KR101862792B1 - Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 - Google Patents
Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101862792B1 KR101862792B1 KR1020160095166A KR20160095166A KR101862792B1 KR 101862792 B1 KR101862792 B1 KR 101862792B1 KR 1020160095166 A KR1020160095166 A KR 1020160095166A KR 20160095166 A KR20160095166 A KR 20160095166A KR 101862792 B1 KR101862792 B1 KR 101862792B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- oxide semiconductor
- switching unit
- module
- speed
- switching device
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 229910004541 SiN Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 3
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 claims description 3
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
- H01L29/87—Thyristor diodes, e.g. Shockley diodes, break-over diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
- H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
- H01L27/10—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration
- H01L27/102—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration including bipolar components
- H01L27/1027—Thyristors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 산화물 반도체를 이용한 전력 스위칭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 전류 밀도와 스위칭 속도를 가지는 ⅤＯ２ 산화물 반도체가 원활하게 전력 스위칭 동작을 하도록 일정온도로 냉각시키는 냉각모듈이 구비된 ⅤＯ２ 산화물 반도체 소자를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 기판과, 상기 기판의 상부에 형성되어 레이저에 의해 금속에서 절연체로 상전이 되어 전력을 스위칭하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 일측에 연결되는 소스와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 타측에 연결되고 상기 소스와 대향되게 이격되는 드레인으로 이루어진 스위칭단위모듈; 상기 스위칭단위모듈의 일측에 구비되어 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체에 상기 레이저를 조사하여 금속에서 절연체로 상전이 되도록 하는 광게이팅모듈; 및 상기 기판의 하부에 구비된 방열판과, 상기 방열판의 일측에 구비되어 상기 스위칭단위모듈의 온도를 일정하게 유지시켜 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 상전이가 상기 레이저에 의해서 일어나도록 하는 냉각수단으로 이루어진 냉각모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치를 기술적 요지로 한다.
이러한 본 발명은 기판과, 상기 기판의 상부에 형성되어 레이저에 의해 금속에서 절연체로 상전이 되어 전력을 스위칭하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 일측에 연결되는 소스와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 타측에 연결되고 상기 소스와 대향되게 이격되는 드레인으로 이루어진 스위칭단위모듈; 상기 스위칭단위모듈의 일측에 구비되어 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체에 상기 레이저를 조사하여 금속에서 절연체로 상전이 되도록 하는 광게이팅모듈; 및 상기 기판의 하부에 구비된 방열판과, 상기 방열판의 일측에 구비되어 상기 스위칭단위모듈의 온도를 일정하게 유지시켜 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 상전이가 상기 레이저에 의해서 일어나도록 하는 냉각수단으로 이루어진 냉각모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치를 기술적 요지로 한다.
Description
본 발명은 산화물 반도체를 이용한 전력 스위칭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 전류 밀도와 스위칭 속도를 가지는 ⅤＯ２ 산화물 반도체가 원활하게 전력 스위칭 동작을 하도록 일정온도로 냉각시키는 냉각모듈이 구비된 ⅤＯ２ 산화물 반도체 소자를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력 스위칭 소자는 전력 공급을 제어하는 반도체 소자로서, SCR 사이리스터(Thyristor), GTO 사이리스터, 다이액(Diac), 트라이액(Triac), IGBT 등과 같이 게이트에 의해 온/오프 스위칭 제어가 가능한 것이다.
이러한 전력 스위칭 장치 중에서 전기적 게이팅 방식으로 전력을 제어하는 전기적 게이팅 전력 스위칭 소자는 모니터링(monitoring)과 트리거링(triggering) 등과 같은 기능을 위해 부가 회로와 보조전원 등이 추가되어야 하므로 오작동의 발생 가능성이 항상 존재하는 단점이 있다.
이와 달리 광 게이팅 방식으로 전력을 제어하는 광 트리거링 전력 스위칭 소자는 재료적 절연성으로 인해 상기와 같은 부가 회로가 별도로 필요하지 않고 이로 인한 단락사고 등도 원천적으로 제거되는 이점이 있다.
이러한 고속 대전력 광 트리거링 전력 스위칭 소자는 전력공급 및 전력변환 장치에 사용되어 온/오프 스위칭 동작을 통해 전력을 제어하여 에너지소비 효율을 높이게 된다.
