KR102661973B1 - Short protection circuit for power switch - Google Patents

Short protection circuit for power switch Download PDF

Info

Publication number
KR102661973B1
KR102661973B1 KR1020190105663A KR20190105663A KR102661973B1 KR 102661973 B1 KR102661973 B1 KR 102661973B1 KR 1020190105663 A KR1020190105663 A KR 1020190105663A KR 20190105663 A KR20190105663 A KR 20190105663A KR 102661973 B1 KR102661973 B1 KR 102661973B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power switch
voltage
terminal
circuit
desaturation
Prior art date
Application number
KR1020190105663A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210025831A (en
Inventor
김종현
김기현
서길수
이경호
심민섭
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020190105663A priority Critical patent/KR102661973B1/en
Priority to PCT/KR2019/018072 priority patent/WO2021040153A1/en
Publication of KR20210025831A publication Critical patent/KR20210025831A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102661973B1 publication Critical patent/KR102661973B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches

Landscapes

  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

본 발명은 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것으로, 전력 스위치의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱하여 상기 전력 스위치가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지를 검출하고, 상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 해당 스위치를 강제로 턴 오프(turn off)시키기 위한 제어신호를 생성하는 탈포화 검출부; 및 상기 탈포화 상태가 검출됨과 동시에, 상기 전력 스위치의 게이트 구동전압(VGS)을 미리 결정된 전압으로 감소시켜 상기 전력 스위치에 흐르는 전류를 제한하는 전압 감소부를 포함한다.The present invention relates to a short-circuit protection circuit for a power switch, which detects whether the power switch is out of saturation by sensing the voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch. , a desaturation detection unit that generates a control signal to forcibly turn off the switch when detecting a desaturation state of the power switch; and a voltage reduction unit that, upon detecting the desaturation state, reduces the gate driving voltage (VGS) of the power switch to a predetermined voltage to limit the current flowing in the power switch.

Figure R1020190105663
Figure R1020190105663

Description

전력 스위치용 단락보호회로{SHORT PROTECTION CIRCUIT FOR POWER SWITCH}Short circuit protection circuit for power switch {SHORT PROTECTION CIRCUIT FOR POWER SWITCH}

본 발명은 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태를 감지하여 해당 스위치의 동작을 안전하게 턴 오프(turn off)시킬 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것이다.The present invention relates to a short-circuit protection circuit for a power switch, and more specifically, to a short-circuit protection circuit for a power switch that detects the desaturation state of the power switch and safely turns off the operation of the switch. It's about.

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, power devices are semiconductor devices that convert or control power, and rectifier diodes, power transistors, triacs, 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), BJT(Bipolar　Junction　Transistor), 전력 집적회로(IC) 등이 있으며, 이중에서 고속 스위칭이 가능하고, 구동회로의 손실이 상대적으로 적은 MOSFET이 주목 받고 있다.Representative power devices include MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT (insulated gate bipolar transistor), BJT (Bipolar Junction Transistor), and power integrated circuit (IC), among which high-speed switching is possible and a driving circuit. MOSFETs with relatively low losses are attracting attention.

이러한 MOSFET 소자로는 대표적으로 실리콘(Si) 기반의 MOSFET과 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET, 질화 갈륨(GaN) 기반의 MOSFET 등이 있다. 이 중 SiC MOSFET과 GaN MOSFET은 실리콘 기반의 전력 반도체 소자에 비해 넓은 에너지 밴드 폭과, 높은 항복전압특성, 빠른 포화전자속도 및 우수한 열전도도 등으로 고온/고전압에서의 소자 안정성이 우수하고 높은 동작주파수에서의 동작이 가능하여 기존의 전기/전자 시스템의 신뢰성을 향상시키고 전력변환효율을 높이며 해당 시스템을 소형화 및 경량화시킬 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, SiC MOSFET 및 GaN MOSFET은 차세대 전력 반도체 소자로 크게 각광받고 있다.Representative examples of these MOSFET devices include silicon (Si)-based MOSFETs, silicon carbide (SiC)-based MOSFETs, and gallium nitride (GaN)-based MOSFETs. Among these, SiC MOSFET and GaN MOSFET have excellent device stability at high temperature/high voltage and high operating frequency due to their wide energy band width, high breakdown voltage characteristics, fast saturation electron velocity, and excellent thermal conductivity compared to silicon-based power semiconductor devices. It has the advantage of improving the reliability of existing electrical/electronic systems, increasing power conversion efficiency, and miniaturizing and lightweighting the system. Accordingly, SiC MOSFET and GaN MOSFET are receiving great attention as next-generation power semiconductor devices.

그런데, 일반적인 전력 반도체 소자는 스위칭하는 동안 또는 켜져 있는 동안 비정상 동작으로 인해 단락(short) 현상이 발생하는 경우가 있다. 전력 반도체 소자에서 단락 현상(즉, 탈포화 현상)이 발생하게 되면, 소정의 단락 전류가 해당 소자에 흐르게 되는데 이것은 통상 정격 전류의 수십 내지 수백 배에 해당하는 큰 전류이기 때문에 전력 반도체 소자가 파손될 위험이 매우 높아진다. 이러한 단락 현상이 발생하였을 때, 단락 시점부터 전력 반도체 소자가 파괴되는 시점까지 소요되는 시간은 전력 반도체 소자의 종류에 따라 서로 다르다. 가령, IGBT의 최대 감내 시간은 약 10uS 정도이지만, SiC MOSFET의 최대 감내 시간은 IGBT보다 더 짧은 약 4uS 정도이고, GaN MOSFET의 최대 감내 시간은 SiC MOSFET보다 더 짧은 약 400nS 정도이다. 따라서, 이러한 전기적 특성을 갖는 SiC MOSFET 및 GaN MOSFET이 다양한 애플리케이션에 응용되기 위해서는 반드시 전력 반도체 소자의 안정성이 확보되어야 한다. 이를 위해, SiC MOSFET 및 GaN MOSFET에서 비정상 동작으로 인한 단락 현상 발생 시, 해당 전력 반도체 소자를 안정적으로 턴 오프시키기 위한 단락보호회로가 필요하다.However, in general power semiconductor devices, a short circuit may occur due to abnormal operation while switching or turned on. When a short circuit (i.e. desaturation phenomenon) occurs in a power semiconductor device, a certain short-circuit current flows through the device. This is a large current that is usually tens to hundreds of times the rated current, so there is a risk of damage to the power semiconductor device. This becomes very high. When such a short circuit phenomenon occurs, the time taken from the time of the short circuit to the time the power semiconductor device is destroyed varies depending on the type of power semiconductor device. For example, the maximum withstand time of an IGBT is about 10uS, but the maximum withstand time of a SiC MOSFET is about 4uS, which is shorter than that of an IGBT, and the maximum withstand time of a GaN MOSFET is about 400nS, which is shorter than that of a SiC MOSFET. Therefore, in order for SiC MOSFETs and GaN MOSFETs with these electrical characteristics to be applied to various applications, the stability of the power semiconductor device must be ensured. To this end, when a short circuit occurs due to abnormal operation in SiC MOSFET and GaN MOSFET, a short circuit protection circuit is needed to stably turn off the corresponding power semiconductor device.

