를 달성하기 위하여 전파 지연(propagation delays)과 상기 게이트를 충전하기 위한 시간을 고려하여 예를 들어, 50ns-1s 단위의 시간이 걸릴 수 있다. 이 상태에서 상기 게이트로의 전류의 추가 주입은 게이트 전압을 증가시켜 상기 장치가, 예를 들어, 100 A 단위의, 실질적으로 더 많은 전류를 통과시키는 상태에 도달하며, 그리고 상기 장치에 여전히 잔류(residual) 또는 예를 들어 10V 단위의 활성 저전압이 걸린다. 결국 상기 게이트 전압은 실리콘 장치에 대해서는 예를 들어 15 볼트 단위의, 또는 실리콘 카바이드 장치에 대해서는 20 볼트에 해당하는 풀(full) 전압으로 구동되며, 이러한 전압에서 상기 장치는 포화되고 풀(full) 전류가 흐르며, 예를 들어 2볼트 단위의 최소의 포화 (풀) 온(saturated (fully)-on voltage) 전압이 걸린다.
상기 개략적인 설명을 단순화하고 우리는 이제 일부 예시 상태들과 전이들을 더욱 상세히 기재할 것이다.
도 3a를 참조하면, 이것은 도 1의 IGBT에 대하여, 게이트 전하, Qg,에 대한 게이트 전압(Vg) 및 콜렉터 전류, Ic, 콜렉터 에미터 전압, Vce,의 그래프들을 나타낸다. 스위칭 장치 콘트롤러의 바람직한 실시예들은 전압-제어 장치라기보다 전류-제어된 또는 전하-제어된 장치로의 IGBT라고 여겨지고(view), 제어가능한 전류원을 갖는 IGBT의 게이트를 구동함으로써 이것을 달성한다. 비록 상기 게이트 전계(electric field)(및 게이트 전압)이 게이트 전하의 기능이라 하더라도, 비록 낮은 임피던스 전압원이라 하더라도, 전압원으로부터 상기 장치를 구동하는 것과 비교하여 전류원으로부터 상기 장치를 구동하는 것과 전류-제어된 것으로 상기 장치를 여기는 것(viewing) 간에 뚜렷한 차이가 있다. 이것은 Vce의 변화율에 따른 값을 갖는 (상기 게이트와 콜렉터 또는 드레인 간에) 밀러 캐패시턴스(Miller capacitance)와 (상기 게이트와 이미터 또는 소스 간에) 내재하는(inherent) 게이트 캐패시턴스를 갖기 때문이다. 전류 구동으로 상기 IGBT를 구동하는 것은 Vce 및 Ic의 양쪽 또는 하나가 변하지만 Vg가 실질적으로 일정한 상태들을 통해 전이될(transitioned) 장치를 가능하게 한다. 또한, 제어가능한 전류/전하로 상기 장치를 구동하는 것은 Ic의 dI/dt와 Vce의 dV/dt 제어를 용이하게 한다
따라서, 도 3a를 참조하면, 초기 상태 S1에서 상기 장치는 완전히 오프되고, 실질적으로 영(zero) 게이트 전하이다, 그리고 상기 게이트 전압 역시 실질적으로 영(zero)이다. 이 이 상태에서 Vce는 실질적으로 최대이다- 이것은 상기 장치가 콜렉터 및 에미터 단자를 통해서 완전 인가된 전압을 지원하고, Ic는 실질적으로 영이다, 이것은 오직 무시할만한 누설 전류 흐름(negligible leakage current flows)이다. 도 3a는 영 게이트 전압으로 턴 오프되는 예시 장치에 대한 곡선들을 나타낸다 그러나, 당업자는 특별한 장치에 따라, 게이트 전하 Qg와 게이트 전압 Vg는 상기 장치가 완전히 오프될 때 선택적으로 양쪽 모두 음이될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
전하가 IGBT의 게이트로 주입될 때 상기 게이트 전압은 점진적으로 증가한다, 그리고 상기 장치는 상기 장치가 여전히 완전히 오프이나 상기 게이트 전압은 단지 상기 장치가 턴 온하기 시작할 바로 아래인 제2 상태, S2로 유도할(be brought to) 수 있다. 우리는 이것을 로우 임계 전압(low threshold voltage), VthL로 참조하고, 이것은 상기 장치의 사용의 상태들(온도 범위)에 의해 정의되는 어떠한 상황이라도, 상기 장치는 활성화될 것이라는 것이 보증될 수 있는 게이트 전압이다. 이 로우 임계 전압(low threshold voltage)은 온도와 장치 자체의 함수이다. 일반적으로 전력 IGBT 에 대하여 이 전압은 3볼트 단위(order) 일 수 있다.
상기 IGBT의 게이트로 전하를 주입을 계속하는 것은 상태 S2에서 상태 S3로 상기 장치를 이동시킨다. 상태 S3에서 상기 장치는 부분적으로 턴 온되고(활성) 제어된 저전류는 상기 장치를 통해 흐른다. 전하가 상기 게이트로 주입될 때 상기 장치의 로우 임계 전압이 도달되고 상기 IGBT는 활동하기(to conduct) 시작한다. 더 많은 전하가 주입됨에 따라 도시된 바와 같이 주입된 전하로 상기 콜렉터 전류(Ic)가 증가하고 상기 장치는 더 많이 활동한다. 상태 S3의 위치는 상기 장치가 저전류 평탄구역(plateau)(즉, 정의된 콜렉터 전류가 피드백 제어 시스템에 의해 일정하게 유지되는, 상기 장치를 통해서 흐르는 지점)에서 유지되는 콜렉터 전류의 정의된 값에 의해 정의된다.
