KR20230023316A - Circuit and system for high-speed driving power semiconductor device - Google Patents

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Abstract

A circuit and system for high-speed driving of power semiconductor device are disclosed. The semiconductor device driving circuit comprises: a transformer unit; a rectifier unit; a pulse shaping unit; and a driving voltage application unit. The transformer unit comprises a transformer, and the rectifier unit rectifies a pulse voltage output from the transformer unit to generate a rectified voltage. The pulse shaping unit receives the pulse voltage and shapes the rectified voltage to generate a driving voltage. The driving voltage application unit generates a positive driving voltage and a negative voltage from the rectified voltage by using the driving voltage and applies the same to a semiconductor device. According to the configuration, differentiated gate driving voltage levels can be provided to semiconductor devices by securing isolated driving power using the transformer and generating positive and negative driving voltages using the driving voltage formed from an input pulse voltage.

Description

전력용 반도체 소자 고속 구동 회로 및 시스템 {Circuit and system for high-speed driving power semiconductor device}Power semiconductor device high-speed driving circuit and system {Circuit and system for high-speed driving power semiconductor device}

본 발명은 구동 회로 관련 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자를 구동하기 위한 구동 회로 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a driving circuit-related technology, and more particularly, to a driving circuit and system for driving a semiconductor device.

최근 IGBT 및 MOSFET와 같은 전력용 반도체의 소자 기술과 함께 고효율 고주파 컨버터 기술이 발전함에 따라 반도체 소자의 구동 주파수를 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, SiC 소자의 고속 스위칭 특성을 이용한 고효율, 고주파, 고밀도 전원장치의 개발이 활발히 진행되면서, 게이트 구동회로 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재, 이에 대한 기술적인 어려움은 다음과 같이 요약할 수 있다. Recently, with the development of high-efficiency high-frequency converter technology along with device technology for power semiconductors such as IGBTs and MOSFETs, various studies are being conducted to increase the driving frequency of semiconductor devices. In particular, as the development of high-efficiency, high-frequency, high-density power supply devices using high-speed switching characteristics of SiC devices is actively progressing, research on gate driving circuit technology is actively progressing. Currently, the technical difficulties for this can be summarized as follows.

1. 다수의 절연된 구동 전력1. Multiple isolated driving power

전력용 반도체 소자의 구동을 위해 일반적으로 요구되는 기술로서, 각 소자마다 절연된 구동 전력을 확보하는 방식을 고려할 수 있으나, 소자수와 비례하는 SMPS를 사용해야하는 단점이 있다.As a technology generally required for driving power semiconductor devices, a method of securing insulated driving power for each device can be considered, but there is a disadvantage in that an SMPS proportional to the number of devices must be used.

이에 대해, 변압기를 이용하여 변압기 1차측에서 하나의 구동 전력을 이용해 다수의 소자를 구동할 수 있으나, 변압기 누설인덕턴스의 영향으로 고속 구동에 한계가 있다. 또한, MHz 이상의 소자 구동을 위한 신호를 변압기를 통해 전달하는 경우, 코어 손실이 크게 증가하는 문제가 있어 변압기 설계의 어려움이 존재한다.In contrast, it is possible to drive a plurality of devices using one driving power on the primary side of the transformer using a transformer, but there is a limit to high-speed driving due to the influence of transformer leakage inductance. In addition, when a signal for driving a device of MHz or higher is transmitted through a transformer, there is a problem in that core loss greatly increases, which makes transformer design difficult.

2. 게이트 구동 전압의 레벨2. Level of gate driving voltage

구동하고자 하는 소자의 특성과 운용 조건에 따라 +게이트 전압을 인가해야 하며, 노이즈에 의해 원하지 않는 상황에서 소자가 턴온되는 것을 방지하기 위해, 노이즈 레벨 이상의 전압을 오프시에 인가하는 것이 필요하다. 이때, -전압 레벨을 +전압레벨과 동일하게 사용하는 경우 회로구성이 용이한 장점이 있지만, 더욱 높은 게이트 구동 전력이 필요하게 되어 고속 구동회로 구현에 어려움이 존재한다. Depending on the characteristics and operating conditions of the device to be driven, +gate voltage must be applied, and in order to prevent the device from being turned on in an unwanted situation due to noise, it is necessary to apply a voltage higher than the noise level when off. At this time, when the -voltage level is used the same as the +voltage level, there is an advantage in that the circuit configuration is easy, but higher gate driving power is required, making it difficult to implement a high-speed driving circuit.

