KR102217670B1 - 동기식 변환기들에서 바디 다이오드 전도를 최소화하는 방법 - Google Patents

동기식 변환기들에서 바디 다이오드 전도를 최소화하는 방법 Download PDF

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Abstract

전원, 인덕터, 출력 단자, 및 제어 회로를 포함하는 동기식 변환기. 제어 회로는: 활성화될 때 전원으로부터 인덕터로 에너지를 전달하는 전자 에너자이징 스위치; 활성화될 때 인덕터로부터 출력 단자로 에너지를 전달하는 전자 디-에너자이징 스위치로서, 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 바디 다이오드를 포함하는, 상기 전자-디에너자이징 스위치; 및 활성화될 때, 전자 디-에너자이징 스위치를 턴 오프하고, 전자 디-에너자이징 스위치의 바디 다이오드를 통해 흐르는 전류를 재지향시키며, 전자 디-에너자이징 스위치의 바디 다이오드로부터 전하를 제거하는 전자 풀-다운 스위치를 포함할 수 있다. 전자 에너자이징 스위치 및 전자 디-에너자이징 스위치는 결코 양쪽 모두가 동시에 활성화되지 않을 것이다.

Description

동기식 변환기들에서 바디 다이오드 전도를 최소화하는 방법{MINIMIZING BODY DIODE CONDUCTION IN SYNCHRONOUS CONVERTERS}
본 개시는 동기식 부스트 변환기들, 동기식 벅-부스트 변환기들, 및 동기식 H-브리지 변환기들을 포함한, 동기식 변환기들에 관한 것이다.
동기식 부스트 변환기들, 동기식 벅-부스트 변환기들, 및 동기식 H-브리지 변환기들과 같은, 동기식 변환기들은 제어된 양의 에너지를 인덕터로 전달하기 위해 제어된 에너자이징 스위치를 및 출력 단자를 통해 인덕터로부터 로드로 제어된 양의 에너지를 전달하기 위해 제어된 디에너자이징 스위치를 사용할 수 있다.
두 개의 스위치들은 두 개의 스위치들을 통해 변환기의 출력으로부터 접지로 조절되지 않은 슛-스루(shoot-through) 전류를 피하기 위해 결코 동시에 턴 온되지 않을 것이다. 결과적으로, 양쪽 스위치들이 오프인 각각의 스위칭 사이클 동안 두 개의 전이 지속 기간들이 있을 수 있다. 이들 지속 기간들은 스위칭 변환기들에서 데드타임(deadtime)으로 불리운다.
데드타임은 스위칭 변환기들에서 전력 손실들 및 EMI 문제들을 야기한다. 슛-스루 전류를 피하면서 이러한 데드타임을 최소화하는 것은 따라서 효과적인 해법이 아직 제공되지 않은 계속되는 문제였다.
동기식 변환기는 전원, 인덕터, 출력 단자, 및 제어 회로를 포함할 수 있다. 상기 제어 회로는 활성화될 때, 상기 전원으로부터 상기 인덕터로 에너지를 전달하는 전자 에너자이징 스위치; 활성화될 때, 상기 인덕터로부터 상기 출력 단자로 에너지를 전달하는 전자 디-에너자이징 스위치로서, 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 바디 다이오드를 포함하는, 상기 전자 디-에너자이징 스위치; 및 활성화될 때, 상기 전자 디-에너자이징 스위치를 턴 오프하고, 상기 전자 디-에너자이징 스위치의 바디 다이오드를 통해 흐르는 전류를 재지향시키며, 상기 전자 디-에너자이징 스위치의 바디 다이오드로부터 전하를 제거하는 전자 풀-다운 스위치를 포함할 수 있다. 상기 전자 에너자이징 스위치 및 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 결코 양쪽 모두가 동시에 활성화될 수 없다.
상기 바디 다이오드로부터의 전류 및 전하는 단지 1나노초 내에 전자 풀-다운 스위치에 의해 제거될 수 있다.
상기 제어 회로는 상기 바디 다이오드로부터 재지향된 전류 및 상기 바디 다이오드로부터 제거된 전하가 흐르는 재지향/제거 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제어 회로는 상기 전자 에너자이징 스위치 및 상기 전자 디-에너자이징 스위치를 제어하는 드라이버를 포함할 수 있다. 상기 재지향/제거 다이오드는 상기 드라이버에서 바디 다이오드일 수 있다.
상기 전자 에너자이징 스위치, 상기 전자 디-에너자이징 스위치, 및 상기 전자 풀-다운 스위치들은 각각 NMOS 디바이스 또는 GaN 전력 스위치일 수 있다.
상기 동기식 변환기는 동기식 부스트 변환기, 동기식 벅-부스트 변환기, 또는 동기식 H-브리지 변환기일 수 있다.
이들, 뿐만 아니라 다른 구성요소들, 단계들, 특징들, 목적들, 이익들 및 이점들은, 이제 예시적인 실시예들의 다음의 상세한 설명, 수반되는 도면들, 및 청구항들의 검토로부터 분명해질 것이다.
도면들은 실시예들을 예시한다. 그것들은 모든 실시예들을 예시하지 않는다. 다른 실시예들은 추가로 또는 대신에 사용될 수 있다. 분명하거나 또는 불필요할 수 있는 세부사항들은 공간을 절약하기 위해 또는 보다 효과적인 예시를 위해 생략될 수 있다. 몇몇 실시예들은 부가적인 구성요소들 또는 단계들을 갖고 및/또는 예시되는 구성요소들 또는 단계들 모두 없이 실시될 수 있다. 동일한 숫자가 상이한 도면들에서 나타날 때, 그것은 동일한 또는 유사한 구성요소들 또는 단계들을 나타낸다.
도 1a는 동기식 부스트 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다.
도 1b는 도 1a에 예시된 부스트 변환기에서 스위치 노드 전압 파형의 예를 예시한다.
