KR100614944B1 - 고주파용 트리거소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파용 트리거소자에 관한 것으로, 특히 접합용량이 상대적으로 작은 PN 접합형 다이오드와 접합용량이 상대적으로 큰 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결한 것을 특징으로 하여 접합용량이 작은 트리거 소자를 제조하는데, 상기 다이오드는 1개 이상으로 단상 및 다상 브릿지 다이오드들도 포함하고, PNPN소자는 SCR, TVS, MOV, SSS, 트라이악 및 GTO 등을 포함한 것이다.

이로서, 고주파 응용회로에 리미터로 사용되는 트리거소자의 접합용량을 대폭 저감시킬 수 있어, 선로상에 흐르는 고주파신호에 대하여 감쇄를 초래하지 않고 원하는 신호에 대하여 트리거 및 리미트 기능을 제공할 수 있어 고주파 응용회로의 작동에 따를 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 것이다.

고주파, 트리거, 리미트, 접합용량

Description

고주파용 트리거소자{A trigger element for high frequency}

도 1의 (a)-(c)는 종래에 리미트 회로용으로 사용되는 다이오드의 연결상태와 내부용량 및 고주파에서 용량성으로 작동되는 상태를 보인 등가 회로도.

도 2의 (a)-(c)는 종래에 리미트 회로용으로 사용되는 트라이악의 연결상태와 내부용량 및 고주파에서 용량성으로 작동되는 상태를 보인 등가 회로도.

도 3의 (a)-(c)는 본 발명 일 실시예의 연결상태와 내부용량 및 고주파에서 용량성으로 작동되는 상태를 보인 등가 회로도.

도 4는 본 발명 고주파용 트리거소자의 다른 실시 예시도.

도 5는 본 발명 고주파용 트리거소자의 또 다른 실시 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

SCR, TVS, MOV, SSS, 트라이악 및 GTO : PNPN 접합형 트리거소자

D, D1-Dn : PN 접합형 다이오드

BD : 브릿지 다이오드

본 발명은 고주파용 트리거소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파 응용회로에서 내부용량이 상대적으로 월등히 작은 PN 접합형 다이오드와 상대적으로 용량성분이 매우 크고 리미트 특성이 우수한 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결하여 몰딩화하는 방식을 통해 트리거소자의 내부용량을 대폭 저감시켜 고주파 응용회로에서 트리거소자의 내부용량 증대로 인한 신호의 왜곡을 미연에 방지할 수 있도록 발명한 것이다.

일반적으로 PN 접합형 다이오드 또는 PNPN접합형 트리거 소자(예; SCR, 트라이악 등)를 고주파회로 특히 서지 클램핑(Surge Climping)등에 활용하게 되면 접합용량에 의거 유효한 신호의 감쇄를 초래하게 된다.

통상 1A 급 다이오드 1개는 수~수십 pF의 내부용량(junction capacitance)을 가지며, 15V/600W급 TVS는 약 800pF의 내부용량(Capacitance versus reveres voltage applied)을 가진다.

또한 게이트에 위의 TVS를 전압제한소자로 활용한 SCR, 트라이악 등도 수 백 pF~수 nF의 용량을 가지는 바, 이들 다이오드나나 TVS류, SCR, 트라이악 등 소자는 접합용량의 한계에 따라 고주파 신호를 취급하는 내부용량에 의하여 심각한 손실로 이어져 사용할 수 없는 한계를 가지게 된다.

더욱 곤란한 문제는 통신선로나 회로상에 삽입된 이들 소자는 신호의 흐름이 바이어스 변동으로 이어져 신호레벨이 증가하면 용량의 감소, 신호레벨이 감소하면 용량의 증가현상이 동반하여 결국 신호의 왜곡을 증가시키는 요인으로 작용하는 것이다.

상기와 같은 현상을 도 1의 (a)-(c) 및 도 2의 (a)-(c)를 중심으로 기존의 반도체 소자를 통한 서지 리미트회로 등의 구성 및 그 등가 회를 자세히 설명한다.

도 1의 (a) 및 도 2의 (a)는 기존의 반도체 소자로서 다이오드(D)와 트라이악(T)을 리미트 회로에 적용한 예로서, A-B간에서 정상적으로 전송되는 신호에 비하여 과도한 신호 즉, 서지가 유입되면 이를 리미트하여 출력측에 원하는 전위 이내로 유지시키고저 하는 회로이다.

이러한 종래의 기술에 의한 반도체 소자를 통한 리미터는 반도체 소자가 갖는 내부용량에 의거 도 1의 (b) 또는 도 2의 (b)와 같은 용량성분(ZC1)(ZT1, ZT2)을 가지면서 다이오드 내지 제너다이오드 역할을 하게 되어 신호의 감쇄가 수반되는 특징을 갖는다.

