KR101257531B1 - 고전압 트랜지스터를 제어하기 위한 구동기, 특히 내연기관의 불꽃 점화를 위한 고전압 무선 주파수 발생기의ｍｏｓ 트랜지스터 - Google Patents

고전압 트랜지스터를 제어하기 위한 구동기, 특히 내연기관의 불꽃 점화를 위한 고전압 무선 주파수 발생기의ｍｏｓ 트랜지스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어 장치에 관한 것으로, 논리 제어 신호를 수신하기 위한 입력 단자(IN)와; 상기 고전압 MOS 트랜지스터로부터 출력 제어 신호를 전달하기 위한 출력 단자(OUT)와; 접지와 상기 출력 단자 사이에 접속되어 있는 낮은 내부 임피던스를 갖는 제1 nMOS 제어 트랜지스터(Q6)로서, 상기 트랜지스터의 게이트는 상기 입력 단자에 접속되어 있는 것인, 상기 제1 nMOS 제어 트랜지스터(Q6)와; 공급 단자와 상기 출력 단자 사이에 접속되어 있는 제2 pMOS 제어 트랜지스터(Q5)로서, 상기 트랜지스터의 게이트는, 공통 베이스 구조로 배치되고 용량 결합 회로(C2, Q1, R2)에 의해 에미터 상에서 전류 제어되는 바이폴라 트랜지스터(Q2)를 경유하여 상기 입력 단자에 접속되어 있는 것인, 상기 제2 pMOS 제어 트랜지스터(Q5)를 포함한다.

Description

고전압 트랜지스터를 제어하기 위한 구동기, 특히 내연 기관의 불꽃 점화를 위한 고전압 무선 주파수 발생기의 ＭＯＳ 트랜지스터 {DEVICE FOR CONTROLLING A HIGH-VOLTAGE TRANSISTOR, IN PARTICULAR A MOS TRANSISTOR OF A HIGH-VOLTAGE RADIO-FREQUENCY GENERATOR FOR THE SPARK IGNITION OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 고전압 트랜지스터의 구동에 관한 것으로, 특히, 내연 기관의 불꽃 점화를 위한 무선 주파수 AC 고전압 발생기(1 kV/20 A/5 MHz)등을 사용하는 경우와 같은, 높은 게이트-드레인 용량을 갖고, 수 MHz의 주파수로 스위칭되어야 하는 고전압 트랜지스터에 관한 것이다. 이와 같은 트랜지스터의 한 예는 MOS(금속 산화물 반도체) 트랜지스터일 것이다.
이와 같은 발생기의 예시적인 실시예들이, 본 출원인 명의의 프랑스 특허 출원 제2,859,869호, 제2,859,830호 및 제2,859,831호에 기술되어 있다.
무선 주파수 AC 고전압 발생기의 동작은, 소스가 접지되어 있어 신속하게 구동될 수 있는 고전압 트랜지스터를 요구한다.
이제, 고전압에서 이와 같은 MOS 트랜지스터를 구동하고, 수 MHz의 주파수로 스위칭하는데 사용되는 현재의 구동기들은, 대부분의 경우, 구상중인 피드백 제어 모드에 대해 너무긴 입출력간 전파 시간을 가진다.
요구되는 성능을 고려하여, 종래 기술에는 트랜지스터를 효율적으로 턴오프할 수 있는 대칭 전압을 고전압 트랜지스터의 게이트에 인가하는 변압기에 기초한 해결책이 있다. 그러나, 이 해결책은 일반적으로 비코일형 능동 소자에 기초한 회로 보다 비싸다.
본 발명은 이러한 문제에 대한 해결책을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 트랜지스터를 신속하게 구동하기 위한 구동기를 제공하는 것으로, 특히 비코일형 능동 소자에 기초한 유니폴라 구조를 계속 제공하면서도 입력과 출력 사이에서 대략 15 내지 50 ns의 신호 전파 시간을 충족할 수 있는, 무선 주파수 AC 고전압 발생기를 위한 고전압 트랜지스터를 신속하게 구동하기 위한 구동기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 결과적으로 제안되는 것은, 2개의 상보성 MOS 구동 트랜지스터들이 동기화되어 구동되는 "푸시-풀" 유형의 장치이다.
