KR102026929B1 - 전력 스위치용 게이트 구동회로 - Google Patents

전력 스위치용 게이트 구동회로 Download PDF

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KR102026929B1
KR102026929B1 KR1020180056322A KR20180056322A KR102026929B1 KR 102026929 B1 KR102026929 B1 KR 102026929B1 KR 1020180056322 A KR1020180056322 A KR 1020180056322A KR 20180056322 A KR20180056322 A KR 20180056322A KR 102026929 B1 KR102026929 B1 KR 102026929B1
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switch
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power switch
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김기현
김종현
이경호
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한국전기연구원
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
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Abstract

본 발명은 전력 스위치용 게이트 구동회로에 관한 것으로, PWM 제어부에서 출력된 펄스폭 제어신호에 따라, 전력 스위치의 턴 온(turn on) 동작을 구동하기 위한 제1 구동전류를 생성하는 제1 구동회로; 상기 펄스폭 제어신호에 따라, 상기 전력 스위치의 턴 오프(turn off) 동작을 구동하기 위한 제2 구동전류를 생성하는 제2 구동회로; 및 상기 제2 구동회로의 소스(source) 단에 연결되며, 스위치드 커패시터를 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 음 전압 생성부를 포함한다.

Description

전력 스위치용 게이트 구동회로{GATE DRIVING CIRCUIT FOR POWER SWITCH}
본 발명은 전력 스위치용 게이트 구동회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있는 전력 스위치용 게이트 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 전력소자는 전력의 변환이나 제어를 수행하는 반도체 소자로서, 정류 다이오드, 전력 트랜지스터, 트라이액(triac) 등이 산업, 정보, 통신, 교통, 전력, 가정 등 각 분야에 다양하게 사용되고 있다.
전력소자로는 대표적으로 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(Bipolar　Junction　Transistor), 전력 집적회로(IC) 등이 있으며, 이중에서 특히 고속 스위칭이 가능하고, 구동회로의 손실이 적은 MOSFET이 주목 받고 있다. 상기 MOSFET으로는 대표적으로 실리콘(Si) 기반의 MOSFET과 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET 등이 있다.
SiC MOSFET은 기존 실리콘 기반의 전력 반도체 소자에 비해 넓은 에너지 밴드 폭과, 높은 항복전압특성, 빠른 포화전자속도 및 우수한 열전도도 등으로 고온, 높은 전압에서의 소자 안정성이 우수하고 높은 동작주파수에서의 동작이 가능하여 기존의 전기/전자 시스템의 신뢰성을 향상시키고 전력변환효율을 높이며 시스템을 경량화시킬 수 있다.
그런데, 도 1에 도시된 바와 같이, SiC MOSFET은 게이트 전압(VGS)이 0V일 때 완전히 턴 오프(turn off)되지 않는 특성을 가지고 있다. 그 이유는 초기 SiC 웨이퍼의 경우 계면 결함 특성으로 인하여 전자가 게이트(G)의 하부 영역에 갇힌(trap) 상태를 유지하고 있으며, 이를 통해 채널(channel)이 형성되어 전류가 완전히 차단되지 않고 흐르기 때문이다. 따라서, 게이트 구동회로는 턴 오프 동작 시, 게이트(G)의 하부 영역에 갇힌(trap) 전자를 완전히 제거하기 위해, 전력 스위치의 게이트 구동전압(VGS)을 음 전압(negative voltage)으로 구동할 필요가 있다.
