KR20000047758A

KR20000047758A - 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로

Info

Publication number: KR20000047758A
Application number: KR1019990053403A
Authority: KR
Inventors: 키무라신; 나가스마사히로; 이나리다사토루; 미야자키히데키; 스즈키카쓰노리
Original assignee: 가나이 쓰토무; 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2000-07-25
Anticipated expiration: 2019-11-29
Also published as: CN1136647C; CN1256556A; KR100433799B1; US6271709B1

Abstract

전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로는, IGBT가 IGBT의 손실 및 스위칭 시간의 증가를 억제함으로써 전환될 때 di/dt 및 dv/dt를 억제하고, IGBT를 포함하는 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단과, IGBT의 게이트 전압을 검출하는 수단과, 구동수단의 턴온(오프)시의 출력전압을 시간경과에 따라서 서서히 하강(상승)시키는 전력하강(상승)수단과, 출력전압을 서서히 상승(하강)시키는 전력상승(하강)수단을 설치하며, IGBT의 게이트 전압의 검출값에 따라서 전력하강(상승)수단에서 전력상승(하강)수단으로의 전환을 행함으로써, IGBT의 턴온(오프)시 di/dt 및 dv/dt를 억제하는 것을 특징으로 한다.

Description

전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로{GATE DRIVE CIRCUIT OF VOLTAGE DRIVE SWITCHING ELEMENT}

본 발명은 FET 또는 IGBT 등의 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로에 관한 것이다.

도 9는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 전압형 인버터의 일반적인 회로구성을 나타낸다. 상하 직렬의 3개의 아암(arm)을 구성하는 IGBT를 교대로, 온, 오프시킴으로써, DC 전원 E로부터 부하의 모터에 AC 전력을 공급한다. 동일 도면에서, Ls는 주회로배선의 부유 인덕턴스(stray inductance)를 나타낸다. 최근 인버터의 실장 기술이 진보하여, 종래 1μH에 가까운 Ls이 150nH보다 적은 값으로 감소될 수 있다. 그 결과, 부유 인덕턴스 Ls에 축적된 에너지가 작게 되기 때문에, 스위칭시의 리프 전압(leap voltage)을 억제하기 위한 스너버회로(예컨대, 도 10)가 불필요해져 주회로의 간소화가 실현될 수 있다.

그러나, 주회로배선의 부유 인덕턴스 Ls는 턴온(ON)시의 di/dt를 억제하는 역할을 하고, 스너버회로(예컨대 도10)도 턴오프(OFF)시의 dv/dt를 억제하는 역할을 하기 때문에, 주회로의 간소화로 인해 IGBT의 스위칭시에 고(high) di/dt 및 고 dv/dt가 발생된다고 하는 새로운 문제가 발생한다.

인버터회로의 스위칭 동작의 고 di/dt화 및 고 dv/dt화는, 주변장치의 오동작의 원인이 될 뿐만 아니라, 부하의 모터에도 악영향을 미친다. 예컨대, 차량용의 인버터에서는, 부하의 모터가 인버터로부터 떨어진 위치에 설치되는 경우가 많다. 모터 배선에서는, 인덕턴스 Ls'외에도, 도 9에 나타낸 바와 같이 점선으로 표시된 부유 용량 Cs'가 포함되어 있다. 따라서, 인버터의 dv/dt가 증가함에 따라, 부하의 모터의 임피던스가 커져 보이기 때문에, Ls'와 Cs'에 의한 공진이 발생한다. 그 결과, 모터에는 인버터의 출력전압의 2배에 가까운 전압이 인가되어, 모터의 절연파괴 등의 고장원인이 되는 경우가 있다. 이러한 문제를 고려하여, IGBT의 스위칭시의 di/dt 및 dv/dt의 억제가 중요한 과제로 되어 있다.

전압구동형 스위칭 소자인 IGBT의 턴온, 턴오프의 스위칭 속도는 그 게이트 구동방법에 의해, 예컨대 게이트 저항을 크게 함으로써, 또 IGBT의 게이트 용량의 충전 시정수를 길게 함으로써 억제될 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나 이 방법만으로서는 스위칭 시간이 길게 되고, 또 IGBT에 의한 손실이 지나치게 커지기 때문에, IGBT의 스위칭의 타이밍에 따라서 게이트 구동회로의 게이트 저항을 전환하는 개량이 제안되어 있다(일본 특개평 1-183214호, 일본 특개평 3-93457호, 일본 특개평 6-291631호, 일본 특개평 8-322240호, 일본 특개평 10-150764호, USP 5,936,387, USP 5,808,504 등).

또한, Instute Magazine of Electrical Engineers of Japan, EDD-94-44, SPC-97-71, pages 13-18 및 일본 특개평 8-186976호는 di/dt를 검출하여 게이트 구동회로의 게이트 저항을 전환함으로써 di/dt를 억제할 수 있다는 것에 대하여 개시한다.

