KR20120107611A - 정류 소자를 이용한 반도체 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고속 정류용 반도체 스위치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다이오드의 전압 상태에 따라 자동으로 스위칭하는 반도체 스위치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 반도체 스위치는 다이오드, 상기 다이오드와 병렬로 연결된 FET, 상기 다이오드의 출력단과 상기 FET의 출력단으로부터 출력되는 전압과 설정된 전압을 입력받고, 입력받은 상기 전압에 따라 ON/OFF 신호를 출력하는 비교기, 상기 비교기로부터 출력되는 ON/OFF 신호를 입력받아 상기 FET의 게이트로 공급하는 게이트 드라이버, 상기 다이오드의 출력 전압을 전원을 생성하고, 생성된 전원을 상기 비교기와 게이트 드라이버로 공급하는 전원 발생부를 포함한다.

Description

고속 정류용 반도체 스위치{Semiconductor Switch}
본 발명은 고속 정류용 반도체 스위치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다이오드의 전압 상태에 따라 자동으로 스위칭하는 반도체 스위치에 관한 것이다.
다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 반도체 부품이다. 반도체란 원래 이러한 성질을 가지고 있기 때문이다. 트랜지스터도 반도체의 일종이지만, 다이오드는 이와 같이 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 것을 목적으로 하고 있다. 반도체의 재료는 실리콘이 많이 사용되지만, 이외에도 게르마늄, 셀렌 등도 사용되고 있다.
다이오드의 용도는 전원공급장치에서 교류전류를 직류전류로 바꾸는 정류기로써의 용도, 라디오의 고주파에서 신호를 꺼내는 검파용, 전류의 ON/OFF를 제어하는 스위치 용도 등 매우 광범위하게 사용되고 있다.
다이오드 중에는 단지 순방향으로 전류가 흐르는 성질을 이용하는 것 이외에 다음과 같은 용도로 흔히 사용된다.
정전압 다이오드는 역방향으로 전류를 가했을 경우에 어떤 전압에서 안정하는 성질을 이용하여 일정한 전압을 얻기 위해 사용된다.
발광 다이오드는 전류를 순방향으로 흘렸을 때에 발광하는 다이오드이다.
가변용량 다이오드는 전압을 역방향으로 가했을 경우 다이오드가 가지고 있는 콘덴서 용량(접항용량)이 변화하는 것을 이용하여 전압의 변화에 따라 발진 주파수를 변환시키는 등의 용도에 사용한다. 역방향의 전압을 높이면 접합용량은 작아진다.
도 1은 다이오드의 전압-전류 특성을 나타내고 있다. 이하 도 1을 이용하여 다이오드의 전압-전류 특성에 대해 알아보기로 한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이 순방향으로 전압을 가했을 경우, 약간의 전압에서도 순방향의 전류가 쉽게 흐른다는 것을 알 수 있다. 순방향으로 흘릴수 있는 전류는 다이오드에 따라 규정되어 있다. 통상적으로 사용하는 경우 다이오드 자체의 저항성분에 의해 강하하는 강하전압은 0.6 내지 1V 정도이다. 여러 개의 다이오드를 직렬로 접속하여 사용하는 회로에서는 상술한 전압강하도 고려할 필요가 있다.
역방향으로 전압을 가했을 경우, 역방향으로는 전류가 흐르기 어렵다는 것을 알 수 있다. 역방향으로 가할 수 있는 전압은 다이오드의 종류에 따라 여러 가지가 있으므로 용도에 따라 선택할 수 있다. 그리고 역방향 전류는 매우 작아서 수 ㎂에서 수 ㎃이며, 다이오드의 종류에 따라 다르다.
