KR100275037B1

KR100275037B1 - 대용량 전원 스위칭 소자(igbt) 구동 제어회로.

Info

Publication number: KR100275037B1
Application number: KR1019970078355A
Authority: KR
Inventors: 서광덕; 김두식; 박건태
Original assignee: 김형벽; 현대중공업주식회사
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 2000-12-15
Also published as: KR19990058265A

Abstract

본 발명은 철도 차량 등에서 고전압을 사용하는 장치의 전력변환장치에 있어, 전원을 스위칭하여 공급하여 주는 스위칭회로의 구동 제어장치에 관한 것으로, 특히 대용량이면서 고속 전원 스위칭소자를 안정적으로 구동 제어하는 대용량 IGBT의 구동 제어회로에 관한 것이다.

대용량 IGBT의 경우 구성되는 각각의 IGBT에 대하여 별도의 구동회로가 필요하게 되며, 안정적인 스위칭 제어를 위하여서는 게이트 구동 전압의 결정, 게이트 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off) 저항의 적정치 설정, 그리고 과전류 보호회로 및 저전압 검지회로의 정확한 설계가 필요하게 된다.

본 발명에서는 이와 같은 점을 감안하여 게이트 구동전압을 안정화시키고, 게이트에 과전류가 검출되거나 구동전압이 저전압으로 떨어졌을 경우에 이를 인식하여 해당 IGBT의 구동전압을 차단하도록 하므로써, IGBT의 안정적인 스위칭을 도모하며, 게이트의 구동실패, 전원이상 등으로 부터 IGBT를 보호할 수 있도록 하는 대용량 IGBT 구동 제어회로를 제안하고자 함에 그 목적이 있는 것이다.

Description

대용량 전원 스위칭 소자(ＩＧＢＴ) 구동 제어회로.

일반적으로 대용량의 전력변환장치에 있어서, 스위칭 소자로써, 상의 구성(단상,3상)에 따라 하나이상의 IGBT가 직렬 또는 병렬로 구성되어 전원 스위칭을 수행하게 되는 바,

이와 같은 IGBT는 게이트에 인가되는 전압에 의해 스위칭 특성이 결정되는 전압 구동형 스위칭 소자이며, 그 내부적으로 여러 개의 스위칭 소자가 병렬적인 접속 구조를 갖는 대용량 전원 스위칭 소자이다.

이와 같은 IGBT는 소용량 소자가 병렬로 접속되어 있는 구조이기 때문에 안정적인 스위칭 동작을 위해서는 별도의 구동회로가 필요하게 된다.

전압 구동형 스위칭 소자인 IGBT는 적절한 게이트 전압(±15V)을 확립하지 못하면, 전원 이상(저전압) 등으로 게이트 구동실패가 발생하게 되고, 이와 같이 게이트 구동실패가 발생하게 되면, 장치에 안정적인 전원공급이 어렵게 된다.

또한, 상기와 같은 게이트 구동실패 및 제어전원 이상등으로 인하여 안정적인 스위칭 동작을 하지 못하게 되면, 과전류가 흐르게 되어 IGBT가 파손되는 문제점이 발생된다.

따라서, IGBT를 안정적으로 구동하기 위하여서는 게이트 구동 전압의 결정, 게이트 턴-온(turn-on), 턴-오프(turn-off) 저항의 적정치 설정, 그리고 과전류 보호회로 및 저전압 검지회로의 정확한 설계가 필요하게 된다.

도 1은 본 발명 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로의 구성을 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명에 있어, 그 실시예를 나타낸 회로도.

본 발명 대용량 전원 스위칭 소자 구동 제어회로는 전원 제어로직(control logic)으로 부터 출력되는 게이트 펄스 신호를 입력받기 위한 광신호 입력수단과, 광신호 입력수단으로 부터 입력되는 게이트 펄스 신호를 전송하기 위한 게이트 펄스 전송수단과, 인가된 게이트 펄스에 따라 전원 스위칭 수단인 IGBT의 스위칭 제어신호를 출력하는 제어수단과, 제어수단의 제어에 따라 게이트 펄스 신호를 증폭하여 IGBT의 게이트에 전달하는 증폭수단과, IGBT의 콜렉터단에 걸리는 전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 과전류를 검출하는 과전류 감지수단과, 게이트 구동전압을 기준전압과 비교하여 저전압을 감지하는 저전압 감지수단과, 상기 과전류 감지수단 또는 저전압 감지수단으로 부터 감지되는 결과에 따라서 오류 상태신호(fault signal)를 전원 제어로직으로 전송하는 광신호 송신수단들로 구성되며,

상기 제어수단에서는 과전류 감지수단 또는 저전압 감지수단들로 부터 감지된 결과에 따라 IGBT의 동작을 멈추도록 하고, 일정 시간마다 상기 수단들의 감지결과를 감시하여 오류의 원인이 해소될때까지 IGBT의 동작을 정지시키도록 함을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 특징으로 하는 본 발명 전원 스위칭 소자 구동 제어회로는 게이트 구동전압 및 IGBT에 흐르는 전압을 검출하여 이를 기준전압과 비교하여 과전류 및 저전압 여부를 인식하고, 이에 따라 IGBT를 보호하기 위하여 IGBT의 구동전압을 차단시킬 수 있도록 하는 것으로,

도 1은 본 발명 전원 스위칭 소자 구동 제어회로에 있어, 2-채널(2-channel)로 구성된 IGBT 구동 제어회로를 나타낸 실시예로써, 각각의 IGBT에는 별도의 구동 제어회로를 구성하게 되는 바, 구성된 IGBT 및 IGBT 구동제어부(200)의 구성은 동일하므로, 동일부호로 처리하여 그 구성을 설명하면 다음과 같다.

