KR101478352B1 - 비정상 스위칭 감시 장치 및 감시 방법 - Google Patents

비정상 스위칭 감시 장치 및 감시 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비정상 스위칭 감시 장치 및 감시 방법에 관한 것이다.
입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치 및 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있는 하측 스위치 각각의 턴 온 시점과 전원 공급부에 충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점 및 흐르기 시작하는 시점을 비교하여 이상 영전압 스위칭 여부를 판단한다. 전원 공급부는 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급한다.
영전압 스위칭

Description

비정상 스위칭 감시 장치 및 감시 방법{ABNORMAL SWITCHING MONITORING DEVICE AND ABNORMAL SWITCHING MONITORING METHOD}
본 발명은 비정상 스위칭 동작을 검출하는 감시 장치 및 감시 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 이상 영전압 스위칭(non-zero voltage switching)을 감시하는 감시 장치 및 이상 영전압 스위칭 감시 방법에 관한 것이다.
컨버터의 동작을 제어하는 MOSFET 스위치는 영전압 스위칭(zero voltage switching) 동작하도록 제어되는 것이 바람직하다. 스위치의 양단 전압이 '0'일 때 턴 온 시키는 것이 스위칭 손실을 줄이고 스위치의 손상을 방지할 수 있다.
예를 들어, LLC 공진형 컨버터의 경우 과부하가 가해지거나 입력전압이 낮은 경우, MOSFET 스위치의 드레인 전류의 위상이 게이트 입력신호의 위상보다 앞서게 될 수 있다. 그러면, 컨버터의 스위치가 스위칭 동작할 때, 하드 스위칭(hard switching) 및 슛스루(shoot-through) 현상이 발생한다. 하드 스위칭이란, 스위치양단 전압이 영으로 떨어지기 전에 턴 온이 되는 현상이고, 슛스루 현상은Body diode의 역 복원(reverse recovery)에 의해 높은 피크 전류가 스위치에 발생하는 현상이다.
이런 현상은 스위칭 손실을 증가시킬 뿐만 아니라, 스위치를 손상시키는 원인이 된다. 따라서 영전압 스위칭에 실패한 스위칭 즉, 이상 영전압 스위칭(non-zero voltage switching)이 발생하는 경우 컨버터를 계속 동작시키는 것은 스위칭 손실에 의한 소비 전력 증가와 스위치 손상을 발생시킨다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상영전압 스위칭을 감지할 수 있는 비정상 스위칭 감시 장치 및 비정상 스위칭 감시 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따르는 비정상 스위칭 감시 장치는, 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있는 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭(non-zero voltage switching)을 감시한다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는 상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 전원 공급부를 포함하고, 상기 전원 공급부에 전류가 흐르기 시작하는 시점 및 상기 하측 스위치가 턴온 되는 시점을 비교하여 상기 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단한다. 상기 전원 공급부는, 상기 게이트 구동부에 연결되어 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터, 상기 부트스트랩 커패시터로 전류가 흐르게 하는 다이오드, 및 일단에 전원 전압이 인가되고, 상기 다이오드에 타단이 연결되어 있는 전류감지 소자를 포함한다. 상기 전류 감지 소자는 저항이 다. 상기 부트스트랩 커패시터의 일단은 상기 다이오드의 캐소드 전극에 연결되어 있고, 상기 부트스트랩 커패시터의 타단은 상기 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있고, 상기 다이오드의 애노드 전극은 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있다. 상기 전류 감지 소자 양단 각각의 전압을 비교하고, 그 비교 결과와 상기 하측 스위치를 제어하는 하측 게이트 신호를 논리 연산하여 이상 영전압 스위칭 여부를 판단한다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는, 상기 전원 전압이 입력되는 반전 단자 및 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있는 비반전 단자를 포함하는 비교기, 및 상기 비교기의 출력단에 연결되어 있고, 상기 하측 게이트 신호가 입력되는 AND 게이트를 더 포함한다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는, 상기 충전 전류가 흐르기 시작하는 시점이 상기 하측 스위치가 턴 온되는 시점보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 비정상 스위칭 감시 장치는, 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭(non-zero voltage switching)을 감시한다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는 상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 전원 공급부를 포함하고, 상기 전원 공급부에 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점 및 상기 상측 스위치가 턴온 되는 시점을 비교하여 상기 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단한다. 