도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET 스위치의 단락보호회로를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 단락보호회로(10)는 다이오드(D1)와 커패시터(C1)로 구성된 탈포화(desaturation) 회로를 이용하여 전력 스위치(20)의 드레인 전류량(ID)을 간접적으로 센싱한다. 전력 스위치(20)가 단락되어 포화(saturation) 상태를 벗어나는 경우, 단락보호회로(10)의 다이오드가 오프(off) 상태가 되고, 커패시터(C1)가 충전되어 비교기의 입력 전압(Vin)이 미리 결정된 전압으로 증가하게 된다. 상기 비교기의 입력 전압(Vin)이 기준 전압(Vref) 보다 커지기 때문에, 상기 비교기의 출력이 로우 레벨(low level) 상태가 되고, 그에 따라 SR 래치의 출력 역시 로우 레벨 상태가 된다. 이러한 로우 레벨 상태의 SR 래치 출력이 NAND 게이트로 입력되면, NAND 게이트는 PWM 신호에 상관없이 하이 레벨(high level) 신호를 게이트 구동회로(30)로 출력한다. 이에 따라, 게이트 구동회로(30)는 전력 스위치(20)의 동작을 강제로 턴 오프(turn off)시킴으로써 해당 스위치(20)를 안전하게 보호하게 된다.1 is a diagram showing a short-circuit protection circuit of a MOSFET switch according to the prior art. As shown in FIG. 1, the conventional short circuit protection circuit 10 uses a desaturation circuit composed of a diode (D 1 ) and a capacitor (C 1 ) to reduce the drain current (I D) of the power switch 20. ) is sensed indirectly. When the power switch 20 is short-circuited and out of the saturation state, the diode of the short-circuit protection circuit 10 is turned off, the capacitor C1 is charged, and the input voltage Vin of the comparator is previously reduced. It increases to the determined voltage. Since the input voltage (V in ) of the comparator becomes greater than the reference voltage (V ref ), the output of the comparator becomes a low level state, and accordingly, the output of the SR latch also becomes a low level state. When the SR latch output in this low level state is input to the NAND gate, the NAND gate outputs a high level signal to the gate driving circuit 30 regardless of the PWM signal. Accordingly, the gate driving circuit 30 safely protects the power switch 20 by forcibly turning off its operation.

그런데, 종래의 단락보호회로(10)는, 전력 스위치(20)의 단락 현상 발생 시, 비교기, 필터 및 로직 IC 등을 순차적으로 거치면서 각종 전자부품에서 소정의 지연 시간(delay time)이 발생하기 때문에, 해당 스위치(20)의 단락 시점부터 턴 오프(turn off) 시점까지 상당한 시간이 소요되는 문제가 있었다. 따라서, 상술한 SiC MOSFET 및 GaN MOSFET 등과 같이 최대 감내 시간이 매우 짧은 전력 스위치에서 단락 현상이 발생하는 경우, 해당 스위치를 좀 더 안정적으로 턴 오프시킬 수 있는 방안이 필요하다.However, in the conventional short circuit protection circuit 10, when a short circuit phenomenon occurs in the power switch 20, a predetermined delay time occurs in various electronic components while sequentially passing through the comparator, filter, and logic IC. Therefore, there was a problem in that it took a considerable amount of time from the time the switch 20 was short-circuited to the time it was turned off. Therefore, when a short circuit occurs in a power switch with a very short maximum withstanding time, such as the SiC MOSFET and GaN MOSFET described above, a method is needed to turn off the switch more stably.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태를 검출함과 동시에 게이트 구동전압을 제어하여 해당 스위치에 흐르는 전류를 빠르게 제한할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.The present invention aims to solve the above-described problems and other problems. Another purpose is to provide a short-circuit protection circuit for a power switch that can quickly limit the current flowing through the switch by detecting the desaturation state of the power switch and controlling the gate driving voltage at the same time.

또 다른 목적은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 전압 조정 회로를 이용한 게이트 구동전압 제어를 통해 전력 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.Another purpose is to provide a short-circuit protection circuit for a power switch that can stably turn off the power switch through gate driving voltage control using a voltage adjustment circuit 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 검출하고, 상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 해당 스위치를 강제로 턴 오프(turn off)시키기 위한 제어신호를 생성하는 탈포화 검출부; 및 상기 탈포화 상태가 검출됨과 동시에, 상기 전력 스위치의 게이트 구동전압(VGS)을 미리 결정된 전압으로 감소시켜 상기 전력 스위치에 흐르는 전류를 제한하는 전압 감소부를 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공한다.In order to achieve the above or other objects, according to one aspect of the present invention, the voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch is sensed to ensure that the power switch leaves the saturation state. a desaturation detection unit that detects desaturation and generates a control signal to forcibly turn off the switch when detecting a desaturation state of the power switch; and a voltage reduction unit that limits the current flowing in the power switch by reducing the gate driving voltage (V GS ) of the power switch to a predetermined voltage when the desaturation state is detected. Provided is a short-circuit protection circuit for a power switch, including: do.

좀 더 바람직하게는, 상기 전압 감소부는, 탈포화 검출부와 전력 스위치의 게이트 단 사이에 배치되며, 상기 탈포화 검출부에서 검출된 전압 신호를 입력 신호로 제공받는 것을 특징으로 한다. More preferably, the voltage reduction unit is disposed between the desaturation detection unit and the gate terminal of the power switch, and receives the voltage signal detected by the desaturation detection unit as an input signal.

좀 더 바람직하게는, 상기 전압 감소부는 선형 병렬 전압 조정기임을 특징으로 한다. 여기서, 상기 전압 감소부는 션트 레귤레이터(shunt regulator)와 상기 션트 레귤레이터의 레퍼런스 단에 연결되는 저항소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 션트 레귤레이터의 기준 전압은 탈포화 검출부에 포함된 비교기의 기준 전압과 동일하게 설정되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the voltage reducing unit is characterized as a linear parallel voltage regulator. Here, the voltage reduction unit includes a shunt regulator and a resistance element connected to a reference terminal of the shunt regulator. Additionally, the reference voltage of the shunt regulator is set to be equal to the reference voltage of the comparator included in the desaturation detection unit.

좀 더 바람직하게는, 상기 전압 감소부는, 제너 다이오드 및 하나 이상의 트랜지스터를 사용하여 전력 스위치의 게이트 구동전압(VGS)을 감소시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전압 감소부는, NPN 타입의 BJT 소자 또는 N 채널형 MOSFET 소자를 사용하여 전력 스위치의 게이트 구동전압(VGS)을 감소시키는 것을 특징으로 한다.More preferably, the voltage reduction unit reduces the gate driving voltage (V GS ) of the power switch using a Zener diode and one or more transistors. In addition, the voltage reduction unit is characterized in that it reduces the gate driving voltage (V GS ) of the power switch using an NPN type BJT element or an N-channel type MOSFET element.

본 발명의 실시 예들에 따른 전력 스위치용 단락보호회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effect of the short-circuit protection circuit for a power switch according to embodiments of the present invention will be described as follows.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태를 검출함과 동시에 게이트 구동전압을 제어하여 해당 스위치에 흐르는 전류를 빠르게 제한함으로써, 해당 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, the switch can be stably turned off by detecting the desaturation state of the power switch and simultaneously controlling the gate driving voltage to quickly limit the current flowing through the switch. There is an advantage to having it.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 전압 조정 회로(또는 전류 제한 회로)를 이용하여 해당 스위치를 안정적으로 턴 오프 시킴으로써, VDS 스파이크 전압을 통해 전력 스위치가 파괴되는 것을 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, when the desaturation state of the power switch is detected, the switch is stably turned off using a voltage adjustment circuit (or current limiting circuit), so that the V DS spike voltage This has the advantage of preventing damage to the power switch.

