KR20190002498A - 정션 온도 및 전류 감지 기법 - Google Patents

정션 온도 및 전류 감지 기법 Download PDF

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Abstract

파워 회로(IGBT 모듈)로서, ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자(9a)로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자(9b, E)로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스(3); 및/또는 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 커플링되는 프리휠 다이오드(미도시)로서, 비-차단 상태일 경우, 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한, 프리휠 다이오드; 및 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결된 구동 입력 라인(G)을 포함하고, 상기 파워 회로는, 상기 통전 단자들(E) 중 적어도 하나에 연결된 적어도 하나의 온도 감응 전류원을 포함하는 감지 회로부(5a)로서, 적어도 하나의 감지 신호(Isensor)를 상기 온도 감응 전류원으로부터 상기 구동 입력 라인으로 제공하기 위한 감지 회로부 - 상기 감지 신호는 적어도 하나의 온도를 표시하기 위한 것임 -를 포함하며, 상기 온도 감응 전류원은 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되고 상기 감지 신호에 의해 표시되는 상기 온도는 상기 파워 스위칭 디바이스에 관한 것이며, 및/또는 상기 온도 감응 전류원이 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링되고 적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 프리휠 다이오드의 양극 또는 음극 통전 단자를 포함하는, 파워 회로.

Description

정션 온도 및 전류 감지 기법
본 발명은 일반적으로 파워 회로, 이러한 파워 회로를 적어도 하나 포함하는 멀티-칩 모듈, 및 파워 회로의 파워 스위칭 디바이스를 구동하기 위한 구동 회로부에 관한 것이다. 일반적으로, 파워 회로는 IGBT와 같은 파워 스위칭 디바이스를 가지거나 및/또는 프리휠 다이오드를 가진다.
파워 반도체 디바이스는 광범위한 파워 애플리케이션에서 널리 사용되고 있다. 저전력 애플리케이션에는, 예를 들어 전자 회로 및 컴퓨터용 파워 서플라이, 및 작은 모터 구동부가 있다. 중간 전력 애플리케이션(수 kW보다 큼)에는 대모터 구동부 - 예를 들어 전기차, 궤도 견인차, 대형 산업용 구동부, 풍력 터빈 및/또는 해양용 구동부 - 및 태양열 컨버터가 있다. 고전력 애플리케이션에는, 예를 들어 해양 풍력 설비로부터 전력을 운반할 수 있는 타입의 고전압 직류 송전선이 있다.
관심 대상인 파워 반도체 스위칭 디바이스는 통상적으로 1 A보다 큰 전류 운반 능력을 가지고, 100 V가 넘는 전압에서 동작가능하다. 이러한 디바이스들의 실시예는 통상적으로, 디바이스 칩 당 10 내지 100 A의 전류를 운반할 수 있고 및/또는 디바이스에 걸쳐 500 V보다 큰 전압차를 유지할 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 디바이스의 예에는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 및 수직 또는 측방향 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 FET가 있다. 우리가 설명할 기법은 임의의 특정 타입의 디바이스 아키텍처로 한정되지 않고, 따라서 파워 스위칭 디바이스는, 예를 들어 수직 또는 측방향 디바이스일 수 있다; 이들은 실리콘, 및 실리콘 카바이드를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 범위의 기술로 제작될 수 있다.
거의 모든 회로에서, 반도체 디바이스 및 회로를 손상시키는 대전압이 발생하는 것을 피하도록 하는 연속 부하 전류 통전을 위하여, IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 또는 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)와 같은 파워 반도체 스위칭 디바이스와 관련되어 프리휠링 다이오드 - 흔히 플라이휠 다이오드라고도 불림 -가 사용될 필요가 있다. 고전력 IGBT는 흔히, 모듈 내에서 프리휠 다이오드로서의 역할을 하는 다이오드들을 가진 모듈로서 공급된다. IGBT는 통상적으로 프리휠링 다이오드와 병렬로(구체적으로 설명하면, 역병렬로) 각각 발견된다.
예방적이거나 신속한 처방 동작이 가능해지도록 고장의 사전 경고를 얻는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 관점에서, 디바이스 고장은 높은 디바이스 정션 온도 또는 높은 디바이스 전류와 같은 인자들에 의하여 야기될 수 있다. 디바이스가 스위칭되는 전압/전류가 크기 때문에, 디바이스 고장이 발생할 위험이 크다. 많은 애플리케이션에서, 요구되는 전류에서 동작하도록 수 십 개의 디바이스가 통상적으로 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 경우에, 이러한 시스템에 있는 한 디바이스에 고장이 발생하면, 비록 파워 컨버터의 토폴로지에 따라 다르긴 하지만 그 결과로서 시스템 내의 다른 스위칭 디바이스 도 쉽게 고장날 수 있다.
EP 256 56 08 A1은 제 1 및 제 2 출력 및 칩의 온도를 측정하기 위한 온도 의존형 옴 저항을 포함하는 게이트를 가지는 칩으로서 설계된 반도체 디바이스를 기술하는데, 온도-의존형 저항은 게이트와 제 1 또는 제 2 출력 사이에 전기 접속을 가지고 칩과의 열 콘택을 가진다.
US 2005 019 635 A1에서, 동작 특성을 설정하기 위한 제어 지역(G)과 제 1 입력/출력 지역(S) 사이에 제어 저항 소자(NTC)가 전기적 콘택하여 제공되는 반도체 부품이 제안된다. 제어 저항 소자(NTC)는 비반응성(nonreactive) 저항이 동작 온도가 증가함에 따라 단조 감소하는 동작 온도 범위를 가진다. 중요한 아이디어는 반도체 컴포넌트의 제어 지역과 제 1 입력/출력 지역 사이에 제어 저항 또는 제어 저항 소자를 형성하는 것이다. 그러면, 제어 지역과 제 1 입력/출력 지역 사이의 위상차를 전압 분주기의 방식으로 변조하는 효과가 생기고, 이러한 변조는 제어 저항 소자의 온도 의존성에 따라서 영향받게 된다.
GB 22 53 709 A는, 션트 전류를 일정하게 유지하도록 전류 미러 단자와 메인 단자 사이에 연결된 정전류 디바이스와 병렬인 전류 미러 소자, 및 단자간 위상차와 미리 결정된 임계 전압 사이의 차이에 기초하여 과전류 검출 신호를 출력하기 위한 결정 팬(pan)을 가지는, 파워 반도체 디바이스 내의 메인 전류(I)의 과전류 상태를 검출하기 위한 과전류 검출 회로를 개시한다. 정전류 디바이스는 MOSFET을 사용할 수 있고, 파워 반도체 디바이스와 함께 하나의 칩에 집적될 수 있다.
GB 22 67 003 A는, 전류 미러 소자의 제 2 메인 단자와 메인 반도체 소자의 제 2 메인 단자 사이에 연결된 전류 검출 소자의 양자 모두의 단자들 사이의 전압의 레퍼런스 전압과의 비교에 의하여 생성된 연산 증폭기의 출력에 의하여, 제 1 메인 단자 및 제어 단자가 메인 반도체 소자를 위하여 공통으로 사용되는 전류 제한 회로를 개시하는데, 이러한 전류 제한 회로를 통하여 메인 반도체 소자의 제 1 메인 단자 및 제 2 메인 단자를 통과해 흐르는 출력 전류에 비례하는 전류가 흐르고, 레퍼런스 전압은 연산 증폭기의 제 1 입력 단자에 인가되고, 제 1 이득 조절 소자가 전류 미러 소자의 제 2 입력 단자와 제 2 메인 단자 사이에 연결되며, 제 1 이득 조절 소자의 임피던스에 대한 미리 결정된 배율인 임피던스를 가지는 제 2 조절 소자가 메인 반도체 소자의 제어 단자들 사이에 연결된다.
US 3 845 405 는 파워 트랜지스터 및 보조 트랜지스터의 베이스-이미터 정션이 병렬화되는 일 실시예를 기술한다. 파워 트랜지스터의 더 큰 콜렉터 전류를 간접적으로 샘플링하기 위하여, 보조 트랜지스터의 더 작은 콜렉터 전류가 샘플링될 수 있다. 간접 샘플링한 결과 파워 트랜지스터의 콜렉터 전류가 자신의 정격 최대 값을 초과하려고 한다는 것이 표시되면, 그 베이스 및 이미터 전극이 클램핑된다.
US 8 155 916 B는 반도체 보디 내에 집적된 회로 배치구성을 제공한다. 저항 컴포넌트가 파워 반도체 컴포넌트에 열적으로 커플링되고 유사한 방식으로 반도체 보디 내에 집적되며 파워 반도체 컴포넌트의 제어 연결부와 부하 연결부 사이에 배치된다. 저항 컴포넌트는 온도-의존형 저항 특성 곡선을 가진다. 구동 및 평가 유닛은 저항 컴포넌트를 통과하는 전류 또는 저항 컴포넌트 양단의 전압 강하를 평가하도록 설계되고, 이러한 전류 또는 전압 강하에 의존하는 온도 신호를 제공한다.
현재까지는, IGBT 디바이스를 위한 온-칩 정션 온도 측정은 디바이스 칩 자체에 집적된 온도 감지 다이오드를 사용하여 이뤄져 왔다. 이러한 감지 다이오드는 개별 연결부들을 사용하여 게이트 구동부에 연결된다. 이들은 많은 디바이스 제조사에 의해서 개발되어 왔고, 스위치 마다 하나의 디바이스 칩이 있는 저-전류 지능형 파워 모듈(IPM)에서 제안될 수 있다(통상적으로 정격이 100 A 미만임). 일부로서는 스위치 당 다수의 병렬 다이가 있기 때문에, 그리고 또한 게이트 구동부와 모듈 사이에 추가적인 연결이 필요하기 때문에, 이들을 종래의 파워 디바이스 모듈 패키지에 적용하는 것은 어렵다.
전류 감지와 관련하여, 온도 감지 저항이 셀과 직렬로 배치된 보조 이미터 셀(디바이스 전류의 작은 비율을 운반함)을 사용하는 IGBT 칩에 대해서는 직류 감지가 가능할 수 있다. 다시 말하건대, 하지만 그러려면 감지 신호를, 예를 들어 IGBT 게이트의 전압을 제어하는 게이트 구동부로 다시 출력하기 위해서는 별개의 연결이 필요하다. 따라서, 멀티-칩 파워 모듈에 대해서는 이러한 감지가 실현불가능해진다.
따라서, 파워 디바이스 전류 및 온도 감지는, 예를 들어 온도 감지 다이오드 및 전류 감지 셀과 같이 디바이스 칩에 통합된 별도의 감지 소자를 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 감지 소자는 단일-칩 디바이스, 예를 들어 IPM에서 사용될 수 있지만, 게이트 구동부에 요구되는 다수의 감응 연결 때문에 고전력 멀티-칩 디바이스 모듈에서는 활용될 수 없다. 복잡한 알고리즘 및 측정하기가 힘든 전기적 거동 파라미터를 사용하여 정션 온도 및 디바이스 전류를 게이트 구동부로부터 추정하는 것이 가능할 수 있지만, 이러한 감지 소자를 사용하는 회로는 그럼에도 불구하고 교정을 포함하여 실제로 구현되기가 힘들 것이다.
이러한 배경 기술과 달리, 본 발명은 독립항의 청구 내용을 제안한다. 바람직한 실시예는 첨부된 종속항에 규정된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 파워 회로로서, ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스; 및 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결되는 프리휠 다이오드로서, 비-차단 상태일 경우, 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한, 프리휠 다이오드; 및 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결된 구동 입력 라인을 포함하고, 상기 파워 회로는, 적어도 하나의 상기 통전 단자에 연결된 적어도 하나의 온도 감응 전류원을 포함하는 감지 회로부로서, 적어도 하나의 감지 신호를 상기 온도 감응 전류원으로부터 상기 구동 입력 라인으로 제공하기 위한 감지 회로부 - 상기 감지 신호는 적어도 하나의 온도를 표시하기 위한 것임 -를 포함하며, 상기 온도 감응 전류원이 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되는 것 - 상기 감지 신호에 의해 표시되는 상기 온도는 상기 파워 스위칭 디바이스에 관한 것이며, 적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 통전 단자를 포함함 -; 및 상기 온도 감응 전류원이 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링되는 것 - 상기 감지 신호에 의해 표시되는 상기 온도는 상기 프리휠 다이오드에 관한 것이며, 적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 프리휠 다이오드의 상기 양극 또는 음극 통전 단자를 포함함 - 중 적어도 하나를 특징으로 하는, 파워 회로가 제공된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 파워 디바이스 회로의 개선된 모니터링, 예를 들어 고장이 임박했다는 경고를 하기 위해서, 예를 들어 파워 반도체 스위칭 디바이스 및/또는 파워 다이오드(예를 들어, 프리휠 다이오드)의 모니터링을 제공할 수 있다. 실시예들의 구체적인 장점은 예를 들어:
신뢰가능하고 정확하며, 저비용이고 편리하고, 컴포넌트 숫자가 적은 모니터링,
파워 회로를 가지는 칩 상에 추가적 외부 단자(예를 들어, 하나 이상의 핀)를 필요로 하지 않는 추가적 외부 단자(예를 들어, 하나 이상의 핀),
파워 회로의 스위칭 동작에 영향을 주지 않는 스위칭 동작,
디바이스 온도 및/또는 전류 정격 근처에서 또는 그를 넘는 디바이스 동작을 허용하는 모니터링,
파워 회로의 신뢰성 및/또는 수명을 개선하고, 및/또는 디바이스(예를 들어, 스위칭 디바이스 및/또는 다이오드) 고장 등이 발생하기 전에 보수 작업을 가능하게 하는 모니터링 중 임의의 하나 이상일 수 있다.