추가 전하가 상기 스위치 장치의 게이트로 주입됨에 따라, 상기 장치는 상태 S3에서 상태 S4로 전이한다. 이 전이 동안에 상기 장치에 걸쳐 상기 콜렉터-이미터 전압은 최대 값으로 근접하기 위하여 떨어지고 상기 콜렉터 전류는 최대 값으로 커진다. 상기 장치가 연결되는 상기 회로의 토폴로지와 상기 연관된 회로 인덕턴스/캐패시턴스/저항에 따라 상태 S3와 S4 간에 Vce 및 Ic의 정확한 형태는 곡선을 이룬다: 예를 들어 저항성 부하를 가진 콜렉터 전류는 상기 콜렉터-이미터 전압이 선형으로 감소함에 따라 선형으로 증가한다. 반대로 다이오드 부하를 가진 콜렉터 전류는 일단 다이오드들 스위칭 임계에 도달되면 급격하게 증가할 수 있다. 이것은 각각, 저항성 부하를 스위칭하는 IGBT, 및 예를들어 유도성 부하를 스위칭하는 IGBT를 가진, 전형적인 부스터 변환기(boost converter) 구성에서 발견되는 유형의 유도성 다이오드 클램프드 회로(inductive diode clamped circuit)를 보여주는 도 3b 및 3c에 개략적으로 설명된다. 전류가 변화되지 않는 동안 전압이 선형적으로 최소점까지 떨어지기 전에, 유도성 다이오드 클램프드(clamped) 부하를 갖는 상기 콜렉터 전류는 우선 상기 전압이 변화되지 않는 동안, 최대점까지 선형적으로 증가한다. 당업자는 이해할 것이다, 그러나 상태 S3와 S4 사이에서 상기 영역 내에 Vce 및 Ic 곡선들의 정확한 전이는 시작과 끝 지점 시기와 관련이 없다, 즉 상기 각각 상태들은, 둘다 잘 정의된다. 따라서, 상태 S4에서 상기 장치는 온(활성)이나 상기 장치가 포화될 때 Vce를 초과하는 콜렉터-이미터 전압을 여전히 유지한다. 상태 S4의 위치는 이 저전압 평탄구역(plateau)의 Vce 전압 값에 의해 정의된다; 이것은 예를들어, 단위 10-50볼트가 될 수 있다.
상태 S4에서 상기 게이트 전압은 우리가 고 임계점 전압(high threshold voltage), VthH으로 칭하는 것 미만이다. 이 고 임계점 전압은, 게이트 전압이 감소함에 따라, 상기 장치가 단지 포화에서 나오기 위해 막 시작하는 최소 전압이다. 따라서 상태 S4에서 상태 S5로 이동시 상기 장치는 완전히 턴온되고 포화로 된다. 상기 IGBT의 게이트로 전하 주입을 계속하는 동안, 상기 게이트 전압은 상기 관련된 게이트 캐패시턴스가 충전될때까지 실질적으로 일정하게 유지된다 이후에 상기 고 임계점 전압, VthH, 이 상기 고 임계점 전압과 동일한(또는 더 큰) 게이트 전압에 의해 정의되는 상태 S5,에 도달될때까지 증가한다. 바꿔말하면, 만일 상기 게이트 전압이 VthH로 떨어진다면, 상기 장치가 포화를 유지한다는 것을 보증할 수 있다. VthH에 대한 전형적인 값은 7-9 볼트 범위내이다; 이보다 더 큰 전압, 예를들어 10-15 볼트(또는 실리콘 카바이드 장치에 대하여 단위 20볼트 까지)에서, 상기 장치는 완전히 포화된다. 상기 상위 임계 전압(upper threshold voltage)은 상기 장치가 전달하는(passing) 상기 전류에 부분적으로 의존한다.
일 실시예에서 상태 S2 및 S5는 정의된 레퍼런스 전압 값들(defined reference voltage values)을 갖는 게이트 전압 비교에 의해 정의될 수 있다. 이들은 콘트롤러-예를들어 상기 콘트롤러의 적어도 하나의 레지스터-에 프로그램될 수 있고/있거나 상기 콘트롤러는 상기 장치가 포화에서 방금 나오기 시작/ 방금 활성되기 시작하는 지점을 알리는 런 모드(learn mode)를 제공받을 수 있고, 또는 이후에 온도 변화에 대한 에러의 범위(margin)을 적용할 수 있다.
상기 IGBT의 게이트에 전하를 주입하기 위하여 계속하는 것은 상기 장치가 완전 포화 온(fully saturated on)인 곳으로 상태 S6이 도달될기까지 상기 게이트 전압을 증가시키기 위해 계속한다. 상태 S6은, 예를 들어, 상기 콘트롤러에 프로그램될 수 있는 게이트 전압 값으로 정의된다.
도 3a에 도시된 곡선들은 양방향(bi-directional)이다: 상기 장치는 상기 IGBT의 게이트로부터 전하를 제거/전하를 주입하여 임의의 상기 도시된 상태들 간에 이동될 수 있다. 특히, 비록 동작시에 상기 타이밍(timing)- 예를들어, 얼마나 빠르게 Vce가 붕괴하는 가에 의존하는 상태 S3로부터 S4까지 상기 전이의 타이밍(timing)-은 상기 장치가 동작하는 회로에 의존한다 하더라도, 상태 S3 및 S4의 달성은 상기 장치의 저전압 평탄구역 및 저전류 평탄구역 값에 의해 정의된다.
