KR101874934B1 - 고전압 스위칭 회로 - Google Patents

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Abstract

고전압 스위칭 회로는 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터를 포함하고 있는 저전압 구동회로 및 절연 고전압 구동회로를 포함하고 있고, 상기 절연 고전압 구동 회로는 절연 전하펌프 회로 및 트랜지스터 구동회로를 포함하고 있으며, 상기 절연 전하펌프 회로의 제 1 전기 노드 및 제 2 전기 노드는 저항성 부하에 연결되어 있는 트랜지스터 구동 회로에 전기적으로 연결되어 있다.

Description

고전압 스위칭 회로
본 출원은 2014년 11월 21일자 미국 특허 출원 제 14/550,070호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 미국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 고전압 스위칭 회로에 관한 것이다.
종래의 고전압 스위칭 회로가 저전압 구동회로를 절연 고전압 구동회로로부터 전기적으로 절연되기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 출원의 발명자들은, 개선된 고전압 스위칭 회로에 대한 필요성을 인식하고 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 계속한 끝에 고전압 스위칭 회로가 저전압 구동회로 및 절연 고전압 구동회로를 포함할 경우, 고전압 스위칭 회로가 저전압 구동회로를 절연 고전압 구동회로로부터 전기적으로 절연되도록 캐패시터들을 이용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 고전압 스위칭 회로를 제공한다. 상기 고전압 스위칭 회로는 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터를 갖는 저전압 구동회로를 포함한다. 상기 고전압 스위칭 회로는 저전압 구동회로에 작동 가능하게 연결되어 있는 절연 고전압 구동회로를 포함한다.
상기 절연 고전압 구동회로는 절연 전하펌프 회로 및 트랜지스터 구동회로를 포함하고 있다. 상기 절연 전하펌프 회로는 제 1 다이오드, 제 2 다이오드, 및 제 3 다이오드, 캐패시터, 및 제 1 레지스터를 포함하고 있다. 상기 제 1 다이오드는 제 1 전기 노드(electrical node) 및 제 2 전기 노드 사이에 연결되어 있다. 상기 제 2 다이오드는 제 2 전기 노드 및 제 3 전기 노드 사이에 연결되어 있다.
상기 절연 전하펌프 회로의 캐패시터 및 제 1 레지스터는 서로 전기적으로 병열 연결되어 있으며 또한 제 3 전기 노드 및 제 4 전기 노드 사이에 연결되어 있다. 상기 제 3 다이오드는 제 4 전기 노드 및 제 1 전기 노드 사이에 연결되어 있다.
상기 저전압 구동회로의 제 1 캐패시터는 절연 전하펌프 회로의 제 2 전기 노드에 전기적으로 연결되어 있고, 및 상기 저전압 구동회로의 제 2 캐패시터는 절연 전하펌프 회로의 제 1 전기 노드에 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제 1 캐패시터는 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하도록 조정된다. 상기 제 2 캐패시터는 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호와 180도의 역위상이 있는 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하도록 조정된다. 상기 절연 전하펌프 회로의 제 3 전기 노드 및 제 4 전기 노드는 상기 트랜지스터 구동회로에 전기적으로 연결되어 있다.
상기 트랜지스터 구동회로는 추가적으로 저항성 부하에 연결되어 있다. 상기 트랜지스터 구동회로는, 상기 각각의 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터가 시간 간격(time interval) 동안에 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호 및 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하고 있을 때, 각각 제 3 전기 노드 및 제 4 전기 노드에 인가되는 제 1 전압 신호 및 제 2 전압 신호에 대한 응답으로, 저항성 부하의 출력전압을 시간 간격 동안에 소망하는 출력전압 준위로 증가시키도록 조정된다.
