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KR20250111565A - High voltage igbt gate driver for railwaly - Google Patents

High voltage igbt gate driver for railwaly

Info

Publication number
KR20250111565A
KR20250111565A KR1020240006146A KR20240006146A KR20250111565A KR 20250111565 A KR20250111565 A KR 20250111565A KR 1020240006146 A KR1020240006146 A KR 1020240006146A KR 20240006146 A KR20240006146 A KR 20240006146A KR 20250111565 A KR20250111565 A KR 20250111565A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gate driver
data
switching element
railway
voltage igbt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020240006146A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
강정원
오효석
최용은
이진국
Original Assignee
국립한국교통대학교산학협력단
이진국
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국립한국교통대학교산학협력단, 이진국 filed Critical 국립한국교통대학교산학협력단
Priority to KR1020240006146A priority Critical patent/KR20250111565A/en
Priority to PCT/KR2024/001836 priority patent/WO2025154865A1/en
Publication of KR20250111565A publication Critical patent/KR20250111565A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • H03K17/081Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/08116Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit in composite switches
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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Abstract

본 발명은 철도용 게이트 드라이버를 개시한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 바이폴러 트랜지스터 구조를 갖는 고전압 IGBT를 이용하는 철도용 게이트 드라이버 및 그 고장정보의 처리를 위한 구동방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 철도장비의 실 운용시 게이트 드라이버의 동작 특성을 사용자가 지정한 조건에 의해 저장하고 외부 장치를 통해 분석함으로써, 전력변환 장치의 스택 특성에 대한 게이트 드라이버의 동작 특성을 편리하게 확인할 수 있도록 하고, 그에 따른 게이트 저항 및 보호동작 설정 등을 정확하게 수행할 수 있음에 따라, 게이트 드라이버의 불필요한 보호동작 구동, IGBT의 소손 방지 및 스택 손실을 최소화하는 효과가 있다.
The present invention discloses a railway gate driver. More specifically, the present invention relates to a railway gate driver using a high-voltage IGBT having a bipolar transistor structure and a driving method for processing fault information thereof.
According to an embodiment of the present invention, by storing the operation characteristics of a gate driver according to conditions specified by a user during actual operation of railway equipment and analyzing them through an external device, the operation characteristics of the gate driver with respect to the stack characteristics of a power conversion device can be conveniently confirmed, and accordingly, the gate resistance and protection operation settings can be accurately performed, thereby having the effect of minimizing unnecessary protection operation of the gate driver, prevention of IGBT damage, and stack loss.

Description

철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버{HIGH VOLTAGE IGBT GATE DRIVER FOR RAILWALY}HIGH VOLTAGE IGBT GATE DRIVER FOR RAILWALY

본 발명은 철도용 게이트 드라이버에 관한 것으로, 특히 바이폴라 트랜지스터 구조를 갖는 고전압 IGBT를 구동하기 위한 철도용 게이트 드라이버에 관한 것이다.The present invention relates to a railway gate driver, and more particularly, to a railway gate driver for driving a high-voltage IGBT having a bipolar transistor structure.

철도차량용 전력변환장치는 일반적으로 추진제어용 전력변환장치와 보조전원장치로 구성된다. 이러한 전력변환장치는 사이즈 절감과 성능 향상을 위해 전력반도체를 적용한 고스위칭 주파수 방식이 주로 사용되며, 이때 사용되는 전력반도체 소자로는 IGBT 소자가 널리 각광을 받고 있다.Power conversion devices for railway vehicles are generally composed of power conversion devices for propulsion control and auxiliary power devices. These power conversion devices mainly use high-switching frequency methods that apply power semiconductors to reduce size and improve performance, and IGBT devices are widely used as power semiconductor devices.

이러한 IGBT 소자의 구동을 위해서는 필요 전압 및 전류를 공급해 주는 장치가 반드시 필요하며, 이를 게이트 드라이버(Gate Driver Units; GDU)라고 한다.To drive these IGBT devices, a device that supplies the necessary voltage and current is required, and this is called a gate driver unit (GDU).

전술한 게이트 드라이버는 전력 변환장치의 핵심 부품으로서, 그 특성에 따라 전력변환장치의 동작과 전체 시스템의 신뢰성에 큰 영향을 주는 장치라고 할 수 있다.The aforementioned gate driver is a core component of a power conversion device, and depending on its characteristics, it can be said to be a device that has a significant impact on the operation of the power conversion device and the reliability of the entire system.

현재, 철도차량 시스템에 사용되는 게이트 드라이버의 경우, 게이트 드라이버의 자체적으로 보호 기능(과전류, 저전압 등)이 탑재되어 있어 고장 발생 시에 동작을 정지시키게 된다. 그러나, 기존 방식에 따라 보호 기능이 작동하게 될 경우, 고장 항목에 대한 정보만을 가지므로 고장 시 게이트 드라이버 자체의 정확한 동작상태(파형)를 확인할 수 없음에 따라, 대부분의 경우 관리자가 주 회로 점검 및 교체를 통해 문제를 해결하는 것이 일반적이다. 이러한 관리 방식은 철도차량의 원활한 운행에 차질이 발생하는 주요 원인이 된다.Currently, gate drivers used in railway vehicle systems are equipped with their own protection functions (overcurrent, low voltage, etc.) to stop operation when a failure occurs. However, if the protection function operates according to the existing method, only information on the failure item is available, so the exact operating status (waveform) of the gate driver itself cannot be confirmed when a failure occurs. Therefore, in most cases, managers usually resolve the problem by inspecting and replacing the main circuit. This management method is the main cause of disruption in the smooth operation of railway vehicles.

한편, 게이트 드라이버는 사용되는 IGBT 소자, 구성되는 장치의 스택 형상 및 버스바 연결 등에 의한 임피던스에 따라 동작특성, 보호동작 등이 선정되어야 한다. 만약, 적절한 선정이 이루어지지 않으면 불필요한 보호동작, IGBT의 소손 및 손실증가로 인한 발열 등의 문제가 발생하게 된다.Meanwhile, the gate driver must be selected based on the operating characteristics, protection operation, etc., of the IGBT element used, the stack shape of the device to be configured, and the impedance due to the busbar connection. If the selection is not made properly, problems such as unnecessary protection operation, IGBT damage, and heat generation due to increased loss may occur.

