KR101034866B1 - Ｊｆｅｔ이 적용된 전원공급장치의 보호회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로에 관한 것으로서, 상시불통 특성을 가지는 릴레이와 상시개통 특성을 가지는 JFET 및 상기 JFET의 펄스폭변조를 제어하는 PWM 제어회로를 포함하는 전원공급장치 내에 보호회로가 구성되며, 상기 보호회로는 상기 JFET을 구동하기 위한 전압원을 공급하는 보조전원과, 상기 보조전원에서 공급되는 음전압의 크기를 판별하는 제너다이오드와, 포토다이오드에 소정의 전압이 인가되면 포토트랜지스터가 도통되는 포토커플러와, 상기 릴레이를 구동하기 위한 스위치트랜지스터와, 보호회로 내의 전압과 전류를 조절하는 다수개의 저항을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로는 전원 투입시 발생하는 과전류로부터 JFET을 보호함과 동시에 상기 JFET 소자의 우수한 특성을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 전원장치에서 문제가 발생하였을 때 교류전원을 즉시 차단할 수 있으며, 부하의 사용량이 많지 않을 때 교류전원을 차단하여 대기전력도 절감할 수 있는 장점이 있다.
JFET, 보호회로, 제너다이오드, 포토커플러, 트랜지스터

Description

ＪＦＥＴ이 적용된 전원공급장치의 보호회로{PROTECTION CIRCUIT OF POWER SUPPLY APPLIED JUNCTION FIELD EFFECT TRANSISTOR}
본 발명은 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 JFET과 이를 포함하는 전원장치를 과전류 등에 의한 손상으로부터 보호하기 위한 회로에 관한 것이다.
일반적인 스위칭 소자에 사용되는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor;절연게이트 바이폴라 트랜지스터)나 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;금속 산화막 전계 효과 트랜지스터)은 개폐를 제어하는 게이트가 산화막 구조로 형성되어 있는 것과는 달리 JFET(Junction Field Effect Transistor;접합전계효과 트랜지스터)은 p-n 접합구조로 이루어져 신뢰성이 높고 입력 캐패시턴스가 낮다는 장점이 있다.
따라서 최근 차세대 전력용 소자의 재료물질로 각광받고 있는 탄화규소(SiC)의 경우 실리콘과 같이 산화막을 성장하기에 유리한 조건을 가지고 있음에도 불구하고 산화막의 품질 및 신뢰성에서 여전히 문제가 있기 때문에 신뢰성이 높은 p-n 접합으로 소자를 개폐시키는 JFET이 먼저 상용화를 앞두고 있다.
하지만 JFET은 일반적으로 게이트 전원이 인가되기 전에 전류를 흘릴 수있는 채널이 형성되어 있기 때문에 JFET를 이용하여 전원공급장치를 구성할 시에는 전원인가와 동시에 JFET을 통하여 과도한 전류가 흘러서 소자가 손상될 수 있는 문제점이 있었다.
따라서 상기와 같은 JFET의 상시개통(normally-on) 특성 때문에 주로 단일 전원으로 제어하는 대부분의 전원공급장치에서는 거의 사용하지 않았다.
그러나 최근의 전원공급장치는 고밀도·소형화됨에 따라 전원공급장치의 동작 주파수가 높아지고, 스위치소자의 높은 입출력 캐패시턴스 및 턴온저항으로 인한 스위칭손실 및 도통손실이 증가하기 때문에, 낮은 입출력 캐패시턴스 및 턴온저항의 탄화규소 JFET이 점차적으로 전원공급장치에 장착되고 있는 추세이다.
이러한 추세에 따라 JFET의 상시개통 특성으로부터 소자 및 전원공급장치를 보호하기 위한 JFET 보호회로가 제안된바 있으며, 하기에서는 첨부된 도면을 참조하여 종래의 JFET 보호회로에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 상시불통(normally-off) 특성을 갖는 소자와 함께 캐스코드형으로 구성된 종래의 JFET 보호회로를 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, JFET(2)의 상시개통 특성으로부터 소자 및 전원공급장치를 보호하기 위해 상시개통 특성을 가지는 JFET(2)과 상시불통(normally-off) 특성을 가지는 MOSFET(4)을 함께 배치하여 전체의 특성이 상시불통 되도록 구성된다.
