전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로{Over Voltage Protection Circuit for protecting Switching Element for Supplying Power}

본 발명은 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 관한 것으로, 상세하게는 산업용 전력변환장치에 사용되는 전력공급용 스위칭 소자의 턴-오프 시 발생하거나 턴-오프 상태에서의 전압 라인의 상승에 의해 발생하는 과전압으로부터 전력공급용 스위칭 소자를 보호할 수 있는 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 관한 것이다.

일반적으로 인버터(Inverter)는 모터 적용분야 및 각종 전기기기 분야 등을 비롯하여 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.

상기 인버터는 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 스위칭 소자가 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 상기 변환한 직류전압을 스위칭시켜 교류전압을 생성하며, 생성한 교류전압을 부하로 출력하여 구동시키는 것으로서 사용자가 원하는 전압 및 주파수의 교류전압을 부하로 공급하여 부하의 구동을 정밀하게 제어할 수 있다.

한편, 인버터는 태양광 발전 시스템에도 적용되어 사용되고 있는데, 태양광 발전 시스템은 태양 에너지의 무공해성 및 무한정성에 힘입어 지구 환경 문제와 미개발 에너지원의 다각화 대책으로서 선진 각국에서 활발히 연구 개발이 진행되고 있다.

이러한 태양광 발전 시스템은 발전한 전력의 이용방법에 따라, 발전 전력을 축전지에 저장하여 필요한 시간에 전력을 공급하는 독립형 발전 시스템과, 발전 전력을 부하에 공급하고 잉여 전력을 계통에 공급하는 계통연계형 발전 시스템으로 구분된다.

최근에는 분산전원의 계통 영향 최소화, 사고에 대비한 계통보호 기술, 인버터의 제어기술 향상 등으로 계통 연계형 발전 시스템의 보급이 확산되고 있다.

계통연계형 발전시스템은 복수의 태양전지 모듈이 직렬로 연결된 복수의 태양전지 스트링들을 포함하는 태양전지 어레이부, 상기 태양전지 스트링들로부터 출력되는 직류전력을 병합하여 출력하는 접속반 및 상기 접속반으로부터 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 부하 또는 상용계통에 공급하는 인버터를 포함한다.

이때, 상기 인버터는 다수의 전력공급용 스위칭 소자로 이루어지며, 도 1에는 전력공급용 스위칭 소자(이하 '스위칭 소자'라 함)(T)가 도시되어 있다.

한편, 스위칭 소자(T)의 게이트 단자와 컬렉터 단자 사이에는 캐소드 단자가 스위칭 소자(T)의 캐소드 단자에 연결되고, 애노드 단자가 스위칭 소자(T)의 게이트 단자에 연결되는 다이오드(D)가 연결되어, 게이트 측에서 컬렉터 측으로 전류가 흐르는 것을 방지한다.

또한, 스위칭 소자(T)의 컬렉터 단자와 다이오드(D) 사이에는 제너 다이오드(Dz)가 연결되어, 스위칭 소자(T)가 턴-오프(turn-off)될 때 설정된 전압 이상의 과전압이 스위칭 소자(T)의 컬렉터에 발생되면 제너 다이오드(Dz)가 턴온되어, 제너 다이오드(Dz)에 의해 설정된 전압 이상의 과전압이 제한되어, 스위칭 소자(T)를 보호한다.

태양광 인버터의 경우, 패널 전압은 겨울철에 상승하게 되고, 패널에 연결된 버스(bus) 라인 전압인 Vdc도 상승하게 된다. 스위칭 소자(T)가 동작하지 않을 때 버스 전압 라인 Vdc가 설정된 제너 다이오드 전압보다 높게 되면, 제어 다이오드(Dz)를 통해 과전류가 흘러 게이트 드라이버의 파손을 유발한다.

또한, 제어 다이오드(Dz)의 설정 전압을 버스 라인 전압 이상으로 설정하게 되면 과전압 보호 기능을 상실하게 된다.

따라서, 스위칭 소자가 동작하지 않을 때, 버스 라인 전압이 상승하더라도 게이트 드라이버의 파손을 방지하고, 스위칭 소자(T)의 턴오프 시 과전압으로부터 스위칭 소자(T)를 보호할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 산업용 전력변화장치에 사용되는 전력공급용 스위칭 소자의 턴-오프 시 발생하거나 턴-오프 상태에서의 전압 라인의 상승에 의해 발생하는 과전압으로부터 전력공급용 스위칭 소자를 보호할 수 있는 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로는 인버터에 구비되어, 직류전력을 교류전력으로 변환하기 위해 스위칭되는 스위칭 소자의 과전압 보호회로에 있어서, 상기 스위칭 소자의 컬렉터 단자와 연결되는 전압 라인에 연결되어, 상기 전압 라인에 인가되는 전압을 저장하는 커패시터; 상기 커패시터와 연결되어, 설정 전압 이상의 과전압이 인가되면 도통되는 제너 다이오드; 및 상기 제너 다이오드, 상기 캐패시터 및 상기 스위칭 소자의 게이트 단자와 연결되어, 상기 제어 다이오드가 도통되는 경우 턴 온 되어 상기 스위칭 소자로 게이트 전원을 공급하는 과전압 제한용 트랜지스터로 구성된다.

