KR20190104412A - 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위한 제어 디바이스, 반도체 모듈 및 방법 - Google Patents

바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위한 제어 디바이스, 반도체 모듈 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(2)에 관한 것으로, 여기서, 제어 디바이스(2)는, 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트 단자에 전압(U)을 인가하도록, 그리고 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프하기 위해, 제1 전압 값(UB +)으로부터 제2 전압 값(UB -)으로 전압(U)을 감소시키도록 설계되며, 제어 디바이스(2)는, 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프하기 위해, 먼저, 제1 전압 값(UB +)으로부터 불포화화 값(Usat)으로 전압(U)을 감소시키도록, 그리고 그런 다음, 불포화화 값(Usat)으로부터 제2 전압 값(UB-)으로 전압(U)을 감소시키도록 설계되며, 불포화화 값(Usat)은 전력 반도체 구성요소(1)의 핀치-오프 전압(UP)을 초과한다.

Description

바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위한 제어 디바이스, 반도체 모듈 및 방법
본 발명은, 바이폴라 스위칭가능(bipolar switchable) 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위한 제어 디바이스(device)에 관한 것이며, 여기서, 제어 디바이스는, 전력 반도체 구성요소의 게이트(gate) 단자에 전압을 인가하도록, 그리고 전력 반도체 구성요소를 턴 오프(turn off)하기 위하여, 제1 전압 값으로부터 제2 전압 값으로 전압을 감소시키도록 설계된다. 부가하여, 본 발명은 이러한 제어 디바이스를 갖는 반도체 모듈(module)에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
이 경우, 바이폴라 스위칭가능 또는 비-활성화가능 전력 반도체 구성요소들에 관심이 집중된다. 이러한 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소는 특히 IGBT일 수 있다. 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소들을 턴 오프할 때, 전류의 흐름에 요구되는 전하 운반체들이 제거되어야 한다. 전하 운반체들을 제거함으로써, 종래의 역-전도 IGBT들이 턴 오프될(turned off) 때, 이는 높은 전기장 강도들을 야기한다. 이러한 전기장 강도 로딩(loading)의 결과로서, 전력 반도체 구성요소는 임의의 임의적인 속도로 셧다운될(shut down) 수 없다. 또한, 부하 단자들에서의 전압의 증가율은 부하의 요건들에 의해 주로 제한된다. 전력 반도체 구성요소에서의 전하 운반체 농도와 스위칭(switching) 속도 둘 모두가 전력 반도체 구성요소의 턴 오프(turn-off) 손실들에 영향을 미친다. 손실들을 최소화하기 위해, 스위칭 속도 ―이 스위칭 속도는 유지되어야 하는 안전 동작 범위에 의해 제한됨― 는 가능한 한 높게 세팅된다(set). 이는 대개, 게이트 방전 전류의 크기의 적절한 선정에 의하여 수행된다.
턴-온된(turned-on) 전력 반도체 구성요소의 게이트는 제1 전압 값을 갖는 전압으로 충전된다. 전력 반도체 구성요소를 턴 오프할 때, 게이트는 제2 전압 값을 갖는 전압으로 저항기를 통해 방전된다. 그러므로, 전압은 제1 전압 값으로부터 제2 전압 값으로 감소된다. 높은 전하 운반체 농도를 갖는 전도 상태로부터 무-전압(de-energized) 상태로의 전이는 비교적 높은 턴-오프 손실들을 야기한다.
DE 39 05 645 A1은 MOS 제어 입력을 갖는 전력 반도체 스위치(switch)들의 과전류 턴-오프 거동을 개선시키기 위한 제어 방법을 개시한다. 또한, DE 102 06 392 A1은 비-래칭(non-latching) 비활성화가능 전력 반도체 스위치의 턴-오프 프로세스(process)를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스를 개시한다. 마지막으로, DE 10 2015 220 594 A1은 반도체 구동 유닛(unit) 및 이 반도체 구동 유닛을 사용하는 전력 컨버터(converter)를 개시한다.
본 발명의 목적은, 전술된 유형의 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소가 더욱 효율적으로 턴 오프될 수 있는 방법에 대한 해결책을 특정하는 것이다.
이러한 목적은 개개의 독립 청구항들에 따른 특징들을 갖는 제어 디바이스에 의하여, 반도체 모듈에 의하여 그리고 방법에 의하여 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명의 유리한 확장들은 종속 청구항들의 발명의 요지이다.
