KR20110120071A - 포토 커플러를 이용한 전계효과 트랜지스터 구동장치 - Google Patents

포토 커플러를 이용한 전계효과 트랜지스터 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토 커플러를 이용한 FET 구동 장치에 관한 것으로, 본 발명의 FET 구동 장치는, 인가되는 구동전압에 의해 드레인(D)-소오스(S) 양단에 전류의 흐름 유무에 따라 스위치를 온(ON)/오프(OFF)시키는 FET(Field Effect Transistor), FET의 드레인과 게이트(G) 사이에 직렬로 연결되어 인가되는 바이어스 전압(Vcc)로부터 구동전압을 얻어 FET의 드레인에 인가하는 바이어스 저항(Ra), 및 FET와 제어회로 간을 절연시키면서 FET의 게이트와 소오스에 연결되어 입력되는 PWM 구동신호를 빛을 통해 전달받아 FET의 소오스에 연결된 접지로 출력하는 포토 커플러(Photocoupler);를 포함하여 구성되며, 이때 구동전압에 의해 FET가 스위치 온(ON) 상태를 유지하다가, PWM 구동신호가 입력되면 FET의 드레인-소오스 양단에 흐르던 전류가 바이어스 저항(Ra)-포토 커플러를 거쳐 접지로 출력되어 FET가 스위치 오프(OFF)된다. 이에 의해, 제어회로와 절연이 되면서 FET 구동을 위한 별도의 구동 전원이 필요 없으며, PWM 듀티의 크기와 관계없이 FET 구동이 가능하고, 회로 구성이 간단하여 부피가 작고 가격이 저렴하게 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

포토 커플러를 이용한 전계효과 트랜지스터 구동장치{Driving Apparatus of Field Effect Transistor using Photocoupler}
본 발명은 고속 스위칭 소자인 FET(Field Effect Transistor; 전계효과 트랜지스터)의 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, FET 드라이브(Drive; 구동)를 위한 전원을 사용하지 않으면서 간단한 구조로 제어회로와 절연이 가능한 FET 구동장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 스위칭 소자용으로 많이 쓰이는 것으로는 FET(Field Effect Transistor; 전계효과 트랜지스터) 및 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터) 등이 있다.
이러한 FET 및 MOS FET는 진공관과 비슷한 원리로 입력 전압으로 출력 전류를 제어하는 특성을 갖는다．
FET는 접합형 FET라고도 하는데, 입력 게이트(Gate: G)가 반도체의 접합으로 구성되고 있는 FET로, 트랜지스터(Transistor)와 비교하여 훨씬 적은 입력 전류로 동작할 수 있다．
ＭＯＳ FET는 입력 게이트가 산화 실리콘 박막으로 절연되어 있는 FET로, 상당히 높은 입력 임피던스(전류가 흐르지 않는)를 갖고 있는 것이 특징이다．
그러므로 FET의 장점은 구동전류(게이트 전류)가 거의 흐르지 않기 때문에 전력 사용 효율이 소전력을 사용하는 것에서는 트랜지스터 보다 우수하고 동급의 전력을 취급시 드레인(Drain: D) 소오스(Source: S)간 전압 강하가 트랜지스터에 비해서 적기 때문에(순저항으로서 트랜지스터의 절반 이하수준) 전력 이용률이 높은 장점이 있다. 이에 따라, 소형 전력 변환기용 스위칭 소자에는 FET가 많이 쓰인다.
도 1은 통상적으로 이용되고 있는 종래의 FET를 구동하기 위한 FET 구동 장치의 일예를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, FET 구동 장치는 포토 커플러(Photocoupler)(12), 구동용 전원부(14), 구동 IC(집적회로)(16), 및 FET(18)를 포함하여 구성된다. 도시된 FET 구동 장치는 제어회로와의 절연을 위해 포토 커플러(12)가 사용된 예이다.
