KR20220028898A - Short circuit protection for power switch - Google Patents

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KR20220028898A
KR20220028898A KR1020200110525A KR20200110525A KR20220028898A KR 20220028898 A KR20220028898 A KR 20220028898A KR 1020200110525 A KR1020200110525 A KR 1020200110525A KR 20200110525 A KR20200110525 A KR 20200110525A KR 20220028898 A KR20220028898 A KR 20220028898A
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심민섭
김기현
김종현
서길수
이경호
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한국전기연구원
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Abstract

The present invention relates to a short-circuit protection circuit for a power switch which comprises: a short-circuit detection unit configured to detect whether a power switch is short-circuited; and a short-circuit breaking unit configured to detect a drain voltage (V_(DS)) of the power switch when a short-circuit state of the power switch is detected and adaptively adjust a sink current for soft-turning off the power switch according to the detected drain voltage (V_(DS)).

Description

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

본 발명은 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 스위치의 단락 상태 감지 시, 해당 스위치를 천천히 턴 오프(soft turn off)시키는 전력 스위치용 단락보호회로에 관한 것이다.The present invention relates to a short-circuit protection circuit for a power switch, and more particularly, to a short-circuit protection circuit for a power switch that slowly turns off the corresponding switch when the short-circuit state of the power switch is detected.

일반적으로 전력소자(Power Device)는 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, a power device is a semiconductor device that converts or controls power. Rectifier diodes, power transistors, and triacs are used in various fields such as industry, information, communication, transportation, power, and home. is used sparingly.

전력소자로는 대표적으로 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(Bipolar　Junction　Transistor), 전력 집적회로(IC) 등이 있으며, 이중에서 특히 고속 스위칭이 가능하고, 구동회로의 손실이 적은 MOSFET 소자가 주목받고 있다. 상기 MOSFET 소자의 종류로는 대표적으로 실리콘(Si) 기반의 MOSFET 소자, 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET 소자, 질화 갈륨(GaN) 기반의 MOSFET 소자 등이 있다.Typical power devices include metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), BJTs (Bipolar Junction Transistors), and power integrated circuits (ICs). MOSFET devices with low loss to the furnace are attracting attention. Examples of the MOSFET device include a silicon (Si)-based MOSFET device, a silicon carbide (SiC)-based MOSFET device, and a gallium nitride (GaN)-based MOSFET device.

이러한 MOSFET 소자가 다양한 애플리케이션에 응용되기 위해서는 반드시 소자의 안정성이 확보되어야 한다. 이를 위해, MOSFET 소자를 안전하게 보호하기 위한 단락보호회로가 필요하다. 이러한 단락보호회로는 MOSFET 소자의 단락 여부를 검출하는 단락 검출부와, 단락 상태 감지 시 MOSFET 소자를 강제로 턴 오프시키는 단락 차단부로 이루어진다.In order for these MOSFET devices to be applied to various applications, device stability must be secured. To this end, a short-circuit protection circuit is required to safely protect the MOSFET device. The short-circuit protection circuit includes a short-circuit detection unit that detects whether the MOSFET device is short-circuited, and a short-circuit blocker that forcibly turns off the MOSFET device when a short circuit condition is detected.

단락 검출부는 탈포화(desaturation) 회로를 이용한 검출 방식, 션트(shunt) 저항을 이용한 검출 방식, 기생 인덕터를 이용한 검출 방식 등과 같은 다양한 검출 방식을 이용하여 MOSFET 소자의 단락 여부를 검출할 수 있다.The short circuit detector may detect whether the MOSFET device is shorted using various detection methods, such as a detection method using a desaturation circuit, a detection method using a shunt resistor, a detection method using a parasitic inductor, and the like.

단락 차단부는, 단락 상태 감지 시, MOSFET 소자를 빠르게 턴 오프시키는 하드 스위칭(hard switching) 방식 또는 MOSFET 소자를 천천히 턴 오프시키는 소프트 스위칭(soft switching) 방식을 이용하여 상기 MOSFET 소자를 강제로 턴 오프시킬 수 있다. 그런데, 상기 하드 스위칭 방식의 경우, 드레인 전압(VDS)의 급격한 상승으로 인해 MOSFET 소자가 손상(파괴)될 가능성이 있다. 따라서, 안정적인 단락보호기능을 구현하기 위해 소프트 스위칭 방식에 대한 관심이 점점 증가하고 있다.The short circuit breaker is configured to forcibly turn off the MOSFET device using a hard switching method that quickly turns off the MOSFET device or a soft switching method that slowly turns off the MOSFET device when a short circuit condition is detected. can However, in the case of the hard switching method, there is a possibility that the MOSFET device may be damaged (destroyed) due to a rapid increase in the drain voltage V DS . Accordingly, interest in a soft switching method to implement a stable short-circuit protection function is increasing.

도 1은 종래의 소프트 스위칭 방식을 갖는 단락보호회로의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 단락보호회로(10)는 MOSFET 소자(20)의 단락 여부를 검출하는 단락 검출부(11)와, 단락 상태 감지 시 MOSFET 소자(20)를 천천히 턴 오프시키는 단락 차단부(13)로 구성된다.1 is a diagram showing the configuration of a short-circuit protection circuit having a conventional soft switching method. As shown in FIG. 1 , the conventional short circuit protection circuit 10 has a short circuit detecting unit 11 that detects whether the MOSFET device 20 is short-circuited, and a short circuit that slowly turns off the MOSFET device 20 when a short-circuit condition is detected. Consists of a blocking unit (13).

단락 검출부(11)는 다이오드(DSCP), 커패시터(CSCP) 및 비교기 등으로 구성된 탈포화(desaturation) 회로를 이용하여 MOSFET 소자(20)의 단락 여부를 검출할 수 있다.The short circuit detection unit 11 may detect whether the MOSFET device 20 is shorted using a desaturation circuit including a diode D SCP , a capacitor C SCP , and a comparator.

단락 차단부(13)는, 단락 상태 검출 시, 트랜지스터(MSOFT)를 이용하여 단일 싱크 전류(가령, 400mA)를 생성하고, 상기 단일 싱크 전류를 기반으로 MOSFET 소자(20)를 천천히 턴 오프시킬 수 있다. 이때, MOSFET 소자(20)와 연결된 게이트 구동회로(gate driver)는 제1 및 제2 트랜지스터들(MON, MOFF)을 모두 턴 오프(turn off)하여 게이트 구동전류를 생성하지 않게 된다.The short circuit breaker 13 generates a single sink current (eg, 400 mA) using a transistor M SOFT when detecting a short circuit, and slowly turns off the MOSFET device 20 based on the single sink current. can At this time, the gate driver connected to the MOSFET device 20 turns off all of the first and second transistors M ON and M OFF so as not to generate a gate driving current.