바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위해 본 발명에 따른 제어 디바이스가 사용된다. 이 경우, 제어 디바이스는, 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자에 전압을 인가하도록, 그리고 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위하여, 제1 전압 값으로부터 제2 전압 값으로 전압을 감소시키도록 설계된다. 제어 디바이스는 또한, 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위해, 먼저, 제1 전압 값으로부터 불포화화(desaturation) 값으로 전압을 감소시키도록, 그리고 그런 다음, 불포화화 값으로부터 제2 전압 값으로 전압을 감소시키도록 설계되며, 여기서, 불포화화 값은 전력 반도체 구성요소의 핀치-오프(pinch-off) 전압을 초과한다.
제어 디바이스는, 턴 온되거나 또는 턴 오프될 수 있는 바이폴라 전력 반도체 구성요소를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 제어 디바이스는 제어 회로의 일부일 수 있다. 전력 반도체 구성요소는 특히 절연 게이트 단자(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor))를 갖는 바이폴라 트랜지스터일 수 있다. 제어 디바이스는 전력 반도체 구성요소의 게이트 전극 또는 게이트 단자에 전기적으로 연결된다. 또한, 제어 디바이스가, 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자에 연결되는 게이트 저항기를 갖는 것이 제공될 수 있다. 제어 디바이스는, 상이한 전압 값들을 갖는 전압들을 제공하기 위해 그리고/또는 이 상이한 전압 값들을 갖는 전압들을 게이트 단자에 인가하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 전압 값을 갖는 전압이, 전력 반도체 구성요소를 턴 온(turn on)하기 위하여 게이트 단자에 인가될 수 있다. 제1 전압 값을 갖는 전압이 게이트 단자에 인가되면, 특히, 전력 반도체 구성요소의 게이트-이미터(gate-emitter) 전압이 임계치를 초과하는 것이 제공된다. 이 경우, 전력 반도체 구성요소는 전도 상태에 있다. 전력 반도체 구성요소가 턴 오프되어야 할 때, 전압은 제어 디바이스에 의하여 제1 전압 값으로부터 제2 전압 값으로 감소된다.
본 발명의 필수적인 양상에 따르면, 제어 디바이스에 의하여, 게이트 단자에서의 전압이 먼저 제1 전압 값으로부터 불포화화 값으로 감소되고, 그런 다음, 제2 전압 값으로 감소되는 것이 제공된다. 그러므로, 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위해, 게이트 단자에서의 전압 또는 게이트-이미터 전압은 직접적으로 제2 전압 값으로 감소되는 것이 아니라, 전압은 초기에 불포화화 값으로 세팅된다. 이 불포화화 값은 제1 전압 값 미만이고, 제2 전압 값을 초과한다. 다시 말해서, 실제 턴-오프 프로세스 직전에, 게이트 단자에 불포화화 펄스(pulse)가 제공된다. 이 불포화화 펄스는 전력 반도체 구성요소의 게이트 또는 게이트 단자를, 전력 반도체 구성요소의 컷-오프(cut-off) 전압을 약간 초과하는 전압으로 방전시킨다. 이 컷-오프 전압은 핀치-오프 전압으로 또한 지칭될 수 있다. 전력 반도체 구성요소에 핀치-오프-전압이 존재하면, 전력 반도체 구성요소의 하나의 채널(channel)이 제약된다(constricted). 게이트 단자에서의 전압이 먼저 불포화화 값으로 감소되기 때문에, 전력 반도체 구성요소 내의 전하 운반체 농도는 감소될 수 있다. 그러므로, 전력 반도체 구성요소의 턴-오프 프로세스 동안, 전력 반도체 구성요소로부터 더 적은 전하가 제거될 필요가 있다. 이는, 전력 반도체 구성요소를 턴 오프할 때의 턴-오프 손실들이 감소될 수 있게 하고, 그러므로 턴-오프 프로세스는 더욱 효율적으로 수행될 수 있다.