포토 커플러(12)는 전기신호를 빛으로 결합시키는 소자로서, 발광부인 발광 다이오드(luminescent diode)와 수광부인 포토 트랜지스터(Photo Transistor)가 서로 전기적으로 절연되는 특성에 의해 제어회로와 절연된다. 포토 커플러(12)는 제어회로에서 PWM 구동신호가 입력되면, 발광 다이오드로부터 빛이 나와 포토 트랜지스터에 닿게 되어 포토 트랜지스터가 전기적으로 동작하게 된다. 이에 따라, 포토 트랜지스터에서 출력되는 신호는 구동 IC(16)로 입력된다.
구동용 전원부(14)는 구동 IC(16)의 구동(Drive)을 위한 전원을 생성하여 동 IC(16)에 공급한다.
구동 IC(집적회로)(16)는 구동용 전원부(14)로부터 제공되는 구동전원을 이용하여 구동시켜 포토 커플러(12)에서 입력된 PWM 구동신호를 증폭시켜 FET(18)로 출력한다.
FET(18)는 구동 IC(16)로부터 제공된 PWM 구동신호가 게이트저항(Rg) 및 방전저항(Rd)을 거쳐 흐르게 되어, FET(18)가 구동된다.
그런데, 이와 같이 구동 IC(16)를 사용하는 경우, 제어회로와 절연된 별도의 구동용 전원이 필요하게 되어 전체적인 FET 구동장치가 복잡해지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 구동 IC 및 구동용 전원이 필요 없는 펄스트랜스를 사용하는 FET 구동 장치가 있다.
도 2는 기존에 FET를 구동하기 위한 FET 구동 장치의 다를 예를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, FET 구동 장치는 증폭부(32), 펄스 트랜스(34), 및 FET(38)를 포함하여 구성된다. 도시된 FET 구동 장치는 PWM 구동신호의 듀티(duty)가 50%에 가까운 응용분야에 사용된다.
증폭부(32)는 PWM 구동신호를 증폭하여 펄스 트랜스(34)로 출력한다. 펄스 트랜스(34)는 1차 및 2차 자기회로로 구성되어 1차측에 입력된 PWM 구동신호를 2차측에 전달한다. FET(38)는 펄스 트랜스(34)로부터 제공된 PWM 구동신호가 게이트저항(Rg) 및 방전저항(Rd)을 거쳐 흐르게 되어, FET(18)가 구동된다.
그런데, 이와 같이 펄스트랜스(34)를 사용하는 경우, PWM 구동신호의 펄스폭을 1차측에서 2차측으로 정확하게 전달하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 특히, PWM 구동신호의 듀티가 50% 부근이 아닌 경우, 펄스트랜스(34)가 포화되어 PWM 구동신호에 따라 제대로 FET(38)가 구동되지 못하게 되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 제어회로와 절연되면서 별도의 구동 전원이 필요 없는 간단한 구성을 갖는 FET 구동장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, PWM 구동신호에 의한 듀티 크기와 상관없이 FET 구동이 가능하고 회로의 구성이 간단한 FET 구동장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 FET 구동 장치는, 인가되는 구동전압에 의해 드레인-소오스 양단에 전류의 흐름 유무에 따라 스위치를 온(ON)/오프(OFF)시키는 FET(Field Effect Transistor); 상기 FET의 상기 드레인과 게이트 사이에 직렬로 연결되어, 인가되는 바이어스 전압(Vcc)로부터 상기 구동전압을 얻어 상기 FET의 상기 드레인에 인가하는 바이어스 저항(Ra); 및 상기 FET와 제어회로 간을 절연시키면서 상기 FET의 상기 게이트와 상기 소오스에 연결되어, 입력되는 PWM 구동신호를 빛을 통해 전달받아 상기 FET의 상기 소오스에 연결된 접지로 출력하는 포토 커플러(Photocoupler);를 포함하여 구성된다. 이에 의해, 상기 구동전압에 의해 상기 FET가 스위치 온(ON) 상태를 유지하다가, 상기 PWM 구동신호가 입력되면 상기 FET의 상기 드레인-소오스 양단에 흐르던 전류가 상기 바이어스 저항(Ra)-상기 포토 커플러를 거쳐 상기 접지로 출력되어 상기 FET가 스위치 오프(OFF)된다.