상술한 바와 같이 다이오드는 통전방식에 따라 큰 저항차를 보이는데, 이것을 회로에 넣어 두었다가 on으로 할 때는 순바이어스를, off로 할 때는 역바이어스를 가해 주는 스위치로써 사용 가능하다. 하지만 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 다이오드는 ON시에 Vd 전압이 양단에 발생하여 연속적으로 손실이 발생한다. 특히 이 Vd 전압은 보통의 경우 0.7V이상으로 저전압 고전류에 사용될 경우 손실을 무시할 수 없는 양이다. 즉, 다이오드를 스위치로 사용할 경우, 다이오드에서 손실되는 전력은 Vd*I가 된다. 따라서 고전류에서 사용될 경우 손실되는 전력은 다이오드를 흐르는 전류에 비례하게 된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 저전압 고전류에서 효율이 높은 반도체 스위치를 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 스위치 온/오프 시점을 자유롭게 조절 가능한 반도체 스위치를 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 외부로 전원을 공급받지 않고 자체 전원으로 구동 가능한 반도체 스위치를 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 반도체 스위치는 다이오드, 상기 다이오드와 병렬로 연결된 FET, 상기 다이오드의 출력단과 상기 FET의 출력단으로부터 출력되는 전압과 설정된 전압을 입력받고, 입력받은 상기 전압에 따라 ON/OFF 신호를 출력하는 비교기, 상기 비교기로부터 출력되는 ON/OFF 신호를 입력받아 상기 FET의 게이트로 공급하는 게이트 드라이버를 포함한다.
이를 위해 본 발명의 반도체 스위치는 다이오드, 상기 다이오드와 병렬로 연결된 FET, 상기 다이오드의 출력단과 상기 FET의 출력단으로부터 출력되는 전압과 설정된 전압을 입력받고, 입력받은 상기 전압에 따라 ON/OFF 신호를 출력하는 비교기, 상기 비교기로부터 출력되는 ON/OFF 신호를 입력받아 상기 FET의 게이트로 공급하는 게이트 드라이버, 상기 다이오드의 출력 전압을 전원을 생성하고, 생성된 전원을 상기 비교기와 게이트 드라이버로 공급하는 전원 발생부를 포함한다.
기존의 스위치는 반도체 스위치를 조정하기 위한 회로, 신호전달용 회로, 전원회로 등이 필요했으나, 본 발명은 내부 전원을 이용하여 회로를 구동함으로써 회로가 단순해지며, 낮은 비용으로 제작 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 자동으로 반도체 스위치의 ON/OFF 시점을 제어하고, 이는 기존의 다이오드와 같은 방법으로 활용하면서도 도통손실이 작은 이점을 가지게 되며, 하나의 다이오드 대체품으로 생산 가능하다.
도 1은 다이오드의 전압-전류 특성을 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 FET를 이용한 반도체 스위치를 도시하고 있다.
도 3은 도 2와 관련하여 FET의 전압-전류 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 2의 타이밍도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 FET를 이용한 다른 반도체 스위치를 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 DC-DC 컨버터와 같이 높은 스위칭 주파수에서 정류 다이오드를 FET와 간단한 회로로 대체할 수 있는 방안을 제안한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 FET를 이용한 반도체 스위치를 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 FET를 이용한 반도체 스위치에 대해 알아보기로 한다.
도 2에 의하면, 반도체 스위치는 다이오드(100), FET(102), 비교기(104), 게이트 드라이버(106)를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 반도체 스위치에 포함될 수 있음은 자명하다.
이하 먼저 FET(102)의 전압-전류 특성에 대해 알아보기로 한다. 도 3은 도 2와 관련하여 FET(102)의 전압-전류 특성을 도시한 도면이다. 이하 도 3을 이용하여 FET(102)의 전압-전류 특성에 대해 알아보기로 한다.
FET(102)는 ON시에 저항성분인 Rds로 모델링 될 수 있다. 따라서 전류의 제곱에 비례하는 손실을 발생하므로 그 양이 상당이 많은 것처럼 보이지만, Rds의 값이 작아서 손실 측면에서는 다이오드(100)보다 적게 발생된다. 최근의 통신기기, 자동차분야 등의 저전압 고전류의 DC-DC 컨버터가 필요한 경우에 다이오드(100)를 이용한 정류보다는 FET(102)를 이용하여 그 효율을 높이는 경우가 많다.
이하 도 2를 이용하여 본 발명에 대해 상세하게 알아보기로 한다. 도 2에 의하면, 상술한 바와 같이 다이오드(100)의 출력단에는 마이너스 전압 내지 0.7V의 전압(V1)이 발생된다.
