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KR100337035B1 - 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬구동을 위한 수동형보조회로 - Google Patents

전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬구동을 위한 수동형보조회로 Download PDF

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KR100337035B1
KR100337035B1 KR1019990053056A KR19990053056A KR100337035B1 KR 100337035 B1 KR100337035 B1 KR 100337035B1 KR 1019990053056 A KR1019990053056 A KR 1019990053056A KR 19990053056 A KR19990053056 A KR 19990053056A KR 100337035 B1 KR100337035 B1 KR 100337035B1
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igbt
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권영한
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Abstract

본 발명은 상호 직렬 연결된 복수개의 전력용 반도체 스위치를 이용하여, 고압 정격 및 저가의 전력용 반도체 고압 스위치를 구현함에 있어서, 각 반도체 스위치간의 전압 분배가 균형을 이루도록 하여 과전압이 인가되는 것을 방지하는 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로에 관한 것으로서, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(30); 상기 IGBT(30)의 드레인과 소스사이에 상호 직렬 연결되어 그 드레인과 소스간의 양단 전압을 분압 충전하는 한쌍의 제 1 콘덴서(C1)와 제 2 콘덴서(C1); 상기 IGBT(30)의 드레인과 소스사이에 상호 직렬 연결되어 그 드레인과 소스간의 양단 전압을 분압하되, 상기 제 1 및 제 2 콘덴서(C1,C1)에 대하여 각각 병렬 연결된 한쌍의 제 1 및 제 2 저항(R1,R2); 상기 한 쌍의 콘덴서(C1,C2) 및 상기 한 쌍의 저항(R1,R2)으로 이루어지는 공통 분압점에 양극단이 연결된 다이오드(D); 및 상기 다이오드(D)의 음극단에 일단이 연결되고 타단은 상기 IGBT(30)의 게이트에 연결된 제 3 저항(R3)으로 구성되어, 소용량의 수동소자로 이루어지고 그 구성이 간단하며 거의 부가적인 손실이 없고, 능동형 게이트회로와 같이 과도전압을 완화시키는 효과가 있다.

Description

전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬구동을 위한 수동형 보조회로{Passive auxiliary circuit for series connection of IGBTs}
본 발명은 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬구동을 위한 수동형 보조회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상호 직렬 연결된 복수개의 전력용 반도체 스위치를 이용하여, 고압 정격 및 저가의 전력용 반도체 고압 스위치를 구현함에 있어서, 각 반도체 스위치간의 전압 분배가 균형을 이루도록 하여 과전압이 인가되는 것을 방지하는 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬구동을 위한 수동형 보조회로에 관한 것이다.
최근 전력용 반도체 소자 기술의 비약적인 발전과 더불어 높은 전압, 전류 정격의 스위칭 소자들이 출시되고 있다. 이러한 반도체 스위칭 소자들 가운데 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 구동회로가 간단하고 고속 스위칭이 가능한 장점과 소자의 정격이 금속산화 전계효과트랜지스터(MOSFET)과 같은 소자에 비해 높은 점 때문에, 중용량은 물론, 대용량 분야에서 사이리스터와 게이트 턴오프 사이리스터(GTO)와 같은 소자들을 대신하여 점차 대체 사용되고 있다.
그렇지만, 상기 IGBT 소자는 현재 상용화된 최대 정격이 6.5kV/600A로서, 이보다 더 큰 정격을 요하는 고압 대용량 분야에는 개별 소자만으로 적용이 불가능하기 때문에, 다수의 IGBT 소자를 직렬 연결하여, 고압 펄스 발생기(high-voltage pulse generator), 고압 대용량 SVC(Static Var Compensators), 고압 전원인버터(high-voltage source inverters) 등과 같은 고압 대용량 분야에 적용할 수 있도록 하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
이와 같이 고압 대용량 분야에 적용하기 위하여 복수의 전력용 스위칭 소자를 직렬 연결할 경우에는, 스위칭 소자들간의 전압 분배가 균일하게 이루어지도록 하여, 각 스위칭 소자에 정격 전압 이상의 과전압이 가해지지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 특히, IGBT 소자의 경우 턴 오프시에 소자간의 특성 차이가 크기 때문에, 불균등한 전압분배에 따른 과전압이 발생하며 소자의 파손을 초래할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 종래에는 여러 가지 보조회로를 구성 설치하였는데, 크게 도 1에 나타낸 것과 같이 저항(Rs), 콘덴서(Cs) 및 다이오드(Ds)로 이루어진 스너버 회로를 보조회로로 이용하는 수동적인 방법과, 도 2에 나타낸 것과 같이 능동형 게이트 구동회로를 구성하여, 각 스위칭 소자의 전압을 일일이 검출한 뒤에 이를 소정의 기준전압과 비교하여 과전압에 대응 제어하는 능동적인 방법으로 분류할 수 있다.