또한, 이러한 문제를 해결하기 위해 더블 펄스 테스트 장비와 같은 별도의 장비가 필요할 뿐만 아니라, 이를 통해 획득한 정보를 이용한다 하더라도 실제 철도 운행시 발생하는 문제를 해결하는 데는 한계가 있다.In addition, separate equipment such as double pulse test equipment is required to solve these problems, and even if the information obtained through this is used, there are limitations in solving problems that occur during actual railway operation.

등록특허공보 제110-2388544호(공고일자: 2022.04.15.)Patent Registration No. 110-2388544 (Publication Date: 2022.04.15.)

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 철도용 게이트 드라이버 자체의 전압, 전류, 온도 및 고장 등의 동작 및 고장 데이터를 사용자가 지정한 조건에 의해 저장하는 기능을 구현함으로써, 게이트 드라이버의 동작 상태 및 고장 상태의 분석 기능을 통해 신뢰성을 향상시킬 수 있는 게이트 드라이버 및 이의 구동방법을 제공하는데 과제가 있다.The present invention has been made to solve the aforementioned problem, and the present invention has a problem in that it provides a gate driver and a driving method thereof capable of improving reliability through an analysis function of the operation state and failure state of the gate driver by implementing a function of storing operation and failure data, such as voltage, current, temperature, and failure, of the railway gate driver itself according to conditions specified by the user.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는, 스위칭 소자와 전기적으로 연결되어 구동을 제어하는 게이트 드라이버로서, 외부로부터 구동 전원을 공급받아 각 구성부에 공급하는 절연 전원장치, 상기 스위칭 소자의 구동을 제어하는 메인 제어기로부터 출력되는 광신호 형태의 PWM 신호를 입력받아 전기신호 형태로 변환하는 광신호 변환부, 상기 스위칭 소자를 턴 온 또는 턴 오프하는 게이트 구동신호를 생성하여 상기 스위칭 소자에 공급하는 드라이버 회로, 상기 스위칭 소자의 구동에 따른 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 저장하는 데이터 저장부 및, 변환된 PWM 신호를 상기 드라이버 회로에 공급하여 상기 게이트 구동신호를 생성하도록 하고, 설정에 따라 장치 구동시 발생하는 상기 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 상기 데이터 저장부에 저장하는 제어부를 포함할 수 있다.In order to solve the above-described problem, a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention is a gate driver electrically connected to a switching element and controlling operation, the gate driver may include an insulated power supply device that receives driving power from an external source and supplies it to each component, an optical signal conversion unit that receives a PWM signal in the form of an optical signal output from a main controller that controls operation of the switching element and converts it into an electric signal, a driver circuit that generates a gate driving signal that turns on or off the switching element and supplies the gate driving signal to the switching element, a data storage unit that stores constant data and fault/setting data according to operation of the switching element, and a control unit that supplies a converted PWM signal to the driver circuit to generate the gate driving signal and stores the constant data and fault/setting data generated when the device is operated according to the setting in the data storage unit.

상기 스위칭 소자는, 바이폴라 트랜지스터의 구조를 갖는 고속 스위칭용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) 소자일 수 있다.The above switching element may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) element for high-speed switching having a bipolar transistor structure.

본 발명의 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는, 상기 스위칭 소자의 콜렉터와 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 소자를 통해 흐르는 과전류를 감지하여 감지결과를 상기 제어부에 제공하는 과전류 검지회로를 포함할 수 있다.The high-voltage IGBT gate driver for railway use of the present invention may include an overcurrent detection circuit that is electrically connected to the collector of the switching element and detects an overcurrent flowing through the switching element and provides the detection result to the control unit.

본 발명의 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는, 상기 절연 전원장치와 전기적으로 연결되어 각 구동부에 인가되는 전압레벨이 일정수준 이하로 낮아지는 과전압을 감지하여 감지결과를 상기 제어부에 제공하는 저전압 검지회로를 포함할 수 있다.The high-voltage IGBT gate driver for railway of the present invention may include an undervoltage detection circuit that is electrically connected to the insulated power supply and detects an overvoltage in which the voltage level applied to each driving unit falls below a certain level, and provides the detection result to the control unit.

본 발명의 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는, 과전류 및 저전압 발생시, 상기 제어부의 제어에 따라 일정 시간 또는 일정 조건이 만족할 때까지 상기 게이트 구동신호를 차단하도록 현재 상태를 래치시키는 래치 회로를 포함할 수 있다.The high-voltage IGBT gate driver for railway use of the present invention may include a latch circuit that latches a current state so as to block the gate driving signal for a certain period of time or until a certain condition is satisfied under the control of the control unit when overcurrent and low voltage occur.

상기 드라이버 회로는, 상기 게이트 구동신호를 증폭시켜 상기 스위칭 소자의 게이트로 인가하여 스위칭 소자를 구동하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.The above driver circuit may further include an amplifier that amplifies the gate driving signal and applies it to the gate of the switching element to drive the switching element.

본 발명의 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는, 단자를 통해 외부 장치와 연결되고, 상기 데이터 저장부로부터 상기 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 추출 및 변환하여 상기 외부 장치에 전송하는 데이터 변환부를 더 포함할 수 있다.The high-voltage IGBT gate driver for railway use of the present invention may further include a data conversion unit that is connected to an external device through a terminal and extracts and converts the constant data and fault/setting data from the data storage unit and transmits them to the external device.

상기 데이터 저장부는, 상기 상시 데이터가 저장되는 제1 저장공간 및 상기 고장/설정 데이터가 저장되는 제2 저장공간을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 저장공간의 용량에 따라, 저장된 데이터를 선입선출 방식으로 삭제 및 새로운 데이터를 추가할 수 있다.The above data storage unit includes a first storage space in which the constant data is stored and a second storage space in which the fault/setting data is stored, and the control unit can delete stored data and add new data in a first-in, first-out manner according to the capacities of the first and second storage spaces.

