KR102633692B1 - 트랜지스터 과전류 보호 회로 - Google Patents

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Abstract

트랜지스터 보호 회로는 게이트 구동부, 제어부, 및 과전류 검출부를 포함하며, 과전류 검출부는 다시 정류부, 연산 증폭부, 및 합산부를 포함한다. 게이트 구동부는 트랜지스터의 게이트로 구동 입력을 인가하고, 제어부는 게이트 구동부를 제어하고, 과전류 검출부는 트랜지스터의 드레인 소스 사이의 과전류를 검출하여 제어부로 과전류 검출 신호를 인가한다. 또한, 정류부는 트랜지스터의 드레인 전압을 정류하여 트랜지스터에서의 순방향 전압과 역방향 전압을 분리하고, 연산 증폭부는 순방향의 전압을 증폭하는 순방향 연산 증폭기와 역방향의 전압을 증폭하는 역방향 연산 증폭기를 포함하고 순방향 전압과 역방향 전압의 부호를 동일 방향으로 일치시키고며, 합산부는 순방향 증폭부와 역방향 증폭부의 출력을 합한다.

Description

트랜지스터 과전류 보호 회로 {TRANSISTOR OVERCURRENT PROTECTING CIRCUIT}
본 발명은 반도체 소자의 과전류 검출 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력스위칭소자를 구동하는 회로에 추가되어 과전류를 검출하고, 검출시 게이팅 신호를 차단하는 보호회로에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 집적 회로 장치의 대부분은, 그 이상 보호 회로의 하나로서 과전류 보호 회로를 구비하고 있다. 도 1은 종래 과전류 보호 회로의 일 예의 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 과전류 보호 회로에서는 과전류가 감지된 후, 과전류 감지 신호를 제어부(12)로 전달하여 제어부(12)에 의해 트랜지스터(10)의 게이트 입력 전압을 오프(off)시키게 된다.
이때, 종래 트랜지스터 과전류 보호 회로는 트랜지스터의 단락이나 과전류 발생 시 H/W 상에서 게이트 드라이브 IC의 Desat 핀에서 트랜지스터에서의 포화전압을 모니터링하여 IC 자체에서 PWM을 차단함으로써 신속하게 인버터를 보호하는 방법을 많이 사용하고 있다.
그런데, 트랜지스터 회로, 예를 들어 MOSFET에서는, 순방향뿐만 아니라 역방향으로도 과전류가 발생할 수 있는데, 종래의 과전류 검출 회로로는 단순히 순방향 과전류만 검출가능하였기 때문에, 역방향으로의 과전류에 대해서는 트랜지스터 회로를 적절히 보호할 수가 없었다.
KR 101876517 B1 KR 101951040 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 트랜지스터 소자를 통한 순방향 과전류뿐만 아니라 역방향 과전류도 검출하여 트랜지스터 소자를 보다 효과적으로 보호할 수 있는 과전류 보호 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 트랜지스터 보호 회로는 게이트 구동부, 제어부, 및 과전류 검출부를 포함하며, 과전류 검출부는 다시 정류부, 연산 증폭부, 및 합산부를 포함한다.
게이트 구동부는 트랜지스터의 게이트로 구동 입력을 인가하고, 제어부는 게이트 구동부를 제어하고, 과전류 검출부는 트랜지스터의 드레인 소스 사이의 과전류를 검출하여 제어부로 과전류 검출 신호를 인가한다. 이때, 정류부는 트랜지스터의 드레인 전압을 정류하여 트랜지스터에서의 순방향 전압과 역방향 전압을 분리하고, 연산 증폭부는 순방향의 전압을 증폭하는 순방향 연산 증폭기와 역방향의 전압을 증폭하는 역방향 연산 증폭기를 포함하고 순방향 전압과 역방향 전압의 부호를 동일 방향으로 일치시키며, 합산부는 순방향 증폭부와 역방향 증폭부의 출력을 합한다.
이와 같은 구성에 의하면, 트랜지스터 소자를 통한 순방향 과전류뿐만 아니라 역방향 과전류의 검출이 가능해지기 때문에, 스위치 보호기능을 강화하여 전력변환장치의 신뢰성을 증대할 수 있게 된다.
이때, 연산 증폭부는 순방향 연산 증폭기는 반전 증폭기이고, 역방향 연산 증폭기는 비반전 증폭기일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 서로 분리된 순방향과 역방향의 전압에 대해 연산 증폭기의 서로 다른 입력단을 이용함으로써 보다 효과적으로 합산부로 출력되는 신호의 부호를 일치시킬 수 있게 된다.
