WO2014196737A1 - 트랜지스터 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드 - Google Patents

트랜지스터 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드 Download PDF

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황종태
신현익
전상오
이준
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Definitions

  • the present invention relates to active diodes, and more particularly, to a technique for turning off a transistor switch of an active diode.
  • the off controller may further include a delay unit configured to delay the inversion signal of the gate driving signal and output the delay signal to the D flip-flop.
  • the comparator 100 senses the VKA voltage and determines whether it is positive or negative.
  • VKA is negative
  • VKA_NEG becomes high
  • VKA_NEG becomes the S (set) input of the SR latch 320
  • the output of the SR latch 320 also becomes high. Therefore, the input signal IN of the gate driver 200 becomes high and M1 is turned on.
  • the off controller 310 is an off-control circuit and generates a TOFF signal using a signal obtained by inverting the gate driving signals VG and VKA_NEG.
  • FIG. 5 illustrates an operation timing diagram of an off-control circuit according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

트랜지스터 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드가 개시된다. 이 능동 다이오드는 트랜지스터의 기생 다이오드 양단 전압을 비교하는 비교기, 및 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터의 게이트 단자를 제어하는 게이트 드라이버를 포함하며, 나아가 상기 기생 다이오드의 양단 전압이 양이 되는 시점에 상기 트랜지스터가 턴 오프 되도록 제어하는 오프 시점 제어부를 더 포함한다. 이에 의해 능동 다이오드가 오프 되어야 할 시점에 오프 될 수 있게 된다.

