KR100671788B1 - A Power Module Circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파워 반도체 모듈 내의 두 스위칭 소자 사이에 암 쇼트 전류 차단 소자를 형성시켜 줌으로써 하이 파워용 액티브 반도체 소자를 모듈화하는 경우에도 암 쇼트(Arm Short) 현상이 발생되지 않도록 한 파워 모듈(Power Module) 회로에 관한 것으로, 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 의해 온/오프되는 제1 및 제2스위칭 소자와, 해당 스위칭 소자의 스위칭에 의해 전기적 에너지를 유기시키는 유도 소자를 구비한 파워 모듈 회로에 있어서, 입력 측이 상기 제1스위칭 소자의 소스 단자 측, 상기 제2스위칭 소자의 소스 단자의 피드백 측 및 상기 유도 소자 측에 연결되며, 출력 측이 상기 제1스위칭 소자의 게이트 단자 측과 상기 제2스위칭 소자의 드레인 단자 측에 연결되어 이루어진 암 쇼트 전류 차단 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 함으로써, 파워 반도체 모듈이 하이 파워용이라 할지라도 암 쇼트로 인해 제품이 파괴되는 불량이 발생되지 않도록 하며, 또한 강한 러기드 형태나 쇼트 레이트디 형태의 제품이 아니더라도 적용이 가능하도록 한다.According to the present invention, an arm short current blocking device is formed between two switching devices in a power semiconductor module to prevent an arm short from occurring even when a high power active semiconductor device is modularized. A circuit comprising: a power module circuit having first and second switching elements that are turned on and off by a switching control of a gate driver, and an induction element that induces electrical energy by switching of the switching elements, wherein the input side is provided. The source terminal side of the first switching element, the feedback side of the source terminal of the second switching element, and the induction element side, and an output side of the gate terminal side of the first switching element and the second switching element By including a female short current blocking element connected to the drain terminal side, Even if the war semiconductor module is used for high power, the defect that the product is destroyed by the arm short does not occur, and it is possible to apply the product even if the product is not a strong rugged form or a short rate form.
Description
도 1은 종래 하프 브리지(Half Bridge) 방식의 파워 모듈(Power Module) 회로에 대한 구성을 나타낸 예시도.1 is an exemplary view showing a configuration of a conventional half bridge type power module circuit.
도 2는 도 1에 있어 암 쇼트(Arm Short) 현상이 발생되는 경우를 설명하기 위한 도면.FIG. 2 is a view for explaining a case in which an arm short phenomenon occurs in FIG. 1. FIG.
도 3은 도 2에 있어 게이트 드라이빙 라인(Gate Driving Line) 상의 전압 파형을 일 예로 나타낸 도면.FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a voltage waveform on a gate driving line in FIG. 2.
도 4는 도 2에 있어 게이트 드라이빙 라인 상의 전압 파형을 이 예로 나타낸 도면.4 is a diagram illustrating a voltage waveform on a gate driving line in FIG. 2 as an example.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈 회로를 나타낸 도면.5 illustrates a power module circuit according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
Q1, Q2 : 스위칭(Switching) 소자Q1, Q2: Switching device
D : 다이오드(Diode)D: Diode
L : 인덕터(Inductor)L: Inductor
C1, C2 : 커패시터(Capacitor)C1, C2: Capacitor
본 발명은 파워 모듈 회로에 관한 것으로, 특히 파워 반도체 모듈 내의 두 스위칭 소자 사이에 암 쇼트 전류 차단 소자를 형성시켜 줌으로써 하이 파워용 액티브 반도체 소자를 모듈화하는 경우에도 암 쇼트 현상이 발생되지 않도록 한 파워 모듈 회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 파워용 액티브(Active) 반도체 소자를 모듈화하여 파워 반도체 모듈을 구현하는데, 이때 해당 파워 반도체 모듈의 회로(즉, 파워 모듈 회로)에는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 입력이 전압(Voltage)으로 구동하는 하프 브리지, 풀 브리지(Full Bridge) 및 3상 풀 브리지(3-Phase Full Bridge) 방식에 적용된다.In general, a power semiconductor module is implemented by modularizing an active semiconductor device for power, wherein a circuit (ie, a power module circuit) of the power semiconductor module includes a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate). Inputs such as bipolar transistors are applied to voltage-driven half-bridge, full bridge, and three-phase full bridge schemes.