상기 제어부는, 상기 외부 장치를 통해 사용자가 설정한 이벤트 조건 발생 시점을 기준으로 하여 전후 시점에 상기 제2 저장공간에 상기 고장/설정 데이터를 기록할 수 있다.The above control unit can record the failure/setting data in the second storage space at a time before and after the time of occurrence of an event condition set by the user through the external device.

본 발명의 실시예에 따르면, 철도장비의 실 운용시 게이트 드라이버의 동작 특성을 사용자가 지정한 조건에 의해 저장하고 외부 장치를 통해 분석함으로써, 전력변환 장치의 스택 특성에 대한 게이트 드라이버의 동작 특성을 편리하게 확인할 수 있도록 하고, 그에 따른 게이트 저항 및 보호동작 설정 등을 정확하게 수행할 수 있음에 따라, 게이트 드라이버의 불필요한 보호동작 구동을 방지하고, IGBT의 소손 방지 및 스택 손실을 최소화하는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by storing the operation characteristics of a gate driver according to conditions specified by a user during actual operation of railway equipment and analyzing them through an external device, the operation characteristics of the gate driver with respect to the stack characteristics of a power conversion device can be conveniently confirmed, and accordingly, the gate resistance and protection operation settings, etc. can be accurately performed, thereby preventing unnecessary protection operation of the gate driver, preventing IGBT damage, and minimizing stack loss.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 고장 발생시 게이트 드라이버의 PWM 입력 파형과 동작 파형의 특성, 온도 및 전류등의 상태를 확인 할 수 있어, 좀 더 빠르고 정확한 고장원인에 대한 파악이 가능하게 되는 효과가 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, when a failure occurs, the PWM input waveform and operating waveform characteristics of the gate driver, and the status of temperature and current can be checked, so that it is possible to identify the cause of the failure more quickly and accurately.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버 및 그 전체 연결구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버의 구조를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버의 구동 방법을 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a drawing schematically showing a high-voltage IGBT gate driver for railway use and its overall connection structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing specifically showing the structure of a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drawing showing a driving method of a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다. The present invention as described above will be described in detail with reference to the attached drawings and examples.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It should be noted that the technical terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention should be interpreted as having a meaning generally understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs, unless specifically defined to have a different meaning in the present invention, and should not be interpreted in an excessively comprehensive or excessively narrow meaning. In addition, when the technical terms used in the present invention are incorrect technical terms that do not accurately express the idea of the present invention, they should be replaced with technical terms that can be correctly understood by a person skilled in the art and understood. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted as defined in the dictionary or according to the context, and should not be interpreted in an excessively narrow meaning.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, the terms "consisting of" or "comprising" should not be construed as necessarily including all of the various components or various steps described in the invention, and should be construed as not including some of the components or some of the steps, or may further include additional components or steps.

또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.In addition, terms including ordinal numbers such as first, second, etc. used in the present invention may be used to describe components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In addition, when explaining the present invention, if it is judged that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, it should be noted that the attached drawings are only intended to facilitate easy understanding of the idea of the present invention, and should not be construed as limiting the idea of the present invention by the attached drawings.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Regardless of the drawing symbols, identical or similar components are given the same reference numerals and redundant descriptions thereof will be omitted.

이하의 설명에서 본 발명의 "철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버"를 가리키는 용어는 "게이트 드라이버"로 혼용 기재될 수 있다.In the following description, the term “high voltage IGBT gate driver for railway” of the present invention may be interchangeably described as “gate driver”.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버를 상세히 설명한다.Hereinafter, a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버 및 그 전체 연결구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing schematically showing a high-voltage IGBT gate driver for railway use and its overall connection structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버(100)는, 철도 차량에 탑재되는 메인 제어기(10)의 제어에 따라 탑재된 스위칭 소자(1)를 구동하는 장치로서, 스위칭 소자(1)의 구동 뿐만 아니라 내부에 CPU 및 메모리를 탑재하여 스위칭 소자(1)의 동작 상태 및 고장 상태 등을 사용자 조건에 따라 분류 및 기록할 수 있고, 아울러 추후 연결되는 외부 장치(200)에 출력하는 기능을 제공할 수 있다.Referring to FIG. 1, a high-voltage IGBT gate driver (100) for railway use according to an embodiment of the present invention is a device that drives a switching element (1) mounted on a railway vehicle under the control of a main controller (10), and in addition to driving the switching element (1), it has a CPU and memory mounted inside so that the operating state and fault state of the switching element (1) can be classified and recorded according to user conditions, and can also provide a function of outputting the information to an external device (200) that is connected later.

전술한 스위칭 소자(1)는 철도 차량내에서 주전력변환소자로 구동하며, 게이트 드라이버(100)의 제어에 따라, 철도 전동기(2)의 운전을 제어할 수 있다.The aforementioned switching element (1) is driven as a main power conversion element in a railway vehicle, and can control the operation of a railway motor (2) according to the control of a gate driver (100).

특히, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자(1)로는 게이트에 인가되는 전압에 의해 스위칭 특성이 결정되는 전압 구동형 스위칭 소자로서, 공지의 바이폴라 트랜지스터의 구조를 갖는 고속 스위칭용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) 소자가 이용될 수 있다.In particular, as a switching element (1) according to an embodiment of the present invention, a voltage-driven switching element whose switching characteristics are determined by a voltage applied to a gate may be used, and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) element for high-speed switching having a structure of a known bipolar transistor may be used.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 IGBT는 단독으로 500 kW 용량까지 가능하며 동작 주파수가 70 kHz까지 가능한 것으로 평가되는 소자가 이용될 수 있다. 일반적으로 동작 주파수가 높은 소자는 사용 용량이 낮고, 소자 용량이 높을수록 동작 주파수가 낮아지는 특성이 있으며, IGBT는 산업계에 사용하기 좋은 사용 용량 및 동작 주파수 조건을 갖춘 전력소자로서, 절연 게이트 전압 구동 특성과 손실이 낮은 특성 등의 우수한 특성을 가질 수 있다. In particular, the railway IGBT according to the embodiment of the present invention can be a device evaluated to have a capacity of up to 500 kW on its own and an operating frequency of up to 70 kHz. In general, a device having a high operating frequency has a low usable capacity, and the higher the device capacity, the lower the operating frequency. The IGBT is a power device having usable capacity and operating frequency conditions suitable for use in the industry, and can have excellent characteristics such as an insulated gate voltage driving characteristic and a low loss characteristic.