특히, SiC 소자의 경우 +구동전압 최대치는 높은 반면(대부분 15V 이상), 구동전압 허용 최소치는 낮게 개발되어 있어(수 V), 양의 전압레벨과 음의 전압레벨을 다르게 인가해야 한다. 또한, SiC 소자는 문턱전압이 낮기 때문에 노이즈에 의해 의도하지 않게 턴온되는 문제가 발생할 확률이 높아, 신뢰성을 위해 음의 전압을 인가하기 위한 회로가 필요하다. In particular, in the case of SiC devices, the maximum driving voltage is high (mostly 15V or more), but the minimum allowable driving voltage has been developed low (several V), so positive and negative voltage levels must be applied differently. In addition, since the SiC device has a low threshold voltage, there is a high probability of unintentionally turning on due to noise, and a circuit for applying a negative voltage is required for reliability.

3. 영전압 스위칭용 컨버터 적용을 위한 소자간 데드타임3. Dead time between devices for application of converter for zero voltage switching

수백kHz 이상부터 수 MHz까지의 높은 스위칭 주파수를 가지는 컨버터 개발을 위해서는 영전압 스위칭 방식과 같은 소프트 스위칭 방식을 이용해야 하는데, 이 경우 부하 운용 조건에 따라 변동되는 스위치 간에 필요한 데드타임을 제공해 줄 수 있어야 한다.In order to develop a converter with a high switching frequency ranging from hundreds of kHz to several MHz, a soft switching method such as zero voltage switching must be used. do.

KRKR 101172740 101172740 B1B1

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 절연된 구동 전력, 차별화되는 게이트 구동 전압 레벨, 및 영전압 스위칭을 위한 데드타임을 효과적으로 제공할 수 있는 반도체 소자 구동 회로 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and provides a semiconductor device driving circuit and system that can effectively provide isolated driving power, differentiated gate driving voltage levels, and dead time for zero voltage switching. aims to do

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체 소자 구동 회로는, 변압부, 정류부, 펄스 성형부, 및 구동 전압 인가부를 포함한다. 변압부는 변압기를 포함하고, 정류부는 변압부로부터 출력된 펄스 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하고, 펄스 성형부는 펄스 전압을 입력받아 정류 전압을 성형하여 구동 전압을 생성하며, 구동 전압 인가부는 구동 전압을 이용하여 정류 전압으로부터 양의 구동 전압과 음의 전압을 생성하여 반도체 소자로 인가한다.In order to achieve the above object, a semiconductor device driving circuit according to the present invention includes a transforming unit, a rectifying unit, a pulse shaping unit, and a driving voltage applying unit. The transforming unit includes a transformer, the rectifying unit rectifies the pulse voltage output from the transforming unit to generate a rectified voltage, the pulse shaping unit receives the pulse voltage and shapes the rectified voltage to generate a driving voltage, and the driving voltage application unit generates a driving voltage A positive driving voltage and a negative voltage are generated from the rectified voltage and applied to the semiconductor device.

이와 같은 구성에 의하면, 변압기를 이용하여 절연된 구동 전력의 확보하고, 입력된 펄스 전압으로부터 성형된 구동 전압을 이용하여 양의 구동 전압과 음의 구동 전압을 생성함으로써 차별화되는 게이트 구동 전압 레벨을 반도체 소자로 제공할 수 있게 된다.According to this configuration, by using a transformer to secure insulated driving power and generating a positive driving voltage and a negative driving voltage using a driving voltage shaped from an input pulse voltage, the gate driving voltage level differentiated from the semiconductor It can be provided as an element.

이때, 반도체 소자의 영전압을 검출하는 영전압 검출부를 더 포함할 수 있으며, 펄스 성형부는 영전압의 검출 결과에 따라 미리 설정된 데드타임을 반영하여 구동 전압을 생성할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 검출된 영전압에 따라 구동 전압을 생성함으로써, 영전압 스위칭을 위한 데드타임을 반도체 소자로 제공할 수 있게 된다.In this case, the zero voltage detector may further include a zero voltage detecting unit for detecting the zero voltage of the semiconductor device, and the pulse shaping unit may generate a driving voltage by reflecting a preset dead time according to a result of detecting the zero voltage. According to this configuration, by generating a driving voltage according to the detected zero voltage, it is possible to provide a dead time for switching the zero voltage to the semiconductor device.