예를 들어, 종래 하프 브리지 방식의 파워 모듈 회로에 대한 구성을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)와, 한 개의 인덕터(L)와, 두 개의 커패시터(C1, C2)를 포함하여 이루어져 있다. 여기서, 해당 제1스위칭 소자(Q1)는 P 채널 MOSFET를 사용하고 해당 제2스위칭 소자(Q2)는 N 채널 MOSFET를 사용한 예를 도 1에서 나타내고 있다. 또한, 해당 스위칭 소자(Q1, Q2)는 하나의 반도체 모듈화하여 구현할 수 있다.For example, referring to a configuration of a conventional half-bridge power module circuit, as shown in FIG. 1, two switching elements Q1 and Q2, one inductor L, and two capacitors C1 are illustrated. , C2). Here, an example in which the first switching element Q1 uses a P-channel MOSFET and the second switching element Q2 uses an N-channel MOSFET is shown in FIG. 1. In addition, the switching elements Q1 and Q2 may be implemented as one semiconductor module.
상술한 바와 같이 구성된 파워 모듈 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.The operation of the power module circuit constructed as described above is as follows.
먼저, 인덕터(L)를 중심으로 양 끝단에 스위칭 소자(Q1, Q2)와 커패시터(C1, C2)가 각각 연결되며, 상위에 제1스위칭 소자(1)와 제1커패시터(C1)가 각각 연결되고 하위에 제2스위칭 소자(Q2)와 제2커패시터(C2)가 각각 연결되어 구현되어지는데, 이때 DC 전압(V1)은 해당 커패시터(C1, C2)에 각각 1/2 씩의 전압(V1/2)으로 디바이딩(Dividing)되어진다.First, the switching elements Q1 and Q2 and the capacitors C1 and C2 are connected to both ends of the inductor L, respectively, and the
이에, 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)는 IGBT 또는 MOSFET 게이트 드라이버(Gate Driver) 등과 같은 게이트 드라이버(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)의 스위칭 제어 동작에 의해서 온(On)되어지게 된다.Accordingly, the two switching elements Q1 and Q2 are turned on by a switching control operation of a gate driver (not shown in the drawing for convenience of description) such as an IGBT or a MOSFET gate driver. .
첫 번째로, 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 온되는 경우에는, 제1전류(I1)가 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 통해 상기 인덕터(L)를 거쳐 상기 제2커패시터(C2) 측의 라인(Line)으로 흐르게 된다.First, when the first switching device Q1 is turned on, a first current I1 passes through the inductor L through the first switching device Q1 to the second capacitor C2 side. It will flow in the line of.
두 번째로, 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 온되는 경우에는 제2전류(I2)가 상기 제1커패시터(C1)로부터 상기 인덕터(L)를 거쳐 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측의 라인으로 흐르게 된다.Second, when the second switching element Q2 is turned on, the second current I2 passes through the inductor L from the first capacitor C1 to the line of the second switching element Q2. To flow.
이 때, 상기 인덕터(L)에는 전기적 에너지(Energy)가 유기되어지는데. 해당 유기된 전기적 에너지를 이용하여 불을 켜거나, 2차 측 인덕터(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 감아 해당 유기된 전기적 에너지를 2차 측으로 넘겨 다른 작업을 수행하도록 해 주게 된다.At this time, electrical energy (Energy) is induced in the inductor (L). The light is turned on using the induced electrical energy or the secondary side inductor (not shown in the drawing for convenience of description) is transferred to the secondary side to perform other tasks.
그리고, 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 동시에 온하는 현상이 절대로 발생되지 않도록 하여야 하는데, 이것은 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 동시 에 온하는 현상이 발생하게 되면 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)는 파괴되어지기 때문이다. 물론, 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 동시에 온하는 현상이 발생되지 않도록 제작 과정에서 설계를 수행하고 있다.In addition, the phenomenon in which the two switching elements Q1 and Q2 are turned on at the same time should never be generated, which is caused when the two switching elements Q1 and Q2 are turned on at the same time. This is because the elements Q1 and Q2 are destroyed. Of course, the design is performed in the manufacturing process so that the two switching elements Q1 and Q2 do not turn on at the same time.
그러나, 전자 시스템 내 또는 사용 환경에 따라서, 또한 하이 파워(High Power)용일수록 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 동시에 온하는 현상이 빈번하게 발생되고 있는 실정이며, 이로 인해 대부분의 반도체 업체에서는 러기드 형태(Rugged Type)나 쇼트 레이트디 형태(Short Rated Type)의 제품들을 개발하고 있다.However, depending on the electronic system or the environment of use, and also for high power, the two switching devices Q1 and Q2 are turned on at the same time, which is why most semiconductor companies Rugged and Short Rated are developing products in Rugged Type.
