KR101280782B1

KR101280782B1 - 스위칭 소자용 과전류 검지 장치

Info

Publication number: KR101280782B1
Application number: KR1020117013055A
Authority: KR
Inventors: 쇼오 마루야마
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2013-07-05
Also published as: US8760889B2; KR20110093873A; WO2010067193A1; EP2356747A4; JP5712483B2; EP2356747B1; EP2356747A1; BRPI0922128A2; BRPI0922128B1; JP2010160140A; CN102217196B; US20110181263A1; CN102217196A

Abstract

스위칭 소자(1)용 과전류 검지 장치는 기준 전원(7)과, 비교기 회로(8)와, 전류 변환 소자(6)와, 제1 저항기(R3)와, 제2 저항기(R2)를 포함한다. 비교기 회로(8)는 스위칭 소자에 흐르는 전류에 대응하는 전압이 입력되는 제1 입력 단자 및 기준 전원(7)으로부터 공급되는 기준 전압이 입력되는 제2 입력 단자를 포함한다. 전류 변환 소자(6)는 스위칭 소자(1)의 온도를 검지하는 온도 검지 소자(4)의 전압을 온도 검지 소자(4)의 전압에 대응하는 전류로 변환시킨다. 제1 저항기(R3)는 비교기 회로(8)의 제2 입력 단자의 기준 전원측에 직렬로 연결된다. 제2 저항기(R2)는 비교기 회로(8)의 제2 입력 단자의 접지측에 직렬로 연결된다.

Description

스위칭 소자용 과전류 검지 장치 {OVER-CURRENT DETECTING APPARATUS FOR SWITCHING ELEMENT}

본 출원은 2008년 12월 12일자로 출원된 일본 특허 출원 공개 제2008-316488호를 우선권으로 주장하고 있다. 일본 특허 출원 공개 제2008-316488호의 전체 내용은 본원에 참조로서 합체된다.

본 발명은 스위칭 소자에서 과전류 이상을 검지하는 과전류 검지 장치에 관한 것이다.

파워 MOS 트랜지스터는 일반적으로 매우 큰 온 저항(on-resistance) 온도 계수 α를 갖는다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor:IGBT)내의 과전류로부터 인버터 회로의 IGBT를 보호하기 위해 IGBT용 과전류 보호 회로를 제공하는 것이 공지되어 있다. 일본 공개 특허 공보 제2002-26707호에는 IGBT내의 과전류로부터 인버터 회로의 IGBT를 보호하기 위해 검지 전압의 온도 특성을 고려하는 과전류 보호 회로가 제안되어 있다. 상기 공보의 이러한 과전류 보호 회로에 있어서, 반도체 칩내에 설치된 다이오드로부터의 검지 전압과 기준 전압은 연산 증폭기(operational amplifier:op-amp)에 입력된다. 그 후 연산 증폭기는 검지 전압과 기준 전압 사이의 차와 과전류 검지 기준값을 비교한다. 이러한 방법에 있어서, 트랜지스터의 온 저항 온도 계수가 과전류 검지 전류값에 영향을 미치는 정도가 억제된다.

그러나, 전술한 종래의 과전류 보호 장치에서는, 연산 증폭기를 사용하므로 과전류 검지 장치의 전체적인 비용이 증가하고, 연산 증폭기를 수용하는 과전류 검지 장치내에 추가적인 공간을 필요로 한다. 예시적인 실시예에 따르면, 연산 증폭기를 사용하지 않는 과전류 검지 장치가 설명된다. 따라서, 예시적인 실시예에 있어서, 과전류 검지 장치의 전체적인 비용은 연산 증폭기를 필요로 하는 과전류 검지 장치에 비해 줄어들 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 있어서, 과전류 검지 장치는 연산 증폭기를 필요로 하는 과전류 검지 장치에 비해 더욱 소형화될 수 있다.

공지된 기술 상태의 관점에서, 연산 증폭기를 사용하지 않는 과전류 검지 장치가 제공된다. 기본적으로, 예시적인 실시예에 있어서, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치에는 기준 전원, 비교기 회로, 전류 변환 소자, 제1 저항기 및 제2 저항기가 제공된다. 비교기 회로는 스위칭 소자에 흐르는 전류에 대응하는 전압이 입력되는 제1 입력 단자, 및 기준 전원으로부터 공급되는 기준 전압이 입력되는 제2 입력 단자를 포함한다. 전류 변환 소자는 비교기 회로의 제2 입력 단자와 기준 전원 사이에서 직렬로 연결된다. 전류 변환 소자는 스위칭 소자의 온도를 검지하는 온도 검지 소자의 전압을 온도 검지 소자의 전압에 대응하는 전류로 변환시킨다. 제1 저항기는 비교기 회로의 제2 입력 단자와 기준 전원 사이에 위치하는 비교기 회로의 제2 입력 단자의 기준 전원측에 직렬로 연결된다. 제2 저항기는 비교기 회로의 제2 입력 단자와 접지 사이에 위치하는 비교기 회로의 제2 입력 단자의 접지측에 직렬로 연결된다.

