KR102026931B1 - Short circuit protection for power switch - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태를 감지하여 해당 스위치의 동작을 안전하게 턴 오프(turn off)시키기 위한 단락보호회로에 관한 것이다.The present invention relates to a short circuit protection circuit for a power switch, and more particularly, to a short circuit protection circuit for sensing the desaturation state of the power switch to safely turn off the operation of the switch.
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.In general, a power device is a semiconductor device that converts or controls power, and rectification diodes, power transistors, and triacs are used in various fields such as industry, information, communication, transportation, power, and home.
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.Typical power devices include metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), bipolar to junction transistors (BJTs), and power integrated circuits (ICs). MOSFETs with low furnace losses are drawing attention. The MOSFETs typically include silicon (Si) based MOSFETs and silicon carbide (SiC) based MOSFETs.
SiC MOSFET은 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. 이에 따라, SiC MOSFET은 차세대 전력 반도체 소자로 각광받고 있다. 이러한 SiC MOSFET이 다양한 애플리케이션에 응용되기 위해서는 반드시 소자의 안정성이 확보되어야 한다. 이를 위해, SiC MOSFET 스위치를 안전하게 보호하기 위한 단락보호회로가 필요하다.Compared to silicon-based power semiconductor devices, SiC MOSFETs have excellent device stability at high temperature and high voltage due to wider energy band width, higher breakdown voltage characteristics, faster saturation electron velocity, and excellent thermal conductivity. It is possible to improve the reliability of the existing electric / electronic system, increase the power conversion efficiency and lighten the system. Accordingly, SiC MOSFETs are spotlighted as next generation power semiconductor devices. For these SiC MOSFETs to be used in a variety of applications, device stability must be ensured. To do this, a short-circuit protection circuit is needed to safely protect the SiC MOSFET switch.
도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET 스위치의 단락보호회로를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 단락보호회로(10)는 다이오드와 커패시터로 구성된 탈포화(desaturation) 회로를 이용하여 전력 스위치(20)의 드레인 전류량을 간접적으로 센싱한다. 전력 스위치(20)가 포화(saturation) 상태를 벗어나는 경우, 단락보호회로(10)의 다이오드가 오프(off) 상태가 되고, 커패시터가 충전되어 SR 래치의 출력이 로우 레벨(low level) 상태가 된다. 이러한 로우 레벨 상태의 SR 래치 출력이 NAND 게이트(30)로 입력되면, NAND 게이트(30)는 PWM 신호에 상관없이 하이 레벨(high level) 신호를 게이트 구동회로(40)로 출력한다. 이에 따라, 게이트 구동회로(40)는 전력 스위치(20)의 동작을 강제로 턴 오프(turn off) 시킴으로써 해당 스위치(20)를 보호하게 된다.1 is a view showing a short circuit protection circuit of a MOSFET switch according to the prior art. As shown in FIG. 1, the conventional short-
그런데, 전력 스위치(20)가 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 스위칭되는 경우, 해당 스위치(20)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이에 스파이크(spike) 전압이 발생하게 되며, VDS 스파이크 전압은 dID/dt가 클수록 더 커지게 된다.However, when the
전력 스위치가 포화(saturation) 상태를 벗어나서 드레인 전류(ID)가 과도하게 흐르고 있는 상태에서 전력 스위치를 순간적으로 턴 오프시킬 경우, VDS 스파이크 전압은 더욱 크게 발생하게 되고, 이로 인해 전력 스위치의 차단 능력을 벗어나 파손될 위험에 처하게 된다. 따라서, 전력 스위치의 파손을 미연에 방지하기 위해서는 해당 스위치를 턴 오프시키기 전에 드레인 전류를 충분히 감소시킬 필요가 있다.If the power switch momentarily turns off while the power switch is out of saturation and the drain current I D is excessively flowing, the V DS spike voltage is generated larger, which causes the power switch to shut off. You are in danger of breaking out of your ability. Therefore, in order to prevent damage to the power switch in advance, it is necessary to sufficiently reduce the drain current before turning off the switch.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 게이트 구동전압 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.It is an object of the present invention to solve the above and other problems. Still another object is to provide a short circuit protection circuit for a power switch that can stably turn off a power switch through gate drive voltage control when detecting a desaturation state.