본 발명의 실시예에 따른 FET 구동 장치는, 상기 FET의 게이트와 소오스 사이에 직렬로 연결되어, 상기 FET의 게이트 파손을 방지하는 제너다이오드(ZD);를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제너다이오드의 전압은 적어도 상기 FET의 게이트에 대한 파손 전압보다 낮게 전압을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 FET 구동 장치는, 상기 FET의 게이트와 상기 포토 커플러 사이에 상기 FET의 소오스와 연결되어, 상기 포토 커플러로부터 상기 PWM 구동신호가 출력되면 상기 FET의 상기 드레인-소오스 양단에 흐르던 전류가 상기 바이어스 저항(Ra)을 거쳐 입력되면 상기 접지로 출력시켜 상기 FET가 스위치 오프(OFF)되도록 하는 방전 저항(Rb);을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 실시예에서 상기 포토 커플러는, 입력되는 상기 PWM 구동신호에 대응하여 상기 빛을 발광하는 발광 다이오드; 및 상기 빛을 수신하여 상기 PWM 구동신호로 출력하는 포토 트랜지스터;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 제어회로와의 절연을 위한 포토 커플러, 구동전압을 얻기 위한 바이어스 저항, FET 턴 오프(turn off) 속도를 개선하기 위한 방전저항, 및 써지성 전압으로부터 FET 게이트의 파손을 방지하기 위한 제너다이오드를 포함하여 구성되는 FET 구동장치를 제공함으로써, 제어회로와 절연이 되면서 FET 구동을 위한 별도의 구동 전원이 필요 없으며, PWM 듀티의 크기와 관계없이 FET 구동이 가능하고, 회로 구성이 간단하여 부피가 작고 가격이 저렴하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 통상적으로 이용되고 있는 종래의 FET를 구동하기 위한 FET 구동 장치의 일예를 도시한 도면이다.
도 2는 기존에 FET를 구동하기 위한 FET 구동 장치의 다를 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 포토 커플러를 이용한 FET 구동 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 포토 커플러를 이용한 FET 구동 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 도 4에 의한 10Khz에 80% 듀티를 갖는 PWM 구동신호에 대한 실험을 통한 직류쵸퍼(Chopper)의 출력 전압 전류 파형을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 고속 스위칭 소자인 FET(Field Effect Transistor; 전계효과 트랜지스터)의 구동장치에 관한 것으로, FET 구동 IC와 구동용 전원을 사용하지 않고 포토 커플러(Photocoupler)와 2개의 저항 및 제너다이오드만을 사용하여 제어회로와 절연이 가능한 간단한 구조의 FET 구동장치를 제안한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 포토 커플러를 이용한 FET 구동 장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, FET 구동 장치는 포토 커플러(100), 바이어스저항(Ra), 방전저항(Rb), 제너다이오드(ZD), 및 FET(280)를 포함하여 구성된다.
포토 커플러(100)는 제어회로와의 절연을 위한 것으로, 발광 다이오드(luminescent diode)와 포토 트랜지스터(Photo Transistor)로 구성된다. 여기서, 포토 커플러(100)는 갈륨비소를 재료로 하는 고출력 적외선 발광 다이오드와 고감조의 실리콘 포트 트랜지스터가 서로 마주보게 하고, 발광 다이오드에서 발광되어 나온 빛이 포토 트랜지스터에 전달될 수 있도록 투명 실리콘이나 광섬유로 그 사이를 채우고 플라스틱으로 몰딩한 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 포토 커플러(100)의 동작원리는 전기적으로는 발광 다이오드와 포토 트랜지스터가 전혀 연결되어 있지 않지만, 빛으로 연결되어 발광 다이오드에 전류를 흘려주면 빛이 발광되어 다른 곳으로 세어나가지 않고 맞은편에 있는 포토 트랜지스터에 수신됨에 따라 발광 다이오드의 신호에 따라 포토 트랜지스터가 동작하게 된다.