Description

트랜지스터 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드
본 발명은 능동 다이오드에 관한 것으로, 특히 능동 다이오드의 트랜지스터 스위치를 턴-오프 제어하는 기술에 관한 것이다.
도 1은 종래 능동 다이오드 회로도이며, 도 2는 도 1에 도시된 비교기와 게이트 드라이버의 지연에 의한 forward turn-on을 나타낸 도면이다.
능동 다이오드(Active Diode)는 스위치인 M1을 포함하여 구성되며, MOSFET 특성상 기생 다이오드 D1이 드레인(drain)과 소스(source) 사이에 위치한다. 능동 다이오드는 D1의 양단 전압, 즉 캐소드(Kathode, K)와 애노드(Anode, A) 사이의 전압인 VKA가 음(negative)이 되어 D1이 온 될 때, 그 시점을 감지하여 M1을 도통 시킴으로써 도통 손실(conduction loss)을 줄인다. 도 1에서와 같이, 능동 다이오드는 VKA 전압 상태를 판단하는 비교기(Comaprator)(10)와 M1의 게이트를 제어하기 위한 게이트 드라이버(Gate Driver)(20)를 포함한다. 비교기(10)와 게이트 드라이버(20)가 이상적인 동작을 하는 경우 혹은 VKA 전압 변동이 제어 회로에 비해 충분히 느린 경우에는 conduction loss를 개선한 능동 다이오드의 동작이 가능하다. 그러나 도 2와 같이 비교기(10)와 게이트 드라이버(20)의 지연이 큰 경우, VKA가 (+)로 바뀌었음에도 불구하고 M1이 on 되는 구간이 발생한다. 이때 능동 다이오드가 전방 턴-온(forward turn-on) 되는 현상이 발생하므로, 불필요한 전력 소모가 발생한다. 제어 회로의 지연을 최소가 되게 설계하면 forward turn-on 구간을 줄일 수는 있으나, 어느 정도의 지연은 필연적으로 발생하며 VKA 신호가 매우 빠른 경우 지연에 의한 문제는 더 커지게 된다.
다시 말해, 능동 다이오드를 이용하여 고속의 입력 신호를 처리하는 경우에 있어서, 비교기(10)와 게이트 드라이버(20) 등에 의한 제어 신호의 지연 때문에 능동 다이오드가 off 되어야 할 시점에도 on 되어 forward turn-on이 될 수 있다. 이러한 특성 때문에 불필요한 전력 소모가 발생하게 되는 것이다.
본 발명은 능동 다이오드가 off 되어야 할 시점에 off 되도록 할 수 있는 기술적 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 트랜지스터의 기생 다이오드 양단 전압을 비교하는 비교기, 및 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터의 게이트 단자를 제어하는 게이트 드라이버를 포함하는 능동 다이오드는 상기 기생 다이오드의 양단 전압이 양이 되는 시점에 상기 트랜지스터가 턴 오프 되도록 제어하는 오프 시점 제어부를 더 포함한다.
상기 오프 시점 제어부는 상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 드라이버의 게이트 구동 신호에 따라 상기 트랜지스터의 턴 오프 시점을 조절한다.
상기 오프 시점 제어부는 상기 비교기로부터 출력 신호를 입력받아 출력하되, 상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 드라이버의 게이트 구동 신호 각각의 반전 신호에 근거하여 지연 출력하는 오프 제어부, 및 상기 오프 제어부로부터 지연 출력 신호를 입력받아 상기 게이트 드라이버를 오프 시키는 논리 회로부를 포함한다.
상기 오프 제어부는 상기 비교기로부터 출력 신호를 입력받아 출력하되, 기본 지연 값과 가변 적용되는 추가 지연 값에 따라 지연 출력하는 가변 지연부, 및 상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 구동 신호 각각의 반전 신호를 입력받아 추가 지연 값을 카운트하는 카운트부를 포함한다.
상기 카운트부는 상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 구동 신호 각각의 반전 신호를 입력받는 D 플립플롭, 및 상기 D 플립플롭의 출력에 따라 추가 지연 값을 업 혹은 다운 카운트하는 업/다운 카운터를 포함한다.
상기 오프 제어부는 상기 게이트 구동 신호의 반전 신호를 지연시킨 후 상기 D 플립플롭으로 출력하는 지연부를 더 포함한다.
상기 논리 회로부는 셋 단자로 상기 비교기의 출력 신호를 입력받으며, 리셋 단자로 상기 오프 제어부의 지연 출력 신호를 입력받는 SR 래치이다.
본 발명은 능동 다이오드를 이용하여 고속의 입력 신호를 처리하는 경우에 있어서, 비교기, 게이트 드라이버 등에 의한 제어 신호의 지연을 보상하여 능동 다이오드가 off 되어야 할 시점에 off 될 수 있게 한다. 이에 따라 불필요한 전력 소모가 방지된다.
도 1은 종래 능동 다이오드 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 비교기와 게이트 드라이버의 지연에 의한 forward turn-on을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MOSFET 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드 회로도.
도 4는 도 3에 도시된 off-control 회로 예시도.
도 5는 도 4에 도시된 off-control 회로의 동작 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면.