특히, 스위칭 소자의 온도 검지 소자의 전압값을 전류로 변환하기 위한 전류 변환 소자를 사용함으로써 및 전류를 전압으로 변환하기 위한 저항기를 사용함으로써 기준 전압이 얻어진다. 즉, 온도 특성을 갖는 온도 검지 소자의 전압값을 대응하는 전류값으로 변환하기 위해서 전류 변환 소자가 사용된다. 전류값은 스위칭 소자의 센스 전압과 같은 (동일 부호) 온도 특성을 가지며, 전류값의 온도 특성은 저항기의 값을 적절하게 설정함으로써 센스 전압에 대응하는 온도 계수로 변경될 수 있다. 온도 특성의 이러한 변경은 전류 변환 소자를 이용해 이루어지며, 따라서 고가이며 공간을 차지하는 연산 증폭기를 사용할 필요가 없다.

본원의 일부를 구성하는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 도시하는 전기 회로도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 도시하는 전기 회로도이다.
도 3은 제3 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 도시하는 전기 회로도이다.
도 4는 스위칭 소자의 접합 온도에 대한 마스크비 및 기준 전압의 특성을 도시하는 그래프이다.
도 5는 스위칭 소자의 접합 온도에 대한 과전류 검지 레벨을 도시하는 그래프이다.

도면을 참조하여 선택된 실시예를 설명한다. 당업자는 본원의 설명으로부터 하기의 실시예의 설명이 단지 예시를 위해 제공된 것이지 첨부된 특허청구범위 및 그 동등물에 의해 규정되는 발명을 한정하고자 하는 것은 아님을 명백히 알 수 있다.

우선 도 1을 참조하면, 전기 회로도는 제1 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 나타낸다. 이러한 과전류 검지 장치는 인텔리전트 파워 모듈과 같은 스위칭 소자의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 이상을 검지하는 장치로서 사용될 수 있다. 이러한 제1 실시예는 과전류 검지 장치의 적용을 예시한다. 그러나, 과전류 검지 장치는 이러한 적용에 한정되지 않고 다양한 형태의 스위칭 소자에 적용될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이러한 과전류 검지 장치는 과전류 조건이 존재하는지를 검지하는 연산 증폭기를 사용하지 않기 때문에, 이러한 예시적인 실시예의 과전류 검지 장치는 비교적 저렴하고, 비교적 소형화될 수 있다.

이러한 실시예에 있어서, 과전류 검지 장치는 스위칭 소자(1)(예를 들면, IGBT)의 전류 이상을 검지하도록 기능한다. 스위칭 소자(1)는 게이트 구동 회로(도시하지 않음)로부터 스위칭 소자(1)의 게이트(G)에 전송되는 게이트 PWM 신호에 의해 스위칭 되고, 온(on) 구동 신호에 의해 스위칭 소자(1)의 콜렉터(collector)(C)로부터 에미터(emitter)(E)에 콜렉터 전류(Io)가 흐른다. 이러한 실시예에 있어서, 스위칭 소자(1)는 전류 검지 단자(3)를 갖는 트랜지스터이다. 게이트(G)에 전송되는 온(on) 구동 신호에 의해 콜렉터(C)로부터 에미터(E)에 콜렉터 전류(Io)가 흐르면, 전류(Is)가 전류 검지 단자(3)에 흐른다. 전류(Is)는 전류(Io)에 비례한다[예를 들면, Is=Io/N, 전류(Io 및 Is)의 마스크비(N)는 알려져 있음]. 전류 검지 단자(3)로부터 흐르는 전류 Io/N은 전류 검지 저항기(Rsens)에 의해 전압, 즉 검지 전압 또는 센스 전압(Vsens)으로 변환되고, 검지 전압(Vsens)은 비교기(8)의 포지티브 입력 단자에 공급된다.