제어 디바이스는 제1 전압 값을 갖는 전압을 게이트 단자에 인가하기 위한 제1 스위치(switch) 및 제2 전압 값을 갖는 전압을 게이트 단자에 인가하기 위한 제2 스위치를 갖는다. 제1 스위치와 제2 스위치는 서로 독립적으로 활성화될 수 있다. 제1 스위치는 제1 전압 값을 갖는 전압에 게이트 단자를 연결하기 위해 사용된다. 동일한 방식으로, 제2 스위치는 제2 전압 값을 갖는 전압에 게이트 단자를 연결하기 위해 사용된다. 개개의 스위치들을 사용하여, 예컨대, 제1 전압 값 또는 제2 전압 값을 갖는 전압을 제공하는 전압원과 게이트 단자 사이의 전기 연결을 스위칭(switch)하는 것이 가능하다. 또한, 게이트 단자가 스위치들에 의하여 전압 싱크(sink)에 연결되는 것이 제공될 수 있다.
제어 디바이스는, 제1 스위치 및/또는 제2 스위치를 주기적으로 활성화하도록, 그리고 제1 스위치의 활성화 및/또는 제2 스위치의 활성화를 위한 듀티 사이클(duty cycle)을 특정함으로써, 전압을 불포화화 값으로 세팅(set)하도록 설계된다. 다시 말해서, 게이트 단자에서의 전압은 펄스-폭 변조된 형태로 제공될 수 있다. 그러므로, 게이트-이미터 전압의 하락은 펄스-폭 변조에 의해 달성될 수 있다. 적절한 마크-스페이스 비(mark-to-space ratio)를 사용함으로써, 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자에서의 전압은 불포화화 값으로 세팅될 수 있다. 이는 게이트 단자에서의 전압의 신뢰성 있는 조정을 가능하게 한다.
제어 디바이스는 바람직하게는, 특정 펄스 지속기간 동안 불포화화 값을 갖는 전압을 게이트 단자에 인가하도록 설계된다. 특히, 전력 반도체 구성요소에서의 전하 운반체들의 수가 감소될 때까지, 전압이 불포화화 값으로 게이트 단자에 인가되거나 또는 유지되는 것이 제공된다. 불포화화 값을 갖는 전압이 전력 반도체 구성요소에 인가되는 동안, 과잉 전하는 부하 전류에 의해 즉시 제거된다. 동시에, 비록 훨씬 더 느린 레이트(rate)로 발생하지만, 전하 운반체들은 재결합한다. 이 시간 동안, 순방향 전압이 또한 증가한다. 이 경우, 불포화화 값을 갖는 전압이 전력 반도체 구성요소에 인가되는 펄스 지속기간은 미리 정의된다. 펄스 지속기간은 예컨대 이전 측정들에 기초하여 정의될 수 있다. 이는 효율적인 턴-오프 프로세스가 달성될 수 있게 한다.
추가적인 구성에 따르면, 제어 디바이스는 턴-오프 프로세스 동안 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자와 이미터 단자 사이의 게이트-이미터 전압을 측정하기 위한 측정 유닛을 포함하며, 제어 디바이스는 게이트-이미터 전압에 기초하여 펄스 지속기간을 결정하도록 설계된다. 그러므로, 턴-오프 프로세스 동안 게이트-이미터 전압이 연속적으로 측정되는 것이 제공될 수 있다. 게이트-이미터 전압은, 제어 디바이스에 의하여 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자에 인가되는 전압을 설명한다. 따라서, 제어 디바이스에 의한 전압의 출력 또는 게이트-이미터 전압은 연속적으로 결정될 수 있고, 결과적으로, 펄스 지속기간이 정밀하게 세팅될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 제어 디바이스는 전력 반도체 구성요소의 콜렉터(collector) 단자에서의 콜렉터 전류를 측정하기 위한 측정 유닛을 포함하며, 제어 디바이스는 콜렉터 전류에 기초하여 불포화화 값을 결정하도록 설계된다. 이미 설명된 바와 같이, 불포화화 값은 전력 반도체 구성요소의 핀치-오프 전압에 기초하여 결정될 수 있다. 핀치-오프 전압은 콜렉터 전류와 게이트-이미터 전압 사이의 관계로부터 결정될 수 있다. 특히, 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 전에 콜렉터 전류가 측정되며, 그리고 불포화화 값 또는 불포화화 값을 갖는 전압은, 핀치-오프 전압에 값이 매우 근접하도록 또는 핀치-오프 전압을 최소로만 초과하도록 결정되는 것이 제공된다. 이로써, 불포화화 값은 신뢰성 있게 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위하여, 제어 디바이스는 제1 스위치를 개방하고, 그런 다음, 제1 시간 간격 동안 제2 스위치를 폐쇄하고, 그런 다음, 제2 시간 간격 동안 제2 스위치를 개방하며, 후속하여, 제2 스위치를 폐쇄하도록 설계된다. 