KR102284188B1 - GATE DRIVING CIRCUIT FOR SiC MOSFET - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SiC MOSFET용 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 스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 음 전압 생성부를 포함한다.The present invention relates to a gate driving circuit for a SiC MOSFET, and a first driving circuit for generating a first driving current for driving a turn-on operation of a power switch according to a pulse width control signal output from a PWM control unit. ; a second driving circuit for generating a second driving current for driving a turn-off operation of the power switch according to the pulse width control signal; and a negative voltage generator for generating a negative voltage for turning off the power switch using a switched capacitor.
Description
본 발명은 SiC MOSFET용 게이트 구동회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치드 커패시터를 이용하여 SiC MOSFET의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있는 SiC MOSFET용 게이트 구동회로에 관한 것이다.The present invention relates to a gate driving circuit for a SiC MOSFET, and more particularly, to a gate driving circuit for a SiC MOSFET capable of generating a negative voltage for performing a turn-off operation of a SiC MOSFET using a switched capacitor.
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 a rectifier diode, a power transistor, a triac, etc. 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), 전력 집적회로(IC) 등이 있으며, 이중에서 특히 고속 스위칭이 가능하고, 구동회로의 손실이 적은 MOSFET이 주목 받고 있다. 상기 MOSFET으로는 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), and power integrated circuits (ICs). is attracting attention. The MOSFET includes a silicon (Si)-based MOSFET and a silicon carbide (SiC)-based MOSFET.
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.Compared to conventional silicon-based power semiconductor devices, SiC MOSFETs have excellent device stability at high temperatures and high voltages due to their wide energy bandwidth, high breakdown voltage characteristics, fast saturation electron speed, and excellent thermal conductivity, and operate at high operating frequencies. This makes it possible to improve the reliability of the existing electric/electronic system, increase the power conversion efficiency, and reduce the weight of the system.
그런데 SiC MOSFET은, 도 1에 도시된 바와 같이, 계면 결함 특성으로 인하여 게이트 전압(VGS)이 0V일 때 완전히 오프(off)되지 않는 특성을 가지고 있다. 그 이유는 초기 SiC 웨이퍼의 경우 계면 결함으로 인하여 전자가 게이트(G)의 하부 영역에 갇힌(trap) 상태를 유지하고 있으며, 이를 통해 채널(channel)이 형성되어 전류가 완전히 차단되지 않고 흐르기 때문이다. 이와 같이 게이트(G)의 하부 영역에 갇힌(trap) 전자를 완전히 제거하기 위해서는 게이트 전압(VGS)으로 음 전압(negative voltage)을 인가하여야 한다.However, the SiC MOSFET, as shown in FIG. 1 , has a characteristic that is not turned off completely when the gate voltage (V GS ) is 0V due to the interfacial defect characteristic. The reason is that in the case of the initial SiC wafer, electrons are kept trapped in the lower region of the gate G due to interfacial defects, and through this, a channel is formed and current flows without being completely blocked. . As such, in order to completely remove electrons trapped in the lower region of the gate G, a negative voltage must be applied as the gate voltage V GS .
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 스위치드 커패시터를 이용하여 SiC MOSFET의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있는 SiC MOSFET용 게이트 구동회로를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a gate driving circuit for a SiC MOSFET capable of generating a negative voltage for performing a turn-off operation of the SiC MOSFET using a switched capacitor.
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 스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 음 전압 생성부를 포함하는 게이트 구동회로를 제공한다.According to one aspect of the present invention in order to achieve the above or other object, according to a pulse width control signal output from the PWM control unit, a first driving current for driving a turn-on operation of the power switch is generated 1 driving circuit; a second driving circuit for generating a second driving current for driving a turn-off operation of the power switch according to the pulse width control signal; and a negative voltage generator for generating a negative voltage for turning off the power switch using a switched capacitor.
좀 더 바람직하게는, 제1 구동회로는 프리 드라이버(pre-driver) 및 P형 트랜지스터를 포함하고, 제2 구동회로는 프리 드라이버 및 N형 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the first driving circuit includes a pre-driver and a P-type transistor, and the second driving circuit includes a pre-driver and an N-type transistor.
좀 더 바람직하게는, 음 전압 생성부는, 스위치드 커패시터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부와, 음 전압을 커패시터에 충전하여 전력 스위치의 게이트로 출력하는 스위치드 커패시터부를 포함하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the negative voltage generating unit includes a control signal generating unit generating a control signal for controlling the operation of the switched capacitor, and a switched capacitor unit charging the negative voltage in the capacitor and outputting it to the gate of the power switch. characterized.