그러나, 게이트 저항을 전환하는 방법으로 di/dt 및 dv/dt의 가변범위를 넓히고자 할 때, 저항과 그 범위를 전환하기 위한 스위치가 많이 요구되어, 그 전환의 제어도 복잡하게 된다.

본 발명의 과제는, IGBT 등의 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 시간 또는 손실의 증가를 억제하면서, 스위칭시의 di/dt 및 dv/dt를 억제하는 것이다.

본 발명에 있어서는, 전압구동형 스위칭 소자의 턴온시에, 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단과, 전압구동형 스위칭 소자의 동작상태(주전압 또는 주전류 또는 게이트전압)를 검출하는 수단과, 구동수단의 턴온시의 출력전력을 시간경과에 따라 서서히 하강시키는 전력하강수단과, 출력전력을 서서히 상승시키는 전력상승수단을 설치하고, 전압구동형 스위칭 소자의 동작상태의 검출값에 따라서 전력하강수단에서 전력상승수단으로의 전환을 행함으로써, 전압구동형 스위칭 소자의 턴온시의 di/dt의 억제량을 변경할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 전압구동형 스위칭 소자의 턴오프시에, 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단과, 전압구동형 스위칭 소자의 동작상태(주전압 또는 주전류 또는 게이트전압)를 검출하는 수단과, 구동수단의 턴온시의 출력전력을 시간경과에 따라서 서서히 하강시키는 전력 하강수단과, 출력전력을 서서히 상승시키는 전력상승수단을 설치하고, 전압구동형 스위칭 소자의 동작상태의 검출값에 따라서 전력하강수단에서 전력상승수단으로의 전환을 행함으로써, 전압구동형 스위칭 소자의 턴오프시의 di/dt의 억제량을 변경할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단과, 전압구동형 스위칭 소자의 동작상태(주전압 또는 주전류 또는 게이트전압)를 검출하는 수단과, 구동수단의 턴온 또는 턴오프시의 출력전력을 시간경과에 따라 서서히 하강 또는 상승시키는 수단과, 전압구동형 스위칭 소자의 온도를 검출하는 검출수단과, 온도 검출량을 전압으로 변환하는 수단을 설치하고, 전압구동형 스위칭 소자의 동작상태(주전압 또는 주전류 또는 게이트전압)의 검출값과 전압구동형 스위칭 소자의 온도 검출량에 따라서, 구동수단의 전력하강수단에서 전력상승수단으로의 전환 타이밍 또는 전력상승수단으로부터 전력하강수단으로의 전환 타이밍을 변경함으로써, 그리고 전력상승기간을 전력하강기간보다 짧게 하도록 제어함으로써, 전압구동형 스위칭 소자의 턴온 또는 턴오프시의 di/dt의 억제량을 변경할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 전력상승수단 및 전력하강수단을, 저항, 콘덴서 및 스위칭 소자의 병렬 또는 직렬배치와 같은 간단한 구성으로 실현한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 전압 구동소자의 게이트 구동회로(101)의 기능 구성도,

도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예의 동작을 설명하기 위한 턴온 동작 파형,

도 3은 본 발명의 실시예의 동작을 설명하기 위한 턴오프 동작 파형,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 전압 구동소자의 게이트 구동회로(101)의 기능 구성도,

도 5는 도 1에 나타낸 전압 구동소자의 게이트 구동회로(101)의 실시예의 구체적 회로 구성도,

도 6은 도 5에 나타낸 구체적 회로의 변형예,

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 전압 구동소자의 게이트 구동회로의 기능 구성도,

도 8은 전압 구동소자의 게이트 구동회로의 출력능력을 설명하기 위한 회로 및 동작 파형,

도 9는 본 발명의 IGBT를 이용한 전압 인버터의 회로도,

도 10은 리프 전압을 억제하는 스너버 회로예,

도 11은 IGBT의 dv/dt의 온도 의존도를 나타내는 도면,

도 12는 도 5에 나타낸 실시예의 변형예,

도 13은 도 6에 나타낸 구체적 회로의 변형예.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101: 게이트 구동회로 102: IGBT 모듈