상기 전원 공급부는, 상기 게이트 구동부에 연결되어 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터, 상기 부트스트랩 커패시터로 전류가 흐르게 하는 다이오드, 및 일단에 전원 전압이 인가되고, 상기 다이오드에 타단이 연결되어 있는 전류감지 소 자를 포함한다. 상기 전류 감지 소자는 저항이다. 상기 부트스트랩 커패시터의 일단은 상기 다이오드의 캐소드 전극에 연결되어 있고, 상기 부트스트랩 커패시터의 타단은 상기 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있고, 상기 다이오드의 애노드 전극은 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는 상기 전류 감지 소자 양단 각각의 전압을 비교하고, 그 비교 결과와 상기 상측 스위치를 제어하는 상측 게이트 신호를 논리 연산하여 이상 영전압 스위칭 여부를 판단한다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는 상기 전원 전압이 입력되는 비반전 단자 및 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있는 반전 단자를 포함하는 비교기, 및 상기 비교기의 출력단에 연결되어 있고, 상기 상측 게이트 신호가 입력되는 AND 게이트를 더 포함한다. 상기 비정상 스위칭 감시 장치는 상기 충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점이 상기 상측 스위치가 턴 온 되는 시점보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 비정상 스위칭 감시 방법은, 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있는 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭을 감시하고, 상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터를 충전 시키는 충전 전류 흐름을 감지하는 단계 상기 하측 스위치가 턴 온되는 시점 및 상기 충전 전류가 흐르기 시작하는 시점을 비교하는 단계 및 상기 비교 결과에 따라 상기 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계를 포함한다. 상기 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계는, 상기 충전 전류가 흐르기 시작하는 시점이 상기 하측 스위치 턴 온 시점 보다 늦으면 이상 영전압 스위칭으로 판단한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 비정상 스위치 감시 방법은, 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭을 감시하고, 상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터를 충전 시키는 충전 전류 흐름을 감지하는 단계 상기 상측 스위치가 턴 온되는 시점과 상기 충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점을 비교하는 단계 및 상기 비교 결과에 따라 상기 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계를 포함한다. 상기 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계는 상기 충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점이 상기 상측 스위치 턴 온 시점 보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 특징에 따르면, 영전압 스위칭 동작 실패를 감지할 수 있는 비정상 스위칭 감시 장치 및 영전압 스위칭 감시 방법을 제공한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설 명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 비정상 스위칭 감시 장치는 이상 영전압 스위칭을 감시하는 장치로서, 이를 포함하는 컨버터를 도시한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 발명의 실시 예에 따른 비정상 스위칭 감시 장치가 적용된 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에서는 비정상 스위칭 감시 장치의 설명을 위한 구성만을 도시하였다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 컨버터는 스위치부(100), 스위치 구동부 (200), 공진부(resonant network unit)(300), 및 비정상 스위칭 감시 장치(400)를 포함한다. 부트스트랩 커패시터(CH)는 상측 게이트 구동부(210)가 동작할 수 있도록 동작 전류를 공급한다. 커패시터(CVcc)는 전원 전압(Vcc)을 평활시킨다. 저항(RD)은 댐핑(damping) 저항으로 전원 전압(Vcc)에 의해 부트스트랩 커패시터(CH)로 흐르는 충전 전류를 안정화시킨다. 비정상 스위칭 감시 장치(400)는 저항(RD), 부트스트랩 커패시터(CH) 및 다이오드(DB)로 구성된 상측 게이트 구동부의 전원 공급회로(430) 를 포함한다.