또한, 영전압 검출부는 반도체 소자의 드레인에 음극이 연결되고 펄스 성형부에 양극이 연결된 다이오드일 수 있다.Also, the zero voltage detector may be a diode having a cathode connected to the drain of the semiconductor device and an anode connected to the pulse shaping unit.

또한, 구동 전압의 펄스 파형으로부터 노이즈를 제거하여 구동 전압 인가부로 제공하는 노이즈 제거부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 노이즈에 의해 의도하지 않게 반도체 소자가 동작하는 문제를 해결할 수 있게 된다.In addition, a noise removal unit for removing noise from the pulse waveform of the driving voltage and providing the noise to the driving voltage applying unit may be further included. According to such a configuration, it is possible to solve the problem of the semiconductor device operating unintentionally due to noise.

이때, 노이즈 제거부는 슈미트 트리거 회로일 수 있다.In this case, the noise removal unit may be a Schmitt trigger circuit.

또한, 구동 전압 인가부는 구동 전압에 따라 상보적으로 동작하도록 직렬 연결된 제 1 스위치 및 제 2 스위치, 및 직렬 연결된 제 1 스위치 및 제 2 스위치와 병렬 연결된 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 포함하며 반도체 소자의 게이트는 제 1 스위치와 제 2 스위치 사이에 연결되고, 반도체 소자의 소스는 제 1 커패시터와 제 2 커패시터 사이에 연결될 수 있다.In addition, the driving voltage applying unit includes a first switch and a second switch connected in series and a first capacitor and a second capacitor connected in parallel with the first switch and the second switch connected in series to operate complementaryly according to the driving voltage, and the semiconductor element A gate of may be connected between the first switch and the second switch, and a source of the semiconductor element may be connected between the first capacitor and the second capacitor.

또한, 구동 전압 인가부는 제 1 스위치 및 제 2 스위치와 각각 병렬로 연결된 제 1 전압 분배기 및 제 2 전압 분배기를 더 포함할 수 있다.The driving voltage application unit may further include a first voltage divider and a second voltage divider connected in parallel to the first switch and the second switch, respectively.

또한, 본 발명에 따른 반도체 소자 구동 시스템은 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 소자를 구동하기 위한 시스템으로서, 반도체 소자 각각을 구동하기 위한 복수의 반도체 소자 구동 회로를 포함하며, In addition, a semiconductor device driving system according to the present invention is a system for driving a plurality of semiconductor devices connected in series to each other, and includes a plurality of semiconductor device driving circuits for driving each of the semiconductor devices,

복수의 반도체 소자 구동 회로 각각은, 변압기를 포함하는 변압부, 변압부로부터 출력된 펄스 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부, 펄스 전압을 입력받아 정류 전압을 성형하여 구동 전압을 생성하는 펄스 성형부, 및 구동 전압을 이용하여 정류 전압으로부터 양의 구동 전압과 음의 전압을 생성하여 반도체 소자로 인가하는 구동 전압 인가부를 포함한다.Each of the plurality of semiconductor device driving circuits includes a transforming unit including a transformer, a rectifying unit generating a rectified voltage by rectifying the pulse voltage output from the transforming unit, and a pulse shaping unit receiving the pulse voltage and shaping the rectified voltage to generate a driving voltage. and a driving voltage applying unit generating a positive driving voltage and a negative voltage from the rectified voltage using the driving voltage and applying the generated positive driving voltage and negative voltage to the semiconductor device.

또한, 복수의 반도체 소자 구동 회로 전부에 대해 공통의 입력 전압을 제공하는 입력 전압 제공부를 더 포함할 수 있다.The device may further include an input voltage providing unit providing a common input voltage to all of the plurality of semiconductor device driving circuits.

본 발명에 의하면, 변압기를 이용하여 절연된 구동 전력의 확보하고, 입력된 펄스 전압으로부터 성형된 구동 전압을 이용하여 양의 구동 전압과 음의 구동 전압을 생성함으로써 차별화되는 게이트 구동 전압 레벨을 반도체 소자로 제공할 수 있게 된다.According to the present invention, a gate driving voltage level differentiated by securing insulated driving power using a transformer and generating a positive driving voltage and a negative driving voltage using a driving voltage molded from an input pulse voltage is a semiconductor device. can be provided with

또한, 검출된 영전압에 따라 구동 전압을 생성함으로써, 영전압 스위칭을 위한 데드타임을 반도체 소자로 제공할 수 있게 된다.In addition, by generating a driving voltage according to the detected zero voltage, a dead time for zero voltage switching can be provided to the semiconductor device.