하나의 실시예에서, 상기 제 1 캐패시터가 동시에 하이 논리 전압(high logic voltage)을 수용할 때 상기 제 2 캐패시터가 로우 논리 전압(low logic voltage)을 수용하고 또한 상기 제 1 캐패시터가 동시에 로우 논리 전압을 수용할 때 제 2 캐패시터가 하이 논리 전압을 수용하기 위해, 상기 제 2 캐패시터가 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호와 180도의 역위상이 있는 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하도록 조정된다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저전압 구동회로 및 절연 고전압 구동회로를 포함하는 고전압 스위칭 회로의 회로도이다;
도 2는 도 1의 저전압 구동회로에 의해 발생되는 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1)의 신호도이다;
도 3은 도 1의 저전압 구동회로에 의해 발생되는 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM2)의 신호도이다;
도 4는 도 1의 절연 고전압 구동회로 내에 이용된 절연 전하펌프 회로에 의해 발생되는 전압 신호(VGATE)의 신호도이다;
도 5는 도 1의 절연 고전압 구동회로의 트랜지스터 구동회로 내에 이용된 전압 신호(VSOURCE)의 신호도이다; 및
도 6은 도 1의 절연 고전압 구동회로 내에 이용된 저항성 부하에 의해 출력된 전압 신호(VOUT)의 신호도이다.
도 1을 참조하면, 하나의 실시예에 따른 고전압 스위칭 회로(10)가 제공되어 있다. 고전압 스위칭 회로(10)는 저전압 구동회로(20) 및 절연 고전압 구동회로(22)를 포함하고 있다. 고전압 스위칭 회로(10)의 이점은 회로(10)가 저전압 구동회로(20)를 절연 고전압 구동회로(22)로부터 전기적으로 절연하기 위해 캐패시터들(58, 60)을 이용한 것이다.
저전압 구동회로(20)는 절연 고전압 구동회로(22)의 절연 전하펌프 회로(120)를 구동하도록 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1, 도 2에 도시됨) 및 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM2, 도 3에 도시됨)를 발생하기 위해 제공된다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM2)는 전기적으로 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1)와180도의 역위상이 있다. 저전압 구동회로(20)는 펄스 폭 변조 전압 발생기(40), 낸드 로직 게이트들(42, 44), 레지스터들(50, 52), 캐패시터들(58, 60), 및 전기 노드들(70, 72)을 포함하고 있다.
펄스 폭 변조 전압 발생기(40)는 낸드 로직 게이트(42)에 의해 수신되는 펄스 폭 변조 전압 신호를 발생되도록 조정된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 낸드 로직 게이트(40)는 입력 단자들(80, 82) 및 출력 단자(84)를 포함하고 있다. 입력 단자들(80, 82)은 전기적으로 함께 연결되어 있고, 펄스 폭 변조 전압 발생기(40)에 더 연결되어 있다. 출력 단자(84)는 전기 노드(70)에 연결되어 있다. 레지스터(50)는 전기 노드(70) 및 캐패시터(58) 사이에 연결되어 있다.
낸드 로직 게이트(40)는, 펄스 폭 변조 전압 발생기(40)로부터 수신된 신호에 대한 응답으로, 출력 단자(84)에서 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1)을 출력한다. 하나의 구체적인예에서, 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1)는 시간 간격 동안(예를 들면, 도 2에 나타낸 2.5 밀리세컨드를 들 수 있음) 50%의 사용률(duty cycle)을 가지고 있다.
낸드 로직 게이트(44)는 입력 단자들(90, 92) 및 출력 단자(94)를 포함하고 있다. 입력 단자들(90, 92)은 함께 연결되어 있고 전기 노드(70)에 더 연결되어 있다. 출력 단자94)는 전기 노드(72)에 연결되어 있다. 레지스터(52)는 전기 노드(72) 및 캐패시터(60) 사이에 연결되어 있다. 낸드 로직 게이트(44)는, 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1)를 수신한 것의 응답으로, 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM2)를 출력단자(94)에 출력한다. 하나의 실시예에서, 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM2)는 시간 간격 동안(예를 들면, 도 3에 나타낸 2.5 밀리세컨드를 들 수 있음 50%의 사용률(duty cycle)을 가진다).
절연 고전압 구동회로(22)는 고전압 출력 신호(VOUT)를 출력하도록 제공된다. 절연 고전압 구동회로(22)는 저전압 구동회로(20)에 작동 가능하게 연결되어 있다. 절연 고전압 구동회로(22)는 절연 전하펌프 회로(120), 트랜지스터 구동회로(122), 고전압 소스(124), 및 저항성 부하(126)를 포함하고 있다.
