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KR-20260060555-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 따른 게이트 드라이버는, 연결된 스위치의 턴온 및 턴오프 중 하나 이상에서 발생되는 출력값을 센싱하여 출력하는 센싱유닛 및 출력값과 미리 설정된 손실모델을 이용하여 스위치의 턴온 및 턴오프 중 하나 이상에서 발생되는 손실정보를 생성하고, 손실정보를 이용하여 스위치의 스위칭손실을 제어하는 콘트롤유닛을 포함할 수 있다.

Inventors

  • 김경민
  • 강윤아
  • 김래영

Assignees

  • 한양대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (15)

  1. 연결된 스위치의 턴온 및 턴오프 중 하나 이상에서 발생되는 출력값을 센싱하여 출력하는 센싱유닛; 및 상기 출력값과 미리 설정된 손실모델을 이용하여 상기 스위치의 턴온 및 턴오프 중 하나 이상에서 발생되는 손실정보를 생성하고, 상기 손실정보를 이용하여 상기 스위치의 스위칭손실을 제어하는 콘트롤유닛; 을 포함하는 게이트 드라이버.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센싱유닛은, 상기 스위치의 턴온 시점을 정확하게 센싱하기 위한 노이즈 저감회로를 포함하는, 게이트 드라이버.
  3. 제2항에 있어서, 상기 노이즈 저감회로는, 상기 스위치의 턴온 시 상기 스위치의 출력전류에 의해 야기되는 트리거신호가 입력되면, 상기 트리거신호에서 노이즈를 제거한 상기 출력값을 출력하는, 게이트 드라이버.
  4. 제3항에 있어서, 상기 노이즈 저감회로는, 상기 스위치의 게이트전류 제어를 위한 턴온신호가 이네이블(Enable) 단자에 입력되고, 상기 트리거신호가 데이터(Data) 단자에 입력되는 D래치; 및 상기 D래치의 출력이 셋(Set) 단자에 입력되고, 상기 턴온신호의 반전신호가 리셋(Reset) 단자에 입력되는 SR래치; 를 포함하는, 게이트 드라이버.
  5. 제1항에 있어서, 상기 센싱유닛은, 상기 스위치의 턴오프 종점을 정확하게 센싱하기 위한 노이즈 저감회로를 포함하는, 게이트 드라이버.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노이즈 저감회로는, 상기 스위치의 턴오프 시 상기 스위치의 출력전류에 의해 야기되는 트리거신호가 입력되면, 상기 트리거신호에서 노이즈를 제거한 상기 출력값을 출력하는, 게이트 드라이버.
  7. 제6항에 있어서, 상기 노이즈 저감회로는, 상기 스위치의 게이트전류 제어를 위한 턴오프신호의 반전신호가 이네이블(Enable) 단자에 입력되고, 상기 트리거신호가 데이터(Data) 단자에 입력되는 D래치; 및 상기 D래치의 출력이 셋(Set) 단자에 입력되고, 상기 턴오프신호가 리셋(Reset) 단자에 입력되는 SR래치; 를 포함하는, 게이트 드라이버.
  8. 제1항에 있어서, 상기 센싱유닛은, 상기 스위치의 출력전류 급상승 시점을 센싱하여 출력하고, 상기 스위치의 출력전압을 센싱하여 출력하며, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전류 급상승 시점을 상기 턴온의 시점으로 인지하고, 상기 출력전압이 제로 또는 미리 설정된 임계전압 이하가 되는 시점을 상기 턴온의 종점으로 인지하며, 상기 턴온의 시점 및 종점을 이용하여 상기 손실정보를 생성하는, 게이트 드라이버.
  9. 제8항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 스위치와 함께 하프 브리지 회로를 구성하는 타 스위치의 출력커패시턴스에 상응하는 평균값을 이용하여 상기 손실정보를 생성하는, 게이트 드라이버.
