KR950008424B1 - 반도체 스위칭 회로 - Google Patents

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다쯔오 시무라
시게오 도미따
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미다 가쓰시게
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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 스위칭 회로
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 스위칭 회로도.
제2도는 제1도의 회로의 일부를 실현한 집적회로(IC)의 단면도.
제3도의 (a) 내지 (c)는 제1도의 회로의 동작 설명도.
제4도는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 회로도.
제5도는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸 회로도.
본 발명은 반도체 스위칭 회로에 관한 것으로, 특히 다이리스터의 구동회로가 저소비전력으로 동작할 수 있게 한 반도체 스위칭 회로에 관한 것이다.
다이리스터 구동회로에 관한 종래의 기술로는 예를들면 일본 특허공개공보 제84-14355호에 기술된 것이있다. 이 기술에 의하면 쿨렉터와 에미터를 다이리스터의 게이트 및 캐소드에 연결한 트랜지스터가 게이트-캐오소드 사이를 단락하도록 제어하여 다이리스터를 턴오프시킨다.
그러나 이같은 종래 기술에서는 다이리스터를 턴오프시키는데 소요되는 구동전류량을 고려하지 않고 있다. 즉, 다이리스터의 턴오프전류가 증가함에 따라 다이리스터의 게이트-캐소드간을 단락시키기 위한 트랜지스터전류, 즉, 다이리스터의 턴오프 구동전류가 또한 증가한다. 따라서 큰 구동전력이 요구되는 문제점이 발생한다.
본 발명에서는 다이리스터의 턴온 및 턴오프 구동회로, 특히 다이리스터를 턴오프하는 구동회로가 저소비전력으로 동작할 수 있는 스위칭 회로의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적은 다음과 같은 방법으로 달성된다. 먼저 다이리스터의 P-에미터층과 N-베이스층을 흐르는 전류의 일부를 PNP 트랜지스터의 베이스-에미터 접합으로 바이패스한다. 반면에 NPN 트랜지스터의 콜렉터와 에미터는 다이리스터의 P-베이스층과 N-에이터층에 각각 연결한다. PNP 트랜지스터로 바이패스된 에미터-콜렉터전류는 턴오프신호의 인가에 의하여 NPN 트랜지스터의 베이스-에미터 사이를 흐르게 된다. 이때 NPN 트랜지스터는 구동되어 다이리스터의 P-베이스층과 N-에미터층을 흐르는 전류의 일부를 NPN 트랜지스터의 콜렉터-에미터로 바이페스하고, 따라서 다이리스터는 턴오프된다.
이하 본 발명의 반도체 스위칭 회로의 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예의 회로를 도시한 제1도를 참조하면 반도체 스위칭 회로는 다이리스터(1), PNP 트랜지스터(2), NPN 트랜지스터(3,4) 턴오프 제어단자(5), 턴온 제어단자(6), 애노드단자(7), 캐소드단자(8), 턴오프 제어신호발생기(9) 및 턴온 제어신호발생기(10)로 구성된다.
본 발명의 일실시예인 제1도의 반도체 스위칭 회로에서는 P-에미터층(PE)과 N-에미터층(NE)에 각각 연결된 애노드단자(7)와 캐소드단자(8)에 의하여, P-에미터층(PE), N-베이스층(NB), P-베이스층(PB) 및 N-에미터층(NE)의 4층 구조로 된 다이리스터의 턴온 및 턴오프를 제어한다. PNP 트랜지스터(2)의 에미터 및 베이스는 다이리스터(1)의 애노드단자(7) 및 N-베이스층(NB)에 각각 연결된다. 콜렉터와 에미터가 다이리스터(1)의 P-베이스층(PB) 또는 게이트와 캐소드단자(8)에 각각 연결된 PNP 트랜지스터(3)는 게이트-캐소드를 단락하고 다이리스터(1)를 턴오프하기 위해 사용된다. 베이스가 턴오프 제어단자(5)에 연결된 NPN 트랜지스터(4)는 NPN 트랜지스터(3)의 베이스로 흐르는 PNP 트랜지스터92)의 콜렉터전류를 제어하기 위해 사용된다.