또한, IGBT 또는 SiC MOSFET 등과 같은 전력 스위치의 게이트 구동회로는, 턴 오프 동작 시, 외부 전원의 노이즈(noise) 등에 따른 불규칙한 턴 온(turn on) 현상을 방지하기 위해, 전력 스위치의 게이트 구동전압을 음 전압으로 구동할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 싱크용 구동회로의 소스(source) 단에 연결된 스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있는 전력 스위치용 게이트 구동회로를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, PWM 제어부에서 출력된 펄스폭 제어신호에 따라, 전력 스위치의 턴 온(turn on) 동작을 구동하기 위한 제1 구동전류를 생성하는 제1 구동회로; 상기 펄스폭 제어신호에 따라, 상기 전력 스위치의 턴 오프(turn off) 동작을 구동하기 위한 제2 구동전류를 생성하는 제2 구동회로; 및 상기 제2 구동회로의 소스(source) 단에 연결되며, 스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 음 전압 생성부를 포함하는 게이트 구동회로를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 음 전압 생성부는, 제1 제어 신호가 입력되는 제1 스위치 및 제2 스위치, 제2 제어 신호가 입력되는 제3 스위치 및 인버터, 상기 제1 내지 제3 스위치와 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 음 전압 생성부는, 펄스폭 제어신호가 온(on) 상태인 경우, 제1 제어 신호에 따라 제1 스위치 및 제2 스위치를 온(on) 상태로 동작시키고, 제2 제어 신호에 따라 제3 스위치를 오프(off) 상태로 동작시키는 것을 특징으로 한다. 상기 음 전압 생성부는, 펄스폭 제어신호의 온(on) 구간 동안, 전력 스위치의 게이트와의 연결이 차단된 상태에서 미리 결정된 전압을 커패시터에 충전하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 음 전압 생성부는, 펄스폭 제어신호가 오프(off) 상태인 경우, 제1 제어 신호에 따라 제1 스위치 및 제2 스위치를 오프(off) 상태로 동작시키고, 제2 제어 신호에 따라 제3 스위치를 온(on) 상태로 동작시키는 것을 특징으로 한다. 상기 음 전압 생성부는, 펄스폭 제어신호의 오프(off) 구간 동안, 커패시터에 충전된 음 전압을 제2 구동회로의 소스 단으로 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 게이트 구동회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 싱크용 구동회로의 소스 단과 그라운드 단 사이에 스위치드 캐패시터를 배치함으로써, 전원공급회로로부터 음 전압을 인가 받을 필요 없이, 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 자체적으로 생성할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 싱크용 구동회로의 소스 단과 그라운드 단 사이에 스위치드 캐패시터를 배치함으로써, 턴 오프 구간 동안에 음 전압 생성 회로의 캐패시터에 충전된 전하가 외부로 방전되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 게이트 구동회로가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 SiC MOSFET의 음 전압 구동을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 제어회로의 구성을 도시하는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 구동회로의 구성과 구동전압의 파형을 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 구동회로의 구성과 구동전압의 파형을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음 전압 생성부의 구성을 도시하는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동회로의 상세 구성을 도시하는 도면;
도 7은 도 6의 게이트 구동회로에서 출력되는 신호들의 파형을 도시하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 싱크용 구동회로의 소스 단에 연결된 스위치드 커패시터를 이용하여 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있는 전력 스위치용 게이트 구동회로를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 제어회로의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 제어회로(100)는 전력 스위치(110), PWM 제어부(120) 및 게이트 구동회로(130)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 구성요소들은 전력 스위치 제어회로(100)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 전력 스위치 제어회로는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
전력 스위치(110)는 음 전압(negative voltage) 구동이 필요한 전력 반도체 소자로서, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 SiC MOSFET 등을 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
IGBT는　MOSFET을 게이트부에 집어넣은　접합형 트랜지스터로서, 대 전력의 저속 스위칭이 가능한　반도체 소자이다. IGBT는　하이 레벨(high level)을 갖는 베이스 전압(VB)에 의해 턴 온(turn on)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 베이스 전압(VB)에 의해 턴 오프(turn off)된다. 이러한 IGBT의 경우,　외부 전원의 노이즈 등에 따른 불규칙 턴 온 현상을 방지하기 위해 음 전압 구동이 필요하다.
