KR20240087030A - 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치 - Google Patents

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KR20240087030A
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제갈준혁
권민호
김기룡
박영주
오창열
이상중
이종필
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Abstract

본 개시는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치에 관한 것으로서, 특히, 레그 구조의 전력용 트랜지스터에 3 레벨의 구동 전압을 인가하도록 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호를 생성하여 최적 스위칭 제어를 수행함으로써, 와이드 밴드 갭 소자의 크로스토크 전압을 감소시켜 스위치의 소손을 줄일 수 있는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치를 제공할 수 있다.

Description

와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치{GATE DRIVING APPARATUS FOR WIDE BAND GAP DEVICE}
본 실시예들은 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치에 관한 것이다.
오늘날 자동차의 급증에 따라 수송 분야에서 소비되는 에너지는 높은 증가 추세를 보이고 있으며, 석유 에너지 의존도가 높은 수송 분야에서 에너지를 합리적으로 사용해야 하는 문제는 중요한 국가적 과제가 되고 있다. 이에 따라, 전력 애플리케이션 시장의 메인은 효율, 생산성 및 법적 규제로 더 적은 에너지로 더 많은 일을 하고 에너지 비용을 조금이라도 더 아낄 수 있도록 변환 효율과 시스템 소형화 및 경량화가 중요해지고 있다. 또한, 에너지 믹스로 재생 에너지 비중이 늘어나는 한편으로, 전기를 생산하고, 전송하고, 소비하는 전체적인 전기 에너지 공급망에 따라 전력 반도체의 역할이 중요해지고 있다.
이러한 전력 반도체 기술은 가장 보편적 반도체 물질인 규소(silicon, Si) 기반의 전력 반도체를 바탕으로 1960년대부터 급격한 발전을 이뤄왔으나 기존 전력 반도체 시장을 견인해온 Si 기반 전력 반도체 기술은 Si 물질이 본질적으로 좁은 밴드 갭(band gap) 및 낮은 전자이동도(electron mobility)를 가짐으로 인해 이론적으로 달성 가능한 전력 반도체의 핵심 성능 지수 인 온-저항, 항복전압, 그리고 동작 가능 온도 등의 한계가 존재한다. 이러한 Si기반 전력 반도체의 물성적 한계에 따라 전력 반도체의 특성 개선 연구는 구조적 관점에서 재료적 관점에 초점을 두게 되었으며 특히 와이드 밴드 갭(wide band gap, WBG)을 갖는 질화 갈륨(gallium nitride, GaN)과 탄화규소(silicon carbide, SiC)는 Si 기반 전력반도체를 대체할 차세대 전력 반도체 물질로 주목 받고 있다.
특히, 와이드 밴드 갭 소자에 해당되는 SiC MOSFET(Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 스위칭 손실이 비교적 낮아 고효율의 성능을 가질 수 있어 고전압 대역의 스위칭 기반 전력변환장치에 매우 적합한 소자일 수 있다. 이에 따라 SiC MOSFET 기반 전력변환장치의 경우, 그 특성상 낮은 온 저항, 고속 스위칭 그리고 Si 기반 전력변환장치 대비 고온에서 동작이 가능하므로 고효율, 고밀도 전력변환장치 구현이 가능할 수 있다. 하지만, SiC MOSFET의 고속 스위칭 및 낮은 기생 커패시턴스로 인해, SiC MOSFET의 레그 구조에서 게이트 전압에 원치 않는 양의 서지전압, 음의 서지전압인 크로스토크(crosstalk) 전압을 유발하게 되고, 이는 단락 회로 또는 전력반도체 소자의 허용 게이트 음전압을 초과하여 소자가 소손될 우려가 있다는 문제점이 있다.
따라서, 최적 스위칭 제어를 통해 와이드 밴드 갭 소자의 크로스토크(crosstalk) 전압을 감소시킴으로써, 스위치의 소손을 줄일 수 있는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치에 관한 기술이 요구되고 있다.
이러한 배경에서, 본 실시예들은 최적 스위칭 제어를 통해 와이드 밴드 갭 소자의 크로스토크 전압을 감소시킴으로써, 스위치의 소손을 줄일 수 있는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치를 제공하는데 있다.
