KR20180038260A - 전력 반도체 소자 보호 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 반도체 소자의 온도를 측정하여 온도 변화율을 산출하고, 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하여 온도 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 크면 전력 반도체 소자의 동작을 중지시키는 전력 반도체 소자 보호 장치 및 방법이 개시된다.
개시된 전력 반도체 소자 보호 장치는, 전력 반도체 소자의 온도를 측정하는 온도 측정 센서와, 상기 전력 반도체 소자의 온도를 통해 온도 변화율을 산출하여 상기 온도 변화율을 온도 변화율의 임계값과 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는 제어부를 포함한다.

Description

전력 반도체 소자 보호 장치 및 방법{The power semiconductor device protection apparatus and method}

본 발명은 전력 반도체 소자의 온도 변화율을 산출하여 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자의 동작을 정지시켜 보호할 수 있도록 하는 전력 반도체 소자 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력 반도체 소자는 모터의 제어 혹은 인버터 등의 각종 스위칭 소자로서 널리 활용되고 있다. 구체적으로, 전력 반도체 소자는 전력 장치에 사용되는 반도체 소자를 의미하는 것으로서, 전력의 변환이나 제어에 최적화되어 있는 전력 장치의 핵심이다. 전력 반도체 소자는 일반적인 반도체 소자에 비하여 고 내압화, 대 전류화, 고 주파수화 된 것을 특징으로 한다. 대표적인 전력 반도체 소자의 종류는 MOSFET, IGBT, BJT, 사이리스터 등이 있다.

전력 반도체 소자는 동작 중에 큰 전류를 통과하면서 많은 열을 발생하게 된다. 이렇게 발생한 열은 반도체의 접합부 온도를 과다하게 상승시켜 전력 반도체 소자가 파괴되고 나아가 전력 반도체 소자를 주요 부품으로 한 시스템을 파괴시킬 수 있다. 따라서, 고온으로 인해 전력 반도체 소자가 파괴되지 않도록 전력 반도체 소자를 보호하는 기술이 필요하다.

본 발명은 앞에서 설명한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력 반도체 소자의 온도를 측정하여 온도 변화율을 산출하고, 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하여 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자의 동작을 중지시키는, 전력 반도체 소자 보호 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위에서 언급된 본 발명의 기술적 과제 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

앞에서 설명한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전력 반도체 소자 보호 장치는, 전력 반도체 소자의 온도를 측정하는 온도 측정 센서와, 전력 반도체 소자의 온도 변화율의 임계값을 저장하고 있는 저장부와, 전력 반도체 소자의 온도를 통해 온도 변화율을 산출하여 온도 변화율을 온도 변화율의 임계값과 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는 제어부를 포함한다.

여기서, 온도 측정 센서는, 전력 반도체 소자의 온도를 일정한 시간 간격으로 측정한다.

또한, 제어부는, 전력 반도체 소자의 현재 측정한 온도를 제1 온도로 설정하고, 전력 반도체 소자에 대해 일정한 시간 후에 측정한 온도를 제2 온도로 설정하여 제1 온도와 제2 온도의 변화율을 산출한다.

또한, 제어부는, 제1 온도와 제2 온도의 변화율을 온도 변화율의 임계값과 비교하여 온도의 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 크면 전력 반도체 소자의 동작을 정지시킨다.

또한, 전력 반도체 소자의 실제 온도와 제1 온도 및 제2 온도 간의 오차를 보상한다.

또한, 제어부는, 제1 온도 및 제2 온도가 SOA(Safe Operating Area) 이상이면, 전력 반도체 소자의 동작을 정지시킨다.

한편, 앞에서 설명한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 반도체 소자 보호 방법은, (a)온도 측정 센서에서 전력 반도체 소자의 온도를 측정하는 단계; (b)제어부에서 측정한 온도에 대한 온도 변화율을 산출하여 온도 변화율의 임계값과 비교하는 단계; (c) 제어부에서 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 전력 반도체 소자의 온도 변화율을 산출하여 고온에서 전력 반도체 소자를 보호할 수 있다.