예컨대, 제1 스위치가 제1 시간에 폐쇄될 수 있고, 동시에 제2 스위치가 개방될 수 있다. 제1 시간 간격 후에, 제2 스위치는 다시 개방될 수 있다. 그러므로, 제2 스위치는 제2 시간 간격 동안 개방된 상태로 유지된다. 제1 시간 간격 및 제2 시간 간격은, 전체적으로 게이트 단자에서의 전압에 대한 불포화화 값이 획득되도록 선정된다. 제1 시간 간격과 제2 시간 간격의 합은 특히 펄스 지속기간에 대응한다. 제2 시간 간격은 고-임피던스(high-impedance) 활성화의 시간 간격, 또는 고-임피던스 게이트 저항으로의 스위치-오버(switch-over)를 표현한다. 그런 다음, 불포화화 펄스 후에, 게이트를 완전히 방전시키기 위하여, 제2 스위치는 제2 시간에 다시 개방될 수 있다. 그러므로, 제1 스위치 및 제2 스위치를 사용하여, 게이트 단자에서의 전압이 제어될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 제어 디바이스는 불포화화 값을 갖는 전압을 인가하기 위한 제3 스위치를 가지며, 제어 디바이스는, 제1 시간에 제1 스위치를 개방하고 제3 스위치를 폐쇄하며, 그리고 제2 시간에 제3 스위치를 개방하고 제2 스위치를 폐쇄하도록 설계된다. 전력 반도체 구성요소가 전도 상태에 있을 때, 제1 스위치는 폐쇄된다. 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위해, 제1 시점에, 제1 스위치가 개방되고 동시에 제3 스위치가 폐쇄된다. 그러므로, 불포화화 값을 갖는 전압이 게이트 단자에 인가된다. 전력 반도체 구성요소에서의 전하 운반체들의 수를 감소시킨 후에, 제2 시점에, 제3 스위치가 개방되고 제2 스위치가 폐쇄된다. 그러므로, 제2 전압 값을 갖는 전압이 게이트 단자에 인가된다. 그러므로, 전력 반도체 구성요소는 감소된 스위칭 손실들로 턴 오프될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 제어 디바이스는 제1 전압 값을 갖는 전압, 불포화화 값을 갖는 전압 및 제2 전압 값을 갖는 전압을 제공하기 위한 아날로그(analog) 증폭기를 갖는다. 아날로그 증폭기는 아날로그 전력 증폭기단으로서 설계될 수 있으며, 이에 의하여, 게이트 단자에서의 전압이 연속적으로 조정될 수 있다. 그러한 유형의 전력 증폭기를 이용하여, 넓은 범위에 걸쳐 최적화된 게이트 전압 궤적들을 조정하는 것이 이론적으로 가능하다. 그러므로, 제어될 전력 반도체 구성요소의 전류 및/또는 전압 과도(transient)들의 조절이 가능하다.
본 발명에 따른 반도체 모듈은 본 발명에 따른 제어 디바이스 및 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 포함한다. 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위해 본 발명에 따른 제어 디바이스가 사용된다. 전력 반도체 구성요소는 특히 절연 게이트 전극 또는 절연 게이트 단자를 갖는 바이폴라 트랜지스터일 수 있다. 그러므로, 전력 반도체 구성요소는 IGBT로서 설계될 수 있다. 반도체 구성요소는 예컨대 컨버터일 수 있다. 특히, 불포화화 값을 갖는 전압이 전력 반도체 구성요소에 인가되는 동안의 펄스 지속기간이 컨버터의 제어기에서 고려되는 것 ―그 이유는 이것이 부가적인 턴-오프 지연으로 작용하기 때문임― 이 제공된다.
바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소를 구동하기 위해 본 발명에 따른 방법이 사용된다. 제어 디바이스에 의하여, 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자에 전압이 인가되며, 그리고 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위하여, 전압은 제1 전압 값으로부터 제2 전압 값으로 감소된다. 이 경우, 전력 반도체 구성요소를 턴 오프하기 위한 전압이 먼저 제1 전압 값으로부터 불포화화 값으로 감소되고, 그런 다음, 전압 값이 불포화화 값으로부터 제2 전압 값으로 감소되며, 불포화화 값은 전력 반도체 구성요소의 핀치-오프 전압을 초과하는 것이 제공된다.
