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KR-20260060592-A - Gate Driver and Driving method thereof

KR20260060592AKR 20260060592 AKR20260060592 AKR 20260060592AKR-20260060592-A

Abstract

본 발명은 게이트 드라이버 및 그 구동 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 연결된 스위치 소자의 전력 손실을 저감시킬 수 있는 게이트 드라이버 및 그 구동 방법에 대한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 연결된 스위치의 턴온 또는 턴오프 시에 제어신호가 입력되면, 제어신호의 입력 후 미리 설정된 주입개시시간이 도래할 때 주입전류제어신호를 생성하여 출력하는 콘트롤유닛 및 주입전류제어신호가 입력되면, 미리 설정된 크기의 주입전류를 스위치의 게이트에 주입하는 출력유닛을 포함하는 게이트 드라이버가 개시된다.

Inventors

  • 최유미
  • 김경민
  • 강윤아
  • 김래영

Assignees

  • 한양대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (14)

  1. 연결된 스위치의 턴온 또는 턴오프 시에 제어신호가 입력되면, 상기 제어신호의 입력 후 미리 설정된 주입개시시간이 도래할 때 주입전류제어신호를 생성하여 출력하는 콘트롤유닛; 및 상기 주입전류제어신호가 입력되면, 미리 설정된 크기의 주입전류를 상기 스위치의 게이트에 주입하는 출력유닛; 을 포함하는 게이트 드라이버.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력유닛은, 상기 주입전류제어신호가 입력되면, 미리 설정된 크기의 주입전류를 출력하는 단일의 전류원; 을 포함하는, 게이트 드라이버.
  3. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 턴온 시에 상기 제어신호가 입력되면 턴온제어신호를 생성하여 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 턴온제어신호가 입력되면 소스전류를 상기 스위치의 게이트로 출력하고, 상기 주입전류제어신호가 입력되면, 상기 주입전류와 상기 소스전류를 상기 스위치의 게이트로 출력하는, 게이트 드라이버.
  4. 제3항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 제어신호의 입력 후 미리 설정된 주입종료시간이 도래할 때 주입전류종료신호를 생성하여 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 주입전류종료신호가 입력되면, 상기 주입전류의 주입을 해제하되, 상기 주입종료시간은 상기 주입개시시간 이후에 도래하는, 게이트 드라이버.
  5. 제4항에 있어서, 상기 주입개시시간은 상기 스위치의 출력전류의 피크에 상응하고, 상기 주입종료시간은 상기 스위치의 출력전압의 제로 또는 임계전압에 상응하는, 게이트 드라이버.
  6. 제5항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 아래 수학식들에 의해 상기 주입개시시간과 상기 주입종료시간을 산출하는, 게이트 드라이버. [수학식] 단, 상기 는 상기 스위치의 입력 커패시턴스값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 t1에서의 상기 스위치 게이트 전압으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치 게이트 전압의 최소값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치 게이트에 입력되는 전류값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 부하전류로서, 부하 크기에 따라 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치 출력전류가 상기 부하전류일 경우의 상기 스위치의 트랜스 컨덕턴스로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치와 하프 브리지로 연결된 타 스위치의 출력 커패시턴스값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 직류 입력 전압으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치가 포함된 파워 루프의 전체 기생 인덕턴스값으로서 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치의 게이트-드레인 사이의 기생 커패시턴스값으로서, 미리 설정된 값임.
