KR20230055364A - 스위치의 단락 보호 장치 - Google Patents

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KR20230055364A
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김래영
백몽요
민성수
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

스위치의 단락을 검출하여 보호하는 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치는 스위치의 출력전압을 측정하여 측정전압으로 출력하는 전압측정부; 지정된 기준전압과 측정전압을 비교하는 비교부; 및 전압측정부와 비교부 사이에 연결되고, 스위치가 턴오프(turn off)된 경우에 턴온(turn on)되어, 전압측정부(220)의 출력단을 제1 접지(ground)로 연결하는 연결부를 포함한다.

Description

스위치의 단락 보호 장치{Apparatus for protecting a short in a switch}
본 발명은 스위치의 단락 보호 장치에 대한 것으로, 보다 상세하게는 스위치의 단락을 검출하여 스위치를 보호하는 스위치의 단락 보호장치에 관한 것이다.
전력소자는 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. 전력소자는 대표적으로 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 전력 집적회로(IC), GaN HEMTs 등이 있으며, 이중에서 특히 고속 스위칭이 가능하고, 구동회로의 손실이 적은 GaN HEMTs가 주목받고 있다.
MOSFET, GaN HEMTs 등이 다양한 애플리케이션에 응용되기 위해서는 반드시 소자의 안정성이 확보되어야 한다. 특히, MOSFET, GaN HEMTs과 같은 스위치에 단락이 발생하면, 수백 나노 초 내에 MOSFET, GaN HEMTs과 같은 스위치가 소손(break down)될 수 있어, 스위치 단락여부를 빠르게 판단할 수 있는 장치가 필요하다.
이 발명의 배경이 되는 기술부분에 기재된 사항은 발명의 배경 이해를 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이라고 단정될 수는 없다.
본 발명은 스위치의 단락을 검출하는 방법 중 구현하기 쉬운 불포화 기반 검출 방법(a desaturation-based detection method)을 이용하면서도, 상대적으로 큰 노이즈 마진을 확보하여, 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(즉, dv/dt 노이즈)에 대한 내성이 커서, 오동작을 방지할 수 있는 스위치의 단락 보호 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 과전류를 빠르게 검출할 수 있어 스위치가 과전류에 의해 소손(break down)되기 전에 스위치를 턴오프(turn off)시켜 스위치를 보호할 수 있는 스위치의 단락 보호 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스위치의 단락을 검출하여 보호하는 장치에 있어서, 상기 스위치의 출력전압을 측정하여 측정전압으로 출력하는 전압측정부; 지정된 기준전압과 상기 측정전압을 비교하는 비교부; 및 상기 전압측정부와 상기 비교부 사이에 연결되고, 상기 스위치가 턴오프(turn off)된 경우에 턴온(turn on)되어, 상기 전압측정부(220)의 출력단을 제1 접지(ground)로 연결하는 연결부를 포함하는, 스위치의 단락 보호 장치가 제공될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 전압 측정부는, 상기 스위치의 출력단에 캐소드가 연결되는 다이오드; 상기 다이오드의 애노드에 일단이 연결되는 제1 저항; 일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력받고, 타단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되는 제2 저항; 및 상기 제1 저항의 타단과 제2 접지(ground)를 연결하는 커패시터를 포함하되, 상기 커패시터 양단에 걸리는 전압을 상기 측정전압으로 출력할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 연결부는 드레인(drain)이 상기 전압측정부의 출력단에 연결되고, 소스(source)가 상기 제1 접지(ground)에 연결되는 MOSFET; 및 상기 스위치에 입력되는 제어신호를 동일하게 입력받아서 반전시켜 상기 MOSFET의 게이트에 전달하는 인버터를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 스위치가 턴오프(turn off)된 경우 상기 MOSFET은 턴온(turn on)되고, 상기 전압측정부의 출력단이 상기 제1 접지(ground)에 연결되어 상기 커패시터가 