KR0177145B1 - 전력 fet용 적응 게이트 충전 회로 - Google Patents

전력 fet용 적응 게이트 충전 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어 신호에 응답하여 전력 FET를 스위치 온시키는 적응 게이트 충전 회로를 제공하는 것이다. 상기 적응 게이트 충전 회로는, 제어 신호의 어써션에 응답하여, 상기 전력 FET를 스위치 온시키는데 충분한 초기적 시간주기 동안 전하 펌프 공급원 캐패시터로부터 충전 전류를 상기 전력 FET의 게이트에 공급하는 구동회로를 포함한다. 상기 초기적 시간 주기후에, 유지 회로는 전하 누설을 보상하기 위하여 상기 전하 펌프로부터 상기 전력 FET 게이트에 유지전류를 공급한다. 상기 유지 회로에 접속된 전류 제한 회로는 상기 초기적 시간 주기후에 전하 펌프로부터의 전류 드레인의 값을 다음의 값 즉, 전하의 누설을 보상하기 위하여 필요하게 되는 유지 전류와 최소 부가적 전류를 더한 값으로 제한한다.

Description

전력 FET용 적응 게이트 충전 회로
첨부된 도면은, 본 발명의 일실시예에 기초하여 구성된 적응 게이트 충전 회로를 도시하는 개략도이다.
[발명의 분야]
본 발명은 전자 회로에 관한 것으로 특히, 전력 FET를 턴온시키기 위하여 초기 전류펄스를 공급하고, 그런 다음 전하 공급원으로부터 최소 전류 드레인을 가지고 상기 전력 FET의 게이트를 온(on) 전위에 유지하기 위하여 낮은 적응 유지 전류를 공급하는 적응 충전 회로에 관한 것이다.
[선행기술의 설명]
대형 전력 MOSFET 트랜지스터의 게이트 임피던스는 고도로 용량성이다. 그러므로, 충전(charge) 및 방전(discharge)이라고 하는 용어는, 각각, 전력 트랜지스터를 각기 턴온 및 턴오프하는 것을 나타내는 것으로써 사용한다.
모든 고전위측 드라이버 적용에 있어서 (또한, 저공급전압으로부터 동작하는 저전위측 드라이버에 있어서), 전력 FET의 게이트는, FET에 있어서 낮은 Rds(온)를 달성하기 위하여, 게이트 충전 회로에 의해 공급 전위보다도 높이 상승되어야 한다. 이것은, 게이트 충전 회로를 공급하기 위하여 전하 펌프를 사용할 것을 필요로 한다. 전하 펌프는, 전형적으로, 대단히 높은 출력저항을 지니고 있기 때문에, 게이트 충전 회로의 구성은, 전하 펌프로부터 불필요한 전류 드레인을 최소로 하는 것이 되지 않으면 안된다. 즉, 전하 펌프로부터 흐르는 것이기는 하지만 전력 FET의 게이트로 흐르지는 않는 전류를 최소로하는 것이 되지 않으면 안된다.
전형적으로는, MOS 장치는 진정한 온/오프 스위치로써 동작하는 것이 가능하기 때문에, MOS 충전 회로를 사용하는 것에 의하여 저전류 드레인을 달성하는 것이 가능하다.
