KR101731902B1 - 강압전류에 대한 ｍｏｓｆｅｔ 스위치 보호회로 - Google Patents

강압전류에 대한 ｍｏｓｆｅｔ 스위치 보호회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코일부하의 전류 차단시 발생하는 코일 에너지 및 관성전류를 MOSFET 스위치를 적용하여 빠르고 안정적으로 감소시키고, 이때 발생하는 스위치 소자의 강압전류는 프로그래밍 가능한 디지털 논리회로를 통하여 제한하는 MOSFET 스위치 보호회로에 관한 것으로, 본 발명은 스위칭 소자의 코일부하에 흐르는 관성전류를 감소시키기 위하여 코일부하 후단에 연결되는 스위치의 보호회로에 있어서, 상기 스위치의 접점전압(Vds)과 미리 설정된 상기 스위치의 기준전압(Vref)을 입력신호로 하는 비교기(CM)와, 상기 비교기 출력신호(CMout)와 상기 스위치의 접점을 결정하기 위하여 상기 스위치에 입력되는 스위치 접점신호(OGout)를 입력신호로 하는 AND 연산자(AG)와, 상기 AND 연산자 출력신호(AGout)와 회로의 온오프 구동신호(ONOFF)를 입력신호로 하여 상기 스위치의 접점신호(OGout)를 출력하는 OR 연산자(OG)가 논리회로를 구성하여, 회로 전원 차단시 상기 스위치의 접점은 상기 스위치의 보호전류(Iar)를 기준으로 상기 스위치를 흐르는 관성전류(Iw)의 과전류 여부에 따라 온 또는 오프 상태가 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

강압전류에 대한 ＭＯＳＦＥＴ 스위치 보호회로{A Logic block for an avalanche protection of a MOSFET switch}
본 발명은 스위칭 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코일부하의 전류 차단시 발생하는 코일 에너지 및 관성전류를 MOSFET 스위치를 적용하여 빠르고 안정적으로 감소시키고, 이때 발생하는 스위치 소자의 강압전류는 프로그래밍 가능한 디지털 논리회로를 통하여 제한하는 MOSFET 스위치 보호회로에 관한 것이다.
일반적으로 코일(inductor)을 출력단의 부하(load)로 하는 회로에서 코일부하는 스위칭 소자에 대한 온오프 신호의 인가에 따라 기동하며, 직류 또는 AC-DC 정류회로를 통한 코일(inductor)을 출력단으로 하는 회로에서 코일부하의 전원 차단시 코일에는 코일전압이 발생하며, 이때의 코일전압은 코일을 흐르는 전류 및 내부 인덕턴스에 비례하여 급격히 상승한다.
도 1 및 도 2는 종래의 기술에 따른 스위칭 소자의 코일 전압으로부터 주변회로를 보호하기 위한 회로의 다양한 예를 나타낸 회로도이다.
먼저, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 종래의 스위칭 소자는 별도의 다이오드(D)를 이용한 부하를 코일(L)과 병렬로 연결하여 관성전류(Iw, flywheel current) 인가회로를 구성하였다. 회로 전원이 차단될 때 코일에서 발생되는 관성전류(Iw)는 인가회로를 따라 흐르면서 코일전압(VC)의 급격한 상승을 제한하여 코일과 주변 회로를 보호하게 된다. 그러나 코일 에너지에 연동하여 동작하는 기계식 부하는 관성전류 인가 시간에 따라 동작 지연이 발생될 수 있는데, 특히 기계식 브레이크 등과 같이 연동 부하의 빠른 응답이 요구되는 장치에서는 코일전류(즉, 관성전류)를 보다 빠르게 감소시키기 위한 별도의 회로 구성이 요구된다.
이러한 요구에 따라 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 기계식 스위치(SW)를 코일부하(L)와 직렬로 연결하여 회로의 전원 차단과 동시에 이를 개방하여 코일저항을 순간적으로 높이는 방법이 제시되었다. 이는 관성전류가 코일저항에 비례하여 감소하는 원리를 이용한 것이다. 상기와 같은 구성의 보호회로는 기계식 스위치(SW)의 개방으로 코일 저항을 순간적으로 높일 수는 있으나, 기계식 스위치의 접점에 전기적 마모(electrical spark)가 가중되므로 접점 용량을 높여야 하고, 바리스터(varistor, VCR)와 같은 과전압 보호회로가 추가되어야 한다.
