Design of High Voltage Switch Based on Series Stacking of Semiconductor Switches and Gate Drive Circuit with Simple Configuration

간단한 구조를 갖는 직렬 반도체 스위치 스태킹 기반 고전압 스위치 및 게이트 구동 회로 설계

반도체 기반 고전압 펄스 발생장치에 적용 가능한 고전압 스위치는 주로 수 kV 정격의 반도체 스위치를 직렬로 스태킹하여 구성되며, 이때 각 스위치 소자에는 절연과 동기화된 각각의 게이트 신호가 인가되어야 한다. 본 논문에서는 짧은 펄스 폭의 온, 오프 게이트 펄스와, 단일 턴의 고전압 전선을 일차측으로 갖는 게이트 변압기를 통해 직렬로 구성된 반도체 스위치 스택 기반의 펄스 모듈레이터에 적용 가능한 간단한 구조의 게이트 구동회로가 설계되었다. 각 스위치에 게이트 신호를 전달하기 위해 온, 오프 게이트 펄스를 사용함으로써 게이트 변압기의 포화를 방지할 수 있으며, 이때 각 스위치의 게이트 턴-온, 오프 전압은 변압기 이차측의 제너 다이오드와 스토리지 커패시터를 통해 유지된다. Pspice 시뮬레이션을 통해 12개의 IGBT를 직렬로 구성하여 설계된 구조의 게이트 회로를 적용, 최대 10kV 펄스 출력 조건에서 안정적인 동작을 확인하고 설계를 검증하였으며 1200V 급 IGBT를 사용하여 실제 스위치 스택과 게이트 구동회로 모듈을 1리터 이내의 부피로 고밀도화하여 제작하였다.