KR20240020413A - 펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버 - Google Patents

펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버 Download PDF

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조현빈
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안재범
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Abstract

펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버가 개시된다. 펄스 전원 장치는, 복수의 반도체 스위치; 컨트롤 루프; 출력단이 상기 컨트롤 루프와 연결되며, 상기 컨트롤 루프를 통해 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스를 출력하는 인버터와 컨트롤러; 관통하는 컨트롤 루프를 일차측으로 가지며, 상기 일차측을 통해 상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스를 전달받아 이차측을 통해 전달하는 복수의 컨트롤 변압기; 및 상기 복수의 반도체 스위치와 각각 연결되고, 상기 컨트롤 변압기를 통해 상기 (On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스를 공급받아 상기 반도체 스위치의 동작을 제어하는 복수의 드라이버-상기 동작은 턴-온, 턴-온 유지, 턴-오프임-를 포함하되, 상기 인버터는 풀 브리지 인버터로 2개로 스위치로 구성된 상단 스위치(U1, U2) 및 2개의 스위치로 구성된 하단 스위치(U3, U4)를 가지며, 상기 턴-온 유지 구간에서 상기 하단 스위치(U3, U4)의 게이트 전압이 하이(High) 상태로 유지되어 상기 컨트롤 루프의 단락상태를 유지할 수 있다.

Description

펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버{High voltage pulse power supply and gate driver to control semiconductor switch}
본 발명은 펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버에 관한 것이다.
고전압 펄스 발생 장치는 국방, 의료 산업 등 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있으며, 반도체 스위치 기술 발전은 고전압 펄스 발생 장치 기술 연구를 도욱 가속화시키고 있다.
스파크 갭, 싸이라트론, 진공관 스위치 등과 같은 종래의 기계적 스위치를 메인 방전 스위치로 사용하는 고전압 펄스 발생 장치는 반도체 스위치 기술과 비교하여 펄스폭 가변 및 반복률 증가의 제약과 수명이 짧다는 단점이 한계로 지적되어 왔다.
MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 반도체 스위치를 방전 스위치로 사용하는 펄스 발생 장치는 종래의 기계식 스위치를 사용하는 고전압 펄스 발생 장치의 단점으로 언급되던 짧은 수명, 제어의 어려움과 같은 문제들을 해결하였으나 단일 스위치가 가지는 전압, 전류 내량의 한계로 인하여 다수의 스위치를 직/병렬로 구성한 다단 방식이 개발되었다.
대표적인 다단 방식은 고전압 다이렉트 스위칭 방식, 반도체 스위치와 변압기를 결합한 방식, 반도체 스위치 기반 막스 방식 등이 있다.
고전압 직렬 스위칭 방식은 고전압 커패시터 전압을 직렬로 구성한 스위치를 통하여 부하로 직접 인가하는 방식이며, 구조가 간단하고 펄스 제어가 용이하지만 높은 커패시터 전압이 요구되고 스위치 구동 타이밍 오차로 인해 전압 불균형이 발생되기 쉽고, 정격을 초과할 경우 스위치의 연쇄 고장을 초래할 위험성이 높다. 반도체 스위치와 변압기를 결합한 방식은 상대적으로 낮은 커패시터 충전전압이 요구되나 사용되는 변압기의 포화와 상승시간 제약으로 펄스 전송효율이 낮다. 반도체 스위치 기반의 막스 방식은 병렬로 커패시터를 충전한 뒤 반도체 스위치의 동작을 통해 커패시터가 직렬로 연결되면서 고전압 펄스를 출력하는 방식으로 상대적으로 낮은 커패시터 충전전압이 요구되고 신뢰성있는 구조로 대표적인 고전압 펄스 전원장치 기술로 사용되어 왔다. 그러나 낮은 충전 효율과 방열구조의 증가 등 컴팩트한 설계가 어렵다.
또한 반도체 스위치를 사용한 고전압 전원장치의 설계 중 주요한 어려운 기술로 게이트 구동 회로의 절연기술이 거론된다. 단일 스위치 정격의 제한으로 다수의 스위치가 직, 병렬로 연결될 때 게이트 구동회로는 각각의 스위치에 독립적인 전원을 공급해야 하며, 고압부로 갈 수록 더 높은 절연기술이 요구되는데, 게이트 구동방식으로 주로 사용되는 광 신호 구동 방식은 절연된 신호를 공급하기 위해 각각의 드라이버에 추가적인 독립된 전원이 요구되므로 많은 개수의 스위치가 사용되는 고전압 펄스 모듈레이터에서 사용 시 모듈레이터의 크기를 줄이는 설계와 가격경쟁력을 확보하는 측면에서 제약 요소로 고려된다.