일 측면에서, 본 실시예들은 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치에 있어서, 직류 전원의 출력단과 타단 사이에 하프 브릿지(half bridge) 레그 구조로 직렬 연결된 미리 설정된 특정 주파수 이상에서 적용되는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 부 및 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터에 대해 각각의 게이트 단자로 3 레벨(3-Level)의 구동 전압을 인가하도록 복수의 스위칭 소자로 구성되는 게이트 드라이버 부을 포함하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치를 제공할 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 최적 스위칭 제어를 통해 와이드 밴드 갭 소자의 크로스토크 전압을 감소시킴으로써, 스위치의 소손을 줄일 수 있는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 전력용 트랜지스터에 발생하는 크로스토크 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 스위칭 과도 구간의 크로스토크 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치가 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 동작하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치의 크로스토크 전압이 감소하는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
본 개시는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치에 관한 것이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)는 직류 전원의 출력단과 타단 사이에 하프 브릿지(half bridge) 레그 구조로 직렬 연결되어, 미리 설정된 특정 주파수 이상에서 적용되는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 부(110), 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터에 대해 각각의 게이트 단자로 3레벨(3-Level)의 구동 전압을 인가하도록 복수의 스위칭 소자로 구성되는 게이트 드라이버 부(120)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 트랜지스터 부(110)는 직류 전원의 출력단과 타단 사이에 하프 브릿지 레그 구조로 직렬 연결되어, 미리 설정된 특정 주파수 이상에서 적용되는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터를 포함할 수 있다. 일 예로, 트랜지스터 부(110)는 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터와 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터로 구성되며, 각각의 전력용 트랜지스터는 게이트 전압에 따라 스위칭하는 와이드 밴드 갭(Wide band gap, WBG) 소자일 수 있다. 또한, 트랜지스터 부(110)는 50kHz 이상의 주파수에서 동작하는 와이드 밴드 갭(Wide band gap, WBG) 소자가 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터로 미리 설정될 수 있다. 여기서, 와이드 밴드 갭 소자는 실리콘 카바이트(SiC) 및 갈륨나이트라이드(GaN)를 기반의 반도체 소자로 SiC MOSFET(Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 GaN FET(Gallium Nitride Field Effect Transistor)일 수 있다. 다만, SiC MOSFET 또는 GaN FET은 일 예를 설명한 것으로, 와이드 밴드 갭 소자에 해당되면 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 트랜지스터 부(110)는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터가 직류 전원과 접지(ground) 사이에 서로 직렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 트랜지스터 부(110)는 드레인(drain) 단자에 직류 양극 단자가 연결되고, 소스(source) 단자에 직류 음극 단자가 연결되는 전력용 트랜지스터 2개가 직류 전원과 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 각각의 전력용 트랜지스터는 게이트 단자에 게이트 드라이버 부(120)로부터 공급되는 게이트 전압(VG)이 연결되고, 소스 단자는 하단의 전력용 트랜지스터의 드레인 단자 또는 접지에 연결될 수 있다. 그리고, 각각의 전력용 트랜지스터는 하이 레벨의 게이트 전압(VG)에 의해 턴 온 동작을 수행하고, 로우 레벨의 게이트 전압(VG)에 의해 턴 오프 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 게이트 전압은 전력용 트랜지스터의 구동 전압을 의미할 수 있다.
일 실시예에 따른 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터에 대해 각각의 게이트 단자로 3레벨(3-Level)의 구동 전압을 인가하도록 복수의 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 일 예로, 게이트 드라이버 부(120)는 토템폴(totem pole) 구조로 연결된 2개의 스위칭 소자에 2개의 스위칭 소자가 추가되는 형태로 복수의 드라이버 회로가 구성될 수 있다. 이렇게 복수의 스위칭 소자로 구성된 각각의 드라이버 회로는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터에 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 전력용 트랜지스터의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 제 1 드라이버 회로가 연결되고, 제 2 전력용 트랜지스터의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 제 2 드라이버 회로가 연결될 수 있다. 또한, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 노드와 게이트 단자 사이에 연결된 제 1 스위칭 소자, 게이트 단자와 접지 사이에 연결된 제 2 스위칭 소자, 제 2 노드와 소스 단자 사이에 연결된 제 3 스위칭 소자 및 소스 단자와 접지 사이에 연결된 제 4 스위칭 소자를 포함하는 각각의 드라이버 회로로 구성될 수 있다.