스위치의 접점 내구성을 높이기 위한 방안으로 도 2에 도시된 바와 같이 기계식 접점 스위치를 대신하여 MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor)을 이용한 반도체 스위치 소자(Q)를 사용하는 방법이 제시되었다. MOSFET 스위치(Q)를 사용하는 스위칭 소자는 회로 전원 차단시 급격히 상승하는 코일전압이 MOSFET 스위치의 최대 허용전압(BVds, drain-source breakdown voltage)을 초과하여 반도체 내부의 p-n 접합부에 강압전류(avalanche current)를 인가하게 된다. 이러한 강압전류가 MOSFET 반도체의 허용 전류보다 높거나, 반복적으로 인가되는 경우 반도체 내부의 p-n 접합부에서 에너지(E) 소모가 높아지고 급격한 과열이 발생하여 반도체 부품의 손상 가능성도 높아진다.
한국등록특허 10-1148646호(2012.05.21.등록공고, 듀얼 코일을 갖는 스위칭 소자)
본 발명은 MOSFET 스위치를 이용하여 코일부하의 전류 차단시 발생하는 코일 에너지 및 관성전류를 빠르고 안정적으로 감소시키면서 스위치 접점의 내구성을 향상시키고, 동시에 강압전류의 크기 및 인가시간을 제한하여 상기 MOSFET 스위치를 보호할 수 있는 MOSFET 스위치 보호회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스위칭 소자의 코일부하에 흐르는 관성전류를 감소시키기 위하여 코일부하 후단에 연결되는 스위치의 보호회로에 있어서, 상기 스위치의 접점전압(Vds)과 미리 설정된 상기 스위치의 기준전압(Vref)을 입력신호로 하는 비교기(CM)와, 상기 비교기 출력신호(CMout)와 상기 스위치의 접점을 결정하기 위하여 상기 스위치에 입력되는 스위치 접점신호(OGout)를 입력신호로 하는 AND 연산자(AG)와, 상기 AND 연산자 출력신호(AGout)와 회로의 온오프 구동신호(ONOFF)를 입력신호로 하여 상기 스위치의 접점신호(OGout)를 출력하는 OR 연산자(OG)가 논리회로를 구성하여, 회로 전원 차단시 상기 스위치의 접점은 상기 스위치의 보호전류(Iar)를 기준으로 상기 스위치를 흐르는 관성전류(Iw)의 과전류 여부에 따라 온 또는 오프 상태가 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스위치의 접점은 상기 관성전류(Iw)가 상기 보호전류(Iar) 이상인 경우 온 상태로 제어되고, 상기 관성전류(Iw)가 상기 보호전류(Iar) 미만인 오프 상태로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 관성전류(Iw)의 과전류 여부는 상기 비교기(CM)의 양 단자에 입력되는 접점전압(Vds)과 음 단자에 입력되는 기준전압(Vref)의 비교로 감지하도록 구성되고, 상기 기준전압(Vref)은 상기 스위치의 보호전류(Iar)에 따라 상기 비교기(CM)의 음 단자에 연결되는 기준저항(Rref)의 저항값으로 설정되며, 상기 기준저항(Rref)의 저항값은 Rref = ( Rds · Iar ·R1)/( Vcc - Rds · Iar )에 따라 선정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 스위치가 오프 상태로 제어될 때 상기 관성전류(Iw)의 감소율을 향상시키기 위하여 상기 스위치와 병렬 연결되는 코일저항(Rw)을 구비하고, 상기 코일저항(Rw)의 저항값은 상기 스위치의 강압전류를 최소로 하는 범위(Rw ＜ BVds / Iar ) 내에서 선정되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 논리회로를 이용하여 MOSFET 반도체 스위치의 온오프 접점을 제어함으로써, 전류 차단시 발생하는 코일부하의 에너지와 관성전류를 빠르고 안정적으로 감소시키며, 동시에 강압전류의 크기 및 인가 시간을 제한하여 MOSFET 스위치를 안정적으로 보호할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 스위칭 소자의 코일전압으로부터 주변회로를 보호하기 위한 회로의 일 예를 나타낸 도면,
도 2는 종래의 기술에 따른 스위칭 소자의 코일전압으로부터 주변회로를 보호하기 위한 회로의 다른 예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자의 코일전압으로부터 MOSFET 스위치를 보호하기 위한 회로를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 스위치 보호회로에서의 교류 회로 전원에 대한 논리회로 출력신호 상태를 나타낸 도면,