한편, 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 소자는 현재 실리콘 반도체를 기반으로 하는 것이 대부분인데, 이는 온/오프 스위칭 속도가 다소 느리고 브레이크 오버 전압도 다소 낮으며 전류밀도 용량도 다소 작은 단점이 있다.
상기 단점을 해소하기 위해 온/오프 스위칭 속도와 브레이크 오버 전압 및 전류밀도 용량이 상대적으로 개선된 갈륨비소(GaAs) 등의 산화물 반도체를 이용하는 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 소자가 개발되고 있다.
그러나 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 소자는 갈륨비소 등의 산화물 반도체의 저항값이 상대적으로 높아 광 게이팅 방식으로 전력을 온/오프 스위칭할 때 많은 열이 발생하고 이로 인해 동작 안전성과 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
그리고 광 게이팅 방식을 위해서는 각 전력 스위칭 소자마다 산화물 반도체에 레이저를 조사하는 고출력의 광게이트장치가 구비되어야 하므로 단가가 높고 유지보수도 어려우며 에너지소비도 많은 문제점이 있다.
따라서 동작 안전성과 신뢰성이 보장하고 단가를 낮추며 유지보수도 용이하며 에너지소비도 절감할 수 있는 구조를 가진 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 소자에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 동작 안전성과 신뢰성을 보장하고 제조단가 및 유지보수비용이 절감되며 유지보수가 용이하고 에너지소비도 줄일 수 있는 패키지 구조를 가진 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치는 기판과, 상기 기판의 상부에 형성되어 레이저에 의해 금속에서 절연체로 상전이 되어 전력을 스위칭하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 일측에 연결되는 소스와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 타측에 연결되고 상기 소스와 대향되게 이격되는 드레인으로 이루어진 스위칭단위모듈; 상기 스위칭단위모듈의 일측에 구비되어 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체에 상기 레이저를 조사하여 금속에서 절연체로 상전이 되도록 하는 광게이팅모듈; 및 상기 기판의 하부에 구비된 방열판과, 상기 방열판의 일측에 구비되어 상기 스위칭단위모듈의 온도를 일정하게 유지시켜 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 상전이가 상기 레이저에 의해서 일어나도록 하는 냉각수단으로 이루어진 냉각모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭단위모듈에는 상기 기판에 설치되어 온도센서를 통해 상기 스위칭단위모듈의 온도를 감지하여 상기 냉각모듈의 작동을 제어하는 온도감지회로가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭단위모듈에는 배리스터를 통해 서지를 차단하는 서지보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 광게이팅모듈은 펄스형 레이저를 광원으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수단은 냉각팬 구조와 냉각수 순환 구조 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭단위모듈은 복수 개로 구성되어 상기 레이저가 일측에서 타측으로 통과하는 연결포트의 내부에 일정간격으로 이격되게 형성된 복수 개의 슬롯에 각각 삽입되어 상호 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 연결포트는 복수 개로 구성되어 상하 및 좌우로 배치되고 각각의 내부에 삽입된 상기 스위칭단위모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 c-plane 사파이어, Si, SiO2, SiN, TiO2, MgO2, TiO2, NiO2, GaN, GaAs, GaP, ZnO, Glass, Quartz 중 하나를 포함하는 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체는 2차원 박막, 1차원 나노라드, 나노와이어, 마이크로라드, 마이크로와이어 중 하나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기판에는 상기 레이저가 통과하는 레이저통과공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.
우선, 스위칭단위모듈의 스위칭소자로 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 사용함에 따라 우수한 전류 밀도와 스위칭 속도를 발휘할 수 있다.
그리고 스위칭단위모듈을 일정온도로 냉각시키는 냉각모듈이 구비됨에 따라 광게이팅모듈에서 조사되는 레이저에 의한 스위칭단위모듈의 전력 스위칭 동작이 원활하게 이루어지도록 보장할 수 있다.
또한, 광게이팅모듈에서 펄스형 레이저가 조사됨에 따라 광 게이팅의 범위 및 유연성을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 복수 개의 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 동시에 광 게이팅할 수 있다.