또 다른 목적은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 게이트 구동전류 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.Still another object is to provide a short circuit protection circuit for a power switch that can stably turn off a power switch through gate drive current control when detecting a desaturation state.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 스위치의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱하여 상기 전력 스위치가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지를 검출하는 탈포화 검출부; 상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 게이트 구동전압(VG)을 미리 결정된 전압으로 감소시키는 게이트 전압 제어부; 및 상기 전력 스위치의 탈포화 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 게이트 구동전류를 단계적으로 조절 가능한 펄스폭 제어신호들 출력하는 구동전류 제어부를 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or another object, by sensing the voltage (V DS ) between the drain (D) stage and the source (S) stage of the power switch to the power switch is out of saturation (saturation) state Desaturation detection unit for detecting the ground; A gate voltage controller configured to reduce the gate driving voltage V G of the power switch to a predetermined voltage when detecting a desaturation state of the power switch; And a driving current control unit configured to output pulse width control signals that can gradually adjust a gate driving current for turning off the switching operation of the power switch when the desaturation state of the power switch is detected. to provide.
좀 더 바람직하게는, 상기 게이트 전압 제어부는, 상기 게이트 구동전압(VG)을 미리 결정된 전압으로 감소시키기 위한 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the gate voltage controller includes a zener diode for reducing the gate driving voltage V G to a predetermined voltage.
좀 더 바람직하게는, 상기 단락보호회로는, 탈포화 검출부로부터 수신되는 제어신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 구동전류 제어부로 출력하는 지연 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 지연 회로부는, 게이트 전압 제어부를 통해 전력 스위치의 드레인 전류를 일정 시간(τ) 동안 감소시킨 다음, 상기 전력 스위치가 턴 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the short-circuit protection circuit further comprises a delay circuit unit for delaying a control signal received from the desaturation detection unit for a predetermined time τ and then outputting the control signal to the driving current controller. The delay circuit unit may control the power switch to be turned off after reducing the drain current of the power switch for a predetermined time τ through a gate voltage controller.
좀 더 바람직하게는, 상기 구동전류 제어부는, 바이너리 코딩이 적용된 복수의 펄스폭 제어신호들을 게이트 구동회로에 출력하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 구동전류 제어부는, 미리 결정된 파형을 갖는 펄스폭 제어신호들을 이용하여 전력 스위치의 게이트 구동전류가 단계적으로 감소되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the driving current controller outputs a plurality of pulse width control signals to which the binary coding is applied to the gate driving circuit. The driving current control unit may control the gate driving current of the power switch to be gradually reduced by using pulse width control signals having a predetermined waveform.
좀 더 바람직하게는, 상기 단락보호회로는, 바이너리 코딩이 가능하도록, 서로 다른 게이트 크기를 갖는 복수의 N형 트랜지스터들을 구비하는 게이트 구동회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the short-circuit protection circuit further includes a gate driving circuit having a plurality of N-type transistors having different gate sizes to enable binary coding.
본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 단락보호회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the effect of the short circuit protection circuit for the power switch according to the embodiments of the present invention.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 게이트의 전압 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프 시킴으로써, VDS 스파이크 전압을 통해 전력 스위치가 파괴되는 것을 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, when the desaturation state is detected, the power switch is stably turned off through voltage control of the gate, thereby preventing the power switch from being destroyed through the V DS spike voltage. The advantage is that you can.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 게이트 구동전류의 단계적 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프 시킴으로써, VDS 스파이크 전압을 통해 전력 스위치가 파괴되는 것을 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다.Further, according to at least one of the embodiments of the present invention, when the desaturation state is detected, the power switch is stably turned off through the stepwise control of the gate driving current so that the power switch is destroyed through the V DS spike voltage. There is an advantage that can be prevented in advance.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 단락보호회로가 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.However, the effect that the short-circuit protection circuit for the power switch according to the embodiments of the present invention can achieve is not limited to those mentioned above, and other effects that are not mentioned in the following description in the technical field to which the present invention belongs. It will be clearly understood by those of ordinary skill.
