KR20180065888A - 인버터 내 하이 사이드 스위치용 마이너스 전압의 생성을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

인버터 내 하이 사이드 스위치용 마이너스 전압의 생성을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치 및 방법
인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법에 관한 것인 본 발명의 과제는 인버터용 적어도 하나의 네가티브 바이어스 전압의 제공을 위한 장치 및 방법을 제시함으로써, 네가티브 바이어스 전압의 간단하고 안정적인 제공이 달성되고 회로 복잡도 및 이러한 인버터의 제조를 위한 수고 및 비용이 감소되는 것이다. 상기 과제는 장치 측면에서 상기 플라이백 컨버터 변압기(10) 상에 네가티브 기본 전압을 생성시키는 2차 와인딩이 배치되고, 상기 2차 와인딩의 제 1 접점이 전위(HV+)와 연결되고, 상기 2차 와인딩의 제 2 접점은 정류 다이오드를 통해 네가티브 기본 전압의 출력을 위한 제 1 접점과 연결되고, 부트스트랩 다이오드는 제 1 접점과 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)의 출력을 위한 제 2 접점 사이에 배치되고, 부트스트랩 커패시터는 상기 제 2 접점과 탭 사이에 배치됨으로써 해결된다.

Description

인버터 내 하이 사이드 스위치용 마이너스 전압의 생성을 위한 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR GENERATING A NEGATIVE VOLTAGE FOR A HIGH SIDE SWITCH IN AN INVERTER}
본 발명은 인버터 내 사이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치에 관한 것이고, 상기 장치는 플라이백 컨버터의 변압기의 반도체 스위치와 연결된 1차 와인딩 및 하이 사이드 스위치 및 로우 사이드 스위치가 직렬 접속되게 배치된 적어도 하나의 하프브릿지를 포함한다. 하프브릿지는 전위들(HV+ 및 HV-) 사이에 배치된다. 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 사이에 하프브릿지의 출력 상 전압(상 A, 상 B, 상 C)용 탭이 형성된다.
본 발명은 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압을 생성시키기 위한 방법에 관한 것이기도 하고, 네가티브 전압은 하이 사이드 스위치가 확실히 폐쇄되어야 하는 경우 하이 사이드 스위치의 제어 전극 상에 인가된다.
인버터들은 직류 전압을 교류 전압으로, 즉 직류 전류를 교류 전류로 변환 또는 변류시키는 전기 장치들이다. 인버터는 전력 변환 장치의 그룹에 할당된다.
인버터는 삼상 전류라고도 하고 그 회전 방향이 상들의 상 변위로부터 얻어지는 단상 또는 다상 교류 전류를 생성하기 위해 설계될 수 있다. 인버터들은 차량 내에서 교류 전압을 구동시키는데 필요한 예컨대 모터와 같은 전기 부하 또는 예컨대 고압 배터리와 같은 직류 전압원 등이 제공되는 곳에 대체로 사용된다. 또한, 인버터들은 전류 생성을 위해 전류 시스템과 연결된 예컨대 광발전 장치들의 경우, 직류가 교류 시스템 또는 삼상 전류 시스템 내로 공급되어야 하는 경우 사용된다.
이러한 인버터들은 고압 및 사이에 저장된 높은 중간 회로 에너지, 특히 차량 내에서 60 V 이상의 차량 전기 시스템 전압으로 전기 모터를 구동하기 위해서도 사용된다. 이러한 전압 영역에서부터 차량 영역에서 소위 고압 적용(HV-적용)이라고 한다. 이러한 적용은 예컨대 차량 내 전기 구동식 냉매 압축기용 인버터이다.
종래 기술에서 인버터들은 6 개의 파워 반도체들 또는 파워 스위치들로 구성된 소위 B6 브릿지로 이루어진다. 이러한 B6 브릿지에서, 함께 하프브릿지라고도 하는, 출력 교류 전압의 생성하려는 출력 상 각각은 입력 직류 전압 케이블 사이에 있는 분로 내에 배치되고, 각각의 출력 상을 위한 탭은 2 개의 파워 반도체들 사이에 위치한다. 일반적으로 탭 또는 부하와 포지티브 입력 직류 전압 케이블 사이에 배치되는 제 1 파워 반도체는 하이 사이드 파워 반도체 또는 하이 사이드 스위치라고 하고, 탭과 네가티브 입력 전압 케이블 또는 접지 케이블과의 사이에 배치되는 제 2 파워 반도체는 로우 사이드 파워 스위치 또는 로우 사이드 스위치라고 한다.
이러한 장치 내에는 예컨대 MOSFET, IGBT 또는 Tyristor 등 인 파워 반도체들이 소정 출력 전압을 생성하기 위해 로직에 의해 제어된다. 이러한 로직 회로들이 대체로 5 V 이하 범위의 적은 출력 전압들만을 제공하기 때문에 로직 회로의 출력단과 파워 반도체들의 입력들 사이에 구동 회로가 배치되는 것이 일반적이다. 이러한 구동 회로는 파워 반도체들의 입력들 또는 제어 전극들이 제어되는 예컨대 약 15 V 범위의 전압을 출력단 측에 제공한다.