절연 전하펌프 회로(120)는 트랜지스터 구동회로(122)가 고전압 출력 신호(VOUT)를 출력하도록 트랜지스터 구동회로(122)의 작동을 제어하기 위해 조정된다. 절연 전하펌프 회로(120)는 다이오드들(140, 142, 144), 캐패시터(148), 레지스터들(154, 156), 및 전기 노드들(160, 162, 164, 166)을 포함하고 있다.
다이오드(140)는 전기 노드들(160, 162) 사이에 연결되어 있다. 다이오드(142)는 전기 노드(162) 및 전기 노드(164) 사이에 연결되어 있다. 캐패시터(148) 및 레지스터(154)는 서로 전기적으로 병열 연결되어 있고 또한 전기 노드(164) 및 전기 노드(166)에 사이에 더 연결되어 있다. 다이오드(144)는 전기 노드(166) 및 전기 노드(160) 사이에 연결되어 있다. 레지스터(156)는 전기 노드(164)와 전계 효과 트랜지스터(FET, 180)의 게이트 단자(G1) 사이에 연결되어 있다. 레지스터(156)는 선택적 구성이고, 또한 또 다른 하나의 실시예에서 전기 노드(164)는 FET(180)의 게이트 단자(G1)에 직접적으로 연결되어 있다.
저전압 구동회로(20)의 캐패시터(58)는 절연 전하펌프 회로(120)의 전기 노드(162)에 전기적으로 연결되어 있고, 저전압 구동회로(20)의 캐패시터가 절연 전하펌프 회로(120)의 전기 노드(160)에 전기적으로 연결되어 있다. 캐패시터(58)는 시간 간격 동안(예를 들면, 0 밀리세컨즈 내지 2.5 밀리세컨즈) 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1, 도 2에 도시됨)를 수신하도록 조정되고, 또한 캐패시터(60)는 시간 간격 동안(예를 들면, 0 밀리세컨즈 내지 2.5 밀리세컨즈) 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM1)와 180도의 역위상이 있는 펄스 폭 변조 전압 신호(PWM2, 도 3에 도시됨)를 수신하도록 조정된다. 전기 노드(164)는 레지스터(156)를 통해 트랜지스터 구동회로(122)에 전기적으로 연결되어 있고, 또한 전기 노드(166)는 트랜지스터 구동회로(122)에 전기적으로 연결되어 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 트랜지스터 구동회로(122)는 FET(180) 및 FET(182)를 포함하고 있다. 하나의 구체적인 예에서, FET들(180, 182)은 각각이 n-채널 FET이다. 이러한 전계 효과 트랜지스터(180)는 게이트 단자(G1), 소스 단자(S1), 및 드레인 단자(D1)를 포함하고 있다. 전계 효과 트랜지스터(182)는 게이트 단자(G2), 소스 단자(S2), 및 드레인 단자(D2)를 포함하고 있다. 게이트 단자(G1)는 게이트 단자(G2) 에 연결되어 있고, 드레인 단자(D1)는 고전압 소스(124)에 연결되어 있으며, 또한 소스 단자(S1)는 소스 단자(S2)에 연결되어 있다. 드레인 단자(D2)는 저항상 부하(126)의 레지스터(200)에 연결되어 있다. 트랜지스터 구동회로(122)는, 시간 간격 동안 각각 캐패시터들(58, 60)이 펄스 폭 변조 전압 신호들(PWM1, PWM2)을 수신하고 있을 때, 게이트 단자들(G1, G2)에 인가되는 VGATE 전압 신호와, 소스 단자들(S1, S2) 및 전기 노드(166)에 인가되는 VSOURCE 전압 신호에 대한 응답으로, 저항성 부하(126)의 출력 전압(VOUT)을 시간 간격 동안에 소망하는 출력 전압준위로 증가되도록 조정된다. 하나의 실시예에서, 고전압 소스(124)는 425 VDC를 출력한다. 물론, 또 다른 하나의 실시예에서, 고전압 소스(124)는 다른 고전압 준위들을 출력할 수 있고, 예를 들면 200 VDC 내지 600 VDC 범위 안의 전압준위를 들 수 있다.