이때, 상기 커패시터의 일단은 상기 스위칭 소자의 컬렉터 단자와 연결되는 전압 라인에 연결되고, 상기 커패시터의 타단은 상기 제너 다이오드의 캐소드와 연결되고, 상기 제너 다이오드의 애노드는 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 베이스 단자에 연결되고, 상기 제너 다이오드의 캐소드는 상기 커패시터의 타단에 연결되고, 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 베이스 단자는 상기 제너 다이오드의 애노드에 연결되고, 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 컬렉터 단자는 상기 커패시터의 일단과 상기 전압 라인 사이에 연결되고, 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 에미터 단자는 상기 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결된다.

본 발명에 따른 과전압 보호회로는 일단이 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 베이스 단자에 연결되고, 타단이 상기 제너 다이오드의 애노드에 연결되는 분압 저항을 더 포함한다.

본 발명에 따른 과전압 보호회로는 상기 커패시터의 타단에 드레인 단자가 연결되고, 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되고, 상기 제너 다이오드의 애노드에 게이트 단자가 연결되는 구동 트랜지스터를 더 포함한다.

한편, 상기 과전압 제한용 트랜지스터는 상기 제너 다이오드가 도통되면 턴 온 되어, 상기 커패시터와 상기 스위칭 소자의 게이트 단자를 연결한다.

또한, 상기 구동 트랜지스터는 상기 제너 다이오드가 도통되면 턴 온 되어, 상기 커패시터와 상기 과전압 제한용 트랜지스터의 베이스 단자를 연결한다.

이상과 같은 본 발명의 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 구성에 따르면, 스위칭 소자가 턴-오프 시 또는 턴-오프된 상태에서 전압 라인의 온도 상승 등의 이유로 전압 라인으로 인가되는 전압이 과전압인 경우, 스위칭 소자로 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 과전압에 의해 스위칭 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 스위칭 소자에 게이트 신호를 인가하는 게이트 드라이버의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 일례를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로가 적용된 전력변환장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로가 적용된 전력변환장치를 포함하는 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 구성도이다.

이때, 상기 시스템(S)은 태양광 발전 시스템일 수 있고, 도면 부호 100은 전력 공급원으로서 태양 전지일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본원발명의 실시 예에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로는 다양한 분야의 전력변환장치에 폭넓게 사용될 수 있음은 물론이다.

다시 도 2를 참조하면, 도면 부호 200은 전력변환장치로서, 전력 공급원(100)으로부터 직류전력을 인가받아, 교류전력으로 변환하여 부하(400) 또는 계통(500)으로 공급한다.

부호 300은 상기 전력변환장치(200)로 스위칭 신호를 인가하여, 상기 전력변환장치(200)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 드라이버이다.

한편, 상기 전력변환장치(200)는 상기 게이트 드라이버(300)의 스위칭 신호에 따라 동작하는 다수의 스위칭 소자(T1 ~ T4)를 포함하며, 또한, 상기 다수의 스위칭 소자(T1 ~ T4) 각각을 과전압으로부터 보호하기 위한 과전압 보호회로(210 ~ 240)를 포함한다.

다수의 스위칭 소자(T1 ~ T4)와 각각 연결되는 과전압 보호회로(210 ~ 240)의 구성은 동일하므로, 이하에서는 스위칭 소자(T1)와 연결되는 과전압 보호회로(210)를 도시하고 있는 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 과전압 보호회로에 대해 상술하도록 한다. 스위치 소자는 T로 표기하여 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 과전압 보호회로(210)는 스위칭 소자(T)의 게이트 단자와 컬렉터 단자 사이에 위치하여, 스위칭 소자(T)가 턴-오프 시 또는 턴-오프된 상태에서 스위칭 소자(T)의 컬렉터 단자(C)와 연결되는 전압 라인(L)에 인가되는 전압(Vdc)이 과전압인 경우, 과전압에 의해 스위칭 소자(T) 및 게이트 드라이버(300)가 손상되는 것을 방지한다.

구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 과전압 보호회로(210)는 커패시터(C), 제너 다이오드(Dz), 과전압 제한용 트랜지스터(Q)를 포함한다.