이러한 IGBT는 기본 구조가 BJT(bipolar junction transistor)여서 빠른 스위칭 특성을 가지며, 게이트가 FET와 같은 절연 특성을 가짐에 따라 BJT가 전류 구동 특성을 가지는 반면, IGBT는 전압 구동 특성을 가지면서 구동 전류가 아주 낮다는 장점이 있다.These IGBTs have a fast switching characteristic because their basic structure is a BJT (bipolar junction transistor), and since the gate has insulating characteristics like a FET, while a BJT has current-driven characteristics, an IGBT has voltage-driven characteristics and has the advantage of very low driving current.

게이트 드라이버(100)는 전술한 스위칭 소자(1)의 게이트 전극과 전기적으로 연결되고, 메인 제어기(10)로부터 출력되는 광신호를 입력받아 증폭 등의 과정을 거쳐 스위칭 소자(1)를 고속으로 턴-온 또는 턴-오프하는 게이트 구동신호를 생성 및 스위칭 소자(1)에 입력할 수 있다.The gate driver (100) is electrically connected to the gate electrode of the switching element (1) described above, receives an optical signal output from the main controller (10), and through a process such as amplification, generates a gate driving signal for turning on or off the switching element (1) at high speed, and inputs it to the switching element (1).

이러한 게이트 드라이버(100)에는 연결되는 스위칭 소자를 비롯하여, 구성되는 장치의 스택 형상, 버스바 연결 등에 의한 인피던스에 따라 동작특성 및 보호동작 등이 설정될 수 있다.For these gate drivers (100), the operating characteristics and protective operations can be set according to the impedance caused by the connected switching elements, stack shape of the configured device, bus bar connection, etc.

아울러, 게이트 드라이버(100)는 스위칭 소자(1)의 콜렉터 단자에 인가되는 전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 과전류를 감지하는 과전류 감지 수단, 게이트 구동신호를 기준전압과 비교하여 저전압을 감지하는 저전압 감지수단 등이 탑재될 수 있다. 이러한 게이트 드라이버(100)의 내부 구성부에 대한 상세한 설명은 후술한다.In addition, the gate driver (100) may be equipped with an overcurrent detection means that receives a voltage applied to the collector terminal of the switching element (1) and compares it with a reference voltage to detect overcurrent, and a low-voltage detection means that compares a gate driving signal with a reference voltage to detect low voltage. A detailed description of the internal components of the gate driver (100) will be described later.

외부 장치(200)는 스위칭 소자(1) 및 게이트 드라이버(100)의 구동시 발생하는 각종 기록들을 전송받아 출력할 수 있다. 이러한 외부 장치(200)는 PC, 모바일 단말장치 등으로 구현될 수 있으며, USB 등의 시리얼 포트를 통해 연결될 수 있고, UI를 통해 사용자로부터 입력되는 설정값을 게이트 드라이버(100)에 전송할 수 있고, 게이트 드라이버(100)로부터 전송되는 고장 정보 등을 출력할 수 있다.The external device (200) can receive and output various records generated when the switching element (1) and the gate driver (100) are driven. This external device (200) can be implemented as a PC, a mobile terminal, etc., can be connected through a serial port such as USB, can transmit setting values input by the user through the UI to the gate driver (100), and can output fault information, etc. transmitted from the gate driver (100).

전술한 구조에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는, 메인 제어기의 제어에 따라 게이트 드라이버를 구동하여 게이트 구동신호를 생성하여 IGBT 방식의 스위칭 소자를 제어함으로써 철도 차량의 전동기 등에 전력을 공급할 수 있다. 아울러, 본 발명은 게이트 드라이버로부터 감지되는 PWM 신호, 게이트 구동신호, 전류값, 온도값 및 고장 데이터 등을 수집 및 저장하고, 사용자의 설정에 따라 외부 장치에 제공함으로써, IGBT 동작에 대한 적정성을 판단하거나, 장치 고장에 대한 원인을 용이하게 분석할 수 있도록 하는 장점이 있다. According to the structure described above, the high-voltage IGBT gate driver for railway according to the embodiment of the present invention can supply power to an electric motor of a railway vehicle, etc., by driving the gate driver according to the control of the main controller to generate a gate drive signal and control an IGBT type switching element. In addition, the present invention has an advantage in that it collects and stores PWM signals, gate drive signals, current values, temperature values, and failure data detected from the gate driver, and provides them to an external device according to a user's settings, thereby making it possible to determine the appropriateness of IGBT operation or easily analyze the cause of device failure.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버를 상세히 설명한다.Hereinafter, a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버의 구조를 구체적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a drawing specifically showing the structure of a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버(100)는, 스위칭 소자(1)와 전기적으로 연결되어 구동을 제어하는 게이트 드라이버로서, 외부로부터 구동 전원을 공급받아 각 구성부에 공급하는 절연 전원장치(105), 스위칭 소자(1)의 구동을 제어하는 메인 제어기(10)로부터 출력되는 광신호 형태의 PWM 신호를 입력받아 전기신호 형태로 변환하는 광신호 변환부(110), 스위칭 소자(1)를 턴 온 또는 턴 오프하는 게이트 구동신호를 생성하여 스위칭 소자(1)에 공급하는 드라이버 회로(115), 스위칭 소자(1)의 구동에 따른 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 저장하는 데이터 저장부(120), 변환된 PWM 신호를 드라이버 회로(115)에 공급하여 게이트 구동신호를 생성하도록 하고, 설정에 따라 장치 구동시 발생하는 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 상기 데이터 저장부에 저장하는 제어부(130), 스위칭 소자(1)의 콜렉터와 전기적으로 연결되고, 스위칭 소자를 통해 흐르는 과전류를 감지하여 감지결과를 제어부(130)에 제공하는 과전류 검지회로(140), 절연 전원장치(105)와 전기적으로 연결되어 각 구동부에 인가되는 전압레벨이 일정수준 이하로 낮아지는 과전압을 감지하여 감지결과를 제어부(130)에 제공하는 저전압 검지회로(145), 과전류 및 저전압 발생시, 제어부(130)의 제어에 따라 일정 시간 또는 일정 조건이 만족할 때까지 게이트 구동신호를 차단하도록 현재 상태를 래치시키는 래치 회로(150), 단자를 통해 외부 장치(200)와 연결되고, 데이터 저장부(120)로부터 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 추출 및 변환하여 외부 장치(200)에 전송하는 데이터 변환부(160)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a high-voltage IGBT gate driver (100) for railway use according to an embodiment of the present invention is a gate driver that is electrically connected to a switching element (1) and controls driving, and includes an insulated power supply (105) that receives driving power from the outside and supplies it to each component, an optical signal conversion unit (110) that receives a PWM signal in the form of an optical signal output from a main controller (10) that controls driving of the switching element (1) and converts it into an electric signal, a driver circuit (115) that generates a gate driving signal that turns on or off the switching element (1) and supplies it to the switching element (1), a data storage unit (120) that stores constant data and fault/setting data according to driving of the switching element (1), a control unit (130) that supplies the converted PWM signal to the driver circuit (115) to generate a gate driving signal and stores constant data and fault/setting data generated when the device is driven according to settings in the data storage unit, and a circuit that is electrically connected to the collector of the switching element (1) and controls overcurrent flowing through the switching element. It may include an overcurrent detection circuit (140) that detects and provides the detection result to the control unit (130), an undervoltage detection circuit (145) that is electrically connected to the insulated power supply (105) and detects overvoltage in which the voltage level applied to each driving unit drops below a certain level and provides the detection result to the control unit (130), a latch circuit (150) that latches the current state so as to block the gate driving signal for a certain period of time or until a certain condition is satisfied according to the control of the control unit (130) when overcurrent and undervoltage occur, and a data conversion unit (160) that is connected to an external device (200) through a terminal and extracts and converts constant data and fault/setting data from the data storage unit (120) and transmits them to the external device (200).

