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KR101887906B1 - 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치 - Google Patents

전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치 Download PDF

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KR101887906B1
KR101887906B1 KR1020160168549A KR20160168549A KR101887906B1 KR 101887906 B1 KR101887906 B1 KR 101887906B1 KR 1020160168549 A KR1020160168549 A KR 1020160168549A KR 20160168549 A KR20160168549 A KR 20160168549A KR 101887906 B1 KR101887906 B1 KR 101887906B1
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박태영
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현대오트론 주식회사
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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
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Abstract

본 발명에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치는 마이크로컨트롤러 유닛으로부터 구동 신호를 공급받아 게이트 신호를 제공하는 게이트 드라이버; 상기 게이트 신호를 수신하는 게이트 단자, 접지부와 연결되는 제 1 에미터 단자, 제 2 에미터 단자 및 상기 제 1 에미터 단자와 상기 제 2 에미터 단자 사이에 연결된 온도 센싱 소자를 포함하는 전력 소자; 및 상기 제 2 에미터 단자에 연결된 션트 저항에 걸린 전압을 측정하는 전류 검출 회로;를 포함하며, 상기 게이트 드라이버는 상기 전류 검출 회로의 출력 전압이 상기 게이트 신호가 온(On) 상태가 될 때부터 기준 시간 이내에 제 1 기준 전압까지 도달하지 못하는 경우에 온도 이상 신호를 출력하는 온도 감지부를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전력 소자 모듈의 외부 핀 개수의 감소로, 모듈 원가 절감 효과 발생하고, 외부 핀간 단락 고장(Pin-short) 등을 방지하여 전력 소자 모듈의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치 및 방법{AN APPARATUS AND A METHOD FOR SENSING TEMPERATURE OF POWER DEVICE MODULE}
본 발명은 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력 소자 모듈의 온도를 센싱하여 고온 시 과전류를 차단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 등 친환경 차량이 성장하면서 전기 차량 및 하이브리드 시스템의 모터 구동이나 고 전압 변환 등 고 전압 신호를 많이 사용하는 구동부의 스위칭 회로로 IGBT(Isolated-Gate Bipolar Transistor) 소자가 많이 사용되고 있다.
IGBT 소자는 차량에 적용되는 반도체 모듈이기 때문에 안전에 대한 요구사항이 많다. 특히, 허용되는 최대 접합 온도(Max Junction Temperature) 이상 온도 증가 시 IGBT 소자가 이상 동작할 가능성이 있으며 이로 인해 인명 사고 등의 피해가 발생할 수 있으므로 IGBT 소자의 온도에 대한 센싱 기술은 매우 중요하다.
도 7 및 도 8은 종래 기술로 구현된 IGBT 소자를 포함하는 전력 소자 모듈 및 전력 소자 모듈의 등가 회로이다. 도 7 및 도 8에서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 기존 전력 소자 모듈의 온도 센싱은 모듈 내에 써미스터 저항(708, 709)을 사용하여 저항값의 변화에 대한 전압 변화를 검출하였다. 그러나 전력 소자 모듈의 온도 센싱에 통상적으로 사용되는 NTC 써미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)의 경우 비선형 곡선으로 고온에서의 정밀도 저하로 인해 전력 소자 모듈의 정확한 온도 센싱이 매우 어렵다. 또한, NTC 써미스터 저항의 위치가 전력 반도체 소자와 떨어져 있기 때문에 정확한 전력 반도체 소자의 온도를 측정하기 어려운 단점이 있다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 도 7의 전력 소자 모듈 대비 개선된 온도 센싱 기술이 적용된 전력 소자 모듈이다. IGBT 칩 내부에 다이오드(808, 809)를 내장하고 온도 변화를 직접 모니터링하는 방식을 사용하고 있다.