배치된 전자 부품들을 위해 예컨대 3 V 또는 5 V로 작동하는 구동 회로에 전압 공급을 위해, 그리고 파워 반도체들을 제어하는 약 15 V의 전압을 제공하기 위해, 대체로 별도 전압 공급부가 제공되어야 한다.
또한 종래 기술에서 고전압 인버터들의 경우 하프브릿지 내의 구동 회로들 및/또는 파워 반도체들이 바람직하지 않은 기생 스위칭-온에 대해 특수 방어 수단들에 의해 보호되어야 한다.
따라서, 하프브릿지 내의 2 개의 파워 반도체들의 동시 개방 제어가 배제되도록 구동 회로가 형성 및 작동되는 것이 바람직하다.
인버터의 구동시 다른 문제점은 특히 고전압 인버터의 경우 높은 스위칭 전압 및 스위칭 임펄스(dV/dt)의 가파른 상승에 의해 폐쇄된 파워 반도체의 바람직하지 않은 개방 제어가 야기될 수 있다는 것이다. 이러한 바람직하지 않은 파워 반도체의 접속의 원인은 모든 실제 파워 반도체 내에 존재하는, 밀러 용량이라고도 하는 기생 용량이다. 이러한 밀러 용량은 예컨대 MOSFET 또는 IGBT의 등가 회로에 공지된다.
매우 단기간에 빠른 전압 변화에 의해 HV+ 와 HV- 사이에서 스위칭하려는 전압의 비(dV/dt)에 대한 높은 값이 얻어지고, 이로써 폐쇄된 파워 반도체의 제어 전극 상에, 상응하는 값에서 파워 반도체의 바람직하지 않은 제어를 야기시키는 전압이 나타난다.
하프브릿지 내의 이러한 비판적 상태를 모면하기 위해, 폐쇄된 파워 반도체의 제어 전극이 대지 전위에 대항해서 스위칭되는 것이 공지된다.
대안으로 폐쇄된 파워 반도체의 제어 전극에 네가티브 전압 (바이어스 전압)을 가하는 것이 주어질 수 있다. 이 경우, 구동 회로를 위해 추가 네가티브 바이어스 전압이 제공되어야 한다. 이러한 네가티브 바이어스 전압은 전형적으로 5 V의 값을 갖는다.
예컨대 삼상 인버터의 3 개의 로우 사이드 스위치들을 위한 이러한 네가티브 바이어스 전압의 제공은 -5 V 범위의 단일 네가티브 전압에 의해 달성될 수 있다.
이와 달리, 하이사이드 스위치들에 있어서, 하이 사이드 스위치 당 하나의 네가티브 바이어스 전압의 제공이 필요하고, 그 이유는 탭 상에 인가되는 그 전압이 그 전압 값의 끊임없는 변화에 영향을 받기 때문이다. 이에 대해 부유 전위 (플로팅 전위)라는 표현도 일반적이다. 어차피 주어지는 변압기 상의 추가 2차측 와인딩에 의해 이러한 네가티브 바이어스 전압의 제공이 대체로 이루어진다. 따라서, 3 개의 네가티브 바이어스 전압들을 위해 변압기 상에 3 개의 2차측 와인딩들이 추가로 제공될 수 있다. 특히, 800 V 내지 약 1000 V의 전압 범위에서 작동하는 고전력 인버터의 경우 상응하게 구현된 절연막들 또는 절연 층들이 변압기 코어 상의 개별 와인딩들 사이에 제공될 수 있다. 따라서, 추가로 필요한 와인딩 재료와 더불어 변압기의 크기 및 무게의 증가가 야기된다. 또한, 이러한 서브 어셈블리들의 제조시 비용이 상승한다.
또한, 변압기의 접점들이 예컨대 표면 상에 제공된 도체 트랙과 납땜되는 인쇄 회로 기판의 표면 상에 변압기의 조립시, 도체 트랙 또는 납땜 지점에 작용하는 힘이 증가한다. 작용하는 힘의 증가는 무게의 증가를 초래시킨다. 예컨대, 차량 내 적용을 위해 제공되는 서브 어셈블리에서 이러한 사실은 특히 비판적으로 영향을 미치는데, 그 이유는 납땜 지점들의 높은 부하를 유도하는 진동이 차량 내에서 발생하기 때문이다. 개선은 기계적 고정, 예컨대 접착 또는 클램핑에 의해 추가 수고 및 비용에 의해서만 이루어질 수 있다.
본 발명의 과제는 네가티브 전압을 간단하고 안정적으로 제공할 수 있고 회로의 복잡성 그리고 인버터의 제조를 위한 수고 및 비용이 절감된, 인버터용 적어도 하나의 네가티브 바이어스 전압을 제공하기 위한 장치를 제시하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들 중 청구항 제 1 항에 따른 특징들을 갖는 대상에 의해 해결된다. 실시예들은 종속 청구항 제 2 항 내지 제 7항에 제시된다.
상기 과제는 또한 독립 청구항들 중 청구항 제 8 항의 특징들을 갖는 방법에 의해 해결된다. 실시예들은 종속 청구항 제 9 항 내지 제 11 항에 제시된다.