다이오드(100)의 출력단에서 발생된 전압은 비교기(104)로 전달된다. 비교기(104)는 다이오드(100) 출력단의 전압(V1)과 V2를 비교한다. 본 발명과 관련하여 V2는 -0.5 내지 0V의 전압으로 설정한다. 비교기(104)는 입력받은 V1과 V2를 비교하여 높은 전압을 출력한다. 비교기(104)에서 출력된 전압은 게이트 드라이버(106)로 전달된다. 게이트 드라이버(106)는 비교기(104)로부터 전달받은 전압을 이용하여 FET(102)의 게이트로 공급되는 전압을 제어한다. FET(102)는 게이트로 공급된 전압에 따라 드레인과 소스 양단간에 전류가 흐른다. 이에 대해서는 도 4를 이용하여 상세하게 알아보기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 도 2의 타이밍도를 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 도 2의 타이밍도에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이 V1의 전압은 양의 전압과 -0.7의 전압이 번갈아 가며 발생한다. 이하에서는 V1에 양의 전압이 발생된 경우를 가정한다. 다이오드(100)의 출력단에 양의 전압이 발생되면, 다이오드(100)에 역방향 전압이 걸리게 되므로 다이오드(100) 양단간에는 전류가 흐르지 않게 된다. 즉, 다이오드(100)의 입력단의 0V가 되며, 출력단은 양의 전압이 되므로 다이오드(100) 양단간에는 전류가 흐르지 않게 된다.
다이오드(100) 출력단의 전압은 비교기(104)로 입력되며, 비교기(104)는 다이오드(100)로부터 양의 전압(V1)을 입력받으며, 동시에 설정된 전압(V2)을 입력받는다. 상술한 바와 같이 V2의 전압은 -0.5 내지 0V의 전압으로 설정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 V2의 전압은 -Vd보다 크며, 0V보다 작게 설정할 수 있다.
비교기(104)는 입력받은 전압 중 V1 전압이 높은 경우에는 OFF 신호(또는 0)를 출력하고, 비교기(104)에서 출력된 OFF 신호(또는 0)는 게이트 드라이버(106)로 입력된다. 게이트 드라이버(106)는 입력받은 OFF 신호를 FET(102)의 게이트로 입력한다. FET(102)는 p channel인 경우 게이트로 OFF 신호가 공급되면, 드레인과 소스 양단간에 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서 FET(102)는 게이트 드라이버(106)로부터 OFF 신호가 공급되므로 드레인과 소스 양단간에는 전류가 흐르지 않게 된다.
이하에서는 V1에 -Vd의 전압이 발생된 경우를 가정한다. 다이오드(100)의 출력단에 -Vd의 전압이 발생되면, 다이오드(100)에 순방향 전압이 걸리게 되므로 다이오드(100) 양단간에는 전류가 흐르게 된다. 즉, 다이오드(100)의 입력단의 0V가 되며, 출력단은 -Vd의 전압이 되므로 다이오드(100) 양단간에는 전류가 흐르게 된다.
다이오드(100) 출력단의 전압은 비교기(104)로 입력되며, 비교기(104)는 다이오드(100)로부터 -Vd의 전압(V1)을 입력받으며, 동시에 설정된 전압(V2)을 입력받는다.
비교기(104)는 입력받은 전압 중 V2전압이 높은 경우에는 ON 신호(또는 1)를 출력하고, 비교기(104)에서 출력된 ON 신호는 게이트 드라이버(106)로 입력된다. 게이트 드라이버(106)는 입력받은 ON 신호를 FET(102)의 게이트로 입력한다. FET(102)는 p channel인 경우 게이트로 ON 신호가 공급되면, 드레인과 소스 양단간에 전류가 흐르게 된다. 따라서 FET(102)는 게이트 드라이버(106)로부터 ON 신호가 공급되므로 드레인과 소스 양단간에는 전류가 흐르게 된다.
물론 FET가 n channel인 경우에는 비교기에서 출력되는 신호는 FET가 n channel인 경우 비교기에서 출력되는 신호와 반대가 되도록 한다.