좀 더 바람직하게는, 제어신호 생성부는, NOT 게이트, 지연회로, 비교기, AND 게이트 및 S-R 래치를 포함하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the control signal generator includes a NOT gate, a delay circuit, a comparator, an AND gate, and an S-R latch.
좀 더 바람직하게는, 제어신호 생성부는, 턴 오프 동작 시, 전력 스위치의 스위칭 노이즈가 발생하는 특정 시점 이후에 온(on) 상태의 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the control signal generating unit is characterized in that, during the turn-off operation, the control signal of the on state is outputted after a specific time point when the switching noise of the power switch is generated.
좀 더 바람직하게는, 스위치드 커패시터는, 제1 제어 신호가 입력되는 제1 스위치 및 제2 스위치, 제2 제어 신호가 입력되는 제3 스위치 및 제4 스위치, 제1 및 제4 스위치와 제2 및 제3 스위치 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the switched capacitor includes a first switch and a second switch to which a first control signal is input, a third switch and a fourth switch to which a second control signal is input, a first and a fourth switch and the second and and a capacitor disposed between the third switches.
좀 더 바람직하게는, 펄스폭 제어신호가 온(on) 상태인 경우, 상기 스위치드 커패시터는 제1 제어 신호에 따라 제1 스위치 및 제2 스위치를 폐쇄(close)하고, 제2 제어 신호에 따라 제3 스위치 및 제4 스위치를 개방(open)하는 것을 특징으로 한다. More preferably, when the pulse width control signal is in an on state, the switched capacitor closes the first switch and the second switch according to the first control signal, and the second switch according to the second control signal. It is characterized in that the third switch and the fourth switch are opened.
좀 더 바람직하게는, 펄스폭 제어신호가 오프(off) 상태인 경우, 상기 스위치드 커패시터는 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 개방하고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제3 스위치 및 제4 스위치를 폐쇄하는 것을 특징으로 한다. More preferably, when the pulse width control signal is in an off state, the switched capacitor opens the first switch and the second switch according to a first control signal, and the second switch according to the second control signal. It is characterized in that the third switch and the fourth switch are closed.
본 발명의 실시 예들에 따른 SiC MOSFET용 게이트 구동회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effects of the gate driving circuit for SiC MOSFETs according to embodiments of the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 음 전압 게이트 구동을 위한 회로를 구동 IC 내부에 구현할 수 있고, 구동 용량이 클 경우 저 용량의 커패시터만을 구동 IC 외부에 설치함으로써 그 기능 구현이 가능하다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, a circuit for driving a negative voltage gate can be implemented inside the driving IC, and when the driving capacity is large, the function can be implemented by installing only a low-capacity capacitor outside the driving IC. There is this.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, SiC MOSFET의 게이트 전압(VG)을 센싱하여 VDS 피크 시점 이후에 스위치드 커패시터를 제어함으로써 저 용량의 커패시터로 음 전압 구동이 가능하다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, by sensing the gate voltage (V G ) of the SiC MOSFET and controlling the switched capacitor after the V DS peak time, there is an advantage that a negative voltage can be driven with a low-capacity capacitor. .
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스위칭 노이즈(switching noise)가 최대로 발생하는 VDS 피크 시점 이후에 스위치드 커패시터를 제어함으로써 추가적인 스위칭 노이즈의 발생을 방지할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, there is an advantage in that it is possible to prevent additional switching noise from being generated by controlling the switched capacitor after the V DS peak point at which the switching noise is maximally generated.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 SiC MOSFET용 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.However, effects that can be achieved by the gate driving circuit for SiC MOSFETs according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned may be found in the technical field to which the present invention belongs from the description below. It will be clearly understood by those of ordinary skill in the art.