예컨대 3 개의 파워 반도체들용 네가티브 공급 전압들의 생성은 예컨대 냉매 압축기의 인버터 내에 이미 주어진 서브 어셈블리들 상의 2 개의 변형들에 의해 실시된다.
한편, 전위 HV+ 에 대한 네가티브 전압을 생성하고 형성하는 수단이 배치된다.
예컨대, 구동 공급 전압의 생성을 위해 인버터 내에 주어지는 플라이백 컨버터가 출력단을 갖는 추가 와인딩을 포함하고, 상기 출력단에 의해 네가티브 기본 전압이 제공된다. 이러한 네가티브 기본 전압은 포지티브 HV- 입력 전압 HV+에 대해 네가티브이다. 상기 수단에 대한 대안적 실시예들이 가능하다.
생성된 네가티브 기본 전압은 인버터 내에 배치된 다수의 하이 사이드 스위치들을 위한 다수의 바이어스 전압들의 생성을 위한 베이스이다. 이렇게 생성된 네가티브 바이어스 전압들에 의해, 하이 사이드 스위치들의 제어 전극들은 하이 사이드 스위치를 폐쇄해야 하는, 즉 전류 흐름을 차단해야 하는 경우에 제어된다. 제어 전극 상으로 상기 네가티브 바이어스 전압을 인가함으로써 하이 사이드 스위치들의 바람직하지 않은 개방 접속이 확실히 방지된다.
다른 한편, 이미 부트스트랩 회로가 주어진 경우 각각의 하프브릿지 내에 네가티브 기본 전압을 탭하고 각각의 하이 사이드 스위치에 대한 전압 기준을 생성하는 다른 부트스트랩 회로가 경우에 따라 제공된다. 이러한 장치에 의해 각각의 하이 사이드 스위치의 부유 전위와 상관없이 해당 파워 반도체의 제어 전극이 위한 약 -5 V 범위에 있는 네가티브 전압이 제공되게 된다.
바람직하게는 파워 반도체들용 MOSFET, IGBT 또는 Tyristor들이 사용된다.
또한, 포지티브 기본 전압이 제공되고, 상기 포지티브 기본 전압으로부터 후속해서 다수의 포지티브 바이어스 전압들이 하이 사이드 스위치들의 제어 전극들의 제어를 위해 생성된다. 상기 포지티브 바이어스 전압들은 하이 사이드 스위치들의 개방 제어의 작동 상태를 위해 사용된다.
또한, 바람직하게는 네가티브 바이어스 전압들 및/또는 포지티브 바이어스 전압들의 본 발명에 따른 생성은 다수의 로우 사이드 스위치들을 위한 네가티브 또는 포지티브 바이어스 전압의 생성과 조합될 수 있다.
본 발명의 다른 개별 사항들, 특징들 및 장점들은 해당 도면들을 참조로 실시예들의 하기 설명에 나타난다.
도 1은 종래 기술의 B6 브릿지 형태의, 6 개의 파워 반도체들을 포함하는 인버터의 기본도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 인버터의 3 개의 하이 사이드 스위치들을 위한 포지티브 다공의 3 개의 바이어스 전압들의 생성을 위한 회로 장치이고,
도 3은 종래 기술에 따른 인버터의 3 개의 하이 사이드 스위치들을 위한 3 개의 음극 바이어스 전압들을 생성하기 위한 회로 장치이고,
도 4는 복잡도가 감소된, 다수의 네가티브 바이어스 제어 전압들을 생성하기 위해 사용된 기본 전압을 제공하기 위한 본 발명에 따른 부분 회로의 실시예이고,
도 5a 및 도 5b는 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)이 제공되는 2 개의 상이한 작동 상태들에서의 본 발명의 각각의 제 2 부분 회로이고,
도 6a 및 도 6b는 삼상 인버터 내에 하프브릿지당 배치된, 2 개의 상이한 작동 상태들에서의 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A)을 생성하기 위한 각각의 회로 장치이고, 및
도 7a 및 도 7b는 하프브릿지 내에 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A) 및 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)을 생성하기 위한 본 발명에 따른 회로의 각각의 다른 변형이다.
도 1에는 각각 하나의 하이 사이드 스위치(3) 및 로우 사이드 스위치(4)를 가진 3 개의 하프브릿지들(2)을 포함하는 인버터(1)가 도시된다. 하프브릿지들(2)은 입력 단자들(HV+, HV-) 사이에 배치되고, 상기 입력 단자들을 통해 인버터(1)에 입력측 직류 전압이 제공된다. 하이 사이드 스위치(3)와 로우 사이드 스위치(4) 사이에서 하프브릿지들(2) 내에 각각 탭들이 배치되고, 상기 탭들을 통해 상들 A, B, C(5, 6, 7)을 위한 교류 전압들이 출구측에 제공된다. 도 1에 따른 실시예에서 삼상 교류 전압에 의해 구동되는 모터가 부하(8)로서 배치되고 3 상들 A, B, C(5, 6, 7)과 연결된다. 상기 모터는 예컨대 실시예에서 브러시리스 직류 모터(BLDC)일 수 있다. 파워 반도체들(3, 4)은 그 각각의 제어 전극들(9)에 의해 제어된다. 이를 위해, 제어 전극들(9)은 도시되지 않은 제어를 위한 로직 회로와 연결된다. 예컨대 B6 브릿지들 내의 다수의 파워 반도체들의 제어를 위한 이러한 로직 회로들은 종래 기술에 공지되고 여기에서 더 기술되지 않는다. 종래 기술에는 도 1에 도시되지 않은, 로직 스위치와 제어 전극들(9) 사이의 구동 스위치의 장치도 공지된다.
