KR100977912B1 - 게이트 드라이버 장치, 에너지 복원 방법 및 에너지 복원회로 - Google Patents

게이트 드라이버 장치, 에너지 복원 방법 및 에너지 복원회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 복원 회로가 구형파 게이트 드라이버 내에 내장되는 신규한 게이트 드라이버 장치를 제공한다. 에너지 복원 회로는 게이트 드라이버가 턴오프될 때 게이트 캐패시터로부터 인덕터로 에너지를 방전하는 제 1 루프 회로와, 인덕터로부터 전원 장치로 에너지를 방전하는 제 2 루프 회로를 포함한다. 따라서, 게이트 드라이버가 턴오프될 때 게이트 캐패시터의 에너지는 전력 소스로 전달되고, 게이트 드라이버 장치는 구형파 드라이버로서 그 동작 유연성을 유지하며, 스위칭 주파수와 독립적이다.

Description

게이트 드라이버 장치, 에너지 복원 방법 및 에너지 복원 회로{GATE DRIVER APPARATUS HAVING AN ENERGY RECOVERING CIRCUIT}
본 발명은 전력 MOSFET용 게이트 드라이버에 관한 것으로, 특히 게이트 드라이버 내의 턴오프(turn-off) 손실이 복원되도록 구형파(square-wave) 게이트 드라이버와 함께 에너지 복원 회로가 내장된 게이트 드라이버 장치에 관한 것이다.
현재, 전력 MOSFET용 게이트 드라이버는 크게 세 종류, 즉 구형파, 준공진(quasi-resonant), 공진 드라이버로 분류될 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 구형파 게이트 드라이버는, 통상적으로 동일한 제어 신호에 의해 구동된 한 쌍의 토템 폴(totem pole) N 및 P 채널 스위치로 이루어진 IC 내에 구현된다. 구형파 드라이버의 이점은 실시하기가 간단하며 스위칭 주파수에 독립적이다는 것이다. 그러나, MOSFET의 게이트 캐패시턴스의 충전 및 방전으로 인한 턴온 및 턴 오프 에너지 손실을 복원하기 위한 구성이 없기 때문에, 고 주파수 동작에 견디지 못한다.
각각의 스위칭 주기 동안에 공진 인덕터(Lg)와 유효 게이트 캐패시터(Cg) 사이의 에너지를 계산함으로써, 도 2에 도시된 준공진 드라이버는 게이트 드라이버 내의 턴온(turn-on) 손실을 제거할 수 있고, 도 3에 도시된 공진 드라이버는 턴온(turn-on) 및 턴오프(turn-off) 손실을 모두 제거할 수 있다. 그러나, "가변 주파수 제어" 모드와 "펄스 폭 변조(PWM)" 모드에서 작용할 수 있는 구형파 드라이버와는 달리, 준공진 및 공진 드라이버는 스위칭 주파수 및 듀티 사이클(duty cycle)의 의존 관계로 인해, "가변 주파수 제어(variable frequency control)" 모드의 협소화된 주파수 범위에서만 적절하게 작용할 수 있다. 따라서, 준공진 및 공진 드라이버 내의 회로의 동작 주파수는 극히 제한된다.
따라서, 한편으로는 스위칭 주파수와 무관하며, 다른 한편으로는 MOSFET의 게이트 캐패시턴스로부터 일부 에너지를 복원할 수 있는 게이트 드라이버가 필요하다.
본 발명은 에너지 복원 회로가 구형파 게이트 드라이버 내에 내장되어 있는 신규한 게이트 드라이버 장치를 제공한다. 에너지 복원 회로는 게이트 드라이버의 턴오프 동작 동안에 게이트 캐패시터에 저장된 에너지를 전력 소스(power source)로 전달함으로써 턴오프 손실을 복원할 수 있다. 특히, 에너지 복원 회로는, 게이트 드라이버가 턴오프될 때 게이트 캐패시터로부터 인덕터로 에너지를 방전하는 제 1 루프 회로와, 인덕터로부터 전원 장치로 에너지를 방전하는 제 2 루프 회로를 포함한다. 제 1 루프 회로는 제 1 디바이스, 바람직하게는 FET를 턴온함으로써 형성되고, 제 2 루프 회로는 단방향 디바이스, 바람직하게는 다이오드를 이용하여 형성 된다. 따라서, 게이트 캐패시터의 에너지는, 게이트 드라이버가 턴오프될 때 전력 소스로 전달되고, 게이트 드라이버 장치는 스위칭 주파수와는 무관한 구형파 드라이버로서 그 동작 유연성을 유지한다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은 종래 기술의 회로 및 도면을 참조로 한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 종래의 구형파 게이트 드라이버 회로를 도시한 도면.
도 2는 준공진 게이트 드라이버 회로를 도시한 도면.