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 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어신호 생성부의 구성을 도시하는 도면;
도 6b는 도 6a의 제어신호 생성부에서 출력되는 제어신호의 파형을 도시하는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치드 커패시터부의 구성을 도시하는 도면;
도 8은 제어 신호에 따른 스위치드 커패시터부의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동회로의 상세 구성을 도시하는 도면;
도 9b는 도 9a의 게이트 구동회로에서 출력되는 신호들의 파형을 도시하는 도면.1 is a diagram referenced to explain negative voltage driving of a general SiC MOSFET;
2 is a diagram showing the configuration of a power switch control circuit according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a configuration of a first driving circuit and a waveform of a driving voltage according to an embodiment of the present invention;
4 is a diagram illustrating a configuration of a second driving circuit and a waveform of a driving voltage according to an embodiment of the present invention;
5 is a diagram illustrating a configuration of a negative voltage generator according to an embodiment of the present invention;
6A is a diagram illustrating a configuration of a control signal generator according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6B is a diagram showing a waveform of a control signal output from the control signal generator of FIG. 6A;
7 is a diagram illustrating a configuration of a switched capacitor unit according to an embodiment of the present invention;
8 is a diagram referenced for explaining an operation of a switched capacitor unit according to a control signal;
9A is a diagram illustrating a detailed configuration of a gate driving circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 9B is a diagram showing waveforms of signals output from the gate driving circuit of Fig. 9A;
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. Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numerals regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. The suffixes "module" and "part" for the components used in the following description are given or mixed in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have a meaning or role distinct from each other by themselves.
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.In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in the present specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.
본 발명은 스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 SiC MOSFET의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성할 수 있는 SiC MOSFET용 게이트 구동회로를 제안한다.The present invention proposes a gate driving circuit for a SiC MOSFET capable of generating a negative voltage for performing a turn-off operation of the SiC MOSFET using a switched capacitor.
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 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) 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.Referring to FIG. 2 , the power
전력 스위치(110)는 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 전력 반도체 소자로서, 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 SiC MOSFET을 포함할 수 있다. 상기 SiC MOSFET(110)은 고속성, 고전압, 저 저항 및 대 전류 구동에 강한 성질을 가지고 있다. 상기 SiC MOSFET(110)에는 드레인-소스 간을 N형 반도체로 만드는 N 채널형 MOSFET과 드레인-소스 간을 P형 반도체로 만드는 P 채널형 MOSFET의 2 종류가 있다.The
SiC MOSFET(110)은 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. 특히, SiC MOSFET(110)은, 턴 오프 동작 시, 계면 결함 특성으로 인하여 음 전압 구동이 필요하다.The SiC
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. 상기 PWM 제어부(120)에서 저 전압 신호들을 출력하는 경우, 게이트 구동회로(130)는 저 전압 신호들을 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 고 전압 신호들로 승압하기 위한 레벨 시프터(level shifter)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(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.The
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 이에 제한되지는 않는다.The
제1 구동회로(132)는, 턴 온 동작 시, 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 제1 구동전류(IG, source)를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.The
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. The
레벨 시프터(310)의 입력단자는 데드 타임 생성부(131)의 출력단자와 연결되고, 레벨 시프터(310)의 출력단자는 프리 드라이버(320)의 입력단자와 연결될 수 있다. 이러한 레벨 시프터(310)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 저 전압 신호를 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 고 전압 신호로 승압할 수 있다. An input terminal of the
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. 또한, 제1 구동전압(VOUT _H)의 오프(off) 타이밍은, 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 타이밍과 일치한다.The
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.The P-
한편, 본 실시 예에서는, 하나의 P형 트랜지스터(330)가 제1 구동회로(132) 내에 설치되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 해당 구동회로(132) 내에 복수의 P형 트랜지스터가 설치되도록 구성할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in this embodiment, one P-
제2 구동회로(133)는, 턴 오프 동작 시, 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 제2 구동전류(IG, sink)를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.The
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.The
레벨 시프터(410)의 입력단자는 데드 타임 생성부(131)의 출력단자와 연결되고, 레벨 시프터(410)의 출력단자는 프리 드라이버(420)의 입력단자와 연결될 수 있다. 이러한 레벨 시프터(410)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 저 전압 신호를 전력 스위치(110)를 구동하기 위한 고 전압 신호로 승압할 수 있다.An input terminal of the
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. 또한, 제2 구동전압(VOUT _L)의 오프(off) 타이밍은, 펄스폭 제어신호(VPWM)의 온(on) 타이밍과 일치한다.The
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.The N-
음 전압 생성부(134)는, 스위치드 커패시터를 이용하여 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압(negative voltage)을 생성하는 기능을 수행할 수 있다.The
음 전압 생성부(134)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 스위치드 커패시터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부(510)와, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 스위치드 커패시터부(520)를 포함할 수 있다. The
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어신호 생성부의 구성을 도시하는 도면이고, 도 6b는 도 6a의 제어신호 생성부에서 출력되는 제어신호의 파형을 도시하는 도면이다.6A is a diagram illustrating a configuration of a control signal generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a diagram illustrating a waveform of a control signal output from the control signal generator of FIG. 6A.