그러나, 상기 스너버 회로를 보조회로로 사용하여 소자간의 전압 균형을 이루는 방법은 대용량의 스위칭 소자일수록 스너버 콘덴서(Cs)의 용량이 증가하여 회로의 크기가 커지고 스위칭 주파수의 증가에 비례해서 그 회로 손실 또한 매우 커지기 때문에, 손실이 과다하여 동작주파수와 용량에 제한을 받는 문제점이 있고, 상기 능동형 게이트 구동회로를 보조회로로 이용하는 방법은 상기 스너버 회로에서 발생하는 것과 같은 부가적인 손실을 유발하지 않고 신뢰성 있는 동작을 얻을 수는있으나, 검출, 비교, 제어 등을 위한 부가적인 회로가 각 스위칭 소자마다 부가 구성되어야 하므로, 직렬 연결되는 스위칭 소자의 수가 많아지면 회로의 복잡성이 증대되고, 이에 의해 절연 문제와 장치 전체의 신뢰성을 확보하는 데 어려움이 따르게 되는 문제점이 있다. 이외에 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구성을 위한 여러 가지 기술이 소개되고 있으나, 모두 구성상에 복잡성이나 손실 문제 등 많은 단점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 복수개의 반도체 스위칭 소자를 상호 직렬 연결하여 고압 대용량의 정격을 구현하는 전원장치에 있어서, 소용량 수동소자만을 이용한 간단한 보조회로로 구성되되, 각 반도체 스위치간의 전압 분배가 균형을 이루도록 하여 과전압이 인가되는 것을 방지함과 아울러, 그 보조회로로 인한 부가적인 손실을 최소화하도록 된
전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 종래의 스너버 회로를 이용한 직렬 반도체 스위치의 구성도,
도 2는 종래의 능동형 구동회로를 이용한 직렬 반도체 스위치의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로를 나타낸 도면,
도 4의 (a)∼(d)는 도 3의 기본적인 동작모드별 동작 회로도,
도 5는 도 4의 각 모드에 따른 주요 부분의 동작 파형도,
도 6은 상호 직렬 연결된 2개의 전력용 반도체 스위칭 소자에 도 3의 수동형 보조회로를 적용 설치한 전원장치의 회로도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬구동을 위한 수동형 보조회로를 나타낸 도면,
도 8은 상호 직렬 연결된 2개의 전력용 반도체 스위칭 소자에 도 7의 수동형 보조회로를 적용 설치한 전원장치의 회로도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 게이트 구동회로
20,50 : 반도체 스위칭 소자의 수동형 보조회로
30,S,S1,S2 : 절연게이트 바이폴라 트랜지스터
40 : 제어부 R1,R2,R3 : 저항
C1.C2 : 콘덴서 D : 다이오드
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로는, 상호 직렬 연결된 복수개의 전력용 반도체 스위칭 소자에 있어서, 상기 반도체 스위칭 소자의 전류 인입단 및 인출단 간의 양단 전압을 분압하는 한 쌍의 충전소자; 상기 양단 전압을 분압하되 상기 각 충전소자에 대하여 병렬 연결된 한쌍의 제 1 및 제 2 저항소자; 상기 한 쌍의 충전소자 및 상기 한 쌍의 저항소자로 이루어지는 공통 분압점에 양극이 연결된 정류소자; 및 상기 정류소자의 음극에 일단이 연결되고 타단은 상기 반도체 스위칭 소자의 구동단에 연결된 제 3 저항소자를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로는, 상호 직렬 연결된 복수개의 전력용 반도체 스위칭 소자에 있어서, 상기 반도체 스위칭 소자의 전류 인입단 및 인출단 간의 양단 전압을 분압하는 한 쌍의 충전소자; 상기 양단 전압을 분압하되 상기 각 충전소자에 대하여 병렬 연결된 한쌍의 제 1 및 제 2 저항소자; 상기 한 쌍의 충전소자 및 상기 한 쌍의 저항소자로 이루어지는 공통 분압점에 일단이 연결되고 타단은 상기 반도체 스위칭 소자의 구동단에 연결된 제 3 저항소자; 및 상기 반도체 스위칭 소자의 인입단에 양극단이 연결되고 음극단은 상기 쌍으로 된 충전소자와 저항소자간의 공통 연결점에 연결된 정류소자를 포함하여 구성된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로의 회로도로서, 전력용 반도체 스위칭 소자로서의 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(30); 상기 IGBT(30)의 드레인과 소스사이에 상호 직렬 연결되어 그 드레인과 소스간의 양단 전압을 분압 충전하는 한쌍의 충전소자로서의 제 1 콘덴서(C1)와 제 2 콘덴서(C1); 상기 IGBT(30)의 드레인과 소스사이에 상호 직렬 연결되어 그 드레인과 소스간의 양단 전압을 분압하되, 상기 제 1 및 제 2 콘덴서(C1,C1)에 대하여 각각 병렬 연결된 한쌍의 저항소자로서의 제 1 및 제 2 저항(R1,R2); 상기 한 쌍의 콘덴서(C1,C2) 및 상기 한 쌍의 저항(R1,R2)으로 이루어지는 공통 분압점에 양극단이 연결된 정류소자로서의 다이오드(D); 및 상기 다이오드(D)의 음극단에 일단이 연결되고 타단은 상기 IGBT(30)의 게이트에 연결된 제 3 저항(R3)으로 구성되어 있다.