본 발명에 따른 제어 디바이스와 관련하여 설명된 장점들 및 개량들은, 본 발명에 따른 반도체 모듈 및 본 발명에 따른 방법에 준용하여 적용된다.
이제, 본 발명은 바람직한 예시적인 실시예들에 기반하여 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 도면들은 다음을 도시한다:
도 1은 선행 기술에 따라 전력 반도체 구성요소를 턴 오프할 때 전력 반도체 구성요소의 게이트 방전 저항기 전의 게이트 단자에서의 전압의 시간 파형이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 전력 반도체 구성요소를 턴 오프할 때 전력 반도체 구성요소의 게이트 단자에서의 전압의 시간 파형이고;
도 3은 핀치-오프 전압, 및 전압의 불포화화 값의 파형이고;
도 4는 제1 실시예에 따른, 제어 디바이스 및 전력 반도체 구성요소를 포함하는 반도체 모듈이고;
도 5는 시간의 함수로써 도 4에 따른 제어 디바이스의 스위치들의 스위칭 특성들이고;
도 6은 다른 실시예에 따른, 제어 디바이스를 갖는 반도체 모듈이고;
도 7은 제1 실시예에서 도 6에 따른 제어 디바이스의 스위치들의 스위칭 특성들이고;
도 8은 제2 실시예에서 도 6에 따른 제어 디바이스의 스위치들의 스위칭 특성들이며; 그리고
도 9는 다른 실시예에 따른, 제어 디바이스를 갖는 반도체 모듈이다.
도면들에서, 동일한 그리고 기능적으로 등가인 엘리먼트(element)들은 동일한 참조 부호들에 의해 표시된다.
도 1은 전력 반도체 구성요소(1)가 턴 오프되고 있는 동안 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트 단자에 존재하는, 시간(t)의 함수로써 전압(U)의 파형을 도시한다. 전압(U)은, 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트 단자와 제어 디바이스(2) 사이에 대개 배열되는 가능한 게이트 방전 저항기 전의 전압을 설명한다. 이 경우, 도 1에서 도시되는 전압(U)의 파형은 선행 기술에 따른 턴-오프 프로세스를 설명한다. 전력 반도체 구성요소(1)가 턴 온되면(turned on), 제1 전압 값(UB +)을 갖는 전압(U)이 게이트 단자에 존재한다. 제1 전압 값(UB +)은 양의 전압일 수 있다. 전력 반도체 구성요소(1)가 턴 오프될 때, 전압(U)은 제1 전압 값(UB +)으로부터 제2 전압(UB-)으로 감소된다. 제2 전압 값(UB -)에는 예컨대 음의 전압이 할당될 수 있다. 높은 전하 운반체 농도를 갖는 전도 상태로부터 무-전압 상태로의 직접적인 전이는 비교적 높은 턴-오프 손실들을 야기한다.
이와 비교하여, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 프로세스에 대한 시간(t)의 함수로써 전압(U)의 파형을 도시한다. 이 경우, 게이트 단자에서의 전압(U)은 먼저 제1 전압(UB +)으로부터 불포화화 값(USat)으로, 그리고 후속하여 제2 전압(UB-)으로 감소된다. 불포화화 값(USat)을 갖는 전압(U)은 미리 정의된 펄스 지속기간(tP) 동안 게이트 단자에 존재한다. 펄스 지속기간(tp)은 제1 시간(t1)에서 시작하고, 제2 시간(t2)에 종료한다. 게이트 단자에서의 전압(U)이 먼저 불포화화 값(USat)으로 감소되기 때문에, 전하 운반체 농도는 전력 반도체 구성요소(1)의 실제 턴-오프 프로세스 전에 감소될 수 있다. 그 결과, 턴-오프 프로세스 동안 전력 반도체 구성요소(1)로부터 더 적은 전하가 제거될 필요가 있다. 그러므로, 턴-오프 손실들이 감소된다.