1989년 5월 17일자에 출원된 미국 특허출원 제 07/353,123호(발명자, Stephen W. Hobrecht)는 본원 출원인에게 양도되어 있고, 그것은 확산형 금속산화물 반도체 트랜지스터(DMOST) 전력 장치용 충전 회로를 개시하고 있다. 상기 특허출원에 개시되어 있는 충전 회로는, 바이폴라 장치와 MOS 스위치의 조합을 사용한 것으로, DMOST가 오프될 경우에, 비교적 낮은 영입력상태 전류에서 동작하는 자동 증폭기 게이트 드라이버를 사용하고 있다. 상기 DMOST가 오프로부터 온으로 스위치되는 경우, 상기 자동 증폭기의 테일 전류는 실질적으로 한층 높은 값으로 일시적으로 상승되고, 따라서 DMOST의 기생 게이트 용량은 신속하게 온레벨에서 구동시키는 것이 가능하다. 상기 특허 출원의 충전 회로는 종래 공지의 충전 회로와 비교하여 명확한 이점을 지니고 있기는 하나, MOS 스위치의 주요한 결점은, 어떤 심한 동작환경에 있어서, MOS 트랜지스터의 브레이크다운 전압은, 고전압의 과도적 상태를 견디기에는 불충분하다는 점이다. 예를들면, 자동차 시스템에 있어서는, 본의 아닌 역배터리 조건이나 배터리 케이블의 느슨해짐 등이 발생할 수 있는 가능성 때문에, 어떤 자동차 제조업자는, 그러한 경우에 사용되고 있는 집적회로가, 통상 사용되고 있는 MOS 트랜지스터의 브레이크다운 전압보다는 훨씬 높은 최대 60V의 전압에 견딜 수 있는 것이 특징이라고 한다. 따라서, MOS 스위칭 트랜지스터를 과도적 전압상태로부터 차단하기 위하여 부가적인 보호 회로가 필요하게 된다. 이러한 부가적인 회로는, 제품을 고비용으로 할 뿐만 아니라, IC 다이면적을 사용하기 때문에, 원료에 대한 제품의 비율이 감소하는 문제가 발생한다.
종래의 충전 회로에 대한 또다른 결점은, 고속 온/오프 스위칭을 실현하기 위하여, 전력 FET 게이트에 있어서 전압구동을 사용한다고 하는 점이다.
라고 가정하면,
전압의 신속한 변화가 높은 전류의 흐름을 발생시키는 것임을 용이하게 이해할 수 있다. 이러한 높은 전류의 흐름은, 충전 회로에 물리적으로 근접하여 위치하고 있는 다른 회로에 대하여 파괴적인 것으로 될 수 있는 전계를 형성한다. 예를들면, 자동차에 적용할 때에는, 전압구동 충전 회로에 의해 발생하는 전계는, 제동 및/또는 가속을 제어하는 컴퓨터에 영향을 줄 수 있다.
[발명의 요약]
본 발명은, 상기한 여러 측면을 고려하여, 상기한 종래기술의 결점을 해소한 것으로써, 전하공급원으로부터 전류 드레인을 최소로 한 적응 충전 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 제어 신호에 응답하여 전력 FET를 스위치 온하는 적응 게이트 전하 회로가 제공된다. 이러한 적응 게이트 전하 회로는, 전력 FET를 스위치 온하기에 충분한 초기적 시간 주기동안 전력 FET의 게이트에 전하 펌프 저장 캐패시터로부터 충전 전류를 공급하는 것에 의해, 제어 신호의 어써션(assertion), 즉 활성화에 응답하는 구동 회로를 지니고 있다. 이러한 초기 시간 주기 후, 유지 회로가, 전하 펌프로부터 전력 FET 게이트에 유지 전류를 공급하고, 전하의 누설을 보상한다. 이러한 유지 회로는 전력 FET 게이트에 있어서 턴온 전위를 유지하는 동안, 상기 유지 회로에 접속되어 있는 전류 제한 회로가, 전하 펌프로부터 전류 드레인을, 전하의 누설을 보상하기 위하여 필요하게 되는 유지 전류와 미리 선택된 최소 부가적 전류를 더한 값으로 제한한다.
본 발명에 따른 특징 및 효과는 이하에 개시하는 첨부된 도면을 참조한 발명의 상세한 설명을 통하여 보다 완전하게 이해하게 될 것이다.
[본 발명의 일실시예에 대한 상세한 설명]
이하, 첨부 도면을 참고로, 본 발명의 구체적인 실시 태양에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부된 도면은, 본 발명의 일실시예에 기초하여 구성된 적응 게이트 충전 회로(10)를 개략적으로 도시하고 있다. 도시되어 있는 회로는, 공지의 제조기술을 사용하여 집적화 형태로 실현하는 것이 가능하다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 적응 게이트 충전 회로(10)는, 전하 펌프(12) 및 전력 FET(14)사이에 접속되어 있다. 전력 FET(14)는, 고전위측 드라이버 형태에 접속된 상태를 도시하고, 부하(16)의 타측은 접지에 접속되어 있다. 당업자에게 자명하게 이해되는 바와 같이, 본 발명의 개념은, 저전위측 드라이버 형태에 사용되는 게이트 충전 회로에도 동일하게 적용 가능한 것이다.
