KR20180003265A

KR20180003265A - 다이오드 온도 감지의 자동 보정이 가능한 ｉｇｂｔ 온도 감지 회로

Info

Publication number: KR20180003265A
Application number: KR1020160082873A
Authority: KR
Inventors: 장지웅; 이기종; 정강호; 장기영; 신상철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-09
Also published as: CN107561428B; CN107561428A; KR101856335B1; US20180003574A1; US10260967B2

Abstract

본 발명은 온도 감지용 다이오드의 소자 특성에 따라 발생할 수 있는 오차를 최소화하고 정밀한 온도 감지와 IGBT의 출력 최대 전류 제한의 완화(최대 전류의 상승)가 가능하도록, 다이오드 온도 감지의 자동 보정을 위한 회로를 갖는, IGBT 온도 감지 회로에 관한 것이다.

Description

다이오드 온도 감지의 자동 보정이 가능한 ＩＧＢＴ 온도 감지 회로{IGBT Temperature Sense Circuit for Calibrating Automatically Diode Temperature}

본 발명은 IGBT 온도 감지 회로에 관한 것으로서, 특히, 친환경 전기 자동차 HEV/EV/FCEV 등에서 모터 3상 AC(Alternating Current) 전류제어 구동을 위해 사용되는 고전압/고전류용 트랜지스터(IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) 파워모듈의 보호를 위한, 다이오드 온도 감지의 자동 보정을 통해 정밀한 온도 감지와 IGBT의 제어가 가능한, IGBT 온도 감지 회로에 관한 것이다.

기존의 온도센서의 경우, IGBT 모듈의 DBC(Direct Bonded Copper) 위에 NTC(negative temperature coefficient) 타입의 온도센서가 놓였다. 이때, DBC 온도는 DBC 바닥면과 맞붙어있는 냉각기(히트 싱크)의 온도와 거의 동일하게 된다. 즉, 실제 발열이 되는 반도체 칩의 정션(junction) 온도를 측정할 필요가 있으나, 위와 같은 냉각기나 그 냉각수 온도를 모니터링하게 되면 오차가 발생한다.

따라서, 최근에는 직접적인 IGBT 반도체 칩의 정션 온도(Junction Temperature)를 감지하기 위하여 IGBT 칩 상에 폴리 실리콘 다이오드(poly-sillicon diode)를 집적화하여 다이오드의 온도-턴온전압 특성을 이용해 IGBT의 온도를 직접 감지하는 방식이 제안되었다. 하지만 실리콘 다이오드는 샘플 간 공차(variation)가 존재하므로 정확한 온도추정이 어렵고 또 샘플마다 발생하는 오차가 매우 크다. 이로 인하여 IGBT의 열모델을 감안하여 최대 출력 산정 시, 최대 전류를 제한할 수 밖에 없으며 이는 전기차/하이브리드 자동차의 모터 최대 출력을 제한한다. 또한, 전류센서 고장 또는 EOL(End Of Life)에서 온도추정이 잘못될 경우 파워모듈의 소손뿐만 아니라 운전자의 안전에 문제를 일으킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 온도 감지용 다이오드의 소자 특성에 따라 발생할 수 있는 오차를 최소화하고 정밀한 온도 감지와 IGBT의 출력 최대 전류 제한의 완화(최대 전류의 상승)가 가능하도록, 다이오드 온도 감지의 자동 보정을 위한 회로를 갖는, IGBT 온도 감지 회로를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 온도 감지 회로는, 다이오드에 전류를 공급하는 전류원의 공급 전류를 자동으로 설정하는 자동 보정부; 및 온도 변화에 따른 상기 다이오드의 전류에 따라 상기 다이오드의 일측 단자 전압을 측정해 보호 대상 디바이스의 동작을 제어하기 위한 다이오드 온도 감지부를 포함한다.