또한, 합산부는 연산 증폭기를 포함하며, 순방향 연산 증폭기와 역방향 연산 증폭기의 출력을 반전 입력단으로 입력받을 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 순방향과 역방향 전압에 모두에 대해 후단 제어부 입력단에 적합하도록 입력된 신호를 증폭하고 부호를 조정하여 제어부로 전달할 수 있게 된다.
또한, 과전류 검출부는 제어부의 입력단에 따라 합산부의 출력을 조정하는 오프셋부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 제어부의 입력단에 필요한 크기의 전압을 확보할 수 있게 된다.
이때, 오프셋부는 합산부의 출력단에 양극이 제어부의 입력단에 음극이 각각 연결되는 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 제너 다이오드의 전압 특성을 이용하여 제어부의 입력단에 필요한 크기의 전압을 보다 용이하게 확보할 수 있게 된다.
또한, 오프셋부는 합산부의 반전 입력단과 미리 설정된 전원 사이에 연결된 저항을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 합산부의 연산 증폭기에 연결된 저항값을 조절하여 연산 증폭기에 대한 이득의 조정을 수행함으로써 제어부 입력단의 신호 레벨을 보다 효과적으로 조절할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 트랜지스터 소자를 통한 순방향 과전류뿐만 아니라 역방향 과전류의 검출이 가능해지기 때문에, 스위치 보호기능을 강화하여 전력변환장치의 신뢰성을 증대할 수 있게 된다.
또한, 서로 분리된 순방향과 역방향의 전압에 대해 연산 증폭기의 서로 다른 입력단을 이용함으로써 보다 효과적으로 합산부로 출력되는 신호의 부호를 일치시킬 수 있게 된다.
또한, 순방향과 역방향 전압에 모두에 대해 후단 제어부 입력단에 적합하도록 입력된 신호를 증폭하고 부호를 조정하여 제어부로 전달할 수 있게 된다.
또한, 제어부의 입력단에 필요한 크기의 전압을 확보할 수 있게 된다.
또한, 제너 다이오드의 전압 특성을 이용하여 제어부의 입력단에 필요한 크기의 전압을 보다 용이하게 확보할 수 있게 된다.
또한, 합산부의 연산 증폭기에 연결된 저항값을 조절하여 연산 증폭기에 대한 이득의 조정을 수행함으로써 제어부 입력단의 신호 레벨을 보다 효과적으로 조절할 수 있게 된다.
도 1은 종래 과전류 보호 회로의 일 예의 개략적인 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터 보호 회로의 개략적인 블록도.
도 3은 도 2의 실제 구현 예를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 DC offset 회로를 제너 다이오드를 이용하여 구현한 예가 도시된 과전류 검출부의 회로도.
도 5는 도 3의 DC offset 회로를 연산 증폭기에 연결된 저항을 구현한 예가 도시된 과전류 검출부의 회로도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의해 트랜지스터의 순방향 과전류와 역방향 과전류를 보호하는 시뮬레이션 결과를 각각 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터 보호 회로의 개략적인 블록도이고, 도 3은 도 2의 실제 구현 예를 도시한 도면이다. 도 2에서 트랜지스터 보호 회로(100)는 게이트 구동부(110), 제어부(120), 및 과전류 검출부(130)를 포함하며, 과전류 검출부(130)는 다시 정류부(132), 순방향 연산 증폭기(134-1)와 역방향 연산 증폭기(134-2)를 포함하는 연산 증폭부(134), 합산부(136), 및 오프셋부(138)를 포함한다.
도 3에서, 게이트 구동부(110)는 게이트 구동회로, 제어부(120)는 Gate Drive IC, 과전류 검출부(130)는 Bidirectional OCD Circuit, 정류부(132)는 정류 및 분리 회로, 순방향 연산 증폭기(134-1)는 순방향 전류 증폭기와 와 역방향 연산 증폭기(134-2)는 역방향 전류 증폭기, 합산부(136)는 반전 가산기, 오프셋부(138)는 DC offset 회로로 각각 구현되어 있는 것을 확인할 수 있다.
게이트 구동부(110)는 트랜지스터의 게이트로 구동 입력을 인가하고, 제어부(120)는 게이트 구동부(110)를 제어하고, 과전류 검출부(130)는 트랜지스터의 드레인 소스 사이의 과전류를 검출하여 제어부(120)로 과전류 검출 신호를 인가한다.
이를 위해, 정류부(132)는 트랜지스터의 드레인 전압을 정류하여 트랜지스터에서의 순방향 전압과 역방향 전압을 분리한다. 스위치 양단 전압이 전류에 비례하기 때문에, 과전류 판단을 위해 드레인 전압을 이용하는 것이며, FET 계열 스위치와 같은 일부 트랜지스터에서는 네거티브 방향의 전류도 채널로 흐르므로, 서로 다른 전류 방향을 검출하기 위해 정류 회로를 이용하는 것이다.
