KR20150025919A - Ｉｇｂｔ 모듈의 온도 센싱 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식 및 포토 커플러 등을 이용하여 IGBT 모듈의 온도를 절연 센싱할 수 있도록 한 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 다이오드의 양단 전압값을 측정한 후, PWM 기법을 이용하여 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 전기적 절연을 위한 포토 커플러를 이용하여 마이컴과 같은 제어기로 용이하게 전송할 수 있도록 함으로써, 다이오드 양단 전압값을 측정한 디지털 신호의 듀티를 분석하여 정확한 온도 센싱이 이루어질 수 있는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로를 제공하고자 한 것이다.

Description

ＩＧＢＴ 모듈의 온도 센싱 회로{TEMPERATURE SENSING CIRCUIT FOR IGBT MODULE}
본 발명은 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식 및 포토 커플러 등을 이용하여 IGBT 모듈의 온도를 절연 센싱할 수 있도록 한 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV) 등 배기가스 배출이 전혀 없는 친환경 차량에는 주행을 위한 구동 모터와, 메인 배터리로부터의 직류전원을 교류전원으로 변환시키며 모터를 제어하는 인버터 등을 포함하는 모터 시스템이 탑재되어 있다.
모터를 구동시키기 위한 인버터는 메인 배터리로부터의 직류전압을 스위칭 소자로 스위칭시켜서 교류전압으로 변환하고, 트랜스 등을 이용해서 전압을 승합하여 모터를 구동시킨다.
상기 인버터내의 스위칭 소자로서, 대 전력에서도 고속 스위칭 동작이 가능한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하"IGBT") 모듈이 주로 사용하고 있다.
이러한 IGBT 모듈이 스위칭 동작을 하여 전달 또는 차단하는 전류의 용량이 크기 때문에 IGBT 모듈이 과온 및 과전류에 의해서 손상될 수 있다.
따라서, 과온 및 과전류 등으로부터 IGBT 모듈의 손상을 방지할 수 있는 로직을 위한 측정수단으로서, 별도의 온도센서가 IGBT 모듈에 탑재되어 있으며, 주로 IGBT 모듈의 DBC(Direct Bonded Copper) 위에 온도센서가 배치되어 있다.
이때, 상기 온도센서는 온도계수에 따라 연속적으로 전기저항이 변화하는NTC(negative temperature coefficient) 서미스터를 이용하고 있으며, 이 NTC 서미스터는 온도에 따라 저항 값이 바뀌기 때문에, 이를 이용한 온도 센싱이 가능하고, 예를 들어 온도센서와 다른 저항 사이에서의 분압된 전압 값으로 온도를 예측할 수 있다.
그러나, NTC 서미스터의 경우 비선형 곡선으로 IGBT 모듈의 온도 센싱을 하는 바, 정확성이 필요한 고온 부분에서의 레졸루션이 떨어지기 때문에 정확한 온도 센싱을 하는데 어려움이 있다.
특히, 상기 온도센서가 배치되는 DBC 온도는 DBC 바닥 면과 맞붙어 있는 냉각기(내부에 냉각수 순환 경로를 갖는 일종의 히트 싱크)의 온도와 거의 동일하게 되므로, IGBT 모듈에 탑재되어 전기적 신호 교환 동작시 발열을 하는 부품인 반도체 칩의 정션 온도(Junction Temperature)를 정확하게 측정하지 못하는 단점이 있다.
즉, 상기 온도센서가 발열을 하는 반도체 칩의 정션 온도를 측정해야 하는데, DBC와 접해 있는 냉각기내의 냉각수 온도를 모니터링하는 경우가 발생하여, 결국 반도체 칩의 정션 온도(Junction Temperature)를 정확하게 측정하지 못하는 단점이 있다.
이로 인해, 상기 반도체 칩의 정션 온도 보호를 위해서 정션 온도를 별도로 계산해야 하지만, 계산 오차가 크게 발생할 수 밖에 없다.
이때, 상기 반도체 칩의 정션 온도를 계산할 때, 인버터의 정상 구동(50Hz 이상의 속도로 모터 구동) 시에는 열 모델 및 발열량 추정을 통한 예측이 잘 맞아떨어지지만, 힐 홀드 모드에서는 반도체 칩의 정션 온도에 대한 추정이 어렵고, 또한 모터 제어를 위한 인버터의 가변 스위칭시 샘플 주파수마다 발생하는 에러가 매우 커지게 되어, 결국 반도체 칩을 포함하는 IGBT 모듈에 대한 정확한 과온 보호가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
참고로, 상기 힐 홀드(Hill Hold) 모드란, 친환경 차량의 경우 인버터로 구동모터의 토크를 제어함으로써, 차량이 경사로에서 밀리지 않는 기능 구현을 의미한다.