도 3은 공진 게이트 드라이버 회로를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 게이트 드라이버 장치의 회로를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 게이트 드라이버 장치에 대한 타이밍도.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 신규한 게이트 드라이버에 따르면, 에너지 복원 회로(점선 박스(10) 내에 도시되어 있음)는 게이트 드라이버 내의 턴오프 손실을 복원하기 위해 구형파 게이트 드라이버 회로와 함께 내장되어 있다. 특히, 에너지 복원 회로는 인덕터(L) 및 단방향 도체(D), 스위치(Q3)를 포함한다. 본 실시예에서, Q3은 FET이고 D는 다이오드이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 인덕터(L)는 게이트 캐패시터(Cg) 및 FET(Q3)와 다이오드(D)의 접속점 사이에 접속된다. 게이트 드라이버의 턴오프 동작 동안에 FET(Q3) 및 다이오드(D)를 턴온하면, 이어지는 두 단계에서, 두 개의 루프 회로가 게이트 캐패시터(Cg)로부터 전원(Vc)으로 에너지를 복원하도록 형성되는데, 이에 대해서는 상세히 후술한다.
메인 FET(S)를 턴온하기 위해, 구형파 게이트 드라이버 회로 내의 FET(Q1)가 턴온되며, 게이트 캐패시터(Cg)를 Vc까지 충전하여 도 1에 도시된 종래의 구형파 게이트 드라이버와 같은 방법에서와 같이, S의 게이트를 풀업(pull-up)한다.
그러나, 메인 FET(S)를 턴오프하기 위해, 본 발명의 게이트 드라이버 장치는 도 1에 도시된 종래의 구형파 게이트 드라이버와 상이한 방식으로 동작한다. 특히, Q1이 턴오프된 후에, 구형파 게이트 드라이버 회로의 FET(Q2)는, 종래의 구형파 게이트 드라이버에서와 같이 게이트를 그라운드에 클램핑하도록 즉각 턴온되지는 않는다. 대신에, 에너지 복원 회로에 대한 부동 시간(dead time)(td)이 Q1의 턴오프와 Q2의 턴온 사이에 추가되어 턴오프 게이트 에너지를 전원(Vc)으로 다시 복원하도록 동작하는데, 그 상세는 도 5의 타이밍도에 도시되어 있다.
구체적으로는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, Q1이 시간(t0)에서 턴오프될 때, Q3이 턴온된다. 제 1 루프 회로는 Cg, L, Q3 사이에서 형성되고, 게이트 캐패시터(Cg)로부터 공진 인덕터(L)로 공진 방식으로 에너지를 방전 또는 전달한다. Q3은 tl까지 기간(TonQ3) 동안에 유지된다.
Q3의 온타임(on time) 시간은 인덕터(L) 및 게이트 캐패시터(Cg)의 설계에 의해 고정되며, 식
Figure 112004013295907-pct00001
로 주어진다.
총 부동 시간(td)은 TonQ3보다 약간 더 길어야 하며, 바람직하게는 10-20%의 마진(margin)을 갖는다.
Q3이 턴오프될 때, t1에서, 공진 인덕터(L)에 저장된 에너지는 다이오드(D) 및 FET(Q2)의 본체 다이오드(BD2)를 통해 전원으로 되돌아간다. 따라서, 게이트 캐패시터(Cg)에 저장된 에너지는 완전히 복원된다.
t2에서, Q2가 0볼트에서 턴온되고, S의 게이트는 그라운드로 클램핑되어 게이트 캐패시터(Cg) 내의 나머지 에너지를 방전하는 것을 완료한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 전압(Vg)의 파형은, 에너지 복원 회로에 의해 사인파형으로 변형되는 하강 에지 동안을 제외하고는 구형파와 비슷하다.
부동 시간(td)은 듀티 사이클 및 전력 단의 스위칭 주파수의 함수가 아니다. 따라서, 본 발명의 게이트 드라이버 장치는 종래의 구형파 드라이브를, 턴오프 게이트 에너지를 복원하는 추가적인 이점을 갖도록 쉽게 교체할 수 있다.
이상 바람직한 실시예를 상세히 설명하였다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않고, 당업자에게는 자명한 다양한 변경 및 수정들이 존재할 것이다. 따라서 본 발 명의 범주는 첨부된 청구범위로만 한정된다.

