KR100743519B1 - 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅구동회로 - Google Patents

전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅구동회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 스위칭에 의한 드라이버 출력을 얻을 수 있도록 한 레벨 쉬프팅 방식의 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로를 개시한다.
본 발명은 반도체 스위치 구동용 드라이버가 고속 스위칭 펄스를 출력 하도록 하기 위하여 B급 푸쉬풀(Push-Pull) 방식의 증폭기로 된 스위칭 회로에 MOSFET 또는 전력반도체를 사용한 스위칭 출력부로 구비하여서 된 반도체 스위치 구동용 드라이버에 있어서, 전술한 MOSFET 또는 전력반도체의 게이트에 존재하고 있는 기생 케패시턴스에 의하여 입력전압의 충전과 방전을 연속적으로 실행할 때 생기는 스위칭 손실을 해소하기 위해 레벨 쉬프트 회로를 구성하여 MOSFET 또는 전력반도체의 게이트에 쉬프트 된 '+'전위와 '-'전위를 교대로 인가하는 것을 특징으로 한 반도체 스위치 구동용 레벨 쉬프트 드라이버를 구비하여서 된 것이다.
이에 따라 본 발명은 스위칭 MOSFET 또는 기타 전력반도체의 턴오프 지연 시간을 크게 단축하여 전력 소모량을 감소시켜 절전형 저전압 설계가 가능하게 되고, 발열량을 줄여 MOSFET 또는 기타 전력반도체의 수명을 연장시킬 수 있게 되어 제품의 신뢰성을 높이는 유용한 효과가 있는 것이다.

Description

전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로{Level Shifting Switch Driver for Switching Loss Reduction of Power Conversion System}
도1은 종래의 반도체 스위치 드라이버의 회로도
도2는 종래의 반도체 스위치 드라이버 회로의 특정 포인트(TP1,TP2)를 오실로스코프로 측정한 파형도
도3은 도2에서 지연시간을 자세히 보기위해"가"부분을 시간 축으로 확
대한 파형도
도4는 본 발명에 의한 레벨 쉬프트 회로를 구비한 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로의 블록 다이아 그램
도5는 본 발명에 의한 레벨 쉬프트 회로를 구비한 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로의 전체 회로도
도6은 본 발명에 의한 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로 각부의 타이밍 챠트
도7은 본 발명에 의한 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로 구동시 게이트 전압와 스위칭 전류 및 전압을 오실로스코프로 측정한 파형도
도8은 도7 에서 측정한 파형의 "가" 부분을 시간 축으로 확대한 파형도
* 도면의 주요부분에 대한 설명
1 : 제1스위칭 부 C1,CLS : 콘덴서
2 : 제2스위칭 부 D1 : 다이오드
3 : 레벨 쉬프팅 부 ZD : 제너다이오드
R1~R3,Rg : 저항 Q : MOSFET
S1 ~ S4 : 트랜지스터 Rdd : 부하
Cgs : MOSFET의 게이트에 포함하고 있는 기생 캐패시턴스
TP1 ~ TP2 : 실험을 하기 위한 테스트 포인트
본 발명은 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로에 관한 것으로, 범용적으로 사용할 수 있으면서 고효율인 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 일반적인 SMPS등 전력변환시스템의 반도체 스위치 드라이버는 도1로 도시한 바와 같이, 피크 전류를 증가시키는 푸쉬 풀(Push-Pusll) 방식의 B급 증폭기를 사용한 스위칭부(100)에 고속 스위칭이 가능한 고압 MOSFET(Q100) 를 연결하고 증폭된 펄스의 출력을 얻어서 MOSFET(Q100)의 드레인과 전원의 '+'측 사이에 연결된 부하(Rdd)를 구동하도록 되어 있다.
