KR20220131989A - 로우-측 단락 안전 상태를 갖는 갈륨 질화물 파워 스위치를 갖춘 전기 모터 드라이브 - Google Patents

로우-측 단락 안전 상태를 갖는 갈륨 질화물 파워 스위치를 갖춘 전기 모터 드라이브 Download PDF

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KR20220131989A
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미하엘 노이도르프호퍼
마틴 빈터
볼프강 베크
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마그나 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

모터 드라이브의 스위칭 회로가 DC 양 전도체 및 출력 전도체 사이에서 선택적으로 전류를 전달하도록 구성된 하이-측 스위치, 및 출력 전도체와 DC 음 전도체 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 로우-측 스위치를 포함한다. 하이-측 스위치는 캐스케이드 구성의 공핍-모드(D-Mode) 갈륨 질화물(GaN) 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT) 및 Si-FET를 포함하고, 로우-측 스위치는 D-Mode GaN HEMT를 포함한다. 이러한 배열은, 스위칭 회로가, 제어 신호 상실의 경우에, DC 음 전도체와 출력 전도체 사이에서 전기적 연속성을 제공하고 DC 양 전도체와 출력 전도체 사이에서 전기적 격리를 제공하는 디폴트 조건을 제공하는 안전 상태 동작을 제공할 수 있다.

Description

로우-측 단락 안전 상태를 갖는 갈륨 질화물 파워 스위치를 갖춘 전기 모터 드라이브
관련 출원에 대한 상호 참조
본 PCT 국제특허출원은 2020년 1월 31일자에 출원되고 명칭이 "Electric Motor Drive With Gallium Nitride Power Switches Having Low-Side Short Circuit Safe State"인 미국 가특허출원 제62/968,607호의 이익을 주장하며, 이러한 국제특허출원의 전체 개시 내용이 본원에서 참조로 포함된다.
본 개시 내용은 일반적으로 전기 모터에 공급하기 위한 교류(AC) 파워를 생성하는 구동 회로 내의 파워 스위치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시 내용은, 전기 모터에 공급하는 전도체가 로우-측 전도체로 자동적으로 단락되는 안전 상태를 갖도록 구성된 파워 스위치에 관한 것이다.
AC 모터 드라이브가 다양한 적용예에서 사용되어 파워를 영구-자석 동기 모터에 공급한다. 통상적인 AC 모터 드라이브는 반도체를 과전압으로부터 보호하기 위해서 안전 상태에서 모든 모터 위상을 단락시키도록 구성될 수 있다. 그러한 안전 상태를 달성하기 위해서, 모터 드라이브의 하이-측 경로 내의 스위치가 개방되고 로우-측 경로 내의 스위치는 폐쇄된다.
위상 스위치 회로는, 갑작스런 제어 신호 상실의 경우에, 로우-측 경로 내의 스위치가 디폴트로 폐쇄 또는 전도 조건이 되게 하는 것에 의해서 그리고 하이-측 경로 내의 스위치가 디폴트로 개방 또는 비-전도 조건이 되게 하는 것에 의해서, 각각의 모터 위상이 안전 상태로 구동되게 보장하도록 설계될 수 있다.
본 개시 내용은, DC 양 전도체 및 출력 전도체 사이에서 선택적으로 전류를 전달하도록 구성된 하이-측 스위치, 및 출력 전도체와 DC 음 전도체 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 로우-측 스위치를 포함하는, 스위칭 회로를 제공한다. 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치 중 적어도 하나는 캐스케이드 구성(cascaded configuration)의 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT) 및 제2 트랜지스터를 포함한다.
관련 도면을 참조한 실시형태의 예에 관한 이하의 설명으로부터, 본 발명의 추가적인 상세 내용, 특징 및 장점이 확인된다.
도 1은 본 개시 내용에 따른 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 개시 내용의 일부 실시형태에 따른 스위칭 회로의 개략도를 도시한다.