연산 증폭부(132)는 연산 증폭기를 이용하여 순방향 전압과 역방향 전압의 부호를 동일 방향으로 일치시킨다. 이때, 순방향 연산 증폭기(132-1)는 반전 증폭기이고, 역방향 연산 증폭기(132-2)는 비반전 증폭기일 수 있다. 또한, 연산 증폭부(132)는 부호의 일치와 함께 각 방향의 전압 신호를 미리 설정된 레벨로 증폭시킬 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 서로 분리된 순방향과 역방향의 전압에 대해 연산 증폭기의 서로 다른 입력단을 이용함으로써 보다 효과적으로 합산부로 출력되는 신호의 부호를 일치시킬 수 있게 된다.
합산부(134)는 순방향 연산 증폭기(132-1)와 역방향 연산 증폭기(132-2)의 출력을 합한다. 합산부(134)도 역시 연산 증폭기를 포함하며, 순방향 연산 증폭기(1321)와 역방향 연산 증폭기(132-2)의 출력을 반전 입력단으로 입력받을 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 순방향과 역방향 전압에 모두에 대해 후단의 제어부 입력단(DESAT)에 적합하도록 입력된 신호를 증폭하고 부호를 조정하여 제어부(120)로 전달할 수 있게 된다.
오프셋부(138)는 제어부(120)의 입력단에 따라 합산부(134)의 출력을 조정한다. 이와 같은 구성에 의하면, 제어부(120)의 입력단에 필요한 크기의 전압을 확보할 수 있게 된다.
이때, 오프셋부(138)는 합산부(134)의 출력단에 양극이 제어부(120)의 입력단이 음극이 각각 연결되는 제너 다이오드(138-1))를 포함할 수 있다. 도 4는 도 3의 DC offset 회로(138)를 제너 다이오드(138-1)를 이용하여 구현한 예가 도시된 과전류 검출부의 회로도이다. 이와 같은 구성에 의하면, 제너 다이오드(138-1)의 전압 특성을 이용하여 제어부(120)의 입력단에 필요한 크기의 전압을 보다 용이하게 확보할 수 있게 된다.
또한, 오프셋부(138)는 합산부(134)의 반전 입력단과 미리 설정된 전원 사이에 연결된 저항(138-2)을 포함할 수 있다. 도 5는 도 3의 DC offset 회로를 연산 증폭기에 연결된 저항을 구현한 예가 도시된 과전류 검출부의 회로도이다.
이와 같은 구성에 의하면, 합산부(134)의 연산 증폭기에 연결된 저항값을 조절하여 연산 증폭기에 대한 이득의 조정을 수행함으로써 제어부(120) 입력단의 신호 레벨을 보다 효과적으로 조절할 수 있게 된다.
저항값 설정에 따라 앰프 게인 이 바뀔 수 있기 때문에, 앰프 게인을 이용하여 프로텍션 레벨 조정을 조정함으로써, 제너 다이오드에서 발생할 수 있는 오차문제를 해결할 수 있게 되는 것으로서, 도 3에서의 제너다이오드 역할을 저항값으로 옵셋을 설정함으로써 수행하는 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의해 트랜지스터의 순방향 과전류와 역방향 과전류를 보호하는 시뮬레이션 결과를 각각 도시한 도면이다. 도 6과 도 7을 참조하면, 트랜지스터를 통과하는 순방향 및 역방향 전류를 20A에서 100A로 변경하는 경우, 게이트 제어부 입력단에 과전류 검출 신호가 인가되고 이에 따라 트랜지스터를 통한 전류의 흐름이 차단되는 것을 확인할 수 있다.
정리하면, 본 발명은 전력 스위칭 소자의 과전류를 검출하고 이를 차단하기 위한 회로로써, 스위치 턴온시 Drain-Source 간 전압(스위치 도통전압)을 측정하여 과전류를 검출한다.
이때, 순방향 과전류 뿐만아니라 역방향 과전류도 검출하기 위하여 스위치 도통전압을 정류하는 회로를 포함하고, 정류된 신호를 증폭 후 합산하여 게이트 드라이브 IC의 DESAT핀에 연결함으로써 양방향 과전류를 검출하고 차단할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 순방향 과전류뿐만 아니라 역방향 과전류 검출이 가능할 뿐만 아니라, 증폭 회로를 포함하여 과전류 레벨을 쉽게 조절 가능하게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
100: 트랜지스터 보호 회로
110: 게이트 구동부
120: 제어부
130: 과전류 검출부
132: 정류부
134: 연산 증폭부
134-1: 순방향 연산 증폭기
134-2: 역방향 연산 증폭기
136: 합산부
138: 오프셋부
138-1: 제너 다이오드
138-2: 저항