제2도는 유전체 분리 반도체기판상에 제조된 제1도의 집적회로를 단면도로 도시한 것이다. 폴리실리콘층(100)에 4개의 단결정 고립체(island)를 형성하고 SiO2막(101)으로 피복한다. 네개의 고립체(102,103,104,105)내에는 다이리스터(1), PNP 트랜지스터(2) 및 NPN 트랜지스터(3,4)가 형성된다. PNP 트랜지스터(2)는 횡형(lateral tyPe) 트랜지스터로서 형성된다. 도면에서 C,B,E는 각 트랜지스터의 콜렉터, 베이스 및 에미터전극을 나타내고, A, K, G1, G2는 다이리스터의 애노드, 캐소드, 제1그리드, 제2그리드를 나타낸다. 제1도 및 제2도의 스위칭 회로는 통신국의 각종 스위칭 회로로 사용될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 구체화한 스위칭 회로의 다이리스터(1)를 턴온하기 위해서는 제3도(a)에 나타낸 제어신호를 다이리스터(1)의 P-베이스층(PB) 또는 게이트에 연결된 턴온 제어단자(6)에 인가하고, 이때 게이트전류는 턴온 제어단자(6)로부터 캐소드단자(8)로 흐르게 된다. 제어신호는 제3도(a)에서 실선으로 나타낸 바와같이 단펄스신호(short Pulse signal)일 수 있고 또는 점선으로 보인 바와같이 다이리스터(1)가 턴온을 유지하는 동안 계속적으로 인가될 수도 있다. 다이리스터(1)가 턴온되는 동안 턴오프 제어단자(5)에는 제어신호가 인가되지 않으며 따라서 NPN 트랜지스터(4)와 NPN 트랜지스터(3)는 턴오프상태로 유지된다.
턴온 제어단자(6)에 인가된 제어신호에 의하여 다이리스터(1)가 턴온되면 애노드단자(7)에서 캐소드단자(8)로 전류가 흐른다. 결국 다이리스터(1)의 P-에미터층(PE)과 N-베이스층(NB) 사이에 전위차가 발생하여 PNP 트랜지스터(2)의 베이스-에미터에 순방향 바이어스가 걸리고 트랜지스터(2)는 턴온된다. 그러나 NPN 트랜지스터(4)가 상기 언급한 바와같이 턴오프상태이므로 PNP 트랜지스터(2)의 콜렉터전류는 발생되지 않으며 다이리스터(1)은 턴온상태를 유지한다. 이 상태에서 다이리스터(1)의 애노드단자(7)와 캐소드단자(8) 사이의 전압은 제3도(c)에 도시하였고 이는 부하(도시하지 않음)에 전력을 공급하는 다이리스터(1)의 온상태 전압강하에 대응하는 전압이다.
다이리스터(1)를 턴오프하기 위하여는 턴오프 제어단자(6)에 인가된 제어신호를 제거하여 턴온 제어단자(6)에서 캐소드단자(8)를 흐르는 전류를 차단하고 NPN 트랜지스터(4)를 턴온하기 위해 제어신호를 턴오프 제어단자(5)에 인가한다. 결국 온상태에 있는 PNP 트랜지스터(2)는 콜렉터전류를 NPN 트랜지스터(4)의 콜렉터와 에미터를 거쳐 베이스전류로서 NPN 트랜지스터(3)의 베이스에 전송할 수 있다. NPN 트랜지스터(3)는 베이스전류가 베이스-에미터를 통하여 흐를때에 턴온된다. 따라서 NPN 트랜지스터(3)의 콜렉터-에미터전압은 다이리스터의 P-베이스층(PB) 및 N-에미터층(NE) 사이의 전압, 즉 다이리스터(1)의 게이트와 캐소드간의 전압보다 더 적어진다. 그러므로 다이리스터(1)의 P-베이스층(PB)을 통과한 애노드전류의 일부는 NPN 트랜지스터(3)의 콜렉터전류로서 캐소드단자(8)에 바이패스된다. 상기 동작에 의하여 다이리스터(1)는 턴오프된다.
상기와 같은 턴오프 제어에 의하여 NPN 트랜지스터(3)의 베이스-에미터간을 흐르는 제어전류는 PNP트랜지스터(2)와 NPN 트랜지스터(4)를 거쳐 부하전류로서 다이리스터를 통과한 애노드전류의 일부에 의하여 공급된다. 그러므로 턴오프 제어단자(5)에 인가된 제어신호의 전력은 NPN 트랜지스터(4)의 베이스를 구동하고 트랜지스터(4)를 턴온시키는데 충분한 미소전력이다. 다이리스터(1)를 턴오프하기 위해서는 NPN 트랜지스터(3)의 콜렉터-에미터간에 흐르는 전류가 다이리스터(1)의 P- 베이스층과 N-에미터층을 흐르는 전류(I)의 약 30%이면 충분하다. 따라서 전류(I)의 약 1%의 전류를 NPN 트랜지스터(3)의 베이스-에미터간에 공급할 필요가 있다. 본 발명에 의하면 약 1%의 이 전류는 PNP 트랜지스터(2)의 에미터-콜렉터전류로부터 공급되고 따라서 단자(5)에 인가될 전류는 전류(I)의 1%의 1/hFE(트랜지스터(4))이 된다. hFE의 값은 일반적으로 약 30이므로 구동전력은 종래 회로에 비하여 1/30으로 된다.