일 예로, 게이트 드라이버 부(120)는 각각의 스위칭 소자에 제어 신호에 따른 전압을 인가하거나 차단함으로써 온 또는 오프 동작을 수행하여 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 게이트 전압(VG)을 공급할 수 있다. 예를 들어, 게이트 드라이버 부(120)는 복수의 스위칭 소자에 대한 3레벨의 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어 신호를 생성하여, 제 1 레벨 전압, 제 2 레벨 전압 및 제 3 레벨 전압 중 적어도 하나의 구동 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 게이트 드라이버 부(120)는 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 복수의 전력용 트랜지스터가 상보 동작을 수행하는 구간 별로 제 1 레벨 전압, 제 2 레벨 전압 및 제 3 레벨 전압 중 적어도 하나의 구동 전압을 게이트 단자에 인가할 수 있다
구체적인 예를 들면, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터의 데드타임 구간에서 둘 중 하나의 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행하는 경우, 다른 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 1 레벨 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 여기서, 제 1 레벨 전압은 0V 일 수 있다.
구체적인 다른 예를 들면, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 전력용 트랜지스터와 상기 제 2 전력용 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행하는 경우, 다른 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 2 레벨 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 여기서, 제 2 레벨 전압은 -5V 일 수 있다. 그리고, 게이트 드라이버 부(120)는 턴 온 동작을 수행하기 위해 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 3 레벨 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 여기서, 제 3 레벨 전압은 20V 일 수 있다. 또한, 게이트 드라이버 부(120)는 턴 온 동작이 수행된 트랜지스터의 동작이 유지되는 구간에서, 다른 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 1 레벨 전압이 인가되도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치는 레그 구조로 직렬 연결된 와이드 밴드 갭 소자인 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터에 3 레벨(3-Level)의 구동 전압을 인가함으로써, 스위칭에 의해 발생되는 와이드 밴드 갭 소자의 크로스토크 전압을 감소시켜 스위치 소손을 줄일 수 있는 효과를 제공할 수 있다. 특히, 3 레벨(3-Level) 방식의 경우, 하나의 전력용 트랜지스터가 턴 오프 동작하면, 다른 하나의 전력용 트랜지스터의 구동 전압을 0V로 오프셋(Offset)하여 음전압 크로스토크에 의한 스위치 소손까지 줄일 수 있는 효과를 제공할 수 있다. 여기서, 게이트 단자는 게이트- 소스 단자와 동일한 의미로 사용될 수 있다
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 전력용 트랜지스터에 발생하는 크로스토크 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 레그 구조에서 와이드 밴드 갭 소자인 전력용 트랜지스터에 발생하는 크로스토크 전압을 설명할 수 있다. 일 예로, 전력용 트랜지스터는 게이트 전압에 따라 스위칭하는 와이드 밴드 갭(Wide band gap, WBG) 소자일 수 있다. 특히, 전력용 트랜지스터는 50kHz 이상의 주파수에서 동작하는 와이드 밴드 갭 소자로 SiC MOSFET 또는 GaN FET 일 수 있다. 예를 들어, 와이드 밴드 갭 소자 기반의 전력변환장치는 낮은 온 저항 및 고속 스위칭 특성에 따라 고온 동작이 가능하므로 고효율, 고밀도 구현이 가능할 수 있다. 하지만, 와이드 밴드 갭 소자 기반의 전력변환장치는 고속 스위칭 및 낮은 기생 커패시턴스로 인해 게이트 전압에 원치 않는 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 따라서, 와이드 밴드 갭 소자 기반의 전력변환장치는 하프 브릿지 레그 구조에서 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)와 하단의 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 상보 동작하는 과정에서 양의 크로스토크 전압 및 음의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다.
일 예로, 도 2의 (a)를 참조하면, 하단의 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 턴 온 동작을 하는 경우에 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)에 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 예를 들어, 하단의 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 제 2 드라이버 회로(240)를 통해 턴 온 동작을 하는 경우에 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)에 높은 dv/dt로 인한 전류가 발생할 수 있다. 그리고, 발생된 전류가 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)의 게이트-드레인 커패시턴스 값에 의해 게이트-소스 커패시터를 충전시킴으로써, 양의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 이에, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 게이트 드라이버 부(120)는 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)에 연결된 제 1 드라이버 회로(230)를 통해 제 1 전력용 트랜지스터(210)의 게이트 단자에 제 2 레벨 전압을 인가함으로써, 양의 크로스토크 전압을 줄일 수 있다.