Claims (6)

  1. 트랜지스터의 게이트로 구동 입력을 인가하는 게이트 구동부;
    상기 게이트 구동부를 제어하는 제어부; 및
    상기 트랜지스터의 드레인 소스 사이의 과전류를 검출하여 상기 제어부로 과전류 검출 신호를 인가하는 과전류 검출부를 포함하며,
    상기 과전류 검출부는,
    상기 트랜지스터의 드레인 전압을 정류하여 상기 트랜지스터에서의 순방향 전압과 역방향 전압을 분리하는 정류부;
    상기 순방향의 전압을 증폭하는 순방향 연산 증폭기와 상기 역방향의 전압을 증폭하는 역방향 연산 증폭기를 포함하고, 상기 순방향 전압과 상기 역방향 전압의 부호를 동일 방향으로 일치시키는 연산 증폭부; 및
    상기 연산 증폭부의 순방향 연산 증폭기와 상기 역방향 연산 증폭기의 출력을 합하는 합산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 과전류 보호 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 순방향 연산 증폭기는 반전 증폭기이고,
    상기 역방향 연산 증폭기는 비반전 증폭기인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 과전류 보호 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 합산부는 연산 증폭기를 포함하며,
    상기 순방향 연산 증폭기와 상기 역방향 연산 증폭기의 출력을 반전 입력단으로 입력받는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 과전류 보호 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 과전류 검출부는 상기 제어부의 입력단에 따라 상기 합산부의 출력을 조정하는 오프셋부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 과전류 보호 회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 오프셋부는 상기 합산부의 출력단에 양극이, 상기 제어부의 입력단에 음극이 각각 연결되는 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 과전류 보호 회로.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 오프셋부는 상기 합산부의 반전 입력단과 미리 설정된 전원 사이에 연결된 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 과전류 보호 회로.

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