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 effects that can be achieved by the short-circuit protection circuit for a power switch according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be found in the technical field to which the present invention belongs from the description below. It will be clearly understandable to those with ordinary knowledge.

도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET 스위치의 단락보호회로를 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템의 구성을 도시하는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 상세 구성을 도시하는 도면;
도 4는 도 3에 도시된 션트 레귤레이터(shunt regulator)의 등가회로를 나타내는 도면;
도 5는 종래 기술에 따른 전력 스위치 시스템의 단락 실험 구성과 전력 스위치의 전압/전류 파형을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명에 따른 전력 스위치 시스템의 단락 실험 구성과 전력 스위치의 전압/전류 파형을 나타내는 도면.1 is a diagram showing a short-circuit protection circuit of a MOSFET switch according to the prior art;
Figure 2 is a diagram showing the configuration of a power switch system according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 is a diagram showing the detailed configuration of a short circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the shunt regulator shown in Figure 3;
Figure 5 is a diagram showing a short-circuit test configuration of a power switch system according to the prior art and the voltage/current waveform of the power switch;
Figure 6 is a diagram showing the short circuit test configuration of the power switch system according to the present invention and the voltage/current waveform of the power switch.

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 disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the attached drawings. However, identical or similar components will be assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted. The suffixes “module” and “part” for components used in the following description are given or used interchangeably only for the ease of preparing the specification, and do not have distinct meanings or roles in themselves. Additionally, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed descriptions will be omitted. In addition, the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention are not limited. , should be understood to include equivalents or substitutes.

본 발명은 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태를 검출함과 동시에 게이트 구동전압을 제어하여 해당 스위치에 흐르는 전류를 빠르게 제한할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다. 또한, 본 발명은 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 전압 조정 회로를 이용한 게이트 구동전압 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 that can detect the desaturation state of the power switch and simultaneously control the gate driving voltage to quickly limit the current flowing through the switch. In addition, the present invention proposes a short-circuit protection circuit for a power switch that can stably turn off the power switch through gate driving voltage control using a voltage adjustment circuit 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 drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the configuration of a power switch system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템(100)은 전력 스위치(110)와 상기 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 전력 스위치 제어장치를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전력 스위치 제어장치는, PWM 제어부(120), 게이트 구동회로(130) 및 단락보호회로(140)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 구성요소들은 전력 스위치 시스템(100)을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 전력 스위치 시스템은 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 2, the power switch system 100 according to an embodiment of the present invention may include a power switch 110 and a power switch control device for controlling the switching operation of the power switch 110. Here, the power switch control device may include a PWM control unit 120, a gate driving circuit 130, and a short-circuit protection circuit 140. The components shown in FIG. 2 are not essential for implementing the power switch system 100, so the power switch system described herein may have more or less components than those listed above.

전력 스위치(110)는 일종의 반도체 전력소자로서, 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 전력용 MOSFET을 포함한다. 상기 전력용 MOSFET(110)은 고속성과 고전압 및 대 전류 구동에 강한 성질을 가지고 있다. The power switch 110 is a type of semiconductor power device and includes a power MOSFET consisting of a gate (G), drain (D), and source (S). The power MOSFET 110 has high speed, high voltage, and high current driving properties.

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 MOSFET, 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET 및 질화 갈륨(GaN) 기반의 MOSFET 등이 있다.The power MOSFET 110 includes two types: an N-channel MOSFET that makes the connection between drain (D) and source (S) an N-type semiconductor, and a P-channel type MOSFET that makes the connection between drain (D) and source (S) a P-type semiconductor. There are different types. In addition, the power MOSFET 110 includes a silicon (Si)-based MOSFET, a silicon carbide (SiC)-based MOSFET, and a gallium nitride (GaN)-based MOSFET.

전력 스위치(110)로 N형 트랜지스터(NMOS)를 이용한 경우에는 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 온(turn on)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 오프(turn off)된다. 반대로, 전력 스위치(110)로 P형 트랜지스터(PMOS)를 이용한 경우에는 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 온(turn on)되고, 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 구동전압(VGS)에 의해 턴 오프(turn off)된다.When an N-type transistor (NMOS) is used as the power switch 110, the gate is turned on by the gate driving voltage (V GS ) having a high level, and the gate has a low level (low level). It is turned off by the driving voltage (V GS ). Conversely, when a P-type transistor (PMOS) is used as the power switch 110, it is turned on by the gate driving voltage (V GS ) having a low level and is turned on at a high level. It is turned off by the gate driving voltage (V GS ).

PWM 제어부(120)는, 컨트롤러(미도시)의 제어신호에 기초하여, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스 폭 제어신호(VPWM)를 생성할 수 있다. 상기 PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호는 펄스 폭에 따라 전력 스위치(110)의 턴 온 시간을 조절하여 전류량을 조절하는 신호이다.The PWM control unit 120 may generate a pulse width control signal (V PWM ) for controlling the switching operation of the power switch 110 based on a control signal from a controller (not shown). The pulse width control signal output from the PWM control unit 120 is a signal that adjusts the amount of current by adjusting the turn-on time of the power switch 110 according to the pulse width.

PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호의 로직 레벨은 일반적으로 컨트롤러의 출력 레벨과 같다. 이에 따라, PWM 제어부(120)는 컨트롤러의 출력 레벨과 같은 저 전압(가령, 3V 내지 5V)의 펄스폭 제어신호를 출력할 수 있고, 혹은 게이트 구동회로(130)의 전압과 같은 고 전압(가령, 20V 이상)의 펄스폭 제어신호를 출력할 수도 있다.The logic level of the pulse width control signal output from the PWM control unit 120 is generally the same as the output level of the controller. Accordingly, the PWM control unit 120 can output a pulse width control signal of a low voltage (e.g., 3V to 5V) equal to the output level of the controller, or a high voltage (e.g., 3V to 5V) equal to the voltage of the gate driving circuit 130. , 20V or more) can also be output.

PWM 제어부(120)에서 저 전압 신호(가령, 3V의 제어신호)를 출력하는 경우, 게이트 구동회로(130)는 저 전압 신호를 전력 스위치(110)의 구동을 위한 고 전압 신호(가령, 20V 이상)로 승압하기 위한 레벨 시프터(level shifter)를 포함할 수 있다.When the PWM controller 120 outputs a low voltage signal (e.g., a 3V control signal), the gate driving circuit 130 converts the low voltage signal into a high voltage signal (e.g., 20V or more) for driving the power switch 110. ) may include a level shifter for boosting the voltage.

게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 구동하기 위한 구동전압(VGS) 및 구동전류(IG)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 게이트 구동회로(130)는 PWM 제어부(120)로부터 입력된 펄스폭 제어신호가 하이 레벨일 때 구동전압(VGS)을 증가시키고, PWM 제어부(120)로부터 입력된 펄스폭 제어신호가 로우 레벨일 때 구동전압(VGS)을 감소시킬 수 있다.The gate driving circuit 130 may generate a driving voltage (V GS ) and a driving current (I G ) to drive the switching operation of the power switch 110 . For example, the gate driving circuit 130 increases the driving voltage (V GS ) when the pulse width control signal input from the PWM control unit 120 is at a high level, and the pulse width control signal input from the PWM control unit 120 When is at a low level, the driving voltage (V GS ) can be reduced.