상기 다이오드는, 상기 보호 대상 디바이스로서의 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 칩에 내장된 온도 감지 다이오드이고, 상기 온도 감지 회로는 상기 온도 감지 다이오드를 이용해 상기 IGBT 칩의 온도를 측정함으로써 상기 IGBT 칩의 동작을 제어하기 위한 것을 특징으로 한다. 상기 다이오드는 직렬 또는 병렬 조합의 복수의 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 다이오드의 샘플별 편차가 있는 온도별 상기 다이오드의 턴온 전압 특성에 대해, 상기 자동 보정부에서의 상기 전류원의 공급 전류의 설정으로 상기 다이오드 온도 감지부에서 상기 다이오드의 일측 단자 전압의 측정 시에 상기 다이오드의 샘플별 편차가 조절되어 측정되도록 하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 자동 보정부에 의해, 상기 다이오드의 샘플별로, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 작으면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 높여 설정하고, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 크면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 낮게 설정하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 자동 보정부는, 상기 전류원의 공급 전류가 점차로 증가되면서 상기 다이오드로 해당 전류가 공급되도록 제어하는 제어기; 및 상기 다이오드의 일측 단자 전압과 기준 전압을 비교하여 디지털 판정 전압을 생성하는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 디지털 판정 전압에 따라 상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 자동 보정부는, 상기 기준 전압을 생성하기 위한 밴드 갭 레퍼런스 칩 형태의 기준 전압 생성 회로를 더 포함한다.

상기 자동 보정부는, 상기 제어기와 상기 비교기 사이에 연결된 D-플립플롭을 더 포함하고, 상기 D-플립플롭은, D단자 입력으로 DC 전압을 받고, 클럭 신호 단자 입력으로 상기 디지털 판정 전압을 받아, Q단자의 출력을 상기 제어기로 출력한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 온도 감지 회로의 동작 방법은, 다이오드에 전류를 공급하는 전류원의 공급 전류를 자동으로 설정하는 단계; 및 온도 변화에 따른 상기 다이오드의 전류에 따라 상기 다이오드의 일측 단자 전압을 측정해 보호 대상 디바이스의 동작을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 다이오드는, 상기 보호 대상 디바이스로서의 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 칩에 내장된 온도 감지 다이오드이고, 상기 온도 감지 회로의 동작 방법은 상기 온도 감지 다이오드를 이용해 상기 IGBT 칩의 온도를 측정함으로써 상기 IGBT 칩의 동작을 제어하기 위한 것을 특징으로 한다. 상기 다이오드는 직렬 또는 병렬 조합의 복수의 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 다이오드의 샘플별 편차가 있는 온도별 상기 다이오드의 턴온 전압 특성에 대해, 상기 전류원의 공급 전류의 설정 후 상기 다이오드의 일측 단자 전압의 측정 시에 상기 다이오드의 샘플별 편차가 조절되어 측정되도록 하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 다이오드의 샘플별로, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 작으면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 높여 설정하고, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 크면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 낮게 설정하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 전류원의 공급 전류를 자동으로 설정하는 단계는, 상기 전류원의 공급 전류가 점차로 증가되면서 상기 다이오드로 공급되도록 제어하는 단계; 상기 다이오드의 일측 단자 전압과 기준 전압을 비교하여 디지털 판정 전압을 생성하는 단계; 및 상기 디지털 판정 전압에 따라 상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 단계를 포함한다.

상기 기준 전압은 밴드 갭 레퍼런스 칩 형태의 기준 전압 생성 회로를 이용하여 생성될 수 있다.

상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 단계에서, 상기 디지털 판정 전압을 D-플립플롭의 클럭 신호 단자 입력으로 받으며, 상기 D-플립플롭의 D단자 입력으로 DC 전압을 받고 있는 상기 D-플립플롭의 Q단자의 출력에 따라 상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 IGBT 온도 감지 회로에 따르면, IGBT 칩 상에 형성한 온도 감지용 다이오드를 이용한 온도 감지에 있어서, 온도 감지용 다이오드의 소자 특성에 따라 발생할 수 있는 샘플별 편차를 최소화하여 정밀한 온도 감지가 가능하도록 함으로써, IGBT의 출력 최대 전류 제한의 완화(최대 전류의 상승)가 가능하다.