스위칭 소자(1)는 스위칭 소자(1)의 온도를 검지하기 위한 다이오드를 포함하는 온도 검지 소자(4)를 갖는다. 온도 검지 소자(4)의 포지티브 단자는 온도 검지 단자(5)를 통해서 전압 변환 저항기(R1)에 연결되고, 이러한 연결부를 통해서 흐르는 전류가 전압으로 변환된다. 변환된 전압은 전류 변환 소자(6)의 베이스에 공급된다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 온도 검지 소자(4)는, 온도가 상승하면 센스 전압이 감소하도록 네가티브 온도 특성을 갖는다.

기준 전압(Vcc)을 공급하는 기준 전원(7)은 PNP 트랜지스터를 포함하는 전류 변환 소자(6) 및 저항기(R3)를 통해서 비교기(8)의 네가티브 단자에 연결된다. 저항기(R2) 및 축전기(C1)가 비교기(8)의 네가티브 단자와 접지 사이에서 연결된다. 저항기(R2)는 전류 변환 소자(6)로부터 흐르는 전류(Iref)를 전압으로 변환하도록 기능하고, 축전기(C1)는 이러한 전압을 안정화하도록 기능한다.

본 실시예에 따른 과전류 검지 장치의 작동 원리 및 효과를 설명한다. 센스 전압(Vsens)은 하기의 식 1로 표시될 수 있으며, 여기서 Io는 스위칭 소자(1)에 흐르는 메인 전류이고, Io/N은 메인 전류에 대한 마스크비(1:N)에 의해 결정되는 센스 전류이며, Rsens는 센스 전류를 센스 전압(Vsens)으로 변환시키기 위해 사용되는 저항기의 저항값이다.

[식 1]

Vsens = (Io/N)×Rsens

식 1에 따르면, 마스크비(N)가 도 4의 곡선 a로 도시되는 바와 같이 네가티브 온도 특성을 갖는 경우[즉, 온도가 상승함에 따라 마스크비(N)가 감소하는 경우]에는, 센스 전압(Vsens)은 포지티브 온도 특성을 갖는다[즉, 온도가 상승함에 따라 센스 전압(Vsens)이 증가함]. 즉, 센스 전압(Vsens)은 도 4의 곡선 b와 같은 온도 특성을 갖는다.

한편, 스위칭 소자(1)의 온도 검지 소자(4)의 전압(Vtemp)이 전류 변환 소자(PNP 트랜지스터)(6)의 베이스 단자에 공급되고, 기준 전압(Vcc)이 저항기(R3)를 통해서 전류 변환 소자(6)의 에미터 단자에 연결된다. 이러한 방법에서, 온도 검지 소자(4)의 온도 검지 전압은 전류로 변환될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 전류 변환 소자(PNP 트랜지스터)(6)에 흐르는 전류(Iref)는 하기의 식 2로 표시되며, 여기서 Vbe는 전류 변환 소자(PNP 트랜지스터)의 에미터와 베이스 사이에 존재하는 전압이다.

[식 2]

Iref = (Vcc-Vbe-Vtemp)/R3

온도(T)에 대해서 전류(Iref)를 미분함으로써, 하기에 표시된 식 3이 얻어질 수 있다. 여기서, 전류 변환 소자(PNP 트랜지스터)(6)의 에미터와 베이스 사이의 전압(Vbe)은 온도 특성을 갖지 않는다고 가정한다.

[식 3]

δIref/δT = (-δVtemp/δT)/R3

식 3에 따르면, 온도 검지 소자(4)로부터의 온도 검지 전압이 네가티브 온도 특성을 가질 경우에는, 트랜지스터(6)를 통해서 흐르는 전류(Iref)는 포지티브 온도 특성을 갖는다.

전류(Iref)가 저항기(R2)에 의해 전압으로 변환되면, 비교기(8)의 입력 전압(Voc)은 하기에 나타내진 식 4로 표시된다.

[식 4]

Voc = (Vcc-Vbe-Vtemp)×R2/R3

온도에 대해서 양변을 미분함으로써 하기에 표시된 식 5가 얻어진다.

[식 5]

δVoc/δT = (-δVtemp/δT)×R2/R3

이와 같이, 본 실시예에 따른 과전류 검지 장치에 의하면, [도 4에서 곡선 b로 표시되는 바와 같은 포지티브 온도 특성을 갖는] 비교기(8)에 공급되는 입력 전압(Voc)의 포지티브 온도 계수는 저항값(R2 및 R3)의 비율을 조절함으로써 변화될 수 있다. 즉, 입력 전압(Voc)의 온도 특성의 기울기가 센스 전압(Vsens)의 포지티브 온도 특성의 기울기와 동일해 지도록 R2 및 R3의 비율(R2/R3)을 조절함으로써, 스위칭 소자(1)의 온도와는 무관하게 기능하는 과전류 검지 장치가, 도 1에 도시한 바와 같은 전류 변환 소자(PNP 트랜지스터)만을 설치함으로써 실현될 수 있다.

