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중소기업 기술혁신개발사업 최종보고서

과전류 보호회로를 갖는

IGBT Driver용 HIC 개발

2002년 12월 16일

주 관 기 업 (주)유니모디바이스위탁연구기관 홍익대학교

메카트로닉스연구센터

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 “과전류 보호회로를 갖는 IGBT Driver용 HIC 개발에 관한 중소기업

기술혁신개발사업” (개발기간 : 2001. 5. 1. ~ 2002. 4. 30. ) 과제의 최종보고서

로 제출합니다.

2002 년 12 월 16 일

주 관 기 업 : (주)유니모디바이스

과제책임자 : 김 재 연

위탁연구기관 : 홍익대학교 메카트로닉스연구센터

위탁책임자 : 장 호 성

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요 약 서 (초 록)

과 제 명 보호회로를 갖는 IGBT Driver용 HIC 개발

주 관 기 업 (주)유니모디바이스 총괄책임자 김 재 연

개 발 기 간 2001. 5.1. ~ 2002. 4.30 ( 12월)

총개발사업비

(천원)

정부출연금 68,000총개발

사업비103,000

기업부담금현금 16,000

현물 19,000

위탁연구기관

개발참여기업홍익대학교 메카트로닉스연구센터

주요기술용어

(6~10개)

IGBT, Gate Driver, HIC, Over Current, Surge, SMPS, Inverter,

Power Converter,

1. 기술개발목표

본 연구는 IGBT 전력 제어소자의 Gate 구동에 있어 부하의 과전류, 과전압에 대

한 보호기능을 개선하여 최적성능과 고신뢰성을 구현하는 Gate Driver용 HIC를

개발함을 목표로 한다. 이를 위해 IGBT 스위칭 소자의 Gate Driving 조건과 전

기적 특성을 해석하고 기존 제품에서 발생하는 제어신호의 불평형 현상과 소자

파괴현상을 분석하여 고속 과전류 보호회로 설계기술 및 성능특성의 자동 측정

기술을 개발함을 목표로 한다.

2. 기술개발의 목적 및 중요성

1. 기술개발 목적

IGBT는 전력제어 특성이 우수하여 UPS, Inverter 등 산업용 전력변환장치의 제

어소자로서 널리 사용되고 있다. 그러나 IGBT는 특성상 Gate 제어조건이 예민하

여 운전중 파괴되거나 외부의 영향에 의해 오동작을 하는 등 성능과 신뢰성을

확보하기 어려운 기술적 문제가 다수 내포되어 있다.

따라서 본 기술개발에서는 기존 개발된 Gate Driver 회로를 개선하여 불평형 현

상과 과도현상에 의한 과전류, 서지(Serge) 전압으로부터 소자를 보호하고 최적

구동조건을 실현하는 Gate Driver용 HIC를 제품화하여 현장 애로기술을 해소함

을 목적으로 한다.

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2. 기술개발 중요성

Gate Driver는 회로 구성상 제어선호와 IGBT 스위칭 소자 사이에 위치하므로 부

하특성에 크게 의존하게 된다. 또한 IGBT 소자는 Gate 특성상 미세한 제어조건

의 변동에 예민하게 반응하고 전기적 스트레스에 취약하다. 따라서 Gate Driver

오류신호는 고가의 소자를 파괴하거나 시스템에 중대한 장애를 발생하여 오동작

이나 고장을 유발하는 경우가 빈번하다. 이는 IGBT 부하로부터 발생하는 이상현

상에 기인하므로 Gate 제어시 과전류를 검출, 제어하는 HIC Driver의 설계기술

개발은 매우 중요한 요소이다.

3. 기술개발의 내용 및 범위

1. 기술개발 내용

IGBT를 정밀하게 제어하기 위해서는 입력회로의 전하 축적 현상을 빠르게 흡수

하여 구동 펄스의 펄스 파형과 Duty를 정확히 유지해 주어야 하므로 Driver 회로

의 설계가 매우 어렵게 된다. 또한, 출력에 나타나는 과전류를 빠르게 검지하여

구동 전압을 제어함으로서 소자 보호 대책을 강구해야 하는 등 부가회로의 내장

이 요구되어 가격이 고가로 되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 스위칭 특성을 해석하여 Driver 파형의 정형과 고속성을 확보하

는 최적 회로 파라미터를 시뮬레이션으로 도출하고 제어회로를 HIC 제조 기술에

의해 소형 경량화 시킴으로서 성능을 향상시키고 가격을 최소화하는 방식으로

개발하였다. 또한, 제조과정에서 요소기능의 특성과 성능을 자동 측정하여 생산

단계에서의 불량률을 제거하고 불량요인을 분석하여 생산수율을 개선하는 자동

측정 시스템을 구축하였다.

2. 기술개발 범위

Gate Driver 회로의 설계는 크게 전력변환 소자를 구동하는 스위칭 제어계 및

각종 보호기구로 분류할 수 있다. 전력변환 기구는 산업계 부하특성에 따른 시공

등의 경험과 기술이 요구되므로 주관기업에서 연구하였으며, 스위칭 제어계와 각

종 보호기구는 부하 사양에 의해 결정된 전기적 특성에 따라 위탁기관에서 연구

하여 HIC로 구현하였다. 특히, 본 과제는 대전력 제어장치의 보호기능이 목적이

므로 부하특성에서 야기되는 과전류의 제어기구 설계에 많은 비중을 두었다.

이에 따라 소형, 경량을 추구하연서 높은 신뢰성과 다양한 기능을 구현할 수 있

는 회로 방식을 연구하며 기존 개발된 외국의 기술과 비교 평가한다. 또한, 기술

개발 추진은 계획표에 따라 단계적으로 실현하고, 개발 완료된 요소 기술은 현장

에서 적응력을 평가하며 수행하는 단계를 개발범위로 하였다.

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4. 기술개발 결과

본 과제의 수행을 통해 IGBT의 Gate 제어특성과 소자파괴 메카니즘을 규명하였

고 보호대책에 대한 기술력을 확보하여 애로기술을 해소할 수 있었다. 시제품으

로 600V, 400A 또는 1200V 300A급 전력제어 IGBT를 최대동작 주파수를

40kHz로 설정하였을 때 60ns 이하의 상승시간을 확보하는 Driver 회로를 설계하

였으며 이때의 지연시간은 최대 4㎲ 이하로 구현할 수 있다. 또한 보호기능에

과전류 보호, 서지 저감 및 충전전하 저감회로를 내장하여 부하의 단락이나 이상

현상을 검출함으로서 소자의 SOA 영역 이내에서 동작을 유지할 수 있어 신뢰성

을 대폭 향상할 수 있다.

개발제품의 외형은 43×27×11mm 이하의 SIP HIC로 실장하여 소형화와 경량화

를 실현하였으며 Chip 기반 회로는 IGBT Module 내에 수용하여 일체화할 수 있

게 제작하여 개발에 성공하였다.

5. 기대효과

본 제품은 과전류에 대한 높은 응답성의 보호회로를 내장하고 고속제어를 실현

하므로 부품 제조업체의 원가절감 및 신뢰성 확보는 물론, 급격히 증가하는 수요

에 대처하고 고성능, 고기능의 요구에 따른 IGBT Gate Driver HIC의 표준화를

정립할 수 있다.

또한 개발기술은 고성능, 고신뢰, 고부가가치를 확보하기 위한 설계수단으로서

매우 중요하며 자동측정 기술은 생산 라인의 불량 원인 분석과 생산성 향상, 불

량 검출, 선별 및 시험 데이터 출력으로 품질 관리에 적용, DB 수정만으로 각종

전자 부품 및 유사 제품의 자동 측정 등이 기대된다.

이에 따라 본 기술개발은 각종 IGBT, MOSFET 등 전력용 Gate Driver의 상품화

는 물론 유사제품의 성능특성측정에 응용되어 실시간 전자동 장치를 수출 상품

으로 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

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목 차

제 1장 서 론

제 1절 개발목표 및 사업추진현황

제 2절 세부 추진현황

제 3절 기술 개발결과

제 2장 기술 분석

제 1절 전력소자 개발동항

제 2절 IGBT 전력용 소자

제 3절 선진제품 성능문석

제 3장 설계 및 제작

제 1절 구동회로 설계

제 2절 보호회로 설계

제 3절 개발 HIC 제작

제 4장 실험 및 고찰

제 1절 전력제어 실험

제 2절 정격특성 측정

제 3절 자동측정 시스템

제 4절 개발제품 특성

제 5절 제품화 고찰

제 5장 결 론

참고문헌

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제 1장 서 론

제 1절 개발목표 및 사업추진현황

1. 기술 개발목표

본 기술개발은 최근 산업용 전력변환장치에 널리 사용되고 있는 IGBT 스위칭 소자

의 Gate를 안전하고 최적성능을 실현하기 위한 Gate Driving 회로를 HIC 제품으로

개발함을 목적으로 한다. 이를 위해 IGBT의 Gate 구동조건과 전기적 특성을 해석

하고 기존제품에서 발생하는 제어신호의 불평형 현상과 과도현상에 의한 과전류,

서지(Serge) 전압을 성능 파라미터로 설정하여 이상현상에 의한 소자 파괴현상을

획기적으로 개선하는 과전류 보호회로 설계 및 특성측정 기술을 개발한다.

개발 제품은 IGBT를 안전하게 구동하고 최적의 성능을 구현하기 위하여 다음과 같

이 기술 개발 목표를 설정하였다.

① 대상 전력제어 IGBT : 600V, 400A 또는 1200V 300A급.

② 최대 동작 주파수 : 40kHz, 상승시간 60ns 이내.

③ Driver 회로 지연시간 : 4㎲(max)

④ 주요 내장 기능 : 과전류 보호, 서지 저감, 충전전하 저감

2. 주요 개발내용

IGBT는 전력제어 특성이 우수하여 UPS, Inverter 등 산업용 전력변환장치의 제어소

자로서 널리 사용되고 있다. 그러나 IGBT는 특성상 Gate 제어조건이 예민하여 운

전중 파괴되거나 외부의 영향에 의해 오동작을 하는 등 성능과 신뢰성을 확보하기

어려운 기술적 문제가 다수 내포되어 있다. 따라서 본 기술개발에서는 기존 개발된

Gate Driver 회로를 개선하여 불평형 현상과 과도현상에 의한 과전류, 서지(Serge)

전압으로부터 소자를 보호하고 최적 구동조건을 실현하는 Gate Driver용 HIC를 제

품화하여 현장 애로기술을 해소함을 목적으로 한다.

IGBT Gate Driver HIC 개발을 위한 주요 개발내용은 다음과 같다.

① 고속 스위칭, 고절연 내압의 포토 커플러 회로방식 개발.

