KR101874414B1 - 하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치 - Google Patents

하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치 Download PDF

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Abstract

보호 소자를 포함하는 하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치가 제공된다. 이를 위해 본 발명은, 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원, 및 제1 로우 레벨 구동 전원과 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함하는 하이측 게이트 드라이버와 이를 포함하는 전력 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 동일한 구조로 구현된 하이측 노말리-온 스위치, 추가 노말리-온 스위치, 및 로우측 노말리-온 스위치를 포함하는 스위칭 칩을 제공한다.

Description

하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치{High side gate driver, switching chip, and power device}
본 발명은 하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 보호 소자를 포함하는 하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치에 관한 것이다.
최근 들어 주 전원을 공급받아 각 소자에 필요한 전압으로 변환하거나 분배하는 전력 반도체가 전자기기에 채용되고 있는 추세이다. 전력 반도체는 실리콘 기반의 반도체를 이용하여 제조되거나, 갈륨나이트라이드(GaN)나 실리콘카바이드(SiC) 등의 화합물 반도체에 기반한 GaN 트랜지스터나 SiC 트랜지스터로 구현될 수 있다.
하이측 게이트 드라이버에는 출력 단자에 높은 레벨의 전압이 인가된다. 따라서 하이측 노말리-온 스위치를 턴 온/오프 시키기 위해서는 하이측 노말리-온 스위치의 게이트에 출력 단자의 전압과 상응하는 높은 레벨의 전압이 인가되어야 한다. 이러한 높은 레벨의 전압은 주변 스위칭 소자들의 파괴 현상을 야기할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주변 스위칭 소자들의 파괴 현상을 방지할 수 있는 하이측 게이트 드라이버, 스위칭 칩, 및 전력 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따른 하이측 게이트 드라이버가 제공된다. 상기 하이측 게이트 드라이버는 하이측 노말리-온 스위치(high side normally-on switch)를 제어할 수 있으며, 상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 및 상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 일 예에 따르면, 상기 보호 소자의 저항값은 상기 제1 스위칭 소자의 저항값보다 50배 내지 100배 클 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 다른 예에 따르면, 상기 보호 소자는 추가 노말리-온 스위치를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 추가 노말리-온 스위치의 평면적은 상기 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100일 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 다른 예에 따르면, 상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트에 인가된 전압은 상기 추가 노말리-온 스위치의 임계 전압보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트는 접지 단자와 연결될 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 다른 예에 따르면, 상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트는 상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 연결될 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 다른 예에 따르면, 상기 추가 노말리-온 스위치 및 상기 하이측 노말리-온 스위치는 동일한 구조로 구현될 수 있다. 상기 동일한 구조는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터, 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터, 및 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 다른 예에 따르면, 상기 하이측 게이트 드라이버는 상기 보호 소자와 제2 로우 레벨 구동 전원 사이에 연결된 제2 스위칭 소자를 더 포함하고, 상기 제2 로우 레벨 구동 전원의 전압은 상기 제1 로우 레벨 구동 전원의 전압보다 클 수 있다.
상기 하이측 게이트 드라이버의 다른 예에 따르면, 상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키는 동안, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온 된 후 턴 온 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따른 전력 장치가 제공된다. 상기 전력 장치는, 출력 단자와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원과 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 하이측 노말리-온 스위치; 및 상기 하이측 노말리-온 스위치를 제어하기 위한 하이측 게이트 드라이버를 포함하고, 상기 하이측 게이트 드라이버는, 상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 및 상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 전력 장치의 일 예에 따르면, 상기 하이측 게이트 드라이버는, 상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 온 시키기 위해 제공된 하이 레벨 구동 전원; 및 상기 하이 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 연결된 제3 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 장치의 다른 예에 따르면, 상기 하이측 게이트 드라이버는, 상기 하이 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 소스 사이에 연결된 용량성 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 장치의 다른 예에 따르면, 상기 전력 장치는 로우 레벨 공급 전원과 연결된 소스, 상기 출력 단자와 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 로우측 노말리-온 스위치; 및 상기 로우측 노말리-온 스위치를 제어하기 위한 로우측 게이트 드라이버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 전력 장치가 제공된다. 상기 전력 장치는, 출력 단자와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원과 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 하이측 노말리-온 스위치; 및 상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 온 시키기 위해 제공된 하이 레벨 구동 전원; 상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트와 연결된 추가 노말리-온 스위치; 및 상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 추가 노말리-온 스위치 사이에 연결된 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 전력 장치의 일 예에 따르면, 상기 전력 장치는 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트의 전압을 감소시키기 위해 제공된 제2 로우 레벨 구동 전원; 및 상기 제2 로우 레벨 구동 전원과 상기 추가 노말리-온 스위치 사이에 연결된 제2 스위칭 소자를 더 포함하고, 상기 제2 로우 레벨 구동 전원의 전압은 상기 제1 로우 레벨 구동 전원의 전압보다 클 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따른 스위칭 칩이 제공된다. 상기 스위칭 칩은, 출력 단자와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원과 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 하이측 노말리-온 스위치; 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트와 연결된 추가 노말리-온 스위치; 및 로우 레벨 공급 전원과 연결된 소스, 상기 출력 단자와 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 로우측 노말리-온 스위치를 포함하고, 상기 하이측 노말리-온 스위치, 상기 추가 노말리-온 스위치, 및 상기 로우측 노말리-온 스위치는 동일한 구조로 구현될 수 있다.
