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KR-20260060554-A - Gate Driver and Driving method thereof

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Abstract

본 발명은 게이트 드라이버 및 그 구동 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 연결된 스위치 소자의 오버슈트(overshoot) 및/또는 전력 손실에 능동적으로 대응할 수 있는 게이트 드라이버 및 그 구동 방법에 대한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 연결된 스위치의 출력값을 센싱하여 출력하는 센싱유닛 및 출력값을 이용하여 스위치의 턴온 및 턴오프 중 하나 이상의 과도상태에서 발생되는 오버슈트 및 손실을 모두 제어하는 콘트롤유닛을 포함하는 게이트 드라이버가 개시된다.

Inventors

  • 강윤아
  • 김경민
  • 김소진
  • 김래영

Assignees

  • 한양대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (18)

  1. 연결된 스위치의 출력값을 센싱하여 출력하는 센싱유닛; 및 상기 출력값을 이용하여 상기 스위치의 턴온 과도상태 및 턴오프 과도 상태 중 하나 이상에서 발생되는 오버슈트 및 손실을 제어하는 콘트롤유닛; 을 포함하는 게이트 드라이버.
  2. 제1항에 있어서, 상기 턴온 과도상태에서, 상기 센싱유닛은 상기 스위치의 출력전류의 피크값을 센싱하고, 상기 콘트롤유닛은 상기 피크값을 이용하여 상기 오버슈트 및 상기 손실을 제어하는, 게이트 드라이버.
  3. 제2항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전류가 미리 설정된 안정값에서 상기 피크값이 되는 제1 구간 동안 상기 스위치에 제2 게이트전류가 입력되도록 하는, 게이트 드라이버.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 게이트전류의 크기는 상기 제1 게이트전류의 크기보다 작은, 게이트 드라이버.
  5. 제3항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전류의 상승 시점과 상기 피크값의 센싱 시점을 이용하여 상기 제1 구간의 시작을 설정하는, 게이트 드라이버.
  6. 제3항에 있어서, 상기 콘트롤유닛의 제어에 따라 상기 스위치에 제2 게이트전류가 입력되도록 하는 출력유닛; 을 더 포함하는, 게이트 드라이버.
  7. 제6항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 제1 구간 시작시 턴온오버슈트제어신호를 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 턴온오버슈트제어신호 입력시 활성화되어 상기 스위치에 상기 제2 게이트전류가 입력되도록 하는 제1 전류원; 을 포함하는, 게이트 드라이버.
  8. 제3항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전류가 제2 구간 동안 상기 스위치에 제3 게이트전류가 입력되도록 하되, 상기 제2 구간의 시점은 상기 제1 구간의 종점이고, 상기 제2 구간의 종점은 상기 스위치의 출력전압이 제로 또는 미리 설정된 임계전압 이하가 되는 시점인, 게이트 드라이버.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제3 게이트전류는 상기 제2 게이트전류보다 큰, 게이트 드라이버.
  10. 제8항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 제2 구간 시작시 턴온손실제어신호를 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 턴온손실제어신호 입력시 활성화되어 상기 스위치에 상기 제3 게이트전류가 입력되도록 하는 제1 전류원 및 제2 전류원; 을 포함하는, 게이트 드라이버.
  11. 제1항에 있어서, 상기 턴오프 과도 상태에서, 상기 센싱유닛은 상기 스위치의 출력전압의 피크값을 센싱하고, 상기 콘트롤유닛은 상기 출력전압의 피크값을 이용하여 상기 오버슈트 및 상기 손실을 제어하는, 게이트 드라이버.
  12. 제11항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전압이 급상승하는 상기 턴오프 과도상태가 도래하면, 상기 스위치에서 제4 게이트전류가 출력되도록 하되, 상기 제4 게이트전류의 크기는 상기 턴오프 과도상태 도래 이전보다 작은, 게이트 드라이버.
  13. 제12항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 과도상태 시작시 턴오프손실제어신호를 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 턴오프손실제어신호 입력시 활성화되어 상기 스위치에서 상기 제4 게이트전류가 출력되도록 하는 제3 전류원 및 제4 전류원; 을 포함하는, 게이트 드라이버.
  14. 제12항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 과도상태 시작 후 상기 출력전압이 미리 설정된 안정값이 되면, 상기 스위치에서 제5 게이트전류가 출력되도록 하는, 게이트 드라이버.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제5 게이트전류의 크기는 상기 제4 게이트전류의 크기보다 작은, 게이트 드라이버.
  16. 제15항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전압이 상기 안정값이 되면, 턴오프오버슈트제어신호를 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 턴오프오버슈트제어신호 입력시 활성화되어 상기 스위치에서 상기 제5 게이트전류가 출력되도록 하는 제4 전류원; 을 포함하는, 게이트 드라이버.
  17. 제15항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 제3 구간동안 상기 스위치에서 제5 게이트전류가 출력되도록 하고, 상기 제3구간 종료 후 상기 스위치에 게이트전류를 차단하되, 상기 제3 구간의 종점은 상기 스위치 출력전류가 제로 또는 미리 설정된 임계전류 이하가 되는 시점인, 게이트 드라이버.
  18. 제17항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전압의 상승 시점과 상기 출력전압의 피크값의 센싱 시점을 이용하여 상기 제3 구간의 시작을 설정하는, 게이트 드라이버.