[0060] 상기 콘트롤러의 일부 바람직한 실시예들에서 활성 피드백 제어 루프는 상태 S3와 S4 간에, 보다 구체적으로 상태 S2와 S5 간에 상기 스위칭 장치를 이동시키기 위해 이용될 수 있다. 바람직한 실시예들에서 이런 활성 제어는 마치 수동
레지스터와 같이 행동하도록 상기 장치를 제어하여, 탠덤으로(in tandem) Vce 및 Ic 양쪽을 동시에 제어하는 제어 루프를 이용할 수 있다. 따라서 실시예들에서 이런 활성 피드백 제어는 Vce 와 Ic 간에 비율을 정의한다. 이것은 상기 스위칭 장치에 대하여, 유효 저항(effective resistance)을 결정하고 상기 장치는 상기 유효 타겟 저항( effective target resistance)을 변경하여 한 상태에서 다른 상태로 이동될 수 있다, 상기 피드백 루프는 이후에 상기 정의된 비율로 상기 전압 및 전류를 유지하도록 동작한다.
따라서, 대체로, 상기 콘트롤러는, 양방향으로(bi-directionally), 상태 S1 내지 S6 간에 상기 스위칭 장치를 이동시키기 위하여 동작하며S2와 S5는 (그리고 효과적으로 S1 및 S6)는 상기 장치 데이터시트로부터 고정될 수 있는 곳이고, S3 및 S4 저전류 평탄구역 및 저전압 평탄구역 레벨들의 선택에 의해 결정되된다. 실시예들에서 상기 저전류 평탄구역은 예를들어 100 mA, 10 mA, 1 mA 또는 0.1 mA 보다 낮은 매우 낮은 전류를 포함할 수 있다.
적시에(in time) 다양한 상태들 간에 이동은 도 4에 도시된다. 도 4는 Y축에 대해 전압/전류 다시 Vce, Ic 및 Vg의 변화를 도시하는 것을 나타낸다. 그러나 이 도면들은 게이트 전압에 대한 것이라기 보다는 축에 대한 시간에 대한 것을 보여주는 변화이다. 도시된 실시에서 상기 장치는 포화 오프 상태 S1으로 시작하여 포화된 온 상태 S6을 향하여 이동하고 따라서 장치가 턴온 되는 것을 보여준다. 대응하여, 그러나, 곡선들의 세트의 유사는 장치가 꺼지는 방향과 반대로 향한다. 시간 축에서의 주석에 의해 도시 된 바와 같이, 장치는 관련된 상태에 도달하면, 예를 들어, 특정 상태에 'S2로 이동을'이동 명령을 수신하는 스위칭 제어기에 의해 한 상태에서 다른 상태로 전환되고, 컨트롤러를 전환하는 것은 확인응답 OK'를 반환합니다.앞서 기술한 시스템의 맥락에서 스위칭 장치 콘트롤러는 중앙 또는 서브 콘트롤러로부터 상태 변경 명령을 수신한다.
동기화하여 복수의 스위치들을 제어하기 위해 상기 중앙 또는 서브 콘트롤러는 다음 상태 변화에 대한 명령을 보내기 전에 복수의 장치들 모두에게 상기 동일하고, 정의된 상태로 이동하도록 명령을 보낸다, 그리고 이후에 모든 이들 스위칭 장치 콘트롤러로부터 확인응답을 기다린다. 이런 방법으로 상기 스위치들은 동기화하여 이동하도록 제어된다. 이것은 또한 예를 들어, 하나의 장치가 다른 장치들이 스위치되기 전에 상기 세트를 위한 전체 전압/전류를 볼 수 없도록 상기 스위칭 프로세스 동안에 복수의 장치들 간에 전류들/전압들의 균형(balancing)을 용이하게 한다. 또한, 상태들 간의 이동이 가역적이므로, 만일 고장이 검출된다면(또는 스위칭 장치 콘트롤러에 의해 표시된다면) 장치들의 그룹 또는 하나는 이전 상태로 다시 이동될 수 있다. 이것은 장치들 간에 부수적인 손상(collateral damage )의 리스크를 감소하도기 위해, 고장 또는 잠재적 고장의 검출시 알려진 좋은 또는 안전한 상태로 스위칭 장치들의 세트를 되돌리는 데 이용될 수 있다.
도 4에 도시된 상기 상태들은 도 3a에 도시된 상태들에 대응하나, 도 4에서 상태들이 대기 시간(hold time) 주기 동안 지속되기 때문에 각각의 상태는 관련있는 곡선 상의 지점이라기보다는 평탄구역에 의해 표시된다. 도 4에 도시된 상태 간에 전이들 중 일부는 시간 제약들(time constraints)이 없다: 예를 들어 상태 S1 및 S2 간에 그리고 S5 and S6 간에 전이들은 느리게 발생될 수 있다 왜냐하면 이들 영역에서 Vce 또는 Ic의 변화가 없기 때문이다. 따라서 이들 상태들에 관한 상기 중앙/서브 콘트롤러에 의해 발행된 상기 명령에 시간 제약이 없다. 반대로 그것은 Vce 및 Ic가 함께 변하는 상태 S2 및 S5 사이의 영역에 걸쳐, 상태 S3 및 S4가 상대적으로 짧게 지속되는 것이 바람직하고 이들 상태 간에 전이들을 제하기 위한 로컬 피드백 제어를 적용하는 것이 바람직하다.
이제 도 5를 참조하면, 상기 서술된 상태 S1 내지 S6 중 선택된 하나로 전력 반도체 스위칭 장치를 제어하도록 구성된, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 스위칭 장치 콘트롤러(50)을 도시한다. 도 1의 소자들과 동일한 소자들은 동일한 참조 번호들로 표시된다.
