KR20200056318A - 서지 검출을 사용하여 부스트 회로에서 트랜지스터를 보호하는 기법 - Google Patents

서지 검출을 사용하여 부스트 회로에서 트랜지스터를 보호하는 기법 Download PDF

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Abstract

부스트 변환기 회로 및 이를 작동시키는 방법이 제공된다. 부스트 변환기 회로는, 정류기 입력에서의 교류(AC) 전압을 정류기 출력에서의 정류된 전압으로 변환하도록 구성된 브리지 정류기와, 브리지 정류기와 DC 링크 캐패시터 사이에 연결되고, DC 링크 캐패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위해 제어 신호를 수신하도록 구성된 트랜지스터 스위치와, 정류기 출력에 연결되고, 측정된 정류된 전압에 기초하여 서지 이벤트를 검출하기 위해 정류된 전압을 측정하도록 구성된 서지 전압 검출 회로와, 제어 신호를 트랜지스터 스위치에 출력하도록 구성된 게이트 제어기를 포함하되, 서지 이벤트가 발생하면, 게이트 제어기는 제어 신호를 통해 사전결정된 지연 기간 동안 트랜지스터 스위치를 턴오프하도록 구성된다.

Description

서지 검출을 사용하여 부스트 회로에서 트랜지스터를 보호하는 기법{TRANSISTOR PROTECTION IN A BOOST CIRCUIT USING SURGE DETECTION}
본 개시는 일반적으로 트랜지스터를 보호하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 서지 검출을 사용하여 부스트 회로 토폴로지에서 트랜지스터를 보호하는 것에 관한 것이다.
전기 에너지 변환 및 전기 모터 또는 전기 머신 구동과 같은 자동차, 소비자 및 산업 응용례에서 현대 디바이스의 다수의 기능은 전력 반도체 디바이스에 의존한다. 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 및 다이오드는 전력 공급 장치 및 전력 변환기의 스위치를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 응용례에서 사용되었다.
전력 반도체 디바이스는 일반적으로 디바이스의 2개의 부하 단자 구조 사이의 부하 전류 경로를 따라 부하 전류를 전도하도록 구성된 반도체 구조를 포함한다. 또한, 부하 전류 경로는 때때로 게이트 전극으로 지칭되는 제어 전극에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 구동 유닛으로부터 대응하는 제어 신호를 수신하면, 제어 전극은 전력 반도체 디바이스를 전도 상태와 차단 상태 중 하나로 설정할 수 있다.
부스트 회로 토폴로지에서, 부스트 회로의 부하 전류 및 출력 전압을 제어하는 데 사용되는 스위치로서 하나 이상의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 부스트 회로의 입력에서 서지 전압이 발생하는 경우, 부스트 회로에 제공된 인덕터와 캐패시터 사이의 공진으로 인해 서지 전류(즉, 과전류)가 발생할 수도 있다. 전형적인 시스템에서, 스위치 트랜지스터는 트랜지스터와 직렬로 배치된 전류 센서(예를 들어, 션트 저항기)를 통해 이 과전류가 감지될 때까지 계속 작동된다. 그러나, 과전류가 검출되었을 때 과전류는 이미 트랜지스터를 통과하였다. 결과적으로, 높은 전류(전류 포화)로 인한 과열로 인해 트랜지스터가 이미 손상되었을 수 있다.
따라서, 서지 이벤트의 조기 검출 능력을 갖는 개선된 디바이스가 바람직할 수 있다.
서지 검출을 이용하여 부스트 회로 토폴로지에서 트랜지스터를 보호하는 시스템, 디바이스 및 방법이 제공된다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 부스트 변환기 회로가 제공된다. 부스트 변환기 회로는, 정류기 입력 및 정류기 출력을 포함하고, 정류기 입력에서의 교류(AC) 전압을 정류기 출력에서의 정류된 전압으로 변환하도록 구성된 브리지 정류기와, 정류된 전압에 기초하여 DC 출력 전압을 전달하도록 구성된 직류(DC) 링크 캐패시터와, 브리지 정류기와 DC 링크 캐패시터 사이에 연결되고, DC 링크 캐패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위해 제어 신호를 수신하도록 구성된 트랜지스터 스위치와, 정류기 출력에 연결되고, 측정된 정류된 전압에 기초하여 서지 이벤트를 검출하기 위해 정류된 전압을 측정하도록 구성된 서지 전압 검출 회로와, 제어 신호를 트랜지스터 스위치에 출력하도록 구성된 게이트 제어기를 포함하되, 서지 이벤트가 발생하면, 게이트 제어기는 제어 신호를 통해 사전결정된 지연 기간 동안 트랜지스터 스위치를 턴오프하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 부스트 변환기 회로에서 트랜지스터 스위치를 제어하는 방법이 제공된다. 방법은 정류기 입력에서의 교류(AC) 전압을 정류기 출력에서의 정류된 전압으로 변환하는 단계와, DC 링크 캐패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위해 제어 신호에 기초하여 트랜지스터 스위치의 스위칭 상태를 제어하는 단계와, 정류기 출력에서 정류된 전압을 측정하는 단계와, 측정된 정류된 전압에 기초하여 서지 이벤트를 검출하는 단계와, 서지 이벤트의 검출에 응답하여, 사전결정된 지연 기간 동안 트랜지스터 스위치를 턴오프하는 단계를 포함한다.
실시예는 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명된다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(100)의 개략도를 도시한다.