저항값(R2 및 R3)의 설정 방법을 이하에서 보다 자세히 설명한다. 마스크비(N)의 온도 특성이 도 4에서 곡선 a로 표시되는 바와 같이 네가티브일 경우[즉, 온도 상승에 따라 마스크비(N)가 감소함]에, 비율(R2/R3)은 마스크비(N)의 온도 계수의 기울기의 절대값(반대 부호)과 동일해 지도록 설정되어야 한다. 이러한 방법에서, 센스 전압(Vsens)의 포지티브 온도 특성이 상쇄될 수 있다.

도 5의 곡선 a는 과전류 검지 레벨이 온도에 의존하지 않도록 도 1에 도시된 과전류 검지 장치에 있어서 저항기(R2 및 R3)의 값이 적절하게 설정된 경우를 도시한다. 반대로, 도 5의 곡선 b는 도 1에 도시된 과전류 검지 장치의 트랜지스터(6)가 생략되고 온도 검지 단자(5)가 비교기(8)의 네가티브 입력 단자에 연결되지 않은 장치에서 얻어지는 과전류 검지 레벨의 측정치를 도시한다. 도 5에서 곡선 a로 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 과전류 검지 레벨은 스위칭 소자(1)의 반도체 접합부의 접합 온도(junction temperature)의 변동에 의해서는 거의 영향을 받지 않는다.

제2 실시예

도 2를 참조해 제2 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 설명한다. 도 2는 제2 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 도시하는 전기 회로도이다. 제1 실시예와 제2 실시예 사이의 유사성의 관점에서, 제1 실시예의 부분과 동일한 제2 실시예의 부분에는 제1 실시예의 부분과 동일한 참조부호가 부여된다. 또한, 제1 실시예의 부분과 동일한 제2 실시예의 부분의 설명은 간결화를 위해서 생략될 수 있다.

제1 실시예에 있어서는, 전류 변환 소자(6)를 구성하는 PNP 트랜지스터의 에미터와 베이스 사이의 전압(Vbe)이 온도에 의존하지 않는다고 가정하여, 베이스-에미터 전압(Vbe)이 식 3에는 표시되지 않았다. 그러나, 전류 변환 소자(6)의 베이스-에미터 전압(Vbe)이 스위칭 소자(1)의 접합 온도(Tj) 외에 주위 온도의 영향으로 변화될 때가 있다. 따라서, 제2 실시예에 있어서는, 전류 변환 소자(6)의 베이스-에미터 전압(Vbe)의 온도 특성을 보정하기 위해서 가변 전압 장치가 기준 전원(7)으로 사용된다. 그 외에는, 장치는 제1 실시예와 실질적으로 동일하고, 따라서 동일 부분의 설명은 생략하였다.

스위칭 소자(1)의 접합 온도 이외의 온도의 예는 전류 변환 소자(6)가 실장된 기판의 온도를 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 온도 센서(10)는 기판의 온도를 검지하는데 사용되고, 제어 장치(11)는 검지된 기판 온도의 변화 효과를 상쇄하도록 기준 전원(7)의 기준 전압(Vcc)을 변경한다. 보다 구체적으로는, 센서(10)에 의해 검지되는 온도가 증가함에 따라 전압(Vcc)이 감소되도록, 제어 장치(11)는 기준 전원(7)의 전압(Vcc)을 제어한다. 이러한 방법에서, 전류 변환 소자(6)의 온도 변화에 의한 특성 변동을 고려하는 일 없이 과전류를 검지할 수 있다.

제3 실시예

도 3을 참조해 제3 실시예에 따른 과전류 검지 장치를 설명한다. 이러한 실시예에 있어서, 전류 변환 소자(6)의 주위 온도의 영향을 절감하기 위해, 전류 변환 소자(6)와 동일한 PNP 트랜지스터를 포함하는 전류 변환 소자(9)가 사용된다. 전류 변환 소자(9)의 베이스 단자는 온도 의존 정도가 낮은 기준 전원(7)에 연결되고, 전류 변환 소자(9)의 에미터 단자는 기준 전압점(reference voltage point)에 연결된다. 전류 변환 소자(9)는 전류 변환 소자(6)와 동일한 기판상에 실장된다.