스위치부(100)는 상측 스위치(M1) 및 하측 스위치(M2)를 포함한다. 스위치부(100)는 상측 스위치(M1) 및 하측 스위치(M2)의 스위칭 동작에 의해 입력 직류 전압(Vin)을 구형파로 생성한다. 구체적으로, 상측 스위치(M1) 및 하측 스위치(M2) 각각은 교대로 온/오프된다. 그러면 노드(N1) 및 노드(N2) 사이의 공진 입력 전압(VR)은 피크(peak) 값으로 전압(Vin)과 같은 레벨을 가지고 최저 값으로 0V를 가지는 구형파가 된다. 상측 스위치(M1)는 스위치 구동부(200)의 상측 게이트 구동부(high-side gate driver)(210)로부터 전달되는 게이트 제어 신호(VG1)에 의해 제어되며, 하측 스위치(M2)는 스위치 구동부(200)의 하측 게이트 구동부(low-side gate driver)(220)로부터 전달되는 게이트 제어 신호(VG2)에 의해 제어된다. 본 발명의 실시 예에 따른 상측 스위치(M1) 및 하측스위치(M2)는 MOSFET(metal oxide semiconductor field-effect transistor)로 구현되며, n 채널(channel) 타입 NMOSFET이다.
공진부(resonant network unit)(300)는 공진 커패시터(Cr), 누설 인덕턴스(leakage inductor)(Lk) 및 자화 인덕턴스(magnetizing inductor)(Lm)를 포함한다. 상측 스위치(M1) 및 하측 스위치(M2)의 스위칭 동작에 따라 공진이 제어된다. 상측 스위치(M1)가 턴 오프 되고 하측 스위치(M2)가 턴 온 되면, 입력 전류(Ip)가 사인파 형태로 증가하면서 0보다 큰 전류가 되어 흐르는 방향이 바뀌며, 공진 커패시터(Cr)의 전압은 증가한다. 반대로 상측 스위치(M1)가 턴 온 되고, 하측 스위치(M2)가 턴 오프 되면, 입력 전류(Ip)는 싸인파 형태로 감소하다가 0보다 작은 전 류가 되어 그 흐르는 방향이 바뀐다. 그러면, 공진 커패시터(Cr)의 전압은 감소한다.
스위치 구동부(200)는 상측 게이트 구동부(210) 및 하측 게이트 구동부(220)를 포함한다. 상측 게이트 구동부(210)는 상측 스위치(M1)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 신호(VG1)를 생성하고, 하측 게이트 구동부(220)는 하측 스위치(M2)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 신호(VG2)를 생성한다. 본 발명의 실시 예에 따른 상측 스위치(M1) 및 하측 스위치(M2)는 소정의 듀티에 따라 번갈아 온/오프 된다. 그리고 상측 스위치(M1)와 하측 스위치(M2)가 모두 턴 오프 되는 소정의 데드 타임 기간이 있다. 따라서 게이트 신호(VG1) 및 게이트 신호(VG2)는 번갈아 하이 레벨의 신호가 되며 두 신호가 모두 로우 레벨인 데드 타임 기간이 존재한다. 상측 게이트 구동부(210)는 부트스트랩 커패시터(CH)의 양단에 연결되어 있으며, 부트스트랩 커패시터(CH)로부터 동작에 필요한 전원을 공급받는다. 상측 게이트 구동부(210)는 부트스트랩 커패시터(CH)의 일단 전압(HV) 및 부트스트랩 커패시터(CH)의 타단 전압(VCTR)을 입력 받아 게이트 신호(VG1)를 생성한다. 스위치 구동부(200) 및 하측 게이트 구동부(220)는 전원 전압(Vcc)으로부터 동작에 필요한 전원을 공급받는다. 비정상 스위칭 감시 장치(400)는 저항(RD)의 양단 전압 및 게이트 신호(VG2)를 이용하여 하측 스위치(M2)의 영전압 스위칭이 정상적으로 수행되었는지 판단한다. 비정상 스위칭 감시 장치(400)는 부트스트랩 커패시터(CH)에 충전 전류(ID)가 흐르기 시작하는 시점이 하측 스위치(M2)의 턴 온 시점보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단한다. 부트스트랩 커패시터(CH)에 충전 전류(ID)가 흐르기 시작하기 위해서 는 다이오드(DB)가 도통되어야 한다. 전압(HV)이 전원 전압(Vcc)이하가 되어야 다이오드(DB)가도통된다. 전압(HV)은 전압(VCTR)으로부터 부트스트랩 커패시터(CH)에 충전된 전압만큼 높은 전압이므로, 전압(VCTR)이 높으면, 전압(HV) 역시 높다. 따라서 전압(HV)이 전원 전압(Vcc)보다 낮아지기 위해서는 먼저 전압(VCTR)이 전원 전압(Vcc)에서 커패시터(CH)의 전압(VCH)을 뺀전압보다 낮아져야 한다. 그러면 전압(HV)이 전원 전압(Vcc)보다 낮아져 다이오드(DB)가 도통된다. 전압(VCTR)은 하측 스위치(M2)의 드레인-소스 전압(VDS)과 같다. 영전압 스위칭은 드레인-소스 전압(VDS)이 0일 때 발생한다. 그런데 전압(VCTR)이 전원 전압(Vcc)에서 전압(VCH)를 뺀 전압(Vcc-VCH)보다 높은데도 불구하고, 하측 스위치(M2)가 턴 온 되면, 이상 영전압 스위칭인 것으로 볼 수 있다. 본 발명은 이를 이용하여 하측 스위치(M2)의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단한다.