본 발명은 펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 온(On)-오프(Off) 펄스 모두 커패시터 충전 소스로 사용하고 회로를 소형화하여 전원장치를 소형화 설계가 가능케 할 수 있는 펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 반도체 스위치; 컨트롤 루프; 출력단이 상기 컨트롤 루프와 연결되며, 상기 컨트롤 루프를 통해 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스를 출력하는 인버터와 컨트롤러; 관통하는 컨트롤 루프를 일차측으로 가지며, 상기 일차측을 통해 상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스를 전달받아 이차측을 통해 전달하는 복수의 컨트롤 변압기; 및 상기 복수의 반도체 스위치와 각각 연결되고, 상기 컨트롤 변압기를 통해 상기 (On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스를 공급받아 상기 반도체 스위치의 동작을 제어하는 복수의 드라이버-상기 동작은 턴-온, 턴-온 유지, 턴-오프임-를 포함하되, 상기 인버터는 풀 브리지 인버터로 2개로 스위치로 구성된 상단 스위치(U1, U2) 및 2개의 스위치로 구성된 하단 스위치(U3, U4)를 가지며, 상기 턴-온 유지 구간에서 상기 하단 스위치(U3, U4)의 게이트 전압이 하이(High) 상태로 유지되어 상기 컨트롤 루프의 단락상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치가 제공될 수 있다.
하나의 컨트롤 변압기는 2차측을 통해 4개의 게이트 드라이버와 연결될 수 있다.
상기 컨트롤러의 제1 출력과 제2 출력은 저항(R4)와 커패시터(Cc5)를 통해 상기 인버터 내부의 게이트 변압기의 1차측이 연결된 배선에 인가되며, 상기 제1 출력은 온(On) 펄스의 소스로 이용되며, 상기 제2 출력은 오프(Off) 펄스의 소스로 이용될 수 있다.
상기 인버터 내부의 게이트 변압기 2차측에 연결된 배선과 연결되는 제너 다이오드(Dz1), 상기 제너 다이오드와 연결되는 커패시터(Cc1)와 커패시터(Cc2)는 상기 하단 스위치(U3, U4)와 연통되되, 상기 커패시터(Cc1)와 상기 커패시터(Cc2)가 상기 제너 다이오드의 제너 전압까지 제한적으로 충전됨에 따라 상기 턴-온 유지 구간에서 상기 하단 스위치(U3, U4)가 하이(High) 상태를 유지하여 상기 컨트롤 루프의 단락 상태를 유지하여 기생 전하 축적을 방지할 수 있다.
상기 게이트 드라이버는, 상기 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스에 따라 각각 충전되는 내부 전원 회로부를 가지되, 상기 내부 전원 회로부는 상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스 사이에 상기 게이트 드라이버로 인가되는 전압이 없는 경우 충전된 전압을 상기 반도체 스위치의 게이트로 인가하여 턴-온 유지시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 펄스 전원 장치의 반도체 스위치 동작을 제어하는 게이트 드라이버 장치에 있어서, 온(On) 펄스에 따라 턴온되는 M1 트랜지스터; 오프(Off) 펄스에 따라 턴온되는 M3 트랜지스터; 상기 반도체 스위치의 게이트와 직렬 연결되는 R4 저항, C2 커패시터; 상기 반도체 스위치의 이미터와 연결되는 D3 다이오드; 상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스에 의해 형성되는 직렬 루프에 의해 충전되되, 상기 게이트 드라이버로 전압이 인가되지 않는 경우 상기 충전된 전압을 상기 반도체 스위치의 게이트로 인가하여 턴-온 유지시키는 내부 전원 회로부; 및 상기 C2 커패시터의 양단에 게이트와 소스가 연결되는 M2 트랜지스터를 포함하되, 상기 M1 트랜지스터의 턴온에 의해 상기 R4 저항, 상기 C2 커패시터, 상기 D3 다이오드 및 상기 M3 트랜지스터의 역병렬 다이오드와 직렬 루프를 형성하여 상기 반도체 스위치(S1)가 턴온되되, 상기 C2 커패시터의 전위가 상승함에 따라 상기 M2 트랜지스터가 턴온되어 상기 내부 전원 회로부를 충전시키는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치가 제공될 수 있다.