IGBT와, IGBT 각각에는 IGBT 구동제어부(200)가 구성되며, 상기 IGBT 구동제어부(200)의 제어전원을 공급하는 전원부(100)으로 구성됨을 특징으로 하며,

먼저, 상기 전원부(100)는 IGBT 각각의 구동 제어전압을 공급하는 제어전원공급부(101)와, 제어전원공급부(101)로 부터 공급되는 전원을 스위칭하여 출력하도록 펄스폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation) 제어신호를 전원 스위칭 트랜스(103)로 출력하는 PWM 제어부(102)와, 전원 스위칭 트랜스(103)를 통해 변환출력된 전원 전압을 정류 및 필터링하여 각 IGBT의 스위칭 제어를 위한 각 구동 전압을 각각의 IGBT 구동제어부(200)로 출력하는 정류 및 필터부(104)를 포함하여 구성되며,

상기 IGBT 구동제어부(200)는 전원 제어회로에 구성되는 광신호출력부로 부터 송신되는 게이트 펄스 신호를 수신하는 광신호 입력부(1)와, 수신된 게이트 펄스신호를 전송하는 게이트 펄스 전송부(2)와, 인가되는 게이트 펄스 신호를 증폭하여 IGBT의 게이트로 인가시켜 IGBT를 구동시키는 증폭부(3)와, IGBT의 콜렉터 전압을 검출하여 과전류의 발생여부를 감지하는 과전류 감지부(4)와, IGBT의 구동 전압이 일정전압이하로 떨어지게 되는 저전압 유무를 감지하는 저전압 감지부(5)와, 상기 과전류 감지부(4) 및 저전압 감지부(5)를 통해 감지된 결과에 따라 IGBT의 스위칭 동작을 제어하는 제어부(6)와, 제어부(6)의 제어에 따라 과전류 또는 저전압에 따른 오류에 대하여 IGBT로 입력되는 게이트 구동펄스를 차단하도록 래치시키고, 일정시간마다 오류가 해소되었는 가를 감시하여 오류의 원인이 제거될때까지 게이트 구동펄스를 래치시키도록 하는 래치 및 리셋(latch ＆ reset)제어부(7)와, 상기 과전류 또는 저전압이 검출되면 이러한 오류동작신호를 전원 제어회로에 알리는 광신호를 송신하기 위한 광신호 송신부(8)를 포함하여 이루어진다.

이와 같이, 하나이상의 IGBT가 전력 스위칭회로를 구성함에 있어, 구성되는 각 IGBT는 각각의 IGBT 구동제어부(200)가 구성되어지는 것으로,

상기 구성되는 각 IGBT는 상기와 같은 구성을 갖는 IGBT 구동제어부(200)를 구성하게 되며, 이와 같이 구성되는 IGBT 구동제어부(200)로 부터 게이트로 인가되는 게이트 펄스 신호로써, 스위칭하여 외부로 부터 입력되는 사용전원 전압을 장치에 공급하게 되는 것이다.

상기 IGBT 구동제어부(200)는 IGBT의 안정적인 스위칭동작을 위해 게이트 구동전압을 결정하게 되는 바, 이와 같은 IGBT 구동제어부(200)의 IGBT 스위칭 제어동작을 설명하면 다음과 같다.

전체적인 전원 제어회로는 IGBT를 동작시키기 위하여 게이트 펄스신호를 자체에 구성된 광신호 송신부를 통해 출력하게 된다.

이와 같이 전송되어온 게이트 펄스신호를 광신호 입력부(1)에서 수신하게 되며, 이와 같이 수신된 게이트 펄스신호는 게이트 펄스 전송부(2)를 통해 제어부(6)로 인가된다.

제어부(6)에서는 이와 같이 입력되는 게이트 펄스신호에 따라서 스위칭 제어펄스 신호를 출력하게 되고, 이를 증폭부(3)에서 증폭하여 IGBT의 게이트로 입력시키게 된다.

IGBT는 상기에서와 같이 입력되는 구동 전압을 입력받고, 이에 따라 스위칭 동작하여 장치에 전원을 공급하게 되는 것이다.

상기에서와 같이 IGBT가 스위칭동작을 하게 됨에 있어, 과전류 감지부(4)에서는 상기 IGBT의 콜렉터단전압을 검출하여 기준전압과 비교하므로서, 과전류가 발생하였는 가를 감지하게 된다.