구체적으로, 비정상 스위칭 감시 장치(400)는 비교기(410), AND 게이트(420) 그리고 상측 게이트 구동부(210)에 전원을 공급하는 전원 공급회로(430) 를 포함한다. 전원 공급회로(430)는 저항(RD), 다이오드(DB) 및 부트스트랩 커패시터(CH)를 포함한다. 저항(RD), 다이오드(DB) 및 부트스트랩 커패시터(CH)는 직렬 연결되어 있고, 저항(RD)에는 전원 전압(Vcc)이 전달되고, 부트스트랩 커패시터(CH)는 상측 스위치(M1) 및 하측 스위치(M2)에 연결되어 있다. 비교기(410)의 반전 단자(-)는 저항(RD)의 일단에 연결되어 있고, 전원 전압(Vcc)이 입력된다. 비교기(410)의 비반전 단자(+)에는 저항(RD)의 타단이 연결되어 있다. 저항(RD)의 타단에는 다이오드(DB)의 애노드 전극이 연결되어 있고, 다이오드(DB)의 캐소드 전극은 부트스트랩 커패시터(CH)의 일단에 연결되어 있다. 따라서 부트스트랩 커패시터(CH)를 충전하는 방향으로만 전류가 흐른다. 부트스트랩 커패시터(CH)로 충전 전류가 흐르면, 저항(RD)의 양단에는 전압 강하가 발생한다. 부트스트랩 커패시터(CH)로 충전 전류가 흐르지 않으면, 저항(RD)에서 전압 강하가 발생하지 않는다. 그러면, 저항(RD)의 타단의 전압은 전원 전압(Vcc)과 동일하다. 본 발명의 실시 예에 따른 비교기(410)는 비반전 단자(+)의 전압이 반전 단자(-)의 전압 이상이면, 하이 레벨의 신호를 출력한다. 비교기(410)의 출력 신호를 이하 충전 펄스(CP)라 칭한다. 부트스트랩 커패시터(CH)로 충전 전류(ID) 가 흐르면, 충전 펄스(CP)는 발생하지 않고, 부트스트랩 커패시터(CH)로 충전 전류가 흐르지 않는 기간 동안 하이 레벨을 가지는 충전 펄스(CP)가 발생한다. AND 게이트(420)는 게이트 신호(VG2)와 충전 펄스(CP)가 모두 하이 레벨인 구간에서 이상 영전압 스위칭을 알리는 이상 감지 신호(NZS)를 생성한다. 즉, 비정상 스위칭 감시 장치(400)는 충전 전류(ID)가 흐르지 않는 기간에 하측 스위치(M2)가 턴 온 되면, 이상 영전압 스위칭으로 판단한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 및 스위치 구동부(200)에 발생하는 신호를 나타낸 도면이다. 도 2는 영전압 스위칭이 이루어지는 경우 컨버터 및 스위치 구동부(200)에 발생하는 신호를 나타낸 도면이다. 도 3은 이상 영전압 스위칭의 경우 컨버터 및 스위치 구동부(200)에 발생하는 신호를 나타낸 도면이다. 전압(VCTR1, VCTR2)은 하측 스위치(M2)의 드레인-소스 전압(VDS)과 동일하다.