절연 전하펌프 회로(120)는, VGATE 전압 신호가 FET(180)의 소스 단자(S1)에 인가되는 VSOURCE 전압 신호보다 커서 FET(180)를 켤 수 있도록, FET(180)의 게이트 단자(G1)에 인가되는 VGATE 전압 신호를 시간 간격 동안에 증가시키도록 조정된다. 또한, VGATE 전압 신호는, VGATE 전압 신호가 FET(182)의 소스 단자(S2)에 인가되는 VSOURCE 전압 신호보다 커서 FET(182)를 켤 수 있도록, 시간 간격 동안에 FET(182)의 게이트 단자(G2)에 인가된다.
저항성 부하(126)는 레지스터들(200, 202)를 포함하고 있다. 레지스터(200)는 레지스터(202) 및 FET(182)의 드레인 단자(D2) 사이에 연결되어 있다. 전기 노드(204)는 레지스터들(200, 202) 사이에 연결되어 있다. 레지스터(202)는 출력 전압(VOUT)이 전기 노드(204)에 인가되도록 전기 노드(204) 및 전기적 그라운드 사이에 연결되어 있다.
본 발명의 서술되고 청구된 고전압 스위칭 회로는 다른 스위칭 회로들에 비해 상당한 이점을 제공한다. 특히, 상기 고전압 스위칭 회로는 저전압 구동회로를 절연 고전압 구동회로로부터 전기적으로 절연되도록 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터를 활용한다.
본 발명이 제한된 수의 실시예만 관계되어 자세하게 설명되었더라도, 본 발명이 그러한 실시예들에 제한되지 않는다는 점은 자명하다. 또한, 본 발명은 여기서 설명되지 않은 변형, 개조, 치환 또는 동등한 배열을 합체하여 개량될 수 있고, 그것들은 본 발명의 사상과 범위내이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되는 경우, 본 발명은 그러한 실시예들을 포함할 수 있다는 것은 자명하다. 따라서, 본 발명은 여기서 전술한 설명에 의해 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 고전압 스위칭 회로는 저전압 구동회로 및 절연 고전압 구동회로를 포함함으로써, 상기 고전압 스위칭 회로가 저전압 구동회로를 절연 고전압 구동회로로부터 전기적으로 절연되도록 캐패시터들을 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 고전압 스위칭 회로로서,
    제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터를 포함하고 있는 저전압 구동회로(low voltage driving circuit); 및
    상기 저전압 구동회로에 작동 가능하게 연결되어 있는 절연 고전압 구동회로(isolated high voltage driving circuit);
    를 포함하고 있고; 상기 절연 고전압 구동회로는 절연 전하펌프 회로(isolated charge pump circuit) 및 트랜지스터 구동회로(transistor driving circuit)를 포함하고 있으며;
    상기 절연 전하펌프 회로는 제 1 다이오드, 제 2 다이오드, 및 제 3 다이오드, 캐패시터, 및 제 1 레지스터를 포함하고 있고; 상기 제 1 다이오드는 제 1 전기 노드(electrical node) 및 제 2 전기 노드 사이에 연결되어 있으며, 제 2 다이오드는 제 2 전기 노드 및 제 3 전기 노드 사이에 연결되어 있고, 상기 절연 전하펌프 회로의 캐패시터 및 제 1 레지스터는 서로 전기적으로 병열 연결되어 있으며 또한 제 3 전기 노드 및 제 4 전기 노드에 연결되어 있고; 상기 제 3 다이오드는 제 4 전기 노드 및 제 1 전기 노드 사이에 연결되어 있으며;
    상기 저전압 구동회로의 제 1 캐패시터는 절연 전하펌프 회로의 제 2 전기 노드에 전기적으로 연결되어 있고, 및 상기 저전압 구동회로의 제 2 캐패시터는 절연 전하펌프 회로의 제 1 전기 노드에 전기적으로 연결되어 있으며; 상기 제 1 캐패시터는 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호(pulse width modulated voltage signal)를 수신하도록 조정되고, 상기 제 2 캐패시터는 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호와 180도의 역위상(out of phase)이 있는 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하도록 조정되며;