이때, 게이트의 구동실패로 인하여 IGBT가 안정적인 스위칭을 하지 못하게 되면, 정션 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 포화(saturation) 전압이 상승하게 되므로, 이를 기준전압과 비교하게 되면, 과전류 발생여부를 감지할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 과전류 감지부(4)를 통해 과전류가 감지되면, 제어부(6)에서는 이를 인식하여 IGBT의 게이트 구동전압을 차단하여 IGBT의 동작을 정지시키게 되는 바,

래치 및 리셋부(7)는 게이트 구동전압이 차단된 상태로 래치시키게 된다.

이후, 래치 및 리셋부(7)에서는 일정 시간마다 상기 과전류 감지부(4)를 통해 과전류가 감지되는 가를 재검색하도록 한다.

상기 제어부(6)에서는 상기에서와 같은 래치 및 리셋부(7)를 제어하여 상기와 같은 동작을 과전류가 감지되지 않을 때까지 반복진행하게 되며, 이후 과전류가 감지되지 않으면, 래치를 해제하여 다시 IGBT를 구동시킨다.

또한, 게이트 구동전압이 일정전압 이하로 떨어지는 저전압 상태가 되면, IGBT의 게이트 구동실패의 원인이 되므로, 저전압 감지부(5)에서는 비교전압과 비교하여 이를 감지하여, 제어부(6)로 알리게 된다.

제어부(6)에서는 이를 인식하고, 래치 및 리셋부(7)를 제어하여 상기 과전류가 감지되었을 때와 동일한 과정을 진행하여 IGBT의 동작을 제어하게 된다.

즉, IGBT에 과전류가 흐르거나, 게이트 구동전압이 일정전압 이하로 떨어지게 되면, 제어부(6)에서는 과전류 또는 저전압의 문제가 해결될 때까지 IGBT를 정지시켜 IGBT의 안정적인 스위칭이 이루어질 수 있도록 하는 것으로,

순간적인 서지(surge) 전압 또는 전원 이상등으로 과전류 또는 저전압이 발생하게 될 경우 IGBT를 차단시키게 되고, 일정시간마다 오류를 리셋시켜 회로의 수리 또는 서지전압의 해소등에 의해 오류가 해소되었는 가를 인식하여 IGBT의 스위칭을 제어하게 되는 것이다.

그리고, 상기와 같이 과전류 또는 저전압 상태가 감지되면, 광신호 송신부(8)를 통해 IGBT의 오류동작신호를 전원 제어회로로 전송하도록 하여 현재 IGBT가 정상적인 동작이 이루어지지 않고 있음을 알리게 된다.

도 2는 이상에서와 같은 본 발명 전원 스위칭 소자 구동 제어회로의 실시예를 나타낸 것으로서, 도 2를 참조하여 그 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

전원 제어회로에 게이트 펄스신호를 전송하기 위하여 구성된 송신수단인 광결합기(photo coupler)의 발광측으로 부터 전송되는 게이트 펄스 신호를 수신하기 위한 수신측 광결합기(PC1)를 포함하는 광신호입력부(1)와,

게이트 펄스 신호에 따라서 인가되는 바이어스 전원 +5V를 스위칭하여 게이트 구동전압인 +15V 전압으로 스위칭 변환시켜 출력시키기 위한 논리회로 넨드게이트(NAND gate)(2a) 및 스위칭 소자인 트랜지스터(Q1)와, 정상적인 펄스 전송이 이루어지고 있음을 외부에 알리기 위한 발광다이오드(LED1)를 구동시키기 위한 논리회로 넨드게이트(2b) 및 스위칭 소자인 트랜지스터(Q2)와, 입력되는 게이트 펄스를 트리거(trigger)신호로 하여 게이트 펄스를 정형화시켜 출력하는 쉬미트 트리거(Schmitt trigger)(2c)를 포함하는 게이트 펄스 전송부(2)와,

상기 쉬미트 트리거(2c)로 부터 출력되는 게이트 펄스를 출력하기 위한 앤드 게이트(AND gate)(6a)와, 앤드 게이트(6a)로 부터 출력되는 게이트 구동펄스를 입력으로 하여 게이트 온(on)시에만 과전류를 감지할 수 있도록 출력신호를 갖는 넨드 게이트(6b)와, 상기 쉬미트 트리거(2c)로 부터 하이(high),로우(low) 반복 출력되는 게이트 펄스를 반전시켜 증폭부(3)의 전계효과트랜지스터(FET1)를 구동시키기 위한 넨드 게이트(6c)와, 상기 쉬미트 트리거(2c)로 부터 하이, 로우 반복출력되는 게이트 펄스를 베이스로 입력으로 하여 스위칭동작하여 증폭부(3)의 상기 전계효과트랜지스터(FET1)의 동작과 반전된 스위칭 펄스로써, 전계효과트랜지스터(FET2)를 구동시키기 위한 트랜지스터(Q3)를 포함하는 제어부(6)와,