도 2에는 각각 양극을 가진 3 개의 바이어스 전압들(POS BIAS A, POS BIAS B, POS BIAS C)을 생성하기 위한 회로 장치가 도시된다. 상기 바이어스 전압들은 예컨대 파워 반도체들(3)의 제어를 위한 전기 신호에 중첩되는 정전압들로서 공지된다. 도시된 예시에서 인버터(1)의 하프브릿지들(2) 내 하이 사이드 스위치들(3)을 제어하기 위해 제공된 바이어스 전압들은 파워 반도체(3)의 제어를 위해 사용된다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 설명에 필요한 엘리먼트들만을 포함한다. 즉, 로우 사이드 스위치들(4)이 인버터의 하프브릿지들(2) 내에 주어짐에도 불구하고 도 2에는 로우 사이드 스위치들(2)이 도시되지 않는다.
도 2에는 1차 와인딩(11)을 가진 플라이백 컨버터 변압기(10)가 도시된다. 플라이백 컨버터를 구동하기 위해 일반적 반도체 스위치(15)가 1차 와인딩(11)의 단부와 네가티브 전위(HV-) 사이에 배치된다. 상기 반도체 스위치(15)는 그 제어 전극(게이트)을 통해 플라이백 컨버터의 도시되지 않은 제어 회로에 의해 제어된다. 플라이백 컨버터 변압기(10)는 3 개의 2차 와인딩들(12, 13, 14)을 포함하고, 제 1의 2차 와인딩(12)은 제 1 바이어스 전압(POS BIAS A)을 제공하기 위해, 제 2의 2차 와인딩(13)은 제 2 바이어스 전압(POS BIAS B)을 제공하기 위해, 제 3의 2차 와인딩(14)은 제 3 바이어스 전압(POS BIAS C)을 제공하기 위해 주어진다.
2차 와인딩들(12, 13, 14)은 각각 하나의 일반 정류 다이오드(16) 및 일반 충전 커패시터(17)와 연결된다. 정류 다이오드들(16)에 의해 2차 와인딩들(12, 13, 14)에 의해 생성된 교류 전압들의 정류가 이루어진다. 이러한 펄싱 직류 전압으로부터 충전 커패시터(17)에 의해 적은 리플을 가진 직류 전압이 생성된다. 이로써 제어 전극들(9)을 위한 제어 신호들을 생성하기 위해 도 2에 도시되지 않은 로직 회로 또는 구동 회로에 공급되는 전압들(POS BIAS A, POS BIAS B, POS BIAS C)이 제공된다. 하이 사이드 스위치(3)는 그 접점에 의해 한편 전위(HV+), 그리고 다른 한편 각각의 탭(5, 6, 7) 또는 상 A, 상 B, 상 C를 위한 접점과 연결된다.
도 2에 도시된 장치에 의해 하이 사이드 스위치들(3)의 제어를 위한 3 개의 포지티브 바이어스 전압들이 제공될 수 있다. 이러한 바이어스 전압은 예컨대 +16.8 V의 값을 가질 수 있다. 제 1 파워 반도체(3)의 게이트 전극의 제어를 위한, 예컨대 제 1 파워 반도체(3)의 이미터 전위로 기준이 된 상기 포지티브 공급 전압을 제공하기 위해 플라이백 컨버터 변압기(10)을 위한 2차 와인딩들(12, 13, 14) 사이에 추가 접점들 또는 컨택들 및 추가 절연 층들이 제공될 수 있다.
인버터의 로우 사이드 스위치(4)를 위한 포지티브 공급 전압 또는 바이어스 전압의 생성은 공통 바이어스 전압의 생성을 위한 다른 2차 와인딩에 의해 이루어질 수 있으며, 그 이유는 모든 로우 사이드 스위치들(4)은 네가티브 전위(HV-)와 이미터 측에서 연결되고, 상기 전위는 부유하지 않는다 (플로팅 전위). 이러한 회로부는 도 2에 도시되지 않는다.
도 3에는 각각 음극을 가진 3 개의 바이어스 전압들(NEG BIAS, NEG BIAS B, NEG BIAS C)의 생성을 위한 회로 장치가 도시된다. 이러한 네가티브 바이어스 전압들은 예컨대 파워 반도체들(3)의 제어를 위한 전기 신호에 중첩되는 정전압들이다. 도시된 예시에서, 인버터(1)의 하프브릿지들(2) 내의 하이 사이드 스위치들(3)의 제어를 위해 제공된 바이어스 전압들은 특히 파워 반도체들(3)의 확실한 폐쇄에 사용된다.
도시된 회로는 도 2의 회로에 실질적으로 상응하므로 도 2의 전술된 실시예가 참조된다.