도 2는 데드타임 제어를 가진 종래의 동기식 부스트 변환기의 예를 예시한다.
도 3은 바디 다이오드 전도를 최소화할 수 있는 게이트 드라이브를 가진 동기식 부스트 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다.
도 4는 종래의 부스트 변환기 전력 스테이지에 비교하여 제안된 동기식 부스트 변환기 전력 스테이지(예로서, 도 3에 예시된 것과 같은, 게이트 드라이브를 사용하는 것)에 대한 스위치 노드에서의 전압 및 전력 스위치들(SD 및 SE)의 동작적 게이트-대-소스 전압들의 예들을 예시한다.
도 5는 바디 다이오드 전도를 최소화할 수 있는 게이트 드라이브를 가진 동기식 벅-부스트 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다.
도 6은 바디 다이오드 전도를 최소화할 수 있는 게이트 드라이브를 가진 모터를 구동하는 동기식 H-브리지 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다.
예시적인 실시예들이 이제 설명된다. 다른 실시예들은 추가로 또는 대신에 사용될 수 있다. 분명하거나 또는 불필요할 수 있는 세부사항들은 공간을 절약하기 위해 또는 보다 효과적인 프리젠테이션을 위해 생략될 수 있다. 몇몇 실시예들은 부가적인 구성요소들 또는 단계들을 갖고 및/또는 설명되는 구성요소들 또는 단계들 모두 없이 실시될 수 있다.
도 1a는 동기식 부스트 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다. 도 1a에서 동기식 부스트 변환기는 인덕터(101)를 에너자이징하며 출력 단자에 결합된 출력 커패시터(103)에 대해 인덕터(101)에 저장된 에너지를 디-에너자이징함으로써 입력 전압(VIN)보다 높은 출력 전압(VOUT)을 발생시킬 수 있다.
SE 게이트 제어기(107)가 에너자이징 스위치(SE)(105)를 턴 온할 때, 인덕터(101)(IL)에서의 전류는 증가할 수 있다. 그 후, SE 게이트 제어기(107)는 IL이 디에너자이징 스위치(SD)(111)의 바디 다이오드(109)를 통해 흐를 때까지 IL이 스위치 노드 전압(VSW)을 올리게 하기 위해 SE(105)를 턴 오프할 수 있다. 이때, SD 게이트 제어기(113)는 그것의 강화 채널을 통해 IL을 흐르게 함으로써 전도 손실을 감소시키도록 SD(111)를 턴 온할 수 있다. SD(111)가 턴 오프될 때, IL은 먼저 인덕터(101)를 에너자이징하여, 스위칭 사이클을 재시작하기 위해, 전류를 당기고 VSW를 떨어뜨리도록 SE(105)가 턴 온될 때까지 SD(111)의 바디 다이오드(109)를 통해 다시 흐를 수 있다.
도 1b는 도 1a에 예시된 부스트 변환기의 스위치 노드 전압 파형의 예를 예시한다.
두 개의 스위치들(105 및 111)은 두 개의 강화 스위치들(SE(105) 및 SD(111))을 통해 VOUT으로부터 접지로 조절되지 않은 슛-스루 전류를 피하기 위해 결코 동시에 턴 온되지 않을 것이다. 결과적으로, 양쪽 스위치들 모두가 오프인 각각의 스위칭 사이클 동안 두 개의 전이 지속 기간들이 있을 수 있다. 이들 지속 기간들은 스위칭 변환기들에서 데드타임으로 불리운다.
이들 데드타임들 동안, VSW는 위아래로 전이되며 바디 다이오드(109)는 도 1b에 도시되 바와 같이, 출력 단자로 IL을 전도한다. 이러한 연결-전-단절(break-before-make) 동작을 보장하기 위해, 시스템은 하나의 스위치가, 다른 스위치에 턴 온하도록 명령하기 전에 턴 오프됨을 감지한다. 부가적인 지연들은 종종 전력 스위치들의 유형 및 크기에 의존하여, 충분한 데드타임을 보장하기 위해 오프-투-온(off-to-on) 지속 기간들에 삽입된다.
도 2는 데드타임 제어(201)를 가진 동기식 부스트 변환기의 예를 예시한다. ENERGIZE 신호가 SE(205)를 통해 인덕터(203)를 에너자이징하기 위해 하이로 올라갈 때, 데드타임 제어(201)은 SE(205)로 하여금 단지 SD(207)가 오프이고 몇몇 지연이 지나간 후에만 온이도록 허용한다. 유사하게, ENERGIZE 신호가 SD(207)를 통해 인덕터(203)를 디-에너자이징하기 위해 로우로 떨어질 때, 데드타임 제어(201)는 SE(205)가 오프임을 확인하고 SD(207)가 또 다른 지연 후에 온이도록 허용한다. (INTVCC-GND) 레일 및 (VBST - VSW) 레일 신호들 사이에서 통신하기 위해, 각각 UP 및 DN 레벨 시프터들(211 및 209)이 또한 있을 수 있으며, 여기에서 VBST는 시스템에서의 다른 곳에서 발생된 부동 공급 전압이다.