도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET 스위치의 단락보호회로를 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 제어회로의 구성을 도시하는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 구성 블록도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 상세 구성을 도시하는 도면;
도 5는 제1 및 제2 펄스폭 제어신호들의 파형에 따른 싱크 전류의 변화를 설명하는 도면;
도 6은 단락보호회로에서 출력되는 복수의 제어 신호들의 파형을 나타내는 도면.1 shows a short circuit protection circuit of a MOSFET switch according to the prior art;
2 is a diagram showing the configuration of a power switch control circuit according to an embodiment of the present invention;
3 is a block diagram illustrating a short circuit protection circuit according to an exemplary embodiment of the present invention;
4 is a diagram showing a detailed configuration of a short circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram illustrating a change in sink current according to waveforms of first and second pulse width control signals; FIG.
6 is a diagram showing waveforms of a plurality of control signals output from a short circuit protection circuit;
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.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used in consideration of ease of specification, and do not have distinct meanings or roles from each other. In addition, in describing the embodiments disclosed herein, when it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed herein, but are not limited to the technical spirit disclosed herein by the accompanying drawings, all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.
본 발명은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 게이트 구동전압 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다. 또한, 본 발명은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 게이트 구동전류 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다. The present invention proposes a short-circuit protection circuit for a power switch capable of stably turning off the power switch by controlling the gate driving voltage when detecting a desaturation state. In addition, the present invention proposes a short-circuit protection circuit for a power switch capable of stably turning off the power switch through gate drive current control when detecting a desaturation state.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 제어회로의 구성을 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a configuration of a power switch control circuit according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 제어회로(100)는 전력 스위치(110), PWM 제어부(120), 게이트 구동회로(130) 및 단락보호회로(140)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.Referring to FIG. 2, the power
전력 스위치(110)는 일종의 반도체 전력소자로서, 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 전력용 MOSFET을 포함할 수 있다. 상기 전력용 MOSFET(110)은 고속성과 고전압, 대 전류 구동에 강한 성질을 가지고 있다. The
전력용 MOSFET(110)에는 드레인(D)-소스(S) 간을 N형 반도체로 만드는 N 채널형 MOSFET과 드레인(D)-소스(S) 간을 P형 반도체로 만드는 P 채널형 MOSFET의 2 종류가 있다. 또한, 전력용 MOSFET(110)에는 실리콘(Si) 기반의 MOSFET과 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET 등이 있다.The
전력용 MOSFET(110)은 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 구동전압(또는 게이트 전압, VG)에 의해 턴 온(turn on)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 구동전압(VG)에 의해 턴 오프(turn off)된다.MOSFET (110) for power is high level (high level) to which the gate drive voltage (or the gate voltage, V G) is turned on (turn on) and low level (low level) gate drive voltage (V G having a by Is turned off.