그런데, 종래의 소프트 스위칭 방식을 갖는 단락보호회로(10)를 통한 MOSFET 소자(20)의 소프트 턴 오프(soft turn off) 시간은 해당 소자(20)의 특성(가령, 용량, 크기, 기생 커패시턴스 등)에 따라 약 10배 이상의 차이가 나게 된다. 만약, MOSFET 소자(20)의 소프트 턴 오프 시간이 너무 짧은 경우에는 드레인 전압의 급격한 상승으로 인해 소자가 파괴될 수 되고, MOSFET 소자(20)의 소프트 턴 오프 시간이 너무 긴 경우에는 고열 발생으로 인해 소자가 파괴될 수 있다. 따라서, MOSFET 소자(20)의 특성에 맞는 최적의 소프트 턴 오프 시간을 결정할 필요가 있다.However, the soft turn-off time of the MOSFET device 20 through the short-circuit protection circuit 10 having the conventional soft switching method is dependent on the characteristics of the device 20 (eg, capacity, size, parasitic capacitance, etc.). ), the difference is about 10 times or more. If the soft turn-off time of the MOSFET device 20 is too short, the device may be destroyed due to a rapid increase in the drain voltage, and when the soft turn-off time of the MOSFET device 20 is too long, high heat The device may be destroyed. Therefore, it is necessary to determine an optimal soft turn-off time suitable for the characteristics of the MOSFET device 20 .

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 해당 스위치의 특성에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a short circuit protection circuit for a power switch capable of adaptively adjusting a soft turn-off time according to a characteristic of a corresponding switch when a short-circuit state of the power switch is detected.

또 다른 목적은 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 해당 스위치의 드레인 전압을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압에 대응하여 해당 스위치를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공함에 있다.Another object is to detect a drain voltage of the corresponding switch when a short circuit condition of the power switch is detected, and a short circuit for a power switch capable of adaptively adjusting a sink current for soft turning off the corresponding switch in response to the detected drain voltage To provide a protection circuit.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 스위치의 단락 여부를 검출하는 단락 검출부; 및 상기 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)에 따라 상기 전력 스위치를 소프트 턴 오프(soft turn off)하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절하는 단락 차단부를 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로를 제공한다.According to an aspect of the present invention in order to achieve the above or other objects, a short-circuit detection unit for detecting whether the power switch is short-circuited; and a sink for detecting a drain voltage (V DS ) of the power switch when the short circuit state of the power switch is detected, and softly turning off the power switch according to the detected drain voltage (V DS ) Provided is a short circuit protection circuit for a power switch including a short circuit breaker for adaptively adjusting a current.

좀 더 바람직하게는, 상기 단락 차단부는 전력 스위치의 드레인 단에 연결되어, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 검출하는 드레인 전압 검출부와, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)에 대응하여 상기 전력 스위치를 소프트 턴 오프(soft turn off)하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절하는 소프트 오프 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the short circuit breaker is connected to the drain terminal of the power switch, and a drain voltage detector detects the drain voltage (V DS ) of the power switch, and in response to the drain voltage (V DS ) of the power switch and a soft-off control unit for adaptively adjusting a sink current for soft turn-off of the power switch.

좀 더 바람직하게는, 상기 드레인 전압 검출부는 전력 스위치의 드레인 단과 소프트 오프 제어부 사이에 연결된 외부 커패시터(external capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 드레인 전압 검출부는 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 측정하기 위한 외부 커패시터(external capacitor)와, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 감쇄하기 위한 내부 커패시터(internal capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the drain voltage detection unit includes an external capacitor connected between the drain terminal of the power switch and the soft-off control unit. In addition, the drain voltage detector includes an external capacitor for measuring the drain voltage (V DS ) of the power switch, and an internal capacitor (internal capacitor) for attenuating the drain voltage (V DS ) of the power switch characterized in that

좀 더 바람직하게는, 상기 소프트 오프 제어부는 복수의 트랜지스터들을 포함하는 트랜지스터 어레이; 상기 복수의 트랜지스터들 중 적어도 하나를 구동하기 위한 구동신호를 생성하는 트랜지스터 어레이 제어부; 및 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 기반으로 상기 전력 스위치를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 결정하는 싱크전류 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the soft-off control unit comprises: a transistor array including a plurality of transistors; a transistor array controller configured to generate a driving signal for driving at least one of the plurality of transistors; and a sink current determining unit that determines a sink current for soft turning off the power switch based on the drain voltage (V DS ) of the power switch.

좀 더 바람직하게는, 상기 싱크전류 결정부는 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)에 대응하는 아날로그 신호를 싱크 전류를 생성하기 위한 디지털 제어신호로 변환하기 위한 ADC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 트랜지스터 어레이 제어부는, 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 미리 결정된 초기 싱크 전류를 생성하기 위한 제1 구동신호들을 생성하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 트랜지스터 어레이 제어부는, 전력 스위치의 드레인 전압(VDS) 검출 시, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)에 대응하는 싱크 전류를 생성하기 위한 제2 구동신호들을 생성하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the sink current determiner comprises an ADC converter for converting an analog signal corresponding to the drain voltage (V DS ) of the power switch into a digital control signal for generating the sink current. In addition, the transistor array controller may generate first driving signals for generating a predetermined initial sink current when the short circuit of the power switch is detected. Also, the transistor array controller may generate second driving signals for generating a sink current corresponding to the detected drain voltage V DS when the drain voltage V DS of the power switch is detected.

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 특성(가령, 용량, 크기, 기생 커패시턴스 등)에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정함으로써, 별도의 설계 변경 없이, 서로 다른 특성을 갖는 전력 스위치들에 대해 소프트 스위칭 방식의 단락보호기능을 적용할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, by adaptively adjusting the soft turn-off time according to the characteristics of the power switch (eg, capacity, size, parasitic capacitance, etc.), it has different characteristics without a separate design change. There is an advantage that a short-circuit protection function of the soft switching method can be applied to the power switches.

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

도 1은 종래의 소프트 스위칭 방식을 갖는 단락보호회로의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 구성을 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 드레인 전압 검출부의 구성을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 오프 제어부의 구성을 나타내는 도면;
도 7은 도 6의 싱크전류 결정부에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 세부 구성 및 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면.1 is a diagram showing the configuration of a short-circuit protection circuit having a conventional soft switching method;
2 is a diagram showing the configuration of a power switch system according to an embodiment of the present invention;
3 and 4 are views showing the configuration of a short-circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention;
5 is a diagram illustrating a configuration of a drain voltage detection unit according to various embodiments of the present disclosure;
6 is a diagram illustrating a configuration of a soft-off control unit according to an embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a diagram referenced to explain a method of converting an analog signal into a digital signal in the sink current determiner of FIG. 6 ;
8 and 9 are diagrams referenced to explain the detailed configuration and operation of a short-circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention.