다른 일 예로, 도 2의 (b)를 참조하면, 하단의 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 턴 오프 동작을 하는 경우에 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)에 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 예를 들어, 하단의 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 제 2 드라이버 회로(240)를 통해 턴 오프 동작을 하는 경우에 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)에 높은 dv/dt로 인한 전류가 발생할 수 있다. 그리고, 발생된 전류가 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)의 소스에서 게이트로 흐름으로써, 게이트-소스 커패시터에 음의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 이에, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 게이트 드라이버 부(120)는 상단의 제 1 전력용 트랜지스터(210)에 연결된 제 1 드라이버 회로(230)를 통해 제 1 전력용 트랜지스터(210)의 게이트 단자에 제 2 레벨 전압 대신 제 1 레벨 전압을 인가함으로써, 양의 크로스토크 전압을 줄일 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)에서, 전력용 트랜지스터의 스위칭 과도 구간에 게이트- 소스 단자 사이에 발생되는 크로스토크 전압은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
따라서, 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치는 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 연결되는 드라이버 회로를 이용하여 3 레벨의 펄스폭 변조 방식으로 최적의 게이트 전압을 공급함으로써, 양의 크로스토크 전압과 음의 크로스토크 전압을 모두 해결할 수 있다. 이 때, 게이트 드라이버 부(120)는 최적의 게이트 전압을 공급하기 위한 AGD(Active Gate Driver)일 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 스위칭 과도 구간의 크로스토크 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)는 레그 구조에서 발생되는 스위칭 과도 구간의 크로스토크 전압의 크기를 설명할 수 있다. 일 예로, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)는 레그 구조에서 상단에 연결되는 제 1 전력용 트랜지스터(210)와 하단에 연결되는 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 스위칭에 의한 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 예를 들어, 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 턴 온 동작을 하는 경우, 제 1 전력용 트랜지스터(210)에는 제 1 구간(t0~t3)에서 양의 크로스토크 전압(310)이 발생할 수 있다. 이 때, 전압의 최대값이 소자의 문턱 전압(Vth)을 초과하면, 제 1 전력용 트랜지스터(210)가 턴 온 동작되어 단락 회로가 형성되는 문제점이 있다.
다른 예를 들어, 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 턴 오프 동작을 하는 경우, 제 1 전력용 트랜지스터(210)에는 제 2 구간(t4~t7)에서 음의 크로스토크 전압(320)이 발생할 수 있다. 이 때, 전압의 최소값이 소자의 허용 음전압(Vgs_max)을 초과하면, 제 1 전력용 트랜지스터(210)의 소자가 소손되는 문제점이 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호의 동작 원리를 설명할 수 있다. 일 예로, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 게이트 드라이버 부(120)는 복수의 스위칭 소자에 대한 3 레벨의 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 게이트 드라이버 부(120)는 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 제 1 레벨 전압, 제 2 레벨 전압 및 제 3 레벨 전압 중 적어도 하나의 구동 전압을 전력용 트랜지스터에 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 드라이버 부(120)는 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 토템폴(totem pole) 구조로 연결된 2개의 스위칭 소자에 2개의 스위칭 소자가 추가되는 형태로 구성된 드라이버 회로를 제어할 수 있다. 즉, 게이트 드라이버 부(120)는 드라이버 회로를 구성하는 스위칭 소자에 대해 각각의 온 또는 오프 동작을 수행하여 20V, 15V, 0V 또는 -5V 전압을 구현할 수 있다. 다만, 게이트 드라이버 부(120)는 20V, 0V 및 -5V 전압 중 적어도 하나의 전압을 전력용 트랜지스터의 구동 전압으로 공급할 수 있다. 이는, 턴 온 동작을 수행하는 경우, 20V 전압 보다 15V 전압이 적용되면 도통 손실을 줄일 수 있기 때문이다.