방전될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 비교부는, 일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력받는 제3 저항; 상기 제3 저항의 타단과 제3 접지(ground)를 연결하는 제4 저항; 및 제1 입력단(+)은 상기 전압측정부의 출력단에 연결되어 상기 측정전압을 입력받고, 제2 입력단(-)은 상기 제3 저항의 타단에 연결되어 상기 제4 저항 양단에 걸리는 전압을 기준전압으로 입력받는 비교기를 포함하되, 상기 측정전압이 상기 기준전압 이상인 경우, 상기 비교기는 소정의 에러신호를 출력할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 스위치는 전력스위치이고, 상기 측정전압은 상기 전력스위치의 드레인-소스 전압이고, 상기 비교부의 에러신호에 따라 상기 전력스위치를 턴오프(turn off) 시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제2 저항의 일단과 상기 제3 저항의 일단에 공급되는 외부전원전압(Vext)은, 상기 전력스위치를 턴온(turn on)시키기 위해 게이트에 제공되는 게이트턴온전압(Vg,on) 보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스위치의 단락 보호 장치는 스위치의 단락을 검출하는 방법 중 구현하기 쉬운 불포화 기반 검출 방법(a desaturation-based detection method)을 이용하면서도, 상대적으로 큰 노이즈 마진을 확보하여, 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(즉, dv/dt 노이즈)에 대하여 내성이 커서, 오동작을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스위치의 단락 보호 장치는 과전류를 빠르게 검출할 수 있어 스위치가 과전류에 의해 소손(break down)되기 전에 스위치를 턴오프(turn off)시켜 스위치를 보호할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력스위치의 단락 보호 장치의 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치를 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연결부의 예시한 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 단락 보호 장치와 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치의 노이즈 마진을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면.
도 5와 도 6은, 종래 기술에 다른 단락 보호 장치와 본 실시예에 따른 단락 보호 장치를, 암쇼트(arm-short) 중 HSF 조건에서 시뮬레이션 하여 과전류 감지시간을 비교한 결과를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하나 이상의 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 의미한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력스위치의 단락 보호 장치를 예시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 종래 기술에 따른 전력스위치(102)의 단락 보호 장치(100)는 전압측정부(120)에서 전력스위치(102)의 드레인-소스 전압을 측정하여 측정전압(Vsense)으로 출력할 수 있다. 그리고, 비교부(130)는 측정전압(Vsense)과 지정된 기준전압(Vref)을 비교하여, 측정전압(Vsense)이 기준전압(Vref) 이상이 되면, 비교부(130)는 전력스위치(102)가 단락 되었다고 판단할 수 있다.
전력스위치(102)가 정상상태(steady-state)에서 정상적으로 턴온(turn on)된 경우, 측정전압(Vsense)은 하기의 수학식(1)로 산출될 수 있다.
(1)
Figure pat00001
여기서, Vsense 는 측정전압이고, Vg,on은 전력스위치(102)를 턴온(turn on)시키기 위하여 게이트에 공급되는 게이트턴온전압이고, R1은 제1 저항(105)의 저항값이고, R2는 제2 저항(106)의 저항값이고, Vds는 전력스위치(102)의 드레인-소스 전압이고, VD1_F와 VD2_F는 제1 다이오드(103) 및 제2 다이오드(104)의 순방향 전압 강하값이다.
여기서, 제1 저항(105)의 저항값(R1)이 제2 저항(106)의 저항값(R2)보다 훨씬 큰 경우, 수학식(1)의 측정전압(Vsense)은 하기의 수학식(2)로 정리될 수 있다.
(2)
Figure pat00002
기준전압(Vref)은, 제3 저항(110)과 제4 저항(111)의 저항값을 설정하여, 소정의 값으로 설정할 수 있다.