Claims (31)

  1. 전력 MOSFET 구동용 게이트 드라이버 장치에 있어서,
    제어 구동 전력을 제공하는 제어 신호 소스(Vc)와,
    상기 MOSFET를 턴온하기 위해 게이트 캐패시터(Cg)를 충전하는 제 1 및 제 2 제어 가능한 도전 소자(Q1, Q2)를 구비하는 구형파 게이트 드라이버 회로와,
    상기 구형파 게이트 드라이버 회로의 턴오프 동작 동안 상기 게이트 캐패시터를 전력 소스로 방전하는 에너지 복원 회로(D, Q3, L)를 포함하며,
    상기 에너지 복원 회로는 상기 게이트 캐패시터와 접속되어 있는 공진 인덕터(L)와, 상기 턴오프 동작 동안 상기 게이트 캐패시터로부터 상기 공진 인덕터로 에너지를 방전하는 루프 회로를 형성하기 위해 상기 공진 인덕터(L)와 상기 게이트 캐패시터(Cg)에 접속되어 있는 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)와, 상기 공진 인덕터(L) 및 전력 소스(Vc)와 접속되어 상기 공진 인덕터로부터 상기 전력 소스로 에너지를 방전하는 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)를 포함하되, 상기 제 1 제어 가능한 도전 소자는 하나의 다이오드(D)만을 포함하며, 상기 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)는 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)의 온 타임이 개시할 때 시작하여 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)의 상기 온 타임 이후 10% 내지 20%의 마진만큼 경과할 때 종료하는 부동 시간(dead time)을 갖고, 상기 제 2 제어 가능한 도전 소자(Q2)는 상기 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)의 상기 부동 시간의 종료 시에 시작하는 온 타임을 갖는
    게이트 드라이버 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 제어 가능한 도전 소자는 FET이고, 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)는 수학식
    Figure 712010001841522-pct00009
    에 의해 정의된 온 타임을 가지며, 여기서 L은 상기 공진 인덕터의 인덕턴스이고, Cg는 상기 게이트 캐패시터의 캐패시턴스인
    게이트 드라이버 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)는 상기 전력 소스가 상기 게이트 캐패시터를 충전하는 루프 회로를 형성하는
    게이트 드라이버 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 제어 가능한 도전 소자(Q2)는 상기 게이트 캐패시터가 완전히 방전될 수 있는 루프 회로를 형성하는
    게이트 드라이버 장치.
  10. 삭제
  11. 전력 MOSFET를 구동하는 구형파 게이트 드라이버의 턴오프 동작에서 에너지를 복원하는 방법으로서,
    상기 구형파 게이트 드라이버 회로는 게이트 캐패시터를 충전하는 제 1 및 제 2 제어 가능한 도전 소자(Q1, Q2)를 구비하며,
    상기 방법은,
    상기 게이트 드라이버의 상기 턴오프 동작 동안에 상기 게이트 드라이버의 전력 소스로 상기 게이트 캐패시터를 방전하는 에너지 복원 회로를 제공하는 단계와,
    상기 게이트 드라이버가 턴오프될 때, 상기 에너지 복원 회로를 통해 상기 게이트 캐패시터를 방전하는 단계를 포함하며,
    상기 방전하는 단계는 상기 게이트 드라이버가 턴오프된 후에, 상기 게이트 캐패시터로부터 공진 인덕터로 에너지를 방전하도록 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)를 포함하는 제 1 루프 회로를 형성하는 단계와, 상기 공진 인덕터로부터 상기 전력 소스로 에너지를 방전하는 제 2 루프 회로를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제 2 루프 회로는 서로 직렬로 접속된, 상기 공진 인덕터, 다이오드 및 상기 전력 소스를 포함하며, 상기 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)는 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)의 온 타임이 개시할 때 시작하여 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자(Q3)의 상기 온 타임 이후 10% 내지 20%의 마진만큼 경과할 때 종료하는 부동 시간을 갖고, 상기 제 2 제어 가능한 도전 소자(Q2)는 상기 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)의 상기 부동 시간의 종료 시에 시작하는 온 타임을 갖는
    에너지 복원 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 루프 회로는 서로 직렬로 접속되어 있는, 상기 게이트 캐패시터, 상기 공진 인덕터 및 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자를 포함하는
    에너지 복원 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 루프를 형성하는 단계는 사전 결정된 시간 구간 동안 상기 제 3 제어 가능한 도전 소자를 턴온함으로써 구현되는
    에너지 복원 방법.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 시간 구간은
    Figure 712010001841522-pct00002
    이고, 여기서 L은 상기 공진 인덕터의 인덕턴스이고, Cg는 상기 게이트 캐패시터의 캐패시턴스인
    에너지 복원 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 11 항, 제 13 항, 제 14 항, 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전하는 단계는 상기 제 2 제어 가능한 도전 소자(Q2)를 턴온함으로써 상기 게이트 캐패시터 내의 나머지 에너지를 완전히 방전하는 제 3 루프 회로를 형성하는 단계를 더 포함하는
    에너지 복원 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 3 루프 회로를 형성하는 단계는 상기 제 1 제어 가능한 도전 소자(Q1)가 턴오프된 후 부동 시간(td) 동안 수행되는
    에너지 복원 방법.
