KR101312267B1 - 3 단자 써미스터, 써미스터-트랜지스터, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 발열 제어회로를 포함한 전력 시스템 - Google Patents

3 단자 써미스터, 써미스터-트랜지스터, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 발열 제어회로를 포함한 전력 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 써미스터 또는 트랜지스터의 문제점을 해결할 수 있는, 3 단자 써미스터 소자, 그 써미스터 소자를 포함한 써미스터-트랜지스터, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 발열 제어회로를 포함한 전력 시스템을 제공한다. 그 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 써미스터 소자 및 상기 써미스터 소자에 연결된 제어 트랜지스터를 구비한 써미스터-트랜지스터; 구동 소자에 연결되어 상기 구동 소자로의 전력을 공급 및 제어하는 적어도 1개의 전력 트랜지스터(power transistor);를 포함하고, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 표면 혹은 발열 부분에 부착되고, 회로적으로는 상기 전력 트랜지스터의 베이스나 게이트, 또는 컬렉터나 드레인에 연결되어, 상기 전력 트랜지스터의 온도 상승 시, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 전류를 줄이거나 차단함으로써, 상기 전력 트랜지스터의 발열을 방지한다.
써미스터 칩 소자, 트랜지스터 발열 제어

Description

3 단자 써미스터, 써미스터-트랜지스터, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 발열 제어회로를 포함한 전력 시스템{Thermistor with 3 terminals, thermistor-transistor, circuit for controlling heat of power transistor using the same thermistor-transistor, and power system comprising the same circuit}
본 발명은 써미스터 소자에 관한 것으로, 특히 반도체 써미스터 소자를 이용하여 전력용 트랜지스터의 발열을 방지하는 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 응용 회로에 관한 것이다. 본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다 [과제관리번호: 2008-F-025-01, 과제명: 전기적 점프(Current Jump)를 이용한 신소자 기술].
써미스터(thermistor)는 반도체의 온도의존성을 이용하는 온도센서로서 반도체의 탄생이래 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 반도체형 센서 소자이다. 그 온도의존성은 온도의 증가에 따라 저항이 지수함수적으로 연속으로 감소한다. 상용 2 단자 써미스터는 세라믹으로 제조되어 판매되고 있으며, Si의 pn 접합을 이용하는 다이오드는 써미스터의 대용으로 집적회로 (Integrated Circuit: IC) 속에 내장되 어 왔다.
박막형 써미스터는 상온에서 적어도 200℃ 이상까지 정확하며, 초소형으로 제작이 가능하며, 온도에 민감한 패키지를 사용하면 사용에 편리한 칩형 써미스터 소자를 제작할 수 있다.
파워(전력) 트랜지스터는 전력을 공급하므로 과전류로 인하여 열이 많이 나며, 이 과전류를 방지하기 위하여 써미스터를 이용해왔다. 그런데 이 경우에 써미스터를 전력 트랜지스터의 베이스에 붙이는 경우는 써미스터가 온도 센서이기 때문에 큰 전류를 흘리지 못하고, 써미스터에 큰 전류가 흐르게 되면 써미스터 자체에 온도가 올라가서 정확하지 못하다는 문제점이 있다.
그리고, 전력용 트랜지스터의 베이스에 트랜지스터를 붙이는 경우에는 트랜지스터의 내부 pn 정션의 온도 의존성이 그다지 크지 않을 뿐만 아니라 베이스 저항이 커서 전력 트랜지스터의 전력 제어 효과가 크지 않다는 한계가 있다.
한편, 온도에 따라 동작하는 써미스터와 전압에 의해 작동하는 트랜지스터로 제어하는 방법은 비교기와 정밀한 기준전압을 넣어주어야 하므로 회로가 복잡해지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 발열방지를 위한 써미스터 또는 트랜지스터의 문제점을 해결할 수 있는, 3 단자 써미스터 소자, 그 써미스터 소자를 포함한 써미스터-트랜지스터, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 발열 제어회로를 포함한 전력 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판 하면으로 형성되고 열을 전달하기 위한 금속의 방열 단자; 상기 기판 상면 중앙부로 형성된 써미스터 박막; 및 상기 기판 상면으로 상기 써미스터 박막의 좌우로 형성된 제1 및 제2 전극;을 포함하고, 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 3 단자 써미스터를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 3 단자 써미스터는 상기 기판과 상기 써미스터 박막 사이에 절연 버퍼층을 더 포함할 수 있고, 또한, 상기 써미스터 박막 상부로 상기 써미스터 박막을 보호하기 위한 써미스터 보호용 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 써미스터 박막은 트랜지스터, Ⅲ+Ⅴ족 반도체, Ⅱ+Ⅵ 반도체, 탄소화합물인 그라펜(Graphene)과 카본 나노튜브, pn 접합 다이오드, V2O5, p형 GaAs, 및 p형 Ge 중에서 어느 하나를 포함하는 반도체로 형성될 수 있는데, 하나의 직사각형 띠 형태, 또는 적어도 2 개의 직사각형 띠 형태로 상기 제1 및 제2 전극 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 한편,상기 3 단자 써미스터는 3 단자 칩 패키지 구조로 패키징되고, 상기 방열 단자와 제1 및 제2 단자는 상기 3 단자 칩 패키지에서 외부로 노출된 3 단자로 각각 연결될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 과제를 달성하기 위하여, 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 상기 써미스터 소자; 및 상기 써미스터 소자에 연결된 트랜지스터;를 포함하고, 구동 소자(driving device)에 연결된 전력 트랜지스터(power transistor)의 베이스나 게이트, 또는 컬렉터나 드레인에 연결되어 상기 전력 트랜지스터의 전류를 제어하는 써미스터-트랜지스터를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 써미스터 소자는 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용하여 형성될 수도 있다. 상기 트랜지스터는 NPN형, PNP형 정션(junction) 트랜지스터, 및 MOS 트랜지스터 중 어느 하나일 수 있고, 상기 써미스터-트랜지스터는 상기 써미스터 소자와 상기 트랜지스터가 하나의 칩으로 집적된 원-칩 구조로 형성될 수 있다.
더 나아가 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용하여 형성되고 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 써미스터 소자; 및 상기 써미스터 소자에 연결된 트랜지스터;를 포함하고, 상기 정션 트랜지스터가 구동 소자에 연결되어 전류를 공급 및 제어는 전력 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터를 제공한다.