따라서, 실시예들은 일반적으로 IGBT와 같은 파워 스위칭 디바이스의 온도를 모니터링하기 위하여 온도-감응 전류원을 사용하고 및/또는 이러한 파워 스위칭 디바이스에 연결된 프리휠 다이오드의 온도를 모니터링하기 위하여 온도-감응 전류원을 사용할 수 있다. 임의의 이러한 전류원에는 예를 들어 JFET 전류원이 있을 수 있다. 감지 회로부는 일반적으로 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자와 병렬 연결되고, 예를 들어 이러한 디바이스의 게이트 단자에 직접 연결될 수 있다. 이러한 상기 온도-감응 전류원 각각은, 예를 들어 제 1 통전 단자(바람직한 실시예에서는 이미터 단자)에 전기적으로 연결될 수 있고, 일반적으로 각각의 모니터링된 디바이스, 즉 파워 스위칭 디바이스 또는 다이오드에 열적으로 커플링된다. 따라서, 감지 회로부는 구동 제어 라인에서 측정될 수 있는 감지 전류를 소싱(sourcing)하거나 싱킹(sinking)함으로써 상기/각각의 감지 신호를 제공할 수 있다. 바람직하게는(즉, 선택적으로), 온도는 모니터링된 디바이스의 P-N 정션의 온도이거나 적어도 이것을 반영한다.
용어와 관련하여, 본 명세서에서 임의의 '단자'라고 언급되는 것은 일반적으로 반도체 디바이스(일반적으로, 파워 스위칭 디바이스 또는 프리휠 다이오드)의 입력 또는/또는 출력 연결부일 수 있고, 외부 연결부(예를 들어, 칩의 본드 패드 및/또는 핀) 및/또는 칩의 내부 연결부(예를 들어, 반도체 칩의 소스, 드레인, 콜렉터, 이미터, 양극 또는 음극 디바이스 지역)를 포함할 수 있다. 다이오드를 스위칭 디바이스에 역병렬 연결한다는 것은 일반적으로, 다이오드의 양극 및 음극 단자가 스위칭 디바이스의 각각의 다른 통전 단자에 연결된다는 것, 예를 들어 npn 스위칭 디바이스의 이미터에 연결된 양극 단자 및 이러한 스위칭 디바이스의 콜렉터에 연결된 음극 단자를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 임의의 회로 '라인'이라고 언급되는 것은, 예를 들어 배선, 트랙 및/또는 단자를 포함할 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 파워 회로는, 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 제어 단자를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 디바이스 입력 라인으로 제공하도록 연결되는 구동 회로부로서, 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하도록 구성되는, 구동 회로부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 동작 상태는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 파워 스위칭 디바이스의 표시된 온도; 및 상기 파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우 상기 프리휠 다이오드의 표시된 온도 중 적어도 하나를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 임의의 하나 이상의 이러한 동작 상태는 바람직하게는 파워 스위칭 디바이스 또는 프리휠 다이오드의 온도의 값이다. 그러나, 구동 회로부는 대안적으로 이러한 온도가 임계 위인지 아래인지만을 결정하고, 및/또는 다른 동작 상태(들), 예컨대 파워 스위칭 디바이스를 통과하는 전류 및/또는 프리휠 다이오드를 통과하는 전류의 값(들)을 결정할 수도 있다. 본 명세서에서 임의의 임계 온도라고 언급되는 것은, 디바이스 정격, 예를 들어 IGBT 또는 프리휠 다이오드와 같은 디바이스에 해서는 125 ℃ 또는 175 ℃일 수 있고, 또는 이러한 정격에 기초하여, 예를 들어 정격의 +-5, 10 또는 15 ℃로 결정될 수도 있다.
구동 회로부는 파워 스위칭 디바이스가 언제 정적인지를 알 수 있는데, 그 이유는 구동 회로부가 언제 디바이스가 스위치 온->오프하도록 또는 그 반대를 하도록 능동적으로 제어하고 있는지를 알기 때문이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 구동 회로부는 구동 입력 라인을 모니터링하여 디바이스 통전 상태가 언제 천이 상태인지를 결정하고, 및/또는 미리 결정된 지연(들)을 구현하여, 파워 스위칭 디바이스가 온(오프) 상태로 유지되는, 바람직하게는 더 나아가 다이오드 전류가 안정하고, 예를 들어 정류가 진행중이지 않는 정적 기간 중에 모니터링이 발생되도록 보장할 수 있다. 이러한 미리 결정된 시간 지연은, 스위칭 이벤트(천이) 전 및 후의 예를 들어 10 - 15μs(더 많은 바람직하게는 12 - 13μS)일 수 있다 - 정상-상태 시간 기간이 보통 이보다 훨씬 크기 때문에, 이러한 지연(들)은 파워 회로의 성능에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다. 일반적으로, 동작 상태(들)가 결정되는 기초가 되는 감지 신호는, 그렇지 않으면 구동 입력 라인이 조용한, 예를 들어 안정한 전압 및/또는 실질적으로 제로 전류를 가질 때에 구동 입력 라인에서 수신된다.
이와 무관하게, 구동 회로부, 예를 들어 게이트 구동부는 파워 회로와는 별개로 또는 일체화되어 제공될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 감지 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되는 온도 감응 전류원 및 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링되는 온도 감응 전류원을 포함하고, 차단 다이오드들을 더 포함하며, 각각의 상기 감지 신호는 상기 온도 감응 전류원의 전류 흐름을 포함하고, 상기 차단 다이오드들 중 하나의 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로 가는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 차단 다이오드들 중 다른 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로부터 오는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되는, 파워 회로가 더 제공될 수 있다. 차단 다이오드를 이렇게 이용하면 상이한 감지 신호를 구별하는 것이 가능할 수 있다. 이것은, 감지 회로부가, 파워 스위칭 디바이스 감지 소자와 병렬 연결되는 다이오드 온도 감지 소자(예를 들어, 온도 감응 전류원)를 포함하고, 양자 모두의 소자가 동일한 구동 입력 라인에 연결되는 경우에 장점이 될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 감지 회로부는 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되는 온도 감응 전류원을 적어도 포함하고, 적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 감지 회로부는 온도 및 과전류(일반적으로, 임계 전류 값/ 크기보다 큰 전류)를 감지하기 위한 것이고, 상기 감지 회로부는,
상기 디바이스 제어 단자와 병렬 연결되는 온도 감응 전류원; 상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자와 직렬인 임피던스(일반적으로 적어도 하나의 저항); 및 상기 온도 감응 전류원으로부터 상기 임피던스로 가는 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 보조 이미터 단자로부터 상기 온도 감응 전류원으로 가는 전류 흐름을 허용하도록 구성되는 차단 다이오드를 포함하며, 상기 구동 입력 라인에 의하여 수신된 상기 감지 신호는 상기 온도 감응 전류원을 통과하는 전류를 표시하기 위한 것이고(바람직하게는, 감지 신호는 해당 전류를 포함함), 상기 차단 다이오드는, 상기 임피던스의 전압이 상기 차단 다이오드의 임계 전압에 의존하는 임계를 초과하거나 넘는 경우, 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 상기 전류 흐름이 상기 전류원의 출력 전류를 증가시키게 하도록 구성되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 따라서, 온도 감응 전류원이 JFET 전류원을 포함하는 경우, 전류 흐름은 JFET 게이트의 전압을 증가시키고 및/또는 JFET 드레인 전류를 증가시킬 수 있다.
본 명세서에서 언급된 임의의 형태의 과전류 모니터링에 대하여, 장점은 고속 단락 회로 검출일 수 있고, 바람직하게는 손상을 피하거나 제한하기 위한 조치가 가능해진다.
또한, 파워 회로로서, 상기 감지 회로부는 온도 및 과전류를 감지하기 위한 것이고, 상기 감지 회로부는, 상기 디바이스 제어 단자와 병렬 연결되는 온도 감응 전류원(예를 들어 앞서 제안된 것과 같은 JFET 전류원); 상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자와 직렬인 임피던스(일반적으로는 적어도 하나의 저항); 및 상기 임피던스에 연결된 스위치 제어 단자를 가지는 스위치로서, 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 전류가 상기 임피던스의 전압을 임계 전압보다 높아지게 하는 경우 턴온되도록 구성되는, 스위치를 포함하고, 상기 구동 입력 라인은 상기 온도 감응 전류원을 통과하는 전류에 의존하는(예를 들어, 포함하는) 상기 감지 신호 및 상기 스위치를 통과하는 전류에 의존하는(예를 들어, 포함하는) 과전류 감지 신호를 수신하도록 연결되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 스위치는 BJT(바이폴라 정션 트랜지스터)를 포함할 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 스위치는, 턴온되면, 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 제 2 디바이스 통전 단자로 가는 전류를 감소시키게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자를 방전시키도록 구성되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 따라서, 스위치, 예를 들어 BJT는 실시예에서, 적어도 파워 스위칭 디바이스의 제어 단자 커패시턴스, 예를 들어 IGBT 게이트-이미터 커패시턴스를 방전시키기 시작하여, 전류 제한 효과를 일으킬 수 있다. 임의의 이러한 전류 감소는, 단락 회로 성능이 보장되지 않는 SiC MOSFET과 같은 파워 스위칭 디바이스의 경우에 유용할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 파워 회로로서, 프리휠 다이오드로서, 비-차단 상태일 경우, 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한, 프리휠 다이오드; 및 상기 프리휠 다이오드의 상기 통전 단자에 연결되고, 상기 프리휠 다이오드의 연결된 통전 단자의 전압에 의존하는 감지 신호를 제공하기 위한, 감지 회로부를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 이러한 파워 회로는, 다이오드 양극, 다이오드 음극 및 감지 회로부 출력에 각각 연결되기 위한 적어도 세 개의 외부 단자를 가지는 칩의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 칩은 단순히 프리휠 다이오드를 포함하는 종래의 칩 컴포넌트 대신에 사용될 수 있다. 추가적으로, 이러한 칩은 상세히 후술되는 바와 같은 역병렬 파워 스위칭 디바이스 및/또는 구동 회로부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 동작 상태 - 바람직하게는(즉, 선택적으로) 다이오드를 통과하는 전류 및/또는 다이오드의 온도 -는 파워 스위칭 디바이스의 제어 단자를 구동하기 위한 구동 라인, 예를 들어 IGBT 게이트로 가는 구동 라인에서 수신된 감지 신호를 이용하여 결정될 수 있다. 일반적으로, 감지 회로부는 다이오드에 열적으로 커플링되고, 표시된 온도는 바람직하게는 다이오드의 P-N 정션 온도이거나 이것을 적어도 반영한다. 바람직한 실시예에서, 감지 회로부는 다이오드의 양극 통전 단자에 연결된다. 감지 신호는 바람직하게는 양극의 전압에 의존하는 전류를 포함한다. 동작 상태가 다이오드 온도에 관련되는 경우, 감지 회로부는 일반적으로 다이오드에 열적으로 커플링되고, 온도는 바람직하게는 다이오드의 p-n 정션 온도이거나 이것을 적어도 반영한다.
또한, 파워 회로로서, ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스 - 상기 프리휠 다이오드는 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 커플링됨 -; 및 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자(예를 들어 게이트 지역)에 연결되는 구동 입력 라인을 포함하고, 상기 구동 입력 라인은 상기 감지 신호를 수신하도록 더욱 구성되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이러한 스위칭 제어는 일반적으로 파워 스위칭 디바이스의 제어 지역, 예를 들어 게이트 지역의 전압을 포함함으로써 수행된다. 역병렬 연결은 다시 말하건대 일반적으로 다이오드 양극 및 음극 단자가 파워 스위칭 디바이스의 상이한 각각의 통전 단자, 예를 들어 IGBT 이미터 및 콜렉터에 각각 연결된다는 것을 의미한다.