또한, 노이즈에 의해 의도하지 않게 반도체 소자가 동작하는 문제를 해결할 수 있게 된다.In addition, it is possible to solve the problem of the semiconductor device operating unintentionally due to noise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체 소자 고속 구동 회로의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 회로 구성을 도시한 도면.
도 3 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 구동 시스템의 회로도.
도 4는 도 3의 시스템의 실제 적용예가 도시된 도면.1 is a schematic block diagram of a power semiconductor device high-speed driving circuit according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a diagram showing the circuit configuration of Fig. 1;
3 is a circuit diagram of a semiconductor device driving system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an actual application of the system of FIG. 3;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체 소자 고속 구동 회로의 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1의 회로 구성을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에서, 반도체 소자 구동 회로(100)는 변압부(110), 정류부(120), 펄스 성형부(130), 구동 전압 인가부(140), 영전압 검출부(150), 및 노이즈 제거부(160)를 포함한다. 도 2에서 반도체 소자(200)는 MOSFET로 구현되어 있지만, MOSFET에 한정되지 않는다.1 is a schematic block diagram of a power semiconductor device high-speed drive circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the circuit configuration of FIG. 1 . 1 and 2 , the semiconductor device driving circuit 100 includes a transformer 110, a rectifier 120, a pulse shaping unit 130, a driving voltage application unit 140, a zero voltage detection unit 150, and a noise A removal part 160 is included. In FIG. 2 , the semiconductor device 200 is implemented as a MOSFET, but is not limited to the MOSFET.

변압부(110)는 변압기를 포함하고, 정류부(120)는 변압부로부터 출력된 펄스 전압(Vpulse)을 정류하여 정류 전압(Vdc)을 생성한다. 이와 같은 구성에 의해, 짧은 bipolar pulse를 변압기를 통해 전달하고 정류하여 절연된 구동전력을 확보할 수 있게 된다. The transformer 110 includes a transformer, and the rectifier 120 rectifies the pulse voltage Vpulse output from the transformer to generate the rectified voltage Vdc. With this configuration, it is possible to secure isolated driving power by transmitting and rectifying a short bipolar pulse through a transformer.

펄스 성형부(130)는 정류 전압(Vdc)을 입력받아 펄스 전압(Vpulse)을 성형하여 구동 전압(Vdrive)을 생성한다. 이와 같은 구성에 의하면, 펄스 성형 회로를 통해 원하는 구동신호를 생성하여 작은 크기의 코어를 사용하여도 긴 펄스의 게이트 구동신호를 효율적으로 만들 수 있을 뿐만 아니라, 변압기의 코어 손실을 줄일 수 있어 높은 주파수에서도 변압기 설계가 용이하게 된다.The pulse shaping unit 130 receives the rectified voltage Vdc and shapes the pulse voltage Vpulse to generate the driving voltage Vdrive. According to this configuration, a desired driving signal can be generated through the pulse shaping circuit, and a gate driving signal of a long pulse can be efficiently generated even when a small-sized core is used, and the core loss of the transformer can be reduced, resulting in high frequency Transformer design is also made easy.

구동 전압 인가부(140)는 구동 전압(Vdrive)을 이용하여 정류 전압(Vdc)으로부터 양의 구동 전압(Von)과 음의 구동 전압(Voff)을 생성하여 반도체 소자(200)로 인가한다. 이때, 구동 전압 인가부(140)는 구동 전압(Vdrive)에 따라 상보적으로 동작하도록 직렬 연결된 제 1 스위치(141) 및 제 2 스위치(142), 및 직렬 연결된 제 1 스위치(141) 및 제 2 스위치(142)와 병렬 연결된 제 1 커패시터(143) 및 제 2 커패시터(144)를 포함한다.The driving voltage application unit 140 generates a positive driving voltage Von and a negative driving voltage Voff from the rectified voltage Vdc using the driving voltage Vdrive and applies them to the semiconductor device 200 . At this time, the driving voltage applicator 140 includes a first switch 141 and a second switch 142 connected in series and a first switch 141 and a second switch connected in series to operate complementaryly according to the driving voltage Vdrive. A first capacitor 143 and a second capacitor 144 connected in parallel with the switch 142 are included.

