KR20210121204A - 전력 전자 스위치 디바이스 스위칭 속도를 향상시키는 설계 및 응용 - Google Patents

전력 전자 스위치 디바이스 스위칭 속도를 향상시키는 설계 및 응용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 전자 스위치 디바이스 스위칭 속도를 향상시키는 설계 및 응용을 공개하는데, 상기 스위치 칩은 보조 슈도 포화 전압 기능 회로를 추가하고, 스위치 칩이 포화 도통될 때 부동(不同)한 사전 설정된 슈도 포화 전압 상태로 변환되도록 하고, 베이스 영역 테일링 시간 상수의 감소 및 중지 기간 테일링 전력소모 총량의 감소를 얻음으로써, 스위칭 속도 한계의 향상을 달성한다. 본 발명 방안은 상당 부분 스위치 유닛의 스위칭 속도를 향상하였고, 스위치 컴포넌트의 사용 신뢰성을 대폭 증가시켰다. 이에 따라 진일보하게 설계의 심화를 향상시켰다. 작게는 절전 전등, 전기 선풍기, 전자레인지, 에어컨 및 스위치 전원을 채용하여 가열하는 즉시 가열 타입 전열 기구, 크게는 고속철도 같은 유형의 전력 시동 및 레이저 건, 전자기 캐논 심지어 항공 우주 동력까지, 이러한 연구 개발은 모두 대대적인 에너지 전환을 필요로 하는 것으로, 전력 전자 업계 핵심인 스위치 디바이스의 광범위한 개입 응용은 없어서는 안 되는 것이다.

Description

전력 전자 스위치 디바이스 스위칭 속도를 향상시키는 설계 및 응용
본 발명은 전력 전자 스위치 디바이스에 관한 것으로, 특히 전력 전자 스위치 디바이스 스위칭 속도를 향상시키는 설계 및 응용에 관한 것이다.
전자 공업의 디바이스 제조는 현재까지의 발전은, 용도의 관점에서 두 가지 유형으로 구분할 수 있다. 한 가지 유형은 비교적 전통적이고 성숙하며, 응용 범위가 광범위하고 여전히 맹렬한 기세로 발전 중인 소프트 전자 업계이고, 다른 한 가지 유형은 하드 전자 업계에 사용되는 전력 전자 공률 컴포넌트이다. 전력 전자 공률 컴포넌트의 발전은 대체로 보통의 트랜지스터, 사이리스터, 대형 트랜지스터 복합 모듈 GTR 및 IGBT 등 몇 개의 단계로 구분할 수 있다. 이러한 유형의 전력 전자 공률 컴포넌트 발전 정도를 상징하는 성능 지표 중 하나는 그 스위칭 속도가 새로운 디바이스의 출현에 따라 점차적으로 향상되는 것이다.