상기 스위칭 칩의 일 예에 따르면, 상기 추가 노말리-온 스위치의 평면적은 상기 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 하이측 게이트 드라이버 및 이를 포함하는 전력 장치는, 하이측 노말리-온 스위치의 게이트와 연결된 추가 보호 소자(예를 들어, 노말리-온 스위치)를 포함한다. 따라서, 하이측 노말리-온 스위치의 게이트에 인가된 높은 레벨의 전압이 상기 보호 소자에 대부분 인가될 수 있고, 그에 따라 주변 스위칭 소자들에 높은 레벨의 전압이 인가되어 발생할 수 있는 파괴 현상이 방지될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 하이측 게이트 드라이버 및 이를 포함하는 전력 장치는, 하이측 노말리-온 스위치와 동일한 구조로 구현된 추가 노말리-온 스위치가 보호 소자로서 형성된다. 따라서 동일한 공정을 수행함으로써 하이측 노말리-온 스위치, 로우측 노말리-온 스위치, 및 추가 노말리-온 스위치가 구현될 수 있고, 추가적인 공정 없이도 보호 소자가 구현될 수 있다. 나아가 추가 노말리-온 스위치의 경우 그 구현에 있어 좁은 면적(예를 들어, 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100)만을 필요로 하기 때문에, 스위칭 칩의 면적의 증가를 크게 요하지도 않는다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도들이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 도 6의 전력 장치 중 로우측 노말리-온 스위치와 로우측 게이트 드라이버를 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 6의 전력 장치 중 로우측 노말리-온 스위치, 하이측 노말리-온 스위치, 및 추가 노말리-온 스위치를 나타낸 회로도이다.
도 9는 도 6의 전력 장치의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 11은 도 10의 전력 장치의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 12는 본 발명의 추가 노말리-온 스위치의 일 구현예를 나타내는 공정 단면도이다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 스위칭 칩을 포함하는 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 스위칭 칩의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장될 수 있다.
이하에서 상술되는 본 발명의 실시예들에서 이용되는 용어들은 해당 기술분야에서 통상적으로 알려진 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나는 최소한 하나, 즉, 하나 또는 그 이상의 수를 의미하며, 하나 또는 복수와도 동일한 의미로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 전력 장치는 로우측 노말리-온 스위치(LS), 로우측 게이트 드라이버(LGD), 하이측 노말리-온 스위치(HS), 및 하이측 게이트 드라이버(HGD)를 포함할 수 있다.
로우측 노말리-온 스위치(LS)는 로우 레벨 공급 전원(예를 들어, 그라운드)과 연결된 소스, 출력 단자(OUT)와 연결된 드레인, 및 로우측 게이트 드라이버(LGD)와 연결된 게이트를 포함할 수 있다. 로우측 노말리-온 스위치(LS)가 턴 온 됨으로써, 출력 단자(OUT)의 전압이 로우 레벨 공급 전원의 전압(예를 들어, 0V)으로 감소될 수 있다.
로우측 게이트 드라이버(LGD)는 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 제어하도록 구성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 로우측 게이트 드라이버(LGD)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDL) 및 로우 레벨 구동 전원(-VSSL)으로부터 전압(예를 들어, 펄스 전압)을 인가받아 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 온 또는 턴 오프 시키도록 구성될 수 있다.
하이측 노말리-온 스위치(HS)는 출력 단자(OUT)와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원(Vs)과 연결된 드레인, 및 하이측 게이트 드라이버(HGD)와 연결된 게이트를 포함할 수 있다. 하이측 노말리-온 스위치(HS)가 턴 온 됨으로써, 출력 단자(OUT)의 전압이 하이 레벨 공급 전원(Vs)의 전압으로 증가될 수 있다.
하이측 게이트 드라이버(HGD)는 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 제어하도록 구성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDH), 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1), 보호 소자(PD), 및 제1 스위칭 소자(SW1)를 포함할 수 있다.
하이 레벨 구동 전원(+VDDH)은 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온 시키기 위해 제공될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)으로부터 높은 레벨의 전압을 수신하여 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온 시키도록 구성될 수 있다. 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온 시키기 위한 구성에 대해서는 도 6에서 더욱 자세히 설명하기로 한다.
제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)은 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키기 위해 제공될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)으로부터 낮은 레벨의 전압을 수신하여 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키도록 구성될 수 있다.
보호 소자(PD) 및 제1 스위칭 소자(SW1)는 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)과 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 더욱 구체적으로, 보호 소자(PD)는 하이측 노말리-온 스위치(HS)와 연결될 수 있고, 제1 스위칭 소자(SW1)는 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)과 보호 소자(PD) 사이에 연결될 수 있다.
디플리션형 트랜지스터(depletion-type transitor)와 같은 노말리-온 스위치가 완전하게 턴 오프가 되기 위해서는 상기 노말리-온 스위치의 게이트에 음성 전압이 인가되어야 한다. 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)으로부터 음성 전압을 수신하여 상기 음성 전압을 하이측 노말리-온 스위치(HS)에 전달할 수 있고, 그에 따라 하이측 노말리-온 스위치(HS)가 완전히 턴 오프될 수 있다. 상기 음성 전압의 전달을 조절하기 위해, 제1 스위칭 소자(SW1)가 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트와 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1) 사이에 연결될 수 있다. 제1 스위칭 소자(SW1)는 IN_N 신호를 수신하여 턴 온 될 수 있고, 그에 따라 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)의 전압(즉, 음성 전압)이 인가될 수 있다.
