KR100214944B1 - 게이트 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 F.E.T나 I.G.B.T와 같은 전계효과 트랜지스터의 게이트 구동회로에 관한 것으로 특히 H형 (Full브릿지 or Harf브릿지) 브릿지 스위칭회로 구성에 있어서 별도의 게이트 구동 전원이나 절연된 전원공급 수단을 필요로 하지 않는 구동회로를 제공하기 위한 것이다. 종래에는 상단부와 하단부의 스위칭소자의 게이트 전위가 달라 별도의 독립된 게이트-소오스간의 전원 공급수단과 절연수단 및 게이트 제어수단이 필요하였으며, 이러한 종래의 방법의 게이트와 소오스간의 독립되고 절연된 변압기를 필요로 하였고 변압기를 소형, 경량화 하기 위해 고주파 스위칭전원을 만들어 변환시키는 수단을 사용하였다.

그러나 이러한 방법은 P.C.B기판 실장에 있어서 공간을 많이 차지하고, 스위칭 회로의 손실이 커서 변환효율이 낮아질 소지가 크고, 불필요한 E.M.I발생원이 되고, 대체로 부품 코스트가 높은 결점이 있었다. 본 발명은 모터구동이나 전력제어에 많이 사용되고 있는 전계효과 트랜지스터(F.E.T, I.G.B.T)의 H형 브릿지 회로에 있어서 게이트 구동회로의 전원을 부하 구동용 전원에서 직접이용할 수 있고, 변압기와 같은 전자(電磁)변환 수단을 배제하여 P.C.B실장 밀도를 높일수 있고 집적회로(I.C)화가 가능한 부품으로만 구성된 회로를 제공하기 위한 것이다.

Description

게이트(Gate) 구동회로

제1도는 종래의 게이트 구동회로의 일 실시예.

제2도는 종래의 게이트 구동회로 구동전압 파형 설명도.

제3도는 본 발명의 게이트 구동회로 실시예.

제4도는 본 발명의 게이트 구동회로 구동전압 파형 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 발진회로 2 : 절연 고주파 트랜스포머

3 : 브릿지 정류회로 7, 71 : 게이트 제어입력

8, 9 : 전계효과 트랜지스터(FET, IGBT) 10 : 부하

19 : 포토커플러

본 발명은 FET나 IGBT와 같은 전계효과 트랜지스터의 게이트 구동회로에 관한 것으로, 특히, H형 브릿지 스위칭 회로구성에 있어서의 별도의 게이트 구동전원이나 절연된 전원 공급수단을 필요로 하지 않는 게이트 구동회로를 제공하기 위한 것이다.

종래의 H형 브릿지 스위칭 회로에 있어서의 전계효과 트랜지스터의 게이트 구동회로는 부하전원과 졀연되어야 하고, 제어논리 회로와 접지 전위가 일치하지 않아서 별도의 독립된 게이트 소오스간의 전원(VGS)공급 수단을 필요로 하였다.

이러한 전원공급 수단은 각 FET의 게이트와 소오스간의 독립되고 절연된 변압기를 필요로 하였고, 변압기를 소형화하기 위해 고주파 스위칭 전원을 만들어 변환시키는 수단을 사용하기도 하였다. 그러나 이러한 방법은 PCB기판실장에 있어서 공간을 많이 차지하고, 스위칭 회로의 손실이 커서 변환 효율이 낮아질 소지가 크고, EMI발생원이 되고, 대체로 부품코스트가 높은 결점이 있었다.

본 발명의 목적은 모터구동이나 전력제어에 많이 사용되고 있는 전계효과 트랜지스터(FET,IGBT) H형 브릿지 스위칭 회로에 있어서 게이트 구동회로의 전원을 부하구동용 전원에서 직접 이용할 수 있고, 변압기와 같은 전자(電磁)변환수단을 배제하여 PCB실장 밀도를 높일 수 있고, 집적회로(IC)화가 가능한 부품으로만 구성된 회로를 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명의 게이트 구동회로를 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에 도시한 바와같이 H형 브릿지 스위칭 회로에 있어서의 상단전계효과 트랜지스터(8 , Hs)의 소오스(S)와 게이트(G)는 하단전계효과 트랜지스터(9, Ls)의 소오스(S)와 게이트(G)와는 달리 접지 전위가 다르기 때문에 상단 전계효과 트랜지스터(8)를 안정적으로 구동하기 위해서는 상단전계효과 트랜지스터(8)의 게이트(G)와 소오스(S)사이에 별도의 독립된 전원이 필요하고, 게이트(G) 제어입력신호(7)에 동기될 수 있어야 한다. 종래의 기술과 방법 중에서 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 널리 공지 공용되고 있는 수단으로서 제1도와 같이 논리회로의 제어출력신호(7)에 의해 고주파 발진을 하는 발진장치(1)을 구비하고 발진장치(1)출력을 변압기(2)로 변환하여 변환된 교류출력을 정류회로(3)와 콘덴서(4)로 평활된 직류전압을 만들고 그 전압을 저항(5)과 저항(6)으로 바이어스 시켜 전계효과 트랜지스터(8)의 게이트에 인가 하였다. 즉 제2도에 도시한 바와같이 논리회로 제어신호출력(Ve)이 입력(7)에 인가되면, 논리 H상태에서 발진장치(1)의 발진전압이 발생하고 변압기(2)에 인가된 교류전압이 정류장치(제1도 3)에서 정류(31)되고 평활콘덴서(제1도 4)에서 평활(41)되어 소오스(S)와 게이트(G)간에 인가되면 전계효과 트랜지스터(8)는 턴-온 된다. 논리회로 제어신호출력(Ve)이 L상태이면 발진이 멈추고 변압기(2)에 유도전압이 발생하지 않아서 전계효과 트랜지스터(8)는 턴-오프 되는 것이다. 이와같은 종래의 게이트 구동회로는 상술한 바와 같이 발진회로(1)와 변압기(2) 및 정류장치(3)가 필요하였고, 또한, 이러한 전력변환 부품들을 소형화하기 위한 수단으로 발진 주파수를 높였으나, 변압기(2)코어 및 정류장치(3)의 우수한 특성이 요구되고 코스트 부담이 가중되었다. 이러한 종래의 결점들을 해결하기 위해 창출된 본 발명의 게이트 구동회로를 제3도에 의해 설명한다.

