KR100195542B1 - 극변환 보호수단을 갖는 브리지회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부의 부하, 특히 전동기를 구동시키기 위한 NPN전력 트랜지스터를 사용하여 전원극성이 우발적인 변환을 막는 집적회로에 대한 것으로, 제1NPN트랜지스터, 제2NPN트랜지스터, 제1NPN트랜지스터, 제2NPN트랜지스터, 보호다이오드, 음전압공극레일로 구성되고, 제1 및 제2 PNP트랜지스터의 각각의 에미터가 브리지회로에서의 전압강하를 줄이기 위해 양 전압공급레일에 공통으로 연결함에 특징이 있다.

Description

극변환 보호수단을 갖는 브리지회로

제1도는 접합-타입 고립기술을 사용하므로서 모노리식으로 집적된 N-타입 스위치를 사용한 종래기술의 브리지회로를 도시한 도면.

제2도는 공지기술에 따라 극성안내다이오드가 제공된 제1도에서와 같은 브리지회로를 도시한 도면.

제3도는 NPN 트랜지스터의 접합-고립 집적구조의 한 사시단면을 도시한 도면.

제4도는 PNP 트랜지스터의 접합-고립(junction-islated)집적구조의 한 사시단면을 도시한 도면.

제5도는 본 발명에 따라 수정된 출력브리지회로를 도시한 도면.

제6도는 본 발명회로의 다른 한 실시예를 나타내는 도면.

본 발명은 외부의 부하, 특히 전동기를 dc 구동시키며 전원공급극성이 우발적으로 바뀌게 되는 것에 대한 보호기능을 갖는 NPN 전력 트랜지스터(power transistor)를 사용하는 한 집적회로에 관한 것이다.

집적된 전력 스위치(트랜지스터)에 의해 전동기를 양방향으로 DC 구동시키기 위해 접합고립기술을 사용하므로서 모노리식으로 집적되어진 전-브리지 혹은 반-브리지 출력구동단계(output driving stages)가 널리 알려져 있다.

이들 집적된 전력단계에서, N-타입 트랜지스터(쌍극형 NPN 또는 N-채널 MOS 트랜지스터)는 P-타입 트랜지스터보다 훨씬 효율적이다. 실제로 고전류용 브리지 혹은 빈-브리지 회로는 전력스위칭 트랜지스터가 N-타입인 경우에만집적된 형태(integrated form)로 경제적으로 실행될 수 있다.

이같은 종류의 대표적인 집적된 브리지회로가 제1도에 도시되어 있다. 전원장치의 양극은 두 개의 (위쪽) NPN 전력 트랜지스터 TN1 및 TN2에 의해 두 출력단자(1)(2)에서 스위치되며, 이같은 두 출력단자사이에서 구동될 전동기 M이 연결된다. 상기 브리지회로는 두(아래쪽) 전력트랜지스터 TN3 및 TN4에 의해 완성되며, 이때의 트랜지스터들은 출력단자(1)(2)를 각각 음극전원(접지)에 연결시키도록 한다. 두 위쪽 스위치 TN1 및 TN2를 각 구동신호가 베이스로 공급되는 두 구동 PNP 트랜지스터, TP5 및 TP6 각각에 의해 구동시킴이 또한 통례이다.

N-타입 콜렉터 C와 사이 집적회로의 집적회로의 접지에 연결된 P-타입 기질(기판) S 사이에 기생다이오드(제1도의 회로도내 D1 및 D2 각각)가 존재함은 제3도에 도시된 NPN 트랜지스터의 접합-타입고립을 사용한 집적된 구조에 고유된 것이다. 제3도 NPN 트랜지스터의 집적된 구조사시단면도에서, 이같은 기생다이오드 D1 (D2)의 존재는 비교 그래프기호에 의해 개략적으로 도시된다. 단면의 빗금친 부분은 P-타입영역을 나타내며, 빗금치지 않은 부분은 N-타입영역을 나타낸다.

전원공급극성이 우발적으로 변환되면, 집적된 NPN 트랜지스터 TN1 및 TN2의 기생다이오드 D1 및 D2는 곧바로 한쪽방향으로 바이어스되며 이들 다이오드를 통해 흐르는 전류는 파괴수준에 도달된다.

이같은 문제를 극복하기 위해 당해기술분야에서는 제2도에서 도시된 것과 같은 극성보호다이오드 D3가 사용되고, 전원공급의 극성이 우발적으로 변환되어 적용되는때 이같은 변환된 극성이 역바이어스되어 유지되므로써 전류가 흐르지 못하게 하는 회로를 사용하는 것이 알려져 있다.