뿐만 아니라 이와 같은 회로에서는 다이오드가 갖는 역전압에 대한 용량의 변화로 고주파 회로에서는 신호의 압신현상이 수반되는데, 이는 기생발진 또는 신호의 왜곡으로 이어지는 문제점을 내포하고 있다.

도 1의 (c)와 도 2의 (c)는 상기 다이오드 및 트라이악의 등가용량을 나타내는 것으로, 상기한 바와 같이 많은 용량성분(ZC11)(ZT11, ZC21)에 의거, TVS등 서지 전용 소자 마져도 고주파회로에 적용하데 한계가 따르고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고주파 응용회로에서 리미터로 사용되는 트리거소자의 내부용량을 대폭 저감시켜 선로상에 흐르는 유효한 신호의 감쇄특성을 개선하면서 원하는 신호에 대하여 트리거 및 리미트 기능을 제공할 수 있는 고주파용 트리거소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양은, 접합용량이 상대적으로 작은 PN 접합형 다이오드와 접합용량이 상대적으로 큰 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결하여 접합용량이 작은 트리거 소자를 제공하는 특징으로 한다.

이 때, 상기 다이오드는 1개 이상으로 단상 및 다상 브릿지 다이오드들도 포함하게 되는데, 단상 또는 다상 브릿지 다이오드 경우 그 상수에 대응하는 선로 연결용 입력단자를 구비하고 있다.

또, 상기 트리거소자로는 SCR, TVS, MOV, SSS, 트라이악 및 GTO 등을 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3의 (a)-(c)는 본 발명 일 실시예의 연결상태와 내부용량 및 고주파에서 용량성으로 작동되는 상태를 보인 등가 회로도를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명 고주파용 트리거소자의 다른 실시 예시도를 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명 고주파 용 트리거소자의 또 다른 실시 예시도를 나타낸 것이다.

이에 따르면 본 발명은, 전류용량이 서로 같으면서 접합용량이 상대적으로 작은 PN 접합형 다이오드와 접합용량이 상대적으로 큰 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결하여 몰딩시킨 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 다이오드는 1개 이상을 상기 트리거소자의 에노드측에 직렬 연결하거나, 2개의 선로 연결용 입력단자(L1, L2)를 갖는 단상 브릿지 다이오드(BD1) 또는 다수의 입력단자(L1, L2, X)를 갖는 다상 브릿지 다이오드(BDx) 중 어느 하나를 직렬 연결한 구성을 갖는다.

또한, 상기 트리거소자는 다이오드 보다 그 내부용량이 상대적으로 매우 큰 SCR, TVS, MOV, SSS, 트라이악 및 GTO 등을 포함한다.

이와 같이 같이 구성된 본 발명 트리거소자의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, PN 접합형 다이오드를 직렬 접속하여 원하는 리미트값을 얻는 것은 일반적인 상식이므로, 상기와 같이 다이오드를 직렬 접속하면 접합용량은 그 수 만큼 줄게 되고 리미트 값은 증가하는 것 또한 사실이나, 다이오드의 정특성에 있어 순방향 서지 전압특성은 그 보다 대폭 악화된다.

따라서, PN 접합형 다이오드만을 직렬 접속하는 방식으로는 원하는 서지 특성을 얻기에 한계가 있다.

한편, TVS 및 MOV류 또한 상기한 다이오드와 유사한 직, 병렬 접속 특성을 가지며, SCR과 트라이악 등은 소자 특성상 병렬 접속은 유리하나 직렬 접속에는 효 과적이지 않다는 판단이다.

상기한 SCR, SSS, 트라이악도 병렬 접속시 용량의 증가는 콘덴서의 병렬 접속과 유사한 특성을 가진다.

결과적으로 다이오드의 직병렬 접속은 용이한 구성과 접합용량의 효율적인 보완이 가능한 반면, 다수의 접속이 필요하며 이로 인해 서지특성이 악화된다.

그러나 다이오드와 SCR, SSS, 트라이악 등의 직렬 접속의 경우 트리거 전압의 변경이 용이하여 다이오드의 직렬 접속시 서지특성 악화라는 측면을 상대적으로 보완할 수 있는 결과를 볼 수 있다.

이하에서 다이오드와 SCR을 중심으로 상기한 문제의 해법에 접근하기로 한 것이다.

즉, 본 발명에서는 도 3의 (a)와 같이 내부용량이 상대적으로 월등히 작은 PN 접합형 다이오드(D)와 상대적으로 용량성분이 매우 클 수 있으나 리미트 특성이 우수한 PNPN 접합형 트리거소자로서 SCR을 직렬 연결시켜 이를 일체로 몰딩화한 것이다.

한편, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 대한 용량성분의 등가 회로로서 다음과 같은 용량특성을 가진다.