상기 내부 전원 회로부는, 상기 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스에 따라 충전되는 C1 커패시터; 및 상기 C1 커패시터의 충전 전압을 제어하는 제너 다이오드(Dz1)을 포함할 수 있다.
상기 게이트 드라이버 장치로 전압 인가가 없는 경우, 상기 M1 트랜지스터는 턴오프되며, 상기 내부 전원 회로부의 충전 전압이 상기 턴온 상태인 M2 트랜지스터를 통해 상기 반도체 스위치의 게이트로 인가되어 상기 반도체 스위치는 턴-온 상태를 유지하며, 상기 C2 커패시터의 전압은 상기 M2 트랜지스터의 문턱 전압보다 높을 수 있다.
일단이 상기 M3 트랜지스터의 드레인과 연결되고 타단이 상기 M2 트랜지스터의 드레인과 연결되는 D1 다이오드; 및 상기 C2 커패시터의 양단에 게이트와 소스가 연결되며, 드레인이 상기 내부 전원 회로부에 연결되는 M4 트랜지스터를 더 포함하되, 상기 오프(Off) 펄스의 인가에 따라 상기 M3 트랜지스터가 턴온되고, 상기 D1 다이오드, 상기 M2 트랜지스터, 상기 C2 커패시터, 상기 M1 트랜지스터의 역병렬 다이오드와 직렬 루프가 형성되어 상기 C2 커패시터에 역전압이 걸리며, 상기 M2 트랜지스터가 턴 오프됨에 따라 상기 내부 전원 회로부의 전압이 상기 반도체 스위치의 게이트로 연결되지 않으며 상기 M4 트랜지스가 턴온됨에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트로 방전 패스가 형성되고, 상기 내부 전원 회로부가 충전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 펄스 전원 장치 및 반도체 스위치를 제어하는 게이트 드라이버를 제공함으로써, 온(On)-오프(Off) 펄스 모두 커패시터 충전 소스로 사용하고 회로를 소형화하여 전원장치를 소형화 설계가 가능케 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 파트를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 회로도를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 모드시 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 유지 모드시 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-오프 모드시 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 각 파트의 출력 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 파트를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 회로도를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 모드시 전류 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 유지 모드시 전류 흐름을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-오프 모드시 전류 흐름을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 각 파트의 출력 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치(100)는 방전 파트(110), 게이트 드라이버(130) 및 인버터와 컨트롤러 파트(120)를 포함하여 구성된다.
방전 파트(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 층 구조로 형성되며, 컨트롤 루프(111)가 다수의 컨트롤 변압기(112)를 관통하는 구조로 형성된다. 즉, 컨트롤 루프(111)는 복층 구조의 고전압 방전 파트(110)를 관통하며, 각 층마다 위치하는 토로이달 코어의 컨트롤 변압기(112)의 1차측 권선으로 사용되며, 이와 같은 구조를 사용함으로써 컨트롤 루프(111)의 길이를 최소화하면서도 많은 수의 게이트 드라이버(130)에 절연 및 동기화된 신호, 파워를 효율적으로 공급할 수 있다.
다수의 컨트롤 변압기(112)의 일차측 권선은 고전압 컨트롤 루프(111)가 단일 턴으로 해당 컨트롤 변압기(112) 코어를 관통하여 지나도록 감는 구조로 구성되며, 인버터와 컨트롤러 파트(120)의 출력단과 연결될 수 있다.
단일 턴의 고전압 컨트롤 루프를 일차측으로 가지도록 다수의 컨트롤 변압기(112)가 구성됨으로써 인버터와 컨트롤러 파트(120)의 온(On) 또는 오프(Off) 펄스가 단일 턴의 고전압 컨트롤 루프를 통해 동시에 다수의 컨트롤 변압기(112)로 공급되며, 2차측을 통해 온(On) 또는 오프(Off) 펄스가 게이트 드라이버(130)로 제공될 수 있다.