도 5는 코일전류가 MOSFET 보호전류 이상일 때의 관성전류 흐름을 나타낸 도면,
도 6은 코일전류가 MOSFET 보호전류 이하일 때의 관성전류 흐름을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 스위치 보호회로에서의 직류 회로 전원 차단시의 논리회로 출력신호를 나타낸 도면.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자의 코일전압으로부터 MOSFET 스위치를 보호하기 위한 회로를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 스위치 보호회로에서의 교류 회로 전원에 대한 논리회로 출력신호 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 코일전류가 MOSFET 보호전류 이상일 때의 관성전류 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 코일전류가 MOSFET 보호전류 이하일 때의 관성전류 흐름을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 스위치 보호회로에서의 직류 회로 전원 차단시의 논리회로 출력신호를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자를 살펴보면, 코일부하(L)의 양 단에는 코일부하(L)를 그라운드(GND)에 연결하는 제1스위치(Q1)와 코일부하(L)를 전원(Vs)에 연결하는 제2스위치(Q2)가 각각 연결된다. 상기 제1,2스위치(Q1,Q2)는 MOSFET을 이용한 반도체 소자로서, 제1스위치(Q1)는 n 채널 MOSFET으로 구성되고, 제2스위치는 p 채널 MOSFET으로 구성될 수 있다. p 채널 MOSFET으로 구성되는 제2스위치(Q2)의 게이트 단에는 회로의 온오프 신호(ONOFF)에 따라 입력 신호를 선택하기 위한 제3스위치(Q3)가 구비되어, 회로 전원(Vs)과 연결되는 상기 제3 스위치(Q3)의 콜렉터 단자 신호가 제2스위치(Q2)의 게이트 단자로 입력되도록 구성된다. 따라서, 제2스위치(Q2)는 회로의 온오프 신호(ONOFF) 제어에 따라 회로 전원(Vs) 또는 접지 전원(GND) 신호에 의하여 턴 온 또는 턴 오프 구동된다.
본 발명에서 스위치 소자로 사용되는 MOSFET는 직류(DC) 또는 교류(AC)의 회로 전압(Vs)을 코일부하(L)에 인가하거나 차단하기 위하여 턴 온(Turn On) 및 턴 오프(Turn Off)의 스위치 기능을 수행하며, 이때, 안정적이고 효율적인 스위치 기능을 구현하기 위하여 논리회로가 구비되며, 논리회로의 로직 신호가 게이트 단자로 입력되도록 구성된다. 상기 논리회로는 다기능의 마이크로 컨트롤러(Micro-Controller) 내부의 일부 프로그램으로 구현될 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 제1스위치(Q1)를 구동하기 위한 논리회로는 비교기(CM, comparator), AND 연산자(AG, AND gate) 및 OR 연산자(OG, OR gate)를 포함한다. 또한, 논리회로는 회로를 구동하기 위한 저전압(Vcc) 전원을 위하여 회로 전압(Vs)과의 전압 차를 고려하여 별도의 전압 강하용 저항(Rc)과 논리회로 보호용 다이오드(D3, clamp diode)를 구비한다.
비교기(CM)는 양(+) 단자에 제1스위치(Q1)의 전압(Vds)이 입력되고, 음(-) 단자에 기준전압(Vref)이 입력되도록 구성된다. 여기서, 기준전압(Vref)은 미리 설정된 제1스위치(Q1)의 보호전류(Iar)에 해당하는 전압으로 다음의 식 (1)과 같고, 이는 비교기(CM)의 음 단자에 구비되는 기준저항(Rref)에 의하여 결정될 수 있으며, 기준저항(Rref)은 다음의 식 (1) 내지 (3)의 공식 따라 적용된다.
(1) Vref = Rds · Iar
(2) Vcc · Rref /(R1 + Rref ) = Rds · Iar
(3) Rref = ( Rds · Iar ·R1)/( Vcc - Rds · Iar )
AND 연산자(AG)는 비교기(CM)의 출력 신호(CMout)와 OR 연산자(OG)의 출력신호(OGout)를 각각 입력신호로 하며, OR 연산자(OG)는 AND 연산자(AG)의 출력신호(AGout)와 회로의 온오프 신호(ONOFF)를 각각 입력신호로 하며, OR 연산자(OG)에서 출력되는 신호가 제1스위치(Q1)의 게이트 단자로 입력되어 제1스위치(Q1)를 턴 온 또는 턴 오프 구동시키도록 구성된다.