도 6은 비교기와 게이트 드라이버의 지연을 보상한 off-control 회로 예시도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 off-control 회로에 대한 모의 실험 결과도.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MOSFET 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드 회로도이며, 도 4는 도 3에 도시된 off-control 회로 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 능동 다이오드는 M1의 기생 다이오드인 D1의 양단 전압을 비교하는 비교기(100) 및 비교기(100)의 비교 결과에 따라 M1의 게이트 단자를 제어하는 게이트 드라이버(200)를 포함한다. 나아가 본 발명의 일 양상에 따라 능동 다이오드는 오프 시점 제어부(300)를 포함한다. 이 오프 시점 제어부(300)는 VKA 전압이 양이 되는 시점에 M1이 turn-off 되도록 제어한다. 일 실시예에 있어서, 오프 시점 제어부(300)는 비교기(100)의 출력 신호와 게이트 드라이버(200)의 게이트 구동 신호에 따라 M1의 turn-off 시점을 조절할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 오프 시점 제어부(300)는 오프 제어부(310)와 논리 회로부(320)를 포함할 수 있다. 오프 제어부(310)는 비교기(100)로부터 출력 신호를 입력받아 출력하되, 비교기(100)의 출력 신호에 대한 반전 신호와 게이트 드라이버(200)의 게이트 구동 신호에 대한 반전 신호를 고려하여 출력의 지연 정도를 결정하고 그 결정된 지연 정도만큼 지연시켜 출력한다. 논리 회로부(320)는 오프 제어부(310)로부터 지연 출력 신호를 입력받게 되면 게이트 드라이버(200)를 오프 시키는 역할을 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 논리 회로부(320)는 SR 래치(latch)일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 오프 제어부(310)는 가변 지연부(311) 및 카운트부(312)를 포함할 수 있다. 가변 지연부(311)는 비교기(100)로부터 출력 신호를 입력받아 출력하되, 기본 지연 값과 가변 적용되는 추가 지연 값에 따라 결정되는 지연 정도만큼 지연시켜 출력한다. 카운트부(312)는 비교기(100)의 출력 신호를 반전한 신호와 게이트 드라이버(200)의 게이트 구동 신호를 반전한 신호를 입력받아 추가 지연 값을 카운트한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 카운트부(312)는 비교기(100)의 출력 신호를 반전한 신호와 게이트 드라이버(200)의 게이트 구동 신호를 반전한 신호를 입력받는 D 플립플롭(D-flipflop)(312-1) 및 D 플립플롭(312-1)의 출력에 따라 추가 지연 값을 업(up) 혹은 다운(down)하는 업/다운 카운터(UP/DOWN counter)(312-2)를 포함할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 능동 다이오드의 MOSFET turn-off 제어 동작에 대해 상세히 설명한다. 비교기(100)는 VKA 전압을 감지하여 양인지 아니면 음인지를 판단한다. VKA가 (-)인 경우 VKA_NEG는 high가 되며, VKA_NEG가 SR 래치(320)의 S(set) 입력이 되므로 SR 래치(320)의 출력 또한 high가 된다. 따라서 게이트 드라이버(200)의 입력 신호 IN이 high가 되고, M1은 turn-on 된다. 오프 제어부(310)는 off-control 회로로서, 게이트 구동 신호 VG와 VKA_NEG를 반전한 신호를 이용하여 TOFF 신호를 발생시킨다. TOFF 신호는 SR 래치(320)의 R(reset) 입력이 되며, 이에 따라 SR 래치(320)의 출력이 low가 된다. 따라서 게이트 드라이버(200)의 입력 신호 IN이 low가 되고 M1은 turn-off 된다. 이 같은 turn-off 방식에서 오프 제어부(310)는 최적의 off-time을 발생시킨다.
off-control 회로에서는 VKA_NEG 신호를 가변 지연부(311)를 통과시켜 TOFF 신호를 발생시킨다. 가변 지연부(311)는 기본적으로 Td0의 지연을 가지며, 지연(DELAY) 입력 신호에 따라 추가적인 지연 Td(DELAY)를 발생시킨다. Td0는 VKA 신호 주기의 절반보다는 작은 값이 된다. TOFF가 low에서 high로 바뀌는 시점에서 도 3의 SR 래치(320)가 reset 되어 M1이 turn-off 된다. 도 4의 off-control 회로는 게이트 드라이버(200)의 출력 신호인 VG를 반전하여 발생시킨 신호 VGB의 상승 에지(rising edge)가 발생하는 시점과 VKA_POS의 상승 에지가 발생하는 시점을 비교한다. 이때 VKA_POS가 low에서 high로 바뀌는 지점에서 VG 신호가 low가 된다면 완벽하게 제어가 이루어지는 것이므로, VKA_POS의 상승 에지가 제어의 기준이자 목표가 된다.
VAK_POS가 high 되는 시점이 VKA 전압이 (+)가 되는 시점이므로, 게이트 드라이버(200)의 출력 신호 VG가 low 레벨이 되는 시점이 VKA_POS가 high 되는 시점보다 느리다면 게이트 드라이버(200)의 off 시점을 당겨야 하고 반대의 경우는 늘려야 한다. 도 4에서 D 플립플롭(312-1)은 VGB와 VKA_POS의 위상을 비교하는데, VKA_POS가 high로 바뀌는 시점에서 VGB가 high 즉, M1이 이미 off 된 상태라면 출력 Q가 high가 되어 업/다운 카운터(312-2)의 값을 증가시키게 되고 반대의 경우는 감소시키게 된다. 가변 지연부(311)는 업/다운 카운터(312-2)의 출력(DELAY)에 의해 지연시간을 바꾸게 되는데, DELAY 값이 크면 클수록 지연시간이 증가하므로 M1이 turn-off 되는 시점이 시간상 늦춰지게 된다. 가변 지연부(311)의 DELAY 입력에 의해 발생하는 지연은 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2014003690-appb-M000001
결론적으로, Td는 M1의 off 시점을 결정하므로 게이트 드라이버(200)의 출력 펄스 폭(pulse width)을 결정한다고 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 off-control 회로의 동작 타이밍 다이어그램(timing diagram)을 나타낸 도면이다.