PWM 제어부(120)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스 폭 제어신호(VPWM)를 생성할 수 있다.The
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.For example, the
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.The
게이트 구동회로(130)는 데드 타임 생성부(미도시), 소스용 구동회로(미도시) 및 싱크용 구동회로(미도시) 등을 포함할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임 생성부는 게이트 구동회로(130)에 반드시 필요한 구성요소는 아니며 선택적으로 채용될 수 있다.The
데드 타임 생성부는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 온시키기 위한 하이 레벨 신호와 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 로우 레벨 신호가 동시에 온(on)되는 현상을 방지하기 위한 데드 타임(dead time)을 설정할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임은 100ns 내지 200ns로 설정될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The dead time generator may be configured to prevent a high level signal for turning on the switching operation of the
소스용 구동회로는, 턴 온 동작 시, 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 제1 구동전류(즉, 소스 전류, IG, source)를 생성할 수 있다. 상기 소스용 구동회로는 레벨 시프터(level shifter), 프리 드라이버(pre-driver) 및 P형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 P형 트랜지스터는 P형 MOSFET 소자이거나 혹은 P형 BJT 소자일 수 있다.The source driving circuit may generate a first driving current (ie, source current, I G, source ) for driving the
싱크용 구동회로는, 턴 오프 동작 시, 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 제2 구동전류(즉, 싱크 전류, IG, sink)를 생성할 수 있다. 상기 싱크용 구동회로는, 레벨 시프터, 프리 드라이버 및 N형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 N형 트랜지스터는 N형 MOSFET 소자이거나 혹은 N형 BJT 소자일 수 있다.The sink driving circuit may generate a second driving current (ie, sink current, I G, sink ) for driving the
한편, 소스용 구동회로와 싱크용 구동회로에 각각 설치된 레벨 시프터 및 프리 드라이버는, 게이트 구동회로(130)의 사용 목적 및 설계 사양 등에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.On the other hand, the level shifter and the pre-driver installed in the source driving circuit and the sink driving circuit, respectively, may be configured to be omitted depending on the purpose and design specifications of the
단락보호회로(140)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 탈포화(desaturation) 상태를 감지하여 해당 스위치(110)의 동작을 강제로 턴 오프시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 단락보호회로(140)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(D) 단 간의 전압(VDS)을 센싱하여 해당 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나는지를 검출할 수 있다.The short
단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 제너 다이오드(Zener Diode)를 이용한 게이트 구동전압 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다.The short
또한, 단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 게이트 구동전류(즉, 싱크 전류, Isink)의 단계적 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다.In addition, the short
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 스위치 제어회로(100)는 전력 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나는지를 실시간으로 감지하여 해당 스위치(110)의 동작을 안전하게 턴 오프시킬 수 있다.As described above, the power
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 구성 블록도이다. 3 is a block diagram illustrating a short circuit protection circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단락보호회로(140, 200)는 탈포화 검출부(210), 게이트 전압 제어부(220), 구동전류 제어부(230) 및 지연 회로부(240)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 구성요소들은 단락보호회로(200)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 단락보호회로는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 3, the short