보다 정확하게, 본 발명의 이 양태에 따르면, 제안되는 것은, 고전압 트랜지스터를 구동하기 위한 구동기로서, 보다 구체적으로는 무선 주파수 고전압 발생기의 MOS 트랜지스터를 구동하기 위한 구동기로서,
- 논리 구동 신호를 수신하기 위한 입력 단자와;
- 고전압 트랜지스터의 출력 구동 신호를 전달하기 위한 출력 단자와;
- 접지와 출력 단자 사이에 접속되어 있는 낮은 내부 임피던스의 nMOS 제1 구동 트랜지스터로서, 이 트랜지스터의 게이트는 상기 입력 단자에 접속되어 있는 것인, nMOS 제1 구동 트랜지스터와;
- 공급 단자와 출력 단자 사이에 접속되어 있는 pMOS 제2 구동 트랜지스터로서, 이 트랜지스터의 게이트는, 공통 베이스 구조로 배치되고 용량 결합 회로에 의해 에미터 상에서 전류 제어되는 바이폴라 트랜지스터를 경유하여 상기 입력 단자에 접속되어 있는 것인, pMOS 제2 구동 트랜지스터를 포함한다.
트랜지스터의 게이트-드레인 용량과 관련된 밀러 효과(Miller effect)와 약 10 ns 정도의 스위칭 시간 때문에, 고전압 트랜지스터가 턴오프되는 때에, 이 고전압 트랜지스터의 게이트 상에는 대략 10 amp의 전류가 나타난다. 따라서, 트랜지스터가 다시 턴온되어 진동하게 되는 것을 방지하기 위해, 접지에 대해 낮은 임피던스의 구동 회로를 갖는 것이 필요하며, 본 명세서에서 이것은 낮은 내부 임피던스(통상, 1 ohm 보자 작으며, 바람직하게 실질적으로는 0.5 ohm 보다 작음)를 갖는 nMOS 구동 트랜지스터를 사용하여 달성된다.
게다가, 특히 공통 베이스 구조로 배치되고 용량 결합 회로에 의해 에미터 상에서 전류 제어되는 바이폴라 트랜지스터를 경유하여 pMOS 제2 구동 트랜지스터를 구동함으로써, 차량의 시동중에 발생할 수 있는 배터리 전압이 8 V 아래로 떨어질 수 있는 경우와 같이, 공급 전압이 낮은 경우라도 효과적이고 신속한 스위칭을 보장할 수 있다.
한 실시예에서, 용량 결합 회로는 상기 입력 단자에 접속된 커패시터, 상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터에 접속된 제1 저항, 및 상기 제1 저항과 커패시터 사이에 직렬로 접속된 다이오드 형성 수단을 포함한다.
바람직하게, 구동기는 상기 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터와 공급 단자 사이에 접속되어 이 바이폴라 트랜지스터와 함께 레벨 변환단을 형성하는 제2 저항과, 상기 레벨 변환단과 pMOS 제2 구동 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 팔로워단을 더 포함한다.
게다가, 상기 구동기는 nMOS 제1 구동 트랜지스터의 게이트와 입력 단자 사이에 접속된 제1 증폭 회로, 상기 입력 단자와 용량 결합 회로 사이에 접속된 제2 증폭 회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이들 2개의 증폭 회로들(예를 들어, 74AC 군의 MOS 논리 회로에 의해 제조됨)은, 필요한 경우, 전류 방식의 논리 구동 신호를 증폭시키는 것을 가능하게 하여, 구동 트랜지스터들을 스위칭하는 순간에 그들의 게이트 상에 충분한 전류를 전달할 수 있다.