상술한 바와 같이, 종래의 파워 모듈 회로는 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 정상적인 동작을 수행하는 경우에, 도 1에 도시된 바와 같은 화살표 방향의 라인을 통해 전류(I1, I2)가 흘러 부하(Load) 측으로 에너지가 전달되어지게 된다.As described above, in the conventional power module circuit, when the two switching elements Q1 and Q2 perform a normal operation, currents I1 and I2 are applied through a line in the arrow direction as shown in FIG. 1. Energy flows to the load side.
그러나, 몇 가지 원인, 예를 들어 게이트 드라이빙 라인이 길거나, 스위칭 잡음(Switching Noise)이 과다하게 발생하는 경우에, 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 직접(Direct)적으로 온되어 도 2에 도시된 바와 같은 화살표 방향의 라인으로 전류(I1)가 흐르는 암 쇼트 현상이 발생하게 된다는 문제점을 가지고 있다.However, in some cases, for example, when the gate driving line is long or when switching noise is excessively generated, the two switching elements Q1 and Q2 are directly turned on. As shown in FIG. 5, a dark short phenomenon occurs in which the current I1 flows in the line in the direction of the arrow.
예를 들어, 게이트 드라이빙 라인의 잡음으로 인한 암 쇼트 현상은, 하이 파워용 IGBT 모듈을 구동할 때에 게이트 드라이빙하기 위해 연결한 와이어(Wire)가 너무 길고 이로 인해 오프(Off)해야 할 구간에 도 3에 도시된 바와 같은 잡음이 발생하게 되어 암 쇼트 현상이 자주 발생하게 되며, 해당 암 쇼트 현상으로 해당 IGBT 모듈이 열화되고 심지어는 파괴되는 일까지 발생하기도 한다. 또한, 상측( 즉, G1-S1측) 및 하측(즉, G2-S2측)의 IGBT 게이트 드라이빙 전압 파형에서 이미터(Emitter)를 기준으로 네거티브 전압(Negative Voltage)이 불안할 수도 있고 상기 암 쇼트 현상에 더 심한 영향을 주는 단점이 있었다.For example, the arm short caused by the noise of the gate driving line may be caused when the wire connected to drive the gate is too long when driving the high-power IGBT module, and thus, it may be turned off. The noise generated as shown in FIG. 6 frequently causes a short circuit, and the short circuit may cause the corresponding IGBT module to be degraded and even destroyed. In addition, in the IGBT gate driving voltage waveforms of the upper side (i.e., G1-S1) and the lower side (i.e., G2-S2), the negative voltage may be unstable relative to the emitter and the arm short There was a drawback that affected the phenomenon more severely.
다른 예를 들어, 게이트 드라이브 에러와 라인의 잡음(즉, 불규합 현상의 파형)으로 인한 현상은, 도 4에 도시된 바와 같이, IGBT 이미터 레벨 대비 IGBT 게이트 드라이빙 전압 파형이 4Vp-p까지 올라가는 현상이 생겨 잡음이 발생될 때에 상측(즉, G1-S1측) 및 하측(즉, G2-S2측)의 IGBT 암 쇼트 전류가 발생하게 되며, 이에 디바이스(Device) 파괴가 발생할 우려가 높은 단점이 있었다.In another example, a phenomenon due to gate drive error and noise in the line (i.e., waveforms of non-conformities) may occur, as shown in FIG. 4, in which the IGBT gate driving voltage waveform rises to 4Vp-p relative to the IGBT emitter level. When noise occurs, IGBT arm short currents of the upper side (i.e., G1-S1 side) and lower side (i.e., G2-S2 side) are generated, resulting in a high possibility of device destruction. there was.
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전술한 바와 같은 문제점 내지는 단점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 파워 반도체 모듈 내의 두 스위칭 소자 사이에 암 쇼트 전류 차단 소자를 형성시켜 줌으로써, 파워 반도체 모듈이 하이 파워용이라 할지라도 암 쇼트로 인해 제품이 파괴되는 불량이 발생되지 않도록 한 파워 모듈 회로를 제공하는데, 그 목적이 있다.In order to solve the above problems or disadvantages, the present invention forms an arm short current blocking device between two switching elements in the power semiconductor module, so that even if the power semiconductor module is intended for high power, It is an object of the present invention to provide a power module circuit in which this broken defect is not generated.