상기 커패시터(C)는 일단이 스위칭 소자(T)의 컬렉터 단자(C)와 연결되는 전압 라인(L)에 연결되고, 타단이 상기 제너 다이오드(Dz)의 캐소드와 연결된다.

상기 제너 다이오드(Dz)는 설정 전압 이상의 과전압이 인가되면 도통되는 소자로서, 애노드가 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 베이스 단자(B)에 연결되고, 상기 캐소드가 커패시터(C)의 타단에 연결된다.

상기 과전압 제한용 트랜지스터(Q)는 베이스 단자(B)가 제너 다이오드(Dz)의 애노드에 연결되고, 컬렉터 단자(C)가 커패시터(C)의 일단과 전압 라인(L) 사이에 연결되고, 에미터 단자(E)가 스위칭 소자(T)의 게이트 단자(G)에 연결된다.

따라서, 전압 라인(L)에 인가되는 전압(Vdc)은 커패시터(C)의 일단 및 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 컬렉터 단자(C)로 인가되어, 커패시터(C)는 인가되는 전압(Vdc)에 의해 충전된다.

이때, 전압 라인(L)에 인가되는 전압(Vdc)이 제너 다이오드(Dz)의 설정 전압보다 큰 과전압인 경우, 제너 다이오드(Dz)는 도통되어, 제너 다이오드(Dz)를 통해 전류가 흐르게 되어, 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 베이스 단자(B)에 인가되며, 과전압 제한용 트랜지스터(Q)가 턴-온 되어, 커패시터(C)의 일단과 스위칭 소자(T)의 게이트 단자(G)가 연결된다.

따라서, 과전압이 제너 다이오드(Dz)에 인가되면, 과전압 제한용 트랜지스터(Q)가 턴-온 된다.

이때, 과전압 제한용 트랜지스터(Q)가 턴-온 되는 경우 커패시터(C)의 일단과 스위칭 소자(T)의 게이트 단자(G)가 연결되기 때문에, 스위칭 소자(T)의 게이트 단자(G)에는 커패시터(C)의 충전 전압이 인가된다.

한편, 제너 다이오드(Dz)를 흐르는 전류가 바로 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 베이스 단자(B)로 인가되면, 과전압 제한용 트랜지스터(Q)가 손상될 수도 있으므로, 과전압 보호회로(210)는 일단이 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 베이스 단자(B)에 연결되고, 타단이 제너 다이오드(Dz)의 애노드에 연결되는 분압 저항(Rs)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 과전압 보호회로(210)는 커패시터(C)의 타단에 드레인 단자(D)가 연결되고, 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 베이스 단자(B)에 소스 단자(S)가 연결되고, 제너 다이오드(Dz)의 애노드에 게이트 단자(G)가 연결되는 구동 트랜지스터(M)를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 구동 트랜지스터(M)의 게이트 단자(G)는 제너 다이오드(Dz)와 분압 저항(Rs) 사이에 연결되며, 구체적으로, 제너 다이오드(Dz)의 애노드 단자와 분압 저항(Rs)의 타단 사이에 연결된다.

상기 구동 트랜지스터(M)는 제너 다이오드(Dz)를 통해 흐르는 전류가 게이트 단자(G)에 인가되면 턴-온 되며, 턴-온 되는 경우, 커패시터(C)의 타단과 과전압 제한용 트랜지스터(Q)의 베이스 단자(B)를 연결한다. 따라서, 제너 다이오드(Dz) 및 분압 전압(Rs)의 영향을 받지 않기 때문에, 제한용 트랜지스터(Q)의 동작이 안정적으로 이루어지도록 한다.

이상과 같은 본 발명의 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로의 구성에 따르면, 스위칭 소자가 턴-오프 시 또는 턴-오프된 상태에서 전압 라인의 온도 상승 등의 이유로 전압 라인으로 인가되는 전압이 과전압인 경우, 제너 다이오드가 도통되어 과전압 제한용 트랜지스터가 턴-온 되어, 커패시터와 스위칭 소자의 게이트 단자를 연결하게 되므로, 과전압은 스위칭 소자에 인가되지 않기 때문에, 과전압에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지할 수 있으며, 또한 게이트 드라이버의 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 이상에서 본 발명에 따른 전력공급용 스위칭 소자의 과전압 보호회로를 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 전력 공급원 200 : 전력변환장치
210, 220, 230, 240 : 과전압 보호회로 300 : 게이트 드라이버
400 : 부하 500 : 계통
C : 커패시터 Dz : 제너 다이오드
M : 구동 트랜지스터 Q : 과전압 제한용 트랜지스터
Rs : 분압 저항 T : 스위칭 소자