상기 넨드 게이트(6c)의 출력에 따라 게이트로 입력되는 게이트 펄스를 증폭하여 IGBT의 게이트(G)로 출력하여 IGBT를 구동시키는 전계효과트랜지스터(FET1)와, 상기 전계효과트랜지스터(FET1)와 반전된 구동전압을 입력받아 동작하여 네가티브(negative) 전압상에서 IGBT를 턴 오프(turn off)시키기 위한 전계효과트랜지스터(FET2)를 포함하는 증폭부(3)와,

과전류를 검출하기 위하여 IGBT의 콜렉터(C)단의 전압을 강하시키는 고전압블록킹(blocking)부(4a)와, 고전압 블록킹부(4a)를 통해 전압 강하된 전압을 필터링하는 필터부(4b)와, 과전류를 판단하기 위한 기준(reference) 전압을 설정하기 위한 가변저항(VR1)과, 필터부(4b)를 통해 인가되는 감지 전압을 네가티브(-)의 입력으로 하고, 상기 가변저항(VR1)에 의해 설정되는 기준 전압을 포지티브(+)의 입력으로 하여 이들 전압을 비교하는 비교기(4c)를 포함하는 과전류 감지부(4)와,

게이트 구동전압(+15V)의 저전압 전위 여부를 판별하기 기준전압을 설정하는 기준전압 설정부(5a)와, 게이트 구동전압의 전압을 포지티브(+) 입력으로 하고, 상기 기준전압 설정부(5a)에 의해 설정되는 기준전압을 네가티브(-) 입력으로 하여 이들 전압을 비교하여 게이트 구동전압의 저전압 변위를 검출하기위한 비교기(5b)를 포함하는 저전압 감지부(5)와,

상기 과전류 감지부(4)의 비교기(4c)로 부터 출력되는 신호를 반전시켜 출력하는 넨드 게이트(7a)와, 상기 저전압 감지부(5)의 비교기(5b)로 부터 출력되는 신호를 반전시켜 출력하는 넨드 게이트(7b)와, 상기 넨드 게이트(7a,7b)로 부터 입력된 신호에 따라 과전류 및 저전압 상태를 인식하고, 과전류 및 저전압 상태라고 판단되면, 다이오드(D10,D11)를 도통시켜 상기 게이트 펄스 전송부(2)의 앤드 게이트(6a)의 입력신호를 제어하여 게이트 펄스를 차단된 상태로 래치시키는 래치(7c)와, 래치(7c)에 의해 게이트 펄스가 차단된 시점부터 카운트를 시작하여, 일정 시간이 경과되면, 폴트(fault) 리셋신호를 출력하는 카운터(7d)와, 카운터(7d)에 기준 카운터 클럭을 제공하는 클럭 발생부(7e)와, 카운터(7d)로 부터 폴트 리셋신호와 상기 과전류 감지부(4)의 비교기(4c)로 부터 출력된 감지신호를 입력으로 하여, 폴트가 제거되면, 게이트 펄스가 다시 전송되어질 수 있도록 래치상태를 리셋시키도록 하는 앤드 게이트(7f)와, 상기 카운터(7d)의 출력 폴트 리셋신호와 상기 저전압 감지부(5)이 비교기(5b)의 출력신호를 입력으로 하여 게이트 펄스가 다시 전송되어질 수 있도록 래치상태를 리셋시키도록 하는 앤드 게이트(7g)를 포함하는 래치 및 리셋부(7)와,

폴트가 발생되었음을 전원 제어회로로 알리기 위한 제어신호를 전송하기 위한 광결합기(PC2)를 포함하는 광신호 송신부(8)와,

폴트 신호를 전송하기 위하여 광결합기(PC2)를 구동시키고, 폴트가 발생되었음을 알리는 과전류 발생경고 발광다이오드(LED2) 및 저전압 발생경고 발광다이오드(LED3)를 구동시키는 드라이버(9)로 구성된다.

미 설명부호 R1∼R26은 저항, D1∼D11은 다이오드, ZD1∼ZD3는 제너다이오드, C1∼C19는 콘덴서이다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 도 2에서와 같은 본 발명 게이트 구동장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

광결합기(PC1)를 통해 전원 제어회로의 광결합기 발신측으로 부터 전송되는 게이트 구동 펄스가 수신된다.

이와 같이 수신되는 게이트 펄스는 게이트 펄스 전송부(2)의 넨드 게이트(2a)로 입력되며, 앤드 게이트(2a)에서는 입력되는 바이어스 전압(+5V)과 앤드 연산하고, 이를 반전시켜, 트랜지스터(Q1)를 온/오프 스위칭 시키게 된다.

또한, 상기와 같은 게이트 펄스는 넨드 게이트(2b)에도 입력되어, 트랜지스터(Q2)를 온/오프 동작시켜, 발광다이오드(LED1)을 점멸시키므로써, 정상적인 펄스 전송이 이루어지고 있음을 알리게 된다.