  10. 제9항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 미리 설정된 수학식(1), 수학식(2), 수학식(3), 수학식(4) 및 수학식(5)를 이용하여 상기 손실정보를 생성하는, 게이트 드라이버. [수학식1] [수학식2] [수학식3] [수학식4] [수학식5] 상기 는 상기 턴온의 시점을 시작으로 하는 제1 시간구간이고, 상기 는 상기 턴온의 전체구간이고, 상기 는 상기 턴온의 제2 시간구간이고, 상기 는 상기 제1 시간구간의 종점에서의 상기 스위치의 출력전압이고, 상기 및 상기 는 미리 설정된 시스템 동작 조건이고, 상기 는 미리 설정된 값으로서, 상기 제1 시간구간 종점에서의 상기 타 스위치의 병렬 연결 다이오드 전압에 상응하고, 상기 는 미리 설정된 상기 스위치의 기생인덕턴스에 대한 파라미터값이고, 상기 는 상기 스위치의 출력전류 피크값이고, 상기 는 상기 턴온의 전류구간 손실정보이고, 상기 는 상기 스위치 또는 상기 타 스위치 중 어느 하나의 출력커패시턴스의 제1 시간구간 동안의 전하량으로서 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치 또는 상기 타 스위치 중 어느 하나의 출력전압의 미리 설정된 제1 범위에서의 상기 출력커패시턴스의 제1 평균값으로서 미리 설정된 값이며, 상기 는 상기 턴온의 전압구간 손실정보임.
  11. 제1항에 있어서, 상기 센싱유닛은, 상기 스위치의 출력전압 급상승 시점을 센싱하여 출력하고, 상기 스위치의 출력전류를 센싱하여 출력하며, 상기 콘트롤유닛은, 상기 출력전압 급상승 시점을 상기 턴오프의 시점으로 인지하고, 상기 출력전류가 제로 또는 미리 설정된 임계전류 이하가 되는 시점을 상기 턴오프의 종점으로 인지하며, 상기 턴오프의 시점 및 종점을 이용하여 상기 손실정보를 생성하는, 게이트 드라이버.
  12. 제11항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 스위치와 함께 하프 브리지 회로를 구성하는 타 스위치의 출력커패시턴스에 상응하는 복수의 평균값을 이용하여 상기 손실정보를 생성하는, 게이트 드라이버.
  13. 제12항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 타 스위치의 출력커패시턴스의 제2 평균값 및 제3 평균값을 이용하여 상기 손실정보를 생성하되, 상기 제2 평균값은 상기 타 스위치의 출력전압이 제1 전압과 제2 전압 사이일 때의 상기 타 스위치의 출력커패시턴스의 평균값으로서 미리 설정된 값이고, 상기 제3 평균값은 상기 타 스위치의 출력전압이 제2 전압과 제3 전압 사이일 때의 상기 타 스위치의 출력커패시턴스의 평균값으로서 미리 설정된 값이고, 상기 제1 전압은 상기 타 스위치의 턴오프 시점에 상응하는 전압이고, 상기 제3 전압은 상기 타 스위치의 턴오프 종점에 상응하는 전압이며, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압을 초과하고, 상기 제3 전압 미만의 전압인, 게이트 드라이버.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압과 상기 제3 전압의 중간 전압인, 게이트 드라이버.
  15. 제13항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 미리 설정된 수학식(6), 수학식(7), 수학식(8), 수학식(9) 및 수학식(10)을 이용하여 상기 손실정보를 생성하는, 게이트 드라이버. [수학식6] [수학식7] [수학식8] [수학식9] [수학식10] 단, 상기 는 상기 턴오프의 시점을 시작으로 하고, 상기 시간을 종점으로 하는 구간이고, 상기 는 상기 턴오프의 시점을 시작으로 하는 제3 시간구간이고, 상기 는 상기 스위치의 출력전압 피크값이고, 상기 및 상기 는 미리 설정된 시스템 동작 조건이고, 상기 는 미리 설정된 값으로서, 상기 타 스위치의 병렬 연결 다이오드 전압에 상응하고, 상기 는 상기 턴오프의 제4 시간구간이고, 상기 는 상기 턴오프의 전체구간이고, 상기 는 상기 제3 시간구간의 종점에서의 상기 스위치의 출력전류이고, 상기 는 상기 제2 평균값이고, 상기 는 상기 제3 평균값이고, 상기 는 상기 턴오프의 전류구간 손실정보이며, 상기 는 상기 턴오프의 전압구간 손실정보임.