한편, 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 온도 증가에 따라 저항이 감 소하는 써미스터 소자 및 상기 써미스터 소자에 연결된 트랜지스터를 구비한 써미스터-트랜지스터; 구동 소자에 연결되어 상기 구동 소자로의 전력을 공급 및 제어하는 적어도 1개의 전력 트랜지스터(power transistor);를 포함하고, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 표면 혹은 발열 부분에 부착되고, 회로적으로는 상기 전력 트랜지스터의 베이스나 게이트, 또는 컬렉터나 드레인에 연결되어, 상기 전력 트랜지스터의 온도 상승 시, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 전류를 줄이거나 차단함으로써, 상기 전력 트랜지스터의 발열을 방지하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 전력 트랜지스터는 NPN형, PNP형 정션(junction) 트랜지스터, 및 MOS 트랜지스터, 베이스 단자로 입사되는 빛을 이용하는 포토 다이오드(혹은 포토 트랜지스터), 포토 릴레이, 및 포토 SCR(silicon controlled rectifier), IGBT, SCR, 트라이악(triac) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 트랜지스터가 정션 트랜지스터인 경우, 상기 써미스터-트랜지스터는 상기 전력 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 연결되거나, 컬렉터와 에미터 사이에 연결되며, 상기 전력 트랜지스터가 MOS 트랜지스터인 경우, 상기 써미스터-트랜지스터는 상기 전력 트랜지스터의 게이트와 소오스 사이에 연결되거나, 드레인과 소오스 사이에 연결될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전력 트랜지스터는 2개이고, 2개의 상기 전력 트랜지스터는 극성이 서로 반대이고, 2개의 상기 전력 트랜지스터는 공통 베이스 또는 게이트를 통해 서로 연결되며, 상기 써미스터-트랜지스터는 상기 공통 베이스 또는 게이트와 2개의 상기 전력 트랜지스터의 출력 단자 사이에 공통으로 연결되며, 2개의 상기 전력 트랜지스터 중 제1 전력 트랜지스터가 온(On) 상태로 상기 구동 소자로 전류를 공급하고, 제2 전력 트랜지스터는 오프(Off) 상태로 유지하다가, 상기 제1 전력 트랜지스터의 온도가 상승할 때, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 제1 전력 트랜지스터의 전류를 줄이거나 차단하고, 상기 제2 전력 트랜지스터를 온 상태로 하여 전류가 흐르게 함으로써, 상기 제1 전력 트랜지스터의 발열을 방지할 수 있다. 한편, 상기 제2 전력 트랜지스터의 베이스로는 트리거 트랜지스터가 연결될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 전력용 다이오드의 발열을 제어하기 위하여, 제1 전력용 다이오드, 및 상기 제1 전력용 다이오드에 병렬로 연결된 적어도 1개의 제2 전력용 다이오드를 구비한 전력용 다이오드부; 및 상기 전력용 다이오드 사이에 연결된 전류 제어소자;를 포함하고, 상기 제1 전력용 다이오드로 흐르는 대전류의 일부를 상기 전류 제어소자를 통하여 상기 제2 전력용 다이오드로 분산시켜 상기 제1 다이오드의 발열을 제어하는 전력용 다이오드 발열제어회로를 제공한다.
마지막으로 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 상기 전력 트랜지스터 발열 제어회로, 또는 상기 전력용 다이오드 발열 제어회로를 포함하는 파워 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 파워 시스템은 핸드폰, 컴퓨터, 전지 충전회로, 모터 제어회로, 파워 앰프, 전기 전자 기기의 파워 제어회로 및 파워 서플라이, 집적 회로, 및 LED 전구, LED 형광등 및 LED 조명등 제어회로 시스템 등일 수 있다.
본 발명에 따른 3 단자 써미스터는 방열 전극을 구비함으로써 자체적인 발열을 방지할 수 있고 교체 없이 반영구적으로 사용될 수 있으므로, 종래 휴즈 사용에 의해 발생하던 시간 및 비용 낭비 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 그러한 3 단자 써미스터를 포함한 써미스터-트랜지스터는 전력용 트랜지스터에 부착되어 전력용 트랜지스터의 발열을 효과적으로 방지할 수 있다.
더 나아가, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 상기 써미스터-트랜지스터의 존재로 인해 전력 트랜지스터의 과도한 온도 상승에 의한 오작동이 방지될 수 있기 때문에, 상기 발열 제어회로 내의 전력 트랜지스터에 의해 전력을 공급받는 전체 소자 또는 시스템을 안정하게 보호할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 전력용 트랜지스터를 사용하는 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 전지 충전회로, 모터 제어회로, 전기 전자 기기의 파워 제어회로와 파워 서플라이, 및 파워 앰프 등의 모든 전기 전자회로 등에 유용하게 활용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한 회로의 경우는 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 한편, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 여기서, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 3 단자 써미스터에 사용되는 Be-doped GaAs 박막 저항의 온도 의존성 그래프이다.
도 1을 참조하면, Be-doped GaAs 박막의 온도에 대한 저항의 그래프(A)가 도시된 바와 같이 온도의 증가에 따라 지수적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 온도에 반비례하여, 온도의 증가에 따라 저항이 감소하는 써미스터를 부특성온도계수(Negative temperature coefficient: NTC) 써미스터라고 하는데, 본 특허에서는 이러한 NTC 써미스터를 전력 트랜지스터의 온도 제어를 위한 써미스터-트랜지스터에 이용한다. 써미스터-트랜지스터에 대해서는 도 4에서 좀더 상세히 설명한다.
한편, 본 그래프는 Be-doped GaAs 박막에서의 저항의 온도 의존성을 들어 써미스터로 활용될 수 있음을 설명하였으나, 또한, NTC 특성을 갖는 어떤 종류의 물질 박막도 써미스터 제작에 이용될 수 있음은 물론이다. 예컨대, pn 접합 다이오드나 트랜지스터의 베이스-에미터 간의 pn 정션 부분을 써미스터 소자로 이용할 수도 있다. 그에 대해서는 도 3에서 좀더 상세히 설명한다.
도 2a ~ 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 3 단자 써미스터 소자의 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예의 3 단자 써미스터 소자(100a)는 방열 단자(40), 기판(10), 써미스터 박막(20), 및 전극들(30)을 포함한다.