이후, 상기 트랜지스터(Q1)이 온/오프 스위칭하게 됨에 따라서 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단에 걸리는 바이어스 전압이 쉬미트 트리거(2c)의 트리거(TRIG)단에 입력된다.

즉, 게이트 구동전압이 +5V에서 +15V로 변환되어지는 것이다.

쉬미트 트리거(2c)에서는 트리거단(TRIG)으로 입력되는 게이트 구동전압 펄스를 트리거로 하여 펄스 파형을 정형화시켜 앤드 게이트(6a)로 출력하게 된다.

이때, 앤드 게이트(6a)의 일측 입력은 하이(high)상태를 유지하고 있음으로, 입력된 게이트 펄스가 그대로 앤드 게이트(6a)를 통해 출력된다.

이와 같이 출력되는 게이트 펄스는 넨드 게이트(6c)와 트랜지스터(Q3)의 베이스로 입력된다.

상기 넨드 게이트(6c)는 하이/로우를 반복하는 게이트 펄스를 반전시켜 전계효과트랜지스터(FET1)를 스위칭 동작시켜 IGBT의 게이트단(G)에 게이트 구동 전압을 공급하여 IGBT를 스위칭 동작시키게 된다.

이때, 트랜지스터(Q3)의 베이스에 로우가 입력될 경우에는 트랜지스터(Q3)가 온 스위칭 동작을 하게 되므로써, 전계효과트랜지스터(FET2)가 온스위칭을 하게 되므로, IGBT의 게이트단(G)에는 구동전압이 인가되지 않게 되므로써, IGBT는 정지하게 된다.

즉, ±15V로 IGBT를 구동하게 됨에 있어, -15V에서 IGBT를 턴오프시키게 되는 것이다.

이상에서와 같이 IGBT가 스위칭 동작하게 됨에 있어, 과전류 또는 저전압이 발생되면, IGBT를 보호 및 안정된 스위칭 동작을 위하여 IGBT를 정지시키게 되는 바,

고전압 블록킹부(4a)에 역바이어스 구성된 다이오드(D4,D5,D6,D7)을 거치면서, IGBT의 콜렉터 전압은 전압 강하된다.

이와 같이 전압 강하된 전압은 펄터부(4b)의 다이오드(D8), 콘덴서(C9)에 의해 필터링되어, 전압 감지결과로써, 비교기(4c)의 네가티브에 입력된다.

그리고, 비교기(4c)의 포지티브에는 가변저항(VR1)에 의해 설정되는 기준 전압이 입력된다.

비교기(4c)에서는 이들 전압을 비교하여 과전류를 검출하게 되는 바,

정상적인 동작이 이루어질 경우에는 포지티브의 기준전압이 더크기 때문에 하이출력이 이루어지게 되지만, 과전류가 흐르게 될 경우에는 비교기(4c)의 출력은 로우가 된다.

즉, 전류에 비례하는 전압을 검출하여 과전류 여부를 판단하게 되는 것으로, 이때 가변저항(VR1)의 저항값을 적절히 조정하여 과전류 경계치에 맞도록 기준전압을 설정하게 된다.

그리고, 상기 앤드 게이트(6a)로 부터 하이/로우 반복되는 게이트 펄스가 입력될때, 넨드 게이트(6b)로 부터 상기 신호의 반전된 신호가 입력되어짐으로 인하여 다이오드(D9)가 온/오프 스위칭을 하게 된다.

즉, 상기 다이오드(D9)가 온/오프 스위칭을 하게 됨에 있어, 하이 펄스가 입력될때, 다시말해 IGBT가 온스위칭 타임에서만 과전류를 검출하는 상기동작을 수행하게 되는 것이다.

이때, 과전류가 검출되어 비교기(4c)의 출력이 로우가 될 경우, 넨드 게이트(7a)에서는 이를 반전시켜 래치(7c)의 CP2단에 하이신호로 인가시키게 된다.

래치(7)에서는 CP2단으로 입력된 하이신호를 인식하여 Q2신호를 하이신호로 출력하게 되므로써,

단을 통해서 로우신호가 출력되어 다이오드(D10)가 도통된다.

상기 다이오드(D10)가 도통되면, 상기 앤드 게이트(6a)에는 로우신호가 입력되어, 쉬미트 트리거(2c)로 부터 출력되는 게이트 펄스가 출력되지 못하게 되므로써, IGBT는 동작이 정지된다.

이때, 카운터(7d)의 MR단으로도 로우신호가 입력되어 카운터(7d)에서 이때부터 클럭 발생부(7e)로 부터 입력되는 기준 클럭으로 카운트를 시작하게 된다.

이후, 설정된 시간(약 30msec)이 경과되면 카운터(7d)에서는 O 단자를 통해 하이신호를 출력하여 앤드 게이트(7f)로 인가시키게 된다.