H형 브릿지 스위칭 회로에 있어서 상단부(Hs)의 전계효과 트랜지스터(8) 드레인(D)에 저항(15)을 연결하고 저항과 직렬로 다이오드(14)의 애노드측을 연결하고 다이오드 캐소드측과 콘덴서(11)의 플러스(+)축을 연결하고 콘덴서(11)의 마이너스(-)측을 전계효과 트랜지스터(8)의 소오스(S)측과 연결한다. 그리고 저항(12)과 직렬연결된 제너다이오드(13)을 콘덴서(11)와 병렬로 연결 구성시킨다.

또 저항(12)과 제너다이오드(13)가 직렬로 연결된 점과 전계효과 트랜지스터(8)의 게이트 사이에 게이트 저항(6)을 연결하고, 게이트저항(6)과 소오스(S)사이에 트랜지스터(18)의 콜렉터, 에미터를 각각 연결하고 트랜지스터(18)의 베이스와 다이오드(14)의 캐소드측에 저항(16)을 연결하고 트랜지스터(18)의 베이스와 에미터사이에 포토커플러(19)의 출력을 연결한다. 또한 포토커플러의 다이오드측 입력에 있어서 애노드측은 논리회로전원(Vcc)을 저항(20)을 통해 연결하고 캐소드측은 NPN 트랜지스터(22)의 콜렉터에 연결하고, 트랜지스터(22)의 에미터를 하단부(Ls)전계효과 트랜지스터(9)의 소오스(S) 또는 논리회로와의 공통접지에 연결한다. 또 트랜지스터(22)의 베이스에는 저항(21)을 연결하고 저항(21)의 다른 일측을 게이트 제어 입력단(7)으로 한다. 그리고 상단부(Hs)의 전계효과 트랜지스터(8)의 소오스(S)와 하단부(Ls)의 전계효과 트랜지스터(9)의 소오스(S)사이를 저항(23)을 연결한다.

이와같이 구성된 H형 브릿지회로의 좌,우의 다른 일측은 똑같은 구성이므로 설명을 생략하고, 본 발명의 회로기능에 대해서 설명하면 다음과 같다.

부하(10)에 스위칭 전력을 공급하기 위해 인가되는 전원전압(+VL)이 전계효과 트랜지스터(8)의 드레인측에 인가되면 저항(15)과 다이오드(14)를 통해서 콘덴서(11)플러스측에 플러스전류가 흐르고 저항(23)을 통해 마이너스측으로 전류가 흐름으로써 콘덴서(11)에 충전전압이 형성된다. 콘덴서(11)의 전압은 저항(12)과 제너다이오드(13)에 의해 전계효과 트랜지스터(8)의 게이트 구동에 필요한 전압으로 조정되고 안정된다.

즉, 제너다이오드(13)의 제너전압이 상단(Hs)전계효과 트랜지스터(8)의 독립된 전원 역할을 하게 되는 것이다.

저항(15)과 저항(23)은 플러스(+)전압과 마이너스(-)전원의 균등한 전위분배를 위한 역할을 하고 콘덴서(11)는 마이너스(-)측과 전계효과 트랜지스너의 소오스(S)가 서로 연결되어 있어서 동일 전위가 되므로 안정된 게이트 전원역할을 하고, 전계효과 트랜지스터(8)의 게이트를 턴-온 시키고 유지하는데 필요한 전압(전하공급원)을 제공한다.