그런데 각종 유형 디바이스의 스위칭 속도는 전형적인 상한이 존재하기 때문에, 이러한 유형의 전력 전자 공률 컴포넌트의 속도 향상은 스위치 컴포넌트의 응용 병목이 되었고 이를 향상시키는 것은 개발의 목표가 되었다. 스위칭 속도가 받는 한계의 원인은 사실 일찍이 업계 전반의 통상의 기술자에게 익히 알려져 있었기 때문에, 이는 바로 이러한 유형의 전력 전자 공률 컴포넌트의 최종 단계가 통상적으로 쌍극형 트랜지스터에 의해 담당되었기 때문이다. 쌍극형 트랜지스터의 작업 원리로부터 알 수 있듯이, 그것이 필요로 하는 정상 도통 작업의 조건은 캐리어가 없는 베이스 영역에 대해 베이스 영역 대전 극성과 동일한 캐리어를 주입함으로써 베이스 영역이 금속 구조와 유사한 도전 가능 상태를 형성하도록 할 필요가 있다. 그러면 구동 펄스 턴 오프 후의 테일링 과정 중, 구동 펄스 턴 오프로 인해 더 이상 베이스 영역에 대해 새로운 캐리어를 계속적으로 주입하지 않게 되더라도, 도통을 위해 이미 베이스 영역에 주입된 캐리어는 즉시 소실되지 않고, 이로부터 사람들이 테일링 전류라고 호칭하는 도통 전류를 계속적으로 구성하게 된다. 또한 스위치 컴포넌트 포화 도통 작업 상태 시의 작업 전류가 클수록, 베이스 영역으로 진입하는 캐리어도 더 많이 필요하므로, 매번 턴 오프 시마다 생산되는 테일링 전류도 더 커진다. 컴포넌트가 매번 턴 오프될 때마다 그 테일링 시간 상수 t0단의 전력소모가 출력 공률의 수량 등급에 도달(그 극값은 1/4의 출력 공률값임)하지만 스위치 컴포넌트 자체의 정격 전력소모를 현저히 초과하고, 스위칭 주기의 범위를 매우 작게 하더라도 테일링 시간 상수 t0에 대체로 상당하는 정도에 여전히 현저히 미치지 못하는 경우, 이 주기는 설령 극히 조금 단축되었을 뿐이라 하더라도 스위치 컴포넌트 총 평균 전력소모의 증가량은 컴포넌트가 수인 가능한 한도를 훨씬 초과하여 정상 작업을 할 수 없다.
다시 말해서, 위에서 언급한 턴 오프 공률이 특별히 크다는 이유로 인해, 스위치 유닛의 스위칭 주기는 특별값을 가지고 부득이하게 과도하게 짧지 않도록 한정된다. 사람들은 스위칭 주기를 연장함으로써만 컴포넌트의 평균 전력소모를 제한할 수 있고, 이러한 유형의 컴포넌트를 응용하여 설계할 때 그 스위칭 주파수의 설정은 반드시 채용된 스위치 컴포넌트 유형과 상응하는 스위칭 주파수 상한으로 결정되어야 하고, 과도하게 높아서는 안 된다는 점에 체현된다.
상기 분석으로부터 더 알 수 있듯이, 컴포넌트 스위칭 속도가 제한되더라도, 컴포넌트가 매번 턴 오프 될 때 테일링 시간 상수 t0단의 전력소모 충격은 여전히 컴포넌트가 수인 가능한 한도를 초과하고, 이로 인해 컴포넌트가 사용하는 신뢰성 및 정상 수명을 잠재적으로 저하시킨다.
본 발명의 목적은: 전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법을 제공하고, 테일링 전류가 디바이스에 야기하는 상해를 감소시켜 디바이스의 신뢰성을 향상시키는 것이다.
구체적인 아이디어는 쌍극형 공률 튜브 베이스 영역 테일링 전류 시간 상수 t0을 대폭 단축하는 것이다. 이 아이디어의 지도 하에 진행된 실험으로 얻은 결과는 전율을 느끼게 하는 것이다. 이는 GTR 모듈 스위칭 속도를 테스트하는 실험 중 매우 유의미한 결과를 나타냈다. 본 아이디어가 개선한 8층 P, N 교차 구성된 사이리스터 설계는 매우 편리하게 턴 오프 가능할 뿐 아니라, 그 스위칭 속도도 종래의 IGBT 모듈의 수준에 도달할 정도로 전망된다.
본 발명의 기술방안은:
스위치 유닛의 스위칭 속도를 향상시키고, 테일링 전류가 디바이스에 야기하는 상해를 감소시킴으로써 디바이스의 신뢰성을 향상시키기 위한 것으로, 일정한 전제 하에 인위적으로 스위칭 디바이스의 슈도 포화 전압 Ucer슈도를 향상시키고, 그것을 몇 볼트에서 3, 50 볼트의 중저압 범위 내로 설정하여, 베이스 영역의 테일링 시간 상수 t0의 대폭적 감소 및 중지 기간 테일링 전력소모 총량의 감소를 얻음으로써 스위칭 속도 설계 극한의 향상을 달성하는 것이다.