또한, 일 예로, 게이트 드라이버 부(120)는 음전압 전원(Negative bias) 방식을 기반으로 전력용 트랜지스터에 3 레벨의 구동 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, 복수의 전력용 트랜지스터가 하프 브릿지(half bridge) 레그 구조로 직렬 연결되면, 하나의 전력용 트랜지스터가 턴 온 동작 시에 다른 하나의 전력용 트랜지스터의 게이트 신호에 양의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 반면에, 하나의 전력용 트랜지스터가 턴 오프동작 시에 다른 하나의 전력용 트랜지스터의 게이트 신호에 음의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 이에, 게이트 드라이버 부(120)는 스위칭에 따라 전력용 트랜지스터에 양의 크로스토크 전압이 발생되는 구간(420, 450)에는 - 5V 전압을 구동 전압으로 인가할 수 있다. 그리고, 게이트 드라이버 부(120)는 스위칭에 따라 전력용 트랜지스터에 음의 크로스토크 전압이 발생되는 구간(410, 440)에는 0V 전압을 구동 전압으로 인가할 수 있다.
구체적으로, 트랜지스터 부(110)는 제 1 구간(410)에서 제 2 전력용 트랜지스터에 음의 크로스토크 전압이 발생될 수 있다. 제 1 구간(410)은 제 1 전력용 트랜지스터 및 제 2 전력용 트랜지스터의 데드타임 구간으로 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행하는 구간일 수 있다. 이에, 게이트 드라이버 부(120)는 3 레벨의 구동 전압 중 0V 전압을 생성하여 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 공급할 수 있다. 게이트 드라이버 부(120)가 0V 전압으로 오프셋(offset) 함으로써, 전력용 트랜지스터가 허용 음전압 이내로 동작이 가능하게 되어 스위치 소손을 줄일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
반면에, 트랜지스터 부(110)는 제 2 구간(420)에서 제 1 전력용 트랜지스터에 양의 크로스토크 전압이 발생될 수 있다. 제 2 구간(420)은 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행하는 구간일 수 있다. 이에, 게이트 드라이버 부(120)는 3 레벨의 구동 전압 중 -5V 전압을 생성하여 턴 온 동작을 수행하지 않는 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 공급할 수 있다. 게이트 드라이버 부(120)가 -5V 전압으로 동작 중에 양의 크로스토크 전압이 발생함에 따라, 양의 크로스토크 전압이 전력용 트랜지스터의 문턱전압 보다 낮아져 단락회로가 형성되지 않을 수 있다.
또한, 트랜지스터 부(110)는 제 3 구간(430)에서 스위칭 동작이 수행되지 않을 수 있다. 제 3 구간(430)은 턴 온 동작이 수행된 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터가 동작 상태를 유지하는 구간일 수 있다. 하지만, 게이트 드라이버 부(120)는 3 레벨의 구동 전압 중 0V 전압을 생성하여 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 -5V 전압 대신 공급할 수 있다. 이는 제 2 전력용 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행하기 전에 0V 전압으로 오프셋(offset)함에 따라, 제 1 전력용 트랜지스터에 발생하는 음의 크로스토크 전압을 대비할 수 있다.
또한, 트랜지스터 부(110)는 제 4 구간(440)에서 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터에 음의 크로스토크 전압이 발생될 수 있다. 제 4 구간(440)은 제 1 전력용 트랜지스터 및 제 2 전력용 트랜지스터의 데드타임 구간으로 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행하는 구간일 수 있다. 이에, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 0V 전압의 공급을 유지하여 오프셋(offset) 함으로써, 전력용 트랜지스터가 허용 음전압 이내로 동작할 수 있다. 동시에, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행하기 전에 제 2 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 -5V 전압을 공급하여 음의 크로스토크 전압을 대비할 수 있다.