이에 따라 HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등 전기차의 모터 구동 인버터 등에 적용시, IGBT 파워모듈의 안정적인 과온 보호를 통하여 파워모듈의 열 파괴를 방지함으로써 사용자의 안전성과 운전자의 편리성에 긍정적으로 작용할 수 있다.

또한, 전기차의 모터 구동 인버터 등에 적용시, 모터의 최대 출력 전류 범위를 확대함으로써 모터 최대 출력을 증가시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 온도별 다이오드의 턴온 전압 특성에 대한 그래프이다.
도 2는 일반적인 IGBT 온도 감지 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 온도 감지 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 온도 감지 회로의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 4는 온도 감지 다이오드의 샘플별 편차가 있는 온도별 온도 감지 다이오드의 턴온 전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용하기 전의 IGBT의 온도 감지 다이오드의 실제 온도와 측정/계산 온도의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5b는 도 5a의 결과에 기초한 차량 모터 구동의 동작 범위를 나타낸 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용한 후의 IGBT의 온도 감지 다이오드의 실제 온도와 측정/계산 온도의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5d는 도 5c의 결과에 기초한 차량 모터 구동의 동작 범위를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

먼저, IGBT 온도 감지 방식에 대한 일반적인 방법을 좀 더 설명한다.

도 1은 일반적인 온도별 다이오드의 턴온 전압 특성에 대한 그래프이다.

도 1과 같이, IGBT 칩에 내장될 수 있는 온도 감지 다이오드(DD)의 턴온 전압(V-F)은 IGBT의 정션온도(Tj, Junction-Temperature)와 반비례 관계를 갖는다. 따라서 온도가 변화함에 따른 온도 감지 다이오드(DD)의 턴온 전압(V-F)을 모니터링 함으로써 IGBT의 정션온도(Tj)를 추정할 수 있다.

도 2는 일반적인 IGBT 온도 감지 회로를 설명하기 위한 도면이다.

도 2와 같이, IGBT 칩에 온도 감지 다이오드(DD)가 내장된 경우, 외부의 전류원(I-F)와 비교기의 출력(FLT_TEMP) 등을 이용해, IGBT 칩의 과온 보호가 가능하다. 온도 감지 다이오드(DD)는 회로에 내장된 정전류원(I-F)에 의하여 턴온되어 턴온 전압(V-F)가 결정된다. 온도에 따른 턴온 전압(V-F) 값은 비교기의 (+) 입력단에 인가된다. 또한, 비교기의 (-) 입력단에는 DC 전압(Vdc)이 입력된다. DC 전압(Vdc)의 크기는 IGBT의 과온 보호 레벨에 따라 적절히 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 DC 전압(Vdc)의 크기가 약 2.2V로 인가되면, Tj가 상온일 경우 V-F값은 약 2.7V이므로 과온 보호 레벨 보다 높기 때문에 FLT_TEMP는 로지컬 하이(high)를 출력한다. Tj가 150도 이상으로 올라갈 때 V-F는 2.2V 이하가 되며, DC 전압(Vdc) 2.2V와 비교하여 낮은 전압을 갖게 되면 FLT_TEMP 값은 로지컬 로우(low)를 출력한다. FLT_TEMP 신호는 Mi-COM(Micro-Computer) 등 제어기에서 모니터링되고, 이에 따라 IGBT의 출력 전류를 제한하거나 IGBT를 턴-오프 시킴으로써 파워모듈이 열 파괴되는 것으로부터 보호할 수 있다.

하지만 실리콘 다이오드는 샘플 간 공차(variation)가 존재하므로 정확한 온도추정이 어렵고 또 샘플마다 발생하는 오차가 매우 크다. 이로 인하여 IGBT의 열모델을 감안하여 최대 출력 산정 시, 최대 전류를 제한할 수 밖에 없으며 이는 전기차/하이브리드 자동차의 모터 최대 출력을 제한한다. 또한, 전류센서 고장 또는 EOL(End Of Life)에서 온도추정이 잘못될 경우 파워모듈의 소손뿐만 아니라 운전자의 안전에 문제를 일으킬 수 있다.