② 단전원 동작 Gate 구동전원 설계 및 소형, 경량화 설계

③ 과전압, 과전류 검출 출력 및 보호기구 설정방식 개발

④ 소형 경량화를 위한 SIP HIC 제조기술 개발

⑤ 성능 및 특성 측정 시스템의 자동화로 생산성 향상

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3. 개발 추전일정

Gate Driver 회로의 설계는 크게 전력변환 소자를 구동하는 스위칭 제어계 및 각종

보호기구로 분류할 수 있다. 전력변환 기구는 산업계 부하특성에 따른 시공 등의

경험과 기술이 요구되므로 주관기업에서 연구하였으며, 스위칭 제어계와 각종 보호

기구는 부하 사양에 의해 결정된 전기적 특성에 따라 위탁기관에서 연구하여 HIC

로 구현하였다 특히, 본 과제는 대전력 제어장치의 보호기능이 목적이므로 부하특

성에서 야기되는 과전류의 제어기구 설계에 많은 비중을 두었다.

이에 따라 소형, 경량을 추구하면서 높은 신뢰성과 다양한 기능을 구현할 수 있는

회로 방식을 연구하며 기존 개발된 외국의 기술과 비교 평가한다. 또한, 기술개발

추진은 계획표에 따라 단계적으로 실현하고, 개발 완료된 요소 기술은 현장에서 적

응력을 평가하며 수행하는 단계를 개발범위로 하였다. 단계별 세부개발 내용 및 진

도는 표 1-1에 보인바와 같다.

표 1-1 단계별 세부개발 내용 및 진도

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제 2절 세부 추진현황

1. 목표 달성도

개략설계에 의해 제작된 시제품 IGBT Gate Driver는 각 기능 블록별로 성능을 측

정한 결과 개발목표 사양을 초과하거나 동등 이상의 성능을 보이고 있다. 특히,

Driver 구동전원을 단일 전원으로 구현함으로서 회로가 간단하고 소형 경량화에도

크게 기여하고 있다. 또한, 과전류 검출기구에서 과전류 검출과 Collector 전압 감

시 기능을 일체와 시키므로서 Trip 응답속도가 현저하게 개선되어 성능도 크게 향

상되었다.

실험과정에서 도출된 보호기능의 성능은 목표사양까지 개선되었으며 Driver 전류의

불평형 문제는 각종 부하시험에 의해 회로기술로 극복하였다. 또한 고속 Photo

Coupler와 Gate 전하 흡수회로를 내장하여 스위칭 속도의 고속화를 실현하였다.

이들 기술개발은 실제 Field에서 발생하는 다양한 시험 Data를 기초로 최적 제어

Parameter를 도출하고 원자재를 선별 사용하는 등의 다양한 방법으로 실현하여 목

표를 달성하였다.

2. 문제점

Driver HIC는 구동 목표인 IGBT의 Gate 특성상 입력 전원의 전압 변동율이 높으며

스위칭에 의한 잡음 및 서지 발생량이 높으므로 안정된 전원의 공급과 외부의 열

및 충격에 의한 파손으로부터 보호하기 위한 세심한 설계 및 제작을 요한다. 또한

부하특성에 크게 의존하므로 전체적인 System을 구성하여 부하조건에 따른 여러

가지 전기적 현상을 측정, 분석할 필요가 있다. 특히 전동기로 대표되는 산업용 부

하는 대용량이며 유도성인 경우가 대부분이므로 부하 설정에 어려움이 있다. 유도

성 부하는 운전조건에 따라 급격한 돌입전류(Inrush Current)나 단락전류(Short

Current) 및 서지(Serge) 전압 등에 의해 오동작을 야기하거나 소자 파괴가 빈번하

며 예측이 곤란하므로 이에 대한 보호대책이 가장 문제가 된다.

이에 따라 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 설계가 복잡해지고 가격 상송이 우려

되며 업그레이드 및 고장 수리의 어려움이 따르게된다.

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3. 개선방안

IGBT는 특성상 미세한 제어조건의 변동에 예민하게 반응하고 전기적 스트레스에

취약하므로 정밀한 소자제어는 Gate 입력회로의 전하 축적 현상을 빠르게 흡수하

고 구동 펄스의 파형과 Duty를 정확히 유지해 주는 회로방식으로 개발한다. 또한

출력에 나타나는 과전류를 빠르게 검출하여 Driver의 구동전압을 제어하는 소자 보

호대책을 강구한다. 이들 회로 요소는 부하로부터 발생하는 이상현상에 기인하므로

과전류 검출 Driver의 기술개발은 매우 중요하다.

이러한 문제점은 스위칭 특성을 해석하여 Driver 파형의 정형과 고속성을 확보하는

최적 회로 파라미터를 시뮬레이션으로 도출하고 제어회로를 HIC 제조 기술에 의해

소형 경량화 시킴으로서 성능을 향상시키고 가격을 최소화할 수 있다. 또한, 제조과

정에서 요소기능의 특성과 성능을 자동 측정하여 생산단계에서의 불량률을 제거하

고 불량요인을 분석하여 생산수율을 개선하는 자동측정 시스템을 구축한다.

제 3절 기술 개발결과

1. 평가방법

시제품으로 600V, 400A 또는 1200V 300A급 전력제어 IGBT를 최대동작 주파수를

40kHz로 설정하였을 때 60ns 이하의 상승시간을 확보하는 Driver 회로를 설계하였

으며 이때의 지연시간은 최대 4㎲ 이하로 구현할 수 있다. 또한 보호기능에 과전류

보호, 서지 저감 및 충전전하 저감회로를 내장하여 부하의 단락이나 이상현상을 검

출함으로서 소자의 SOA 영역 이내에서 동작을 유지할 수 있어 신뢰성을 대폭 향상

할 수 있다.

개발제품의 실험과 평가는 개발사양의 주요항목을 평가항목으로 설정하고 선진

Gate Driver HIC 제품 평가에서 널리 사용되는 ISO 규격에 따라 수행하였다. 실험

및 성능 측정 결과, 본 시스템은 설계 목표를 대부분 만족시켰으며, 생산 현장에서

의 반응도 좋아 개발목표를 충분히 달성한 것으로 평가된다.

개발 제품은 Photo Coulpler 인터페이스에 의해 2500V 이상의 높은 전압에서 1분

간의 내전압을 가지며 단일 전원에 의해 구동하도록 개발한다. 또한, HIC는 고밀도

실장기술에 의해 SIP 패키지로 제작함으로서 소형 저잡음 고효율의 전원장치나 인

버터, 무정전 전원장치(UPS) 및 전동기 속도제어 등 다양한 전력 변환장치에 응용

할 수 있다.

표 1-2에 개발기술의 주요내용과 성능 및 규격을, 표 1-3에 완료가술 및 제품의

평가 척도를 각각 보였다.

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표 1-2 개발기술의 주요내용과 성능 및 규격

구 분 주 요 내 용 성능 및 규격

1. 원료자재 HIC 기판재, Discrete 부품 Silicon

2. 개발기술 및 방법 회로 및 제조 기술 개발 SIL Package

3. 개발제품 용도/기능 전력용 IGBT 구동용 HIC 소자보호 대책

4. 개발목표 스위칭 속도, 지연시간 40kHz, 4㎲(max)

표 1-3 완료기술 및 제품의 평가 척도

평 가 항 목 평가방법 적용기준개 발목표치

비중(%)

1. 스위칭 속도 상승 및 하강 시간 스위칭 특성 2㎲(max) 30%

2. Input Isolation Functuation test KS 2500V 20%

3. Overcurrent 보호 펄스 과전류 주입법 KS PW=2㎲ 30%

4. 최대 구동 용량 대전력 IGBT 전자 부하 600V급 10%

5. 입력 구동 전류 스토리지 스코프 펄스법 D=0.05 10%

2. 평가결과

개발과제는 UPS, Inverter 등 산업용 전력변환장치의 제어소자로서 널리 사용되는

IGBT 소자가 운전중 파괴되거나 외부의 영향에 의해 오동작을 하는 등 제어동작의

신뢰성을 확보하기 어려운 현장 애로기술을 회로 설계기술 및 제조기술로 현저하게

개선하여 개발목표를 100% 성공하였다고 평가된다.

주관기업은 HIC 전문제조업체로 이미 MOSFET, IGBT 등 전력용 소자의 Gate

Driver 기술 개발에 성공하여 범용 HIC Driver 제품을 상품화하고 있다. 금번 개발

기술은 기존제품에서 발생하는 제어신호의 불평형 현상과 과전류, 서지 전압에 의

한 소자 파괴 현상을 획기적으로 개선하는 과전류 보호회로 설계 및 특성측정의 자

동화기술을 개발한 것으로 제품의 성능개선은 물론 신뢰성 확보와 생산성 향상에도

크게 이바지하고 있다고 판단된다.

본 과제의 수행을 통해 IGBT의 Gate 제어특성과 소자파괴 메카니즘을 규명하였고

보호대책에 대한 기술력을 확보하여 애로기술을 해소할 수 있었다. 개발제품의 외

형은 43×27× 11mm 이하의 SIP HIC로 실장하여 소형화와 경량화를 실현하였으며

Chip 기반회로는 IGBT Module 내에 수용하여 일체화할 수 있게 제작하여 개발에

성공하였다.

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3. 개발효과

개발 기술의 성과는 산업현장에서 널리 사용되는 전력용 기기의 전력 변환기술에

즉시 응용 가능하므로 전력제어 분야의 취약기술을 최신 반도체 기술에 적용시켜

급격히 증가하는 수요에 대처하고 고성능, 고기능의 요구에 따른 IGBT Gate Driver

HIC의 표준화를 정립할 수 있으며 신뢰성과 내구성을 갖는 설비의 개발을 기대할

수 있다.

또한 본 개발기술은 기존 산업설비의 현장 애로기술인 반도체 전력 변환기술의 기

반 기술로서 그 활용도가 매우 높다고 평가된다.

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제 2장 기술 분석

제 1절 전력소자 개발동향

1. 전력소자 기술동향

반도체 트랜지스터의 스위칭 작용은 전력제어 수단으로 널리 사용되고 있다. 그러

나 기존의 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Transistor)는 가격이 저렴하나 회로구성이

복잡하며 동작속도가 느린 단점이 있고, MOSFET는 저전력이고 속도가 빠른 대신

비싸고 과부하에 약한 단점이 있다. 전류를 제어하는 스위칭 기능은 다른 부품이나

회로로도 구현할 수 있지만 정밀한 동작을 필요로 하는 제품일수록 동작속도가 빠

르고 스위칭 전력손실이 적은 전용부품을 필요로 하게 되어 다수의 전력용 스위칭

소자가 개발되고 있다.

그림 2-1 신구조 전력용 MOS Gate 소자의 발전

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그림 2-1에 신구조를 갖는 전력용 MOSFET Gate 소자의 발전 동향을 보였다. 이

들 전력용 소자는 미세화ㆍ고밀도화의 기술혁신으로 세대 교체가 쌓이면서 인버터

장치 등 산업기기의 소형화ㆍ고성능화에 큰 충격을 주고 있으며 최근에는 성능 향

상에만 머물지 않고 사용의 용이성을 추구하는 시스템화의 움직임이 나타나고 있

다.