만일, 기준전압(Vref)의 최대값을 고려하는 경우, 과전류가 전력스위치(102)에 흐를 때, 커패시터(108)에 충전되는 최대 충전전압 일 수 있다. 이 경우, 커패시터(108)에 충전되는 최대 충전전압은 전력스위치(102)를 턴온(turn on)시키기 위하여 게이트에 공급되는 게이트턴온전압(Vg,on)일 수 있다.
따라서, 종래 기술에 따른 전력스위치(102)의 단락 보호 장치(100)에서 기준전압(Vref)과 측정전압(Vsense)간의 차이값, 즉 노이즈 마진은 하기의 수학식(3)으로 정리할 수 있다.
(3)
Figure pat00003
여기서, Vmargin은 기준전압(Vref)과 측정전압(Vsense)간의 차이값(이하, '노이즈 마진'으로 칭함)이고, Vref는 기준전압이고, Vsense는 측정전압이고, Vg,on은 전력스위치(102)를 턴온(turn on)시키기 위하여 게이트에 공급되는 게이트턴온전압이고, Vds는 전력스위치(102)의 드레인-소스 전압이고, VD1_F와 VD2_F는 제1 다이오드(103) 및 제2 다이오드(104)의 순방향 전압강하값이다.
이하, 도 2 및 도 3을 참고하여 본 실시예에 따른 스위치의 단락 보호 장치를 설명한 후, 다시 종래 기술에 따른 전력스위치의 단락 보호 장치(100)와 비교하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스위치의 단락 보호 장치(이하, '단락 보호 장치'라 칭함)를 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연결부를 예시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 전압측정부(220), 비교부(230), 연결부(250) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 스위치(202)는 MOSFET을 이용한 전력스위치로 예시하여 설명하나, 본 발명이 적용될 수 있는 스위치는 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어 스위치는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 전력 집적회로(IC), GaN HEMTs 등을 이용한 다양한 스위치 일 수 있다.
또한, 스위치(202)는 입력되는 제어신호(215)에 따라 턴온(turn on) 또는 턴오프(turn off) 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 스위치(202)의 출력전압을 측정하여 측정전압(Vsense)으로 출력하는 전압측정부(220)를 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 전압측정부(220)는 스위치(202)의 출력단에 캐소드가 연결되는 다이오드(203)와, 다이오드(203)의 애노드에 일단이 연결되는 제1 저항(205)과, 일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력받고 타단은 제1 저항(205)의 타단과 연결되는 제2 저항(206)과, 제1 저항(205)의 타단과 제2 접지(ground)(242)를 연결하는 커패시터(208)를 포함할 수 있다.
여기서, 외부전원전압(Vext)은 스위치(202)를 턴온(turn on)하기 위해 스위치(202)의 게이트에 제공되는 게이트턴온전압(Vg,on)보다 큰 값일 수 있다. 예를 들어, 외부전원전압(Vext)는 +10V이고, 게이트턴온전압(Vg,on)은 +6V일 수 있다.
전압측정부(220)는 커패시터(208) 양단에 걸리는 전압을 측정전압(Vsense)으로 출력할 수 있다.
예를 들어, 스위치(202)가 정상상태(steady-state)에서 정상적으로 턴온(turn on)된 경우, 측정전압(Vsense)은 하기의 수학식(4)로 산출될 수 있다.
(4)
Figure pat00004
여기서, Vsense는 측정전압이고, Vext는 별도 외부전원으로부터 공급되는 외부전원전압이고, R1은 제1 저항(205)의 저항값이고, R2는 제2 저항(206)의 저항값이고, Vds는 전력스위치(202)의 드레인-소스 전압이고, VD1_F는 제1 다이오드(203)의 순방향 전하 강하값이다.
여기서, 제1 저항(205)의 저항값(R1)이 제2 저항(206)의 저항값(R2)보다 훨씬 큰 경우, 수학식(4)의 측정전압(Vsense)은 하기의 수학식(5)로 정리될 수 있다.
(5)
Figure pat00005
본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 측정전압(Vsense)과 기준전압(Vref)을 비교하는 비교부(230)를 포함할 수 있다.