도 6a를 참조하면, 본 발명에 따른 제어신호 생성부(510)는 NOT 게이트(또는 인버터, 610), 지연회로(620), 비교기(630), AND 게이트(640) 및 S-R 래치(650) 등을 포함할 수 있다. 도 6a에 도시된 구성요소들은 제어신호 생성부(510)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 제어신호 생성부는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 6A , the
NOT 게이트(610)의 입력단자는 PWM 제어부(120)의 출력단자와 연결되고, NOT 게이트(610)의 출력단자는 지연회로(620)의 입력단자와 연결될 수 있다. 이러한 NOT 게이트(610)는 제어신호 생성부(510)로 입력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)를 논리부정(NOT) 연산하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, NOT 게이트(610)는 펄스폭 제어신호(VPWM)의 하이 레벨을 로우 레벨로 변환하고, 상기 펄스폭 제어신호(VPWM)의 로우 레벨을 하이 레벨로 변환할 수 있다.An input terminal of the
지연회로(620)는 NOT 게이트(610)와 AND 게이트(640) 사이에 연결되며, NOT 게이트(610)에서 출력되는 펄스폭 제어신호()를 일정 시간(T) 지연시키는 기능을 수행할 수 있다.The
비교기(또는 게이트 전압 감지부, 630)는 SiC MOSFET(110)의 게이트 단자와 연결되어, SiC MOSFET(110)의 게이트 전압(VG)을 감지할 수 있다. 상기 비교기(630)로는 연산 증폭기(Operational Amplifier, OP AMP)가 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.The comparator (or gate voltage sensing unit, 630 ) may be connected to the gate terminal of the SiC MOSFET 110 to sense the gate voltage (V G ) of the
AND 게이트(640)의 제1 입력단자는 지연회로(620)의 출력단자와 연결되고, AND 게이트(640)의 제2 입력단자는 비교기(630)의 출력단자와 연결되며, AND 게이트(640)의 출력단자는 S-R 래치(650)의 제1 입력단자와 연결될 수 있다.The first input terminal of the AND
AND 게이트(640)는 지연회로(620)를 통과한 펄스폭 제어신호()와 비교기(630)를 통과한 게이트 전압 신호(VG)를 논리곱(AND) 연산하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. The AND
S-R 래치(650)의 제1 입력단자(S)는 AND 게이트(640)의 출력단자와 연결되고, S-R 래치(650)의 제2 입력단자(R)는 PWM 제어부(120)의 출력단자와 연결되며, S-R 래치(650)의 제1 출력단자(Q)는 스위치드 커패시터부(520)와 연결될 수 있다.The first input terminal S of the
S-R 래치(650)는 1 비트의 정보를 보관 또는 유지할 수 있는 디지털 로직 회로로서, S=1, R=0 또는 S=0, R=1이면 출력 값을 변화하고, S=0, R=0이면 이전 상태를 그대로 유지할 수 있다.The
S-R 래치(650)는 스위치드 커패시터부(520)를 구동하여 음 전압을 생성하기 위한 제어신호(VC2)를 출력할 수 있다. 가령, 도 6b에 도시된 바와 같이, 펄스폭 제어신호(VPWM)가 온(on) 상태인 경우, S-R 래치(650)는 스위치드 커패시터의 충전을 위해 오프(off) 상태의 제어신호(VC2)를 출력할 수 있다. 한편, 펄스폭 제어신호(VPWM)가 오프(off) 상태인 경우, S-R 래치(650)는 음 전압을 생성을 위해 온(on) 상태의 제어신호(VC2)를 출력할 수 있다.The
S-R 래치(650)에서 출력되는 제어신호(VC2)의 온(on) 타이밍은 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 시점(T0) 이후에 VDS가 피크(peak)되는 시점(T2)과 일치한다. 이는 구동 전류(IG, sink)의 크기가 작아지는 시점에 온(on) 상태의 제어신호(VC2)를 스위치드 커패시터부(520)로 인가함으로써, 작은 커패시터로 음 전압 구동을 수행하기 위함이다. 한편, S-R 래치(650)에서 출력되는 제어신호(VC2)의 오프(off) 타이밍은 펄스폭 제어신호(VPWM)의 온(on) 타이밍과 일치한다. The on timing of the control signal V C2 output from the
한편, 다른 실시 예로, S-R 래치(650)에서 출력되는 제어신호(VC2)의 온(on) 타이밍은, 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 시점(T0)과 일치하도록 구성하거나 혹은 해당 오프 시점(T0) 이후의 임의 시점(Tx)과 일치하도록 구성할 수도 있다. On the other hand, in another embodiment, the on (on) timing of the control signal (V C2 ) output from the