이하, 이와 같은 문제를 해결하여, 친환경 전기 자동차 HEV/EV/FCEV 등에서 모터 3상 AC(Alternating Current) 전류제어 구동을 위해 사용되는 고전압/고전류용 트랜지스터(IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor)가 적용되는 파워모듈의 보호를 위한, 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로에 대하여 설명한다.

본 발명의 IGBT 온도 감지 회로는 IGBT 칩에 내장된 온도 감지 다이오드(DD)의 온도 감지에 대한 자동 보정을 통해 정밀한 온도 감지와 IGBT의 제어가 가능하도록 고안되었다. 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로는 온도 감지용 다이오드(DD)의 소자 특성에 따라 발생할 수 있는 오차를 최소화하고 정밀한 온도 감지와 IGBT의 출력 최대 전류 제한의 완화(최대 전류의 상승)가 가능하도록, 다이오드 온도 감지의 자동 보정을 위한 회로를 갖는다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 온도 감지 회로를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 온도 감지 회로는, IGBT 온도 감지 다이오드(DD)에 전류를 공급하는 전류원(I-F)의 공급 전류를 자동으로 설정하는 자동 보정부(110), 및 온도 변화에 따른 IGBT 온도 감지 다이오드(DD)의 전류에 따라 다이오드(DD)의 일측 단자 전압을 측정해 보호 대상 디바이스, 즉, IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 칩(10)의 동작을 제어하기 위한 다이오드 온도 감지부(120)를 포함한다. IGBT 칩(10)은 복수의 IGBT 소자(T1, T2)를 포함하는 소자 그룹 형태로 구현될 수 있다.

본 발명의 IGBT 온도 감지 회로에서 온도 감지 다이오드(DD)를 이용해 IGBT 칩(10)의 온도를 측정함으로써 IGBT 칩(10)의 동작(예, 턴온/턴오프, 출력 전류의 조절 등)을 제어할 수 있도록 한다. 특히, IGBT 칩(10)의 구동 범위를 넓혀서 출력 최대 전류 제한의 완화(최대 전류의 상승)가 가능하도록 하였다.

여기서, 온도 감지 다이오드(DD)는, IGBT 칩(10)에 내장된 온도 감지 다이오드이고, 온도 감지 다이오드(DD)는 직렬 또는 병렬 조합의 복수의 다이오드를 포함할수 있다. 온도 감지 다이오드(DD)는 제조 과정의 환경에 따라 샘플마다 온도별 다이오드의 턴온 전압 특성이 다르게 나타날 수 있다.

이에 따라 본 발명에서는 온도 감지 다이오드(DD)의 샘플별 편차(offset)가 있는 온도별 상기 다이오드(DD)의 턴온 전압 특성(또는 다이오드의 온도-턴온전압 특성)에 대해(도 4 참조), 자동 보정부(110)에서 전류원(I-F)의 공급 전류의 설정으로 다이오드 온도 감지부(120)에서 온도 감지 다이오드(DD)의 일측 단자(예, 전류원(I-F)와 온도 감지 다이오드(DD)의 접점) 전압의 측정 시에 온도 감지 다이오드(DD)의 샘플별 편차가 조절되어 측정되도록 하였다.

예를 들어, 자동 보정부(110)에 의해, 온도 감지 다이오드(DD)의 샘플별로, 소정의 온도에서 온도 감지 다이오드(DD)의 턴온 전압이 기준값 보다 작으면 공급 전류를 기준 전류보다 높여 설정하고, 소정의 온도에서 온도 감지 다이오드(DD)의 턴온 전압이 기준값 보다 크면 공급 전류를 기준 전류보다 낮게 설정하여, 다이오드 온도 감지부(120)의 다이오드(DD) 측정 시에 측정 전압의 편차(offset)가 0(제로)(또는 샘플별 온도/구동전류의 편차가 제로)가 되도록 할 수 있다.

자동 보정부(110)는, 제1제어기(111), 스위치(S1), 비교기(C_1), 기준전압 생성회로(112), D-플립플롭(113)을 포함한다.

제1제어기(111)는 초기에 전류원(I-F)의 공급 전류(i)가 점차로 증가되면서 다이오드(DD)로 해당 전류(i)가 공급되도록 제어한다.