게이트 드라이버(130)는 토로이달 코어의 컨트롤 변압기(112)의 2차측에 병렬로 연결된다. 이러한, 게이트 드라이버(130)는 도 2에서 보여지는 바와 같이, 하나의 토로이달 코어의 컨트롤 변압기(112)에 적어도 4개의 게이트 드라이버(130)가 연결될 수 있다.
컨트롤 변압기(112)의 2차측에 병렬로 연결된 게이트 드라이버(130)는 컨트롤 변압기(112)를 통해 동시에 온(on) 또는 오프(Off) 펄스를 제공받으며, 이를 이용하여 동작할 수 있다.
게이트 드라이버(130)의 동작 모드는 3가지로, 턴-온 모드, 턴-온 유지 모드 및 턴-오프 모드로 동작될 수 있다.
게이트 드라이버(130)의 입력으로 제공되는 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스는 게이트 드라이버(130)의 독립 전원 기능을 하는 제1 커패시터(C1)의 에너지원으로 사용되며, 메인 방전 스위치(S1)의 턴-온, 턴-오프를 제어하는 제어 신호로써의 기능을 수행할 수 있다.
이들 동작에 대해서는 하기에서 별도의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
인버터와 컨트롤러 파트(120)는 인버터(122)와 해당 인버터(122)를 제어하는 컨트롤러 회로부(124)로 구성될 수 있다.
인버터(122)는 풀브리지 인버터일 수 있다.
컨트롤러 회로부(124)는 메인 바디 펄스를 기초로 온(On)-오프(Off) 펄스 생성을 위한 소스 신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러 회로부(124)는 반전 입출력 특성 구동 회로부(124-1)와 비반전 입출력 특성 구동 회로부(124-2)를 포함할 수 있다.
반전 입출력 특성 구동 회로부(124-1)는 메인 바디 펄스의 하강 구간에서 Rc7 저항과 Cc6 커패시터 사이에 형성된 전압을 입력받은 후 온(On) 구간에서 하이(High)를 출력한다.
또한, 비반전 입출력 특성 구동 회로부(124-2)는 메인 바디 펄스의 상승 구간에서 Rc7 저항과 Cc7 커패시터 사이에 형성된 전압을 입력받은 후 오프(Off) 구간에서 하이(High)를 출력한다.
반전 입출력 특성 구동 회로부(124-1)와 비반전 입출력 특성 구동 회로부(124-2)에서 출력된 소스 신호는 R4 저항과 Cc5 커패시터를 통해 게이트 변압기의 1차측 권선(Tx1, Tx2)에 인가되며, 이는 풀 브리지 인버터(122)의 스위치 게이트 신호가 된다.
인버터(122) 내부에 Cc1, Cc2 커패시터는 Dz1 제너 다이오드의 제너 전압까지 제한되어 충전되며, 이로 인해 제3 및 제4 스위치(U3, U4)는 턴-온 유지 동작 모드에서도 하이(High) 상태를 유지시킬 수 있다.
P1 및 P2는 인버터(122)의 출력 단자이며, 이는 컨트롤 변압기(112)를 관통하는 컨트롤 루프에 연결된다.
다시 정리하면, 컨트롤러 회로부(124)는 메인 바디 펄스를 기초로 하강 구간과 상승 구간에 각각 제1 소스 신호(High)를 출력하고, 인버터(122)는 제1 소스 신호(High)에 의해 온(On) 펄스 신호와 오프(Off) 펄스 신호를 컨트롤 루프를 통해 출력할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 컨트롤 루프(111)에 연결된 컨트롤 변압기(112)와 게이트 드라이버(130)에 대해 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 컨트롤 루프(111)는 컨트롤 변압기(112)를 관통하는 구조이며, 컨트롤 변압기(112)의 2차측에 4개의 게이트 드라이버(130)가 연결되는 것을 알 수 있다.
컨트롤 변압기(112)의 2차측에 연결된 4개의 게이트 드라이버(130)는 컨트롤 변압기(112)를 통해 온(on) 펄스 전압과 오프(Off) 펄스 전압을 제공받으며, 각각의 커패시터에 저장하여 반도체 스위치 제어에 이용할 수 있다. 이를 통해 컨트롤 변압기(112)의 사이즈를 최소화할 수 있으며, 결과적으로 펄스 전원 장치의 컴팩트한 설계가 가능케 할 수 있는 이점이 있다.