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치드 커패시터부의 구성을 도시하는 도면이다.7 is a diagram illustrating a configuration of a switched capacitor unit according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 스위치드 커패시터부(520)는 제1 제어 신호(VC1)가 입력되는 제1 스위치(710) 및 제2 스위치(720), 제2 제어 신호(VC2)가 입력되는 제3 스위치(730) 및 제4 스위치(740), 제1 및 제4 스위치(710, 740)와 제2 및 제3 스위치(720, 730) 사이에 배치되는 커패시터(750)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the switched
제1 스위치(710)의 일 단자는 음 전압 구동을 위한 전압원(VDD)과 연결되고, 제1 스위치(710)의 타 단자는 제4 스위치(740) 및 커패시터(750)의 일 단자와 연결될 수 있다.One terminal of the
제2 스위치(720)의 일 단자는 그라운드(접지)와 연결되고, 제2 스위치(720)의 타 단자는 제3 스위치(730) 및 커패시터(750)의 일 단자와 연결될 수 있다. 제4 스위치(740)의 일 단자는 그라운드(접지)와 연결되고, 제4 스위치(740)의 타 단자는 제1 스위치(710) 및 커패시터(750)의 일 단자와 연결될 수 있다.One terminal of the
제3 스위치(730)의 일 단자는 전력 스위치(110)의 게이트(G) 단자와 연결되고, 제3 스위치(730)의 타 단자는 제2 스위치(720) 및 커패시터(750)의 일 단자와 연결될 수 있다.One terminal of the
제1 스위치(710) 및 제2 스위치(720)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 제1 제어 신호(VC1=VPWM)에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제1 제어 신호(VC1=VPWM)가 온(on) 상태인 경우, 제1 스위치(710) 및 제2 스위치(720)는 폐쇄(close)되고, 제1 제어 신호(VC1=VPWM)가 오프(off) 상태인 경우, 제1 스위치(710) 및 제2 스위치(720)는 개방(open)된다.The
제3 스위치(730) 및 제4 스위치(740)는 제어신호 생성부(510)에서 출력되는 제2 제어 신호(VC2)에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제2 제어 신호(VC2)가 온(on) 상태인 경우, 제3 스위치(730) 및 제4 스위치(740)는 폐쇄(close)되고, 제2 제어 신호(VC2)가 오프(off) 상태인 경우, 제3 스위치(730) 및 제4 스위치(740)는 개방(open)된다.The
스위치드 커패시터부(520)는 이러한 스위치드 커패시터를 이용하여 전력 스위치(110)의 턴 오프(turn off) 동작을 수행하기 위한 음 전압(negative voltage)을 생성할 수 있다.The switched
가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 펄스폭 제어신호(VPWM)가 온(on) 상태인 경우, 제1 제어 신호(VC1=VPWM)에 따라 제1 스위치(710) 및 제2 스위치(720)가 폐쇄(close)되고, 제2 제어 신호(VC2)에 따라 제3 스위치(730) 및 제4 스위치(740)가 개방(open)된다. 이에 따라, P1 패스 동안 커패시터(750)에 VDD의 전압을 충전하게 된다. For example, as shown in FIG. 8 , when the pulse width control signal V PWM is in an on state, the
한편, 펄스폭 제어신호(VPWM)가 오프(off) 상태인 경우, 제1 제어 신호(VC1=VPWM)에 따라 제1 스위치(710) 및 제2 스위치(720)가 개방(open)되고, 제2 제어 신호(VC2)에 따라 제3 스위치(730) 및 제4 스위치(740)가 폐쇄(close)된다. 이에 따라, P2 패스 동안 커패시터(750)에 충전된 음 전압(-VDD)을 전력 스위치(110)의 게이트에 인가하게 된다. 이를 통해, SiC MOSFET이 계면 결함 특성으로 인하여 게이트 전압(VGS)이 0V일 때 완전히 오프(off)되지 않는 문제점을 해결할 수 있게 된다.On the other hand, when the pulse width control signal (V PWM ) is in an off state, the
