KR19990031563A - 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로 - Google Patents

Abstract

전압형 의사공진 컨버터에서 다이오드의 역회복시에 다이오드를 통하지 않고 센스펫을 이용하여 전류를 흘릴수 있도록 하여 역회복 시간을 임의로 조절할 수 있는 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로를 개시한다.

전압형 의사공진 컨버터에 있어서, 2차측은 센스펫과, 센스저항과, 비교기 및 원 샷 회로를 구비한 원 샷 게이트 드라이브 회로를 제공한다.

상기 센스펫은 센싱 단자를 이용하여 드레인-소스간의 영전압 시점을 감지한다. 상기 센스 저항은 센스펫의 센스 단자의 전압을 유지하게한다. 상기 비교기는 상기 센스펫의 센스 단자의 전압과 접지 전압을 비교하여 원 샷 회로를 구동한다. 상기 원 샷 회로는 센스펫의 턴 온 시간을 조절한다. 상기 비교기는 영전압 시점을 감지 후 다이오드의 역회복 기간 동안 상기 원 샷 회로에 의해 전류를 센스펫을 통해 흐르게 한다. 상기 센스펫의 센싱 단자에 바이어스를 인가하여 센싱 단자의 전압 변화를 통하여 드레인-소스간의 영전압 시점을 감지한다.

따라서, 본 발명에서처럼 다이오드의 역회복시에 다이오드를 통하지 않고 센스펫을 이용하여 전류를 흘릴수 있도록 하게 되면 역회복 시간을 임의로 조절할 수 있을 뿐 아니라 역회복 시간동안 발생하는 스위칭 손실을 대폭 줄일 수 있다.

Description

센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브(One Shot Gate Drive) 회로에 관한 것이다.

센스펫(Sense FET)은 모스펫(MOSFET)의 소스 면적의 일부를 분리하여 또 하나의 단자인 센스 단자로 해 놓은 모스펫을 말한다. 그 센스펫의 센스 단자 전압을 턴온시의 게이트-소스 전압이나 드레인-소스 전압보다 충분히 작게 유지해 주면 턴온시의 센스 단자전류는 드레인전류에 비례하여 흐르게 된다. 통상 센스 단자전류는 드레인전류에 비해 아주 작게 흐르므로 전류의 감지가 쉬워지는 장점을 갖는다.

일반적으로, 전류를 감지하기 위해서는 제어용 집적회로(Integrated Circuit: 이하 "IC"라 함)의 외부에 감지저항을 달거나 아니면 IC 공정이 고내압을 견뎌내는 공정을 이용해야 하는 부담이 있다. 그래서 제어용 IC상의 낮은 내압의 저항으로 고압인 드레인-소스 전압의 영전압 시점을 감지할 수 있는 회로가 있다면 아주 유용하게 이용될 수가 있을 것이다.

전압형 의사공진 컨버터(Voltage Mode Quasi Resonant Converter)는 전류연속과 불연속 모드의 경계점에서 동작하는 컨버터로서 1차측 스위치의 양단의 전압이 최저점에 도달할 때 스위치를 온 시켜서 스위칭 손실과 dv/dt로 인한 전자기 간섭(EMI)의 발생을 억제할 수 있다. 이런 장점으로 C-TV와 같은 디스플레이 기기의 전원 장치로 이용되고 있다.

2차측의 다이오드가 오프된 이후 만큼의 시간이 흐르게 되면 스위치의 양단의 전압이 최저치에 이르게 된다. 그런데, 스위치의 전압의 최저치는 이차측의 다이오드가 오프되는 순간의 1차측의 인덕터에 흐르는 전류와 입력 전압에 의해 영향을 받는다. 1차측의 인덕터에 흐르는 전류의 초기치는 이차측의 다이오드의 역회복 특성(역회복 시간)에 주로 영향을 받게 되며 역회복 시간이 길수록 전류는 많이 흐르게 되고 스위치의 전압은 더욱 낮아지게 된다. 그러나 이차측의 다이오드의 역회복 시간이 길어지면 발생하는 스위칭 손실이 크게되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전압형 의사공진 컨버터에서 다이오드의 역회복시에 다이오드를 통하지 않고 센스펫을 이용하여 전류를 흘릴수 있도록 하여 역회복 시간을 임의로 조절할 수 있는 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로의 회로도이다.

도 2에서는 센스펫을 이용한 영전압 감지회로를 나타낸다.