또한, 전류센서 고장 시 과온 및 과전류 보호를 위한 로직에 대입되는 온도 추정이 잘못되어 과온 보호가 제대로 이루어지지 않게 되고, 결국 친환경 차량의 주행 도중에 IGBT 파워모듈이 소손되어, 차량 주행 정지 및 그에 따른 운전자의 안전에 문제를 야기킬 수 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위한 종래 방안으로서, 온도센서 위치를 DBC 기판에 놓는 것이 아니라 반도체 칩에 내장하는 방법이 선호되고 있다.
즉, 다이오드를 IGBT 모듈내에 내장하여 모듈의 온도를 직접 센싱하는 방식이 선호되고 있지만, 저전압계인 센싱용 다이오드와 고전압계인 IGBT 모듈 사이에는 안전상의 이유로 전기적 절연이 필요한 단점이 있고, 또한 절연은 포토 커플러와 같은 디지털 소자를 통해 이루어질 수 있지만, 아날로그 온도 값을 절연 방식의 디지털 소자로 전송해야 하는 필요성에 대응해야 하는 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 다이오드의 양단 전압값을 측정한 후, 이를 PWM 기법을 이용하여 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 전기적 절연을 위한 포토 커플러를 이용하여 마이컴과 같은 제어기로 용이하게 전송할 수 있도록 함으로써, 다이오드 양단 전압값을 측정한 디지털 신호의 듀티를 분석하여 정확한 온도 센싱이 이루어질 수 있는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: IGBT 내에 집적되는 하나 또는 둘 이상의 다이오드와; 상기 다이오드에 전류가 흐를 때, 다이오드의 양단 전압을 측정하고, 측정된 아날로그 전압값을 디지털 신호로 변환하는 엔코더와; 상기 엔코더와 절연 가능하게 연결되어, 엔코더로부터의 디지털 신호를 기반으로 다이오드의 양단 전압값을 계측하는 디코더와; 상기 엔코더의 출력단과 디코더의 입력단 간을 절연 및 신호 전달 가능하게 연결하는 포토 커플러와; 상기 디코더로부터 보내어진 다이어드의 양단 전압값을 온도로 환산하는 연산을 하는 마이컴; 을 포함하는 온도 센싱 회로 모듈을 IGBT 모듈에 탑재시킨 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로를 제공한다.
특히, 상기 다이오드 및 엔코더는 고전압계인 IGBT 쪽에 집적되고, 상기 디코더 및 마이컴은 저전압계로서 IGBT 바깥쪽에 집적되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도 센싱 회로 모듈이 여러개 존재하는 경우, 각 온도 센싱 회로 모듈의 디코더를 와이어 오어 기법을 이용한 하나의 와이어로 마이컴에 동시 연결시킨 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 엔코더의 출력단과 포토 커플러의 입력단 사이에는 제1증폭기가 연결되고, 상기 포토 커플러의 출력단과 디코더의 입력단 사이에는 제2증폭기가 연결되며, 상기 디코더의 출력단과 마이컴의 입력단 사이에는 제3증폭기가 연결된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 다이오드의 양단 전압값을 측정한 후, PWM 기법을 이용하여 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 전기적 절연을 위한 포토 커플러를 이용하여 마이컴과 같은 제어기로 전송할 수 있는 온도 센싱 회로를 IGBT 모듈에 집적시킴으로써, 다이오드 양단 전압값을 측정한 디지털 신호의 듀티를 분석하여 정확한 온도 센싱이 이루어질 수 있다.
특히, 고전압계인 IGBT 모듈에 집적되는 다이오드와, 저전압계인 마이컴 간을 포토 커플러를 통하여 절연 가능하게 연결하여, IGBT 모듈의 최대 출력을 용이하게 사용할 수 있고, 저전압계인 마이컴을 보호할 수 있다.