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

본 발명은 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 해당 스위치의 특성에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다. 또한, 본 발명은 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 해당 스위치의 드레인 전압을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압에 대응하여 해당 스위치를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절할 수 있는 전력 스위치용 단락보호회로를 제안한다.The present invention proposes a short-circuit protection circuit for a power switch capable of adaptively adjusting a soft turn-off time according to the characteristics of the corresponding switch when a short-circuit state of the power switch is detected. In addition, the present invention is for a power switch capable of detecting a drain voltage of the corresponding switch when detecting a short circuit of the power switch, and adaptively adjusting a sink current for soft turning off the corresponding switch in response to the detected drain voltage A short circuit protection circuit is proposed.

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 나타내는 도면이다.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 controller for controlling a 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 fewer 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 kind of semiconductor power device, and includes a power MOSFET comprising a gate (G), a drain (D), and a source (S). The power MOSFET 110 has high speed, high voltage and high current driving characteristics.

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

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 , it is turned on by the gate driving voltage V GS having a high level, and the gate having a 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 by 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 펄스폭 제어신호(VPWM)를 생성할 수 있다. 상기 PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호는 펄스 폭에 따라 전력 스위치(110)의 턴 온 시간을 제어하여 전류량을 조절하는 신호이다.The PWM controller 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 of a controller (not shown). The pulse width control signal output from the PWM control unit 120 is a signal for controlling the turn-on time of the power switch 110 according to the pulse width to adjust the amount of current.

PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호의 로직 레벨은 일반적으로 컨트롤러의 출력 레벨과 같다. 따라서, PWM 제어부(120)는 컨트롤러의 출력 레벨과 같은 저 전압(가령, 3V 내지 5V)의 펄스폭 제어신호를 출력할 수 있다. 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. 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 may output a pulse width control signal of a low voltage (eg, 3V to 5V) equal to the output level of the controller. When the PWM controller 120 outputs a low voltage signal (eg, a control signal of 3V), the gate driving circuit 130 converts the low voltage signal into a high voltage signal (eg, 20V or more) for driving the power switch 110 . ) may include a level shifter for step-up.

한편, 다른 실시 예로, PWM 제어부(120)는 게이트 구동회로(130)의 전압과 같은 고 전압(가령, 20V 이상)의 펄스폭 제어신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 상기 레벨 시프터(level shifter)는 게이트 구동회로(130) 내에 설치될 필요가 없다.Meanwhile, in another embodiment, the PWM control unit 120 may output a pulse width control signal of a high voltage (eg, 20V or more) equal to the voltage of the gate driving circuit 130 . In this case, the level shifter does not need to be installed in the gate driving circuit 130 .

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 for driving 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 the low level, the driving voltage V GS may 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). In this case, the dead time generator is not necessarily a necessary 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 설정할 수 있다. 이때, 상기 데드 타임은 200ns 내지 300ns로 설정될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The dead time generator generates a dead time for preventing a phenomenon in which a high level signal for turning on the power switch 110 and a low level signal for turning off the power switch 110 are simultaneously turned on. can be set. In this case, the dead time may be set to 200 ns to 300 ns, 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(즉, 소스 전류)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 generates a gate driving current (ie, a source current) for driving the turn-on operation of the power switch 110 based on the pulse width control signal V PWM output from the PWM control unit 120 . can do. To this end, the first driving circuit may include a level shifter, a pre-driver, a P-type transistor, and the like.

제2 구동회로는, PWM 제어부(120)에서 출력되는 펄스폭 제어신호(VPWM)에 기초하여, 전력 스위치(110)의 턴 오프 동작을 구동하기 위한 게이트 구동전류(즉, 싱크 전류)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 구동회로는 레벨 시프터, 프리 드라이버 및 N형 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.The second driving circuit generates a gate driving current (ie, sink current) for driving the turn-off operation of the power switch 110 based on the pulse width control signal V PWM output from the PWM control unit 120 . can do. To this end, the second driving circuit may include a level shifter, a pre-driver, an N-type transistor, and the like.

한편, 제1 및 제2 구동회로에 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 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)를 단락 상태로부터 안전하게 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 단락보호회로(140)는 전력 스위치(110)의 단락 여부를 검출하고, 단락 상태 검출 시 해당 스위치(110)를 강제로 턴 오프시키는 기능을 수행할 수 있다. The short circuit protection circuit 140 may perform a function of safely protecting the power switch 110 from a short circuit state. That is, the short-circuit protection circuit 140 may detect whether the power switch 110 is short-circuited, and perform a function of forcibly turning off the corresponding switch 110 when the short-circuit condition is detected.

단락보호회로(140)는 탈포화(desaturation) 회로를 이용한 검출 방식, 션트(shunt) 저항을 이용한 검출 방식, 기생 인덕터를 이용한 검출 방식 등과 같은 다양한 검출 방식을 이용하여 전력 스위치(110)의 단락 여부를 실시간으로 검출할 수 있다.The short circuit protection circuit 140 uses various detection methods such as a detection method using a desaturation circuit, a detection method using a shunt resistor, a detection method using a parasitic inductor, etc. to determine whether the power switch 110 is short-circuited. can be detected in real time.

단락보호회로(140)는, 단락 상태 검출 시, 전력 스위치(110)를 천천히 턴 오프시키는 소프트 스위칭(soft switching) 방식을 이용하여 해당 스위치(110)를 강제로 턴 오프시킬 수 있다.The short-circuit protection circuit 140 may forcibly turn off the corresponding switch 110 by using a soft switching method of slowly turning off the power switch 110 when a short-circuit condition is detected.

단락보호회로(140)는, 단락 상태 검출 시, 전력 스위치(110)의 특성(가령, 용량, 크기, 기생 커패시턴스 등)에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정할 수 있다. 이를 위해, 상기 단락보호회로(140)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)에 대응하여 해당 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절할 수 있다.The short-circuit protection circuit 140 may adaptively adjust the soft turn-off time according to characteristics (eg, capacity, size, parasitic capacitance, etc.) of the power switch 110 when a short-circuit condition is detected. To this end, the short-circuit protection circuit 140 detects the drain voltage V DS of the power switch 110 , and softly turns off the corresponding switch 110 in response to the detected drain voltage V DS . The sink current can be adaptively adjusted.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 스위치 시스템은, 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 해당 스위치의 특성에 따라 소프트 턴 오프 시간의 조정이 가능한 단락보호회로를 이용하여 해당 스위치의 동작을 안전하게 턴 오프시킬 수 있다.As described above, the power switch system according to an embodiment of the present invention uses a short-circuit protection circuit capable of adjusting the soft turn-off time according to the characteristics of the corresponding switch when the short-circuit state of the power switch is detected. Operation can be safely turned off.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 구성을 나타내는 도면이다.3 and 4 are diagrams showing the configuration of a short circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로(140, 200)는 단락 검출부(210) 및 단락 차단부(220)를 포함할 수 있고, 상기 단락 차단부(220)는 드레인 전압 검출부(221) 및 소프트 오프 제어부(223)를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 구성요소들은 단락보호회로(200)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서상에서 설명되는 단락보호회로는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.3 and 4 , the short circuit protection circuits 140 and 200 according to an embodiment of the present invention may include a short circuit detecting unit 210 and a short circuit blocking unit 220 , and the short circuit blocking unit 220 . ) may include a drain voltage detection unit 221 and a soft-off control unit 223 . The components shown in FIGS. 3 and 4 are not essential for implementing the short-circuit protection circuit 200, so the short-circuit protection circuit described herein may have more or fewer components than those listed above. can