하이측 노말리-온 스위치(HS)가 턴 오프 되기 전, 출력 단자(OUT)에는 높은 레벨의 전압(예를 들어, 400V 이상의 전압)이 인가된 상태이다. 따라서 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에도 역시 출력 단자(OUT)의 전압과 상응하는 높은 레벨의 전압이 인가된 상태이다. 이 경우 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프시키기 위해 제1 스위칭 소자(SW1)를 턴 온 시킬 경우, 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 인가된 상기 높은 레벨의 전압에 의해 제1 스위칭 소자(SW1)의 파괴(breakdown) 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는, 제1 스위칭 소자(SW1)와 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트 사이에 연결된 보호 소자(PD)를 포함한다. 보호 소자(PD)의 저항값은 제1 스위칭 소자(SW1)의 저항값보다 약 50배 내지 100배 클 수 있다. 따라서, 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 인가된 상기 높은 레벨의 전압은 제1 스위칭 소자(SW1)와 직렬로 연결된 보호 소자(PD)에 대부분 인가될 수 있고, 그에 따라 제1 스위칭 소자(SW1)에 높은 레벨의 전압이 인가되어 발생할 수 있는 파괴 현상이 방지될 수 있다.
보호 소자(PD)는 임의의 높은 저항을 가진 구조물로 구현될 수 있으며, 예를 들어 높은 저항값을 갖는 노말리-온 스위치로 구현될 수 있다. 노말리-온 스위치를 이용하여 보호 소자(PD)를 구현한 예가 도 2 및 도 3에 도시된다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도들이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전력 장치는 로우측 노말리-온 스위치(LS), 로우측 게이트 드라이버(LGD), 하이측 노말리-온 스위치(HS), 및 하이측 게이트 드라이버(HGD)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소에 대한 설명은 도 1에서 설명한 바와 같은바 이하 생략하기로 한다.
도 1에 나타난 보호 소자(PD)는 추가 노말리-온 스위치(AS)를 포함할 수 있다. 추가 노말리-온 스위치(AS)는 제1 스위칭 소자(SW1)와 하이측 노말리-온 스위치(HS) 사이에 연결될 수 있다. 추가 노말리-온 스위치(AS)의 게이트에는 추가 노말리-온 스위치(AS)의 임계 전압보다 큰 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 추가 노말리-온 스위치(AS)의 임계 전압은 -5 V일 수 있다. 이 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 추가 노말리-온 스위치(AS)의 게이트는 접지 단자와 연결될 수 있다.
선택적으로, 추가 노말리-온 스위치(AS)의 게이트는 추가 노말리-온 스위치(AS)의 소스/드레인과 연결될 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 추가 노말리-온 스위치(AS)의 게이트는 추가 노말리-온 스위치(AS)의 소스/드레인 중 제1 스위칭 소자의 드레인과 연결된 소스/드레인(즉, 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1) 방향의 소스/드레인)과 연결될 수 있다. 이 경우 추가 노말리-온 스위치(AS)는 높은 저항값을 갖는 다이오드 소자로서 기능할 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타난 추가 노말리-온 스위치(AS)는 하이측 노말리-온 스위치(HS) 및/또는 로우측 노말리-온 스위치(LS)와 동일한 구조로 구현될 수 있다. 상기 동일한 구조는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터, 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터, 및 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 추가 노말리-온 스위치(AS)는 하이측 노말리-온 스위치(HS) 및 또는 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 형성하는 공정을 수행하는 동안 형성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는, 제1 스위칭 소자(SW1)와 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1) 사이에 연결된 추가 노말리-온 스위치(AS)를 포함한다. 추가 노말리-온 스위치(AS)는 하이측 노말리-온 스위치(HS) 및/또는 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 형성하는 동안 형성될 수 있다. 따라서 별도의 공정 추가 없이도 보호 소자가 구현될 수 있다.
추가 노말리-온 스위치(AS)는 하이측 노말리-온 스위치(HS) 및/또는 로우측 노말리-온 스위치(LS)에 비해 작은 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 추가 노말리-온 스위치(AS)의 평면적은 상기 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100일 수 있다. 따라서 반도체 칩의 면적을 많이 차지함이 없이도 보호 소자가 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 이 실시예에 따른 전력 장치는 도 2의 실시예에 따른 전력 장치의 변형예일 수 있다. 이하 실시예들간의 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2) 및 제2 스위칭 소자(SW2)를 더 포함할 수 있다.
제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)은 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트의 전압을 감소시키기 위해 제공될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)으로부터 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)의 전압보다 높은 레벨의 전압(예를 들어, 0V)을 수신하여 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트의 전압을 감소 시키도록 구성될 수 있다.
제2 스위칭 소자(SW2)는 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)과 보호 소자(예를 들어, 추가 노말리-온 스위치(AS)) 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위칭 소자(SW2)는 IN_G 신호를 수신하여 턴 온 될 수 있고, 그에 따라 하이특 노말리-온 스위치의 게이트에 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)의 전압(예를 들어, 0V)이 인가될 수 있다.
하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키기 위해, 제1 스위칭 소자(SW1)는 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 된 후 턴 온 되도록 구성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키기 위해, 먼저 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 될 수 있다. 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)과 연결된 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 됨으로써, 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트가 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)의 전압보다 높은 레벨의 전압(예를 들어, 0V)으로 감소될 수 있다.
이후, 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 오프 되고, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온 될 수 있다. 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)과 연결된 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온 됨으로써, 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트가 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)의 전압과 대응되는 음성 전압(예를 들어, -15V)으로 감소될 수 있다.