일부 도통 시간이 비교적 긴 스위치 회로에 있어서, 스위치 컴포넌트의 평균 전력소모가 그 정격값을 초과하지 않더라도, t0단의 전력소모 충격이 잠재적으로 컴포넌트 사용의 신뢰성을 저하시키고 및 정상 수명에 미치는 영향을 줄이기 위해, 본 설계 아이디어를 채용하는 것도 한 가지 좋은 선택이다. 그러나 본 설계 아이디어는 스위치 컴포넌트 도통 시의 전력소모를 대가로 하여 회로 전(全) 주기 스위칭 전체 성능의 향상을 획득하는 것이다. 따라서 스위치 도통의 대부분의 시간은 그 도통 전력소모가 전통적으로 설계된 저압 포화 상태 도통 전력소모에 비해 증가하도록 할 필요가 없다. 이는 회로를 구동하여 슈도 포화 전압의 값을 변환시킴으로써 그 대부분의 도통 시간이 통상적인 저포화 전압 상태(이 저포화 전압 상태도 GTR 디바이스를 채용한 경우의 하나의 특출한 장점이다)에서 작업되도록 하여 가급적 그 전력소모를 감소시킬 수 있고, 턴 오프 전 하나의 시간 세그먼트까지 구동 회로를 충분히 유지하여 전환된 도통 시간을 유지하여 그것을 다시 나머지 하나의 비교적 높은 전압의 슈도 포화 상태로 다시 전환시킴으로써 t0의 값을 낮추고, 턴 오프 시 턴 오프 속도를 향상시킨다.
본 설계의 회로 구조 기술특징은 공률 스위치 유닛에 대해 (조절 가능한) 전압 조절 컴포넌트 조합 삽입을 채용하고, 유닛 전체 스위칭 주기 포화 도통과 테일링 중지 양자의 평균 전력소모가 최저인 요구를 모두 만족시키기 위해 전압 안정의 구체적인 수치를 조정함으로써 부동(不同)한 사용 요구에 대해 복수 개의 슈도 포화 전압 Ucer슈도를 설정할 수 있고, 그 다음 전압 조절 컴포넌트 조합을 정형화함으로써 최적의 스위칭 속도를 얻는다. 그 회로 구조는 공률 모듈의 칩 상에 조합되어 칩의 구성 성분이 될 수 있다. 또한, 단일 유닛이 되도록 독립 설계되어 모듈에 부설될 수도 있다.
본 발명의 유익한 효과:
본 기술방안의 장점은, 상당 부분 스위치 유닛의 스위칭 속도를 향상시켰고, 스위치 컴포넌트의 사용 신뢰성을 대폭 증가시켰다. 이에 따라 진일보하게 설계의 심화를 향상시켰다. 작게는 절전 전등 전기 선풍기 전자레인지 에어컨 및 스위치 전원을 채용하여 가열하는 즉시 가열 타입 전열 기구, 크게는 고속철도 같은 유형의 전력 시동 및 레이저 건, 전자기 캐논 심지어 항공 우주 동력까지, 이러한 연구 개발은 모두 대대적인 에너지 전환을 필요로 하는 것으로, 전력 전자 업계 핵심인 스위치 디바이스의 광범위한 개입 응용은 없어서는 안 되는 것이다.
아래에서 도면 및 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 진일보하게 묘사한다:
도 1은 본 발명이 향상시킨 사이리스터 모듈 스위칭 속도의 국부 개선 회로 원리도이다.
도 2는 본 발명이 향상시킨 IGBT 모듈 스위칭 속도의 국부 개선 회로 원리도이다.
도 3은 본 발명이 향상시킨 GTR 모듈 스위칭 속도의 국부 개선 회로 원리도이다.
도 4는 본 발명 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈 슈도 포화 전압 클램프 회로 원리도이다.
