KR100892553B1

KR100892553B1 - 용접기의 아이지비티 드라이브

Info

Publication number: KR100892553B1
Application number: KR1020080085252A
Authority: KR
Inventors: 윤채석
Original assignee: 윤채석
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-04-09

Abstract

본 발명은 용접기의 IGBT 드라이브에 관한 것으로서, 펄스 트랜스 방식으로 IGBT를 제어하고 동시에 노이즈나 서지등에 의한 오동작을 막아 상기 IGBT을 보호하기 위한 것이다.

일반적으로 용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 2가지 고체재료 사이에 원자간 결합이 이루어지도록 가열 또는 가압 등의 조작을 통하여 야금적으로 접합시키는 기술을 말한다.

그리고 이러한 용접기의 스위칭 소자에는, SCR과 IGBT, 트랜지스터가 주축을 이루고 있는데, 현재 트랜지스터는 거의 사용되지 않고 있으며, SCR도 역시 Co2용접기외에는 사용빈도가 낮아, 주로 IGBT만을 많이 사용되고 있다. 그리고 이중 IGBT를 구동시켜 주기 위한 방식에는 펄스 트랜스 방식과, 하이브리드 구동방식이 있는데, 이중 하이브리드 방식은 회로가 복잡하고 전원이 많이 필요해서 고가이나 펄스 상승 및 하강시간을 조절할 수 있으며, 대용량의 경우 펄스 트랜스구동보다 좀더 신뢰성을 확보할 수 있고, 특히 IGBT의 동작을 감시하여 신호의 에러 인한 IGBT의 파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 다량의 분리된 전원과 IGBT의 종류에 따라 지연시간에 의해 계속적인 에러신호를 발생시키는 등의 문제가 있고, 더불어 IGBT파괴시 드라이브 전체를 버려야 한다는 문제점이 있었다.

반면에, 펄스 트랜스 구동방식은 회로가 간단하고 신호부와 구동부간의 지연시간이 원리적으로 없는게 특징이나, IGBT가 OFF상태에 있을 때에는 마이너스 전압 을 지속적으로 주기 어려워서 노이즈와 서지로인해 IGBT의 파괴가 종종 발생하였다.

따라서 본 발명은 펄스 트랜스 방식을 이용하여 신호부와 구동부가 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있도록 함으로써 IGBT의 파괴시에도 구동부 중 일부분의 부품만을 교체하여 재사용할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 노이즈와 서지로 인한 IGBT의 오작동을 막아 IGBT의 파손을 최소화 하기 위한 것이다.

용접기, IGBT, 드라이브, 마이너스 전압, 소프트오프(Soft Off)회로,

Description

용접기의 아이지비티 드라이브{The IGBT driver of a welding machine}

본 발명은 용접기의 IGBT 드라이브에 관한 것으로서, 펄스 트랜스 방식으로 IGBT를 제어하고 동시에 노이즈나 서지등에 의한 오동작에 의한 IGBT의 파손을 최소화한 것이다.

그리고 이러한 용접기의 스위칭 소자에는, SCR과 IGBT, 트랜지스터가 주축을 이루고 있는데, 현재 트랜지스터는 거의 사용되지 않고 있으며, SCR도 역시 Co2용접기외에는 사용빈도가 낮아, 주로 IGBT만을 많이 사용한다.

그리고 이러한 IGBT를 구동시켜 주기 위한 방식에는 펄스 트랜스 방식과, IGBT 갯수 만큼이나 또는 2배수 만큼 전기적으로 분리된 전원을 확보하고 각 IGBT를 구동시켜 주는 하이브리드 구동방식이 있다.