탈포화 검출부(210)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 해당 스위치(110)가 탈포화(desaturation) 상태로 진입하는지 여부를 검출할 수 있다. 이를 위해, 탈포화 검출부(210)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결되어, 상기 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱할 수 있다. 탈포화 검출부(210)는 상기 센싱된 전압(VDS)을 기반으로 전력 스위치(110)가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지를 실시간으로 감지할 수 있다.The
탈포화 검출부(210)는, 탈포화 상태 감지 시, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 제어신호를 게이트 전압 제어부(220) 및 지연 회로부(240)로 출력할 수 있다.When the
게이트 전압 제어부(220)는, 탈포화 상태 감지 시, 전력 스위치(110)의 게이트 구동전압(VG)을 줄여서 해당 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류(ID)를 감소시킬 수 있다. When the desaturation state is detected, the
게이트 전압 제어부(220)는, 전력 스위치(110)가 턴 오프되기 전에 드레인 전류(ID)를 감소시킴으로써, 해당 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이에서 전력 스위치(110)의 내압을 초과하는 VDS 스파이크 전압이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.The
구동전류 제어부(230)는, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 게이트 구동전류(즉, 싱크 전류)를 단계적으로 조절 가능한 펄스폭 제어신호들을 출력할 수 있다. 이때, 상기 펄스폭 제어신호들에는 바이너리 코딩(binary coding)이 적용될 수 있다.The driving
구동전류 제어부(230)는, 전력 스위치(110)의 게이트 전압(Vgs)이 문턱 전압(Vth)으로 변경되기 직전의 일정 구간에서 싱크 전류를 최소화시킴으로써, 일차적으로는 드레인 전류의 변화량(dID/dt)을 낮추고, 이차적으로는 전력 스위치(110)의 VDS 스파이크 전압을 최소화시킬 수 있다. 즉, 구동전류 제어부(230)는 턴 오프의 초기 구간에는 높은 싱크 전류를 인가하고, VDS 스파이크 전압에 영향을 미치는 문턱 전압(Vth) 인근에서는 낮은 싱크 전류를 인가하게 된다.The driving
지연 회로부(240)는 탈포화 검출부(210)로부터 수신되는 제어신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 구동전류 제어부(230)의 입력 단으로 출력할 수 있다. 이는 게이트 구동전압 제어를 통해 일정 시간(τ) 동안 드레인 전류량을 감소시킨 다음에 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위함이다.The
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 게이트 구동전압 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다. 또한, 상기 단락보호회로(140)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 싱크 전류(Isink)의 단계적 제어를 통해 전력 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다.As described above, the short
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 상세 구성을 도시하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a detailed configuration of a short circuit protection circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는 탈포화 검출부(210), 게이트 전압 제어부(220), 구동전류 제어부(230) 및 지연 회로부(240)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the short
탈포화 검출부(210)는, SR 래치(211), 비교기(212), P형 트랜지스터(213), N형 트랜지스터(214), 커패시터(216), 다이오드(217) 및 전류원(218)을 포함할 수 있다.The
SR 래치(211)의 S(Set) 단은 비교기(212)의 출력 단에 연결될 수 있고, SR 래치(211)의 단은 지연 회로부(240) 및 게이트 전압 제어부(220)에 연결될 수 있다. 비교기(212)의 제1 입력 단(-)은 N형 트랜지스터(214)의 소스(S) 단과 커패시터(216)의 타 단에 연결될 수 있고, 제2 입력 단(+)은 커패시터(216)의 일 단과, P형 및 N형 트랜지스터(213, 214)의 드레인(D) 단과, 다이오드(217)의 애노드 단에 연결될 수 있다. 커패시터(216)의 일 단은 비교기(212)의 제2 입력 단(+)과 P형 및 N형 트랜지스터(213, 214)의 드레인(D) 단과 다이오드(217)의 애노드 단에 연결될 수 있고, 타 단은 비교기(212)의 제1 입력단(-)과 N형 트랜지스터(214)의 소스(S) 단에 연결될 수 있다. 다이오드(217)의 캐소드 단은 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결될 수 있다. 전류원(218)은 P형 트랜지스터(218)의 소스(S) 단에 연결될 수 있다.The S (Set) end of the
이러한 구성을 갖는 탈포화 검출부(210)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결되어, 상기 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱할 수 있다. 상기 센싱된 전압(VDS)이 미리 결정된 임계치를 초과하는 경우, 탈포화 검출부(210)는 턴 온 상태의 전력 스위치(100)가 포화 상태를 벗어난 것으로 감지할 수 있다.
전력 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나게 되면, 해당 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결된 다이오드(217)의 캐소드(cathode) 전압은 애노드(anode) 전압보다 더 커지게 된다. 이에 따라, 다이오드(217)는 오프(off) 상태로 동작하게 되고, 전류원(218)에서 인가되는 전류는 P형 트랜지스터(213)를 통과하여 커패시터(216)를 충전시키게 된다.When the