전술한 바와 같이, 디플리션형 트랜지스터와 같은 노말리-온 스위치가 완전하게 턴 오프가 되기 위해서는 게이트에 음성 전압이 인가되어야 하고, 특히 하이측 게이트 드라이버의 경우 높은 전압이 인가되므로 안정성이 요구된다. 한편, 음성 전압은 외부에서 인가된 양성 전압(positive voltage)을 기초로 구현되는 것이기 때문에, 상기 음성 전압의 변동(variation)이 발생할 수 있다. 이러한 음성 전압의 변동은 하이측 게이트 드라이버의 안정성을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는, 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)의 전압(즉, 음성 전압)보다 큰 전압(예를 들어, 0V)을 제공하는 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)과 보호 소자(PD) 사이에 연결된 제2 스위칭 소자(SW2)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키기 위해, 먼저 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 되어 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 전압을 변동이 없는 전압(예를 들어, 0V)으로 안정적으로 감소시킬 수 있고, 이후 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴온 되어 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 전압을 음성 전압으로 감소시킬 수 있다. 따라서 하이측 게이트 드라이버(HGD)의 안정성이 개선될 수 있으며, 결과적으로 전력 장치의 성능이 개선될 수 있다.
비록 도 1 내지 도 4에에서 실시예들이 하프-브릿지 인버터(half-bridge inverter)를 기준으로 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 5에 나타나나 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는 풀-브릿지 인버터(full-bridge inverter)로 구현될 수도 있다.
도 5 를 참조하면, 풀-브릿지 인버터로 구현된 전력 장치는 제1 로우측 노말리-온 스위치(LS1), 제1 로우측 게이트 드라이버(LGD1), 제1 하이측 노말리-온 스위치(HS1), 및 제1 하이측 게이트 드라이버(HGD1)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소에 대한 설명은 도 1에서 설명한 바와 같은바 이하 생략하기로 한다. 나아가, 전력 장치는 제2 로우측 노말리-온 스위치(LS2), 제2 로우측 게이트 드라이버(LGD2), 제2 하이측 노말리-온 스위치(HS2), 및 제2 하이측 게이트 드라이버(HGD2)를 더 포함할 수 있다.
비록 도 5에서는 보호 소자(PD, PD') 및 제1 스위칭 소자(SW1, SW1')를 포함하는 제1 하이측 게이트 드라이버(HGD1) 및 제2 하이측 게이트 드라이버(HGD2)만이 도시되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 5에 나타난 보호 소자(PD, PD')는 도 2 내지 도 4에 나타난 바와 같이 추가 노말리-온 스위치로 구현될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 이 실시예에 따른 전력 장치는 도 2의 실시예에 따른 전력 장치의 변형예일 수 있다.
도 6을 참조하면, 전력 장치는 로우측 노말리-온 스위치(LS), 로우측 게이트 드라이버(LGD), 하이측 노말리-온 스위치(HS), 및 하이측 게이트 드라이버(HGD)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 도 1 및 도 2에서 설명한 바 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
로우측 게이트 드라이버(LGD)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDL)의 전압 및 로우 레벨 구동 전원의 전압을 인가받아 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 제어하도록 구성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 로우측 게이트 드라이버(LGD)의 증폭기(A)는 IN_L 신호를 수신하여 하이 레벨 구동 전원(+VDDL)의 전압과 로우 레벨 구동 전원(-VSSL)의 전압 사이로 스윙(swing)하는 전압을 생성하여 로우측 노말리-온 스위치(LS)의 게이트에 전달할 수 있다.
하이측 게이트 드라이버(HGD)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압 및 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)의 전압을 인가받아 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 제어하도록 구성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 도 2에서 설명한 바와 같은 추가 노말리-온 스위치(AS) 및 제1 스위칭 소자(SW1)를 포함할 수 있다. 또한, 하이측 게이트 드라이버(HGD)는 제3 스위칭 소자(SW3) 및 용량성 소자(CAP)를 포함할 수 있다.
제3 스위칭 소자(SW3)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)과 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트 사이에 연결될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온 시키기 위해 제3 스위칭 소자(SW3)가 제공될 수 있다. 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온 됨으로써, 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압(예를 들어, 15V)이 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트로 전달될 수 있다. 따라서 하이측 노말리-온 스위치(HS)가 턴 온 될 수 있다.
용량성 소자(CAP)는 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)과 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 소스 사이에 연결될 수 있다. 더욱 구체적으로, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 더욱 완벽하게 턴 온 시키기 위해, 용량성 소자(CAP)가 제공될 수 있다. 용량성 소자(CAP)는 높은 전압(예를 들어 400V)을 저장할 수 있고, 따라서 제3 스위칭 소자(SW3)의 턴 온에 따라 상기 높은 전압(예를 들어 400V)과 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압(예를 들어, 15V)이 더해진 전압이 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 전달될 수 있다. 따라서 출력 단자(OUT)의 전압이 증가하더라도 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 안정적인 턴 온 상태가 유지될 수 있다.
도 7은 도 6의 전력 장치 중 로우측 노말리-온 스위치(LS)와 로우측 게이트 드라이버(LGD)를 나타낸 회로도이다. 도 8은 도 6의 전력 장치 중 로우측 노말리-온 스위치(LS), 하이측 노말리-온 스위치(HS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)를 나타낸 회로도이다.
도 7을 참조하면, 로우측 노말리-온 스위치(LS)의 소스가 로우 공급 전원(예를 들어, 그라운드)과 연결되어 있기 때문에, 로우측 노말리-온 스위치(LS)의 게이트에 높은 레벨의 전압을 인가하지 않더라도 로우측 노말리-온 스위치(LS)가 턴 온/오프 될 수 있다. 따라서 로우측 노말리-온 스위치(LS)의 제어를 위한 로우측 게이트 드라이버(LGD)는 DC-DC 컨버터로 구현될 수 있고, DC-DC 컨버터의 스윙 폭은 출력 단자(OUT)의 전압과 상응하는 높은 레벨의 전압으로 증가될 필요가 없다. 따라서 상대적으로 낮은 로우측 게이트 드라이버(LGD)의 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압(예를 들어, 15V) 및 로우 레벨 구동 전원의 전압(예를 들어, -15V)이 요구될 뿐이어서, 상기 전압들에 의해서는 주변 스위칭 소자들의 파괴 현상이 발생할 염려가 없다.