SiC MOSFET은 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 트랜지스터로서, 고속성, 고전압, 저 저항 및 대 전류 구동에 강한 성질을 갖는 반도체 소자이다. 상기 SiC MOSFET에는 드레인-소스 간을 N형 반도체로 만드는 N 채널형 MOSFET과 드레인-소스 간을 P형 반도체로 만드는 P 채널형 MOSFET의 2 종류가 있다.
SiC MOSFET은 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 전압(VG)에 의해 턴 온(turn on)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 전압(VG)에 의해 턴 오프(turn off)된다. 이러한 SiC MOSFET의 경우, 외부 전원의 노이즈 등에 따른 불규칙 턴 온 특성과 SiC 웨이퍼의 계면 결함 특성 등으로 인하여 음 전압 구동이 필요하다.
PWM 제어부(120)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스 폭 제어신호(VPWM)를 생성할 수 있다.
예를 들어, PWM 제어부(120)는 저 전압(가령, 3V 내지 5V)을 갖는 로직 레벨 신호를 출력하거나, 혹은 고 전압(가령, 15V 이상)을 갖는 로직 레벨 신호를 출력할 수 있다. PWM 제어부(120)에서 저 전압 로직 레벨 신호를 출력하는 경우, 게이트 구동회로(130)는 저 전압 로직 레벨 신호를 전력 스위치(110)의 구동을 위한 고 전압 로직 레벨 신호로 변경하는 레벨 시프터(level shifter) 및 프리 드라이버(pre-driver)를 추가로 포함할 수 있다.
게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 구동하기 위한 구동전압(VG) 및 구동전류(IG)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 게이트 구동회로(130)는 펄스폭 제어신호의 상승 에지에 동기되어 구동전압(VG)을 증가시키고, 펄스폭 제어신호의 하강 에지에 동기되어 구동전압(VG)을 감소시킬 수 있다.
게이트 구동회로(130)는 데드 타임 생성부(131), 제1 구동회로(132), 제2 구동회로(133) 및 음 전압 생성부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임 생성부(131)는 게이트 구동회로(130)에 반드시 필요한 구성요소는 아니며 선택적으로 채용될 수 있다.
데드 타임 생성부(131)는 전력 스위치(110)를 턴 온하기 위한 하이 레벨 신호와 전력 스위치(110)를 턴 오프하기 위한 로우 레벨 신호가 동시에 온(on)되는 현상을 방지하기 위한 데드 타임(dead time)을 설정하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임은 100ns 내지 200ns로 설정될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
데드 타임 생성부(131)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)를 반전하여 제1 및 제2 구동회로(132, 133)로 출력할 수 있다. 이는 펄스폭 제어신호(VPWM)의 하이 레벨 신호에 맞춰 제1 구동회로(132)의 P형 트랜지스터를 구동하고, 펄스폭 제어신호(VPWM)의 로우 레벨 신호에 맞춰 제2 구동회로(133)의 N형 트랜지스터를 구동하기 위함이다.
제1 구동회로(또는 소스용 구동회로, 132)는, 턴 온 동작 시, 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 제1 구동전류(즉, 소스 전류, IG, source)를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.
제1 구동회로(132)는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 레벨 시프터(level shifter, 310), 프리 드라이버(pre-driver, 320) 및 P형 트랜지스터(330)를 포함할 수 있다.
레벨 시프터(310)의 입력단자는 데드 타임 생성부(131)의 출력단자에 연결되고, 레벨 시프터(310)의 출력단자는 프리 드라이버(320)의 입력단자에 연결될 수 있다. 이러한 레벨 시프터(310)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 저 전압 로직 레벨 신호를 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 고 전압 로직 레벨 신호로 승압할 수 있다.
프리 드라이버(320)는 레벨 시프터(310)와 P형 트랜지스터(330) 사이에 연결되며, 상기 P형 트랜지스터(330)를 구동하기 위한 제1 구동전압(VOUT_H)을 출력할 수 있다.