반도체 소자(200)의 게이트는 제 1 스위치(141)와 제 2 스위치(142) 사이에 연결되고, 반도체 소자(200)의 소스는 제 1 커패시터(143)와 제 2 커패시터(144) 사이에 연결된다. 또한, 구동 전압 인가부(140)는 제 1 스위치(141) 및 제 2 스위치(142)와 각각 병렬로 연결된 제 1 전압 분배기(145) 및 제 2 전압 분배기(146)를 더 포함한다.The gate of the semiconductor device 200 is connected between the first switch 141 and the second switch 142, and the source of the semiconductor device 200 is connected between the first capacitor 143 and the second capacitor 144. do. In addition, the driving voltage applying unit 140 further includes a first voltage divider 145 and a second voltage divider 146 connected in parallel to the first switch 141 and the second switch 142 , respectively.

이에 따라, 턴온시 게이트 구동 전압과 턴오프시 게이트 구동 전압을 별도로 설정할 수 있어, 소자에 따라, 소자의 운용조건에 따라 자유롭게 전압을 변경할 수 있게 된다. 또한, 불필요하게 큰 음의 전압을 사용하는 회로구성대비 낮은 음의 전압을 사용하여 게이트 구동 전력 저감에 기여할 수 있고, SiC 소자와 같이 소자 최대 허용 전압이 다른 경우에도 손쉽게 asymetric한 Von/Voff 전압을 인가할 수 있게 된다.Accordingly, the gate driving voltage at turn-on and the gate driving voltage at turn-off can be separately set, so that the voltage can be freely changed depending on the device and operating conditions of the device. In addition, it can contribute to reducing gate driving power by using a lower negative voltage compared to a circuit configuration using an unnecessarily large negative voltage, and can easily asymetric Von/Voff voltage even when the maximum allowable voltage of a device is different, such as a SiC device. can be authorized.

영전압 검출부(150)는 반도체 소자의 영전압을 검출한다. 이때, 펄스 성형부(130)는 영전압의 검출 결과에 따라 미리 설정된 데드타임을 반영하여 구동 전압(Vdrive)을 생성할 수 있다. 이때, 영전압 검출부(150)는 반도체 소자(200)의 드레인에 음극이 연결되고 펄스 성형부에 양극이 연결된 다이오드일 수 있다.The zero voltage detector 150 detects the zero voltage of the semiconductor device. At this time, the pulse shaping unit 130 may generate the driving voltage Vdrive by reflecting a preset dead time according to the detection result of the zero voltage. In this case, the zero voltage detector 150 may be a diode having a cathode connected to the drain of the semiconductor device 200 and an anode connected to the pulse shaping unit.

이와 같은 구성에 의하면, 스위치 양단의 영전압을 검지하여 가변적인 데드타임을 제공해 줄 수 있어 부하 변동에 관계없이 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 소프트 스위칭 컨버터에 효율적으로 적용 가능하다.According to this configuration, it is possible to provide a variable dead time by detecting zero voltage across the switch, enabling zero voltage switching regardless of load fluctuations, so that it can be efficiently applied to a soft switching converter.

노이즈 제거부(160)는 구동 전압(Vdrive)의 펄스 파형으로부터 노이즈를 제거하여 구동 전압 인가부(140)로 제공한다. 이때, 노이즈 제거부(160)는 슈미트 트리거(Shumitt Trigger) 회로일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 노이즈에 의해 의도하지 않게 반도체 소자가 동작하는 문제를 해결할 수 있게 된다.The noise removal unit 160 removes noise from the pulse waveform of the driving voltage Vdrive and provides the noise to the driving voltage application unit 140 . In this case, the noise removal unit 160 may be a Schmitt trigger circuit. According to such a configuration, it is possible to solve the problem of the semiconductor device operating unintentionally due to noise.

슈미트 트리거 회로는 쌍안정 멀티바이브레이터의 일종으로 슈미트 회로라고도 하며, 히스테리시스 특성을 가지고 있어 어떤 입력 파형이라도 깨끗한 구형파로 만들어 낼 수 있는 회로로서, 파형 정형, 비교기, 펄스증폭, 펄스폭 변조 등에 쓰인다.Schmitt trigger circuit is a type of bistable multivibrator, also called Schmitt circuit. It has hysteresis characteristics and can generate any input waveform as a clean square wave. It is used for waveform shaping, comparator, pulse amplification, pulse width modulation, etc.