단락 검출부(210)는 전력 스위치(110)의 드레인 단에 연결되어, 해당 스위치(110)의 단락 여부를 검출하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 단락 검출부(210)는 탈포화(desaturation) 회로를 이용한 검출 방식, 션트(shunt) 저항을 이용한 검출 방식, 기생 인덕터를 이용한 검출 방식 등과 같은 다양한 검출 방식을 이용하여 전력 스위치(110)의 단락 여부를 실시간으로 검출할 수 있다.The short-circuit detection unit 210 may be connected to the drain terminal of the power switch 110 to perform a function of detecting whether the corresponding switch 110 is short-circuited. At this time, the short circuit detection unit 210 uses various detection methods such as a detection method using a desaturation circuit, a detection method using a shunt resistor, a detection method using a parasitic inductor, etc. of the power switch 110 . Short circuit can be detected in real time.

단락 검출부(210)는, 전력 스위치(110)의 단락 상태 감지 시, 해당 스위치(110)를 안전하게 보호하기 위한 단락보호신호(VProtect)를 생성하고, 상기 생성된 단락보호신호(VProtect)를 게이트 구동회로(130) 및 단락 차단부(220)로 제공(출력)할 수 있다.The short-circuit detection unit 210 generates a short-circuit protection signal (V Protect ) for safely protecting the corresponding switch 110 when detecting a short-circuit state of the power switch 110, and receives the generated short-circuit protection signal (V Protect ). It may be provided (output) to the gate driving circuit 130 and the short circuit breaker 220 .

단락 차단부(220)는, 단락 검출부(210)로부터 단락보호신호(VProtect) 수신 시(즉, 전력 스위치의 단락 상태 검출 시), 전력 스위치(110)를 강제로 턴 오프시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 단락 차단부(220)는 소프트 스위칭(soft switching) 방식을 이용하여 전력 스위치(110)를 강제로 턴 오프시킬 수 있다.Short circuit blocking unit 220, when receiving the short circuit protection signal (V Protect ) from the short circuit detection unit 210 (that is, when detecting a short circuit state of the power switch), to perform a function of forcibly turning off the power switch 110 can In this case, the short circuit breaker 220 may forcibly turn off the power switch 110 using a soft switching method.

단락 차단부(220)는, 전력 스위치(110)의 단락 상태 검출 시, 해당 스위치(110)의 특성(가령, 용량, 크기, 기생 커패시턴스 등)에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정할 수 있다. 이를 위해, 상기 단락 차단부(220)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)의 크기에 따라 상기 전력 스위치(100)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절할 수 있다. When the short circuit state of the power switch 110 is detected, the short circuit breaker 220 may adaptively adjust the soft turn-off time according to the characteristics (eg, capacity, size, parasitic capacitance, etc.) of the corresponding switch 110 . . To this end, the short circuit breaker 220 detects the drain voltage V DS of the power switch 110 , and softly turns off the power switch 100 according to the detected drain voltage V DS . It is possible to adaptively adjust the sink current for

좀 더 구체적으로, 단락 차단부(220)의 드레인 전압 검출부(221)는, 전력 스위치(110)의 드레인 단과 소프트 오프 제어부(223) 사이에 배치되어, 상기 전력 스위치(100)의 드레인 전압(VDS)을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)을 상기 소프트 오프 제어부(223)로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 드레인 전압 검출부(221)에 관한 좀 더 자세한 설명은 도면을 참조하여 후술하도록 한다.More specifically, the drain voltage detection unit 221 of the short circuit breaker 220 is disposed between the drain terminal of the power switch 110 and the soft-off control unit 223 , and the drain voltage V of the power switch 100 is DS ) and providing the detected drain voltage V DS to the soft-off control unit 223 . A more detailed description of the drain voltage detection unit 221 will be described later with reference to the drawings.

단락 차단부(220)의 소프트 오프 제어부(223)는, 전력 스위치(110)의 게이트 단과 드레인 전압 검출부(221) 사이에 배치되어, 상기 전력 스위치(110)의 드레인 전압에 대응하여 해당 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절하고, 상기 조절된 싱크 전류를 상기 전력 스위치(110)의 게이트 단으로 인가하여 해당 스위치(110)를 소프트 턴 오프시키는 기능을 수행할 수 있다.The soft-off control unit 223 of the short circuit breaker 220 is disposed between the gate terminal and the drain voltage detection unit 221 of the power switch 110 , and corresponds to the drain voltage of the power switch 110 , the corresponding switch 110 . ) to adaptively adjust the sink current for soft turn-off, and apply the adjusted sink current to the gate terminal of the power switch 110 to perform a function to soft turn off the corresponding switch 110 . .

소프트 오프 제어부(223)는, 전력 스위치(110)의 단락 상태 검출 시, 미리 결정된 초기 싱크 전류를 생성하여 해당 스위치(110)의 게이트 단으로 일정 시간 동안 인가할 수 있다. 이후, 소프트 오프 제어부(223)는, 전력 스위치(110)의 드레인 전압 검출 시, 상기 전력 스위치(110)의 드레인 전압 크기에 대응하는 싱크 전류를 생성하고, 상기 생성된 싱크 전류를 해당 스위치(110)의 게이트 단으로 인가하여 해당 스위치(110)를 소프트 턴 오프시킬 수 있다. 상기 소프트 오프 제어부(223)에 관한 좀 더 자세한 설명은 도면을 참조하여 후술하도록 한다.When detecting a short circuit of the power switch 110 , the soft-off control unit 223 may generate a predetermined initial sink current and apply it to the gate terminal of the corresponding switch 110 for a predetermined time. Thereafter, when the drain voltage of the power switch 110 is detected, the soft-off control unit 223 generates a sink current corresponding to the drain voltage level of the power switch 110 , and applies the generated sink current to the corresponding switch 110 . ) to the gate terminal to soft turn off the corresponding switch 110 . A more detailed description of the soft-off control unit 223 will be described later with reference to the drawings.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단락보호회로(200)는 전력 스위치의 특성에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정함으로써, 별도의 설계 변경 없이, 서로 다른 특성을 갖는 전력 스위치들에 대해 소프트 스위칭 방식의 단락보호기능을 적용할 수 있다.As described above, the short-circuit protection circuit 200 according to the present invention adaptively adjusts the soft turn-off time according to the characteristics of the power switch, so that power switches having different characteristics are applied without a separate design change. A short-circuit protection function of the soft switching method can be applied.