가령, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 프리 드라이버(320)에서 출력되는 제1 구동전압(VOUT_H)은, 레벨 시프터(310)로 인해 펄스폭 제어신호(VPWM)보다 높은 전압을 갖는다. 또한, 제1 구동전압(VOUT_H)의 온(on) 타이밍은, 데드 타임 생성부(131)로 인해 펄스폭 제어신호(VPWM)의 온(on) 타이밍과 일정한 시간 차이(가령, 100ns 내지 200ns)를 갖는다. 한편, 제1 구동전압(VOUT_H)의 오프(off) 타이밍은, 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 타이밍과 일치한다.
P형 트랜지스터(330)는 프리 드라이버(320)와 전력 스위치(110) 사이에 연결되며, 상기 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 구동하기 위한 제1 구동전류(IG, source)를 생성할 수 있다. 상기 P형 트랜지스터(330)는 P형 MOSFET 소자이거나 혹은 P형 BJT 소자일 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 하나의 P형 트랜지스터(330)가 제1 구동회로(132) 내에 설치되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 해당 구동회로(132) 내에 복수 개의 P형 트랜지스터가 설치되도록 구성할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
제2 구동회로(또는 싱크용 구동회로, 133)는, 턴 오프 동작 시, 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 제2 구동전류(즉, 싱크 전류, IG, sink)를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.
제2 구동회로(133)는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 레벨 시프터(410), 프리 드라이버(420) 및 N형 트랜지스터(430)를 포함할 수 있다.
레벨 시프터(410)의 입력단자는 데드 타임 생성부(131)의 출력단자에 연결되고, 레벨 시프터(410)의 출력단자는 프리 드라이버(420)의 입력단자에 연결될 수 있다. 이러한 레벨 시프터(410)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 저 전압 로직 레벨 신호를 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 고 전압 로직 레벨 신호로 승압할 수 있다.
프리 드라이버(420)는 레벨 시프터(410)와 N형 트랜지스터(430) 사이에 연결되며, 상기 N형 트랜지스터(430)를 구동하기 위한 제2 구동전압(VOUT_L)을 생성할 수 있다.
가령, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 프리 드라이버(420)에서 출력되는 제2 구동전압(VOUT_L)은, 레벨 시프터(410)로 인해 펄스폭 제어신호(VPWM)보다 높은 전압을 갖는다. 또한, 제2 구동전압(VOUT_L)의 온(on) 타이밍은, 데드 타임 생성부(131)로 인해 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 타이밍과 일정한 시간 차이(가령, 200ns 내지 300ns)를 갖는다. 한편, 제2 구동전압(VOUT_L)의 오프(off) 타이밍은, 펄스폭 제어신호(VPWM)의 온(on) 타이밍과 일치한다.
N형 트랜지스터(430)는 프리 드라이버(420)와 전력 스위치(110) 사이에 연결되며, 상기 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 구동하기 위한 제2 구동전류(IG, sink)를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 N형 트랜지스터(430)는 N형 MOSFET 소자이거나 혹은 N형 BJT 소자일 수 있다.
마찬가지로, 본 실시 예에서는, 하나의 N형 트랜지스터(430)가 제2 구동회로(133) 내에 설치되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 해당 구동회로(133) 내에 복수 개의 N형 트랜지스터가 설치되도록 구성할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 본 실시 예에서는, 레벨 시프터(310, 410) 및 프리 드라이버(320, 420)가 제1 및 제2 구동회로(132, 133)에 각각 설치되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 게이트 구동회로의 사용 목적 및 설계 사양 등에 따라 레벨 시프터(310, 410) 및 프리 드라이버(320, 420) 중 적어도 하나를 생략하여 구동회로를 구성할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
음 전압 생성부(134)는, 데드 타임 생성부(131)와 제2 구동회로(133) 사이에 배치되어, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 기능을 수행할 수 있다. 음 전압 생성부(134)는 데드 타임 생성부(131)의 출력 단과 제2 구동회로(133)의 소스(source) 단 사이에 연결되거나 혹은 제2 구동회로(133)의 소스 단과 그라운드 단 사이에 연결된 스위치드 캐패시터를 이용하여 음 전압을 생성할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 스위치 제어회로는 음 전압 구동이 가능한 게이트 구동회로를 이용하여 전력 스위치의 턴 온/오프 동작을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음 전압 생성부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음 전압 생성부(134)는 제1 제어 신호(VC1)가 입력되는 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520), 제2 제어 신호(VC2)가 입력되는 제3 스위치(530) 및 인버터(550), 제1 내지 제3 스위치(510~530)와 연결되는 캐패시터(540)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 스위치(510~530)는 제1 및 제2 제어 신호(VC1, VC2)에 따라 스위칭 동작을 수행하는 반도체 소자로서, MOSFET 또는 BJT 등과 같은 트랜지스터로 구성될 수 있다. 이하, 본 실시 예에서는, 상기 제1 내지 제3 스위치(510~530)로 MOSFET 소자가 사용되는 것을 예시하여 설명하도록 한다.