103: 비교기 104: 게이트 전압 검출기

105: 전력상승수단 106: 전력하강수단

107: 구동수단 108: 기준전압 설정수단

도 1은 본 발명의 실시예를 나타내는 IGBT의 게이트 구동회로(101)의 기능 구성도이다. 게이트 구동회로(101)가 접속되어 있는 IGBT 모듈(102)은, 예컨대 도 9에 나타낸 것과 같이 전력 변환기를 구성하는 한 개의 소자이다. IGBT의 온, 오프를 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단(107)의 출력은 IGBT의 게이트와 에미터 사이에 접속되고, 그 출력전력을 과도적으로 변경하는 전력상승수단(105)과 전력하강수단(106)은 구동수단(107)에 직렬로 접속되어 있다. 전력하강수단에서 전력상승수단으로의 전환은, IGBT의 동작상태(콜렉터 전압 또는 콜렉터 전류 또는 게이트 전압)에 따라 행해진다. 이 경우에, 이 전환은 기준전압 설정수단(108)에 의해 설정된 게이트 전압이 기준전압보다 클 때 행해진다. 이하, IGBT의 동작 파형을 사용하면서 게이트 구동회로(101)의 동작을 구체적으로 설명한다. 동일 도면에서, 참조번호 103은 비교기를 나타내고, 참조번호 104는 게이트 전압 검출기를 나타낸다.

도 2는 IGBT의 턴온의 동작 파형예를 나타내고, 도 3은 IGBT의 턴오프의 동작 파형예를 나타낸다. 도 2a 및 도 3a는 본 발명의 전력상승수단 및 전력하강수단을 사용한 예를 나타내고, 도 2b 및 도 3b는 간단히 게이트 저항을 크게 하여 di/dt 및 dv/dt를 억제한 종래예를 나타낸다. 제어장치로부터의 신호에 의해, 구동수단의 출력전압이 부(-)에서 정(+)으로, 또는 정(+)에서 부(-)로 변경될 때, IGBT의 스위칭 동작이 행해진다. 그러나, 다음에는 턴온 동작의 도 2a를 중심으로 설명한다. 또한, 도면 중에는 게이트 구동수단의 출력능력이라고 불려지는 파형이 나타나 있다. 이것은 이하의 이유 때문이다.

도 8a 내지 도 8d에서는, IGBT의 게이트 구동회로(101)와 동작 파형예를 나타낸다. R1은 온 게이트 전류의 제한저항, R2는 오프 게이트 전류의 제한저항이다. 턴온시, Q1은 온 상태를 나타내고, Q2는 오프 상태를 나타내며, E1은 R1 및 Q1을 통해 IGBT 게이트와 에미터 사이에 인가된다. 턴오프시, Q1은 오프 상태를 나타내고, Q2는 온 상태를 나타내며, E2는 R2 및 Q2를 통해 IGBT 게이트와 에미터 사이에 인가된다. 전압 구동소자의 게이트 구동수단의 부하는, 도 8a에 점선으로 나타낸 바와 같이 콜렉터 피드백 용량 Cgc와 게이트 용량 Cgc를 갖는 용량 부하이다. 이 때문에, IGBT 게이트와 에미터를 접속한 상태에서, 본 발명의 게이트 구동수단을 설명할 때, 이 표현방법에는 쉽게 혼동될 것 같은 부분이 있다. 예컨대, 도 8c는 온 게이트 저항 R1을 시간적으로 변경한 경우와 구동전력을 시간적으로 변경한 경우의 게이트 전류 Iout와 게이트 전압 Vout를 나타낸다.

그러나, 게이트 전류에 있어서 도 8c 및 도 8d에 나타낸 바와 같이, 게이트 구동수단의 조건이 어떻게 변경되는가는 쉽게 알 수 없다. 따라서, 게이트 구동수단의 출력전력이 일정하더라도, 게이트 전류 Iout가 연속적으로 하강하는 기간이 있다. 이 이유는 용량부하가 게이트 구동수단에 접속되어 있기 때문이다. 본 발명의 전력하강수단으로부터 이 점을 구별하기 위해, 부하저항 R이 도 8b에 나타낸 바와 같이 접속되고, 부하저항 R에 가해진 전압은 게이트 구동수단의 출력전력(출력능력)으로서 표현된다. 이 경우의 부하저항 R의 전압은 온 저항 R1 또는 오프 저항 R2와의 비율에 의해 결정된다. 따라서, 부하저항 R의 값은 한정되지 않지만, R1 또는 R2와 동등의 값을 선택함으로써, 게이트 구동수단의 능력변화를 더 많이 이해할 수 있다.