한편, 스위칭단위모듈은 연결포트를 통해 복수 개가 직렬 또는 병렬로 연결됨에 따라 스위칭단위모듈의 항복 전압 혹은 통전 전류를 사용조건에 맞게 용이하게 가변할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 구조를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에서 펄스형 레이저에 의한 스위칭단위모듈의 전력 스위칭 동작을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 스위칭 동작 성능을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에서 냉각모듈이 제거된 상태의 스위칭 동작 성능을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 유닛 형태의 구조를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 유닛 형태의 구조를 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 스위칭단위모듈의 직렬 연결 상태를 도시한 배치도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 스위칭단위모듈의 병렬 연결 상태를 도시한 배치도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에서 펄스형 레이저에 의한 스위칭단위모듈의 전력 스위칭 동작을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 스위칭 동작 성능을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에서 냉각모듈이 제거된 상태의 스위칭 동작 성능을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 유닛 형태의 구조를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 유닛 형태의 구조를 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 스위칭단위모듈의 직렬 연결 상태를 도시한 배치도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 스위칭단위모듈의 병렬 연결 상태를 도시한 배치도.
본 발명은 외부에서 조사되는 레이저에 의해 전력에 대한 온/오프 스위칭 동작을 행하는 광 게이팅 방식으로 전력을 제어하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치는 우수한 전류 밀도와 스위칭 속도를 가지고 동작 안정성과 신뢰성을 보장하고 대용량 및 저비용화가 가능한 것이 특징이다.
이러한 본 발명에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치의 특징은, 광 게이팅 방식으로 금속에서 절연체로 상전이 되면서 전력 스위칭 동작을 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체가 적용된 스위칭단위모듈과, 스위칭단위모듈에 펄스형 레이저를 조사하여 전력 스위칭 동작을 제어하는 광게이팅모듈과, 스위칭단위모듈을 일정온도로 냉각시켜 ⅤＯ２ 산화물 반도체에서 발생하는 열에 의한 오동작을 방지하는 냉각모듈을 포함하는 구조에 의해 달성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치(100)를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 크게 스위칭단위모듈(10)과 광게이팅모듈(20) 및 냉각모듈(30)로 구성된다.
먼저, 상기 스위칭단위모듈(10)은 기판(11)과 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)와 소스(13) 과 드레인(14) 및 입출력단자(15)로 구성된다.
상기 기판(11)은 c-plane 사파이어, Si, SiO2, SiN, TiO2, MgO2, TiO2, NiO2, GaN, GaAs, GaP, ZnO, Glass, Quartz 중 하나를 포함하는 재질로 구성되고, 후술할 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)가 형성되는 부분에 후술할 광게이팅모듈(20)이 조사하는 레이저가 통과되도록 레이저통과공(11a)이 형성된다.
상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)는 기판(11)의 상부에 형성되어 후술할 광게이팅모듈(20)에서 조사되는 레이저가 투과되면서 금속에서 절연체로 상전이 되어 후술할 소스(13)에서 입력되는 전류 및 전압을 스위칭한다.
이때 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)는 금속-절연체 상전이 특성을 통해 수백 μA/cm2 단위의 높은 전류밀도 용량을 가지고 수에서 수십 V 단위의 높은 브레이크 오버 전압도 가지며 수십 ㎱ 단위의 고속 스위칭이 가능하다.
그리고 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)는 2차원 박막, 1차원 나노라드, 나노와이어, 마이크로라드, 마이크로와이어 중 하나의 형태로 구성될 수 있다.
또한, ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)가 2차원 박막 형태로 구성될 경우 졸-겔 공법(sol-gel method), 열수 공법(hydrothermal method), 스퍼터링 공법(sputtering method), PLD 공법(Pulsed Laser Deposition), MOCVD 공법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 등에 의해 고품질 단결정 구조를 가진다.
상기 소스(13)는 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)의 일측에 연장되게 연결되어 전류 및 전압이 인가된다. 상기 드레인(14)은 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)의 타측에 연장되게 연결되고 소스(13)와는 소정간격 이격되고 대향되게 배치되어 그라운드와 연결된다.
한편, 스위칭단위모듈(10)에는 서지보호회로(surge protection circuit)가 더 포함된다. 상기 서지보호회로는 스위칭단위모듈(10)의 입력단자 측에 연결되어 배리스터(varistor)를 통해 전류나 전압이 순간적으로 증가하는 펄스로부터 스위칭단위모듈(10)을 보호한다.
다음으로, 상기 광게이팅모듈(20)은 스위칭단위모듈(10)의 일측에 구비되어 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)가 광 게이팅 방식의 고속 스위칭 동작이 가능하도록 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)를 향해 레이저를 조사한다.
단, 광게이팅모듈(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 펄스형 레이저가 조사한다. 즉, 광게이팅모듈(20)은 펄스형 레이저를 광원으로 사용하고 광섬유 집광기를 집광수단으로 사용한다.