여기서, 측정전압(Vsense)이 기준전압(Vref) 미만인 경우에 비교부(230)가 출력하는 값과, 측정전압(Vsense)이 기준전압(Vref) 이상인 경우에 비교부(230)가 출력하는 값은, 상이하도록 지정될 수 있다.
예를 들어, 측정전압(Vsense)이 기준전압(Vref) 이상인 경우, 비교부(230)는 소정의 에러신호를 출력할 수 있다.
도 2를 참고하면, 비교부(230)는, 일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력받는 제3 저항(210)과, 제3 저항(210)의 타단과 제3 접지(ground)(243)를 연결하는 제4 저항(211)과, 제1 입력단(+)은 전압측정부(220)의 출력단에 연결되어 측정전압(Vsense)을 입력받고, 제2 입력단(-)은 제3 저항(210)의 타단에 연결되어 제4 저항(211) 양단에 걸리는 전압을 기준전압(Vref)으로 입력받는 비교기(212)를 포함할 수 있다.
도 2에는 비교부(230)의 일 예로, 제3 저항(210)과 제4 저항(211)의 저항값이 설정되어, 기준전압(Vref)이 소정의 값으로 설정되는 것으로 예시하였으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 출원시 공지된 다양한 방법으로 기준전압(Vref)이 설정될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
여기서, 기준전압(Vref)의 최대값을 고려하는 경우, 과전류가 전력스위치(202)에 흐를 때 커패시터(208)에 충전되는 최대 충전전압일 수 있다. 이 경우, 커패시터(208)에 충전되는 최대 충전전압은 별도의 외부 전원으로부터 공급되어 제2 저항(206)의 일단으로 공급되는 외부전원전압(Vext)일 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)에서 제3 저항(210)의 일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력하고, 제3 저항(210)과 제4 저항(211)의 저항값을 설정하여, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 기준전압(Vref)를 다양한 값으로 설정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스위치(202)의 단락 보호 장치(200)에서 기준전압(Vref)과 측정전압(Vsense)간의 마진(margin)은 하기의 수학식 (6)으로 정리될 수 있다.
(6)
Figure pat00006
여기서, Vmargin은 기준전압(Vref)과 측정전압(Vsense)간의 차이값(즉, 노이즈 마진)이고, Vref는 기준전압이고, Vsense는 측정전압이고, Vext는 외부 별도의 전원으로 공급되는 외부전원전압이고, Vds는 전력스위치(202)의 드레인-소스 전압이고, VD1_F는 제1 다이오드(203)의 순방향 전압강하값이다.
본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 비교부(230)의 출력에 따라 스위치(202)를 턴온(turn on) 또는 턴오프(turn off)시키는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
여기서, 제어부 (미도시)는 소프트웨어 모듈로 상술한 구성 중 어느 하나에 통합되어 구현되거나, 하드웨어적으로 독립되어 별도의 구성으로 구현될 수 있으며, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 다양한 방법으로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 전압측정부(220)와 비교부(230)사이에 연결되고, 스위치(202)가 턴오프(turn off)된 경우에 턴온(turn on)되어, 전압측정부(220)의 출력단을 제1 접지(ground)(241)로 연결하는 연결부(250)를 포함할 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연결부(250)는 드레인(drain)이 전압측정부(220)의 출력단에 연결되고, 소스(source)가 제1 접지(ground)(241)에 연결되는 MOSFET(252)과, 스위치(202)에 입력되는 제어신호(215)를 동일하게 입력 받되, 반전시켜 MOSFET(252)의 게이트에 전달하는 인버터(251)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 입력되는 제어신호(215)에 따라 스위치(202)가 턴오프(turn off)된 경우, 스위치(202)에 입력된 동일한 제어신호(215)가 인버터(251)에서 반전되어 MOSFET(252)의 게이트에 입력되고, MOSFET(252)은 턴온(turn on)되어 전기적으로 도통될 수 있다. 이 경우, MOSFET(252)의 드레인에 연결된 전압측정부(220)의 출력단이 제1 접지(ground)(241)에 연결되어, 커패시터(208)에 충전된 전압이 방전되고, 결과적으로 측정전압(Vsense)이 0V가 될 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 종래 기술에 따른 단락 보호 장치(100)에서는, 스위치(102)가 턴오프(turn off)되어도, 커패시터(108)에는 측정전압(Vsense)가 충전되어 있다. 이 경우, 스위치(202)가 정상 작동 중임에도 불구하고, 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(즉, dv/dt 노이즈)가 발생하는 경우, 커패시터(108)에 충전되어 있는 측정전압(Vsense)에 더해져 순간적으로 기준전압(Vref)보다 클 수 있어, 단락 보호 장치(100)가 오동작을 할 수 있다.