상기와 같이 구성되는 종래의 JFET 보호회로는 게이트에 영전압이 걸리면 MOSFET(4)은 턴오프 상태가 되고, 드레인과 소스를 관통하는 누설전류가 있다면 드 레인과 소스 양단전압의 대부분은 항복전압이 큰 JFET(2)에 걸리며 일부의 전압은 MOSFET(4)의 드레인과 소스의 양단에 걸린다.
따라서 JFET(2)의 게이트와 소스 사이에는 음전압이 인가되어 전체 캐스코드는 턴오프 상태를 유지하고, 반면에 MOSFET(4)의 게이트에 문턱전압 이상의 전압이 인가되면 MOSFET(4)의 소스와 드레인 양단에는 채널이 형성되어 저항이 급격하게 감소하고 이에 따른 JFET(2)의 게이트와 소스의 전압도 급격하게 증가하여 영전압에 가까워진다.
이와 같은 방법으로 전체 캐스코드는 턴온 상태로 바뀌게 되지만, 캐스코드를 이용한 종래의 JFET 보호회로는 회로구성은 간단하지만 입력단이 MOSFET(4)이 되므로 입력 캐패시턴스가 증가하며, 특히 탄화규소 JFET을 이용할 경우의 장점을 제대로 활용할 수 없다는 문제점이 있었다.
도 2는 전원공급장치의 회로에 유사불통(Quasi-normally-off) 특성을 갖는 JFET을 적용시켜 구성된 종래의 전원공급장치를 도시하는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 유사불통(Quasi-normally-off) 특성을 갖는 JFET(3)와, 상기 JFET(3)를 스위칭하는 게이트 신호발생기(5)와, 스위칭 신호에 의해 이차권선에서 음전압이 충전되는 캐패시터(7)와, 음전압과 합쳐져 상기 JFET(3)의 게이트에 영전압 및 음전압을 인가하는 트랜스포머(9)를 포함하여 구성되며, 초기 전원 투입시 전압을 막고 게이트 신호발생기(5)에서 발생한 스위칭 신호에 의해 이차권선에서 음전압이 캐패시터(7)에 충전되도록 설계된다.
상기 유사불통(Quasi-normally-off) 특성을 갖는 JFET(3)는 게이트 전압이 영전압일 때 채널이 완전히 닫히는 것이 아니기 때문에 항복전압이 낮다. 따라서 전원 투입시 인가되는 전압은 충분히 막을 수 있지만 전원공급장치가 동작하기 시작해 발생되는 동적전압까지는 막을 수 없고, 스위칭소자의 도통손실을 증가시키는 턴온저항이 크다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 JFET이 적용된 전원공급장치에 전원 투입시 발생하는 과전류로부터 JFET을 보호함과 동시에 상기 JFET 소자의 우수한 특성을 그대로 사용할 수 있는 전원장치의 공급회로를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로는, 상시불통 특성을 가지는 릴레이와 상시개통 특성을 가지는 JFET 및 상기 JFET의 펄스폭변조를 제어하는 PWM 제어회로를 포함하는 전원공급장치 내에 보호회로가 구성되며, 상기 보호회로는 상기 JFET을 구동하기 위한 전압원을 공급하는 보조전원과, 상기 보조전원에서 공급되는 음전압의 크기를 판별하는 제너다이오드와, 포토다이오드에 소정의 전압이 인가되면 포토트랜지스터가 도통되는 포토커플러와, 상기 릴레이를 구동하기 위한 스위치트랜지스터와, 보호회로 내의 전압과 전류를 조절하는 다수개의 저항을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포토커플러의 포토다이오드는 Vneg ≥ VD(on) + VZ(on) 의 수식을 만족하면 작동되는 것을 특징으로 한다. (여기서 상기 Vneg는 JFET을 턴오프 시키는 일정한 크기의 음전압이고, 상기 VD(on)는 포토다이오드의 턴온전압이고, 상기 VZ(on)는 제너다이오드의 항복전압이다.)