  21. 전력 MOSFET를 충전하고 방전하는 게이트 드라이버 장치에 있어서,
    제어 구동 전력(Vc)을 제공하는 전력 소스와,
    구형파 게이트 드라이버 회로와,
    턴오프 에너지 복원 회로를 포함하고,
    상기 구형파 게이트 드라이버 회로는,
    상기 구형파 게이트 드라이버 회로가 온일 때 상기 전력 MOSFET의 게이트 캐패시터로의 제어 신호 소스의 루프 회로를 형성하는 제 1 도전 소자(Q1)와,
    상기 구형파 게이트 드라이버 회로가 턴오프될 때, 상기 게이트 캐패시터로부터 그라운드로 에너지를 방전하는 루프 회로를 형성하는 제 2 도전 소자(Q2)를 포함하고,
    상기 턴오프 에너지 복원 회로는,
    상기 게이트 캐패시터(Cg)로부터 방전된 에너지를 저장하는 공진 인덕터(L)와,
    상기 게이트 캐패시터의 에너지를 상기 공진 인덕터(L)로 방전하도록 루프 회로를 형성하는 제 3 도전 소자(Q3)와,
    상기 공진 인덕터로부터 상기 전력 소스로 에너지를 방전하도록 루프 회로를 형성하는 하나의 다이오드만을 포함하는 제 4 도전 소자(D)를 포함하고,
    상기 구형파 게이트 드라이버 회로가 턴오프될 때, 상기 복원 회로를 통해 상기 게이트 캐패시터 내의 에너지가 복원되며,
    상기 제 3 도전 소자(Q3)는 수학식
    Figure 712010001841522-pct00010
    에 의해 정의된 온 타임을 갖고, 여기서 L은 상기 공진 인덕터의 인덕턴스이며, Cg는 상기 게이트 캐패시터의 캐패시턴스이고, 상기 제 1 도전 소자(Q1)는 상기 제 3 도전 소자(Q3)의 온 타임이 개시할 때 시작하여 상기 제 3 도전 소자(Q3)의 상기 온 타임 이후 10% 내지 20%의 마진만큼 경과할 때 종료하는 부동 시간을 갖고, 상기 제 2 도전 소자(Q2)는 상기 제 1 도전 소자(Q1)의 상기 부동 시간의 종료 시에 시작하는 온 타임을 갖는
    게이트 드라이버 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 도전 소자(Q1)는 FET인
    게이트 드라이버 장치.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 도전 소자(Q2)는 FET인
    게이트 드라이버 장치.
  24. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 제 3 도전 소자(Q3)는 FET인
    게이트 드라이버 장치.
  25. 삭제
  26. 전력 MOSFET의 게이트 캐패시터를 방전하는 구형파 게이트 드라이버 내의 턴오프 손실을 복원하는 에너지 복원 회로에 있어서,
    상기 MOSFET를 턴온하기 위해 게이트 캐패시터(Cg)를 충전하는 상기 구형파 게이트 드라이버 내의 제 1 및 제 2 FET(Q1, Q2)와,
    상기 게이트 드라이버의 턴오프 동작 동안 상기 게이트 캐패시터로부터 공진 인덕터(L)로 에너지를 방전하며, 상기 공진 인덕터(L)와 상기 게이트 캐패시터(Cg)에 직렬 접속되어 있는 제 3 FET(Q3)를 포함하는 제 1 루프 회로와,
    상기 공진 인덕터로부터 상기 게이트 드라이버의 전력 소스로 에너지를 방전하는 제 2 루프 회로를 포함하되,
    상기 제 2 루프 회로는 상기 공진 인덕터(L) 및 상기 전력 소스와 직렬 접속되는 다이오드를 포함하고,
    상기 제 3 FET(Q3)는 수학식
    Figure 712010001841522-pct00011
    에 의해 정의된 온 타임을 갖고, 여기서 L은 상기 공진 인덕터의 인덕턴스이며, Cg는 상기 게이트 캐패시터의 캐패시턴스이고, 상기 제 1 FET(Q1)는 상기 제 3 FET(Q3)의 온 타임이 개시할 때 시작하여 상기 제 3 FET(Q3)의 상기 온 타임 이후 10% 내지 20%의 마진만큼 경과할 때 종료하는 부동 시간을 갖고, 상기 제 2 FET(Q2)는 상기 제 1 FET(Q1)의 상기 부동 시간의 종료 시에 시작하는 온 타임을 갖는
    에너지 복원 회로.
  27. 삭제
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 게이트 캐패시터로부터 상기 공진 인덕터로 방전을 시작하는 상기 제 1 루프를 형성하기 위해, 상기 제 3 FET(Q3)는 상기 게이트 드라이버가 턴오프될 때 턴온되는 에너지 복원 회로.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
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