도 3에는 게이트 드라이버(130)의 상세 회로도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하여 게이트 드라이버(130)의 상세 회로도에 대해 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 게이트 드라이버(130)는 온(On) 펄스에 따라 턴온되는 M1 트랜지스터(310), 오프(Off) 펄스에 따라 턴온되는 M3 트랜지스터(324)를 포함한다. 여기서, M1 트랜지스터(310)와 M3 트랜지스터(324)는 각각 역방향 다이오드와 연결될 수 있다.
또한, M1 트랜지스터(310)의 드레인은 M2 트랜지스터(312)의 게이트와 연결될 수 있다. M2 트랜지스터(312)의 소스와 게이트는 각각 반도체 스위치(S1)의 게이트와 직렬 결되는 C2 커패시터(314)의 양단과 연통될 수 있다. C2 커패시터(314)는 R4 저항(316)을 통해 반도체 스위치(S1)(301)과 직렬 연결될 수 있다.
M2 트랜지스터(312)는 C2 커패시터(314)의 전위가 상승함에 따라 턴온되어 내부 전원 회로부(318)의 충전 패스를 형성할 수 있다.
내부 전원 회로부(318)는 C1 커패시터(318A) 및 D2 제너 다이오드(318B)로 구성된다.
C1 커패시터(318A)는 M2 트랜지스터(312)가 턴온됨에 따라 형성되는 충전 패스에 의해 D2 제너 다이오드(318B)의 제너 전압까지 충전될 수 있다.
또한, 반도체 스위치(301)를 방전시키는 방전 스위치로 동작하는 M4 트랜지스터(320)를 포함하되, M4 트랜지스터(320)의 게이트와 소스는 C2 커패시터(314)의 양단에 연결되며, M4 트랜지스터(320)의 드레인은 반도체 스위치(301)의 소스와 연결될 수 있다.
이러한, 게이트 드라이버(130)는 전술한 바와 같이, 턴-온 모드, 턴-온 유지 모드, 턴-오프 모드로 각각 동작될 수 있다.
이하에서 각각의 도면을 참조하여 상세 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 모드 동작시 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하여 턴-온 모드에 대해 상세히 설명하기로 한다.
게이트 드라이버(130)는 컨트롤 변압기(112)를 통해 온(On) 펄스를 제공받으며, 해당 온(On) 펄스에 의해 M1 트랜지스터(310)가 턴온되고, C2 커패시터(314)와 R4 저항(316), D3 다이오드(326) 및 M3 트랜지스터(324)의 역 병렬 다이오드와 직렬 루프를 형성하며, S1 반도체 스위치가 턴-온 될 수 있다.
C2 커패시터(314)는 S1 반도체 스위치의 게이트와 직렬로 연결되어 S1 반도체 스위치(301)의 입력 커패시턴스를 감소시켜 턴-온 속도를 높이고 C2 커패시터(314) 전위가 상승하며 턴-온된 M2 트랜지스터(312)를 통해 C1 커패시터(318A) 전압이 D2 제너 다이오드(318B)의 제너 전압까지 충전된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 유지 모드 동작시 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하여 게이트 드라이버의 턴-온 유지 모드의 동작에 대해 설명하기로 한다.
온(On) 펄스가 제공되어 C1 커패시터(318A)가 충전된 이후, 오프(Off) 펄스가 인가되기 전까지 게이트 드라이버(130)로 인가되는 전압은 존재하지 않는다. 즉, 게이트 드라이버(130)로 전압이 인가되지 않음에 따라 M1 트랜지스터(310)는 턴오프되고, C1 커패시터(318A)의 전압이 턴온 상태인 M2 트랜지스터(312)를 통해 반도체 스위치(301)의 게이트로 인가되어 반도체 스위치가 턴-온 상태를 유지할 수 있다. 이때, C2 커패시터(314)의 전압은 M2 트랜지스터의 문턱 전압보다 높을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-오프 모드 동작에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하여 게이트 드라이버의 턴-오프 모드의 동작에 대해 설명하기로 한다.