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 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱유닛에 대한 회로도이다. 도 5 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱유닛의 각 구성요소들의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 시간 구간 설정에 대한 예시이다. 도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예들에 따른 콘트롤유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 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. 한편, 도 1에는 도시되지 않았으나, 전력 스위치(110)는 하프 브리지(Half bridge)를 구성하는 2개의 스위치 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 전력 스위치(110)는 하프 브리지(Half bridge)의 하단 스위치에 상응할 수 있고, 상단의 전력스위치(이하, '타 전력스위치'라 칭함)(미도시)와 번갈아 가며 작동함으로써 두 전력스위치의 사이에 교번 전압을 발생시킬 수 있다. 도 1의 게이트 드라이버(100)는 하프 브리지(Half bridge)를 구성하는 2개의 전력 스위치 중 어느 하나(예를 들어, 하단 전력스위치(110))를 턴온/턴오프 시키는 구성일 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 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱유닛에 대한 회로도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱유닛(120)은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다. (1) 전류피크검출기(Current Peak Detector): 전력스위치(110)의 출력전류(Id)의 피크값을 검출할 수 있음 (2) 전압피크검출기(Voltage Peak Detector): 전력스위치(110)의 출력전압(Vds)의 피크값을 검출할 수 있음 (3) 턴오프 전압구간 시간측정회로: 전력스위치(110)의 턴오프(Turn-off)시 출력전압(Vds)을 이용하여 시간구간을 측정할 수 있음 (4) 턴온 전압구간 시간측정회로: 전력스위치(110)의 턴온(Turn-on)시 출력전압(Vds)을 이용하여 시간구간을 측정할 수 있음 (5) 턴오프 전류구간 시간측정회로: 전력스위치(110)의 턴오프(Turn-off)시 출력전류(Id)를 이용하여 시간구간을 측정할 수 있음 (6) 턴온 전류구간 시간측정회로: 전력스위치(110)의 턴온(Turn-on)시 출력전류(Id)를 이용하여 시간구간을 측정할 수 있음 (7) 전류측정 노이즈저감회로: '턴오프 전류구간 시간측정회로' 및/또는 ' 턴온 전류구간 시간측정회로'의 출력값의 노이즈를 저감시켜 센싱정보의 정확도와 연산효율을 증가시킬 수 있음 먼저 도 3에는, 전압피크검출기(Voltage Peak Detector), 턴오프 전압구간 시간측정회로, 턴온 전압구간 시간측정회로의 회로도가 예시된다. 도 3에 예시된 회로 구성들의 세부 동작에 대해서는 본 발명의 기술분야에 속하는 기술자들에게는 자명한 사항이므로 생략한다. 한편, 도 3에 예시된 은 도 4의 '전류 센싱 노이즈 저감 회로'의 출력신호를 의미할 수 있다. 또한, 도 3에 예시된 의 예시는 도 10에 도시되어 있다. 도 4에는, 전류피크검출기(Current Peak Detector), 턴오프 전류구간 시간측정회로, 턴온 전류구간 시간측정회로의 회로도, 전류측정 노이즈저감회로(이하, '노이즈 저감회로'로 약칭함)(410)가 예시된다. 콘트롤유닛(130)은 도 3 및 도 4와 같은 회로를 통해 입력된 신호를 분석하여 다음과 같은 정보를 인지할 수 있다. (1) 전력스위치(110)의 턴오프(Turn-off)시 출력전압(Vds)의 피크값 및 피크시간(출력전압(Vds)가 피크값일때의 시간) (2) 턴온(Turn-on)시 출력전압(Vds)의 하강 종점 (3) 턴오프(Turn-off)시 출력전압(Vds)의 상승 시점 (4) 전력스위치(110)의 턴오프(Turn-off)시 출력전류(Id)의 피크값 및 피크시간(출력전류(Id)가 피크값일때의 시간) (5) 턴온(Turn-on)시 출력전류(Id)의 상승 시점 (6) 턴오프(Turn-off)시 출력전류(Id)의 하강 종점 이때, '턴온(Turn-on)시 출력전류(Id)의 상승 시점' 및/또는 '턴오프(Turn-off)시 출력전류(Id)의 하강 종점'의 정확도를 높이고, 콘트롤유닛(130)의 연산량을 줄이기 위해, '턴온 전류구간 시간측정 회로'의 출력 및/또는 ' 턴-오프 전류구간 시간측정 회로'의 출력은 노이즈 저감회로(410)에 입력될 수 있다. 도 4에 예시된 바와 같이, 노이즈 저감회로(410)는 2개의 D래치(D-type Latch), 2개의 SR래치(SR-type Latch)를 포함할 수 있다. 제1 D래치 및 제1 SR래치는 전력 스위치(110)의 '턴온(Turn-on)시 출력전류(Id)의 상승 시점'의 정확도를 높이기 위해 사용될 수 있다. 또한, 제2 D래치 및 제2 SR래치는 전력 스위치(110)의 '턴오프(Turn-off)시 출력전류(Id)의 하강 종점'의 정확도를 높이기 위해 사용될 수 있다. 이하 도 5 내지 도 10을