그러나, 하이측 게이트 드라이버(HGD)의 경우, 전술한 바와 같이 출력 단자(OUT)에 높은 레벨의 전압이 인가된다. 따라서 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온/오프 시키기 위해서는 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 출력 단자(OUT)의 전압과 상응하는 높은 레벨의 전압이 인가되어야 한다. 이러한 높은 레벨의 전압은 주변 스위칭 소자들의 파괴 현상을 야기할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는, 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트와 연결된 추가 노말리-온 스위치(AS)를 포함한다. 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 저항값은 주변 스위칭 소자의 저항값보다 약 50배 내지 100배 클 수 있다. 따라서, 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 인가된 상기 높은 레벨의 전압은 추가 노말리-온 스위치(AS)에 대부분 인가될 수 있고, 그에 따라 주변 스위칭 소자들에 높은 레벨의 전압이 인가되어 발생할 수 있는 파괴 현상이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는, 하이측 노말리-온 스위치(HS)와 동일한 구조로 구현된 추가 노말리-온 스위치(AS)가 보호 소자로서 형성된다. 따라서 동일한 공정을 수행함으로써 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)가 구현될 수 있고, 추가적인 공정 없이도 보호 소자가 구현될 수 있다. 나아가 추가 노말리-온 스위치(AS)의 경우 그 구현에 있어 좁은 면적(예를 들어, 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100)만을 필요로 하기 때문에, 스위칭 칩의 면적의 증가를 크게 요하지도 않는다. 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)가 동일한 공정을 이용하여 단일 스위칭 칩으로 구현된 예에 대해서는 도 13에서 후술하기로 한다.
도 9는 도 6의 전력 장치의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 6 및 도 9를 참조하면, 먼저 출력 단자(OUT)에 전력을 공급하기 위해, 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 오프시키고, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온 시키는 동작이 도시된다.
IN_L 신호는 로우 상태로 천이된다. 따라서 로우측 노말리-온 스위치(LS)는 턴 오프 된다. 이후, IN_H 신호가 로우 상태로 천이 되며, 그에 따라 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 온 된다. 제3 스위칭 소자(SW3)의 턴 온에 따라 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압(예를 들어, 15V)이 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 전달될 수 있고, 따라서 하이측 노말리-온 스위치(HS)가 턴 온 되어 출력 단자(OUT)의 전압이 증가할 수 있다. 용량성 소자(CAP)가 높은 전압(예를 들어 400V)을 저장할 수 있고, 제3 스위칭 소자(SW3)의 턴 온에 따라 상기 높은 전압(예를 들어 400V)과 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압(예를 들어, 15V)이 더해진 전압이 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 전달될 수 있음은 전술한 바와 같다.
이후 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 온시키고, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키는 동작이 수행된다.
먼저 IN_H 신호가 하이 상태로 천이된다. 따라서 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 오프 되고, 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압이 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 전달되지 않는다. 이후 IN_N 신호가 하이 상태로 천이된다. 따라서 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온 되고, 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)에 의해 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 저장된 높은 레벨의 전압(및 전하)가 방전될 수 있다. 상기 방전에 의해 하이측 노말리-온 스위치(HS)가 완전히 턴 오프 될 수 있다. 추가 노말리-온 스위치(AS)가 상기 방전 동안 제1 스위칭 소자(SW1)의 파괴를 방지할 수 있음은 전술한 바와 같다. 한편, 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 온 시키기 위해 IN_L 신호가 하이 상태로 천이된다. 로우측 노말리-온 스위치(LS)가 턴 온 됨에 따라, 출력 단자(OUT)의 전압이 감소할 수 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 실시예에 따른 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 이 실시예에 따른 전력 장치는 도 6의 실시예에 따른 전력 장치의 변형예일 수 있다.
도 6의 전력 장치에서 제2 스위칭 소자(SW2)가 부가된 구성의 전력 장치가 도 10에 나타난다. 제2 스위칭 소자(SW2)는 도 4에서 설명한 바와 같이 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)과 추가 노말리-온 스위치(AS) 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위칭 소자(SW2)는 IN_G 신호를 수신하여 턴 온 될 수 있고, 그에 따라 하이특 노말리-온 스위치의 게이트에 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)의 전압(예를 들어, 0V)이 인가될 수 있다.
도 11은 도 10의 전력 장치의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 먼저 출력 단자(OUT)에 전력을 공급하기 위해, 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 오프시키고, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 온 시키는 동작이 도시된다. 상기 동작은 도 9에서 설명한 바와 같으므로 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이후 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 온시키고, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키는 동작이 수행된다.
먼저 IN_H 신호가 하이 상태로 천이된다. 따라서 제3 스위칭 소자(SW3)가 턴 오프 되고, 하이 레벨 구동 전원(+VDDH)의 전압이 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 전달되지 않는다. 한편, 로우측 노말리-온 스위치(LS)를 턴 온 시키기 위해 IN_L 신호가 하이 상태로 천이된다. 로우측 노말리-온 스위치(LS)가 턴 온 됨에 따라, 출력 단자(OUT)의 전압이 감소할 수 있다.