게이트 구동회로(130)는 데드 타임 생성부(미도시), 제1 구동회로(미도시) 및 제2 구동회로(미도시) 등을 포함할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임 생성부는 게이트 구동회로(130)에 반드시 필요한 구성요소는 아니며 선택적으로 채용될 수 있다.The gate driving circuit 130 may include a dead time generator (not shown), a first driving circuit (not shown), and a second driving circuit (not shown). At this time, the dead time generator is not an essential component of the gate driving circuit 130 and may be selectively employed.

데드 타임 생성부는 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 200ns 내지 300ns로 설정될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The dead time generator creates a dead time to prevent the high level signal for turning on the power switch 110 and the low level signal for turning off the power switch 110 from being turned on at the same time. You can perform the setting function. At this time, the dead time can be set to 200ns to 300ns, but is not necessarily limited thereto.

제1 구동회로는, PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 기초하여, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작을 구동하기 위한 게이트 구동전류(이하, 설명의 편의상, '소스 전류(source current)'라 칭함)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 구동회로는 레벨 시프터(level shifter), 프리 드라이버(pre-driver) 및 P형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.The first driving circuit is based on the pulse width control signal (V PWM ) output from the PWM control unit 120, and generates a gate driving current (hereinafter, for convenience of explanation, ' (referred to as ‘source current’) can be generated. To this end, the first driving circuit may include a level shifter, a pre-driver, and a P-type transistor.

제2 구동회로는, PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 기초하여, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 구동하기 위한 게이트 구동전류(이하, 설명의 편의상, '싱크 전류(sink current)'라 칭함)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 구동회로는 레벨 시프터, 프리 드라이버 및 N형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.The second driving circuit uses a gate driving current (hereinafter, for convenience of explanation, ' (referred to as ‘sink current’) can be generated. To this end, the second driving circuit may include a level shifter, a pre-driver, and an N-type transistor.

한편, 제1 및 제2 구동회로에 각각 설치된 레벨 시프터 및 프리 드라이버는, 게이트 구동회로(130)의 사용 목적 및 설계 사양 등에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.Meanwhile, the level shifter and pre-driver respectively installed in the first and second driving circuits may be configured to be omitted depending on the purpose of use and design specifications of the gate driving circuit 130.

단락보호회로(140)는, 전력 스위치(110)의 탈포화(desaturation) 상태를 검출하고, 상기 탈포화 상태 검출 시, 상기 전력 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류를 빠르게 제한하여 해당 스위치(110)를 안정적으로 턴 오프시키는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 단락보호회로(140)는 전력 스위치(110)의 드레인 단과 게이트 구동회로(130)의 입력 단 사이에 배치되는 탈포화 검출부(141)와, 상기 전력 스위치(110)의 게이트 단과 상기 탈포화 검출부(141) 사이에 배치되는 전압 감소부(143)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 단락보호회로(140)는 탈포화 검출부(141)에서 검출된 신호를 전압 감소부(143)의 입력 신호로 공급할 수 있다.The short circuit protection circuit 140 detects the desaturation state of the power switch 110, and upon detecting the desaturation state, quickly limits the drain current flowing through the power switch 110 to reduce the desaturation state of the power switch 110. It can perform the function of stably turning off. For this purpose, the short-circuit protection circuit 140 includes a desaturation detection unit 141 disposed between the drain terminal of the power switch 110 and the input terminal of the gate driving circuit 130, the gate terminal of the power switch 110, and the It may include a voltage reduction unit 143 disposed between the desaturation detection unit 141. Additionally, the short-circuit protection circuit 140 may supply the signal detected by the desaturation detection unit 141 as an input signal to the voltage reduction unit 143.

탈포화 검출부(141)는, 전력 스위치(110)의 턴 온 동작 시, 해당 스위치(110)가 탈포화(desaturation) 상태로 진입하는지 여부를 검출할 수 있다. 이때, 상기 탈포화 검출부(210)는 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결되어, 해당 스위치(110)의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 감지(sensing)할 수 있다. 상기 탈포화 검출부(210)는 상기 감지된 전압(VDS)을 기반으로 전력 스위치(110)가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지를 실시간으로 감지할 수 있다.The desaturation detector 141 may detect whether the switch 110 enters a desaturation state when the power switch 110 is turned on. At this time, the desaturation detection unit 210 is connected to the drain (D) terminal of the power switch 110 and detects the voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the switch 110. (sensing) can be done. The desaturation detection unit 210 can detect in real time whether the power switch 110 is out of saturation based on the detected voltage (V DS ).

탈포화 검출부(141)는, 탈포화(desaturation) 상태 감지 시, 전력 스위치(110)의 스위칭 동작을 턴 오프시키기 위한 제어신호를 생성하여 게이트 구동회로(130)로 출력할 수 있다.When detecting a desaturation state, the desaturation detector 141 may generate a control signal to turn off the switching operation of the power switch 110 and output the control signal to the gate driving circuit 130.

전압 감소부(141)는, 전력 스위치(110)의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 해당 스위치(110)의 게이트 구동전압(VGS)을 미리 결정된 전압으로 감소시킴으로써, 해당 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류(ID)를 빠르게 제한할 수 있다. When detecting the desaturation state of the power switch 110, the voltage reduction unit 141 reduces the gate driving voltage (V GS ) of the switch 110 to a predetermined voltage, thereby reducing the voltage to the switch 110. The flowing drain current (I D ) can be quickly limited.

전압 감소부(141)는 입력 전압에 기초하여 출력 전압을 조정(감소)하는 회로로서, 선형 전압 조정기(linear voltage regulator), 제너 다이오드(Zener diode), NPN 타입의 BJT 소자 및 N 채널형 MOSFET 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The voltage reduction unit 141 is a circuit that adjusts (reduces) the output voltage based on the input voltage, and includes a linear voltage regulator, Zener diode, NPN type BJT element, and N-channel type MOSFET element. Any one of the following may be used and are not necessarily limited thereto.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템(100)은 전력 스위치(110)의 탈포화 상태 검출 시, 게이트 구동전압 조정이 가능한 단락보호회로(140)를 이용하여 해당 스위치(110)의 동작을 안전하게 턴 오프시킬 수 있다.As described above, the power switch system 100 according to an embodiment of the present invention uses the short-circuit protection circuit 140 capable of adjusting the gate driving voltage to protect the corresponding switch when detecting the desaturation state of the power switch 110. The operation of (110) can be safely turned off.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 상세 구성을 도시하는 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the detailed configuration of a short-circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로(140)는 탈포화 검출부(141) 및 전압 감소부(143)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전압 감소부(143)는 '전류 제한부'로 지칭될 수도 있다.Referring to FIG. 3, the short-circuit protection circuit 140 according to an embodiment of the present invention may include a desaturation detection unit 141 and a voltage reduction unit 143. Here, the voltage reduction unit 143 may also be referred to as a ‘current limiting unit’.

탈포화 검출부(141)는 NAND 게이트, SR 래치, 필터, 비교기, 기준 전압원(Vref), 커패시터(C1), 다이오드(D1) 및 제1 내지 제6 저항소자(R1~R6)를 포함할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 상기 탈포화 검출부(141)는 위에 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.The desaturation detection unit 141 includes a NAND gate, an SR latch, a filter, a comparator, a reference voltage source (V ref ), a capacitor (C 1 ), a diode (D 1 ), and first to sixth resistance elements (R 1 to R 6 ). may include. Meanwhile, in another embodiment, the desaturation detection unit 141 may have more or fewer components than those listed above.