이는 저항(R100)을 통하여 '+'전위의 입력펄스가 B급 푸쉬 풀 증폭기로 된 스위칭부(100)에 연속적으로 가해지면 NPN형 트랜지스터(S100)과 PNP형 트랜지스터(S200)가 교대로 동작하며 NPN형 트랜지스터(S100)이 턴 온 일 때에는 에미터 측의 +전위 출력은 저항(Rg)을 통하여 MOSFET(Q100)의 게이트에 인가되고, PNP형 트랜지스터(S200)가 턴 온 일 때 에미터 측의 -전위 출력은 저항(Rg)을 통하여 MOSFET(Q100)의 게이트 전압을 하강 하게 하여 MOSFET(Q100)가 스위칭 동작을 하므로 드레인에 연결된 부하(Rdd)에 증폭된 펄스 신호를 공급하게 되는 것이다. 또한 MOSFET(Q100)는 게이트-소오스 사이에 존재하는 기생 캐패시턴스(Cgs)가 있으며 이 기생 캐패시턴스(Cgs)로 인해 게이트에 입력된 신호는 기생 캐패시턴스(Cgs)를 충분히 충전 할 때까지는 소정의 시간을 필요로 하게 되고 이러한 시간을 턴 온 지연시간(Turn-on delay time)이라하며 이는 게이트-소오스간 전압 Vgs가 문턱전압(Threshold voltage ; Vt) 까지 충전하는데 걸리는 시간을 말하며 Vgs가 Vt가 되어야 MOSFET(Q100)는 도통을 시작하며, 이때의 충전 시정수 Td(on)=Rg*Cgs가 된다.
이와 같이 Vgs가 Vt 로 된 후에는 MOSFET(Q100)가 활성 영역에서 포화 영역으로 가게 되는데 Vgs가 Vt에서부터 핀치 오프(Pinch off) 전압 Vp에 이르기까지의 시간을 상승시간 tr이라고 정의한다.
포화 영역에 들어온 MOSFET(100)는 포화가 계속되다가 입력전압 Vgs 가 0으로 떨어지면서 턴 오프를 시작하는데 Vgs가 포화 영역에서의 전압 핀치 오프 전압 Vp까지 방전하는 데 걸리는 시간을 턴 오프 지연 시간(Turn-off delay time ; Td(off))이라고 하며, 이때의 방전시정수 Td(off)=Rg(Cgs+Cgd)가 된다.
(Cgd 는 게이트-드레인간의 정전용량임)
이와 같이 충전된 전압, Vgs가 Vp에서 Vt까지 방전하는데 필요한 시간을 하강시간 Tf라고 정의한다.
이와 같이 MOSFET(Q100)는 기생 캐패시턴스(Cgs)에 의하여 충전하고 방전하는 시간 중에서 방전하는 시간이 더 길기 때문에 입력 신호 펄스의 하강에 상응하여 순간적으로 전류가 차단이 되지 못하고 전류가 계속 흐르는 턴 오프 지연 현상이 발생하므로 이로 인해 불필요한 시간 동안 출력 전류가 흐르는 결과가 되어
전력소모가 증가되는 문제점이 있는 것이다.
도 2는 도1에서 예시한 바와 같은 종래의 반도체 스위치 드라이버의 출력을 오실로스코프로 측정한 파형을 보인 것이고,
도3은 도2에서 측정한 파형의 "가" 부분을 시간 축으로 확대한 파형도이다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이 종래의 반도체 스위치 드라이버를 사용하였을 때 MOSFET(Q100)의 게이트와 소오스 사이에 존재하고 있는 기생 캐패시턴스(Cgs) 로 인해 턴 오프 지연시간은 약 720nS 이며 스위칭 전력손실이 발생하고 있음을 알 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은, MOSFET에서 발생 하는 스위칭 전력손실을 최소화하기 위하여 기생 캐패시턴스(Cgs)의 신속한 방전이 가능하도록 함으로써 MOSFET의 스위칭 속도를 대폭 증가시킬 수 있도록 한 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로를 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 종래의 B급 푸쉬 풀(Push-Pull) 방식의 증폭기를 사용한 기존의 스위칭 부의 출력 측에 동일한 스위칭 부를 하나 더 연결하고 기존의 스위칭 부와 동일한 입력으로 동작하는 쉬프팅 회로의 출력을 새로 설치한 스위칭 부의 입력에 연결하여 쉬프트 및 증폭된 출력을 스위칭 MOSFET 의 게이트에 인가하여 MOSFET 의 턴 오프 지연시간을 줄임으로서 스위칭 전력손실을 줄일 수 있도록 한 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로를 제안한다.