커패시터(216)에 전압이 충전되면, 비교기의 비교 전압(215)과 커패시터(216)의 충전 전압이 서로 동일해지기 때문에, 비교기(212)는 로우 레벨(low level) 신호를 출력하게 된다. 상기 로우 레벨 신호가 SR 래치(211)의 S(Set) 단으로 입력되면, SR 래치(211)는 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 한편, 본 실시 예에서는, SR 래치(211)의 단을 통해 제어 신호를 출력하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며 단을 통해 제어 신호를 출력할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. When the voltage of the
게이트 전압 제어부(220)는, 인버터(221), 버퍼 게이트(222), N형 트랜지스터(223) 및 제너 다이오드(224)를 포함할 수 있다. 여기서, 버퍼 게이트(222)는 실시 예에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다. The
인버터(221)의 입력 단은 SR 래치(211)의 단에 연결될 수 있고, 출력 단은 버퍼 게이트(222)의 입력 단에 연결될 수 있다. 버퍼 게이트(222)의 입력 단은 인버터(221)의 출력 단에 연결될 수 있고, 출력 단은 N형 트랜지스터(223)의 게이트(G) 단에 연결될 수 있다. N형 트랜지스터(223)의 게이트(G) 단은 버퍼 게이트(222)의 출력 단에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 제너 다이오드(224)의 애노드 단에 연결될 수 있고, 소스(S) 단은 접지(ground)에 연결될 수 있다. 제어 다이오드(224)의 애노드 단은 N형 트랜지스터(223)의 드레인(D) 단에 연결될 수 있고, 캐소드 단은 전력 스위치(110)의 게이트(G) 단에 연결될 수 있다.The input terminal of the
전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, SR 래치(211)의 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하게 되면, 인버터(221)는 입력 신호를 반전시켜 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. 버퍼 게이트(222)는 인버터(221)로부터 입력된 하이 레벨 신호를 변경하지 않고, 해당 신호를 그대로 출력하게 된다. 하이 레벨 신호가 N형 트랜지스터(223)의 게이트(G) 단으로 입력되면, N형 트랜지스터(223)는 턴 온(turn on) 동작을 수행하게 된다. 상기 N형 트랜지스터(223)가 턴 온 상태로 스위칭되면, 제너 다이오드(224)는 애노드 단이 접지(ground)와 연결되어 동작하게 된다. 제너 다이오드(224)는 전력 스위치(110)의 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 낮추게 된다. 예를 들어, 12V의 제너 다이오드를 사용하게 되면, 25V로 구동하는 게이트 전압을 12V로 강제로 낮춰주게 된다.When detecting the desaturation state of the
게이트 전압 제어부(220)는, 전력 스위치(110)가 턴 오프 상태로 스위칭되기 전에, 해당 스위치(110)의 게이트 구동전압(VG)을 줄여서 해당 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류(ID)를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 게이트 전압 제어부(220)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이에서 해당 스위치(110)의 내압을 초과하는 VDS 스파이크 전압이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.The
한편, 본 실시 예에서는, 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 낮추기 위해 제너 다이오드를 사용하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 상기 제너 다이오드가 아닌 다른 회로를 사용하여 게이트 전압 제어부를 구현할 수 있다. Meanwhile, in the present exemplary embodiment, although the use of the zener diode to lower the gate driving voltage to a predetermined voltage is illustrated, the present invention is not limited thereto, and the gate voltage controller may be implemented using a circuit other than the zener diode.
지연 회로부(240)는 SR 래치(211)의 단으로부터 수신된 로우 레벨 신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 NAND 게이트(231)의 입력 단으로 출력할 수 있다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 전력 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나는 것을 t1 시점에 감지하는 경우, SR 래치(211)는 t1 시점을 기산점으로 하여 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 지연 회로부(240)는 t1 시점으로부터 일정 시간(τ)이 경과한 t2 시점을 기산점으로 하여 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 이는 게이트 구동전압 제어를 통해 일정 시간(τ) 동안 드레인 전류량을 감소시킨 다음, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위함이다.
구동전류 제어부(230)는 NAND 게이트(231) 및 싱크전류 조절부(232)를 포함할 수 있다. NAND 게이트(231)의 입력 단은 PWM 제어부(미도시) 및 지연 회로부(240)에 연결될 수 있고, 출력 단은 게이트 구동회로(130)의 P형 트랜지스터와 싱크전류 조절부(232)에 연결될 수 있다. 싱크전류 제어부(232)의 입력 단은 NAND 게이트(231)에 연결될 수 있고, 출력 단은 게이트 구동회로(130)의 제1 및 제2 N형 트랜지스터에 연결될 수 있다.The driving