또한, 본 발명은 암 쇼트 현상이 발생되지 않는 새로운 개념의 파워 반도체 모듈을 구현함으로써, 강한 러기드 형태나 쇼트 레이트디 형태의 제품이 아니더라도 적용이 가능하도록 하는데, 그 목적이 있다.In addition, the present invention implements a power semiconductor module of a new concept that does not cause a cancer short phenomenon, it is possible to be applied even if the product is not a strong rugged form or a short rate form.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈 회로는, 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 의해 온/오프되는 제1 및 제2스위칭 소자와, 해당 스위칭 소자의 스위칭에 의해 전기적 에너지를 유기시키는 유도 소자를 구비한 파워 모듈 회로에 있어서, 입력 측이 상기 제1스위칭 소자의 소스 단자 측, 상기 제2스위칭 소자의 소스 단자의 피드백 측 및 상기 유도 소자 측에 연결되며, 출력 측이 상기 제1스위칭 소자의 게이트 단자 측과 상기 제2스위칭 소자의 드레인 단자 측에 연결되어 이루어진 암 쇼트 전류 차단 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The power module circuit according to the embodiment of the present invention for achieving the above object, the first and second switching elements that are turned on / off by the switching control of the gate driver, and the electrical energy by the switching of the switching element In the power module circuit having an induction element for inducing a, the input side is connected to the source terminal side of the first switching element, the feedback side of the source terminal of the second switching element and the induction element side, And a female short current blocking device connected to the gate terminal side of the first switching element and the drain terminal side of the second switching element.
바람직하게는, 상기 암 쇼트 전류 차단 소자는 상기 제1 및 제2스위칭 소자와 함께 하나의 반도체 모듈화되어 이루어진 것을 특징으로 한다.Preferably, the arm short current blocking device is characterized in that a single semiconductor module is formed together with the first and second switching devices.
또한 바람직하게는, 상기 암 쇼트 전류 차단 소자는 다이오드인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the arm short current blocking device is a diode.
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더욱이 바람직하게는, 상기 암 쇼트 전류 차단 소자는 상기 제1스위칭 소자가 온되는 경우에 오프 상태를 유지하여 상기 제1스위칭 소자를 통해 입력되는 전류를 상기 유도 소자 측으로 흐르도록 하며, 상기 제2스위칭 소자가 온되는 경우에 온 상태를 유지하여 상기 유도 소자를 통해 입력되는 전류를 상기 제2스위칭 소자 측으로 흐르도록 하는 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Further, the arm short current blocking device maintains an off state when the first switching device is turned on so that a current input through the first switching device flows to the induction device side, and the second switching device operates. When the device is turned on, the on state is maintained so that a current input through the inductive device flows to the second switching device side. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈 회로는 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)와, 한 개의 다이오드(D)와, 한 개의 인덕터(L)와, 두 개의 커패시터(C1, C2)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 도 5는 하프 브리지 방식의 파워 모듈 회로에 대한 구성을 예로 나타낸 도면인데, 해당 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)와 한 개의 다이오드(D)는 하나의 반도체 모듈화하여 구현되어진다. 또한, 해당 제1스위칭 소자(Q1)는 P 채널 MOSFET를 사용하고 해당 제2스위칭 소자(Q2)는 N 채널 MOSFET를 사용한 예를 나타내고 있으나, 본 발명은 이에 국한되어 있지 않고 둘 다 N 채널의 MOSFET를 사용하거나, 둘 다 N 채널의 IGBT를 사용할 수 있으며, 또한 풀 브리지 방식이나 3상 풀 브리지 방식에서도 적용 가능함을 잘 이해해야 한다.As shown in FIG. 5, a power module circuit according to an embodiment of the present invention includes two switching elements Q1 and Q2, one diode D, one inductor L, and two capacitors ( C1, C2). Here, FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a half-bridge power module circuit as an example, and the two switching elements Q1 and Q2 and one diode D are implemented as one semiconductor module. In addition, although the first switching device Q1 uses a P-channel MOSFET and the second switching device Q2 uses an N-channel MOSFET, the present invention is not limited thereto, and both of them are N-channel MOSFETs. It is important to understand that both can use N-channel IGBTs, and can also be applied to full-bridge or three-phase full bridge.