이론적으로는, pMOS 구동 트랜지스터와 nMOS 구동 트랜지스터가 동일한 순간에 스위칭하지 않더라도, 이들 각각의 스위칭이 논리 입력 구동 신호의 하이 상태(high state) 또는 로우 상태(low state)와 연관되어 있으므로, 회로 내의 소정의 전파 시간과 소정의 스위칭 주파수에서, 이들 2개의 구동 트랜지스터들이 짧은 순간 동시에 스위칭할 수 있다. 이것은 구동기의 동작에 문제가 되지는 않지만, 소모적인 손실을 일으킨다. 이 결점을 제거하기 위해서, 구동기는, 입력 단자와 nMOS 제1 구동 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 (예를 들어, 입력 단자와 제1 증폭 회로의 입력 사이에 접속됨) 위상 천이 회로를 포함하여 2개의 구동 트랜지스터들의 구동 신호를 상쇄하는 방안이 바람직하게 제공된다.
구동기의 동작 주파수 범위를 증가시키기 위해서, 특히 구동기가 낮은 주파수에서 효과적으로 사용되도록 하기 위해서, 구동기는 입력이 상기 입력 단자에 접속된 추가의 증폭 회로, 및 공통 베이스 구조로 배치된 바이폴라 트랜지스터의 커넥터와 접지 사이에 접속된 추가의 nMOS 트랜지스터(이 트랜지스터의 게이트는 상기 추가의 증폭 회로의 출력에 접속됨)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
앞서 정의된 바와 같은 구동기는, 특히 내연 기관의 불꽃 점화를 위한 무선 주파수 고전압 발생기의 트랜지스터를 구동하는데 적용 가능하다.
또 다른 가능한 응용예는 플라즈마 발생을 위한 무선 주파수 고전압 발생기의 트랜지스터를 구동하는 것이다.
본 발명의 다른 장점들 및 특징들은 비제한적 실시예의 상세한 설명을 검토하여 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 구동기의 제1 실시예를 나타낸다.
도 2는 도 1의 구동기의 보다 세부적인 부분을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 구동기의 다른 실시예를 나타낸다.
도 1에서, 도면 부호 DISP는 고전압 트랜지스터(MHT)를 구동하는 구동기를 나타내는 것으로, 이 고전압 트랜지스터(MHT)는 소스가 접지되고(GND), 내연 기관의 불꽃 점화를 위해 사용되는 무선 주파수 AC 고전압 발생기의 일부를 형성한다.
구동기(DISP)는, 논리 구동 신호를 수신할 수 있는 입력 단자(IN)를 가지며, 이 논리 구동 신호는 하이 논리 상태(예를 들어, 5V) 또는 로우 논리 상태(예를 들어, 0 V)를 가질 수 있다.
논리 구동 신호는, 74AC 군의 MOS 논리 회로(도면 부호 IC1)의 입력들(2, 3, 4 및 5)에 전달된다, 이러한 74AC 군의 MOS 논리 회로의 예로는 페어차일드사에 의해 판매되는 74AC 541 회로가 있다.
또한, 논리 구동 신호는 저항(R1), 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)로 형성된 위상 천이 회로를 경유하여 회로(IC1)의 다른 4개의 입력들(즉, 입력 6, 7, 8, 9)에도 전달되며, 상기 위상 천이 회로의 기능성은 이하에 상세하게 설명할 것이다.
도 2에 보다 구체적으로 나타난 바와 같이, 입력들(6, 7, 8, 9)은 병렬로 접속된 AC14 군 타입의 4개의 포트에 접속되어 제1 증폭 회로(AMP1)를 형성한다.
마찬가지로, 입력들(2, 3, 4, 5)은 또한 병렬로 접속된 AC14 군 타입의 다른 4개의 포트에 접속되어 제2 증폭 회로(AMP2)를 형성한다.
이들 논리 포트들 각각은 출력으로서 50 mA의 전류를 전달할 수 있고, 이로써 200 mA의 전류를 증폭 회로(AMP2)의 출력으로서 획득하는 것이 가능하여, 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이 구동 트랜지스터가 정확하게 구동되도록 한다.