절연 전원장치(105)는 게이트 드라이버(100)의 구동을 위한 전원을 공급하는 역할을 하는 것으로, 전력 계통으로부터 구동 전원을 인가받아 제어부(130) 및 게이트 드라이버(100)의 각 구성부에 제공할 수 있다. The insulated power supply (105) serves to supply power for driving the gate driver (100), and can receive driving power from the power system and provide it to the control unit (130) and each component of the gate driver (100).

광신호 변환부(110)는 메인 제어기(10)의 광신호 출력수단으로부터 송신되는 광신호를 수신하고, 이를 전기신호로 변환 및 제어부(130)에 입력함으로써 제어부(130)에 의해 게이트 구동신호가 생성되도록 한다. 여기서, 전술한 광신호는 PWM 파형의 신호일 수 있다.The optical signal conversion unit (110) receives an optical signal transmitted from the optical signal output means of the main controller (10), converts it into an electrical signal and inputs it to the control unit (130), thereby causing the control unit (130) to generate a gate driving signal. Here, the optical signal described above may be a signal in the form of a PWM waveform.

이를 위해, 광신호 변환부(110)는 메인 제어기(10)와 연결을 위한 광커넥터를 포함할 수 있으며, 전술한 광신호 뿐만 아니라 고장신호를 수신하여 후술하는 래치 회로(150)에 제공함으로써 고장시 래치(latch) 기능을 통해 게이트 드라이버(100)의 동작을 정지시켜 회로 파손을 방지할 수 있도록 한다.To this end, the optical signal conversion unit (110) may include an optical connector for connection with the main controller (10), and may receive not only the optical signal described above but also a fault signal and provide it to the latch circuit (150) described below, thereby stopping the operation of the gate driver (100) through a latch function in the event of a fault, thereby preventing circuit damage.

드라이버 회로(115)는 제어부(130)부터 제공되는 PWM 신호에 대응하는 게이트 구동신호를 스위칭 소자(1)에 입력할 수 있다. 특히, 드라이버 회로(115)는 PWM 신호를 일정 레벨 이상 증폭시켜 스위칭 소자(1)의 게이트에 인가함으로써, 그 구동을 제어할 수 있으며, 이를 위한 증폭기가 탑재될 수 있다.The driver circuit (115) can input a gate driving signal corresponding to a PWM signal provided from the control unit (130) to the switching element (1). In particular, the driver circuit (115) can control the driving thereof by amplifying the PWM signal to a certain level or higher and applying it to the gate of the switching element (1), and an amplifier for this purpose can be mounted.

데이터 저장부(120)는 공지의 메모리 장치로 구현될 수 있고, 게이트 드라이버(100)의 구동시 발생하는 고장신호를 비롯한 각종 데이터를 저장할 수 있으며, 저장된 데이터는 제어부(130)를 통해 변환과정을 거쳐 외부 장치(200)에 제공될 수 있다.The data storage unit (120) can be implemented as a known memory device and can store various data including a fault signal generated when the gate driver (100) is driven. The stored data can be provided to an external device (200) through a conversion process via the control unit (130).

특히, 본 발명의 실시예에 따르면 데이터 저장부(120)는 데이터를 저장하는 영역이 크게 상시 데이터를 저장하는 제1 저장공간과, 고장 및 설정에 관한 데이터를 저장하는 제2 저장공간이 서로 분리 정의됨에 따라, 각각의 데이터가 별도로 저장될 수 있다. 이중 상시 데이터는 게이트 드라이버(100)의 구동시 상시 발생하는 데이터로서 저장공간의 제한된 용량을 고려하여 선입선출 방식으로 저장되어 관리될 수 있다. 즉, 현재 상태에서 메모리 용량을 초과하는 데이터가 입력되면, 제1 저장공간에서는 가장 먼저 저장된 데이터부터 순차적으로 삭제될 수 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, the data storage unit (120) has a first storage space for storing constant data and a second storage space for storing data regarding failures and settings, which are defined separately from each other, so that each piece of data can be stored separately. Among these, the constant data is data that is constantly generated when the gate driver (100) is driven, and can be stored and managed in a first-in, first-out manner in consideration of the limited capacity of the storage space. That is, if data exceeding the memory capacity is input in the current state, the data stored earliest can be sequentially deleted in the first storage space.

