KR100299580B1 - 교류제어기 - Google Patents

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Abstract

각 반도체 영역(1), (2)은 소스(3), 드레인(4) 및 게이트(5)를 포함하고, FET와 동일한 특성 곡선을 갖는다. 또한 반도체 영역은 내부 바디 다이오드를 포함한다. 순방향일 때 각 반도체 영역(1), (2)의 게이트 소스 전압이 드레인 소스 전류를 요구되는 바대로 제한할 수 있을 정도의 크기로 세팅되는 것이 바람직하다. 역동작시(2), (1) 반도체 영역의 게이트 소스 전압(7), (6)은 바디 다이오드(8)에 전류가 흐르지 않을 정도의 크기로 세팅된다.

Description

교류 제어기 (AC CONTROLLER)
먼저, 1995년 3월 16일자로 WO 93/11608로 공개된, 본 출원의 발명자와 동일인에 의한 발명인 공지의 전력 차단기(power circuit-breaker)에 관하여 제 4도를 들어 설명한다. 제 4도에 도시된 공지된 전력 차단기는 반대 방향으로 직렬 접속된 2개의 FET(6)를 가지고 동작한다. 상기 전력 차단기에서, 계전기로 동작하는 구성요소의 트리거 소자(7)는 반대 방향으로 직렬 접속된 2개의 FET를 포함하는 반도체 소자에 병렬로 배치된다. 상기 트리거 소자(7)는 계전기의 여자기 권선일 수 있다. 계전기로 동작하는 상기 구성요소는 보호해야할 선로 열(line train)을 단속 접점(interrupter contacts)(8)에 의해 단속할 수 있다. 이 경우, 반도체 소자(6)는, 제어 전극(9)에 공통의 제어 전압(2)이 걸려있고 라인 열에 연속하여 배치된 동작 전극(11)에 동작 전압이 걸려 있을 때, 내부 저항이 낮은 값을 가지도록 세팅 또는 형성된다. 동작 전극(11)에 걸린 전압이 증가하면, 반도체 소자의 내부 저항은 급격히 증가한다. 내부 저항이 증가하면, 병렬 배치된 트리거 소자(7)에 전압이 인가되고, 이에 따라 차단기가 트립(trip)된다. 반도체 소자의 각 FET(6)는 제너 다이오드로 구성되는 리커버리 다이오드(12)에 의해 추가로 보호된다. 상기 리커버리 다이오드(12)는 각 FET(6)의 드레인(11)과 게이트(9) 사이에 서로 반대 방향으로 직렬 배치되어서, 차단 과정에서 발생할 수 있는 과전압 피크로부터 FET(6)를 보호한다. 상가 반도체 소자의 내부 저항을 증가 또는 감소시킬 수 있는 제어 전압(2)은 원격 제어 장치에 의해 구현될 수 있다.
한편, 전기장치는 전원에 접속되거나 또는 전원으로부터 절연되어야 한다. 기계적 스위치의 경우, 실제의 경우에 어떤 기술적 요구를 충족시키는 최적의 해결책이 존재한다. 예를 들어, 구동장치(drives)의 경우, 모터 보호 차단기는 과부하 보호 및 단락 보호 기능을 가진다. 전력 차단기, 모터 보호 차단기, 및 선로 보호 차단기를 포함하는 보호용 개폐기(protective switchgear)의 경우, 일반적으로 과부하 전류 특히 단락 전류 발생을 신속하게 감지하고 이를 작은 값으로 제한하여 결국 차단하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 공지된 전력 차단기에 관련된 기계적 개폐기는 접점의 마모, 빈번한 보수, 단락의 경우에 상대적으로 늦은 스위칭 시간, 및 상대적으로 낮은 스위칭 시간의 정확성과 같은 단점을 가진다.
그에 반해, 반도체 스위치는 마모 없이 신속하게 동작할 수 있으며, 스위칭 손실이 적고 가변적으로 제어할 수 있다. 다만, 반도체 스위치는 비용이 많이 들고, 공간을 많이 차지하며, 도전 손실(forward losses)이 상대적으로 높다는 단점을 가진다.