기판(10)은 절연 기판 또는 실리콘과 같은 반도체 기판이며, 방열 단자(40)는 써미스터 소자(100a)의 방열을 위한 단자로서, 기판(10) 하부 전면으로 열전달이 잘되는 금속 물질로 형성된다. 써미스터 박막(20)은 기판(10) 상으로 형성되며, 앞서 도 1과 같은 NTC 특성을 갖는 박막이다. 예컨대 써미스터 박막(20)은 Ⅲ+Ⅴ족 반도체, Ⅱ+Ⅵ 반도체, 탄소화합물인 그라펜(Graphene)과 카본 나노튜브, pn 접합 Si와 같은 pn 접합 다이오드, V2O5, p형 GaAs, 및 p형 Ge 등을 포함하는 반도체 박막으로 형성될 수 있다. 한편, 이러한 써미스터 박막(20) 양 측면 기판(10) 상으로는 전극 인가를 위한 전극들(30)이 형성된다.
본 실시예의 3 단자 써미스터 소자(100a)는 종래의 2 단자 써미스터와 달리 기판(10) 하부로 방열 단자(40)가 더 형성되고, 이러한 방열 단자(40)를 통해 열이 방출됨으로써, 써미스터 소자(100a)의 자체 온도 상승에 의한 오작동을 방지할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 실시예의 3 단자 써미스터 소자(100b)는 도 2a의 3 단자 써미스터 소자(100a)와 유사하나, 기판(10) 상으로 절연체의 버퍼층(50)이 더 형성되어 있다. 이러한 버퍼층(50)은 기판(10)과 써미스터 박막(20) 사이에 격자 부정합을 완화시킨다.
도 2c를 참조하면, 본 실시예의 3 단자 써미스터 소자(100c)는 도 2b의 3 단자 써미스터 소자(100b)와 유사하나, 써미스터 박막(20)을 보호하기 위하여, 전극(30) 및 써미스터 박막 상으로 써미스터 보호용 절연막(60)이 더 형성된다.
도 2b 및 2c의 3 단자 써미스터 소자(100b, 100c) 역시 기판 하부로 방열 전극(40)을 구비함으로써, 써미스터 소자(100a)의 자체 온도 상승에 의한 오작동을 방지할 수 있다.
도 2d는 도 2a 또는 2b의 3 단자 써미스터 소자에 대한 평면도이다.
도 2d를 참조하면, 써미스터 소자(100)의 써미스터 박막(20)은 전술한 바와 같이 기판(10) 또는 버퍼층(50) 상부로 형성되며, 또한, 전극들(30), 즉 제1 및 제2 전극 사이로 형성되게 된다. 이러한 써미스터 박막(20) 도시된 바와 같이 적어도 2 개의 직사각형 띠 형태로 제1 및 제2 전극 사이에 병렬로 연결되는 구조로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 하나의 직사각형 띠 형태로 상기 제1 및 제2 전극 사이에 연결되는 구조로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 써미스터 소자로 사용할 수 있는 NPN 정션 트랜지스터의 베이스-에미터 간 저항의 온도 의존성 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도시된 바와 같이 트랜지스터의 베이스-에미터 사이의 pn 정션에서의 온도에 따라 저항이 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이것은 앞서 설명한 NTC 써미스터의 특성이며, 그에 따라 트랜지스터의 베이스-에미터 간의 pn 정션을 써미스터로 이용할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 도면에서 알 수 있듯이, 트랜지스터, 특히 전력 트랜지스터는 큰 전류가 흐를 때, 베이스-에미터 간에 열이 발생해서 점차적으로 베이스-에미터 간 전류가 증가하고, 따라서 컬렉터-에미터로 전류가 갑자기 증가하는 경향이 있다. 이러한 갑작스러운 전류 증가는 전류 구동 소자의 예상치 못한 오작동 또는 고장을 유발한다. 그에 따라, 종래에는 그래서 발열 현상을 방지하기 위하여 트랜지스터를 만들 때부터 방열판을 붙이고, 또 외부에 큰 알루미늄 방열판을 붙여서 열을 방열한다.
도 5a 이하에서 설명하는 바와 같이 본 발명에서는 써미스터-트랜지스터를 전력 트랜지스터에 연결함으로써, 전력 트랜지스터의 발열을 방지한다. 한편, 본 그래프에서의 정션 트랜지스터의 베이스-에미터 간 pn 정션의 써미스터 특성을 활용하여 바로 제어 트랜지스터만을 전력 트랜지스터에 연결하여 전력 트랜지스터의 발열을 방지한다. 그에 대한 내용은 도 10에서 기술된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 단자 써미스터 활용예에 대한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 3 단자 써미스터(100)는 전류 구동소자(400)에 병렬로 연결된다. 또한, 저항 R이 써미스터로 연결될 수도 있다. 이러한 구성을 가지고, 3 단자 써미스터(100)가 전류 구동소자(400)의 전류 공급을 제어한다. 즉, 전류 구동소자(400)로의 과잉 전류 공급이나 오작동 등으로 발열이 발생한 경우에, 3 단자 써미스터(100)의 저항이 감소하여 전류가 3 단자 써미스터(100)를 통해 바이-패스 됨으로써, 전류 구동소자(400)가 보호된다. 여기서, 전류 구동소자는 고전력용 LED(Light Emitting Diode) 및 다이오드를 포함할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 써미스터-트랜지스터에 대한 회로도이다.
도 5a를 참조하면, 본 실시예의 써미스터-트랜지스터(300)는 써미스터(100) 및 제어 트랜지스터(200)를 포함한다.
써미스터(100)는 도 2a ~ 2c에서 설명한 3 단자 써미스터 소자로 방열 단자를 구비함으로써, 자체 방열 기능을 가지고 있으며, 제어 트랜지스터의 소정 단자로 연결된다.
제어 트랜지스터(200)는 NPN형, PNP형 정션(junction) 트랜지스터, 및 MOS 트랜지스터 중 어느 하나일 수 있는데, 제어 트랜지스터(200)가 정션 트랜지스터인 경우에는 써미스터(100)가 베이스와 에미터 사이로 연결되며, MOS 트랜지스터인 경우에는 게이트와 드레인 사이로 연결된다.
한편, 써미스터-트랜지스터(300)의 컬렉터로 전류 구동 소자(400)가 연결되는데, 전류 구동 소자(400)가 컬렉터가 아닌 에미터 부분으로 연결될 수 있음은 물론이다. 도 6 이하에서 전력 트랜지스터까지를 포함하여 전류 구동 소자(400)와 써미스터-트랜지스터의 연결관계에 대해서 좀더 상세히 설명한다. 한편, 제어 트랜지스터(200)의 에미터와 베이스 간에는 저항 R이 연결된다.