회로(10)의 입력 신호는, NPN 입력 트랜지스터(Q5)에 베이스 구동을 준다. 트랜지스터(Q5)는, 그 이미터를 접지 접속시키고, 또한 그 콜렉터를 13kΩ의 저항(R3)을 통하여 캐스코드 NPN 트랜지스터(Q11)의 (2X) 이미터에 접속하고 있다. 트랜지스터(Q11)의 콜렉터는, 멀티콜렉터 PNP 전류 미러 트랜지스터(Q26)의 베이스-콜렉터 접합에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q26)의 (2X) 이미터는, 6X PNP 전류 미러 트랜지스터(Q27)의 멀티콜렉터 중 하나에 접속되어 있다. 전류 미러 트랜지스터(Q26) 및 (Q27)의 출력단은, 전력 FET(14)의 게이트에 공통 접속되어 있다.
4.8V의 공급원이, 10kΩ의 저항(R6)을 통하여 NPN 트랜지스터(Q11)에 베이스 구동을 주고, 또한 27kΩ의 저항(R4)을 통하여 PNP 트랜지스터(Q10)에 베이스 구동을 준다. 트랜지스터(Q10)의 베이스는, 다시, 13kΩ의 저항(R5) 및 NPN 트랜지스터 (Q12)와 (Q13)를 통하여 접지에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q13)의 콜렉터는, 캐스코드 트랜지스터(Q11)의 이미터에 접속되고, 또한 상기 이미터는 20kΩ의 저항(R7)을 통하여 접지에 접속되어 있다.
상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 시간 t온에 있어서, 트랜지스터(Q5)는 짧은 (약 25㎲) 구동 펄스에 의해 턴온되고, 또한 약 150 μA 전류가 트랜지스터(Q11) 내에 흐른다. 이러한 전류는, 전류 미러 트랜지스터(Q26) 내에 있어서, 10배 승산되고, 또한 전류 미러(Q27)를 구동하며, 그것은 다시 상기 전류를 승산한다. 트랜지스터(Q26) 및 (Q27)의 결합 콜렉터 전류(그것은, 약 6mA로 되지만, 당업자에게 자명한 바와 같이, 실제값은 베이스 전류 손실분만큼 감소됨)는 저장 캐패시터(C1)로부터 전력 FET(14)의 게이트를 충전한다.
이러한 초기적 구동 펄스 후에, 트랜지스터(Q5)가 턴오프하고 또한 충전 회로(10)가 적응유지 모드에 복귀하여, 트랜지스터(Q13)로부터 단지 3μA만이 트랜지스터(Q11) 내로 흐르게 된다. 전류 미러 트랜지스터(Q26)에 있어서 10배 승산된다고 하더라고, 5kΩ의 저항(R15) 내에 흐르는 전류 레벨은 트랜지스터(Q27)의 VB8의 드레스홀드(threshold)를 초과하기에는, 즉 상기 트랜지스터(Q27)를 턴온시키기에는 불충분하다. 따라서, 트랜지스터(Q27)는 오프상태를 유지하고, 전류 미러 트랜지스터(Q26)가, 전력 FET(14)의 게이트에 전류를 공급한다. 상기 게이트의 턴온을 완료하기 위하여 부가적인 전하가 요구되는 경우에는, 전류 미러 트랜지스터(Q26)으로부터 최대로 27μA(9×3μA)가 얻어지므로, 전하 펌프(12)로부터 30μA가 인출되는 것으로 된다. 전력 FET(14)의 게이트가 전하 펌프 전위까지 상승하게 되면, 전류 미러 트랜지스터(Q26)의 1차 콜렉터가 포화되고, 또한 상기 1차 콜렉터를 둘러싸는 동심원상의 콜렉터는, 과잉 전류를 베이스에 귀환시킨다. 이러한 안김형(nested) 콜렉터 PNP의 기하학적 형상은 미국특허 제4,153,909호 (Dobkin)의 제3도에 도시되어 있다.