종래의 스위칭 변환기들은 슛-스루 전류를 방지하기 위해 데드타임을 요구한다. 그러나, 데드타임과 연관된 전력 손실들이 있다. IL이 스위치 채널 대신에 바디 다이오드를 통해 흐를 때, 바디 다이오드의 전도 손실은 강화 채널 저항의 상대보다 클 수 있다. 훨씬 더 큰 손실이 바디 다이오드의 역-회복 전하로 인해 발생할 수 있다. MOSFET의 바디 다이오드는 그것이 전류를 전도하기 위해 순방향-바이어싱될 때 전하를 저장한다. 이러한 전하의 양은 스위칭 변환기들에서 다이오드 전도 시간 및 전류 크기에 따라 증가하려는 경향이 있다. 턴 오프하기 위해, 또는 바디 다이오드를 역-바이어싱하기 위해, 전도된 전류 및 저장된 전하는 재지향되고 제거될 수 있다. 부스트 변환기의 디-에너자이징 단계의 끝을 향해, SD(107)는 턴 오프되며 바디 다이오드는 출력 단자로 IL을 전도한다. 이때, SE(205)는 VSW를 아래로 내리기 위해 턴 온된다. 끌어당기기 위해 SE(205)가 이용하는 전류의 양은 IL의 크기보다 크며, 추가 전류의 주요 기여자는 바디 다이오드의 역-회복 전하이다. 이러한 VSW의 하강 전이 동안, SE(205)는 높은 전압 및 높은 전류 양쪽 모두를 경험할 것이며, 상당한 스위칭 손실을 야기한다. 더욱이, SE(205)가 이러한 지속 기간 동안 끌어당기는 전류의 증가된 양은 링잉을 상당히 증가시키며 시스템의 EMI 방사를 악화시킨다.
데드타임을 수립하는 하나의 종래의 방식은 스위치 턴-오프를 검출하는 것 및 다른 스위치에 턴 온하도록 명령하는 것 사이에 고정된 지연을 삽입하는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은, 게이트 드라이버가 넓은 범위의 전력 스위치들을 만족시키도록 설계된다면, 긴 바디 다이오드 도전 시간을 야기하는 경향이 있다. 해결책은 사용자에게 데드타임을 조정하는 수단을 제공하는 것이다. 사용자가 스위칭 변환기를 구동하기 위한 애플리케이션이 무엇인지를 알며, 그러므로 정확한 전력 스위치들이 결정될 때, 최적의 조건으로 지연을 프로그램하는 것은 바디 다이오드 전도 시간을 감소시킬 수 있다.
또 다른 접근법은 전력 스위치들의 동작 조건들을 자체적으로 검출하며 데드타임을 최소화하기 위해 즉석에서 지연을 프로그램하는 지능형 스위칭 변환기 제어기를 구현하는 것이다. 이러한 자기-프로그램 가능한 데드타임 접근법은 통상적으로 게이트 드라이버에서 지연을 조정하기 위한 스위치 노드 전이 동안 전력 스위치의 게이트-대-소스 전압 및 드레인-대-소스 전압을 감지한다.
이들 접근법들은 어느 정도까지 바디 다이오드 전도를 감소시키는데 유용할 수 있지만, 그것들은 보통 슛-스루가 없음을 보장하기 위해 10ns 이상의 바디 다이오드 전도 시간을 예약한다. 센서는 - 사용자인지 또는 시스템 자체인지에 관계없이 - 임계치들에서 그 자신의 허용 오차들을 가진다(즉, 스위치가 온이거나 또는 오프인지를 결정하기 위한 전압). 또한, 프로그램 가능한 지연들에서의 변화들은 특히 지연들이 약 수 나노 초들이므로, 온도, 프로세스, 및 전압에 대해 최소화하는 것은 어려울 수 있다. 그러므로, 실제로, 바디 다이오드 전도 시간은 너무 짧아서 슛-스루 참사로부터 시간 마진을 보장할 수 없다.
슛-스루 전류를 피하면서 바디 다이오드 전도를 최소화하는 것은 도전적이어 왔다. 이것은 두 개의 태스크들 - 바디 다이오드 전류를 재지향시키고 저장된 전하를 제거하기 위해 스위치를 턴 오프하고 다른 스위치를 턴 온하는 것 - 이 프로세스, 전압, 및 온도 변화들에 대한 타이밍 동조들을 보이지 않을 수 있는 상이한 회로들에 의해 수행되기 때문이다. 도 2에서의 동기식 부스트 변환기 예에서, (VBST - VSW) 레일 상에서 SD 게이트 제어기(213)는 디-에너자이징 스위치(SD)(207)를 턴 오프한다. 마지막 스테이지의 풀 다운 디바이스(SD N)(215)가 SD(207)의 게이트-대-소스 전압을 임계치 아래로 이끌 때, SD(207)의 바디 다이오드(217)는 인덕터 전류(IL)의 몇몇 부분을 즉시 전도하기 시작할 것이다.
이러한 정확한 턴 오프 이벤트를 검출하는 것은 간단한 태스크가 아닐 수 있다. 그것이 성취될지라도, SE P(223)가 SD(207)의 바디 다이오드(217)로부터 IL을 빼앗기 위해 에너자이징 스위치(SE)(205)의 게이트 전압을 끌어올리기 시작하기 전에도, 쉽게 수 나노 초 이상의 바디 다이오드 전도 시간이 걸릴 수 있는 SD 게이트 센서(219), DN 레벨 시프터(209), 데드타임 제어(210), 및 SE 게이트 제어기(221)로부터의 지연들이 있다. 이들 내재하는 지연들을 보상하기 위해, 게이트 전압 감지는 때때로 드라이버의 마지막 스테이지로부터 수 스테이지들 이전에 시작된다. 이러한 조기 시작은 SD(207)의 턴-오프 및 SE(205)의 턴 온을 동조시키기 위한 기회를, 슛-스루 전류의 위험을 무릅쓰고 제공할 수 있다. 헤드 스타트에 의해 번 시간 및 DN 레벨-시프터(209) 및 드라이버에서의 지연들은 항상 일치하지 않을 수 있으며 그것들 자신의 허용 오차들 내에서 달라질 것이기 때문에, 약간 더 느리게 SE(205)를 턴 온하는 것이 필요할 수 있다. 그 결과, 시스템은 조기 시작 경우에도 결국 현저한 바디 다이오드 전도 시간이 될 수 있다.
두 개의 상이한 회로들의 타이밍 동조 도전은 디-에너자이징 스위치(207)를 턴 오프하는 것 및 그것의 바디 다이오드 전류를 재지향시키는 것의 태스크들을 수행하기 위해 단일 디바이스를 사용함으로써 제거될 수 있다.