제1 스위치(510)의 제1 단자는 캐패시터(540)의 일 단자와 연결되고, 제2 단자는 그라운드(ground)와 연결되며, 제3 단자는 인버터(550)의 출력 단에 연결될 수 있다. 또한, 제1 스위치(510)의 제1 단자는 제2 구동회로(133)와 연결될 수 있다.
제2 스위치(520)의 제1 단자는 음 전압 구동을 위한 전압원(VDD)과 연결되고, 제2 단자는 캐패시터(540)의 타 단자와 연결되며, 제3 단자는 인버터(540)의 출력 단에 연결될 수 있다.
제3 스위치(530)의 제1 단자는 캐패시터(540)의 타 단자와 연결되고, 제2 단자는 그라운드(ground)와 연결되며, 제3 단자는 인버터(540)의 입력 단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 스위치(530)의 제1 단자는 제2 스위치(520)의 제2 단자와 연결될 수 있다.
캐패시터(540)는 전력 스위치(110)의 턴 온 구간 동안에 음 전압을 충전하고, 전력 스위치(110)의 턴 오프 구간 동안에 상기 충전된 음 전압을 제2 구동회로(133)에 제공할 수 있다. 본 실시 예에 따른 음 전압 생성부(134)에는 1㎌ 내지 4㎌의 용량을 갖는 캐패시터가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
캐패시터(540)의 일 단은 제1 스위치(510)의 제1 단자와 제2 구동회로(133)에 연결될 수 있다. 캐패시터(540)의 타 단은 제2 스위치(520)의 제2 단자와 제3 스위치(530)의 제1 단자에 연결될 수 있다.
인버터(550)는 데드 타임 생성부(131)에서 출력되는 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00001
)를 반전하여 제1 및 제2 스위치(510, 520)로 출력할 수 있다. 인버터(550)의 입력 단은 데드 타임 생성부(131)의 출력 단과 제3 스위치(530)의 제3 단자에 연결될 수 있다. 인버터(550)의 출력 단은 제1 스위치(510)의 제3 단자와 제2 스위치의 제3 단자에 연결될 수 있다.
제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)는 인버터(550)에서 출력되는 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00002
)에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00003
)가 하이 레벨 신호인 경우, 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)는 온(on) 상태가 되고, 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00004
)가 로우 레벨 신호인 경우, 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)는 오프(off) 상태가 된다.
제3 스위치(330)는 데드 타임 생성부(131)에서 출력되는 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00005
)에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00006
)가 하이 레벨 신호인 경우, 제3 스위치(530)는 온(on) 상태가 되고, 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00007
)가 로우 레벨 신호인 경우, 제3 스위치(530)는 오프(off) 상태가 된다.
이와 같이, 인버터(550)로 인해 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00008
)와 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00009
)는 서로 반대되는 파형을 갖는 신호이므로, 상기 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00010
)가 입력되는 제1 및 제2 스위치(510, 520)와 상기 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00011
)가 입력되는 제3 스위치(530)는 서로 반대로 동작하게 된다.