그리고 이중 하이브리드 방식은 회로가 복잡하고 전원이 많이 필요해서 고가이나 펄스 상승 및 하강시간을 조절할 수 있으며, 대용량의 경우 펄스 트랜스구 동보다 좀더 신뢰성을 확보할 수 있고, 특히 IGBT의 동작을 감시하여 신호의 에러 인한 IGBT의 파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 다량의 분리된 전원과 IGBT의 종류에 따라 지연시간에 의해 계속적인 에러신호를 발생시키는 등의 문제가 있고, 더불어 IGBT파괴시 드라이브 전체를 버려야 한다는 문제점이 있다.

반면에, 펄스 트랜스 구동방식은 회로가 간단하고 신호부와 구동부간의 지연시간이 원리적으로 없는게 특징이나, IGBT가 OFF상태에 있을 때에는 마이너스 전압을 지속적으로 주기 어려워서 노이즈와 서지로인해 IGBT의 파괴가 종종 발생하였다.

즉, 용접기의 특성상 부하의 변화가 매우 심하고 빈번하게 쇼트상태에 놓이기 등 구동조건이 매우 까다롭기 때문에 잘못된 신호나 노이즈로 인해 구동부의 오동작으로 IGBT가 파괴되는 문제점이 있었던 것이다.

따라서 본 발명은 펄스 트랜스 방식을 이용하여 신호부와 구동부가 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있도록 함으로써 IGBT의 파괴시에도 구동부 중 일부분의 부품만을 교체하여 재사용할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 노이즈와 서지및 회로의 파손등으로 인한 IGBT의 오작동을 감시하여 대비함으로써 IGBT의 파손을 최소화할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명은 구동부와 게이트부 사이에 기준전압과 구동신호를 비교해서 정상유무를 판단하는 IGBT 감시회로를 형성할때, 펄스폭이 변하더라도 일방의 IGBT가 On상태일 때는 다른 IGBT의 게이트 전압을 마이너스 전압이 유지되도록 함으로써 게이트부의 IGBT를 보호하도록 하고, 동시에 에러로 인한 턴오프시 빠른 마이너스 전압인가로 인해 단락전류의 상승으로 IGBT가 파괴되는 것을 막아 주는 소프트오프(Soft Off)회로를 형성토록 한 것이다.

본 발명은 펄스 트랜스 방식을 이용하여 게이트부의 IGBT를 구동시켜 주기 때문에 신호부와 구동부가 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있어, 파손된 게이트부의 부품만을 교체하여 사용할 수 있고, 동시에 보호회로 구동을 위한 전원을 DC TO DC커버터를 통해 전원부 구성과 전원분리가 용이하며, OFF시 마이너스 전압을 자유롭게 부가할 수 있는 점과 신호의 지연이 없어 오작동에 의한 IGBT 파괴를 최 소화하여 준다는 특징이 있고 IGBT 감시회로의 내장으로 IGBT 의 파괴를 현저히 줄일수 있다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 용접기 등의 전력제어용 IGBT 드라이브에 대하여 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 IGBT 드라이브의 블럭도로서, 도시된 바와 같이, 구동신호를 인가하여 주게 되면 설정된 조건에 따라 일정하게 스위칭소자를 작동시켜 주기위한 제어신호를 생성하여 하위의 구동부(11)에 인가하여 주는 신호정형부(10)와, 상기 신호정형부(10)에 의해 생성된 제어신호를 인가받아 펄스 트랜스를 통해 다수개의 게이트부(12)를 구동시켜 주는 한편, 소프트오프(Soft Off)부를 통해 인가받은 에러신호에 의해 상기 게이트부(12)의 IGBT구동을 정지시키고 에러발생 사실을 표출토록 되어 있는 구동부(11)와, 상기 게이트부(12)의 오작동을 감시하는 한편 전원관리부(16)의 DC TO DC 컨버터를 통해 2개의 분배된 전원을 동시에 인가받아 상기 게이트의 오작동을 감시하는 한편 오작동발생시 에러신호를 생성하여 상기 소프트 오프(Soft Off)부에 인가하여 주는 IGBT감시부(13)와, 상기 IGBT감시부(13)의 오작동을 막기위하여 전원공급부로부터 공급된 전원이 전원관리부(16)의 DC TO DC 컨버터를 통해 분배되기 전에 저전압상태를 감시하는 한편 저전압상태 감지시 에러신호를 생성하여 소프트 오프부(14)에 인가하여 주도록 되어 있는 전원감시부를 포함하고 있다.