NAND 게이트의 제1 입력 단은 SR 래치(211)의 단과 연결될 수 있고, NAND 게이트의 제2 입력 단은 PWM 제어부(미도시)의 출력 단과 연결될 수 있으며, NAND 게이트의 출력 단은 게이트 구동회로(130)의 입력 단과 연결될 수 있다.The first input terminal of the NAND gate is the SR latch 211. The second input terminal of the NAND gate may be connected to the output terminal of the PWM control unit (not shown), and the output terminal of the NAND gate may be connected to the input terminal of the gate driving circuit 130.

SR 래치의 S(Set) 단은 필터의 출력 단과 연결될 수 있고, SR 래치의 단은 NAND 게이트의 제1 입력 단과 연결될 수 있다. 상기 필터의 입력 단은 비교기의 출력 단과 연결될 수 있고, 필터의 출력 단은 SR 래치의 S 단과 연결될 수 있다.The S(Set) terminal of the SR latch can be connected to the output terminal of the filter, and the The terminal may be connected to the first input terminal of the NAND gate. The input terminal of the filter may be connected to the output terminal of the comparator, and the output terminal of the filter may be connected to the S terminal of the SR latch.

비교기의 출력 단은 필터의 입력 단과 연결될 수 있으며, 비교기의 제1 입력 단(-)과 접지(ground) 사이에는 제5 저항소자(R5)와 기준 전압원(Vref)이 직렬로 연결될 수 있다. 비교기의 제2 입력 단(+)과 제1 노드(N1) 사이에는 제6 저항소자(R6)가 연결될 수 있고, 상기 제1 노드(N1)와 접지 사이에는 제3 저항소자(R3)와 커패시터(C1)가 병렬로 연결될 수 있다. The output terminal of the comparator may be connected to the input terminal of the filter, and a fifth resistance element (R 5 ) and a reference voltage source (V ref ) may be connected in series between the first input terminal (-) of the comparator and ground. . A sixth resistance element (R 6 ) may be connected between the second input terminal (+) of the comparator and the first node (N 1 ), and a third resistance element (R) may be connected between the first node (N 1 ) and ground. 3 ) and a capacitor (C 1 ) can be connected in parallel.

제2 저항소자(R2)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있고, 제1 저항소자(R1)는 제2 노드(N2)와 게이트 구동회로(130)의 출력 단 사이에 연결될 수 있으며, 제4 저항소자(R4)는 제2 노드(N2)와 다이오드(D1)의 애노드(anode) 단 사이에 연결될 수 있다. 마지막으로, 다이오드(D1)는 제4 저항소자(R4)의 일 단과 전력 스위치(110)의 드레인(D) 단 사이에 연결될 수 있다.The second resistance element (R 2 ) may be connected between the first node (N 1 ) and the second node (N 2 ), and the first resistance element (R 1 ) may be connected to the second node (N 2 ) and the gate driving circuit. It may be connected between the output terminal of (130), and the fourth resistance element (R 4 ) may be connected between the second node (N 2 ) and the anode terminal of the diode (D 1 ). Finally, the diode (D 1 ) may be connected between one end of the fourth resistance element (R 4 ) and the drain (D) end of the power switch 110.

이러한 구성을 갖는 탈포화 검출부(141)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(141)는 턴 온 상태의 전력 스위치(100)가 포화 상태를 벗어난 것으로 감지할 수 있다.The desaturation detector 141 having this configuration is connected to the drain (D) terminal of the power switch 110, and the voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch 110 can be sensed. When the sensed voltage V DS exceeds a predetermined threshold, the desaturation detection unit 141 may detect that the power switch 100 in the turned-on state is out of saturation.

전력 스위치(110)가 포화 상태를 벗어나게 되면, 해당 스위치(110)의 드레인(D) 단에 연결된 다이오드의 캐소드 전압은 애노드 전압보다 훨씬 더 커지게 된다. 이에 따라, 다이오드(D1)는 오프(off) 상태로 동작하게 되고, 게이트 구동회로(130)의 출력 전압은 제1 내지 제3 저항소자(R1~R3)를 통해 전압 분배되어 커패시터(C1)를 충전시키게 된다.When the power switch 110 leaves the saturation state, the cathode voltage of the diode connected to the drain (D) terminal of the switch 110 becomes much greater than the anode voltage. Accordingly, the diode (D 1 ) operates in an off state, and the output voltage of the gate driving circuit 130 is distributed through the first to third resistance elements (R 1 to R 3 ) to form a capacitor ( C 1 ) is charged.

커패시터(C1)에 미리 결정된 전압(가령, 2.5V)이 충전되면, 비교기의 입력 전압(Vin)이 기준 전압(Vref) 보다 커지기 때문에, 비교기는 로우 레벨(low level) 신호를 출력하게 된다. 상기 로우 레벨 신호가 필터를 통과하여 SR 래치의 S(Set) 단으로 입력되면, SR 래치는 단을 통해 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 한편, 본 실시 예에서는, SR 래치의 단을 통해 제어 신호를 출력하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며 단을 통해 제어 신호를 출력할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.When the capacitor (C 1 ) is charged with a predetermined voltage (e.g., 2.5V), the input voltage (V in ) of the comparator becomes greater than the reference voltage (V ref ), so the comparator outputs a low level signal. do. When the low level signal passes through the filter and is input to the S (Set) terminal of the SR latch, the SR latch A low level signal is output through this stage. Meanwhile, in this embodiment, the SR latch It illustrates outputting a control signal through a stage, but does not limit this. It will be apparent to those skilled in the art that a control signal can be output through the stage.

이러한 로우 레벨 상태의 SR 래치 출력이 NAND 게이트로 입력되면, NAND 게이트는 PWM 신호에 상관없이 하이 레벨(high level) 신호를 게이트 구동회로(130)로 출력한다. 이에 따라, 게이트 구동회로(130)는 전력 스위치(110)의 동작을 강제로 턴 오프(turn off)시킴으로써 해당 스위치(110)를 안전하게 보호하게 된다.When the SR latch output in this low level state is input to the NAND gate, the NAND gate outputs a high level signal to the gate driving circuit 130 regardless of the PWM signal. Accordingly, the gate driving circuit 130 safely protects the power switch 110 by forcibly turning off its operation.

전압 감소부(143)는, 선형 병렬 전압 조정기(Linear Shunt Voltage Regulator)로서, 제7 저항소자(R7)와 션트 레귤레이터(shunt regulator, 200)를 포함할 수 있다. The voltage reduction unit 143 is a linear parallel voltage regulator (Linear Shunt Voltage Regulator) and may include a seventh resistance element (R 7 ) and a shunt regulator (200).