비교기(C_1)는 다이오드(DD)의 일측 단자 전압과 기준 전압을 비교하여 디지털 판정 전압(예, 로지컬 하이/로우)을 생성한다.

제1제어기(111)의 제어를 받는 스위치(S1)는 전류원(I-F)의 공급 전류가 고정될 때까지 온도 감지 다이오드(DD)의 일측 단자(예, 전류원(I-F)와 온도 감지 다이오드(DD)의 접점)을 비교기(C_1)의 (+) 입력 단자로 연결시킨다.

밴드 갭 레퍼런스 칩 형태의 기준전압 생성회로(112)는 상기 기준 전압을 생성하여 비교기(C_1)의 (-) 입력 단자로 인가한다.

제1제어기(111)는 비교기(C_1)에서 출력되는 상기 디지털 판정 전압에 따라 전류원(I-F)의 공급 전류의 고정 여부를 결정한다. 즉, 전류원(I-F)의 공급 전류(i)가 상승하여 비교기(C_1)의 (+) 입력 단자에 인가된 전압이 기준전압 생성회로(112)에서 출력되는 기준 전압 보다 커지면, 비교기(C_1)의 출력은 로지컬 로우에서 로지컬 하이로 변하고, 이에 따라 그 이후부터 제1제어기(111)는 해당 전류원(I-F)의 공급 전류(i)를 고정시키고, 스위치(S1)을 턴오프시켜 개방시킨다.

이를 위하여, 제1제어기(111)와 비교기(C_1) 사이에 D-플립플롭(113)이 결합된다. 즉, D-플립플롭(113)은 D단자 입력으로 DC(Direct Current) 전압(V_H)을 받고, 클럭(CLK) 신호 단자 입력으로 비교기(C_1)의 디지털 판정 전압을 받아, Q단자의 출력을 제1제어기(111)로 출력할 수 있다.

다이오드 온도 감지부(120)는, (+) 단자로 입력되는 온도 감지 다이오드(DD)의 일측 단자의 전압과 (-) 단자로 입력되는 DC 전압(Vdc)을 비교하여 디지털 비교 결과(FLT_TEMP)를 출력하는 제2비교기(C_2), 및 디지털 비교 결과(FLT_TEMP)에 따라 IGBT 칩(10)의 동작(예, 턴온/턴오프, 출력 전류의 조절 등)을 제어하는 제2제어기(121)를 포함한다.

이하, 도 3b의 흐름도를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 온도 감지 회로의 동작을 좀 더 자세히 설명한다.

먼저, IGBT 온도 감지 회로에 전원이 공급되면, 제1제어기(111)는 다이오드(DD)로 전류원(I-F)의 전류(i)를 공급하기 시작하며 점점 증가시킨다(310). 제1제어기(111)는 점차로 증가된 전류원(I-F)의 공급 전류(i)를 다이오드(DD)로 흐르도록 제어하면서, 스위치(S1)를 턴온시켜 다이오드(DD)의 일측 단자 전압(V-F)을 비교기(C_1)의 (+) 단자로 인가시킨다.

밴드 갭 레퍼런스(Band-Gap Reference) 칩 형태의 기준전압 생성회로(112)는 기준 전압을 생성하여 비교기(C_1)의 (-) 입력 단자로 인가한다. 비교기(C_1)는 다이오드(DD)의 일측 단자 전압(V-F)과 기준 전압을 비교하여 디지털 판정 전압(예, 로지컬 하이/로우)을 생성한다(320). 비교기(C_1)의 출력의 초기 상태는 로지컬 로우이다. 밴드 갭 레퍼런스는 주위 온도, 제조 공정 환경 등의 편차와 무관하게 일정한 전압을 출력하기 위한 아날로그 회로 블록이다. 밴드 갭 레퍼런스는 상온에서 이상적인 소정의 전압(예, 다이오드(DD)의 턴온 전압(V-F))을 출력하도록 설계된다.