그러나, 이 경우, 다이오드의 전압 모니터링을 위한 외부 핀의 개수가 증가하고 모듈에 차지하는 면적이 커지므로 칩 사이즈가 증가하여 모듈 원가가 상승하게 된다. 또한, 외부 핀 개수의 증가로 핀 간 거리도 근접하게 되기 때문에 대량 생산 시 핀 간 단락(Short) 불량 발생 확률도 높아 신뢰도 저하로 이어지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따르면, 온도에 따라 변하는 IGBT 소자의 문턱 전압(Thershold voltage)의 특성을 이용한다. 보다 상세하게는, IGBT 소자의 전류 센싱단과 에이터 단 사이에 제너 다이오드(Zener Diode)를 구비하고, 제너 다이오드의 순방향 강하 전압(Vf)의 변화 및 타이머를 활용하여 일정 온도 이상에서 고장 신호를 생성해 줄 수 있는 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치 및 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치는 마이크로컨트롤러 유닛으로부터 구동 신호를 공급받아 게이트 신호를 제공하는 게이트 드라이버; 상기 게이트 신호를 수신하는 게이트 단자, 접지부와 연결되는 제 1 에미터 단자, 제 2 에미터 단자 및 상기 제 1 에미터 단자와 상기 제 2 에미터 단자 사이에 연결된 온도 센싱 소자를 포함하는 전력 소자; 및 상기 제 2 에미터 단자에 연결된 션트 저항에 걸린 전압을 측정하는 전류 검출 회로;를 포함하며, 상기 게이트 드라이버는 상기 전류 검출 회로의 출력 전압이 상기 게이트 신호가 온(On) 상태가 될 때부터 기준 시간 이내에 제 1 기준 전압까지 도달하지 못하는 경우에 온도 이상 신호를 출력하는 온도 감지부를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 온도 감지부는, 상기 전류 검출 회로의 출력 전압과 상기 제 1 기준 전압을 비교하여 안전 설정 트리거링 신호를 출력하는 기준 전압 비교부; 상기 안전 설정 트리거링 신호에 기초하여 안전 설정 신호를 하이 전압으로 설정하고, 상기 게이트 신호가 온 상태에서 오프(Off) 상태로 변화되면 상기 안전 설정 신호를 로우 전압으로 설정하는 안전 설정 신호 생성부; 및 상기 게이트 신호가 온 상태가 되는 때부터 상기 기준 시간까지의 시간을 측정하는 타이머를 포함할 수 있다.
또한, 상기 타이머는 상기 게이트 신호가 온 상태가 되는 때부터 상기 기준 시간 이내에 상기 안전 설정 신호가 온 상태가 되지 않는 경우에 상기 온도 이상 신호를 출력할 수 있다. .
또한, 상기 타이머는 상기 게이트 신호가 온 상태가 되는 때부터 상기 기준 시간 이내에 상기 안전 설정 신호가 온 상태가 되면 상기 온도 이상 신호를 출력하지 않을 수 있다.
또한, 상기 온도 센싱 소자는 온도가 상승하면, 순방향 강하 전압이 낮아지는 소자일 수 있다.
또한, 상기 션트 저항에 걸리는 전압은 상기 순방향 강하 전압이 낮아지면 상기 온도 센싱 소자에 의하여 클램핑(clamping) 되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 온도 센싱 소자는 제너 다이오드일 수 있다.
또한, 상기 게이트 드라이버는 상기 전류 검출 회로의 출력 전압이 제 2 기준 전압 이상일 경우에 과전류 신호를 출력하는 과전류 감지부 및 상기 과전류 신호 또는 상기 온도 이상 신호에 기초하여 고장 신호를 출력하는 고장 신호 출력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 게이트 드라이버는 상기 전력 소자를 구동하는 전력 소자 구동부 및 상기 고장 신호에 기초하여 상기 전력 소자 구동부를 제어하는 제어 신호 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 신호 생성부는 상기 전력 소자 구동부의 구동을 중단하도록 제어하거나 또는 상기 전력 소자에 공급되는 전류가 감소하도록 상기 전력 소자 구동부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 구동 신호는 PWM 신호이며, 상기 제어 신호 생성부는 상기 PWM 신호의 듀티비가 감소하도록 상기 전력 소자 구동부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 소자 모듈의 외부 핀 개수의 감소로, 모듈 원가 절감 효과 발생하고, 외부 핀간 단락 고장(Pin-short) 등을 방지하여 전력 소자 모듈의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게이트 드라이버의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 온도 감지부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 정상 상태에서의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 고온 상태에서의 동작을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 과전류 상태에서의 동작을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 종래 기술의 전력 소자 모듈의 온도 센싱 방법을 나타낸 도면이다.