한편, 일반적으로, 흔히 교류를 신속하게 특정 값으로 제한하여 과전류를 허용치 이내로 감소시키거나 차단에 필요한 시간을 마련하는 것이 바람직하다. 또한, 차단 시까지 전류를 계속 감소시키도록 동작하게 하는 것도 바람직하다.
본 발명은 반대 방향으로 직렬 접속된 적어도 2개의 반도체 영역(at least two reverse-connected series semiconductor regions)을 가지고 동작하는 교류 전력 제어기에 관한 것이다. 각 반도체 영역은 전자 도너(electron donor)(소스), 전자 싱크(electron sink)(드레인), 및 전자의 흐름을 제어하는 전극(게이트)을 포함하고, FET와 동일한 특성 곡선을 갖는다. FET와 동일한 특성 곡선을 가지는 이유는, 현재의 전자공학 기술 수준에서는, 상기 반도체 영역에 역방향 모드에서 작용하는 내부 바디 다이오드(internal body diode)가 내재하기 때문이다.
본 발명을 도면에 개략적으로 도시된 실시예를 참조하여 자세히 설명한다.
제 1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전력 제어기를 도시하고 있다.
제 2도는 반대 방향으로 직렬 접속된 두 개의 반도체 영역의 경우에, 하나의 반도체 영역에 대해 원점 주변에서의 드레인-소스 전류(IDS) 대 드레인-소스 전압(UDS)을 게이트-소스 전압(UGS)에 대해 도시하고 있다.
제 3도는 제 2도와 달리 더 높은 드레인-소스 전압 영역을 포함하는 범위에서, 반대 방향으로 직렬 접속된 반도체 영역들에 대한 IDS대 UDS의 특성 곡선군을 도시하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바람직한 특징을 가지면서도 반도체 스위치에 관련된 단점을 개선한, 반도체 기술을 이용한 교류 전력 제어기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 전술한 공지의 장치와 소자들이 넓은 의미의 교류 제어기로 설계될 수 있다는 지식에 근거하고 있다.
본 발명에 따르면, 청구범위 제 1 항의 교류 전력 제어기에 의해 상기 목적이 달성된다. 각 반도체 영역에 대한 순방향 게이트-소스 전압은 드레인-소스 전류를 원하는 바대로 제한할 수 있을 정도의 크기로 세팅된다. 역방향 모드로 동작하는 반도체 영역의 경우, 각 게이트-소스 전압은 내부 바디 다이오드(interna1 body diode)에 전류가 흐르지 않을 정도의 크기로 세팅된다. 다시 말해, 이와 같은 전류에서, 역방향 모드로 동작하는 두 번 째 반도체 영역은 내부 바디 다이오드에 여전히 전류가 흐르지 않을 정도의 전압 강하를 가진다.
상기한 공지의 전력 차단기에 있어서, 해당 반도체 소자들의 도전 손실은 스위칭 소자에서의 손실 및 흔히 직렬로 연결되어 있는 부가적인 리커버리 다이오드(recovery diode)의 손실로 구성된 것이었다. 그러나, 본 발명의 교류 전력 제어기의 경우에는 바이폴라 도전 메커니즘 및 그와 함께 연결된 축적 전하가 발생하지 않기 때문에, 특별한 리커버리 다이오드가 필요 없다. 즉, 별도의 리커버리 다이오드가 필요 없으며, 반도체 기술상의 제약이었던 내부 바디 다이오드도 나타나지 않게 된다. 따라서, 교류 전력 제어기는 매우 낮은 정상 상태 손실 및 동적 손실만을 가지고 동작할 수 있게 된다. 정상 상태 손실에는 전류가 연속하는 동안의 손실이 포함되며, 동적 손실에는 전환 손실(switch-over losses)이 포함된다.
반도체 영역이 탄화규소(SiC)로 형성되면, 특성 곡선군에 특히 크고 바람직한 동작 범위가 생성된다. 반도체 영역들은 하나의 마이크로 칩에 형성될 수도 있고, 또는 별도의 FET들로 설계될 수도 있다.