이후, IN_G 신호가 하이 상태로 천이된다. 따라서 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 되고, 제2 로우 레벨 구동 전원(-VSSH2)에 의해 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 저장된 높은 레벨의 전압(및 전하)가 방전될 수 있다. 상기 방전 이후, IN_G 신호는 로우 상태로 천이되고, IN_N 신호가 하이 상태로 천이된다. 따라서 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온 되고, 제1 로우 레벨 구동 전원(-VSSH1)에 의해 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 게이트에 저장된 높은 레벨의 전압(및 전하)가 완전히 방전될 수 있다.
하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키기 위해, 먼저 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 되고, 이후 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온 됨에 유의한다. 전술한 바와 같이, 하이측 노말리-온 스위치(HS)가 완전하게 턴 오프가 되기 위해서는 게이트에 음성 전압이 인가되어야 한다. 상기 음성 전압은 외부에서 인가된 양성 전압(positive voltage)을 기초로 구현되는 것이기 때문에, 음성 전압의 변동(variation)이 발생할 수 있고, 이러한 음성 전압의 변동은 하이측 게이트 드라이버(HGD)의 안정성을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
도 11에 동작에 따른 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 이를 포함하는 전력 장치는, 하이측 노말리-온 스위치(HS)를 턴 오프 시키기 위해, 먼저 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴 온 되어 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 전압을 변동이 없는 전압(예를 들어, 0V)으로 안정적으로 감소시키고, 이후 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴온 되어 하이측 노말리-온 스위치(HS)의 전압을 음성 전압으로 감소시킬 수 있다. 따라서 하이측 게이트 드라이버(HGD)의 안정성이 개선될 수 있으며, 결과적으로 전력 장치의 성능이 개선될 수 있다.
도 12는 본 발명의 추가 노말리-온 스위치의 일 구현예를 나타내는 공정 단면도이다.
도 12를 참조하면, 보호 소자의 일 예인 추가 노말리-온 스위치(AS)는 반도체 기판(AS_1) 및 이에 적층되는 하부 반도체층(AS_2), 채널층(AS_3), 상부 반도체층(AS_4) 및 하나 이상의 전극들을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 전극들은, 소스 전극(AS_5), 게이트 전극(AS_6) 및 드레인 전극(AS_7)을 포함할 수 있다.
소스 전극(AS_5), 게이트 전극(AS_6) 및 드레인 전극(AS_7)은 상부 반도체층(AS_4) 상에 서로 이격되어 형성되고, 각각 전도성 물질을 포함할 수 있다. 또한, 하부 반도체층(AS_2) 및 상부 반도체층(AS_4)은 서로 다른 밴드갭을 가진 물질을 포함할 수 있으며, 일예로서 하부 반도체층(AS_2)은 GaN, GaAs, InN 등의 물질을 포함할 수 있으며, 상부 반도체층(AS_4)은 AlGaN, AlGaAs, AlInN 등의 물질을 포함할 수 있다. 하부 반도체층(AS_2)과 상부 반도체층(AS_4) 사이의 밴드갭의 차이에 따라, 하부 반도체층(AS_2)과 상부 반도체층(AS_4)의 접합면에 2차원 전자 가스(2DEG, 2 Dimensional Electron Gas) 층이 유도될 수 있으며, 유도된 2차원 전자 가스 층이 채널층(AS_3)으로서 동작할 수 있다.
전술한 바와 같이, 보호 소자의 일 예인 추가 노말리-온 스위치(AS)는 하이측 노말리-온 스위치 및/또는 로우측 노말리-온 스위치와 동일한 구조로 구현될 수 있다. 따라서, 하이측 노말리-온 스위치 및/또는 로우측 노말리-온 스위치 또한 노말리-온 스위치(AS)와 같이 하부 반도체층, 채널층, 및 상부 반도체층을 포함할 수 있다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 스위칭 칩(SC)을 포함하는 전력 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 이 실시예에 따른 전력 장치는 도 2의 실시예에 따른 전력 장치가 실제로 구현된 실시예일 수 있다. 이하 도 2의 설명과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 13을 참조하면, 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)는 동일한 공정을 이용하여 단일의 스위칭 칩(SC)으로 구현될 수 있다. 따라서 스위칭 칩(SC)은 동일한 구조로 구현된 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)를 포함할 수 있다. 상기 동일한 공정을 통해 스위칭 칩(SC)을 제조하는 방법은 도 14에서 후술하기로 한다.
도 2에 나타난 전력 장치의 구성요소들 중 스위칭 칩(SC)에 구현된 구성요소들(예를 들어, 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS))를 제외한 나머지 구성요소들(예를 들어, 제1 스위칭 소자(SW1)를 포함하는 하이측 게이트 드라이버(HGD) 및 로우측 게이트 드라이버(LGD))은 드라이버 칩(DC)에 구현될 수 있다.
스위칭 칩(SC) 및 드라이버 칩(DC)은 모듈 보드(MB) 상에 탑재되며, 와이어들(W1, W2)과 같은 배선 부재들을 통해 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 와이어들(W1)을 통해 제1 스위칭 소자(SW1)와 추가 노말리-온 스위치(AS)가 전기적으로 연결될 수 있고, 와이어들(W2)을 통해 로우측 게이트 드라이버(LGD)와 로우측 노말리-온 스위치(LS)가 연결될 수 있다.
도 14는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 스위칭 칩의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 도 14에 나타난 스위칭 칩의 제조 방법은, 도 13의 스위칭 칩(SC)을 제조하기 위한 방법의 일 예일 수 있다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 노말리-온 스위치를 형성하기 위한 활성 영역이 형성된다(S110). 이후 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)를 동시에 형성한다(S120). 하이측 노말리-온 스위치(HS), 로우측 노말리-온 스위치(LS), 및 추가 노말리-온 스위치(AS)를 동시에 형성하기 위한 공정이 수행됨으로써, 도 12에 나타난 구조로 구현된 추가 노말리-온 스위치(도 12의 AS), 및 상기 구조와 동일한 구조를 갖는 하이측 노말리-온 스위치와 로우측 노말리-온 스위치가 구현될 수 있다. 이후 배선층을 형성한다(S130).