도 3은 바디 다이오드 전도를 최소화할 수 있는 게이트 드라이브를 가진 동기식 부스트 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다. 풀-다운 디바이스(SPULL)(301)는 SD(303)를 정지시키며 재지향 다이오드(DRDIR)(305)를 통해 그것의 바디 다이오드(307) 전류를 빼앗기 위해 턴 온된다. SD(303)의 게이트-대-소스 전압이 SPULL(301)로부터의 전류에 의해 그것의 임계치 아래로 내려질 때, IL은 SD(303)의 바디 다이오드(307)를 통해 흐르기 시작할 것이다. SPULL(301)은 DRDIR(305)이 순방향-바이어싱될 때까지 VSW 아래로 게이트 전압을 계속해서 내릴 것이다. DRDIR(305)은 대략 그것의 소스 전압(즉 VSW-0.7V) 미만의 다이오드 전압에서 SD(303)의 게이트 전압을 클램핑하며 SD(303)의 게이트-산화물을 보호한다.
DRDIR(305)은 데드타임 감소 및 슛-스루 전류 방지 사이에서 트레이드오프하기 위한 임의의 타이밍 동조 요건들 없이, SPULL(301)로 하여금 SD(303)의 바디 다이오드(307)로부터 IL을 끊김 없이 재지향시키도록 허용한다. SD(303)의 바디 다이오드(307)는 이전 접근법처럼 이러한 방법에서 전도하지만, 그것은 단지 상당히 짧은 지속 기간 동안만 전도할 수 있다 - SD(303)의 게이트-대-소스 전압이 그것의 임계 전압을 교차하는 순간으로부터 DRDIR(305)이 순방향-바이어싱될 때까지. SPULL(301)의 전류의 크기가 인덕터(309)에서 전류를 극복하기에 충분히 크도록 설계되기 때문에, DRDIR(305)이 스위치 노드(즉, VSW)로부터 SPULL(301)로 전류를 전도하면, 어떤 전류도 SD(303)의 바디 다이오드(307)를 위해 남겨지지 않을 것이다.
DRDIR(305)의 이러한 순방향-바이어싱 직전에, SPULL(301)의 높은 전류는 SD(303)의 게이트를 풀다운시킨다. 그러므로, 게이트 전압은 VSW 이상의 임계 전압으로부터 VSW 미만의 다이오드 전압으로 빠르게 이동하여, 바디 다이오드 전도를 위해 상당히 짧은 양의 시간을 남긴다. SPULL(301)의 이러한 높은 전류 및 SD(303)를 턴 오프하는 것으로부터 바디 다이오드 전류를 재지향시키는 것까지의 끊김 없는 전이는 1 나노 초 미만의 바디 다이오드 전도 시간을 야기한다. 이러한 상당히 짧은 바디 다이오드 전도 시간은 부스트 변환기에서 역-회복 전하의 양 및 그것의 연관된 문제점들을 감소시킬 수 있다.
종래의 접근법들은 SD(303)로부터 인덕터(309) 전류 방향을 변경하기 위해 SE(311)와 같은 에너자이징 스위치를 할당할 수 있다. 그러나, SD(303) 및 SE(311)는 그것들이 동시에 턴 온된다면 VOUT으로부터 접지로 단락 회로를 형성할 수 있다. 제안된 기술은 SD(303)로부터 인덕터(309) 전류 방향을 변경하기 위해 SPULL(31)을 사용한다. 이전 방법들과 달리, SD(303) 및 SPULL(301)을 통해 VOUT으로부터 접지로 잠재적인 단락 회로 경로는 없다. SPULL(301)의 동작들의 순서는 먼저 SD(303)를 정지시키며 그 후 그것의 전류를 재지향시키기 위해 동조된다. 그러나, 몇몇 구현들에서, 이것은 SE(311)가 요구되지 않음을 의미하지 않는다. SE(311)를 위한 게이트 제어기(313)는 SE(311)가 다른 부스트 변환기들에서처럼, 주요 에너자이징 스위치의 역할을 수행하도록 그것이 인덕터(309) 전류를 재지향시키기 위해 SPULL(301)을 턴 온한 후 계속해서 SE(311)를 빨리 턴 온할 수 있다. 제안된 기술은 전류를 재지향시키기 위해 SPULL(301)을 이용함으로써 SE(311)에 대한 부담을 경감시킨다.
다이오드 DRDIR(305)은 도 3에서 (VBST - VSW) 레일 드라이버의 마지막 스테이지에서 풀-다운 NMOS 디바이스(SD N)(315)의 바디 다이오드일 수 있다. 다른 접근법들에 비교하여 추가 실리콘 또는 인쇄-회로-보드 부동산을 요구하는 이러한 접근법의 유일한 부가적인 구성요소는 풀-다운 디바이스(SPULL)(301)일 수 있다.
또 다른 세부사항은 SPULL(301)이 SD(303)의 게이트를 아래로 내릴 때 (VBST - VSW) 레일 드라이버의 조건이다. SPULL(301)이 동작을 하기 직전에, 게이트 전압은 (VBST - VSW) 레일 드라이버의 마지막 스테이지에서 풀-업 PMOS 디바이스(SD P)(317)에 의해 VBST로 올려진다. 그러므로, SD(303)에 대한 SD 게이트 제어기(319)는 SD P(317) 및 SPULL(301) 사이에서 충돌을 피하도록 적절히 준비할 수 있다. 다시 말해서, SD 게이트 제어기(319)는 SPULL(301)이 SD(303)의 게이트를 당길 때 SD P(317)를 턴 오프할 수 있다.
도 4는 종래의 부스트 변환기 스테이지에 비교하여 제안된 동기식 부스트 변환기 전력 스테이지(예로서, 도 3에 예시된 것과 같은, 게이트 드라이브를 사용하는 것)를 위한 스위치 노드에서의 전압 및 전력 스위치들(SD 및 SE)의 동작적 게이트-대-소스 전압들의 예들을 예시한다. VSW 파형들 상에서 점으로 된 원들(401 및 403)의 비교는 제안된 기술의 최소화된(또는 거의 제거된) 바디 다이오드 전도 동작을 강조한다.