이때, 구동부(11)와 게이트부(12) 사이에는 2개의 펄스 트랜스가 설치되어 있고, 이 펄스 트랜스은 둘로 분배되어 지며, 각각 IGBT1과 IGBT2의 베이스단과 이미터단에 연결되어 진다. 그리고 상기 IGBT1의 베이스단과 이미터단 사이에는 한쌍의 다이오드가 역방향으로 마주본 상태로 저항 및 캐패시터와 함께 각각 병렬 연결되어 진다.

또한, 전원관리부(16)는 도2에 도시된 바와 같이. 자체의 DC TO DC 컨버터 (Converter)를 내장하고 있으며, 이를 통해 2개의 분기된 전원을 만들어내어, IGBT감시부(13)에 인가하여 주도록 되어 있다.

즉, 전원공급부의 일측이 트랜지스터의 커렉터단에 연결되고 동시에 저항을 통과하여 전압강하된 상태로 베이스단과 연결된다. 그리고 이렇게 연결된 트렌지스터의 이미터단은 DC TO DC 컨버터의 일측 일단에 연결되고 동시에 상기 DC TO DC 컨버터의 일측타단은 그라운드와 연결된 캐패시터와 함께 전원공급의 타측과 연결된다. 그리고 상기 DC TO DC 컨버터의 타측 일단에는 다이오드와 저항이 직렬연결된 상태에서 상기 DC TO DC 컨버터의 타측 일단과 타단이 캐패시터로 병렬 연결되어지게 되어 전원2와 또 다른 전원3을 형성하게 된다.

또한, 이렇게 분기된 전원이 인가되는 IGBT감시부와 IGBT를 살펴보면, 도 3과 상기 도 3의 Point1(컬렉트)과 Point2(이미터) 사이의 출력 파형을 보여주는 도 4의 (a)와 같이, 펄스트랜스를 통해 인가된 구동신호의 펄스폭이 변하더라도 일방의 IGBT가 On상태일 때는 다른 IGBT의 게이트 전압이 항상 마이너스 전압으로 유지되어 지도록 되어 있다.그리고 이때, IGBT의 OFF시 마이너스 전압을 부가하게 되면, 파형의 진동으로 OFF상태에 있어야할 IGBT를 ON시켜서 쇼트상태를 유발하여 IGBT를 파괴시키게 된다. 따라서 빠른 IGBT의 OFF를 위해 마이너스 전압을 자유롭게 부가할 수 있으며, 상하 한 쌍의 IGBT중 일방의 IGBT가 OFF일 경우 다른 IGBT를 마이너스 전압을 실어줌으로 일방의 IGBT의 on/off로 인한 서지 등의 노이즈에서도 안전하게 IGBT를 동작시켜 줄 필요가 있는 것이다.

따라서 이를 위해 도 5에 도시된 바와 같이 에러 검출시 IGBT에 마이너스 전압을 인가하여 빠르게 턴오프시켜 주게될 때, 1/100000초 이내에 서서히 OFF시켜 주는 소프트오프(Soft Off)부가 필요하게 되는 것이다.

즉, IGBT의 동작을 정상인지 아닌지를 감시하는 방법은 여러가지가 있으나, 대부분 IGBT 단자의 컬렉트단과 이미터단 사이의 전압(Vce)를 감시하고, 이것을 구동신호와 비교함으로써 정상유무를 판단하게 된다.