ZC=(ZC211*ZC212)/(ZC211+ZC212)

ZC211=100pF, ZC212=1000pF일때

ZC=(100*1000)/(100+1000)=90.9pF

또, 도 3의 (b)와 같은 회로의 등가용량 성분을 도 3의 (c)와 같은 등가 회 로로 표현될 수 있으며 입력측 용량 ZC는 다음과 같다.

ZC=(ZC1*ZC2)/(ZC1+ZC2)

ZC211=100pF, ZC212=1000pF일때

ZC=(100*1000)/(100+1000)=90.9pF

위의 식에서 알 수 있듯이 용량성분이 적은 다이오드와 용량이 큰 SCR의 직렬 접속에서 SCR 용량이 상대적으로 월등히 큼에도 전체적인 모듈의 내부용량은 다이오드 모듈용량 보다 월등히 낮아지는 특성을 가진다.

그런데, 실질적인 측정에 있어 310pF의 용량을 가지는 두 다이오드를 병렬 접속시 위 계산식의 610pF의 용량을 기지지 않고 506pF을 가지며, 이를 직렬 접속시키면 155pF이 아닌 119pF의 용량이 측정되었다.

이는 위 측정시료의 병렬 접속시 약 83%의 용량을 가지는 것이고 직렬 접속시 77%의 용량값을 가지는 특성을 가지는 것이다.

또한 특정한 신호레벨을 갖는 실험 회로에서는 직렬 접속 용량의 증가가 전체 용량에 대하여 급감하는 현상이 목격되는 바, 이는 실험적으로 15V 리미트 전압을 가지는 600W급 TVS와 유사한 전류용량을 가지는 3A급의 60pF의용량을 가지는 브리지 다이오드 출력 P(+)측에 1.0uF의 콘덴서를 접속시 전체 용량을 21pF으로 측정되는 현상이 나타난다.

이는 반도체 소자의 용량 성분을 직,병렬 접속시 일반 콘덴서의 직,병렬 접속과는 다른 현상이 있음을 보여주는 것으로, 신호레벨에 의거 그 만큼의 역방향 바이어스가 변동하는 원인으로 해석할 수 있다.

따라서 신호레벨에 따라 적절한 역바이어스 형성의 조건을 응용한다면 다이오드의 직, 병렬 접속한 브릿지내에 어떠한 용량을 가지는 소자를 접속하여도 전체용량은 증가하지 않는다는 사실이다.

이는, 순방향 전압강하가 수 십mv 내지 수 백mv에 해당하는 다이오드에 직렬접속된 리미터는 상대적으로 큰 전압값을 가지므로 응용회로 전반적인 유효신호 레벨이 0dB에 월등히 낮은 값이라는 일반성에 비추어 전, 후 상관관계를 감안하여도 큰 여유도에 의거, 다이오드의 역바이어스에 대한 용량변화는 극히 미미해지는 특성을 가지는 것이다.

따라서 적정한 용량의 다이오드 또는 브릿지 다이오드와 여타 리미트/트리거용 소자를 직렬 결합하므로서 최소한 다이오드의 접합용량 범주 이내에서 트리거소자의 용량에 관계없이 트리거 소자의 특성을 활용할 수 있는 특징을 가지는 것이다.

이것이 당 발명의 핵심적 특징이라 할 수 있는 것이다.

즉, SCR, TVS, MOV, 트라이악 등은 내부용량이 커 고주파 회선의 서지 억제소자로서 활용하기 곤란하나, 다이오드는 그 내부용량이 상대적으로 작으나 리미트특성이 떨어지는데 이를 직렬 접속하여 용량성분을 줄이고, 리미트소자가 갖는 특성을 얻으므로서 상기한 문제점을 일거에 해결할 수 있는 것이다.

도 4는 같은 전류용량을 가진 소자라도 상대적으로 접합용량이 작은 두 입력 브릿지 다이오드(BD1)와 상대적으로 내부용량이 큰 SCR을 직렬 접속하여 전체적으로 내부용량이 작은 SCR을 제조 또는 활용할 수 있도록 한 예시를 보인 것이다.

종래의 일반 다이오드 또는 다이오드와 직렬로 접속되는 대 용량 SCR모듈은 접합용량의 개념이 적용되어 있지 아니하여 고주파응용회로 특히 서지 클램핑 등에 활용하기에는 적합치 아니하였다.

그러나, 상기 사항에 대비되는 본 발명의 모듈은 접합용량이 상대적으로 작은 다이오드를 기반으로 접합용량에 구애됨 없이 그 용량이 상대적으로 큰 SCR 등을 직렬로 접속하므로서 용량을 전체 다이오드의 접합용량 이내로 할 수 있었으며, 다이오드 2개를 한조를 추가하여 입력 1개를 증가한다 하여도 리미터 또는 트리거 소자는 한개로서 가능하게 된다.