    상기 절연 전하펌프 회로의 제 3 전기 노드 및 제 4 전기 노드는 상기 트랜지스터 구동회로에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 트랜지스터 구동회로는 추가적으로 저항성 부하(resistive load)에 연결되어 있으며, 상기 각각의 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터가 시간 간격(time interval) 동안에 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호 및 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하고 있을 때, 상기 트랜지스터 구동회로가, 각각 제 3 전기 노드 및 제 4 전기 노드에 인가되는 제 1 전압 신호의 증가 및 제 2 전압 신호의 증가에 대한 응답으로, 저항성 부하의 출력전압을 증가시키도록 조정되는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 캐패시터가 동시에 하이 논리 전압(high logic voltage)을 수용할 때 상기 제 2 캐패시터가 로우 논리 전압(low logic voltage)을 수용하고 또한 상기 제 1 캐패시터가 동시에 로우 논리 전압을 수용할 때 제 2 캐패시터가 하이 논리 전압을 수용하기 위해, 상기 제 2 캐패시터가 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호와 180도의 역위상이 있는 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호를 수신하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜지스터 구동회로는 제 1 전계 효과 트랜지스터 및 제 2 전계 효과 트랜지스터를 포함하고 있고;
    상기 제 1 전계 효과 트랜지스터는 제 1 게이트 단자, 제 1 소스 단자, 및 제 1 드레인 단자를 포함하고 있으며;
    상기 제 2 전계 효과 트랜지스터는 제 2 게이트 단자, 제 2 소스 단자, 및 제 2 드레인 단자를 포함하고 있고;
    상기 제 1 게이트 단자는 제 1 전압 신호를 수신하도록 조정되고, 상기 제 1 드레인 단자는 고전압 소스에 연결되어 있으며; 상기 제 1 소스 단자는 제 2 소스 단자에 연결되어 있고;
    상기 제 2 게이트 단자는 제 1 게이트 단자에 연결되어 있고, 상기 제 2 드레인 단자는 저항성 부하에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 절연 전하펌프 회로는 제 3 전기 노드와 제 1 전계 효과 트랜지스터의 제 1 게이트 단자 사이에 연결되어 있는 제 2 레지스터를 추가적으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 저항성 부하는 제 2 레지스터 및 제 3 레지스터를 포함하고 있고;
    상기 제 2 레지스터는 제 3 레지스터와 제 2 전계 효과 트랜지스터의 제 2 드레인 단자 사이에 연결되어 있으며; 제 5 전기 노드가 상기 제 2 레지스터 및 제 3 레지스터 사이에 연결되어 있고; 및
    상기 제 3 레지스터는 출력 전압이 제 5 전기 노드에 인가되도록 제 5 전기 노드 및 전기적 그라운드(electrical ground) 사이에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 전계 효과 트랜지스터는 n-채널 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 저전압 구동회로는 제 1 낸드 로직 게이트(NAND logic gate), 제 2 낸드 로직 게이트, 제 2 레지스터, 및 제 3 레지스터를 추가로 포함하고 있고;
    상기 제 1 낸드 로직 게이트는 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자와 제 1 출력 단자를 포함하고 있으며; 상기 제 1 낸드 로직 게이트의 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자는 함께 연결되어 있고 펄스 폭 변조 전압 발생기에 더 연결되어 있으며; 상기 제 1 낸드 로직 게이트의 제 1 출력 단자는 제 5 전기 노드에 연결되어 있고;
    상기 제 2 레지스터는 제 5 전기 노드 및 제 1 캐패시터 사이에 연결되어 있으며;
    상기 제 2 낸드 로직 게이트는 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자와 제 1 출력 단자를 포함하고 있고; 상기 제 2 낸드 로직 게이트의 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자는 함께 연결되어 있으며 제 5 전기 노드에 더 연결되어 있고; 상기 제 2 낸드 로직 게이트의 제 1 출력 단자는 제 6 전기 노드에 연결되어 있으며; 및
    상기 제 3 레지스터는 제 6 전기 노드 및 제 2 캐패시터 사이에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호는 시간 간격 동안 50%의 사용률(duty cycle)을 가지는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 펄스 폭 변조 전압 신호는 일정한 시간간격 동안 50%의 사용률을 가지는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 펄스 폭 변조 전압 신호의 진폭은 10 볼트 보다 작고, 소망하는 출력 전압준위는 적어도 250 볼트인 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 회로.
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