KR20070037651A - 캐스코드 정류기 - Google Patents

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KR20070037651A
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Abstract

본 발명에 따른 고전압 정류기 디바이스는 저전압 구조와 캐스코드 구성으로 연결되어 있는 고전압 구조로 형성되는 고속 스위칭 시간 및 낮은 순방향 저항을 표시한다. 상기 고전압 구조는, 게이트 단자들 중 하나가 역 바이어스된 경우에 차단되는 2 쌍의 게이트와 소스 단자들을 구비한 양방향의 정상적인 온(on) 반도체 스위치이다. 상기 저전압 구조는 다이오드이며, 바람직하게는 쇼트키 또는 배리어 다이오드이다. 상기 디바이스는 유익하게 집적회로로서 형성된다. 제로(0) 볼트로 클램프되는 스위치의 단자 쌍들 중 하나에서, 상기 디바이스는 다이오드 역할을 하거나, 혹은 제 2 단자 쌍이 3-단자 제어 정류기의 기능을 제공하도록 이용될 수 있다. 다른 가능한 응용들 중에서 특히, 4개의 디바이스들을 사용하는 브리지 정류기로서의, 그리고 IGBT와의 연결을 위한 역평행 다이오드(anti-parallel diode)로서의 집적회로들이 있다.
고전압 정류기, 쇼트키 다이오드, 3-단자 다이오드, 브리지 정류기, IGBT.

Description

캐스코드 정류기{CASCODED RECTIFIER}
관련 출원
본 출원은 2004년 8월 23일 출원된 미국가출원 60/603,589호에 기초하며 그 우선권을 주장하는바, 상기 미국가출원의 전체 개시 내용은 참조 문헌으로서 본원에 포함된다.
또한, 본 출원은 '양방향의 정상적인 온 디바이스를 사용한, 돌입 전류 보호를 갖는 자기-구동 동기식 정류된 부스트 컨버터'라는 명칭으로, 발명자(마르코 솔다노(Marco Soldano)(Atty. Dkt. 2-4813))에 의해 2005년 8월 11일 출원된 미국특허출원과 관련되는데, 그 전체 개시 내용은 또한 참조 문헌으로서 본원에서 포함된다.
본 발명은 고전압 정류기 디바이스들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 종래기술 디바이스들에 비해 크게 낮아진 순방향 도통 손실 및 스위칭 손실을 나타내는 디바이스들에 관한 것이다.
바이폴라 정류기들은 통상적으로 고전압 응용들(예를 들어, 200-300V 이상)에 사용되고 있다. 이러한 정류기들은 적절한 역방향 항복 성능을 제공하기 위해, 전형적으로 p-i-n 구조로 구현된다. 그러나, 진성 영역은 적당하게 작동하기 위해 디바이스에 대한 높은 저항성을 나타내어야 한다. 이는 순방향 도통 모드에서 큰 전압 강하를 발생시키며, 많은 고전류 응용들에서 전력 손실들의 주요 원인이 된다.
일부 경우들에서, 정류기들은 전용 제어 회로로 제어되는 스위치들로 대체될 수 있다. 이러한 정류기들은 동기식 정류기 회로들로 불리며, 그리고 순방향 도통 손실들을 감소함과 아울러 고속 스위칭을 제공하는 이점을 제공하지만, 이는 요구되는 상태를 검출함과 아울러 자체적으로 스위치를 작동하기 위한 능동 회로의 사용을 요구한다.
고전압 스위치들에서 순방향 저항을 감소시키려는 노력으로 시도된 일 접근은 'COMPOSITE MOSFET CASCODE SWITCHES FOR POWER CONVERTERS'에 대한 미국특허 6,483,369호에서 예시된다. 상기 특허받은 디바이스에서, 합성 구조는 효율성 및 스위칭 속도 개선을 위해, 저전압의, 작은 다이 크기의 MOSFET와 캐스코드로 배열된 큰 다이 크기의 고전압 MOSFET로 형성된다. 그러나, 이러한 접근은 동기식 정류 기능을 수행하기 위해 추가적인 제어 회로를 요구한다는 단점을 갖는다.