VKA 전압이 0V 이하가 되면 VKA_NEG는 high가 된다. VKA_POS는 VKA_NEG의 반전된 형태로 발생한다. 동작 위주로 설명하기 위해, 도 5에서는 비교기(100)와 게이트 드라이버(200)의 지연을 고려하지 않는다. 초기에는 업/다운 카운터(312-2)가 reset 되어 있다고 가정한다. 따라서 출력 DELAY는 0이다. DELAY가 0이라 하더라도 가변 지연부(311)는 초기 지연 Td0을 가지므로 VAK_NEG가 Td0 지연된 TOFF 신호가 발생한다. 이때 Td0는 VG가 low가 되는 시점이 VKA_POS가 high가 되는 시점보다 앞서 있으므로, D 플립플롭(312-1)의 출력은 high가 되고 업/다운 카운터(312-2)의 출력은 VKA_POS의 반전된 신호의 상승 에지에서 +1 증가하게 된다. 3번째 사이클(cycle)까지는 여전히 D 플립플롭(312-1)의 출력은 high가 되지만, 4번째 사이클에서는 가변 지연부(311)의 지연이 VKA_POS가 high가 되는 시점보다 늦어지므로 업/다운 카운터(312-2)의 출력은 -1 감소한다.
이후에는 업/다운 카운터(312-2)의 +/-이 반복되며 정상 상태(steady state)로 진입한다. 도 5에서는 다소 과장되어 있으나, DELAY에 의해 증감하는 지연 성분 ΔTd가 매우 작은 값이라면 정상 상태에서 TOFF 시점은 거의 일정하게 제어된다. 따라서 최적의 상태에서 M1이 off 될 수 있게 된다. 설명을 용이하게 하기 위해 비교기(100)와 게이트 드라이버(200)의 지연 td1과 td2를 0으로 가정하였으나, td1과 td2가 있다 하더라도 위상이 비교되는 VGB 신호는 td1과 td2가 반영되어 발생된 신호이므로 td1과 td2가 보상되어 TOFF가 발생된다. 이상의 동작에서 VKA의 주파수가 매우 급격히 변한다면 이와 같이 제어를 하는데 무리가 있을 수 있으나, VKA의 주파수가 거의 일정한 application에서는 위의 동작에 따라 정확한 시점에서 능동 다이오드를 off 시킬 수 있다.
한편, 실제의 회로에서는 VKA_POS 신호를 발생시키는데 지연이 발생할 수 있다. 이 지연 보상을 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 오프 제어부(310)는 지연부(313)를 더 포함할 수 있다. 지연부(313)는 VGB 신호에 Tdx 만큼의 지연을 더하여 입력하는 역할을 한다. 이렇게 함으로써 비교기(100)와 logic 회로에 의해 발생되는 VKA_POS의 지연을 보상할 수 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 다이오드는 다이오드의 양단 전압 VKA를 감지하여 off가 될 시점을 찾아내고, 능동 다이오드를 턴 온 시키는 신호를 지연시켜 능동 다이오드의 off 신호를 발생시킨다. 그리고 제안하는 제어기를 통해 지연을 발생시키는 가변 지연 회로를 제어하는데, 비교기, 게이트 드라이버, 로직 회로에서 발생되는 지연을 보상하도록 하여 최적의 동작이 되도록 한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 off-control 회로에 대한 모의 실험 결과도로서, 도 7은 제어가 완료되지 않은 상태를 나타내며, 도 8은 제어가 완료된 상태를 나타낸다.
도 7에서 확인되듯이, 아직 제어가 완벽히 되지 않아서 업/다운 카운터(312-2)의 입력 UPDN이 H이다. 그리고 제어가 완료되어 정상 상태에 진입하면 도 8에 예시된 바와 같이 업/다운을 반복하여 delay가 제어되고, gate drive 신호(VG)는 비교기(100)와 게이트 드라이버(200) 및 logic 회로의 지연이 보상되어 발생이 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 트랜지스터의 기생 다이오드 양단 전압을 비교하는 비교기; 및 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터의 게이트 단자를 제어하는 게이트 드라이버를 포함하는 능동 다이오드에 있어서,
    상기 기생 다이오드의 양단 전압이 양이 되는 시점에 상기 트랜지스터가 턴 오프 되도록 제어하는 오프 시점 제어부;
    를 더 포함하는 능동 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오프 시점 제어부는 상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 드라이버의 게이트 구동 신호에 따라 상기 트랜지스터의 턴 오프 시점을 조절하는 능동 다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 오프 시점 제어부는 :
    상기 비교기로부터 출력 신호를 입력받아 출력하되, 상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 드라이버의 게이트 구동 신호 각각의 반전 신호에 근거하여 지연 출력하는 오프 제어부; 및
    상기 오프 제어부로부터 지연 출력 신호를 입력받아 상기 게이트 드라이버를 오프 시키는 논리 회로부;
    를 포함하는 능동 다이오드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 오프 제어부는 :
    상기 비교기로부터 출력 신호를 입력받아 출력하되, 기본 지연 값과 가변 적용되는 추가 지연 값에 따라 지연 출력하는 가변 지연부; 및
    상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 구동 신호 각각의 반전 신호를 입력받아 추가 지연 값을 카운트하는 카운트부;
    를 포함하는 능동 다이오드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 카운트부는 :
    상기 비교기의 출력 신호와 상기 게이트 구동 신호 각각의 반전 신호를 입력받는 D 플립플롭; 및
    상기 D 플립플롭의 출력에 따라 추가 지연 값을 업 혹은 다운 카운트하는 업/다운 카운터;
    를 포함하는 능동 다이오드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 오프 제어부는 :
    상기 게이트 구동 신호의 반전 신호를 지연시킨 후 상기 D 플립플롭으로 출력하는 지연부;
    를 더 포함하는 능동 다이오드.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 논리 회로부는 셋 단자로 상기 비교기의 출력 신호를 입력받으며, 리셋 단자로 상기 오프 제어부의 지연 출력 신호를 입력받는 SR 래치인 능동 다이오드.
PCT/KR2014/003690 2013-06-03 2014-04-25 트랜지스터 턴 오프 제어 방식이 개선된 능동 다이오드 WO2014196737A1 (ko)

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