제7 저항소자(R7)의 일 단은 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 타 단은 션트 레귤레이터(200)의 레퍼런스(R) 단에 연결될 수 있다. 션트 레귤레이터(200)의 레퍼런스(R) 단은 제7 저항소자(R7)의 타 단에 연결될 수 있고, 애노드(A) 단은 접지에 연결될 수 있으며, 캐소드(K) 단은 전력 스위치(110)의 게이트 단에 연결될 수 있다. 이러한 션트 레귤레이터(200)는 출력에 병렬로 접속되고, 직렬 저항(R7)을 통하는 전류를 제어하여 전류 출력의 단전압(端電壓)을 일정하게 유지하도록 동작하는 레귤레이터이다.One end of the seventh resistance element (R 7 ) may be connected to the first node (N 1 ), and the other end may be connected to the reference (R) terminal of the shunt regulator 200. The reference (R) terminal of the shunt regulator 200 may be connected to the other terminal of the seventh resistance element (R 7 ), the anode (A) terminal may be connected to ground, and the cathode (K) terminal may be connected to the power switch (110). ) can be connected to the gate terminal of. This shunt regulator 200 is connected in parallel to the output and is a regulator that operates to keep the single voltage of the current output constant by controlling the current through the series resistance (R 7 ).

션트 레귤레이터(200)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 비교기(210), 기준 전압원(220), 트랜지스터(230), 제1 다이오드(240) 및 제2 다이오드(250)를 포함하는 등가회로로 표현될 수 있다. 이러한 등가회로를 갖는 션트 레귤레이터(200)는 제1 노드(N1)에 연결되어, 제1 노드 전압(즉, 비교기의 입력 전압, Vin)을 센싱할 수 있다. 션트 레귤레이터(200)의 기준 전압은 탈포화 검출부(141)에 포함된 비교기의 기준 전압(가령, 2.5V)과 동일하게 설정되기 때문에, 전력 스위치(110)가 탈포화 상태로 진입하여 비교기의 입력 전압(Vin)이 션트 레귤레이터(200)의 기준 전압과 동일하게 되면, 션트 레귤레이터(200)가 동작하게 된다.As shown in FIG. 4, the shunt regulator 200 is an equivalent circuit including a comparator 210, a reference voltage source 220, a transistor 230, a first diode 240, and a second diode 250. can be expressed. The shunt regulator 200 having this equivalent circuit is connected to the first node (N 1 ) and can sense the first node voltage (that is, the input voltage of the comparator, V in ). Since the reference voltage of the shunt regulator 200 is set equal to the reference voltage (e.g., 2.5V) of the comparator included in the desaturation detection unit 141, the power switch 110 enters the desaturation state and the input of the comparator When the voltage (V in ) becomes equal to the reference voltage of the shunt regulator 200, the shunt regulator 200 operates.

즉, 제1 노드 전압(Vin)이 미리 결정된 전압(가령, 2.5V)이 되면, 션트 레귤레이터(200)는 캐소드 단에서 애노드 단 방향으로 전류를 흘려주면서 캐소드 단에 걸리는 전압을 미리 결정된 전압으로 감소시킬 수 있다. 이는 션트 레귤레이터가 기준 전압(가령, 2.5V)을 유지하기 위해 캐소드와 이미터 사이의 저항이 가변 저항으로 동작하기 때문이다. 일 예로, 션트 레귤레이터(200)는 전력 스위치(110)의 게이트 단과 연결된 캐소드 단에 걸리는 전압(가령, 20V)을 미리 결정된 전압(가령, 12V)으로 감소시킬 수 있다.That is, when the first node voltage (V in ) becomes a predetermined voltage (e.g., 2.5V), the shunt regulator 200 flows current from the cathode end to the anode end and reduces the voltage applied to the cathode end to the predetermined voltage. can be reduced. This is because the resistance between the cathode and emitter operates as a variable resistance in order for the shunt regulator to maintain a reference voltage (eg, 2.5V). As an example, the shunt regulator 200 may reduce the voltage applied to the cathode terminal connected to the gate terminal of the power switch 110 (e.g., 20V) to a predetermined voltage (e.g., 12V).

이처럼, 전압 감소부(143)는, 전력 스위치(110)의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 별도의 시간 지연 없이 해당 스위치(110)의 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 감소시킴으로써, 해당 스위치(110)에 흐르는 드레인 전류(ID)를 빠르게 제한할 수 있다. 이를 통해, 전압 감소부(143)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.In this way, the voltage reduction unit 143 reduces the gate driving voltage of the switch 110 to a predetermined voltage without a separate time delay when detecting the desaturation state of the power switch 110, thereby reducing the switch ( 110) can quickly limit the drain current (I D ) flowing through it. Through this, the voltage reduction unit 143 prevents the V DS spike voltage exceeding the withstand voltage of the switch 110 from occurring between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch 110. You can.

한편, 본 실시 예에서는, 전력 스위치(110)의 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 낮추기 위해 션트 레귤레이터를 사용하는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 션트 레귤레이터 대신 제너 다이오드, NPN 타입의 BJT 소자 및 N 채널형 MOSFET 소자 중 어느 하나를 사용하여 전압 감소부를 구현할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in this embodiment, it is exemplified that a shunt regulator is used to lower the gate driving voltage of the power switch 110 to a predetermined voltage, but it is not necessarily limited thereto, and instead of the shunt regulator, a Zener diode and an NPN type BJT are used. It will be apparent to those skilled in the art that the voltage reduction unit can be implemented using either a device or an N-channel type MOSFET device.

예컨대, 전압 감소부는 제너 다이오드와 하나 이상의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 또한, 전압 감소부는 NPN 타입의 BJT 소자 또는 N 채널형 MOSFET 소자를 포함할 수 있다. For example, the voltage reducing unit may include a Zener diode and one or more transistors. Additionally, the voltage reduction unit may include an NPN type BJT element or an N-channel type MOSFET element.

전압 감소부로 NPN 타입의 BJT 소자를 사용하는 경우, 해당 소자는 베이스(B)-이미터(E) 전압이 0.7V 되면 컬렉터(C) 단에서 이미터(E) 단으로 전류가 흐르고, 이때 컬렉터(C)와 이미터(E) 사이의 저항이 가변 저항이 되어 베이스(B)-이미터(E) 전압이 0.7V를 많이 초과할수록 저항이 작아지는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 이용하여 컬렉터(C) 단에 연결된 전력 스위치(110)의 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 감소시킬 수 있다.When using an NPN type BJT device as a voltage reducer, when the base (B)-emitter (E) voltage becomes 0.7V, current flows from the collector (C) terminal to the emitter (E) terminal, and at this time, the collector The resistance between (C) and emitter (E) becomes a variable resistance, and the more the base (B)-emitter (E) voltage exceeds 0.7V, the smaller the resistance becomes. Using these properties, the gate driving voltage of the power switch 110 connected to the collector (C) terminal can be reduced to a predetermined voltage.

한편, 전압 감소부로 N 채널형 MOSFET 소자를 사용하는 경우, 해당 소자는 게이트(G)-소스(S) 전압이 임계 전압(Vth)이 되면, 드레인(D) 단에서 소스(S) 단으로 전류가 흐르고, 이때 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 저항이 가변 저항이 되어 게이트(G)-소스(S) 전압이 임계 전압(Vth)을 많이 초과할수록 저항이 작아지는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 이용하여 드레인(D) 단에 연결된 전력 스위치(110)의 게이트 구동전압을 미리 결정된 전압으로 감소시킬 수 있다.Meanwhile, when an N-channel type MOSFET device is used as a voltage reduction unit, the device moves from the drain (D) terminal to the source (S) terminal when the gate (G)-source (S) voltage becomes the threshold voltage (V th ). Current flows, and at this time, the resistance between the drain (D) end and the source (S) end becomes a variable resistance, so the more the gate (G)-source (S) voltage exceeds the threshold voltage (V th ), the smaller the resistance becomes. have Using these properties, the gate driving voltage of the power switch 110 connected to the drain (D) terminal can be reduced to a predetermined voltage.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는, 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태를 검출함과 동시에 게이트 구동전압을 제어하여 해당 스위치에 흐르는 드레인 전류를 빠르게 제한함으로써, 해당 스위치를 안정적으로 턴 오프시킬 수 있다.As described above, the short-circuit protection circuit 200 according to the present invention detects the desaturation state of the power switch and simultaneously controls the gate driving voltage to quickly limit the drain current flowing through the switch. The switch can be turned off reliably.