도 5는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 드레인 전압 검출부의 구성을 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating a configuration of a drain voltage detection unit according to various embodiments of the present disclosure.

드레인 전압 검출부(221)는, 전력 스위치(110)의 드레인 단과 소프트 오프 제어부(223) 사이에 배치되어, 상기 전력 스위치(100)의 드레인 전압(VDS)을 검출하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 드레인 전압(VDS)은 전력 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 결정하기 위해 사용된다. The drain voltage detector 221 may be disposed between the drain terminal of the power switch 110 and the soft-off controller 223 to detect the drain voltage V DS of the power switch 100 . The drain voltage V DS is used to determine a sink current for soft turning off the power switch 110 .

일 실시 예로, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 드레인 전압 검출부(221)는 전력 스위치(110)의 드레인 단과 소프트 오프 제어부(223) 사이에 연결된 외부 커패시터(external capacitor, 510)를 포함할 수 있다. 상기 드레인 전압 검출부(221)는 높은 내압을 갖는 외부 커패시터(510)를 이용하여 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)에 대응하는 센싱 전압 신호(VSENSE)를 검출할 수 있다. 이때, 상기 외부 커패시터(510)는 전압 커플링(voltage coupling)을 통해 전력 스위치(110)의 드레인 전압 변화를 감지할 수 있다. 이에 따라, 드레인 전압 검출부(221)의 센싱 전압 신호(VSENSE)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)에 대응한다.In one embodiment, as shown in FIG. 5A , the drain voltage detection unit 221 includes an external capacitor 510 connected between the drain terminal of the power switch 110 and the soft-off control unit 223 . can do. The drain voltage detector 221 may detect a sensing voltage signal V SENSE corresponding to the drain voltage signal V DS of the power switch 110 using the external capacitor 510 having a high withstand voltage. In this case, the external capacitor 510 may sense a change in the drain voltage of the power switch 110 through voltage coupling. Accordingly, the sensing voltage signal V SENSE of the drain voltage detector 221 corresponds to the drain voltage signal V DS of the power switch 110 .

한편, 다른 실시 예로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 드레인 전압 검출부(221)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)을 측정하기 위한 외부 커패시터(external capacitor, 520)와, 상기 전력 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)을 감쇄하기 위한 내부 커패시터(internal capacitor, 530)를 포함할 수 있다.Meanwhile, in another embodiment, as shown in FIG. 5B , the drain voltage detector 221 includes an external capacitor 520 for measuring the drain voltage V DS of the power switch 110 and , an internal capacitor 530 for attenuating the drain voltage V DS of the power switch 110 .

내부 커패시터(530)는 소프트 오프 제어부(223)의 내부에 설치될 수 있으며, 외부 커패시터(520)와 직렬로 연결될 수 있다. 이는 전력 스위치(110)의 드레인 전압 변화가 통상 수십 V 내지 수백 V 범위이므로, 제어회로 구현을 위한 일반 실리콘 공정의 동작 전압 범위에 해당하는 수 V 내지 수십 V 범위로 전압 크기를 감쇄하기 위함이다.The internal capacitor 530 may be installed inside the soft-off control unit 223 and may be connected in series with the external capacitor 520 . This is to attenuate the voltage level in the range of several V to several tens of V, which corresponds to the operating voltage range of a general silicon process for implementing the control circuit, since the change in the drain voltage of the power switch 110 is usually in the range of several tens of V to several hundreds of V.

드레인 전압 검출부(221)는 외부 커패시터(520) 및 내부 커패시터(530)를 이용하여 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)에 대응하는 센싱 전압 신호(VSENSE)를 검출할 수 있다. 즉, 드레인 전압 검출부(221)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)로부터 일정 비율(1/(N+1))만큼 감쇄된 센싱 전압 신호(VSENSE)를 검출할 수 있다. 이때, 상기 감쇄된 전압 비율(1/(N+1))은 외부 커패시터(520)와 내부 커패시터(530) 간의 용량 비율(1:N)에 대응한다.The drain voltage detector 221 may detect the sensing voltage signal V SENSE corresponding to the drain voltage signal V DS of the power switch 110 using the external capacitor 520 and the internal capacitor 530 . That is, the drain voltage detector 221 may detect the sensing voltage signal V SENSE attenuated by a predetermined ratio (1/(N+1)) from the drain voltage signal V DS of the power switch 110 . In this case, the attenuated voltage ratio (1/(N+1)) corresponds to a capacitance ratio (1:N) between the external capacitor 520 and the internal capacitor 530 .

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 오프 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating the configuration of a soft-off control unit according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 오프 제어부(223, 600)는 싱크전류 결정부(610), 트랜지스터 어레이 제어부(620) 및 트랜지스터 어레이(630)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the soft-off controllers 223 and 600 according to an embodiment of the present invention may include a sink current determiner 610 , a transistor array controller 620 , and a transistor array 630 .

싱크전류 결정부(610)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)에 대응하는 센싱 전압 신호(VSENSE)를 기반으로 상기 전력 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 결정하고, 상기 결정된 싱크 전류를 생성하기 위한 제어신호를 제공(출력)하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 센싱 전압 신호(VSENSE)는 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)와 동일하거나 혹은 일정 비율만큼 감쇄된 전압 신호일 수 있다.The sink current determiner 610 determines a sink current for soft turning off the power switch 110 based on the sensing voltage signal V SENSE corresponding to the drain voltage signal V DS of the power switch 110 . and providing (outputting) a control signal for generating the determined sink current. Here, the sensing voltage signal V SENSE may be the same as the drain voltage signal V DS of the power switch 110 or a voltage signal attenuated by a predetermined ratio.

싱크전류 결정부(610)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 ADC 컨버터를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 아날로그 신호는 드레인 전압 검출부(221)로부터 수신된 센싱 전압 신호(VSENSE)일 수 있고, 상기 디지털 신호는 싱크 전류를 생성하기 위한 디지털 제어신호일 수 있다.The sink current determiner 610 may include an ADC converter for converting an analog signal into a digital signal. Here, the analog signal may be a sensing voltage signal V SENSE received from the drain voltage detector 221 , and the digital signal may be a digital control signal for generating a sink current.