아울러, 제2 저장공간에는, 사용자가 설정한 이벤트 조건 발생 시점을 기준으로 하여 전후 고장 데이터 및 설정 데이터 등이 기록될 수 있으며, 이러한 데이터 또한 선입선출 방식으로 관리될 수 있다.In addition, in the second storage space, pre- and post-failure data and setting data can be recorded based on the time of occurrence of event conditions set by the user, and such data can also be managed in a first-in, first-out manner.

전술한 분할 구조를 갖는 데이터 저장부(120)에 의하면, 수시로 발생하는 데이터와, 이벤트 발생에 따라 간헐적으로 발생하는 데이터는 구분하여 별도로 관리함으로써 한정된 공간의 활용도를 높일 수 있다.According to the data storage unit (120) having the above-described partition structure, data that occurs frequently and data that occurs intermittently according to the occurrence of an event can be managed separately and thus the utilization of limited space can be increased.

또한, 데이터 저장부(120)에 저장되는 데이터들은 외부 장치(200) 연결시 전송 가능하며, 사용자는 그 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 외부 장치(200)에 다운로드하여 게이트 드라이버(100)에 대한 분석을 수행할 수 있다.In addition, data stored in the data storage unit (120) can be transmitted when an external device (200) is connected, and a user can download the constant data and fault/setting data to the external device (200) and perform analysis on the gate driver (100).

제어부(130)는, 공지의 CPU 장치가 이용될 수 있고, 게이트 드라이버(100)의 각 구성부의 구동을 제어할 수 있으며, 특히 PWM 신호에 대응하는 파형의 게이트 구동신호를 생성하여 드라이버 회로(115)를 통해 스위칭 소자(1)에 제공함으로써 철도 전동기를 구동할 수 있도록 한다.The control unit (130) can use a known CPU device and control the operation of each component of the gate driver (100), and in particular, generates a gate drive signal having a waveform corresponding to a PWM signal and provides it to the switching element (1) through the driver circuit (115), thereby enabling the railway motor to be driven.

또한, 제어부(130)는 장치 구동시 후술하는 과전류 검지회로(140) 및 저전압 검지회로(145)로부터 감지된 과전류/저전압의 감지시, 래치 회로(150)를 제어하여 현재 상태를 래치하고, 현재 상시 데이터를 비롯하여 고장 데이터를 데이터 저장부(120)에 저장할 수 있다.In addition, the control unit (130) controls the latch circuit (150) to latch the current state when detecting overcurrent/low voltage from the overcurrent detection circuit (140) and low voltage detection circuit (145) described later during device operation, and can store current continuous data as well as fault data in the data storage unit (120).

또한, 제어부(130)는 외부 장치(200)의 연결 및 요청에 따라 데이터 저장부(120)에 저장된 상시 데이터 등을 읽어드려 데이터 변환부(160)를 통해 외부에서 이용 가능한 형태(텍스트 파일 등)으로 변환하고, 이를 외부 장치(200)에 전송할 수 있다.In addition, the control unit (130) can read the constant data, etc. stored in the data storage unit (120) according to the connection and request of the external device (200), convert it into a form (text file, etc.) that can be used externally through the data conversion unit (160), and transmit it to the external device (200).

과전류 검지회로(140)는 스위칭 소자(1)의 콜렉터(C)와 전기적으로 연결되고, 스위칭 소자(1)를 통해 흐르는 과전류를 감지하여 감지결과를 제어부(130)에 제공할 수 있다.The overcurrent detection circuit (140) is electrically connected to the collector (C) of the switching element (1), and can detect overcurrent flowing through the switching element (1) and provide the detection result to the control unit (130).

다이오드 스트링(142)은 복수의 다이오드 소자가 직렬로 연결됨에 따라 하나의 스트링을 이루며, 전술한 과전류 검지회로(140) 및 스위칭 소자(1)의 콜렉터(C)와 연결됨에 따라, 과전류 검지회로(140)가 스위칭 소자(1)를 통해 과전류가 흐르는 것을 감지할 수 있도록 한다.A diode string (142) is formed by connecting multiple diode elements in series to form a single string, and is connected to the collector (C) of the above-described overcurrent detection circuit (140) and the switching element (1), thereby enabling the overcurrent detection circuit (140) to detect that an overcurrent is flowing through the switching element (1).

저전압 검지회로(145)는 구동 전원을 공급하는 절연 전원장치(105)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 각 구동부에 인가되는 전압레벨이 일정수준 이하로 낮아지는 과전압 상태를 감지하여 그 감지결과를 제어부(130)에 제공할 수 있다.The low voltage detection circuit (145) can be electrically connected to an insulated power supply (105) that supplies driving power, and can detect an overvoltage condition in which the voltage level applied to each driving unit falls below a certain level and provide the detection result to the control unit (130).

래치 회로(150)는 과전류 및 저전압 발생시, 제어부(130)의 제어에 따라 일정 시간 또는 일정 조건이 만족할 때까지 게이트 구동신호를 차단하도록 현재 상태를 래치시킬 수 있고, 광신호 형태로 고장 데이터 등을 외부 장치(200)에 전송할 수 있다.The latch circuit (150) can latch the current state to block the gate drive signal for a certain period of time or until a certain condition is satisfied under the control of the control unit (130) when overcurrent or low voltage occurs, and can transmit fault data, etc. to an external device (200) in the form of an optical signal.

또한, 래치 이후 장치가 정상 구동 상태를 회복하면, 래치 회로(150)는 제어부(130)의 제어에 따라 래치 상태를 해제할 수 있고, 제어부(130)는 장치 구동을 재개할 수 있다. In addition, when the device returns to a normal operating state after the latch, the latch circuit (150) can release the latch state under the control of the control unit (130), and the control unit (130) can resume operating the device.