본 실시예에서 포토 커플러(100)는 제어회로와 FET(280)를 절연하는 동시에, PWM 구동신호가 입력되면 입력된 PWM 구동신호를 발광 다이오드와 포토 트랜지스터를 거쳐 출력한다. 이때, 발광 다이오드는 PWM 구동신호를 빛으로 발광하고, 포토 트랜지스터는 발광된 빛은 수신하여 PWM 구동신호로 출력한다.
바이어스저항(Ra)은 FET(280)의 드레인(Drain: D)과 게이트(Gate: G) 사이에 직렬로 연결되어, FET(280)의 드레인에 인가되는 바이어스 전압(Vcc)로부터 FET(280)의 구동전압을 얻기 위한 기능을 갖는다.
방전저항(Rb)은 포토 커플러(100)와 FET(280)의 게이트 사이에 병렬로, FET(280)의 소오스(Source: S)에 연결되도록 배치된다. 방전저항(Rb)은 포토 커플러(100)로부터 PWM 구동신호가 출력되면, FET(280)의 게이트와 소오스 사이를 방전시킨다. 본 실시예에서, 방전저항(Rb)이 없는 경우에는, 포토 커플러(100)로부터 PWM 구동신호가 출력되면, 포토 커플러(100)의 포토 트랜지스터를 통해 FET(280)의 게이트와 소오스 사이를 방전시킨다. 이와 같이, 방전저항(Rb) 또는 포토 커플러(100)의 포토 트랜지스터를 통해 FET(280)의 게이트와 소오스 사이가 방전되면, FET(280)에 흐르던 전류가 바이어스저항(Ra)-방전저항(Rb), 또는 바이어스저항(Ra)-포토 커플러(100)를 거쳐 접지로 출력된다. 이에 따라, PWM 구동신호가 입력되지 않을 때에는 FET(280)가 스위치 온(ON)되었다가, PWM 구동신호가 입력되면 FET(280)가 스위치 오프(OFF)되는 동작을 수행한다.
제너다이오드(Zener Diode: ZD)는 FET(280)의 게이트에 인가되는 전압보다 높은 전압인 써지성(Surge) 전압으로부터 FET(280)의 게이트에 대한 파손을 방지하기 위한 기능을 갖는다. 이를 위해, 제너다이오드(ZD)의 전압은 FET(280)의 게이트에 대한 파손 전압보다 낮은 값을 갖는다. 이에 따라, FET(280)의 게이트에 파손 전압보다 높거나 제너다이오드(ZD)의 전압보다 높은 전압이 걸리게 되면, 제너다이오드(ZD)를 통해 방전되도록 동작함으로써, 과전압 입력으로 인한 FET(280)의 게이트에 대한 파손을 방지할 수 있다.
FET(280)는 PWM 구동신호가 입력되지 않는 상태에서 바이어스 전압(Vcc)이 드레인에 인가되면, FET(280)의 스위치가 온(ON)된다. 이때, FET(280)의 드레인-소오스 양단에는 전압이 걸리지 않고 전류는 흐르게 된다. 반면, FET(280)는 바이어스 전압(Vcc)이 드레인에 인가된 상태에서 PWM 구동신호가 입력되면, FET(280)의 스위치가 오프(OFF)된다. 이때, FET(280)의 드레인-소오스 양단에는 전압이 걸리게 되고 전류는 방전저항(Rb) 또는 포트커플러(100)를 통해 접지로 출력되어 흐르지 않게 된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 포토 커플러를 이용한 FET 구동 장치를 PWM 방식의 직류쵸퍼(Direct Current Chopper)에 적용한 예를 도시한 도면이다.
쵸퍼는 일반적으로 규칙적인 시간 간격으로 전류를 단속하는 장치로서, 본 실시예에서는 발전기의 자동 전압 조정 장치에 적용되는 직류쵸퍼에 본 발명의 FET 구동 장치를 적용한 예를 설명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FET 구동 장치는 포토 커플러(100), 바이어스저항(Ra), 방전저항(Rb), 제너다이오드(ZD), 및 FET(280)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성을 갖는 FET 구동 장치는 도 3에 도시된 FET 구동 장치와 동일한 기능을 갖는다. 따라서 동일 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
직류전압(Vcd)이 인가되면, 바이어저장(Ra), 다이오드(Df), 및 부하를 거쳐 FET(280)에 구동전압이 인가된다.