이같은 공지된 기술이 단점이 없는 것은 아니다. 사실 제1도의 회로를 관찰해 보면, 브리지회로를 구동시키는 부하의 총 전압강하는 다음과 같이 정해진다(상기 브리지 회로의 첫 번째 대각선(diagonal)의 경우).

VCE_SAT(TP5) + VBE(TN1) + VCE_SAT(TN4)

혹은(상기 브리지회로의 다른 대각선의 경우):

VCE_SAT(TP6) + VBE(TN2) + VCE_SAT(TN3)

한편, 제2도의 안내다이오드가 제공된 회로의 경우에는 회로의 총전압강하가 다음과 같은 식으로 첫번째 대각선(diagonal)의 경우) 유사하게 정해진다.

V_F(D3) + VCE_SAT(TP5) + VBE(TN1) + VCE_SAT(TN4)

혹은(다른 대각선의 경우):

V_F(D3) + VCE_SAT(TP6) + VBE(TN2) + VCE_SAT(TN3).

전원공급의 극성변환에 대한 보호기능을 제공하기 위해 다이오드 D3를 사용함은 정상의 동작조건에서 약 600mV와 1.2V 사이로 되어질 추가전압 강하V_F(D3)를 발생시키므로써 회로의 전기효율을 불리하게 함이 분명하다.

본 발명을 통해 극성보호 다이오드에 의해 제공된 보호기능을 완전히 보존시키면서 그같은 전원공급의 극성변환에 대한 보호기능을 위한 보호다이오드에서의 추가의 전압강하를 거의 제로(0)까지로 줄이는 것이 가능하다.

이같은 목적은 두 개의 위쪽 전력 스위치(NPN 트랜지스터)를 구동시키기 위해 사용된 두 PN 트랜지스터 에미터를 공통으로 그리고 직접 전력 공급레일(rail)에 연결시키므로써 실행된다.

본 발명의 바람직한 한 실시예에 따라 에미터가 제1 출력 핀에 연결되고 상기 제1 출력 핀을 스위치 절환식으로 양 전압전원레일(rail)로 연결시킬 수 있는 제1 NPN 트랜지스터,

에미터가 제2 출력 핀(2)에 연결되고 상기 제2 출력 핀을 스위치 절환식으로 양 전압전원레일로 연결시킬 수 있는 제2 NPN 트랜지스터,

콜렉터가 상기 제1 NPN 트랜지스터의 베이스에 연결되고 제1 PNP 트랜지스터 베이스로 공급된 구동 신호의 작용으로 상기 제 NPN 트랜지스터를 구동시킬 수 있는 제1 PNP 트랜지스터,

콜렉터가 상기 제2 NPN 트랜지스터의 베이스에 연결되고 제2 PNP 트랜지스터 베이스로 공급된 구동신호의 작용으로 상기 제2 NPN 트랜지스터를 구동시킬 수 있는 제2 PNP 트랜지스터를 포함하는 모노리드식으로 접합-타입 고립 기술에 의해 집적된 집적회로의 두 출력 핀(1,2) 사이에 연결된 부하(M)를 구동시키기 위한 브리지 회로로서,

상기 두 출력 핀과 음 공급전압 및 보호 다이오드 사이에 연결되어 상기 구동수단에 의해 구동되어 우발적인 전원공급 극 변환으로부터 회로를 보호하도록 하는 스위칭 수단을 더욱더 포함하며,

상기 보호 다이오드의 음극은 공통으로 연결된 상기 제1 및 제2 집적 NPN 트랜지스터의 콜렉터에 연결되고 양극은 양 공급 전압 레일에 연결되는 상기 브리지 회로에 있어서,

상기 제1 및 제2 PNP 트랜지스터의 각 에미터들이 상기 브리지 회로에서의 전압 강하를 줄이기 위해 공통으로 연결되며 양 공급전압 레일에 연결되고,

상기 보호다이오드가 브리지회로의 동작조건하에서 보호다이오드에서의 전압강하가 상기 NPN 트랜지스터의 베이스-에미터 전압과 같아지도록 하는 저항을 가지며,

상기 제1 및 제2 PNP 트랜지스터의 콜렉터-에미터 포화전압이 상기 제1 및 제2 NPN 트랜지스터의 콜렉터-에미터 포화저압과 같도록 하는 극변환 보호수단을 갖는 브리지회로가 제공된다.

본 발명의 다른 한 바람직한 실시예에 따라 ㄹ상기 보호다이오드가 제너다이오드이며 제2 네너다이오드가 전원공급레일(supply rail)에서의 전압스파이크로부터 회로의 성분(소자)들을 보호하기 위해 상기 제1 제너다이오드의 음극과 음전압 전원레일사이에서 상기 제1 제너다이오드와 반대의 극으로 연결되는 극변환보호수단을 갖는 브리지회로가 제공된다.