네가티브 바이어스 전압들을 생성하기 위해, 회로 장치 내에 2 개의 변화들이 취해졌다. 한편으로는 2차 와인딩들(12, 13, 14)의 와인딩 방향이 도 2에 따른 실시에에 반대로 변했고, 이는 2차 와인딩들(12, 13, 14) 옆의 점들로 표시되어 있다. 다른 한편으로는, 정류 다이오드들(16)의 극이 바뀌었고, 즉 애노드 접점이 캐노드 접점으로 교체되었다. 이로써, 하이 사이드 스위치들(3)의 확실한 폐쇄를 위한 서로 분리된 별도의 3 개의 바이어스 전압들이 제공된다. 이러한 해결은 플라이백 컨버터 변압기(10)를 위한 2차 와인딩들(12, 13, 14) 사이의 추가 접점 또는 컨택들 및 추가 절연 층들이 주어져야 하는 단점을 갖는다.
도 4에는 복잡도가 감소된, 다수의 네가티브 바이어스 전압들의 생성을 위한 부분 회로의 실시예가 도시된다. 회로부는 하프브릿지들(2) 내의 개별 네가티브 바이어스 전압들의 생성을 위한 베이스를 나타내는 소위 네가티브 기본 전압의 제공을 도시한다. 이를 위해 플라이백 컨버터 변압기(10)는 그 1차 와인딩(11) 외에 단일 2차 와인딩(12)을 포함한다. 1차 와인딩(11)과 직렬 접속된 반도체 스위치(15)의 배치 및 전위들(HV+, HV-) 사이의 상기 2 개의 소자들(11, 15)의 배치는 종래 기술에 공지된 회로 변형에 상응한다. 2차 와인딩(12)에 의해 생성된 교류 전압을 정류하기 위해 정류 다이오드(16)가 제공되고, 상기 정류 다이오드의 극은 HV+에 대해 예컨대 -5.7 V의 네가티브 기본 전압이 생성되도록 형성된다. 또한 상기 회로 내에서 펄싱 직류 전압의 평활화를 위한 충전 커패시터(17)가 정류 다이오드(16) 뒤에 제공된다. 이로써 본 실시예에서 필요한 와인딩, 와인딩들 간의 절연 층들의 개수, 컨택들의 개수, 플라이백 컨버터 변압기(10)의 볼륨 및 그 비용이 감소한다. 도시된 예시에서 플라이백 컨버터 변압기(10)를 위한 추가 절연 층 및 추가 컨택만이 필요하다.
이렇게 제공된 네가티브 기본 전압은 도 4에 도시되듯이 -5.7 V의 값으로 전압(HV+)에 기준이 된다.
도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 7b에는 실제 기술되는 작동 상태에 이써 중요하지 않는 예컨대 하프브릿지(2)와 같은 도시된 회로 발췌들의 부분들이 점선으로 도시된다.
도 5a 및 도 5b에는 2 개의 상이한 작동 상태들에서의 본 발명의 제 2 부분 회로가 각각 도시된다. 상기 제 2 부분 회로는 전압 부트스트랩을 위해 필요하다. 도 5a에는 하프브릿지의 하이 사이드 스위치(3)가 개방 제어되고 동일한 하프브릿지(2)의 로우 사이드 스위치(4)가 폐쇄되는 작업 상태에서의 부분 회로가 도시된다.
작동 상태에서 상 A의 탭(5)의 전압은 개방 제어된 하이 사이드 스위치(3)에 의해 HV+의 전위로 상승한다. 동시에, 부트스트랩 커패시터(18)는 부트스트랩 다이오드(19) 및 충전 커패시터(17)에 의해 전위(HV+)로 기준이 된 커패시터(17)에 인가되는, 제공된 5.7 V의 네가티브 기본 전압을 거쳐 약 -5 V로 충전된다. 전술된 부품들(17, 3, 18, 19)를 통한 전류 흐름의 방향은 도 5a에서 다수의 화살표들로 도시된다.
도 5b에는 하프브릿지(2)의 하이 사이드 스위치(3)가 폐쇄되고 동일한 하프브릿지(2)의 로우 사이드 스위치(4)가 개방 제어되는 작동 상태에서의 부분 회로가 도시된다.
상기 작동 상태에서 상 A의 탭(5) 상의 전압이 전위(HV-)로 하강한다. 부트스트랩 다이오드(19)는 폐쇄 방향으로 극이 형성되기 때문에 상기 다이오드(19)를 통해 전류가 더이상 접점(-5.7 V)으로 흐르지 않는다. 부트스트랩 커패시터(18)는 여전히 -5 V의 값으로 충전된다. 상기 전압은 -5 V로 표시된 접점 상에 제공되고 (NEG BIAS A) 하이 사이드 스위치(3)의 제어 전극(9)의 제어를 위해 사용된다. 제공된 -5 V의 전압은 상 A의 탭(5) 상에 부유 전위에 대한 고정 기준을 갖고 하이 사이드 스위치(3)의 제어 전극(9)을 위한 네가티브 제어 전압의 생성을 위한 도시되지 않은 로직 회로 또는 구동 회도에 공급된다.