도 5는 본 발명 사이리스터 모듈 메인 칩 개선 구조도이다.
도 6은 본 발명 IGBT 모듈 메인 칩 개선 구조도이다.
본 발명이 제시하는 전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법에 있어서, 상기 스위치 칩은 기능 회로 구조를 추가하고, 스위치 칩이 포화 도통될 때 부동(不同)한 사전 설정 슈도 포화 전압 상태로 전환되도록 하고, 베이스 영역 테일링 시간 상수의 감소 및 중지 기간 테일링 전력소모 총량의 감소를 얻음으로써, 스위칭 속도 설계 한계의 향상을 달성한다. 이하에서 실시예를 통해 본 발명 방법의 응용을 구체적으로 소개한다.
실시예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 향상시킨 사이리스터 모듈 스위칭 속도의 국부 개선 회로 원리도로서, 여기에서 PNP형 공률 튜브(1), NPN형 공률 튜브(2), 다이오드(3), 슈도 포화 전압 Ucer슈도 전압 안정기(4), 클램프 다이오드(5), 턴 오프용 전자 스위치(7), 스위치 제어 펄스 입력단(8), 부하 저항Rf(9), 전원 전압(11)을 포함한다. 스위치 제어 펄스 입력단(8)은 충분히 강한 회로 요구 설계 폭에 따른 도통 펄스를 입력하고, 전압 안정기(4)가 최저 전압 안정값(또는 다른 병렬 단락 전자 스위치)을 선택하는 공동 작용 하에, 사이리스터가 전통적인 종래의 저압 심도 포화의 저전력소모 도통을 트리거링한다. 펄스 도통 종료 후, 스위치 제어 펄스 입력단(8)은 전류 입력을 제어하지 않고, 사이리스터는 도통 과정을 유지한다. 쾌속 턴 오프 시간 전에 진입할 필요가 있고, 우선 전압 안정기(4)를 비교적 높은 슈도 포화 전압 Ucer슈도까지 변환하고, NPN형 공률 튜브(2)의 컬렉터 전압은 사전 설정된 높은 슈도 포화 전압 Ucer슈도까지 상승하여, 사이리스터의 베이스 영역은 테일링 시간 상수를 저하시킨다. 해당 단 전후로 테일링 시간은 도통 펄스 폭에 더하여 사이리스터의 도통 시간이 된다. 그 다음 사이리스터는 이미 도달한 낮은 시간 상수의 비교적 높은 전압의 슈도 포화 상태 하에(전압 안정기(4) 전류 최대일 때), 턴 오프 속도 향상이 가능한 상태로 진입한다. 턴 오프가 필요할 때, 턴 오프용 단자 스위치(7)를 단전하거나, 사이리스터 메인 작업 전압 역방향을 입력함으로써, 사이리스터가 신속하게 턴 오프되도록 한다.