도 2에서, VCTR1, ID1, VCH1 및 CP1는 정상적으로 영전압 스위칭이 이루어지는 경우에 발생하고, VCTR2, ID2, VCH2 및 CP2는 영전압 스위칭이 실패했을 경우에 발생한다. 먼저 정상적인 경우를 설명한다.
시점 T1에, 전압(VCTR1)이 전원전압(Vcc)에서 부트스트랩 커패시터(CH)의 전압(VCH1)을 뺀 전압에 도달하면, 전압(HV) 역시 전원 전압(Vcc)에 도달하고, 다이오드(DB)가 도통되어 다이오드(DB)에 충전 전류(ID1)가 흐르기 시작한다. 부트스트랩 커패시터(CH)는 충전 전류(ID1)에 의해 충전되기 시작하면서, 부트스트랩 커패시터(CH)의 전압(VCH1)이 증가하기 시작한다. 충전 전류(ID1)가 흐르기 시작하면, 비교기(410)의 반전 단자(-)의 전압이 비반전 단자의 전압(+)보다 높아져 충전 펄스(CP1)는 로우 레벨이 된다.
시점 T2에, 하측 게이트 신호(VG2)가 하이 레벨이 되면, 하측 스위치(M2)가 턴 온 되고, 시점 T3에 하측 게이트 신호(VG2)가 로우 레벨이 되면, 하측 스위치(M2)가 턴 오프 된다. 시점 T3부터 전압(VCTR1)이 증가하기 시작하고, 시점 T4에 전압(VCTR1)이 전원 전압(Vcc)에서 부트스트랩 커패시터(CH)의 전압(VCH1)을 뺀 전압에 도달한다. 시점 T1부터 시점 T4까지의 기간 동안, 충전 전류(ID1)에 의해 부트스트랩 커패시터(CH)가 충전되면서, 전압(VCH1)이 증가한다. 전압(VCH1)이 증가하면서, 전압(HV)이 증가하여 전원 전압(Vcc)과의 차가 감소함에 따라 충전 전류(ID1)도 서서히 감소한다. 하측 스위치(M2)가 턴 오프 된 후 시점 T3부터 증가하던 전압(VCTR1)이 시점 T4에 전압(Vcc-VCH1)에 도달한 후, 전압(Vcc-VCH1)보다 커지게 되면 다이오드(DB)가 턴 오프되고, 충전 전류(ID1)는 더 이상 흐르지 않는다. 그리고 전압(VCTR1)은 시점 T3 이후 상승하여 소정 전압까지 상승하고, 상측 스위치(M1)가 턴 오프 되기 전까지 일정한 레벨을 유지한다. 시점 T4에 충전 전류(ID1) 가 흐르지 않으므로, 비교기(410)의 비반전 단자의 전압은 반전 단자의 전압과 동일하게 되고, 충전 펄스(CP1)는 하이 레벨이 된다.
시점 T5에 상측 스위치(M1)가 턴 오프되면, 전압(VCTR1)은 감소하기 시작하여, 시점 T6에 전압(Vcc-VCH1)에 도달한다. 시점 T6에 충전 전류(ID1)가 흐르므로, 비교기(410)의 반전 단자(-)의 전압이 비반전 단자(+)의 전압보다 높아져 충전 펄스(CP)는 로우 레벨이 된다. 시점 T7에 하측 게이트 신호(VG2)가 하이 레벨이 되면, 다시 하측 스위치(M2)가 턴 온된다.
이와 같이, 정상적으로 영전압 스위칭이 이루어지는 경우에는, 하측 스위치(M2)가 턴 온 되는 시점이 전압(VCTR1)이 전압(Vcc-VCH1)에 도달하여 충전 전류(ID1)가 발생하는 시점보다 늦다. 따라서 AND 게이트(420)에 입력되는 하측 게이트 신호(VG2)와 충전 펄스(CP1)가 동시에 하이 레벨인 구간이 없으므로, AND 게이트(420)는 영전압 스위칭이 이루어지는 경우에는 로우 레벨의 이상 감지 신호(NZS)를 생성한다. 이상 감지 신호(NZS)가 로우 레벨이면, 영전압 스위칭이 수행되는 것을 의미한다.