따라서, 고전압들에서 사용하기 위한 단순하며, 손실이 적으며, 고속의 스위칭 정류기 디바이스에 대한 필요가 여전히 존재한다.
본 발명은 쇼트키 다이오드 등과 같은 저전압 다이오드와 캐스코드 구성으로 연결된 정상적인 온(on) 양방향 스위치를 포함하는 합성 디바이스를 제공함으로써 상술한 필요를 충족시킨다. 바람직하게, 2개의 부분들이 공통 기판상에서 제조되며, 최소 개수의 핀들(예를 들어, 2개 만큼 작은 개수의 핀들)로 IC를 형성하도록 캡슐화된다. 기타 구성요소들이 추가적인 기능성을 제공하도록 상기 IC에 포함될 수 있다.
이러한 종류의 양방향 스위치들은 양방향으로 전류를 도통 및 차단시킬 수 있다. 이들은 전형적으로 2개의 소스 단자들 사이의 전류 흐름을 제어하도록 2개의 제어 핀들 또는 게이트들을 사용하여 구현된다. 상기 디바이스는 정상적으로 온 된다. 즉, 디바이스를 차단시키기 위해, 네거티브 바이어스가 각 게이트-소스 쌍들 중 적어도 하나 사이에 인가되어야 한다. 만일 게이트들 중 하나가 역 바이어스된 경우에, 소스 단자들 사이에 어떤 전류 흐름이 없게 될 것이다. 이러한 타입의 디바이스는 예를 들어, 미국특허 4,608,590호에서 도시된다.
바람직하게, 저전압 다이오드가 게이트-소스 쌍들 중 하나 사이에 연결되며, 따라서, 합성 디바이스는 자기-구동된다. 다른 게이트-소스 쌍은 단자들을 함께 연결함으로써 제로(0) 볼트로 유지될 수 있거나, 혹은 외부 제어 신호가 SCR(실리콘 제어 정류기) 또는 사이리스터(Thyristor) 방식으로 작동하는 3-단자 디바이스를 제공하는데에 사용될 수 있다. 추가적으로, 복수의 디바이스들이 결합될 수 있는데, 예를 들어, 4개의 디바이스들이 정류기 브리지를 형성하도록 IC로서 제조될 수 있거나, 혹은 디바이스들 중 하나는 IGBT에 프리윌링(freewheeling) 또는 역방향 전류 보호 기능을 제공하도록 역평행(antiparallel) 관계로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 통합될 수 있다. 또한, 상술한 관련 미국출원은 고전압 부스트 컨버터에서 정류기 디바이스의 사용을 예시한다. 디바이스의 기타 응용들은 하기의 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 자명하게 될 것이다.
본 발명은 종래기술 고전압 정류기들에 비해 크게 감소된 도통 손실들을 제공하며, 동시에 어떤 회복 전류(recovery current)가 존재하지 않기 때문에, 크게 개선된 스위칭 속도를 제공한다. 역방향 전류만이 소형 쇼트키 정류기의 용량성 변위 전류(displacement current)가 될 수 있는데, 이는 전형적으로 바이폴라 고전압 정류기들에 비해 약간의 크기만큼 작다.
따라서, 본 발명의 목적은 매우 낮은 순방향 도통 손실들과 고속 스위칭 시간을 갖는 고전압 정류기 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 캐스코드 구성으로 연결된 저전압 다이오드와 양방향의 정상적인 온 스위치로 형성되는 상기 정류기 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은 이러한 디바이스를 다양한 회로 응용들에서 이용하는 것인데, 이는 정류기로서 작동하는 2-단자 디바이스, SCR 또는 사이리스터 방식으로 작동하는 3-단자 디바이스, 풀-브리지 정류기, 또는 IGBT와의 역평행 구성을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
본 발명의 추가적인 목적은 이러한 디바이스들을 집적회로들로서 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 특성들 및 이점들은 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 하기의 상세한 설명으로부터 자명하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스들의 구성요소로서 사용될 수 있는 양방향의 정상적인 온 스위치를 도시한다.
