KR20170116502A - 인버터의 스위칭 속도 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터의 스위칭 속도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 고정된 게이트 저항값을 유지하면서 인버터 내 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 게이트(Gate)에 입력되는 바이어스(bias) 전압을 가변하여 인버터의 스위칭 속도를 조절하되, 인버터의 입력전압(고전압 배터리의 전압)이 저전압이면 스위칭 속도를 향상시켜 손실을 최소화하고, 인버터의 입력전압이 고전압이면 스위칭 속도를 낮춰 IGBT의 소손을 방지하는 인버터의 스위칭 속도 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 인버터의 스위칭 속도 제어 장치에 있어서, 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 제1 전압과 제2 전압으로 분압하는 분압부; 상기 분압부에 의해 분압된 제1 전압과 제2 전압을 선택적으로 IGBT의 게이트에 인가하는 스위치; 및 고속의 스위칭을 위해 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 저속의 스위칭을 위해 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

인버터의 스위칭 속도 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING SWITCHING SPEED OF INVERTER AND METHOD THEREOF}

본 발명은 인버터의 스위칭 속도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인버터 내 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 게이트(Gate)에 입력되는 바이어스(bias) 전압을 가변하여 인버터의 스위칭 속도를 조절하는 기술에 관한 것이다.

친환경 차량은 고전압 배터리를 이용하여 전기 모터를 구동시켜 주행하는 차량으로서, HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등을 포함한다.

이러한 친환경 차량의 전력변환장치인 인버터는 스위칭 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 6개의 On/off 패턴에 따른 제어로 고전압 배터리의 DC 전류를 3상 AC 전류로 바꾸어주는 기능을 한다.

스위칭에 사용되는 IGBT는 단방향 전류 도통 소자로서, on/off 스위칭을 통해 수백 암페어(Ampere)의 상전류(모터구동전류)를 컬렉터(Collector)에서 이미터(Emitter)로 도통시킨다.

IGBT는 BJT(Bipolar Junction Transistor)와 FET(Field Effect Transistor)의 혼합형 소자로서, 반도체 구조상 게이트(Gate)에 인가되는 전압에 따라 컬렉터와 이미터 간의 전류를 on/off 하게 된다.

따라서 인버터의 PWM(Pulse width modulation) 제어에 따라 IGBT의 게이트 단에 일정 전압을 가해주고 빼주는 게이트 구동부에 대한 보드 설계가 필요한데, 이를 일반적으로 게이트 보드라 칭한다.

게이트 보드의 설계는 인버터의 손실에 큰 역할을 한다. IGBT는 이상적인 스위치 소자가 아니기 때문에 게이트에 전하가 충전되는 동적(dynamic) 시간 동안의 스위칭 손실이 발생한다.

즉, 짧은 시간 주기로 스위칭이 일어나게 되면 그만큼 스위칭 손실은 적어진다. 하지만, 스위칭 속도를 상승시킬 경우, 스위칭 순간의 Vce(Collector- Emitter간 스위칭 peak 전압) 크기가 IGBT의 내압을 초과하는 경우가 발생하고, 이는 IGBT의 소손(燒損)으로 이어져 인버터의 고장을 유발한다.

따라서 적절한 스위칭 속도를 설정(setting)하기 위해 게이트 보드 내 '게이트 저항(100)'이라는 수 Ω단위의 저항을 통해 스위칭 속도를 제어하게 되고, 이에 따른 속도로 IGBT의 게이트에 전하를 on/off 한다. 즉, 게이트 저항은 일종의 커패시터로 등가되어 질 수 있는 IGBT의 게이트 단과 RC 필터와 같은 구성을 통해 스위칭 속도를 제어하는 역할을 한다.

하지만, 게이트 저항(100)은 게이트 보드 내에 장착되는 수동소자이기 때문에, 항상 고정된 속도로 게이트를 on/off 할 수밖에 없는 한계를 지닌다. 이는 인버터의 효율적 사용이라는 측면에서 단점을 지닌다.

일반적으로, 친환경 차량의 고전압 배터리는 SOC(State Of Charge)에 따라 다양한 전압 범위를 가지게 되고, 따라서 인버터는 다양한 전압에도 구동할 수 있어야 한다. 일례로, 당사 HEV 차량의 인버터 구동 전압은 240V ~ 311V의 분포를 지닌다.

다시 말하면, 고전압 배터리(인버터의 입력전압)의 전압이 작을 경우에는 IGBT의 Vce 전압 마진이 커서 빠른 속도의 스위칭을 통해 인버터 스위칭 손실을 감소시킬 수 있지만, 고정된 게이트 저항(수동소자)으로 인해 고전압 배터리 전압이 가장 높을 경우(Worst-case)를 고려하여 게이트 보드를 설계할 수밖에 없다.

결국, 가장 높을 경우의 게이트 저항을 선정해야 하기 때문에 다소 큰 값의 게이트 저항을 선정해야 하고, 이는 인버터 전체 효율의 감소를 불러 오고, 효율적 설계라는 측면을 방해하는 요소로서 작용한다.