다음으로, 도 3을 참조하여 영전압 스위칭 실패의 경우를 설명한다.
시점 T11에, 하측 게이트 신호(VG2)가 하이 레벨이 되면, 하측 스위치(M2)가 턴 온된다. 시점 T12에, 전압(VCTR2)이 전원 전압(Vcc)에서 부트스트랩 커패시터(CH)의 전압(VCH2)를 뺀 전압에 도달하고 그 이후 작아지면, 시점 T12에 전압(HV)이 전원 전압(Vcc)에 도달하고, 그 이후 전원 전압(Vcc)보다 작아진다. 그러면 다이오드(DB)가 도통되어 시점 T12부터 다이오드(DB)에 충전 전류(ID2)가 흐르 기 시작한다. 부트스트랩 커패시터(CH)는 충전 전류(ID2)에 의해 충전되기 시작하면서, 부트스트랩 커패시터(CH)의 전압(VCH2)이 증가하기 시작한다. 충전 전류(ID2)가 흐르기 시작하면, 비교기(410)의 반전 단자(-)의 전압이 비반전 단자(+)의 전압보다 높아져 시점 T12에 충전 펄스(CP2)는 로우 레벨이 된다. 기간 T11-T12 동안 충전 펄스(CP2) 및 하측 게이트 신호(VG2)가 모두 하이 레벨이므로, AND 게이트(420)는 하이 레벨의 이상 감지 신호(NZS)를 생성한다. 즉, 이는 이상 영전압 스위칭을 의미한다.
이와 같이, 하측 게이트 신호(VG2) 및 부트스트랩 커패시터(CH)를 충전하는 충전 전류(ID2)의 라이징 에지 시점(rising edge timing)을 비교하여 이상 영전압 스위칭 여부를 알 수 있다.
지금까지 하측 스위치의 비정상 스위칭 감시 장치 및 감시 방법을 설명하였으나, 상측 스위치의 비정상 스위칭 감시 장치 및 감시 방법에 대해서 도 4 및 도 5를 참조하여 이하 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상측 스위치(M1) 비정상 스위칭 감시 장치(400`)를 나타낸 도면이다. 앞선 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
상측 스위치(M1)가 턴 온 되는 시점보다 부트스트랩커패시터(CH`)을 충전시키는 충전 전류(ID`)가 흐르지 않는 시점이 늦으면, 상측 스위치(M1)가 이상 영전압 스위칭한 것이다. 즉, 전압(VCTR`)이 전원 전압(Vcc)에서 커패시터(CH`)의 전압(VCH`)을 뺀 전압(Vcc-VCH`)까지 상승하는 시점이 상측 스위치(M1)의 턴 온 시점 보다 늦은 경우, 상측 스위치(M1)는 이상 영전압 스위칭을 한 것이다. 상측 스위치(M1)의 양단 전압은 입력 전압(Vin)과 전압(VCTR`)의 차에 해당하는 전압인데, 전압(VCTR`)이 전원 전압(Vcc)에서 커패시터 전압(VCH`)을 뺀 전압(Vcc-VCH`)보다 작으면 상측 스위치(M1)의 양단 전압은 영 전압 이상의 전압이기 때문이다.
비정상 스위칭 감시 장치(400`)는 앞서 설명한 비정상 스위칭 감시 장치(400)와 비교하여 비교기(410`)의 반전 단자(-)와 비반전 단자(+)에 입력되는 신호와 AND 게이트(420`)에 입력되는 신호만 다를 뿐 다른 구성은 동일하다. 비교기(410`)의 비반전 단자(+)의 전압이 반전 단자(-)의 전압 이하(같은 경우를 포함)일 때, 비교기(410`)는 로우 레벨의 충전 펄스(CP`)를 생성한다. 앞서 설명한 실시 예와 비교하여 중복되는 설명은 생략한다.