입력진폭이 소정의 값을 넘으면 급격히 작동하여 거의 일정한 출력을 얻고, 소정의 값 이하가 되면 즉시 복구하는 동작을 하는 회로로서, 펄스발생 회로의 당김쇠(트리거), 아날로그디지털(AD)변환 등에 널리 이용되고 있다. As a circuit that rapidly operates to obtain an almost constant output when the input amplitude exceeds a predetermined value, and immediately recovers when the input amplitude falls below a predetermined value, it is widely used in pulse generation circuit pulleys (triggers), analog-to-digital (AD) conversion, etc. It is being used.

도 3 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 구동 시스템의 회로도이고, 도 4는 도 3의 시스템의 실제 적용예가 도시된 도면이다. 도 3에는 도 2의 반도체 소자 구동 회로를 이용하여 반도체 소자 직병렬 스택킹 구동 회로가, 도 4에는 도 2의 반도체 소자 구동 회로를 하프 브리지, 풀 브리지, 또는 멀티 페이즈(Multi-phase) 인버터 또는 컨버터에 적용한 예가 도시되어 있다. FIG. 3 is a circuit diagram of a semiconductor device driving system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating an actual application of the system of FIG. 3 . 3 shows a semiconductor device serial/parallel stacking driving circuit using the semiconductor device driving circuit of FIG. 2, and FIG. 4 shows a half-bridge, full-bridge, or multi-phase inverter or An example applied to the converter is shown.

반도체 소자 구동 시스템은 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 소자(200)를 구동하기 위한 시스템으로서, 반도체 소자(200) 각각을 구동하기 위한 복수의 반도체 소자 구동 회로(100)를 포함하며, The semiconductor device driving system is a system for driving a plurality of semiconductor devices 200 connected in series with each other, and includes a plurality of semiconductor device driving circuits 100 for driving each of the semiconductor devices 200,

복수의 반도체 소자 구동 회로(100) 각각은, 변압기를 포함하는 변압부(110), 변압부로부터 출력된 펄스 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부(120), 펄스 전압을 입력받아 정류 전압을 성형하여 구동 전압을 생성하는 펄스 성형부(130), 및 구동 전압을 이용하여 정류 전압으로부터 양의 구동 전압과 음의 전압을 생성하여 반도체 소자(200)로 인가하는 구동 전압 인가부(140)를 포함한다. 이때, 입력 전압 제공부(300)는 복수의 반도체 소자 구동 회로 전부에 대해 공통의 입력 전압을 제공한다. Each of the plurality of semiconductor device driving circuits 100 includes a transforming unit 110 including a transformer, a rectifying unit 120 generating a rectified voltage by rectifying the pulse voltage output from the transforming unit, and receiving the pulse voltage to generate a rectified voltage. The pulse shaping unit 130 generates a driving voltage by shaping, and the driving voltage application unit 140 generates a positive driving voltage and a negative voltage from the rectified voltage using the driving voltage and applies them to the semiconductor device 200. include At this time, the input voltage providing unit 300 provides a common input voltage to all of the plurality of semiconductor device driving circuits.

정리하면, 본 발명은 전력용 반도체 소자를 고속으로 구동하기 위한 구동회로로서, 스위치를 구동하기 위한 전력과 신호(Vpulse)를 동시에 절연하여 전달하기 위한 변압기(TR), 게이트 구동에 필요한 전력의 공급과 함께 구동 회로에 사용되는 모든 소자의 전력을 제공하기 위해 Vpulse 신호를 정류하여 Vdc를 생성하는 정류회로, Vpulse 신호를 입력받아 실제 MOS FET 구동에 필요한 신호(Vdrive)를 발생시킬 수 있는 펄스 성형 회로(Pulse Shaping), MOSFET 양단의 영전압을 검지하여 펄스 성형 회로에서 영전압 검지 후 구동전압을 생성시킬 수 있도록 하기 위한 Dzv, 고주파 구동 노이즈를 차단시켜 안정적인 구동을 위한 Schmitt trigger 회로, MOSFET 턴온을 위해 양의 전압(Von)을 인가하기 위한 M1 및 C1, MOSFET 턴오프를 위해 음의 전압(Voff)을 인가하기 위한 M2 및 C2, 정류된 Vdc 전압을 분배하여 원하는 Von, Voff 전압레벨을 만들어내기 위한 voltage Divider를 포함한다.In summary, the present invention is a driving circuit for driving a power semiconductor device at high speed. A transformer (TR) for simultaneously insulating and transmitting power for driving a switch and a signal (Vpulse), supplying power necessary for driving a gate. A rectifier circuit that generates Vdc by rectifying the Vpulse signal to provide power for all elements used in the driving circuit, and a pulse shaping circuit that can receive the Vpulse signal and generate the signal (Vdrive) necessary for driving the actual MOS FET. (Pulse Shaping), Dzv for detecting the zero voltage across the MOSFET and generating the driving voltage after detecting the zero voltage in the pulse shaping circuit, Schmitt trigger circuit for stable driving by blocking high-frequency driving noise, for MOSFET turn-on M1 and C1 for applying a positive voltage (Von), M2 and C2 for applying a negative voltage (Voff) for turning off the MOSFET, and dividing the rectified Vdc voltage to create the desired Von and Voff voltage levels Include a voltage divider.