한편, 본 실시 예에서, 게이트 구동회로(130)는 소스 전류(IG, source)를 생성하기 위한 하나 이상의 P형 트랜지스터와, 싱크 전류(IG, sink)를 생성하기 위한 둘 이상의 N형 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 이때, 게이트 구동회로(130)는 바이너리 코딩이 가능하도록 서로 다른 게이트 크기(size)를 갖는 N형 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 가령, 도면에 도시된 바와 같이, 제2 N형 트랜지스터(X2)의 크기는 제1 N형 트랜지스터(X1)의 크기의 두 배일 수 있다. 상기 트랜지스터의 크기 비로 인해, 제2 N형 트랜지스터(X2)에서 생성되는 제2 싱크 전류(IG, sink2)의 크기는 제1 N형 트랜지스터(X1)에서 생성되는 제1 싱크 전류(IG, sink1)의 크기의 두 배일 수 있다.Meanwhile, in the present embodiment, the
PWM 제어부에서 출력되는 PWM 신호와 SR 래치(211)에서 출력되는 로우 레벨 신호가 NAND 게이트(231)로 입력되면, NAND 게이트(231)는 상기 PWM 신호의 파형에 관계없이 항상 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. When the PWM signal output from the PWM controller and the low level signal output from the
하이 레벨 신호가 게이트 구동회로(130)의 P형 트랜지스터로 입력되면, 상기 P형 트랜지스터는 턴 오프 동작을 수행하게 된다. 한편, 하이 레벨 신호가 싱크전류 제어부(232)로 입력되면, 싱크전류 제어부(232)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 싱크 전류를 단계적으로 조절 가능한 펄스폭 제어신호들을 출력할 수 있다. When the high level signal is input to the P-type transistor of the
즉, 싱크전류 제어부(232)는 NAND 게이트(231)로부터 수신된 하이 레벨 신호를 기준으로 제1 및 제2 펄스폭 제어신호들(VPWM1, VPWM2)을 생성할 수 있다. 싱크전류 제어부(232)는 제1 펄스폭 제어신호(VPWM1)를 게이트 구동회로(130)의 제1 N형 트랜지스터(X1)로 출력하고, 제2 펄스폭 제어신호(VPWM2)를 게이트 구동회로(130)의 제2 N형 트랜지스터(X2)로 출력할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 펄스폭 제어신호들에는 바이너리 코딩(binary coding)이 적용될 수 있다.That is, the sink
가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 펄스폭 제어신호(VPWM1, VPWM2)는 바이너리 코딩을 통해 총 4개의 조합({로우 레벨 신호(off), 로우 레벨 신호(off)}, {하이 레벨 신호(on), 로우 레벨 신호(off)}, {로우 레벨 신호(off), 하이 레벨 신호(on)}, {하이 레벨 신호(on), 하이 레벨 신호(on)})으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 게이트 구동회로(130)는, 제1 및 제2 펄스폭 제어신호(VPWM1, VPWM2)의 파형에 따라, 서로 다른 크기를 갖는 4 개의 싱크 전류들(0, 제1 싱크 전류(IG, sink1), 제2 싱크 전류(IG, sink2), 제1 싱크 전류 + 제2 싱크 전류(IG, sink1 + IG, sink2)) 중 어느 하나를 생성할 수 있다.For example, as shown in FIG. 5, the first and second pulse width control signals V PWM1 and V PWM2 are combined in four combinations ({low level signal (off), low level signal (off)) through binary coding. }, {High level signal (on), low level signal (off)}, {low level signal (off), high level signal (on)}, {high level signal (on), high level signal (on)}) It may be configured as. Accordingly, the
싱크전류 제어부(232)에서 미리 결정된 바이너리 코딩이 적용된 펄스폭 제어신호들(VPWM1, VPWM2)을 출력하게 되면, 게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 싱크 전류(IG, sink)를 단계적으로 조절할 수 있다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 싱크전류 제어부(232)는 t1 시점으로부터 일정 시간(τ)이 경과한 t2 시점을 기산점으로 하여 {H, L, H, H}의 파형을 갖는 제1 펄스폭 제어신호(VPWM1)와 {H, H, L, L}의 파형을 갖는 제2 펄스폭 제어신호(VPWM2)를 출력할 수 있다. 이에 따라, 게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 싱크 전류(IG, sink)를 단계적으로 감소시킬 수 있다. 즉, 게이트 구동회로(130)는 싱크 전류(IG, sink)의 크기를 '제1 싱크 전류(IG, sink1) + 제2 싱크 전류(IG, sink2)', '제2 싱크 전류(IG, sink2)', '제1 싱크 전류(IG, sink1)' 순으로 감소시킬 수 있다.When the sink
이처럼, 싱크전류 제어부(232)는, 드레인 전류의 변화량(dID/dt)이 큰 문턱 전압(Vth) 주변에서 싱크 전류를 최소화시킴으로써, 전력 스위치(110)의 VDS 스파이크 전압을 최소화시킬 수 있다.As such, the sink
한편, 본 실시 예에서는, 두 개의 펄스폭 제어신호가 사용되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며 셋 이상의 펄스폭 제어신호들이 사용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 싱크전류 제어부(232)에서 바이너리 코딩이 적용된 n개의 펄스폭 제어신호들을 출력하게 되면, 게이트 구동회로(130)는 상기 펄스폭 제어신호들의 파형에 따라 총 2n 개의 싱크 전류(IG, sink)를 생성할 수 있다. Meanwhile, in the present exemplary embodiment, two pulse width control signals are used, but the present invention is not limited thereto and three or more pulse width control signals may be used. Therefore, when the sink