이때, 앤드 게이트(7f)의 일측 입력에는 상기 비교기(4c)의 출력이 입력되므로, 카운터(7d)의 카운트 동작이 진행되는 동안 과전류가 해소되지 않았을 경우에는 앤드 게이트(7f)의 일측 입력은 로우상태를 유지하게 되므로, 카운터(7d)로 부터 출력되는 리셋 신호가 래치(7c)에 입력되지 않게 된다.

따라서, 래치(7c)는 계속하여 게이트 펄스를 차단한 상태로 래치시키게 된다.

또한, 상기 래치(7c)의 Q2단에서 출력되는 전압이 하이가 되므로, 이 전압이 드라이버(9)의 I2단에 입력된다.

이와 같이 I2단에 하이가 입력되면, 드라이버(9)에서는 O6단자를 통해 하이신호를 출력하게 되며, 이와 같은 O6단자의 하이신호는 O6단자의 반전기를 통해 반전되어 발광다이오드(LED2)에 로우신호를 출력하여 발광다이오드(LED2)를 점등시켜 과전류가 발생하였음을 외부로 알리게 된다.

그리고, 상기 드라이버(9)는 이와 같이 I2단으로 입력되는 신호에 따라서, O2단의 반전기를 거쳐 로우신호를 광결합기(PC2)에 인가시켜 광결합기(PC2)를 구동시키도록 하므로써, 전원 제어회로에 구성된 수신측 광결합기에 신호를 전송하여 과전류가 발생하였음을 알리게 된다.

이후, 기준 전압보다 검출전압이 작아지게 되어 상기 비교기(4c)의 출력이 하이가 되면, 앤드 게이트(7f)의 일측 입력은 하이상태를 유지하게 되고, 카운터(7d)에서 리셋 신호가 출력되면, 앤드 게이트(7f)로 부터 하이 신호가 출력되어 래치(7c)의 CD2단으로 입력된다.

상기와 같이 래치(7c)의 CD2단으로 리셋 신호가 입력되면, 래치(7c)에서는 Q2단의 신호출력을 다시 로우신호로 출력하게 되므로,

의 출력이 하이신호가 되어 다이오드(D10)가 오프된다.

따라서, 상기 앤드 게이트(6a)의 일측 입력이 하이가 되므로, 게이트 펄스가 그대로 출력되어져 IGBT가 재구동되어진다.

즉, 래치(7c)에서는 상기에서와 같이 IGBT의 동작을 정지시킨 상태로 게이트 펄스를 래치시키다가, 과전류가 감지되지 않을 경우 입력되는 리셋 신호에 따라 IGBT의 게이트 펄스를 다시 입력시켜 IGBT를 재구동시키게 되는 것이다.

한편, 저전압 감지부(5)에서는 기준전압설정부(5a)에 의해 설정되는 기준전압을 저항(R14)를 통해 입력되는 게이트 구동전압(+15V)과 비교하여 저전압 여부를 판별하게 되는 바,

기준전압설정부(5a)를 통해 설정되는 기준전압을 비교기(5b)의 네가티브 입력으로 하고, 저항(R14)을 통해 감지되는 게이트 구동 전압을 비교기(5b)의 포지티브 입력으로 하여 비교기(5b)에서는 이들 전압을 비교하게 되고, 비교된 신호를 감지신호로 출력하게 된다.

정상적으로 동작하고 있을 경우에는 비교기(5b)의 출력은 게이트 구동전압이 기준전압보다 높게 되므로, 하이신호로 출력되지만, 게이트 구동전압이 기준전압보다 낮게 되므로 비교기(5b)의 출력은 로우가 된다.

기준전압보다 게이트 구동 전압이 낮게 나타날 경우에 비교기(5b)의 출력은 로우신호가 출력되어지게 되고, 이와 같이 출력된 로우 신호는 넨드 게이트(7b)를 통해 반전되어 래치(7c)의 CD1단자에 입력된다.

래치(7c)는 CD1단자로 하이신호가 입력되면, 저전압상태로 인식하여 Q단자의 출력을 하이신호로 출력하게 된다.

따라서,

의 출력이 로우가 되므로, 다이오드(D11)가 도통되어 상기 앤드 게이트(6a)의 일측 입력이 로우가 된다.

그러므로, 앤드 게이트(6a)의 출력은 항상 로우가 되므로, 게이트 펄스가 전송되지 못하게 되어, IGBT는 정지하게 된다.

그리고, 상기 Q단자의 출력이 하이가 되므로, 드라이버(9)의 I1단자에 하이가 걸리게 되므로, 드라이버(9)에서는 O5단자를 통해 발광다이오드(LED3)를 구동시켜 현재 저전압 상태임을 외부로 알리게 된다.

또한, O1단자를 통해 광결합기(PC2)를 동작시켜, 전원 제어회로에 저전압 상태를 알리게 된다.

이와 동시에 상기 과전류 감지에 따른 동작제어에 있어서와 마찬가지로, 상기 앤드 게이트(6a)에 일측 입력이 로우가 될때, 이러한 로우신호는 카운터(7d)의 MR단에 입력되므로써, 카운터(7d)의 카운트 동작이 시작된다.