다시 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 스위치(202)가 턴오프(turn off)된 경우, 커패시터(208)가 제1 접지(241)에 연결되어 방전되므로, 측정전압(Vsense)가 0V가 된다. 이 경우, 스위치(202)의 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(즉, dv/dt 노이즈)가 발생하더라도, 그 값만으로 기준전압(Vref)보다 클 가능성이 매우 적다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 오동작할 가능성이 매우 적다는 장점이 있다.
도 2 및 도 3에는 스위치(202)에 입력되는 제어신호(215)가 동일하게 연결부(250)에 입력되고, 연결부(250)에 포함된 인버터(251)가 해당 제어신호(215)를 반전시키는 실시예를 설명하였다. 그러나, 본 실시예는 본 발명이 적용되는 환경에 따라, 다양하게 수정 변경되어 적용될 수 있다. 예를 들어, 스위치(202)에 입력되는 제어신호(215)가 다른 구성에서 반전될 수 있고, 반전된 제어신호가 연결부(250)에 입력될 수 있으며, 이 경우 연결부(250)의 인버터(251)는 생략될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 도 2 및 도 3에는 제1 내지 제4 접지(241, 242, 243, 244)에 별도로 구분되어 예시되어 있으나, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 하나의 접지로 구성되거나 그 중 일부가 하나로 구성되거나, 모두 독립적으로 구성되는 등 다양하게 구현될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 4 내지 도 6은 종래기술에 따른 단락 보호 장치(100)와 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)를 LTspice로 시뮬레이션한 결과이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참고하여, 종래기술에 따른 단락 보호 장치(100)와 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)를 비교하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고하면, 제어신호(115, 215)에 따라 구동부(도 1의 113)가 게이트턴온전압(Vg,on) 또는 게이트턴오프전압(Vg,off)를 스위치(102, 202)의 게이트에 제공할 수 있다. 여기서, 게이트턴온전압(Vg,on)은 스위치(102, 202)를 턴온(turn on)시키기 위해 스위치(102, 202)의 게이트에 구동부(도 1의 113)가 공급하는 전압이고, 게이트턴오프전압(Vg,off)은 스위치(102, 202)를 턴오프(turn off)시키기 위해 스위치(102, 202)의 게이트에 구동부(도 1의 113)가 공급하는 전압이다.
도 2에는, 제어신호(215)에 따라 구동부(미도시)가 게이트턴온전압(Vg,on) 또는 게이트턴오프전압(Vg,off)을 제공하는 구성(즉, 도 1의 150)을 도시하지 아니하였으나, 포함된 것으로 이해할 수 있을 것이다.
이하, 도 1 및 도 2에서 스위치(102, 202)는 GaN HEMTs (Gallium nitride high electron mobility transistors, 예를 들어, GaN system사가 생산하는 GS66508T)를 예로 들었고, 그에 따라 게이트턴온전압(Vg,on)은 +6V로, 게이트턴오프전압(Vg,off)은 -3V로 설정하여 시뮬레이션 하였다. 그러나, 본 발명이 적용될 수 있는 스위치(102, 202)는 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 출원시 공지된 다양한 스위치 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 그에 따라 게이트턴온전압(Vg,on)과 게이트턴오프전압(Vg,off)도 스위치에 대응하여 다양하게 설정될 수 있을 것이다.