본 발명과 관련하여 FET(102)는 다이오드(100)의 온-오프 동작에 따라 지연없이 온-오프 동작을 수행한다. 즉, 다이오드(100)의 출력단의 출력 전압을 FET(102)의 게이트로 입력되는 전압으로 사용함으로써 FET(102)의 온-오프 동작은 다이오드(100)의 온-오프 동작과 지연없이 수행할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 FET를 이용한 반도체 스위치를 도시하고 있다. 이하 도 5를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 FET를 이용한 반도체 스위치에 대해 알아보기로 한다.
도 5에 의하면, 반도체 스위치는 다이오드(100), FET(102), 비교기(104), 게이트 드라이버(106), 전원 발생부(108)를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 반도체 스위치에 포함될 수 있음은 자명하다.
도 2의 반도체 스위치를 구성하고 있는 비교기(104)와 게이트 드라이버(106)는 구동을 구동 전원이 필요하다. 즉, 반도체 스위치를 구성하고 있는 비교기(104)와 게이트 드라이버(106)를 구동하기 위해서는 별도의 구동 전원이 필요하다. 도 5는 별도의 외부 구동 전원없이 반도체 스위치를 구성하고 있는 비교기(104)와 게이트 드라이버(106)를 구동하기 위한 구동 전원을 제공하는 방안을 제안한다.
도 5에 의하면, 전원 발생부(108)는 다이오드(100)의 출력단과 연결되며, 다이오드(100) 출력단에서 출력되는 전압을 이용하여 비교기(104)와 게이트 드라이버(106)를 구동하기 위한 구동전원을 생성한다. 즉, 전원 발생부(108)는 변압기 또는 정류 회로를 이용하여 다이오드(100)의 출력 전압을 이용하여 5V 내지 15V의 전원을 발생한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100: 다이오드 102:FET
104: 비교기 106: 게이트 드라이버
108: 전원 발생부

Claims (8)

  1. 다이오드;
    상기 다이오드와 병렬로 연결된 FET;
    상기 다이오드의 출력단과 상기 FET의 출력단으로부터 출력되는 전압과 설정된 전압을 입력받고, 입력받은 상기 전압에 따라 ON/OFF 신호를 출력하는 비교기;
    상기 비교기로부터 출력되는 ON/OFF 신호를 입력받아 상기 FET의 게이트로 공급하는 게이트 드라이버를 포함함을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 다이오드의 입력단과 상기 FET의 소스는,
    접지되어 있음을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 설정된 전압은,
    -Vd(다이오드의 문턱전압)보다 크며, 0V보다 작음을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 FET는 p 채널 FET이며,
    상기 다이오드에 전류가 흐르면 상기 FET의 드레인과 소스 사이에도 전류가 흐르며, 상기 다이오드에 전류가 흐르지 않으면 상기 FET의 드레인과 소스 사이에도 전류가 흐르지 않음을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  5. 다이오드;
    상기 다이오드와 병렬로 연결된 FET;
    상기 다이오드의 출력단과 상기 FET의 출력단으로부터 출력되는 전압과 설정된 전압을 입력받고, 입력받은 상기 전압에 따라 ON/OFF 신호를 출력하는 비교기;
    상기 비교기로부터 출력되는 ON/OFF 신호를 입력받아 상기 FET의 게이트로 공급하는 게이트 드라이버;
    상기 다이오드의 출력 전압을 전원을 생성하고, 생성된 전원을 상기 비교기와 게이트 드라이버로 공급하는 전원 발생부를 포함함을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 다이오드의 입력단과 상기 FET의 소스는,
    접지되어 있음을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 설정된 전압은,
    -Vd(다이오드의 문턱전압)보다 크며, 0V보다 작음을 특징으로 하는 반도체 스위치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 FET는 p 채널 FET이며,
    상기 다이오드에 전류가 흐르면 상기 FET의 드레인과 소스 사이에도 전류가 흐르며, 상기 다이오드에 전류가 흐르지 않으면 상기 FET의 드레인과 소스 사이에도 전류가 흐르지 않음을 특징으로 하는 반도체 스위치.
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