제1 증폭 회로(AMP1)의 출력은 nMOS 트랜지스터인, 제1 구동 트랜지스터(Q6)의 게이트에 직접 접속된다.
이 제1 구동 트랜지스터(Q6)는 접지에 관하여 매우 낮은 내부 임피던스를 갖는다. 실례로서, 필립스사에 의해 판매되는 PHP 3055를 이용하는 트랜지스터를 선 택할 수 있고, 이것은 약 0.1 ohm의 내부 임피던스를 갖는다.
트랜지스터(Q6)의 소스가 접지에 접속되어 있지만, 이 트랜지스터의 드레인은 구동기(DISP)의 출력 단자(OUT)에 접속된다.
제2 증폭 회로(AMP2)의 출력은 용량 결합 회로(신호 대칭화기)에 접속되며, 이 용량 결합 회로는 커패시터(C2), 고속 다이오드로서 접속된 트랜지스터(Q1), 및 저항(R2)으로 형성되고, 이 3가지 컴포넌트들은 제2 증폭 회로(AMP2)의 출력에 직렬로 접속된다.
이 용량 결합 회로는, 공통 베이스 구조(즉, 트랜지스터의 베이스가 접지에 접속됨)의 바이폴라 트랜지스터(Q2)를 그 에미터 상의 전류를 통해 구동하는 것을 가능하게 한다.
트랜지스터(Q2)의 컬렉터는 저항(R3)을 경유하여, 배터리 전압 등의 공급 전압(Vdd)에 접속된다. 따라서, 트랜지스터(Q2)와 저항(R3)은 레벨 변환단을 형성한다.
트랜지스터(Q2)의 컬렉터는, 통상 2개의 트랜지스터(Q3 및 Q4)로 구성된 팔로워단(follower stage)을 경유하여, pMOS 트랜지스터인 제2 구동 트랜지스터(Q5)의 게이트에 접속된다.
pMOS 트랜지스터(Q5)는 공급 전압(Vdd)과 출력 단자(OUT) 사이에 접속된다.
약 5 V의 임계 전압을 가지며 10 V의 전압으로 용이하게 구동될 수 있는 트랜지스터(Q5)로는 예를 들어 인터내셔널 렉티파이어사에 의해 판매되는 IRFD9110인 트랜지스터를 들 수 있다.
에미터 상에서 전류 구동되고 접지에 접속된 게이트를 갖는 트랜지스터(Q2)는, 매우 신속하게 스위칭하는 것을 가능하게 한다.
게다가, 공급 전압이 낮은 경우(차량의 시동 시에, 배터리 전압이 8 V 아래로 떨어질 수 있음)에도 신속한 스위칭을 가능하게 하기 위해서, 공통 베이스 구조, 즉, 트랜지스터(Q2)의 베이스가 접지되는 것이 바람직하다. 그 후에, 트랜지스터가 스위칭하는 것을 보장하기 위해서 이 트랜지스터의 에미터는 음(-)의 전압이 되어야만 하고, 이것은 용량 결합 회로(C2/Q1/R2)에 의해 달성된다.
따라서, 입력 단자 상의 양(+)의 반 주기 동안, 즉, 입력 논리 구동 신호가 하이 상태로 충전하는 때에, 커패시터(C2)는, 고속 다이오드로서 사용되는 트랜지스터(Q1)을 통해, MOS 논리 회로(IC1)의 공급 전압과 다이오드의 임계 전압 간의 차이 정도의 전압까지 충전한다.
입력 신호가 로우 논리 상태로 변할 때에, 회로(IC1)의 출력도 또한 거의 0 V 전압으로 변하고, 커패시터(C2)의 단자들 양단의 전압은 저항(R2)에 음의 전위를 부과하므로, 트랜지스터(Q2)를 매우 신속하게 스위칭하는 것을 가능하게 한다. 그러면, pMOS 구동 트랜지스터(Q5)는 수 나노초 이후에 턴온된다.