한편, 그림 2-2에 전력소자의 제품동향을 용량(정격전압×정격전류)과 각종 응용분

야에서의 동작주파수와의 관계로 표시하였다. 그림에서와 같이 공업용 대용량 인버

터나 전력ㆍ전철 시장의 요구에 의한 GTO, 사이리스터의 대구경화와 IGBT의 고내

압ㆍ대용량화의 움직임이 활발해지고 있다. 결국 전력용 소자는 저손실화를 위한

MOS 게이트화와 전력용 소자를 고효율로 사용하기 위한 시스템화 및 대용량화 방

향으로 진화하는 동향을 보인다.

전력용 소자의 대용량화에는 사이리스터, GTO(Gate Turn-Off) 및 GCT(Gate

Commutated Turn-off)의 대구경화, IGBT 모듈 및 IPM의 고내압화ㆍ대용량화의

움직임이 있다. 사이리스터, GTO, GCT의 대용량화는 6인치 웨이퍼를 채용하여

8kV, 4kV 광사이리스터가 직류송전에 실용화된 외에 6kV, 6kA GTO가 개발되어 대

용량 인버터에 널리 실용화되고 있다.

또 최근에 개발된 GCT는 게이트 인덕턴스(Inductance)를 저감한 새로운 구조의 채

용으로 축적시간을 종래 GTO의 약 1/10로 저감함으로서 직병렬 접속이 대단히 용

이하거나 스나버(Snubber) 회로의 생략과 종합 스위칭 전력손실을 저감하는 등 성

능이 크게 향상되고 있다. 따라서 GCT는 GTO에 대신하는 고내압ㆍ대용량 전력 변

환(Power Transformation)용 소자로서 주목되기 시작하였다.

현재 GCT는 4.5kV, 4kA의 정격으로 주파수 변환장치 등의 전력응용에 실용화되어

있는데, 장래에 더욱 대구경 실리콘을 사용한 대전력 GCT의 개발이 전력ㆍ철강용

인버터 등의 고내압ㆍ대용량 장치의 소형화ㆍ고성능화ㆍ고신뢰화에 크게 공헌할 것

으로 기대된다.

그림 2-2 파워디바이스의 제품동향

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2. 시스템 기술동향

최근 전력 제어기술은 시스템 지능화 전력관리 기술인 IPM(Intelligent Power

Management) 동향을 보인다. 시스템의 지능화를 추진하는데 중요한 기술의 하나

로 제어용 IC의 설계기술이 있다. 현재의 IPM 기술은 LVIC(Low Voltage IC) 기술

로 구동회로와 보호회로가 집적되어 장래 더욱 많은 주변부품을 내장하는 형태로

집적화가 진전되고 있다.

이들 IC는 고전위측(P측)에 현재와 같은 구조의 IC가 사용되고 있어 입출력 사이의

절연에 포토 커플러(Photo Coupler)나 펄스 트랜스(Pulse Trans)를 필요로 한다.

그러나 최근의 IC는 실리콘 칩상에서 회로를 절연하는 HVIC(High Voltage IC)가

개발되어 실용화되고 있다.

HVIC는 종래의 기능에 더하여 고전위측에의 신호전달을 위한 레벨시프트(Level

Shift) 회로와 고전위측의 전원을 확보하기 위한 부트스트랩(Boot Strap) 회로 등이

집적된다. 또 HVIC의 절연을 실현하기 위한 분리기술로서는 접합분리와 유전체 분

리기술이 있다. 아직은 양쪽 모두 600V 정도의 절연 내압이 주류를 이루나 1,200V

제품개발도 진행되고 있다.

차세대 IPM의 이미지를 그림 2-3에 보였다. 이와 같은 기술 추세를 감안할 때, 21

세기를 향한 IPM은 전력소자로서의 이상을 추구하여 전력손실의 최종적인 저감, 고

파괴 내량화, 편리성의추구, 장치의 소형화, 토털시스템의 코스트 저감 등의 과제에

앞으로도 끊임없이 도전이 계속될 것이라고 확신한다.

또 시스템화가 더욱 진전되어 시장의 요구를 받아들인 보다 더 시스템에 밀착한 기

능이 요구될 것이다. 그렇기 때문에 전력 소자측과 시스템측의 보다 밀접한 커뮤니

케이션에 의하여 더욱 고성능이며 사용하기 쉬운 IPM이 개발되어 새로운 시장의

개척에 크게 공헌할 것으로 기대된다.

그림 2-3 차세대 IPM의 이미지

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3. 제어기능 및 제품동향

차세대 IPM은 앞에 언급한 전력용 칩, 제어용 IC 및 각각의 패키지(Package) 기술

이 시장 요구를 수용하여 보다 밀접하게 융합되고 있다. 따라서, 전력용 소자는 보

다 저손실 방향으로 추진되고, 시스템화에 있어서는 그림 2-4에 보인 바와 같이 종

합 시스템의 고효율화를 지향하는 시스템인 모듈(Module)의 방향으로 제품기술이

나아갈 것으로 전망된다.

또한 그로 인한 시스템전체의 보호기능과 제어기능이 더욱 요구되어 HVIC의 채용

과 제어용 IC의 고집적화가 불가피하게 될 것으로 보인다. 예를 들면 용도에 따라

전력 아날로그 출력, 과전류 경보, 접합온도 출력, 과전압 보호, EMI/EMC 등 잡음

(Noise) 대책 등 여러 가지의 기능과 제어전원 등을 내장한 IPM이 출현할 것이다.

최근 파워 디바이스의 인텔리전트화와에 따라 그림 2-4와 같이 다양한 시스템화

개발이 진척되고 있다. 이에 따라 IGBT와 같은 전력용 스위칭 소자의 수요가 급증

하며 이에 따른 제어용 IC의 설계기술도 다양한 성능과 기능을 요구할 것으로 전망

된다.

따라서 IGBT Driver 설계기술의 응용범위는 대단히 넓으며, HIC에 의한 소형화 기

술 또한 파급 효과가 클 것으로 전망된다. 또, 현재 수입되고 있는 선진제품의 수입

대체는 물론 지속적으로 발전하는 새로운 디바이스의 Driver 개발에 기반기술을 제

공하며 시스템화를 위한 모듈 등 신제품 개발 가능성이 높다. 따라서, 신개발 제품

은 IGBT의 성능을 최적으로 구현하기 위한 조건을 모든 조건을 제시하는 것이며

이를 적용했을 때 기대되는 성능은 다음과 같다.

① DIGITAL 제어방식으로 User Interface가 용이하다.

② 복수의 동급규격 IGBT의 병렬운전이 가능하다.

③ 최적 시스템 제어기능으로 전체 시스템의 고효율화가 실현된다.

④ 자기보호기능 및 시스템 보호기능에 의해 신뢰성 및 안정성이 향상된다.

그림 2-4 전력용 소자의 시스템 제어기능 및 제품동향

- 17 -

제 2절 IGBT 전력용 소자

1. IGBT의 특성

1980년대 초에 개발된 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 입력특성이

MOS-FET과 같은 Gate 구동 특성을 가지므로 입력 임피던스가 높고 200KHz 정도

의 고속 스위칭이 가능하며, 출력 특성은 BJT(Bipolar Junction Transistor) 이상의

전류 능력과 저포화 전압특성을 겸비한 스위칭 소자이다. IGBT는 바로 이 두 제품

의 장점만을 결합한 제품으로 고속 스위칭이 가능하고 전압ㆍ전류 정격도 거의 종

래의 바이폴라 트랜지스터와 동등 이상의 용량이 실현 가능하게 된 점에서 이상적

인 전력용 제어소자로 평가받고 있다.

또한, IGBT는 기본적으로 전압제어 소자이므로 앞단으로부터 전압 유입이 없어 상

호간섭이 배제되고 또한 다수 캐리어 제어이므로 스위칭 왜율의 원인이 되는 전하

축척 효과가 없는 점과 출력 특성은 낮은 내부저항에 대전류 용량을 갖는 BJT 특

성을 겸비한 이상적인 전력제어 소자로 볼 수 있다.

따라서, IGBT는 MOSFET이나 BJT 또는 Thyristor의 대체용 소자뿐만 아니라 새로

운 적용 system을 창출하고 있기 때문에 산업용은 물론 가정용 전자기기에 이르기

까지 점차 사용 범위를 확대해 나가고 있다. 범용 인버터, AC서보, UPS(무정전 전

원장치) 등에 사용되는 중대용량의 영역에서는 IGBT 성능은 제1세대로부터 제3세

대에로의 이행으로 대폭적인 성능개선이 실현되었다. 이 진보의 배경에는 LSI의 미

세 가공 기술이 크게 기여하고 있다.

그림 2-5 IGBT 칩 Process의 변천

그림 2-6 3.3kV, 1.2kA IGBT 모듈과 Gate Driver 모듈

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그러나 현재 평면형상의 셀 구조로는 이미 성능개선에 한계가 있으며, 이 이상의

전류밀도 증가를 기대하기 어렵다. 따라서 차세대 IGBT로서 채널부를 종으로 한 트

렌치(Trench) 구조가 개발되고 있다. 트렌치 구조는 실리콘 상에 홈을 파고 그 홈

의 측면에 채널을 설치, 구내에 게이트 전극을 형성한 구조로 되어 있다. 이 구조의

채용으로 전류밀도가 비약적으로 향상된다. 또 1,200V 이상의 IGBT인 경우에는

NPT(Non-Punch Through) 타입의 실용화와 나아가 성능향상을 목표로 각종의 새

로운 구조 디바이스에 대한 연구도 진전되고 있다.

그림 2-5에 IGBT 칩 Process의 변천과정을 보였으며 그림 2-6은 3.3kV, 12kA

IGBT 모듈과 Gate Drive 모듈의 외관을 보인 것이다.

2. IGBT의 특징

IGBT는 용도상 복수의 소자를 일체화한 모듈(Module) 제품이 널리 사용되나 단품

으로도 판매되고 있다. IGBT는 입력부(Gate)의 임피이던스가 FET와 마찬가지로 무

한대에 가깝고 출력 C-E 간은 Transistor의 특성을 갖는 이상적인 스위칭 소자이므

로 인버터 등에 가장 널리 사용되며 드라이브 또한 간단하게 구동이 가능하므로 개

발하는 입장에서는 사용하기 편한 고성능 스위칭 소자라고 볼 수 있다. 표 2-1에

SCR 소자에 비교한 IGBT의 우수특성을 보였다.