이와 같은 써미스터-트랜지스터(300)의 기능을 간단히 설명하면, 주변의 온도가 낮아 써미스터(100)의 저항이 높은 경우에는 전압이 써미스터(100)에 대부분 걸리기 때문에 저항 R로 걸리는 전압, 즉 제어 트랜지스터의 에미터와 베이스 사이 의 전압이 낮아 제어 트랜지스터(200)는 오프(Off) 상태로 유지한다. 그러나 온도가 올라가 써미스터(100)의 저항이 낮아지는 경우에는 전압이 저항 R로 상태적으로 많이 걸리고, 그에 따라 제어 트랜지스터(200)가 온(On)되어 전류가 제어 트랜지스터를 통해 흐르게 된다.
한편, 제어 트랜지스터(200)로 흐르는 전류를 통해서 설명하면, 온도가 낮을 때는 써미스터(100)의 저항이 높아 제어 트랜지스터(200)의 베이소 흐르는 전류가 작아 제어 트랜지스터(200)의 컬렉터와 에미터 사이로 전류가 거의 흐르지 않는다. 그러나 온도가 증가하면 제어 트랜지스터(200)의 베이스에 연결된 써미스터의 저항이 감소하면서 베이스에 흐르는 전류가 증가하며, 따라서 제어 트랜지스터(200)의 컬렉터와 에미터 사이로 거의 100 배 이상의 큰 전류가 흐른다.
전류적인 측면을 기초로 보면, 본 실시예의 써미스터-트랜지스터(300)는 제어 트랜지스터(200)의 컬렉터와 에미터 사이의 전류가 베이스로 흐르는 전류에 비례해서 증가하므로, 써미스터(100)의 저항이 연속적으로 변함에 따라, 제어 트랜지스터(200)의 컬렉터와 에미터 사이의 전류가 연속적으로 변할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 본 실시예의 써미스터-트랜지스터(300)는 연속적인 온도증가에 따라 제어 트랜지스터(200)의 컬렉터와 에미터 전류도 연속적으로 증가하는 장점이 있다.
이와 같은 기능을 하는 본 실시예의 써미스터-트랜지스터(300)를 전력 트랜지스터에 연결함으로써, 전력 트랜지스터의 자체 발열을 효율적으로 방지할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 본 실시예의 회로는 도 5a와 유사하나, 전류 구동소 자(400)가 써미스터-트랜지스터(300)에 병렬로 연결된다는 점이 다르다. 그에 따라, 써미스터-트랜지스터(300)는 도 4와 유사하게 전류 바이 패스 용으로 이용됨으로써, 전류 구동소자(400)를 보호하는 기능을 한다. 여기서, 전류 구동 소자(400) 역시 고전력용 LED(Light Emitting Diode) 및 다이오드를 포함할 수 있다.
도 6 ~ 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 써미스터-트랜지스터를 포함하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로도들이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 써미스터-트랜지스터(300) 및 NPN 전력 트랜지스터(500)를 포함한다.
써미스터-트랜지스터(300)는 도 5a에서 설명한 바와 같이 써미스터(100) 및 제어 트랜지스터(200)를 포함한다. 여기서, 써미스터(100)는 도 2a ~ 2c에서 언급한 바와 같이 기판 하부로 방열 전극을 포함한 3 단자 써미스터 소자임은 물론이다. 이러한 써미스터-트랜지스터(300)는 NPN 전력 트랜지스터(500)의 베이스와 에미터 사이에 연결된다.
NPN 전력 트랜지스터(500)는 전원(Vcc)과 전류 구동 소자(400)에 연결되어 전류 구동 소자(400)로의 전류를 공급한다. 그러나 전술한 바와 같이 이러한 전력 트랜지스터(500)는 발열 현상에 기인한 과잉 전류 공급에 의해 전류 구동 소자(400)의 고장이나 오동작을 유발시키는 일이 종종 발생한다. 종래에는 전력 트랜지스터의 발열을 방지하기 위하여 전력 트랜지스터를 만들 때부터 방열판을 붙이고, 또 외부에 큰 알루미늄 방열판을 붙여서 제작함으로써, 사이즈 면에서, 그리고 비용면에서 매우 불리하였다. 그러나, 본 실시예에서는 방열판을 붙이는 대신 써미 스터-트랜지스터를 전력 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 연결함으로써, 전력 트랜지스터의 발열 문제를 해결한다.
여기서, 저항 R1, R2, 및 R3는 NPN 전력 트랜지스터(500)의 베이스 및 써미스터-트랜지스터(300)로 인가되는 전류 또는 전압을 조절하기 위하여 저항들로서, 사용자가 필요에 따라 저항값을 적절히 조절할 수 있다. 한편, 도면상 NPN 전력 트랜지스터만을 도시하고 있지만 전력 트랜지스터가 그에 한정되는 것은 아니다. 즉, PNP 트랜지스터, MOS 트랜지스터, 베이스 단자로 입사되는 빛을 이용하는 포토 다이오드(혹은 포토 트랜지스터), 포토 릴레이, 및 포토 SCR(silicon controlled rectifier), IGBT, SCR, 트라이악(triac) 등 다양한 트랜지스터들이 전력 트랜지스터로 사용될 수 있음은 물론이다.
본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로에서의 전력 트랜지스터의 발열을 방지하는 기능을 설명하면,
NPN 전력 트랜지스터(500)가 전류 구동 소자(400)로 전류를 공급하는 중에 점차로 열이 발생하여 주변 온도가 증가하게 되고, 그에 따라 써미스터-트랜지스터(300)의 써미스터(100)의 저항이 줄어들게 되어, 베이스 전원(Vbase)에서 인가되는 전류가 제어 트랜지스터(200)의 에미터와 컬렉터 사이로 많이 흐르게 된다. 결과적으로, NPN 전력 트랜지스터(500)로의 전류가 줄어들게 되어 NPN 전력 트랜지스터(500)의 컬렉터와 에미터 사이로 흐르는 전류가 줄어들게 되고, NPN 전력 트랜지스터(500)의 발열이 중단되어 온도가 내려간다. 좀더 정확히 말하면, 전력 트랜지 스터의 온도가 증가하면 할수록 써미스터-트랜지스터(300)의 존재로 인해 전력 트랜지스터의 베이스 전류가 계속 줄어들게 되며, 어느 정도의 높은 온도에서 베이스 전류의 감소는 한계에 도달하고, 그 온도에서 더 이상 전력 트랜지스터의 온도는 증가하지 않게 된다. 이 온도는 약 80 ~ 100℃ 사이에서 결정된다.