이 불포화화 값(USat)은 전력 반도체 구성요소(1)의 부하 전류-의존 컷-오프 전압(UP)을 약간 초과하는 값을 갖도록 결정된다. 이 컷-오프 전압(UP)은 또한, 핀치-오프 전압으로 지칭될 수 있다. 도 3은 불포화화 전압 값(USat)의 파형과 함께 핀치-오프 전압 값(UP)의 파형을 도시한다. 이 경우 도 3의 다이어그램(diagram)은 콜렉터 전류(IC)의 함수로써 게이트-이미터 전압(UGE)을 도시한다. 불포화화 값(USat)은 적어도 최대 예상 핀치-오프 전압(UP)에 대응하는 특정된 레벨(level)을 가질 수 있다. 불포화화 값(USat)은 또한, 턴 오프하기 전에 콜렉터 전류(IC)가 측정되는 것에 기인하여, 핀치-오프 전압(UP)에 매우 근접하게 세팅될 수 있다. 그러나, 이는 조정가능한 전압원 또는 전압 싱크(sink)를 필요로 한다.
도 4는 제1 실시예에 따른 반도체 모듈(3)을 도시한다. 반도체 모듈(3)은 제어 디바이스(2) 및 전력 반도체 구성요소(1)를 포함한다. 전력 반도체 구성요소(1)는 종래의 또는 역-전도 IGBT로서 구현될 수 있다. 본 경우, 전력 반도체 구성요소(1)에 대해, 역-전도 IGBT의 예시적인 등가 회로 다이어그램이 도시된다. 이 예시적인 실시예에서, 제어 디바이스(2)는 제1 스위치(S1)를 포함하며, 제1 스위치(S1)에 의하여, 전력 반도체 구성요소(1)는 제1 전압 값(UB +)을 갖는 전압(U)에 제1 저항기(R1)를 통해 연결될 수 있다. 또한, 제어 디바이스(2)는 제2 스위치(S2)를 포함하며, 제2 스위치(S2)에 의하여, 전력 반도체 구성요소(1)는 제2 전압 값(UB -)을 갖는 전압(U)에 제2 저항기(R2)를 통해 연결될 수 있다. 또한, 제어 디바이스(2)는 제3 스위치(S3)를 포함하며, 제3 스위치(S3)에 의하여, 전력 반도체 구성요소(1)는 불포화화 값(USat)을 갖는 전압(U)에 제3 저항기(R3)를 통해 연결될 수 있다.
도 5는 시간(t)의 함수로써 도 4에 따른 제어 디바이스(2)의 스위치들(S1, S2 및 S3)의 스위칭 특성들을 도시한다. 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프하기 위해, 제1 스위치(S1)는 제1 시점(t1)에 개방된다. 동시에, 제3 스위치(S3)가 폐쇄된다. 이는 포화 펄스가 펄스 지속기간(tP) 동안 개시되게 한다. 전력 반도체 구성요소(1)에서의 전하 운반체들의 수를 감소시킨 후에, 제2 시간(t2)에 제2 스위치(S2)만을 활성화시킴으로써, 전력 반도체 구성요소(1)는 감소된 전하 운반체 농도 및 그에 따른 감소된 스위칭 손실들로 턴 오프된다.
도 6은 추가적인 실시예에 따른 반도체 모듈(3)을 도시한다. 이 경우, 제어 디바이스(2)는 도 4에 따른 스위칭 디바이스(2)와 관련하여 설명된 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)만을 포함한다. 이 경우, 불포화화 값(USat)의 부가적인 전압 레벨은 요구되지 않는다. 아래에서 설명된 바와 같이, 게이트-이미터 전압(UGE)의 감소는, 게이트의 짧고 불완전한 방전에 의해 수행될 수 있다.
도 7은 제1 실시예에 따른, 시간(t)의 함수로써 도 6에 따른 제어 디바이스(2)의 스위치들(S1 및 S2)의 스위칭 특성들을 도시한다. 이 경우, 제1 스위치(S1)를 비활성화하고 제2 스위치(S2)를 짧게 활성화함으로써, 게이트에서의 전압(U)은 불포화화 값(USat)이 된다. 제1 시간(t1)에, 제1 스위치(S1)가 개방되고, 제2 스위치(S2)는 제1 시간 간격(td1) 동안 폐쇄된다. 제1 시간 간격(td1)은 고정된 값으로서 특정될 수 있거나, 또는 게이트-이미터 전압의 측정에 의해 결정될 수 있다. 또한, 이 목적을 위해, 콜렉터-이미터 전압의 연관된 증가를 검출하는 것이 가능할 것이다. 불포화화 값(USat)에 도달한 후에, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 둘 모두는 제2 시간 간격(td2) 동안 비활성화되고, 그러므로 제어는 고 임피던스로 세팅된다. 또한, 대안적으로, 고-임피던스 게이트 저항으로 스위칭 오버(switching over)함으로써, 더 작은 게이트 전류가 세팅될 수 있다. 펄스 지속기간(tP) 동안 존재하는 불포화화 값(USat) 후에, 제2 스위치(S2)의 활성화에 따라 제2 시간(t2)에 스위칭 동작이 계속된다.