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 구동회로의 상세 구성을 도시하는 도면이고, 도 9b는 도 9a의 게이트 구동회로에서 출력되는 신호들의 파형을 도시하는 도면이다.9A is a diagram illustrating a detailed configuration of a gate driving circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a diagram illustrating waveforms of signals output from the gate driving circuit of FIG. 9A.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 턴 온(turn on) 동작 시, 게이트 구동회로(130)는 제1 구동회로(132)를 통해 제1 구동전류(IG, source)를 생성할 수 있다. 제1 구동회로(132)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 맞춰 기본 제어를 수행한다.9A and 9B , during a turn-on operation, the
또한, 턴 온 동작 시, 게이트 구동회로(130)는 스위치드 커패시터를 이용하여 음 전압 구동을 위한 전압(VDD)을 충전할 수 있다.Also, during the turn-on operation, the
한편, 턴 오프(turn off) 동작 시, 게이트 구동회로(130)는 제2 구동회로(133)를 통해 제2 구동전류(IG, sink)를 생성할 수 있다. 제2 구동회로(133)는 PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 맞춰 기본 제어를 수행한다.Meanwhile, during a turn-off operation, the
또한, 턴 오프 동작 시, 게이트 구동회로(130)는 스위치드 커패시터를 이용하여 음 전압(-VDD)을 전력 스위치(110)의 게이트로 인가할 수 있다.Also, during the turn-off operation, the
그런데, 턴 오프(turn off) 동작 시, 초기 싱크 전류(IG, sink)의 경우, 파워 스위치인 SiC MOSFET의 용량에 따라 큰 구동 전류가 필요하며, 이를 스위치드 커패시터로 구현할 경우 상대적으로 매우 큰 커패시터를 구동 IC 외부에 부착해야 하는 문제가 발생한다.However, in the case of the initial sink current ( IG, sink ) during the turn off operation, a large driving current is required depending on the capacity of the SiC MOSFET, which is the power switch, and when this is implemented as a switched capacitor, a relatively large capacitor A problem arises in that it must be attached to the outside of the driver IC.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 게이트 구동회로(130)는 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 시점이 아닌 일정 지연 시점(T2) 이후에 스위치드 커패시터를 구동하여 음 전압을 인가할 수 있다. 즉, 게이트 구동회로(130)는 싱크 전류(IG, sink)의 크기가 작아지는 시점(T2)에 온(on) 상태의 제어신호(VC2)를 스위치드 커패시터부(520)로 인가함으로써, 작은 커패시터로 음 전압 구동을 수행할 수 있다.In order to solve this problem, the
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 SiC MOSFET용 게이트 구동회로는 게이트 전압(VG)을 센싱하여 VDS 피크 시점 이후에 스위치드 커패시터를 제어함으로써 저 용량의 커패시터로 음 전압 구동을 수행할 수 있다. 또한, SiC MOSFET용 게이트 구동회로는 스위칭 노이즈(switching noise)가 최대로 발생하는 VDS 피크 시점 이후에 스위치드 커패시터를 제어함으로써 추가적인 스위칭 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.As described above, the gate driving circuit for a SiC MOSFET according to the present invention senses the gate voltage (V G ) and controls the switched capacitor after the V DS peak time to perform negative voltage driving with a low-capacitance capacitor. . In addition, the gate driving circuit for the SiC MOSFET can prevent the occurrence of additional switching noise by controlling the switched capacitor after the V DS peak point at which the switching noise is maximally generated.