본 발명의 기술적 사상에 의한 스위칭 칩은, 하이측 노말리-온 스위치 및/또는 로우측 노말리-온 스위치를 형성하는 동안 형성되는 추가 노말리-온 스위치를 포함한다. 따라서 별도의 공정 추가 없이도 보호 소자가 구현될 수 있다. 또한, 이러한 추가 노말리-온 스위치는 하이측 노말리-온 스위치 및/또는 로우측 노말리-온 스위치에 비해 작은 면적을 가질 수 있어, 스위칭 칩의 면적을 많이 차지함이 없이도 보호 소자가 구현될 수 있다.
본 발명을 명확하게 이해시키기 위해 첨부한 도면의 각 부위의 형상은 예시적인 것으로 이해하여야 한다. 도시된 형상 외의 다양한 형상으로 변형될 수 있음에 주의하여야 할 것이다. 도면들에 기재된 동일한 번호는 동일한 요소를 지칭한다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (19)

  1. 하이측 노말리-온 스위치(high side normally-on switch)를 제어하기 위한 하이측 게이트 드라이버로서,
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 및
    상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 보호 소자는 추가 노말리-온 스위치를 포함하며,
    상기 추가 노말리-온 스위치 및 상기 하이측 노말리-온 스위치는 동일한 구조로 구현된 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호 소자의 저항값은 상기 제1 스위칭 소자의 저항값보다 50배 내지 100배 큰 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  3. 하이측 노말리-온 스위치(high side normally-on switch)를 제어하기 위한 하이측 게이트 드라이버로서,
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 및
    상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 보호 소자는 음의 임계 전압을 갖는 추가 노말리-온 스위치를 포함하고,
    상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트는 접지 단자와 연결되고,
    제1 전압과 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압이 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트에 전송되어 상기 게이트에 전하가 축적되고,
    상기 축적된 전하는 상기 제1 스위칭 소자가 턴 온 된 경우에 방전되고, 상기 추가 노말리-온 스위치는 상기 방전 동안 상기 제1 스위칭 소자의 파괴를 방지하는, 하이측 게이트 드라이버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 추가 노말리-온 스위치의 평면적은 상기 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100인 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트에 인가된 전압은 상기 추가 노말리-온 스위치의 임계 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트는 접지 단자와 연결된 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 추가 노말리-온 스위치의 게이트는 상기 추가 노말리-온 스위치의 소스/드레인과 연결된 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  8. 하이측 노말리-온 스위치(high side normally-on switch)를 제어하기 위한 하이측 게이트 드라이버로서,
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 및
    상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 보호 소자는 상기 하이측 노말리-온 스위치의 턴 온/오프 동작 동안 항상 턴 온 되는 추가 노말리-온 스위치를 포함하는, 하이측 게이트 드라이버.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 동일한 구조는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터, 실리콘카바이드(SiC) 트랜지스터, 및 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중에서 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보호 소자와 제2 로우 레벨 구동 전원 사이에 연결된 제2 스위칭 소자를 더 포함하고,
    상기 제2 로우 레벨 구동 전원의 전압은 상기 제1 로우 레벨 구동 전원의 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키는 동안, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온 된 후 턴 온 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이측 게이트 드라이버.
  12. 출력 단자와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원과 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 하이측 노말리-온 스위치; 및
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 제어하기 위한 하이측 게이트 드라이버를 포함하고,
    상기 하이측 게이트 드라이버는,
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원; 및
    상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 직렬로 연결된 보호 소자 및 제1 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 보호 소자는 추가 노말리-온 스위치를 포함하고,
    상기 추가 노말리-온 스위치 및 상기 하이측 노말리-온 스위치는 동일한 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하이측 게이트 드라이버는,
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 온 시키기 위해 제공된 하이 레벨 구동 전원; 및
    상기 하이 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트 사이에 연결된 제3 스위칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하이측 게이트 드라이버는,
    상기 하이 레벨 구동 전원과 상기 하이측 노말리-온 스위치의 소스 사이에 연결된 용량성 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    로우 레벨 공급 전원과 연결된 소스, 상기 출력 단자와 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 로우측 노말리-온 스위치; 및
    상기 로우측 노말리-온 스위치를 제어하기 위한 로우측 게이트 드라이버를 더 포함하는 전력 장치.