도 5에서 아날로그 제어 회로(138)은 차례로 IGBT(132)의 상기 게이트로 전류 구동 신호를 제공하는 제어가능한 전류원 (및 싱크)(504)를 구동하는 증폭기(502)를 포함한다. 전압 피드백 회로(142)는 인자 알파에 의해 상기 감지된 신호를 스케일(scale)하기 위한 스케일링 회로(506)으로 전압 감지 신호를 제공하고, 전류 센싱 회로(144)는 전류 감지 신호를 인자 베타에 의해 상기 전류 감지 신호를 스케일하는 제 2 스케일링 회로(508)로 제공한다. 상기 스케일된 전압 및 전류 감지 신호들은 조합 회로(combining circuit)(510)- 보다 구체적으로 상기 전류 증폭기(502, 504)에 대하여 에러 신호를 제공하는 차 계산 회로(differencing circuit)임-로 제공된다. 함께, 이들 회로 블록들은 상기 외부 스위치 회로의 상기 감지된 전류 및 전압에 의존하는 정의된 상태에 상기 스위치 장치를 유지하도록(to hold) 설계된 활성 피드백 제어 메커니즘을 제공한다.
역시 상기 전류 증폭기(502/504)로 에러 신호를 제공하기 위하여,또한 게이트 전압 제어 출력(520)을 도출(derive)하기 위하여 제2, 임계 상태 제어 루프가 게이트 전압 레퍼런스(gate voltage reference)와, 회로(518)에서, 비교되는 게이트 전압 피드백 라인(516)에 의해 제공된다. 스위치(522)는 게이트 전압 제어가 상태 S2까지, 상태 S5를 지나(beyond)인가되고 그리고 , 인가된 활성 상태 제어 루프가 상태 S2와 S5 간에 인가될 수 있도록 상기 게이트 전압 제어 루프와 상기 활성 상태 제어 루프의 출력 간에 스위치할 수 있다.
상기 디지털 콘트롤러(140)는 상기 피드백 이득 파라메타들 알파 및 베타, 상기 전압 및 전류 오프셋 값들, 상기 게이트 전압 레퍼런스 및 상기 스위치(522)의 위치를 설정하도록 제어 신호들의 세트를 제공한다. 상기 콘트롤러는 또한 Vce, Ic 및 Vg의 값들을 감지하기 위하여 감지된 신호들을 수신한다. 상기 콘트롤러는 각각의 상태 S1 내지 S6에 대하여 다양한 제어 시스템 파라메타들을 저장하기 위한 레지스터들(530)의 세트를 포함한다.
도시된 스위치 위치에서 상기 감지된 게이트 전압은 에러 신호를 생성하기 위한 상기 레퍼런스 (또는 요구되는) 게이트 전압 신호와 비교된다. 이런 에러 신호는 음의 피드백 제어 루프로 상기 스위치 장치의 제어 게이트의 안 또는 밖으로 전류를 구동할 뿐만 아니라 또한 상기 타겟 게이트 전압이 도달될때를 결정하기 위하여 영(zero)과 비교될 수 있고, 따라서 상기 원하는 상태 S2 또는 S5가 달성된다. (여기에서 Vce가 실질적으로 불변이기 때문에 밀러 캐패시턴스(Miller capacitance)는 아무 역할이 없다는 것을 주목할 필요가 있다.)
상태 S3와 S4를 거쳐 상태 S2와 S5 사이를 이동하려면 상기 디지털 콘트롤러(140)는, 차례로 상기 제어 루프의 동작을 정의하는 상기 전압 및 전류 피드백 이득 파라메타들(feedback gain parameters)을 계산하기 위해 이용되는, 유효 저항 값을 정의한다. 상기 측정된 Vce 및 Ic 감지 신호들(sense signals)은 유효 저항을 결정하기 위하여 이용되고 상기 디지털 콘트롤러는 타겟 유효 저항에 의해 정의되는 동작 곡선 상의(its operating curve) 위치로 상기 IGBT를 이동시키 위한 및 를 제어한다. 저전류 평탄 상태 S3에서 상기 장치는 높은 타겟 저항을 갖는다; 저전압 평탄 상태 S4에서 상기 장치는 낮은 타겟 저항을 갖는다. 상기 타겟 저항은 상태 S3와 S4 사이를 이동하기 위하여 변경되고, 하나는 상기 방정식을 쓸 수 있다.
이것은 옴의 법칙: V = I x R에서 유래한다; 실제 수동 저항인 경우와 같이, 상기 제어 루프에 대한 관계를 만족시키는 V와 I의 조합(combination)이 항상 있다.
따라서 실시예들에서 상기 제어 시스템은 이 방정식의 관계가 참(true)이 되도록 동작한다. 이 항등식부터의 임의의 편차(deviation)는 이런 편차에 대한 정정과 상기 에러 신호를 영(zero)으로 구동하는 방식으로 상기 스위치 장치의 상기 제어 게이트를 구동하는 에러 신호를 생성한다. 이것은 상기 음의(negative) 피드백 루프의 동작 원리이다. 상기 제어 루프 이득 파라메타들(gain parameters) 알파(Alpha) 및 베타(Beta)는 따라서 지정된(specified) 상태 S1 내지 S6에 대한 V와 I 간에 상기 원하는 제어 관계를 제공하기 위하여 조정될 수 있다. 이것은 상기 상태에 대하여 상기 Re 값(유효 저항)을 효과적으로 설정한다. 실시예들에서 상기 디지털 콘트롤러(140)는 상태 S3에서 상기 장치에 대하여 타겟 저항을 정의하도록 동작할 수 있으며, 상태 S3는 그리고 이후에 상태 S4(또는 그 역으로)로 상기 장치를 이동시키기 위한 이런 타겟 저항을 변경한다.