도 3에서, 상기 제 1 콘덴서(C1) 및 상기 제 1 저항(R)은 각각 상기 제 2 콘덴서(C1) 및 상기 제 2 저항(R2)에 대하여 상대적으로 매우 큰 용량을 가진 소자를 사용함이 바람직한 바, 예를 들어 상기 제 1 콘덴서(C1)는 100[nF], 상기 제 2 콘덴서(C2)는 10[nF], 상기 제 1 저항(R1)은 30[㏀], 상기 제 2 저항(R2)는 3[㏀]의 소자를 사용하고, 상기 다이오드(D)는 1000[V], 1[A]의 소자를 사용하도록 한다.
도 4는 도 3의 기본적인 동작모드별 동작 회로도이고, 도 5는 도 4의 각 모드에 따른 주요 부분의 동작 파형도로서, 동 도면을 참조하여 본 발명의 동작에 대해 설명하기로 한다.
설명을 간략화하기 위해 도 3의 회로는 상기 구성 소자들 이외에는 다른 성분이 존재하지 않는 이상적인 상태라고 가정하고, 상기 IGBT(30)의 턴-온(turn-on)시와 턴-오프(turn-off) 시의 동작원리는 상호 동일하므로, 턴-오프 시를 기준으로 설명한다. 그리고, 부하로는 저항(R)과 인덕터(L)로 이루어진 부하를 사용하고 Vs는 전원을 나타내는 것이다. 또한, 도 5에서 Vgs는 상기 IGBT(30)의 게이트-소스 구동전압, Vds는 드레인-소스 스위치 전압, VC1은 상기 제 1 콘덴서(C1)의 전압, VC2는 상기 제 2 콘덴서(C2)의 전압을 나타낸다.
먼저, 도 4의 (a)는 구동회로(10)로부터 상기 IGBT(30)의 게이트에 +15[V]의 구동전압이 인가되어 상기 IGBT(30)가 턴-온되어 있는 제 1 모드(M1) 상태이다. 이때, 상기 제 2 콘덴서(C2)의 전압 VC2은 상기 제 1 콘덴서(C1)의 전압 VC1의 역전압으로 충전되어 있고, 상기 다이오드(D)에는 그 역전압이 인가되어 상기 게이트 측으로 상기 역전압이 가해지는 것을 막아준다. 상기 제 1 콘덴서(C1)는 상기 IGBT(30)의 분배전압을 일정하게 가지고 있으며 단지, 상기 제 1 저항(R1)에 의한 약간의 방전 부분만이 존재한다.
도 4의 (b)는 상기 제 1 모드(M1) 상태에서, 상기 구동전압의 하강 에지(edge) 동안 상기 IGBT(30)가 턴-오프되기 시작하는 제 2 모드(M2) 상태로서, 게이트-소스 구동전압 Vgs는 부(-)의 값으로 변하여 상기 IGBT(30)로 흐르는 전류가 점차 감소하고 감소분 만큼 상기 양 콘덴서(C1,C2)를 통해 흐르게 되어 상기 제 2 콘덴서(C2)의 전압 VC2를 빠르게 음(-)의 값에서 영(0)으로 충전시키고, 상기 제 1 콘덴서(C1)의 전압 VC1을 상기 IGBT(30)의 분배전압으로 완전 충전시킨다. 이때, 상기 IGBT(30)의 드레인과 소스간 양단 전압 Vds는 VC1+VC2로 나타난다.