이후, 일정시간이 경과되면, 폴트 리셋신호를 앤드 게이트(7g)로 출력하게 된다.

이때, 상기에서 설명한 바와 마찬가지로, 앤드 게이트(7g)의 일측 입력은 상기 저전압 감지여부에 따른 비교기(5b)의 출력으로 이루어지므로, 저전압 상태가 해결되기 전까지는 앤드 게이트(7g)의 일측 입력은 로우상태를 유지하게 된다.

저전압 상태가 해결되지 않았다면 앤드 게이트(7g)의 출력은 로우가 되어 래치(7c)의 CD1으로 입력되므로, 래치(7c)에서는 IGBT가 정지된 상태로 래치시키게 된다.

저전압 상태가 해결되어 앤드 게이트(7g)의 일측 입력이 하이가 될 경우에는 폴트 리셋신호가 입력되면, 래치(7c)의 CD1단자로 하이신호가 입력되어, 래치(7c)는 Q1단의 출력을 하이로 하여 다이오드(D11)를 오프 시킨다.

따라서, 상기 다이오드(D11)가 오프되면, 상기 앤드 게이트(6a)의 일측 입력이 다시 하이가 되므로, 게이트 펄스가 앤드 게이트(6a)를 통해 다시 IGBT에 전송되어지므로, IGBT가 재구동된다.

비교기(5b)에 입력되는 전압은 정상적으로 동작하고 있을 경우에는 ±13.5V∼±15V이지만, 게이트 전압 확립 실패로 인해서 안정적인 게이트 전압을 공급하지 못하면 게이트 구동이 실패하게 된다.

따라서, 상기에서와 같이 게이트 구동전압을 감지하여 저전압이 발생되면, IGBT를 차단하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 과전류 및 저전압 상태를 판단하고, 이에 따라 IGBT의 동작을 제어하도록 하므로써, IGBT를 과전류로 부터 보호하고, 게이트 구동실패의 원인을 제거하여 안정적인 IGBT의 스위칭동작을 제공하는 효과가 있다.

Claims

전원 제어로직으로 부터 출력되는 게이트 펄스 신호를 입력받기 위한 광신호 입력수단과, 광신호 입력수단으로 부터 입력되는 게이트 펄스 신호를 전송하기 위한 게이트 펄스 전송수단과, 인가된 게이트 펄스에 따라 전원 스위칭 수단인 IGBT의 스위칭 제어신호를 출력하는 제어수단과, 제어수단의 제어에 따라 게이트 펄스 신호를 증폭하여 IGBT의 게이트에 전달하는 증폭수단과, IGBT의 콜렉터단에 걸리는 전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 과전류를 검출하는 과전류 감지수단과, 게이트 구동전압을 기준전압과 비교하여 저전압을 감지하는 저전압 감지수단과, 상기 과전류 감지수단 또는 저전압 감지수단으로 부터 감지되는 결과에 따라서 오류 상태신호(fault signal)를 전원 제어로직으로 전송하는 광신호 송신수단들로 구성되며,

상기 제어수단에서는 과전류 감지수단 또는 저전압 감지수단들로 부터 감지된 결과에 따라 IGBT의 동작을 멈추도록 하고, 일정 시간마다 상기 수단들의 감지결과를 감시하여 오류의 원인이 해소될때까지 IGBT의 동작을 정지시키도록 하는 래치 및 리셋수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 대용량 전원 스위칭 소자(ＩＧＢＴ) 구동 제어회로.
제 1항에 있어서, 오류가 발생되었음을 외부로 알리기 위한 표시수단과, 표시수단을 구동하기 위한 구동수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 소자(ＩＧＢＴ) 구동 제어회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광신호 입력수단은 전원 제어회로에 게이트 펄스신호를 전송하기 위하여 구성된 송신수단인 광결합기의 발광측으로 부터 전송되는 게이트 펄스 신호를 수신하기 위한 수신측 광결합기(PC1)를 포함하여 구성되며,

상기 게이트 펄스 전송수단은 게이트 펄스 신호에 따라서 인가되는 바이어스 전원 +5V를 스위칭하여 게이트 구동전압인 +15V 전압으로 스위칭 변환시켜 출력시키기 위한 논리회로 넨드게이트(2a) 및 스위칭 소자인 트랜지스터(Q1)와, 정상적인 펄스 전송이 이루어지고 있음을 외부에 알리기 위한 발광다이오드(LED1)를 구동시키기 위한 논리회로 넨드게이트(2b) 및 스위칭 소자인 트랜지스터(Q2)와, 입력되는 게이트 펄스를 트리거신호로 하여 게이트 펄스를 정형화시켜 출력하는 쉬미트 트리거(2c)를 포함하여 구성되며,

