KR20180106622A - 액티브 클램프 제어장치 - Google Patents

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KR20180106622A
KR20180106622A KR1020170035238A KR20170035238A KR20180106622A KR 20180106622 A KR20180106622 A KR 20180106622A KR 1020170035238 A KR1020170035238 A KR 1020170035238A KR 20170035238 A KR20170035238 A KR 20170035238A KR 20180106622 A KR20180106622 A KR 20180106622A
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홍일표
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

액티브 클램프 제어장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예의 장치는, 제1 및 제2스위칭소자의 게이트에 인가되는 신호에 따라, 또는 제1 또는 제2액티브 클램프부의 게이트 데드타임 초과여부에 따라, 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공한다.

Description

액티브 클램프 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ACTIVE CLAMP}
본 발명은 액티브 클램프 제어장치에 대한 것이다.
일반적으로, 인버터는 상용 교류전원을 입력으로 하여 이를 직류전원으로 변환한 후, 다시 전동기에 적합한 교류전원으로 변환하여 전동기에 공급하는 전력변환장치이다. 이러한 인버터는 전동기를 효율적으로 제어함으로써 전동기의 소모전력을 감소시켜 에너지 효율을 높인다.
보통 인버터는, 교류의 상용전원을 수신하여 정류하는 정류부와, 정류된 직류전원을 평활하고 저장하는 직류링크 커패시터, 및 직류전원을 전동기에 제공하기 위한 소정 전압 및 주파수의 교류전원으로 변환하는 인버터부로 구성된다. 이때 인버터부는 일정한 토폴로지(topology)에 의해 배열된 복수의 전력용 반도체 스위칭소자로 이루어지는데, 전력용 반도체 스위칭소자는 대표적으로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT)가 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 인버터 시스템의 구성도이다.
직류링크 커패시터(1)로부터 직류전압 Vdc를 수신하는 인버터부(2)는 3상의 교류전압 Vas, Vbs, Vcs를 출력하여 3상의 부하(3)에 공급한다. 3상 교류전압은 인버터부(2)의 스위치의 온 또는 오프상태에 따라 결정된다. 인버터부(2)의 복수의 스위칭소자는 전력용 반도체 스위칭소자로서, 예를 들어 IGBT임은 이미 설명한 바와 같다.
각 암(arm)에는 2개의 스위칭소자가 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 두개의 스위칭소자는 온 또는 오프 상태에 따라 4가지로 동작하게 되는데, 직렬로 연결된 두개의 스위칭소자가 동시에 온 상태가 되는 경우 직류전원이 스위치를 통해 단락되므로, 큰 전류가 흘러 인버터에 고장이 발생하는 원인이 된다. 이러한 단락사고를 방지하기 위해 직렬로 연결된 두 스위칭소자는 서로 번갈아 도통하는 상보동작을 한다.
스위칭소자의 온 또는 오프과정에서, 꺼지는 시간(턴오프 타임)과 켜지는 시간(턴온 타임)이 존재하며, 이러한 온 또는 오프과정에서 단락사고가 발생할 수 있으므로, 확실하게 스위칭소자를 오프한 후 온하기 위해 데드타임(dead time)을 적용한다.
한편, IGBT는 고주파에서 효율적으로 동작하고 구동하기 쉽지만, 턴오프시 C단자와 E단자에 고전압이 돌입되는 문제점이 있다. 이러한 고전압 문제를 해결하기 위해 액티브 클램프(ACTIVE CLAMP) 회로가 사용된다.
도 2는 종래의 액티브 클램프 회로를 설명하기 위한 구성도이다.
종래의 액티브 클램프 회로는, IGBT(100), IGBT의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되어, 시간에 따라 컬렉터와 게이트 사이에 인가되는 전압의 변화량
Figure pat00001
이 소정 값 이상이 되면 도통하는 TVS(transient-voltage-suppression) 다이오드(110), TVS 다이오드에 흐르는 전류의 크기를 제한하는 저항(120), IGBT(100)의 게이트에 전압을 인가하기 위한 전원(150) 및 IGBT(100)의 게이트를 제어하는 제어부(140)로 구성된다.
이때, 도 1과 같이, 보통 인버터부(2)는 하나의 암에 스위칭소자가 두개가 직렬로 배치되기 때문에, 도 2와 동일한 회로는 인버터부의 하나의 암에 더 구성된다.
IGBT(100)의 컬렉터와 에미터 사이의 전압 Vce가 TVS 다이오드(110)의 브레이크 다운 전압을 초과하면 IGBT(100)의 컬렉터에서 베이스로 전류가 흘러 IGBT(100) 게이트의 전압이 증가하여 IGBT(100)가 턴온된다. 이에 IGBT(100)의 컬렉터 전류의 시간에 따른 변화량
Figure pat00002
이 감소하게 되어, 컬렉터 전압의 변화량
Figure pat00003
이 되고, Vce 전압이 TVS 다이오드(110)의 브레이크 다운 전압 미만으로 하강하여 IGBT(100)의 게이트가 정상적으로 턴오프된다.
이러한 액티브 클램프 회로를 사용하는 인버터는 IGBT 스위칭 손실이 낮아져 인버터의 내부 발열량이 감소할 수 있으며, 회로의 구성이 간단하고 스버너와 같은 추가적인 전력부품이 불필요하고, IGBT의 보호가 필요한 경우에만 작동하므로, 액티브 클램프 회로는 IGBT를 사용하는 기기에서 널리 사용되고 있다.