도 4의 (c)는 상기 제 2 모드(M2) 상태를 경과하여, 상기 구동전압의 하강 에지 중 최하단점에서, 상기 IGBT(30)에 과전압이 가해지는 경우의 동작을 나타내는 제 3 모드(M3) 상태로서, 본 발명에 따른 회로의 특징적인 동작 모드이다, 이와 같은 제 3 모드(M3) 상태에서는 상기 IGBT(30) 양단의 전압 Vds가 상기 제 1 콘덴서(C1)의 전압 VC1이상으로 증가하고 이때, 흐르는 전류는 계속적으로 상기 제 1 및 제 2 콘덴서(C1,C2)를 충전시키면서 점차 감소한다. 상기 제 1 콘덴서(C1)의 용량은 상기 제 2 콘덴서(C2)에 비해 매우 크므로, 상기 제 1 콘덴서(C1)의 전압 VC1보다 큰 충전 전압은 상기 제 2 콘덴서(C2)의 전압 VC2에 나타나고, 이 전압 VC2는 곧바로 게이트 전압에 가해져서 전체 게이트 전압을 다시 양(+)의 방향으로 증가하게 하여, 상기 IGBT(30)를 다시 턴 온시키려는 방향으로 작용한다. 이로인해 턴 오프되는 상기 IGBT(30)의 전압 Vds의 기울기가 느려지면서 그 전압 Vds에 나타나는 과전압 부분이 억제되어 해소되게 된다.
도 4의 (d)는 상기 제 3모드(M3)와 같은 동작에 의해 턴-오프시 과전압이 완전히 해소된 후 상기 IGBT(30)가 턴-오프되어 있는 제 4 모드(M4) 상태이다. 이와 같은 제 4 모드(M4) 상태에서는 상기 IGBT(30)의 양단 전압 Vds가 상기 제 3 모드에서 발생된 과전압이 완전히 해소된 상태로 나타나, 전류가 영으로 감소하게 되고, 다시 상기 제 2 콘덴서(C2)의 전압 VC2가 영으로 감소하여 유지된다. 또한, 게이트전압 Vgs에는 상기 과전압에 따라 나타나는 양(+)의 전압들이 모두 사라지고 다시 부(-)의 값을 회복하여, 상기 IGBT(30)가 안정된 턴-오프 상태를 유지하게 된다. 이때의 턴-오프 전압은 상기 제 1 및 제 2 저항(R1,R2)에 의해 일정하게 분배된다.
도 6은 상호 직렬 연결된 2개의 전력용 반도체 스위칭 소자(S1,S2)에 도 3과 같이 구성된 본 발명의 수동형 보조 회로(20)를 각각 적용 설치한 전원장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 상호 직렬 연결된 2개의 IGBT(S1,S2)가 저항(R)과 인덕터(L)로 이루어진 부하를 매개로 전원(Vs)의 양단에 연결되어 있고, 상기 2개의 직렬 IGBT(S1,S2)에 대응하여 상기 수동형 보조회로(20) 2개가 도 3 설명 시 상술된 바와 같이 각각 연결 설치되되, 상기 각 수동형 보조회로(20) 간에는 상기 저항(R1,R2)의 쌍끼리 상호 직렬 연결되어 있고, 상기 콘덴서(C1,C2)의 쌍끼리 상호 직렬 연결되어 있다. 또한, 상기 2개의 IGBT(S1,S2)의 게이트에 구동전압를 각각 인가하는 2개의 구동회로(drive circuit)(10) 및 상기 구동회로(10)를 제어하는 제어부(40)가 구비되어 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로의 회로도로서, 도 3의 일 실시예와 비교하여 다른 구성만을 설명하면, 도 3에서 상기 다이오드(D)를 빼고, 그 대신 상기 IGBT(30)의 드레인과 상기 각 쌍으로 된 콘덴서(C1,C2) 및 저항(R1,R2)간의 공통 연결선상에 상기 다이오드(D)를 순방향 연결하되, 상기 다이오드(D)의 제거로 인해 단락된 상기 제 3 저항(R3)의 일단은 상기 저항 쌍(R1,R2)과 상기 콘덴서 쌍(C1,C2)의 공통 분압점에 연결되어 있으며, 그 외의 구성 및 연결관계는 도 3과 동일하다.