도 8은 제2 실시예에 따른, 시간(t)의 함수로써 도 6에 따른 제어 디바이스(2)의 스위치들(S1 및 S2)의 스위칭 특성들을 도시한다. 이 경우, 게이트-이미터 전압(UGE)은 펄스-폭 변조에 의해 달성된다. 적절한 마크-스페이스 비를 사용함으로써, 불포화화 값(USat)이 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트 단자에 세팅된다. 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트가, 제2 스위치(S2)를 사용하여 제2 전압(UB-)으로 방전되기 전에, 펄스-폭 변조에 의하여, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 활성화에 의해 불포화화 펄스가 개시된다. 이 경우, 불포화화 값(USat)은, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 대응하는 듀티 사이클을 이용하여 조정된다.
도 9는 추가적인 실시예에 따른 반도체 모듈(3)을 도시한다. 이 경우, 제어 유닛(2)은 아날로그 증폭기(4) 또는 아날로그 전력 증폭기단을 포함한다. 증폭기(4)는 제1 트랜지스터(T1)를 포함하며, 제1 트랜지스터(T1)를 통해, 제1 전압 값(UB+)을 갖는 전압(U)이 저항기(R)를 통해 전력 반도체 구성요소에 인가될 수 있다. 또한, 증폭기(4)는 제2 트랜지스터(T2)를 포함하며, 제2 트랜지스터(T2)를 통해, 제2 전압 값(UB -)을 갖는 전압(U)이 전력 반도체 구성요소(1)에 인가될 수 있다. 증폭기(4)를 사용함으로써, 전압(U)은 연속적으로 조정될 수 있다. 따라서, 도 2와 관련하여 설명된 전압(U)의 파형이 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트 단자에 인가될 수 있다.
제어 디바이스(2)의 사용에 의해 또는 턴-오프 특성들을 통해, 디바이스를 턴 오프할 때의 전력 반도체 구성요소(1)에 대한 필드-강도(field-strength) 부하가 감소되는데, 그 이유는 불포화화 값(USat)에 기인하여, 전력 반도체 구성요소(1)에서의 전하 운반체 농도가 감소되기 때문이다. 특히, 필드 강도 제한치들을 초과하지 않고, 더 높은 게이트 방전 전류에 의한 더 높은 스위칭 속도들을 설명하는 견고성(robustness) 제한치들 또는 안전 동작 범위를 활용할 때, 스위칭 손실들이 상당히 감소될 수 있다. 특히, 이는, 전력 반도체 구성요소(1)의 주 단자들에서의 전압의 증가율이 애플리케이션(application)에 의해 제한되지 않으면, 이용될 수 있다. 설명된 반도체 모듈들(3)은 특히 컨버터의 일부를 형성할 수 있다. 그러므로, 스위칭 손실들의 감소에 기인하여, 컨버터의 효율이 증가될 수 있다.