비교기(410`)의 반전 단자(-)는 다이오드(DB)의 애노드 전극 및 저항(RD`)의 일단에 연결되어 있고, 비반전 단자(+)는 저항(RD`)의 타단에 연결되어 있다. 따라서 저항(RD`)에 충전 전류(ID`)가 흐르면 전압 강하에 의해 반전 단자(-)의 전압이 비반전 단자(+)의 전압보다 낮아져 하이 레벨의 충전 펄스(CP`)가 출력된다. 이와 달리 저항(RD`)에 충전 전류(ID`)가 흐르지 않으면, 저항(RD`)에서 전압 강하가 없으므로, 비교기(410`)의 비반전 단자(+)와 반전 단자(-)의 전압은 동일하다. 그러면 비교기(410`)는 로우 레벨의 신호를 출력한다. AND 게이트(420`)는 상측 게이트 신호(VG1)와 충전 펄스(CP`)가 모두 하이 레벨인 구간에서 이상 영전압 스위칭을 알리는 이상 감지 신호(NZS`)를 생성한다. 즉, 비정상 스위치 감시 장치(400`)는 충전 전류(ID`)가 흐르는 기간에서 상측 스위치(M1)가 턴 온되면, 이상 영전압 스 위칭으로 판단한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비정상 스위칭 감시 장치(400`)가 영전압 스위칭 실패를 감지하여 하이 레벨 펄스를 가지는 이상 감지 신호(NZS`)를 생성한 경우를 나타낸 도면이다. 앞선 실시 예와의 구별을 위해, 부트스트랩 커패시터(CH`)에 충전된 전압(VCH`)을 "VCH3"로, 부트스트랩 커패시터(CH`)의 타단의 전압(VCTR`)은 "VCTR3"로, 충전 전류(ID`)는 "ID3"로 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 시점 T21에, 상측 게이트 신호(VG1)가 하이 레벨이 되면, 상측 스위치(M1)가 턴 온된다. 시점 T22에, 전압(VCTR3)이 전원 전압(Vcc)에서 부트스트랩 커패시터(CH`)의 전압(VCH3)을 뺀 전압(Vcc-VCH3)에 도달한 후 그보다 커지면, 전압(HV`)이 전원 전압(Vcc)보다 커진다. 그러면 시점 T22 이후에는, 다이오드(DB`)가 차단되어 다이오드(DB`)에 충전 전류(ID3)는 시점 T22까지 흐른다. 따라서 충전 펄스(CP`)는 시점 T22까지 발생한다. 기간 T21-T22 동안 충전 펄스(CP`) 및 상측 게이트 신호(VG1)가 모두 하이 레벨이므로, AND 게이트(420`)는 하이 레벨의 이상 감지 신호(NZS`)를 생성한다. 즉, 이는 이상 영전압 스위칭을 의미한다.
이와 같이, 상측 게이트 신호(VG1) 및 충전 전류(ID`)를 이용하여 영전압 스위칭 실패 여부를 알 수 있다.
지금까지 저항(RD, RD`)을 사용하여 부트스트랩 커패시터로 전류가 흐르는 것을 감지하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 전류를 감지할 수 있는 다른 소자를 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 비정상 스위칭 감시 장치가 적용된 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 영전압 스위칭이 이루어지는 경우 컨버터 및 스위치 제어부에 발생하는 신호를 나타낸 도면이다.
도 3은 이상 영전압 스위칭인 경우 컨버터 및 스위치 제어부에 발생하는 신호를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상측 스위치 비정상 스위칭 감시 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비정상 스위칭 감시 장치가 이상 영전압 스위칭을 감지하여 하이 레벨 펄스를 가지는 이상 감지 신호를 생성한 경우를 나타낸 도면이다.

