KR20150071576A

KR20150071576A - 게이트 전압 감지를 통한 igbt 고장 확인 회로

Info

Publication number: KR20150071576A
Application number: KR1020130158759A
Authority: KR
Inventors: 오필경
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-26
Also published as: KR101769650B1

Abstract

IGBT 모듈에 구비되는 IGBT의 고장 확인 회로에 있어서, IGBT의 게이트 전압을 검출하기 위해 IGBT의 게이트 단자에 연결되는 단락 감지 다이오드; 단락 감지 다이오드와 Vcc 전원 사이에 설치되는 단락 감지 저항; 단락 감지 저항의 양단에 걸리는 전압 차이를 차동 증폭하는 차동 증폭기; 및 차동 증폭기의 출력 신호를 입력받아 기준신호와 비교하여, IGBT에 단락이 발생하는 경우 단락 발생 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로가 제공된다.

Description

게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로{circuit of checking IGBT Module failure through monitoring the gate voltage}

본 발명은 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로에 관한 것으로, 상세하게는 인버터나 컨버터와 같은 다양한 전력 변환 장치에서 사용되고 있는 IGBT 모듈의 단락 시 IGBT의 고장여부를 게이트 전압을 감지함으로써 확인할 수 있는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로에 관한 것이다.

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 전기 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능을 빠르게 수행할 수 있게 만든 고전력 스위칭용 반도체 소자이다.

전기의 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능은 다른 부품이나 회로로도 구현할 수 있지만 정밀한 동작을 필요로 하는 제품일수록 동작속도가 빠르고 전력의 손실이 적은 전용부품을 필요로 하게 된다.

그러나 기존 스위칭반도체인 트랜지스터는 가격이 저렴한 대신 회로구성이 복잡하고 동작속도가 느린 단점이 있고, MOSFET는 저전력이고 속도가 빠른 대신 비싼 단점이 있다. IGBT는 바로 이 두 제품의 장점만을 결합한 제품으로 평가받고 있다. 이에 따라, IGBT는 인버터나 컨버터와 같은 다양한 전력 변환 장치에서 스위칭 소자로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 IGBT의 동작을 모니터링하는 회로를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, IGBT(1a)를 구비하고 있는 IGBT 모듈(1)과, IGBT(1a)의 게이트 단자에는 게이트 저항(4)이 연결되고, IGBT(1a)의 컬렉터 단자에는 IGBT(1a)의 단락 방지를 위해 캐소드 단자가 연결된 과전류 검출 다이오드(5)가 연결된다. 과전류 검출 다이오드(5)의 애노드 전극은 IGBT 드라이버(2)에 연결되며, IGBT 드라이버(2)는 컨트롤러(3)에 연결되어 컨트롤러(3)의 제어를 받아 동작하며, IGBT(1a)의 단락이나 전류 이상으로 인해 과전압이 감지되면 IGBT 모듈(1)을 시스템에서 분리한다.

IGBT(1a)의 단락 방지(Short circuit protection)을 위해 IGBT 드라이버(2)는 IGBT(1a)의 컬렉터(Collector) 전압을 감지하여 기준전압(VDSAT) 이상의 전압이 감지되면 IGBT 드라이버(2)의 출력을 정지시켜 IGBT가 탑재된 모듈이 동작하지 않도록 한다. 또한 IGBT 드라이버(2)와 IGBT(1a)의 컬렉터 사이의 다이오드(5)는 차단전류의 범주를 설정할 수 있는 설계자의 설정에 의한 요소이다.

그러나,, IGBT 드라이버(2)와 IGBT(1a)의 컬렉터 사이의 다이오드 회로(5)를 잘못 설정할 경우, 정상동작 중 IGBT(1a)의 단락 모드 발생시 적정한 차단전류의 범주를 넘어서기 때문에 IGBT(1a)의 고장을 유발한다. 하지만 사용자는 IGBT(1a)의 고장 시 발생되는 IGBT 모듈(1)의 외형손상이나 소음이 없는 경우 고장유무를 바로 인식할 수 없고 IGBT 모듈(1)을 시스템에서 분리하여 점검해야만 고장유무를 알 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, IGBT 모듈의 단락 회로 모드에서 발생할 수 있는 IGBT의 고장여부를 IGBT의 게이트 전압을 감지함으로써 바로 인지하여 2차 사고 위험을 방지할 수 있는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 의하면, IGBT 모듈에 구비되는 IGBT의 고장 확인 회로에 있어서, IGBT의 게이트 전압을 검출하기 위해 IGBT의 게이트 단자에 연결되는 단락 감지 다이오드; 단락 감지 다이오드와 Vcc 전원 사이에 설치되는 단락 감지 저항; 단락 감지 저항의 양단에 걸리는 전압 차이를 차동 증폭하는 차동 증폭기; 및 차동 증폭기의 출력 신호를 입력받아 기준신호와 비교하여, IGBT에 단락이 발생하는 경우 단락 발생 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로가 제공된다.