도 3a 내지 도 3b는 센스펫의 등가회로를 이용하여 게이트 전압에 따른 센스 단자 전압을 나타낸 각 동작모드별 등가회로도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로를 전압형 의사공진형 컨버터에 응용하는 경우의 동작을 각 모드별로 나누어 설명한 회로도와 그래프이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 전압형 의사공진 컨버터에 있어서,

2차측은 센스펫과, 센스저항과, 비교기 및 원 샷 회로를 구비한 원 샷 게이트 드라이브 회로를 제공한다.

상기 센스펫은 센싱 단자를 이용하여 드레인-소스간의 영전압 시점을 감지한다.

상기 센스 저항은 센스펫의 센스 단자의 전압을 유지하게한다.

상기 비교기는 상기 센스펫의 센스 단자의 전압과 접지 전압을 비교하여 원 샷 회로를 구동한다.

상기 원 샷 회로는 센스펫의 턴 온 시간을 조절한다.

상기 비교기는 영전압 시점을 감지 후 다이오드의 역회복 기간 동안 상기 원 샷 회로에 의해 전류를 센스펫을 통해 흐르게 한다.

상기 센스펫의 센싱 단자에 바이어스를 인가하여 센싱 단자의 전압 변화를 통하여 드레인-소스간의 영전압 시점을 감지한다.

상기 전압형 의사공진 컨버터는 턴 온시에 1차측 인덕터의 초기 전류값을 크게 하여 1차측 스위치의 턴-온시의 전압의 최저치를 더욱 낮출 수 있도록 하였다.

따라서, 본 발명에서처럼 다이오드의 역회복시에 다이오드를 통하지 않고 센스펫을 이용하여 전류를 흘릴수 있도록 하게 되면 역회복 시간을 임의로 조절할 수 있을 뿐 아니라 역회복 시간동안 발생하는 스위칭 손실을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로에서 1차측은 전원(101)과, 게이트 드라이브(102)와, 트랜지스터(103)와, 다이오드(104)와, 커패시터(105) 및 인덕터(106)를 구비하고, 2차측은 트랜스 인덕터(107)와, 센스펫(108)과, 센스 저항(109)과, 비교기(110), 원 샷 회로(one shot:111)와, 바디 다이오드(113)와, 커패시터(113) 및 저항(114)를 구비한다.

도 1은 일반적으로 사용하는 2차측의 정류단에 다이오드 대신 센스펫과 센스 저항, 비교기, 그리고 원 샷 회로를 이용한 회로를 도시한 것이다. 센스펫(108)의 센스 단자를 저항(109)을 통해 2차측의 접지로 연결하고, 센스 단자의 전압을 비교기(110)의 (+)단으로 입력한다. 비교기(110)의 (-)단을 접지로 연결하여 영전압 시점을 감지한다. 영전압 시점이 지나고 센스펫의 보디 다이오드(Body Diode:112)가 역 회복을 시작하면 비교기(110)의 출력이 하이로 바뀌게 되고 원 샷(One Shot:111)회로로 입력이 되어 일정시간 동안 게이트를 온시켜 센스펫(108)을 턴 온시켜서 스위칭시의 손실을 감소시킴과 동시에 원하는 시간동안 턴-온 시킬 수 있게 된다. 또한, 턴 온시에 1차측 인덕터의 초기 전류값을 크게 하여 1차측의 스위치의 턴-온시의 전압의 최저치를 더욱 낮출 수 있도록 하였다.

도 2에서는 센스펫을 이용한 영전압 감지회로를 나타낸다. 센스펫의 센스 단자에 저항을 통해 바이어스(Vbias)를 인가한 것이다. 저항 R1과 R2는 전류원만 또는 전류원과 저항 등으로 대체될 수 있다. 센스펫의 센싱 면적과 나머지 면적은 오차가 있기는 하지만 두 개의 독립된 모스펫(MOSFET)으로 볼 수 있다.