이러한 실시예에 있어서, 전술한 식 2는 하기에 표시된 바와 같은 식 2'로 변환될 수 있으며, 여기서 Vref는 기준 전원(7)의 전압이고, Vbe(9)는 기준 전원(7)에 연결된 PNP 트랜지스터(9)의 에미터와 베이스 사이의 전압이다.

[식 2']

Iref = ((Vref+Vbe(9))-Vbe-Vtemp)/R3

PNP 트랜지스터(9)는 전류 변환 소자(6)를 구성하는 PNP 트랜지스터와 동일하며 동일 기판상에 실장되기 때문에, 베이스-에미터 전압 Vbe(9) 및 Vbe가 동일하여, 식 2'는 하기에 표시된 식 2"로 고쳐질 수 있다.

[식 2"]

Iref = (Vref-Vtemp)/R3

즉, 전류 변환 소자(6)의 베이스-에미터 전압(Vbe)의 효과는 전류 변환 소자(9)를 설치함으로써 균형을 이루게(상쇄) 되기 때문에, 전류 변환 소자(6)의 온도 특성에 의한 영향을 받지 않는 과전류 검지 회로가 얻어질 수 있다.

본 발명을 예시하기 위해서 엄선된 실시예만 선택되었지만, 당업자에게는 본원의 내용으로부터 첨부된 특허청구범위에 규정된 바와 같은 발명의 범위에서 벗어남이 없이 각종 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 명확한 것이다. 일 실시예의 구성 및 기능은 다른 실시예에 채용될 수 있다. 모든 장점이 특정 실시예에 동시에 존재할 필요는 없다. 종래기술과 대비되는 모든 특징은 그 자체로 또는 다른 특징과 조합해 고려되어야만 하고 본 출원인에 의한 추가적인 발명의 개별적인 설명은 그러한 특징에 의해 구현되는 구조적 및/또는 기능적 개념을 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예의 전술한 설명은 단지 예시를 위해 제공된 것이지, 첨부된 특허청구범위 및 그의 동등물에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

Claims

스위칭 소자용 과전류 검지 장치이며,
기준 전원과,
상기 스위칭 소자에 흐르는 전류에 대응하는 전압이 입력되는 제1 입력 단자 및 상기 기준 전원으로부터 공급되는 기준 전압이 입력되는 제2 입력 단자를 갖는 비교기 회로와,
상기 기준 전원과 상기 비교기 회로의 제2 입력 단자 사이에 직렬로 연결되며, 상기 스위칭 소자의 온도를 검지하는 온도 검지 소자의 전압을 온도 검지 소자의 전압에 대응하는 전류로 변환하는 전류 변환 소자와,
상기 기준 전원과 상기 전류 변환 소자 사이에 위치하며, 상기 비교기 회로의 제2 입력 단자에 연결된 제1 저항기와,
접지와 상기 비교기 회로의 제2 입력 단자 사이에 위치하며, 상기 비교기 회로의 제2 입력 단자에 연결된 제2 저항기를 포함하는, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치.
제1항에 있어서, 온도에 대한 상기 제2 저항기의 저항값과 상기 제1 저항기의 저항값 사이의 비(ratio)의 온도 특성은, 상기 온도 특성의 기울기의 절대값이 상기 스위칭 소자의 마스크비의 온도 특성의 기울기의 절대값과 같아지도록, 및 상기 온도 특성의 기울기의 부호가 상기 스위칭 소자의 마스크비의 온도 특성의 기울기의 부호와는 반대로 되도록 설정되는, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기준 전원의 전압을 상기 전류 변환 소자의 온도 특성에 따라서 조절하는 전압 조절 장치를 더 포함하는, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치.
제3항에 있어서, 상기 전압 조절 장치는, 가변 전압 장치와, 상기 전류 변환 소자의 온도를 검지하는 온도 검지부와, 상기 온도 검지부에 의해 검지된 상기 전류 변환 소자의 온도에 기초하여 상기 가변 전압 장치를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 전류 변환 소자의 온도의 증가에 따라 상기 가변 전압 장치의 전압이 낮아지도록 상기 가변 전압 장치를 더욱 제어하는, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치.
제3항에 있어서, 상기 전류 변환 소자는 PNP 트랜지스터를 포함하는, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치.
제5항에 있어서, 상기 전압 조절 장치는, 상기 전류 변환 소자의 PNP 트랜지스터와 동일한 추가적인 PNP 트랜지스터를 포함하며, 상기 기준 전원은 추가적인 PNP 트랜지스터의 베이스에 연결되고, 전류 변환 소자의 PNP 트랜지스터의 에미터가 추가적인 PNP 트랜지스터의 에미터에 연결되는, 스위칭 소자용 과전류 검지 장치.