  7. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 턴오프 시에 상기 제어신호가 입력되면 턴오프제어신호를 생성하여 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 턴오프제어신호가 입력되면 싱크전류가 상기 스위치의 게이트로부터 출력되도록 하고, 상기 주입전류제어신호가 입력되면, 상기 주입전류를 상기 스위치의 게이트로 출력하되, 상기 제어신호의 입력 후 상기 주입시간이 경과하면, 상기 스위치의 게이트에서 턴오프전류가 출력되고, 상기 턴오프전류의 크기는 상기 싱크전류의 크기에서 상기 주입전류의 크기가 감산된 것인, 게이트 드라이버.
  8. 제7항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 상기 제어신호의 입력 후 미리 설정된 주입종료시간이 도래할 때 주입전류종료신호를 생성하여 출력하고, 상기 출력유닛은, 상기 주입전류종료신호가 입력되면, 상기 주입전류의 주입을 해제하되, 상기 주입종료시간은 상기 주입개시시간 이후에 도래하는, 게이트 드라이버.
  9. 제8항에 있어서, 상기 주입개시시간은 상기 스위치의 출력전압의 제로, 임계전압 또는 출력전류의 하락시점에 상응하고, 상기 주입종료시간은 상기 스위치의 출력전압의 피크에 상응하는, 게이트 드라이버.
  10. 제9항에 있어서, 상기 콘트롤유닛은, 아래 수학식들에 의해 상기 주입개시시간과 상기 주입종료시간을 산출하는, 게이트 드라이버. [수학식] 단, 상기 는 상기 스위치의 입력 커패시턴스로서 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치의 게이트 구동 전압의 최대값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 t5에 상응하는 전력 스위치 소자의 게이트 전압으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치의 게이트-드레인 사이의 기생 커패시턴스로서, 미리 설정된 값이고. 상기 는 직류 입력 전압으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치의 턴온 시 드레인-소스 양단에 인가되는 도통 전압으로서, 미리 설정된 값이고. 상기 는 상기 스위치의 게이트-드레인 사이의 기생 커패시턴스값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 주입전류와 함께 상기 스위치의 게이트에 입력되는 전류로서 미리 설정된 값이고, 상기 는 부하전류로서, 부하 크기에 따라 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치의 출력 커패시턴스값으로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치 출력전류가 상기 부하전류(IL)일 경우의 상기 스위치의 트랜스컨덕턴스로서, 미리 설정된 값이고, 상기 는 상기 스위치와 하프 브리지로 연결된 타 스위치의 출력 커패시턴스값으로서, 미리 설정된 값임
  11. 제1항에 있어서, 상기 출력유닛은 상기 턴온 및 상기 턴오프 시에 동일한 크기의 주입전류를 상기 스위치의 게이트에 주입하는, 게이트 드라이버.
  12. 제11항에 있어서, 상기 주입전류의 크기는 미리 설정된 방법에 의해 설정된 턴-온 주입전류 및 턴-오프 주입전류 중 작은 값에 의해 결정되는, 게이트 드라이버.
  13. 제12항에 있어서, 상기 턴-온 주입전류는 아래와 같은 정보를 이용하여 설정된 것인, 게이트 드라이버. (1) 턴-온시 상기 스위치에 입력되는 게이트전류의 크기에 따른 상기 스위치의 출력전류(Id) 피크값의 크기 (2) 미리 설정된 출력전류기준피크값 (3) 주입전류의 상승기울기
  14. 제13항에 있어서, 상기 턴-오프 주입전류는 아래와 같은 정보를 이용하여 설정된 것인, 게이트 드라이버. (1) 턴-오프시 상기 스위치에서 출력되는 게이트전류의 크기에 따른 상기 스위치의 출력전압(Vds) 피크값의 크기 (2) 미리 설정된 출력전압기준피크값 (3) 주입전류의 상승기울기 (4) 주입전류의 하강기울기