현재 모듈식으로 많이 보급되고 있는 제품의 용량은 50A 600V에서부터 400A 정도

이며 인버터의 구동 DC 전압에 따라 1200V 내압의 제품도 사용되고 있다. 내압을

높히면 대용량에서는 구동 전류가 줄어 실장착이나 구조상 유리하나 경험상 상당한

Know-How를 요구한다. 이것은 실장문제(배치문제) 일수도 있으며 구동 드라이브

의 배선 등에서 문제가 될 수 있고 또한 소자의 특성이 좋지 않은 경우도 있기 때

문에 많은 경험과 기술이 뒤따라야 한다.

표 2-1 SCR 소자에 대한 IGBT 소자의 특성비교

구 분 SCR RECTIFIER IGBT RECTIFIER

효 율 70% 내외 90~94%

역 율 0.8 내외 0.92~0.95

리플율 5~20% 1~3%

스위칭 주파수 60Hz 22~200KHz

제어방식 ANALOG DIGITAL/ANALOG

병렬운전 불가능 가능

중량 및 외형 100% 30~50%

제어안정도 2~3% 1% 이하

신뢰성 낮음 높음

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3. IGBT 제어회로

Gate Driver에 의해 IGBT를 제어하는 방식은 OP-AMP와 Digital 회로를 구성하여

구동하는 A방식과 CPU 기반의 Program으로 직접 펄스까지 발생하여 구동하는 B

방식으로 대별되나 현재 대부분 국내에서는 이 두 가지 방식으로 구분되어 생산되

고 있다.

A방식은 구동 특성이 잘 발달된 Hardware 부품과 회로설계에 의존하므로 비교적

안정하나, 제어의 다양성과 융통성을 기대하기 곤란한 단점이 있다. 이에 대해 B방

식은 컴퓨터에 기반하여 제어되므로 Software의 개발에 따라 고도 기능이나 지능적

제어가 가능하다. 그러나, 전력 변환기술에 있어 현재의 S/W 기술은 축적된 기술

수준이 빈약하여 고가의 스위칭 소자가 이유없이 파손되거나 순간 정전에 인버터가

이유없이 OFF되는 등 오동작을 일으키는 경우가 종종 발생하는 단점이 있다.

특히 B방식에서는 전면 Display에서 제어 기판까지 리본 Cable을 사용하므로 약

1m 이상 길이로 연결되면 상당히 많은 노이즈에 노출이 되어 동작신뢰도를 기대하

기 어렵다. 또한 제어 동작 및 표시동작을 동일한 CPU에 의해 수행한다면 상당히

불안정한 상태로 운전된다.

최근 국내 기술력도 많이 향상되어 현재 A방식으로 제작된 제품은 거의 별 문제가

없이 사용되고 있으나 B방식은 조심스럽게 개발을 진행하든지 제품생산이 되고 있

는 경우는 사용상태를 개발부에서 Feedback하여 수시로 개선을 하여야 신뢰성 있

는 제품이 될 것이다.

제 3절 선진제품 분석

1. SCALE 표준화

미국, 일본 등의 제품 동향을 분석하여 개발전략을 수립하고 국제 표준화의 기본

개념을 수용하는 Driver용 HIC의 사양과 핵심 기술요소를 도출하고 성능을 비교 분

석하였다. 미국의 Powerex, 일본의 Fuji 등 전력용 소자 제조업체들도 SCALE의 표

준화를 지향하고 있으며 소형, 경량화와 함께 Multi-Channel화는 물론 600V/1200V

의 고전압화, 20/60ns의 고속화 및 1W 이하의 저소비 전력화를 추구는 제품 개발

에 진력하는 기술 동향을 보인다.

한편, 스위스의 CT-Con Tech사는 IGBT, MOSFET 등 Gate 전력용 소자에 적용되

는 Driver 소자의 호환성과 기본 성능확보를 위해 SCALE이라고 부르는 5가지의 기

본 개념을 정립하여 표준화 연구를 추진하고 있다. SCALE의 기본개념은 S

Scaleable(소형화), C : Compact (경량화), A : All Purpose (다목적화), L : Low

Cost (저가격화) 및 E : Easy to Use (사용의 편리)를 추구함을 목적으로 한다.

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표 2-2에 일본 미쯔비시(Mitsubishi)사의 M57 Series 각종 IGBT Gate Driver HIC

의 기능과 특성을 비교해 보였으며, 그림 2-7에 후지(Fuji)사의 EXB Series의 기본

회로를 각각 보였다.

이들 Gate Driver HIC에서 요구되는 기술적 사항을 SCALE 표준화 개념과 회로적

특징에 입각하여 해석하면 다음과 같이 요약된다.

① 단일전원 : 내장 DC/DC Converter에 의해 +5V 또는 +20V 구동

② Locking과 Dead-Time 발생 기능을 갖는 직결 또는 반 브리지 모드 (선택사양)

③ 과전류(OC) 및 단락전류(SC) 보호, 저전압(UV) 감시

④ 접속의 전기적 분리와 오류 인식 출력기능

⑤ 고기능 집적과 다품종 호환성, 실시간 제어(RTC, Real-Time Control) 기능

표 2-2 각종 M57 Series Gate Driver용 HIC의 특성 비교

형 식

M5715 9L-01 M5796 2L M5716 0L-01

보호 구조Desaturation

DetectionDesaturation

DetectionRTC Detection

Soft Shutdown

Yes Yes Adjustable

출력 전류 +/-1.5A +/-5.0A +/-5.0A

비 고 New-Low Cost ModerateNew-For Use with

F-Series IGBT Modules

그림 2-7 EXB Series HIC의 Blockdiagram과 Pin 배치도

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2. IGBT 구동전원

Gate Driver는 구동 원리상 정, 부 2-전원이 요구된다. 그러나, 2-전원을 사용하면

전원 공급회로가 복잡해지게 되므로 단일 전원방식으로 설계하는 경우가 많다. 이

에 따라 HIC 회로는 내부적으로 부전원을 만들어 주는 회로가 필요하게 된다. 일반

적으로 단일 전원방식은 중 소용량의 인버터나 UPS의 IGBT에서 주로 사용되며 비

교적 널리 보급되어 있다. 이는 20V 내외의 단일전원을 사용하기 때문에 양전원이

필요한 소자보다 파워 부분이 간단하며 Driver HIC 소자 보급 또한 많이 되었다.

단일 전원 방식 Gate Driver의 대표적인 제품은 FUJI사의 EXB841이며, 구동능력이

뛰어나고 구동상 안정한 장점에 의해 이를 사용하는 제품이 널리 보급되어 있다.

EXB841은 제너다이오드를 이용하여 게이트에 약 6V의 부전위를 인가하게 함으로

서 노이즈나 오동작에 안정된 동작을 하도록 한 드라이브 IC이다.

한편 양전원은 미쯔비시(Mitsubishi) 등의 IGBT 드라이브에서 사용하는 방식이다. 2

-전원방식은 +15, -15V를 사용하여 구동하기 때문에 최소 6개의 다른 전원으로

구성해야 한다. 이런 이유 때문에 소중용량의 UPS에서 눈에 많이 띄지 않지만 지

하철 차량의 구동 전동기 등 대용량 직류 전동기 드라이브로서 비교적 널리 사용된

다.

한편, 이미터 공통인 IGBT를 제외하고 구동전원을 3-전원이나 4-전원으로 각각

10Watt 이상으로 구성하는 경우가 있으나 50A/600V급의 IGBT 전력소자를 구동하

는 IC의 동작조건이 데이터 쉬트 상에는 20V/10mA로 표기되어 있으므로 실제의

구동전력은 1W 정도이면 충분할 것으로 판단된다.

Driver 전원방식의 관점에서 평가한 기존 제품의 성능과 특징은 다음과 같이 요약

된다.

① 정 전압(+Vg) : +gate 전압은 IGBT Saturation 전압(포화전압)에 영향을 준다.

그러므로 전압이 높으면 포화전압이 낮지만 일반적으로 15V 정도로 공급하고 있다.

② 부 전압(-Vg) : -gate 전압은 노이즈 등으로 인한 오동작 방지 정도로 공급하면

되므로 일반적으로 -5V 정도이다. 부 전압을 주지 않은 경우도 있는데 상당히 불안

정하게 동작된다.

3. IGBT 실장기술

일반적으로 주전류를 제어하는 IGBT의 배선 연결은 Bus-Bar 작업을 하는데 이 구

조적인 것만 잘 처리해도 스위칭 손실의 30% 정도는 줄일 수 있다. 앓은 동판으로

+측과 -측을 가깝게 붙여서 사용하는 경우도 있으며 이 자체를 Capacitor화하여

중간에 절연물질을 넣어 부치는 방식도 있다. 동일한 단면적이지만 동판으로 ㄱ자

형태로 만들어 부착한 것과 동판 Bus-Bar로 만들어 부착한 것은 같은 조건에서 실

험한 결과 동판 Bus-Bar의 발열상태가 보다 심한 것으로 보고된 바 있다.

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가. 회로 부품의 정수

Bus-Bar에 연결되는 DC Capacitor의 부착상태 또한 주전류 손실에 중대한 영향을

끼친다. 스위칭소자에 최대한 가깝고 굵게 부착하는 것은 아무리 강조해도 지나치

지 않는다. 이 구조적인 처리만 확실히 한다면 C-E간 스나버(Snubber) 회로가 필

요 없을 수도 있다.

또, 반도체 보호용 DC Fuse는 일반적으로 DC Capacitor와 IGBT 사이에 붙이는

경우가 대부분이나 Fuse의 임피이던스 관계로 손실을 발생하며, 심한 경우는 IGBT

측에 별도로 용량이 큰 백 리플용(Back Ripple) DC Capacitor를 부착하게 되는 경

우도 있다. 손실발생이 심하면 이 백 리플용 Capacitor에 열이 발생하여 여기에 대

한 대비도 하여야 하는 악순환을 겪게 되는 경우도 있다.

콘트롤 제어만 확실하다면 DC Capacitor 전단에 Fuse를 부착하는 방법도 있으며

이 방법의 회로로 구성되어 있는 제품도 있다. 물론 이 경우에는 반도체의 손상이

완전히 보호되지 않으며 파손시 Capacitor의 Charging 전류로 인한 주변회로의 손

상을 감수해야 한다.

IGBT Gate 저항도 인버터의 구동에 많은 영향을 미친다. 저항이 크면 스위칭 시간

이 길어 스위칭 손실이 증가한다. 작으면 di/dt가 높게 되기 때문에 Surge 전압이

높게 된다. 인버터 구동상태에 따라 이 저항의 적당한 값을 선정하여 부착하는 것

도 매우 중요하다.

나. 분포회로의 정수

인버터 Transformer의 1차측 배선은 인턱턴스로 작용한다. 이론상으로 IGBT와 인

버터 TR 1차측의 길이(L)는 길수록 좋다. 하지만 실장에 있어 자연적으로 길이가

길게 되는 경우가 대부분이지만 이 배선에는 평활되지 않은 PWM 파형이 실려있기

때문에 주변 회로에 상당한 잡음원을 제공한다.