데이터 변환부(160)는 단자를 통해 외부 장치와 연결되고, 데이터 저장부(120)로부터 동작 데이터 및 고장/설정 데이터를 추출 및 변환하여 외부 장치(200)에 전송할 수 있다. 사용자는 게이트 드라이버(100) 및 철도 전동기의 운용 관리를 위해 PC 등의 외부 장치(200)를 데이터 변환부(160)의 단자에 연결할 수 있고, 게이트 드라이버(100)에 저장된 상시 데이터를 비롯하여 고장 데이터 등을 전송받아 상세 내역을 확인 및 분석하고, 장치 운용에 반영할 수 있다.The data conversion unit (160) is connected to an external device through a terminal, and can extract and convert operation data and fault/setting data from the data storage unit (120) and transmit them to an external device (200). A user can connect an external device (200), such as a PC, to the terminal of the data conversion unit (160) for operation management of the gate driver (100) and the railway motor, and can receive constant data stored in the gate driver (100), as well as fault data, to check and analyze detailed information, and reflect it in device operation.

이하, 도면을 참조하여 전술한 본 발명의 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버의 구동 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a driving method of the railway high-voltage IGBT gate driver of the present invention described above will be described in detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버의 구동 방법을 나타낸 도면으로서, 게이트 드라이버를 통한 장치 상태 파악을 위한 절차를 나타내고 있다. 이하의 설명에서 각 단계별 실행주체는, 별도의 기재가 없더라도 본 발명의 게이트 드라이버 및 그 구성부가 된다.FIG. 3 is a drawing showing a driving method of a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention, and shows a procedure for identifying a device status through a gate driver. In the following description, the executing subject of each step is the gate driver of the present invention and its components, even if not described separately.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버의 구동 방법에서는, 철도에 탑재되는 전동기 등을 제어하기 위한 IGBT 소자의 구동을 위한 게이트 드라이버의 구동 방법으로서, 먼저 전원으로부터 구동 전원과 메인 제어기(10)로부터 PWM 신호를 인가받아, 이를 이용하여 게이트 구동신호를 생성하여 스위칭 소자를 제어하여 전동기를 구동하게 된다(S100).Referring to FIG. 3, in a driving method of a high-voltage IGBT gate driver for railway use according to an embodiment of the present invention, as a driving method of a gate driver for driving an IGBT element for controlling an electric motor mounted on a railway, first, a driving power source is applied from a power source and a PWM signal is applied from a main controller (10), and a gate driving signal is generated using the same to control a switching element and drive the electric motor (S100).

이어서, 제어부는 현재 게이트 드라이버의 구동에 따른 동작 데이터를 데이터 저장부에 저장할 수 있다(S200). 이때, 동작 데이터는 상시적으로 발생하는 데이터로서 일정 주기에 따라 미리 확보된 제1 저장공간에 계속적으로 저장되되, 공간이 부족하면 제어부는 선입선출에 따라 데이터를 갱신하게 된다.Next, the control unit can store the operation data according to the current operation of the gate driver in the data storage unit (S200). At this time, the operation data is data that occurs continuously and is continuously stored in the first storage space secured in advance according to a certain cycle. However, if the space is insufficient, the control unit updates the data according to a first-in, first-out order.

여기서, 구동 데이터(상시 데이터)로는 입력 PWM 신호, 게이트 구동신호, 전류값, 온도값 및 고장 정보 등이 포함될 수 있다.Here, driving data (continuous data) may include input PWM signals, gate driving signals, current values, temperature values, and fault information.

다음으로, 제어부는 사용자의 이벤트 조건이 설정되면 이를 저장할 수 있고, 게이트 드라이버의 구동 중, 과전류 감지회로가 스위칭 소자에 과전류가 흐르는 것을 감지하거나 저전압 감지회로가 저전압이 인가되는 것을 감지하면, 제어부는 고장에 따라 발생하는 고장 데이터 및 이와 관련된 설정 데이터를 감지한다(S300). S300 단계에서 제어부는 현재 고장 데이터가 설정된 이벤트 조건에 선정되지 않은 경우 전 단계를 반복 수행하게 되며, 고장 데이터가 이벤트 조건에 만족하면, 데이터 저장부에 미리 할당된 제2 제장공간에 저장할 수 있다.Next, the control unit can store the user's event conditions when they are set, and when the gate driver is driven, if the overcurrent detection circuit detects that overcurrent is flowing in the switching element or the low voltage detection circuit detects that low voltage is applied, the control unit detects fault data and related setting data that occur according to the fault (S300). In step S300, if the current fault data is not selected for the set event conditions, the control unit repeats the previous step, and if the fault data satisfies the event conditions, it can be stored in the second storage space allocated in advance in the data storage unit.

상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.Although many things are specifically described in the above description, they should be construed as examples of preferred embodiments rather than limiting the scope of the invention. Accordingly, the invention should not be defined by the described embodiments, but by the claims and their equivalents.

1: 스위칭 소자 2 : 철도 전동기
10 : 메인 제어기 100 : 게이트 드라이버
105 : 절연 전원장치 110 : 광 신호 변환부
115 : 드라이버 회로 120 : 데이터 저장부
130 : 제어부 140 : 드라이버 회로
142 : 다이오드부 145 : 저전압 검지회로
150 : 래치회로 160 : 데이터 변환부
200 : 외부 장치
1: Switching element 2: Railway motor
10: Main controller 100: Gate driver
105: Isolated power supply 110: Optical signal conversion unit
115: Driver circuit 120: Data storage unit
130: Control unit 140: Driver circuit
142: Diode section 145: Low voltage detection circuit
150: Latch circuit 160: Data conversion section
200 : External device

Claims (9)