또한, 상기 파워 회로는, 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 제어 단자를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 디바이스 입력 라인으로 제공하도록 연결되는 구동 회로부를 포함하고, 상기 구동 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 감지 회로로부터 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여, 상기 프리휠 다이오드의 적어도 하나의 동작 상태(바람직하게는 전류 및/또는 온도의 하나 이상의 값)를 결정하도록 구성되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이러한 구동 회로부, 예를 들어 게이트 구동부는 파워 회로와는 별개로 또는 일체화되어 제공될 수 있다.
전술된 바와 같이, 구동 회로부는 파워 스위칭 디바이스가 언제 정적인지를 알 수 있는데, 그 이유는 구동 회로부가 언제 파워 스위칭 디바이스가 스위치 온->오프하도록 또는 그 반대를 하도록 능동적으로 제어하고 있는지를 알기 때문이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 구동 회로부는 구동 입력 라인을 모니터링하여 파워 스위칭 디바이스 통전 상태가 언제 천이 상태인지를 결정하고, 및/또는 미리 결정된 지연(들)을 구현하여, 파워 스위칭 디바이스가 온(오프) 상태로 유지되는, 바람직하게는 더 나아가 다이오드 전류가 안정하고, 예를 들어 정류가 진행중이지 않는 정적 기간 중에 모니터링이 발생되도록 보장할 수 있다. 일반적으로, 동작 상태(들)가 결정되는 기초가 되는 감지 신호는, 그렇지 않으면 구동 입력 라인이 조용한, 예를 들어 안정한 전압 및/또는 실질적으로 제로 전류를 가질 때에 구동 입력 라인에서 수신된다.
또한, 파워 회로로서, 상기 적어도 하나의 동작 상태는, 상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우 상기 프리휠 다이오드의 온도 - 상기 감지 회로부는 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링됨 -; 및 상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로 가는 전류의 값 중 적어도 하나를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 다시 말하건대, 정적 상태(들)는 전류 구동 회로부 동작에 대한 지식, 구동 입력 라인의 모니터링 및/또는 알려진 지연(들)의 사용에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 파워 회로는 상기 프리휠 다이오드를 포함하는 칩을 포함하고, 상기 칩은 상기 칩의 외부 단자인 보조 통전 단자를 포함하고, 상기 감지 회로부에 연결된 프리휠 다이오드 통전 단자는 상기 보조 통전 단자이며, 칩은 바람직하게는 감지 회로를 더 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 감지 회로부는 예를 들어 단일 보조 양극과 감지 단자 사이에 연결된 전류 미러를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 임의의 전류 미러라고 언급되면, 미러는 미러링, 즉 전류의 복제를 위한 임의의 회로일 수 있다. 복제 전류는 일반적으로 복제될 전류를 가지는 경로에 병렬인 경로에서 생성된다. 복제 전류는, 예를 들어 복제될 전류에 비례하고, 예를 들어 그 전류의 일부 또는 그 배수일 수 있다. 일반적으로, 전류 미러는 연결된 게이트가 있는 두 개의 FET 트랜지스터, 또는 연결된 기초 지역이 있는 두 개의 BJT 트랜지스터를 포함할 수 있다. (BJT 전류 미러는, 복제될 전류를 통전시키는 BJT의 베이스-이미터 정션 전압(일반적으로 약 0.7 V)을 극복할 필요성 때문에, 실시예에서의 과전류 모니터링에서 사용되는 데에 있어서 더 많은 관심을 받을 수 있다).
이와 유사하게, 적어도 하나의 다이오드 칩을 수용하는 다이오드 패키지는 적어도 세 개의 단자를 가질 수 있다. 바람직하게는 표면 실장을 위한 이러한 패키지는 SOIC 또는 TO 패키지와 같은 플라스틱 또는 금속 패키지일 수 있다.
또한, 상기 감지 회로부는 온도 감응 저항을 포함하고, 상기 감지 신호는 상기 온도 감응 저항을 통과하는 전류를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 본 명세서에서 언급되는 임의의 다른 이러한 저항과 같이, 온도 감응 저항은 일반적으로 적어도 안정한 온도에 있는 동안은 옴 저항일 수 있다. 전술된 구동 회로부는, 프리휠 다이오드가 정적 상태에 있을 경우, 일반적으로 더 나아가 연관된 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우, 온도 감응 저항을 통과하는 전류에 기초하여 다이오드의 동작 상태를 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 감지 회로부는 상기 프리휠 다이오드를 통과하는 전류를 미러링하기 위한 전류 미러를 포함하고, 상기 감지 신호는 상기 전류 미러를 통과하는 전류에 의존하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이와 유사하게 전술된 바와 같이, 전류 미러는 예를 들어 단일 보조 양극과 감지 단자 사이에 연결될 수 있다.
또한, 상기 감지 회로부는 상기 프리휠 다이오드의 통전 단자에 연결된 온도 감응 전류원, 예를 들어 JFET 전류원을 포함하고, 상기 감지 신호는 상기 온도 감응 전류원을 통과하는 전류에 의존하는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
또한, 상기 파워 회로는, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 통전 단자(예를 들어 이미터 또는 보조 이미터)에 연결되고, 상기 파워 스위칭 디바이스의 동작 상태(예를 들어, 전류 및/또는 온도의 적어도 하나의 값)를 표시하기 위한 감지 신호를 상기 구동 입력 라인에 제공하기 위한 추가적 감지 회로부를 포함하고, 상기 프리휠 다이오드에 연결된 상기 추가적 감지 회로부 및 상기 감지 회로부는 차단 다이오드를 각각 포함하며, 각각의 상기 감지 신호는 전류 흐름을 포함하고, 상기 차단 다이오드들 중 하나의 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로 가는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 차단 다이오드들 중 다른 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로부터 오는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이러한 관점에서, 상이한 센서들로부터 오는 신호의 구별은, 센서들이 병렬이지만 반대 방향으로 연결될 경우, 예를 들어 음의 전압에 대해서 다이오드를 그리고 양의 전압에 대해서 IGBT를 연결하는 경우 이루어질 수 있다는 것에 주의한다. 특히, 일 실시예에서 차단 다이오드를 이용하면 상이한 감지 신호를 구별하는 것이 가능할 수 있다. 이것은, 감지 회로부가, 파워 스위칭 디바이스 감지 소자와 병렬 연결되는 다이오드 감지 소자(예를 들어, 온도 감응 전류원)를 포함하고, 양자 모두의 소자가 동일한 구동 입력 라인에 연결되는 경우에 장점이 될 수 있다. 차단 다이오드는, 예를 들어 예를 들어 온도 감응) 전류원과 직렬로 및/또는 감지 회로부 및/또는 추가적인 감지 회로부의(예를 들어 온도 감응) 저항과 직렬로 연결될 수 있다. 추가적 감지 회로부는 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자와 병렬로 및/또는 디바이스 입력 라인에 직접 연결될 수 있다. 추가적 감지 회로부에 의해 감지 신호를 제공하는 것은, 감지 전류를 싱킹하거나 소싱하는 추가적 감지 회로부를 수반할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 파워 회로로서, 상기 파워 회로는,
ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스 - 상기 파워 회로는, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 통전 단자에 연결되는 감지 회로부를 포함하고, 상기 감지 회로부는 상기 제 1 상기 디바이스 통전 단자로부터 상기 제 2 상기 디바이스 통전 단자로 가는 상기 전류를 표시하기 위한 감지 신호를 제공하기 위한 것임 -; 및
상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결되는 구동 입력 라인을 포함하고, 상기 구동 입력 라인은 상기 감지 신호를 수신하도록 더욱 구성되는, 파워 회로가 제공된다.
따라서, 메인 파워 스위칭 디바이스 전류, 예를 들어 메인 IGBT 전류는, 예를 들어 디바이스의 게이트 단자를 구동하기 위해서 구동 입력 라인에 연결된 구동 회로부(예를 들어, 게이트 구동부)를 사용하여 감지되고 모니터링될 수 있다. 이러한 구동은 일반적으로 라인의 전압을 제어한다. 감지된 메인 전류는 적합한 경우에 따라, 파워 스위칭 디바이스의 드레인과 소스, 또는 콜렉터와 이미터 사이에서 흐를 수 있다. 전류 표시는 메인 전류의 값 및/또는 크기를 표시할 수 있다. 감지 신호는 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자와 병렬 연결될 수 있는 감지 회로부에 의해 소싱되거나 싱킹되는 감지 전류일 수 있다. 감지 회로부의 한쪽 단부는 파워 스위칭 디바이스의 구동 입력 라인 및/또는 예를 들어 제 1 통전 단자(예를 들어 이미터)에 직접적으로 연결될 수 있다. 일 실시예는 보조 파워 스위칭 디바이스, 예를 들어 IGBT의 통전 단자에 흐르는 전류를 미러링(그 전류의 적어도 실질적으로 고정된 비율을 미러링)하기 위하여 전류 미러를 사용할 수 있다. 따라서, 디바이스를 통과하는 전류는, 바람직하게는 파워 스위칭 디바이스가 안정한 온 상태에 있을 경우(예를 들어 전류를 드레인과 소스 사이 또는 콜렉터와 이미터 사이에서 통전하는 경우) 또는 안정한 오프 상태에 있는 경우, 일반적으로 적어도 디바이스의 제어 단자의 제어 전압이 안전한 경우에 모니터링될 수 있다. 바람직하게는(즉, 선택적으로), 미러링은 과전류 검출과 결합되어 임계 전류보다 높은 전류가 파워 스위칭 디바이스를 통과하는 것을 검출한다.
또한, 상기 파워 회로는, 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 제어 단자를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 디바이스 입력 라인으로 제공하도록 연결되는 구동 회로부를 포함하고, 상기 구동 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하도록 구성되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 이러한 구동 회로부, 예를 들어 게이트 구동부는 파워 회로와는 별개로 또는 일체화되어 제공될 수 있다. 동작 상태(들)는 파워 스위칭 디바이스, 선택적으로 또한 추가적 감지 회로부가 제공되는 경우 연관된 프리휠 다이오드의 전류 및/또는 온도의 하나 이상의 값을 포함할 수 있다. 다시 말하건대, 정적 상태(들)는, 다른 양태에 관련하여 전술된 바와 같이 전류 구동 회로부 동작에 대한 지식, 구동 입력 라인의 모니터링 및/또는 알려진 지연(들)의 사용에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 동작 상태는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 가는 전류의 값, 예를 들어 크기를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 제 1 디바이스 통전 단자 또는 제 2 디바이스 통전 단자는 이미터 단자이고, 상기 파워 스위칭 디바이스는 보조 이미터 단자를 포함하며, 상기 감지 회로부에 연결된 디바이스 통전 단자(예를 들어, 제 1 통전 단자)는 상기 보조 이미터 단자이고; 상기 감지 회로부는 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 전류를 미러링하도록 연결된 전류 미러를 포함하며,
상기 감지 회로부는 상기 전류 미러를 통과하는 전류에 의존하여 상기 감지 신호를 생성하기 위한 것인, 파워 회로가 제공될 수 있다. 따라서, 메인 IGBT 전류를 감지하기 위하여 보조 이미터 단자가 사용될 수 있고, 메인 IGBT 전류는 이제 구동 회로부에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 파워 회로는, 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결되는 프리휠 다이오드를 더 포함하고, 상기 프리휠 다이오드는, 비-차단 상태일 경우(일반적으로 다이오드가 양극으로부터 음극으로 전류를 통전하도록 다이오드 양단에 전압을 가짐), 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 것이며, 상기 파워 회로는, 상기 프리휠 다이오드의 상기 통전 단자(예를 들어 양극)에 연결되고, 상기 프리휠 다이오드의 연결된 통전 단자의 전압에 의존하여 감지 신호(예를 들어, 소싱되거나 싱킹된 감지 전류)를 제공하기 위한, 추가적 감지 회로부; 및 상기 추가적 감지 회로부로부터 상기 감지 신호를 수신하도록 구성되는 구동 입력 라인을 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에서는 IGBT 및 연관된 프리휠 다이오드 양자 모두가 모니터링될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 구동 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 추가적 감지 회로부로부터 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태(적어도 하나의 전류 및/또는 온도)를 결정하도록 구성되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 감지 회로부를 통과하는 감지 전류 및/또는 추가적 감지 회로부를 통과하는 감지 전류는 동일한 또는 각각의 동작 상태(들)를 결정하기 위하여 사용될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 통전 단자에 연결되기 위한 상기 감지 회로부 및 상기 추가적 감지 회로부는 차단 다이오드를 각각 포함하고, 각각의 상기 감지 신호는 전류 흐름을 포함하며, 상기 차단 다이오드들 중 하나의 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로 가는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 차단 다이오드들 중 다른 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로부터 오는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 감지 신호/전류는 동일한 구동 입력 라인에서 수신되더라도 구별될 수 있다. 각각의 차단 다이오드는(예를 들어 온도 감응) 전류원 또는 연관된 감지 회로부의(예를 들어 온도 감응) 저항과 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 상기 감지 신호에 의한 전류 표시는 상기 파워 스위칭 디바이스의 과전류 상태를 표시하고, 상기 감지 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자와 직렬인 임피던스(일반적으로 적어도 하나의 저항을 포함함); 및 상기 임피던스에 연결된 스위치 제어 단자를 가지는 스위치로서, 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 전류가 상기 임피던스의 전압을 임계 전압보다 높아지게 하는 경우, 턴온되도록 구성되는, 스위치를 포함하며, 상기 구동 입력 라인은 상기 스위치를 통과하는 전류에 의존하는(예를 들어, 포함하는) 상기 감지 신호를 수신하도록 연결되는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
또한, 전술된 임의의 양태의 파워 회로로서, 상기 감지 회로부, 예를 들어 온도 감응 저항은 상기 감지 회로부에 연결된 통전 단자에 0.5-10 kΩ의 임피던스를 제공하고, 상기 임피던스를 가지는 상기 감지 회로부는 상기 추가적 감지 회로부일 수 있는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
또한, 전술된 임의의 양태의 파워 회로로서, 상기 디바이스 제어 단자는, 산화층을 선택적으로 가지는 전기적 절연 게이트 단자인, 파워 회로가 제공될 수 있다.