그러나 이러한 종래의 액티브 클램프 회로에서, Vce 스파이크 전압의 크기가 너무 커서 특정 상에서의 액티브 클램프 회로가 동작하는 시간이 IGBT(100)의 게이트 턴온 데드타임을 초과하게 되면, 동일 상의 다른 IGBT가 턴온되고, 이로 인하여 암 쇼트(arm short)가 발생하여 IGBT가 소손되고, 이로 인해 발생하는 스파크로 인해 화재와 같은 2차 사고가 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 간단한 구성으로 액티브 클램프 회로에 의해 발생하는 암 쇼트를 방지하는 액티브 클램프 제어장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 액티브 클램프 제어장치는, 직렬로 연결되는 제1 및 제2스위칭소자; 상기 제1스위칭소자의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되어, 상기 제1스위칭소자의 스파이크 전압을 제한하는 제1액티브 클램프부; 상기 제2스위칭소자의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되어, 상기 제2스위칭소자의 스파이크 전압을 제한하는 제2액티브 클램프부; 상기 제1스위칭소자의 게이트에 로우 또는 하이신호를 인가하는 제1제어부; 상기 제2스위칭소자의 게이트에 로우 또는 하이신호를 인가하는 제2제어부; 및 상기 제1 및 제2스위칭소자의 게이트에 인가되는 신호에 따라, 또는 상기 제1 또는 제2액티브 클램프부의 게이트 데드타임 초과여부에 따라, 상기 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공하는 결정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 결정부는, 상기 제1 및 제2스위칭소자의 게이트에 모두 하이신호가 인가되는 경우, 상기 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 결정부는, 상기 제1 또는 제2액티브 클램프부의 게이트 데드타임이 초과되는 경우, 상기 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 및 제2스위칭소자는, 각각 상보적으로 동작할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 결정부는, AND GATE로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1액티브 클램프부와 상기 제2액티브 클램프부는, 각각 TVS 다이오드를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 기존 액티브 클램프 회로의 동작에 영향을 끼치지 않으면서 하나의 암에 직렬로 연결되는 두개의 스위칭소자가 동시에 턴온되어 암쇼트가 발생하는 것을 방지함으로써, 인버터의 신뢰성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 순수하게 AND GATE와 같은 하드웨어로 동작하므로, 소프트웨어 처리에 따른 시간지연 없이 빠르게 동작할 수 있다.
도 1은 일반적인 인버터 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 액티브 클램프 회로를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 액티브 클램프 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. '포함한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 액티브 클램프 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 제어장치는, 제1스위칭소자(10)의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되는 제1액티브 클램프부(20)와, 제1스위칭소자(10)의 게이트를 제어하는 제1제어부(30)와, 제2스위칭소자(15)의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되는 제2액티브 클램프부(25)와, 제2스위칭소자(15)의 게이트를 제어하는 제2제어부(35) 및 제1 및 제2스위칭소자(10, 15)의 게이트 전압에 따라 제1제어부(30) 및 제2제어부(35)에 제공하는 신호를 결정하는 결정부(40)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2스위칭소자(10, 15)는, 도 1의 인버터부(2)의 내부에서, 하나의 상을 구성하는 하나의 암에 직렬로 연결되는 것으로서, 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 다른 다양한 전력용 반도체 스위칭소자로 구성될 수 있을 것이다.
도 1의 인버터부(2)는 3상으로 구성되는 것으로서, 인버터부(2)는 각각 하나의 상을 구성하는 3개의 암을 포함할 수 있으며, 각 암은 도 3과 같이 구성될 수 있을 것이다. 다만, 본 발명의 일실시예에서, 인버터부(2)의 구성이 이에 한정되는 것은 아닐 것이며, 다양한 토폴로지에 의해 다양하게 배치되는 스위칭소자의 경우에도, 직렬로 연결되는 해당 스위칭소자가 상보적으로 동작하는 경우에는 적용될 수 있을 것이다.
제1액티브 클램프부(20)는 제1스위칭소자(10)의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되는 것으로서, TVS 다이오드를 포함할 수 있다. 제1액티브 클램프부(20)의 TVS 다이오드는, 제1스위칭소자(10)의 컬렉터와 에미터 사이의 전압 Vce가 TVS 다이오드의 브레이크다운 전압을 초과하면 제1스위칭소자(10)의 컬렉터에서 베이스로 전류가 흐르게 하여 제1스위칭소자(10)의 게이트 전압을 증가시킴으로써, 제1스위칭소자(10)의 컬렉터와 에미터 사이의 전압 Vce의 스파이크를 낮출 수 있다. 제1액티브 클램프부(20)는 TVS 다이오드와 직렬로 연결되어 TVS 다이오드에 흐르는 전류의 크기를 제한하는 저항을 더 포함할 수 있다.