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.Various embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
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 생성부100: power switch control circuit 110: power switch
120: PWM control unit 130: gate driving circuit
131: dead time generator 132: first driving circuit
133: second driving circuit 134: negative voltage generator
Claims (7)
상기 펄스폭 제어신호(VPWM)의 오프(off) 신호에 따라, 상기 전력 스위치의 턴 오프(turn off) 동작을 구동하기 위한 제2 구동전류를 생성하는 제2 구동회로; 및
스위치드 커패시터(switched capacitor)를 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 음 전압 생성부를 포함하되,
상기 음 전압 생성부는, 상기 전력 스위치의 게이트 전압 신호(VG)와 상기 펄스폭 제어신호(VPWM)를 기반으로 상기 스위치드 커패시터의 동작을 제어하기 위한 제어신호(VC2)를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.a first driving circuit for generating a first driving current for driving a turn-on operation of a power switch according to an on signal of a pulse width control signal (V PWM) output from the PWM control unit;
a second driving circuit for generating a second driving current for driving a turn-off operation of the power switch according to an off signal of the pulse width control signal (V PWM); and
A negative voltage generator for generating a negative voltage for performing a turn-off operation of the power switch using a switched capacitor,
The negative voltage generator, a control signal for generating a control signal (V C2 ) for controlling the operation of the switched capacitor based on the gate voltage signal (V G ) and the pulse width control signal (V PWM) of the power switch A gate driving circuit comprising a generator.
상기 음 전압 생성부는, 상기 제어신호 생성부로부터 수신된 제어신호(VC2)와 상기 PWM 제어부로부터 수신된 펄스폭 제어신호(VPWM)를 기반으로 상기 스위치드 커패시터를 제어하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작을 수행하기 위한 음 전압을 생성하는 스위치드 커패시터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.According to claim 1,
The negative voltage generator controls the switched capacitor based on the control signal V C2 received from the control signal generator and the pulse width control signal V PWM received from the PWM controller to turn off the power switch. A gate driving circuit comprising a switched capacitor unit generating a negative voltage for performing an operation.
상기 제어신호 생성부는, 상기 전력 스위치의 턴 온 동작 시, 상기 전력 스위치의 게이트와의 연결이 스위치로 차단된 상태에서 커패시터에 특정 전압을 충전하고,
상기 전력 스위치의 턴 오프 동작 시, 상기 전력 스위치의 스위칭 노이즈가 발생하는 특정 시점 이후에 상기 충전된 커패시터와 상기 전력 스위치의 게이트 연결을 차단하는 스위치를 온(on) 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.3. The method of claim 2,
The control signal generator, when the power switch is turned on, charges a specific voltage in the capacitor in a state in which the connection with the gate of the power switch is blocked by the switch,
In the turn-off operation of the power switch, after a specific point in time when the switching noise of the power switch occurs, a switch for blocking the gate connection between the charged capacitor and the power switch is controlled to be in an on state gate driving circuit.
상기 제어신호 생성부는, 상기 전력 스위치의 턴 오프 동작 시, 상기 펄스폭 제어신호 중 오프(off) 신호의 개시 시점에 온(on) 상태의 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.3. The method of claim 2,
The control signal generator, when the power switch is turned off, outputs a control signal in an on state at a start time of an off signal among the pulse width control signals.
상기 스위치드 커패시터부는, 제1 제어 신호가 입력되는 제1 스위치 및 제2 스위치, 제2 제어 신호가 입력되는 제3 스위치 및 제4 스위치, 제1 및 제4 스위치와 제2 및 제3 스위치 사이에 배치되는 커패시터를 포함하고,
상기 제1 제어 신호는 상기 PWM 제어부에서 출력된 펄스폭 제어신호(VPWM)에 대응하고, 상기 제2 제어 신호는 상기 제어신호 생성부에서 출력된 제어신호(VC2)에 대응하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.3. The method of claim 2,
The switched capacitor unit includes a first switch and a second switch to which a first control signal is input, a third switch and a fourth switch to which a second control signal is input, and between the first and fourth switches and the second and third switches. a capacitor disposed therein;
The first control signal corresponds to the pulse width control signal (V PWM ) output from the PWM control unit, and the second control signal corresponds to the control signal (V C2 ) output from the control signal generator, characterized in that gate driving circuit.
상기 펄스폭 제어신호가 온(on) 상태인 경우,
상기 스위치드 커패시터부는 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 폐쇄(close)하고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제3 스위치 및 제4 스위치를 개방(open)하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.6. The method of claim 5,
When the pulse width control signal is on,
The switched capacitor unit closes the first switch and the second switch according to the first control signal, and opens the third switch and the fourth switch according to the second control signal. gate driving circuit.
상기 펄스폭 제어신호가 오프(off) 상태인 경우,
상기 스위치드 커패시터부는 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 개방하고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제3 스위치 및 제4 스위치를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 게이트 구동회로.
6. The method of claim 5,
When the pulse width control signal is off (off) state,
The switched capacitor unit opens the first switch and the second switch according to the first control signal, and closes the third switch and the fourth switch according to the second control signal.
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