본 발명에 의하면, 짧은 bipolar pulse를 변압기를 통해 전달하고 정류하여 절연된 구동전력을 확보할 수 있으며, 펄스 성형 회로를 통해 원하는 구동신호를 생성하여 작은 크기의 코어를 사용하여도 긴 펄스의 게이트 구동신호를 효율적으로 만들 수 있을 뿐만 아니라, 변압기의 코어 손실을 줄일 수 있어 높은 주파수에서도 변압기 설계가 용이하다. According to the present invention, it is possible to secure isolated driving power by transmitting and rectifying a short bipolar pulse through a transformer, and generating a desired driving signal through a pulse shaping circuit to drive a long pulse gate even using a small-sized core. Not only can the signal be made efficiently, but also the core loss of the transformer can be reduced, making it easy to design the transformer even at high frequencies.

또한, 스위치 양단의 영전압을 검지하여 가변적인 데드타임을 제공해 줄 수 있어 부하 변동에 관계없이 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 소프트 스위칭 컨버터에 효율적으로 적용 가능하다.In addition, since zero voltage across the switch can be detected and a variable dead time can be provided, zero voltage switching is possible regardless of load fluctuations, so it can be efficiently applied to soft switching converters.

또한, 턴온시 게이트 구동전압과 턴오프시 게이트 구동전압을 별도로 설정할 수 있어 소자에 따라 소자의 운용조건에 따라 자유롭게 전압을 변경할 수 있으며, 불필요하게 큰 음의 전압을 사용하는 회로구성대비 낮은 음의 전압을 사용하여 게이트 구동 전력 저감에 기여할 수 있고, SiC 소자와 같이 소자 최대 허용 전압이 다른 경우에도 손쉽게 asymetric한 Von/Voff전압을 인가할 수 있다.In addition, since the gate driving voltage at turn-on and the gate driving voltage at turn-off can be set separately, the voltage can be freely changed according to the operating conditions of the device depending on the device. It can contribute to reducing gate driving power by using voltage, and can easily apply asymetric Von/Voff voltage even when the maximum allowable voltage of a device is different, such as a SiC device.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.Although the present invention has been described by some preferred embodiments, the scope of the present invention should not be limited thereto, but should also extend to modifications or improvements of the above embodiments supported by the claims.

100: 반도체 소자 구동 회로
110: 변압부
120: 정류부
130: 펄스 성형부
140: 구동 전압 인가부
141: 제 1 스위치
142: 제 2 스위치
143: 제 1 커패시터
144: 제 2 커패시터
145: 제 1 전압 분배기
146: 제 2 전압 분배기
150: 영전압 검출부
160: 노이즈 제거부
200: 반도체 소자
300: 입력 전압 제공부 100: semiconductor element driving circuit
110: transformer unit
120: rectifier
130: pulse forming unit
140: driving voltage application unit
141: first switch
142: second switch
143 first capacitor
144 second capacitor
145: first voltage divider
146: second voltage divider
150: zero voltage detection unit
160: noise removal unit
200: semiconductor element
300: input voltage providing unit

Claims (9)