일반적으로 이 길이가 자연적으로 길어지도록 하는 경우가 있는데 이것은 자기 모

순적인 발상이라고 볼 수 있다. 차라리 공심 리액터를(아니면 배선을 코일식으로

말아서 길이는 길게하되 전체 길이는 짧게) 만드는 것이 좋은 방법이다.

또한 드라이브 배선은 짧을수록 좋다. 절연된 Photo coupler Signal 보다 IGBT

Gate 시그날이 가깝게 연결이 되어야 하므로 가급적 IGBT Gate에 직접 연결하고

전원은 별도로 연결되는 방법이 가장 좋은 결선이라고 볼 수 있다. IGBT의 Emitter

와 Gate 구동 Transistor측의 Emitter가 가깝게 연결되어야 한다. 보통 서로의 왕복

선은 서로 전류방향이 반대이므로 두 선을 꼬으면 상쇄되어 외부의 잡음 등에 강해

진다.

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제 3장 설계 및 제작

제 1절 구동회로 설계

1. 설계 사양

본 연구 개발 제품의 사양 및 기본회로 설계를 위해 고찰한 내용은 다음과 같이 요

약된다.

① IGBT의 스위칭 손실은 정상온도가 100°K 변화하면 Turn-Off 손실이 약 2배 변

화하고 Turn-On 손실도 높은 온도 의존성을 보이므로 온도 보정회로와 방열설계를

시행한다.

② IGBT는 고속으로 Turn-On, Off되기 때문에 주회로 배선의 인덕턱스가 최소화되

도록 실장 설계하는 것이 매우 중요하다. 이것은 서지 전압이 주회로 배선의 인덕

턱스에 비례해서 결정되기 때문에 저인덕턱스로 하기 위해 양(+)측 모선과 음(-)측

모선을 밀착 구조로 하거나 서지 전압을 흡수하는 스너버 회로의 배선을 최단으로

하는 등 대책을 개발한다.

③ 전원당 입력전류의 고조파 함유율은 IGBT 입력전압의 고주파 함유율과 전원단

의 라인 인덕턱스에 반비례하기 때문에 입력전류의 고조파 함유율을 개선하려면

IGBT의 스위칭 주파수를 높이고 전원단 라인의 인덕턱스를 크게 하는 패턴 설계를

시행한다.

④ PWM 컨버터 및 인버터에서 스위칭 손실을 줄이고 최고의 성능을 유지하기 위

하여 IGBT는 가능한 한 빠른 시간내에 Turn-On, Off를 할 필요가 있다. 이런 스위

칭 속도는 베이스 드라이브 회로에 의해 크게 영향을 받으므로 베이스 드라이브 회

로는 Turn-On 시는 오버 드라이브, 정상시는 포화도를 작게, Turn-Off 시는 역바

이어스라는 조건을 모두 충족시킬 수 있는 내부의 2중 전원회로를 내장한다.

2. Gate Driver용 HV IC 설계

본 연구에서는 SCALE 표준화의 기본 개념을 수용하고 범용 IGBT 모듈을 구동할

수 있는 소형, 고밀도의 Driver용 HIC를 단일 전원 방식으로 구현하기로 하고, 성능

평가를 위해 기본설계된 IGBT 베이스 드라이버에 Photo Coupler에 의한 Isolation

및 과전류 보호회로 등 부가 기능이 내장되는 회로 방식으로 설계하였다. 그림 3-1

에 설계된 HIC 베이스 드라이버의 등가 회로를 보였다. 그리고 인터페이스를 위한

실장회로 구성을 그림3-2에 보였다.

또한, 정밀하고 안정된 구동을 실현하기 위해서는 높은 스위칭 속도가 요구된다.

Driver 회로의 지연시간은 측정결과 대부분 Photo Coupler(PC)의 전송특성에 의존

하므로 고속 PC의 채용과 전원 안정화 등 주변회로의 고속화 설계가 요구된다.

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그림 3-3에 스위칭 고속화를 위해 고찰되는 Photo Coupler 회로를 보였다.

그림 3-1 IGBT Driver HVIC의 내부 등가회로

그림 3-2 IGBT와 HVIC의 인터페이스를 위한 실장 회로구성

그림 3-3 Photo Coupler 회로(스위칭 고속화)

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3. Driver 전력 증폭기 회로

IGBT의 Turnn-On을 위해서는 정(+)의 Pulse 전압이 요구되나 Tum-Off 시에는 스

위칭의 고속화를 위해 Gate 전하를 흡수하기 위한 부(-)의 Pulse 전압을 사용한다.

따라서 +20V의 단일 구동 전원으로부터 ±양전원을 공급하기 위한 Voltage

Devider를 내장해야 하며 병렬운전 시 각 Driver의 On/Off 전류 불평형을 방지하기

위해 규정된 정밀도를 확보해야 한다.

또한, 전력 증폭기는 IGBT 소자의 Gate를 충분히 구동할 수 있는 전류능력과 OCP

에 의해 검출된 Trip 신호에 대해 정확히 전력을 차단할 수 있어야 한다.

그림 3-4에 IGBT의 Gate Driver를 위한 전력 증폭기 회로를 보였다.

설계의 주안점은, +20V의 단전원으로 구동하며, 고절연 내압용 포토커플러 및 과전

류와 단락 전류에 대한 보호 등 부가기능을 내장하는 것이며, 또한, 제품은 소형,

경량화를 위해 SMD 실장을 하고 SIP Package로 생산하는 것이다.

따라서, 제작시에도 이와 같은 특징과 기능이 충분히 반영되도록 재질이나 실장 부

품의 특성에 유의한다. 제작에서는 소형화를 위해 능동소자를 제외한 모든 부품 소

자는 SMD (Surface Mounting Device)를 사용했으며, 회로기판은 고속 스위칭 특

성을 평가하기 위해 Epoxy 재질을 사용하였다.

또 PCB 모듈 제작에 있어서 회로 Pattern은 전류밀도와 신호 주파수를 수용하기

위해 가급적 넓게 설계했으며, 입력신호와의 전기적, 물리적 유도영향을 배제하기

위하여 Photo Coupler의 위치와 핀 배열은 가급적 격리시켜 배치하였다.

그림 3-4 Driver Power Amplifier 회로 (전력 증폭회로)

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가. Gate 전압 설계

Gate 구동형 스위칭 소자를 Drive하는 경우에 정(+)의 Gate 인가전압은 스위칭 소

자의 포화 전압(Saturation Voltage)에 지대한 영향을 준다. 정 전압(+Vg)은 높게

인가하면 포화전압이 낮아지지만 스위칭 소자의 동작 조건을 고려하여 15V 정도로

공급한다.

이에 대해 부(-)의 Gate 전압은 잡음 등으로 인한 오동작을 방지할 정도로 공급하

면 되지만, Gate의 축적된 전하를 방전시켜 고속 Turn Off를 강제하기 위하여 부

전압(-Vg)는 -5V 정도로 설계한다. 이때, 부 전압을 공급하지 않는 설계 방법도 있

으나, 스위칭 동작이 불안정하게 되므로 실험적으로 구한 값을 사용하였다. 그림

3-5에 Gate를 제어하는 정부 전압을 제너 다이오드에 의해 설정하는 설계 예를 보

였다.

그림 3-5 정부 전압을 제너 다이오드에 의해 설정하는 설계 예

나. Driver 구동설계

이와 함께 제어용 컴퓨터를 도입하여 각 제어 채널을 독립적으로 제어하는 방안을

고찰한다.

그림 3-6 Inverter의 무접점화, 지능화 설계 (1-Ch분)

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즉, 각각의 IGBT는 Gate Driver HIC 및 독립된 정원 장치로 구동되며, Photo

Coupler에 의해 제어용 컴퓨터의 CPU와 인터페이스함으로서 전체 구동 시스템을

구성한다.

그림 3-6에 Inverter 시스템의 무접점을 실현하기 위해 설계한 전동기 제어회로의

계통도 1 상분을 구성 예를 보였다. 그림에서 Optical Coupler와 Gate Driver 기능

은 자체 개발한 HIC에 포함되어 있으며, Control I/O는 Inverter 운전의 다중화 등

외부와의 통신제어가 필요한 경우에 사용되는 인터페이스이다.

제 2절 보호회로 설계

1. 과전류 보호

과전류 보호회로는 부하의 고장 등 이상동작으로 야기되는 과전류 및 Collector 전

압을 검출하여 Trip 신호를 출력함으로서 Driver 소자를 보호한다. Trip의 응답속도

는 R-C 시상수에 의해 결정되나 부품의 허용오차 범위가 넓어 고정밀 부품을 사용

해야 한다. 회로의 간소화를 위해 과전류 검출과 Collector 전압 감시기능을 일체화

하여 설계하나 시상수 회로의 부품은 선별하거나 오차 관리를 행하여 해결한다.

그림 3-7에 Trip 신호를 출력하는 OCR(Overcurrent Protection) 회로를 보였다.

그림 3-7 Overcurrent Protection 회로 (과전류 보호회로)

가. 입력단 보호회로

Driver용 HIC는 다양한 길이를 갖는 도선을 통해 IGBT에 접속되어 전자적인 제어

를 행한다. 그러므로 HIC driver의 입력은 적정하게 보호되어야 한다. 이들 과도현

상에 대한 보호는 적절한 표준(즉, CE 표준)에 의해 명시되어 있다.

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그림 3-8 입력단의 보호회로와 배선

그림 3-8에 입력단의 보호회로를 보였다. 그림에서 쇼트기 다이오드는 이 목적을

위해 사용된다. 만일 입력 컨넥터가 프러그되어 있지 않거나 입력신호가 고저항으

로 구동될 때 Ra1은 입력을 GND로 Pull한다.

Ca1은 선택사양이다. 입력에서 짧은 펄스나 원하지 않는 스파이크의 억제가 요구

될 때 선택 사양이다. 이 회로에서 지정되는 부품의 값은 약 1ms의 신호지연을 위

한 부품값이다.

HIC driver가 케이블을 통해 제어될 때, 큰 신호대 잡음비에 대처하기 위해 TTL 레

벨대신 전체적으로 l5V 레벨을 사용한다. HIC driver에 접속된 케이블은 전류가 흐

르는 동안 접속하거나 단속하지 않도록 하여야 한다.

나. 전압감시 및 자동 리세트

공급전압이 가해진 후에는, 오류 정보는 항상 HIC Driver의 오류 베모리에 저장된

다.

그림 3-9 전압 감시 및 전원 기동시 리세트 회로

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만일 HIC Driver가 직접 프로세서 제어기와 함께 사용 사용된다면 자동 리세트

(Power-Up Reset) 회로에 의해 트리거되어 오류 메모리를 리세팅하게 된다.

이와 같은 동작은 어떠한 경우라도 일반적으로 나타난다. 그림 3-9에 보인 회로는

드라이브 카드에 사용될 때와 마찬가지로 자동 리세트 기능이 없을 때 가용된다.