이때 펄스형 레이저는 펄스폭(pulse width)을 수 ns 이하로 압축 가능하여 고속 광 게이팅이 가능하고, 반복율(repetition rate)을 수십 ㎑ 단위까지 증가 가능하여 광 게이팅의 범위 및 유연성이 증대되며, 피크 세기(peak power)가 수백 단위로 출력 가능하여 광 파워 분배기(optical power splitter)를 통해 복수 개의 스위칭단위모듈(10)을 동시에 광 게이팅하여 대전류 광 게이팅이 가능하다.
마지막으로, 상기 냉각모듈(30)은 스위칭단위모듈(10)의 일측에 구비되어 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)의 상전이가 광게이팅모듈(20)에서 조사되는 레이저에 의해서 일어나도록 스위칭단위모듈(10)을 일정온도로 냉각한다.
이때 냉각모듈(30)은 기판(11)의 하부에 구비된 방열판(31)과, 방열판(31)의 일측에 구비되어 방열판(31)을 통해 냉기를 전달하여 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)를 냉각시키는 냉각수단으로 구성된다.
따라서 냉각모듈(30)에 의해 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)의 온도가 기 설정된 온도범위 내에서 유지되면서 도 3에 도시된 바와 같이 광게이팅모듈(20)의 레이저에 의한 스위칭단위모듈(10)의 전력 스위칭 동작이 원활하게 이루어지게 된다.
이와 달리 냉각모듈(30)이 제거된 상태에서는 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)의 온도가 시간이 갈수록 점점 상승하면서 도 4에 도시된 바와 같이 광게이팅모듈(20)의 레이저에 의한 스위칭단위모듈(10)의 전력 스위칭 동작이 제대로 이루어지지 않게 된다.
단, 냉각수단은 냉각팬(32)을 통해 공기를 압송하여 냉각시키는 구조로 구성되거나 혹은 냉각수를 강제로 순환 공급하여 냉각시키는 구조로 구성될 수 있다.
여기서 도 1에 도시된 바와 같이 스위칭단위모듈(10)에는 온도를 감지하는 온도센서(16)가 더 포함된다.
이때 온도센서(16)는 기판(11)의 일측에 부착되어 스위칭단위모듈(10)의 온도를 실시간으로 감지하여 외부에서 모니터링 가능하게 하고, 감지된 온도에 따라 냉각모듈(30)의 작동을 제어하여 스위칭단위모듈(20)의 전력 스위칭 동작이 원활하게 이루어지게 한다.
한편, 스위칭단위모듈(10)은 복수 개가 직렬 또는 병렬로 연결한 집적형 유닛형태로 구성되어 대전력을 스위칭하는 것이 가능하다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 스위칭단위모듈(10)을 연결단자(42) 사이에 직렬로 연결하여 직렬 집적형 유닛 형태로 구성할 수 있다. 이때 스위칭단위모듈(10)을 직렬로 연결하면 항복전압(breakover voltage)을 증대시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 복수 개의 스위칭단위모듈(10)을 연결단자(42) 사이에 병렬로 연결하여 병렬 집적형 유닛 형태로 구성할 수 있다. 이때 스위칭단위모듈(10)을 병렬로 연결하면 통전전류(on-stage current)를 증대시킬 수 있다.
따라서 스위칭단위모듈(10)의 연결 개수 및 형태에 따라 항복전압과 통전전류 용량을 가변할 수 있는 집적형 유닛을 제공할 수 있다.
단, 상기와 같이 복수 개의 스위칭단위모듈(10)을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위해서는 연결포트(40)가 더 포함된다.
이때 연결포트(40)는 도 7에 도시된 바와 같이 스위칭단위모듈(10)이 기립된 상태로 상호 일정간격으로 이격되게 삽입할 수 있는 보수 개의 슬롯(41)이 내측에 구비되고 연결단자(42)가 외측에 구비된다.
따라서 연결포트(40)의 각 슬롯(41)마다 스위칭단위모듈(10)을 기립한 상태로 삽입하면 연결단자(40)의 연결 구조에 따라 스위칭단위모듈(10)이 직렬 또는 병렬로 연결되면서 직렬 또는 병렬의 집적형 유닛의 형태를 갖게 된다.
단, 연결포트(40)에는 스위칭단위모듈(10)의 ⅤＯ２ 산화물 반도체(12)에 광게이팅모듈(20)의 레이저가 조사될 수 있도록 일측에서 타측으로 관통한 레이저통과공(43)이 구비된다.