또한, 실제 전력 반도체 소자의 온도와 온도 측정 센서가 측정한 온도 사이의 지연에 따른 오차를 보상할 수 있다.

또한, 전력 반도체 소자의 온도 변화율을 이용하므로 빠른 응답성을 가져 전력 반도체 소자가 임계값 이상의 온도에서 동작하는 것을 방지할 수 있다.

이 밖에도, 본 발명의 실시 예들을 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 새롭게 파악될 수도 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 반도체 소자 보호 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 전력 반도체 소자 보호 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 실제 전력 반도체 소자의 온도와 온도 측정 센서를 통해 측정한 온도의 오차를 나타내는 도면이다.
도 4는 온도의 변화율을 이용한 전력 반도체 소자 보호 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 반도체 소자 보호 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 반도체 소자 보호 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 반도체 소자 보호 장치(100)는 전력 반도체 소자(110), 온도 측정 센서(120), 제어부(130), 및 저장부(140)를 포함한다.

전력 반도체 소자(110)는 전기 에너지를 활용하기 위해 직류를 교류로 변환하거나, 교류를 직류로 변환하는 전력변환, 전력 안정, 전력 분배 및 전력 제어 기능 등을 수행하는 반도체 소자이다. 또한, 전력 반도체 소자(110)는 전력의 전달 및 제어 과정에서 에너지 효율을 향상시키고, 전압의 변화를 제어하여 시스템의 안정성 및 신뢰성을 제공한다. 그리고, 전력 반도체 소자(110)는 사이리스터, 다이오드, BJT, IGBT, MOSFET 등을 포함한다.

온도 측정 센서(120)는 전력 반도체 소자(110)의 온도를 일정한 시간 간격으로 측정한다. 여기서, 온도 측정 센서(110)는 서미스터, IC 온도센서, 자기온도센서, 열전대 온도센서 등을 포함한다. 또한, 일정한 시간 간격은 전력 반도체 소자(110)의 인터럽트 주기일 수 있다.

도 2는 일반적인 전력 반도체 소자 보호 방법을 나타내는 도면이고, 도 3은 실제 전력 반도체 소자의 온도와 온도 측정 센서를 통해 측정한 온도의 오차를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 온도 측정 센서(120)는 전력 반도체 소자(110)의 온도를 측정한다. 이 때. 온도 측정 센서(120)는 거리 및 물질 특성에 따른 열저항에 의하여 실제 전력 반도체 소자(110)의 온도보다 지연된 값을 측정한다.

여기서, 본 발명은, 전력 반도체 소자(110)의 온도 변화율을 이용함으로써, 온도 측정 센서(120)에서 출력한 온도와 전력 반도체 소자(110)의 실제 온도 간의 오차를 줄일 수 있다. 구체적으로, 온도 측정 센서(120)는 전력 반도체 소자(110)의 실제 온도보다 지연된 값을 출력한다. 따라서, 전력 반도체 소자(110)의 온도가 급격하게 변화할 경우, 지연된 값으로는 전력 반도체 소자(110)의 고장을 방지할 수 없다. 따라서, 본 발명은, 온도 측정 센서(120)가 지연된 값을 출력하더라도 전력 반도체 소자(110)의 온도의 변화율을 이용하므로, 온도가 급격하게 변화할 경우, 변화율을 통해 전력 반도체 소자(110)의 동작을 정지시킴으로써, 전력 반도체 소자(110)의 고장을 방지할 수 있다.

이어, 전력 반도체 소자(110)의 온도가 일정하게 정해진 값 이상으로 증가하면 전력 반도체 소자(110)는 반도체 특성을 잃고, 도체로 동작하게 된다. 여기서, 일정하게 정해진 값은 임계값을 나타내고, 임계값은 전력 반도체 소자(110)가 고온으로 인한 고장이 발생하지 않는 최고 온도를 나타낸다.

