KR20230103987A - 전류 가변 mosfet 게이트 구동회로 - Google Patents

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KR20230103987A
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Abstract

본 발명은 SiC MOSFET, GaN HEMT와 같이 빠른 스위칭 특성을 가지는 전력용 반도체 소자의 구동 시, 게이트-소스 전압에 따라 게이트 구동 전류를 가변하여 최적의 스위칭 특성을 제공하는 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로를 제안한다. 본 발명 회로는, 양의 게이트 출력전압(+VG) 또는 음의 게이트 출력전압(-VE)을 발생하는 게이트 구동기와 상기 게이트 구동기의 구동신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프 동작하는 MOSFET 소자를 포함한다. 그리고 게이트 구동 전류의 가변을 위하여 상기 게이트 구동기와 MOSFET 소자 사이의 제1 경로에 제2 제너 다이오드(D2), 제1 제너 다이오드(D1) 및 제1 게이트 저항(R1)이 순서대로 연결되며, 상기 제1 경로와 병렬인 제2 경로에는 제2 게이트 저항(R2)이 연결된다. 이러한 구성에 따르면 MOSFET 소자의 게이트 - 소스 전압에 따라 게이트 구동 전류를 가변하여 스위칭 특성을 제공할 수 있다.

Description

전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로{Current Changeable MOSFET Gate Drive Circuit}
본 발명은 SiC MOSFET, GaN HEMT와 같이 빠른 스위칭 특성을 가지는 전력용 반도체 소자의 구동 시, 게이트 - 소스 전압에 따라 게이트 구동 전류를 가변하여 최적의 스위칭 특성을 갖도록 하는 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로에 관한 것이다.
SiC MOSFET, GaN HEMT 등과 같은 넓은 밴드 갭(WBG;Wide Bandgap)을 가지는 전력용 반도체 소자들은 기존의 실리콘(Si) 기반의 소자들에 비해 스위칭에 필요한 에너지가 작아 스위칭 손실이 매우 작으며, 소자의 턴 온(Turn on) 또는 턴 오프 (Turn off) 동작 시, 높은 dv/dt(스위칭 노드의 시간에 대한 전압의 변화율) 특성 및 di/dt(스위칭 노드의 시간에 대한 전류의 변화율) 특성을 나타낸다.
그러나 반도체 소자에서 상기한 dv/dt, di/dt 특성은 회로의 기생 커패시턴스 또는 누설 인덕턴스와 결합되면 과도 상태에서 큰 서지 전류 또는 전압을 발생하게 되며, 이러한 서지 전류 또는 전압은 전자기적인 노이즈(EMI)를 일으키는 원인이 된다.
그렇기 때문에, SiC MOSFET과 같이 빠른 스위칭 특성을 가지는 전력용 반도체 소자에서 dv/dt, di/dt에 의한 전자기적 노이즈를 저감하기 위한 방안이 요구된다.
JP5931116B9(2016. 05. 13. 게이트 구동회로) JP2008-535443T(2008. 08. 28. 적응dV/dt컨트롤러를 갖추는 D급 가청 주파수 증폭기용 게이트 드라이버)
이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전력용 반도체 소자의 dv/dt, di/dt 특성은 게이트 저항을 이용하여 조절할 수 있기 때문에, 턴-온 및 턴-오프 시 게이트 저항을 가변하여 전력용 FET 소자의 dv/dt, di/dt 특성을 가변할 수 있는 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로는, 양의 게이트 출력전압(+VG) 또는 음의 게이트 출력전압(-VE)을 발생하는 게이트 구동기; 상기 게이트 구동기의 구동신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프 동작하는 MOSFET 소자; 상기 게이트 구동기와 MOSFET 소자 사이의 제1 경로에 순서대로 연결된 제2 제너 다이오드(D2), 제1 제너 다이오드(D1) 및 제1 게이트 저항(R1)을 포함하며, 여기서 상기 제2 제너 다이오드(D2)는 순방향 연결되고, 제1 제너 다이오드(D1)는 역방향 연결됨; 상기 제1 경로와 병렬 연결되는 제2 경로의 제2 게이트 저항(R2)을 포함하고, 상기 MOSFET 소자의 게이트 - 소스 전압에 따라 게이트 구동 전류를 가변하여 스위칭 특성을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 양의 게이트 출력전압(+VG) 또는 음의 게이트 출력전압(-VE)과 상기 제1 및 제2 제너 다이오드(D1, D2)의 항복전압 VZ1, VZ2에 따라 상기 MOSFET 소자의 게이트-소스 사이의 전압 구간에서 상기 게이트 구동 전류를 가변하여, 상기 MOSFET 소자의 드레인 전류에 대한 di/dt와 드레인-소스 전압에 대한 dv/dt를 제어한다.