실시예 2
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 향상시킨 IGBT 모듈 스위칭 속도의 국부 개선 회로 원리도로서, 여기에서 PNP형 공률 튜브(1), NPN형 공률 튜브(2), 다이오드(3), 슈도 포화 전압 Ucer슈도 전압 안정기(4), 클램프 다이오드(5), 전 단계의 스위치 제어 펄스 입력 다이오드(6), 필드 효과 전자 스위치(7), 스위치 제어 펄스 입력단(8), 부하 저항 Rf(9), 전원 전압(11), IGBT 모듈 공률 튜브의 구동 트리거링 베이스(16)를 포함한다. 상기 IGBT 모듈 최종 단계의 PNP형 공률 튜브(1), NPN형 공률 튜브(2)는 다이오드(3)에 의해 캐스케이드 연결되고, 공률 페어 튜브의 구동 트리거링 제어 베이스(16)는 조절 또는 사전 설정 가능한 슈도 포화 전압 Ucer슈도 전압 안정기(4)에 캐스케이드 연결된 후 다시 최초 대응된 PNP형 공률 튜브(1)의 컬렉터에 캐스케이스 연결되고, 상기 IGBT 모듈 공률 페어 튜브의 구동 트리거링 제어 베이스(16)는 전압 안정기(4)에 연결되기 전, 입력 도통 구동 제어에 의한 필드 효과 전자 스위치(7)를 더 캐스케이드 연결하고, 상기 IGBT 모듈 공률 페어 튜브의 PNP형 공률 튜브(1) 베이스는 다이오드(3)를 거쳐 NPN형 공률 튜브(2)의 컬렉터에 캐스케이드 연결되고, 상기 IGBT 모듈 전 단계의 필드 효과 구동 출력단(8)은 도통 구동 입력 다이오드(6)를 거쳐 공률 튜브의 구동 트리거링 베이스에 연결된다. IGBT 모듈 스위칭 속도를 향상시키는 작업 과정은 실시예 1의 사이리스터 모듈과 유사하므로, 더 이상 중복하여 설명하지 않는다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명 사이리스터 모듈이고, IGBT 모듈 메인 칩 개선 구조도로서, 여기에서 17은 금속 도전층이다.
실시예 3
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 향상시킨 GTR 모듈 스위칭 속도의 국부 개선 회로 원리도로서, 여기에서 공률 달링턴(Darlington) 튜브(2), 슈도 포화 전압 Ucer슈도 전압 안정기(4), 클램프 다이오드(5), 부하 저항 Rf(9), 구동 펄스 전류 제한 저항 Ri(10), 전원 전압(11)을 포함한다. 달링턴 구조 튜브는 연속 증폭의 기능을 가지므로, 그 테일링 현상이 특별히 심각하도록 만들고, 본 발명 구조 실험이 획득한 결과가 나타내는 바로는, 슈도 포화 전압 Ucer슈도가 십여 볼트 얻어진 경우, 스위치 컴포넌트인 달링턴 구조의 GTR 모듈이 설계한 스위치 전원을 채용하여, 그 안정적인 작업 주파수는 원래 어떻게 하더라도 5KHz의 전형적인 한계를 초과할 수 없었던 것을, 일시에 수만 Hz에 달하도록 하였다.
실시예 4
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈을 더 제시하는데, 도면에서는: 공률 트랜지스터(2), 슈도 포화 전압 Ucer슈도 전압 안정기(4), 슈도 포화 클램프 고속 다이오드(5), 부하 저항 Rf(9), 구동 펄스 전류 제한 저항 Ri(10), 전원 저항(11), 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈 구동 펄스 입력단(12), 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈 구동 펄스 출력단(13), 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈 슈도 포화 전압 클램프단(14), 가상 케이블 프레임 내부인 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈(15)을 포함한다. 상기 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈(15)은 보조 슈도 포화 전압 기능 회로 유닛을 독립 모듈이 되도록 설계하고, 유닛은 조절 또는 사전 설정 가능한 슈도 포화 전압 안정기(4)와 컬렉터 슈도 포화 전압 클램프 고속 다이오드(5)를 포함하고, 슈도 포화 전압 안정기(4) 양극(陽極)은 공률 트랜지스터(2)의 베이스를 연결하고, 음극은 클램프 고속 다이오드(5)의 양극(陽極)을 연결하고, 클램프 고속 다이오드(5)의 음극은 공률 트랜지스터(2)의 컬렉터를 연결한다. 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈은 적용성이 광범위하고, 종래의 공률 칩을 재설계할 필요가 없다.
상기 실시예는 단지 본 발명의 기술적 사상 및 특징을 설명하는 것으로, 그 목적은 통상의 기술자가 본 발명의 내용을 이해하고 이에 기초하여 실시할 수 있도록 하는 것으로, 이것으로 본 발명의 보호범위를 제한하여서는 아니된다.