제 1 도는 반대 방향으로 직렬 접속된 2개의 반도체 영역(1, 2)을 포함하는 교류 전력 제어기를 도시하고 있으며, 예시적 실시예에서 각 반도체 영역은 개별 FET로 나타나 있다. 각 반도체 영역(1, 2)은 소스(3), 드레인(4), 및 게이트(5)를 포함한다.
예를 들어, 반도체 영역(1)에서 순방향의 경우, 게이트-소스 전압(6)(UGS1)은
드레인-소스 전류를 원하는 바대로 제한할 수 있을 정도의 크기로 세팅된다. 이경우, 게이트-소스 전압은 제 3도에 도시된 바와 같은 전류 제한선에 대해서는 하나의 변수이다. 상기 반도체 영역에서 역방향의 경우, 게이트-소스 전압은 내부 바디 다이오드에 전류가 흐르지 않을 정도의 크기로 세팅된다. 예를 들어, 제 1 도에서 역방향의 경우, 반도체 영역(2)에서의 게이트-소스 전압(7)(UGS2)은 내부 바디 다이오드(8)에 전류가 흐르지 않을 정도로 세팅된다.
탄화규소로 만들어진 FET의 경우, 임계 전압은 대략 2.8V이다. 실리콘의 경우, 임계 전압은 통상 0.7V이다. 따라서, 반도체 영역(2)에서의 게이트-소스 전압은 동작 경로에 걸친 전압 강하가 내부 바디 다이오드의 임계 전압보다 낮도록 세팅되어야 한다.
반도체 영역(1, 2)은 탄화규소로 형성될 수 있고, 특히 하나의 마이크로 칩에 구현될 수 있다. 반도체 영역들은 또한 개별 FET 특히 MOSFET로 설계될 수도 있다.
제 1도에 따른 교류 전력 제어기에서, 게이트 구동은 비록 서로 다른 크기의 전위이지만, 양쪽 전류 방향에서 두 반도체 영역(1, 2)을 모두 충족시킨다. 전압(U)이 인가되면, 교류 전력 제어기는 게이트-소스 전압(6, 7)의 함수로서 전류(I)를 동작 특성 곡선군에서 원하는 값으로 세팅한다.
FET와 동일한 특성 곡선을 가지는 반도체 영역의 경우, 반대 방향으로 직렬 접속된 반도체 영역에 대해 드레인-소스 전압이 작을 때, 제 2도에 도시된 특성 곡선들이 나타난다. 게이트-소스 전압(UGS)을 변수로 하여 이를 증가시키면, 원점에서 출발하는 특성 곡선은 점점 더 직선(9)(RON)을 따르게 된다· 다시 말해, 게이트-소스 전압이 높을 경우, ON 저항에 대해 매우 가파른 특성 곡선(즉, 매우 낮은 ON저항)이 얻어진다. 저항을 의미하는 이 특성 곡선은 선형(예를 들어, 옴저항적(ohmic)) 특성을 나타낸다. 반대 방향으로 직렬 접속된 회로의 경우, 특성 곡선과 RON은 제 1 및 제 3 사분면으로 연장된다. 예를 들어, 탄화규소의 경우에는, RON에 의해 야기되는 순방향 전압 강하가 내부 바디 다이오드의 임계 전압보다 분명히 낮다.
제 3도는 제 2도와 달리 더 높은 드레인-소스 전압과 더 높은 게이트-소스 전압 변수를 포함하는 범위에서, 제 2도와 유사한 특성 곡선군을 도시하고 있다. 드레인-소스 전류를 제한하는 특성 곡선들이 게이트 전압에 대해 대략 횡좌표와 평행하게 나타난다. 단순화하기 위해, 반도체 영역에는 통상적으로 오프되어 있으며 n-채널을 갖는 인핸스먼트-모드 FET가 사용되는 것으로 한다.