코일부하를 갖는 스위칭 소자에서 코일부하(L)의 기동을 위한 온오프 신호(ONOFF)는 외부 기기의 신호 입력에 따른 출력신호, 내부 논리회로 전원 상태에 따른 출력신호, 과전류 상태 신호 입력에 따른 보호동작 출력신호 등과 같이 사용 목적에 따라 다양해 질 수 있다. 이하에서는 상기와 같은 구성의 논리회로와 제1스위치 및 제2스위치를 구비하는 스위칭 소자의 동작을 턴 온과 턴 오프로 구분하여 상세히 살펴본다.
턴 온(Turn On)
코일부하(L)의 기동을 위하여 회로의 온오프 신호(ONOFF)가 '1'인 경우, 제2스위치(Q2)의 게이트 단자에 음(-) 전압이 인가되며, 제2스위치(Q2)는 턴 온 상태로 전환된다. 동시에 상기 온오프 신호(ONOFF)는 OR 연산자(OG)를 통하여 제1스위치(Q1)를 턴 온시켜, 코일부하(L)에 코일전류(Ic)를 인가한다.
코일부하(L)에 전류(Ic)가 인가되면, 제1스위치(Q1)의 접점 양단(drain-source)에는 반도체 내부 저항(Rds, static on-state resistance)으로 인하여 코일전류(Ic)에 비례하는 제1스위치(Q1)의 접점전압(Vds)이 발생된다. 이때, 상기 제1스위치(Q1)의 내부 저항(Rds)은 게이트 입력 전압과 주변 온도에 따라 가변적일 수 있다. 제1스위치(Q1)의 접점전압(Vds)을 통한 과전류 감지를 비교하기 위하여 상기 제1스위치(Q1)의 접점전압(Vds)과 기준전압(Vref)이 비교기(CM)의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 입력된다.
이때, 기준전압(Vref)은 미리 설정되는 제1스위치(Q1)의 보호전류(Iar)에 의하여 결정되며, 제1스위치(Q1)의 보호전류(Iar) 설정을 위한 기준저항(Rref)은 위 식 (1) 내지 (3)의 공식에 따라 적용된다. 일반적으로 MOSFET이 허용하는 강압전류(avalanche current)는 정방향 허용전류(forward on-state current) 보다 작거나 같으나 부품에 따라 일부 차이가 있으며, 강압전류의 반복적인 허용은 과열로 이어지므로 사용 중 강압전류 발생 빈도를 최대한 고려하여 보호전류(Iar)를 설정한다.
비교기(CM)의 출력신호(CMout)는 기준전압(Vref)과 비교한 제1스위치(Q1)의 접점전압(Vds) 상태에 동기화되고, 제1스위치(Q1)의 접점전압(Vds) 상태에 동기화된 출력신호(CMout)는 다시 제1스위치(Q1) 접점의 온 또는 오프 상태를 결정하는 OR 연산자(OG) 출력신호(OGout)와 함께 AND 연산자(AG)에 입력된다. 따라서 본 발명의 논리회로는 별도의 전류 감지센서가 없어도 AND 연산자(AG)의 출력신호(AGout)를 통하여 운전 중 과전류 상태(OVERCURR) 여부를 확인할 수 있다.
비교기(CM)의 출력신호(CMout)와 OR 연산자(OG) 출력신호(OGout)를 입력신호로 하는 정상 운전 상태에서의 AND 연산자(AG) 출력신호(AGout)는 도 4와 같이 나타난다. 이때, 회로 전원은 교류(AC)이고, 코일전류(Ic)는 반파정류 다이오드(D2)를 거쳐 제1스위치(Q1)의 접점전압과 동기화된다.
턴 오프 (Turn Off)
AND 연산자(AG)의 출력신호(AGout)는 회로의 온오프 신호(ONOFF)와 함께 OR 연산자(OG)에 입력되므로, AND 연산자(AG)의 출력신호(AGout)가 '1'이 되면, 즉 코일전류(Ic)가 과전류 상태가 되면 온오프 신호(ONOFF) 입력 신호에 무관하게 제1스위치(Q1)의 접점은 온 상태를 유지하게 된다. 반면, 코일전류(Ic)가 과전류 상태가 아닌 보호전류(Iar) 이하인 상태에서는 AND 연산자(AG)의 출력신호(AGout)가 '0'이 되므로 제1스위치(Q1)의 접점 상태는 온오프 신호(ONOFF) 입력 신호에 동기화된다.