게이트 드라이버(130)는 컨트롤 변압기(112)를 통해 턴-오프 펄스를 제공받으며, 해당 턴-오프 펄스가 게이트 드라이버(130)로 인가됨에 따라 M3 트랜지스터(324)가 턴온되고, D1 다이오드(326), M2 트랜지스터(312), C2 커패시터(314) 및 M1 트랜지스터(310)의 역병렬 다이오드와 직렬 루프가 형성되며 C2 커패시터(314)에 역 전압이 걸린다. 이로 인해, M2 트랜지스터(312)는 턴-오프되면서 C1 커패시터(318A) 전압은 더 이상 반도체 스위치(301)의 게이트로 연결되지 않으며, M4 트랜지스터(320)가 켜지면서 반도체 스위치(301)의 게이트로 방전 패스가 형성되며, 반도체 스위치(301)가 빠르게 턴-되며, C1 커패시터(318A)가 충전될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온(On)/오프(Off) 펄스에 따른 게이트 드라이버의 출력 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7의 V-U8은 메인 바디 펄스를 나타내며, U5_in은 반전 입출력 특성 구동 회로부(124-1)의 입력전압을 나타내며, 메인 바디 펄스의 하강 구간에 의해 발생된 전압을 입력받은 뒤 온(On) 구간에서 하이(high)를 출력한다.
U6_in은 비반전 입출력 특성 구동 회로부(124-2)의 입력전압을 나타내며, 메인 바디 펄스의 상승 구간에 의해 발생된 전압을 입력받은 뒤 오프 구간에서 하이(high)를 출력한다.
Vgs_U1 내지 Vgs_U4는 풀브리지 인버터 스위치(U1 내지 U4)의 게이트-소스 전압을 나타낸다.
U1은 온(On) 구간에서 하이(high)가 되고, U2는 오프 구간에서 하이(high)가 되며, U3는 온(On) 구간에서 0V이고 유지(hold) 구간과 오프(Off) 구간에서 하이(High)가 되며, U4는 오프 구간에서 0V이고, 유지(hold) 구간과 온(On) 구간에서 하이(high)가 된다.
유지 구간에서 전술한 바와 같이 하부 스위치인 U3, U4가 하이(High) 상태를 유지함으로써 턴-온 유지 구간 동안 컨트롤 루프가 단락 상태가 되도록 할 수 있다. 이를 통해, 고전압 펄스 출력 동작 중 턴-온 유지 구간 동안 컨트롤 루프에서 발생되는 기생 전하를 방전함으로써 안정성을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
VP1-VP2는 컨트롤 인버터의 출력 전압으로 풀브리지 인버터가 출력하는 온(On)-오프(Off) 펄스 형태의 출력 전압을 나타내며, 전압의 크기는 입력받는 단상 220Vrms의 최대치인 약 300V 전압 크기를 가질 수 있다.
Vgs_S1은 반도체 스위치의 게이트 전압을 나타낸다. 온-오프 입력에 대해 턴-온, 턴-온 유지 및 턴-오프 동작을 수행하며, 턴-온 유지 구간에서 별도의 입력 없이 게이트 드라이버(130)의 자체 전력을 통해 구동될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 펄스 전원 장치
110: 방전 파트
120: 인버터와 컨트롤러 파트
130: 게이트 드라이버

Claims (9)

  1. 복수의 반도체 스위치;
    컨트롤 루프;
    출력단이 상기 컨트롤 루프와 연결되며, 상기 컨트롤 루프를 통해 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스를 출력하는 인버터와 컨트롤러;
    관통하는 컨트롤 루프를 일차측으로 가지며, 상기 일차측을 통해 상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스를 전달받아 이차측을 통해 전달하는 복수의 컨트롤 변압기; 및
    상기 복수의 반도체 스위치와 각각 연결되고, 상기 컨트롤 변압기를 통해 상기 (On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스를 공급받아 상기 반도체 스위치의 동작을 제어하는 복수의 드라이버-상기 동작은 턴-온, 턴-온 유지, 턴-오프임-를 포함하되,
    상기 인버터는 풀 브리지 인버터로 2개로 스위치로 구성된 상단 스위치(U1, U2) 및 2개의 스위치로 구성된 하단 스위치(U3, U4)를 가지며, 상기 턴-온 유지 구간에서 상기 하단 스위치(U3, U4)의 게이트 전압이 하이(High) 상태로 유지되어 상기 컨트롤 루프의 단락상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    하나의 컨트롤 변압기는 2차측을 통해 4개의 게이트 드라이버와 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러의 제1 출력과 제2 출력은 저항(R4)와 커패시터(Cc5)를 통해 상기 인버터 내부의 게이트 변압기의 1차측이 연결된 배선에 인가되며,