하이 사이드 스위치(3)가 다시 개방 제어되고 로우 사이드 스위치(4)가 다시 폐쇄되는 인버터(1)의 하기 스위칭 사이클에서, 부트스트랩 커패시터(18)는 전술되는 방식으로 다시 충전된다.
부트스트랩 커패시터(18) 및 부트스트랩 다이오드(19)로 구성되는 전술된 장치가 각각의 하프브릿지(2)를 위해 제공되기 때문에, 각각의 하프브릿지(2)의 각각의 하이 사이드 스위치(3)를 위해 상응하게 기준이 된 네가티브 전압(NEG BIAS A, NEG BIAS B)이 제공된다. 이로써 삼상 인버터(1) 내의 기준이 된 3 개의 네가티브 전압들의 제공을 위한 회로 복잡도가 2차 와인딩(12), 정류 다이오드(16), 충전 커패시터(17), 부트스트랩 다이오드(18) 및 부트스트랩 커패시터(18)로 감소되고, 각 하프브릿지(2) 당 부트스트랩 다이오드(18) 및 부트스트랩 커패시터(18)가 필요하다.
종래 기술에 공지되고 도 2에 도시되듯이, 3 개의 포지티브 전압들(POS BIAS A, POS BIAS B, POS BIAS C)를 제공하기 위해, 3 개의 2차 와인딩들(12, 13, 14)을 가진 회로 및 도 2에 이미 기술된 다른 부품들(16, 17)이 필요하다. 본 발명의 다른 실시예는 다수의 포지티브 바이어스 전압들을 제공하기 위한 회로 복잡도도 감소시킨다.
이를 위해, 포지티브 바이어스 전압들(POS BIAS A, POS BIAS B, POS BIAS C)의 생성을 위해서도, 플라이백 컨버터 변압기(10) 상에 2차 와인딩(12)만이 배치된다. 상기 2차 와인딩(12)은 관련 정류 다이오드(16) 및 충전 커패시터(17)와 공지된 이미 기술된 방식으로 접속되고 이로써 예컨대 17.5 V의 값을 가진 단일 포지티브 기본 전압을 제공한다. 필요한 3 개의 바이어스 전압들의 생성은 17.5 V를 가진 제공된 기본 전압으로부터 다시 부트스트랩 원리에 따라 이루어진다.
도 6a 및 도 6b는 삼상 인버터 내에 각 하프브릿지(2) 당 배치되어야 하는 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A)의 생성을 위한 회로 장치를 각각 도시한다. 제 2 하프브릿지(2) 내에서 상기 회로는 바이어스 전압(POS BIAS B)을, 제 3 하프브릿지(2)에서 바이어스 전압(POS BIAS C)를 생성한다. 도 6a 및 6b는 바이어스 전압(POS BIAS A)의 생성을 위한 회로 장치를 예시적으로 도시한다.
도 6a에는 하프브릿지(2)의 하이 사이드 스위치(3)가 폐쇄되고 동일한 하프브릿지(2)의 로우 사이드 스위치(4)가 개방 제어되는 작동 상태에서의 회로이다.
상기 작동 상태에서 상 A의 탭(5) 상의 전압은 개방된 로우 사이드 스위치(4)를 통해 전위(HV-)로 하강한다. 상기 상태는 관통 흐름 방향으로 극이 형성된 제 2 부트스트랩 다이오드(21)를 통하는, 화살표로 도시된 방향으로 전류 흐름을 야기하고, 제 2 부트스트랩 커패시터(20)가 충전된다. 제 2 부트스트랩 커패시터(20)와 제 2 부트스트랩 다이오드(21) 사이에서 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A)을 위한 전압 탭이 배치되고, 상기 탭 상에서 도 6a에 도시된 실시예의 에시에서 +16.8 V의 전압이 제공된다.
상기 전압은 도시되지 않은 로직 회로 및/또는 구동 회로에 제공되므로 하이 사이드 스위치(3)의 개방 제어를 위한 제어 신호가 생성되고, 상기 제어 신호는 하이 사이드 스위치(3)의 제어 전극(9) 상으로 인가된다. 도시된 회로를 위한, 2차 와인딩(12), 적어도 하나의 정류 다이오드 및 충전 커패시터(17a)에 의해 생성되는 포지티브 기본 전압은 +17.5 V로 기재된 접점 상에 인가된다. 2차 와인딩(12) 및 정류 다이오드(16)는 도 6a에 도시되지 않는다. 충전 커패시터(17a)는 +17.5 V 접점과 전위(HV-) 사이에 배치된다.
도 6b에는 하프브릿지(2)의 하이 사이드 스위치(3)가 개방 제어되고 동일한 하프브릿지(2)의 로우 사이드 스위치(4)가 폐쇄되는 작동 상태에서의 회로가 도시된다.
상기 경우 상 A의 탭(5)이 개방된 하이 사이드 스위치(3)에 의해 전위(HV+)로 끌린다. 상기 전위(HV+)가 제공된 17.5 V의 포지티브 기본 전압보다 높기 때문에 제 2 부트스트랩 다이오드(21)가 폐쇄된다. 충전된 제 2 부트스트랩 커패시터(20)에 의해 접점(POS BIAS A) 상에 로직 회로 및/또는 구동 회로를 위한 16.8 V의 전압이 제공된다. 상기 16.8 V의 바이어스 전압도 상 A의 접점 상의 부유 전위에 대한 상대 기준으로 및 이로써 예컨대 하이 사이드 스위치(3)의 이미터 접점에 제공된다.