도 2b의 종래 예의 경우에서는, 정(+)의 일정전압이 출력되지만, 도 2a에 나타낸 본 발명의 경우에서는, 일단 정(+)의 전압이 출력된 후에 출력전압이 시간과 동시에 서서히 하강하여, 다시 상승한다는 점이 다르다. IGBT의 턴온시의 di/dt는, 게이트 전압의 상승 속도에 의존하는 것으로 알려져 있고, 도 2b의 경우는 게이트 저항을 크게 하여 게이트 전압의 상승 속도를 느리게 한 경우와 동등하다. 이 경우, 콜렉터 전류의 상승이 억제되지만, 턴온 시간(T1)이 길어지고, 턴온 후의 A 부분의 콜렉터 전압의 하강이 지연되기 때문에, lGBT의 스위칭 손실이 커진다고 하는 결점이 있다. 본 발명의 도 2a의 경우에는, 턴온의 최초에 정(+)의 큰 전압이 출력되고, 시간과 동시에 전압이 서서히 하강하며, 다시 T2후에 시간과 동시에 전압이 상승하고, T3후에는 전압이 최초의 전압으로 되돌아간다. 최초의 큰 출력전압은 IGBT의 게이트 전압의 상승 속도를 빠르게 하여, 턴온 시간(T1)의 단축의 역할을 한다. IGBT의 게이트 전압이 한계치에 도달할 때에는, 출력전압이 저하하고, 도 2b의 경우와 같은 방법으로 di/dt가 억제된다. 게다가, IGBT의 게이트 전압이 한계치보다 크면, 다시 출력전압이 증가되어, 게이트 전압이 빨리 상승하고, 또 도 2a의 A 부분의 콜렉터 전압이 빨리 하강하여, 스위칭 손실이 감소된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 특징은, IGBT의 턴온시 처음에 정(+)의 큰 전압을 출력하여 시간과 동시에 서서히 전압을 저하시키고, IGBT의 동작상태(이 경우는 게이트 전압)에 따라서 다시 전압을 상승시키며, 또 스위칭 시간의 단축과 턴온 손실의 감소를 꾀하면서, IGBT의 스위칭 속도의 소프트화를 실현한다는 점에 있다. 그러나, 본 발명은 종래기술에 대하여 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

IGBT의 스위칭 속도를 소프트화한 경우의 턴온 및 턴오프 시간을 단축하여, 스위칭 손실을 감소시키는 방법으로서, 게이트 저항을 전환하는 방법(일본 특개평 1-183214호, 일본 특개평 3-93457호, 일본 특개평 6-291631호 등)이 제안되어 있다. 게이트 저항을 전환한 경우의 구동수단의 출력전압은 도 2a 및 도 3a에 점선으로 나타낸 것과 같으므로, 부분적으로 본 발명과 같은 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 이하의 이유 때문에 제어의 용이함, 효과 및 구성에는 큰 차이가 생기게 된다. IGBT의 스위칭 속도의 소프트화는, 본질적으로 스위칭 손실의 증가를 초래하기 때문에, 불필요한 스위칭 속도의 소프트화는 될 수 있는 한 피해야 한다. 일본 특개평 6-291631호, 일본 특개평 8-322240호, 일본 특개평 10-150764호 등에 기재된 바와 같이, IGBT의 di/dt 및 dv/dt가 전류공급시 전원전압 및 온도에 의해서도 변경되지만, 게이트 저항을 전환하는 방법에 의해 제어된 di/dt 및 dv/dt를 변경하고자 할 때는, 많은 게이트 저항과 전환장치가 필요하다. 또한, 게이트 저항을 전환하는 방법에서는, IGBT의 di/dt 및 dv/dt를 억제한 후에, 게이트 저항이 본 발명의 전압 상승기간 T3(도 2a, 도 3a 참조)의 기간 동안에 작은 게이트 저항으로 전환된다. 그러나, 그 타이밍이 빠르면, di/dt 및 dv/dt가 도중에 갑자기 증가하고, 타이밍이 너무 늦으면, 스위칭 손실이 커지기 때문에, 게이트 저항을 전환하는 타이밍을 결정하는 것이 어렵다.

본 발명에서는, 턴온시의 최초에 정(+)의 큰 전압을 출력하여, 그것을 시간과 동시에 변경하는 전력하강수단과 전력상승수단이 설치되어 있다. 전압을 서서히 하강시키는 전력하강수단은 게이트 저항을 전환하는 방법의 경우에, 게이트 저항을 연속적으로 큰 저항으로 전환하는 것에 해당한다. 전력하강수단의 동작기간 T2 후에 다시 시간과 동시에 전압을 상승시키는 전력상승수단은, 게이트 저항을 연속적으로 작은 저항으로 전환하는 것에 해당한다. 즉, 전력하강수단의 동작기간 T2를 짧게 하고, 전력상승수단의 동작기간 T3을 길게 하는 것은 게이트 저항을 작게 하는 것에 해당하고, 동작기간 T2를 길게 하고, 동작기간 T3을 짧게 하는 것은 게이트 저항을 크게 하는 것에 해당한다. 이와 같이 등가적으로 게이트 저항을 연속적으로 변경하는 기능을 제공함으로써, 그리고 전력하강수단에서 전력상승수단으로 전환하는 타이밍을 제어함으로써, di/dt 및 dv/dt의 갑작스러운 변화를 억제할 수 있다. 예컨대, 우리의 실험에 사용한 3.3 kV와 1200A의 IGBT의 경우에는, 주회로의 인덕턴스의 약 100 nH에서 그리고 전원전압 2kV에서 IGBT를 턴온시키면, 게이트 구동수단의 출력에서 IGBT의 주전류의 흐름의 시작까지의 턴온 시간 지연 Td은 약 1.5㎲이고, 주전류의 시작에서의 di/dt는 약 6,000 A/㎲이다. 이 경우에, 주전류의 1200A까지 상승할 때까지 동작기간 T는 다음과 같다.