도 5에 도시되지 않았더라도, 일부 바람직한 구현들에서 상기 디지털 콘트롤러는 또한, 예를 들어 슬립 모드, 셧 다운 모드(shut down) 등으로 들어가기 위한 명령을 구현하기 위한 추가 기능들을을 제공한다. 또한 상기 디지털 콘트롤러는 바람직하게 과전류, 과전압 또는 과온도와 같은 잠재적 고장 상태들의 경고들에 대한 정보를 제공하기 위하여, 버스(122)를 통해 다시(back) 모니터링 및 상태/경고 데이터를 전송할 수 있다. 실시예들에서, 상기 디지털 콘트롤러에 대한 상기 인터페이스는 실시간(높은 우선순위) 및 비실시간(낮은 우선순위) 패킷 데이터 양쪽을 처리하는 능력을 갖는, 패킷 데이터 인터페이스이다. 이런 케이스에서 높은 우선순위/실시간 데이터 패킷은 스위칭 장치 콘트롤러에서 상태 명령들을 수신하고 확인응답 신호들을 돌려보내기 위해 이용될 수 있고, 상기 비실시간(낮은 우선순위)는 모니터링/상태/경고 데이터를 위하여 채용될 수 있다. (리뷰 필)
도 6은 도 5의 상기 스위칭 장치 콘트롤러를 이용할 수 있는 상기 레지스터 뱅크 배열을 추가로 도시한다: 예를 들어 스위칭 액션이 일어나지 않을 때, 정의된 시간에서 상기 스위칭 장치 콘트롤러의 구성을 업데이트 할 수 있다는 것은 바람직하다. 그러나, 상기 구성 데이터는 실시간 패킷으로 전송되기에 너무 클 수 있고 따라서, 실시예들에서, 상기 구성 정보는 각 스위칭 장치 콘트롤러(SD) 내에 쉐도우 구성(shadow configuration)을 이용하는 두 스테이지 프로세스(two stage process)로 업데이트된다.
따라서,도 6을 참조하면, 스위칭 장치 콘트롤러는 한 쌍의 레지스터 뱅크들을 포함할 수 있다. 동작 시에 상기 레지스터 뱅크들 중 하나가 쉐도우 구성 데이터(shadow configuration data)를 저장하도록, 그리고 다른 것은 활성 구성 데이터(active configuration data)를 저장하도록 기능한다. 상기 쉐도우((shadow) 구성은 NRT 프레임들을 이용하여, 구성 변화가 요구되는 상기 노드들에 대하여 업데이트된다. 상기 쉐도우 구성에 대한 변화는, 그러나, 상기 장치의 스위칭 동작(behaviour)에 영향을 주지 않는다. 이후 상기 쉐도우 구성은 실시간 액션 명령을 이용하여, 상기 활성 구성 레지스터 뱅크로 카피된다 (또는 상기 쉐도우이고 상기 활성 레지스터 뱅크인 목적지가 스위칭된다). 상기 데이터 링크 레이어 내에 에러 비트는 상기 명령이 재-전송되도록(re-transmitted) 상기 중앙 콘트롤러가 하나 이상의 장치가 이런 액션 명령을 수신하지 못 하는 곳을 검출하도록 한다. 일 실시예에서 레지스터 뱅크는 어드레서블 메모리(addressable memory)의 4K 32-bit 워드들을 포함한다.
우리가 기술한 상기 기법들은 비록 특히 전력 반도체 스위칭 장치들을 제어하기 위하여 유리하다 하더라도, 임의의 전류 또는 전압에서 스위칭 장치를 제어하기 위하여 적합하다.
많은 다른 효과적인 대안이 당업자에게 발한다는 것은 의심의 여지가 없다. 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 사상과 범위 내에 놓인 분야의 당업자에게 명백한 변형을 포괄한다는 것이 이해될 것이다.