마찬가지로, 제2액티브 클램프부(25)는 제2스위칭소자(15)의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되는 것으로서, TVS 다이오드를 포함할 수 있다. 제2액티브 클램프부(25)의 TVS 다이오드는, 제2스위칭소자(15)의 컬렉터와 에미터 사이의 전압 Vce가 TVS 다이오드의 브레이크다운 전압을 초과하면 제2스위칭소자(15)의 컬렉터에서 베이스로 전류가 흐르게 하여 제2스위칭소자(15)의 게이트 전압을 증가시킴으로써, 제2스위칭소자(15)의 컬렉터와 에미터 사이의 전압 Vce의 스파이크를 낮출 수 있다. 제2액티브 클램프부(25)는 TVS 다이오드와 직렬로 연결되어 TVS 다이오드에 흐르는 전류의 크기를 제한하는 저항을 더 포함할 수 있다.
제1제어부(30)는 인버터의 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 제어부(도시되지 않음)로부터의 제어신호에 따라, 제1스위칭소자(10)의 게이트에 로우(LOW)(또는 오프(OFF)) 또는 하이(HIGH)(또는 온(ON))신호를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 제2제어부(35)는 인버터의 PWM 제어부(도시되지 않음)로부터의 제어신호에 따라, 제2스위칭소자(15)의 게이트에 로우(또는 온) 또는 하이(또는 오프)신호를 제공할 수 있다. 제1제어부(30)와 제2제어부(35)는 각각 게이트 드라이버 집적회로(integrated circuit, IC)로 구성될 수 있다.
결정부(40)는 제1제어부(30)와 제2제어부(35)가 각각 제1스위칭소자(10) 및 제2스위칭소자(15)에 제공하는 신호를 확인하여, 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 모두 하이신호가 입력되는 경우, 제1제어부(30)와 제2제어부(35)에 각각 구동정지신호를 제공할 수 있다.
즉, 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)는 상보적으로 동작하여야 하므로, 제1스위칭소자(10)가 로우신호인 경우 제2스위칭소자(15)는 하이신호가 인가되어야 하지만, 스파이크 전압의 크기가 너무 커서 제1액티브 클램프부(20) 또는 제2액티브 클램프부(25)의 동작시간이 게이트 데드타임을 초과하게 되면 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 각각 하이신호가 인가될 수 있으며, 이에 의해 암 쇼트가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예의 결정부(40)는 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 각각 인가되는 신호를 확인하고, 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 각각 하이신호가 인가되는 경우에는 제1제어부(30) 및 제2제어부(35)에 각각 구동정지신호를 제공하여, 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)가 동시에 턴온되어 암쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
결정부(40)는 예를 들어 AND GATE일 수 있으나, 회로적으로 다양한 방식으로 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 각각 하이신호가 입력되는 것을 검출하고, 이에 따라 제1제어부(30)와 제2제어부(35)에 구동정지신호를 제공하도록 구성할 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 일실시예의 액티브 클램프 제어장치에 의하면, 기존 액티브 클램프 회로의 동작에 영향을 끼치지 않으면서 하나의 암에 직렬로 연결되는 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)가 동시에 턴온되어 암쇼트가 발생하는 것을 방지함으로써, 인버터의 신뢰성을 증대시킬 수 있다.
또한, 별도의 센서를 사용하지 않고 예를 들어 AND GATE를 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)의 게이트 각각에 연결하는 단순한 구조로 구성함으로써, 큰 재료비 상승없이 인버터의 암쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 순수하게 AND GATE와 같은 하드웨어로 동작하므로, 소프트웨어 처리에 따른 시간지연 없이 빠르게 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 결정부(40)가 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 각각 하이신호가 인가되는 경우에는 제1제어부(30) 및 제2제어부(35)에 각각 구동정지신호를 제공하여 암쇼트를 방지하는 것을 설명하였으나, 그와 별도로 암쇼트를 방지하도록 제1 및 제2제어부(30, 35)가 동작하도록 구성될 수도 있을 것이다.
즉, 결정부(40)는 제1스위칭소자(10)와 제2스위칭소자(15)에 각각 하이신호가 인가되는 것을 검출하여 제1제어부(30) 및 제2제어부(35)에 각각 구동정지신호를 제공할 수도 있고, 또는, 제1제어부(30) 및 제2제어부(35)는 각각 제1액티브 클램프부(20) 및 제2액티브 클램프부(25)의 동작시간의 게이트 데드타임을 측정하고, 제1액티브 클램프부(20) 또는 제2액티브 클램프부(25)의 게이트 데드타임이 초과되는 경우 이를 결정부(40)에 알릴 수 있다. 이에 따라 결정부(40)는 제1제어부(30) 및 제2제어부(35)에 각각 구동정지신호를 제공하여 암쇼트를 방지할 수도 있을 것이다.
결정부(40)는 예를 들어 AND GATE일 수 있으나, 회로적으로 다양한 방식으로 제1액티브 클램프부(20) 또는 제2액티브 클램프부(25)의 게이트 데드타임이 초과되는 것을 검출하여, 이에 따라 제1제어부(30)와 제2제어부(35)에 구동정지신호를 제공하도록 구성할 수 있을 것이다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10, 15: 스위칭소자 20, 25: 액티브 클램프부
30, 35: 제어부 40: 결정부