IGBT 고장 확인 회로는 비교기의 출력 신호를 입력받아 단락 발생 신호의 수신 여부에 따라 IGBT의 단락 여부를 판정하여 IGBT 모듈을 시스템에서 분리시키는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

IGBT 고장 확인 회로는 과전류 검출 다이오드를 통하여 IGBT의 컬렉터 전압을 검출하여 IGBT에 과전류가 검출되는 경우, IGBT에 흐르는 전류를 차단하는 IGBT 드라이버를 더 포함할 수 있다.

컨트롤러는 IGBT 드라이버로부터 IGBT에 대한 과전류 발생 신호가 수신되는 경우, IGBT 드라이버로부터 과전류 발생 신호가 수신된 상태에서 비교기로부터 단락 발생 신호가 수신된 경우, IGBT의 단락에 의한 고장으로 판정하고, IGBT 모듈을 시스템에서 분리할 수 있다.

컨트롤러는 IGBT 드라이버로부터 IGBT에 대한 과전류 발생 신호가 수신되었지만, 비교기로부터 단락 발생 신호가 수신되지 않은 경우, IGBT 모듈이 정상인 것으로 판정할 수 있다.

컨트롤러는, IGBT 모듈이 정상인 것으로 판정되면 과전류 검출 다이오드의 설정 이상 또는 동작 이상을 확인하도록 알람이나 안내 메시지를 출력할 수 있다.

본 발명에 의하면, IGBT 모듈의 단락 회로 모드에서 발생할 수 있는 IGBT의 고장여부를 IGBT의 게이트 전압을 감지함으로써 바로 인지하여 2차 사고 위험을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, IGBT 드라이버에서 IGBT의 컬렉터 전압을 감지하여 과전류 발생신호가 발생하더라도 IGBT의 게이트 전압의 감지에 따른 IGBT의 단락 발생 신호의 수신 여부를 함께 고려하여 IGBT의 단락 또는 과전류 감지 다이로드의 이상 동작 여부를 효과적으로 판단할 수 있다.

도 1은 종래의 IGBT의 동작을 모니터링하는 회로를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로에서 게이트 전압을 상승을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로에서 컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시 예에 제한된다고 할 수 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서 퇴보적인 다른 발명이나, 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀 두고자 한다.

즉, 이하의 설명에 있어서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로(200)는 게이트 전압 인가 저항(210), 과전류 검출 다이오드(220), IGBT 드라이버(230), IGBT 단락 검출 회로(240), 컨트롤러(250)를 포함하여 구성된다.

IGBT 단락 검출 회로(240)는 단락 감지 다이오드(241), 단락 감지 저항(242), 차동 증폭기(243), 비교기(244)를 포함하여 구성된다.

단락 감지 다이오드(241)는 IGBT(100a)의 게이트 전압을 검출하기 위하여 IGBT 모듈(100)에 구비된 IGBT(100a)의 게이트 단자에 연결되어 IGBT(100a)의 게이트 전류를 입력받는다.

단락 감지 저항(242)은 Vcc와 단락 감지 다이오드(241)의 사이에 연결된다.

차동 증폭기(243)는 단락 감지 저항(242)의 양단에서 전압 신호를 입력받아 전압 차이를 차동 증폭을 수행하여 출력한다.

비교기(244)는 차동 증폭기(243)의 출력을 입력받아 기준 전압과 비교하여 단락 여부를 판단하기 위한 단락 감지 신호를 컨트롤러(250)에 출력한다. 비교기(244)의 출력 신호는 LED램프나 보호장치로 보내질 수 있다.

이에 따라, 컨트롤러(250)는 IGBT(100a)의 단락이 발생하면 비교기(244)로부터 단락 감지 신호를 받아 IGBT(100a)가 단락되었음을 인지하고, IGBT 모듈(100)을 시스템으로부터 분리시킨다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로에서 게이트 전압을 상승을 보여주는 그래프이다.

도 3을 참조하면, IGBT(100a)의 단락 발생시에 IGBT(100a)의 고장으로 전류(I_CE)가 급격히 증가하게 되면 IGBT(100)의 게이트 전압(V_GE)도 상승하게 되는 현상을 확인할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로(200)의 동작을 설명하도록 한다.

IGBT(100a)가 정상 동작 하는 경우, 단락 감지 저항(242)의 양단에는 Vcc와 IGBT(100)의 게이트 전압 차이만큼 전압이 걸린다. 이에 따라, 차동 증폭기(243) 및 비교기(244)는 정상 상태 신호를 컨트롤러(250)에 출력한다.

한편, IGBT(100a)에 단락이 발생하면 IGBT(100a)는 도통 상태가 되어 전류는 에미터로 들어와서 컬렉터로 전부 흐르게 된다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 (100)의 게이트 전압이 상승하게 된다. 단락 감지 저항(242)의 양단에는 Vcc와 상승되 게이트 전압의 차이가 걸리게 된다. 이에 따라, Vcc 전압차이는 차동 증폭기(243)에 의해 증폭되어 비교기(244)로 출력되고, 비교기(244)는 단락 감지 신호를 컨트롤러(250)에 출력한다.