이에 따라 본 발명은 스위칭 MOSFEF 또는 반도체 스위치의 불필요한 턴 오프 지연 시간을 크게 단축하여 전력 소모량을 감소시켜 절전형 저전압 설계가 가능하게 되고, 발열량을 줄임으로서 MOSFET 의 수명을 연장시킬 수 있게 되어 제품의 신뢰성을 높이는 등의 유용한 효과가 있는 것이다.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명에 의한 레벨 쉬프트회로를 구비한 반도체 스위치 드라이버의 블록 다이아 그램이다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명은 제1스위칭부(1)의 출력에 동일한 제2스위칭부(2)를 연결하고 그 출력에 스위칭 출력부(4)를 연결함에 있어서 제1스위칭 부(1)와 동일한 입력으로 동작하는 레벨 쉬프팅부(3)를 제2스위칭부(2)의 입력에 연결하여서 된 것이다. 이는'+'전위의 구형파 펄스(Vi)가 인가되어 제1스위칭 부(1)와 제2스위칭부(2)가 동작함에 있어서 레벨 쉬프트 부(3)는 미도시한 내장된 제너 다이오드와 콘덴서에 의해서 Vz 까지 쉬프트 된 전압을 만들고, 다음 '0'전위의 입력(Vi)일 때에는 레벨 쉬프트 부(3)는 미도시한 내장된 제너 다이오드 와 콘덴서에 의해서 -Vz로 쉬프트 된 전압을 만들어 제2스위칭부(2)에 인가하고 제2스위칭부(2)는 충분히 큰 값의 전압 Vs와 -Vs 를 스위칭 출력부(4)에 인가함으로서 스위칭 출력부(4)에 사용한 MOSFET(Q100)의 게이트와 소오스 간에 존재하고 있는 기생 캐패시턴스(Cgs)를 빠르게 제거하여 스위칭 출력부(4)의 스위칭 속도가 빨라지게 되는 것이다. 이러한 본 발명을 구체적인 회로인 도5에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 보인 바와 같이, 입력전압 Vi가 +전위의 펄스일 때는 저항(R1)을 통하여 제1스위칭 부(1)에 인가되어 NPN형 트랜지스터(S1)이 턴 온 되고 저항(R2)을 통하여 콘덴서 (C)에 +Vs 가 충전되며 동시에 제2스위칭부(2)의 PNP형 트랜지스터(S3)의 콜렉터에 인가된다. 이때 입력전압 Vi는 레벨 쉬프트 부(3)에 인가되어 콘덴서(CLS)에 충전되고 충전 전하의 양은 제너 다이오드에(ZD) 의해 제너전압(Vz)까지 증가를 하게 되고 이때 콘덴서(CLS)의 양단 전압은 제너전압 Vz가 되며 Vls 를 만들게 된다. 이에 따라 제2스위칭부(2)의 NPN형 트랜지스터(S3)이 턴 온 되어 레벨전압이 쉬프트 된 +Vs를 에미터로 출력하고 저항(Rg)를 통하여 MOSFET(Q)의 게이트에 인가되어 기생 캐패시턴스(Cgs) 를 충분히 충전시키므로 MOSFET(Q)가 턴 온 된다. 그러므로, MOSFET(Q)에 의하여 부하에 전력이 공급되어 전력변환장치가 구동되는 것이다. 이때 MOSFET(Q)의 게이트에 존재하는 기생 캐패시터(Cgs) 에는 입력전압 Vi가 영전위로 떨어진 다음에도 전하가 충전된 상태로 일정시간 동안 남아있게 되어 MOSFET(Q)의 턴 오프 시간을 지연시키게 되는 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 MOSFET(Q)의 턴 오프 지연시간을 최대한 줄이기 위한 목적으로서,
입력전압(Vi)가 +펄스에 이어서 영전위로 떨어지면 레벨 쉬프트부(3) 의 콘덴서(CLS)의 양단전압은 충전상태에서 방전상태로 반전되어 종전과는 반전된 -Vz가 되면서 전압레벨이 쉬프트 된 -Vls 를 만들게 되어 제2스위칭부(2)의 PNP형 트랜지스터(S4)가 턴 온 을 하게 된다. 이는 충분히 큰 값의 역방향 게이트 전류를 MOSFET(Q)의 게이트에 인가 함 으로서 MOSFET(Q) 에 존재하는 기생 캐패시턴스(Cgs)에 -Vgs가 걸려 Cgs에 충전된 전압을 빠르게 방전하고 MOSFET(Q)도 빠르게 턴 오프 되는 것이다.