이것은 2개의 디스크리트 트랜지스터 부품에 의해 히스테리시스(Hysterisis) 회로를

구성한다.

이 회로의 특성은 약 12.7V에서 Turn-On 되고 약 12V에서 Turn-Off 되도록 회로

정수가 설정되어 있으나 .저항값 조정으로 트레시호드(Threshold) 전압을 임의로

변경시킬 수 있다.

다. 자동 오류 리세트

Driver channel이 응답하자마자 status는 HIC Driver의 적절한 오류 메모리에 저장

된다. 어떤 응용에서는 특정 주기의 오류 신호를 송출한 다음에 오류가 자동적으로

없어지더라도 오류가 있음을 인지하는 solution이 요구된다. 이것은 마치 HIC

Driver을 위한 오류 인지와 같이 기능을 나타낸다.

그림 3-10에 이러한 기능을 만족하는 다양한 회로를 설계 예로 보였다.

이 회로는 다음의 특성을 갖는다. 정상상태에서 Status Out 출력은 +15V이다. 오류

가 생긴 경우는 트랜지스터 Q1의 출력은 약 10ms 정도 High로 된다. D1, D2 부

품과 R3은 출력 트랜지스터 Q1을 보호하기 위해 설계되어 있다. D3는 쇼트키 다

이오드가 되어야 한다.

그림 3-10 자동 오류 리세트 및 상태 검출회로

라. 전압감시 및 자동 오류 리세트

그림 3-11은 그림 3-9의 전압감시 및 자동 리세트 기능과 그림3-10의 자동오류

리세트 기능 모두를 합친 것이다. 따라서 이 기능은 부족-전압 검출회로와 오류가

발생한 후 오류 메모리를 자동적으로 리세트시키는 회로를 포함한다.

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그림 3-11 공급 전압과 자동 리세트의 검출회로

2. 시스템 보호

전력변환 시스템은 일반적으로 복수의 제어소자를 사용하며 각각 Gate Driver HIC

에 의해 구동되므로 불균형에 의해 이상동작이 발생하는 경우가 빈번하다. 따라서

시스템에 있어서 이와 같은 현상은 이상신호를 즉시 검출하여 신호를 제한하는 적

극적인 방법과 함께 회로적으로 불균형이 발생하지 않도록 부동작 시간(Dead

Time)을 제어하기도 한다.

가. 이상동작 검출

전력변환 시스템의 보호회로는 과전류, 부족전류, 지락전류 및 서지 전압, 결상, 정

전보상 등 여러 가지가 있다. 그 중 전동기와 같은 유도성 부하에서 가장 문제가

되는 것은 과전류이다.

시스템의 과전류 보호 기능은 과전류 고장선호를 얼마나 예민하고 검출하고 얼마나

빠르게 주전류를 차단하는 가에 성능이 달려 있다. 따라서, 제어회로 설계에서는 과

전류를 검출하는 기구의 센싱 감도를 높이고 과전류 검출 신호 또는 다른 기구의

Trip 신호에 의해 주회로의 전류를 차단할 수 있는 보호기능을 내장하고 또, 이와는

별도로 검출단자를 설치하여 제어레벨을 임의 설정할 수 있게 하였다.

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그림 3-12 이상동작 검출 보호기능

그림 3-13 Fault 신호와 이상동작 검출의 협조

그림 3-12는 과전류, 과전압 등 이상동작에 의한 고장 검출 신호를 처리하는 계통

도를 보인 것이며, 그림 3-13은 여기에 다른 가구의 Trip 신호와 협조하여 구성한

보호 기능을 보인 것이다. 고장 검출 제어를 위해 단안정 멀티(One-shot

Multivibrator) 회로, Delay, 및 Fault Latch 회로를 설계한다. One-shot은 시스템의

Reset 시간을 결정하는 회로이며, Delay는 Trip 시간을 결정하는 회로이다.

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나. Dead Time 제어

스위칭 소자를 다수 병렬로 운전하는 경우 전력 제어소자나 Gate Driver의 스위칭

속도, 전하 축적시간 등 특성상 발생하는 불균형에 의해 제어기능이 상실되어 소자

파괴현상이 발생한다. 이와 같은 현상은 특히 유도성 부하에서 심각하므로 대책으

로 상대의 스위칭 작용이 안정될 때까지 시간적으로 간격을 주는 Dead Time 제어

를 행한다.

그림 3-14는 Dead Time 제어의 예를 보인 것으로 IGBT-1과 IGBT-2 사이의

Gate 신호 구동 시간에 약간의 여유를 두어 상승시간이나 하강시간의 지연으로 인

해 두 개의 소자가 동시에 Turn-On 되는 현상을 방지하는 기능을 갖는다.

그림 3-14 IGBT Driver Signal의 Dead Time 제어

제 3절 개발 HIC 제작

1. HIC 및 모듈 제작

그림 3-15에 범용 Gate Driver HIC의 전체 회로도를 보였으며 그림 3-16에 과전

류 보호기구를 포함하여 설계한 IGBT Gate Driver HIC의 블록도를 보였다. 개발

HIC도 SCALE의 설계 사상을 충분히 반영하고 다수의 외부조정이 가능한 보호기능

회로들을 내장하였다.

개발 HIC에서 설계의 주안점은, +20V의 단전원으로 구동하며, 고절연 내압용 포토

커플러 및 과전류와 단락전류에 대한 보호 등 부가기능을 내장하는 것이며, 소형,

경량화를 위해 SMD 실장하고 SIP Package로 생산한다. 또한 IGBT를 정밀하게 제

어하기 위한 목적으로 입력회로의 전하 축적 현상을 빠르게 흡수하는 역 바이어스

회로를 사용하였다.

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그림 3-15 범용 Gate Driver용 HIC 회로도

그림 3-16 과전류 보호기능을 내장한 개발 IGBT Gate Driver용 HIC 블록도

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따라서 구동 펄스의 펄스 파형과 Duty를 정확히 유지해 주는 효과가 있으나 Driver

회로의 설계가 매우 어렵게 된다. 또한, 출력에 나타나는 과전류를 빠르게 검지하여

구동 전압을 제어함으로서 소자 보호 대책을 강구해야 하는 등 부가회로의 내장이

필수로 되므로 가격이 고가로 된다.

설계에서는 입력회로에 고속 Photo Isolator를 채용하고 광 Fiber에 의한 Coupling

기법을 적용함으로서 내전압과 스위칭 속도를 개선하는 방안을 적용하였다. 또 간

단한 Bipolar Single Feedback 회로을 채용하여 과전류에 대해 높은 응답성을 갖

는 보호회로를 적용하였다.

또한 이와 같은 특징과 기능이 충분히 반영되도록 재질이나 실장 부품의 특성에 유

의한다.

제작에서 소형화를 위해 능동소자를 제외한 모든 부품 소자는 SMD (Surface

Mounting Device)를 사용했으며, 회로기판은 고속 스위칭 특성을 평가하기 위해

Epoxy 재질을 사용하였다. 또 PCB 모듈 제작에 있어서 회로 Pattern은 전류밀도와

신호 주파수를 수용하기 위해 가급적 넓게 설계했으며, 입력신호와의 전기적, 물리

적 유도영향을 배제하기 위하여 Photo Coupler의 위치와 핀 배열은 가급적 격리시

켜 배치하였다.

그림 3-17에 가공 제작된 개발 HIC의 사진을 보였다. 그림에서 보는 바와 같이 개

발된 IGBT Gate Driver HIC는 모듈 형태 및 SIP Package를 적용하여 고밀도 실장

과 범용화를 실현하였으며 리드를 표준화하여 단품으로 제작하거나 IGBT 모듈에

내장시켜 다채널화 제품으로 응용 가능하게 하였다.

그림 3-17 개발 IGBT Gate Driver HIC

2. HIC 제조공정

HIC(Hybrid Integrated Circuit)는 일반적으로 “혼성집적회로”라고 부르며 절연기판

상에 도전성을 갖는 얇은 막으로 도체나 저항을 형성하고 개별 반도체 소자와 IC

소자를 실장하여 단위기능이 일체화된 집적회로 형태로 제작하게 된다..

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그림 3-18 HIC의 제조 공정단계와 시설

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HIC는 막의 형성 방법에 따라 후막(Thick Film) HIC와 박막(Thin Film) HIC와 로

대별하여 분류한다. 후막 HIC는 세라믹 등의 기판상의 인쇄 기술을 사용하여 금속

과 금속산화물, Glass 등으로 막을 형성시켜고, 박막 HIC는 절연 기판 상에 증착과

스퍼터링 등으로 막을 형성시켜 제조한다.

HIC 제조는 먼저 설계 확정된 특정 기능의 전기(자)적 회로를 패턴으로 제작하여

알루미나 (AL203 96%) 등 절연기판 상에 Au, Ag, Pt/Ag, Pd/Ag 등의 도전성 재

료와 산화 Ruthenium, Cermet 계통의 저항성 재료 및 피막 보호용의 Glass Paste

를 정밀하게 인쇄(Printing)한 후, 건조(Drying), 소성(Firing)의 과정을 거쳐 베이스

기판을 제작한다. 그리고 이 기판에 각종 수동, 능동소자를 실장하여 조립한 후 패

키지화 공정을 거친다.

그림 3-18에 HIC 제조의 공정단계와 작업요소를 보였다.

HIC는 반도체 소자를 포함하는 전자부품과 IC의 중간적 존재로서 일반 전자부품과

비교하면 소형, 경량, 고신뢰성을 실현할 수 있고, 회로설계, 세트의 조립 등이 간

단하므로, 종합적인 가격대 성능비(Cost Performance)가 우수한 생산 방식을 선정

하여 제조한다.

특히 개발 IGBT Gate Driver HIC는 정밀성을 요구하면서도 취급전류가 비교적 크

고 저가로 제조되어야 하는 제품 특성을 고려하여 다음과 같은 특징을 실현할 수

있는 제조방식을 선정한다.

① 고성능화 : 모놀리식 IC에서는 불가능한 수백W, 수백V, 수MHz 이상의 대전력,

고전압, 고주파 특성 등 고성능 제품을 실현한다.

② 고정도화 : 기판 회로중의 저항 등 소자를 트리밍(Trimming)에 의해 정밀하게

조정 가능하게 하여 고정도 제품을 실현한다.

③ 고밀도화 : 기판의 양면 혹은 다층의 막을 형성시키고 여기에 부착된 IC, 반도체

부품, 저항, 콘덴서의 Oneblock화를 가능하게 하여 고밀도 집적을 실현한다.

④ 고기능화 : 여러개의 LSI 칩을 실장하여 고기능의 대규모 시스템을 실현한다.

⑤ 커스텀화 : 사용자가 요청하는 특성 등에 대해 저항의 조정이나 능동부품, 수동

부품의 선택에 의해 커스텀(Custom)화를 용이하게 한다.