또한, 상기 포토커플러는 2개가 서로 대응하는 병렬로 구성되어 상기 PWM 제어회로의 제어신호에 의해 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로는 전원 투입시 발생하는 과전류로부터 JFET을 보호함과 동시에 상기 JFET 소자의 우수한 특성을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 전원장치에서 문제가 발생하였을 때 교류전원을 즉시 차단할 수 있으며, 부하의 사용량이 많지 않을 때 교류전원을 차단하여 대기전력도 절감할 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 JFET이 적용된 전원공급장치를 도시하는 회로도이다.
도 3을 참조하면, JFET이 적용된 전원공급장치는 교류전원의 노이즈를 제거하는 필터(10)와, 상기 필터(10)를 통과한 전류를 정류하는 브리지다이오드(20)와, 이차권선을 통해 출력전압을 공급하는 트랜트포머(30)와, 상시불통 특성을 가지는 릴레이(40)와, 상시개통(normally-on) 특성을 가지는 JFET(50)과, 상기 JFET(50)의 펄스폭변조를 제어하는 PWM 제어회로(60)와, 상기 JFET(50)을 과전류로부터 보호하는 보호회로(70)를 포함하여 이루어진다.
일반적으로 대부분의 전원공급장치는 상기와 같은 구성을 포함하거나 이미 공지된 기술에 해당하므로 일반적인 구성에 대한 상세한 설명은 생략하고, 본 발명의 특징인 보호회로(70)에 관하여 하기에서 상세히 설명하도록 한다.
<제1실시 예>
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로를 도시하는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 상기 보호회로(70)는 JFET(50)을 구동하기 위한 전압원을 공급하는 보조전원(72)과, 상기 보조전원(72)에서 공급되는 음전압의 크기를 판별하는 제너다이오드(74)와, 포토다이오드에 소정의 전압이 인가되면 포토트랜지스터가 도통되는 포토커플러(76)와, 릴레이(40)를 구동하기 위한 스위치트랜지스터(78)와, 보호회로(70) 내의 전압과 전류를 조절하는 다수개의 저항을 포함하여 이루어진다.
상기 보조전원(72)은 일반적인 전원장치로 JFET(50)을 구동하기 위한 전압원을 공급하는데, 전원공급장치에 교류전압이 인가되면 음전압과 양전압을 각각 발생 시킨다.
상기 제너다이오드(74)는 음전압의 크기를 판별하기 위한 기준전압을 제공한다.
상기 포토커플러(76)는 포토다이오드에 소정의 전압이 인가되면 포토트랜지스터가 도통되는데, 접지와 단자 사이의 전압강하(Vneg)가 다음과 같은 수식을 만족하면 포토다이오드가 동작하여 포토트랜지스터가 도통된다.
[수식]
Vneg ≥ VD(on) + VZ(on) (여기서 상기 Vneg는 JFET을 턴오프 시키는 일정한 크기의 음전압이고, 상기 VD(on)는 포토다이오드의 턴온전압이고, 상기 VZ(on)는 제너다이오드의 항복전압이다.)
포토커플러(76)의 포토트랜지스터가 도통되면 저항(R2)에 전압강하가 발생하여 릴레이(40)를 구동하기 위한 스위치트랜지스터(78)도 도통된다.