상기 제1스위칭 소자(Q1)는 IGBT 또는 MOSFET 게이트 드라이버 등과 같은 게이트 드라이버(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)의 스위칭 제어에 따라 온/오프되는데, 온 제어 시에 제1전류(I1)를 상기 인덕터(L)를 통해 상기 제2커패시터(C2) 측으로 흐르도록 한다.The first switching element Q1 is turned on / off according to a switching control of a gate driver (not shown in the drawing for convenience of description) such as an IGBT or a MOSFET gate driver. It flows to the second capacitor C2 side through the inductor (L).
상기 제2스위칭 소자(Q2)는 상기 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 따라 온/오프되는데, 온 제어 시에 제2전류(I2)를 상기 제1커패시터(C1)로부터 상기 인덕터 (L)를 거쳐 상기 다이오드(D)로 흐르도록 한다.The second switching element Q2 is turned on / off according to the switching control of the gate driver. In the on control, the second switching element Q2 passes the second current I2 from the first capacitor C1 via the inductor L to the diode. Flow to (D).
상기 다이오드(D)는 암 쇼트 전류 차단 소자로서, 예를 들어 FRD(Fast Recovery Diode), 또는 포워드 드롭 전압(Forward Drop Voltage)이 낮은 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 사용하는데, 몇 가지 원인, 예를 들어 게이트 드라이빙 라인이 길거나, 스위칭 잡음이 과다하게 발생하는 경우에 의해서 발생되는 암 쇼트 전류를 차단시켜 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 동시에 온되지 않도록 해 준다. 또한, 상기 다이오드(D)는 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 온되는 경우에 오프 상태를 유지하여 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 통해 입력되는 전류(I1)를 상기 인덕터(L) 측으로 흐르도록 하며, 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 온되는 경우에 온 상태를 유지하여 상기 인덕터(L)를 통해 입력되는 전류(I2)를 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측으로 흐르도록 해 준다. 또한, 상기 다이오드(D)는 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 온 상태에서 완전히 오프 상태로 전환될 때까지는 오프 상태를 유지시켜 주며, 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 온 상태에서 오프 상태로 전환되자마자 오프 상태를 유지시켜 주도록 한다.The diode D is an arm short current blocking device, for example, a fast recovery diode (FRD), or a schottky diode having a low forward drop voltage. For example, the dark short current generated by a long gate driving line or excessive switching noise is blocked to prevent the two switching elements Q1 and Q2 from being turned on at the same time. In addition, when the first switching element Q1 is turned on, the diode D maintains an off state and flows a current I1 input through the first switching element Q1 toward the inductor L. When the second switching element Q2 is turned on, the second switching element Q2 is maintained in an on state so that the current I2 input through the inductor L flows to the second switching element Q2 side. In addition, the diode D maintains the off state until the first switching element Q1 is completely turned off from the on state, and the second switching element Q2 is turned off from the on state. Keep it off as soon as you switch.
상기 인덕터(L)는 유도 소자로서, 상기 제1스위칭 소자(Q1)로부터 인가되는 제1전류(I1)나 상기 제1커패시터(C1)로부터 인가되는 제2전류(I2)에 의해 전기적 에너지를 유기시켜 해당 유기된 전기적 에너지를 이용하여 불을 켜거나, 2차 측 인덕터(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 감아 해당 유기된 전기적 에너지를 2차 측으로 넘겨 다른 작업을 수행하도록 한다.The inductor L is an inductive element, and induces electrical energy by a first current I1 applied from the first switching element Q1 or a second current I2 applied from the first capacitor C1. By turning on the light using the induced electrical energy, or winding the secondary side inductor (not shown in the drawing for convenience of description) to pass the induced electrical energy to the secondary side to perform other tasks.
상기 제1 및 제2커패시터(C1)는 충전 소자로서, 상기 제1커패시터(C1)는 상 기 인덕터(L) 측으로 인가되는 제1전류(I1)를 저장하며, 상기 제2커패시터(C2)는 상기 인덕터(L) 측으로부터 인가되는 제2전류(I2)를 저장한다.The first and second capacitors C1 are charging elements, and the first capacitor C1 stores the first current I1 applied to the inductor L side, and the second capacitor C2 is The second current I2 applied from the inductor L side is stored.
본 발명의 실시 예에 따른 파워 모듈 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the power module circuit according to an embodiment of the present invention.