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 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
또한, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
또한, 이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
또한, 이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치를 상세히 설명한다.
도 1(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치는 전력 소자 모듈(100), 게이트 드라이버(300) 및 전류 검출 회로(400)을 포함하며, 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 200)와 연결되어 있다.
도 1(a) 및 도 1(b)에 도시한 바와 같이 전력 소자 모듈(100)은 2 개의 IGBT 소자가 연결된 구조로서 도 1(a)에 도시한 바와 같은 외부 핀들을 구비한다. 도 1(a) 및 도 1(b)에서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타낸다. 또한, 도 1(b)에서, 설명의 편의를 위하여 2개의 IGBT 소자 중, 로우 사이드 소자에만 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 200), 게이트 드라이버(300) 및 전류 검출 회로(400)가 연결된 것으로 나타냈지만, 당업자는 하이 사이드 소자에도 동일한 소자가 연결될 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 설명상의 도면 부호는 로우 사이드 전력 소자를 기준으로 설명한다. 예컨대, 도면부호 103은 로우 사이드 전력 소자를 기준으로 콜렉터 단자이지만, 하이 사이드 전력 소자를 기준으로 에미터 단자이다.
전력 소자 모듈(100)은 게이트 단자(112), 콜렉터 단자(103) 및 제 1 에미터 단자 (111)를 포함할 수 있다. 또한, 전류 센싱을 위하여 제 2 에미터 단자(110)를 추가적으로 구비할 수 있다. 단, 제 2 에미터 단자(110)는 제 1 에미터 단자(111)에 비하여 현저히 작은 전류가 흐르고, 주 회로인 제 1 에미터 단자의 동작에 영향을 거의 미치지 않도록 구성된다.
제 1 에미터 단자(111)와 제 2 에미터 단자(110)는 온도 센싱 소자(108), 예컨대, 제너 다이오드를 통하여 연결한다. 온도 센싱 소자(108)는 전력 소자 모듈(100)의 전력 소자의 상부에 설치되어 전력 소자의 온도 상승에 따른 영향을 직접적으로 받을 수 있게 구성되는 것이 바람직하다. 이 때, 제 1 에미터 단자(111)는 접지부와 연결되도록 구성할 수 있다.
또한, 온도 센싱 소자(108)는 와이어링(117)을 통하여 전력 소자 모듈(100)의 외부 핀인 제 1 에미터 단자(111) 및 제 2 에미터 단자(110)와 연결된다. 제 1 에미터 단자(111) 및 제 2 에미터 단자(110)는 전력 소자 내부의 제 1 에미터부(111-1) 및 제 2 에미터부(110-1)와도 와이어링(117)을 통하여 연결되어 있다.
한편, 마이크로컨트롤러 유닛(200)은 게이트 드라이버(300)에 구동 신호를 제공하여 전력 소자 모듈(100)을 구동 시킨다. 이 경우, 구동 신호는 예컨대, PWM(Pulse Width Modulation) 신호 등이 될 수 있다. 또한, 게이트 드라이버(300)에서 마이크로컨트롤러 유닛(200)으로 전송되는 각종 센싱값들, 예컨대, 전력 소자 모듈(100)에 흐르는 전류 측정값을 이용하여 예컨대, PWM 신호의 듀티비 등을 변경할 수 있고, 기타 게이트 드라이버(300)의 동작을 제어할 수 있다.