상기와 같이 구성되고 작용하는 보호회로(70)는 교류전원이 인가되면 상기 JFET(50)을 스위칭하기 위해 필요한 전압원을 공급하고, 전압원이 공급되면 상기 릴레이(40)의 스위치를 닫아서 전원공급장치가 동작하도록 하며, 상시개통(normally-on) 특성을 가지는 JFET 소자의 우수한 특성을 그대로 사용함과 동시에 전원 투입시 발생하는 동적전압 및 과전류로부터 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
<제2실시 예>
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로를 도시하는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 상기 보호회로(70)는 JFET(50)을 구동하기 위한 전압원을 공급하는 보조전원(72)과, 상기 보조전원(72)에서 공급되는 음전압의 크기를 판별하는 제너다이오드(74)와, 포토다이오드에 소정의 전압이 인가되면 포토트랜지스터가 도통되는 포토커플러(76)와, 릴레이(40)를 구동하기 위한 스위치트랜지스터(78)와, 보호회로(70) 내의 전압과 전류를 조절하는 다수개의 저항을 포함하여 이루어되, 상기 포토커플러(76)는 2개가 서로 대응하는 병렬로 연결되어 PWM 제어회로(60)의 제어신호에 의해 동작한다.
상기와 같이 구성되는 보호회로(70)는 2개의 포토커플러(76a,76b)를 서로 대응하는 병렬로 연결되어 PWM 제어회로(60)의 제어신호를 받도록 구성시키면, 전원공급장치에서 문제가 발생하였을 때 교류전원을 즉시 차단할 수 있으며 부하의 사용량이 많지 않을 때 교류전원을 차단하여 대기전력도 절감할 수 있게 된다.
이와 같은 보호회로(70)는 2개의 포토커플러(76a, 76b)만 앞서 설명한 <제1실시 예>와 차이가 있을 뿐, 나머지 구성요소는 동일하므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다. 또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상 의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
도 1은 상시불통(normally-off) 특성을 갖는 소자와 함께 캐스코드형으로 구성된 종래의 JFET 보호회로를 도시하는 회로도.
도 2는 전원공급장치의 회로에 유사불통(Quasi-normally-off) 특성을 갖는 JFET을 적용시켜 구성된 종래의 전원공급장치를 도시하는 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 JFET이 적용된 전원공급장치를 도시하는 회로도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로를 도시하는 회로도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로를 도시하는 회로도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
2: JFET(normally-on) 3: JFET(quasi-normally-off)
4: MOSFET(normally-off) 5: 게이트 신호발생기
7: 캐패시터 9: 트랜스포머
10: 필터 20: 브리지다이오드
30: 트랜스포머 40: 릴레이
50: JFET(normally-on) 60: PWM 제어회로
70: 보호회로 72: 보조전원
74: 제너다이오드 76: 포토커플러
78: 스위치트랜지스터

Claims (3)

  1. 교류전원의 노이즈를 제거하는 필터(10)와, 상기 필터(10)를 통과한 전류를 정류하는 브리지다이오드(20)와, 이차권선을 통해 출력전압을 공급하는 트랜트포머(30)와, 상시불통 특성을 가지는 릴레이(40)와, 상시개통 특성을 가지는 JFET(50)과, 상기 JFET(50)의 펄스폭변조를 제어하는 PWM 제어회로(60)와, 상기 JFET(50)을 과전류로부터 보호하는 보호회로(70)를 포함하는 전원공급장치에 있어서,
    상기 보호회로(70)는
    상기 JFET(50)을 구동하기 위한 전압원을 공급하는 보조전원(72);
    상기 보조전원(72)에서 공급되는 음전압의 크기를 판별하는 제너다이오드(74);
    포토다이오드에 소정의 전압이 인가되면 포토트랜지스터가 도통되는 포토커플러(76);
    상기 릴레이(40)를 구동하기 위한 스위치트랜지스터(78); 및
    보호회로 내의 전압과 전류를 조절하는 다수개의 저항;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 포토커플러(76)의 포토다이오드는 Vneg ≥ VD(on) + VZ(on) 의 수식을 만족하면 작동되는 것을 특징으로 하는 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로.
    (여기서 상기 Vneg는 JFET을 턴오프 시키는 일정한 크기의 음전압이고, 상기 VD(on)는 포토다이오드의 턴온전압이고, 상기 VZ(on)는 제너다이오드의 항복전압이다.)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 포토커플러(76)는 2개가 서로 대응하는 병렬로 연결되어 상기 PWM 제어회로(60)의 제어신호에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 JFET이 적용된 전원공급장치의 보호회로.
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