이러한 제너다이오드(13)의 전압은 저항(6)을 통해 게이트(G)에 플러스 전하가 인가되지만 NPN트랜지스터(18)는 트랜지스터의 베이스에 연결된 저항(16)에 의해 플러스 전압이 인가되어 ON상태가 유지되고 부바이어스를 유지하므로 전계효과 트랜지스터(8)를 OFF상태로 유지하게 한다. 한편 제4도에 도시한 바와같이 논리회로로부터 게이트 제어입력(7)이 H상태로 인가되면 NPN트랜지스터(21)는 ON되고 포토커플러 입력단 다이오드가 발광 ON되므로 트랜지스터(18)의 베이스와 에미터 사이에 연결된 포토커플러의 출력트랜지스터가 ON되므로 트랜지스터(18)은 OFF된다. 따라서 전계효과 트랜지스터(8)의 게이트에 제4도와 같는 게이트 전압(VGS)이 인가되고 상단 전계효과 트랜지스터(8)는 ON된다.

이와같이 회로기능에 의해 제4도와 같이 게이트 제어 입력(7)의 H 또는 L상태의 논리신호에 따라 별도의 게이트전원용 전력변환 수단이나 장치를 필요료 하지 않고서도 게이트 구동전압(VGS)을 인가 할 수 있으며, H형 브릿지 회로의 전계효과 트랜지스터(8,9)를 스위칭 할 수 있다.

한편 상단 전계효과 트랜지스터(8)가 ON되면 상단 전계효과 트랜지스터(8)의 트레인-소오스 사이의 저항이 수 Ω이하로 낮아지므로 콘덴서(11)에 전압공급이 끊어지고 오히려 콘덴서(11)에 충전되었던 전류가 역류될 수 있다. 그러나 다이오드(14)가 전원측으로 부터는 순방향으로 연결되어 있으나 콘덴서(11) 플러스측으로 부하는 역 방향으로 연결되어 있어서 이러한 현상을 방지한다.

콘덴서(11)는 상단 전계효과 트랜지스터(8)를 스위칭 하는 주파수의 ON시간을 감안해서 캐패시턴스의 용량을 결정한다.

이와같이 구성된 본 발명의 게이트 제어회로는 H형 브릿지 스위칭회로에 있어서 상단 전계효과 트랜지스터의 게이트 전원을 부하전원 접지와 절연되게 할 수 있는 별도의 전원장치를 구비하거나 특별한 변환장치를 필요로 하지 않고 부하구동용 전원(+VL)을 직접 이용할 수 있다. 또한 콘덴서(11)을 제외한 나머지 부품들은 모두 저항과 반도체 소자들로 구성되어 있어서 1개의 칩으로 집적 IC화 하는데 매우 용이하므로 PCB실장을 대폭 축소할 수 있고 신뢰도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 불필요한 고주파 영역의 전지파(EMI)발생을 최소화 할 수 있는 염가의 게이트 구동회로를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. H형 브릿지 스위칭회로에 있어서, 상단(Hs)전계효과 트랜지스터(8)의 드레인과 연결된 전원(+VL)단자에 저항(15)을 연결하고 이 저항과 직렬순 방향으로 다이오드(14)를 연결하고 다이오드(14)캐소드측과 상단(Hs)전계효과 트랜지스터(8)의 소오스(S)사이에 콘덴서(11)를 병렬로 연결하고 상단(Hs)전계효과 트랜지스터(8)의 소오스(S)와 접지전원(Gc)과 연결된 하단(Ls)전계효과 트랜지스터(9)의 소오스(S)사이에 저항(23)을 연결하여서 상단(Hs)전계효과 트랜지스터(8)의 게이트 구동용 전원을 확보할 수 있는 수단을 가지며 콘덴서(11)의 플러스측과 마이너스측 사이에 직렬로 연결된 저항(12)과 제너다이오드(13)를 병렬로 연결하고, 제너다이오드(13)의 캐소드와 상단 전계효과 트랜지스터(8)의 게이트에는 게이트저항(6)을 연결하고 게이트 저항(6)전단과 상단 전계효과 트랜지스터(8)의 소오스(S)에 트랜지스터(18)의 콜렉터와 에미터를 각각 연결하고 트랜지스터(18)의 베이스와 다이오드(14)사이에 저항(16)을 연결하고 트랜지스터(18)의 베이스와 에미터 사이에 포토커플러(19)의 출력 트랜지스터의 콜렉터와 에미터르 각각 연결하고 로직전원(Vcc)과 포토커플러(19)의 입력다이오드 애노드사이에 저항(20)을 연결하고 포토커플러(19)의 입력다이오드 캐소드와 접지전원(Gc)과 연결된 하단(Ls)전계효과 트랜지스터(9)의 소오스(S)사이에 트랜지스터(22)를 연결하여 트랜지스터(22)의 베이스에 상단(Hs)전계효과 트랜지스터(8)를 스위칭할 수 있는 신호를 입력할 수 있고, 하단(Ls)전계효과 트랜지스터(9)의 게이트에 바이어스 저항(61)을 연결하여 하단(Ls)전계효과 트랜지스터(9)를 스위칭 할 수 있는 신호를 입력할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.