게이트 드라이버(300)는 마이크로컨트롤러 유닛(200)으로부터 구동 신호를 수신하여 전력 소자 모듈(100)을 구동시킬 수 있다. 또한, 게이트 드라이버(300)는 온도에 따라 온도 센싱 소자(108)의 순방향 강하 전압(Vf)이 변하는 것을 이용하여 전류를 모니터링하고, 전력 소자 모듈에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 게이트 드라이버(300)는 전류 검출 회로(400)에서 출력한 전류 검출 신호에 기초하여 고장 신호를 생성할 수 있다. 게이트 드라이버(300)의 상세 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
전류 검출 회로(400)는 전력 소자의 제 2 에미터 단자(110)와 연결되는 션트 저항(450)을 이용하여 전력 소자 모듈에 흐르는 전류값 측정하여 게이트 드라이버에 출력할 수 있다. 상술한 전류값은 션트 저항(450)에 걸린 전압값에 기초하여 측정되며, 전류 검출 회로(400)는 게이트 드라이버(300)의 션트 저항(450)의 측정 전압값을 입력 전압 범위로 스케일링하여 게이트 드라이버(300)에 출력할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 게이트 드라이버(300)의 세부 구성을 설명한다. 설명의 편의를 위하여 본 발명은 도 2의 예시적인 상세 구성을 활용하여 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 2를 참조하면, 게이트 드라이버(300)는 전력 소자 구동부(310), 제어 신호 생성부(320), 고장 신호 출력부(330), 온도 감지부(340) 및 과전류 감지부(350)를 포함할 수 있다.
전력 소자 구동부(310)는 마이크로컨트롤러 유닛(200)으로부터 구동 신호를 공급받아 전력 소자 모듈(100)에 게이트 신호를 공급하여 구동시킨다. 보다 상세하게는 전력 소자 모듈(100)은 주로 스위칭 소자로 활용되며, 이 경우, 전력 소자 구동부(310)는 스위칭 소자의 게이트(112)에 구동 전압(게이트 신호)을 공급하여 해당 트랜지스터를 턴-온 시킨다. 또한, 전력 소자 구동부(310)는 제어 신호 생성부(320)와도 연결되어 고장 시 전력 소자 모듈(100)의 구동을 중단할 수 있다.
제어 신호 생성부(320)는 전력 소자 구동부(310) 및 고장 신호 출력부(320)와 연결되어 있으며, 고장 신호 출력부(330)에서 인가되는 고장 신호에 기초하여 전력 소자 구동부(310)의 구동을 중단할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있다. 마이크로컨트롤러 유닛(200)의 구동 신호가 PWM 신호인 경우에는, 제어 신호 생성부(320)는 마이크로컨트롤러 유닛(200)에 제어 신호를 송신하여, PWM 신호의 듀티비를 줄여서 전력 소자에 흐르는 전류가 감소하도록 제어할 수도 있다.
고장 신호 출력부(330)는 온도 감지부(340)에서 고온임을 센싱하거나, 또는 과전류 감지부(350)에서 전력 소자 모듈(100)에 이상 과전류가 흐르는 경우를 센싱하면 고장 신호(Fault Signal)를 생성하여 제어 신호 생성부(320)에 출력할 수 있다.
온도 감지부(340)는 전류 검출 회로(400)에서 인가된 전압값(또는 전류값)을 이용하여 전력 소자 모듈(100)이 현재 고온 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 온도 감지부(340)의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
과전류 감지부(350)는 전류 검출 회로(400)에서 측정된 션트 저항(450)에 걸린 전압에 기초하여, 과전류가 흐르는 경우, 즉, 션트 저항(450)에 걸린 전압이 제 2 기준 전압(Vocp) 이상인 경우에 고장 신호 출력부(350)에 과전류 신호를 출력할 수 있다. 과전류 감지부(350)는 예컨대, 비교기를 포함하고, 전류 검출 회로(400)에서 측정된 션트 저항(450)의 전압과 제 2 기준 전압(Vocp)을 비교기의 입력단에 연결하고, 양 전압을 비교하는 회로를 구성하여 구현할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서는 도 3을 참조하여, 온도 감지부(340)의 구성을 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 온도 감지부(340)는 기준 전압 비교부(346), 안전 설정 신호 생성부(342) 및 타이머(344)를 포함할 수 있다.