Description

게이트 드라이버 및 그 구동 방법{Gate Driver and Driving method thereof} 본 발명은 게이트 드라이버 및 그 구동 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 연결된 스위치 소자의 오버슈트(overshoot) 및/또는 전력 손실에 능동적으로 대응할 수 있는 게이트 드라이버 및 그 구동 방법에 대한 것이다. SiC-MOSFET은 실리콘 카바이드(Silicon Carbide) 소재를 사용한 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터이다. SiC-MOSFET은 다음과 같은 특성 덕분에, 전기 자동차, 재생 에너지 시스템, 전력 변환 장치 등 고효율과 고성능이 요구되는 다양한 분야에서 사용되고 있다. (1) 고내압: SiC 소재는 실리콘보다 더 높은 전압을 견딜 수 있어 고전압 애플리케이션에 적합함 (2) 빠른 스위칭 속도: SiC-MOSFET은 실리콘 MOSFET보다 더 빠른 스위칭 속도를 제공하여 고주파 애플리케이션에 유리함 (3) 낮은 온저항: SiC 소재는 온저항(Rds(on))이 낮아 전력 손실이 적고 효율이 높음 (4) 높은 열 전도성: SiC는 높은 열 전도성을 가지고 있어 더 나은 열 관리가 가능함 SiC-MOSFET는 IGBT 대비 스위칭 과도상태 시간이 굉장히 짧기 때문에(수 us vs 수십 ns 수준), SiC-MOSFET의 스위칭 과도상태는 타이밍에 맞춰 제어되기 매우 어렵다. 짧은 스위칭 과도상태 시간을 정확하게 센싱하기 위해서는 높은 시간 분해능이 요구될 뿐 아니라, 제어를 위한 연산시간 등을 최소화하기 위한 고사양 프로세서(MCU, FPGA)도 요구된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버에 대한 블록 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버 회로도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱유닛에 대한 회로도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 턴온(Turn On) 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 시간 구간 설정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 턴오프(Turn Off) 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 시간 구간 설정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예들에 따른 출력유닛에 대한 회로도이다. 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다. 또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하나 이상의 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 의미한다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버에 대한 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버(이하, '게이트 드라이버'로 약칭함) (100)는 SiC-MOSFET과 같은 전력 스위치(110)에 연결될 수 있다. 도 1에서는 게이트 드라이버(110)와 연결된 전력 스위치(110)가 SiC-MOSFET인 경우가 예시되어 있으나, 전력 스위치라면 그 종류와 무관하게 적용될 수 있다. 또한, 게이트 드라이버(100)는 센싱유닛(SENSING UNIT, 120), 콘트롤유닛(CONTROL, UNIT, 130) 및 출력유닛(OUTPUT UNIT, 140)을 포함할 수 있다. 센싱유닛(120)은 전력 스위치(110)의 출력값을 센싱할 수 있다. 예를 들어, 센싱유닛(120)은 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)의 값을 센싱할 수 있다. 다른 예를 들어, 센싱유닛(120)은 전력 스위치(110)의 출력전압(Vds)의 값을 센싱할 수 있다. 또한, 콘트롤유닛(130)은 전력 스위치(110)에 입력될 게이트 전류(Ig)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 콘트롤유닛(130)은 센싱유닛(120)에서 센싱된 전력 스위치(110)의 출력값을 이용하여 전력 스위치(110)에 입력될 게이트 전류(Ig)의 크기 등을 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 또한, 출력유닛(140)은 전력 스위치(110)에 게이트 전류(Ig)를 입력시킬 수 있다. 이때, 출력유닛(140)은 콘트롤유닛(130)의 제어에 의해 게이트 전류(Ig) 크기를 조절할 수 있다. 이하, 도 2에 예시된 게이트 드라이버(100)의 회로도를 기반으로, 게이트 드라이버(100) 각 유닛(120 내지 140)의 구성 및 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱유닛(120)에 대한 회로도이다. 