또한, 다이오드를 비롯한 엔코더 및 디코더를 포함하는 온도 측정 센싱 모듈을 와이어 오어(wire OR)기법을 이용하여 하나의 마이컴에 연결함으로써, 다수의 IGBT 모듈에 대한 온도 센싱 신호를 시리얼 통신 방식으로 마이컴에 전송 가능하여, 커넥터 핀 수 등의 감소 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로의 일 실시예를 나타낸 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 IGBT 모듈의 온도 센싱 구성이 와이어 오어 기법에 의하여 하나의 마이컴에 연결되는 예를 보여주는 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로의 PWM 듀티 신호를 보여주는 파형도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 기존의 서미스터를 이용하던 방식과 달리, IBGT 모듈내에 집적되는 다이오드의 양단 전압값을 측정한 후, 측정된 전압값을 PWM 기법을 이용하여 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 전기적 절연을 위한 포토 커플러를 이용하여 마이컴과 같은 제어기로 용이하게 전송하여, 디지털 신호의 듀티를 분석하여 정확한 온도 센싱이 이루어질 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 1의 회로도에 도시된 바와 같이 본 발명의 온도 센싱 모듈은 다이오드(10), 엔코더(12), 디코더(16), 마이컴(18) 등을 포함하여 구성된다.
특히, 고전압계인 IGBT 쪽에 다이오드(10) 및 엔코더(12, encoder)가 집적되고, 저전압계인 디코더(16, decoder) 및 마이컴(18)이 IGBT 바깥쪽에 집적되며, 엔코더(12)와 디코더(16) 사이에는 절연 상태에서 신호 전송이 가능한 포토 커플러(14)가 배치된다.
상기 다이오드(10)는 온도에 대한 선형 특성을 가지므로, 다이오드의 입력단 및 출력단 간의 전압차를 측정하여, 측정된 전압이 클수록 온도가 낮고, 작을 수록 온도가 높음을 알 수 있다.
예를 들어, 다이오드에 0.01A의 전류를 흘려주었을 때, -25℃에서 다이오드 양단의 최대전압 차이는 800mV가 되고, 150℃에서 다이오드 양단의 최소전압 차이는 450mV 라고 가정할 수 있다.
이러한 특성을 갖는 다이오드(10)를 IGBT 모듈의 온도 센싱 수단으로 이용하고자, IGBT 모듈내의 열발생 부위(예를 들어, 반도체 칩 인접 위치 등)에 집적시키고, 다이오드(10)의 입력라인 및 출력라인에는 각각 전류원 및 전압원을 연결시킨다.
이때, 상기 다이오드(10)의 입력단 및 출력단에는 엔코더(12)가 연결되는 바, 이 엔코더(12)는 다이오드의 양단 전압차를 측정하고, 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 역할을 한다.
따라서, 상기 다이오드(10)에 일정한 전류를 인가하면, 엔코더(12)에서 온도에 따른 다이오드(10)의 양단 전압값을 측정한다.
특히, 상기 엔코더(12)에서 다이오드(10)의 입력단 및 출력단 간의 전압차를 측정하고, 측정된 아날로그 신호(전압값)를 디지털 신호로 변환시켜 출력하되, PWM 기법을 이용하여 출력한다.
이렇게 PWM 기법을 이용하여 아날로그 신호(전압값)를 디지털 신호로 변환하되, 디지털 신호의 듀티(duty)를 설정함으로써, IGBT 모듈의 온도를 예측할 수 있다.
예를 들어, 첨부한 도 3에서 보듯이 상기 엔코더(12)에서 다이오드 양단의 전압차가 가장 작을 때는 PWM 듀티(duty)값을 25% 로 설정하고, 다이오드 양단의 전압차가 가장 클 때에는 PWM 듀티(duty)값을 75% 로 설정하는 등, PWM 듀티값을 전압차에 따라 25% ~ 75% 범위로 출력하게 된다.
한편, 상기 다이오드(10) 및 엔코더(12)는 IGBT 모듈의 온도를 직접 측정하여 디지털 신호화하는 부분이므로, 고전압계인 IGBT 모듈에 집적될 수 밖에 없고, 반면에 엔코더(12)의 디지털 신호를 기반으로 IGBT 모듈의 온도를 분석하는 디코더(16) 및 마이컴(18)은 저전압에 의하여 동작하는 저전압계 부품이므로, 마이컴 등이 고전압에 의하여 손상되는 것을 방지하고자, 엔코더(12)의 출력단 및 디코더(16)의 입력단이 상호 절연 및 신호 전달 가능한 포토 커플러(14)로 연결된다.
이때, 상기 엔코더의 출력단과 포토 커플러(14)의 입력단 사이, 그리고 포토 커플러(14)의 출력단과 디코더(16)의 입력단 사이에는 각각 신호 증폭을 위한 제1증폭기(21) 및 제2증폭기(22)가 연결된다.