기준 전압 비교부(346)는 전류 검출 회로(400)에서 측정된 션트 저항(450)에 걸린 전압이 제 1 기준 전압(Vtemp)를 넘는 경우에 안전 설정 신호(Vsafe)를 트리거링 하기 위한 안전 트리거링 신호를 출력한다. 기준 전압 비교부(346)는 예컨대, 비교기를 포함하고, 전류 검출 회로(400)에서 측정된 션트 저항(450)의 전압과 제 1 기준 전압(Vtemp)을 비교기의 입력단에 연결하고, 양 전압을 비교하는 회로를 구성하여 구현할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
안전 설정 신호 생성부(342)는 기준 전압 비교부(346)에서 생성한 안전 트리거링 신호에 기초하여, 즉, 전류 검출 회로(400)에서 측정된 션트 저항(450)의 전압이 제 1 기준 전압(Vtemp)을 초과하는 경우에 안전 설정 신호(Vsafe)를 온 상태로 변화시킨다. 그러나, 고온일 경우에는 션트 저항(450)의 전압이 제 1 기준 전압(Vtemp)을 초과하지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는 안전 설정 신호(Vsafe)를 온 상태로 변화시키지 않는다. 안전 설정 신호 생성부(342)의 동작에 대해서는 상세히 후술하기로 한다.
또한, 안전 설정 신호 생성부(342)는 전력 소자 구동부(310)로부터 수신한 게이트 신호가 온 상태에서 오프 상태로 변화할 때를 검출하여 안전 설정 신호(Vsafe)를 오프 상태로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 안전 설정 신호 생성부(342)는 래치(Latch) 회로 등을 통하여 게이트 신호가 온 상태에서 오프 상태로 변화할 때 안전 설정 신호(Vsafe)를 리셋하여 오프 상태로 변화시킬 수 있으며, 또는 게이트 신호의 하강 에지를 검출하여 안전 설정 신호(Vsafe)를 오프 상태로 변화시킬 수도 있다.
타이머(344)는 게이트 신호가 온 상태로 될 때 트리거링 되어 기준 시간(Pth) 동안 안전 설정 신호(Vsafe)가 온 상태로 변화하는 지를 검출할 수 있다. 게이트 신호가 온 상태로 변화된 때로부터 기준 시간(Pth) 동안 안전 설정 신호(Vsafe)가 온 상태로 변화하지 않는 경우에는 고장 신호 출력부(330)에 온도 이상 신호를 출력할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 정상 상황, 즉, 전력 소자 모듈(100)이 낮은 온도(예컨대, 섭씨 25도) 에서 동작할 때에 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 각 부분에서의 전압 또는 전류의 변화를 나타낸 도면이다.
구동 신호의 구동 전압(VSET)은 전력 소자 모듈(100)을 구동하는 전압이다. 보다 상세하게, 전력 소자 구동부(310)는 마이크로컨트롤러 유닛(200)으로부터 구동 신호를 인가 받고, 상기 구동 신호에 기초하여 게이트 신호(구동 전압)를 생성하여 전력 소자 모듈(100) 중 하나의 전력 소자의 게이트에 출력한다. 이 때, 구동 전압(VSET)이 하이(High) 전압일 경우(게이트 신호가 온(On) 상태)에는 전력 소자 모듈(100)이 턴 온(Turn-on) 되어 모터 등의 부하에 전류를 공급할 수 있다. 구동 전압(VSET)이 로우(Low) 전압인 경우(게이트 신호가 오프(OFF) 상태)에는 전력 소자 모듈(100)이 턴 오프(turn-off) 되어 모터 등의 장치에 전류공급이 차단된다.
구동 전압(VSET)이 하이(High) 전압으로 바뀌는 때에 전력 소자 모듈(100)에 전류가 공급되기 시작(T1)하면서 전류 검출 회로(400)의 전압(Vcurrent sensor)이 상승하기 시작한다. 이 때, 전류 검출 회로(400)의 전압(Vcurrent sensor)이 제 1 기준 전압(Vtemp)에 도달하면, 안전 설정 전압 생성부(342)는 안전 설정 전압(Vsafe _set)을 하이(High) 전압으로 인가한다. 즉, 안전 설정 전압(Vsafe _set)은 온 상태가 된다. 이 경우, 타이머(344)는 기준 시간(Pth) 중에 안전 설정 전압(Vsafe _set)이 온 상태가 되었으므로, 온도 이상 신호를 고장 신호 출력부(330)에 출력하지 않는다.
따라서, 도 4에서 고장 신호 출력부(330)은 온도 이상 신호 또는 과전류 신호를 수신하지 않았으므로, 고장 신호를 생성하지 않는다.