먼저, 인덕터(L)를 중심으로 상위 측의 양 끝단에 제1스위칭 소자(Q1)와 제1커패시터(C1)가 각각 연결되며, 하위 측의 양 끝단에 다이오드(D)와 제2커패시터(C2)가 각각 연결되어지는데, 해당 다이오드(D)의 출력은 피드백되어 해당 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자에 연결됨과 동시에 제2스위칭 소자(Q2)에 연결되며, 해당 제2스위칭 소자(Q2)의 소스 단자(S2)는 피드백되어 해당 다이오드(D)와 인덕터(L) 사이에 연결되어 구현되어진다.First, the first switching element Q1 and the first capacitor C1 are connected to both ends of the upper side with respect to the inductor L, respectively, and the diode D and the second capacitor C2 at both ends of the lower side. ) Are connected to each other, and the output of the corresponding diode D is fed back to the gate terminal of the corresponding first switching element Q1 and simultaneously to the second switching element Q2, and corresponding second switching element Q2. The source terminal S2 of) is fed back and connected between the diode D and the inductor L to be implemented.
그리고, 상기 다이오드(D) 관점에서 보면, 상기 다이오드(D)의 입력 측은 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 소스 단자(S1) 측, 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 소스 단자(S2) 측에서 상기 다이오드(D)와 인덕터(L) 사이로 피드백되는 다이오드 측 및 상기 인덕터(L) 측에 연결되며, 상기 다이오드(D)의 출력 측은 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1) 측과 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 드레인 단자 측에 연결되어 구현되어진다.From the viewpoint of the diode D, the input side of the diode D is the source terminal S1 side of the first switching element Q1 and the source terminal S2 side of the second switching element Q2. Is connected to the diode side and the inductor (L) side fed back between the diode (D) and the inductor (L), the output side of the diode (D) is the gate terminal (G1) side of the first switching element (Q1) And a drain terminal side of the second switching element Q2.
이 때, DC 전압(V1)은 상기 두 개의 커패시터(C1, C2)에 각각 1/2 씩의 전압(V1/2)으로 디바이딩(Dividing)되어지며, 이에 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)는 IGBT 게이트 드라이버와 같은 게이트 드라이버(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)의 스위칭 제어 동작에 의해서 온(On)되어지게 된다.At this time, the DC voltage V1 is divided into two voltages V1 / 2 of the two capacitors C1 and C2, respectively, and thus the two switching elements Q1 and Q2 are divided. ) Is turned on by a switching control operation of a gate driver such as an IGBT gate driver (not shown in the drawings for convenience of description).
첫 번째로, 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 온되는 경우에는, 상기 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 의해서 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G2)에는 '로우'레벨 신호가 걸려 상기 제2스위칭 소자(Q2)는 오프 상태가 되고 상기 다이오드(D)도 오프 상태가 되므로, 제1전류(I1)가 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 통해 상기 인덕터(L)를 거쳐 상기 제2커패시터(C2) 측의 라인으로 흐르게 된다.First, when the first switching device Q1 is turned on, a 'low' level signal is applied to the gate terminal G2 of the second switching device Q2 by switching control of the gate driver. Since the second switching element Q2 is turned off and the diode D is also turned off, a first current I1 passes through the inductor L through the first switching element Q1 to pass through the second capacitor. It flows into the line at the side of (C2).
여기서, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전압은 '하이'레벨 상태가 되는데, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전류가 '0'보다 작은 경우에 해당 출력 전압은 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 드레인 단자 측에 걸리는 전압과 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 소스 단자(S1) 측에서 드레인 단자 측으로 피드백되는 다이오드에 걸리는 전압의 합이며, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전류가 '0'보다 큰 경우에 해당 출력 전압은 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 드레인 단자 측에 걸리는 전압에서 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1)와 소스 단자(S1)간의 전압을 뺀 값과 동일하다.Here, the output voltage of the inductor (L) side is a 'high' level state, when the output current of the inductor (L) side is smaller than '0', the output voltage of the first switching element (Q1) It is the sum of the voltage applied to the drain terminal side and the voltage applied to the diode fed back from the source terminal S1 side of the first switching element Q1 to the drain terminal side, and the output current of the inductor L side is greater than '0'. In a large case, the corresponding output voltage is equal to the value of the voltage across the drain terminal side of the first switching element Q1 minus the voltage between the gate terminal G1 and the source terminal S1 of the first switching element Q1. Do.