제 1도에 도시된 내용은 위 내용과 상응한다. 내부 바디 다이오드(8)는 제 1 및 제 3 사분면에서 특성 곡선(11)을 따른다. 반도체 영역의 동작 경로와 병렬로 놓인 내부 바디 다이오드의 역방향 동작을 나타내는 특성 곡선(11) 상에서의 동작은, 역방향 모드에서 반도체 영역에 대한 게이트-소스 전압을 내부 바디 다이오드에 전류가 흐르지 않을 정도의 크기로 세팅함에 의해 방지될 수 있다. 다시 말해, 반도체 영역이 내부 바디 다이오드의 특성 곡선(11)과 RON저항(9)의 교점을 통과하는 제한선(12)과 횡좌표 사이의 영역에서 동작하게 되면, 어떤 동작 모드에서도 바이폴라 도전 메커니즘이 방지되어 축적 전하가 발생하지 않으며, 따라서 교류 전력 제어기의 정상 상태 손실 및 동적 손실이 낮아진다.
제 2도에 따른 특성 곡선군에서 변수로서 적절한 게이트-소스 전압을 유지하면 과전압의 경우에도 원하는 드레인-소스 전류가 세팅될 수 있다. 교류 전력 제어기가 정상 동작하는 동안에는, RON저항에 대한 특성 곡선에 따라 손실이 낮게 나타나며, 상기한 바와 같이, 특성 곡선(9)이 가파르게 됨에 따라 손실은 더 낮아진다. 탄화규소 특히 MOSFET 방식 구조의 경우에는, 제 1도에서의 전압(U)이 예를 들어 대략 300 내지 5000V이면 전류 제한이 가능하다. 제 1도의 구동 회로(10)에 의해 공지된 방식으로 개별 게이트-소스 전압이 생성될 수 있다.
각 반도체 영역에 대한 게이트-소스 전압이 역방향 영역에서 해당 반도체 영역의 내부 바디 다이오드에 전류가 흐르지 않을 정도의 크기로 세팅되면, 동적 손실 자체가 발생하지 않기 때문에 동적 손실을 감소시키기 위한 별도의 리커버리 다이오드가 필요 없게 된다.
이상 개시된 교류 전력 제어기는 매우 다양하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 시판되고 있는 보호용 차단기와 직렬 접속된 특수한 리미터(limiter)로 이용될 수 있는데, 이 때 과전압의 경우에도 전류가 리미터에서 제한된다. 정격 동작중에는 낮은 저항을 가져서 정상 상태 손실이 낮아진다. 한편, 교류 전력 제어기는 과전압의 경우에 적절한 게이트-소스 전압이 주어지면 초기에 전류를 소정량으로 제한하고, 계속하여 이에 상응하는 낮은 게이트-전압이 주어지면 전류를 감소시키는 차단기로도 설계될 수도 있다. 또한, 교류 전력 제어기는 일반적으로 전압(U)에 무관하게 동작 범위 내의 특정 전류(I)를 세팅하는데 에도 사용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 반대 방향으로 직렬 접속된 적어도 2개의 반도체 영역(1, 2)을 가지고 동작하는 교류 제어기에 있어서,
    상기 각 반도체 영역은 각기 전자 도너 즉 소스(3), 전자 싱크 즉 드레인(4), 및 전자의 흐름을 제어하는 전극 즉 게이트(5)를 가지며, FET와 동일한 특성 곡선이 나타나도록 내부 바디 다이오드가 내재되어 있으며,
    순방향 모드에서 동작하는 제 1 반도체 영역(1, 2)의 게이트-소스 전압(6, 7)은 교류 제어기의 전류를 소정값으로 제한할 수 있을 정도의 크기로 세팅되며,
    역방향 모드에서 동작하는 제 2 반도체 영역(2, 1)의 게이트-소스 전압(7, 6)과 상기 교류 제어기 전류의 상기 소정값은 상기 제 2 반도체 영역(2, 1)의 그 내부 바디 다이오드(8)에 전류가 흐르지 않을 정도의 전압 강하를 가지도록 세팅되는 것을 특징으로 하는 교류 제어기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 영역(1, 2)들이 탄화규소(SiC)로 형성되는 것을 특징으로 하는 교류 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 영역(1, 2)들이 하나의 마이크로 칩에 형성되는 것을 특징으로 하는 교류 제어기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 영역(1, 2)들이 개별 FET들로 구현되는 것을 특징으로 하는 교류 제어기.
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