도 5는 종래 기술에 따른 전력 스위치 시스템의 단락 시험 구성과 전력 스위치의 전압/전류 파형을 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 전력 스위치 시스템(500)에서 전력 스위치의 드레인 단과 소스 단 사이에 하나의 전압 공급원(388V), 두 개의 입력 저항(RS1, RS2), 두 개의 입력 커패시터(C1, C2)를 설치한 후 전력 스위치에 대한 단락 보호 실험(test)을 진행하였다. Figure 5 is a diagram showing a short-circuit test configuration of a power switch system according to the prior art and voltage/current waveforms of the power switch. As shown in Figure 5, in the power switch system 500 according to the prior art, there is one voltage source (388V), two input resistors (R S1 , R S2 ), and two input resistors between the drain terminal and the source terminal of the power switch. After installing the input capacitors (C 1 , C 2 ), a short-circuit protection test for the power switch was conducted.

이러한 실험 조건에서, 전력 스위치가 동작하게 되면, 해당 스위치는 탈포화 상태가 되어 단락 현상이 발생하게 되고, 그에 따라 단락 전류가 해당 스위치에 흐르게 된다. 전력 스위치의 게이트 전압(VGS)을 20V로 구동하면, 해당 스위치의 드레인 전류는 480ns 동안 120A까지 증가하게 되고, 그 이후 시점(즉, 턴 오프 시점)부터는 감소하여 총 760ns 동안 흐르게 된다. 이때, VDesat 전압을 측정하게 되면 100ns 이내에 9V까지 증가함을 확인할 수 있다. 하지만, 전력 스위치의 드레인 전류는 탈포화 상태 검출 이후에 발생하는 비교기, 필터, 로직 회로 및 게이트 구동회로 등에서의 시간 지연으로 인해 탈포화 상태 검출 시점보다 약 380ns 시간 동안 더 증가함을 확인할 수 있다. Under these experimental conditions, when the power switch operates, the switch becomes desaturated and a short circuit occurs, resulting in a short circuit current flowing through the switch. When the gate voltage (V GS ) of the power switch is driven to 20V, the drain current of the switch increases to 120A for 480ns, and decreases from that point (i.e., the turn-off point) to flow for a total of 760ns. At this time, when measuring the V Desat voltage, it can be seen that it increases to 9V within 100ns. However, it can be seen that the drain current of the power switch increases for about 380 ns more than the desaturation state detection point due to time delays in the comparator, filter, logic circuit, and gate driving circuit that occur after desaturation state detection.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 전력 스위치 시스템의 단락 실험 구성과 전력 스위치의 전압/전류 파형을 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 스위치 시스템(600)에서 전력 스위치의 드레인 단과 소스 단 사이에 하나의 전압 공급원(388V), 두 개의 입력 저항(RS1, RS2), 두 개의 입력 커패시터(C1, C2)를 설치한 후 전력 스위치에 대한 단락 보호 실험(test)을 진행하였다. Meanwhile, Figure 6 is a diagram showing the short-circuit test configuration of the power switch system according to the present invention and the voltage/current waveform of the power switch. As shown in Figure 6, in the power switch system 600 according to the present invention, one voltage source (388V), two input resistors (R S1 , R S2 ), and two voltage sources are provided between the drain terminal and the source terminal of the power switch. After installing the input capacitors (C 1 , C 2 ), a short-circuit protection test for the power switch was conducted.

이러한 실험 조건에서, 전력 스위치가 동작하게 되면, 해당 스위치는 탈포화 상태가 되어 단락 현상이 발생하게 되고, 그에 따라 단락 전류가 해당 스위치에 흐르게 된다. 그런데, 본 발명에 따른 단락보호회로는 전력 스위치의 탈포화 상태를 검출함과 동시에 게이트 구동전압을 조정함으로써 해당 스위치에 흐르는 단락 전류를 빠르게 제한시킬 수 있다. 가령, 전력 스위치의 게이트 전압(VGS)을 20V로 구동하면, 탈포화 상태 검출 시점에 해당 스위치의 게이트 전압이 12V로 감소하게 되고, 그에 따라 해당 스위치의 드레인 전류는 36A까지만 증가하게 되며, 그 이후 시점(즉, 턴 오프 시점)부터는 감소하여 총 440ns 동안 흐르게 된다. Under these experimental conditions, when the power switch operates, the switch becomes desaturated and a short circuit occurs, resulting in a short circuit current flowing through the switch. However, the short-circuit protection circuit according to the present invention can quickly limit the short-circuit current flowing in the switch by detecting the desaturation state of the power switch and simultaneously adjusting the gate driving voltage. For example, if the gate voltage (V GS ) of the power switch is driven to 20V, the gate voltage of the switch decreases to 12V at the time of detecting the desaturation state, and accordingly, the drain current of the switch increases only to 36A. From a later point (i.e., turn-off point), it decreases and flows for a total of 440 ns.

위 두 가지의 실험을 비교해본 결과, 본 발명에 따른 단락보호회로를 전력 스위치에 적용하는 경우, 종래의 방식에 비해 해당 스위치에 흐르는 단락 전류의 세기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단락 전류가 흐르는 시간도 단축시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 통상, 단락 현상 발생 시, 전력 스위치에 흐르는 전류와 시간에 비례하여 해당 스위치가 파괴될 가능성이 커지기 때문에, 본 발명에 따른 단락보호회로를 전력 스위치에 적용함으로써, 해당 스위치의 파괴 가능성을 대폭 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.As a result of comparing the two experiments above, when applying the short-circuit protection circuit according to the present invention to a power switch, not only can the intensity of the short-circuit current flowing through the switch be reduced compared to the conventional method, but also the short-circuit current flowing through the switch can be reduced. You can see that time can also be shortened. Normally, when a short circuit phenomenon occurs, the possibility of destruction of the switch increases in proportion to the current and time flowing through the power switch. Therefore, by applying the short circuit protection circuit according to the present invention to the power switch, the possibility of destruction of the switch can be greatly reduced. You can confirm that it is possible.

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 made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.