Claims (31)
- 복수의 상태들 중 선택된 하나로 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러에 있어서, 상기 상태들은 전부-오프(fully-off) 상태, 세츄에이티드-온(saturated-on) 상태, 및 상기 전부-오프 상태와 상기 세츄에이티드-온 상태 사이의 적어도 하나의 매개(intermediate) 상태를 포함하며, 상기 반도체 스위칭 장치는 제 1 및 제 2 입력/출력 단자 및 제어 단자를 가지고, 상기 스위칭 다바이스 콘트롤러는:
상기 스위칭 디바이스를 위한 명령된(commanded) 상기 상태를 정의하고 디바이스 명령어 데이터를 수신하기 위한 인터페이스;
상기 입력/출력 단자 상에서 전압을 센싱하기 위한 전압 센스 입력(voltage sense input);
상기 입력/출력 단자들을 매개로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 통해 통과하는 전류를 센싱하기 위한 전류 센스 입력(current sense input);
상기 제어 단자로 구동 신호를 제공하기 위한 제어 출력;
상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류에 응답하는 상기 구동 신호를 제공하기 위해, 상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력 및 상기 제어 출력에 결합된 피드백 제어 회로(feedback control circuit) - 여기서, 상기 피드백 제어 회로는 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 갖고, 상기 센싱된 전압 및 센싱된 전류로의 상기 구동 신호의 상기 응답은 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들에 의존함 - ; 및
상기 피드백 제어 회로 및 상기 인터페이스에 결합된 회로 콘트롤러 - 상기 회로 콘트롤러는 상기 명령어 데이터에 응답하는 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 제어하기 위해 구성됨 - ;를 포함하되,
상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들의 상태는 상기 피드백 제어 회로로부터의 상기 구동 신호에 의해 세팅(set)되는 상기 스위칭 디바이스의 상태를 정의하며, 상기 명령된 상태들은 상기 전부-오프 상태, 상기 세츄에이티드-온 상태, 및 상기 적어도 하나의 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 상기 회로 콘트롤러에 대한 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들의 상태들을 정의하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 스위칭 디바이스들은 절연 게이트 디바이스이고, 상기 피드백 제어 회로는 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들의 상기 상태에 응답하여 상기 제어 단자로/로부터(into/out of) 흐르는 전하를 제어하기 위한 제어가능한 전류 구동 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 또는 2 항에 있어서,
상기 피드백 제어 회로는 저항 값으로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위해 구성되는 네가티브 피드백 제어 회로이고, 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들은 상기 네가티브 피드백 제어 회로의 적얻 하나의 제어 루프 게인 파라미터들을 포함하며, 상기 회로 콘트롤러는 상기 복수의 상태들 중 상태들 사이에서 상기 반도체 스위칭 디바이스를 이동시키기 위해 상기 저항 값을 조절하도록 상기 적어도 하나의 제어 루프 게인 파라미터들을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1, 2 또는 3 항에 있어서,
상기 스위칭 디바이스가 상기 명령된 상태 내에 있을 때를 검출하기 위해, 상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력, 및 상기 제어 출력 중 적어도 하나에 결합되는 스위칭 디바이스 상태 검출 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 매개 상태는 상기 구동 신호가 상기 반도체 스위칭 디바이스의 턴-온(turn-on) 임계 전압보다 작고 0보다는 큰 전압에 있는 오프-임계(off-threshold) 상태를 포함하고, 상기 라파미터들은 제 1 전압 레퍼런스 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 매개 상태는 상기 구동 신호가 상기 반도체 스위칭 디바이스의 턴-오프(turn-off) 임계 전압보다 크고 상기 세츄에이티드-온 상태를 위한 상기 구동 신호의 전압보다 작은 전압에 있는 온-임계(on-threshold) 상태를 포함하고, 상기 파라미터들은 제 2 전압 레퍼런스 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 매개 상태는 상기 구동 신호의 값에 의해 정의되는 임계 상태를 포함하고, 상기 피드백 제어 회로는 명령된 상기 임계 상태에 대응하는 상기 조절가능한 파라미터에 의해 정의되는 값으로 상기 구동 신호를 제어하기 위해 구성되고 상기 제어 출력으로부터의 입력을 갖는 임계 상태 제어 피드백 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 내지 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 매개 상태는 상기 반도체 스위칭 디바이스의 액티브 상태를 포함하고, 상기 피드백 제어 회로는 명령된 상기 임계 상태에 대응하는 적어도 하나의 상기 조절가능한 파라미터들에 의해 정의되는 값으로 상기 구동 신호를 제어하기 위해 구성되고 상기 전류 센스 입력 및 상기 전압 센스 입력 중 하나 또는 둥 모두로부터의 입력을 갖는 액티브 상태 제어 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 8 항에 있어서,
상기 액티브 상태는 상기 센싱된 전류가 0보다 크고 상기 반도체 스위칭 디바이스의 상기 세츄에이티드-온 상태에서 상기 센딩된 전류의 값보다 작은 액티브 저전류 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 8 또는 9 항에 있어서,
상기 액티브 상태는 상기 센싱된 전압이 전부-오프 상태 내의 상기 센싱된 전압보다 작고 상기 세츄에이티드-온 상태를 위한 상기 센싱된 전압보타 큰 액티브 저전압 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 8, 9 또는 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액티브 상태 제어 루프는 상기 전압 센스 입력에 결합된 제 1 제어 회로 및 상기 전류 센스 입력에 결합된 제 2 제어 회로를 포함하고, 상기 제 1 제어 회로는 상기 센싱된 전압을 스케일링하기 위한 제 1 전압 스케일링 파라미터에 응답하는 회로를 포함하고, 상기 제 2 제어 회로는 상기 센싱된 전류를 스케일링하기 위한 제 2 전류-스케일링 파라미터에 응답하는 회로를 포함하며, 상기 회로 콘트롤러는 반도체 스위칭 디바이스의 유효 저항을 제어하기 위해, 상기 전류 스케일링 파라미터 및 상기 전압-스케일링 파라미터 중 하나 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 상기 명령된 액티브 상태로/로부터의 전이를 제어하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 1 내지 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회로 콘트롤러는 둘 또는 네 개의 상기 매개 상태들을 정의하기 위한 상기 적어도 하나의 조절가능한 파라미터들을 제어하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 12 항에 있어서,