도 2는 다이오드 정류기 기능을 제공하도록 본 발명의 예시적인 구현을 도시한다.
도 3은 3-단자 제어 정류기를 제공하도록 본 발명의 예시적인 구현을 도시한다.
도 4A는 종래기술 풀-브리지 정류기 토폴로지(topology)를 도시하며, 도 4B는 도 4A의 브리지 정류기 기능성을 제공하기 위한 본 발명의 구현을 도시한다.
도 5A는 에미터 단자와 컬렉터 단자 사이에 역평행 구성으로 연결되어 있는 종래기술 다이오드를 구비한 IGBT를 도시하며, 도 5B는 본 발명에 따른 정류기 디바이스를 이용하여 도 5A의 회로 구현을 도시한다.
도면들 전체에서, 동일한 부분들은 동일한 참조번호에 의해 표시된다.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스들의 구성요소들 중 하나로서 사용될 수 있는 양방향으로 정상적으로 도통되는 반도체 스위치를 예시한다. 스위치(전반적으로 (10)으로 표시됨)는 제 1 소스 단자(12)와 제 2 소스 단자(14) 사이에서 전류를 양방향으로 도통 및 차단시킬 수 있는 공지의 디바이스이다. 제어는 제 1 게이트 단자(18)와 소스 단자(12) 사이에 연결되어 있는 바이어스 전압원(16)과 제 2 게이트단자(22)와 소스 단자(14) 사이에 연결되어 있는 제 2 전압원(20)에 의해 제공된다. 이러한 종류의 디바이스는 프로그램된 임계값 이하의 네거티브 바이어스가 게이트-소스 쌍들 중 하나 또는 2개 모두의 양단에 인가되는 때에, 디바이스가 오프 될 것이라는(즉, 소스 단자들 간의 전압을 유지할 것이라는) 사실에 의해 특징된다. 2개 모두의 게이트들에서의 전압이 제로(0)가 된 경우에만, 전류는 2개의 소스 단자들 사이에서 흐를 수 있다. 이러한 종류의 디바이스들은 개별 소자들로서 여러 출처들로부터 상업적으로 이용가능하며, 이러한 디바이스들을 제조하기 위한 IC 제조 기술들은 공지되어 있다.
도 2는 도 1의 스위치(10)가 고전압 정류기를 형성하는데에 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다. 도시된 디바이스(전반적으로 (30)으로 표시됨)는 스위치(10)와 저전압 정류기(32)(예를 들어, 쇼트키(Schottky) 또는 배리어(barrier) 정류기)를 포함하는데, 여기서 저전압 정류기의 애노드(34)는 게이트 단자(18)에 연결되며, 그 캐소드(36)는 소스 단자(12)에 연결된다. 유익하게, 스위치(10)와 다이오드(32)는 공통 기판상에서 형성되며, 외부적으로 액세스가능한 "애노드" 및 "캐소드" 단자들(38 및 40)을 갖는 집적회로를 형성하도록 캡슐화된다. 디바이스(30)로 하여금 다이오드로서 작동하게 하기 위해, 소스 단자(14)는 외부 점퍼에 의해 또는 다이렉트 내부 연결에 의해 직접적으로 게이트 단자(22)에 연결된다.
디바이스(30)에서, 입력 단자(38)와 출력 단자(40) 간의 전압(VAK)이 포지티브가 되는 때에, 전류는 저전압 다이오드(32)로 흐를 것이며, 게이트 단자(18)의 바이어스 전압(VGS1)은 다이오드(32)의 순방향 전압 강하와 일치하게 될 것이다. 이것이 포지티브 전압이기 때문에, 디바이스(10)를 온(on) 상태로 유지시킬 것이다.
VAK가 네거티브가 되는 때에, 다이오드(32)는 역 바이어스될 것이며, 스위 치(10)에 대한 게이트 임계값과 일치하거나 그보다 큰 전압을 발생시킬 것이며, 스위치는 이후에 턴 오프되며 전체 VAK 전압을 유지할 것이다.