T = 정격전류(1200A)/억제된 di/dt(6000 A/㎲)=0.2㎲

이 경우에, T1=약 1.7㎲. 그러한 경우에, 상기 전력상승수단의 상승기간 T3을 0.2㎲이상으로 설정하면, 전력하강수단의 하강기간 T2는 Td + T = 1.5㎲ + 0.2㎲와 같기 때문에, di/dt는 T2 = Td + T - T3의 범위 내에서 제어될 수 있다는 것을 알 수 있다.

그러나, T3 = Td + T이면, T2가 0으로 되어, 전력하강수단이 동작하지 않기 때문에, 이것은 제외된다. 사실상, 게이트 구동수단의 출력에서 IGBT의 주전류의 흐름의 시작까지의 턴온 시간 지연 Td에 대하여, 주전류의 상승기간 T가 짧기 때문에, T2 > T3의 관계로 di/dt를 제어하는 것이 효과적이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연속적으로 하강하는 전력하강수단과 연속적으로 상승하는 전력상승수단을 결합하여 하강에서 상승까지의 동작점 T2를 변경함으로써, di/dt를 변경할 수 있다. 이것은, di/dt의 억제량이 스위칭 동작점 T2의 약간의 이동으로 갑자기 변경되지 않는다고 하는 효과가 있다는 것을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 최대 특징은, 전력하강수단과 전력상승수단이 등가적으로 게이트 저항을 연속적으로 변경하도록 기능하고 있다는 것이다. 그러나, 예컨대 전력하강수단의 부분(T2)을 종래의 게이트 저항을 전환하는 방법으로서 사용하고, 또 본 발명의 전력상승수단(기간 T3에 대응)을 결합한 경우에 있어서도, 양자를 전환하는 타이밍(기간 T2에 대응)이 다소 변경되더라도, di/dt 및 dv/dt가 급격히 변경되지 않는다고 하는 장점을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은, 전력상승수단의 동작점을 변경함으로써 di/dt 및 dv/dt를 억제할 수 있기 때문에, 전원조건(전원전압, 콜렉터 전류, 온도 등)이 변경된 경우의 di/dt 및 dv/dt의 제어에 활용할 수 있다고 하는 특징이 있다.

본 발명의 상기 실시예에서는, IGBT의 턴온 동작을 대표적으로 설명한다. 그러나, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 턴오프 동작에 관해서도 턴온 동작과 같은 방법으로 제어할 수 있다. 전압구동소자의 경우에는, 그 한계치를 경계로 하여 온, 오프동작이 행해지고, 게이트 전압의 정(+)방향에서 제어되지만, 부(-)의 방향에서 제어되는지 아닌지의 여부에는 차이가 있다. 턴오프 동작의 상세한 설명은 생략하지만, 턴오프 동작에서 설명되지 않은 본 발명의 또 다른 특징적인 동작에 대해서는 다음에 턴오프 동작을 이용하여 설명할 것이다.

도 3a는 본 발명의 실시예를 나타내고, 도 3b는 게이트 저항을 상승시켜 dv/dt를 억제하는 경우의 IGBT의 종래의 동작 파형예를 나타낸다. 2개의 콜렉터 전압 파형을 비교하면, 도 3a에 나타낸 본 발명의 실시예에 있어서는, 전압 상승 경사가 거의 일정하지만, 도 3b의 경우에는, 그 전압 상승 경사가 처음에서는 경미하다가 서서히 경사가 급해진다는 것을 알 수 있다. 이것은 도 8a에서의 점선으로 접속된 IGBT에서의 피드백 용량 Cgc에 의해 영향을 받는다. 턴오프시에 콜렉터 전압이 상승하여 게이트 전류의 일부를 거절함에 따라 피드백 용량 Cgc를 통한 전류는 게이트로부터 에미터측으로 흘러, 턴오프 동작을 지연시키는 기능을 한다. 턴온시, 이것은 콜렉터 전압이 저하하여 턴온 동작을 지연시킴에 따라 콜렉터측으로 콜렉터 전류의 일부를 흘리는 기능을 한다. 콜렉터 전압이 증가함에 따라 콜렉터 전압이 낮아서 2디지트 이상씩 작게 되는 경우에 피드백 용량 Cgc이 크다는 것이 알려져 있다. 큰 게이트 전류에서 IGBT가 동작하는 경우에는, 피드백 용량을 통해 흐르는 전류의 비율이 작지만, 게이트 전류가 dv/dt를 억제하도록 작게 되는 경우에는, 피드백 용량을 통해서 흐르는 전류의 비율이 커진다. 그 결과, 도 3b의 경우에는, 콜렉터 전압이 낮은 위치에서 전압이 서서히 증가한다.