Claims (18)

  1. 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있는 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭(non-zero voltage switching)을 감시하는 비정상 스위칭 감시 장치에 있어서,
    상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 전원 공급부를 포함하고,
    상기 전원 공급부에 전류가 흐르기 시작하는 시점 및 상기 하측 스위치가 턴온 되는 시점을 비교하여 상기 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 게이트 구동부에 연결되어 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터,
    상기 부트스트랩 커패시터로 전류가 흐르게 하는 다이오드, 및
    일단에 전원 전압이 인가되고, 상기 다이오드에 타단이 연결되어 있는 전류감지 소자를 포함하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 감지 소자는 저항인 비정상 스위칭 감시 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 부트스트랩 커패시터의 일단은 상기 다이오드의 캐소드 전극에 연결되어 있고, 상기 부트스트랩 커패시터의 타단은 상기 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있고,상기 다이오드의 애노드 전극은 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있는 비정상 스위칭 감시 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전류 감지 소자 양단 각각의 전압을 비교하고, 그 비교 결과와 상기 하측 스위치를 제어하는 하측 게이트 신호를 논리 연산하여 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전원 전압이 입력되는 반전 단자 및 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있는 비반전 단자를 포함하는 비교기, 및
    상기 비교기의 출력단에 연결되어 있고, 상기 하측 게이트 신호가 입력되는 AND 게이트를 더 포함하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    충전 전류가 흐르기 시작하는 시점이 상기 하측 스위치가 턴 온되는 시 점보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  8. 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭(non-zero voltage switching)을 감시하는 비정상 스위칭 감시 장치에 있어서,
    상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 전원 공급부를 포함하고,
    상기 전원 공급부에 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점 및 상기 상측 스위치가 턴온 되는 시점을 비교하여 상기 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 게이트 구동부에 연결되어 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터,
    상기 부트스트랩 커패시터로 전류가 흐르게 하는 다이오드, 및
    일단에 전원 전압이 인가되고, 상기 다이오드에 타단이 연결되어 있는 전류감지 소자를 포함하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 감지 소자는 저항인 비정상 스위칭 감시 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 부트스트랩 커패시터의 일단은 상기 다이오드의 캐소드 전극에 연결되어 있고, 상기 부트스트랩 커패시터의 타단은 상기 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있고, 상기 다이오드의 애노드 전극은 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있는 비정상 스위칭 감시 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전류 감지 소자 양단 각각의 전압을 비교하고, 그 비교 결과와 상기 상측 스위치를 제어하는 상측 게이트 신호를 논리 연산하여 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전원 전압이 입력되는 비반전 단자 및 상기 전류 감지 소자의 타단에 연결되어 있는 반전 단자를 포함하는 비교기, 및
    상기 비교기의 출력단에 연결되어 있고, 상기 상측 게이트 신호가 입력되는 AND 게이트를 더 포함하는 비정상 스위칭 감시 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점이 상기 상측 스위치가 턴 온 되는 시점보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단하는 비정상 스위칭 감시 장 치.
  15. 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 제2 전극에 연결되어 있는 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭을 감시하는 비정상 스위칭 감시 방법에 있어서,
    상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터를 충전 시키는 충전 전류 흐름을 감지하는 단계;
    상기 하측 스위치가 턴 온되는 시점 및상기 충전 전류가 흐르기 시작하는 시점을 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계를 포함하는 비정상 스위칭 감시 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계는,
    상기 충전 전류가 흐르기 시작하는 시점이 상기 하측 스위치 턴 온 시점 보다 늦으면 이상 영전압 스위칭으로 판단하는 비정상 스위칭 감시 방법.
  17. 입력 전압이 입력되는 제1 전극을 포함하는 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭을 감시하는 비정상 스위칭 감시 방법에 있어서,
    상기 상측 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 구동부에 동작 전류를 공급하는 부트스트랩 커패시터를 충전 시키는 충전 전류 흐름을 감지하는 단계;
    상기 상측 스위치가 턴 온되는 시점과 상기 충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점을 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계를 포함하는 비정상 스위칭 감시 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상측 스위치의 이상 영전압 스위칭 여부를 판단하는 단계는,
    상기 충전 전류가 흐르지 않기 시작하는 시점이 상기 상측 스위치 턴 온 시점 보다 늦으면, 이상 영전압 스위칭으로 판단하는 단계를 더 포함하는 비정상 스위칭 감시 방법.
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