따라서 감시대상 IGBT에 ON구동신호를 주면 해당 IGBT는 ON상태가 되고 그 결과 Vce는 2-10볼트로 저하된다. 그런데 어떤이유로 IGBT가 On신호인데도 Vce가 2-10볼트 이상이면 IGBT가 쇼트상태가 되어 파괴되는 것이다. 이때, 이 Vce를 감지하여 IGBT를 정지시키면 IGBT를 파괴로부터 막을 수 있게 되는 것이다.

다만, 턴오프시키기 위해 IGBT에 마이너스 구동신호를 주게 되면, 급격한 단락전류의 상승으로 서지가 발생하게 되고, 그 결과 IGBT의 내압을 넘어 IGBT를 파괴하게 되는 문제점이 있음으로. 1/100000초 이내에 서서히 OFF시켜 주는 소프트오프(Soft Off) 부가 필요하게 되는 것이다.

따라서 이를 위해 일측에는 IGBT 감시부와 연결되고 타측은 캐패시터와 저항이 병렬연결된 상태에서 또 다른 저항을 연결하여 설치한 후, 상기 캐패시터와 병렬 연결되어 있는 저항의 타단에 트랜지스터의 일단을 연결하여 설치한 후, 상기 트랜지스터의 베이스단을 신호부를 연결하여, 에러신호 발생시 상위의 신호부에 에러 발생 사실을 알려 주도록 되어 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 전원감시부(15)는 전원전압의 저하나 전원의 ON/OFF시에도 IGBT의 보호가 이루어지도록 되어 있다.

즉, 이를 위해 다이오드와 병렬연결되어 있는 저항의 일측에는 전원공급부를 연결하고, 타측에는 그라운드와 연결되어 있는 또 다른 저항과 비교기의 후단 일측을 동시에 연결한 상태에서, 상기 저항과 병렬연결되어 있는 다이오드의 후단에 그라운드와 연결되어 있는 캐패시터를 연결함으로써, 전원ON시에는 전원의 상승시간을 길게하고 전원의 Off시에는 빨리 OFF되게 해서, IGBT가 전원의 불안한 상태서 동작되는 것을 막아 주도록 되어 있다.

그리고 상기 비교기의 타측 후단에는 병렬 연결되어 있는 캐패시터와 다이오드가 저항과 함께 연결되어 지고, 상기 비교기의 출력단에는 15V전압이 인가되는 저항과 함꼐 다이오드의 일단과 연결되며, 상기 다이오드의 다단은 소프트오프부에 연결되어 에러신호를 출력하여 불안한 전원상태서 동작되는 것을 막아 주도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 에러발생시 구동을 멈춘후 자동으로 1초후에 복귀되어 지도록 되어 있으며, 용접기의 전원을 별도로 오프하거나 리셋할 필요가 없도록 되어 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 내장된 볼륨으로 간단하게 지연시간을 조정할 수 있게 되어 있다. 즉, IGBT는 메이커나 종류와 용량에 따라 on/off시간의 지연이 틀리게 되는데, 어느 IGBT소자는 상당히 빠른 on/off가 가능하나 어느 IGBT소자는 지나치게 늦어서, 상기 IGBT감시부(13)가 계속해서 에러를 출력하여 IGBT소자가 작동하는 것을 막아주게 된다.

따라서 IGBT감시부(13)를 통해 획득한 감지신호는 게이트의 입력단에 인가되고 동시에 게이트의 출력단은 또 다른 게이트의 출력단에 연결되어 전송토록 되어 있으며, 상기 게이트와 또 다른 게이트 사이에는 역방향으로 설치되어 있는 다이오드와 함께 가변저항이 병렬로 설치되어 진다. 또한, 가변저항과 다이오드 사이에는 그라운드와 연결되어 있는 캐패시터가 연결되어 있다.

즉, IGBT감시부(13)를 통해 감지신호를 획득한 후 가변저항과 게이트를 통해 지연시간을 조정할 수 있도록 함으로써, 서로 다른 IGBT소자의 서로 다른 on/off 구동시간을 맞춰 호환성 있게 설치할 수 있도록 되어 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 블럭도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.