제안된 기술은 디-에너자이징 스위치(SD)가 NMOS 스위치인 동기식 부스트 변환기들에 적용될 수 있다. 그러므로, 이러한 정확한 기술은 PMOS 디-에너자이징 스위치를 가진 벅 변환기들, 비-동기식 부스트 변환기들, 및 동기식 부스트 변환기들과 호환 가능하지 않을 수 있다. 다른 한편으로, 이러한 방법은 로우-측 에너자이징 스위치들이 턴 온하기 전에 하이-측 디-에너자이징 스위치들의 바디 다이오드를 통해 전류가 흐르는 NMOS 전력 스위치들을 사용하여 동기식 벅-부스트 변환기들 및 동기식 H-브리지 회로들에 유용할 수 있다.
또한, 이러한 기술은, GaN 디바이스들에 대한 바디 다이오드 상대의 전압들이 훨씬 더 높음에 따라, GaN 전력 스위치들이 동기식 부스트, 벅-부스트, 및 H-브리지 변환기 회로들에 대한 NMOS 전력 스위치들을 대신하여 사용된다면 유용할 수 있다.
도 5는 바디 다이오드 전도를 최소화할 수 있는 게이트 드라이브를 가진 동기식 벅-부스트 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다. 전력 스테이지는 에너자이징 전력 스위치들(SE1 및 SE2)(509)을 통해 인덕터(L)를 에너자이징하고 디-에너자이징 전력 스위치들(SD1 및 SD2)(503)을 통해 인덕터(L)를 디-에너자이징함으로써 VIN으로부터 VOUT으로 에너지를 전달한다. 시스템은 먼저 인덕터를 에너자이징하기 위해 SE1 및 SE2(509)를 턴 온한다. 인덕터 전류가 이 도면에 도시되지 않지만 시스템에서 다른 곳에 존재하는 제어 회로에 의해 설정된 몇몇 특정 값에 도달할 때, 시스템은 SE1을 턴 오프하며 인덕터 전류는 SD1의 바디 다이오드가 순방향-바이어싱할 때까지 제 1 스위칭 노드(VSW1)를 아래로 내릴 것이다. VSW1 전압의 이러한 전이는 이러한 제 1 데드타임에서 인덕터 전류에 의해 수행된다. 그 후 SD1이 SD1 및 SE2(509)를 통해 인덕터 전류를 순환시킬 때 전도 손실들을 감소시키기 위해 턴 온된다. 출력 단자로 인덕터를 디-에너자이징하기 위해, 시스템은 SD2(503)의 바디 다이오드(505)가 순방향-바이어싱할 때까지 인덕터 전류가 제 2 스위칭 노드(VSW2)를 충전하게 하기 위해 SE2(509)를 턴 오프한다. VSW2 전압의 이러한 전이는 또한 이러한 제 2 데드타임에서 인덕터 전류에 의해 행해진다. 그 후 SD2(503)는 출력 단자로 인덕터 에너지를 전달할 때 전도 손실들을 감소시키기 위해 턴 온된다. 이제 에너자이징 단계로 돌아가기 전에, 동기식 벅-부스트 변환기는 SD2(503)를 턴 오프하고 SE2(509)를 턴 온함으로써 또 다른 인덕터 전류 순환 단계를 겪는다. 시스템은 SD2(503) 및 SE2(509)를 통해 VOUT으로부터 GND로 슛-스루 전류들을 피하기 위해 이러한 전이를 위한 또 다른 데드타임을 둘 수 있다. 그러나 시스템이 SD2(503)를 턴 오프할 때, 인덕터 전류는 SD2(503)의 바디 다이오드(505)를 통해 흐르며, 이러한 제 3 데드타임 동안 바디 다이오드 전도는 상당한 전력 손실들 및 EMI 문제들의 원인이다.
동기식 벅-부스트 변환기 동작에서 이러한 바디 다이오드 전도 및 그것의 연관된 문제들을 감소시키기 위해, 제안된 게이트 드라이브 방법은 부스트 변환기 상대에서처럼 SPULL(501)을 사용할 수 있다. SPULL(501)은 SD2(503)를 정지시키며 재지향 다이오드 DRDIR(507)를 통해 그것의 바디 다이오드(505) 전류를 빼앗기 위해 턴 온된다. SD2(503)의 게이트-대-소스 전압이 SPULL(503)로부터의 전류에 의해 그것의 임계치 아래로 당겨질 때, 인덕터 전류는 SD2(503)의 바디 다이오드(505)를 통해 흐르기 시작할 것이다. SPULL(501)은 DRDIR(507)이 순방향-바이어싱될 때까지 VSW2 아래로 게이트 전압을 계속해서 당길 것이다. DRIDR(507)은 대략 그것의 소스 전압(즉, VSW2 - 0.7V) 미만의 다이오드 전압에서 SD2(503)의 게이트 전압을 클램핑하며 SD2(503)의 게이트 산화물을 보호한다.
DRDIR(507)은 데드타임 감소 및 슛-스루 전류 방지 사이에서 트레이드오프하기 위한 임의의 타이밍 동조 요건들 없이, SPULL(501)로 하여금 SD2(503)의 바디 다이오드(505)로부터 인덕터 전류를 끊김 없이 재지향시키도록 허용한다. SD2(503)의 바디 다이오드(505)는 종래의 접근법처럼 이러한 방법에서 전도할 수 있지만, 단지 상당히 짧은 지속 기간 동안 전도한다 - SD2(503)의 게이트-대-소스 전압이 그것의 임계 전압을 교차하는 순간으로부터 DRDIR(507)이 순방향-바이어싱될 때까지. SPULL(501)의 전류의 크기가 인덕터 전류를 극복하기에 충분히 높도록 설계되기 때문에, DRDIR(507)이 스위치 노드(즉, VSW2)로부터 SPULL(501)로 전류를 전도하면, 어떤 전류도 SD2(503)의 바디 다이오드(505)를 위해 남겨지지 않을 것이다.