공급 전류(i)가 증가할수록, 다이오드의 전압-전류 특성 상 다이오드(DD)의 일측 단자 전압(V-F)이 점차적으로 증가하므로, 다이오드(DD)의 전압(V-F)이 기준전압 생성회로(112)의 기준 전압에 다다르게 되면, 비교기(C_1)의 출력이 로지컬 하이로 바뀐다(330).

비교기(C_1)의 출력이 로지컬 하이로 바뀌면, D-플립플롭(113)의 클럭(CLK) 신호 단자 입력이 로지컬 하이로 트리거되면서, D-플립플롭(113)의 출력(Q)은 DC 전압(V_H)을 출력하여 제1제어기(111)로 출력할 수 있다. DC 전압(V_H)을 받은 제1제어기(111)는 이후 공급 전류(i)의 증가를 멈추고 그때의 해당 전류로 고정시키며, 스위치(S1)을 턴오프시켜 개방시킨다.

이후 고정된 공급 전류(i)의 상태에서, 다이오드 온도 감지부(120)에서, 제2비교기(C_2)는 (+) 단자로 입력되는 온도 감지 다이오드(DD)의 일측 단자의 전압과 (-) 단자로 입력되는 DC 전압(Vdc)을 비교하여 디지털 비교 결과(FLT_TEMP)를 출력하며, 제2제어기(121)는 디지털 비교 결과(FLT_TEMP)에 따라 IGBT 칩(10)의 동작(예, 턴온/턴오프, 출력 전류의 조절 등)을 제어한다(340).

본 발명에서, 도 4와 같이, 온도 감지 다이오드(DD)의 샘플별 편차(offset)가 있는 온도별 상기 다이오드의 턴온 전압 특성에 대해, 자동 보정부(110)에서 전류원(I-F)의 공급 전류의 설정으로 다이오드 온도 감지부(120)에서 온도 감지 다이오드(DD)의 일측 단자(예, 전류원(I-F)와 온도 감지 다이오드(DD)의 접점) 전압의 측정 시에 온도 감지 다이오드(DD)의 샘플별 편차가 조절되어 측정되도록 할 수 있다.

예를 들어, 자동 보정부(110)에 의해, 온도 감지 다이오드(DD)의 샘플별로, 소정의 온도에서 온도 감지 다이오드(DD)의 턴온 전압이 기준값 보다 작으면(도 4의 410 참조) 공급 전류(i)를 기준 전류보다 높여 설정하고, 소정의 온도에서 온도 감지 다이오드(DD)의 턴온 전압이 기준값 보다 크면(도 4의 430 참조) 공급 전류(i)를 기준 전류보다 낮게 설정하여, 다이오드 온도 감지부(120)의 다이오드(DD) 측정 시에 측정 전압의 편차(offset)가 0(제로)(또는 샘플별 온도/구동전류의 편차가 제로)가 되도록 할 수 있다. 즉, 편차가 있는 다이오드들의 특성(410, 430)이 도 4의 420과 같이 기준 특성(420)으로 수렴하도록 제어할 수 있다.

위의 밴드 갭 레퍼런스(Band-Gap Reference)에 대하여, 좀 더 설명하면 다음과 같다.

밴드 갭 레퍼런스는 통상적으로 CTAT (complementary-to-absolute-temperature)라 불리는 PVT (Process-Voltage-Temperature) 공차에 독립적(independent)인 기준 전압을 생성하기 위한 회로이다. 일반적으로 IC(integerated-circuit)에서 기준 전압을 생성하기 위하여 사용되며, 어플리케이션에 따라 잡음(noise), 주파수(frequency), 동작 전압 등의 요구 조건이 다르므로 구성이 조금씩 다를 수 있다. 본 발명에서의 밴드 갭 레퍼런스는 온도나 공정의 영향도에 독립적인 일정한 기준 전압(예, DC 전압)을 생성하는 모든 회로를 의미할 수 있다. 본 발명에서의 밴드 갭 레퍼런스는 IC 형태일 수 있고, 이외에도 소정의 회로 보드의 마이컴과 같은 형태의 제1제어기(111) 내에 구현된 회로일 수도 있다.