도 3은 디바이스(30)가 3-단자 제어 정류기를 제공하도록 어떻게 변형될 수 있는지를 예시한다. 이러한 디바이스(전반적으로 (30`)로 표시됨)는 디바이스를 온 및 오프로 트리거링하기 위해 제어로서 제 2 게이트-소스 쌍(22-14)을 이용하며, 따라서, 사이리스터 또는 SCR의 기능은 이러한 디바이스들에 전형적인 래치 메커니즘(latching mechanism) 없이 모방(emulate)될 수 있다. 바꾸어 말하면, 스위치는 자신의 파워 핀들과 독립적으로 인에이블(enable) 될 수 있다. 여기서, 소스(14)와 게이트(22) 간의 다이렉트 연결은 외부 제어 신호원에 의해 대체되는데, 이는 제로(0)와 적합한 네거티브 값 사이에서 가변되는 전압원(42)에 의해 표시된다. 제어 신호 전압이 제로인 때에, 스위치(10)의 상태는 VAK에 의해서만 결정된다. 제어 신호 전압이 네거티브인 때에, 스위치(10)는 VAK에 관계없이 차단된다. 따라서, 디바이스(30`)는 SCR 또는 사이리스터와 유사하게 작동한다.
도 4A는 종래기술 풀 브리지 정류기 회로(46)를 도시하는데, 이는 단자(50)와 단자(52) 사이에 연결되어 있는 AC 입력(48)을 구비하며, 포지티브 및 네거티브 DC 출력 전압들이 단자들(54 및 56)에 제공된다. 도 4B는 도 2에서 예시된 종류의 정류기 디바이스들(30a 내지 30d)을 사용한 이러한 브리지 회로(46`)의 구현을 예시한다.
여기서, AC 전압원은 정류기 디바이스들(30a 및 30d) 간의 단자들(50) 및 정 류기 디바이스들(30b 및 30c) 간의 단자(52)에 연결된다. 출력들(54 및 56)은 정류기 디바이스들(30a 및 30b) 사이 및 정류기 디바이스들(30c 및 30d) 사이에 각각 제공된다. 도시된 구성은 풀 브리지 정류기 회로의 기능성에, 정류기 디바이스(30)에 의해 제공되는 고전압, 저(low) 도통 손실, 및 고속 스위칭을 제공한다.
도 5A는 역평행 관계로 연결된 다이오드(62)를 갖는 종래기술 IGBT(60)를 예시한다. 도 5B는 다이오드(62)가 정류기 디바이스(30)에 의해 대체된 동일한 회로를 예시한다.
비록 본 발명이 그 특정 실시예들에 관하여 설명되었지만은, 많은 다른 변화들 및 변형들 및 다른 이용들이 기술분야의 당업자들에게 자명하게 될 것이다. 따라서, 본 발명은 본원의 특정 개시에 국한되지 않으며, 하기의 청구범위에 따라 허용되는 전체적인 범주로 제공된다.