⑥ 단납기, 저개발비 : 모놀리식 IC에서 요구되는 마스크 패턴 제작 등에 의한 긴

개발시간과 높은 개발경비가 최소화하여 단납기, 저개발비를 실현한다.

⑦ 사용의 용이 : 표준화와 패키지화를를 실현하여 부품의 배치, 배선을 경감한다.

⑧ 고신뢰성 : 보호회로 등 안정화 기능을 부가하여 신뢰성을 향상시킨다.

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제 4장 실험 및 고찰

제 1절 전력제어 실험

전동기는 한번 회전하기 시작하면 관성이 있기 때문에 순간적으로 전원을 끊어도

계속 회전하게 되므로 특별한 평활 회로가 없어도 전원을 On/Off 하는 것만으로

순조롭게 회전한다. 그러나 전원을 Off 한때 전동기로부터 전력용 소자에 역방향으

로 흐르는 희생 전류가 발생하여 소자를 파괴하게 되므로 이를 전원으로 돌릴 필요

가 있다. 이와 같은 현상은 모든 유도성 부하나 주배선에 인덕턴스가 존재하는 경

우에도 동일하게 나타난다.

그림 4-1은 실험에 사용한 IGBT 모듈과 실험중 과전류에 의해 파괴된 IGBT 모듈

의 칩 모양을 보인 것이다.

그림 4-1 IGBT 모듈과 이상 과전류에 의해 파괴된 IGBT의 칩 구조

그림 4-2 6-Bridge Power Switching Module

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(a) Driver Module (b) Motor-Generator(M-G) Set

그림 4-3 제작된 Driver Module과 M-G Set의 외관

이러한 목적으로 실제 설계에서는 제어 소자와 병렬로 고속 스위칭 다이오드를 역

방향으로 삽입한다. 전력용 MOSFET나 IGBT는 기생 다이오드가 존재하기 때문에

이것을 Free-wheel 다이오드로서 이용 가능하므로 소자보호를 위한 구동회로의 배

선이 간단하고 효과적이다.

또하나의 방법은 제어반이나 드라이버 회로에 관련되는 배선은 가급적 짧게 되도록

실장하고 유도 잡음 등으로 부터의 Shield 등 대책을 강구하여 설계하는 것이다.

특히, 드라이브 배선은 짧을수록 좋으므로 절연된 Photo Coupler Signal 보다는

IGBT Gate 시그날이 가깝게 연결이 되도록 가급적 IGBT Gate에 직접 연결하고 전

원은 별도의 회로를 사용하여 설계한다.

그림 4-2에 실장 및 소자특성을 고려하여 설계한 IGBT Module부의 6-Bridge 전

력 스위치 소자 구성회로를 보였으며 그림 4-3에 가공 제작된 HIC Driver Module

의 PCB 부품 배치와 특성측정을 위해 부하로 사용되는 M-G Set의 외형을 보였다.

제 2절 정격 특성측정

1. 동특성 측정

개발 HIC의 동작특성과 기능, 성능은 정격상태에서 동특성을 측정하여 판단의 근거

로 하며, 중요 시험항목은 입력-출력의 스위칭 동작과 과전류시 출력의 shut-down

성능을 정격동작 상태에서 측정하였다. 그림 4-4에 이들 시험회로의 동작 조건과

시험 방법을 보였다.

이때 DUT(Device Under Test)의 입력신호는 펄스 발생기에서 공급되는 펄스 신호

로 하고 출력에서 오실로스코우프로 동작파형을 관찰한다.

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(a) Waveforms at Input-Output

(b) Waveforms at Overcurrent

그림 4-4 시험회로의 동작조건 (Vcc = 20V, Iin = 10mA)

DUT의 전원은 통상 정격 전압인 Vcc=20V를 가하여 전원전류가 Iin=10mA되도록 전

류를 제한한다. 또 출력에는 Driver 구동 조건과 일치시키기 위한 IGBT 능동 부하

를 접속하며 입력 조건은 최대값 10mA를 갖는 펄스파를 구동신호로서 입력한다.

이때, 능동 부하로 사용되는 IGBT는 C-E간 바이어스 전압 조건에 의해 부하량을

제어하여 출력에서 측정되는 스위칭 특성을 오실로스코우프로 측정하여 평가하였

다. 또, 능동 부하의 조건은 저항성 부하의 경우와 유도성 부하의 경우에 대해 각각

측정하였다.

즉 그림 4-4(a)는 바이어스를 300V, 50A에 세팅하여 정상동작 조건에서의 스위칭

특성을 측정하며, 그림 4-4(b)는 더 높은 전압을 인가하여 과전류가 발생되었을 때

에 Shut-Down 특성을 측정하였다.

2. 디세츄레이션 검출 특성

고장 검출 제어를 위해 단안정 멀티(One-shot Multivibrator) 회로, Delay, 및 Fault

Latch 회로의 기능을 측정한다. One-shot MV는 시스템의 Reset 시간을 결정하는

회로이며, Delay는 Trip 시간을 결정하는 회로이다. 실용 설계에서는 소전력으로 동

작하고, 또 다른 부가회로와 부품을 공용하는 것을 고찰하여 HIC 구성을 하였다.

보호회로의 동작특성은 과전류, 과전압 등 이상동작에 의한 고장 검출 신호를 처리

하는 응답속도를 측정하여 평가한다.

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그림 4-5 및 4-6에 제작된 Desaturation 검출기의 동작 파형과 제어 특성을 각각

보였다.

그림에서 보는 바와 같이 검출기의 제어 동작은 단락 Trip에서 3~7㎲, Slow Shut

Down은 t1은 12㎲, t2는 50㎲ 이내에서 실행되어 과전류 보호동작이 확실하게 수

행되었다.

그림 4-5 Desaturation 검출기의 동작 파형

(a) Shot Circuit Trip Time vs. Ctrip (b) Slow Shutdown Speed(t1, t2) vs. Cs

그림 4-6 Desaturation 검출기의 제어특성

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3. 특성 정의도

Desaturation 동작은 외부 회로 요소에서 제어할 수 있도록 검출단자와 타이밍 설

정 단자가 제공되어 있다. Desaturation 보호기구의 동작을 통상의 스위칭 동작과

단락보호 동작으로 구분하여 그림 4-7과 같이 특성을 정의한다.

(1) 통상의 스위칭 동작

(2) 단락보호동작

그림 4-7 보호동작의 특성정의도

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4. 보호회로 동작설명

보호기구의 단락 검출시 동작 Flow는 그림 4-8에 보인 바와 같이 단락상태를 검지

하고 설정된 타이머 시간 후에 단락검출 신호를 출력한다. 타이머가 종료되면 입력

신호 레벨이 “L”인가를 확인한 후 리세트하여 보호동작을 완료한다.

그림 4-8 보호기구의 단락 검출시 동작 Flow

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제 3절 자동측정 시스템

1. 측정기 구성

금번 개발된 IGBT Gate Driver HIC의 성능과 특성은 선행 연구에서 개발 완료되어

활용중에 있는 “유니버설 HIC 특성 자동측정기”의 기술을 이전하여 자동적으로 측

정하게 하였다. 유니버설 HIC 특성 자동측정기는 범용성을 높이기 위하여 개인용

컴퓨터 시스템를 사용하며 측정자가 운영이 편리하도록 GUl 기반으로 구성되어 있

고 인터페이스는 입출력 신호, 공간 등 계측 환경을 고려하여 고속 데이터 전송이

가능한 GPIB를 사용한다.

따라서 컴퓨터에 장착된 GPIB 카드와 D-I/O를 소요 계측기와 인터페이스하여 통신

환경을 설정하면 모든 측정정보는 데이터 베이스로 관리하도록 설계되어 있어 간단

한 Migration 기술에 의해 IGBT Gate Driver HIC 특성 자동측정기를 실현할 수 있

다.

개발 시제품 UM64CP-IGBT의 자동측정을 위해 추가적인 작업은 DUT의 하드웨어

및 특성 사양에 적합하도록 입출력 관련 D-I/O Relay Box와 일부 프로그램을 변경

및 추가하였으며, 측정 파라미터의 데이터 베이스를 새로이 추가함으로서 간단하게

실현되었다.

그림 4-9에 추가로 증설한 D-I/O Relay Box의 회로도를 보였다.

그림 4-9 D-I/O의 Relay Box 회로도

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2. 시험측정 결과

계측 조건의 세팅, 측정 데이터의 수집 등을 위해 계측기 전용 GPIB 인터페이스를

사용하여 측정의 정밀성과 기능성을 높인다. 한편, 핸드세이킹은 GPIB Driver나

Lab View 등과 같은 유틸리티를 이용하여 IEEE 488-2 규격에 호환되도록 수정하

며, 동작 시뮬레이션 및 성능 평가를 행하여 적합한 GUI 환경을 구축하도록 변경함

으로서 IGBT Gate Driver HIC의 자동 측정 장치를 구현하였다.

그림 4-10은 IGBT Gate Driver HIC 자동측정기로 Migration한 시스템을 이용하여

개발 시제품 UM64CP-IGBT의 성능특성을 시험 측정한 결과를 GUI 표시화면으로

보인 것이다.

(a) 양품 시험 측정 (Pass Spec.)

A. 생산 관리창(통계)

- 총계(TOTAL)

- 불량률 = 불량/총계 [%]

B. 양호 데이터(표시/출력)

C. 주 MENU 선택창

- 측정 Data

- 성능 Spec/보고서 등 관리

(b) 불량품 시험측정 (Fail Spec.)

A. 생산 관리창(통계)

- 측정 종료시간

- 불량률 = 불량/총계 [%]

B. 불량 데이터(표시/출력)

C. 주 MENU 선택창

- Pre-Processor

- 추가/삭제/수정 등 관리

그림 4-10 IGBT Gate Driver 자동측정 표시화면

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제 4절 개발 제품 특성

1. 제품의 개요

본 기술개발의 성과로 제작된 시제품의 UM64CP-IGBT로 명명하였다.

전동기의 가변속 구동용 인버터나 UPS등의 각종 전원의 소형, 고성능, 저소음화 요

구가 높은 가운데 IGBT의 채용이 본격화하고 있으므로 개발 IGBT 드라이브용 HIC

는 응용 IGBT의 성능을 최적으로 발휘 할 수 있는 고성능 응용장치를 실현하게 해

준다.

UM64CP는 IGBT 모듈 전용 구동용 HIC로서 Photo-coupler에 의해 입력과 출력

사이가 전기적으로 절연되어 있으며, 2전원에 의해서도 구동 가능하다. 또, 내장된

단락보호회로에 의해 단락 검출후 일정시간의 역 바이어스를 지속하기 때문에 시간

적으로 여유가 있는 보호동작이 가능하다.

권장 IGBT 모듈의 최대정격은 VCES=600V계열은 400A급 또는 VCES=1200V계열은

200A급이며 안정성을 고려하여 통상 75%까지 연속운전이 가능하다.