이에 따라, 컨트롤러(250)는 IGBT(100a)가 단락되었음을 인지하고, IGBT 모듈(100)을 시스템으로부터 분리시킨다.

한편, 컨트롤러(250)는 IGBT 드라이버(230)가 IGBT(100a)의 컬렉터 전압을 감지하여 IGBT 드라이버(230)로부터 과전류 발생 신호를 전달받을 수 있다. 그러나, IGBT 드라이버(230)로부터 올라온 과전류 발생 신호는 IGBT(100a)의 단락에 의해 실제로 과전류가 발생된 경우도 있을 수 있지만, 과전류 검출 다이오드(220)의 설정 이상 또는 동작 이상에 의해 발생할 수 도 있다. 따라서, 컨트롤러(250)는 IGBT 드라이버(230)로부터 IGBT(100a)에 대한 과전류 발생 신호를 전달받는 경우, 비교기(244)로부터 단락 발생 신호가 수신되었는지 판단하여, 비교기(244)로부터 단락 발생 신호가 수신된 경우에는 IGBT(110a)의 단락에 의한 고장으로 판정하고, IGBT 모듈(100)을 시스템에서 분리한다. 그러나, IGBT 드라이버(230)로부터 IGBT(100a)에 대한 과전류 발생 신호가 수신되었다고 하더라도 비교기(244)로부터 단락 발생 신호가 수신되지 않은 경우에는 IGBT 모듈(100)이 정상인 것으로 판정하고, 과전류 검출 다이오드(220)의 설정 이상 또는 동작 이상을 확인하도록 알람이자 안내 메시지를 출력할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로에서 컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 컨트롤러(250)는 IGBT 드라이버(230)로부터 수신되는 과전류 발생 신호와, 비교기(244)로부터 수신되는 단락 발생 신호를 계속적으로 모니터링한다(S1).

컨트롤러(250)는 IGBT 드라이버(230)로부터 과전류 발생 신호가 수신되었는지를 판단한다(S2).

판단결과, IGBT 드라이버(230)로부터 과전류 발생 신호가 수신된 경우에는, 비교기(244)로부터 단락 발생 신호가 수신되었는지를 판단한다(S3).

S3 단계의 판단 결과, IGBT 드라이버(230)로부터 과전류 발생 신호가 수신된 상태에서 비교기(244)로부터 단락 발생 신호가 수신된 경우, 컨트롤러(250)는 IGBT(110a)의 단락에 의한 고장으로 판정하고, IGBT 모듈(100)을 시스템에서 분리한다.

한편, S3 단계의 판단 결과, IGBT 드라이버(230)로부터 IGBT(100a)에 대한 과전류 발생 신호가 수신되었지만, 비교기(244)로부터 단락 발생 신호가 수신되지 않은 경우에는 IGBT 모듈(100)이 정상인 것으로 판정하고, 과전류 검출 다이오드(220)의 설정 이상 또는 동작 이상을 확인하도록 알람이나 안내 메시지를 출력한다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

IGBT 모듈에 구비되는 IGBT의 고장 확인 회로에 있어서,
상기 IGBT의 게이트 전압을 검출하기 위해 IGBT의 게이트 단자에 연결되는 단락 감지 다이오드;
상기 단락 감지 다이오드와 Vcc 전원 사이에 설치되는 단락 감지 저항;
상기 단락 감지 저항의 양단에 걸리는 전압 차이를 차동 증폭하는 차동 증폭기; 및
상기 차동 증폭기의 출력 신호를 입력받아 기준신호와 비교하여, 상기 IGBT에 단락이 발생하는 경우 단락 발생 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로.
제1 항에 있어서,
상기 비교기의 출력 신호를 입력받아 상기 단락 발생 신호의 수신 여부에 따라 IGBT의 단락 여부를 판정하여 상기 IGBT 모듈을 시스템에서 분리시키는 컨트롤러를 더 포함하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로.
제2 항에 있어서,
과전류 검출 다이오드를 통하여 상기 IGBT의 컬렉터 전압을 검출하여 상기 IGBT에 과전류가 검출되는 경우, 상기 IGBT에 흐르는 전류를 차단하는 IGBT 드라이버를 더 포함하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로.
제3 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 IGBT 드라이버로부터 IGBT에 대한 과전류 발생 신호가 수신되는 경우, 상기 IGBT 드라이버로부터 과전류 발생 신호가 수신된 상태에서 상기 비교기로부터 단락 발생 신호가 수신된 경우, 상기 IGBT의 단락에 의한 고장으로 판정하고, 상기 IGBT 모듈을 상기 시스템에서 분리하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로.
제4 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 IGBT 드라이버로부터 IGBT에 대한 과전류 발생 신호가 수신되었지만, 상기 비교기로부터 단락 발생 신호가 수신되지 않은 경우, 상기 IGBT 모듈이 정상인 것으로 판정하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로.
제5 항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 IGBT 모듈이 정상인 것으로 판정되면 상기 과전류 검출 다이오드의 설정 이상 또는 동작 이상을 확인하도록 알람이나 안내 메시지를 출력하는 게이트 전압 감지를 통한 IGBT 고장 확인 회로.