Claims (8)

  1. 바이폴라 스위칭가능(bipolar switchable) 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(device)(2)로서,
    상기 제어 디바이스(2)는, 상기 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트(gate) 단자에 전압(U)을 인가하도록, 그리고 상기 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프(turn off)하기 위하여, 제1 전압 값(UB +)으로부터 제2 전압 값(UB -)으로 상기 전압(U)을 감소시키도록 설계되며, 상기 제어 디바이스(2)는, 상기 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프하기 위해, 먼저, 상기 제1 전압 값(UB +)으로부터 불포화화(desaturation) 값(Usat)으로 상기 전압(U)을 감소시키도록, 그리고 그런 다음, 상기 불포화화 값(Usat)으로부터 상기 제2 전압 값(UB -)으로 상기 전압(U)을 감소시키도록 설계되며, 상기 불포화화 값(Usat)은 상기 전력 반도체 구성요소(1)의 핀치-오프(pinch-off) 전압(UP)을 초과하며, 상기 제어 디바이스(2)는 상기 제1 전압 값(UB +)을 갖는 전압(U)을 상기 게이트 단자에 인가하기 위한 제1 스위치(switch)(S1) 및 상기 제2 전압 값(UB -)을 갖는 전압(U)을 상기 게이트 단자에 인가하기 위한 제2 스위치(S2)를 가지며,
    상기 제어 디바이스(2)는, 상기 제1 스위치(S1) 및/또는 상기 제2 스위치(S2)를 주기적으로 활성화하도록, 그리고 상기 제1 스위치(S1)의 활성화 및/또는 상기 제2 스위치(S2)의 활성화를 위한 듀티 사이클(duty cycle)을 특정함으로써, 상기 전압(U)을 상기 불포화화 값(Usat)으로 세팅(set)하도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(2).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(2)는 특정 펄스(pulse) 지속기간(tP) 동안 상기 불포화화 값(USat)을 갖는 전압(U)을 상기 게이트 단자에 인가하도록 설계되는,
    바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(2).
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(2)는 턴-오프 프로세스(turn-off process) 동안 상기 전력 반도체 구성요소(1)의 상기 게이트 단자와 이미터(emitter) 단자 사이의 게이트-이미터 전압(UGE)을 측정하기 위한 측정 유닛(unit)을 포함하며, 상기 제어 디바이스(2)는 상기 게이트-이미터 전압(UGE)에 기초하여 상기 펄스 지속기간(td)을 결정하도록 설계되는,
    바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(2).
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(2)는 상기 전력 반도체 구성요소(1)의 콜렉터(collector) 단자에서의 콜렉터 전류(IC)를 측정하기 위한 측정 유닛을 포함하며, 상기 제어 디바이스(2)는 상기 콜렉터 전류(IC)에 기초하여 상기 불포화화 값(USat)을 결정하도록 설계되는,
    바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(2).
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(2)는 상기 제1 전압 값(UB +)을 갖는 전압(U), 상기 불포화화 값(USat)을 갖는 전압(U) 및 상기 제2 전압 값(UB -)을 갖는 전압(U)을 제공하기 위한 아날로그(analog) 증폭기(4)를 포함하는,
    바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제어 디바이스(2).
  6. 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1), 및 상기 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 따른 제어 디바이스(2)를 갖는,
    반도체 모듈(module)(3).
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)는 절연 게이트 단자를 갖는 바이폴라 트랜지스터(transistor)인,
    반도체 모듈(3).
  8. 바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 방법으로서,
    제어 디바이스(2)에 의하여, 상기 전력 반도체 구성요소(1)의 게이트 단자에 전압(U)이 인가되고, 그리고 상기 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프하기 위하여, 상기 전압(U)은 제1 전압 값(UB +)으로부터 제2 전압 값(UB -)으로 감소되며, 상기 전력 반도체 구성요소(1)를 턴 오프하기 위하여, 상기 전압(U)은 먼저, 상기 제1 전압 값(UB +)으로부터 불포화화 값(Usat)으로 감소되고, 상기 전압(U)은 그런 다음, 상기 불포화화 값(Usat)으로부터 상기 제2 전압 값(UB -)으로 감소되며, 상기 불포화화 값(Usat)은 상기 전력 반도체 구성요소(1)의 핀치-오프 전압(UP)을 초과하며, 상기 제어 디바이스(2)는 상기 제1 전압 값(UB +)을 갖는 전압(U)을 상기 게이트 단자에 인가하기 위한 제1 스위치(S1) 및 상기 제2 전압 값(UB -)을 갖는 전압(U)을 상기 게이트 단자에 인가하기 위한 제2 스위치(S2)를 가지며,
    상기 제1 스위치(S1) 및/또는 상기 제2 스위치(S2)는 주기적으로 활성화되며, 그리고 상기 제1 스위치(S1)의 활성화 및/또는 상기 제2 스위치(S2)의 활성화를 위한 듀티 사이클을 특정함으로써, 상기 전압(U)은 상기 불포화화 값(Usat)으로 세팅되는(set) 것을 특징으로 하는,
    바이폴라 스위칭가능 전력 반도체 구성요소(1)를 구동하기 위한 방법.
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