구동부(도 1의 113)에 공급되는 일반전원전압(Vcc)은 게이트턴온전압(Vg,on)과 동일하게 +6V로 설정하였으나, 이는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위한 일 실시예일 뿐이며, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있다.
또한, 도 2에서, 본 발명의 실시예에 따라 제2 저항(206)의 일단 및 제3 저항(210)일단에 공급되는 외부전원전압(Vext)는 +10V로 설정하였으나, 이 또한 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위한 일 실시예일 뿐이며, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있다.
커패시터(108, 208)는 예시적으로 240pF로 설정하였고, MOSFET(도 3의 252)은 예시적으로 DIODES社에서 생산하는 DMN67D8LW로 설정하였다.
도 4는 종래 기술에 따른 단락 보호 장치(100)와 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)의 노이즈 마진을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.
앞서 도 1을 참고하여 설명한 바와 같이, 종래 기술에 따른 단락 보호 장치(100)에서의 기준전압(Vref)(도면에서 'Vref.exit'으로 구분하여 칭함)은 최대값을 고려하는 경우, 게이트턴온전압(Vg,on)으로 +6V일 수 있다. 본 시뮬레이션에서는 제3 저항(110)과 제4 저항(111)값을 조절하여 +5V로 미리 설정하였다(411).
그리고, 앞서 도 2를 참고하여 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)에서 외부전원전압(Vext)는 +10V로 설정되었고, 제3 저항(210)과 제4 저항(210)의 저항값을 조절하여, 본 시뮬레이션의 기준전압(도면에서 'Vref.pro2'로 구분하여 명칭함)이 약 +10V로 설정하였다.
앞서 설명한 수학식 3(종래 기술에서의 노이즈 마진)과 수학식 6(본 실시예에서의 노이즈 마진)을 비교하면, 본 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)의 노이즈 마진(425)이 종래 기술에 따른 단락 보호 장치(100)의 노이즈 마진(415)보다 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.
따라서, 스위치(102)의 단락을 검출하는 종래 기술에 있어서, 불포화 기반 검출 방법(a desaturation-based detection method)은 구현하기 쉬움에도 불구하고, 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(즉, dv/dt 노이즈)가 발생하고, 그로 인해 유발되는 트리거링(triggering)(도 4의 417)이 발생되어, 노이즈 마진(415)이 상대적으로 작은 환경이기에, 스위치(102)가 정상동작 중임에도 불구하고, 측정전압(Vsense.exit) (413)이 순간적으로 기준전압(Vref.exit)(411)을 초과하여 스위치(102)가 단락되었다고 판단하는 오동작이 발생하는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 구현하기 쉬운 불포화 기반 검출방법(a desaturation-based detection method)을 이용하면서도, 상대적으로 큰 노이즈 마진(425)을 확보하여, 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(즉, dv/dt)에 대한 내성이 크므로, 오동작을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 5와 도 6은, 종래기술에 따른 단락 보호 장치(100)와 본 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)을, 암쇼트(arm-short) 중 HSF 조건에서 시뮬레이션하여 과전류 감지시간을 비교한 결과이다.
암쇼트(arm-short)는 HSF(hard switching fault)와 FUL(fault under load)로 나눌 수 있다. HSF와 FUL은 본 발명의 출원시 공지된 내용이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
다만, HSF의 경우 커패시터(108, 208)가 0V에서 충전을 시작하는 반면, FUL은 측정전압(Vsense)에서 충전하므로, 과전류 감지시간을 고려한다면 HSF 조건이 FUL 조건보다 필요한 시간이 더 길기에, 본 시뮬레이션에서는 HSF조건에 대해서 수행하였다.