그러나 온도 측정 센서(120)에서 출력한 전력 반도체 소자(110)의 온도가 임계값을 넘는 경우에, 전력 반도체 소자(110)의 동작을 중지해도 온도 측정 센서(120)에서 출력한 전력 반도체 소자(110)의 온도가 실제 전력 반도체 소자(110)의 온도보다 지연된 값이므로 전력 반도체 소자(110)는 고온에 의해 고장이 발생한다.

이때, 저장부(140)는 전력 반도체 소자의 온도 변화율의 임계값을 저장하고 있다. 여기서, 온도 변화율의 임계값은 전력 반도체 소자(110)의 온도가 변화해도 전력 반도체 소자(110)의 고장이 발생하지 않는 최고 온도 변화율 값을 나타낸다.

이어, 제어부(130)는 온도 측정 센서(120)의 지연으로 인한 전력 반도체 소자(110)의 고장을 방지하기 위해 전력 반도체 소자(110)의 온도를 통해 온도 변화율을 산출하여 온도 변화율을 온도 변화율의 임계값과 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자(110)의 동작을 정지시킨다.

구체적으로, 제어부(130)는 일정한 시간 간격으로 출력한 전력 반도체 소자(110)의 온도를 통해 온도 변화율을 산출한다. 즉, 제어부(130)는 현재 전력 반도체 소자(110)의 온도를 제1 온도값으로 설정하고, 일정한 시간 후에 전력 반도체 소자(110)의 온도를 제2 온도값으로 설정한다. 제어부(130)는 일정한 시간 간격에 따른 제1 온도값과 제2 온도값의 차이를 통해 온도 변화율을 산출한다.

따라서, 온도 변화율은 제1 온도값과 제2 온도값의 차이를 시간 간격으로 나누어 산출할 수 있다. 제어부(130)는 온도 변화율을 통해 전력 반도체 소자(110)의 급격한 온도 변화를 판단할 수 있다.

이어, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교한다. 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교한 결과, 온도 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 작은 경우, 다시 온도 변화율을 산출하고, 온도 변화율의 임계값과 비교하는 과정을 반복한다.

한편, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교한 결과, 온도 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 큰 경우, 전력 반도체 소자(110)의 동작을 중지하여 전력 반도체 소자(110)의 온도가 SOA(Safe Operating Area) 범위 이상으로 증가하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 고온에서 전력 반도체 소자(110)의 고장을 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 반도체 소자 보호 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 온도 측정 센서(120)는 전력 반도체 소자(110)에 접촉되거나 근접하여 전력 반도체 소자(110)의 온도를 측정하여 출력한다(S510).

이때, 도 측정 센서(120)는 일정한 시간 간격으로 전력 반도체 소자(110)의 온도를 측정하여 출력한다.

이어, 제어부(130)는 출력한 전력 반도체 소자(110)의 온도를 통해 온도 변화율을 산출한다(S520).

구체적으로, 제어부(130)는 일정한 시간 간격으로 출력한 전력 반도체 소자(110)의 온도를 통해 온도 변화율을 산출한다. 즉, 제어부(130)는 현재 전력 반도체 소자(110)의 온도를 제1 온도값으로 설정하고, 일정한 시간 후에 전력 반도체 소자(110)의 온도를 제2 온도값으로 설정한다. 그리고, 제어부(130)는 일정한 시간 간격에 따른 제1 온도값과 제2 온도값의 차이를 통해 온도 변화율을 산출한다. 따라서, 제1 온도값과 제2 온도값의 차이를 시간 간격으로 나누어 산출할 수 있다.

이후, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교한다(S530).

여기서, 온도 변화율의 임계값은 전력 반도체 소자(110)의 온도가 변화해도 전력 반도체 소자(110)의 고장이 발생하지 않는 최고 온도 변화율을 나타낸다.