100: 전력 스위치 시스템 110: 전력 스위치
120: PWM 제어부 130: 게이트 구동회로
140: 단락보호회로 141: 탈포화 검출부
143: 전압 감소부100: power switch system 110: power switch
120: PWM control unit 130: Gate driving circuit
140: short circuit protection circuit 141: desaturation detection unit
143: Voltage reduction unit

Claims (7)

전력 스위치의 드레인(D) 단과 소스(S) 단 사이의 전압(VDS)을 센싱하여 상기 전력 스위치가 포화(saturation) 상태를 벗어나는지를 검출하고, 상기 전력 스위치의 탈포화(desaturation) 상태 검출 시, 해당 스위치를 강제로 턴 오프(turn off)시키기 위한 제어신호를 생성하는 탈포화 검출부; 및
상기 탈포화 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 게이트 구동전압(VGS)을 미리 결정된 전압으로 감소시켜 상기 전력 스위치에 흐르는 전류를 제한하는 전압 감소부를 포함하되,
상기 전압 감소부는 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 포함하고,
상기 션트 레귤레이터의 기준 전압은 상기 탈포화 검출부에 포함된 비교기의 기준 전압과 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.The voltage (V DS ) between the drain (D) terminal and the source (S) terminal of the power switch is sensed to detect whether the power switch is out of saturation, and when the desaturation state of the power switch is detected. , a desaturation detection unit that generates a control signal to forcibly turn off the corresponding switch; and
When detecting the desaturation state, it includes a voltage reduction unit that reduces the gate driving voltage (V GS ) of the power switch to a predetermined voltage to limit the current flowing in the power switch,
The voltage reducing unit includes a shunt regulator,
A short-circuit protection circuit for a power switch, characterized in that the reference voltage of the shunt regulator is set equal to the reference voltage of the comparator included in the desaturation detection unit. 제1항에 있어서,
상기 전압 감소부는, 상기 탈포화 검출부와 상기 전력 스위치의 게이트 단 사이에 배치되며, 상기 탈포화 검출부에서 검출된 전압 신호를 입력 신호로 제공받는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.According to paragraph 1,
The voltage reducing unit is disposed between the desaturation detection unit and the gate terminal of the power switch, and receives the voltage signal detected by the desaturation detection unit as an input signal. 제1항에 있어서,
상기 탈포화 검출부는, NAND 게이트, SR 래치, 필터, 비교기, 기준 전압원(Vref), 커패시터(C1), 다이오드(D1) 및 복수의 저항소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.According to paragraph 1,
The desaturation detection unit is a short circuit for a power switch, comprising a NAND gate, an SR latch, a filter, a comparator, a reference voltage source (V ref ), a capacitor (C 1 ), a diode (D 1 ), and a plurality of resistance elements. protection circuit. 제1항에 있어서,
상기 전압 감소부는, 상기 션트 레귤레이터의 레퍼런스(R) 단에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.According to paragraph 1,
A short-circuit protection circuit for a power switch, wherein the voltage reduction unit further includes a resistance element connected to a reference (R) terminal of the shunt regulator. 제1항에 있어서,
상기 션트 레귤레이터는, 상기 탈포화 상태 검출 시, 캐소드 단에서 애노드 단 방향으로 전류를 흘려주면서 상기 캐소드 단에 걸리는 전압을 미리 결정된 전압으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.According to paragraph 1,
The shunt regulator is a short-circuit protection circuit for a power switch, characterized in that when the desaturation state is detected, the voltage applied to the cathode terminal is reduced to a predetermined voltage while flowing a current from the cathode terminal to the anode terminal. 삭제delete 삭제delete
KR1020190105663A 2019-08-28 2019-08-28 Short protection circuit for power switch KR102661973B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190105663A KR102661973B1 (en) 2019-08-28 2019-08-28 Short protection circuit for power switch
PCT/KR2019/018072 WO2021040153A1 (en) 2019-08-28 2019-12-19 Shorting protection circuit for power switch

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190105663A KR102661973B1 (en) 2019-08-28 2019-08-28 Short protection circuit for power switch

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210025831A KR20210025831A (en) 2021-03-10
KR102661973B1 true KR102661973B1 (en) 2024-05-02

Family

ID=74685968

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190105663A KR102661973B1 (en) 2019-08-28 2019-08-28 Short protection circuit for power switch

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102661973B1 (en)
WO (1) WO2021040153A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113659827B (en) * 2021-08-20 2023-05-26 深圳市优联半导体有限公司 Improved circuit for self-adaptive desaturation protection of blanking time, design method and application
KR102697594B1 (en) * 2021-10-18 2024-08-23 한양대학교 산학협력단 Apparatus for protecting a short in a switch
CN115276627B (en) * 2022-08-04 2023-10-24 佛山市南海区赛德声电子有限公司 Gallium nitride MOSFET conduction loss power limiting circuit
CN117318683B (en) * 2023-10-18 2024-06-18 圣邦微电子（北京）股份有限公司 Driving circuit, load switching circuit and power supply module of power transistor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014079037A (en) 2012-10-09 2014-05-01 Fuji Electric Co Ltd Gate drive circuit having failure detection circuit for semiconductor switch element
JP2018011467A (en) 2016-07-15 2018-01-18 富士電機株式会社 Gate drive circuit for semiconductor switching element

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100310645B1 (en) * 1999-01-25 2001-10-17 이형도 Over-current protection circuit using desaturation in IPM
KR20010002825A (en) * 1999-06-18 2001-01-15 이형도 Circuit for protecting power switch
JP4479570B2 (en) * 2005-04-06 2010-06-09 トヨタ自動車株式会社 Switching circuit with protection function and protection circuit
JP2011172446A (en) * 2010-02-22 2011-09-01 Toyota Motor Corp Semiconductor power conversion apparatus
KR101639488B1 (en) * 2014-12-10 2016-07-13 현대모비스 주식회사 Gate driver circuit and method for preventing arm short
KR20170006291A (en) * 2015-07-07 2017-01-17 페어차일드코리아반도체 주식회사 Power-on reset circuit and under-voltage lockout circuit comprising the same
EP3365976A1 (en) * 2015-10-21 2018-08-29 Agileswitch, LLC Gate drive control system for sic and igbt power devices to control desaturation or short circuit faults

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014079037A (en) 2012-10-09 2014-05-01 Fuji Electric Co Ltd Gate drive circuit having failure detection circuit for semiconductor switch element
JP2018011467A (en) 2016-07-15 2018-01-18 富士電機株式会社 Gate drive circuit for semiconductor switching element

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210025831A (en) 2021-03-10
WO2021040153A1 (en) 2021-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102661973B1 (en) Short protection circuit for power switch
EP3219010B1 (en) Resistor emulation and gate boost
US9225161B2 (en) Short circuit protection circuit and method for insulated gate bipolar transistor
CN104467370B (en) Apparatus and method for soft shutdown of isolated drivers
US10236677B2 (en) Semiconductor device
KR102026931B1 (en) Short circuit protection for power switch
CN112073040A (en) Multi-level gate turn-off with dynamic timing
JP2010130822A (en) Semiconductor device
US10033370B2 (en) Circuit and method for driving a power semiconductor switch
US11545972B2 (en) Overcurrent protection circuit for switching element turned on and off based on control voltage
US10205447B1 (en) Pulse driven power FET
CN109217858B (en) Overvoltage protection for transistor devices
CN106848998A (en) A kind of power output protection circuit and device
CN113394956A (en) Adjustable soft turn-off and current booster for gate driver
CN112534668B (en) Boost converter short circuit protection
KR20190011494A (en) GATE DRIVING CIRCUIT FOR SiC MOSFET
JP2006352931A (en) Switching element protection circuit
US11799467B2 (en) Device including power transistor and overcurrent detection logic and method for operating a power transistor
JP6706876B2 (en) Power module
KR102693541B1 (en) Short circuit protection for power switch
KR20220028898A (en) Short circuit protection for power switch
KR101659088B1 (en) Power supply apparatus of LED
CN109075781B (en) Drive circuit for power semiconductor element and motor drive device
KR20220042570A (en) Short circuit detection with high speed
CN113595541B (en) Switching tube control device and switching tube equipment

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right