여기서, 써미스터(100)는 NPN 전력 트랜지스터의 효과적인 발열 방지를 위해, 발열이 가장 많은 NPN 전력 트랜지스터의 컬렉터 부분에 접착되도록 하는 것이 바람직하다. 한편, NPN 전력 트랜지스터(500)에서 줄어든 전류는 써미스터-트랜지스터(300)의 제어 트랜지스터(200)가 보상하여 전류 구동 소자(400)로 공급하는 측면이 있다.
도 7을 참조하면, 도 7은 도 6과는 다른 구조의 전력 트랜지스터 발열 제어회로를 예시하고 있다. 즉, PNP 전력 트랜지스터(600)가 전원(Vcc)과 전류 구동 소자(400) 사이에 더 연결되어 있고, 써미스터-트랜지스터(300)는 NPN 전력 트랜지스터(500)과 PNP 전력 트랜지스터(600)의 공통 베이스와 출력 단자 사이로 연결되어 있다.
여기서, 저항 R1, R2, R3 및 R4은 도 6에서와 같이 전력 트랜지스터들(500, 600)의 베이스 및 써미스터-트랜지스터(300)로 인가되는 전류 또는 전압을 조절하기 위하여 저항들로서 사용자가 필요에 따라 저항값을 적절히 조절할 수 있음은 물론이다. 한편, PNP 전력 트랜지스터(600)의 베이스로는 펄스 제어용 트리거(trigger) 트랜지스터(650)가 더 추가되어 있는데, 이는 PNP 전력 트랜지스터의 온-오프를 좀더 명확하게 조절하기 위한 것으로 필요에 따라 생략할 수 있다.
이와 같은 구조의 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로에서의 전력 트랜지스터의 발열을 방지하는 기능을 설명하면,
처음에 NPN 전력 트랜지스터(500)가 발열이 발생하지 않은 경우에는 NPN 전력 트랜지스터를 통해서만 전류 구동 소자(400)로 전류가 공급된다. 즉, PNP 전력 트랜지스터(600)의 경우는 트리거 트랜지스터(650)의 존재로 인해 베이스로 전류가 흐르지 못하여 오프 상태로 유지되며, 또한, 써미스터-트랜지스터(300)의 경우도 온도가 낮아 제어 트랜지스터(200)를 통해 전류가 거의 흐르지 못한다. 만약, NPN 전력 트랜지스터(500)에 발열이 발생하여 온도가 높아지는 경우에, 도 6에서 전술한 바와 같이 써미스터-트랜지스터(300)가 작동하여 전류가 흐르게 되고, 한편, 저항들의 교차점 부분의 전압이 상대적으로 낮아져 트리거 트랜지스터(650)를 통해 전류가 흐르게 되고, 그에 따라 PNP 전력 트랜지스터도 온 상태가 되어 전류가 통하게 된다. 따라서, NPN 전력 트랜지스터(500)에서 감소된 전류는 써미스터-트랜지스터(300) 및 PNP 전력 트랜지스터(600)가 보상하여 전류 구동 소자로 제공하게 된다.
한편, 위와 같은 작용에 의해 NPN 전력 트랜지스터(500)의 온도가 낮아지면, 다시 처음과 같은 상태, 즉 써미스터-트랜지스터(300) 및 PNP 전력 트랜지스터의 동작이 중지되고 NPN 전력 트랜지스터(500)가 정상적인 상태로 전류 구동 소자(400)로 전류를 공급하게 된다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 도 6의 전력 트랜지스터 발열 제어회로와 유사하나, 써미스터-트랜지스터(300)가 NPN 전력 트랜지스터(500)로 연결되는 구조가 다르다. 즉, 본 실시예에서는 써미스터-트랜지스터(300)가 NPN 전력 트랜지스터(500)의 베이스와 에미터 사이로 연결되는 것이 아니라, 컬렉터와 에미터 사이에 연결된다.
이러한 회로의 동작은 도 6에서와 비슷하다. 즉, NPN 전력 트랜지스터(500)의 온도가 올라가면 써미스터-트랜지스터(300)가 동작하여 전원(Vcc)으로부터의 전류를 바이패스 시키게 된다. 그에 따라, NPN 전력 트랜지스터(500)로 흐르는 전류가 감소하여 NPN 전력 트랜지스터(500)의 발열이 방지된다. 일반적으로 전력 트랜지스터의 컬렉터 부분으로 발열이 많이 이루어지므로 본 실시예와 같이 전력 트랜지스터의 컬렉터로 써미스터-트랜지스터를 연결하는 것이 좀더 효율적이며, 집적 회로를 구성할 때도 유리하다.
여기서,정션 트랜지스터를 예시하고 있지만, 그에 한정되지 않고, MOS 트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터의 경우에는 써미스터-트랜지스터(300)가 소오스와 드레인 사이에 연결되어 동일한 기능을 수행할 수 있음은 물론이다.
도 9a를 참조하면, 본 실시예에서의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 써미스터 트랜지스터(300)가 도 6과는 다르게 연결된다. 즉, 전력 트랜지스터(500)의 베이스와 제어 트랜지스터(200)의 베이스가 써미스터(100)를 통해 연결되며, 또한 전력 트랜지스터(500)의 컬렉터 및 에미터가 각각 제어 트랜지스터(200)의 컬렉터 및 에미터로 연결된다.
이러한 연결관계를 가지고 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 다음과 같이 동작한다. 전력 트랜지스터(500)의 발열에 따른 온도 증가에 의해 써미 스터(100)의 온도가 증가하고 저항이 낮아진다. 그에 따라, 전력 트랜지스터(500)의 베이스로 인가되는 베이스 전류가 감소하여 전력 트랜지스터(500)의 컬렉터와 에미터 사이를 흐르는 전류가 감소하여 전력 트랜지스터(500)의 온도가 낮아진다. 한편, 제어 트랜지스터(200)는 턴온 되어 컬렉터와 에미터 사이게 전류가 흐르게 된다. 결국, 전력 트랜지스터(500)에서 감소한 전류는 제어 트랜지스터(200)를 통해 보상함으로써, 구동소자(400)로 흐르는 전류는 거의 감소하지 않는다. 그 후, 전력 트랜지스터(500)의 온도가 낮아져 써미스터(100)의 저항이 높아지면 제어 트랜지스터(200)는 오프되고 전력 트랜지스터(500)를 통해서만 구동소자(400)로 전류를 공급한다.