한편, 본 발명의 도 3a의 경우에는, 이전에 설명한 바와 같이, 구동능력이 전력하강수단에 의해 연속적으로 변경되고, 콜렉터 전압이 높은 위치에서보다는 콜렉터 전압이 낮은 위치에서 더 큰 게이트 전류가 공급되기 때문에, 콜렉터 전압의 상승은 거의 균일하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 콜렉터 전압의 상승이 거의 균등하게 되어 불필요한 낮은 dv/dt의 영역이 준비되지 않기 때문에, dv/dt를 억제하는 경우에 IGBT의 손실 증가를 최소화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 IGBT의 게이트 구동회로(101)의 기능 구성도이다. 온도를 검출하는 센서(402)가 추가되어 있다는 점과, 센서의 출력을 전압 변환수단(401)에 의해 전압 변환하여 기준전압의 제어에 사용하고 있다는 점이 도 1과 다르다. 상술한 바와 같이, IGBT 모듈(102)의 IGBT의 스위칭시의 di/dt 및 dv/dt는 전력공급시의 전원전압, 전류 및 온도 등에 의해서 변화한다. 예컨대, IGBT의 동작온도에 의존하여, 턴오프시의 dv/dt가 도 11에 나타낸 바와 같이 변경된다. 이것은 온도에 크게 의존하기 때문에, 온도가 낮은 곳에서 게이트 조건을 설정하면, 온도가 높은 곳에서는 dv/dt가 필요이상으로 억제되어, 턴온 손실의 증가를 초래하게 된다.

이 실시예에 의하면, 온도센서의 출력으로 기준전압을 제어함으로써, 전력하강수단(106)의 동작기간 T5에서 전력상승수단(105)의 동작기간 T6으로 전환하는 타이밍을 변경한다. 즉, 온도가 낮을 때는, 전력하강수단(106)의 동작기간 T5를 길게 하고, 온도가 높아짐에 따라, 그 동작기간 T5를 짧게 한다. 동작온도가 높아질 때의 턴오프 손실의 감소는 턴오프시의 dv/dt를 균등화함으로써 실현된다. 또, 여기서는 di/dt 및 dv/dt의 온도 의존성을 이용한 실시예에 대해서 개시한다. 그러나, di/dt 및 dv/dt가 물리량(예컨대 전원전압, 콜렉터 전류)에 의존하면, 이들은 같은 방법으로 제어될 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 게이트 구동회로(101)의 실시예이다. IGBT을 포함하는 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하기 위해 상보적으로 접속된 Q1 및 Q2와 게이트 저항 R1 및 R2가 직렬로 접속되고, 더욱 2세트의 전력상승 및 하강수단(501, 502)이 직렬로 접속되어 있다. 전력상승 및 하강수단(501, 502)은 각각 콘덴서 C1, C2, 저항 R3, R4 및 스위치 Q3, Q4의 병렬 접속으로 구성되어 있다. 스위치 Q3, Q4의 게이트는 게이트 전압검출수단(503)의 비교기 1 및 2의 출력에 접속되어 있고, 비교기 1 및 2의 동작은 기준전압 설정수단(108-1, 108-2)으로부터 각각 기준전압과 게이트 전압을 비교함으로써 제어된다. 턴온 동작은 다음과 같이 행해진다. Ql 및 Q3이 오프 상태, Q2 및 Q4가 온 상태에 있을 때, Q1 및 Q3이 오프 상태로 변경되고, Q1이 온 상태로 변경되면, 전원 E1, (C-1, R3), R1, Q1 및 IGBT의 게이트 에미터의 경로를 통해서 게이트 전류가 흐른다. 이때, 게이트 전류는 C1과 R3과 병렬로 흐른다. 그러나, IGBT의 게이트 용량이 거의 전원 E2에 역충전되어 있기 때문에, 전원 E1, 전원 E2 및 R1에 의존하는 큰 게이트 전류가 C1을 통해서 흐른다. 곧 콘덴서 C1의 충전이 진행하고, 전원 E1과 R1 및 R3에 의존하는 전류가 제한되어, 이것은 본 발명의 전력하강수단의 역할을 한다.