  16. 출력 단자와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원과 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 하이측 노말리-온 스위치; 및
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 온 시키기 위해 제공된 하이 레벨 구동 전원;
    상기 하이측 노말리-온 스위치를 턴 오프 시키기 위해 제공된 제1 로우 레벨 구동 전원;
    상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트와 연결된 추가 노말리-온 스위치; 및
    상기 제1 로우 레벨 구동 전원과 상기 추가 노말리-온 스위치 사이에 연결된 제1 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 추가 노말리-온 스위치 및 상기 하이측 노말리-온 스위치는 동일한 구조로 구현된 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트의 전압을 감소시키기 위해 제공된 제2 로우 레벨 구동 전원; 및
    상기 제2 로우 레벨 구동 전원과 상기 추가 노말리-온 스위치 사이에 연결된 제2 스위칭 소자를 더 포함하고,
    상기 제2 로우 레벨 구동 전원의 전압은 상기 제1 로우 레벨 구동 전원의 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  18. 출력 단자와 연결된 소스, 하이 레벨 공급 전원과 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 하이측 노말리-온 스위치;
    상기 하이측 노말리-온 스위치의 게이트와 연결된 추가 노말리-온 스위치; 및
    로우 레벨 공급 전원과 연결된 소스, 상기 출력 단자와 연결된 드레인, 및 게이트를 포함하는 로우측 노말리-온 스위치를 포함하고,
    상기 하이측 노말리-온 스위치, 상기 추가 노말리-온 스위치, 및 상기 로우측 노말리-온 스위치는 동일한 구조로 구현된 것을 특징으로 하는 스위칭 칩.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 추가 노말리-온 스위치의 평면적은 상기 하이측 노말리-온-스위치의 평면적의 1/10 내지 1/100인 것을 특징으로 하는 스위칭 칩.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102646528B1 (ko) * 2023-11-20 2024-03-12 (주)엔에이치씨 데이터베이스 기반 차량 상태 테스트 및 맞춤형 휠 얼라인먼트 서비스 제공 방법

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015073980A1 (en) * 2013-11-15 2015-05-21 Texas Instruments Incorporated Method and circuitry for controlling a depletion-mode transistor
US9800245B2 (en) * 2014-01-28 2017-10-24 Schneider Electric It Corporation Bipolar gate driver
CN103915990B (zh) * 2014-04-18 2016-05-18 电子科技大学 一种用于GaN功率器件的驱动电路
JP6677034B2 (ja) * 2016-03-18 2020-04-08 三菱電機株式会社 ゲート駆動回路、半導体装置
CN108696268B (zh) * 2018-05-24 2021-09-24 南京工程学院 一种常开型GaN FET的直接驱动电路
JP2020150575A (ja) 2019-03-11 2020-09-17 セイコーエプソン株式会社 駆動制御装置、駆動回路および移動体
JP2020155177A (ja) * 2019-03-19 2020-09-24 キオクシア株式会社 半導体装置
CN111708303B (zh) * 2020-06-24 2021-08-10 电子科技大学 一种提供多路可变电压的时序供电装置
CN113328613B (zh) * 2021-05-31 2022-07-12 深圳能芯半导体有限公司 一种高侧nmos功率管预充电电路
KR102526974B1 (ko) * 2021-07-21 2023-04-27 비테스코 테크놀로지스 게엠베하 자동차용 pn 릴레이 제어 장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002278632A (ja) * 2001-03-19 2002-09-27 Denso Corp 電気負荷駆動装置
US20110089993A1 (en) * 2009-10-16 2011-04-21 Texas Instruments Deutschland Gmbh Electronic device and method for dc-dc conversion

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0614535B2 (ja) * 1984-08-31 1994-02-23 新技術事業団 半導体集積回路
US6538279B1 (en) 1999-03-10 2003-03-25 Richard A. Blanchard High-side switch with depletion-mode device
US6967518B2 (en) 2002-06-12 2005-11-22 International Rectifier Corporation High voltage level shifting IC with under-ground voltage swing withstanding capability
US7248093B2 (en) 2004-08-14 2007-07-24 Distributed Power, Inc. Bipolar bootstrap top switch gate drive for half-bridge semiconductor power topologies
US7292073B2 (en) * 2005-05-30 2007-11-06 Freescale Semiconductor, Inc. Transmission line driver circuit
JP4600180B2 (ja) * 2005-06-27 2010-12-15 株式会社日立製作所 電界効果型パワー半導体素子を用いた半導体回路
US7432756B2 (en) 2006-08-03 2008-10-07 Hr Textron, Inc. Regulated charge pump circuit and application in power stages employing normally on power switching devices
JP2008182388A (ja) * 2007-01-24 2008-08-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 信号切替装置
JP2008271389A (ja) * 2007-04-24 2008-11-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 出力回路及び多出力回路
US7602228B2 (en) 2007-05-22 2009-10-13 Semisouth Laboratories, Inc. Half-bridge circuits employing normally on switches and methods of preventing unintended current flow therein
JP4916964B2 (ja) * 2007-07-12 2012-04-18 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Ｄｃ−ｄｃコンバータ、ドライバｉｃ、およびシステムインパッケージ
US8063616B2 (en) * 2008-01-11 2011-11-22 International Rectifier Corporation Integrated III-nitride power converter circuit
US7626429B2 (en) * 2008-04-01 2009-12-01 Himax Analogic, Inc. Driving circuit to drive an output stage
JP2011067051A (ja) * 2009-09-18 2011-03-31 Sharp Corp インバータと、それを用いた電気機器および太陽光発電装置
JP5322176B2 (ja) * 2009-11-06 2013-10-23 シャープ株式会社 半導体装置
JP2011211836A (ja) * 2010-03-30 2011-10-20 Panasonic Corp スイッチングデバイス駆動装置および半導体装置
JP5759831B2 (ja) * 2010-10-25 2015-08-05 ルネサスエレクトロニクス株式会社 電力用半導体装置及びその動作方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002278632A (ja) * 2001-03-19 2002-09-27 Denso Corp 電気負荷駆動装置
US20110089993A1 (en) * 2009-10-16 2011-04-21 Texas Instruments Deutschland Gmbh Electronic device and method for dc-dc conversion

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102646528B1 (ko) * 2023-11-20 2024-03-12 (주)엔에이치씨 데이터베이스 기반 차량 상태 테스트 및 맞춤형 휠 얼라인먼트 서비스 제공 방법

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Publication number Publication date
CN103368548A (zh) 2013-10-23
JP2013220016A (ja) 2013-10-24
KR20130113204A (ko) 2013-10-15
US20130265028A1 (en) 2013-10-10
US9172356B2 (en) 2015-10-27
JP6218416B2 (ja) 2017-10-25

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