유사한 번호가 몇몇 도면 전체를 통해서 상응 부분들을 표시하는 도면을 참조하면, AC 파워를 전기 모터(22)에 제공하기 위한 모터 드라이브(20)가 개시된다. 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 모터 드라이브(20)는 DC 버스(24)를 포함하고, DC 버스는 DC 음 전도체(VBUS-), 및 DC 음 전도체(VBUS-)에 비해서 높은 DC 전압을 가지는 DC 양 전도체(VBUS+)를 포함한다. DC 음 전도체(VBUS-)는 "로우-측 경로"로도 지칭될 수 있고, DC 양 전도체(VBUS+)는 "하이-측 경로"로도 지칭될 수 있다. DC 버스(24)는 바람직하게 약 400 VDC 내지 500 VDC로 에너지화되나, 이용 가능한 공급부 및/또는 주어진 적용예의 요구 사항에 따라, 다른 전압이 이용될 수 있다.
도 1에 또한 도시된 바와 같이, DC 공급부(26)는 DC 공급 리드(28)를 통해서 높은 DC 전압으로 DC 버스(24)를 에너지화한다. DC 공급부(26)는 예를 들어 배터리 팩, DC 발전기, 또는 전력선과 같은 AC 소스로부터 또는 AC 발전기로부터 높은 DC 전압을 생성하는 정류기일 수 있다. 모터 드라이브(20)는 전기 모터(22)에 AC 파워를 공급하기 위한 제1 모터 리드(T1)의 연결을 위한 제1 출력 단자(PHASE_A_OUT), 전기 모터(22)에 AC 파워를 공급하기 위한 제2 모터 리드(T2)의 연결을 위한 제2 출력 단자(PHASE_B_OUT), 및 전기 모터(22)에 AC 파워를 공급하기 위한 제3 모터 리드(T3)의 연결을 위한 제3 출력 단자(PHASE_C_OUT)를 포함한다. 도면에 도시된 예시적인 실시형태에서, 3-상 전기 모터(22)가 사용되나; 1-상 모터 또는 6개 이상의 위상을 가지는 모터와 같은, 다른 수의 위상이 이용될 수 있다.
모터 드라이브(20)는 임의의 주어진 시간에 제1 출력 단자(PHASE_A_OUT)를 DC 버스(24)의 DC 양 전도체(VBUS+) 또는 DC 음 전도체(VBUS-)에 선택적으로 연결하기 위한 제1 위상 스위치(30a)를 포함한다. 모터 드라이브(20)는 또한 임의의 주어진 시간에 제2 출력 단자(PHASE_B_OUT)를 DC 버스(24)의 DC 양 전도체(VBUS+) 또는 DC 음 전도체(VBUS-)에 선택적으로 연결하기 위한 제2 위상 스위치(30b)를 포함한다. 모터 드라이브(20)는 또한 임의의 주어진 시간에 제3 출력 단자(PHASE_C_OUT)를 DC 버스(24)의 DC 양 전도체(VBUS+) 또는 DC 음 전도체(VBUS-)에 선택적으로 연결하기 위한 제3 위상 스위치(30c)를 포함한다. 위상 스위치(30a, 30b, 30c)의 각각은, DC 양 전도체(VBUS+)와 출력 단자(PHASE_A_OUT, PHASE_B_OUT, PHASE_C_OUT) 중 상응하는 하나 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 하이-측 스위치(Sh)를 포함한다. 위상 스위치(30a, 30b, 30c)의 각각은 또한, DC 음 전도체(VBUS-)와 출력 단자(PHASE_A_OUT, PHASE_B_OUT, PHASE_C_OUT) 중 상응하는 하나 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 로우-측 스위치(Sl)를 포함한다.
제어 신호를 제어 라인(34a, 34b, 34c)에 제공하는 것에 의해서, 제어기(32)가 위상 스위치(30a, 30b, 30c)의 동작을 조정한다.