전력 FET(14)의 게이트에 의해 전류가 필요로 되지 않는 경우에는, 전류 미러 트랜지스터(Q26)의 모든 이미터 전류는 상기 베이스에 귀환하고, 전류 미러 트랜지스터(Q26)를 다이오드로써 동작시킨다. 이러한 것은, 전하 펌프(12)상의 전류 드레인을 단지 3μA로 감소시킨다. 전력 FET(14)의 게이트를 고상태로 유지하기 위하여 필요로 하는 누설 전류(기껏해야 27μA)는, 전류 미러 트랜지스터(Q26)를 통하여 전하 펌프(12)에 의해 공급된다. 따라서, 트랜지스터(Q26)의 실효적 전류비는, 자동적으로, 전력 FET(14)의 필요한 정도에 적응하고, 이때에 전하 펌프(12)로부터 전류 드레인을 최소로 하고 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시 태양에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은, 이러한 구체예에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 범위를 일탈하지 아니하는 여러가지 변형이 가능한 것은 물론이다.

Claims (3)

  1. 전력 FET(14) 게이트에 공급되는 전류를 제어하기 위하여 전하 공급원(12)과 전력 FET(14)의 게이트 사이에 접속되어 있는 적응 게이트 충전 회로로써, 상기 적응 게이트 충전 회로는, 전력 FET(14)를 턴온시키기에 충분한 초기적 시간 주기 동안에 전하 공급원(12)으로부터 상기 전력 FET(14) 게이트에 전류 펄스를 공급하기 위하여 제어 신호에 응답하는 충전 수단을 포함하고 있고, 상기 충전 수단은, 상기 전력 FET(14) 게이트로부터 전하의 누설을 보상하기 위하여 상기 초기적 시간 주기 후에 상기 전력 FET(14) 게이트에 충분한 유지 전류를 공급할 수 있도록 상기 전하 공급원(12)과 상기 전력 FET(14) 게이트 사이에 접속되어 있는 적응 유지 수단(Q26,Q27) 및 상기 초기적 시간 주기 후에 상기 전하 공급원(12)으로부터 전류 드레인을 상기 유지 전류와 최소 부가적 전류를 더한 값으로 제한하기 위하여 상기 적응 유지 수단(Q26,Q27)과 전력 FET(14) 게이트 사이에 접속되어 있는 전류 제한 수단(R15)을 포함하고 있을 때에, 상기 적응 게이트 충전 회로는 부가적으로, 초기 시간 주기 동안에 초기 전류를 공급하기 위한 수단(Q5,Q13)을 포함하며, 상기 적응 유지 수단은 (a) 상기 전하 공급원(12)에 접속하고 있는 이미터, 상기 전력 FET(14) 게이트에 접속하고 있는 1차 콜렉터, 2차 콜렉터 및 부가적으로 저항 요소(R15)를 통하여 전하 공급원(12)에 접속하고 있는 1차 콜렉터를 포함하는 제1 멀티 콜렉터 전류 미러 트랜지스터(Q27) (b) 상기 제1멀티 미러 트랜지스터(Q27)의 베이스-2차 콜렉터 접합에 접속하고 있는 이미터, 전력 FET(14) 게이트에 접속하고 있는 1차 콜렉터, 9베이스와 초기 전류를 공급하기 위한 수단 및 1차 콜렉터를 둘러싸는 동심원상의 콜렉터에 접속하고 있는 2차 콜렉터를 포함하는 제2 멀티 콜렉터 전류 미러 PNP 트랜지스터(Q26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 게이트 충전 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초기적 시간 주기 후에 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26)의 베이스에 대하여, 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26)를 턴온시키기에는 충분하지만 상기 제1전류 미러 트랜지스터(Q27)를 턴온시키기에는 불충분한 유지 전류를 발생하는 수단(Q11,Q13)이 설치되어 있고, 이때, 상기 초기적 시간 주기 후에, 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26) 자체가 상기 전력 FET(14) 게이트에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 적응 게이트 충전 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26)의 상기 동심적 콜렉터가 과잉 전류를 그 베이스에 귀환시키고, 그럼으로써 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26)의 1차 콜렉터가 포화되면, 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26)의 모든 이미터 전류가 그 베이스에 귀환되고, 상기 제2전류 미러 트랜지스터(Q26)를 다이오드로써 동작시키는 것을 특징으로 하는 적응 게이트 충전 회로.
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