도 5 및 도 6을 참고하여, 과전류를 감지하는 시간을 비교하면, 종래 기술에 따른 단락 보호 장치(100)는 162 ns가 소요된 반면, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 147.6ns가 소요되는 바, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)가 과전류를 더욱 빠르게 감지할 수 있음을 알 수 있다.
더 나아가, HSF 조건 보다 과전류를 감지하는 시간이 더 적게 소요되는 FUL 조건에는, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)가 147.6ns보다 더욱 빠르게 과전류를 검출할 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명할 것이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 단락 보호 장치(200)는 노이즈 마진(425)을 증가시켜, 고속 스위칭에 기인한 전압 변동 노이즈(dv/dt)에 따른 오동작을 방지하면서, 200ns 이내에서 과전류를 빠르게 검출할 수 있는 바, 스위치(202)가 소손(break down)되기전에 스위치(202)를 빠르게 보호할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
200 : 단락 보호 장치 202 : 스위치
220 : 전압측정부 230 : 비교부
250 : 연결부

Claims (7)

  1. 스위치의 단락을 검출하여 보호하는 장치에 있어서,
    상기 스위치의 출력전압을 측정하여 측정전압으로 출력하는 전압측정부;
    지정된 기준전압과 상기 측정전압을 비교하는 비교부; 및
    상기 전압측정부와 상기 비교부 사이에 연결되고, 상기 스위치가 턴오프(turn off)된 경우에 턴온(turn on)되어, 상기 전압측정부(220)의 출력단을 제1 접지(ground)로 연결하는 연결부;
    를 포함하는, 스위치의 단락 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    상기 스위치의 출력단에 캐소드가 연결되는 다이오드;
    상기 다이오드의 애노드에 일단이 연결되는 제1 저항;
    일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력받고, 타단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되는 제2 저항; 및
    상기 제1 저항의 타단과 제2 접지(ground)를 연결하는 커패시터;
    를 포함하되,
    상기 커패시터 양단에 걸리는 전압을 상기 측정전압으로 출력하는, 스위치의 단락 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는
    드레인(drain)이 상기 전압측정부의 출력단에 연결되고, 소스(source)가 상기 제1 접지(ground)에 연결되는 MOSFET; 및
    상기 스위치에 입력되는 제어신호를 동일하게 입력받아서 반전시켜 상기 MOSFET의 게이트에 전달하는 인버터;
    를 포함하는, 스위치의 단락 보호 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치가 턴오프(turn off)된 경우 상기 MOSFET은 턴온(turn on)되고, 상기 전압측정부의 출력단이 상기 제1 접지(ground)에 연결되어 상기 커패시터가 방전되는, 스위치의 단락 보호 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비교부(230)는,
    일단으로 외부전원전압(Vext)를 입력받는 제3 저항;
    상기 제3 저항의 타단과 제3 접지(ground)를 연결하는 제4 저항; 및
    제1 입력단(+)은 상기 전압측정부의 출력단에 연결되어 상기 측정전압을 입력받고, 제2 입력단(-)은 상기 제3 저항의 타단에 연결되어 상기 제4 저항 양단에 걸리는 전압을 기준전압으로 입력받는 비교기;
    를 포함하되,
    상기 측정전압이 상기 기준전압 이상인 경우, 상기 비교기는 소정의 에러신호를 출력하는, 스위치의 단락 보호 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비교부의 에러신호에 따라 상기 전력스위치를 턴오프(turn off) 시키는 제어부;
    를 더 포함하되,
    상기 스위치는 전력스위치이고,
    상기 측정전압은 상기 전력스위치의 드레인-소스 전압인, 스위치의 단락 보호 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 저항의 일단과 상기 제3 저항의 일단에 공급되는 외부전원전압(Vext)은, 상기 전력스위치를 턴온(turn on)시키기 위해 게이트에 제공되는 게이트턴온전압(Vg,on) 보다 큰, 스위치의 단락 보호 장치.
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