그리고, 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 온 상태에서 완전히 오프 상태로 전환될 때까지는, 상기 다이오드(D)는 오프 상태를 계속 유지시켜 주도록 한다. 이때, 상기 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 의해서 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1)는 '하이'레벨 신호에서 '로우'레벨 신호로 전환하게 됨과 동시에, 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G2)는 '로우'레벨 신호에서 '하이'레벨 신호로 전환하게 되므로, 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 오프 상태로 전환되고 있기 때문에 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1) 측의 전환 과정에 있는 신호(즉, 전류)가 상기 다이오드(D)를 거치지 않고 직접 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측으로 흐르며, 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측으로 흐르는 신호(즉, 전류)는 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G2) 측의 전환 과정에 있는 신호(즉, 전류)에 의해 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 소스 단자(S2) 측으로 흐르게 된다.Then, the diode D keeps the off state until the first switching element Q1 is completely turned off from the on state. At this time, the gate terminal G1 of the first switching element Q1 is switched from a 'high' level signal to a 'low' level signal by the switching control of the gate driver, and at the same time, the second switching element Q2 Since the gate terminal G2 of the switch is changed from the 'low' level signal to the 'high' level signal, the gate terminal of the first switching element Q1 is turned off because the first switching element Q1 is turned off. A signal (ie, current) in the switching process on the G1 side flows directly to the second switching element Q2 without passing through the diode D, and flows to the second switching element Q2 (ie, the current). Current) flows to the source terminal S2 side of the second switching element Q2 by a signal (that is, a current) in the switching process of the gate terminal G2 side of the second switching element Q2.
그런 후에, 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G2)가 '로우'레벨 신호에서 '하이'레벨 신호로 완전하게 전환되어지면, 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 오프 상태가 되고 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 온 상태가 되어 하기 두 번째의 경우와 같은 동작을 수행하게 된다.Thereafter, when the gate terminal G2 of the second switching element Q2 is completely switched from the 'low' level signal to the 'high' level signal, the first switching element Q1 is turned off and the The second switching element Q2 is turned on to perform the same operation as the second case below.
두 번째로, 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 온되는 경우에는, 상기 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 의해서 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1)에는 '로우'레벨 신호가 걸려 상기 제1스위칭 소자(Q1)는 오프 상태가 되고 상기 다이오드(D)는 온 상태가 되므로, 제2전류(I2)가 상기 제1커패시터(C1)로부터 상기 인덕터(L) 및 다이오드(D)를 거쳐 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측으로 흐르게 된다.Second, when the second switching element Q2 is turned on, a low level signal is applied to the gate terminal G1 of the first switching element Q1 by switching control of the gate driver. Since the first switching element Q1 is turned off and the diode D is turned on, a second current I2 is transferred from the first capacitor C1 through the inductor L and the diode D. It flows to the second switching element Q2 side.
여기서, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전압은 '로우'레벨 상태가 되는데, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전류가 '0'보다 작은 경우에 해당 출력 전압은 상기 다이오드(D)에 걸리는 전압과 상기 제2스위칭 소자(Q2)에 걸리는 전압의 합이며, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전류가 '0'보다 큰 경우에 해당 출력 전압은 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 소스 단자(S2) 측에서 상기 다이오드(D)와 인덕터(L) 사이로 피드백되는 다이오드에 걸리는 전압의 마이너스 값과 동일하다. 또한, 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1)와 소스 단자(S1)간의 전압은 상기 인덕터(L) 측의 출력 전류가 '0'보다 작은 경우에 상기 다이오드(D)에 걸리는 전압의 마이너스 값과 동일하며, 상기 인덕터(L) 측의 출력 전류가 '0'보다 큰 경우에 '0'에 가깝다.Here, the output voltage of the inductor (L) side is a 'low' level state, when the output current of the inductor (L) side is smaller than '0', the output voltage and the voltage applied to the diode (D) The sum of the voltages applied to the second switching element Q2, and when the output current of the inductor L side is greater than '0', the corresponding output voltage is the source terminal S2 of the second switching element Q2. It is equal to the negative value of the voltage applied to the diode fed back between the diode D and the inductor L at the side. In addition, the voltage between the gate terminal G1 and the source terminal S1 of the first switching element Q1 is a voltage applied to the diode D when the output current of the inductor L side is smaller than '0'. It is equal to the negative value of, and is close to '0' when the output current of the inductor L side is larger than '0'.
그리고, 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 온 상태에서 오프 상태로 전환되자마자, 상기 다이오드(D)는 오프 상태를 유지시켜 주도록 한다. 이때, 상기 게이트 드라이버의 스위칭 제어에 의해서 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1)는 '로우'레벨 신호에서 '하이'레벨 신호로 전환하게 됨과 동시에, 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G2)는 '하이'레벨 신호에서 '로우'레벨 신호로 전환하게 되므로, 상기 제1스위칭 소자(Q1)는 아직까지도 오프 상태이기 때문에 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1) 측의 전환 과정에 있는 신호(즉, 전류)가 상기 다이오드(D)를 거치지 않고 직접 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측으로 흐르며, 상기 제2스위칭 소자(Q2) 측으로 흐르는 신호(즉, 전류)는 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 오프 상태로 전환되고 있기 때문에 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자(G2) 측으로 흐르게 된다.As soon as the second switching element Q2 is switched from the on state to the off state, the diode D is kept in the off state. At this time, the gate terminal G1 of the first switching element Q1 is switched from a 'low' level signal to a 'high' level signal by the switching control of the gate driver, and at the same time, the second switching element Q2 Since the gate terminal G2 of the switch is changed from the 'high' level signal to the 'low' level signal, since the first switching element Q1 is still in the off state, the gate terminal of the first switching element Q1 ( The signal (that is, the current) in the switching process on the G1) side flows directly to the second switching element Q2 side without passing through the diode D, and flows to the second switching element Q2 side (ie, current). ) Flows to the gate terminal G2 side of the second switching element Q2 because the second switching element Q2 is turned off.
그런 후에, 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자(G1)가 '로우'레벨 신호에서 '하이'레벨 신호로 완전하게 전환되어지면, 상기 제1스위칭 소자(Q1)가 온 상태가 되고 상기 제2스위칭 소자(Q2)가 오프 상태가 되어 상기 첫 번째의 경우와 같은 동작을 수행하게 된다.Thereafter, when the gate terminal G1 of the first switching element Q1 is completely switched from the 'low' level signal to the 'high' level signal, the first switching element Q1 is turned on and the The second switching element Q2 is turned off to perform the same operation as in the first case.
이에, 상기 인덕터(L)에는 상기 스위칭 소자(Q1, Q2)의 스위칭 동작에 의해 인가되는 전류(I1, I2)에 따라 전기적 에너지가 유기되어지는데. 해당 유기된 전기적 에너지를 이용하여 불을 켜거나, 2차 측 인덕터(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 감아 해당 유기된 전기적 에너지를 2차 측으로 넘겨 다른 작업을 수행하도록 해 주게 된다.Accordingly, electrical energy is induced in the inductor L according to the currents I1 and I2 applied by the switching operation of the switching elements Q1 and Q2. The light is turned on using the induced electrical energy or the secondary side inductor (not shown in the drawing for convenience of description) is transferred to the secondary side to perform other tasks.
그리고, 상기 다이오드(D)는 몇 가지 원인, 예를 들어 게이트 드라이빙 라인이 길거나, 스위칭 잡음이 과다하게 발생하는 경우에 의해서 발생되는 암 쇼트 전류를 차단함으로써, 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 직접적으로 온되지 않도록 하는데, 즉 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)가 동시에 온되는 현상이 발생되지 않도록 하여 암 쇼트 현상이 발생되지 않도록 해 준다.In addition, the diode D blocks the dark short current generated due to several causes, for example, when the gate driving line is long or when switching noise is excessively generated, thereby preventing the two switching elements Q1 and Q2. Is not directly turned on, that is, the phenomenon in which the two switching elements Q1 and Q2 are turned on at the same time is prevented from occurring, thereby preventing the cancer short phenomenon.
이상과 같이, 본 발명에 의해 하이 파워용 액티브 반도체 소자를 모듈화하는 경우에 암 쇼트 현상이 발생되지 않는 새로운 개념의 파워 반도체 모듈을 구현함으로써, 해당 파워 반도체 모듈이 하이 파워용이라 할지라도 암 쇼트로 인해 제품이 파괴되는 불량이 발생되지 않도록 하며, 또한 강한 러기드 형태나 쇼트 레이트디 형태의 제품이 아니더라도 적용이 가능하도록 한다.As described above, the present invention implements a new concept of power semiconductor module that does not generate a cancer short phenomenon when a high power active semiconductor device is modularized, so that even if the power semiconductor module is for high power, This prevents the product from being destroyed and also enables the application even if the product is not in the form of a strong rugged or short rate die.
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