다음에, 게이트 전압이 상승하여, 비교기 1의 기준전압을 넘으면, Q3이 온한다. Q3이 온하면, 게이트 전류의 경로는 전원 E1, Q3, R1, Q1, IGBT의 게이트 에미터의 경로로 변경되기 때문에, 본 발명은 게이트 전류를 증대하여 게이트 전압을 급상승시키는 기능을 한다. 그러나, Q3이 온하기 직전의 C1은 도 5에 나타낸 극성으로 충전되어 있고, Q3이 온한 직후에는, C1에 축적된 전하가 방전된다. 이 경우의 방전은 C1의 용량과 C3의 온 저항의 시정수에 의해서 행해져, 이것은 콘덴서 C1의 방전에 대응하여 본 발명의 전력상승수단의 역할을 한다. 턴오프시의 동작은 턴온시의 동작과 반대이므로, 그 설명은 생략한다. 그러나, Q4, R4 및 C2가 턴오프시의 전력하강수단 및 전력상승수단의 역할을 하므로, 본 발명은 간단한 회로구성으로 실현된다.

또, 콘덴서 C1, C2는 스위칭 시간 T1, T4를 단축하기 위해 사용된다. 턴온 전에, IGBT의 게이트 용량 Cge는 마이너스 E2에 충전되어 있기 때문에, 이것을 IGBT의 게이트 한계치 전압 Vth까지 충전하는 전하는 다음과 같다.

Qon = Cge × (E2 + Vth)

턴오프시, E1에서 게이트 한계치 전압 Vth로의 방전 전하는 다음과 같다.

Qoff = Cge × (E1 - Vth)

턴온시의 전력하강기간 T2와 턴오프시의 전력하강기간 T5 동안에 C1, C2에 축적된 전하가 Qon, Qoff의 전하와 거의 같게 되면, 스위칭 시간은 대폭 단축된다. 그러나, 게이트 전압의 하강 또는 상승이 완만해져, IGBT의 스위칭시의 di/dt 및 dv/dt의 억제범위가 좁아진다. 수학식 1과 수학식 2에 나타낸 바와 같이, Qon 및 Qoff 자체가 게이트 회로의 전압에 의해서 변화하지만, 우리의 실험에 사용한 E1= 15V 및 E2=10V의 IGBT의 표준이라고 생각되는 게이트 회로 조건하에, C1 및 C2의 용량을 IGBT의 게이트 용량 Cge의 1∼5배 정도로 설정하면, 스위칭 시간 단축과 di/dt 및 dv/dt의 억제의 양자에서 큰 효과를 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예를 나타내는 IGBT의 게이트 구동회로의 다른 실시예이다. 도 5에 나타낸 전력상승 및 하강수단(501, 502)과 도 6에 나타낸 전력상승 및 하강수단(501, 502)의 차이점은, 저항 R5, R6이 스위치 Q3, Q4와 직렬로 설치되어 있다는 점이다. 스위치 Q3, Q4의 온 저항은 그 베이스 입력에 의해서 변경될 수 있다. 이 경우는 저항 R5, R6을 추가함으로써 C1의 방전 시정수를 크게 하여 전력상승기간 T3을 변경한 예이다.

도 13은 본 발명의 실시예를 나타내는 IGBT의 게이트 구동회로의 또 다른 실시예이다. 도 6과의 차이점은 R51이 R3 및 C1과 직렬로 설치되어 있고, R6이 R4 및 C2와 직렬로 설치되어 있다는 점이다. 스위치 Q3 및 Q4가 턴온하면, 턴온시의 게이트 저항은 R1 및 R5이고, 턴오프시의 게이트 저항은 R2 및 R6이다. R5 및 R6이 증가되면, R1 및 R2는 그것에 대응하여 감소된다. 그러나, 도 6에 나타낸 경우에 있어서, R1 및 R2가 감소되면, R3 및 C1, 또 R4 및 C2를 통해서 흐르는 전류가 연쇄적으로 변경되기 때문에, 회로설계가 복잡하게 된다. 도 13에 나타낸 실시예에 있어서, R5 및 R6과 동등한 저항 R51 및 R61은 R3 및 C1, 또 R4 및 C2에 직렬로 접속되고, R3 및 C1, 또 R4 및 C2를 통해서 흐르는 전류는 변경되지 않게 된다.