따라서 하나의 광게이팅모듈(20)을 통해 연결포트(40)의 각 슬롯(41)에 삽입된 스위칭단위모듈(10) 모두에 대한 전력 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
한편, 연결포트(40)는 도 8에 도시된 바와 같이 복수 개가 상하 및 좌우로 직렬 또는 병렬로 연결되어 더욱 높은 대전력을 스위칭할 수 있는 집적형 유닛형태로도 구성될 수 있다.
단, 이때는 연결포트(40)의 가로 라인마다 광게이팅모듈(20)이 별도로 설치된 것으로 도시하였으나, 광 파워 분배기나 레이저 전용의 반사거울 등을 이용하면 하나의 광게이팅모듈(20)을 통해 모든 스위칭단위모듈(10)의 전력 스위칭 동작이 제어 가능하다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
10: 스위칭단위모듈
11: 기판
11a: 레이저통과공
12: ⅤＯ２ 산화물 반도체
13: 소스
14: 드레인
15: 입출력단자
16: 온도센서
20: 광게이팅모듈
30: 냉각모듈
31: 방열판
32: 냉각팬
40: 연결포트
41: 삽입슬롯
42: 연결단자
43: 레이저통과공
11: 기판
11a: 레이저통과공
12: ⅤＯ２ 산화물 반도체
13: 소스
14: 드레인
15: 입출력단자
16: 온도센서
20: 광게이팅모듈
30: 냉각모듈
31: 방열판
32: 냉각팬
40: 연결포트
41: 삽입슬롯
42: 연결단자
43: 레이저통과공
Claims (10)
- 기판과, 상기 기판의 상부에 형성되어 레이저에 의해 금속에서 절연체로 상전이 되어 전력을 스위칭하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 일측에 연결되는 소스와, 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 타측에 연결되고 상기 소스와 대향되게 이격되는 드레인으로 이루어진 스위칭단위모듈;
상기 스위칭단위모듈의 일측에 구비되어 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체에 상기 레이저를 조사하여 금속에서 절연체로 상전이 되도록 하는 광게이팅모듈; 및
상기 기판의 하부에 구비된 방열판과, 상기 방열판의 일측에 구비되어 상기 스위칭단위모듈의 온도를 일정하게 유지시켜 상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체의 상전이가 상기 레이저에 의해서 일어나도록 하는 냉각수단으로 이루어진 냉각모듈;을 포함하여 구성되며,
상기 스위칭단위모듈은, 복수 개로 구성되어 상기 레이저가 일측에서 타측으로 통과하는 연결포트의 내부에 일정간격으로 이격되게 구비된 복수 개의 슬롯에 각각 삽입되어 상호 직렬 또는 병렬로 연결되고,
상기 연결포트는, 복수 개로 구성되어 상하 및 좌우로 배치되고 각각의 내부에 삽입된 상기 스위칭단위모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스위칭단위모듈에는
상기 기판에 설치되어 온도센서를 통해 상기 스위칭단위모듈의 온도를 감지하여 상기 냉각모듈의 작동을 제어하는 온도감지회로가 포함되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스위칭단위모듈에는
배리스터를 통해 서지를 차단하는 서지보호회로가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광게이팅모듈은
펄스형 레이저를 광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 제1항에 있어서,
상기 냉각수단은
냉각팬 구조와 냉각수 순환 구조 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기판은
c-plane 사파이어, Si, SiO2, SiN, TiO2, MgO2, TiO2, NiO2, GaN, GaAs, GaP, ZnO, Glass, Quartz 중 하나를 포함하는 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 제1항에 있어서,
상기 ⅤＯ２ 산화물 반도체는
2차원 박막, 1차원 나노라드, 나노와이어, 마이크로라드, 마이크로와이어 중 하나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치. - 제1항에 있어서,
상기 기판에는
상기 레이저가 통과하는 레이저통과공이 형성되는 것을 특징으로 하는 ⅤＯ２ 산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160095166A KR101862792B1 (ko) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 |
| PCT/KR2016/008268 WO2018021594A1 (ko) | 2016-07-27 | 2016-07-28 | Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160095166A KR101862792B1 (ko) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180012409A KR20180012409A (ko) | 2018-02-06 |
| KR101862792B1 true KR101862792B1 (ko) | 2018-05-31 |
Family
ID=61017086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160095166A KR101862792B1 (ko) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101862792B1 (ko) |
| WO (1) | WO2018021594A1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102560255B1 (ko) * | 2022-02-28 | 2023-07-28 | 연세대학교 산학협력단 | 고속 스위치 회로 |
| KR20240070999A (ko) * | 2022-11-15 | 2024-05-22 | 전북대학교산학협력단 | 급속충전 전원장치용 전력반도체 방열판 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100708307B1 (ko) * | 2005-12-05 | 2007-04-17 | 한국전기연구원 | 전력반도체 소자의 온도 모니터링 시스템 및 그 방법 |