도 2는 본 개시 내용의 일부 실시형태에 따른 스위칭 회로(40)의 개략도를 도시한다. 도 2의 스위칭 회로(40)는 모터 드라이브(20)의 임의의 위상 스위치(30a, 30b, 30c)로서 이용될 수 있다. 도 2의 스위칭 회로(40)는 하나 이상의 다른 AC 부하에 공급하기 위한 인버터에서와 같은 다른 적용예에서 사용될 수 있다.
스위칭 회로(40)는 DC 양 전도체(VBUS+)와 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 하이-측 스위치(Sh)를 포함한다. 스위칭 회로(40)는 또한 출력 전도체(PHASE_A_OUT)와 DC 음 전도체(VBUS-) 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 로우-측 스위치(Sl)를 포함하고, DC 양 전도체(VBUS+)는 DC 음 전도체(VBUS-)보다 높은 전위를 갖는다. 하이-측 스위치(Sh) 또는 로우-측 스위치(Sl) 중 적어도 하나는 캐스케이드 구성의 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT)(44) 및 제2 트랜지스터(46)를 포함한다. 도 2에 도시된 예시적인 회로 내의 하이-측 스위치(Sh)는 캐스케이드 구성의 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT)(44) 및 제2 트랜지스터(46)를 포함하나, 다른 실시형태에서, 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT)(44) 및 제2 트랜지스터(46)가 로우-측 스위치(Sl)의 일부일 수 있다.
하이-측 스위치(Sh)의 HEMT(44)는 도 2에 도시된 예시적인 스위칭 회로(40)에서 공핍 모드(D-Mode) 트랜지스터를 포함한다. 더 구체적으로, 하이-측 스위치(Sh)의 HEMT(44)는 공핍 모드(D-Mode) 갈륨 질화물(GaN) HEMT를 포함한다. 그러한 공핍 모드 트랜지스터는 디폴트로 전도 조건을 가지며, 즉 게이트에 제어 전압이 인가되지 않을 때 드레인과 소스 사이에서 전류를 전달한다. 규소 탄화물(SiC) 트랜지스터와 같은 다른 유형의 HEMT가 사용될 수 있다. 제2 트랜지스터(46)는 규소(Si)-계 필드 이펙트 트랜지스터(FET), 예를 들어 금속-산화물 필드 이펙트 트랜지스터(MOSFET)일 수 있지만, 제2 트랜지스터(46)는 다른 유형의 소자, 예를 들어 정크션 소자, 다른 유형의 FET, 및/또는 규소 제어 정류기일 수 있다. 캐스케이드 구성은, 공통-베이스 스테이지 내로 공급하는 공통-에미터 스테이지, 또는 FET와 같은 다른 소자를 이용하는 유사한 또는 동등한 배열로 구성된 2-스테이지 증폭기로서 형성될 수 있는 케스코드(cascode)일 수 있다.
일부 실시형태에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 캐스케이드 구성은 출력 전도체(PHASE_A_OUT)에 연결된 HEMT(44)의 게이트(G)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 캐스케이드 구성은 DC 양 전도체(VBUS+)에 연결된 HEMT(44)의 드레인 단자(D), 제2 트랜지스터(46)의 드레인 단자(D)에 연결된 HEMT(44)의 소스 단자(S), 및 출력 전도체(PHASE_A_OUT)에 연결된 제2 트랜지스터(46)의 소스 단자(S)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 캐스케이드 구성은 하이-측 스위치(Sh) 또는 로우-측 스위치(Sl)의 동작을 제어하기 위해서 제어 라인(36h, 36l)에 연결된 제2 트랜지스터(46)의 게이트(G)를 포함한다. 더 구체적으로, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 트랜지스터(46)의 게이트(G)는 하이-측 스위치(Sh)의 동작을 제어하기 위해서 하이-측 제어 라인(34h)에 연결된다. 일부 실시형태에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, HEMT(44) 및 제2 트랜지스터(46)의 캐스케이드 구성은, 연결된 제어 라인(36h, 36l)이 탈-표명되는(de-asserted) 개방 회로 구성으로 디폴트되도록 구성된다. 다시 말해서, 양의 제어 전압이 하이-측 제어 라인(34h)에 인가되어, 하이-측 스위치(Sh)가 전도 상태가 되게 할 수 있다.