이와 같이 본 발명은 MOSFET(Q)에 존재하는 기생 캐패시턴스(Cgs) 를 빠르게 방전시킴으로써 종래의 턴 오프 지연시간으로 인하여 MOSFET(Q)의 드레인 출력 측에 불필요한 전력이 흐름에 따른 효율 저하를 방지할 수 있게 되는 것이다.
이러한 반복동작에 의한 반도체 스위치 레벨 쉬프팅 드라이버 각부의 작동을 타이밍 차트를 사용하여 설명하면 다음과 같다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 입력전압(Vi)가 '+' 일 때 레벨전압이 쉬프트 된 VLS와 역시 레벨전압이 쉬프트 된 Vs에 의해 VGS 가 되어 NPN형 트랜지스터 (S1),(S3) 가 턴 온 되는 것을 보여주고 있다.
또한 입력전압(Vi)가 "0" 일 때 레벨전압이 쉬프트 된 -VLS 와 역시 레벨전압이 쉬프트 된 -Vs 에 의해 -VGS 가 되고 PNP형 트랜지스터 (S2),(S4) 가 턴 온 되는 것을 보여주고 있다.
아울러, 도 7에는 본 발명의 작동시 게이트 전압와 스위칭 전류 및 전압을 오실로스코프로 측정한 파형을 도시하고 있으며, 도 8에는 도7 에서 측정한 파형의 "가" 부분을 시간 축으로 확대하여 도시하였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 MOSFET의 스위칭 시간은 약 200ns이며, 이는 도3에서 보인 "종래의 Push-Pull 드라이버 회로도에 의한 경우의 오실로스코프로 측정한 파형"에서 보인 720nS 보다 약 520nS 를 단축하여 약 3배의 속도가 향상된 것이어서 불필요한 전력 소모가 1/3 수준으로 감소되었음 을 알 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명의 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로는 스위칭 속도를 종전보다 3배 가량 향상 시킬 수 있는 것이어서 전력 소모를 줄여 절전형 설계가 가능하게 되는 것이며, MOSFET 또는 반도체 스위치의 스위칭 시 발열을 줄여 방열 기구 제작 비용을 절감하며, MOSFET 또는 반도체 스위치의 발열로 인한 수명단축을 방지하며, 고장발생률을 감소시킬 수 있고, 스위칭 속도와 효율을 높일 수 있으므로 전력변환장치의 성능을 향상시켜 제품 고급화에 기여할 수 있게 되는 등의 유용한 효과를 갖는 것이다.

Claims (3)

  1. NPN형 트랜지스터(S1)과 PNP형 트랜지스터(S2)를 직렬 접속하여서 된 제1스위칭회로부(1)와, 부하(Rdd)가 연결되는 스위칭 출력부 MOSFET(Q)로 구성된 공지의 것에 있어서,
    제1스위칭부(1)와 스위칭 출력부 MOSFET(Q)의 사이에 제2스위칭부(2)를 추가 접속하고, 제1스위칭부(1)의 입력과 제2스위칭부(2)의 입력에 레벨쉬프트 회로(3)를 접속하여서 됨을 특징으로 하는 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로.
  2. 제1항에 있어서,
    전술한 제1,2스위칭 회로 부(1,2)는 트랜지스터(S1,S2)와 트랜지스터(S3,S4)를 각각 직렬 접속하여서 된 것임을 특징으로 하는 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로.
  3. 제1항에 있어서,
    전술한 레벨쉬프트 회로(3)는 제너다이오드(ZD) 및 이와 직. 병렬로 연결된 저항(R3) 및 콘덴서(CLS) 로 구성됨을 특징으로 하는 전력변환시스템의 스위칭 손실을 줄이기 위한 레벨 쉬프팅 구동회로.
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