상기 MOSFET 소자가 턴 온 동작시 상기 양의 게이트 출력전압(+VG)과 상기 제1 제너 다이오드(D1)의 항복전압 VZ1에 따라 두 전압 구간에서 다른 값의 실효 게이트 저항을 적용하고, 상기 전압 구간은, 게이트-소스 전압(Vgs)이 VG-(Vf2 + VZ1)보다 작거나 큰 구간이다. 여기서 Vf2는 제2 제너다이오드의 순방향 전압을 말한다.
상기 MOSFET 소자가 턴 오프 동작시 상기 음의 게이트 출력전압(-VE)과 상기 제1 제너 다이오드(D1)의 항복전압 VZ1에 따라 두 전압 구간에서 다른 값의 실효 게이트 저항을 적용하고, 상기 전압 구간은, 게이트-소스 전압(Vgs)이 (Vf1 + VZ2)- VE보다 크거나 작은 구간이다. 여기서 Vf1는 제1 제너다이오드의 순방향 전압이고, VZ2는 제2 제너다이오드의 항복전압을 말한다.
상기 MOSFET 소자의 턴 온 및 턴 오프 동작 시에 서로 다른 값을 가지는 게이트 저항 값을 적용한다.
상기 MOSFET 소자는 빠른 스위칭 특성을 가지는 SiC MOSFET 및 GaN HEMT를 포함한다.
본 발명에 따르면, 고속 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작 시, 높은 dv/dt, di/dt에 의해서 발생하는 노이즈를 감소시키는 효과가 있고, 이에 따라 인버터 등의 전력변환회로의 성능 및 신뢰성 향상과 함께 설계의 소형화를 기대할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 전력용 FET 소자의 게이트 구동회로이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전류 가변 MOSFET 게이트 구동 회로이다.
도 4는 턴-온 동작 시 설정 전압 이하에서의 등가회로이다.
도 5는 턴-온 동작 시 설정 전압 이상에서의 등가회로이다.
도 6은 본 발명의 게이트 구동회로가 적용되었을 경우 턴 - 온 및 턴 - 오프 시 게이트 - 소스 전압 파형도이다.
도 7은 본 발명 회로가 적용된 고속 스위칭 특성을 가지는 SiC MOSFET로 구성된 하프 브리지 회로이다.
도 8과 9는 각각 턴-온 및 턴 오프 시 게이트-소스 전압과 드레인-소스 전압, 드레인 전류를 나타낸 파형이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 종래 전력용 FET 소자의 게이트 구동회로에 대해 살펴본다.
도 1은 단일 저항을 사용한 게이트 구동회로이다.
도 1에서 FET 소자의 게이트-소스 단자는 등가적인 커패시터로 나타낼 수 있으므로, 도 1의 게이트 회로는 등가적인 RC 회로가 된다. 그리고 이러한 회로의 시정수는
Figure pat00001
이며 등가적인 게이트 커패시터를 충전하는 전류는 게이트 저항 Rg(R1)에 의해 제한된다.
그래서 도 1의 단일 저항을 사용한 게이트 구동회로에서는 턴- 온 및 턴- 오프 동작시 하나의 게이트 저항(R1)으로 전류를 제어하므로 최적의 응답 특성을 얻기가 어렵다.
도 2는 다이오드(D1)와 2개의 저항(R1, R2)을 이용한 게이트 구동회로이다. 도 2의 게이트 구동회로는 턴-온 동작 시 게이트 저항은 R1, 턴-오프 동작 시 등가적인 게이트 저항은 R1과 R2를 병렬로 합성한 값을 가지게 된다.
이와 같이 도 1과 도 2의 종래 게이트 구동회로는 턴-온 및 턴-오프 동작 시에 전 구간에서 동일한 값의 게이트 저항이 사용되기 때문에 최적의 스위칭 특성을 얻기가 어려웠다.
이에 대하여 본 발명은 게이트-소스 사이의 전압 구간에 따라 등가적인 게이트 저항을 달리하여 전 구간에서 서로 다른 게이트 구동 전류를 가변시켜 제공하기 때문에, 최적의 스위칭 특성을 제공할 수 있게 하는 게이트 구동회로이고, 아래에서 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전류 가변 MOSFET 게이트 구동 회로도이다.
도 3에서 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로는, 게이트 구동기(Gate driver, 100), 제1 및 제 2 제너다이오드(D1, D2), 제1 및 제 2 게이트 저항(R1, R2), 그리고 스위칭 소자인 MOSFET 소자(110)를 포함하여 구성된다. 구체적으로 게이트 구동기(100)와 MOSFET 소자(110)의 게이트 단자 사이의 제1 경로에 제2 제너다이오드(D2), 제1 제너다이오드(D1) 및 제1 게이트 저항(R1)이 순서대로 연결되고, 제2 경로에 제2 게이트 저항(R2)이 연결되는 구성이다. 제1 경로와 제2 경로는 병렬 구성이다.