이어, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하여 온도 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 작은지를 판단한다(S540).

이때, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하여 온도 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 작으면, 전력 반도체 소자(110)의 온도 변화율을 산출하고, 온도 변화율을 온도 변화율의 임계값과 비교하는 단계를 다시 반복 수행한다.

한편, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하여 온도 변화율이 온도 변화율의 임계값보다 크면, 전력 반도체 소자(110)의 동작을 중지한다(S550).

도 4는 온도의 변화율을 이용한 전력 반도체 소자 보호 방법을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 온도 측정 센서(120)는 전력 반도체 소자(110)에 접촉되거나 근접하여 전력 반도체 소자(110)의 온도를 측정하여 출력한다.

이 때, 온도 측정 센서(120)는 거리 및 물질 특성에 따른 열저항에 의하여 실제 반도체 소자(110)의 온도보다 지연된 값을 출력한다. 따라서, 전력 반도체 소자(110)의 온도가 임계값을 넘어도 온도 측정 센서(120)는 지연된 값을 출력하게 되고, 전력 반도체 소자(110)는 고온에 의한 열저항으로 고장이 발생한다.

이어, 제어부(130)는 온도 변화율을 통해 전력 반도체 소자(110)에 급격한 온도 변화가 발생하는 것을 바로 판단할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값의 비교를 통해 전력 반도체 소자(110)의 급격한 온도 변화로 전력 반도체 소자(110)의 온도가 임계값을 넘어가는 것을 바로 판단할 수 있어 전력 반도체 소자(110)의 동작을 정지시킬 수 있다. 이에 따라 전력 반도체 소자(110)가 SOA(Safe Operating Area) 범위 바깥에서 동작하는 것을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전력 반도체 소자의 온도 변화율을 산출하여 온도 변화율과 온도 변화율의 임계값을 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 반도체 소자의 동작을 정지시켜 보호할 수 있도록 하는 전력 반도체 소자 보호 장치 및 방법을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 전력 반도체 소자 보호 장치
110: 전력 반도체 소자
120: 온도 측정 센서
130: 제어부
140: 저장부

Claims (7)

1. 전력 반도체 소자의 온도를 측정하는 온도 측정 센서;
   상기 전력 반도체 소자의 온도 변화율의 임계값을 저장하고 있는 저장부; 및
   상기 전력 반도체 소자의 온도를 통해 온도 변화율을 산출하여 상기 온도 변화율을 상기 온도 변화율의 임계값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는 제어부;
   를 포함하는 전력 반도체 소자 보호 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도 측정 센서는, 상기 전력 반도체 소자의 온도를 일정한 시간 간격으로 측정하는, 전력 반도체 소자 보호 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 전력 반도체 소자의 현재 측정한 온도를 제1 온도로 설정하고, 상기 전력 반도체 소자에 대해 일정한 시간 후에 측정한 온도를 제2 온도로 설정하여, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 변화율을 산출하는, 전력 반도체 소자 보호 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 변화율을 상기 온도 변화율의 임계값과 비교하여, 상기 온도의 변화율이 상기 온도 변화율의 임계값보다 크면 상기 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는, 전력 반도체 소자 보호 장치.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 전력 반도체 소자의 실제 온도와 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간의 오차를 보상하는 전력 반도체 소자 보호 장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도가 SOA(Safe Operating Area) 이상이면, 상기 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는, 전력 반도체 소자 보호 장치.
7. (a)온도 측정 센서에서 전력 반도체 소자의 온도를 측정하는 단계;
   (b)제어부에서 상기 측정한 온도에 대한 온도 변화율을 산출하여 상기 온도 변화율을 온도 변화율의 임계값과 비교하는 단계; 및,
   (c)제어부에서 상기 비교 결과에 따라 상기 전력 반도체 소자의 동작을 정지시키는 단계;
   를 포함하는 전력 반도체 소자 보호 방법.
   

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