    상기 제1 출력은 온(On) 펄스의 소스로 이용되며, 상기 제2 출력은 오프(Off) 펄스의 소스로 이용되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터 내부의 게이트 변압기 2차측에 연결된 배선과 연결되는 제너 다이오드(Dz1), 상기 제너 다이오드와 연결되는 커패시터(Cc1)와 커패시터(Cc2)는 상기 하단 스위치(U3, U4)와 연통되되,
    상기 커패시터(Cc1)와 상기 커패시터(Cc2)가 상기 제너 다이오드의 제너 전압까지 제한적으로 충전됨에 따라 상기 턴-온 유지 구간에서 상기 하단 스위치(U3, U4)가 하이(High) 상태를 유지하여 상기 컨트롤 루프의 단락 상태를 유지하여 기생 전하 축적을 방지하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는,
    상기 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스에 따라 각각 충전되는 내부 전원 회로부를 가지되,
    상기 내부 전원 회로부는 상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스 사이에 상기 게이트 드라이버로 인가되는 전압이 없는 경우 충전된 전압을 상기 반도체 스위치의 게이트로 인가하여 턴-온 유지시키는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
  6. 펄스 전원 장치의 반도체 스위치 동작을 제어하는 게이트 드라이버 장치에 있어서,
    온(On) 펄스에 따라 턴온되는 M1 트랜지스터;
    오프(Off) 펄스에 따라 턴온되는 M3 트랜지스터;
    상기 반도체 스위치의 게이트와 직렬 연결되는 R4 저항, C2 커패시터;
    상기 반도체 스위치의 이미터와 연결되는 D3 다이오드;
    상기 온(On) 펄스와 상기 오프(Off) 펄스에 의해 형성되는 직렬 루프에 의해 충전되되, 상기 게이트 드라이버로 전압이 인가되지 않는 경우 상기 충전된 전압을 상기 반도체 스위치의 게이트로 인가하여 턴-온 유지시키는 내부 전원 회로부; 및
    상기 C2 커패시터의 양단에 게이트와 소스가 연결되는 M2 트랜지스터를 포함하되,
    상기 M1 트랜지스터의 턴온에 의해 상기 R4 저항, 상기 C2 커패시터, 상기 D3 다이오드 및 상기 M3 트랜지스터의 역병렬 다이오드와 직렬 루프를 형성하여 상기 반도체 스위치(S1)가 턴온되되, 상기 C2 커패시터의 전위가 상승함에 따라 상기 M2 트랜지스터가 턴온되어 상기 내부 전원 회로부를 충전시키는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 내부 전원 회로부는,
    상기 온(On) 펄스와 오프(Off) 펄스에 따라 충전되는 C1 커패시터; 및
    상기 C1 커패시터의 충전 전압을 제어하는 제너 다이오드(Dz1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 장치로 전압 인가가 없는 경우, 상기 M1 트랜지스터는 턴오프되며, 상기 내부 전원 회로부의 충전 전압이 상기 턴온 상태인 M2 트랜지스터를 통해 상기 반도체 스위치의 게이트로 인가되어 상기 반도체 스위치는 턴-온 상태를 유지하며, 상기 C2 커패시터의 전압은 상기 M2 트랜지스터의 문턱 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    일단이 상기 M3 트랜지스터의 드레인과 연결되고 타단이 상기 M2 트랜지스터의 드레인과 연결되는 D1 다이오드; 및
    상기 C2 커패시터의 양단에 게이트와 소스가 연결되며, 드레인이 상기 내부 전원 회로부에 연결되는 M4 트랜지스터를 더 포함하되,
    상기 오프(Off) 펄스의 인가에 따라 상기 M3 트랜지스터가 턴온되고, 상기 D1 다이오드, 상기 M2 트랜지스터, 상기 C2 커패시터, 상기 M1 트랜지스터의 역병렬 다이오드와 직렬 루프가 형성되어 상기 C2 커패시터에 역전압이 걸리며, 상기 M2 트랜지스터가 턴 오프됨에 따라 상기 내부 전원 회로부의 전압이 상기 반도체 스위치의 게이트로 연결되지 않으며 상기 M4 트랜지스가 턴온됨에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트로 방전 패스가 형성되고, 상기 내부 전원 회로부가 충전되는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.

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