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는, 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 게이트 구동전압 제어와 게이트 구동전류 제어 중 적어도 하나를 이용하여 해당 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다.As described above, when the desaturation state of the power switch is detected, the short
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.Although various embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
100: 전력 스위치 제어회로 110: 전력 스위치
120: PWM 제어부 130: 게이트 구동회로
140/200: 단락보호회로 210: 탈포화 검출부
220: 게이트 전압 제어부 230: 구동전류 제어부
240: 지연 회로부100: power switch control circuit 110: power switch
120: PWM controller 130: gate driving circuit
140/200: short circuit protection circuit 210: desaturation detection unit
220: gate voltage controller 230: drive current controller
240: delay circuit
Claims (5)
상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 게이트 구동전압(VG)을 미리 결정된 전압으로 감소시키는 게이트 전압 제어부; 및
상기 전력 스위치의 탈포화 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 게이트 구동전류를 단계적으로 조절 가능한 펄스폭 제어신호들을 생성하여 출력하는 구동전류 제어부를 포함하고,
상기 구동전류 제어부는, 바이너리 코딩(binary coding)이 적용된 복수의 펄스폭 제어신호들을 게이트 구동회로에 출력하여, 상기 전력 스위치의 게이트 구동전류가 단계적으로 감소되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.A desaturation detector for sensing whether the power switch is out of a saturation state by sensing a voltage V DS between a drain D end and a source S end of a power switch;
A gate voltage controller configured to reduce the gate driving voltage V G of the power switch to a predetermined voltage when detecting a desaturation state of the power switch; And
And a driving current controller configured to generate and output pulse width control signals in which the gate driving current for turning off the switching operation of the power switch can be adjusted when the desaturation state of the power switch is detected,
The driving current controller outputs a plurality of pulse width control signals to which a binary coding is applied to a gate driving circuit, and controls the gate driving current of the power switch to be reduced step by step. Protection circuit.
상기 게이트 전압 제어부는, 상기 게이트 구동전압(VG)을 미리 결정된 전압으로 감소시키기 위한 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.The method of claim 1,
The gate voltage controller includes a zener diode for reducing the gate driving voltage (V G ) to a predetermined voltage.
상기 탈포화 검출부로부터 수신되는 제어신호를 미리 결정된 시간(τ) 동안 지연시킨 다음 상기 구동전류 제어부로 출력하는 지연 회로부를 더 포함하고,
상기 지연 회로부는, 상기 게이트 전압 제어부를 통해 상기 전력 스위치의 드레인 전류를 일정 시간(τ) 동안 감소시킨 다음, 상기 전력 스위치가 턴 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.The method of claim 1,
And a delay circuit unit delaying the control signal received from the desaturation detection unit for a predetermined time τ and then outputting the control signal to the driving current controller.
And the delay circuit unit reduces the drain current of the power switch for a predetermined time (τ) through the gate voltage controller and then controls the power switch to be turned off.
상기 바이너리 코딩이 가능하도록, 서로 다른 게이트 크기를 갖는 복수의 N형 트랜지스터들을 구비하는 게이트 구동회로를 더 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로.The method of claim 1,
And a gate driving circuit having a plurality of N-type transistors having different gate sizes to enable the binary coding.
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