도 12는 본 발명의 실시예를 나타내는 IGBT의 게이트 구동회로의 또 다른 실시예이다. 도 6에 나타낸 전력상승수단 및 전력하강수단과의 차이점은, 스위치 Q3, Q4의 베이스 전류의 변화를 이용하고 있다는 점이다. 스위치 Q1이 턴온하면, 전원전압 E1이 R3, R1 및 IGBT의 게이트의 경로로 인가된다. 그래서, R3에 인가된 전압에 의해, Q3의 베이스 전류 ib1은 Q3 에미터, 베이스, C1 및 R5의 경로로 흐르고, Q3은 온한다. 그러나, Q3이 온하면, Q3에 인가된 전압이 저하하여 베이스 전류 ib1이 흐르지 않기 때문에, 결국 C3의 충전 전류와 Q3의 hfe에 의해 결정된 전류가 흘러, 이것은 전력하강수단의 역할을 한다. 다음에, 베이스 전류가 R7을 통해 흘러 Q3이 온하면, C3을 전원으로서 이용하여 ib2가 흐르기 때문에, 그 기간 동안에는 R1을 통해서 흐르는 전류가 감소하여, 이것은 전력상승수단의 역할을 한다. 이 경우의 전력하강기간 T2 및 전력상승기간 T3이 C3 및 R5에 의해서 변경된다는 것은 명백하다. 또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 콘덴서 C1은 Q3과 병렬로 설치될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예를 나타내는 IGBT의 게이트 구동회로의 또 다른 실시예의 기능 구성도이다. 도 1의 실시예에서는, 전력상승수단(105) 및 전력하강수단(106)이 구동수단에 직렬로 접속되어 있다. 그러나, 이 실시예에서는, 전력상승 및 하강수단(501, 502)이 구동수단(107)에 병렬로 접속된다. 전력상승 및 하강수단(501, 502)으로 구동수단으로부터의 출력을 바이패스함으로써, 출력전력의 하강 및 상승을 실현한다. 그 동작은 도 1에 나타낸 것과 마찬가지이므로, 그 설명은 생략한다.

이상, 본 발명은 IGBT 또는 FET의 전압구동형 스위칭 소자의 스위칭시의 di/dt 및 dv/dt의 억제의 관점에서 설명했다. 또한, 본 발명의 게이트 구동회로는 전력 변환기의 부하 단락 또는 아암 단락에 의해 발생된 과전류로부터의 보호에도 유효하다. 즉, 게이트 구동회로는, 센서의 출력으로 기준전압을 제어하는 기능을 갖고, 또 온도센서와 과전류센서를 서로 병렬로 설치함으로써 기준전압의 상승 및 하강을 용이하게 제어할 수 있다. 본 발명은 예컨대, 턴온시에 과전류를 검출한 경우에, 비교기의 기준 전압을 상승시켜, 게이트 전압의 하강수단에서 상승수단으로의 전환을 피하고, 또 전력 변환기의 부하 단락 또는 아암 단락에 의해 발생된 과전류를 그 이상 크게 하지 않도록 하는 것에 응용이 가능하다.

이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 전압구동형 스위칭소자를 사용한 인버터의 회로동작의 고 di/dt화, 고 dv/dt화로 인해, 주변장치의 오동작의 요인 뿐만 아니라, 부하의 모터의 절연파괴 등의 문제를 해소할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims

전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단과, 상기 전압구동형 스위칭 소자의 동작 상태를 검출하는 수단과, 상기 구동수단의 턴온 및 턴오프시의 출력 전력을 시간경과에 따라서 서서히 하강시키는 전력하강수단과, 상기 출력 전력을 시간경과에 따라서 서서히 상승시키는 전력상승수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
전압구동형 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 신호를 증폭하는 구동수단과, 상기 전압구동형 스위칭 소자의 동작 상태를 검출하는 수단과, 상기 구동수단의 턴온 또는 턴오프시의 출력 전력을 시간경과에 따라서 서서히 하강시키는 전력변경수단과, 상기 출력전력을 시간경과에 따라서 서서히 상승시키는 전력상승수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 전력하강수단의 전력하강 동작시간 T2는 상기 전력상승수단의 전력상승 동작시간 T3보다 큰 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 게이트 구동회로는 상기 전압구동형 스위칭 소자의 온도를 검출하는 수단과 상기 검출량을 전압으로 변환하는 수단을 갖고, 상기 구동수단의 상기 출력 전력을 시간경과에 따라서 하강시키는 상기 전력하강수단을, 상기 온도 검출량에 따라서 상기 전력상승수단으로 전환하는 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구동수단의 출력 전력을 시간경과에 따라서 하강 및 상승시키는 상기 전력하강수단 및 상기 전력상승수단의 어느 것이든 또는 양자가 병렬로 설치된 콘덴서와 스위칭 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구동수단의 출력 전력을 시간경과에 따라서 하강 및 상승시키는 상기 전력하강수단 및 상기 전력상승수단의 어느 것이든 또는 양자가, 병렬 또는 직렬 및 병렬로 설치된 저항, 콘덴서, 및 스위칭 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 전력하강수단 또는 상기 전력상승수단에 의해 사용된 콘덴서 용량이, 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 용량의 1∼5배인 것을 특징으로 하는 전압구동형 스위칭 소자의 게이트 구동회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 상기 게이트 구동회로에 의해 구동된 복수의 전압구동형 스위칭 소자를 이용하여 구성된 인버터.