상기 제어수단은 상기 쉬미트 트리거(2c)로 부터 출력되는 게이트 펄스를 출력하기 위한 앤드 게이트(6a)와, 상기 쉬미트 트리거(2c)로 부터 하이,로우 반복 출력되는 게이트 펄스를 반전시켜 증폭부(3)의 전계효과트랜지스터(FET1)를 구동시키기 위한 넨드 게이트(6c)와, 상기 쉬미트 트리거(2c)로 부터 하이, 로우 반복출력되는 게이트 펄스를 베이스로 입력으로 하여 스위칭동작하여 증폭부(3)의 상기 전계효과트랜지스터(FET1)의 동작과 반전된 스위칭 펄스로써, 전계효과트랜지스터(FET2)를 구동시키기 위한 트랜지스터(Q3)를 포함하여 구성되며,

상기 증폭수단은 상기 넨드 게이트(6c)의 출력에 따라 게이트로 입력되는 게이트 펄스를 증폭하여 IGBT의 게이트(G)로 출력하여 IGBT를 구동시키는 전계효과트랜지스터(FET1)와, 상기 전계효과트랜지스터(FET1)와 반전된 구동전압을 입력받아 동작하여 네가티브 전압상에서 IGBT를 턴 오프시키기 위한 전계효과트랜지스터(FET2)를 포함하여 구성되며,

상기 과전류 감지수단은 과전류를 검출하기 위하여 IGBT의 콜렉터(C)단의 전압을 강하시키는 고전압블록킹부(4a)와, 고전압 블록킹부(4a)를 통해 전압 강하된 전압을 필터링하는 필터부(4b)와, 과전류를 판단하기 위한 기준 전압을 설정하기 위한 가변저항(VR1)과, 필터부(4b)를 통해 인가되는 감지 전압을 네가티브(-)의 입력으로 하고, 상기 가변저항(VR1)에 의해 설정되는 기준 전압을 포지티브(+)의 입력으로 하여 이들 전압을 비교하는 비교기(4c)를 포함하여 구성되며,

상기 저전압 감지수단은 게이트 구동전압(+15V)의 저전압 전위 여부를 판별하기 기준전압을 설정하는 기준전압 설정부(5a)와, 게이트 구동전압의 전압을 포지티브(+) 입력으로 하고, 상기 기준전압 설정부(5a)에 의해 설정되는 기준전압을 네가티브(-) 입력으로 하여 이들 전압을 비교하여 게이트 구동전압의 저전압 변위를 검출하기위한 비교기(5b)를 포함하여 구성되며,

상기 래치 및 리셋수단은 상기 과전류 감지부(4)의 비교기(4c)로 부터 출력되는 신호를 반전시켜 출력하는 넨드 게이트(7a)와, 상기 저전압 감지부(5)의 비교기(5b)로 부터 출력되는 신호를 반전시켜 출력하는 넨드 게이트(7b)와, 상기 넨드 게이트(7a,7b)로 부터 입력된 신호에 따라 과전류 및 저전압 상태를 인식하고, 과전류 및 저전압 상태라고 판단되면, 다이오드(D10,D11)를 도통시켜 상기 게이트 펄스 전송부(2)의 앤드 게이트(6a)의 입력신호를 제어하여 게이트 펄스를 차단된 상태로 래치시키는 래치(7c)와, 래치(7c)에 의해 게이트 펄스가 차단된 시점부터 카운트를 시작하여, 일정 시간이 경과되면, 폴트 리셋신호를 출력하는 카운터(7d)와, 카운터(7d)에 기준 카운터 클럭을 제공하는 클럭 발생부(7e)와, 카운터(7d)로 부터 폴트 리셋신호와 상기 과전류 감지부(4)의 비교기(4c)로 부터 출력된 감지신호를 입력으로 하여, 폴트가 제거되면, 게이트 펄스가 다시 전송되어질 수 있도록 래치상태를 리셋시키도록 하는 앤드 게이트(7f)와, 상기 카운터(7d)의 출력 폴트 리셋신호와 상기 저전압 감지부(5)이 비교기(5b)의 출력신호를 입력으로 하여 게이트 펄스가 다시 전송되어질 수 있도록 래치상태를 리셋시키도록 하는 앤드 게이트(7g)를 포함하여 구성되며,

상기 광신호 송신수단은 폴트가 발생되었음을 전원 제어회로로 알리기 위한 제어신호를 전송하기 위한 광결합기(PC2)를 포함하여 구성되며,

상기 표시수단은 과전류 발생경고 발광다이오드(LED2) 및 저전압 경고 발광다이오드(LED3)로 구성되며, 상기 구동수단은 폴트 신호를 전송하기 위하여 광결합기(PC2)를 구동시키고, 폴트가 발생되었음을 알리는 과전류 발생경고 발광다이오드(LED2) 및 저전압 발생경고 발광다이오드(LED3)를 구동시키는 드라이버(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전원 스위칭 소자(ＩＧＢＴ) 구동 제어회로.
제 3항에 있어서, 앤드 게이트(6a)로 부터 출력되는 게이트 구동펄스를 입력으로 하여 게이트 온시에만 과전류를 감지할 수 있도록 출력신호를 갖는 넨드 게이트(6b)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전원 스위칭 소자(ＩＧＢＴ) 구 동 제어회로.