또한, 파워 회로로서, 파워 스위칭 디바이스는 통전 단자로서 콜렉터 및 이미터를 가지는 IGBT이거나, 드레인 및 소스 통전 단자를 가지는 MOSFET(예를 들어 SiC MOSFET), 파워 JFET 또는 HEMT일 수 있는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 따라서, 파워 스위칭 디바이스는 전압-제어 디바이스일 수 있고, 제어 단자(예를 들어, 게이트)는 바람직하게는 절연 층, 예를 들어 산화층을 가져서 일반적으로 용량성이다. 이러한 디바이스 제어 단자에 연결된 구동 입력 라인은 제어 단자의 전압을 제어함으로써 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 파워 스위칭 디바이스는 n 또는 p 극성일 수 있고, 예를 들어 n-채널 또는 p-채널 디바이스이거나, npn 또는 pnp 반도체 정션 배치구성을 포함할 수 있다.
또한, 상기 파워 회로는 상기 파워 스위칭 디바이스를 포함하는 반도체 칩의 형태이고, 상기 감지 회로부 및 구동 입력 라인은 상기 반도체 칩에 각각 통합되며, 상기 반도체 칩은 선택적으로 상기 추가적 감지 회로부를 더 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다. 대안적으로, 상기 파워 회로는 상기 파워 스위칭 디바이스를 포함하는 반도체 칩을 포함하고, 상기 감지 회로부는 상기 반도체 칩의 표면에 접합되며, 상기 파워 회로는 선택적으로 바람직하게는 상기 표면에 접합된 상기 추가적 감지 회로부를 포함하는, 파워 회로가 제공될 수 있다.
프리휠 다이오드는 일반적으로 연관 IGBT 칩과는 별개의 칩에 제공되고, 즉 IGBT와 동일한 칩에 통합되지 않을 수 있다. 그러므로 멀티-칩 파워 모듈은, 단일 스위치 소자에 대하여, 하나 이상의 다이오드 칩과 역병렬로 연결된 하나 이상의 IGBT 칩을 포함할 수 있다.
그러나, 파워 스위칭 디바이스가 실시예들에서 소위 "역통전형(reverse-conducting)" IGBT(RC-IGBT, 또한 BiGT라고 알려짐)일 수 있다는 것에 주의한다. 이러한 디바이스의 역통전 능력은 실질적으로 IGBT 칩 내에 프리휠 다이오드 기능성을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예들에서, 이러한 파워 스위칭 디바이스는, 프리휠 다이오드-관련 특징이 이러한 경우에는 필요하지 않다는 점을 고려하면 완성된다는 것에 주의하면서, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 임의의 다른 IGBT와 동일하게 취급되는 것이 바람직하다.
또한, 전술된 양태 중 하나 이상에 따르며 전술된 선택적인 특징 중 임의의 하나 이상을 가지는 파워 회로가 제공될 수 있다. 파워 회로는 하나 이상의 칩, 예를 들어 절연 기판에 접합되고(예를 들어, 솔더되거나 소결됨) 도전 층이 칩들 사이에 전류를 분산시키기 위해서 맨 위에 위치된 베어(bare) 파워 스위칭 디바이스(예를 들어, IGBT) 및/또는 다이오드 칩을 포함할 수 있다. 다소 열악한 실시예에서는, 파워 회로는 SOIC 또는 TO 패키지와 같은 플라스틱 또는 금속 패키지 내에 하우징될 수 있다 -파워 회로는 표면 실장 부품으로서 제공될 수 있다. 일반적으로 말하면, 칩 또는 이러한 칩을 하우징하는 패키지(일반적으로 플라스틱 및/또는 표면 실장용 패키지), 예를 들어 IGBT 패키지로서 제공된 종래의 파워 스위칭 디바이스 및/또는 파워 다이오드와 비교할 때, 이러한 파워 회로는 어떤 추가적인 외부 단자도 필요로 하지 않을 수 있다. 그러므로, 파워 회로 실시예는 종래의 파워 스위칭 디바이스 및/또는 다이오드 패키지를 편리하게 대체할 수 있게 하는 형태로 제공될 수 있다. 칩/패키지의 단일 외부 단자, 예를 들어 게이트 단자가, 파워 스위칭 디바이스 및/또는 다이오드의 하나 이상의 동작 파라미터, 예를 들어 T 및/또는 I를 모니터링하기 위하여 사용될 수 있다.
하나의 모듈은 하나 이상의 파워 스위칭 디바이스를 포함할 수 있고, 예를 들어 멀티-칩 모듈일 수 있는 단일 파워 스위칭 디바이스를 포함할 수 있다. 다수의 디바이스를 포함하는 모듈은 2 개(4 개)의 이러한 디바이스를 가지는 하프-(풀-) 브릿지 회로, 또는 6 개의 파워 스위칭 디바이스를 가지는 삼상 브릿지 회로를 제공할 수 있는데, 모듈은 선택적으로 상기/각각의 이러한 디바이스와 연관된 프리휠 다이오드와 관련된다. 각각의 파워 스위칭 디바이스는 이러한 연관된 프리휠 다이오드와 동일한, 또는 상이한 칩에 제공될 수 있다. 예를 들어, DC-DC 변환을 위한 일부 초퍼(chopper)는 별개의 IGBT 및 다이오드 칩을 가질 수 있다.
바람직한 실시예는 전술된 양태 중 임의의 양태의 적어도 하나의 파워 회로를 포함하는 멀티-칩 모듈로서, 상기 멀티-칩 모듈은 각각의 상기 파워 회로의 상기 파워 스위칭 디바이스를 각각 포함하고, 상기 멀티-칩 모듈은, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자(일반적으로는 그 전압)를 제어함으로써 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록 구성되는 모듈 구동 회로(예를 들어, 게이트 구동부)를 포함하고, 상기 모듈 구동 회로는 각각의 상기 파워 회로의 구동 회로부를 포함하며, 상기 모듈 구동 회로는, 상기 적어도 하나의 파워 회로의 각각의 구동 입력 라인으로부터 적어도 하나의 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 멀티-칩 모듈의 적어도 하나의 동작 상태를 각각의 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 결정하도록 구성되는, 멀티-칩 모듈이다. 각각의 이러한 반도체 칩은 파워 스위칭 디바이스와 병렬 연결되는 프리휠 다이오드를 더 포함할 수 있다. 동작 상태(들)는 하나 이상의 전류 및/또는 온도 값(들), 및/또는 이러한 전류 및/또는 온도 값(들)의 평균 및/또는 합을 포함할 수 있다.
전류 및/또는 과전류 검출이 이러한 멀티-칩 모듈에서 구현되는 경우, 총 구동 회로부 전류는 메인 칩 전류의 합산에 단순히 비례하고, 예를 들어 총 모듈 (과)전류의 함수일 수 있다. 온도의 경우, 총 구동 회로부 전류(예를 들어, IGBT(들)의 경우 양수이고 각각의 프리휠 다이오드(들)의 경우 음수임)는 칩 온도의 종합 및/또는 평균에 비례할 수 있다.
또한, 멀티-칩 모듈로서, 상기 모듈 구동 회로는 임의의 상기 추가적 감지 회로부로부터 상기 감지 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 모듈 구동 회로는 상기 프리휠 다이오드를 포함하는 각각의 상기 파워 회로로부터 상기 구동 입력 라인에 수신된 각각의 상기 감지 신호에 기초하여 상기 적어도 하나의 동작 상태를 결정하기 위한 것인, 멀티-칩 모듈이 제공될 수 있다. 동작 상태(들)는 프리휠 다이오드에 대한 하나 이상의 전류 및/또는 온도 값(들), 및/또는 이러한 전류 및/또는 온도 값(들)의 평균 및/또는 합을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 파워 회로의 파워 스위칭 디바이스를 구동하기 위한 구동 회로부로서, 상기 구동 회로부는 디바이스의 스위칭을 제어하도록 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결되기 위한 것이고, 상기 구동 출력 라인은 적어도 하나의 감지 신호를 더욱 수신하기 위한 것이며, 상기 구동 회로부는 상기 적어도 하나의 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하기 위한 것이고, 상기 동작 상태는:
상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우, 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 1 통전 단자로부터 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 2 통전 단자로 가는 전류;
상기 파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결되는 상기 프리휠 다이오드의 온도; 및
상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 프리휠 다이오드의 양극으로부터 상기 프리휠 다이오드의 음극으로 가는 전류 - 상기 프리휠 다이오드는 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결됨 - 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 적어도 하나의 동작 상태는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 파워 스위칭 디바이스의 온도를 더 포함하는 것이 바람직한, 구동 회로부가 제공된다.
또한, 파워 회로로서, 이러한 구동 회로부를 포함하고, 파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 파워 회로는 바람직하게는 전술된 양태들 중 임의의 하나 이상에서 규정된 바와 같은, 파워 회로가 제공될 수 있다.
바람직한 실시예의 전술된 양태들 중 임의의 하나 이상 및/또는 위의 전술된 선택적, 즉 바람직한 피쳐 중 임의의 하나 이상은 임의의 순서로 결합될 수도 있다. 더욱이, 전술된 장치 중 임의의 것은 대응하는 방법으로서 제공될 수도 있다.