2. 제품의 특징

높은 CMR Photo coupler 내장으로 입력-출력 사이의 절연내력은 2500Vrms에서

1분간 보증되는 고절연 내압을 구현하며 단락검출 제어시간의 조절이 가능한 타이

머 및 리세트 회로를 장착한 단락 보호회로를 내장하고 있으며 과전류 검출 출력단

자가 부착되어 부하환경에 따라 임의 조정이 가능하다. 또한 기존의 Gate Driver

HIC의 제어성능을 대폭 개선하고 성능특성의 자동측정에 의한 등급을 선별하여 출

하되므로 다채널 응용이 편리하고 소형 경량화 개선에 의해 IGBT 모듈에 직접 내

장시켜 일체화된 제품으로도 응용이 가능하다.

UN64CP의 용도는 범용 인버터(저소음 인버터), UPS(무정전 전원), NC 공작기계,

용접기, AC 서보, PC 등에 사용되는 IGBT 모듈 구동용 혼성집적회로로서 범위가

광범위하며 응용 용도에 따라 다음과 같은 특징을 갖는다.

① 제품의 소형/경량화 실현

② 고주파 소프트 스위칭에 의한 효율, 역율 향상

③ 소비전력 저감(에너지 절약, 입력설비축소)

④ 출력의 손실전력 저감, EMI노이즈 저감

⑤ 리플 저감(1~2%이내)

⑥ DIGITAL 제어방식으로 User Interfase 용이

⑦ 동급규격의 병력운전 가능

⑧ 독립 냉각방식으로 부품부식 및 고장방지

⑨ 신뢰성 및 안정성이 높다.

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3. 외형 및 특성

UM64CP의 외형은 43×27×11mm 이하의 SIP HIC로 실장하여 소형화와 경량화를

실현하였으며 Chip 기반 회로는 IGBT Module 내에 수용하여 일체화할 수 있게 제

작하였다. 그림 4-11에 UM64CP의 외형도를 보였으며, 또한 자체 측정한 최대정격

및 전기적 특성을 표 4-1 및 4-2에 각각 보였다.

그림 4-11 개발 IGBT Gate Driver의 외형도

표 4-1 최대정격(지정하지 않는 경우는 Ta=25℃)

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표 4-2 전기적특성(지정하지 않는 경우는 Ta=25℃, VCC= 15V, VEE= -10V)

제 5절 제품화 고찰

1. 개발 시제품의 성능

기존의 Gate Driver HIC 제품은 동일한 성능 사양 조건에서 비교할 때, 부피, 중량

이 크고 소비전략이 크며 신뢰성 및 Cost Performance가 낮은 단점이 있다. 또한

고도로 성능이 높아지고 있는 전력변환 시스템의 수용 측면을 고찰하면, 소자 보호

기능이 미흡하고 스위칭 속도가 낮으며 다수 시스템에 적용하기 위한 범용성이 부

족한 현실이다.

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이러한 기술적 문제점을 개선하기 위하여 개발된 IGBT Gate Driver HIC는 포토 커

플러를 내장하여 2.5kV의 고절연 내압을 실현하며, 과전류 검출 출력단자를 인출하

여 임의의 과전류에 대해 속응성을 높히고 과전류 보호회로를 내장하여 별도의 부

가 회로 없이 자체적인 소자 보호 기능을 갖도록 하였다. 또한 개발 시제품은 20V

의 단일 전원으로 동작 가능토록 설계하고 고밀도 실장이 가능한 SIP Type으로

Packaging 함으로서 범용성을 높혔다.

이에 따라 개발 IGBT Gate Driver HIC를 채용하는 전력변환 시스템은 소형/경량화

실현, 고주파 소프트 스위칭에 의한 효율, 역률 향상, 소비전력 저감(에너지 절약,

입력설비축소), 출력의 손실전력 저감, EMI 잡음 및 Ripple 저감(1~2%이내),

DIGITAL 제어방식으로 User Interfase 용이, 동급 규격의 병력운전 가능, 독립 냉각

방식으로 부품부식 및 고장방지, 신뢰성 및 안정성의 향상 등 전반적인 성능 개선

이 이루어 졌다고 평가된다.

2. 성과 및 기대효과

본 기술은 Photo Coulpler 인터페이스에 의해 2500V 이상의 높은 전압에서 1분간

의 내전압을 가지며 40KHz 이상의 고속 스위칭 구동이 가능하고 단일 전원에 의해

구동하도록 개발하였다. 또한, HIC는 고밀도 실장기술에 의해 SIL 패키지로 제작함

으로서 소형 저잡음 고효율의 전원장치나 인버터, 무정전 전원장치(UPS) 및 전동기

속도제어 등에 응용된다.

본 과제의 수행에 있어 얻을 수 있는 성과는 다음과 같이 요약된다.

(1) IGBT, MOSFET용 Gate Driver HIC 설계기술 확보.

(2) 대용량, 고속화 설계기술 확보.

(3) 전력변환 장치의 표준화 및 모듈화.

(4) 신제품 개발 및 응용 범위 확대.

이러한 기술적 성과는 산업현장에서 널리 사용되는 전력용 기기의 전력 변환기술에

즉시 응용 가능하므로 전력제어 분야의 취약기술을 최신 반도체 기술에 적용시켜

설비 장치의 고기능, 고성능화는 물론 높은 신뢰성과 내구성을 갖는 설비의 개발을

기대할 수 있다. 특히, 본 개발 기술은 기존 산업설비의 현장 애로기술인 반도체 전

력 변환기술의 기반 기술로서 그 활용도가 매우 높다고 평가된다.

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3. 시장성

전력 스위칭 소자가 응용되는 다수의 전력전자 분야에서 최근 인버터 기술이 새로

운 에너지 절감 기술로 크게 부상하고 있다. 인버터 에어컨과 형광등 인버터 등으

로 가정에 완전히 침투한 인버터는 최근, 냉장고, 세탁기, 청소기 등 가정에서의 응

용분야를 더욱 확대시키고 있는 것과 동시에 컴퓨터의 무정전 전원, 엘리베이터, 범

용인버터, 로봇 등의 공장설비, 전기자동차, 전차, 선간선, 태양광발전, 풍력발전 등

가정ㆍ정보ㆍ산업ㆍ교통ㆍ전력의 각 분야에서 확실하게 응용분야를 확대하고 있다.

따라서 개발 기술의 시장성은 풍부하다고 판단된다. 특히, 개발 IGBT Gate Driver

용 HIC를 선진국의 예와 같이 1 Ch의 단품은 물론 2-Ch 및 3-Ch 등 Multi

Channel화하여 제품의 다양화를 기하고 전력용 스위칭 소자와 일체화시켜 부가가

치가 높은 전력 제어용 Module로 제품화 개발함으로서 MCC, UPS, Inverter 등 전

력변환 시스템 뿐만 아니라 고전력 제어 장치에도 응용될 수 있다.

더욱이 개발 주관업체는 HIC 전문 제조업체로서 다년간 HIC 개발의 Know-How와

고정적인 대리점 및 제휴 업체를 확보하고 있어 이들 영업망을 통한 시장 개척은

성공적으로 볼 수 있다. 최근 미국의 Coller Semiconductor에서는 Fuji 제품보다

동작 스피드와 내전압이 향상된 Driver HIC 제품을 요청하고 있어 해외 수출도 활

성화 될 것으로 기대된다.

한편, Driver HIC의 제품화를 위해 소형 경량화는 물론 원가 절감을 위한 회로 및

부품의 대체 방안을 연구하고 시장성 확보를 위한 관련 제품의 다양화와 다변화도

추진한다. 최근 미국의 Coller Semiconductor에서는 Fuji 제품보다 동작 스피드와

내전압이 향상된 Driver HIC 제품을 요청하고 있어 지속적인 수요 창출이 가능하다

고 판단된다.

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제 5장 결 론

본 과제의 수행을 통해 IGBT의 Gate 제어특성과 소자파괴 메카니즘을 규명하였고

보호대책에 대한 기술력을 확보하여 애로기술을 해소할 수 있었다. 상기 연구 과제

의 결과물은 부하에서 발생하는 과전압 및 과전류를 검출하여 구동회로의 제어 동

작을 차단하는 보호기능이 있으며 타이머 및 리세트 회로를 내장하여 외부에서 단

락검출 억제시간을 조정할 수 있는 특징이 있다. 이와 같은 기능에 의해 기존 개발

된 IGBT Gate Driver HIC의 에 비해 소자 보호동작이 확실하며 구동제어 성능이

크게 향상됨으로서 신뢰성이 높은 제품이 개발되었다.

또한 단락보호 기구의 핵심 기술인 과전류 검출, 래치 및 타이머와 리세트 회로를

경제적으로 개발하여 성능향상에 따른 제조원가 부담을 최소화 하였으며 측정 결과

값을 빠르고 정확하게 제시하는 자동측정 시스템을 구성하여 Gate Driver HIC 생산

의 자동화와 성능 관리에 크게 기여하였다.

시제품으로 600V, 400A 또는 1200V 300A급 전력제어 IGBT를 최대동작 주파수를

40kHz로 설정하였을 때 60ns 이하의 상승시간을 확보하는 Driver 회로를 설계하였

으며 이때의 지연시간은 최대 4㎲ 이하로 구현할 수 있다. 또한 보호기능에 과전류

보호, 서지 저감 및 충전전하 저감회로를 내장하여 부하의 단락이나 이상현상을 검

출함으로서 소자의 SOA 영역 이내에서 동작을 유지할 수 있어 신뢰성을 대폭 향상

할 수 있다.

개발제품의 외형은 43×27×11mm 이하의 SIP HIC로 실장하여 소형화와 경량화를

실현하였으며 Chip 기반 회로는 IGBT Module 내에 수용하여 일체화할 수 있게 제

작하여 개발에 성공하였다.

개발 IGBT Gate Driver HIC는 현재 생산 라인에 투입되어 시험 생산중에 있으며

각 제조 공정별 불량 요인을 정확히 추출하고 불량 판정과 특성별 분류 작업을 고

속으로 실현하여 생산성 향상과 기술혁신을 이룩하고 있다.

개발 제품은 전력변환 장치의 수요 증가에 따라 고신뢰를 요구하는 시스템에 적용

될 뿐만아니라 기존 제품의 성능향상을 위한 대체 기술로서 수요가 크게 증가하리

라 기대된다.

이에 따라 개발 IGBT Gate Driver HIC를 채용하는 전력변환 시스템은 소형/경량화

실현, 고주파 소프트 스위칭에 의한 효율, 역률 향상, 소비전력 저감(에너지 절약,

입력설비축소), 출력의 손실전력 저감, EMI 잡음 및 Ripple 저감(1~2%이내),

DIGITAL 제어방식으로 User Interfase 용이, 동급 규격의 병력운전 가능, 독립 냉각

방식으로 부품부식 및 고장방지, 신뢰성 및 안정성의 향상 등 전반적인 성능 개선

이 이루어 졌다고 평가된다.

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