가령, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 드레인 전압 검출부(221)로부터 수신된 센싱 전압 신호(VSENSE)의 피크 값이 제1 전압 값인 경우, 싱크전류 결정부(610)는 상기 제1 전압 값에 대응하는 디지털 제어신호(가령, 01111111)를 생성할 수 있다. 한편, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 드레인 전압 검출부(221)로부터 수신된 센싱 전압 신호(VSENSE)의 피크 값이 제1 전압 값보다 작은 제2 전압 값인 경우, 싱크전류 결정부(610)는 상기 제2 전압 값에 대응하는 디지털 제어신호(가령, 00111111)를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 디지털 제어신호의 '1' 비트는 트랜지스터 어레이(630)를 구성하는 트랜지스터들을 구동하기 위한 신호로 사용될 수 있다. 따라서, 디지털 제어신호가 "01111111"인 경우, 트랜지스터 어레이(630) 중 하나의 트랜지스터를 턴 오프하고, 7개의 트랜지스터를 턴 온하는 제어신호로 사용될 수 있다.For example, as shown in (a) of FIG. 7 , when the peak value of the sensing voltage signal V SENSE received from the drain voltage detector 221 is the first voltage value, the sink current determiner 610 may A digital control signal (eg, 01111111) corresponding to one voltage value may be generated. Meanwhile, as shown in FIG. 7B , when the peak value of the sensing voltage signal V SENSE received from the drain voltage detection unit 221 is a second voltage value smaller than the first voltage value, the sink current determining unit 610 may generate a digital control signal (eg, 00111111) corresponding to the second voltage value. Here, the '1' bit of the digital control signal may be used as a signal for driving transistors constituting the transistor array 630 . Accordingly, when the digital control signal is “01111111”, it may be used as a control signal for turning off one transistor of the transistor array 630 and turning on seven transistors.

트랜지스터 어레이 제어부(620)는 싱크전류 결정부(610)로부터 수신된 제어신호를 기반으로 트랜지스터 어레이(630), 즉 복수의 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동신호들을 생성하고, 상기 생성된 구동신호들을 상기 트랜지스터 어레이(620)로 제공하는 기능을 수행할 수 있다.The transistor array controller 620 generates driving signals for driving the transistor array 630 , that is, a plurality of transistors, based on the control signal received from the sink current determiner 610 , and applies the generated driving signals to the transistors. A function provided by the array 620 may be performed.

트랜지스터 어레이 제어부(620)는, 전력 스위치(110)의 단락 상태 검출 시, 미리 결정된 초기 싱크 전류를 생성하기 위한 제1 구동신호들을 생성하고, 상기 제1 구동신호들을 트랜지스터 어레이(630)로 일정 시간 동안 제공할 수 있다. 이때, 상기 제1 구동신호들은 미리 결정된 개수의 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동신호들일 수 있다.When the short circuit of the power switch 110 is detected, the transistor array controller 620 generates first driving signals for generating a predetermined initial sink current, and transmits the first driving signals to the transistor array 630 for a predetermined time. can be provided while In this case, the first driving signals may be driving signals for driving a predetermined number of transistors.

전력 스위치(110)의 단락 상태 검출 시, 미리 결정된 초기 싱크 전류를 해당 스위치(110)의 게이트 단으로 인가하는 이유는, 상기 전력 스위치(110)의 게이트 전압(VG)을 일정 시간 동안 감소하기 위함이다. 상기 전력 스위치(110)의 게이트 전압(VG)이 일정 시간 동안 감소하게 되면, 전력 스위치(110)의 내부 저항(RON) 및 드레인 전류(ID)가 증가하게 되고, 그에 따라 해당 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)이 급격하게 상승하게 된다. 이후, 드레인 전압 검출부(221)는 급격히 상승하는 드레인 전압(VDS)을 검출하게 된다.The reason for applying a predetermined initial sink current to the gate terminal of the corresponding switch 110 when detecting a short circuit of the power switch 110 is to decrease the gate voltage V G of the power switch 110 for a predetermined time. it is for When the gate voltage (V G ) of the power switch 110 decreases for a predetermined time, the internal resistance (R ON ) and the drain current ( ID ) of the power switch 110 increase, and accordingly, the corresponding switch ( 110), the drain voltage V DS is rapidly increased. Thereafter, the drain voltage detector 221 detects a rapidly rising drain voltage V DS .

트랜지스터 어레이 제어부(620)는, 전력 스위치(110)의 드레인 전압 검출 시, 상기 검출된 드레인 전압에 대응하는 싱크 전류를 생성하기 위한 제2 구동신호들을 생성하고, 상기 제2 구동신호들을 트랜지스터 어레이(630)로 제공할 수 있다. 이때, 상기 제2 구동신호들은 하나 이상의 트랜지스터를 구동하기 위한 구동신호일 수 있다.When the drain voltage of the power switch 110 is detected, the transistor array controller 620 generates second driving signals for generating a sink current corresponding to the detected drain voltage, and applies the second driving signals to the transistor array ( 630) can be provided. In this case, the second driving signals may be driving signals for driving one or more transistors.

트랜지스터 어레이(630)는, 트랜지스터 어레이 제어부(620)의 구동신호에 따라, 전력 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 생성하고, 상기 생성된 싱크 전류를 전력 스위치(110)의 게이트 단으로 인가하는 기능을 수행할 수 있다. The transistor array 630 generates a sink current for soft turning off the power switch 110 according to a driving signal of the transistor array controller 620 , and applies the generated sink current to the gate terminal of the power switch 110 . can perform the authorization function.

트랜지스터 어레이(630)는 전력 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 생성하는 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수의 트랜지스터들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 병렬로 연결될 수 있다. The transistor array 630 may include a plurality of transistors generating a sink current for soft turning off the power switch 110 . In this case, the plurality of transistors may be connected in series or in parallel, more preferably in parallel.

이러한 트랜지스터 어레이(630)에 사용 가능한 트랜지스터들의 종류로는 MOSFET 소자, BJT 소자, IGBT 소자 등이 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 또한, 상기 트랜지스터 어레이(630)를 구성하는 복수의 트랜지스터들의 크기(size)는 서로 동일하거나 혹은 다르게 형성될 수 있다. Types of transistors usable in the transistor array 630 include, but are not limited to, a MOSFET device, a BJT device, an IGBT device, and the like. Also, the sizes of the plurality of transistors constituting the transistor array 630 may be the same or different from each other.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단락보호회로의 세부 구성 및 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 이하, 본 실시 예에서는, 설명의 편의상, 트랜지스터 어레이(630)가 병렬로 연결된 9개의 트랜지스터를 구비하는 것을 예시하여 설명하도록 한다. 또한, 드레인 전압 검출부(221)는 외부 커패시터와 내부 커패시터를 포함하는 것을 예시하여 설명하도록 한다.8 and 9 are diagrams referenced to explain the detailed configuration and operation of a short-circuit protection circuit according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, in the present embodiment, for convenience of description, the transistor array 630 will be described with an example including nine transistors connected in parallel. In addition, the drain voltage detection unit 221 will be described by exemplifying that it includes an external capacitor and an internal capacitor.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단란보호회로(200)는 단락 검출부(210) 및 단락 차단부(220)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 단락 차단부(220)는 드레인 전압 검출부(221) 및 소프트 오프 제어부(223)를 포함할 수 있고, 상기 소프트 오프 제어부(223)는 싱크전류 결정부(610), 트랜지스터 어레이 제어부(620) 및 트랜지스터 어레이(630)를 포함할 수 있다.8 and 9 , the short circuit protection circuit 200 according to an embodiment of the present invention may include a short circuit detecting unit 210 and a short circuit blocking unit 220 . Here, the short circuit breaker 220 may include a drain voltage detector 221 and a soft-off controller 223 , and the soft-off controller 223 includes a sink current determiner 610 and a transistor array controller 620 . ) and a transistor array 630 .