본 발명을 더 잘 이해하게 하고 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 보여주기 위하여, 예를 통해서 첨부 도면을 참조할 것이다:
도 1 은 디바이스 거동을 측정하기 위하여 전류를 사용하는, 일 실시예의 동작의 원리를 보여준다;
도 2 의 (a)는 IGBT 온도 감지 전류원을 가지는 예시적인 파워 회로를 보여준다;
도 2 의 (b)는 IGBT 온도 감지 저항을 가지는 예시적인 파워 회로를 보여준다;
도 3 의 (a)는 다이오드 온도 감지 전류원을 가지는 예시적인 파워 회로를 보여준다;
도 3 의 (b)는 다이오드 온도 감지 저항을 가지는 파워 회로의 일 예를 보여준다;
도 4 는 보조 IGBT 셀을 사용하는 선행 기술의 온-칩 전류 센서를 도시한다;
도 5 는 IGBT 온-상태 전류의 전류 미러 측정을 가지는 예시적인 파워 회로를 보여준다;
도 6 은 JFET 전류원을 보여준다;
도 7 은 CLD20B 전류 제한 다이오드에 대한 I-V 곡선을 보여준다;
도 8 은 차단 다이오드가 있는 단방향성 전류원을 포함하는 감지 회로부를 가지는 예시적인 파워 회로를 보여준다;
도 9 는 감지 회로부가 과전류 검출을 포함하도록 수정된 전류원을 포함하는, 예시적인 파워 회로를 보여준다;
도 10 은 크게 증가한 게이트 전류를 공급하기 위하여 별개의 과전류 검출 회로를 사용하는 파워 회로의 일 예를 보여준다;
도 11 은 칩 레벨에서 파워 회로의 더 상세한 예를 개략적으로 보여준다;
도 12 는 전류 출력, 저항성 온도 센서 및/또는 전류 센서를 제공할 수 있는 방법들의 예시적인 조합을 보여준다;
도 13 은 예를 들어 도 12 의 구현형태로부터 네 개의 측정을 유도하기 위하여 사용되는 전류-전압 의존성의 일 예를 보여준다;
도 14 는 정적 게이트 전류에 대한 예시적인 측정 타이밍의 예시적인 요약을 보여준다;
도 15 는 통상적인 IGBT 게이트 구동부의 형태인 구동 회로부를 도시한다(도 15 는 또한 GATE로 명명된 구동 입력 라인을 통해서 게이트 구동부의 출력 스테이지에 의해 구동되는 IGBT를 보여준다);
도 16 은, 이러한 예에서는 컨버터인, 풀-브리지 회로를 포함하는 통상적인 파워 컨버터를 도시한다. 본 발명의 실시예(들)는 파워 스위칭 디바이스(U1 - U4) 및/또는 프리휠 다이오드(D1 - D4) 중 임의의 하나 이상을 모니터링하도록 구현될 수 있으며, 이러한 모니터링은 임의의 하나 이상의 게이트 구동부의 형태인 구동 회로부에 의해서 수행되는 것이 바람직하다;
도 17 은 파워 회로(1a… 1n)의 파워 스위칭 디바이스를 구동하도록 구성되는 모듈 구동 회로(53)를 포함하는 예시적인 멀티-칩 모듈을 도시한다. 모듈 구동 회로의 구동 출력/입력 라인은 각각의 파워 회로에 대한 각각의 라인 또는 모든 파워 회로에 대한 이러한 단일 라인을 포함할 수 있다. 일반적으로, 병렬 칩은 제어/감지 라인을 공유하여, n은 2 이거나(콜렉터 감지 단자를 제외함) 또는 3 일 수 있다(콜렉터 감지 단자를 포함함). 단일 스위치 소자를 이루도록 병렬 연결된 파워 스위칭 디바이스 칩들의 경우, 이들은 모두 단일 세트의 구동 단자를 공유할 수 있고, 즉 하나의 콜렉터 감지 단자, 하나의 게이트 및 하나의 이미터 감지 단자가 이들 사이에서 공유된다. 이러한 경우에, 모듈 구동 회로의 구동 출력/입력 라인은 다수의 파워 회로에 대해 공통인 라인일 수 있다. 각각의 파워 회로는 파워 스위칭 디바이스에 추가하여 프리휠 다이오드를 포함할 수 있다.
도 18 은 예시적인 컴퓨팅 장치를 도시하는데, 그 임의의 하나 이상의 소자는 일 실시예에서, 수신된 감지 신호(들)에 기초하여 적어도 하나의 동작 상태를 결정하기 위하여 예를 들어 게이트 구동부 또는 모듈 구동 회로 내에 존재할 수 있다.
파워 디바이스의 고장은 가끔 디바이스의 동작을 모니터링함으로써, 예를 들어 예상치 못한 디바이스 동작을 모니터링함으로써 예측가능하다. 이러한 관점에서, 본 발명의 실시예는 파워 스위칭 디바이스(예를 들어 IGBT) 및/또는 플라이휠 다이오드의 파워 반도체 디바이스 정션 온도 및/또는 전류 감지 기능을 제공할 수 있다. 일 실시예의 온도 및/또는 전류 센서 회로부는 파워 디바이스 칩의 전류 및/또는 정션 온도를 직접적으로 측정할 수 있다. 따라서, 감지 기능은 바람직하게는(즉 선택적으로) 온-칩 측정에 의하여 제공된다.
실시예의 예시적인 장점(들)은 게이트 구동부 회로부 레벨에서 모든 컨버터 스위칭 사이클에 대한 전류(들) 및/또는 온도(들)에 대한 정보를 알고 있는 것을 포함한다. 예를 들어, 구동 회로부에 있는 데이터는 얼마나 큰 전류가 부하를 통과하고 있는지에 대한 실시간 정보를 알게 할 수 있다. 그러면 예를 들어 홀 센서 및/또는 저항성 션트에 대한 필요성이 줄어들 수 있는데, 이것들은 그렇지 않으면 컨버터 레벨에서, 예를 들어 부하로 가는 케이블에 구현될 수 있다. 이와 유사하게, 파워 스위칭 디바이스와 직렬인 로고스키(Rogowski) 코일 또는 인덕터 및, 예를 들어 콜렉터 전류를 측정하기 위한, 정확도에 영향을 줄 수 있는 연관된 신호 집적부에 대한 필요성이 줄어들 수 있다.
구동 회로부로부터의 온도 및/또는 전류 데이터는 주기적으로, 예를 들어 매 20us 이상의 간격으로 중앙 제어기로 전송될 수 있다. 그러면, 중앙 제어기는 예를 들어 모니터링된 디바이스가 얼마나 가혹하게 구동되는지, 예를 들어 디바이스의 전류 및/또는 온도 정격 아래 또는 위에서 구동되는지를 결정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 중앙 제어기는 장래의 성능, 고장, 또는 수명을 예측하기 위하여 하나 이상의 파워 회로를 모니터링할 수 있다.
일 실시예에서 감지하는 것은 파워 스위칭 디바이스 칩 및 다이오드 칩 양자 모두에, 및/또는 파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드 양자 모두를 가지는 칩에 적용가능할 수 있다. 감지 기능을 가지는 일 실시예는 단일 또는 멀티-칩 파워 모듈에 구현될 수 있다. 이러한 관점에서, 실시예들은 본 명세서에서 이러한 파워 스위칭 디바이스로서 IGBT를 참조하여 일반적으로 설명 및/또는 예시된다. 그러나, 실시예들은 임의의 전압-구동 절연 게이트 디바이스, 예를 들어 MOSFET, 파워 JFET 또는 HEMT에도 동일하게 적용될 수 있다. 임의의 실시예의 감지 회로부는 디바이스 칩의 표면, 예를 들어 상단면 내에 구현되거나, 칩이 파워 스위칭 디바이스 및/또는 플라이휠 다이오드를 가지는지 여부에 따라서 별개로 제작된 후 이러한 표면에 접합될 수 있다.
실시예들은 하나 이상의 전류 출력부를 가지는 디바이스 칩 상에 온도 및/또는 전류 센서를 통합할 수 있고, 즉 전류 출력부(들)는 자신을 통과하고 파워 디바이스(스위칭 디바이스 또는 다이오드)의 온도 및/또는 메인 전류에 따라 달라지는 전류를 각각 가진다. 이러한 전류는 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자, 예를 들어 게이트 단자(예를 들어, IGBT 게이트 단자)로부터 인출될 수 있다. 전류는 구동 회로부(예를 들어, IGBT와 같은 파워 스위칭 디바이스의 제어 디바이스 스위칭부로 게이트 전압을 제공하기 위한 게이트 구동부) 내에서 쉽게 측정될 수 있다. 바람직하게는, 이것은 디바이스 칩으로의 별개의 연결이 없이 획득될 수 있다. 이러한 실시예는 고전력 멀티-칩 디바이스 모듈 및 게이트 구동부에서 쉽게 구현될 수 있다.
예시적인 실시예들은 다음 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 디바이스 온도를 측정하기 위하여 파워 스위칭 디바이스, 예를 들어 IGBT의 게이트-이미터 커패시턴스(일반적으로 산화물)와 병렬로 배치된 온도-감응 저항(도 2 의 (b));
- 디바이스 온도를 측정하기 위하여 프리휠 다이오드 칩에 추가된 추가적인 온도 감지 단자와 병렬로 배치된 온도-감응 저항(도 3 의 (b));
- 파워 스위칭 디바이스, 예를 들어 IGBT의 보조 이미터에 추가된 전류 미러. 디바이스를 통과하는 메인-전류를 측정하기 위하여, 디바이스 전류 이미터의 출력은 디바이스 게이트에 연결될 수 있다(도 5);
- 다이오드를 통과하는 전류를 측정하기 위하여 프리휠 다이오드 칩에 추가된 전류 미러.
장점(들)을 고려하면, 일 실시예에서의 온도 감지 기능은 파워 디바이스 정션 온도를 복잡한 알고리즘 및/또는 측정하기 힘든 온도-감응 전기 파라미터를 사용하여 추정할 필요가 없이 직접적으로 측정할 수 있다. 이러한 실시예(및/또는 다른) 실시예는 컨버터가 더 높은 부하에서 동작될 수 있게 함으로써 파워 컨버터 정격/성능을 개선시킬 수 있고, 및/또는 기대되지 않은 디바이스 동작을 사전에 경고함으로써 이용가능성을 개선시킬 수 있다(따라서 잠재적으로 동작 비용을 감소시킬 수 있음).
본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 게이트 구동부는 도 15 에 도시되는 소자를 포함한다. 구동 회로부는, 기준 전압이 3.3 또는 5 V 파워 서플라이이고, 파워 스위치(예를 들어, IGBT)를 언제 스위치 온 및 오프해야 하는지를 표시하는 인입하는 신호(PWM)를 수신하는 디지털 논리 회로를 가진다. 게이트 구동부 로직은 전류가 언제 파워 스위치 각각으로 공급되거나 그로부터 제거되어야 하는지를 표시하는 신호(SOURCE 및 SINK)를 생성한다. 레벨 전환 스테이지는 통상적으로 더 넓은 전압 범위, 예를 들어 - 10 V 내지 +15 V에 걸쳐 파워 스위치를 구동해야 한다. IGBT를 구동하기 위한 출력 스테이지는 파워 스위치 및/또는 부하의 특성과 매칭하도록 선택되는 턴온 저항(Ron) 및 턴오프 저항(Roff)을 가지는 트랜지스터 P 및 N 채널 MOSFETS(labelled PMOS 및 NMOS) 또는 바이폴라 PNP 및 NPN 트랜지스터를 포함한다. 출력 스테이지 트랜지스터는 고전류를 다룰 수 있고 일반적으로 디지털 로직인 구동 스테이지를 요구하며, 레벨 전환은 이들을 직접적으로 턴온 및 턴오프하기에 충분한 전류를 제공할 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파워 컨버터의 일 예가 도 16 에 도시되는데, 이것은 다수의 파워 스위치, 예를 들어 IGBT(예를 들어, U1 내지 U4 중 임의의 하나 이상), 부하(L1), 및 바람직하게는 컨버터(DClink) 양단의 전압을 유지하는 커패시터 뱅크(C1)를 포함할 수 있다. 도 16 은 부하(L1)를 구동하기 위한 풀 브리지 회로를 제공하는 두 개의 하프 브릿지 회로(U1/D1 + U2/D2, 및 U3/D3 + U4/D4)를 도시하는 것으로 간주될 수 있다. (일반적으로, 파워 컨버터를 위한 파워 회로 임의의 다른 파워 애플리케이션을 위한 파워 회로는 적어도 하나의 하프-브릿지 회로를 포함할 수 있다). 따라서, U1 및 U2(이와 유사하게 U3, U4)는 하프 브릿지 회로의 제 1 및 제 2 파워 스위치의 직렬 연결을 제공한다. 도 16 에서 각각의 파워 스위치는 선택적인 프리휠 다이오드(D1 - D4)와 역병렬로 연결된다.
파워 디바이스 모니터링을 좀 더 구체적으로는 살펴보면서, 이제 전류 출력부가 있는 집적된 온-칩 센서를 주로 고려한다. 이러한 관점에서, 도 1 은 디바이스 거동을 측정하기 위하여 전류를 사용하는 파워 회로 실시예의 동작의 원리를 보여주는데, 파워 회로는 IGBT의 형태인 파워 스위칭 디바이스를 가지는 IGBT 모듈을 적어도 포함한다.