Claims (5)

  1. 전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법에 있어서,
    상기 스위치 칩은 보조 슈도(pseudo) 포화 전압 기능 회로를 추가하고, 스위치 칩이 포화 도통될 때 부동(不同)한 사전 설정된 슈도 포화 전압 상태로 변환되도록 하고, 베이스 영역 테일링(tailing) 시간 상수의 감소 및 중지 기간 테일링 전력소모 총량의 감소를 얻음으로써, 스위칭 속도 설계 한계의 향상을 달성하는 것을 특징으로 하는,
    전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법.
  2. 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈에 있어서,
    전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도 향상에 사용되고, 상기 보조 슈도 포화 전압 독립 모듈은 보조 슈도 포화 전압 기능 회로 유닛을 독립 모듈이 되도록 설계하고, 유닛은 조절 또는 사전 설정(preset) 가능한 슈도 포화 전압 안정기(electrical voltage stabilizers) 및 컬렉터 슈도 포화 전압 클램프(clamp) 고속 다이오드를 포함하고, 슈도 포화 전압 안정기 양극(陽極)은 스위치 칩의 베이스를 연결하고, 음극(陰極)은 클램프 고속 다이오드의 양극을 연결하고, 고속 다이오드의 음극은 스위치 칩의 컬렉터를 연결하는 것을 특징으로 하는,
    보조 슈도 포화 전압 독립 모듈.
  3. 전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법의 응용에 있어서,
    사이리스터(thyristor) 모듈 스위칭 속도 향상에 응용되고, 상기 사이리스터 모듈의 PNP형 및 NPN형 공률 페어 튜브 사이는 다이오드를 통해 캐스케이드 연결되고, 사이리스터 모듈의 공률 페어 튜브의 트리거링 제어 베이스는 슈도 포화 전압 안정기의 양극(陽極)을 캐스케이드 연결시키고, 전압 안정기 음극은 최초 대응된 나머지 하나의 공률 튜브의 컬렉터에 연결되고, 상기 공률 페어 튜브의 비구동(non-driving) 트리거링 베이스는 다이오드로가 대응되는 공률 튜브의 컬렉터에 캐스케이드 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는,
    전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법의 응용.
  4. 전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법의 응용에 있어서,
    IGBT 모듈 스위칭 속도의 향상에 응용되고, 상기 IGBT 모듈 최종 단계(final stage)의 PNP형 및 NPN형 공률 페어 튜브는 다이오드에 의해 캐스케이드 연결되고, 상기 IGBT 모듈 최종 단계의 공률 페어 튜브의 구동 트리거링 제어 베이스는 조절 또는 사전 설정 가능한 전압 안정기에 캐스케이드 연결된 후 다시 최초 대응된 나머지 하나의 공률 튜브의 컬렉터에 연결되고, 상기 IGBT 모듈 공률 페어 튜브의 구동 트리거링 제어 베이스는 전압 안정기에 연결되기 전, 입력 도통 구동 제어에 의한 필드 효과 전자 스위치를 더 캐스케이드 연결하고, 상기 IGBT 모듈 공률 페어 튜브의 나머지 하나의 비구동 트리거링 베이스는 다이오드가 대응되는 공률 튜브의 컬렉터에 캐스케이드 연결되도록 하고, 상기 IGBT 모듈 전 단계의 필드 효과 구동 출력단은 도통 구동 입력 다이오드를 거쳐 공률 튜브의 구동 트리거링 베이스에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법의 응용.
  5. 전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법의 응용에 있어서,
    GTR 모듈 스위칭 속도 향상에 응용되고, 상기 GTR 모듈 구동 베이스는 조절 또는 사전 설정 가능한 전압 안정기에 캐스케이드 연결된 후 스위치 제어 펄스 입력단과 서로 연결되고, GTR 모듈 출력 컬렉터는 클램프 고속 다이오드에 캐스케이드 연결된 후 스위치 제어 펄스 입력단과 서로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    전력 전자 스위치 칩 스위칭 속도를 향상시키는 방법의 응용.
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