단란보호회로(200)는 전력 스위치(110)의 단락 여부를 검출하고, 단락 상태 검출 시 상기 전력 스위치(110)를 강제로 소프트 턴 오프(soft turn off)시키는 기능을 수행할 수 있다. The short circuit protection circuit 200 may perform a function of detecting whether the power switch 110 is short-circuited, and forcibly turning off the power switch 110 when a short-circuit condition is detected.

이러한 단란보호회로(200)의 동작을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 전력 스위치(110)에서 단락 상태가 발생하게 되면, 해당 스위치(110)의 드레인 전류(ID)가 급격히 증가하게 된다. 하지만, 전력 스위치(110)가 턴 온 상태이므로, 해당 스위치(110)의 작은 턴 온 저항(RON)으로 인해 드레인 전압(VDS)은 천천히 상승하게 된다. 전력 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)이 임계치를 초과하는 경우, 단락 검출부(210)는 해당 스위치(110)의 단락 상태를 검출하고, 해당 스위치(110)를 보호하기 위한 단락보호신호(VProtect)를 소프트 오프 제어부(223)로 제공하게 된다.The operation of the short-circuit protection circuit 200 will be described in more detail as follows. First, when a short circuit occurs in the power switch 110 , the drain current I D of the corresponding switch 110 rapidly increases. However, since the power switch 110 is turned on, the drain voltage V DS slowly rises due to the small turn-on resistance R ON of the corresponding switch 110 . When the drain voltage (V DS ) of the power switch 110 exceeds the threshold, the short-circuit detection unit 210 detects a short-circuit state of the corresponding switch 110 , and a short-circuit protection signal ( V Protect ) is provided to the soft-off control unit 223 .

소프트 오프 제어부(223)의 트랜지스터 어레이 제어부(620)는, 전력 스위치(110)의 단락 상태 검출 시, 미리 결정된 초기 싱크 전류를 생성하기 위한 제1 구동신호들을 생성하고, 상기 제1 구동신호들을 트랜지스터 어레이(630)로 일정 시간 동안 제공할 수 있다. 이때, 상기 제1 구동신호들은 미리 결정된 개수(가령, 5개)의 트랜지스터들을 구동하기 위한 구동신호들일 수 있다. 또한, 상기 제1 구동신호들이 제공되는 일정 시간은 도 9의 드레인 전압 센싱 구간에 대응한다. When the short-circuit state of the power switch 110 is detected, the transistor array control unit 620 of the soft-off control unit 223 generates first driving signals for generating a predetermined initial sink current, and transmits the first driving signals to the transistor. It may be provided to the array 630 for a predetermined time. In this case, the first driving signals may be driving signals for driving a predetermined number (eg, 5) of transistors. In addition, a predetermined period of time during which the first driving signals are provided corresponds to the drain voltage sensing period of FIG. 9 .

트랜지스터 어레이(630)는 트랜지스터 어레이 제어부(620)로부터 수신된 제1 구동신호들을 기반으로 미리 결정된 초기 싱크 전류를 생성하고, 상기 초기 싱크 전류를 전력 스위치(110)의 게이트 단으로 인가하여 해당 스위치(110)의 게이트 전압을 감소시킬 수 있다. 상기 전력 스위치(110)의 게이트 전압(VG)이 일정 시간 동안 감소하게 되면, 전력 스위치(110)의 내부 저항(RON) 및 드레인 전류(ID)가 증가하게 되고, 그에 따라 해당 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)이 급격하게 상승하게 된다.The transistor array 630 generates a predetermined initial sink current based on the first driving signals received from the transistor array control unit 620 , and applies the initial sink current to the gate terminal of the power switch 110 to the corresponding switch ( 110) can be reduced. When the gate voltage (V G ) of the power switch 110 decreases for a predetermined time, the internal resistance (R ON ) and the drain current ( ID ) of the power switch 110 increase, and accordingly, the corresponding switch ( 110), the drain voltage V DS is rapidly increased.

이후, 드레인 전압 검출부(221)는 외부 커패시터 및 내부 커패시터를 이용하여 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS)에 대응하는 센싱 전압 신호(VSENSE)를 검출하게 된다. 여기서, 상기 센싱 전압 신호(VSENSE)는 드레인 전압 신호(VDS)를 일정 비율만큼 감쇄한 전압 신호이다. Thereafter, the drain voltage detector 221 detects a sensing voltage signal V SENSE corresponding to the drain voltage signal V DS of the power switch 110 using an external capacitor and an internal capacitor. Here, the sensing voltage signal V SENSE is a voltage signal obtained by attenuating the drain voltage signal V DS by a predetermined ratio.

싱크전류 결정부(610)는, 전력 스위치(110)의 드레인 전압 신호(VDS) 검출 시, 상기 드레인 전압 신호(VDS)에 대응하는 센싱 전압 신호(VSENSE)를 기반으로 상기 전력 스위치(110)를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 결정하고, 상기 결정된 싱크 전류를 생성하기 위한 디지털 제어신호를 제공할 수 있다. The sink current determiner 610 is, when detecting the drain voltage signal V DS of the power switch 110 , based on the sensing voltage signal V SENSE corresponding to the drain voltage signal V DS , the power switch ( 110) may determine a sink current for soft turning off, and provide a digital control signal for generating the determined sink current.

싱크전류 결정부(610)는 센싱 전압 신호(VSENSE)의 크기에 반비례하도록 싱크 전류를 결정할 수 있다. 가령, 센싱 전압 신호(VSENSE)의 크기가 크게 측정된 경우, 싱크전류 결정부(610)는 싱크 전류를 초기 싱크 전류보다 감소시켜 전력 스위치(110)를 좀 더 천천히 턴 오프시킬 수 있다. 한편, 센싱 전압 신호(VSENSE)의 크기가 작게 측정된 경우, 싱크전류 결정부(610)는 싱크 전류를 초기 싱크 전류보다 증가시켜 전력 스위치를 좀 더 빠르게 턴 오프시킬 수 있다.The sink current determiner 610 may determine the sink current to be inversely proportional to the magnitude of the sensing voltage signal V SENSE . For example, when the magnitude of the sensing voltage signal V SENSE is measured to be large, the sink current determiner 610 may reduce the sink current from the initial sink current to turn off the power switch 110 more slowly. Meanwhile, when the magnitude of the sensing voltage signal V SENSE is measured to be small, the sink current determiner 610 may increase the sink current than the initial sink current to turn off the power switch more quickly.