도 5a는 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용하기 전의 IGBT의 온도 감지 다이오드의 실제 온도와 측정/계산 온도의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 5b는 도 5a의 결과에 기초한 차량 모터 구동의 동작 범위를 나타낸 그래프이다.

도 5a와 같이, 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용 전에는, 여러 샘플 IGBT1~IGBT6에서, 온도 감지 다이오드의 실제 온도(530)와 측정/계산 온도(540)의 편차가 큰 것을 볼 수 있다.

이에 따라, 도 5b와 같이, 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용 전에는, 규격 상의 최대 온도(510)와 예상 온도(520) 보다 밑에서 온도 감지 다이오드가 실제로 동작해 해당 온도(530)를 나타내며 그로부터 마진을 두어 측정온도(540)를 나타내도록 모터 드리이브(Motor Drive) 동작 영역을 설정하므로, 친환경 전기 자동차 HEV/EV/FCEV 등에서 모터 3상 AC(Alternating Current) 전류제어 구동을 위해 IGBT가 사용되는 경우 모터 드리이브 동작 영역이 매우 작은 것을 알 수 있다.

도 5c는 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용한 후의 IGBT의 온도 감지 다이오드의 실제 온도와 측정/계산 온도의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 5d는 도 5c의 결과에 기초한 차량 모터 구동의 동작 범위를 나타낸 그래프이다.

도 5c와 같이, IGBT 파워 모듈에 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용한 후에는, 여러 샘플 IGBT1~IGBT6에서, 온도 감지 다이오드의 실제 온도(530)와 측정/계산 온도(540)의 편차가 작은 것을 볼 수 있다.

이에 따라, 도 5d와 같이, IGBT 파워 모듈에 본 발명의 IGBT 온도 감지 회로를 적용한 후에는, 규격 상의 최대 온도(510)와 예상 온도(520) 보다 큰 차이 없이 온도 감지 다이오드가 실제로 동작해 해당 온도(531)를 나타내며 그로부터 최소한의 마진을 두어 측정온도(541)를 나타내도록 모터 드리이브(Motor Drive) 동작 영역을 설정하면, 친환경 전기 자동차 HEV/EV/FCEV 등에서 모터 3상 AC(Alternating Current) 전류제어 구동을 위해 IGBT가 사용되는 경우 모터 드리이브 동작 영역을 크게 확보할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 IGBT 온도 감지 회로에서는, IGBT 칩(10) 상에 형성한 온도 감지용 다이오드(DD)를 이용한 온도 감지에 있어서, 온도 감지용 다이오드(DD)의 소자 특성에 따라 발생할 수 있는 샘플별 편차를 최소화하여 정밀한 온도 감지가 가능하도록 함으로써, IGBT의 출력 최대 전류 제한의 완화(최대 전류의 상승)가 가능하다. 이에 따라 HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등 전기차의 모터 구동 인버터 등에 적용시, IGBT가 적용되는 파워모듈의 안정적인 과온 보호를 통하여 파워모듈의 열 파괴를 방지함으로써 사용자의 안전성과 운전자의 편리성에 긍정적으로 작용할 수 있다. 또한, 전기차의 모터 구동 인버터 등에 적용시, 모터의 최대 출력 전류 범위를 확대함으로써 모터 최대 출력을 증가시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

온도 감지 다이오드(DD)
자동 보정부(110)
다이오드 온도 감지부(120)
제1제어기(111)
스위치(S1)
비교기(C_1)
기준전압 생성회로(112)
D-플립플롭(113)
제2비교기(C_2)
제2제어기(121)