도 3a 내지 도 3b는 센스펫의 등가회로를 이용하여 게이트 전압에 따른 센스 단자 전압을 나타낸 각 동작모드별 등가회로도이다. 회로상의 다이오드는 일반적인 파워 모스펫에 내장된 보디(Body) 다이오드이다. 도 3a의 회로는 게이트가 로우(Low)에서 하이(High)로 신호가 인가되어 센스펫으로 전류가 흐르는 경우의 동작 파형이다. 이 경우에 센스 단자의 전압(Vsense)은 Vsense = Vbias*R1/(R1+R2)로 그 부호가 (+)가 된다. 도 3b의 회로에서는 게이트 전압을 영으로 하였다. 게이트 전압이 영이되고 보디 다이오드(Body Diode)가 턴 온이 되면 그라운드로부터 센스 저항 그리고 센스 단자의 보디 다이오드(Body Diode)로 전류가 흐르게 된다. 이 경우에 센스 단자의 전압(Vsense)은 보디 다이오드(Body Diode)의 턴 온 전압(0.7)보다는 그 크기가 작고 그 부호가 (-)가 된다(-0.7 < Vsense < 0). 이런 특성을 이용하여 센스 단자의 전압(Vsense)이 부호가 (-)에서 (+)로 바뀌는 시점을 감지하는 것으로 드레인-소스간 보디 다이오드의 역 회복시점을 감지할 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 센스펫을 이용한 원 샷 게이트 드라이브 회로를 전압형 의사공진형 컨버터에 응용하는 경우의 동작을 각 모드별로 나누어 설명한 회로도와 그래프이다.

도 4a는 전압형 의사공진형 컨버터의 동작 모드 1을 나타낸 것으로서, 모드 1에서는 트랜스의 인덕턴스에 에너지가 저장이 되는 구간이다. 이때 저장이 된 에너지는 모드 2(도 4b)에서 이차측의 다이오드가 턴 온 되면서 전달이 된다. 모드 2에서는 2 차측의 다이오드가 턴 온되어 1 차측의 에너지가 2 차측으로 전달이되는 경우의 전류의 흐름을 나타낸다. 이때 센스 단자의 전압은 (-)가 된다. 비교기의 출력은 로우(Low)가 되어 원 샷(One Shot)회로는 동작을 하지 않는다. 에너지의 전달이 모두 끝나게 되면 다이오드의 전류가 영이 되고, 다이오드 양단의 전압이 영이 된다. 이 순간이 모드 2의 마지막 시점이다. 모드 2에서 모드 3으로 전이되는 순간 다이오드의 역회복이 시작된다(도 4c). 이 시점에서 센스펫의 센스 단자의 전압이 (+)로 바뀌게 되고 다음단의 비교기의 출력 신호가 하이로 인가되고, 이 신호는 원 샷(one Shot)회로로 입력이 된다. 원 샷(One Shot)회로에서는 설정된 역회복(Tdelay) 시간 만큼의 게이트 신호를 인가하여 인덕터의 전류를 원하는 크기로 유기하여 스위치의 전압의 최적값을 일반 다이오드를 사용하는 경우보다 더욱 낮출 수 있도록 되어 있을 뿐 아니라 다이오드 역 회복시에 센스펫을 턴 온 시켜 스위칭 손실을 대폭 줄일 수 있도록 되어 있다. 도면의 우측에 스위칭 손실을 보면 다이오드가 역회복되는 경우의 손실과 센스펫을 통하여 흐르는 경우의 손실에는 큰 차이가 있음을 알 수 있다.

본 발명이 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다이오드의 역회복시에 다이오드를 통하지 않고 센스펫을 이용하여 전류를 흘릴수 있도록 하게 되면 역회복 시간을 임의로 조절할 수 있을 뿐 아니라 역회복 시간동안 발생하는 스위칭 손실을 대폭 줄일 수 있다.

Claims (4)

1차측과 2차측을 구비한 전압형 의사공진 컨버터에 있어서,

상기 2차측이 센싱 단자를 이용하여 드레인-소스간의 영전압 시점을 감지하는 센스펫과;

상기 센스펫의 센스 단자의 전압을 유지하는 센스저항과;

상기 센스펫의 센스 단자의 전압과 접지 전압을 비교하여 원 샷 회로를 구동하는 비교기; 및

상기 센스펫의 턴 온 시간을 조절하는 원 샷 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 원 샷 게이트 드라이브 회로.

제1항에 있어서, 상기 비교기는 영전압 시점을 감지 후 다이오드의 역회복 기간 동안 상기 원 샷 회로에 의해 전류를 센스펫을 통해 흐르게 한 것을 특징으로 하는 원 샷 게이트 드라이브 회로.

제1항에 있어서, 상기 센스펫의 센싱 단자에 바이어스를 인가하여 센싱 단자의 전압 변화를 통하여 드레인-소스간의 영전압 시점을 감지하는 것을 특징으로 하는 원 샷 게이트 드라이브 회로.

제1항에 있어서, 상기 전압형 의사공진 컨버터는 턴 온시에 1차측 인덕터의 초기 전류값을 크게 하여 1차측 스위치의 턴-온시의 전압의 최저치를 더욱 낮출 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 원 샷 게이트 드라이브 회로.