한편, 도 5는 고온 상황, 즉, 즉, 전력 소자 모듈(100)이 높은 온도(예컨대, 섭씨 180도)에서 동작할 때에 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 각 부분에서의 전압 또는 전류의 변화를 나타낸 도면이다.
구동 전압(VSET)이 하이(High) 전압일 경우(게이트 신호가 온(On) 상태)에는 전력 소자 모듈(100)이 턴 온(Turn-on) 되어 모터 등의 부하에 전류를 공급할 수 있다. 이 때, 전력 소자 모듈(100)이 구동되면서 점차 전력 소자(106)의 온도가 상승할 수 있다. 또는 전력 소자 모듈(100)에 많은 전류가 흐르면 전력 소자(106)의 온도 상승은 더 커질 수 있다.
한편, 전력 소자 모듈(100)에 전류가 흐름에 따라 제 2 에미터 단자(110)에 연결된 션트 저항(450)에 전류가 흐르게 되면서, 전류 검출 회로(400)의 출력 전압(Vcurrent sensor)이 상승하게 된다.
정상 상태에서는 전류 검출 회로(400)의 전압(Vcurrent sensor)이 제 1 기준 전압(Vtemp)에 도달하면, 안전 설정 전압 생성부(342)가 안전 설정 전압(Vsafe _set)을 하이(High) 전압으로 인가한다. 그러나, 온도가 상승하면, 제 1 에미터 단자(111) 및 제 2 에미터 단자(110)와 연결된 온도 센싱 소자(108)의 순방향 강하 전압(Vf)이 점차 낮아지게 된다. 순방향 강하 전압(Vf)이 일정 전압 이하로 낮아지게 되면, 션트 저항(450)에 걸리는 전압갑이 온도 센싱 소자(108)에 의하여 클램핑(clamping) 되어 일정 전압 이상 올라가지 못하게 된다(505).
이 때, 고온에서 전류 검출 회로(400)의 출력 전압(Vcurrent sensor)이 온도 센싱 소자(108)의 클램핑에 의하여 제 1 기준 전압(Vtemp)에 도달하지 못하는 상황(505)이 발생하게 된다. 이 경우, 안전 설정 전압 생성부(342)는 안전 설정 전압(Vsafe _set)을 하이(High) 전압을 인가하지 못하게 되며,
이 때, 타이머(344)는 기준 시간(Pth) 내에 안전 설정 전압(Vsafe _set)이 온 상태가 되지 못하면, 온도 이상 신호를 고장 신호 출력부(330)에 출력한다. 그리고, 고장 신호 출력부(330)은 고장 신호(Fault Signal)으로서 하이 전압을 인가하게 된다.
이 때, 제어 신호 생성부(320)은 제어 신호를 생성하여 전력 소자 구동부(310)에 제어 신호를 출력하여 전력 소자의 구동을 중단하거나, 마이크로프로세서 유닛을 통하여 구동 신호를 조절하여, 예컨대, PWM 신호의 듀티비를 감소시켜 모터에 흐르는 전류의 공급을 감소시킬 수 있다.
도 6은 과전류 상황, 즉, 즉, 전력 소자 모듈(100)에 과전류가 흐른 경우에 본 발명의 실시예에 따른 전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치의 각 부분에서의 전압 또는 전류의 변화를 나타낸 도면이다.
게이트 신호가 온(On) 상태에서 전력 소자 모듈(100)이 턴 온(Turn-on) 되어 부하에 전류가 공급되면, 제 2 에미터 단자(110)에 연결된 션트 저항(450)에 전류가 흐르게 되면서, 전류 검출 회로(400)의 출력 전압(Vcurrent sensor)이 상승하게 된다.
이 때, 과전류 감지부(350)는 전류 검출 회로(400)의 출력 전압(Vcurrent sensor)이 제 2 기준 전압(VOCP) 보다 높은 경우, 과전류 신호를 고장 신호 출력부(330)에 출력한다. 그리고, 고장 신호 출력부(330)은 고장 신호(Fault Signal)으로서 하이 전압을 인가하게 된다.