그러나, 입력 논리 신호가 하이 상태에 있는 경우, 트랜지스터(Q6)가 온 상태에 있는 동안, 트랜지스터(Q5)는 오프 상태에 있다.
이것은 2개의 구동 트랜지스터들(Q5 및 Q6)이 동시에 스위칭하지 않도록 보장하기 위한 경우로서, 다이오드(D1)와 병렬로 접속된 저항(R1), 및 커패시터(C1)로 형성된 위상 천이 회로를 사용하는 것이 바람직하며, 이 위상 천이 회로는 제1 증폭 회로(AMP1)의 입력에 전달된 논리 구동 신호가 제2 증폭 회로(AMP2)의 입력에 전달된 신호에 대하여 시간적으로 시프트되도록 할 수 있고, 이 2개의 회로들(AMP1 및 AMP2)은 MOS 논리 회로(IC1) 내에 제조된다.
트랜지스터(Q6)가 온 상태인 경우, 고전압 MOS 트랜지스터(MHT)는 오프 상태에 있다. 그러므로, 큰 전류 펄스가 트랜지스터(MHT)의 게이트 상에 나타난다. 그러나, 트랜지스터(Q6)의 낮은 내부 임피던스 때문에, 이 큰 전류 펄스는 트랜지스터(MHT)를 다시 턴 온시키기에 충분히 높은 트랜지스터(MHT)의 게이트의 전압이 되지 못하여, 트랜지스터(MHT)의 바람직하지 못한 진동을 일으키게 된다.
즉, 구동 트랜지스터(Q6)의 낮은 내부 임피던스는, 고전압 트랜지스터(MHT)가 정확하게 오프 상태로 되도록 보장하는 것을 가능하게 한다.
도 1에 도시된 구동기는, 약 15 ns의 상승 시간과 더불어, 입력(IN)과 출력(OUT) 사이에서 약 20 ns의 전파 시간을 갖는다.
도 1에 도시된 구동기의 실시예는, 고주파수 동작에 특히 적합하다. 구동기의 대역폭을 증가시키기 위해서는, 즉 보다 넓은 주파수 범위 내에서(특히, 저주파수에서) 효과적으로 동작하기 위해서는, 도 3에 도시된 실시예를 사용하는 것이 특히 바람직하다.
도 1에 도시된 실시예와 비교하면, 도 3에 나타나는 구동기(DISP)는 입력 단자(IN)에 접속된, 예컨대 74AC140으로 형성된 추가의 증폭 회로(IC2A), 및 접지와 트랜지스터(Q2)의 컬렉터 사이에 접속된 추가의 nMOS 트랜지스터(Q7)를 더 포함한다. 이 추가 트랜지스터(Q7)의 게이트는 추가의 증폭 회로(IC2A)의 출력에 접속된 다.
커패시터(C2)의 값(예를 들어, 100 nF), 저항(R2)의 값(예를 들어, 50 ohm), 및 저항(R3)의 값(예를 들어, 120 ohm)으로 인하여 동적 행동은 저주파에서 만족스럽지 않을 수 있다. 왜냐하면 입력 논리 신호의 하강 에지에서, 커패시터(C2)는 저항(R2 및 R3)을 통해 충전하고, 완전 충전에 의해 충전이 완료되므로, 트랜지스터(Q2)가 다시 턴오프되어 바람직스럽지 못한 순간에 출력을 스위칭할 수 있기 때문이다.
그러므로, 구동기를 저주파수에서 만족스럽게 사용하기 위해서, 고주파수 반응에 특히 적합한 이러한 동적 행동에도 불구하고, 추가의 증폭 회로(IC2A) 및 추가의 nMOS 트랜지스터(Q7)가 삽입된다.