음 전압 생성부(134)는 이러한 스위치드 커패시터 구조를 이용하여 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압(negative voltage)을 생성할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 펄스폭 제어신호(VPWM)가 하이 레벨 신호인 경우, 데드 타임 생성부(131)에서 출력되는 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00012
)는 로우 레벨 신호가 되고, 인버터(550)에서 출력되는 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00013
)는 하이 레벨 신호가 된다. 상기 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00014
)에 따라 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)가 온 상태가 되고, 상기 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00015
)에 따라 제3 스위치(530)가 오프 상태가 된다. 이에 따라, 음 전압 생성부(134)는 P1 패스를 형성하여 VDD의 전압을 커패시터(540)에 충전하게 된다.
한편, 펄스폭 제어신호(VPWM)가 로우 레벨 신호인 경우, 데드 타임 생성부(131)에서 출력되는 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00016
)는 하이 레벨 신호가 되고, 인버터(550)에서 출력되는 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00017
)는 로우 레벨 신호가 된다. 상기 제1 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00018
)에 따라 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)가 오프 상태가 되고, 상기 제2 제어 신호(
Figure 112018048533837-pat00019
)에 따라 제3 스위치(530)가 온 상태가 된다. 이에 따라, 음 전압 생성부(134)는 P2 패스를 형성하여 커패시터(540)에 충전된 음 전압(-VDD)을 제2 구동회로(133)에 인가하게 된다.
즉, 음 전압 생성부(134)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)를 온 상태로 동작시키고, 제3 스위치(530)를 오프 상태로 동작시킴으로써, 상기 턴 온 구간 동안에 P1 패스를 형성하여 VDD의 전압을 커패시터(540)에 충전할 수 있다. 한편, 음 전압 생성부(134)는, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작 시, 제1 스위치(510) 및 제2 스위치(520)를 오프 상태로 동작시키고, 제3 스위치(530)를 온 상태로 동작시킴으로써, 상기 턴 오프 구간 동안에 P2 패스를 형성하여 커패시터(540)에 충전된 음 전압(-VDD)을 제2 구동회로(133)에 인가할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동회로의 상세 구성을 도시하는 도면이고, 도 7은 도 6의 게이트 구동회로에서 출력되는 신호들의 파형을 도시하는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 게이트 구동회로(130)는, 데드 타임 생성부(131), 제1 구동회로(132), 제2 구동회로(133) 및 음 전압 생성부(134)를 포함할 수 있다.
데드 타임 생성부(131)는 PWM 제어부(120)로부터 입력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)를 반전하고, 해당 신호에 데드 타임(dead time)을 설정한 제1 구동신호(
Figure 112018048533837-pat00020
)를 제1 구동회로(132)에 출력할 수 있다. 또한, 데드 타임 생성부(131)는 PWM 제어부(120)로부터 입력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)를 반전하고, 해당 신호에 데드 타임(dead time)을 설정한 제2 구동신호(
Figure 112018048533837-pat00021
)를 제2 구동회로(133)에 출력할 수 있다.
제1 구동회로(132)는 제1 구동신호(
Figure 112018048533837-pat00022
)에 따라 전력 스위치(110)의 턴 온(turn on) 동작을 수행하기 위한 제1 구동전류(IG, source)를 생성할 수 있다. 제2 구동회로(133)는 제2 구동신호(
Figure 112018048533837-pat00023
)에 따라 전력 스위치(110)의 턴 오프(turn off) 동작을 수행하기 위한 제2 구동전류(IG, sink)를 생성할 수 있다.
음 전압 생성부(134)는 제1 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00024
) 및 제2 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00025
)에 따라 스위치드 캐패시터를 구동하여 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있다. 여기서, 제2 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00026
)는 제2 구동신호와 동일하고, 제1 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00027
)는 제2 구동신호를 반전한 신호이다.