이 때, 제어 신호 생성부(320)은 제어 신호를 생성하여 전력 소자 구동부(310)에 제어 신호를 출력하여 전력 소자의 구동을 중단하거나, 마이크로프로세서 유닛을 통하여 구동 신호를 조절하여, 예컨대, PWM 신호의 듀티비를 감소시켜 모터에 흐르는 전류의 공급을 감소시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 온도 감지부(320) 및 과전류 감지부(350)가 게이트 드라이버(300) 내에 탑재되는 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 온도 감지부(320) 및 과전류 감지부(350)는 전류 검출 회로(400) 내에 탑재할 수도 있으며, 별도 외부 회로로 설치할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 전력 소자 모듈의 외부 핀 개수의 감소로, 모듈 원가 절감 효과 발생하고, 외부 핀간 단락 고장(Pin-short) 등을 방지하여 전력 소자 모듈의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전력 소자 모듈
200: 마이크로컨트롤러 유닛
300: 게이트 드라이버
400: 전류 검출 회로
450: 션트 저항

Claims (11)

  1. 마이크로컨트롤러 유닛으로부터 구동 신호를 공급받아 게이트 신호를 제공하는 게이트 드라이버;
    상기 게이트 신호를 수신하는 게이트 단자, 접지부와 연결되는 제 1 에미터 단자, 제 2 에미터 단자 및 상기 제 1 에미터 단자와 상기 제 2 에미터 단자 사이에 연결된 온도 센싱 소자를 포함하는 전력 소자; 및
    상기 제 2 에미터 단자에 연결된 션트 저항에 걸린 전압을 측정하는 전류 검출 회로;를 포함하며,
    상기 게이트 드라이버는 상기 전류 검출 회로의 출력 전압이 상기 게이트 신호가 온(On) 상태가 될 때부터 기준 시간 이내에 제 1 기준 전압까지 도달하지 못 하는 경우에 온도 이상 신호를 출력하는 온도 감지부를 포함하며,
    상기 온도 감지부는,
    상기 전류 검출 회로의 출력 전압과 상기 제 1 기준 전압을 비교하여 안전 설정 트리거링 신호를 출력하는 기준 전압 비교부;
    상기 안전 설정 트리거링 신호에 기초하여 안전 설정 신호를 하이 전압으로 설정하고, 상기 게이트 신호가 온 상태에서 오프(Off) 상태로 변화되면 상기 안전 설정 신호를 로우 전압으로 설정하는 안전 설정 신호 생성부; 및
    상기 게이트 신호가 온 상태가 되는 때부터 상기 기준 시간까지의 시간을 측정하는 타이머를 포함하는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이머는 상기 게이트 신호가 온 상태가 되는 때부터 상기 기준 시간 이내에 상기 안전 설정 신호가 온 상태가 되지 않는 경우에 상기 온도 이상 신호를 출력하는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 타이머는 상기 게이트 신호가 온 상태가 되는 때부터 상기 기준 시간 이내에 상기 안전 설정 신호가 온 상태가 되면 상기 온도 이상 신호를 출력하지 않는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센싱 소자는 온도가 상승하면, 순방향 강하 전압이 낮아지는 소자인,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 션트 저항에 걸리는 전압은 상기 순방향 강하 전압이 낮아지면 상기 온도 센싱 소자에 의하여 클램핑(clamping) 되도록 구성되는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 온도 센싱 소자는 제너 다이오드인,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는 상기 전류 검출 회로의 출력 전압이 제 2 기준 전압 이상일 경우에 과전류 신호를 출력하는 과전류 감지부 및 상기 과전류 신호 또는 상기 온도 이상 신호에 기초하여 고장 신호를 출력하는 고장 신호 출력부를 더 포함하는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는 전력 소자를 구동하는 전력 소자 구동부 및 상기 고장 신호에 기초하여 상기 전력 소자 구동부를 제어하는 제어 신호 생성부를 더 포함하는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 신호 생성부는 상기 전력 소자 구동부의 구동을 중단하도록 제어하거나 또는 상기 전력 소자에 공급되는 전류가 감소하도록 상기 전력 소자 구동부를 제어하는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동 신호는 PWM 신호이며, 상기 제어 신호 생성부는 상기 PWM 신호의 듀티비가 감소하도록 상기 전력 소자 구동부를 제어하는,
    전력 소자 모듈의 온도 센싱 장치.
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