하이-측 스위치(Sh)는, 하이-측 제어 라인(34h)의 표명에 응답하여 DC 양 전도체(VBUS+)와 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된다. 도 2에 도시된 예시적인 회로에서, 하이-측 제어 라인(34h)은 제2 트랜지스터(46)의 게이트 단자(G)에 연결되나, 하이-측 제어 라인(34h)이 하이-측 스위치(Sh) 내의 상이한 단자 및/또는 상이한 소자에 연결되는 다른 배열도 가능하다. 제어기(32) 내의 하이-측 드라이버(36h)는 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 상의 AC 파형에 근접하기 위해서, 예를 들어 펄스 폭 변조(PWM) 신호로, 하이-측 제어 라인(34h)을 선택적으로 표명하도록 구성된다.
도 2에 도시된 예시적인 스위칭 회로(40) 내의 로우-측 스위치(Sl)는, 출력 전도체(PHASE_A_OUT)와 DC 음 전도체(VBUS-) 사이에 직접 연결된, 공핍 모드(D-Mode) 갈륨 질화물(GaN) HEMT인, 스위칭 트랜지스터(42)를 포함한다. 규소 탄화물(SiC) 트랜지스터와 같은 다른 유형의 HEMT가 사용될 수 있다. 로우-측 스위치(Sl)는, 로우-측 제어 라인(34l)의 표명에 응답하여 출력 전도체(PHASE_A_OUT)와 DC 음 전도체(VBUS-) 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된다. 도 2에 도시된 예시적인 회로에서, 로우-측 제어 라인(34l)은 스위칭 트랜지스터(42)의 게이트 단자(G)에 연결되나, 로우-측 제어 라인(34l)이 로우-측 스위치(Sl) 내의 상이한 단자 및/또는 상이한 소자에 연결되는 다른 배열도 가능하다. 제어기(32) 내의 로우-측 드라이버(36l)는 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 상의 AC 파형에 근접하기 위해서, 예를 들어 펄스 폭 변조(PWM) 신호로, 로우-측 제어 라인(34l)을 선택적으로 표명하도록 구성된다. 도 2에 도시된 예와 같은 일부 실시형태에서, 로우-측 제어 라인(34l)은 저 전압으로 표명될 수 있다. 다시 말해서, 로우-측 스위치(Sl)는, 로우-측 제어 라인(34l) 상의 로우 또는 0V의 제어 전압에 응답하여, 전도 상태로 구동될 수 있다.
본 개시 내용은, 제어 신호가 없을 때 전도 상태를 가지는 공핍 모드 스위치를 이용하는 한편, 제어 신호(34h, 34l) 상실의 경우에 출력 전도체(PHASE_A_OUT)가 DC 음 전도체(VBUS-)로 전달되고 DC 양 전도체(VBUS+)와 격리되는 안전-상태 동작을 또한 제공하는, 스위칭 회로(40)를 제공한다. 스위칭 회로(40)는 모터 드라이브(20)의 위상 스위치(30a, 30b, 30c)로서 이용되고, 출력 전도체(PHASE_A_OUT)는 파워를 전기 모터(22)에 제공한다. 스위칭 회로(40) 내의 트랜지스터(42, 44, 46)의 각각의 게이트(G)가 그 상응 소스 단자(S)에 대해서 0V인 경우에, 스위칭 회로(40)는 DC 음 전도체(VBUS-)와 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 사이에서 전도성 경로를 제공한다. 또한, 모든 제어 신호(34h, 34l)가 저 전압 상태에 있을 때, 스위칭 회로(40)는, DC 음 전도체(VBUS-)와 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 사이에서 전류를 전달하기 위한 전기적 연속성을 제공하는 한편, DC 양 전도체(VBUS+)와 출력 전도체(PHASE_A_OUT) 사이의 전류 유동을 차단하는 전기적 격리를 또한 제공한다.