하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제3도에 도시된 PNP 집적구조에 대해 종전에 알려져 있던 것과 관련하여 제4도를 관찰하므로서 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 도시된 회로의 PNP 트랜지스터, TP5 및 TP6와 같은 P-타입 트랜지스터의 집적된 구조는 N-타입구조와는 달리 에미터 E가 N-타입영역(모두 N-타입영역인 매입층과 베이스 에피택셜 영역 B에 의해 구성된다)에 의해 P-타입기질(기판) S로부터 고립되는 P-타입영역이기 때문에 전원공급 극성변환으로부터 본래 보호되도록 되어 있다. 따라서, 전원공급전압극성이 어느쪽이든지 전원공급 레일(supply rails)을 통해 직점 연결된다하더라도 전류의 통과를 막는 서로 반대극성을 갖는 직렬연결된 다이오드들(관련된 도식적 기호에 의해 단면이 개략적으로 도시된 바와 같이)이 존재하게 된다.

제5도에 도시된 바와 같이 브리지회로를 만듦으로써, 즉 집적된 PNP 전력스위치, TN1과 TN2를 구동시키는 두 PNP 트랜지스터, TP5 및 TP6에미터를 양 전원공급레일(positive supply rail)에 직접연결시키므로써 극성보호 D3에서의 추가전압강하를 실제 제로(0)로 하는 것이 이제 실현될 수 있게 된다.

사실, 제5도 브리지회로의 총 전압강하는 다음의 관계식 쌍중 큰 것으로 정해진다(첫번째 대각선의 경우).

또는 (다른 대각선의 경우),

그리고(상기와 같은 첫 번째 대각선의 경우)

또는 (다른 대각선의 경우),

전원공급극성의 우발적인 변환에 대한 보호의 기능은 보호 다이오드 D3에 의해 보장되며 상기 구동브리지 회로에서의 전압강하는 보호다이오드 D3가 없는 제1도 브리지회로 전압강하와 실질적으로 유사하게 유지된다.

이같은 브리지회로를 구성시키는 집적된 소자들의 적당한 크기조정을 통하여, 다음의 조건들이 용이하게 보장하여진다.

(이때의 전압크기는 0.6과 1.2V 사이로 이루어진다);

(이때의 전압크기는 0.3과 1.0V 사이로 이루어진다).

본 발명자에 의해 제의된 이같은 간단한 해결책은 본 발명 기술분야에 숙련된 장게 분명한 바와 같이 다음과 같은 여러 종류의 집적소자에 적용될 수 있다.

a) 구동회로외에 NPN 쌍극형 전력 트랜지스터 TN1, TN2, TN3 및 TN4와 두 구동 PNP 트랜지스터 TP5 및 TP6를 포함하는 모노리드식 집적 전-브리지 회로.

b) 각각이 트랜지스터 TN1, TN3 및 TP5와 트랜지스터 TN2, TN4 및 TP6를 제각기 포함하는 두 개의 모노리드식 집적 반-브리지회로.

C) 전력 NPN 트랜지스터 TN1 및 TN2 그리고 관련된 구동 PNP 트랜지스터 TP5 및 RP6를 포함하며, 이때의 회로가 모노리드식 혹은 이산 형태로 공지의 회로들에 결합될 수 있으며, 이때의 회로가 모노리드식 혹을 이산 형태로 공지의 회로들에 결합될 수 있으며, 쌍극형 트랜지스터 MOS 트랜지스터, SCR 혹은 다른 동등한 전력 소자 어느것이든 사용하여 스위치가 접지 TN3 및 TN4를 향하도록 하는 양(positive) 전압공급레일을 향한 더블스위치(double switch).

이들 집적된 실시예 형태 a), b) 및 c) 각각에 대해, 전원공급극성변환에 대한 보호다이오드 D3는 만약 집적회로의 특별한 제조공정이 이를 허용한다면 그 자체가 모노리드식으로 집적될 수 있으며, 혹은 전체 디자인 경제성에 비추어 이산의 개별적인 소자일 수도 있다.

보호다이오드 D3는 두 개의 전력 트랜지스터 TN1 또는 TN2중 한 트랜지스터에 흐르는 전류와 동일한 전류를 통과시키며, 집적된 스위치 TN1 및 TN2의 동시발생전도는 상기 구동회로에 의해 배제될 것이기 때문에 상기 통과 전류의 두배전류는 결코 통과시키지 않게 된다.

본 발명 회로의 또다른 실시예가 제6도에 도시되어 있으며, 이는 고압스파이크 및 덤프(dump) 전압상태가 전원장치에서 발생되기 쉬운 차량장치 및 이와 유사한 환경에서 사용되어질 집적소자에서 특히 적합하다.