도 2는 서지 이벤트 동안 전압(Vrect) 및 인덕터 전류(Iinductor)의 정규화 파형을 도시한다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 서지 전압 검출기 회로의 다양한 예의 회로 개략도를 도시한다.
도 4는 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(400)의 개략도를 도시한다.
도 5는 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(500)의 개략도를 도시한다. 과
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(600)의 개략도를 도시한다.
이하에서, 예시적인 실시예에 대한 보다 상세한 설명을 제공하기 위해 세부 사항이 제시된다. 그러나, 실시예가 이들 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 잘 알려진 구조체 및 디바이스는 상세하게 보다는 실시예를 모호하지 않게 하기 위해 블록도 형태나 개략도로 도시된다. 또한, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 이하에 설명된 상이한 실시예의 특징은 서로 조합될 수 있다.
또한, 균등하거나 동일한 요소 또는 균등하거나 동일한 기능을 갖는 요소는 이하의 설명에서는 균등하거나 동일한 도면 부호로 표시된다. 도면에서 동일하거나 기능적으로 균등한 요소에는 동일한 도면 부호가 주어지므로, 동일한 도면 부호가 제공된 요소에 대한 반복된 설명은 생략될 수 있다. 따라서, 도면 부호가 같거나 동일한 요소에 대해 제공되는 설명은 상호 교환 가능하다.
이와 관련하여, "상단", "하단", "아래", "전방", "후방", "뒤", "선단", "후단", "아래", "위" 등과 같은 방향성 용어는 설명되는 도면의 방향을 기준으로 하여 사용될 수 있다. 실시예의 부분들이 다수의 상이한 방향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향성 용어는 예시의 목적으로 사용될 뿐, 결코 제한하는 것은 아니다. 청구범위에 의해 정의된 범주를 벗어나지 않고 다른 실시예가 이용될 수 있고 구조적 또는 논리적 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "결합된" 것으로 언급될 때, 이것은 다른 요소에 직접 연결 혹은 결합될 수 있거나, 또는 개재된 요소가 존재할 수 있음을 이해할 것이다. 이와 달리, 요소가 다른 요소에 "직접 연결"되거나 "직접 결합"되어 있다고 언급된 경우에는, 중간에 다른 요소가 존재하지 않는다. 요소 간의 관계를 설명하기 위해 사용된 다른 단어는 동일한 방식으로 해석되어야 한다(예컨대, "사이에"에 비한 "사이에 직접", "인접한"에 비한 "직접 인접한" 등).
본 명세서에 설명되거나 도면에 도시된 실시예에서, 예컨대, 소정 종류의 신호를 송신하거나 소정 종류의 정보를 송신하기 위한 연결 또는 결합의 일반적인 목적이 본질적으로 유지되는 한, 임의의 직접적인 전기 연결 또는 결합, 즉, 추가의 개재 요소가 없는 임의의 연결 또는 결합은 또한 간접 연결 또는 결합, 즉, 하나 이상의 추가적인 개재 요소와의 연결 또는 결합에 의해 구현될 수 있으며, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지로 구현될 수 있다. 다른 실시예로부터의 특징은 추가 실시예를 형성하기 위해 조합될 수 있다. 예를 들어, 실시예 중 하나와 관련하여 설명된 변형 또는 변경은, 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
신호 처리 회로 및/또는 신호 조정 회로는 하나 이상의 구성요소로부터 하나 이상의 신호(즉, 측정 신호)를 미가공(raw) 측정 데이터의 형태로 수신할 수 있고, 측정 신호로부터 추가 정보를 도출할 수 있다. 본 명세서에 설명된 신호 조정은 신호가 추가 처리를 위한 다음 단계의 요구사항을 충족시키는 방식으로 아날로그 신호를 조작하는 것을 지칭한다. 신호 조정은 (예를 들어, 아날로그-디지털 변환기를 통해) 아날로그에서 디지털로 변환, 증폭, 필터링, 변환, 바이어싱, 범위 매칭, 격리 및 조정 후 처리에 적합한 신호를 만들기 위해 필요한 임의의 다른 프로세스를 포함할 수 있다.
따라서, 신호 처리 회로는 하나 이상의 구성요소로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-to-Digital Converter)를 포함할 수 있다. 신호 처리 회로는 측정된 값을 임계값과 비교하여 비교 결과를 판정하는 것을 포함하는 디지털 신호에 대한 일부 처리를 수행하는 디지털 신호 프로세서(DSP: Digital Signal Processor)도 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 특정 실시예는 전력 변환기 또는 전력 공급 장치 내에서 사용될 수 있는 전력 반도체 디바이스에 관한 것이지만, 이에 제한되지 않는다. 따라서, 일 실시예에서, 전력 반도체 디바이스는 각각 부하에 공급되고/되거나 전원에 의해 제공되는 부하 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 디바이스는 모놀리식 통합 다이오드 셀, 및/또는 모놀리식 통합 트랜지스터 셀과 같은 하나 이상의 유효 전력 반도체 셀을 포함할 수 있다. 이러한 다이오드 셀 및/또는 그러한 트랜지스터 셀은 전력 반도체 모듈에 통합될 수 있다.
트랜지스터는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) (예를 들어, Si MOSFET 또는 SiC MOSFET)를 포함할 수 있다. IGBT가 이하의 실시예에서 예로서 사용될 수 있지만, MOSFET이 IGBT를 대체할 수 있고 그 반대도 가능하다는 것이 이해될 것이다. 이와 관련하여, 본 명세서에 설명된 예들 중 어느 한 예에서 IGBT를 MOSFET로 대체할 때, MOSFET의 드레인은 IGBT의 콜렉터를 대체할 수 있고, MOSFET의 소스는 IGBT의 이미터를 대체 할 수 있으며, MOSFET 드레인-소스 전압(VDS)는 IGBT의 콜렉터-이미터 전압(VCE)를 대체할 수 있다. 따라서, 임의의 IGBT 모듈은 MOSFET 모듈로 대체될 수 있으며 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 전력 시스템(100)은 다양한 전력 전자 애플리케이션에서 구현되는 부스트 회로일 수 있다. 예를 들어, 전력 시스템(100)은 부하를 구동하기 위해 전하 펌프, 전력 인버터, SMPS(switched-mode power supply), 모터 또는 전하 펌프용 전력 드라이브 등의 입력단(즉, 구동단)으로서 구현될 수 있다. 본 명세서에 제공된 바와 같이, 부스트 회로는 단일 부스트 회로 또는 복수의 단일 부스트 회로로 구성된 다상 부스트 인터리브 회로를 포함하는 임의의 유형의 부스트 회로 토폴로지를 가질 수 있다. 예를 들어, 2상 인터리브 역률 보상(PFC: power factor correction) 회로가 사용될 수 있다. 또한, "부스트 회로" 및 "부스트 변환기"는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용될 수 있다.
전력 시스템(100)은 구동 회로의 출력단(도시 생략)에 직류(DC) 링크가 제공되는 구동 회로의 입력단일 수 있다. DC 링크에서, DC 전압은 구동 회로의 입력단의 출력으로서 그리고 구동 회로의 출력단에 대한 입력으로서 제공될 수 있다. 여기서, 구동 회로의 출력단은 설명을 위해 부하로 간주될 수 있다.
전력 시스템(100)은 부스트 회로 토폴로지를 가지며 교류(AC) 전압원(1), 입력 브리지 정류기(2), 부스트 인덕터(3), 다이오드(4), 잡음 바이패스 캐패시터(5), DC 링크 캐패시터(10), 트랜지스터(스위치)(6), 전류 감지를 위한 션트 저항기(RSH) 및 게이트 구동 회로(7)를 포함한다. 게이트 구동 회로(7)는 집적 회로(IC)로서 구현될 수 있거나 개별 구성요소로써 실현될 수 있다. 보다 구체적으로, 전력 시스템(100)은 부스트 PFC 변환기일 수 있고, 부스트 인덕터(3), 다이오드(4) 및 트랜지스터(6)는 각각 부스트 PFC 인덕터(3), PFC 다이오드(4) 및 PFC 트랜지스터(6)로 지칭될 수 있다. 부스트 PFC 변환기의 일반적인 목표는 입력 전류(Iac)를 사인파로 만들고 입력 전압(VAC)과 위상을 맞추기 위해 듀티 사이클을 변경하여 PFC 트랜지스터(6)를 빠르게 끄고 켜는 것이다.
또한, 전력 시스템(100)은 서지 전압 검출 회로(8a), 연결 회로(8b) 및 검출 노드(9)를 포함하는 서지 전압 검출기(8)를 포함한다. 연결 회로(8b)는 검출 노드(9)를 게이트 구동 회로(7)에 연결하도록 구성된다.
잡음 바이패스 캐패시터(5)는 DC 링크 캐패시터(10)에 병렬로 결합되고, DC 링크 캐패시터(10)는 DC 부하에 병렬로 더 결합될 수 있다. 대안적으로, 잡음 바이패스 캐패시터(5) 및 DC 링크 캐패시터(10)는 함께 DC 링크 캐패시터로 지칭될 수 있다. 경우에 따라, 잡음 바이패스 캐패시터(5)가 제거될 수 있다.
AC 전압원(1)은 AC 입력 전압(VAC) 및 AC 전류를 입력 브리지 정류기(2)에 공급한다. 입력 브리지 정류기는 AC 입력 전압(VAC) 또는 전류를 DC 공급 전압(Vrect) 또는 전류로 변환하고 (예를 들어, 부하에 DC 전압을 공급하기 위해) DC 링크 캐패시터(10)를 충전하는 다이오드 브리지 정류기일 수 있다. DC 링크 캐패시터(10)는 출력 DC 전압(VDC)을 저장하고, 전압은 그 다음에 부하에 공급될 수 있다.
부스트 변환기에서, 출력 전압은 입력 전압보다 높다. 게이트 구동 회로(7)는 DC 출력에서 부스트된 전압을 조절하기 위해 트랜지스터(6)의 스위칭 상태를 제어하도록 구성된다. 이 예에서, 트랜지스터(6)는 IGBT이며 "스위치" 또는 "트랜지스터 스위치"로 상호교환가능하게 지칭될 수 있다.
부스트 PFC 회로는 두 상태 사이에서 빠르게 순환한다. 제1 상태는 스위치(6)가 닫힐 때 (즉, 트랜지스터(6)가 온 상태에 있을 때) 발생한다. 이 상태에서, 인덕터(3)는 정류기(2)를 통해 회로의 AC 측에 의해 전원 공급되고, 따라서 인덕터 전류(Iinductor)는 증가할 것이다. 동시에, 다이오드(4)는 (그의 애노드가 스위치(6)를 통해 접지에 연결되기 때문에) 역 바이어싱되며, 에너지는 캐패시터(10)에 의해 부하에 제공된다(즉, 캐패시터(10)는 방전됨).
제2 상태는 스위치(6)가 열릴 때 (즉, 트랜지스터(6)가 오프 상태에 있을 때) 발생한다. 이 상태에서, 인덕터(3)는 부하에 에너지를 공급함에 따라 캐패시터를 재충전하기 위해 전원을 차단(인덕터 전류(Iinductor) 감소)한다. 여기서, 인덕터(3)의 극성이 반전될 것이다(이는 인덕터(3)의 좌측이 음의 값일 것임을 의미함). 결과적으로, 2개의 소스가 직렬로 되어 더 높은 전압이 다이오드(4)를 통해 캐패시터(10)를 충전하게 한다.
따라서, 부스트 변환기의 기본 원리는 2개의 별개의 상태로 구성된다. 온 상태에서, 스위치(6)는 폐쇄되어 인덕터 전류가 증가한다. 오프 상태에서, 스위치(6)는 개방되고 인덕터 전류(Iinductor)에 제공되는 유일한 경로는 다이오드(4), 캐패시터(10) 및 부하를 통해서이다. 이는 온 상태 동안 축적된 에너지를 캐패시터로 전달하게 한다.
스위치(6)가 충분히 빠르게 순환되면, 부하는 입력원의 전압보다 큰 전압을 확인할 것이다. 또한, 스위치(6)가 개방되는 동안, 캐패시터(10)는 부하와 병렬로 이 결합된 전압까지 충전된다. 그 후 스위치(6)가 폐쇄되면, 캐패시터(10)는 저장된 전압 및 에너지를 부하에 제공할 수 있다. 이 시간 동안, 다이오드(4)는 캐패시터(10)가 스위치(6)를 통해 방전되는 것을 방지한다. 물론 스위치(6)는 캐패시터(10)가 너무 많이 방전되는 것을 방지하기에 충분히 빠르게 다시 개방되어야 한다.
두 상태 사이의 순환은 적어도 수십 kHz인 고주파에서 행해지지만, 종종 그보다 큰 자릿수(또는 그 이상)이다. 상태 사이의 왕복 순환은 빠르게 그리고 일정한 출력 전압을 유지하고 평균 인덕터 전류 (및 이어서 평균 AC 전류(Iac))를 제어하는 방식으로 수행된다.
인덕터 전류(Iinductor)는 트랜지스터 온 상태에서 증가하고 트랜지스터 오프 상태에서 감소하고 있으므로, 듀티 사이클은 인덕터 전류(Iinductor)가 증가하는 시간 대 인덕터 전류(Iinductor)가 감소하는 시간을 결정한다. 따라서, 듀티 사이클을 변화시킴으로써, 평균 인덕터 전류(Iinductor)가 조정될 수 있다. 이 평균 전류 트랙을 예상 전류로 함으로써, 역률 및 총 고조파 왜곡(THD)이 크게 개선될 수 있다.
PFC의 경우, 출력 전압(VDC)이 유지되고 AC 전류가 사인 파형이고 AC 전압과 동위상임을 보장하는 데 폐쇄 루프 제어가 사용된다. 일반적으로, 게이트 구동 회로(7)는 입력을 수신하고, 입력에 기초하여, 트랜지스터(6)의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조(PWM) 신호(즉, 제어 신호)를 생성하도록 구성된다. 그 입력은 참조 레벨(Vref)로 유지됨을 보장하기 위한 출력 전압의 측정, 인덕터 전류(Iinductor)에 대한 참조를 제공하기 위한 AC 전압(VAC)의 측정, 및 정류된 AC 전압(VAC)을 추적함을 보장하기 위한 평균 인덕터 전류의 측정을 포함할 수 있다.
부스트 회로의 AC 측에서 서지 이벤트가 발생할 때, AC 측에 나타나는 서지 전압은 전파(full wave) 정류단(Vrect)(즉, 브리지 정류기(2) 및 부스트 인덕터(3)에 연결되는 노드)에서 나타날 수 있다. Vrect에서의 이 서지 전압에 이어서 수백 암페어일 수 있고 부스트 인덕터(3)를 통해 DC 링크 캐패시터로 흐르는 큰 서지 전류가 뒤따른다. 이 영향은 서지 이벤트 동안 전압(Vrect) 및 인덕터 전류(Iinductor)의 정규화 파형을 도시하는 도 2에 도시된다. 전압(Vrect)은 브리지 정류기(2)의 출력 전압 또는 브리지 정류기(2)의 정류된 전압으로 지칭될 수 있다. 이 용어들은 본 명세서에서 상호교환적으로 사용될 수 있다.
이 서지 전류의 지속기간이 짧기(예를 들어, 수십 또는 수백 마이크로초) 때문에, 부스트 인덕터(3), DC 링크 캐패시터(10) 및 브리지 정류기(2)의 브리지 정류 다이오드와 같은 전체 시스템 내의 다른 구성요소는 이 전류에 의해 손상되지 않는다. 그러나, PFC 트랜지스터의 경우, 이 서지 전류 동안 트랜지스터(6)가 작동되면 트랜지스터(6)는 손상될 수 있다. 이 서지 전류 동안 트랜지스터(6)가 턴온되면, 서지 전류는 트랜지스터를 통해 흐를 수 있고 전류 포화로 인한 과열에 의해 트랜지스터(6)를 손상 및 파손시킬 수 있다.
따라서, 트랜지스터(6)가 능동 PFC에 대한 PWM 듀티 사이클에 따라 고주파로 구동되기 때문에, 트랜지스터(6)가 능동 PFC에 대해 작동되는 동안 서지 전류가 발생하면, 서지 전류를 전도시키고 손상될 가능성이 있다.
트랜지스터(6)를 보호하기 위해, 서지 전류가 발생하기 전에 서지 전압을 검출하기 위해 서지 전압 검출기(8)가 제공된다. 서지 전압 검출기 회로(8a)는 입력 임피던스 (예를 들어, 입력 전압을 수신하는 상부 세그먼트)와 출력 임피던스 (예를 들어, 접지에 결합된 하부 세그먼트) 사이의 비율이 검출 노드(9) (즉, 분압기의 출력 노드)에서의 전압이 게이트 구동 회로(7)에 의해 모니터링되도록 구성되는 분압기이다. 또한, 검출 노드(9)를 게이트 구동 회로(7)의 고장 감지 단자(FS)에 연결하는 연결 회로(8b)가 포함된다. 연결 회로(8b)는 전력 시스템(100)에 또한 제공될 수 있는 임의의 과전류 감지 회로로부터 서지 전압 검출기 회로(8a)를 분리하는 데 사용될 수 있는 다이오드(D)를 포함할 수 있다.
브리지 정류기의 출력(Vrect)에 서지 전압이 나타날 때, 검출 노드(9)에서의 측정 전압은 게이트 구동 회로(7)에서 사전구성된 서지 임계값을 초과한다. 이 서지 임계값은 서지 전압 검출기 회로(8a)에서의 분압기 비율에 따라 설정될 수 있다. 따라서, 분압기의 비율에 기초하여 전압 모니터링 레벨이 구성될 수 있다.
예를 들어, AC 파형의 피크 전압은 보통 약 300V일 수 있다. 그러나, 서지 전압은 1000V를 초과할 수 있다. 따라서, 정상 AC 소스 전압과 서지 전압 사이에는 큰 차이가 있다. 예를 들어, 분압기 비율은 검출된 서지 전압이 정상 피크 AC 전압보다 적어도 2배 더 클 수 있도록 설정될 수 있다. 이 경우, 서지 전압 검출기 회로(8a)는 (예를 들어, 1300V 초과하는 )서지 이벤트를 감지하는 데 사용될 수 있다.
검출 노드(9)에서의 이 측정 전압은 게이트 구동 회로(7)의 고장 감지 단자(FS)에 인가된다. 게이트 구동 회로(7)는 측정 전압을 수신하고, 측정 전압을 서지 임계값과 비교하며, 비교 결과에 기초하여 서지 이벤트가 있는지 여부를 판정하도록 구성된다. 예를 들어, 측정 전압이 서지 임계값을 초과하면, 게이트 구동 회로(7)는 고장(즉, 서지 전압 또는 서지 이벤트)을 검출할 수 있다. 고장 감지 단자(FS)는 측정 전압을 수신하도록 재구성된 과전압 감지 단자 또는 과전류 감지 단자일 수 있다.
고장을 검출하면, 게이트 구동 회로(7)는 사전결정된 지연 기간 동안 트랜지스터(6)의 PFC 스위칭 동작을 셧다운(즉, 정지)하도록 구성된다. 즉, 정상 PFC 스위칭 동작 하에서 트랜지스터(6)의 스위칭 동작을 제어하는 트랜지스터에 대한 PWM 신호가 정지되고, 그 대신에 게이트 구동 회로(7)가 사전결정된 지연 기간 동안 트랜지스터(6)를 턴 오프시킨다. 즉, 게이트 구동 회로(7)는 이 시간 동안 PWM 신호를 트랜지스터(6)에 출력하는 것을 중단한다. 사전결정된 지연 기간(예를 들어, 65μs)은 예상 서지 전류가 시스템(100)을 통과하고 인덕터 전류(Iinductor)가 트랜지스터(6)를 동작시키는 안전한 레벨로 복귀하기에 충분히 긴 안전 기간으로 설정된다. 이 사전결정된 지연 기간은 도 2에서 초기 전압 서지 검출에서 시작하여 안전한 인덕터 전류 레벨에서 종료되는 셧다운 기간으로 도시되어 있다. 사전결정된 지연 기간은 시스템(100)을 통한 서지 전류의 통과에 적합한 임의의 시구간일 수 있다.
사전결정된 지연 기간이 만료되면, 게이트 구동 회로(7)는 트랜지스터(6)의 PFC 스위칭 동작을 재개한다. 즉, 게이트 구동 회로(7)는 트랜지스터(6)로 PWM 신호를 출력하는 것을 재개한다. 정류단(Vrect)에서의 서지 전압이 서지 이벤트에 대한 표시자로서 사용되므로, 그에 따른 서지 전류는 트랜지스터(6)를 통해 흐르지 않는다. 즉, 트랜지스터(6)는 서지 전류가 회로에 존재하는 동안 전도되지 않는다.
또한, 사전결정된 지연 기간 동안 일부 PWM 신호가 스킵되더라도, 전체 시스템 성능에 대한 영향은 무시될 수 있다. 또한, 트랜지스터(6)는 Vrect에 연결된 서지 전압 검출기(8)에 의해 보호될 수 있기 때문에, 트랜지스터(6)는 어떠한 단락 견고성(short circuit ruggedness)도 가질 필요가 없다. 이는 단락에 견고한 트랜지스터와 비교할 때 트랜지스터(6)의 전력 손실이 감소될 수 있음을 의미한다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 서지 전압 검출기 회로의 다양한 예의 회로 개략도를 도시한다. 특히, 도 3의 서지 전압 검출기 회로(8a)는 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1의 서지 전압 검출기 회로(8a)를 대체하기 위한 서지 전압 검출기 회로(8b-8l)는, 원하는 전압 비율에 기초하여 검출기 노드(9)에서 측정 전압을 생성하도록 구성되며 TVS(Transient Voltage Suppressor)로 대체될 수 있는 저항기, 캐패시터 및 제너 다이오드의 다양한 조합을 포함한다.
분압기가 서지 전압 검출기(8)의 특징부로서 도시되었지만, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 전압 검출 기능을 갖는 임의의 종류의 회로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 비교기 및 필터도 전압 검출에 사용될 수 있다.
도 4는 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(400)의 개략도를 도시한다. 전력 시스템(400)은 연결 회로(8b)가 게이트 구동 회로(7)의 고장 감지 단자(FS)를 전류 센서(즉, 션트 저항기(RSH))와 공유하는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 전력 시스템(100)과 유사하다. 션트 저항기(RSH)는 트랜지스터(6)와 직렬로 배치되고, 트랜지스터(6)를 통해 흐르는 전류를 검출하는 데 사용된다. 예를 들어, 트랜지스터 전류를 나타내는 전압은 회로 노드(11)에서 측정되어 고장 감지 단자(FS)에 제공될 수 있다. 그 다음에 게이트 구동 회로는 고장 감지 단자(FS)에서의 전압을 과전류 임계값과 비교하여 고장이 존재하는지 여부(예를 들어, 과전류)를 판정할 수 있다. 이 모니터링은 게이트 구동 회로(7)의 동일한 단자(FS)를 사용하는 서지 전압 검출과 함께 수행될 수 있다. 따라서, 어느 고장(즉, 서지 전압 또는 과전류)도 셧다운 기간 동안 트랜지스터(6)의 셧다운을 트리거할 것이다.
도 5는 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(500)의 개략도를 도시한다. 전력 시스템(400)은 게이트 구동 회로(7)가 서로 분리된 2개의 고장 감지 단자(Vtrip 및 Itrip)를 포함하는 것을 제외하고는 도 4에 도시된 전력 시스템(400)과 유사하다. 단자(Vtrip)는 서지 전압을 검출하기 위해 서지 전압 검출기(8)로부터 측정 전압을 수신하도록 구성된다. 단자(Itrip)는 과전류를 검출하기 위해 션트 저항기(RSH)에 연결된다. 고장 판정을 위한 측정값을 독립적으로 비교하기 위해 게이트 구동 회로(7)에는 각각의 단자마다 상이한 임계값이 설정될 수 있다.
또한, 연결 회로(8b)는 단자 Vtrip과 Itrip이 서로 분리되어 있으므로 검출 노드(9)로부터 단자(Vtrip)로의 직접 연결일 수 있다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른 전력 시스템(600)의 개략도를 도시한다. 전력 시스템(400)은 서지 전압 검출기(8)가 게이트 구동 회로(7) 대신 제어기(61)에 결합된 것을 제외하고는 도 4에 도시된 전력 시스템(400)과 유사하다. 제어기(61)는 게이트 구동 회로(7)에 의해 구현된 PFC를 제어하도록 구성된 PFC 제어기 및/또는 마이크로제어기이다. 즉, 게이트 구동 회로(7)는 PWM 제어 단자를 포함하고, 제어기(61)는 PWM 듀티 사이클을 설정하고 게이트 구동 회로(7)가 (예를 들어, 제어 신호를 통해) 설정된 PWM 듀티 사이클을 구현하도록 구성된다.
제어기(61)는 전술한 실시예에서 게이트 구동 회로(7)에 의해 구현된 것과 유사한 고장 감지 단자(Vtrip) 및 서지 전압 검출 회로도 포함한다. 서지 전압 검출기(8)를 통한 서지 이벤트의 검출시에, 제어기(61)는 게이트 구동 회로(7)에게 사전결정된 지연 기간 동안 트랜지스터(6)를 셧다운하라고 지시하는 디스에이블 제어 신호를 게이트 구동 회로(7)의 PWM 제어 단자에 전송할 수 있다. 다시 말해서, 제어기(61)는 게이트 구동 회로(7)에게 트랜지스터(6)로의 PWM 신호를 턴오프하라고 지시한다. 사전결정된 지연 기간이 만료되면, 제어기(61)는 게이트 구동 회로(7)의 PWM 제어 단자에 인에이블 제어 신호를 전송하여 트랜지스터(6)의 스위칭 동작을 재개할 수 있다.
이와 달리, 제어기(61)는 게이트 구동 회로(7)를 완전히 디스에이블 및 인 에이블 (또는 리인에이블)하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 디스에이블 제어 신호는 트랜지스터(6)가 턴오프되도록 게이트 구동 회로(7)를 디스에이블 (즉, 턴오프)하고, 트랜지스터(6)의 정상 스위칭 동작을 재개하기 위해 게이트 구동 회로(7)를 인에이블 또는 리인에이블(즉, 턴온)할 수 있다.
또한, 연결 회로(8b)는 단자 Vtrip과 Itrip이 서로 분리되어 있기 때문에 검출 노드(9)로부터 단자(Vtrip)로의 직접 연결일 수 있다.
도 4 내지 도 6의 서지 전압 검출기(8)가 본 명세서에 설명된 임의의 유형의 서지 전압 검출 회로(예를 들어, 도 3에 도시된 것) 또는 브리지 정류기(2)의 정류된 전압(Vrect)을 측정할 수 있는 전압 검출 기능을 갖는 임의의 다른 종류의 회로를 구현할 수 있다.
전술한 내용을 고려하여, 정류된 AC 입력 전압은 서지 전압을 따르고 부스트 변환기 회로에서 PFC 트랜지스터가 파손되는 것을 방지하는 데 사용되는 큰 전류의 표시자로서 검출될 수 있다.
다양한 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 범주 내에서 더 많은 실시예 및 구현예가 가능하다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 서지 전압을 검출하는 다른 방법이 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 균등물을 제외하고는 제한되지 않아야 한다. 전술한 구성요소나 구조(어셈블리, 디바이스, 회로, 시스템 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 이러한 구성요소를 설명하기 위해 사용된 용어("수단"을 포함하는 용어)는, 달리 명시하지 않는 한, 본 명세서에 설명된 본 발명의 예시적인 구현예에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동일하지 않더라도, 설명된 구성요소의 특정 기능을 수행하는(즉, 기능적으로 균등한) 임의의 구성요소 또는 구조에 대응하는 것으로 의도된다.
또한, 이하의 청구범위는 상세한 설명에 통합되고, 각 청구항은 별개의 예시적인 실시예로서 그 자체로 독립적일 수 있다. 각 청구항은 별개의 예시적인 실시예로서 그 자체로 독립적일 수 있지만, - 종속항은 청구범위에서 하나 이상의 다른 청구항과의 특정 조합을 참조할 수 있지만 - , 다른 예시적인 실시예는 또한 종속항과 서로 다른 종속항이나 독립항의 주제와의 조합을 포함할 수 있음에 유의해야 한다. 이와 같은 조합은 특정 조합이 의도되지 않은 것으로 언급되지 않는 한 본 명세서에서 제안되는 것이다. 또한, 청구항이 독립항에 직접 종속되지 않더라도, 임의의 다른 독립항에 해당 청구항의 특징도 포함하도록 의도된다.
명세서 또는 청구범위에 개시된 방법은 이들 방법의 각 동작을 각각 수행하기 위한 수단을 구비하는 디바이스에 의해 구현될 수 있음에 또한 유의해야 한다.
또한, 명세서 또는 청구범위에 개시된 복수의 동작이나 기능의 개시가 특정 순서로 수행되는 것으로 해석되지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 복수의 동작이나 기능의 개시는 이와 같은 동작이나 기능이 기술적 이유로 인해 상호 교환할 수 없는 경우를 제외하고 특정 순서로 한정되지 않을 것이다. 또한, 일부 실시예에서 단일 동작은 복수의 하위 동작을 포함하거나 복수의 하위 동작으로 분해될 수 있다. 명시적으로 배제되지 않는 한, 이러한 하위 동작이 포함되어 이러한 단일 동작의 개시의 일부일 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 적어도 부분적으로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 설명된 기술의 다양한 양태는 하나 이상의 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치(CPU), 아날로그-디지털 변환기, 디지털 신호 프로세서(DSP), 주문형 집적 회로(ASIC), 또는 임의의 다른 균등한 통합 또는 이산 로직 회로뿐만 아니라 이러한 구성요소의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 프로세서 내에서 구현될 수 있다.
"프로세서" 또는 "프로세싱 회로"라는 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있으며, 일반적으로 전술한 로직 회로 중 임의의 것을 단독으로 또는 다른 로직 회로와 조합하여 또는 본 명세서에 설명된 기술의 구현에 적합한 임의의 다른 균등한 회로를 지칭할 수 있다.
하드웨어를 포함하는 제어 유닛은 본 개시의 기술 중 하나 이상을 수행할 수도 있고, 프로세서 또는 적합한 처리 회로로 구성될 수도 있다. 이러한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어는 동일한 디바이스 내에서 또는 별개의 디바이스 내에서 구현되어 본 개시에서 설명된 다양한 기술을 지원할 수 있다.
다양한 예시적인 실시예가 개시되었지만, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 명세서에 개시된 개념의 장점 중 일부를 달성할 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 동일한 기능을 수행하는 다른 구성요소가 적절히 대체될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 실시예가 이용될 수 있고, 구조적 또는 논리적 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 특정 도면을 참조하여 설명된 특징은 명시적으로 언급되지 않더라도 다른 도면의 특징과 결합될 수 있다. 일반적인 진보성 개념에 대한 그와 같은 수정은 첨부된 청구범위 및 그들의 법적 균등물에 의해 커버되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 부스트 변환기 회로로서,
    정류기 입력 및 정류기 출력을 포함하고, 상기 정류기 입력에서의 교류(AC) 전압을 상기 정류기 출력에서의 정류된 전압으로 변환하도록 구성된 브리지 정류기와,
    상기 정류된 전압에 기초하여 DC 출력 전압을 전달하도록 구성된 직류(DC) 링크 캐패시터와,
    상기 브리지 정류기와 상기 DC 링크 캐패시터 사이에 연결되고, 상기 DC 링크 캐패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위해 제어 신호를 수신하도록 구성된 트랜지스터 스위치와,
    상기 정류기 출력에 연결되고, 측정된 정류된 전압에 기초하여 서지 이벤트를 검출하기 위해 상기 정류된 전압을 측정하도록 구성된 서지 전압 검출 회로와,
    상기 제어 신호를 상기 트랜지스터 스위치에 출력하도록 구성된 게이트 제어기를 포함하되,
    상기 서지 이벤트가 발생하면, 상기 게이트 제어기는 상기 제어 신호를 통해 사전결정된 지연 기간 동안 상기 트랜지스터 스위치를 턴오프하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사전결정된 지연 기간이 만료되면, 상기 게이트 제어기는 상기 트랜지스터 스위치의 정상 스위칭 동작을 재개하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 트랜지스터 스위치의 상기 정상 스위칭 동작 동안의 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호이고, 상기 제어 신호는 상기 사전결정된 지연 기간 동안의 오프 제어 신호인
    부스트 변환기 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 제어기는 상기 트랜지스터 스위치의 상기 정상 스위칭 동작 동안 상기 트랜지스터 스위치를 제어하는 역률 보상(PFC: power factor correction) 방식을 구현하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 제어기는 상기 서지 전압 검출 회로로부터 상기 측정된 정류된 전압을 수신하고 상기 측정된 정류된 전압에 기초하여 상기 서지 이벤트를 검출하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 게이트 제어기는 상기 측정된 정류된 전압을 서지 임계값과 비교하고, 상기 정류된 전압이 상기 서지 임계값을 초과할 때 상기 서지 이벤트를 검출하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 제어기에 연결되고, 상기 게이트 제어기에 의해 구현된 PWM 동작을 제어하는 PWM 제어 신호를 생성하도록 구성된 역률 보상(PFC) 제어기를 더 포함하되,
    상기 PFC 제어기는 상기 서지 전압 검출 회로로부터 상기 측정된 정류된 전압을 수신하고 상기 측정된 정류된 전압에 기초하여 상기 서지 이벤트를 검출하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PFC 제어기는 상기 측정된 정류된 전압을 서지 임계값과 비교하고, 상기 정류된 전압이 상기 서지 임계값을 초과할 때 상기 서지 이벤트를 검출하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 서지 이벤트의 검출에 응답하여, 상기 PFC 제어기는 상기 사전결정된 지연 기간 동안 상기 트랜지스터 스위치를 턴오프하기 위해 디스에이블 제어 신호를 상기 게이트 제어기에 전송하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 게이트 제어기는 상기 디스에이블 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여 디스에이블되는
    부스트 변환기 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 사전결정된 지연 기간이 만료되면, 상기 PFC 제어기는 인에이블 제어 신호를 상기 게이트 제어기에 전송하도록 구성되고,
    상기 게이트 제어기는 상기 인에이블 제어 신호의 수신에 응답하여 상기 트랜지스터 스위치의 정상 스위칭 동작이 재개되도록 리인에이블(re-enabled)되는
    부스트 변환기 회로.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 서지 전압 검출 회로는 상기 정류기 출력에 연결된 입력 및 상기 PFC 제어기에 연결된 출력을 포함하는 분압기이며, 상기 서지 전압 검출 회로의 출력은 상기 PFC 제어기에 상기 측정된 정류된 전압을 제공하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 서지 전압 검출 회로는 상기 정류기 출력에 연결된 입력 및 상기 게이트 제어기에 연결된 출력을 포함하는 분압기이고, 상기 서지 전압 검출 회로의 출력은 상기 게이트 제어기에 상기 측정된 정류된 전압을 제공하도록 구성되는
    부스트 변환기 회로.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 트랜지스터 스위치를 통해 흐르는 전류를 나타내는 과전류 전압을 측정하도록 구성된 과전류 검출 회로를 더 포함하되,
    상기 서지 전압 검출 회로와 상기 과전류 검출 회로는 서로 분리되는
    부스트 변환기 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 게이트 제어기는 상기 서지 전압 검출 회로로부터 상기 측정된 정류된 전압 및 상기 과전류 검출 회로로부터 상기 측정된 과전류 전압을 수신하고, 상기 측정된 정류된 전압 및 상기 측정된 과전류 전압에 기초하여 상기 서지 이벤트를 검출하도록 구성된 고장 감지 단자를 포함하는
    부스트 변환기 회로.
  16. 부스트 변환기 회로에서 트랜지스터 스위치를 제어하는 방법으로서,
    정류기 입력에서의 교류(AC) 전압을 정류기 출력에서의 정류된 전압으로 변환하는 단계와,
    DC 링크 캐패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위해 제어 신호에 기초하여 트랜지스터 스위치의 스위칭 상태를 제어하는 단계와,
    상기 정류기 출력에서 상기 정류된 전압을 측정하는 단계와,
    상기 측정된 정류된 전압에 기초하여 서지 이벤트를 검출하는 단계와,
    상기 서지 이벤트의 검출에 응답하여, 사전결정된 지연 기간 동안 상기 트랜지스터 스위치를 턴오프하는 단계를 포함하는
    방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 트랜지스터 스위치의 정상 스위칭 동작 동안의 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호이고, 상기 제어 신호는 상기 사전결정된 지연 기간 동안의 오프 제어 신호인
    방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 서지 이벤트를 검출하는 단계는 상기 측정된 정류된 전압을 서지 임계값과 비교하는 단계 및 상기 정류된 전압이 상기 서지 임계값을 초과할 때 상기 서지 이벤트를 검출하는 단계를 포함하는
    방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 서지 이벤트의 검출에 응답하여, 상기 사전결정된 지연 기간 동안 상기 제어 신호를 출력하는 게이트 제어기를 디스에이블하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 사전결정된 지연 기간이 만료되면, 상기 게이트 제어기를 리인에이블하여 상기 트랜지스터 스위치의 정상 스위칭 동작을 재개하는 단계를 더 포함하는
    방법.
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