DRDIR(507)의 이러한 순방향-바이어싱 직전에, SPULL(501)의 높은 전류는 SD2(503)의 게이트를 아래로 내린다. 그러므로, 게이트 전압은 VSW2 이상의 임계 전압으로부터 VSW2 미만의 다이오드 전압으로 빠르게 이동하여, 바디 다이오드 전도를 위해 상당히 짧은 양의 시간을 남긴다. SPULL(501)의 이러한 높은 전류 및 SD2(503)를 턴 오프하는 것으로부터 그것의 바디 다이오드 전류를 재지향시키는 것으로의 끊김 없는 전이는 나노 초 미만의 바디 다이오드 전도 시간을 야기한다. 이러한 상당히 짧은 바디 다이오드 전도 시간은 동기식 벅-부스트 변환기에서 역-회복 전하의 양 및 그것의 연관된 문제점들을 감소시킬 수 있다.
도 6은 바디 다이오드 전도를 최소화할 수 있는 게이트 드라이브를 갖고 모터(601)를 구동하는 동기식 H-브리지 변환기 전력 스테이지의 예를 예시한다. 로드 전류(ILOAD)는 양-방향일 수 있으며, 이것은 VSW1로부터 VSW2로 및 그 역으로 흐를 수 있음을 의미한다. ILOAD가 VSW1로부터 VSW2로 흐르며 시스템이 S2 및 S4를 정류할 때, 데드타임들은 연결-전-단절 정류들을 보장하며 VIN으로부터 GND로 큰 슛-스루 전류들을 방지한다. 부스트 변환기 경우와 유사하게, 문제가 되는 데드타임은 S2가 턴 오프된 직후 및 S4가 턴 온되기 전이다. 이러한 데드타임 동안, 로드 전류는 순방향-바이어싱으로부터 전하를 축적할 S2의 바디 다이오드(609)를 통해 흐를 것이다. 그러므로, S4는 VSW2 노드를 아래로 내리기 위해 로드 전류보다 추가 전류들을 당기며 S2(603)의 바디 다이오드(609)의 역-회복 전하 없이보다 VSW2 노드의 하강 에지 동안 보다 많은 전력 손실들 및 EMI 잡음들을 유도한다.
동기식 H-브리지 변환기 동작에서 이러한 바디 다이오드 전도 및 그것의 연관된 문제점들을 감소시키기 위해, 제안된 게이트 드라이브 방법은 부스트 변환기 상대에서처럼 SPULL2(607)를 사용할 수 있다. SPULL2(607)는 S2(603)를 정지시키며 재지향 다이오드(DRDIR2)를 통해 그것의 바디 다이오드(609) 전류를 빼앗기 위해 턴 온된다. S2(603)의 게이트-대-소스 전압이 SPULL2(607)로부터의 전류에 의해 그것의 임계치 아래로 내려질 때, 로드 전류는 S2(603)의 바디 다이오드(609)를 통해 흐르기 시작할 것이다. SPULL2(607)는 DRDIR2가 순방향-바이어싱될 때까지 VSW2 아래로 게이트 전압을 계속해서 내릴 것이다. DRIDR2는 대략 그것의 소스 전압(즉, VSW2 - 0.7V) 미만의 다이오드 전압에서 S2(603)의 게이트 전압을 클램핑하며 S2(603)의 게이트-산화물을 보호한다.
DRDIR2는 데드타임 감소 및 슛-스루 전류 방지 사이에서 트레이드오프하기 위한 임의의 타이밍 동조 요건들 없이, SPULL(607)로 하여금 S2(603)의 바디 다이오드(609)로부터 로드 전류를 끊김 없이 재지향시키도록 허용한다. S2(603)의 바디 다이오드(609)는 종래의 접근법처럼 이러한 방법에서 전도하지만, 단지 상당히 짧은 지속 기간 동안만 전도할 수 있다 -- S2(603)의 게이트-대-소스 전압이 그것의 임계 전압을 교차하는 순간으로부터 DRDIR2이 순방향-바이어싱될 때까지. SPULL2(607)의 전류의 크기가 로드 전류를 극복하기에 충분히 크도록 설계되기 때문에, DRDIR2가 스위치 노드(즉, VSW2)로부터 SPULL2(607)로 전류를 전도하면, 어떤 전류도 S2(603)의 바디 다이오드(609)를 위해 남겨지지 않을 것이다.
DRDIR2의 이러한 순방향-바이어싱 직전에, SPULL2(607)의 높은 전류는 S2(603)의 게이트를 아래로 내린다. 그러므로, 게이트 전압은 VSW2 이상의 임계 전압으로부터 VSW2 미만의 다이오드 전압으로 빠르게 이동하여, 바디 다이오드 전도를 위해 상당히 짧은 양의 시간을 남긴다. SPULL2(607)의 이러한 높은 전류 및 S2(603)를 턴 오프하는 것으로부터 그것의 바디 다이오드 전류를 재지향시키는 것으로의 끊김 없는 전이는 나노 초 미만의 바디 다이오드 전도 시간을 야기한다. 이러한 짧은 바디 다이오드 전도 시간은 동기식 H-브리지 변환기에서 역-회복 전하의 양 및 그것의 연관된 문제점들을 감소시킬 수 있다.
H-브리지 변환기의 대칭적 아키텍처 때문에, 문제 및 해법은 로드 전류가 VSW2에서 VSW1로 흐를 때의 경우에 대해 대칭적이다. 다시 말해서, ILOAD가 VSW2로부터 VSW1로 흐르며 시스템이 S1(611)을 턴 오프하고 그 후 S3(613)을 턴 온할 수 있을 때, SPULL1(615)은, 부스트 변환기 경우에서처럼 슛-스루 문제를 피하기 위해 임의의 타이밍 동조 이슈들 없이, S1(611)을 정지시키고 그것의 바디 다이오드(617) 전도를 감소시키기 위해 S1(611)의 게이트를 아래로 내릴 수 있다.