하이 사이드 스위치(3)가 다시 폐쇄되고 로우 사이드 스위치(4) 새로 개방 제어되는 인버터(1)의 하기 회로 사이클에서, 제 2 부트스트랩 커패시터(20)는 다시 전술된 방식으로 충전된다.
도 7a 및 도 7b에는 하프브릿지(2) 내의 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A) 과 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)의 생성을 위한 회로의 각각 다른 변형이 도시된다.
도 7a 및 도 7b는 인버터(1)의 하프브릿지(2) 내의 포지티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)의 생성을 위한 도 6a 및 도 6b에 기술된 회로와, 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)의 생성을 위한 도 5a 및 도 5b에 이미 기술된 회로의 바람직한 조합을 도시한다. 상기 조합은 인버터(1)의 각각의 하프브릿지(2)를 위해 제공된다.
이로써, 포지티브 기본 전압 및 네가티브 기본 전압으로부터, 복잡도가 감소된, 각 하프브릿지(2) 당 각각 하나의 예컨대 16.8 V의 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A) 및 각각 하나의 -5 V의 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)의 제공이 이루어질 수 있다.
도 7a에는 하프브릿지(2)의 하이 사이드 스위치(3)가 개방 제어되고 동일한 하프브릿지(2)의 로우 사이드 스위치(4)가 폐쇄되는 작동 상태에서의 회로가 도시된다. 상 A의 탭(5) 상의 전위가 하이 사이드 스위치(3)에 의해 거의 HV+로 끌리기 때문에, 부트스트랩 커패시터(18)를 위해 충전 과정이 이미 도 5a 및 도 5b에 기술된 방식으로 이루어진다. 동시에, 충전된 제 2 부트스트랩 커패시터(20)를 통해 +16.8 V의 바이어스 전압(POS BIAS A)이 제공된다.
도 7b에는 하프브릿지(2)의 하이 사이드 스위치(3)가 폐쇄되고 동일한 하프브릿지(2)의 로우 사이드 스위치가 개방 제어되는 작동 상태에서의 회로가 도시된다.
상기 작동 상태에서 상 A의 탭(5) 상의 전위가 로우 사이드 스위치(4)에 의해 거의 HV-로 끌린다. 이로써, 제 2 부트스트랩 커패시터(20)의 충전이 도 6a 및 도 6b에 이미 기술된 방식으로 이루어지고, 충전된 부트스트랩 커패시터(18)는 -5 V의 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)을 제공한다.
하프브릿지(2)의 파워 반도체들(3, 4)의 개방 제어 및 폐쇄의 상기 과정들은 지속적으로 반복되고, 부트스트랩 커패시터들(18, 20)도 다시 충전된다. 이로써, 하프브릿지들 내의 포지티브 및/또는 네가티브 바이어스 전압들의 끊임없는 제공이 달성된다.
본 발명의 적용 영역은 차량의 전기 냉매 압축기 내의 본 발명에 따른 인버터(1)의 사용이다.
본 발명에 의해 달성 가능한 장점들은 인버터(1)의 다수의 하이 사이드 스위치들(3)을 위한 다수의 네가티브 바이어스 전압들의 생성의 간단한 실현이고, 이로써 인버터(1)의 안정적인 구동을 위해 일반적인 밀러 클램핑이 바람직하게 구현된다. 밀러 클램핑의 경우 파워 반도체의 바람직하지 않은 개방 제어를 방지하기 위해 파워 반도체의 제어 전극이 접지 전위와 연결되거나 또는 네가티브 전압으로 제어되는 것은 공지된다. 이러한 바람직하지 않은 개방 제어의 원인은 한편으로는 실제 부품에 존재하는 기생 용량(밀러 용량)이고 다른 한편으로는 HV+와 HV- 간의 스위칭될 전압의 비(dV/dt)에 대한 높은 값 이다.
또한 본 발명에 의해 인버터(1)(플라이백 컨버터)의 복잡도가 감소되고 플레이트 상의 필요한 설치 공간이 감소하는데, 그 이유는 더 작은 플라이백 컨버터 변압기(10)가 사용될 수 있기 때문이다.
플라이백 컨버터 변압기(10)의 소규모화는 특히 차량 내에 진동이 나타나는 경우 더 견고한 디자인을 가능하게 하고, 플라이백 컨버터 변압기(10) 상 및 내의 2차 와인딩들, 절연 막들 및 접점들의 절약에 의한 제조시 비용의 절감을 가능하게 한다.