Claims (18)

  1. 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스로서,
    다이오드로 구성되는 저전압 구조와; 그리고
    양방향의 정상적인 온(on) 반도체 스위치로 구성되는 고전압 구조를 포함하며,
    여기서, 상기 고전압 및 저전압 구조들은 캐스코드 구성으로 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다이오드의 캐소드 단자는 상기 양방향 스위치의 제 1 소스 단자에 연결되며,
    상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 양방향 스위치의 제 1 게이트 단자 및 신호 입력 단자에 연결되며, 그리고
    상기 양방향 스위치의 제 2 소스 단자는 신호 출력 단자에 연결되며,
    여기서, 상기 양방향 스위치의 상기 제 2 소스 단자와 제 2 게이트 단자 사이에 결합 구조가 제공되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 저전압 및 고전압 구조들은 공통 기판상에서 제조되 며, 집적회로를 형성하도록 캡슐화되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 결합 구조는 다이렉트 연결이며, 이에 따라 상기 디바이스는 다이오드로서 작동하는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  5. 제 4항에서 기재된 바와 같은 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 스위칭되는 정류기 디바이스들을 포함하는 브리지 정류기 디바이스로서,
    상기 제 1 스위칭되는 정류기의 입력 단자와 상기 제 4 스위칭되는 정류기의 출력 단자는 제 1 브리지 입력 단자에 연결되며,
    상기 제 2 스위칭되는 정류기의 입력 단자와 상기 제 3 스위칭되는 정류기의 출력 단자는 제 2 브리지 입력 단자에 연결되며,
    상기 제 1 및 제 2 스위칭되는 정류기들의 출력 단자는 제 1 브리지 출력 단자에 연결되며,
    상기 제 3 및 제 4 스위칭되는 정류기들의 입력 단자는 제 2 브리지 출력 단자에 연결되며, 그리고
    상기 브리지 정류기 디바이스는 상기 브리지 입력 단자들에서 AC 입력 전압을 수신함과 아울러 상기 브리지 출력 단자들에서 전파 정류된 DC 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 브리지 정류기 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 4개의 정류기 디바이스들은 하나의 집적회로의 일부로서 공통 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 브리지 정류기 디바이스.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 결합 구조는 다이렉트 연결이며, 이에 따라 상기 디바이스는 다이오드로서 작동하는 것을 특징으로 하는 브리지 정류기 디바이스.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 결합 구조는 외부적으로 제어되는 전압원이며, 이에 따라 상기 디바이스는 3-단자 제어 정류기로서 작동하는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  9. 제 4항에 있어서, IGBT와 결합하며, 여기서 상기 IGBT의 에미터와 컬렉터 단자들은 역평행 관계로 상기 정류기 디바이스의 애노드와 캐소드 단자들에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  10. 제 9항에 따른 결합 디바이스로서, 상기 정류기 디바이스와 상기 IGBT는 하나의 집적회로의 일부로서 공통 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 결합 디바이스.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 저전압 구조는 쇼트키 또는 배리어 다이오드인 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  12. 제 1항에 기재된 바와 같은 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 스위칭되는 정류기 디바이스들을 포함하는 브리지 정류기 디바이스로서,
    상기 제 1 스위칭되는 정류기의 애노드 단자와 상기 제 4 스위칭되는 정류기의 캐소드 단자는 제 1 브리지 입력 단자에 연결되며,
    상기 제 2 스위칭되는 정류기의 애노드 단자와 상기 제 3 스위칭되는 정류기의 캐소드 단자는 제 2 브리지 입력 단자에 연결되며,
    상기 제 1 및 제 2 스위칭되는 정류기들의 캐소드 단자들은 제 1 브리지 출력 단자에 연결되며,
    상기 제 3 및 제 4 스위칭되는 정류기들의 애노드 단자들은 제 2 브리지 출력 단자에 연결되며, 그리고
    상기 브리지 정류기 디바이스는 상기 브리지 입력 단자들에서 AC 입력 전압을 수신함과 아울러 상기 브리지 출력 단자들에서 전파 정류된 DC 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 브리지 정류기 디바이스.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 4개의 정류기 디바이스들은 하나의 집적회로의 일부로서 공통 기판상에서 형성되는 것을 특징으로 하는 브리지 정류기 디바이스.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 디바이스는 다이오드로서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 디바이스는 3-단자 제어 정류기로서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  16. 제 1항에 있어서, IGBT와 결합하며, 여기서 상기 IGBT의 에미터와 컬렉터 단자들은 역평행 관계로 상기 정류기 디바이스의 애노드와 캐소드 단자들에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭되는 고전압 정류기 디바이스.
  17. 제 16항에 따른 결합 디바이스로서, 상기 정류기 디바이스와 상기 IGBT는 하나의 집적회로의 일부로서 공통 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 결합 디바이스.
  18. 제 1항에 따른 4개의 정류기 디바이스들을 포함하는 디바이스로서, 풀 브리지 정류기로서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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