도 3에서 전류 가변 MOSFET 게이트 구동 회로는, MOSFET 소자(110)의 턴-온 동작 시에 게이트 구동기(100)에서 양의 전압 +VG가 발생되면 도 4 또는 도 5와 같은 등가회로로 나타낼 수 있다. 도 4 및 도 5를 참고하여 게이트 구동 회로의 동작에 대해 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이 MOSFET 소자(100)의 게이트-소스 전압 Vgs가 'VG-(Vf2+VZ1)'보다 작은 구간에서는 제2 제너다이오드(D2)는 순방향으로 도통되고 제1 제너다이오드(D1)은 제너영역에서 동작하기 때문에, 실효 게이트 저항은 R1과 R2의 병렬저항 값 'R1×R2/(R1+R2)'이 된다. 반면 MOSFET 소자(100)의 게이트-소스 전압 Vgs가 'VG-(Vf2+VZ1)' 보다 큰 구간에서는 도 5와 같이 제2 제너다이오드 D2는 차단되어 전류가 흐르지 않게 되므로 실효 게이트 저항은 R2가 된다.
따라서 게이트 구동기(100)의 양의 전압 VG와 제1 제너다이오드(D1)의 항복전압 VZ1의 설정에 따라 MOSFET 소자(100)가 턴-온 동작할 경우 두 전압 구간, 즉 Vgs가 'VG-(Vf2+VZ1)'보다 큰 구간 또는 작은 구간에서 다른 값의 실효 게이트 저항을 적용할 수 있다.
한편 도 3의 전류 가변 MOSFET 게이트 구동 회로에서 MOSFET 소자(110)가 턴-오프 동작하여 게이트 구동기(100)에서 음의 전압 -VE가 발생 될 경우 위에서 설명했던 턴-온 동작 시와 유사하게 구간 별로 게이트 저항을 가변할 수 있다.
구체적으로 MOSFET 소자(110)의 게이트-소스 전압 Vgs가 '(Vf1+VZ2)-VE' 보다 큰 구간에서는 제1 제너다이오드(D1)은 순방향으로 도통되고 제2 제너다이오드(D2)는 제너영역에서 동작하므로 실효 게이트 저항은 R1과 R2의 병렬저항 값 'R1×R2/(R1+R2)'이 된다. 반면 MOSFET 소자(110)의 게이트-소스 전압 Vgs가 '(Vf1+VZ2)-VE' 보다 작을 경우 제1 제너 다이오드(D1)은 차단되어 전류가 흐르지 않게 되므로 실효 게이트 저항은 R2가 된다.
따라서 게이트 구동기(100)의 음의 전압 -VE와 제1 제너다이오드(D1)의 항복전압 VZ1의 설정에 따라 MOSFET 소자(110)가 턴-오프 동작할 경우 두 전압 구간에서 다른 값의 실효 게이트 저항을 적용할 수 있다.
상기한 도 4 및 도 5에서 보듯이, 본 발명은 게이트 - 소스 전압 구간에 따라 게이트 구동 전류를 가변할 수 있기 때문에, 종래의 게이트 구동회로 대비 최적의 스위칭 특성으로 인해 높은 dv/dt, di/dt에 의해서 발생하는 노이즈를 감소시킬 수 있는 이점을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 게이트 구동회로가 적용되었을 경우 턴 - 온 및 턴 - 오프 시 게이트 - 소스 전압 파형도이다.
도 6을 보면 턴-온 시 게이트 - 소스 전압이 'VG-(Vf2+VZ1)'보다 작은 구간에서는 실효 게이트 저항이 'R1×R2/(R1+R2)'이므로, 만약 R1 << R2 이라고 가정하면 실효 게이트 저항이 매우 작은 값이 되고 게이트 전류가 커지게 된다. 따라서 게이트-소스 전압이 빠르게 상승한다(Ⅰ구간). 반면 게이트-소스 전압이 'VG-(Vf2+VZ1)' 보다 큰 구간에서는 제2 제너 다이오드(D2)가 차단되어 실효 게이트 저항은 R2가 되므로 게이트-소스 전압이 느리게 상승한다(Ⅱ구간).
도 6을 보면 턴-오프 시 게이트-소스 전압이 '(Vf1+VZ2)-VE' 보다 클 경우 제1 제너 다이오드(D1)은 순방향으로 도통되고 제2 제너 다이오드(D2)는 제너영역에서 동작하므로 실효 게이트 저항은 'R1×R2/(R1+R2)'가 되어 게이트-소스 전압이 빠르게 감소한다(Ⅲ 구간). 반면 게이트-소스 전압이 '(Vf1+VZ2)-VE' 보다 작을 경우 제1 제너 다이오드(D1)은 차단되어 전류가 흐르지 않게 되므로 실효 게이트 저항은 R2가 되어 게이트 - 소스 전압은 느리게 감소한다(Ⅳ 구간).