1 인버터
2 하프브릿지
3 제 1 파워 반도체 (하이 사이드 스위치)
4 제 2 파워 반도체 (로우 사이드 스위치)
5 상 A의 탭
6 상 B의 탭
7 상 C의 탭
8 부하/모터
9 제어 전극
10 플라이백 컨버터 변압기
11 1차 와인딩
12 제 1의 2차 와인딩
13 제 2의 2차 와인딩
14 제 3의 2차 와인딩
15 반도체 스위치
16 정류 다이오드
17, 17a 충전 커패시터
18 부트스트랩 커패시터
19 부트스트랩 다이오드
20 제 2 부트스트랩 커패시터
21 제 2 부트스트랩 다이오드
22 제 1 접점 (네가티브 바이어스 전압)
23 제 2 접점 (NEG BIAS A)
24 제 3 접점 (포지티브 바이어스 전압)
25 제 4 접점 (POS BIAS A)

Claims (11)

  1. 인버터(1) 내 하이 사이드 스위치(3)용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치로서, 상기 장치는 반도체 스위치(15)와 연결된 플라이백 컨버터의 변압기(10)의 1차 와인딩(11), 및 하이 사이드 스위치(3)와 로우 사이드 스위치(4)가 직렬 접속으로 배치되는 적어도 하나의 하프브릿지(2)를 포함하고, 상기 하프브릿지(2)는 전위들(HV+, HV-) 사이에 배치되고, 상기 하이 사이드 스위치(3)와 상기 로우 사이드 스위치(4) 사이에 상기 하프브릿지(2)의 출력 상 전압들(상 A, 상 B, 상 C)을 위한 탭(5, 6, 7)이 배치되는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치에 있어서, 상기 전위(HV+)에 대한 네가티브 전압의 생성을 위한 수단이 제공되고, 상기 전위는 그의 생성된 전압의 출력을 위한 출력단에 의해 접점(22)과 연결되고, 부트스트랩 다이오드(19)는 상기 제 1 접점(22)과 네가티브 바이어스 전압(NEG BIAS A)의 출력을 위한 제 2 접점(23) 사이에 배치되고, 부트스트랩 커패시터(18)는 상기 제 2 접점과 상기 탭(5, 6, 7) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전위(HV+)에 대한 네가티브 전압의 생성을 위한 상기 수단은, 네가티브 기본 전압을 생성시키는 2차 와인딩(12)이 상기 플라이백 컨버터 변압기(10) 상에 배치되고, 상기 2차 와인딩(12)의 제 1 접점이 전위(HV+)와 연결되고, 및 상기 2차 와인딩(12)의 제 2 접점은 정류 다이오드(16)를 통해 네가티브 기본 전압의 출력을 위한 상기 제 1 접점(22)과 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 접점(22)과 상기 전위(HV+) 사이에 충전 커패시터(17)가 배치되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 인버터(1) 내에서 다수의 하프브릿지들(2)이 서로 평행하게 배치되고, 각각의 하프브릿지(2) 내에 부트스트랩 다이오드(19) 및 부트스트랩 커패시터(18)가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하프브릿지들(2) 내의 하이 사이드 스위치(3) 및/또는 로우 사이드 스위치(4)로서, IGBT, MOSFET 또는 Thyristor들이 배치되는 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 플라이백 컨버터 변압기(10) 상에, 포지티브 기본 전압을 생성시키는 2차 와인딩이 배치되고, 상기 2차 와인딩의 제 1 접점은 전위(HV-)와 연결되고, 상기 2차 와인딩의 제 2 접점은 정류 다이어드를 통해 포지티브 기본 전압의 출력을 위한 제 3 접점(24)과 연결되고, 상기 제 3 접점(24)과 포지티브 바이어스 전압(POS BIAS A)의 출력을 위한 제 4 접점(25) 사이에 제 2 부트스트랩 다이오드(21)가 배치되고, 및 제 2 부트스트랩 커패시터(20)는 상기 제 4 접점(25)과 상기 탭(5, 6, 7) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 3 접점(24)과 상기 전위(HV-) 사이에 충전 커패시터(17a)가 배치되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 장치.
  8. 인버터(1) 내 하이 사이드 스위치(3)용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법으로서, 하이 사이드 스위치가 확실히 폐쇄되어야 하는 경우 상기 네가티브 전압이 상기 하이 사이드 스위치의 제어 전극(9) 상으로 인가되는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법에 있어서, 제 1 단계에서, 전위(HV+)에 대해 네가티브인 네가티브 기본 전압은 다수의 하프브릿지들(2) 내에 사용되기 위해 제공되고, 제 2 단계에서, 제공된 네가티브 기본 전압을 기초로 각 하프브릿지(2) 당 상응하는 하프브릿지(2)의 각각의 하이 사이드 스위치(3)를 위한 하나의 네가티브 바이어스 전압이 부트스트랩 방법의 적용 하에서 생성되고, 생성된 상기 네가티브 바이어스 전압은 상응하는 상기 하프브릿지(2)의 상 전압에 대해 고정 기준으로 생성되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 네가티브 바이어스 전압의 생성을 위한 상기 제 2 단계는 다수의 하프브릿지들(2) 내에서 평행하게 실시되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 네가티브 기본 전압이 -3 V 내지 -9 V의 전압 범위에서 생성되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 포지티브 기본 전압은 +10 V 내지 +20 V의 전압 범위에서 상기 네가티브 기본 전압에 대해 추가로 및 동시에 생성되는 것을 특징으로 하는 인버터 내 하이 사이드 스위치용 네가티브 전압의 생성을 위한 방법.
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