물론, 이와 같은 구성을 TVS, MOV 등과 같은 리미트소자에 적용하여도 동일한 용량저감 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 5는 다상 입력단자를 갖는 브릿지 다이오드(BDx)에 트리거소자를 접속하여 양방향성 입력을 갖을 수 있도록 한 것으로 정류다이오드 수를 증가시켜 양방향성 다입력(단상과 접지, 3상, 3상과 접지,,,등등)의 단자를 갖는 특징을 가도록 할 수 있는 예를 제시한 것이다.

이와 같은 구성에서는 리미트소자에 출력단자를 구비시키거나, 출력단자 없이도 하나의 회로로 이용할 수 있으며, 하나의 소자로서 제조 할 수 있는 특징을 가진다.

이는, 도 5와 같이 필요에 따라 리미트 전압을 조절할 수 있는 제어단자(DA, G)를 구비시키고, 출력단자(A, K)를 갖게 하거나, 리미터 또는 트리거 가능한 소자를 직결하여 별도의 출력단자 없이 내부적으로 부하를 대신할 수 있도록 할 수 있 는 것이다

또한, 상기 리미트소자의 출력부에 부하(Z)를 추가하여 활용할 수 있으며, 부하는 큰 용량으로 댐핑(축전기와 저항등, 리미터등을 활용)하거나, 부하(Z)를 쇼트시켜 활용한다해도 다이오드 또는 브릿지 다이오드를 기반으로 하는 입력부와 리미트소자의 값에 따라 실용상 입력측의 용량에 영향을 주지 않는 특징을 가진다.

또, 리미트소자의 출력단자인 A-K간에 부하로서 리미트소자를 직접 연결하여 리미트소자 자체를 부하(Z)로 대체 활용할 수도 있다.

상기와 같이 고주파에 의해 작동시 그 용량성분이 상대적으로 월등히 작은 다이오드 또는 브릿지 다이오드를 기반으로 하는 입력부에 리미트소자를 직렬 접속하거나 리미트소자 자체를 부하로 접속시킨 상태에서는 부하측에 어떠한 용량이나 저항 또는 쇼트 상태라도 다이오드가 갖는 리미트 특성 내지 리미트소자의 특성에 따라 영향이 없다.

다시말해서, PN 접합형 다이오드, PNPN 접합형 반도체 소자인 트리거소자를 직렬 연결하여 내부용량(junction capacitance 또는 Capacitance versus reveres voltage applied )을 저감시킨 본 발명의 고주파용 트리거소자를 고주파회로 특히 서지 커프링 등에 활용하면 이들의 접합용량을 대폭 줄일 수 있어 회로상에 흐르는 유효한 신호의 감쇄 특성을 개선할 수 있다.

상기한 바와 같이 접합용량이 작은 소자로 구성된 다이오드나 브릿지 다이오드의 출력에 내부용량이 큰 리미트 내지 트리거소자를 직력 연결시켜 줌으로써 고주파회로의 과도전압 억제 등에 효과를 가질 수 있으며, 이와 같은 본 발명 소자를 반도체 소자로 제조 또는 활용함에 있어 획기적인 기술발전과 낙뢰,서지로부터 각종 전자 통신 기기를 보호하고 인명과 재산피해 방지의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

상술한 실시예는 본 고안의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 고안의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 접합용량이 상대적으로 작은 PN 접합형 다이오드와 접합용량이 상대적으로 큰 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결하여 접합용량이 작은 트리거소자를 제공함으로써, 고주파 응용회로에서 리미터로 사용되는 트리거소자의 내부용량의 영향을 저감시켜 선로상에 흐르는 유효한 신호의 감쇄특성을 개선하면서 원하는 신호에 대하여 트리거 및 리미트 기능을 제공할 수 있어 고주파 응용회로의 작동에 따를 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 내부용량이 상대적으로 작은 PN 접합형 다이오드와 내부용량이 상대적으로 큰 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결하되,

   상기 PN 접합형 다이오드는 1개 이상을 PN 접합형 트리거소자의 에노드측에 직렬 연결한 것을 특징으로 하는 고주파용 트리거소자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 내부용량이 상대적으로 작은 PN 접합형 다이오드와 내부용량이 상대적으로 큰 PNPN 접합형 트리거소자를 서로 직렬 연결하되,

   상기 PN 접합형 다이오드는 2개의 선로 연결용 입력단자를 갖는 단상 브릿지 다이오드 또는 다수의 입력단자를 갖는 다상 브릿지 다이오드 중 어느 하나를 직렬 연결한 것을 특징으로 하는 고주파용 트리거소자.
5. 삭제
6. 삭제

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