논의된 구성요소들, 단계들, 특징들, 목적들, 이익들, 및 이점들은 단지 예시적이다. 그것들 중 어떤 것도, 그것들에 관한 논의들도 임의의 방식으로 보호 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 다수의 다른 실시예들이 또한 고려된다. 이것들은 보다 적은, 부가적인, 및/또는 상이한 구성요소들, 단계들, 특징들, 목적들, 이익들, 및/또는 이점들을 가진 실시예들을 포함한다. 이것들은 또한 구성요소들 및/또는 단계들이 상이하게 배열되고 및/또는 순서화되는 실시예들을 포함한다.
달리 서술되지 않는다면, 이어지는 청구항들에서를 포함한, 본 명세서에서 제시되는 모든 측정들, 값들, 평가들, 위치들, 규모들, 크기들, 및 다른 규격들은 정확한 것이 아닌, 근사적이다. 그것들은 그것들이 관련되는 기능들과 및 그것들이 관련된 이 기술분야에서 관례적인 것과 일치하는 적정한 범위를 갖도록 의도된다.
본 개시에서 인용되어 온 모든 논문들, 특허들, 특허 출원들, 및 다른 공보들은 여기에서 참조로서 통합된다.
청구항에서 사용될 때 구절("~를 위한 수단")은 설명된 대응하는 구조들 및 재료들 및 그것들의 등가물들을 포괄하도록 의도되고 해석되어야 한다. 유사하게, 청구항에서 사용될 때 구절("를 위한 단계")은 설명되어 온 대응하는 동작들 및 그것들의 등가물들을 포괄하도록 의도되고 해석되어야 한다. 청구항으로부터 이들 구절들의 부재는 청구항이 이들 대응하는 구조들, 재료들, 또는 동작들에, 또는 그것들의 등가물들에 제한되도록 의도되지 않으며 그렇게 해석되지 않아야 한다.
보호의 범위는 단지 이제 이어지는 청구항들에 의해서만 제한된다. 상기 범위는, 특정 의미들이 제시되어 온 경우를 제외하고, 본 명세서 및 이어지는 출원 경과를 고려하여 해석될 때 청구항들에서 사용되는 언어의 통상의 의미와 일치하는 것만큼 넓도록, 및 모든 구조적 및 기능적 등가물들을 포함하도록 의도되고 해석되어야 한다.
"제 1" 및 "제 2" 등과 같은 관계 용어들은 반드시 임의의 실제 관계 또는 그것들 사이에서의 순서를 요구하거나 또는 의미하지 않고, 하나의 엔티티 또는 동작을 또 다른 것으로부터 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 명세서 또는 청구항들에서 요소들의 리스트와 관련되어 사용될 때 용어들("포함하다", "포함하는", 및 그것의 임의의 다른 변화)은 리스트가 배타적이지 않으며 다른 요소들이 포함될 수 있음을 나타내도록 의도된다. 유사하게, "a" 또는 "an"에 의해 선행된 요소는, 추가 제약들 없이, 동일한 유형의 부가적인 요소들의 존재를 배제하지 않는다.
청구항들 중 어떤 것도 특허법의 섹션들(101, 102, 또는 103)의 요건을 만족시키는데 실패한 주제를 포괄하도록 의도되지 않으며, 그것들은 이러한 방식으로 해석되지 않아야 한다. 이러한 주제의 임의의 의도되지 않은 커버리지는 부인된다. 본 단락에서 서술된 것을 제외하고, 서술되거나 또는 예시되어 온 어떤 것도 그것이 청구항들에 나열되는지 여부에 관계없이, 대중으로의 임의의 구성요소, 단계, 특징, 목적, 이익, 이점, 또는 등가물의 전용을 야기하도록 의도되거나 또는 해석되지 않아야 한다.
요약은 판독자가 기술적 개시의 특징을 빠르게 알아내도록 돕기 위해 제공된다. 그것은 청구항들의 범위 또는 의미를 해석하거나 또는 제한하기 위해 사용되지 않을 것이라는 이해를 갖고 진술된다. 또한, 앞서 말한 상세한 설명에서의 다양한 특징들은 본 개시를 간소화하기 위해 다양한 실시예들에서 함께 그룹핑된다. 본 개시의 이러한 방법은 각각의 청구항에서 명확하게 나열된 것보다 많은 특징들을 요구하도록 청구된 실시예들에 요구하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 다음의 청구항들이 반영하는 바와 같이, 본 발명의 주제는 단일의 개시된 실시예의 모든 특징들보다 적게 있다. 따라서, 다음의 청구항들은 상세한 설명으로 통합되며, 각각의 청구항은 별도로 청구된 주제로서 그 자체로 성립한다.