도 1 은 종래의 인버터 제어 장치에 대한 일예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, MICOM(11)에서 생성된 PWM 신호는 게이트 드라이브 IC(12)라는 IGBT 구동에 특화된 IC를 통과한 후 상호 보완적(Complementary) 타입의 전류 버퍼 회로의 베이스(base)에 입력된다.

전류 버퍼에 사용되는 on/off 전압은 플라이백(Flyback) DC-DC 컨버터와 같이 절연된 생성 전원으로 구동하게 되는데, 이때 생성되는 전압(vcc2)의 크기가 IGBT(13)의 게이트의 on/off 전압이 된다.

IGBT(13)의 게이트 입력전압과 도통 전류(Ic) 간의 관계는 도 2에 도시된 바와 같다.

IGBT의 on 도통시 전류의 양을 최대로 하기 위해 포화영역(saturation mode)에서 사용하게 되는데, 게이트 전압은 일반적으로 최소 12V 이상의 전압을 사용하며, 평균적으로 15V ~ 20V의 전압을 사용한다.

이러한 종래의 인버터 제어 장치를 포함한 대부분의 IGBT 구동 회로는 IGBT의 소손(燒損)으로 인한 인버터의 고장을 방지하기 위해 게이트 저항(100)을 구비하고 있으며, 이러한 게이트 저항(100)은 스위칭 속도를 고정하기 때문에 인버터의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

대한민국공개특허 제2013-0055892호

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고정된 게이트 저항값을 유지하면서 인버터 내 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 게이트(Gate)에 입력되는 바이어스(bias) 전압을 가변하여 인버터의 스위칭 속도를 조절하되, 인버터의 입력전압(고전압 배터리의 전압)이 저전압이면 스위칭 속도를 향상시켜 손실을 최소화하고, 인버터의 입력전압이 고전압이면 스위칭 속도를 낮춰 IGBT의 소손을 방지하는 인버터의 스위칭 속도 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 인버터의 스위칭 속도 제어 장치에 있어서, 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 제1 전압과 제2 전압으로 분압하는 분압부; 상기 분압부에 의해 분압된 제1 전압과 제2 전압을 선택적으로 IGBT의 게이트에 인가하는 스위치; 및 고속의 스위칭을 위해 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 저속의 스위칭을 위해 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함한다.

여기서, 상기 제어부는 인버터의 입력전압이 임계치 이하이면 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 임계치를 초과하면 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 IGBT의 온도가 기준치를 초과하면 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 기준치를 초과하지 않으면 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 인버터의 스위칭 속도 제어 방법에 있어서, 분압부가 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 제1 전압과 제2 전압으로 분압하는 단계; 제어부가 스위칭 속도를 선택하는 단계; 고속 스위칭시 스위치가 제1 전압을 IGBT의 게이트에 인가하는 단계; 및 저속 스위칭시 상기 스위치가 제2 전압을 IGBT의 게이트에 인가하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 선택 단계는 인버터의 입력전압이 임계치 이하이면 고속 스위칭을 선택하고, 임계치를 초과하면 저속 스위칭을 선택하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선택 단계는 상기 IGBT의 온도가 기준치를 초과하면 고속 스위칭을 선택하고, 기준치를 초과하지 않으면 저속 스위칭을 선택하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명은, 고정된 게이트 저항값을 유지하면서 인버터 내 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 게이트(Gate)에 입력되는 바이어스(bias) 전압을 가변하여 인버터의 스위칭 속도를 조절하되, 인버터의 입력전압(고전압 배터리의 전압)이 저전압이면 스위칭 속도를 향상시켜 손실을 최소화하고, 인버터의 입력전압이 고전압이면 스위칭 속도를 낮춰 IGBT의 소손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 인버터 전체 효율을 상승시켜 결국 친환경 차량의 연비를 상승시키는 효과가 있다.

도 1 은 종래의 인버터 제어 장치에 대한 일예시도,
도 2 는 종래의 IGBT의 게이트 입력전압과 도통 전류(Ic) 간의 관계를 나타내는 일예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 인버터의 스위칭 속도 제어 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 4 는 본 발명에 따른 분압부에 의해 분압된 전압을 나타내는 일예시도,
도 5 는 본 발명에 따른 인버터의 스위칭 속도 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3 은 본 발명에 따른 인버터의 스위칭 속도 제어 장치에 대한 일실시예 구성도로서, 인버터 내 IGBT의 게이트 단에는 게이트 저항이 연결되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터의 스위칭 속도 제어 장치는, 분압부(31), 스위치(32), 및 제어부(마이컴)(33)를 포함한다.

상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 분압부(31)는 인버터의 IGBT 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 분압한다.