본 발명의 다른 양상에 의하면 다이리스터(1)의 N-베이스층과 P-에미터층 사이의 전압이 PNP 트랜지스터(2)의 베이스와 에미터를 통하여 인가되므로 NPN 트랜지스터(3)에 의하여 바이패스된 전류는 소위 밀러효과에 의하여 항상 최적치로 조절될 수 있다. 특히, 베이스-에미터에 인가된 전압은 근본적으로 다이리스터(1)를 흐르는 전류(단자(7)에 유입된 전류에서 PNP 트랜지스터(2)의 에미터로 바이패스된 전류를 뺀 전류. 이후 다이리스터전류라 함)에 의존한다. 그러므로 PNP 트랜지스터(2)의 에미터-콜렉터를 흐르는 전류는 다이리스터전류에 의존하다. PNP 트랜지스터(2)에 바이패스된 전류는 NPN 트랜지스터(3)의 콜렉터전류로서 사용된다. 결국 NPN 트랜지스터(3)에 바이패스될 전류는 다이리스터 전류에 의존하고 따라서 바이패스된 전류는 다이리스터(1)를 턴오프하는데 필요한 정도의 양(다이리스터 전류의 약 30%)으로 항상 조절된다.
그러므로 본 발명의 스위칭 회로의 다이리스터(1)를 완전히 턴오프하는 동안에 PNP 트랜지스터(2)의 에미터-콜렉터간을 흐르는 전류와 NPN 트랜지스터의 베이스-에미터간을 흐르는 전류는 NPN 트랜지스터(4)가 턴온상태를 유지한다해도(다이리스터 전류가 제로이기 때문에) 제로로 된다. 그러므로 본 발명에 의하면 턴오프 제어단자(5)에 인가된 제어신호는 제3도(b)의 실선으로 나타낸 단펄스신호이거나 점선으로 나타낸 바와같이 다이리스터(1)를 턴오프하는 전체 기간동안 계속 인가될 수 있다(제어신호를 연속 인가하더라도 소위 밀러 효과때문에 불필요한 전류는 흐르지 않는다). 제어신호가 연속 인가된다고 가정하면 다이리스터(1)의 애노드와 캐소드를 통하여 전압이 재발생하더라도 PNP 트랜지스터(2)의 콜렉터전압은 상승하고 그 hFE도 상승하므로 NPN 트랜지스터(3)의 콜렉터-에미터전압을 더 낮출 수 있고 따라서 리트리거(re-trigger)현상의 가능성을 억제한다.
제4도는 본 발명의 다른 실시예를 나타내고 여기서는 단자(7)와 다이리스터(1) 사이에 저저항(PNP 트랜지스터(2)의 도통전압, 예를들면 약 0.7V를 얻기에 충분한)의 저항(R)를 연결하였고 저항간의 전압은 PNP 트랜지스터(2)의 베이스-에미터에 인가된다. 이 회로의 동작은 제1도에 도시한 실시예와 유사하며, 제4도에서 사용된 참조번호는 제1도의 것에 대응한다.
제5도는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내고 여기에서 턴온 제어신호는 N-베이스층에 인가되고 한편 P-에미터층과 N-베이스층으로 흐르는 전류를 PNP 트랜지스터(3')에 바이패스되어 다이리스터(1)를 턴온한다. 특히 P-베이스층과 N-에미터층간의 전압은 NPN 트랜지스터(2')의 베이스-에미터에 인가되며 그 콜렉터는 PNP 트랜지스터(4')(베이스에 턴오프 제어신호가 인가됨)를 거쳐 PNP 트랜지스터(3')의 베이스에 연결된다. 이 회로의 동작은 제1도에 도시한 실시예와 유사하며 제1도의 참조번호에 상응한 참조번호에다 프라임부호(')를 첨가하였다.
상기 실시예에 있어서, NPN 트랜지스터(4 또는 4')는 단자(5 또는 5')에 인가된 턴오프 제어신호에 의하여 턴온되고 PNP 트랜지스터(2 또는 2')의 콜렉터전류를 PNP 트랜지스터(3 또는 3')의 베이스에 유입되게 하는 MOSFET 등의 다른 스위치소자로 교환할 수 있다.
본 발명에 대한 상기 설명에서 알 수 있듯이 다이리스터의 턴온 및 턴오프는 미소제어전류에 의하여 행하여질 수 있고, 특히 턴오프 제어에 관해서 효과가 있으며, 따라서 다이리스터 제어의 저소비 전력화를 실현할 수 있다.