스위칭 소자와 전기적으로 연결되어 구동을 제어하는 게이트 드라이버로서,
외부로부터 구동 전원을 공급받아 각 구성부에 공급하는 절연 전원장치;
상기 스위칭 소자의 구동을 제어하는 메인 제어기로부터 출력되는 광신호 형태의 PWM 신호를 입력받아 전기신호 형태로 변환하는 광신호 변환부;
상기 스위칭 소자를 턴 온 또는 턴 오프하는 게이트 구동신호를 생성하여 상기 스위칭 소자에 공급하는 드라이버 회로;
상기 스위칭 소자의 구동에 따른 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 및
변환된 PWM 신호를 상기 드라이버 회로에 공급하여 상기 게이트 구동신호를 생성하도록 하고, 설정에 따라 장치 구동시 발생하는 상기 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 상기 데이터 저장부에 저장하는 제어부
를 포함하는 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
As a gate driver that is electrically connected to a switching element and controls operation,
An isolated power supply device that receives driving power from an external source and supplies it to each component;
An optical signal conversion unit that receives a PWM signal in the form of an optical signal output from a main controller that controls the operation of the above switching element and converts it into an electrical signal;
A driver circuit that generates a gate drive signal for turning on or off the switching element and supplies it to the switching element;
A data storage unit that stores constant data and fault/setting data according to the operation of the above switching element; and
A control unit that supplies the converted PWM signal to the driver circuit to generate the gate drive signal and stores the constant data and fault/setting data generated when the device is driven according to the setting in the data storage unit.
High voltage IGBT gate driver for railway applications including.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 소자는,
바이폴라 트랜지스터의 구조를 갖는 고속 스위칭용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) 소자인 것인, 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In paragraph 1,
The above switching element,
A high-voltage IGBT gate driver for railway use, which is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) device having a bipolar transistor structure for high-speed switching.
제 1 항에 있어서,
상기 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는,
상기 스위칭 소자의 콜렉터와 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 소자를 통해 흐르는 과전류를 감지하여 감지결과를 상기 제어부에 제공하는 과전류 검지회로
를 포함하는 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In paragraph 1,
The above high-voltage IGBT gate driver for railway applications is,
An overcurrent detection circuit electrically connected to the collector of the above switching element, detecting overcurrent flowing through the above switching element and providing the detection result to the above control unit.
High voltage IGBT gate driver for railway applications including.
제 1 항에 있어서,
상기 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는,
상기 절연 전원장치와 전기적으로 연결되어 각 구동부에 인가되는 전압레벨이 일정수준 이하로 낮아지는 과전압을 감지하여 감지결과를 상기 제어부에 제공하는 저전압 검지회로
를 포함하는 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In paragraph 1,
The above high-voltage IGBT gate driver for railway applications is,
A low voltage detection circuit that is electrically connected to the above-mentioned insulated power supply and detects overvoltage in which the voltage level applied to each driving unit falls below a certain level and provides the detection result to the above-mentioned control unit.
High voltage IGBT gate driver for railway applications including.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는,
과전류 및 저전압 발생시, 상기 제어부의 제어에 따라 일정 시간 또는 일정 조건이 만족할 때까지 상기 게이트 구동신호를 차단하도록 현재 상태를 래치시키는 래치 회로
를 포함하는 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In clause 3 or 4,
The above high-voltage IGBT gate driver for railway applications is,
A latch circuit that latches the current state so that the gate drive signal is blocked for a certain period of time or until a certain condition is satisfied according to the control of the control unit when overcurrent and undervoltage occur.
High voltage IGBT gate driver for railway applications including.
제 1 항에 있어서,
상기 드라이버 회로는,
상기 게이트 구동신호를 증폭시켜 상기 스위칭 소자의 게이트로 인가하여 스위칭 소자를 구동하는 증폭기
를 더 포함하는 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In paragraph 1,
The above driver circuit,
An amplifier that amplifies the above gate driving signal and applies it to the gate of the above switching element to drive the switching element.
High voltage IGBT gate driver for railway applications including further.
제 1 항에 있어서,
상기 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버는,
단자를 통해 외부 장치와 연결되고, 상기 데이터 저장부로부터 상기 상시 데이터 및 고장/설정 데이터를 추출 및 변환하여 상기 외부 장치에 전송하는 데이터 변환부
를 더 포함하는 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In paragraph 1,
The above high-voltage IGBT gate driver for railway applications is,
A data conversion unit connected to an external device through a terminal, extracting and converting the constant data and fault/setting data from the data storage unit and transmitting them to the external device.
High voltage IGBT gate driver for railway applications including further.
제 7 항에 있어서,
상기 데이터 저장부는, 상기 상시 데이터가 저장되는 제1 저장공간 및 상기 고장/설정 데이터가 저장되는 제2 저장공간을 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 및 제2 저장공간의 용량에 따라, 저장된 데이터를 선입선출 방식으로 삭제 및 새로운 데이터를 추가하는 것인, 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In paragraph 7,
The above data storage unit includes a first storage space in which the constant data is stored and a second storage space in which the fault/setting data is stored.
The above control unit,
A high-voltage IGBT gate driver for railway use, which deletes stored data and adds new data in a first-in, first-out manner according to the capacity of the first and second storage spaces.
제 8 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 외부 장치를 통해 사용자가 설정한 이벤트 조건 발생 시점을 기준으로 하여 전후 시점에 상기 제2 저장공간에 상기 고장/설정 데이터를 기록하는 것인, 철도용 고전압 IGBT 게이트 드라이버.
In Article 8,
The above control unit,
A high-voltage IGBT gate driver for railway use, which records the fault/setting data in the second storage space at a time before and after the occurrence of an event condition set by the user through the external device.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102388544B1 (en) 2019-12-19 2022-04-22 한국철도기술연구원 Over voltage protection circuit for protecting power semiconductor switching device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0833315A (en) * 1994-07-08 1996-02-02 Toshiba Corp Load drive
KR100511645B1 (en) * 2002-12-30 2005-09-02 한국철도기술연구원 Serial dc voltage supply system for recycled electric train
EP2445110B1 (en) * 2010-10-22 2014-05-14 ABB Research Ltd Gate driver unit for electrical switching device
KR101191244B1 (en) * 2012-01-05 2012-10-18 주식회사 우진산전 Power storage apparatus of city railway with a both direction dc/dc converter
CN104765337B (en) * 2015-02-05 2015-12-09 青岛四方车辆研究所有限公司 Motor train unit pull-in control system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102388544B1 (en) 2019-12-19 2022-04-22 한국철도기술연구원 Over voltage protection circuit for protecting power semiconductor switching device

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