변압기를 포함하는 변압부;
상기 변압부로부터 출력된 펄스 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부;
상기 정류 전압을 입력받아 상기 펄스 전압을 성형하여 구동 전압을 생성하는 펄스 성형부: 및
상기 구동 전압을 이용하여 상기 정류 전압으로부터 양의 구동 전압과 음의 구동 전압을 생성하여 상기 반도체 소자로 인가하는 구동 전압 인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
a transformer comprising a transformer;
a rectifying unit generating a rectified voltage by rectifying the pulse voltage output from the transformer;
A pulse shaping unit receiving the rectified voltage and shaping the pulse voltage to generate a driving voltage; and
and a driving voltage applicator configured to generate a positive driving voltage and a negative driving voltage from the rectified voltage using the driving voltage and apply the generated positive driving voltage and negative driving voltage to the semiconductor element.
 청구항 1에 있어서,
상기 반도체 소자의 영전압을 검출하는 영전압 검출부를 더 포함하며,
상기 펄스 성형부는 상기 영전압의 검출 결과에 따라 미리 설정된 데드타임을 반영하여 상기 구동 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
The method of claim 1,
Further comprising a zero voltage detection unit for detecting the zero voltage of the semiconductor device;
The semiconductor device driving circuit of claim 1 , wherein the pulse shaping unit generates the driving voltage by reflecting a preset dead time according to a detection result of the zero voltage.
 청구항 2에 있어서,
상기 영전압 검출부는 상기 반도체 소자의 드레인에 음극이 연결되고 상기 펄스 성형부에 양극이 연결된 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
The method of claim 2,
The semiconductor device driving circuit according to claim 1 , wherein the zero voltage detection unit is a diode having a cathode connected to the drain of the semiconductor device and an anode connected to the pulse shaping unit.
 청구항 3에 있어서,
상기 구동 전압의 펄스 파형으로부터 노이즈를 제거하여 상기 구동 전압 인가부로 제공하는 노이즈 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
The method of claim 3,
The semiconductor device driving circuit of claim 1 , further comprising a noise removal unit removing noise from the pulse waveform of the driving voltage and providing the noise to the driving voltage applying unit.
 청구항 4에 있어서,
상기 노이즈 제거부는 슈미트 트리거 회로인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
The method of claim 4,
The semiconductor device driving circuit, characterized in that the noise removal unit is a Schmitt trigger circuit.
 청구항 3에 있어서, 상기 구동 전압 인가부는,
상기 구동 전압에 따라 상보적으로 동작하도록 직렬 연결된 제 1 스위치 및 제 2 스위치; 및
상기 직렬 연결된 제 1 스위치 및 제 2 스위치와 병렬 연결된 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 포함하며,
상기 반도체 소자의 게이트는 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치 사이에 연결되고, 상기 반도체 소자의 소스는 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
The method according to claim 3, wherein the driving voltage applying unit,
a first switch and a second switch coupled in series to operate complementaryly according to the driving voltage; and
A first capacitor and a second capacitor connected in parallel with the first switch and the second switch connected in series,
A gate of the semiconductor device is connected between the first switch and the second switch, and a source of the semiconductor device is connected between the first capacitor and the second capacitor.
 청구항 6에 있어서, 상기 구동 전압 인가부는,
상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치와 각각 병렬로 연결된 제 1 전압 분배기 및 제 2 전압 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 회로.
The method according to claim 6, wherein the driving voltage applying unit,
The semiconductor device driving circuit of claim 1, further comprising a first voltage divider and a second voltage divider connected in parallel to the first switch and the second switch, respectively.
 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 소자를 구동하기 위한 반도체 소자 구동 시스템으로서,
상기 반도체 소자 각각을 구동하기 위한 복수의 반도체 소자 구동 회로를 포함하며,
복수의 반도체 소자 구동 회로 각각은,
변압기를 포함하는 변압부;
상기 변압부로부터 출력된 펄스 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부;
상기 펄스 전압을 입력받아 상기 정류 전압을 성형하여 구동 전압을 생성하는 펄스 성형부: 및
상기 구동 전압을 이용하여 상기 정류 전압으로부터 양의 구동 전압과 음의 전압을 생성하여 상기 반도체 소자로 인가하는 구동 전압 인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 시스템.
A semiconductor device driving system for driving a plurality of semiconductor devices connected in series with each other, comprising:
A plurality of semiconductor device driving circuits for driving each of the semiconductor devices;
Each of the plurality of semiconductor element driving circuits,
a transformer comprising a transformer;
a rectifying unit generating a rectified voltage by rectifying the pulse voltage output from the transformer;
A pulse shaping unit receiving the pulse voltage and shaping the rectified voltage to generate a driving voltage; and
and a driving voltage applicator configured to generate a positive driving voltage and a negative voltage from the rectified voltage using the driving voltage and apply the generated positive driving voltage and negative voltage to the semiconductor element.
 청구항 8에 있어서,
상기 복수의 반도체 소자 구동 회로 전부에 대해 공통의 입력 전압을 제공하는 입력 전압 제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 구동 시스템.
The method of claim 8,
The semiconductor device driving system further comprises an input voltage providing unit providing a common input voltage to all of the plurality of semiconductor device driving circuits.
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