트랜지스터 어레이 제어부(620)는, 싱크전류 결정부(610)로부터 수신된 디지털 제어신호에 대응하여, 전력 스위치(110)의 드레인 전압에 대응하는 싱크 전류를 생성하기 위한 제2 구동신호들을 생성하고, 상기 제2 구동신호들을 트랜지스터 어레이(630)로 제공할 수 있다. 여기서, 상기 제2 구동신호들은 하나 이상의 트랜지스터를 구동하기 위한 구동신호일 수 있다.The transistor array controller 620 generates second driving signals for generating a sink current corresponding to the drain voltage of the power switch 110 in response to the digital control signal received from the sink current determiner 610, The second driving signals may be provided to the transistor array 630 . Here, the second driving signals may be driving signals for driving one or more transistors.

트랜지스터 어레이(630)는 트랜지스터 어레이 제어부(620)로부터 수신된 제2 구동신호들을 기반으로 싱크 전류를 생성하고, 상기 싱크 전류를 전력 스위치(110)의 게이트 단으로 인가하여 해당 스위치(110)를 소프트 턴 오프시킬 수 있다.The transistor array 630 generates a sink current based on the second driving signals received from the transistor array controller 620 , and applies the sink current to the gate terminal of the power switch 110 to soft the switch 110 . can be turned off.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단란보호회로(200)는, 전력 스위치(110)의 드레인 전압(VDS)을 일정 레벨 이상으로 상승시키지 않는 선에서, 해당 스위치(110)의 특성에 따라 소프트 턴 오프 시간을 적응적으로 조정할 수 있다.As described above, in the short circuit protection circuit 200 according to the present invention, the drain voltage (V DS ) of the power switch 110 does not rise above a certain level, depending on the characteristics of the switch 110 . The soft turn-off time can be adaptively adjusted.

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.Various embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the

100: 전력 스위치 시스템 110: 전력 스위치
120: PWM 제어부 130: 게이트 구동회로
140/200: 단락보호회로 210: 단락 검출부
220: 단락 차단부 221: 드레인 전압 검출부
223: 소프트 오프 제어부100: power switch system 110: power switch
120: PWM control unit 130: gate driving circuit
140/200: short circuit protection circuit 210: short circuit detection unit
220: short circuit breaker 221: drain voltage detection unit
223: soft off control

Claims (8)

전력 스위치의 단락 여부를 검출하는 단락 검출부; 및
상기 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 검출하고, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)에 따라 상기 전력 스위치를 소프트 턴 오프(soft turn off)하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절하는 단락 차단부를 포함하는 전력 스위치용 단락보호회로.a short-circuit detection unit detecting whether the power switch is short-circuited; and
A sink current for detecting a drain voltage (V DS ) of the power switch when the short circuit state of the power switch is detected, and soft turning off the power switch according to the detected drain voltage (V DS ) A short circuit protection circuit for a power switch including a short circuit breaker for adaptively adjusting the 제1항에 있어서, 상기 단락 차단부는,
상기 전력 스위치의 드레인 단에 연결되어, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 검출하는 드레인 전압 검출부; 및
상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)에 대응하여 상기 전력 스위치를 소프트 턴 오프(soft turn off)하기 위한 싱크 전류를 적응적으로 조절하는 소프트 오프 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.The method of claim 1, wherein the short circuit breaker,
a drain voltage detector connected to the drain terminal of the power switch to detect a drain voltage (V DS ) of the power switch; and
Short-circuit protection for power switch, characterized in that it includes a soft-off control unit for adaptively adjusting a sink current for soft turn-off of the power switch in response to the drain voltage (V DS ) of the power switch Circuit. 제2항에 있어서,
상기 드레인 전압 검출부는, 상기 전력 스위치의 드레인 단과 소프트 오프 제어부 사이에 연결된 외부 커패시터(external capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.3. The method of claim 2,
and the drain voltage detection unit includes an external capacitor connected between the drain terminal of the power switch and the soft-off control unit. 제2항에 있어서,
상기 드레인 전압 검출부는, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 측정하기 위한 외부 커패시터(external capacitor)와, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 감쇄하기 위한 내부 커패시터(internal capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.3. The method of claim 2,
The drain voltage detector includes an external capacitor for measuring the drain voltage (V DS ) of the power switch, and an internal capacitor for attenuating the drain voltage (V DS ) of the power switch A short circuit protection circuit for a power switch, characterized in that. 제2항에 있어서, 상기 소프트 오프 제어부는,
복수의 트랜지스터들을 포함하는 트랜지스터 어레이;
상기 복수의 트랜지스터들 중 적어도 하나를 구동하기 위한 구동신호를 생성하는 트랜지스터 어레이 제어부; 및
상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS)을 기반으로 상기 전력 스위치를 소프트 턴 오프하기 위한 싱크 전류를 결정하는 싱크전류 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.According to claim 2, wherein the soft-off control unit,
a transistor array including a plurality of transistors;
a transistor array controller configured to generate a driving signal for driving at least one of the plurality of transistors; and
and a sink current determination unit for determining a sink current for soft turning off the power switch based on the drain voltage (V DS ) of the power switch. 제5항에 있어서,
상기 싱크전류 결정부는, 상기 드레인 전압(VDS)에 대응하는 아날로그 신호를 상기 싱크 전류를 생성하기 위한 디지털 제어신호로 변환하기 위한 ADC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.6. The method of claim 5,
The sink current determiner, the short circuit protection circuit for a power switch, comprising an ADC converter for converting an analog signal corresponding to the drain voltage (V DS ) into a digital control signal for generating the sink current. 제5항에 있어서,
상기 트랜지스터 어레이 제어부는, 상기 전력 스위치의 단락 상태 검출 시, 미리 결정된 초기 싱크 전류를 생성하기 위한 제1 구동신호들을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.6. The method of claim 5,
The transistor array controller is configured to generate first driving signals for generating a predetermined initial sink current when the short circuit of the power switch is detected. 제5항에 있어서,
상기 트랜지스터 어레이 제어부는, 상기 전력 스위치의 드레인 전압(VDS) 검출 시, 상기 검출된 드레인 전압(VDS)에 대응하는 싱크 전류를 생성하기 위한 제2 구동신호들을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 스위치용 단락보호회로.
6. The method of claim 5,
The transistor array controller is configured to generate second driving signals for generating a sink current corresponding to the detected drain voltage (V DS ) when the drain voltage (V DS ) of the power switch is detected. short circuit protection circuit for
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