도 3은 상기 도 2의 아이지비티 드라이브의 그래프.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 아이지비티 드라이브의 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 신호정형부 11: 구동부

12: 게이트부 13: IGBT감시부

14: 소프트오프부 15: 전원감시부

16: 전원관리부

Claims

펄스트랜스 방식으로 용접기의 IGBT소자를 제어하는 IGBT드라이버에 있어서,

상기 IGBT 드라이버는 신호부를 통해 구동신호를 인가하여 주게 되면 설정된 조건에 따라 일정하게 스위칭소자를 작동시켜 주기위한 제어신호를 하위의 구동부(11)에 인가하여 주는 신호정형부와,

상기 신호정형부에 의해 생성된 제어신호를 인가받아 펄스 트랜스를 통해 다수개의 게이트부(12)를 구동시켜 주는 한편, 소프트오프 부를 통해 인가받은 에러신호에 의해 상기 게이트부(12)의 IGBT구동을 정지시키고 동시에 에러발생 사실을 에러표시부에 표출토록 되어 있는 구동부와,

상기 게이트부의 오작동을 감시하는 한편 전원관리부의 DC TO DC 컨버터를 통해 2개의 분배된 전원을 동시에 인가받아 구동부와 물리적으로나 전기적으로 분리되어 있는 상기 게이트부의 오작동을 감시하는 한편 오작동발생시 에러신호를 생성하여 상기 소프트 오프부에 인가하여 주는 IGBT감시부와,

상기 IGBT감시부의 오작동을 막기위하여 전원공급부로부터 공급된 전원이 전원관리부의 DC TO DC 컨버터를 통해 분배되기 전에 저전압상태를 감지하는 한편, 저전압상태 감지시 에러신호를 생성하여 소프트 오프부에 인가하여 주도록 되어 있는 전원감시부와,

상기 IGBT감시부와 전원감시부를 통해 인가된 에러신호를 바탕으로 오작동시 급격한 전류변화로 서지가 발생하지 않토록 일정시간 이내에 서서히 오프시켜 주도록 하는 소프트 오프부를 포함하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 아이지비티 드라이브.
제1항에 있어서,

IGBT 드라이버는 구동신호의 펄스폭이 변하더라도 일방의 IGBT가 On상태일 때는 다른 IGBT의 게이트 전압이 마이너스 전압을 유지케 한 상태에서의 IGBT의 오 작동을 감시하여 보호토록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 아이지비티 드라이브.
제1항에 있어서,

상기 소프트오프부는 상기 IGBT 감시부가 IGBT에 마이너스 전압을 인가하여 빠르게 턴오프시켜줄 때, 급격한 단락전류의 상승으로 서지가 발생하지 않토록 1/100000ch 이내에 서서히 오프시켜 주도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 아이지비티 드라이브.
제1항에 있어서,

상기 전원감시부는 전원 공급이 On되었을 시에는 전원의 상승시간을 길게하고 전원이 Off되었을 시에는 빨리 OFF되게 해서, 전원이 불안정한 상태에 있을 때에는 상기 IGBT의 동작을 멈춰 보호하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 아이지비티 드라이브.
제1항에 있어서,

상기 IGBT 드라이버는 IGBT의 감지신호를 획득한 후 가변저항과 게이트를 통해 지연시간을 조정할 수 있도록 함으로써, 서로 다른 IGBT소자 간의 서로 다른on/off 구동시간에 상관없이 사용할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 아이지비티 드라이브.
제1항에 있어서, 전원관리부는 자체 DC TO DC 컨버터 (Converter)를 내장하고 있으며, 이를 통해 2개의 분기된 전원을 만들어내어, IGBT감시부에 인가하여 주도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접기의 아이지비티 드라이브.