또한, 트랜지스터 부(110)는 제 5 구간(450)에서 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터에 양의 크로스토크 전압이 발생될 수 있다. 제 5 구간(450)은 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행하는 구간일 수 있다. 이에, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터의 게이트 단자에 -5V 전압의 공급을 유지하여 동작함으로써, 전력용 트랜지스터의 문턱전압 보다 양의 크로스토크 전압이 낮게 발생할 수 있다
도 5 내지 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치가 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 동작하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 7을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)가 구간 별로 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 동작하는 원리를 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터를 기준으로 설명할 수 있다. 일 예로, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 노드와 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자 사이에 연결된 제 1 스위칭 소자(Q1_L), 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자와 접지 사이에 연결된 제 2 스위칭 소자(Q2_L), 제 2 노드와 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 소스 단자 사이에 연결된 제 3 스위칭 소자(Q3_L) 및 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 소스 단자와 접지 사이에 연결된 제 4 스위칭 소자(Q4_L)를 포함하는 제 2 드라이버 회로(240)로 구성될 수 있다. 여기서, 제 1 노드는 20V 일 수 있고, 제 2 노드는 5V 일 수 있다. 다만, 전력용 트랜지스터의 소자 특성에 따라 변경하여 연결될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 트랜지스터 부(110)는 제 2 구간(420) 및 제 3 구간(430)에서 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 턴 온 동작을 수행할 수 있다. 이러한, 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 턴 온 동작은 게이트 단자에 3 레벨의 구동 전압 중 20V 전압이 공급됨으로써 수행될 수 있다. 구체적으로, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터(220)에 연결된 제 2 드라이버 회로(240)의 제 1 스위칭 소자(Q1_L) 및 제 4 스위칭 소자(Q4_L)를 턴 온 동작시킬 수 있다. 그리고, 게이트 드라이버 부(120)는 제 1 노드에 연결된 제 1 스위칭 소자(Q1_L)를 턴 온 동작하여 20V 전압을 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자에 공급할 수 있다. 동시에, 게이트 드라이버 부(120)는 접지에 연결된 제 4 스위칭 소자(Q4_L)를 턴 온 동작하여 0V 전압을 소스 단자에 공급할 수 있다. 즉, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자에 3 레벨의 구동 전압 중 20V 전압을 공급할 수 있다. 다만, 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터(220)가 턴 온 동작을 수행함에 따라 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터에는 양의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 트랜지스터 부(110)는 제 5 구간(450)에서 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행함에 따라 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터(220)에 양의 크로스토크 전압이 발생될 수 있다. 이에, 제 2 전력용 트랜지스터(220)는 게이트 단자에 3 레벨의 구동 전압 중 -5V 전압이 공급됨으로써 양의 크로스토크 전압을 대비할 수 있다. 구체적으로, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터(220)에 연결된 제 2 드라이버 회로(240)의 제 2 스위칭 소자(Q2_L) 및 제 3 스위칭 소자(Q3_L)를 턴 온 동작시킬 수 있다. 그리고, 게이트 드라이버 부(120)는 접지에 연결된 제 2 스위칭 소자(Q2_L)를 턴 온 동작하여 0V 전압을 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자에 공급할 수 있다. 동시에, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 노드에 연결된 제 3 스위칭 소자(Q3_L)를 턴 온 동작하여 5V 전압을 소스 단자에 공급할 수 있다. 즉, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자에 3 레벨의 구동 전압 중 -5V 전압을 공급할 수 있다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 트랜지스터 부(110)는 제 1 구간(410)에서 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행함에 따라 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터(220)에 음의 크로스토크 전압이 발생될 수 있다. 이에, 제 2 전력용 트랜지스터(220)는 게이트 단자에 3 레벨의 구동 전압 중 0V 전압이 공급됨으로써 음의 크로스토크 전압을 대비할 수 있다. 구체적으로, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터(220)에 연결된 제 2 드라이버 회로(240)의 제 2 스위칭 소자(Q2_L) 및 제 4 스위칭 소자(Q4_L)가 턴 온 동작시킬 수 있다. 그리고, 게이트 드라이버 부(120)는 접지에 연결된 제 2 스위칭 소자(Q2_L)를 턴 온 동작하여 0V 전압을 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자에 공급할 수 있다. 동시에, 게이트 드라이버 부(120)는 접지에 연결된 제 4 스위칭 소자(Q4_L)를 턴 온 동작하여 0V 전압을 소스 단자에 공급할 수 있다. 즉, 게이트 드라이버 부(120)는 제 2 전력용 트랜지스터(220)의 게이트 단자에 3 레벨의 구동 전압 중 0V 전압을 공급할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치의 크로스토크 전압이 감소하는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)는 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호에 따라 드라이버 회로의 스위칭 동작을 수행하여 크로스토크 전압을 감소시킬 수 있다. 일 예로, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치(100)의 트랜지스터 부(110)는 하프 브릿지(half bridge) 레그 구조로 직렬 연결된 복수의 전력용 트랜지스터가 상보 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 각각의 전력용 트랜지스터는 50kHz 이상의 주파수에서 동작하는 와이드 밴드 갭 소자로 미리 설정될 수 있다. 예를 들어, 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행하는 경우, 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터는 게이트-소스 단자(Vgs_L)에 양의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 다만, 제 2 전력용 트랜지스터가 -5V 전압으로 동작 중에 양의 크로스토크 전압이 발생하면, 게이트-소스 단자의 전압 최대값(810)은 -3.7V일 수 있다. 따라서, 전압 최대값(810)이 전력용 트랜지스터의 문턱전압(2.5V)보다 낮으므로 단락회로가 형성되지 않을 수 있다.