이와 같이 게이트 구동기(100)의 출력전압 VG와 제1 및 제2 제너다이오드(D1, D2)의 항복전압 VZ1, VZ2를 설정하여 구간 별로 게이트 저항을 가변할 수 있으며, 이에 따라 게이트 전류가 가변되어 MOSFET 소자의 드레인 전류에 대한 di/dt, 드레인-소스 전압에 대한 dv/dt를 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명 회로가 적용된 고속 스위칭 특성을 가지는 SiC MOSFET으로 구성된 하프 브리지 회로이다.
도 7을 보면, 게이트 구동기, 제1 및 제 2 제너다이오드, 제1 및 제 2 게이트 저항, 그리고 MOSFET 소자를 포함하는 2개의 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로(10, 20)가 구비된 하프 브리지 회로이다, 여기서 MOSFET 소자는 고속 스위칭 특성을 가지는 SiC MOSFET가 사용된다. 도 7에서 VG=15V, -VE=-4.5V, VZ1=10V, VZ2=14V, R1=2Ω, R2=100Ω이다.
도 7의 하브 브리지 회로의 동작은 도 8 및 도 9를 참조한다. 도 8과 도 9는 MOSFET 소자의 턴-온 및 턴 오프 시 게이트-소스 전압, 드레인-소스 전압 및 드레인 전류를 각각 나타낸 파형이다.
도 8과 도 9의 파형을 살펴보면, 구간 별 게이트 저항의 가변으로 인해 SiC MOSFET 소자의 드레인 전류에 대한 di/dt, 드레인-소스 전압에 대한 dv/dt가 가변됨을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 게이트 구동기
110: MOSFET 소자
D1: 제1 제너 다이오드
D2: 제2 제너 다이오드
R1: 제1 게이트 저항, R2: 제2 게이트 저항

Claims (6)

  1. 양의 게이트 출력전압(+VG) 또는 음의 게이트 출력전압(-VE)을 발생하는 게이트 구동기;
    상기 게이트 구동기의 구동신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프 동작하는 MOSFET 소자;
    상기 게이트 구동기와 MOSFET 소자 사이의 제1 경로에 순서대로 연결된 제2 제너 다이오드(D2), 제1 제너 다이오드(D1) 및 제1 게이트 저항(R1), 상기 제2 제너 다이오드(D2)는 순방향 연결되고, 제1 제너 다이오드(D1)는 역방향 연결됨; 및
    상기 제1 경로와 병렬 연결되는 제2 경로에 연결된 제2 게이트 저항(R2)을 포함하고,
    상기 MOSFET 소자의 게이트 - 소스 전압에 따라 게이트 구동 전류를 가변하는 것을 특징으로 하는, 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양의 게이트 출력전압(+VG) 또는 음의 게이트 출력전압(-VE)과 상기 제1 및 제2 제너 다이오드(D1, D2)의 항복전압 VZ1, VZ2에 의해 상기 MOSFET 소자의 게이트-소스 사이의 전압 구간에서 상기 게이트 구동 전류를 가변하여, 상기 MOSFET 소자의 드레인 전류에 대한 di/dt와 드레인-소스 전압에 대한 dv/dt를 제어하는, 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 MOSFET 소자가 턴 온 동작시 상기 양의 게이트 출력전압(+VG)과 상기 제1 제너 다이오드(D1)의 항복전압 VZ1에 따라 두 전압 구간에서 다른 값의 실효 게이트 저항을 적용하는, 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로.
    여기서, 상기 전압 구간은, 게이트-소스 전압(Vgs)이 VG-(Vf2 + VZ1)보다 작거나 큰 구간이고, 상기 Vf2는 제2 제너다이오드의 순방향 전압을 말함.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MOSFET 소자가 턴 오프 동작시 상기 음의 게이트 출력전압(-VE)과 상기 제1 제너 다이오드(D1)의 항복전압 VZ1에 따라 두 전압 구간에서 다른 값의 실효 게이트 저항을 적용하는, 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로.
    여기서, 상기 전압 구간은, 게이트-소스 전압(Vgs)이 (Vf1 + VZ2)- VE보다 크거나 작은 구간이고, 여기서 Vf1는 제1 제너다이오드의 순방향 전압, VZ2는 제2 제너다이오드의 항복전압을 말함.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 MOSFET 소자의 턴 온 및 턴 오프 동작 시에 서로 다른 값을 가지는 게이트 저항 값을 적용하는, 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 MOSFET 소자는 SiC MOSFET 및 GaN HEMT를 포함하는, 전류 가변 MOSFET 게이트 구동회로.
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