본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 구동소자(400)로 전류는 일정하게 공급하면서도 전력 트랜지스터(500)의 발열을 효과적으로 방지할 수 있다. 본 실시예에서 전력 트랜지스터 및 제어 트랜지스터를 정션 트랜지스터로 예시하고 있지만 MOS 트랜지스터를 사용할 수 있음은 물론이다. 또한, 베이스 전원(Vbase)과 전력 트랜지스터의 베이스 사이로 저항 R1, 및 전원(Vcc)와 전력 트랜지스터의 컬렉터 사이에 R2가 연결되어 있지만, 각 소자들 사이에 적절한 저항이 더 연결될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 써미스터(100)와 전력 트랜지스터(500)의 베이스 접점 사이에 저항이 연결될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 전력 트랜지스터(500)에 병렬로 연결된 제2 써미스터-트랜지스터(300a)를 더 포함한다. 이러 한 제2 써미스터-트랜지스터(300a)의 존재로 인하여, 전력 트랜지스터(500)의 발열 제어와 함께, 써미스터-트랜지스터(300)의 제어 트랜지스터의 발열을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 전력 트랜지스터(500)의 발열을 2개의 써미스터-트랜지스터가 나누어 방지하며, 또한 서로 간의 발열도 방지하는 기능을 수행한다. 도면상 2개의 써미스터-트랜지스터가 도시되었지만 3개, 또는 4개 등 2개 이상의 써미스터-트랜지스터가 전력 트랜지스터(500)으로 병렬로 연결될 수 있음은 물론이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로도이다.
지금까지의 실시예에서는 써미스터-트랜지스터(300) 내에 써미스터(100)로서 도 2a ~ 2c와 같은 써미스터 박막을 포함한 3 단자 써미스터 소자를 이용하였다. 그러나, 도 3에서 설명한 바와 같이 트랜지스터의 pn 접합 부분을 써미스터로 이용할 수 있다. 본 실시예에서는 그러한 트랜지스터의 pn 접합 부분을 써미스터로 이용하여 써미스터-트랜지스터를 구현한 실시예에 대하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로는 NPN 전력 트랜지스터(500) 및 제어 트랜지스터(200)를 포함한다. 한편, NPN 전력 트랜지스터(500)의 베이스와 에미터 사이의 pn 정션(100, 점선의 원 부분)은 써미스터로서 작용한다. 따라서, NPN 전력 트랜지스터(500)의 pn 정션(100) 및 제어 트랜지스터(200)가 앞서와 같은 써미스터-트랜지스터를 형성한다. 이러한 회로의 기능은 도 6에서와 동일하다.
즉, NPN 전력 트랜지스터(500)의 발열에 따라 온도가 높아지고, NPN 전력 트랜지스터(500)의 베이스와 에미터 사이로 흐르는 전류가 증가한다. 그에 따라, 그 제어 트랜지스터(200)를 통해 흐르는 전류도 증가하여, NPN 전력 트랜지스터(500)의 베이스로의 전류가 감소한다. 결과적으로 NPN 전력 트랜지스터(500)의 컬렉터를 흐르는 전류가 감소하여 NPN 전력 트랜지스터(500)의 발열이 방지된다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력용 다이오드 발열 제어회로에 대한 회로도이다.
도 11a를 참조하면, 본 실시예의 전력용 다이오드 발열 제어회로는 3단자 써미스터(100) 및 3단자 써미스터에 병렬로 연결된 2개의 다이오드(450, 450a)를 포함한다. 이러한 구성의 전력용 다이오드 발열 제어회로는 3단자 써미스터(100)를 통해 2개의 다이오드(450, 450a)로 인가되는 전류의 공급을 제어한다. 도면상 3 단자 써미스터(100)에 연결된 제2 다이오드(450a)의 화살표가 좀더 짧게 도시되고 있는데, 이는 평상시에 3 단자 써미스터(100)가 저항으로 작용하여 전류가 적게 공급됨을 의미한다. 한편, 제1 다이오드(450) 발열 등의 문제가 발생할 때, 3 단자 써미스터(100)의 저항이 낮아져 제2 다이오드(450a)로 상대적으로 전류를 많이 공급하게 된다.
본 실시예에서는 3 단자 써미스터와 관련해서 설명하였지만, 써미스터뿐만이 아니라 전류를 제어할 수 있는 다른 소자가 3단자 써미스터 대신 연결될 수도 있다. 예컨대, 3단자 써미스터 대신 온도에 따라 저항이 변하는 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT) 소자, 저항 등이 연결될 수 있으며, 어떤 경 우에는 저항이 붙지 않는 경우도 있을 수 있다. 한편, 도시하지는 않았지만 상부 및 하부의 단자로는 전원 및 그라운드가 연결될 수 있다.
여기서, 다이오드는 pn 정션 다이오드로서, LED를 포함할 수 있다. 여기서, LED에는 LED 전구나 형광등과 같이 LED를 이용하는 모든 조명등이 포함될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 본 실시예의 전력용 다이오드 발열 제어회로는 도 11a와 유사하나, 좀더 많은 3단자 써미스터 및 다이오드가 연결된다. 즉, 각각의 3 단자 써미스터에 대응하여 다이오드들이 병렬로 연속하여 연결되게 된다. 그에 따라, 다이오드들은 3단자 써미스터보다 1개가 더 많다. 기능은 앞서에서 설명한 바와 같으며, 3 단자 써미스터대신에 전류를 제어할 수 있는 다른 소자, 즉 금속-절연체 전이 소자나 저항 등이 연결될 수 있음은 물론이다.
도 11a 및 11b에서 설명한 전력용 다이오드 발열 제어회로는 원-칩 형태로 패키징될 수 있다. 또한, 전력용 다이오드 발열 제어회로에서 다이오드로서 발광다이오드 (LED)가 사용된 경우에, 전력용 다이오드 발열 제어회로와 빛 투과용 렌즈가 하나로 패키징되어 저 발열 LED 소자가 구현될 수 있다. 한편, 이러한 전력용 다이오드 발열 제어회로는 전력용 조명 시스템, 대전력 공급용 전력 시스템 등의 다양한 전력 시스템에 유용하게 이용될 수 있다.
도 12는 도 2a ~ 2c의 3 단자 써미스터 소자가 원-칩 형태로 패키징된 써미스터 소자에 대한 사시도이다.