다른 예를 들어, 상단에 연결된 제 1 전력용 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행하는 경우, 하단에 연결된 제 2 전력용 트랜지스터는 게이트-소스 단자(Vgs_L)에 음의 크로스토크 전압이 발생할 수 있다. 다만, 제 2 전력용 트랜지스터가 0V 전압으로 오프셋 중에 음의 크로스토크 전압이 발생하면, 게이트-소스 단자의 전압 최소값(820)은 -5.4V일 수 있다. 따라서, 전압 최소값(820)이 전력용 트랜지스터의 허용 가능 음전압(830) 내로 소자가 소손되지 않을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 개시에 의하면, 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치에 관한 것으로서, 특히, 레그 구조의 전력용 트랜지스터에 3 레벨의 구동 전압을 인가하도록 3 레벨의 펄스폭 변조 제어 신호를 생성하여 최적 스위칭 제어를 수행함으로써, 와이드 밴드 갭 소자의 크로스토크(crosstalk) 전압을 감소시켜 스위치의 소손을 줄일 수 있는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치를 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 직류 전원의 출력단과 타단 사이에 하프 브릿지(half bridge) 레그 구조로 직렬 연결되어, 미리 설정된 특정 주파수 이상에서 적용되는 제 1 전력용 트랜지스터와 제 2 전력용 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 부; 및
    상기 제 1 전력용 트랜지스터와 상기 제 2 전력용 트랜지스터에 대해 각각의 게이트 단자로 3 레벨(3-Level)의 구동 전압을 인가하도록 복수의 스위칭 소자로 구성되는 게이트 드라이버 부;를 포함하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜지스터 부는,
    50kHz 이상의 주파수에서 동작하는 와이드 밴드 갭(Wide band gap, WBG) 소자가 상기 제 1 전력용 트랜지스터와 상기 제 2 전력용 트랜지스터로 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    토템폴(totem pole) 구조로 연결된 2개의 스위칭 소자에 2개의 스위칭 소자가 추가되는 형태로 복수의 드라이버 회로가 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    상기 제 1 전력용 트랜지스터의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 제 1 드라이버 회로가 연결되고,
    상기 제 2 전력용 트랜지스터의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 제 2 드라이버 회로가 연결되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    제 1 노드와 상기 게이트 단자 사이에 연결된 제 1 스위칭 소자, 상기 게이트 단자와 접지 사이에 연결된 제 2 스위칭 소자, 제 2 노드와 상기 소스 단자 사이에 연결된 제 3 스위칭 소자 및 상기 소스 단자와 접지 사이에 연결된 제 4 스위칭 소자를 포함하는 각각의 드라이버 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    상기 복수의 스위칭 소자에 대한 3 레벨의 펄스폭 변조((Pulse Width Modulation, PWM) 제어 신호를 생성하여, 제 1 레벨 전압, 제 2 레벨 전압 및 제 3 레벨 전압 중 적어도 하나의 구동 전압을 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    상기 제 1 전력용 트랜지스터와 상기 제 2 전력용 트랜지스터의 데드타임 구간에서 둘 중 한의 트랜지스터가 턴 오프 동작을 수행하는 경우, 다른 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 2 레벨 전압이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    상기 제 1 전력용 트랜지스터와 상기 제 2 전력용 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터가 턴 온 동작을 수행하는 경우, 다른 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 2 레벨 전압이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    상기 턴 온 동작을 수행하기 위해 상기 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 3 레벨 전압이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버 부는,
    상기 턴 온 동작이 수행된 트랜지스터의 동작이 유지되는 구간에서, 상기 다른 하나의 트랜지스터의 게이트 단자에 제 1 레벨 전압이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭 소자용 게이트 구동 장치.
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