Claims

다이오드에 전류를 공급하는 전류원의 공급 전류를 자동으로 설정하는 자동 보정부; 및
온도 변화에 따른 상기 다이오드의 전류에 따라 상기 다이오드의 일측 단자 전압을 측정해 보호 대상 디바이스의 동작을 제어하기 위한 다이오드 온도 감지부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제1항에 있어서,
상기 다이오드는,
상기 보호 대상 디바이스로서의 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 칩에 내장된 온도 감지 다이오드이고, 상기 온도 감지 회로는 상기 온도 감지 다이오드를 이용해 상기 IGBT 칩의 온도를 측정함으로써 상기 IGBT 칩의 동작을 제어하기 위한 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제1항에 있어서,
상기 다이오드의 샘플별 편차가 있는 온도별 상기 다이오드의 턴온 전압 특성에 대해,
상기 자동 보정부에서의 상기 전류원의 공급 전류의 설정으로 상기 다이오드 온도 감지부에서 상기 다이오드의 일측 단자 전압의 측정 시에 상기 다이오드의 샘플별 편차가 조절되어 측정되도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제1항에 있어서,
상기 자동 보정부에 의해, 상기 다이오드의 샘플별로, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 작으면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 높여 설정하고, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 크면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 낮게 설정하기 위한 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제1항에 있어서,
상기 자동 보정부는,
상기 전류원의 공급 전류가 점차로 증가되면서 상기 다이오드로 해당 전류가 공급되도록 제어하는 제어기; 및
상기 다이오드의 일측 단자 전압과 기준 전압을 비교하여 디지털 판정 전압을 생성하는 비교기를 포함하고,
상기 제어기는 상기 디지털 판정 전압에 따라 상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제5항에 있어서,
상기 자동 보정부는,
상기 기준 전압을 생성하기 위한 밴드 갭 레퍼런스 칩 형태의 기준 전압 생성 회로
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제5항에 있어서,
상기 자동 보정부는,
상기 제어기와 상기 비교기 사이에 연결된 D-플립플롭을 더 포함하고,
상기 D-플립플롭은, D단자 입력으로 DC 전압을 받고, 클럭 신호 단자 입력으로 상기 디지털 판정 전압을 받아, Q단자의 출력을 상기 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
제1항에 있어서,
상기 다이오드는 직렬 또는 병렬 조합의 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로.
다이오드에 전류를 공급하는 전류원의 공급 전류를 자동으로 설정하는 단계; 및
온도 변화에 따른 상기 다이오드의 전류에 따라 상기 다이오드의 일측 단자 전압을 측정해 보호 대상 디바이스의 동작을 제어하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제9항에 있어서,
상기 다이오드는,
상기 보호 대상 디바이스로서의 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 칩에 내장된 온도 감지 다이오드이고, 상기 온도 감지 회로의 동작 방법은 상기 온도 감지 다이오드를 이용해 상기 IGBT 칩의 온도를 측정함으로써 상기 IGBT 칩의 동작을 제어하기 위한 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제9항에 있어서,
상기 다이오드의 샘플별 편차가 있는 온도별 상기 다이오드의 턴온 전압 특성에 대해,
상기 전류원의 공급 전류의 설정 후 상기 다이오드의 일측 단자 전압의 측정 시에 상기 다이오드의 샘플별 편차가 조절되어 측정되도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제9항에 있어서,
상기 다이오드의 샘플별로, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 작으면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 높여 설정하고, 소정의 온도에서 상기 다이오드의 턴온 전압이 기준값 보다 크면 상기 공급 전류를 기준 전류보다 낮게 설정하기 위한 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제9항에 있어서,
상기 전류원의 공급 전류를 자동으로 설정하는 단계는,
상기 전류원의 공급 전류가 점차로 증가되면서 상기 다이오드로 공급되도록 제어하는 단계;
상기 다이오드의 일측 단자 전압과 기준 전압을 비교하여 디지털 판정 전압을 생성하는 단계; 및
상기 디지털 판정 전압에 따라 상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제13항에 있어서,
상기 기준 전압은 밴드 갭 레퍼런스 칩 형태의 기준 전압 생성 회로를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제13항에 있어서,
상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 단계에서,
상기 디지털 판정 전압을 D-플립플롭의 클럭 신호 단자 입력으로 받으며, 상기 D-플립플롭의 D단자 입력으로 DC 전압을 받고 있는 상기 D-플립플롭의 Q단자의 출력에 따라 상기 전류원의 공급 전류의 고정 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.
제9항에 있어서,
상기 다이오드는 직렬 또는 병렬 조합의 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 회로의 동작 방법.