상기 매기 상태들은, 상기 반도체 스위칭 디바이스를 통하여 통과하는 상기 전류가 전부-오프 전류 및 세츄에이티드-온 전류 사이의 매개인 액티브 저전류 상태, 및 상기 센싱된 전압이 상기 반도체 스위칭 디바이스의 전부-오프 전압 및 세츄에이티드-온 전압 사이의 매개인 액티브 저전압 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 반도체 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하기 위해 스위칭 디바이스 콘트롤러를 사용하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
초기 전부-오프 또는 세츄에이티드-온 상태로부터 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 스위칭하기 위한 명령어를 수신하는 단계;
상기 초기 상태로부터 상기 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하는 단계;
상기 반도체 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태 내에 있는지 결정하는 단계;
상기 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태에 있는지에 대한 상기 결정에 응답하여 답신하는 단계(acknowledging);
상기 답신 단계 이후에, 상기 매개 상태로부터 차후의 상태로 스위칭하기 위한 추가적인 명령어를 수신하는 단계; 및
상기 반도체 스위칭 디바이스를 상기 차후의 상태로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 전부-오프 상태 및 상기 세츄에이티드-온 상태 사이에서 스위칭하는 때 복수의 연속적인 상기 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 반도체 스위칭 디바이스가 차후의 상기 매개 상태로 이동하기 전에, 각 연속적인 상기 매개 상태 내에 있는지를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 매개 상태는:
상기 반도체 스위칭 디바이스의 제어 전압이 반도체 스위칭 디바이스의 턴-온 임계 전압 아래이고 0보다는 큰 오프-임계 상태;
상기 반도체 스위칭 디바이스의 제어 전압이 반도체 스위칭 디바이스의 턴-오프 임계 전압보다 크고 상기 디바이스를 위한 세츄에이티드-온 전압보다 작은 온-임계 상태;
상기 반도체 스위칭 디바이스를 통하는 전류가 전부-오프 전류 및 세츄에이티드-온 전류 사이의 중간인 액티브 저전류 상태; 및
상기 반도체 스위칭 디바이스를 가로지르는 전압이 상기 디바이스가 세츄에이티드-온인 때 디바이스를 가로지르는 전압보다 크고 디바이스를 가로지르는 전부-오프 전압보다 작은 액티브 저전압 상태 중 적어도 둘을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 스위칭 디바이스 콘트롤러에 있어서, 상기 스위칭 디바이스 콘트롤러는:
명령어들을 수신하고 답신들(acknowledgements)을 전송하기 위한 인터페이스;
초기 전부-오프 또는 세츄에이티드-온 상태로부터 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 스위칭하기 위한 명령어를 수신하기 위한 수단;
상기 초기 상태로부터 상기 매개 상태로 상기 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 수단;
상기 반도체 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태 내에 있는지 결정하기 위한 수단;
상기 스위칭 디바이스가 상기 매개 상태에 있는지에 대한 상기 결정에 응답하여 답신하기 위한 수단;
상기 답신 단계 이후에, 상기 매개 상태로부터 차후의 상태로 스위칭하기 위한 추가적인 명령어를 수신하기 위한 수단; 및
상기 반도체 스위칭 디바이스를 상기 차후의 상태로 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 반도체 스위칭 디바이스를 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러에 있어서, 상기 반도체 스위칭 디바이스는 제 1 및 제 2 입력 단자들 및 제어 단자를 가지며, 스위칭 디바이스 콘트롤러는:
상기 반도체 스위칭 디바이스의 상태를 제어하기 위한 제어 신호를 수신하기 위한 제어 입려기 상기 입력/출력 단자 상에서 전압을 센싱하기 위한 전압 센스 입력;
상기 입력/출력 단자들을 매개로 스위칭 디바이스를 통해 통과하는 전류를 센싱하기 위한 전류 센스 입력;
상기 제어 단자로 구동 신호를 제공하기 위한 제어 출력; 및
상기 전압 센스 입력, 상기 전류 센스 입력 및 상기 제어 입력 및 상기 제어 출력에 결합된 피드백 제어 시스템;을 포함하되,
상기 제어 신호는 상기 반도체 스위칭 디바이스의 타겟 유효 저항을 정의하고, 상기 센싱된 전압 및 상기 센싱된 전류가 함께 상기 타겟 유효 저항을 실행시키기 위해, 상기 피드백 제어 회로는 상기 구동 신호를 제어하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 18 항에 있어서,
상기 피드백 제어 시스템은 상기 센싱된 전류 및 상기 센싱된 전압으로부터 결정되는 디바이스 저항 및 상기 타겟 유효 저항 사이의 차이값에 의존하여 구동 신호를 제공하기 위해 구성되는 네가티브 피드백 제어 시스템인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 청구항 18항 또는 19항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템은 상기 전압 센스 입력에 결합되고 제1 전압-스케일링 파라미터에 응답하여 상기 센싱된 전압을 스케일링하는 회로를 포함하는 제 1 제어 회로, 및 상기 전류 센스 입력에 결합되고 제2 전류-스케일링 파라미터에 응답하여 상기 센싱된 전류를 스케일링하는 회로를 포함하는 제 2 제어 회로를 포함하며, 상기 제1 제어 회로 및 상기 제2 제어 회로는 결합되어 상기 반도체 스위칭 장치의 센싱된 장치 저항을 정의하는 신호를 제공하며, 상기 구동 신호는 상기 센싱된 장치 저항 및 상기 목표 효과 저항의 조합에 응답하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 장치 컨트롤러.
- 청구항 20항에 있어서, 상기 제어 입력은 결합되어 상기 목표 효과 저항을 정의하기 위하여 상기 각각의 제1 및 제2 제어 회로들의 전압 스케일링 파라미터들 및 전류 스케일링 파라미터들을 제어하는 반도체 스위칭 장치 컨트롤러.