구체적으로 살펴보면, 과전류 상태에서 온오프 신호(ONOFF) 입력 신호가 '0'이 되면 제2스위치(Q2) 접점은 오프 상태가 되어 제1스위치(Q1)에는 회로 전압(Vs)이 차단되지만, 제1스위치(Q1) 접점은 온 상태이므로 코일전류(Ic)에 의한 관성전류(Iw)가 도 5의 (a)와 같이 다이오드(D1)를 통하여 흐르게 된다. 제1스위치(Q1) 접점이 온 상태에서 코일전류(Ic)가 과전류 상태이면 전원 차단시 관성전류(Iw)는 미리 설정된 보호전류(Iar) 이상이므로 코일의 내부저항에 따라 도 5의 (b)와 같이 비교적 완만하게 감소한다.
그러나 관성전류(Iw)가 보호전류(Iar)보다 작아지면 AND 연산자(AG)의 출력신호(AGout)가 '0'이 되고 온오프 신호(ONOFF) 입력 신호도 '0'이므로, 제1스위치(Q1)의 접점은 오프 상태가 되어 관성전류(Iw)는 도 6의 (a)와 같이 코일저항(Rw)을 따라 다이오드(D1)를 통하여 흐르게 되며, 이때, 관성전류(Iw)는 도 6의 (b)와 같이 코일저항(Rw)의 저항값에 비례하여 급격히 감소한다.
따라서 스위칭 소자의 빠른 동작을 위하여 코일저항(Rw)의 저항값은 높이고 코일전압(Vc)은 제1스위치(Q1) 접점의 최대 허용전압(BVds) 이하로 제한하기 위한, 즉 제1스위치(Q1)를 강압전류로부터 보호하기 위한 상기 코일저항(Rw)의 저항값은 다음의 식 (4)와 같이 강압전류를 최소로 하는 범위에서 산출될 수 있다.
(4) Rw ＜ BVds / Iar
도 7은 직류(DC) 회로 전원의 차단 시 상기 논리회로의 출력신호를 표시한 것으로, 관성전류(Iw)는 보호전류(Iar) 이상에서는 비교적 완만하게 감소하지만 보호전류(Iar) 이하에서는 급격히 감소하게 된다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (9)

  1. 스위칭 소자의 코일부하에 흐르는 관성전류를 감소시키기 위하여 코일부하 후단에 연결되는 스위치의 보호회로에 있어서,
    상기 스위치의 접점전압(Vds)과 미리 설정된 상기 스위치의 기준전압(Vref)을 입력신호로 하는 비교기(CM)와, 상기 비교기 출력신호(CMout)와 상기 스위치의 접점을 결정하기 위하여 상기 스위치에 입력되는 스위치 접점신호(OGout)를 입력신호로 하는 AND 연산자(AG)와, 상기 AND 연산자 출력신호(AGout)와 회로의 온오프 구동신호(ONOFF)를 입력신호로 하여 상기 스위치의 접점신호(OGout)를 출력하는 OR 연산자(OG)가 논리회로를 구성하여,
    회로 전원 차단시 상기 스위치의 접점은 상기 스위치의 보호전류(Iar)를 기준으로 상기 스위치를 흐르는 관성전류(Iw)의 과전류 여부에 따라 온 또는 오프 상태가 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위치의 접점은,
    상기 관성전류(Iw)가 상기 보호전류(Iar) 이상인 경우 온 상태로 제어되고, 상기 관성전류(Iw)가 상기 보호전류(Iar) 미만인 경우 오프 상태로 제어되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관성전류(Iw)의 과전류 여부는,
    상기 비교기(CM)의 양 단자에 입력되는 접점전압(Vds)과 음 단자에 입력되는 기준전압(Vref)의 비교로 감지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기준전압(Vref)은,
    상기 스위치의 보호전류(Iar)에 따라 상기 비교기(CM)의 음 단자에 연결되는 기준저항(Rref)의 저항값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기준저항(Rref)의 저항값은,
    Rref = ( Rds · Iar ·R1)/( Vcc - Rds · Iar )
    에 따라 선정되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
    (여기서, Rds는 스위치의 내부저항, Vcc는 비교기 전원전압, R1은 Vcc로부터 기준전압 추출을 위한 전압강하용 저항이다)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치가 오프 상태로 제어될 때 상기 관성전류(Iw)를 감소시키기 위하여 상기 스위치와 병렬 연결되는 코일저항(Rw)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 코일저항(Rw)의 저항값은,
    상기 스위치의 강압전류를 최소로 하는 범위(Rw ＜ BVds / Iar ) 내에서 선정되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로. (여기서, BVds는 스위치 접점의 최대 허용전압이다)
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치는 MOSFET 소자인 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 논리회로는 마이크로 컨트롤러(Micro-controller) 내부 프로그램으로 구현되는 것을 특징으로 하는 스위치 보호회로.
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