따라서, 입력 논리 구동 신호의 음의 반주기 동안, 커패시터(C2), 트랜지스터(Q1), 저항(R2), 트랜지스터(Q2), 및 저항(R3)으로 형성된 회로는 출력 상에서 신속한 에지를 확립하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 부가 회로(IC2A/Q7)는, 입력 논리 신호의 다음 반주기 때까지, 팔로워단(Q3/Q4)의 입력 상에서 로우 상태를 유지한다.

Claims (9)

  1. 무선 주파수 고전압 발생기의 MOS 트랜지스터를 포함하는 고전압 트랜지스터를 구동하기 위한 구동기로서,
    로직 구동 신호를 수신하기 위한 입력 단자(IN)와;
    상기 고전압 트랜지스터의 출력 구동 신호를 전달하기 위한 출력 단자(OUT)와;
    접지와 상기 출력 단자 사이에 접속되어 있는, 1 ohm 보다 작은 내부 임피던스의 nMOS 제1 구동 트랜지스터(Q6)로서, 상기 제1 구동 트랜지스터(Q6)의 게이트는 상기 입력 단자에 접속되어 있는 것인, 상기 nMOS 제1 구동 트랜지스터(Q6)와;
    공급 단자와 상기 출력 단자 사이에 접속되어 있는 pMOS 제2 구동 트랜지스터(Q5)로서, 상기 제2 구동 트랜지스터(Q5)의 게이트는 공통 베이스 구조로 배치되고 용량성 결합 회로(C2, Q1, R2)에 의해 에미터 상에서 전류 제어되는 바이폴라 트랜지스터(Q2)를 경유하여 상기 입력 단자에 접속되어 있는 것인, 상기 pMOS 제2 구동 트랜지스터(Q5)
    를 포함하는 구동기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 nMOS 제1 구동 트랜지스터(Q6)의 내부 임피던스는 0.5 ohm 보다 작은 것인, 구동기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용량성 결합 회로는,
    상기 입력 단자에 접속된 커패시터(C2)와,
    상기 바이폴라 트랜지스터의 에미터에 접속된 제1 저항(R2)과,
    상기 저항과 상기 커패시터 사이에 직렬로 접속된 다이오드 형성 수단(Q1)
    을 포함하는 것인, 구동기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 바이폴라 트랜지스터(Q2)의 컬렉터와 상기 공급 단자 사이에 접속되어 상기 바이폴라 트랜지스터와 함께 레벨 변환단을 형성하는 제2 저항(R3)과,
    상기 레벨 변환단과 상기 pMOS 제2 구동 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 팔로워단(Q3, Q4)
    을 더 포함하는 구동기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 nMOS 제1 구동 트랜지스터의 게이트와 상기 입력 단자 사이에 접속된 제1 증폭 회로(AMP1)와,
    상기 입력 단자와 상기 용량성 결합 회로 사이에 접속된 제2 증폭 회로(AMP2)
    를 더 포함하는 구동기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입력 단자와 상기 nMOS 제1 구동 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 위상 천이 회로(R1, C1, D1)
    를 더 포함하는 구동기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입력 단자에 입력이 접속된 추가의 증폭 회로(IC2A)와,
    공통 베이스 구조로 배치된 상기 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터와 접지 사이에 접속된 추가의 nMOS 트랜지스터(Q7)
    를 더 포함하고, 상기 추가 트랜지스터(Q7)의 게이트는 상기 추가의 증폭 회로(IC2A)의 출력에 접속되는 것인, 구동기.
  8. 제1항 또는 제2항에서의 구동기에 의해 구동되는, 내연 기관의 불꽃 점화를 위한 고전압 무선 주파수 발생기의 트랜지스터.
  9. 제1항 또는 제2항에서의 구동기에 의해 구동되는, 플라즈마 발생을 위한 고전압 무선 주파수 발생기의 트랜지스터.
KR1020087003167A 2005-07-06 2006-05-12 고전압 트랜지스터를 제어하기 위한 구동기, 특히 내연기관의 불꽃 점화를 위한 고전압 무선 주파수 발생기의ｍｏｓ 트랜지스터 KR101257531B1 (ko)

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