Claims (9)

  1. 턴온 및 턴오프신호에 의하여 제어되는 반도체 스위칭 회로에 있어서, 도전형이 서로 다른 네개의 반도체층을 나란히 배열하여서 된 스위칭 장치와, 상기 스위칭 장치에 있어서 최외측 반도체층의 하나에 연결된 1차 단자, 다른 최외측 반도체층에 연결된 2차 단자 및 중간 반도체층의 하나에 연결된 3차 단자와, 상기 스위칭 장치를 턴온하기 위하여 상기 3차 단자에 인가되는 온 제어신호의 발생장치와, 상기 스위칭 장치를 턴오프하는 오프제어신호 발생장치와, 상기 중간 반도체층의 하나와 상기 2차 단자에 각각 콜렉터와 에미터가 연결된 제1트랜지스터와, 상기 스위칭 장치의 중간 반도체층의 다른 하나와 상기 1차 단자에 각각 베이스와 에미터가 연결되고 상기 스위칭 장치를 흐르는 전류의 일부가 상기 전류의 크기에 의존하여 베이스-에미터간에 바이패스되는 제2트랜지스터와, 상기 오프 제어신호에 따라 제2트랜지스터의 콜렉터를 제1트랜지스터의 베이스에 연결함으로써 상기 제2트랜지스터의 콜렉터전류를 상기 제1트랜지스터의 베이스 전류로 사용하고, 상기 스위칭 장치의 중간 반도체층의 하나와 상기 2차 단자 사이에 흐르는 전류의 일부를 제1트랜지스터의 콜렉터-에미터 사이로 바이패스하여 상기 스위칭 장치를 턴오프시키도록 하는 스위칭 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 수단은 콜렉터가 제2트랜지스터의 콜렉터에 연결되고, 에미터가 제1트랜지스터의 베이스에 연결되며, 베이스에는 상기 턴오프신호가 인가되는 제3트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3트랜지스터는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  4. 제2항에 있어서, 상기 4개의 반도체층은 P,N,P,N 반도체층이 이 순서대로 배열되어 구성되고, 여기에서 최외측 반도체층의 하나는 P 반도체층이고 다른 최외측 반도체층은 N 반도체층이며, 상기 제1 및 제3트랜지스터는 NPN 트랜지스터이고 상기 제2트랜지스터는 PNP 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 네개의 반도체층은 P,N,P,N 반도체층이 이 순서대로 배열되어 구성되고, 여기에서 최외측 반도체층의 하나는 N 반도체층이고 다른 최외측 반도체층은 P 반도체층이며, 상기 제1 및 제3트랜지스터는 PNP 트랜지스터이고 상기 제2트랜지스터는 NPN 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  6. 턴온 및 턴오프신호에 의하여 제어되는 반도체 스위칭 회로에 있어서, 도전형이 서로 다른 네개의 반도체층이 나란히 배열되어 구성된 스위칭 장치와, 상기 스위칭 장치에 있어서 최외측 반도체층의 하나에 연결된 1차 단자, 다른 최외측 반도체층에 연결된 2차 단자 및 중간 반도체층의 하나에 연결된 3차 단자와, 상기 스위칭 장치를 턴온하기 위해 상기 3차 단자에 인가될 온 제어신호 발생장치와, 상기 스위칭 장치를 턴오프하기 위한 오프제어신호 발생장치와, 상기 중간 본도체층의 하나와 그에 인접한 최외측 반도체층을 흐르는 전류의 일부를 바이패스하기 위한 1차 스위칭 수단과, 상기 스위칭 장치를 흐르는 전류의 크기에 의존하여 그 일부를 바이패싱하기 위한 2차 스위칭 수단과, 상기 오프 제어신호에 따라서 상기 2차 스위칭 수단에 의해 바이패스된 전류를 상기 1차 스위칭 수단에 공급하여 상기 1차 스위칭 수단에 의하여 바이패스된 전류의 크기를 조절하기 위한 3차 스위칭 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2차 스위칭 수단에 의하여 바이패스된 전류의 크기는 다른 중간 반도체층과 그에 인접한 최외측 반도체층간의 전위차에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 2차 스위칭 회로에 의하여 바이패스되는 전류의 크기는 상기 1차 단자에 연결된 저항기간의 전위차에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
  9. 제6항에 있어서, 상기 턴오프신호는 상기 스위칭 장치가 턴오프를 유지하는 동안 계속 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 회로.
KR1019880003242A 1987-03-28 1988-03-25 반도체 스위칭 회로 KR950008424B1 (ko)

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JP87-72988 1987-03-28

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