도 1 의 실시예의 동작의 원리는, IGBT와 같은 파워 스위칭 디바이스가 스위칭하지 않고 있는 정적 케이스에서, 실질적으로는 게이트 전류가 흐르지 않는다는 것이다. 그러므로 게이트 구동부로부터 인출된 전류를 온도 및/또는 전류의 값을 표시하기 위해서 사용하는 기회가 생길 수 있다. IGBT 게이트는 전압-제어형이고, 따라서 실질적으로 일 방향으로(게이트 구동부로부터 디바이스로) 통신하기 위하여 전압이 사용되고, 게이트 구동부로부터 인출된 전류는 반대 방향으로(디바이스로부터 게이트 구동부로) 통신하기 위하여 사용된다. 온- 또는 오프-상태에서 게이트 구동부로부터 인출되는 정적 전류를 감지 회로부를 사용하여 측정함으로써(도 1 의 전류(Isensor) 참조), 이러한 추가적인 측정은 게이트 구동부와 디바이스 사이에 추가적인 접속이 필요 없이 게이트 구동부에 의해 이루어질 수 있고, 따라서 현존하는 멀티-칩 파워 디바이스 모듈과 호환가능할 것이다. 결과적으로, 이러한 실시예에서는 2-선 통신이 게이트 구동부와 디바이스 사이에서 생성될 수 있다. (게이트 구동부의 감지 저항(Rsense)이 게이트 저항(RG)과 결합될 수 있다는 점에 주의한다)
이제 온도 센서를 구체적으로 고려한다. 이러한 관점에서, 도 2 의 (a)는 IGBT 온도 감지 전류원을 도시하고, 도 2 의 (b)는 IGBT 온도 감지 저항을 도시한다. 따라서, 도 2 의 (a)의 감지 회로부는 전류(Isense)를 통전하는 전류원으로서 도시되는 반면에, 도 2 의 (b)는 온도 감응 저항(Rsense)의 형태인 감지 회로부를 도시된다. 일반적으로, 전류원은 실질적으로 정전류를 제공하도록 구성되는 회로부이다(온도와 같은 환경의 영향과 무관함). 이러한 전류원은 피드백을 가지는 트랜지스터, 예를 들어 도 6 의 JFET 전류원에서 도시된 바와 같은 것을 포함할 수 있다. 아날로그 회로 설계의 당업자는 전류원으로서 사용되도록 주지된 다양한 회로들, 예를 들어 Texas Instruments(TM) 사의 LM334 전류원 또는 Micro Commercial Components(MCC)(TM) 사의 전류 제한 다이오드 CLD20B에 대해서 알고 있다.
일반적으로, 온도-감응 소자는 IGBT의 게이트-이미터 커패시턴스(산화물)와 병렬로 배치된다. 이러한 소자는, 예를 들어 순수 전류원으로서, 또는 간단한 온도-의존형 옴 저항으로서 구현될 수 있다. 전력 소산을 제한하지만 구별되기에 충분한 전류를 인출하기 위해서, 예를 들어 약 0.5 내지 10 kΩ의 임피던스가 요구될 수 있다. 이러한 소자는, IGBT 정적 조건(온 또는 오프 상태에 있을 경우)에서 이러한 소자에 의해 인출되는 전류가 측정될 수 있고 그 온도가 계산될 수 있게끔, 온도-의존적이도록 설계된다. IGBT와 온도-감응-소자 사이의 열적 커플링 때문에, 측정 및/또는 계산된 온도가 IGBT 온도를 나타내는 것으로 취해질 수 있다.
전류원 또는 저항은 IGBT 칩의 상단 상에 직접적으로 배치되거나, IGBT 칩 자체 내에(예를 들어 폴리실리콘 내에) 통합될 수 있다. 만일, 일 실시예에서 전류원 또는 저항이 보통의 IGBT 동작을 방해할 수 있다면, 이것은 임피던스가 충분히 높도록 보장함으로써 회피되거나 감소될 수 있다.
유사한 접근법이 프리휠 다이오드 칩에 대해서 사용될 수 있다. 비록, 종래의 이러한 칩이 제 3 의 단자를 가지지 않지만, 감지 소자(전류원 또는 저항)의 하나의 단부에 연결되는 온도 감지 '단자'(연결)가 추가될 수 있다: 이러한 소자의 다른 단부는 예를 들어, IGBT 이미터 전위에 있을 수 있는 다이오드의 양극 단자에 연결된다. 따라서, 소자의 다른 단부는 프리휠 다이오드 칩의 상단면에 연결될 수 있다. 이와 무관하게, 온도 감지 소자는 다이오드에 열적으로 커플링될 수 있다. 온도 감지 단자는 IGBT 게이트에 연결되어, 다이오드 온도 감지 소자가 IGBT 감지 소자와 병렬이 되게 할 수 있다. 두 개의 온도 감지 소자(IGBT 및 다이오드 각각에 대한 소자)로부터 온 신호들을 구별하는 것은 예시적인 구현형태들과 관련하여 아래에서 다뤄진다.
이러한 관점에서, 도 3 의 (a)는 다이오드 온도 감지 전류원의 형태인 감지 회로부를 도시하고(전류(Isense) 참조), 도 3 의 (b)는 다이오드 온도 감지 저항(Rsense)의 형태인 감지 회로부를 도시한다. (감지 회로부가 또한 파워 스위칭 디바이스를 모니터링하기 위하여 제공되는 실시예들에서, 이러한 감지 회로부는 추가적 감지 회로부라고 불릴 수 있다). 감지 단자(T)는 IGBT 게이트 단자(G)에 연결되고; 양극(A)은 IGBT 이미터(E)에 연결되고; 음극(K)은 IGBT 콜렉터(C)에 연결된다.
이제 전류 센서를 구체적으로 고려한다. 이러한 관점에서, 도 5 는 IGBT 온-상태 전류의 전류 미러 측정을 도시한다. 온도와 유사하게, 디바이스(예를 들어, IGBT) 전류는 일반적으로 동작 중에 유용하게 측정된다.
예를 들어 소형 "지능형 파워 모듈"(intelligent power module; IPM)에서 사용되는 것과 같은 단일-칩 IGBT 스위치에 대한 대안적인 방법은, 보조 IGBT 셀을 사용한 온-칩 측정이고 이것에 대해서는 도 4 를 참조한다; 이것을 멀티-칩 파워 모듈에 대해서 사용하는 단점은 - 보조 이미터 단자가 단단하게 병렬 연결되더라도 - 추가적인 연결이 각각의 IGBT 다이에 대한 게이트 구동부로 다시 이루어져야 한다는 것이다. 또한, 충분히 큰 전압 VSE가 감지 저항 양단에 생성되는 것은 이러한 조건 아래에서만 이루어지기 때문에, 이것은 일반적으로 과전류(예를 들어 단락 회로) 검출에 대해서만 적합할 수 있다는 것에 주의해야 한다; 정상 전류에서는 정확도가 양호한 전류 센서로서 사용되도록 충분히 높지 않을 수 있다.
도 5 의 경우와 같은 일 실시예는 소형 전류 미러의 형태인 감지 회로부를, 바람직하게는 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 통전 단자(AUX)에 추가할 수 있다. 미러로의 입력은 보조 이미터를 통해서 흐르는 전류이고, 출력은 게이트에 연결된다. 그러므로 게이트 구동부로부터 인출된 (작은) 전류는 메인 IGBT를 통해 흐르는 온-상태 전류에 비례한다. 이것이 도 5 에 도시된다. 일반적으로, 보조 이미터는, 예를 들어 총 이미터 전류의 0.1% 이하를 운반할 수 있고, 따라서 보조 이미터를 사용하는 것은 디바이스 동작에 최소의 영향만을 줄 수 있다.
일 실시예에서, 전류 미러는 파워 디바이스 칩에, 예를 들어 IGBT 칩의 상단면(이미터 전위에 있거나 가까움)에 통합될 수 있다. 보조 이미터 전류가 메인 전류의 소비율인 경우, 게이트로부터 인출된 전류는 작을 것이다. 이러한 관점에서, 일 실시예의 하나의 고려사항은 음의 피드백 효과를 감소시키거나 회피하는 것일 수 있는데, 이러한 경우 이미터로부터 흐르는 추가 전류가 게이트-이미터 커패시턴스로부터 전류를 인출하여, 게이트 전압을 감소시키고 메인 IGBT 전류를 감소시킨다. 그러나, 일 실시예에서 메인 디바이스 전류 중 적은 비율만이 미러를 통해 흐르기 때문에, 이러한 효과는 중요하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서 전류 미러 내의 온도 의존성을 감소시키거나 회피하는 것이 고려될 수 있다. 일반적으로, 전류 미러는 보조 전류에 큰 전압 강하를 제공하지 않는 것이 바람직할 수 있고, 그렇지 않으면 일 실시예에서 이것이 미러를 통해 흐르는 전류를 한정하고, 따라서 센서의 정확도에 영향을 줄 수 있다; 이러한 효과를 얻으려면 FET 전류 미러를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
유사한 전류 감지 구현형태가 IGBT와 역병렬인 프리휠링 다이오드(또는 플라이휠 또는 프리휠링 다이오드라고 알려짐)에 대해서 달성될 수 있다. 그러나, 전류가 이미터(다이오드 양극)로부터 콜렉터(다이오드 음극)로, 즉 IGBT를 통해 흐르는 것과 반대 방향으로 흐르고 있기 때문에, 전류 미러의 상이한 구현들이 단일 보조 양극 셀 및 감지 단자(도 2 의 (a) 및 (b)를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 IGBT 게이트에 연결됨) 사이에 요구될 수 있다. 다이오드 내의 과전류를 감지하는 것은, (a) 과전류가 발생해도 다이오드를 턴오프(IGBT의 경우에서와 같이)할 방법이 없을 수 있고, 및 (b) 이러한 과전류가 통상적인 컨버터 내에서, 다른 디바이스 내에서 일반적으로 이미 검출되었을 단락 회로의 부차적인 결과로서만 발생할 수 있기 때문에, 더 적은 관심 대상일 수 있다는 것에 주의해야 한다.
더 특정한 예시적인 구현형태에 관련하여, 이제 전류원 온도 센서를 구체적으로 고려한다.
전류원은 JFET 더하기 저항으로부터 생성될 수 있다. 이것은 공지된 회로이고 도 6 에 도시된다. 이러한 전류원은, 전류 제한 다이오드 또는 전류 레귤레이터 다이오드라고 알려진 분리되어 상용화된 부분들에서 제공될 수 있다.
도 7 은 전류원의 두 가지 흥미로운 속성을 나타낸다: (a) 전압(이러한 경우에는 VGE일 것임)에 대한 상대적인 무감성(insensitivity), 및 (b) 이러한 예에서는 7.5 V 및 25 ℃에서 약 -0.048 mA/K인 온도 의존성.
더욱이, 다이오드는 JFET 전류원과 직렬로 연결될 수 있는데, 그러면 일반적으로, 차단 다이오드가 있는 단방향성 전류원을 가지는 것으로 도 8 에 도시된 바와 같은 소스에 의해 공급되는 전류에 영향을 미치지 않을 것이다. 그러면 후속하는 장점들 중 하나 이상을 가질 수 있다:
(a) 역전압이 인가되면 통전이 차단된다.
(b) 병렬이지만 반대 방향으로 배치된 두 개의 센서, 예를 들어 음의 전압에 대한 다이오드 및 양의 전압에 대한 IGBT(도 11 을 참조하여 구현형태에 대한 다음의 설명을 참조한다)를 구별할 수 있다.
(c) 0 V와 다이오드 턴온 전압(예를 들어 0.7 V) 사이에서는 다이오드 누설 전류만이 흐른다. 그러면, 파워 디바이스 제조사가 이러한 범위 내의 전압을 사용하여 IGBT 게이트 누설 전류를 여전히 측정할 수 있을 수 있다.
이제 온도 및 전류 감지의 조합의 예시적인 구현형태를 고려한다. 이러한 관점에서, 도 9 는 과전류 검출 기능을 포함하도록 수정된 전류원을 포함하는 감지 회로부를 도시한다. 점선 표시된 다이오드 및 저항(R3)은 온도 센서를 교란시키는 정상 전류 레벨을 피하기 위해서 추가될 수 있다.
통합된 온도 및 과전류 센서는 도 6 에 도시되는 JFET 전류원을 수정하여 생성될 수 있다. 보조 이미터로부터 흐르는, 도 9 에 도시되는 과전류가 JFET 게이트 전압을 증가시키고, 따라서 JFET 드레인 전류를 증가시키도록 사용될 수 있다. 일 실시예는, IGBT 콜렉터 전류의 정상 레벨이 온도 감지 동작을 교란시키지 않고 및/또는 과전류가 센서 전류가 크게 증가하게 하여 게이트 구동부가 정확하게 구별할 수 있게 하도록, 저항(R1 및 R2)을 적절하게 선택하는 것에 의존할 수 있다; 이것은, 예를 들어 과전류 이벤트의 경우에만 순방향 바이어스되는, 보조 이미터와 JFET 사이의 다이오드(도 9 에의 점선 성분을 참조)를 포함함으로써 쉬워질 수 있다.
대안적 실시예는 과전류 센서를 온도 센서로부터 분리하게 유지함으로써, 게이트 전류가 크게 증가하는 것이 과전류 이벤트로서 쉽게 검출될 수 있게 할 수 있다. 이것은 도 10 에 도시된 바와 같이 IGBT 칩과 통합된 간단한 BJT 스위치를 사용할 수 있다. 바람직하게는, R2는 보조 이미터를 통과하는 과전류가 BJT의 베이스-이미터 임계 전압인 0.7 V와 동일한 전압 강하를 생성하도록 선택되지만, 이러한 임계 전압은 온도-의존적일 수 있다. R3는 과전류가 검출되었을 때 게이트로부터 인출된 전류를 한정하도록 선택될 수 있다. 만일 R3가 충분히 낮으면, 실시예에서 BJT는 실제로 IGBT 게이트-이미터 커패시턴스를 방전시키기 시작하여, 전류 제한 효과를 일으킬 수 있다. 이것은 단락 회로 성능이 보장되지 않는 SiC MOSFET과 같은 파워 디바이스에 대해서는 유용할 수 있지만, 통상적으로 10 μs 동안 단락 회로를 지원할 수 있는 IGBT에 대해서는 적은 관심을 받을 수 있다; 이러한 회로는 게이트 구동부 시간이 MOSFET을 턴오프하게 하기에 충분하게 과전류를 제한할 수 있다.