| KR100937871B1 (ko) * | 2007-08-09 | 2010-01-21 | 한국전자통신연구원 | Ｍｉｔ 소자를 포함한 광 유도 스위칭 장치 |
| US20130207069A1 (en) * | 2010-10-21 | 2013-08-15 | Matthew D. Pickett | Metal-insulator transition switching devices |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0836952A (ja) * | 1994-07-26 | 1996-02-06 | Toshiba Fa Syst Eng Kk | レーザトリガー式ギャップスイッチ装置 |
| KR100927598B1 (ko) * | 2007-10-05 | 2009-11-23 | 한국전자통신연구원 | 광 게이팅 스위치 시스템 |
-
2016
- 2016-07-27 KR KR1020160095166A patent/KR101862792B1/ko active IP Right Grant
- 2016-07-28 WO PCT/KR2016/008268 patent/WO2018021594A1/ko active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100708307B1 (ko) * | 2005-12-05 | 2007-04-17 | 한국전기연구원 | 전력반도체 소자의 온도 모니터링 시스템 및 그 방법 |
| KR100937871B1 (ko) * | 2007-08-09 | 2010-01-21 | 한국전자통신연구원 | Ｍｉｔ 소자를 포함한 광 유도 스위칭 장치 |
| US20130207069A1 (en) * | 2010-10-21 | 2013-08-15 | Matthew D. Pickett | Metal-insulator transition switching devices |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180012409A (ko) | 2018-02-06 |
| WO2018021594A1 (ko) | 2018-02-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5757599A (en) | Protection arrangement for a switching device | |
| US9531187B2 (en) | Overvoltage protection device | |
| KR101862792B1 (ko) | Ⅴｏ₂산화물 반도체를 이용한 고속 대전류 광 트리거링 전력 스위칭 장치 | |
| US9520511B2 (en) | Apparatus and method for optically initiating collapse of a reverse biased P-type-N-type junction to cause a semiconductor switch to transition from a current blocking mode to a current conduction mode | |
| US10243356B2 (en) | Overvoltage protection device | |
| Levinshtein et al. | Optical switch-on of silicon carbide thyristor | |
| US6218682B1 (en) | Optically controlled thyristor | |
| JP2019012830A (ja) | 能動放電回路を備えた電気回路装置 | |
| JP3600802B2 (ja) | 限流装置 | |
| Boudreaux et al. | A comparison of MOSFETs, IGBTs, and MCTs for solid state circuit breakers | |
| Ruff et al. | Progress in the development of an 8-kV light-triggered thyristor with integrated protection functions | |
| US11522542B2 (en) | Wide bandgap optical switch circuit breaker | |
| KR20080083333A (ko) | 전기 서지 보호기능을 제공하는 탑재 구조물 | |
| Temple et al. | High-power dual amplifying gate light triggered thyristors | |
| US8461620B2 (en) | Laser pumping of thyristors for fast high current rise-times | |
| Kim et al. | Laser-Regulated 60 mA Current Switching in VO2-Based Two-Terminal Device Using 976 nm Laser Diode | |
| US4187513A (en) | Solid state current limiter | |
| Rahimo | Power Semiconductors for Power Electronics Applications | |
| Schrock et al. | High-Gain Persistent Nonlinear Conductivity in High-Voltage Gallium Nitride Photoconductive Switches. | |
| Prigmore et al. | An IGCT-based electronic circuit breaker design for a 12.47 kV distribution system | |
| Grekhov et al. | High-voltage field-controlled integrated thyristor | |
| US11996840B1 (en) | Light controlled switch module | |
| Zhao et al. | A high performance optically gated heterostructure thyristor passivated with LT-GaAs | |
| Sharma | Power electronics | |
| Rizk et al. | Bipolar AC switch for specific mains applications: Design, realization, and characterization |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |