KR20210065761A - 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 전력 반도체 시스템 - Google Patents

전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 전력 반도체 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치는, 전력 반도체 소자의 스위칭을 제어하기 위해서 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위해서 상기 게이트 단자 및 상기 게이트 구동부 사이에 접속되어 게이트 전위 변화를 모니터링하기 위한 밀러 구간 감지부와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 상기 밀러 구간 감지부로부터 상기 게이트 전위 변화 신호를 전달받아 밀러 구간 발생 여부를 판단하여 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부를 포함한다.

Description

전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 전력 반도체 시스템{Apparatus for detecting short circuit of power semiconductor device and power semiconductor system}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 이를 이용한 전력 반도체 시스템에 관한 것이다.
전력 반도체 소자는 고전압과 고전류 환경에서 동작하는 반도체 소자이다. 예를 들어, 전력 반도체 소자로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 모스펫(Power MOSFET) 등을 들 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전압에 대한 내압 특성이 기본적으로 요구되며, 최근에는 부가적으로 고속 스위칭 동작을 요하고 있다.
이러한 전력 반도체 소자는 고전력 스위칭이 필요한 분야, 예컨대 인버터 시스템에 이용되고 있다. 인버터 시스템에서 전력 반도체 소자의 반복적인 스위칭을 통해서 배터리의 직류 신호를 교류 신호로 바꾸어 모터를 구동할 수 있다. 이 경우, 시스템에서 설계한 전력 반도체 소자의 구동 전류에 따라서 신호들의 스피드가 결정되며, 이 신호들의 스피드에 따라서 전체 시스템에서 에너지 변환 효율이 결정되게 된다. 하지만, 동작 속도가 빠르면 효율적인 면에서 좋지만, 전기적인 스트레스가 가중되어 강건성에 문제가 발생하게 된다.
나아가, 이러한 전력 반도체 소자는 동작 전류를 모니터링 하기 위하여 메인 동작 셀에 비해서 소정 미러링(mirroring) 비로 센서 영역에 전류 센서 셀을 형성하여 메인 동작 셀의 전류를 모니터링하고 있다.
이러한 전력 반도체 소자를 이용하는 인버터 시스템 등에서 쇼트 서킷 등의 상황 발생시, 도 1에 도시된 바와 같이, 메인 동작 셀 또는 전류 센서 셀의 동작 전류(ICE)를 모니터링하여 시스템에서 설계한 일정 레벨 이상의 과전류가 소정 시간(t2-t1) 흐르면 시스템을 차단하는 방식을 채택하고 있다. 하지만, 이 경우 전류 센서 셀에 의한 경제성 외에도 단락 전류에 대한 높은 레벨의 레이아웃 설계가 필요해서 소자 설계에 대한 자유도가 크게 감소할 수 있다.
1. 일본특허공개공보 2018-050297호(2018.03.29. 공개)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 메인 동작 셀 또는 전류 센서 셀의 동작 전류를 모니터링하지 않고도 쇼트 서킷을 검출할 수 있어서 소자 설계의 자유도를 갖는 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 이를 이용한 전력 반도체 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치는, 전력 반도체 소자의 스위칭을 제어하기 위해서 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위해서 상기 게이트 단자 및 상기 게이트 구동부 사이에 접속되어 게이트 전위 변화를 모니터링하기 위한 밀러 구간 감지부와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 상기 밀러 구간 감지부로부터 상기 게이트 전위 변화 신호를 전달받아 밀러 구간 발생 여부를 판단하여 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부를 포함한다.
상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치에 있어서, 상기 밀러 구간 감지부는, 상기 게이트 구동부 및 상기 게이트 단자 사이에 접속된 션트 저항과, 상기 션트 저항 양단에 접속된 전위 검출부를 포함하고, 상기 전위 검출부는 상기 션트 저항 양단의 전위 신호를 상기 게이트 전위 변화 신호로 상기 제어부에 전달할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 전위 검출부로부터 전달된 상기 게이트 전위 변화 신호를 기준 신호와 비교하여 밀러 구간이 없다고 판단되면 상기 전력 반도체 소자에 쇼트 서킷이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 전류의 감지 전에, 상기 게이트 전위 변화 신호로부터 미리 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 발생 여부를 검출할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 시스템은, 게이트 단자를 포함하는 전력 반도체 소자와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭을 제어하기 위해서 상기 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위해서 상기 게이트 단자 및 상기 게이트 구동부 사이에 접속되어 게이트 전위 변화를 모니터링하기 위한 밀러 구간 감지부와, 상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 상기 밀러 구간 감지부로부터 상기 게이트 전위 변화 신호를 전달받아 밀러 구간 발생 여부를 판단하여 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부를 포함한다.
전력 반도체 시스템 에 있어서, 상기 전력 반도체 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함하고, 상기 제어부는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자 및 에미터 단자 사이의 쇼트 전류 감지 전에, 상기 게이트 전위 변화 신호로부터 미리 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 쇼트 서킷 발생 여부를 검출할 수 있다.
전력 반도체 시스템 에 있어서, 상기 전력 반도체 소자는 인버터 시스템의 전력을 스위칭하기 위해서 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자 및 전력 반도체 시스템에 의하면, 전력 반도체 소자의 스위칭 시 밀러 구간 감지 여부로부터 쇼트 서킷 여부를 검출함으로써 소자 설계의 자유도를 늘릴 수 있다.
물론 이러한 효과는 예시적인 것이고, 이러한 효과에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출을 보여주는 타이밍 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 이를 포함하는 전력 반도체 시스템을 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 반도체 시스템을 개략적인 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 시스템 내 전력 반도체 소자를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 5는 도 4의 전력 반도체 소자를 보다 구체적으로 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 반도체 소자를 보여주기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 방법에서 밀러 구간이 발생되는 경우를 보여주는 타이밍 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자에서 정상 상태에서 스위칭 특성을 보여주는 타이밍 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자에서 쇼트 상태에서 스위칭 특성을 보여주는 타이밍 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
다르게 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 용어들은 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미로 사용된다. 도면에서, 층 및 영역의 크기는 설명을 위해 과장되었고, 따라서 본 발명의 일반적인 구조들을 설명하기 위해 제공된다. 동일한 참조 부호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 한 구성이 다른 구성 상(on)에 있다고 지칭할 때, 그것은 다른 구성의 바로 상부에 있거나 또는 그 사이에 다른 개재된 구성이 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 한 구성이 다른 구성의 “바로 위에(directly on)” 있다라고 지칭할 때는 중간 개재 구성들이 존재하지 않는다고 이해된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치(110) 및 이를 포함하는 전력 반도체 시스템(100)을 보여주는 개략적인 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 검출 장치(110)는 전력 반도체 소자(50) 내 쇼트 서킷(short circuit)을 감지 또는 검출하기 위한 장치로서, 전력 반도체 소자(50) 내 쇼트 서킷이 검?w되면, 시스템에 알람 신호를 생성하면서 시스템을 중단시킬 수 있다.
이 실시예에 따른 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 검출 장치(110)는 전력 반도체 소자(50)의 동작 전류를 확인하지 않고, 전력 반도체 소자(50)의 게이트 전위 또는 게이트 전류의 파형을 분석하여, 밀러 구간 발생 여부를 판단하여, 쇼트 서킷을 검출할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 검출 장치(110)는 전력 반도체 소자(50)를 구동하기 위한 게이트 구동부(120), 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위한 밀러 구간 감지부(130) 및 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부(115)를 포함할 수 있다.
이 실시예에 따른 전력 반도체 시스템(100)은 전력 반도체 소자(50)와 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 검출 장치(110)를 포함하는 것으로서, 예를 들어 인버터 시스템을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 시스템(100)은 전력 반도체 소자(50)를 구동하기 위한 게이트 구동부(120), 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위한 밀러 구간 감지부(130) 및 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부(115)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 시스템(100)에서, 전력 반도체 소자(50)는 인버터 시스템의 전력을 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 인버터 시스템은 배터리의 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 데 이용될 수 있고, 전력 반도체 소자(50)는 이러한 전력 변환 스위치로 이용될 수 있다.
예를 들어, 이러한 전력 반도체 시스템(100) 내 전력 반도체 소자(50)는 메인 셀 영역 및 센서 영역을 포함하는 반도체층을 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자(50)는 웨이퍼(wafer), 칩(chip) 또는 다이(die) 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 메인 셀 영역에는 복수의 전력 반도체 트랜지스터들(power semiconductor transistors, PT)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터(PT)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 또는 전력 모스펫(power MOSFET)을 포함할 수 있다. IGBT는 게이트 전극, 에미터 전극(emitter electrode) 및 컬렉터 전극(collector electrode)을 포함할 수 있다. 이하에서는 전력 반도체 소자(100)로 IGBT를 예로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 시스템(100) 내 전력 반도체 소자(50)를 보여주는 개략적인 회로도이고, 도 5는 도 4의 전력 반도체 소자(50)를 보다 구체적으로 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 시스템(100) 내 전력 반도체 소자(50)를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 전력 반도체 소자(50)는 외부와 연결을 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 반도체 소자(50)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 에미터 전극에 연결되는 에미터 단자(69), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 켈빈 에미터 전극에 연결되는 켈빈 에미터 단자(66), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자(62), 전류를 모니터링하기 위한 전류 센서 트랜지스터들(ST)과 연결되는 전류 센서 단자(64), 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(TC)와 연결되는 온도 센서 단자들(67, 68) 및/또는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 컬렉터 전극과 연결되는 컬렉터 단자(61)를 포함할 수 있다
온도 센서(TC)는 온도 센서 단자들(67, 68)과 연결된 정션 다이오드(junction diode)를 포함할 수 있다. 정션 다이오드는 적어도 하나의 n형 불순물 영역과 적어도 하나의 p형 불순물 영역의 접합 구조, 예컨대 P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조, N-P-N 접합 구조 등을 포함할 수 있다. 본 구조는 전력 반도체 소자(50) 내에 온도 센서(TC)가 내장된 구조를 예시적으로 설명하고 있으나, 이 실시예의 변형된 예에서 온도 센서(TC)가 생략될 수도 있다.
전력 반도체 트랜지스터(PT)는 에미터 단자(69)와 컬렉터 단자(61) 사이에 접속되고, 전류 센서 트랜지스터(ST)는 전류 센서 단자(64)와 컬렉터 단자(61) 사이에 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 일부 병렬적으로 접속된다. 전류 센서 트랜지스터(ST)의 게이트 전극과 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 게이트 전극은 소정의 저항을 개재하여 게이트 단자(62)에 공유로 연결된다.
전류 센서 트랜지스터(ST)는 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 실질적으로 같은 구조로 형성되며, 다만 소정의 비로 축소되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 전류 센서 트랜지스터(ST)의 출력 전류를 모니터링함으로써 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 출력 전류를 간접적으로 모니터링할 수 있게 된다.
에미터 단자(69)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 접지 단자로 기능하고, 켈빈 에미터 단자(66)는 게이트 단자(62)의 드라이버부에 대한 접지 단자로 기능할 수 있다. 전류 센서 단자(64)에 접속된 센싱 저항의 센싱 전압을 읽으면 전류 센서 단자(64)로 흐르는 전류의 양을 계산할 수 있다.
도 2, 도 4 및 도 5를 같이 참조하면, 게이트 구동부(120)는 전력 반도체 소자(50)의 스위칭을 제어하기 위하여 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)에 접속될 수 있다.
밀러 구간 감지부(130)는 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위해서 게이트 단자(62) 및 게이트 구동부(120) 사이에 접속되어 게이트 전위 변화를 모니터링할 수 있다.
제어부(115)는 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 시 밀러 구간 감지부(130)로부터 게이트 전위 변화 신호를 전달받아 밀러 구간 발생 여부를 판단하여 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 밀러 구간 감지부(130)는, 게이트 구동부(120) 및 게이트 단자 사이(62)에 접속된 션트 저항(Rs)과 전위 검출부(125)를 포함할 수 있다. 전위 검출부(135)는 션트 저항(Rs) 양단에 접속되어, 션트 저항(Rs) 양단의 전위 신호를 게이트 전위 변화 신호로 제어부(115)에 전달할 수 있다.
예를 들어, 제어부(115)는 전위 검출부(135)로부터 전달된 게이트 전위 변화 신호를 기준 신호와 비교하여 밀러 구간이 없다고 판단되면 전력 반도체 소자(50)에 쇼트 서킷이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
나아가, 제어부(115)는 전력 반도체 소자의(50) 쇼트 전류의 감지 전에, 게이트 전위 변화 신호로부터 미리 전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 발생 여부를 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 반도체 시스템(100)을 개략적인 블럭도이다. 도 3의 전력 반도체 시스템(100)은 도 2의 전력 반도체 시스템(100)에서 게이트 드라이버(120)의 구성을 보다 구체화한 것일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 같이 참조하면, 게이트 드라이버(120)는 구동 집적회로(driver IC, 122), 전원 스위칭부(124) 및 수동소자부(126)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 구동 집적회로(122)는 제어부(115)로부터 구동 신호를 인가받을 수 있고, 이에 따라 전원 스위칭부(124)로 스위칭 신호를 출력할 수 있다. 제어부(115)로부터 구동 신호가 수신되면, 구동 집적회로(122)는 전원 스위칭부(124)로 턴-온(turn-on) 전압을 출력할 수 있다.
전원 스위칭부(124)는 전원(Vcc)과 접지부 사이에 연결된 2개의 스위칭 소자(Q1, Q2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자들(Q1, Q2)은 NMOS 트랜지스터일 수 있고, 이 경우 전원 스위칭부(124)로부터 출력되는 턴-온 전압은 NMOS 트랜지스터들을 켜기 위한 하이 레벨 전압일 수 있다.
수동 소자부(126)는 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2), 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)은 서로 병렬 연결되고, 제 1 다이오드(D1)는 제 1 저항(R1)에 직렬 연결되고, 제 2 다이오드(D2)는 제 2 저항(R2)에 직렬 연결될 수 있다. 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)는 서로 반대 방향으로 병렬 접속될 수 있다.
이에 따르면, 게이트 드라이버(120)는 제어부(115)의 구동 신호에 따라서, 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)에 턴-온 전압 또는 턴-오프 전압을 출력할 수 있다.
전력 반도체 소자(50)의 쇼트 서킷 검출 장치(110)는 게이트 드라이버(120)에 의한 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 동작 시 게이트 단자(62)로 흐르는 게이트 전류의 변화에 따른 게이트 단자(62)의 게이트 전위 변화를 모니터링할 수 있다.
도 6을 참조하면, 쇼트 서킷이 발생되지 않은 경우 전력 반도체 소자(60)의 스위칭 동작 시 신호 파형에서 밀러 구간(miller plateau)이 발생되는 것을 알 수 있다.
첫 번째 구간(A)에서, 전력 반도체 소자(50)의 게이트-에미터간 기생 커패시터(CGE)가 충전되면서, 게이트 전류(IG)가 가장 큰 값을 보이고, 게이트-에미턴간 전위(VGE)가 상승된다.
두 번째 구간(B)에서, 게이트-에미턴간 전위(VGE)가 유지되고, 게이트 전류(IG)는 게이트-컬렉터간 기생 커패시터(CGC)를 방전시키는 데 사용되며, 게이트 전류(IG)는 이상적으로 같은 값으로 유지된다.
이와 같이, 게이트-에미턴간 전위(VGE)와 게이트 전류(IG)가 유지되는 구간을 밀러 구간이라고 부른다.
세 번째 구간(C)에서, 시스템에서 요청하는 게이트-에미턴간 전위(VGE)가 될 때까지 게이트-에미터간 기생 커패시터(CGE)가 충전될 수 있다. 게이트-에미터간 기생 커패시터(CGE)가 충전되가면 시간이 지남에 따라서 게이트 전류(IG)는 감소될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 시스템(100)에서 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 시 쇼트 서킷 검출 장치(110)를 통한 전기적인 신호의 측정 결과를 통해서 쇼트 서킷 검출 결과를 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자에서 정상 상태에서 스위칭 특성을 보여주는 타이밍 그래프이다. 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 소자에서 쇼트 상태에서 스위칭 특성을 보여주는 타이밍 그래프이다.
도 7을 참조하면, 정상 상태의 스위칭 동작의 경우, 스위칭 시 게이트-에미턴간 전위(VGE)간 전위가 밀러 구간을 보여줌에 따라서, 쇼트 서킷 검출 장치(110) 내 밀러 구간 감지부(130)에서 측정된 게이트 전위 변화 신호(Vshunt)에도 밀러 구간에 대응되는 신호의 변화가 관측되는 것을 알 수 있다.
반면, 도 8을 참조하면, 쇼트 서킷 상태의 스위칭 동작의 경우, 스위칭 시 게이트-에미턴간 전위(VGE)간 전위가 밀러 구간을 보이지 않음에 따라서, 쇼트 서킷 검출 장치(110) 내 밀러 구간 감지부(130)에서 측정된 게이트 전위 변화 신호(Vshunt)에도 밀러 구간에 대응되는 신호의 변화가 관측되지 않는 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8을 비교해 보면, 정상 상태의 경우 게이트 전위 변화 신호(Vshunt)가 밀러 구간에 대응하여 신호가 감소하다가 다시 유지되는 구간을 거친 후 감소함에 반해서, 쇼트 서킷 상태의 경우 게이트 전위 변화 신호(Vshunt)가 유지되는 구간 없이 연속적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 밀러 구간 감지부(130)에서 게이트 전위 변화 신호(Vshunt)를 측정하여, 기준 신호와 비교하거나 또는 해당 신호를 분석함으로써, 전력 반도체 소자(50) 내 쇼트 서킷 발생 여부를 검출할 수 있다.
쇼트 서킷이 발생된 상태에서 전력 반도체 소자(60)의 스위칭 시, 컬렉터-에미터간 동작 전류(ICE)는 설정된 임계 값 이상으로 흐를 수 있다. 이 경우, 종래에 따르면 컬렉터-에미터간 동작 전류(ICE)가 소정 설정 시간 이상 흐른 후에 이러한 쇼트 전류를 감지할 수 있다.
하지만, 본 발명에 따르면, 밀러 구간 감지부(130) 내 션트 저항(Rs) 양단에서 게이트 전위 변화를 모니터링 하여 밀러 구간 발생 여부를 판단하게 되며, 밀러 구간이 없는 경우 쇼트 서킷이 발생된 것으로 빠르게 검출할 수 있다.
예를 들어, 밀러 구간 발생 여부는, 밀러 구간 감지부(130)로부터 전달받은 게이트 전위 변화 신호를 쇼트 서킷이 발생되지 않은 정상적인 기준 게이트 전위 변화 신호와 비교하여, 상이 시 밀러 구간이 발생된 것으로 판단할 수 있다.
다른 예로, 밀러 구간 발생 여부는, 밀러 구간 감지부(130)로부터 전달받은 게이트 전위 변화 신호를 해석하여 밀러 구간이 있는지를 독자적으로 판단할 수도 있다.
따라서, 게이트 전류 또는 게이트 전위 신호로부터 밀러 구간 발생을 검출하면, 컬렉터-에미터간 동작 전류(ICE)가 소정 시간 흐르기 전에, 즉 쇼트 전류가 감지 되기 전에, 초기에 쇼트 서킷 발생 여부를 판단할 수 있다.
이에 따르면, 전력 반도체 소자(50)로 쇼트 전류가 거의 흐르기 전 또는 흐르기 시작함과 동시에 쇼트 서킷 발생 여부를 빠르게 판단하여, 전력 반도체 시스템(100)을 제어할 수 있다. 따라서, 쇼트 전류가 흐르면서 전력 반도체 소자(50) 또는 다른 소자에 소손이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예들에 따른 쇼트 서킷 검출 장치(110) 및 이를 포함하는 전력 반도체 시스템(100)에 따르면, 전력 반도체 소자(50)의 게이트 단자(62)에 션트 저항(Rs)을 부가한 후 게이트 전류 또는 게이트 전위 변화를 모니터링함으로써, 전력 반도체 소자(50)의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 판단할 수 있어서 시스템의 동작 안정성을 높일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
50: 전력 반도체 소자
100: 전력 반도체 시스템
110: 쇼트 서킷 검출 장치
115: 제어부
120: 게이트 드라이버
130: 밀러 구간 감지부

Claims (7)

  1. 전력 반도체 소자의 스위칭을 제어하기 위해서 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부;
    상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위해서 상기 게이트 단자 및 상기 게이트 구동부 사이에 접속되어 게이트 전위 변화를 모니터링하기 위한 밀러 구간 감지부; 및
    상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 상기 밀러 구간 감지부로부터 상기 게이트 전위 변화 신호를 전달받아 밀러 구간 발생 여부를 판단하여 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부;를 포함하는
    전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀러 구간 감지부는,
    상기 게이트 구동부 및 상기 게이트 단자 사이에 접속된 션트 저항; 및
    상기 션트 저항 양단에 접속된 전위 검출부;를 포함하고,
    상기 전위 검출부는 상기 션트 저항 양단의 전위 신호를 상기 게이트 전위 변화 신호로 상기 제어부에 전달하는,
    전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전위 검출부로부터 전달된 상기 게이트 전위 변화 신호를 기준 신호와 비교하여 밀러 구간이 없다고 판단되면 상기 전력 반도체 소자에 쇼트 서킷이 발생된 것으로 판단하는,
    전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 전류의 감지 전에, 상기 게이트 전위 변화 신호로부터 미리 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 발생 여부를 검출하는,
    전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치.
  5. 게이트 단자를 포함하는 전력 반도체 소자;
    상기 전력 반도체 소자의 스위칭을 제어하기 위해서 상기 게이트 단자에 접속된 게이트 구동부;
    상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 밀러 구간 발생 여부를 감지하기 위해서 상기 게이트 단자 및 상기 게이트 구동부 사이에 접속되어 게이트 전위 변화를 모니터링하기 위한 밀러 구간 감지부; 및
    상기 전력 반도체 소자의 스위칭 시 상기 밀러 구간 감지부로부터 상기 게이트 전위 변화 신호를 전달받아 밀러 구간 발생 여부를 판단하여 상기 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 여부를 검출하는 제어부;를 포함하는
    전력 반도체 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자 및 에미터 단자 사이의 쇼트 전류 감지 전에, 상기 게이트 전위 변화 신호로부터 미리 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 쇼트 서킷 발생 여부를 검출하는,
    전력 반도체 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 소자는 인버터 시스템의 전력을 스위칭하기 위해서 사용되는,
    전력 반도체 시스템.
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