이러한 관점에서, 도 10 은 온도 센서를 포함하는 감지 회로부, 및 별개의 과전류 검출 회로(과전류 센서)를 사용하여 게이트 전류가 크게 증가하게 하는 것을 도시한다. JFET 및 R1은 온도 센서를 형성한다. BJT, R2 및 R3는 과전류 센서를 형성한다; R3는 과전류가 검출될 경우 인출되는 게이트 전류를 설정한다.
이러한 내용을 고려하여, 이제 더 포괄적인 예시적 구현형태를 고려한다. 이러한 관점에서, 도 11 은, 파워 스위칭 디바이스의 온도 감지 및 과전류 감지를 위한 감지 회로부 및 프리휠 다이오드의 온도 감지를 위한 추가적 감지 회로부를 포함하는 더 완성된 회로를 칩 레벨에서 개략적으로 도시한다.
IGBT 온도 및 과전류 센서를 다이오드 온도 센서와 결합하는 것은, 도 8 을 참조하여 앞에서 제안된 것과 같은 직렬 다이오드를 사용하여 달성될 수 있다. 역병렬 IGBT 및 다이오드 칩에 대한 완성된 구현형태의 일 예가 도 11 에 도시된다(그 실시예는 일반적으로 도 3 의 (a) 및 도 10 의 조합이라고 간주될 수 있다. 온-상태(예를 들어, VGE = +15 V)에서, 인출된 양의 게이트 전류는 IGBT 온도를 측정하고, IGBT 과전류가 검출되게 한다. 오프-상태(예를 들어, VGE = -10 V)에서, 인출된 음의 게이트 전류는 다이오드 온도를 측정한다.
멀티-칩 모듈 내의 일부 또는 모든 디바이스 칩은 전술된 원리 및/또는 실시예를 활용할 수 있을 수 있다. 과전류 검출을 위하여, 모듈로 들어가는 총 게이트 전류는 메인 칩 전류의 합에 단순 비례하고, 즉 총 모듈 과전류의 함수일 수 있다. 온도의 경우, 총 게이트 전류(IGBT의 경우는 양의 전류, 다이오드의 경우는 음의 전류) 칩 온도의 종합(aggregate), 즉 전류 센서 온도 의존성에 의존하여 일부 형태의 평균에 비례할 수 있다.
이제 게이트 구동부 내에서의 측정 동작을, 정적 게이트 전류에 대한 예시적인 측정 타이밍의 예시적인 요약을 보여주는 도 14 에 대하여 고려하는데, 여기에서 시간 지연 td는 상보적인 IGBT들 사이의 불감시간이다. t1 및 t2는 스위칭 이후에 게이트 커패시턴스 충전/방전이 감소하게 하는 시간 지연이다. 시간 지연 trec은 반대 IGBT가 전류를 통전하고 이러한 다이오드와 함께 정류하고 있는 경우에, 프리휠 다이오드가 스위칭을 마치는데 걸리는 시간이다. 시간 지연 t3는 t2 및 td+trec 양자 모두를 넘도록 선택된다. 이러한 시간 지연들 중 임의의 하나 이상은 미리 결정되고, 예를 들어 바람직하게는 임의의 실시예의 구동 회로부에서 메모리에 저장될 수 있다. 더욱이, 이러한 지연들 중 임의의 하나 이상은 파워 스위칭 디바이스 및/또는 다이오드가 정적 상태에 있을 때의 시간을 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 지연(들)은, 파워 스위칭 디바이스 및/또는 다이오드의 전류 및/또는 온도와 같은 동작 상태(들)를 결정하기 위하여 감지 신호(들)가 언제 구동 회로부에 의하여 샘플링되어야 하는지를 결정하기 위하여 사용될 수 있다.
온-칩 센서에 의해 인출된 전류를 측정하는 것은, 도 1 에 도시된 바와 같이 게이트와 직렬인 저항성 전류 션트를 사용함으로써 게이트 구동부 내에서 간단하게 수행될 수 있다. 일 실시예에서 스위칭 이벤트가 끝날 때 여전히 흐르고 있는 용량성 전류로부터 초래되는 오차를 피하고, 및/또는 상이한 센서들에 의해 인출된 전류들을 구별하기 위하여 사용되는 게이트 전압 스텝들로 동기화되도록, 측정 타이밍을 고려하는 것이 유익할 수 있다.
14 에 도시된 바와 같은 예시적인 타이밍의 요약을 더욱 고려하고, 도 11 에 도시되는 구현형태를 고려하면, 후속하는 타이밍 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 적용될 수 있다:
(i) IGBT: IGBT 온도를 나타내는 양의 게이트 전류가 게이트 구동부로의 턴온 명령 이후 수 마이크로초(예를 들어 5-50 μs) 동안 측정된다. 이러한 시간 지연은, 온도가 정확하지 않게 측정되게 하지 못하도록, IGBT 게이트 커패시턴스를 충전하는 것으로부터 나온 용량성 전류가 감소되게 하는 데에 유익할 수 있다.
(ii) 다이오드: 다이오드 온도를 나타내는 음의 게이트 전류는 (i)에서와 같이 (a) 불감시간 및 (b) 추가적 지연의 두 개의 시간 지연 이후에 측정되어, IGBT 게이트 커패시턴스 방전 전류가 감소되게 한다. (a)는 프리휠 다이오드가 통전하고 있는 경우 프리휠 다이오드와 함께 정류하는 반대 IGBT가 일반적으로 역병렬 IGBT가 턴오프된 후의 소정 시간 지연(불감시간)까지 턴온되지 않을 것이고, 게이트 전류 측정이 이루어진 경우에 다이오드를 스위칭하면 용량성 커플링 효과 때문에 게이트 전류가 방해될 수 있기 때문에 유익할 수 있다. 이것이 도 14 에 도시된다.
다른 예시적인 구현형태에 대해서는, 예를 들어 전류 출력, 저항성 온도 센서 및/또는 전류 센서를 가지는 집적된 온-칩 센서들에 관련된 전술된 방법들을 결합하는 것을 추가적으로 고려한다. 이러한 관점에서, 도 12 는 예시적인 회로의 일반적인 개략적 표현을 칩 레벨에서 도시한다.
네 개의 전류원까지, 전류 미러 및/또는 저항, 예를 들어 도 12 에 도시된 바와 같은 전류 미러 및/또는 저항: IGBT 온도 감지 저항; IGBT 전류 미러; 다이오드 온도 감지 저항; 및/또는 다이오드 전류 미러는 게이트에 연결될 수 있다. 인출된 정적 전류가 디바이스 동작의 유용한 표시자가 돼야 한다면, 일부 실시예들에서는 전류원들을 구별하는 것이 유리하다.
이를 위한 하나의 접근법은, 직렬 다이오드 - 제너 및 종래의 다이오드 양자 모두 - 를 사용하여 전류원이 전압-의존적이 되게 하는 것이다. 이러한 방식으로, IGBT 동작에 중요하지 않은 게이트 전압, 예를 들어 13 V보다 높은 VGE 및 -5 V보다 낮은 VGE가 정적 동작 중에 주기적으로 구동되어, IGBT 거동에 영향을 주지 않고 전류의 상이한 조합을 측정할 수 있다.
이러한 관점에서, 도 13 은 네 개의 측정을 유도하기 위해 사용되는 전류-전압 의존성의 일 예를 보여준다. 일 실시예에서, 구동 입력 라인은 상이한 바이어스에 유지되어, 상이한 각각의 감지 신호, 예를 들어 다이오드 온도, 다이오드 전류, IGBT 전류, IGBT 온도 감지 신호에 대하여 -10 V, -8 V, +13 V 및/또는 +15 V와 같은(임의의 순서) 적어도 하나의 음의 바이어스 및/또는 적어도 하나의 양의 바이어스를 획득할 수 있다. 따라서, 멀티레벨 바이어싱에 의하여 감지 신호를 돕는 것이 쉬워질 수 있다.
이러한 관점에서 더 나아가, 멀티-칩 모듈 내의 모든 디바이스 칩은 전술된 원리 및/또는 실시예를 활용할 수 있을 수 있다. 온-상태 전류 측정을 위하여, 모듈로 들어가는 총 게이트 전류는 메인 칩 전류의 합에 단순 비례하고, 즉 총 모듈 전류에 비례할 수 있다. 온도의 경우, 총 게이트 전류는 칩 온도의 종합, 즉 감지 저항 온도 의존성에 의존하여 일부 형태의 평균에 비례할 수 있다.
온-칩 센서에 의해 인출된 전류를 측정하는 것은, 게이트와 직렬인 저항성 전류 션트를 사용함으로써 게이트 구동부 내에서 간단하게(전술된 바와 같이 간단하게) 수행될 수 있다. 일 실시예에서 스위칭 이벤트가 끝날 때 여전히 흐르고 있는 용량성 전류로부터 초래되는 오차를 피하고, 및/또는 상이한 센서들에 의해 인출된 전류들을 구별하기 위하여 사용되는 게이트 전압 스텝들로 동기화되도록, 측정 타이밍을 고려하는 것이 유익할 수 있다.
단지 설명을 돕기 위하여, 도면 라벨 중 주요 내용들이 다음과 같이 제공된다:
1, 1a 내지 1n: 적어도 하나의 파워 스위칭 디바이스 및/또는 프리휠 다이오드를 포함하는 파워 회로
3: 파워 스위칭 디바이스
5, 5a, 5b: 감지 회로부 또는 추가적 감지 회로부
7: 구동 회로부
9a, 9b: 파워 스위칭 디바이스의 통전 단자
13: 프리휠 다이오드
15a, 15b: 프리휠 다이오드의 양극 및 음극 통전 단자
19: 구동 입력 라인
21: 디바이스 제어 단자
23: 온도 감응 전류원
25: 차단 다이오드
27: 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자
29, 31: 임피던스
33: 스위치
35: 스위치 제어 단자
37: 프리휠 다이오드를 포함하는 칩
39: 보조 통전 단자
41: 온도 감응 저항
43: 전류 미러
49: 파워 스위칭 디바이스를 포함하는 칩
51: 멀티-칩 모듈
53: 모듈 구동 회로
많은 다른 효과적인 대안들이 당업자에게 떠오를 수 있을 것이다. 본 발명이 설명된 실시예들로 한정되지 않으며 본 발명의 사상 및 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하며 당업자들에게 명백한 수정예들을 망라한다는 것이 이해될 것이다.

Claims (34)

  1. 파워 회로로서,
    ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스; 및/또는
    상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결되는 프리휠 다이오드로서, 비-차단 상태일 경우, 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한, 프리휠 다이오드; 및
    상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결된 구동 입력 라인을 포함하고,
    상기 파워 회로는,
    상기 통전 단자들 중 적어도 하나에 연결된 적어도 하나의 온도 감응 전류원을 포함하는 감지 회로부로서, 적어도 하나의 감지 신호를 상기 온도 감응 전류원으로부터 상기 구동 입력 라인으로 제공하기 위한 감지 회로부 - 상기 감지 신호는 적어도 하나의 온도를 표시하기 위한 것임 -를 포함하며,
    상기 온도 감응 전류원이 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되는 것 - 상기 감지 신호에 의해 표시되는 상기 온도는 상기 파워 스위칭 디바이스에 관한 것이며, 적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 통전 단자를 포함함 -; 및
    상기 온도 감응 전류원이 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링되는 것 - 상기 감지 신호에 의해 표시되는 상기 온도는 상기 프리휠 다이오드에 관한 것이며, 적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 프리휠 다이오드의 상기 양극 또는 음극 통전 단자를 포함함 - 중 적어도 하나를 특징으로 하는, 파워 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워 회로는,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 제어 단자를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 디바이스 입력 라인으로 제공하도록 연결되는 구동 회로부로서, 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하도록 구성되는, 구동 회로부를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 동작 상태는,
    상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 파워 스위칭 디바이스의 표시된 온도; 및
    상기 파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우 상기 프리휠 다이오드의 표시된 온도 중 적어도 하나를 포함하는, 파워 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되는 온도 감응 전류원 및 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링되는 온도 감응 전류원을 포함하고, 차단 다이오드들을 더 포함하며,
    각각의 상기 감지 신호는 상기 온도 감응 전류원의 전류 흐름을 포함하고,
    상기 차단 다이오드들 중 하나의 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로 가는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 차단 다이오드들 중 다른 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로부터 오는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되는, 파워 회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 상기 파워 스위칭 디바이스에 열적으로 커플링되는 온도 감응 전류원을 적어도 포함하고,
    적어도 하나의 상기 통전 단자는 상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자를 포함하는, 파워 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 온도 및 과전류를 감지하기 위한 것이고, 상기 감지 회로부는,
    상기 디바이스 제어 단자와 병렬 연결되는 온도 감응 전류원;
    상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자와 직렬인 임피던스; 및
    상기 온도 감응 전류원으로부터 상기 임피던스로 가는 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 보조 이미터 단자로부터 상기 온도 감응 전류원으로 가는 전류 흐름을 허용하도록 구성되는 차단 다이오드를 포함하며,
    상기 구동 입력 라인에 의하여 수신된 상기 감지 신호는 상기 온도 감응 전류원을 통과하는 전류를 표시하기 위한 것이고,
    상기 차단 다이오드는, 상기 임피던스의 전압이 상기 차단 다이오드의 임계 전압에 의존하는 임계를 초과하는 경우, 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 상기 전류 흐름이 상기 전류원의 출력 전류를 증가시키게 하도록 구성되는, 파워 회로.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 온도 및 과전류를 감지하기 위한 것이고, 상기 감지 회로부는,
    상기 디바이스 제어 단자와 병렬 연결되는 온도 감응 전류원;
    상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자와 직렬인 임피던스; 및
    상기 임피던스에 연결된 스위치 제어 단자를 가지는 스위치로서, 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 전류가 상기 임피던스의 전압을 임계 전압보다 높아지게 하는 경우 턴온되도록 구성되는, 스위치를 포함하고,
    상기 구동 입력 라인은 상기 온도 감응 전류원을 통과하는 전류에 의존하는 상기 감지 신호 및 상기 스위치를 통과하는 전류에 의존하는 과전류 감지 신호를 수신하도록 연결되는, 파워 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위치는, 턴온되면, 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 제 2 디바이스 통전 단자로 가는 전류를 감소시키게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자를 방전시키도록 구성되는, 파워 회로.
  8. 파워 회로로서,
    프리휠 다이오드로서, 비-차단 상태일 경우, 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한, 프리휠 다이오드; 및
    상기 프리휠 다이오드의 상기 통전 단자에 연결되고, 상기 프리휠 다이오드의 연결된 통전 단자의 전압 및/또는 전류에 의존하는 감지 신호를 제공하기 위한, 감지 회로부를 포함하는, 파워 회로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 파워 회로는,
    ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스 - 상기 프리휠 다이오드는 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결됨 -; 및
    상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결되는 구동 입력 라인을 포함하고,
    상기 구동 입력 라인은 상기 감지 신호를 수신하도록 더욱 구성되는, 파워 회로.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 파워 회로는,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 제어 단자를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 디바이스 입력 라인으로 제공하도록 연결되는 구동 회로부를 포함하고,
    상기 구동 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 감지 회로로부터 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여, 상기 프리휠 다이오드의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하도록 구성되는, 파워 회로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 동작 상태는,
    상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우 상기 프리휠 다이오드의 온도 - 상기 감지 회로부는 상기 프리휠 다이오드에 열적으로 커플링됨 -; 및
    상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로 가는 전류의 값 중 적어도 하나를 포함하는, 파워 회로.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 회로는 상기 프리휠 다이오드를 포함하는 칩을 포함하고,
    상기 칩은 상기 칩의 외부 단자인 보조 통전 단자를 포함하고, 상기 감지 회로부에 연결된 프리휠 다이오드 통전 단자는 상기 보조 통전 단자인, 파워 회로.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 온도 감응 저항을 포함하고,
    상기 감지 신호는 상기 온도 감응 저항을 통과하는 전류를 포함하는, 파워 회로.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 상기 프리휠 다이오드를 통과하는 전류를 미러링하기 위한 전류 미러를 포함하고,
    상기 감지 신호는 상기 전류 미러를 통과하는 전류에 의존하는, 파워 회로.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 상기 프리휠 다이오드의 통전 단자에 연결된 온도 감응 전류원을 포함하고,
    상기 감지 신호는 상기 온도 감응 전류원을 통과하는 전류에 의존하는, 파워 회로.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 파워 회로는,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 통전 단자에 연결되고, 상기 파워 스위칭 디바이스의 동작 상태를 표시하기 위한 감지 신호를 상기 구동 입력 라인에 제공하기 위한 추가적 감지 회로부를 포함하고,
    상기 프리휠 다이오드에 연결된 상기 추가적 감지 회로부 및 상기 감지 회로부는 차단 다이오드를 각각 포함하며,
    각각의 상기 감지 신호는 전류 흐름을 포함하고,
    상기 차단 다이오드들 중 하나의 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로 가는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 차단 다이오드들 중 다른 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로부터 오는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되는, 파워 회로.
  17. ON 상태일 경우, 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 파워 스위칭 디바이스를 포함하는 파워 회로로서,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 통전 단자에 연결되는 감지 회로부 - 상기 감지 회로부는 상기 제 1 상기 디바이스 통전 단자로부터 상기 제 2 상기 디바이스 통전 단자로 가는 상기 전류를 표시하기 위한 감지 신호를 제공하기 위한 것임 -; 및
    상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결되는 구동 입력 라인 - 상기 구동 입력 라인은 상기 감지 신호를 수신하도록 더욱 구성됨 -을 포함하는, 파워 회로.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 파워 회로는,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하게끔, 상기 파워 스위칭 디바이스의 상기 디바이스 제어 단자를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 디바이스 입력 라인으로 제공하도록 연결되는 구동 회로부를 포함하고,
    상기 구동 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하도록 구성되는, 파워 회로.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 동작 상태는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 1 디바이스 통전 단자로부터 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 2 디바이스 통전 단자로 가는 전류의 값을 포함하는, 파워 회로.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스 통전 단자 또는 제 2 디바이스 통전 단자는 이미터 단자이고, 상기 파워 스위칭 디바이스는 보조 이미터 단자를 포함하며,
    상기 감지 회로부에 연결된 디바이스 통전 단자는 상기 보조 이미터 단자이고;
    상기 감지 회로부는 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 전류를 미러링하도록 연결된 전류 미러를 포함하며,
    상기 감지 회로부는 상기 전류 미러를 통과하는 전류에 의존하여 상기 감지 신호를 생성하기 위한 것인, 파워 회로.
  21. 제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 회로는,
    상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결되는 프리휠 다이오드를 더 포함하고,
    상기 프리휠 다이오드는, 비-차단 상태일 경우, 상기 프리휠 다이오드의 음극 통전 단자로부터 상기 프리휠 다이오드의 양극 통전 단자로 전류를 통전시키기 위한 것이며, 상기 파워 회로는,
    상기 프리휠 다이오드의 상기 통전 단자에 연결되고, 상기 프리휠 다이오드의 연결된 통전 단자의 전압에 의존하여 감지 신호를 제공하기 위한, 추가적 감지 회로부; 및
    상기 추가적 감지 회로부로부터 상기 감지 신호를 수신하도록 구성되는 구동 입력 라인을 포함하는, 파워 회로.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 회로부는, 상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 추가적 감지 회로부로부터 상기 구동 입력 라인에 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하도록 구성되는, 파워 회로.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 통전 단자에 연결되기 위한 상기 감지 회로부 및 상기 추가적 감지 회로부는 차단 다이오드를 각각 포함하고,
    각각의 상기 감지 신호는 전류 흐름을 포함하며,
    상기 차단 다이오드들 중 하나의 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로 가는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되고, 상기 차단 다이오드들 중 다른 차단 다이오드는 상기 구동 입력 라인으로부터 오는 상기 전류 흐름을 차단하도록 연결되는, 파워 회로.
  24. 제 17 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 신호에 의한 전류 표시는 상기 파워 스위칭 디바이스의 과전류 상태를 표시하고, 상기 감지 회로부는,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 보조 이미터 단자와 직렬인 임피던스; 및
    상기 임피던스에 연결된 스위치 제어 단자를 가지는 스위치로서, 상기 보조 이미터 단자로부터 오는 전류가 상기 임피던스의 전압을 임계 전압보다 높아지게 하는 경우 턴온되도록 구성되는, 스위치를 포함하며,
    상기 구동 입력 라인은 상기 스위치를 통과하는 전류에 의존하는 상기 감지 신호를 수신하도록 연결되는, 파워 회로.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 회로부는 상기 감지 회로부에 연결된 통전 단자에 0.5-10 킬로옴의 임피던스를 제공하고,
    선택적으로, 상기 임피던스를 가지는 상기 감지 회로부는 상기 추가적 감지 회로부인, 파워 회로.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스 제어 단자는, 산화층을 선택적으로 가지는 전기적 절연 게이트 단자인, 파워 회로.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 스위칭 디바이스는 IGBT, MOSFET, 파워 JFET 또는 HEMT인, 파워 회로.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 회로는 상기 파워 스위칭 디바이스를 포함하는 반도체 칩의 형태이고,
    상기 감지 회로부 및 구동 입력 라인은 상기 반도체 칩에 각각 통합되며,
    상기 반도체 칩은 선택적으로 상기 추가적 감지 회로부를 더 포함하는, 파워 회로.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파워 회로는 상기 파워 스위칭 디바이스를 포함하는 반도체 칩을 포함하고,
    상기 감지 회로부는 상기 반도체 칩의 표면에 접합되며,
    상기 파워 회로는 선택적으로, 바람직하게는 상기 표면에 접합된 상기 추가적 감지 회로부를 포함하는, 파워 회로.
  30. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항의 파워 회로.
  31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 파워 회로를 포함하는 멀티-칩 모듈로서,
    상기 멀티-칩 모듈은 각각의 상기 파워 회로의 상기 파워 스위칭 디바이스를 각각 포함하고, 상기 멀티-칩 모듈은,
    상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자를 제어함으로써 상기 파워 스위칭 디바이스의 스위칭을 제어하도록 구성되는 모듈 구동 회로를 포함하고, 상기 모듈 구동 회로는 각각의 상기 파워 회로의 구동 회로부를 포함하며,
    상기 모듈 구동 회로는, 상기 적어도 하나의 파워 회로의 각각의 구동 입력 라인으로부터 적어도 하나의 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 멀티-칩 모듈의 적어도 하나의 동작 상태를 각각의 수신된 상기 감지 신호에 기초하여 결정하도록 구성되는, 멀티-칩 모듈.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 모듈 구동 회로는 임의의 상기 추가적 감지 회로부로부터 상기 감지 신호를 수신하도록 구성되고,
    상기 모듈 구동 회로는 상기 프리휠 다이오드를 포함하는 각각의 상기 파워 회로로부터 상기 구동 입력 라인에 수신된 각각의 상기 감지 신호에 기초하여 상기 적어도 하나의 동작 상태를 결정하기 위한 것인, 멀티-칩 모듈.
  33. 파워 회로의 파워 스위칭 디바이스를 구동하기 위한 구동 회로부로서,
    상기 구동 회로부는 디바이스의 스위칭을 제어하도록 상기 파워 스위칭 디바이스의 디바이스 제어 단자에 연결되기 위한 것이고,
    상기 구동 출력 라인은 더 나아가 적어도 하나의 감지 신호를 수신하기 위한 것이며,
    상기 구동 회로부는 상기 적어도 하나의 감지 신호에 기초하여 상기 파워 회로의 적어도 하나의 동작 상태를 결정하기 위한 것이고, 상기 동작 상태는,
    상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우, 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 1 통전 단자로부터 상기 파워 스위칭 디바이스의 제 2 통전 단자로 가는 전류;
    상기 파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결되는 상기 프리휠 다이오드의 온도; 및
    상기 파워 스위칭 디바이스 및 상기 프리휠 다이오드가 각각 정적 상태에 있을 경우, 프리휠 다이오드의 양극으로부터 상기 프리휠 다이오드의 음극으로 가는 전류 - 상기 프리휠 다이오드는 상기 파워 스위칭 디바이스에 역병렬로 연결됨 - 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 동작 상태는, 상기 파워 스위칭 디바이스가 정적 상태에 있을 경우 상기 파워 스위칭 디바이스의 온도를 더 포함하는 것이 바람직한, 구동 회로부.
  34. 파워 회로로서,
    제 33 항의 구동 회로부를 포함하고,
    파워 스위칭 디바이스 및 프리휠 다이오드 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 파워 회로는 바람직하게는 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에서 정의된 바와 같은, 파워 회로.
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