다이오드 D3 를 상응하는 제1 제너다이오드 DZ3로 대체시키고 제6도에 도시된 바와 같이 접지레일(ground rail)과 제너 DZ3의 음극사이에 제2 제너다이오드 ZP를 연결시키므로써 트랜지스터 TP5 및 TP6는 전원장치에서의 음과 양 전압스파이크로부터 효과적으로 보호될 것이다.

정상동작조건중에 정방향 바이어스된 제너다이오드 DZ3는 정상적인 다이오드(제5도의 D3)와 같다. 전원장치에서 음전압스파이크가 있는때 전류는 정방향 정도상태로 ZP, TN1 및 TN2를 통해 그리고 역방향 바이어스된 제너다이오드 DZ3를 통해 흐르며 이는 트랜지스터 TP5 및 TP6에서의 전압을 제너다이오드의 항복전압까지로 제한하여 유지시킬 것이다. 양전압스파이크의 경우에는, 전류가 정방향 전도상태로 DZ3를 통해 그리고 제너다이오드 ZP를 통해 흐르며 이는 상기의 전압을 제너다이오드의 항복전압 혹은 제너다이오드의 항복전압과 제너다이오드 DZ3에서의 정방향 저압강하의 함으로 제한시킬 것이다.

Claims (3)

1. 에미터가 제1출력 핀(1)에 연결되고 상기 제1 출력 핀을 스위치 절환식으로 양 전압전원레일(rail)로 연결시킬 수 있는 제1 NPN 트랜지스터(TN1), 에미터가 제2 출력 핀(2)에 연결되고 상기 제2 출력 핀을 스위치 절환식으로 앵 전아전원레일로 연결시킬 수 있는 제2 NPN 트랜지스터(TN2), 콜렉터가 상기 제1 NPN 트랜지스터(TN1)의 베이스에 연결되고 제1 PNP 트랜지스터(TP5) 베이스로 공급된 구동신호의 작용으로 상기 제1 NPN 트랜지스터(TN1)를 구동시킬 수 있는 제1 PNP 트랜지스터(TP5), 콜렉터가 상기 제2 NPN 트랜지스터(TN2)의 베이스에 연결되고 제2 PNP 트랜지스터(TP6) 베이스로 공급된 구동신호의 작용으로 상기 제2 NPN 트랜지스터(TN2)를 구동시킬 수 있는 제2 PNP 트랜지스터(TP6)를 포함하는 모노리드식으로 접합-타입 고립기술에 의해 집적된 집적회로의 두 출력 핀91,2) 사이에 연결된 부하(M)를 구동시키기 위한 브리지 회로로서, 상기 두 출력 핀과 음 공급전압 및 보호 다이오드(D3) 사이에 연결되어 상기 구동수단에 의해 구동되어 우발적인 전원공급 극 변환으로부터 회로를 보호하도록 하는 스위칭 수단을 더욱더 포함하며 상기 보호다이오드의 음극은 공통으로 연결된 상기 제1 및 제2 집적 NPN 트랜지스터(TN1, TN2)의 콜렉터에 연결되고 양극은 양 공급 전압 레일에 연결되는 상기 브리지 회로에 있어서, 상기 제1 및 제2 PNP 트랜지스터(TP5, TP6)의 각 에미터들이 상기 브리지 회로에서의 전압 강하를 줄이기 위해 공통으로 연결되며 양 공급전압 레일에 연결됨을 특징으로 하는 극변환 보호수단을 갖는 브리지회로에 있어서, 상기 제1 및 제2 PNP 트랜지스터(TP5,TP6)의 각 에미터들이 상기 브리지 회로에서의 전압 강하를 줄이기 우해 공통으로 연결되며 양 공급전압 레일에 연결됨을 특징으로 하는 극변환 보호수단을 갖는 브리지회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 보호다이오드(D3)가 브리지회로의 동작조건하에서 보호다이오드에서의 전압강하가 상기 NPN 트랜지스터(TN1, TN2)의 베이스-에미터 전압과 같아지도록 하는 저항을 가지며, 상기 제1 및 제2 PNP 트랜지스터(TP5, TP6)의 콜렉터-에미터 포화 전압이 상기 제1 및 제2 PNP 트랜지스터(PN1, PN2)의 콜렉터-에미터 포화전압과 같도록 함을 특징으로 하는 극변환 보호수단을 갖는 브리지회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 보호다이오드가 제너다이오드(DZ3)이며 제2 네너다이오드(ZP)가 전원공급레일(supply rail)에서의 전압 스파이크로부터 회로의 성분(소자)들을 보호하기 위해 상기 제1 제너다이오드(DZ3)의 음극과 음전압 전원레일사이에서 상기 제1 제너다이오드(DZ3)의 반대의 극으로 연결됨을 특징으로 하는 극변환보호수단을 갖는 브리지회로.

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