도 2에 도시된 스위칭 회로(40)는 도 1의 모터 드라이브(20)에서, 또는 상이한 수의 위상과 같은 상이한 구성을 갖는 모터 드라이브에서 위상 스위치(30a, 30b, 30c)로서 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 스위칭 회로(40) 또는 그 일부는, 다른 적용예를 위해서, 예를 들어 DC 공급부로부터 부하로 AC 파워 소스를 제공하기 위해서 출력 전도체 상에서 AC 파형을 생성하기 위한 AC 발전기 회로로서, 또는 스텝-업 또는 스텝-다운 DC/DC 컨버터의 일부로서 사용될 수 있다.
전술한 설명은 본 개시 내용을 포괄하거나 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 특별한 실시형태의 개별적인 요소 또는 특징이 일반적으로 그러한 특별한 실시형태로 제한되지 않으나, 적용 가능한 경우에, 비록 구체적으로 도시되거나 설명되지 않았지만, 선택된 실시형태에서 이용될 수 있고 상호 교환될 수 있다. 동일한 것이 또한 많은 방식으로 변경될 수 있을 것이다. 그러한 변경은 개시 내용으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 모든 그러한 수정이 개시 내용의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 스위칭 회로이며:
    DC 양 전도체와 출력 전도체 사이에서 선택적으로 전류를 전달하도록 구성된 하이-측 스위치;
    상기 출력 전도체와 DC 음 전도체 사이에서 전류를 선택적으로 전달하도록 구성된 로우-측 스위치를 포함하고; 그리고
    상기 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치 중 적어도 하나가 캐스케이드 구성의 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT) 및 제2 트랜지스터를 포함하는, 스위칭 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 HEMT은, 게이트에 제어 전압이 인가되지 않을 때, 디폴트로 전도 조건이 되는 공핍-모드 소자인, 스위칭 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이-측 스위치 및 로우-측 스위치의 각각은, 게이트에 제어 전압이 인가되지 않을 때, 디폴트로 전도 조건이 되는 공핍-모드 HEMT 소자를 포함하는, 스위칭 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치 중 하나 만이 캐스케이드 구성의 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT) 및 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치 중 다른 하나는 상기 출력 전도체와 상기 DC 양 전도체 또는 DC 음 전도체 중 상응하는 하나 사이에 직접적으로 연결된 높은-전자-이동도 트랜지스터(HEMT)를 포함하는, 스위칭 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터가 규소-계 필드 이펙트 트랜지스터(Si-FET)인, 스위칭 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐스케이드 구성은 상기 출력 전도체에 연결된 HEMT의 게이트를 포함하는, 스위칭 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캐스케이드 구성은 상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자에 연결된 HEMT의 소스 단자를 포함하는, 스위칭 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캐스케이드 구성은 상기 DC 양 전도체에 연결된 HEMT의 드레인 단자, 및 상기 출력 전도체에 연결된 제2 트랜지스터의 소스 단자를 포함하는, 스위칭 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 HEMT가 갈륨 질화물(GaN) 트랜지스터인, 스위칭 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치의 적어도 하나가 하이-측 스위치인, 스위칭 회로.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치의 적어도 하나가 로우-측 스위치인, 스위칭 회로.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 캐스케이드 구성은 상기 출력 전도체에 커플링된 HEMT의 게이트, 및 상기 하이-측 스위치 또는 로우-측 스위치의 적어도 하나의 제어 동작을 위한 제어 라인에 커플링된 제2 트랜지스터의 게이트를 포함하는, 스위칭 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 HEMT 및 상기 제2 트랜지스터의 캐스케이드 구성은, 디폴트로, 탈-표명되는 제어 라인을 갖는 개방 회로 구성으로 구성되는, 스위칭 회로.
  14. 출력 전도체 상에서 AC 파형을 생성하기 위해서 제1항의 스위칭 회로를 포함하는 파워 인버터.
  15. 출력 전도체 상에서 AC 파형을 생성하기 위해서 제1항의 스위칭 회로를 포함하는 위상 스위치를 가지는 모터 드라이브.
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