예를 들어, 노드 A-B에 걸리는 전압이 20V라면, 도 4에 도시된 바와 같이 노드 A-C에는 15V의 전압이 걸리게 하고 노드 C-B에는 5V의 전압이 걸리게 할 수 있다. 이때, High측 전압인 Vcc2와 Low측 전압인 Vee2에 의해 IGBT의 게이트 전압(Vge : 게이트와 이미터 간의 전압)이 결정된다.

이러한 분압부(31)는 노드 A-C에 15V의 전압이 걸리게 하는 15V 제너(310), 15V 제너에 의해 분압된 15V를 저장하는 커패시터(312), 노드 C-B에 5V의 전압이 걸리게 하는 저항(311), 저항(311)에 의해 분압된 5V를 저장하는 커패시터(313)를 구비한다.

다음으로, 스위치(32)는 제어부(33)의 제어하에 상기 분압부(31)에 의해 분압된 전압 중에서 임의의 전압이 선택적으로 IGBT의 게이트에 인가되도록 스위칭한다. 즉, 스위치(32)는 IGBT의 게이트에 15V 또는 20V의 전압이 인가되도록 스위칭한다.

이러한 스위치(32)는 Vee2의 전위를 가변할 수 있는 트랜지스터나 FET로 구현될 수 있다.

다음으로, 제어부(33)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.

특히 제어부(33)는 인버터의 입력전압(고전압 배터리의 전압), IGBT의 온도, 손실 마진 등을 고려하여 빠른 스위칭이 필요하다고 판단되면 20V의 전압이 IGBT의 게이트에 인가되도록 스위치(32)를 제어하고, 느린 스위칭이 필요하다고 판단되면 15V의 전압이 IGBT의 게이트에 인가되도록 스위치(32)를 제어한다.

이때, 제어부(33)는 인버터의 입력전압이 임계치 이하이면 Vce(Collector- Emitter간 스위칭 peak 전압) 마진이 크므로 고속의 스위칭이 필요하다고 판단하고, 임계치를 초과하면 Vce 마진이 작으므로 저속의 스위칭이 필요하다고 판단한다.

또한, 제어부(33)는 IGBT의 온도가 기준치를 초과하면 고속의 스위칭이 필요하다고 판단하고, 기준치를 초과하지 않으면 저속의 스위칭이 필요하다고 판단한다.

본 발명은 게이트 on시 게이트와 이미터 간의 전압의 크기가 다르면, 스위칭시 IGBT가 on/off 되는 속도의 차이가 발생하게 되는 원리에 착안하여 도출된 발명으로서, 전류 버퍼의 bias 전압의 가변을 통해 IGBT 스위칭 속도를 조절한다.

도 5 는 본 발명에 따른 인버터의 스위칭 속도 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

먼저, 분압부(31)가 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 제1 전압과 제2 전압으로 분압한다(501).

이후, 제어부(33)가 스위칭 속도를 선택한다(502).

고속 스위칭시 스위치가 제1 전압을 IGBT의 게이트에 인가한다(503).

저속 스위칭시 상기 스위치가 제2 전압을 IGBT의 게이트에 인가한다(504).

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

31 : 분압부
32 : 스위치
33 : 제어부

Claims (7)

1. 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 제1 전압과 제2 전압으로 분압하는 분압부;
   상기 분압부에 의해 분압된 제1 전압과 제2 전압을 선택적으로 IGBT의 게이트에 인가하는 스위치; 및
   고속의 스위칭을 위해 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 저속의 스위칭을 위해 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 제어부
   를 포함하는 인버터의 스위칭 속도 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   인버터의 입력전압이 임계치 이하이면 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 임계치를 초과하면 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터의 스위칭 속도 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 IGBT의 온도가 기준치를 초과하면 제1 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하고, 기준치를 초과하지 않으면 제2 전압이 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터의 스위칭 속도 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 분압부는,
   상기 바이어스 전압에서 제1 전압을 분압하는 제너; 및
   상기 바이어스 전압에서 제2 전압을 분압하는 저항
   을 포함하는 인버터의 스위칭 속도 제어 장치.
   
5. 분압부가 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트에 입력되는 바이어스 전압을 제1 전압과 제2 전압으로 분압하는 단계;
   제어부가 스위칭 속도를 선택하는 단계;
   고속 스위칭시 스위치가 제1 전압을 IGBT의 게이트에 인가하는 단계; 및
   저속 스위칭시 상기 스위치가 제2 전압을 IGBT의 게이트에 인가하는 단계
   를 포함하는 인버터의 스위칭 속도 제어 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 선택 단계는,
   인버터의 입력전압이 임계치 이하이면 고속 스위칭을 선택하고, 임계치를 초과하면 저속 스위칭을 선택하는 것을 특징으로 하는 인버터의 스위칭 속도 제어 방법.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 선택 단계는,
   상기 IGBT의 온도가 기준치를 초과하면 고속 스위칭을 선택하고, 기준치를 초과하지 않으면 저속 스위칭을 선택하는 것을 특징으로 하는 인버터의 스위칭 속도 제어 방법.

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