PWM 구동신호가 입력되지 않은 상태에서는 FET(280)가 스위치 온(ON)된 상태를 유지한다. 이후, 포트커플러(100)를 통해 PWM 구동신호가 입력되면, FET(280)에 흐르던 전류가 방전저항(Rb) 또는 포토 커플러(100)를 통해 접지로 출력되어 FET(280)가 스위치 오프(OFF)된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 도 4에 의한 10Khz에 80% 듀티를 갖는 PWM 구동신호에 대한 실험을 통한 직류쵸퍼 출력 전압 전류 출력 파형을 도시한 도면이다.
본 실시예에서 실험 조건은, 250V DC 전압, 200오옴(Ω)의 부하임피던스, 100K의 바이어스저항(Ra), 5K의 방전저항(Rb), 15V의 제너다이오드(ZD) 전압, 10Khz의 PWM 구동신호 주파수, 및 80%의 PWM 듀티이다.
FET(280)의 스위치가 온(ON)되면, FET(280)의 드레인-소오스 양단에는 전압(V)(50)이 걸리지 않고 전류(I)(60)가 흐르게 된다. 또한, FET(280)의 스위치가 오프(OFF)되면, FET(280)의 드레인-소오스 양단에는 전압(V)(50)이 걸리고 전류(I)(60)가 흐르지 않게 된다.
이와 같은 출력 파형을 통해, 본 발명을 이용하여 FET(280)의 스위칭 동작을 구동시키더라도 신속한 스위칭 동작이 이루어짐을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 및 균등한 타 실시가 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 포토 커플러 280: FET
Ra: 바이어스저항 Rb: 방전저항
ZD: 제너다이오드

Claims (4)

  1. 인가되는 구동전압에 의해 드레인(D)-소오스(S) 양단에 전류의 흐름 유무에 따라 스위치를 온(ON)/오프(OFF)시키는 FET(Field Effect Transistor);
    상기 FET의 상기 드레인과 게이트(G) 사이에 직렬로 연결되어, 인가되는 바이어스 전압(Vcc)로부터 상기 구동전압을 얻어 상기 FET의 상기 드레인에 인가하는 바이어스 저항(Ra); 및
    상기 FET와 제어회로 간을 절연시키면서 상기 FET의 상기 게이트와 상기 소오스에 연결되어, 입력되는 PWM 구동신호를 빛을 통해 전달받아 상기 FET의 상기 소오스에 연결된 접지로 출력하는 포토 커플러(Photocoupler);를 포함하며,
    이에 의해, 상기 구동전압에 의해 상기 FET가 스위치 온(ON) 상태를 유지하다가, 상기 PWM 구동신호가 입력되면 상기 FET의 상기 드레인-소오스 양단에 흐르던 전류가 상기 바이어스 저항(Ra)-상기 포토 커플러를 거쳐 상기 접지로 출력되어 상기 FET가 스위치 오프(OFF)되는 것을 특징으로 하는 FET 구동 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 FET의 게이트와 소오스 사이에 직렬로 연결되어, 써지 전압으로 인한 상기 FET의 게이트에 대한 파손을 방지하는 제너다이오드(ZD);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FET 구동 장치.

  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제너다이오드의 전압은 적어도 상기 FET의 게이트에 대한 파손 전압보다 낮게 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 FET 구동 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 포토 커플러는,
    입력되는 상기 PWM 구동신호에 대응하여 상기 빛을 발광하는 발광 다이오드; 및
    상기 빛을 수신하여 상기 PWM 구동신호로 출력하는 포토 트랜지스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 구동 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200464464Y1 (ko) * 2012-06-29 2013-01-21 김효종 매트형 자동온열마사져의 다출력 전원 장치

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KR200464464Y1 (ko) * 2012-06-29 2013-01-21 김효종 매트형 자동온열마사져의 다출력 전원 장치

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