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 전력 손실을 저감시킬 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. 이에 스위칭 과도상태에 대한 각종 센싱 없이도 SiC-MOSFET와 같은 전력스위치의 과도상태 손실을 개선할 수 있는 회로가 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 게이트 드라이버의 턴-온 과정에서의 손실 개선 제어 흐름을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 턴-온 시간 구간 설정 방법을 예시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-오프 과정에서의 손실 개선 제어 흐름을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 턴-오프 시간 구간 설정 방법을 예시한 도면이다. 도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘트롤유닛의 주입전류 설정 방법에 대한 순서도이다. 도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 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 구성도이다. 이고, 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 전력스위치(110)에 연결될 수 있다. 도 1에서는 게이트 드라이버(110)와 연결된 전력스위치(110)가 SiC-MOSFET인 경우가 예시되어 있으나, 전력스위치라면 그 종류와 무관하게 적용될 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. 또한, 게이트 드라이버(100)는 콘트롤유닛(CONTROL, UNIT, 120) 및 출력유닛(OUTPUT UNIT, 130)을 포함할 수 있다. 콘트롤유닛(120)은 전력스위치(110)에 입력될 게이트 전류(Ig)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 콘트롤유닛(120)은 미리 설정된 전력스위치(110)의 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off) 시에 제어신호(PWM)가 입력되면, 제어신호의 입력 후 미리 설정된 방법에 따라 주입전류제어신호를 생성하여 출력할 수 있다. 여기서 제어신호(PWM)는 전력스위치(110)의 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off)를 제어하기 위한 신호로서 PWM 형식의 신호일 수 있다. 또한, 주입전류제어신호는 출력유닛(130)에 포함된 전류원(130-1)의 활성화 여부를 제어하기 위한 신호를 의미할 수 있다. 또한, 출력유닛(130)은 전력스위치(110)에 게이트 전류(Ig-on, Ig-off)를 입력시킬 수 있다. 이때, 출력유닛(130)은 콘트롤유닛(120)에서 입력된 주입전류제어신호에 상응하여 게이트 전류(Ig) 크기를 조절할 수 있다. 출력유닛(130)은 전류원(130-1) 및 전류 기반 게이트 드라이버 회로(Current Source Gate Driver, CSD 회로)(130-2)를 포함할 수 있다. 전력스위치(110)의 턴-온 과정에서, 제어신호(PWM)는 출력유닛(130)와 콘트롤유닛(120)에 각각 입력될 수 있다. 출력유닛(130)의 전류 기반 게이트 드라이버 회로(130-2)는 제어신호가 입력되면 턴온소스전류(ICS-on)를 출력할 수 있다. 또한, 콘트롤유닛(120)은 제어신호가 입력되면 미리 설정된 방법에 따라 주입전류제어신호를 생성하여 출력유닛(130)의 전류원(130-1)으로 출력할 수 있다. 전류원(130-1)은 주입전류제어신호가 입력되면 활성화되어 미리 설정된 크기의 전류(ICM, 이하, '주입전류'라 칭함)를 출력할 수 있다. 턴온소스전류(ICS-on) 및/또는 주입전류(ICM)는 전력스위치(110)의 게이트에 입력되어 전력스위치(110)를 턴-온 시킬 수 있다(Ig-on = ICS-on+ICS-on). 전력스위치(110)의 턴-오프 과정에서도, 제어신호(PWM)는 출력유닛(130)와 콘트롤유닛(120)에 각각 입력될 수 있다. 제어신호가 입력되면, 출력유닛(130)의 전류 기반 게이트 드라이버 회로(130-2)에는 턴오프싱크전류(ICS-off)가 입력될 수 있다. 상기 턴오프싱크전류(ICS-off)의 입력을 위해 전력스위치(110)의 게이트에서는 게이트 전류(Ig-off)가 방전될 것이고, 이에 의해 전력스위치(110)는 턴-오프될 수 있다. 또한, 콘트롤유닛(120)은 제어신호가 입력되면 미리 설정된 방법에 따라 주입전류제어신호를 생성하여 출력유닛(130)의 전류원(130-1)으로 출력할 수 있다. 전류원(130-1)은 주입전류제어신호가 입력되면 활성화되어 미리 설정된 크기의 주입전류를 출력할 수 있다. 턴오프싱크전류(ICS-off)의 크기는 전력스위치(110)의 게이트에서 방전되어 출력되는 전류의 크기(Ig-off)와 주입전류의 크기를 합산한 값에 상응할 수 있다. 이하, 도 2에 예시된 게이트 드라이버(100)의 회로도를 기반으로, 콘트롤유닛(120)이 주입전류 출력을 제어하는 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버의 턴-온 과정에서의 손실 개선 제어 흐름을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 전력스위치(110)의 턴-온 과정에서, 제어신호(PWM)가 입력되면, 전류 기반 게이트 드라이버 회로(130-2)는 턴온소스전류(ICS-on)를 출력할 수 있다. 턴온소스전류(ICS-on)가 전력스위치(110)의 게이트에 입력되면, 전력스위치(110)가 턴-온 과도상태에 진입할 수 있다. 턴온소스전류(ICS-on)가 생성되어 전력스위치(110)의 게이트에 입력되기까지의 시간구간을 제1 시간구간(t1)으로 정의할 수 있다. 전력스위치(110)가 턴-온 과도상태에 진입하면, 출력전류(Id)가 급격히 증가하면서 피크값(Id_peak)에 도달한 후 부하전류값(IL)에 도달할 수 있다. 출력전류(Id)가 급격히 증가한 후 피크값(Id_peak)에 도달할 때까지의 시간 구간을 제2 시간 구간으로 한다. 또한, 제2 시간 구간은 2개로 세분화될 수 있다. 예를 들어, 출력전류(Id)가 급격히 증가한 후 부하전류값(IL)에 도달하는 시간 구간을 제2-1 시간구간으로 정의하고, 제2-1 시간구간 직후부터 출력전류(Id)가 피크값(Id_peak)에 도달할 때까지의 시간 구간을 제2-2