Claims (10)

  1. 전원, 인덕터, 및 출력 단자를 포함하는 동기식 변환기를 위한 제어 회로에 있어서, 상기 제어 회로는,
    활성화될 때, 상기 전원으로부터 상기 인덕터로 에너지를 전달하는 전자 에너자이징 스위치;
    활성화될 때, 상기 인덕터로부터 상기 출력 단자로 에너지를 전달하는 전자 디-에너자이징 스위치로서, 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 바디 다이오드를 포함하는, 상기 전자 디-에너자이징 스위치; 및
    활성화될 때, 상기 전자 디-에너자이징 스위치를 턴 오프하고, 제 2 다이오드가 순방향 바이어스로 되면 상기 전자 디-에너자이징 스위치의 상기 바디 다이오드를 통해 흐르는 전류를 상기 제 2 다이오드로 재지향시키며, 상기 전자 디-에너자이징 스위치의 상기 바디 다이오드로부터 전하를 제거하는 전자 풀-다운 스위치를 포함하며,
    상기 전자 에너자이징 스위치 및 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 결코 양쪽 모두가 동시에 활성화되지 않으며,
    상기 제 2 다이오드는, 상기 전자 풀-다운 스위치에 연결되어 있는
    동기식 변환기를 위한 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디 다이오드로부터의 상기 전류 및 전하는, 1 나노 초 내에 상기 전자 풀-다운 스위치에 의해 제거되며, 상기 제 2 다이오드는 상기 바디 다이오드로부터 재지향된 상기 전류 및 상기 바디 다이오드로부터 제거된 상기 전하가 흐르는 소정의 전자 스위치의 제 2 바디 다이오드를 포함하고,
    상기 제어 회로는, 상기 전자 에너자이징 스위치 및 상기 전자 디-에너자이징 스위치를 제어하는 드라이버를 더 포함하며, 상기 제 2 다이오드는 상기 드라이버 내의 바디 다이오드인,
    동기식 변환기를 위한 제어 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 에너자이징 스위치, 상기 전자 디-에너자이징 스위치, 및 상기 전자 풀-다운 스위치는 각각 NMOS 디바이스 또는 GaN 전력 스위치이며, 상기 동기식 변환기는 동기식 부스트 변환기, 동기식 벅-부스트 변환기 또는 동기식 H-브리지 변환기인,
    동기식 변환기를 위한 제어 회로.
  4. 전원에 의해 구동될 수 있는 동기식 변환기에 있어서,
    인덕터;
    출력 단자;
    활성화될 때, 상기 전원으로부터 상기 인덕터로 에너지를 전달하는 전자 에너자이징 스위치;
    활성화될 때, 상기 인덕터로부터 상기 출력 단자로 에너지를 전달하는 전자 디-에너자이징 스위치로서, 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 바디 다이오드를 포함하는, 상기 전자 디-에너자이징 스위치; 및
    활성화될 때, 상기 전자 디-에너자이징 스위치를 턴 오프하고, 제 2 다이오드가 순방향 바이어스로 되면 상기 전자 디-에너자이징 스위치의 상기 바디 다이오드를 통해 흐르는 전류를 상기 제 2 다이오드로 재지향시키며, 상기 전자 디-에너자이징 스위치의 상기 바디 다이오드로부터 전하를 제거하는 전자 풀-다운 스위치를 포함하며,
    상기 전자 에너자이징 스위치 및 상기 전자 디-에너자이징 스위치는 결코 양쪽 모두가 동시에 활성화되지 않으며,
    상기 제 2 다이오드는, 상기 전자 풀-다운 스위치에 연결되어 있는
    동기식 변환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 바디 다이오드로부터의 상기 전류 및 전하는, 1 나노 초 내에 상기 전자 풀-다운 스위치에 의해 제거되고, 상기 제 2 다이오드는 상기 바디 다이오드로부터 재지향된 상기 전류 및 상기 바디 다이오드로부터 제거된 상기 전하가 흐르는 소정의 전자 스위치의 제 2 바디 다이오드를 포함하고,
    상기 동기식 변환기는, 상기 전자 에너자이징 스위치 및 상기 전자 디-에너자이징 스위치를 제어하는 드라이버를 더 포함하며, 상기 제 2 다이오드는 상기 드라이버 내의 바디 다이오드인,
    동기식 변환기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자 에너자이징 스위치, 상기 전자 디-에너자이징 스위치, 및 상기 전자 풀-다운 스위치는 각각 NMOS 디바이스 또는 GaN 전력 스위치이고, 상기 동기식 변환기는 동기식 부스트 변환기, 동기식 벅-부스트 변환기 또는 동기식 H-브리지 변환기인,
    동기식 변환기.
  7. 전원, 인덕터, 및 출력 단자를 포함하는 동기식 변환기를 위한 제어 회로에 있어서, 상기 제어 회로는,
    활성화될 때, 상기 전원으로부터 상기 인덕터로 에너지를 전달하는 에너자이징 스위치 수단;
    활성화될 때, 상기 인덕터로부터 상기 출력 단자로 에너지를 전달하는 디-에너자이징 스위치 수단으로서, 상기 디-에너자이징 스위치 수단은 바디 다이오드를 포함하는, 상기 디-에너자이징 스위치 수단; 및
    활성화될 때, 상기 디-에너자이징 스위치 수단을 턴 오프하고, 제 2 다이오드가 순방향 바이어스로 되면 상기 디-에너자이징 스위치 수단의 상기 바디 다이오드를 통해 흐르는 전류를 상기 제 2 다이오드로 재지향시키며, 상기 디-에너자이징 스위치 수단의 상기 바디 다이오드로부터 전하를 제거하는 풀-다운 스위치 수단을 포함하며,
    상기 에너자이징 스위치 수단 및 상기 디-에너자이징 스위치 수단은 결코 양쪽 모두가 동시에 활성화되지 않으며,
    상기 제 2 다이오드는, 상기 풀-다운 스위치 수단에 연결되어 있는
    제어 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 바디 다이오드로부터의 상기 전류 및 전하는, 1 나노 초 내에 상기 풀-다운 스위치 수단에 의해 제거되는,
    제어 회로.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 다이오드는, 상기 바디 다이오드로부터 재지향된 상기 전류 및 상기 바디 다이오드로부터 제거된 상기 전하가 흐르는 소정의 스위치 수단의 제 2 바디 다이오드를 포함하고,
    상기 제어 회로는, 상기 에너자이징 스위치 수단 및 상기 디-에너자이징 스위치 수단을 제어하는 드라이버 수단을 더 포함하며, 상기 제 2 다이오드는 상기 드라이버 수단 내의 바디 다이오드인,
    제어 회로.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 동기식 변환기는 동기식 부스트 변환기, 동기식 벅-부스트 변환기, 또는 동기식 H-브리지 변환기인,
    제어 회로.
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