- 제19항 내지 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스케일되고 감지된(scaled sensed) 전압과 상기 스케일되고 감지된(scaled sensed) 전류 간에 차(difference)에 의존하는 차 신호(difference signal)를 제공하도록 상기 제1 및 제2 제어 회로들에 결합된 감산기(differencer)와
상기 차 신호에 반응하는 상기 구동 신호를 제공하기 위해, 상기 제어 출력 및 상기 감산기에 결합된, 구동 회로를 더 포함하는 반도체 스위칭 장치 콘트롤러. - 제22항에 있어서, 상기 반도체 스위칭 장치는 절연된 게이트 자이이고, 상기 구동 회로는 상기 차 신호에 반응하는 상기 반도체 스위칭 장치의 상기 제어 단자 안으로/밖으로 흐르는 전하를 제어하도록 제어가능한 전류 장치 회로를 특징으로 하는 반도체 스위칭 장치 콘트롤러.
- 반도체 스위칭 장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 방법은
상기 반도체 스위칭 장치의 제1 및 제2 입력/출력 단자들을 통해 전압을 감지하는 단계;
상기 반도체 스위칭 장치를 통해 상기 제1 및 제2 입력/출력 단자 간에 흐르는 전류를 감지하는 단계;
상기 반도체 스위칭 장치가 수동 저항(passive resistor)과 같이 행동하도록 상기 감지된 전압 및 전류에 반응하는 상기 반도체 스위칭 장치의 제어 단자에서 신호를 제어하는 단계를 포함하는 반도체 스위칭 장치를 제어하는 방법 - 제 24항에 있어서, 상기 반도체 스위칭 장치는 절연된 게이트 장치이고, 상기 제어 연결은 상기 절연된 게이트로의 연결을 포함하고, 상기 방법은
상기 장치에 대한 타겟 유효 저항에 반응하는 상기 감지된 전류로 상기 감지된 전압의 비율을 제어하기 위해상기 절연된 게이트로부터 제거되거나 상기 절연된 게이트로 주입된 전하를 제어하는 단계를 더 포함하는 반도체 스위칭 장치를 제어하는 방법. - IGBT의 스위칭을 제어하기 위한 반도체 스위칭 장치 콘트롤러에 있어서, 상기 스위칭 장치 콘트롤러는
타겟 게이트 전압 값(Vg), 타겟 콜렉터 전류 값(Ic), 타겟 콜렉터-이미터 전압 값(Vce) 및 타겟 유효 저항 값(Re) 중 적어도 하나를 정의하는 데이터를 저장하기 위한 적어도 하나의 레지스터들의 세트;
상기 IGBT의 Vce 및 상기 Vg, Ic를 제어하도록 구성된 피드백 제어 루프; 및
상기 IGBT에 대하여 적어도 하나의 상기 Vg, Ic, Vce 및 Re를 타겟하기 위하여 상기 저장된 데이터에 따른 상기 피드백 제어 루프를 제어하기 위한 콘트롤러;를 포함하고
상기 콘트롤러는 상기 IGBT의 스위칭을 제어하기 위해 적어도 하나의 상기 Vg, Ic, Vce 및 Re 중 적어도 하나에 의해 정의되는 중간 상태들을 타겟 하기 위해 구성되는 IGBT의 스위칭을 제어하기 위한 반도체 스위칭 장치 콘트롤러. - 제 26 항에 있어서,
상기 레지스터들은 Vg 값, 및 Ic 및 Vce 값들 중 하나, 또는 상기 Re 값을 정의하는 데이터를 저장하기 위해 구성되고,
상기 디지털 콘트롤러는 Vg, Ic, Vce 및 Re 중 적어도 하나에 의해 각각 정의되는 복수의 상기 매개 상태들 각각 내에서 IGBT를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스. - 제 26 또는 27 항에 있어서,
상기 디지털 콘트롤러는 상기 IGBT의 콜렉터 에미터 전압 및 콜렉터 전류의 조합에 의해 저으이되는 타겟 IGBT 저항에 따라 상기 피드백 제어 루프를 제어함으로써 상기 매개 상태를 타겟팅하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스. - MOSFET의 스위칭을 제어하기 위한 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러에 있어서, 상기 스위칭 디바이스 콘트롤러는:
타겟 게이트 전압 값(Vg), 타겟 드레인 전류 값(ID), 타겟 드레인-소스 전압 값(VDS), 및 타겟 유효 저항 값(Re) 중 적어도 하나를 정의하는 데이터를 저장하기 위한 적어도 하나의 레지스터들의 한 세트;
상기 MOSFET의 상기 Vg, ID 및 VDS를 제어하기 위해 구성되는 피드백 제어 루프; 및
상기 MOSFET에 대한 상기 Vg, ID, VDS 및 Re 중 적어도 하나를 타겟팅하기 위해, 상기 저장된 데이터에 따라 상기 피드백 제어 루프를 제어하기 위한 콘트롤러;를 포함하고,
상기 콘트롤러는 상기 MOSFET의 상기 스위칭을 제어하기 위해 상기 Vg, ID, VDS 및 Re 중 적어도 하나에 의해 정의되는 매개 상태들을 타겟팅하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스 콘트롤러. - 제 20 항에 있어서,
상기 레지스터들은 Vg 값, 및 ID 및 VDS 값들 중 하나, 또는 상기 Re 값을 정의하는 데이터를 저장하기 위해 구성되고,
상기 디지털 콘트롤러는 Vg, ID, VDS 및 Re 중 적어도 하나에 의해 각각 정의되는 복수의 상기 매개 상태들 각각 내에서 MOSFET를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스. - 제 29 또는 30 항에 있어서,
상기 디지털 콘트롤러는 상기 MOSFET의 드레인-소스 전압 및 드레인 전류의 조합에 의해 저으이되는 타겟 MOSFET 저항에 따라 상기 피드백 제어 루프를 제어함으로써 상기 매개 상태를 타겟팅하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 디바이스.
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