음 전압 생성부(134)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 제1 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00028
)에 따라 제1 스위치 및 제2 스위치를 온 상태로 동작시키고, 제2 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00029
)에 따라 제3 스위치를 오프 상태로 동작시킴으로써, 상기 턴 온 구간 동안에 P1 패스를 형성하여 VDD의 전압을 커패시터에 충전할 수 있다. 한편, 음 전압 생성부(134)는, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작 시, 제1 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00030
)에 따라 제1 스위치 및 제2 스위치를 오프 상태로 동작시키고, 제2 제어신호(
Figure 112018048533837-pat00031
)에 따라 제3 스위치를 온 상태로 동작시킴으로써, 상기 턴 오프 구간 동안에 P2 패스를 형성하여 커패시터에 충전된 음 전압(-VDD)을 제2 구동회로(133)에 인가할 수 있다.
이러한 구성 요소들(131~134)로 이루어진 게이트 구동회로(130)는, 전력 스위치(110)의 턴 온(turn on) 동작 시, 제1 구동회로(132)를 통해 제1 구동전류(IG, source)를 생성함과 동시에, 스위치드 캐패시터를 이용하여 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 구동하기 위한 음 전압(-VDD)을 캐패시터에 충전할 수 있다.
한편, 게이트 구동회로(130)는, 전력 스위치(110)의 턴 오프(turn off) 동작 시, 제2 구동회로(133)를 통해 제2 구동전류(IG, sink)를 생성함과 동시에, 스위치드 커패시터를 이용하여 캐패시터에 충전된 음 전압(-VDD)을 게이트 구동전압으로 제공할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 게이트 구동회로는 싱크용 구동회로의 소스 단과 그라운드 단 사이에 스위치드 캐패시터를 배치함으로써, 전원공급회로로부터 음 전압을 인가 받을 필요 없이, 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 자체적으로 생성할 수 있다. 또한, 게이트 구동회로는 싱크용 트랜지스터의 소스 단과 그라운드 단 사이에 스위치드 캐패시터를 배치함으로써, 턴 오프 구간 동안에 음 전압 생성 회로의 캐패시터에 충전된 전하가 외부로 방전되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전력 스위치 제어회로 110: 전력 스위치
120: PWM 제어부 130: 게이트 구동회로
131: 데드 타임 생성부 132: 제1 구동회로
133: 제2 구동회로 134: 음 전압 생성부

Claims (6)

  1. PWM 제어부에서 출력된 펄스폭 제어신호에 따라, 전력 스위치의 턴 온(turn on) 동작을 구동하기 위한 제1 구동전류를 생성하는 제1 구동회로;
    상기 펄스폭 제어신호에 따라, 상기 전력 스위치의 턴 오프(turn off) 동작을 구동하기 위한 제2 구동전류를 생성하는 제2 구동회로; 및
    상기 제2 구동회로의 소스(source) 단에 연결되며, 스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 음 전압 생성부를 포함하는 게이트 구동회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음 전압 생성부는, 제1 제어 신호가 입력되는 제1 스위치 및 제2 스위치, 제2 제어 신호가 입력되는 제3 스위치 및 인버터, 상기 제1 내지 제3 스위치와 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펄스폭 제어신호가 온(on) 상태인 경우,
    상기 음 전압 생성부는 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 온(on) 상태로 동작시키고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제3 스위치를 오프(off) 상태로 동작시키는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음 전압 생성부는, 상기 펄스폭 제어신호의 온(on) 구간 동안, 상기 전력 스위치의 게이트와의 연결이 차단된 상태에서 미리 결정된 전압을 커패시터에 충전시키는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 펄스폭 제어신호가 오프(off) 상태인 경우,
    상기 음 전압 생성부는 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 오프(off) 상태로 동작시키고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제3 스위치를 온(on) 상태로 동작시키는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음 전압 생성부는, 상기 펄스폭 제어신호의 오프(off) 구간 동안, 커패시터에 충전된 음 전압을 상기 제2 구동회로의 소스 단으로 인가하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.
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