도 3을 참조하면, 센싱유닛(120)은 전류센싱파트(310) 및 전압센싱파트(320)를 포함할 수 있다. 전류센싱파트(310)는 전류피크디텍터(PEAK DETECTOR), 턴-온 전류구간 시간 측정기, 턴-오프 전류구간 시간 측정기를 포함할 수 있다. 전류피크디텍터는 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)의 피크값을 검출할 수 있다. 예를 들어, 전류피크디텍터는 적분기와 직렬로 연결되어 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)의 피크값을 검출할 수 있다. 즉, 적분기는 출력전류의 값을 더 부드럽고 연속적인 형태로 변환하여 출력할 수 있고, 전류피크디텍터는 직렬로 연결된 적분기를 통해 입력된 신호를 통해 출력전류(Id)의 변화를 시간에 따라 추적할 수 있다. 전류피크디텍터는 피크값이 검출된 시간(t3)에 대한 정보를 콘트롤유닛(130)으로 출력할 수 있다. '턴-온 전류구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)가 턴-온(TURN-ON)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)가 급격히 상승하는 시점(t2)을 센싱할 수 있다. 또한, '턴-온 전류구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)가 턴-온(TURN-ON)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)가 안정화되는 시점(즉, 미리 설정된 값이 미리 설정된 시간 동안 유지되는 시점)(t5)를 센싱할 수 있다. '턴-온 전류구간 시간 측정기'는 t2 및/또는 t3에 대한 정보를 콘트롤유닛(130)으로 출력할 수 있다. '턴-오프 전류구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)가 턴-오프(TURN-OFF)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)가 하강하는 시점(t7)을 센싱할 수 있다. 또한, '턴-오프 전류구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)가 턴-오프(TURN-OFF)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전류(Id)가 0(제로) 또는 미리 설정된 값 이하가 되는 시점(t9)을 센싱할 수 있다. '턴-오프 전류구간 시간 측정기'는 t7* 내지 t9에 대한 정보를 콘트롤유닛(130)으로 출력할 수 있다. 여기서 '턴-온 전류구간 시간 측정기' 및/또는 '턴-오프 전류구간 시간 측정기'의 구체적인 회로 구성은 상술한 기능을 수행할 수 있는 것이라면 그 종류와 무관하게 적용될 수 있으므로 생략한다. 전압피크디텍터는 전력 스위치(110)의 출력전압(Vds)의 피크값을 검출할 수 있다. 예를 들어, 전압피크디텍터는 전력 스위치(110)의 출력전압(Vds)의 변화를 시간에 따라 추적하여 피크값을 검출할 수 있다. 전압피크디텍터는 피크값이 검출된 시간(t8)에 대한 정보를 콘트롤유닛(130)으로 출력할 수 있다. '턴-온 전압구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)가 턴-온(TURN-ON)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전압(Vds)이 안정화되는 시점(t5), 즉 출력전압(Vds)이 0(제로) 또는 미리 설정된 값 이하가 되는 시점을 센싱할 수 있다. '턴-온 전압구간 시간 측정기'는 t3 및/또는 t4에 대한 정보를 콘트롤유닛(130)으로 출력할 수 있다. '턴-오프 전압구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)에 게이트 전류 입력이 차단(t6)되어 턴-오프(TURN-OFF)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전압(Vds)이 급격히 상숭하는 시점(t7)을 센싱할 수 있다. 또한, '턴-오프 전압구간 시간 측정기'는 전력 스위치(110)가 턴-오프(TURN-OFF)될 때, 전력 스위치(110)의 출력전압(Vds)이 안정화되는 시점(t10)을 센싱할 수 있다. '턴-오프 전압구간 시간 측정기'는 t7 및/또는 t8에 대한 정보를 콘트롤유닛(130)으로 출력할 수 있다. 여기서 '턴-온 전압구간 시간 측정기' 및/또는 '턴-오프 전압구간 시간 측정기'의 구체적인 회로 구성은 상술한 기능을 수행할 수 있는 것이라면 그 종류와 무관하게 적용될 수 있으므로 생략한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛(130)의 턴온(Turn On) 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 콘트롤유닛(130)은 t1 내지 t5에 대한 정보를 센싱유닛(120) 등으로부터 수신해서 저장할 수 있다. t1 내