도 12를 참조하면, 도 2a ~ 2c의 써미스터 소자는 도시한 바와 같이 원-칩 형태로 패키징되어 제조될 수 있는데, 가로 0.8㎜, 세로 1.6 ㎜ 정도의 소형으로 제작될 수 있다. 그러나 원-칩 형태의 써미스터 소자의 사이즈가 이에 한정되는 것은 아니다. 원-칩 형태로 패키징 된 경우, 칩-패키지 외부로는 외부 단자들이 형성되는데, 제1 및 제2 단자는 앞서 2a ~ 2c의 전극들(30)의 플러스 및 마이너스 전극으로 각각 연결되고, 제3 단자는 2a ~ 2c의 전극의 방열 단자(40)로 연결되며, 제1 및 제 2 단자들과 전기적으로 분리되어 있다.
도 13a ~ 13c는 도 6 ~ 10의 전력 트랜지스터 발명제어 회로가 원칩화될 때, 트랜지스터들과 써미스터 소자의 배치관계를 보여주는 구조도들이다.
도 12에서, 써미스터 소자가 원-칩 형태로 제조될 수 있음을 설명하였다. 그러나 써미스터 소자만이 아니라 도 6 ~ 10의 전력 트랜지스터 발열 제어회로 전체가 원-칩 형태로 패키징될 수도 있다. 그와 같이 패키징 된 경우 써미스터와 트랜지스터의 위치관계를 설명한다.
도 13a는 전력 트랜지스터와 써미스터를 위치관계에 대한 단면도로서, 전력 트랜지스터 발명제어 회로(800a)를 패키징할 때, 써미스터(100)가 전력 트랜지스터(500)의 상부로 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 써미스터(100)가 전력 트랜지스터(500) 가까이 위치할수록 전력 트랜지스터의 발열 온도를 좀더 정확히 감지할 수 있고, 그에 따라 써미스터-트랜지스터가 동작하여 전력 트랜지스터(500)의 발열을 좀더 효과적으로 제어할 수 있기 때문이다.
도 13b는 전력 트랜지스터 발명제어 회로(800a)가 패키징될 때, 써미스터(100)와 전력 트랜지스터(500) 그리고 제어 트랜지스터(200)의 위치 관계를 보여주는 평면도로서, 앞서 설명한 바와 같이 써미스터(100)는 전력 트랜지스터(500) 상부로 배치된다.
도 13c는 도 7과 같이 PNP 전력 트랜지스터(600)까지도 포함한 경우의 전력 트랜지스터 발명제어 회로(800b)의 패키징 구조를 보여주고 있는데, 이러한 경우에는 써미스터가 NPN 전력 트랜지스터(500)와 PNP 전력 트랜지스터(600) 상부를 함께 걸치도록 배치된다. 만약, 어느 하나의 전력 트랜지스터만의 발열이 문제가 되다면, 그 전력 트랜지스터 상부로만 써미스터를 배치할 수 있음은 물론이다.
위에서 여러 가지 실시예의 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 전력용 다이오드 발열 제어회로의 구조와 기능을 설명하였다. 이러한 제어회로들은 전류 구동 소자를 포함한 다양한 파워 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 예컨대, 상기 제어회로들은 핸드폰, 컴퓨터, 전지 충전회로, 모터 제어회로, 파워 앰프, 전기 전자 기기의 파워 제어회로와 파워 서플라이, 집적회로 및 LED 전구, LED 형광등, LED 조명등의 제어회로 시스템 등에 사용될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 제어회로들은 원-칩 형태로 패키징됨으로써, 전류 구동 파워 시스템들에 용이하게 접속하여 사용하도록 할 수도 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 3 단자 써미스터에 사용되는 Be-doped GaAs 박막 저항의 온도 의존성 그래프이다.
도 2a ~ 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 3 단자 써미스터 소자의 단면도들이다.
도 2d는 도 2a 또는 2b의 3 단자 써미스터 소자에 대한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 써미스터 소자로 사용할 수 있는 NPN 정션 트랜지스터의 베이스-에미터 간 저항의 온도 의존성 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 단자 써미스터 활용예에 대한 회로도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 써미스터-트랜지스터에 대한 회로도들이다.
도 6 ~ 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 써미스터-트랜지스터를 포함하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로도들이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로도이다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이오드 전력 제어회로에 대한 회로도이다.
도 12는 도 2a ~ 2c의 3 단자 써미스터 소자가 원-칩 형태로 패키징된 써미스터 소자에 대한 사시도이다.
도 13a ~ 13c는 도 6 ~ 10의 전력 트랜지스터 발명제어 회로가 원칩화될 때, 트랜지스터들과 써미스터 소자의 배치관계를 보여주는 구조도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10: 절연체 혹은 반도체 기판 20: 써미스터 박막
30: 전극 40: 방열 단자
50: 버퍼층 혹은 절연막 70: 써미스터 보호용 절연막
100, 100a, 100b, 100c: 써미스터 소자 200: 제어 트랜지스터
300: 써미스터-트랜지스터 400: 전류 구동 소자
450, 450a, 450b: 다이오드
500: NPN 전력 트랜지스터 600: PNP 전력 트랜지스터
700: 패키징된 써미스터 소자
800a, 800b: 패키징된 전력 트랜지스터 발명제어 회로

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  8. 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 3 단자 써미스터; 및
    상기 3 단자 써미스터에 연결된 제어 트랜지스터;를 포함하고,
    상기 3단자 써미스터는 기판, 상기 기판 하면으로 형성되고 열을 전달하기 위한 금속의 방열 단자, 상기 기판 상면 중앙부로 형성된 써미스터 박막, 및 상기 기판 상면으로 상기 써미스터 박막의 좌우로 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하며,
    구동 소자(driving device)에 연결된 전력 트랜지스터(power transistor)의 베이스나 게이트, 또는 컬렉터나 드레인에 연결되어 상기 전력 트랜지스터의 전류를 제어하며,
    상기 3단자 써미스터는 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제어 트랜지스터는 NPN형, PNP형 정션(junction) 트랜지스터, 및 MOS 트랜지스터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 3 단자 써미스터는 상기 제어 트랜지스터의 베이스와 컬렉터 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 정션 트랜지스터의 에미터와 베이스 사이의 pn 접합이 3 단자 써미스터로 이용되며,
    상기 정션 트랜지스터의 베이스가 상기 제어 트랜지스터의 에미터로 연결되고, 상기 정션 트랜지스터의 에미터가 상기 트랜지스터의 베이스로 연결된 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 구동 소자는 전류 구동 소자이고, 상기 써미스터-트랜지스터에 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 구동 소자는 고전력용 LED(Light Emitting Diode) 및 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  16. 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용하여 형성되고 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 3 단자 써미스터; 및
    상기 3 단자 써미스터에 연결된 제어 트랜지스터;를 포함하고,
    상기 3단자 써미스터는 기판, 상기 기판 하면으로 형성되고 열을 전달하기 위한 금속의 방열 단자, 상기 기판 상면 중앙부로 형성된 써미스터 박막, 및 상기 기판 상면으로 상기 써미스터 박막의 좌우로 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하며,
    상기 정션 트랜지스터가 구동 소자에 연결되어 전류를 공급 및 제어하는 전력 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 써미스터-트랜지스터.