도 7과 같이 본 발명이 다른 실시예에 따른 수동형 보조회로(50)는, 상기 다이오드(D)를 상기 IGBT(30)의 드레인측에 연결함으로써, 상기 제 2 콘덴서(C2)가 상기 IGBT(30)의 턴-온 시에 역으로 충전되는 것을 막고 영으로 방전되도록 한다. 이외의 동작 특성은 상술된 도 3의 일 실시예의 동작과 동일하다.
도 8은 상호 직렬 연결된 2개의 전력용 반도체 스위칭 소자(S1,S2)에 도 7과 같이 구성된 본 발명의 수동형 보조 회로(50)를 각각 적용 설치한 전원장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 상호 직렬 연결된 2개의 IGBT(S1,S2)가 저항(R)과 인덕터(L)로 이루어진 부하를 매개로 전원(Vs)의 양단에 연결되어 있고, 상기 2개의 직렬 IGBT(S1,S2)에 대응하여 상기 수동형 보조회로(50) 2개가 도 7과 동일하게 각각 연결 설치되어 있으며, 그 밖의 구동회로(10) 및 제어부(40)는 도 6과 동일하게 구성되어 있다,
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로에서, 그 보조 회로의 구성 소자들은 모두 소용량 소자로 충분하며, 이로 인해 발생하는 손실은 상기 제 2콘덴서(C2)의 충·방전 손실과 분배 저항에 의해 발생하는 수 W가 전부이므로 매우 미미하다. 즉 상기 제 2 콘덴서(C2)의 값은 매우 작으므로 기존의 스너버나 클램프를 사용한 회로에 비해 손실이 매우 경감된다. 특히, 본 발명에 따른 회로의 동작은 상술된 제 3 모드시와 같이 능동형 게이트회로를 장착한 기존의 직렬구동회로와 거의 동일한 방법으로 이뤄지는 우수한 특성을 나타낸다. 또한, 빠른 과도상태 제어로 인해 보조회로에 의해 스위치의 턴 온과 턴 오프시간의 기울기가 길어지는 것은 매우 작은 값이며 기본회로만으로 구동하는 것과 거의 차이가 없다. 따라서, 본 발명에 따른 수동형 보조 회로 장치는, 소용량의 수동소자로 이루어져 그 구성이 간단하며 거의 부가적인 손실이 없고, 능동형 게이트회로와 같이 과도전압을 완화시키는 역할을 하며, 턴 온과 턴 오프의 전압 기울기가 보조회로가 없을 때와 거의 동일하고, 보조회로의 동작에 따른 스위칭 손실이 경미하므로 수 kHz에서 수십 kHz의 동작이 가능하고, 간단한 구성으로 직렬 스택이 가능하므로 스위치 전압을 수 kV에서 수십 kV까지 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 전력용 반도체 스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 소자의 전류 인입단 및 인출단 간의 양단 전압을 분압하는 한 쌍의 충전소자;
    상기 양단 전압을 분압하되 상기 각 충전소자에 대하여 병렬 연결된 한쌍의 저항소자;
    상기 한 쌍의 충전소자 및 상기 한 쌍의 저항소자로 이루어지는 공통 분압점에 양극이 연결된 정류소자; 및
    상기 정류소자의 음극에 일단이 연결되고 타단은 상기 반도체 스위칭 소자의 구동단에 연결된 제 3 저항소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로.
  2. 전력용 반도체 스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 소자의 전류 인입단 및 인출단 간의 양단 전압을 분압하는 한 쌍의 충전소자;
    상기 양단 전압을 분압하되 상기 충전소자에 대하여 각각 병렬 연결된 한쌍의 저항소자;
    상기 한 쌍의 충전소자 및 상기 한 쌍의 저항소자로 이루어지는 공통 분압점에 일단이 연결되고 타단은 상기 반도체 스위칭 소자의 구동단에 연결된 제 3 저항소자; 및
    상기 반도체 스위칭 소자의 인입단에 양극단이 연결되고 음극단은 상기 쌍으로 된 충전소자와 저항소자간의 공통 연결점에 연결된 정류소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 소자의 구동단과 전류 인입단 간에 상호 병렬 연결된 상기 충전소자와 상기 저항소자는, 상기 구동단과 전류 인출단 간에 상호 병렬 연결된 상기 충전소자와 상기 저항소자에 대하여 각각 상대적으로 큰 용량을 가진 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 스위칭 소자의 직렬 구동을 위한 수동형 보조회로.
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