Claims (6)

  1. 직렬로 연결되는 제1 및 제2스위칭소자;
    상기 제1스위칭소자의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되어, 상기 제1스위칭소자의 스파이크 전압을 제한하는 제1액티브 클램프부;
    상기 제2스위칭소자의 컬렉터와 게이트 사이에 연결되어, 상기 제2스위칭소자의 스파이크 전압을 제한하는 제2액티브 클램프부;
    상기 제1스위칭소자의 게이트에 로우 또는 하이신호를 인가하는 제1제어부;
    상기 제2스위칭소자의 게이트에 로우 또는 하이신호를 인가하는 제2제어부; 및
    상기 제1 및 제2스위칭소자의 게이트에 인가되는 신호에 따라, 또는 상기 제1 또는 제2액티브 클램프부의 게이트 데드타임 초과여부에 따라, 상기 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공하는 결정부를 포함하는 액티브 클램프 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결정부는,
    상기 제1 및 제2스위칭소자의 게이트에 모두 하이신호가 인가되는 경우, 상기 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결정부는,
    상기 제1 또는 제2액티브 클램프부의 게이트 데드타임이 초과되는 경우, 상기 제1 및 제2제어부 각각에 구동정지신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2스위칭소자는, 각각 상보적으로 동작하는 액티브 클램프 제어장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 결정부는, AND GATE로 구성되는 액티브 클램프 제어장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1액티브 클램프부와 상기 제2액티브 클램프부는, 각각 TVS 다이오드를 포함하는 액티브 클램프 제어장치.
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KR1020170035238A KR20180106622A (ko) 2017-03-21 2017-03-21 액티브 클램프 제어장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024078480A1 (zh) * 2022-10-11 2024-04-18 南京南瑞继保电气有限公司 一种模块过压保护电路

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