  17. 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 3 단자 써미스터 및 상기 3 단자 써미스터에 연결된 제어 트랜지스터를 구비한 써미스터-트랜지스터;
    구동 소자에 연결되어 상기 구동 소자로의 전력을 공급 및 제어하는 적어도 1개의 전력 트랜지스터(power transistor);를 포함하고,
    상기 3단자 써미스터는 기판, 상기 기판 하면으로 형성되고 열을 전달하기 위한 금속의 방열 단자, 상기 기판 상면 중앙부로 형성된 써미스터 박막, 및 상기 기판 상면으로 상기 써미스터 박막의 좌우로 형성된 제1 및 제2 전극을 포함하며,
    상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 표면 혹은 발열 부분에 부착되고, 회로적으로는 상기 전력 트랜지스터의 베이스나 게이트, 또는 컬렉터나 드레인에 연결되어,
    상기 전력 트랜지스터의 온도 상승 시, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 전류를 줄이거나 차단함으로써, 상기 전력 트랜지스터의 발열을 방지하며,
    상기 3단자 써미스터는 정션 트랜지스터의 pn 접합을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 전력 트랜지스터는 NPN형, PNP형 정션(junction) 트랜지스터, MOS 트랜 지스터, 베이스 단자로 입사되는 빛을 이용하는 포토 다이오드(혹은 포토 트랜지스터), 포토 릴레이, 및 포토 SCR(silicon controlled rectifier), IGBT, SCR, 트라이악(triac) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 전력 트랜지스터가 정션 트랜지스터인 경우, 상기 써미스터-트랜지스터는 상기 전력 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 연결되거나, 컬렉터와 에미터 사이에 연결되며,
    상기 전력 트랜지스터가 MOS 트랜지스터인 경우, 상기 써미스터-트랜지스터는 상기 전력 트랜지스터의 게이트와 소오스 사이에 연결되거나, 드레인과 소오스 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 3 단자 써미스터, 상기 제어 트랜지스터 및 상기 전력 트랜지스터가 하나의 칩으로 집적된 원-칩 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 원-칩 구조는 상기 3 단자 써미스터가 상기 전력 트랜지스터 위로 배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  22. 제17 항에 있어서,
    상기 전력 트랜지스터는 2개이고,
    2개의 상기 전력 트랜지스터는 극성이 서로 반대이고,
    2개의 상기 전력 트랜지스터는 공통 베이스 또는 공통 게이트를 통해 서로 연결되며,
    상기 써미스터-트랜지스터는 상기 공통 베이스 또는 공통 게이트와 2개의 상기 전력 트랜지스터의 출력 단자 사이에 공통으로 연결되며,
    2개의 상기 전력 트랜지스터 중 제1 전력 트랜지스터가 온(On) 상태로 상기 구동 소자로 전류를 공급하고, 제2 전력 트랜지스터는 오프(Off) 상태로 유지하다가, 상기 제1 전력 트랜지스터의 온도가 상승할 때, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 제1 전력 트랜지스터의 전류를 줄이거나 차단하고, 상기 제2 전력 트랜지스터를 온 상태로 하여 전류가 흐르게 함으로써, 상기 제1 전력 트랜지스터의 발열을 방지하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제1 전력 트랜지스터의 온도가 강하하거나, 상기 제2 전력 트랜지스터의 온도가 상승하는 경우에, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 제2 전력 트랜지스터를 오프 상태로 하고, 상기 제1 전력 트랜지스터로 다시 정상적인 전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  24. 제22 항에 있어서,
    상기 제2 전력 트랜지스터의 베이스로는 트리거(trigger) 트랜지스터가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  25. 제22 항에 있어서,
    2개의 상기 전력 트랜지스터의 조합은 2개의 정션 트랜지스터, 2개의 MOS 트랜지스터, 및 정션 트랜지스터와 MOS 트랜지스터 복합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  26. 제17 항에 있어서,
    상기 제어 트랜지스터의 베이스 또는 게이트가 상기 3 단자 써미스터를 통해 상기 전력 트랜지스터의 베이스 또는 게이트에 연결되고, 에미터 또는 소오스가 상기 전력 트랜지스터의 에미터 또는 소오스에 연결되며, 컬렉터 또는 드레인이 상기 전력 트랜지스터의 컬렉터 또는 드레인에 연결되며,
    상기 전력 트랜지스터가 온(On) 상태로 상기 구동 소자로 전류를 공급 중에, 상기 전력 트랜지스터의 온도가 상승할 때, 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 전류를 줄이거나 차단하고, 상기 제어 트랜지스터를 통해 전류를 흐르게 함으로써, 상기 전력 트랜지스터의 발열을 방지하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  27. 삭제
  28. 제26 항에 있어서,
    적어도 2개의 상기 써미스터-트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터에 병렬로 연결되며,
    각각의 상기 제어 트랜지스터가 상기 3 단자 써미스터와 상기 전력 트랜지스터에 동일 연결관계를 가지고 연결된 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  29. 제17 항에 있어서,
    상기 정션 트랜지스터가 상기 전력 트랜지스터의 하나로 이용되는 것을 특징으로 하는 전력 트랜지스터 발열 제어회로.
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 제17 항의 전력 트랜지스터 발열 제어회로를 포함하는 파워 시스템.
  36. 제35 항에 있어서,
    상기 파워 시스템은 핸드폰, 컴퓨터, 전지 충전회로, 모터 제어회로, 파워 앰프, 전기 전자 기기의 파워 제어회로와 파워 서플라이, 집적회로, 및 LED 전구, LED 형광등 및 LED 조명등 제어회로 시스템 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파워 시스템.
KR1020090002731A 2008-11-18 2009-01-13 3 단자 써미스터, 써미스터-트랜지스터, 그 써미스터-트랜지스터를 이용한 전력 트랜지스터 발열 제어회로 및 그 발열 제어회로를 포함한 전력 시스템 KR101312267B1 (ko)

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