따라서, 상기 엔코더(12)에서 출력되는 디지털 신호(PWM 듀티값)이 제1증폭기(21)를 통해 1차 증폭되어 포토 커플러(14)를 통하여 디코더(16)쪽으로 전송되며, 디코더(16)로 전송되기 전에 포토 커플러(14)를 통과한 디지털 신호는 다시 한번 제2증폭기(22)에 의하여 증폭된다.
상기 디코더(16)는 엔코더(12)와 포토 커플러(14)에 의하여 절연 가능하게 연결되어, 엔코더(12)로부터의 디지털 신호를 기반으로 다이오드의 양단 전압값을 계측한 다음, 그 계측값을 마이컴(18)으로 전송하는 역할을 한다.
이때, 상기 디코더(16)로부터의 계측값 신호가 제3증폭기(23)를 통해 증폭된 후, 마이컴(18)으로 전송된다.
최종적으로, 상기 마이컴(18)에서 디코더(16)로부터 제공된 계측값을 기반으로, IGBT의 온도를 분석하여 환산하게 되며, 예를 들어 다이오드 양단의 전압차가 800mV이면 -25℃로 환산하고, 다이오드 양단의 전압차가 450mV 이면 150℃로 환산하게 된다.
한편, 상기와 같은 온도 센싱 회로 모듈이 여러개 존재하는 경우, 즉 IGBT 모듈을 비롯하여 다른 열발생 소자 및 부품 등에 대한 온도 센싱을 위하여 온도 센싱 회로 모듈이 여러개 집적되는 경우, 와이어 오어(Wire OR) 기법을 이용하여 각 온도 센싱 모듈을 하나의 마이컴에 연결할 수 있다.
상기 와이어 오어 기법이란, 첨부한 도 2에서 보듯이 다수의 온도 센싱 회로 모듈 중 선택된 하나의 온도 센싱 회로 모듈의 디코더(16)의 출력라인(20)을 마이컴(18)에 연결하고, 나머지 온도 센싱 회로 모듈의 각 디코더(16-1..16-n)의 출력라인(20-1...20-n)을 마이컴(18)에 연결된 출력라인(20)에 연결시킨 것을 의미한다.
이렇게 다이오드를 비롯한 엔코더 및 디코더를 포함하는 온도 측정 센싱 모듈을 와이어 오어(wire OR)기법을 이용하여 하나의 마이컴에 연결함으로써, 다수의 IGBT 모듈에 대한 온도 센싱 신호를 시리얼 통신 방식으로 마이컴에 전송 가능하여, 출력라인 및 커넥터 핀 수 등의 감소 효과를 얻을 수 있다.
10 : 다이오드 12 : 엔코더
14 : 포토 커플러 16 : 디코더
18 : 마이컴 20 : 출력라인
21 : 제1증폭기 22 : 제2증폭기
23 : 제3증폭기

Claims (4)

  1. IGBT 내에 집적되는 하나 또는 둘 이상의 다이오드와;
    상기 다이오드에 전류가 흐를 때, 다이오드의 양단 전압을 측정하고, 측정된 아날로그 전압값을 디지털 신호로 변환하는 엔코더와;
    상기 엔코더와 절연 가능하게 연결되어, 엔코더로부터의 디지털 신호를 기반으로 다이오드의 양단 전압값을 계측하는 디코더와;
    상기 엔코더의 출력단과 디코더의 입력단 간을 절연 및 신호 전달 가능하게 연결하는 포토 커플러와;
    상기 디코더로부터 보내어진 다이어드의 양단 전압값을 온도로 환산하는 연산을 하는 마이컴;
    을 포함하는 온도 센싱 회로 모듈을 IGBT 모듈에 탑재시킨 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이오드 및 엔코더는 고전압계인 IGBT 쪽에 집적되고, 상기 디코더 및 마이컴은 저전압계로서 IGBT 바깥쪽에 집적되는 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 센싱 회로 모듈이 여러개 존재하는 경우, 각 온도 센싱 회로 모듈의 디코더를 와이어 오어 기법을 이용한 하나의 와이어로 마이컴에 동시 연결시킨 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔코더의 출력단과 포토 커플러의 입력단 사이에는 제1증폭기가 연결되고, 상기 포토 커플러의 출력단과 디코더의 입력단 사이에는 제2증폭기가 연결되며, 상기 디코더의 출력단과 마이컴의 입력단 사이에는 제3증폭기가 연결된 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈의 온도 센싱 회로.
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