KR20030016241A - Ｄｉ/ｄｔ 서보 파워 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 칩에 배치된 수직형 파워 스위치에 관한 것으로, 상기 반도체 칩의 적어도 한 표면의 주변부에 위치된 권선(30)을 포함한다. 이 권선은 상기 스위치에서의 전류 변화에 비례하는 신호를 공급하는 두개의 바인딩 포스트(31, 32)를 구비한다.

Description

ＤＩ/ＤＴ 서보 파워 스위치{DI/DT SERVO POWER SWITCHES}

도 1은 그러한 스위칭 회로를 개략적으로 보인 것이다. 부하(1)가 AC 전압 또는 정류된 AC 전압의 단자 A와 B 사이에서 파워 스위치(SW)와 직렬로 배열된다. 스위치(SW)는 비록 주어진 예들에서 주회로에 연결된 부하들을 스위칭하도록 된 매체-파워 스위치이지만은 파워 스위치라고 언급하기로 한다. 스위치(SW)는 단자(3)를 통해 주기적으로 또는 주기적이지 않게 제어 명령을 수신하는 제어 회로(2)에 의해 제어된다. 이 제어회로는 예컨대 이른바 위상 각도 제어에 대응하는 단자 A와 B 양단의 AC 전압의 절반파(halfwave) 동안에만 스위치를 턴온시키도록 되어있다. 따라서, 스위치가 턴온하면, 부하에서 강한 전류 서지(current surge)가 발생한다. 다시 말해서, 시간(di/dt)동안의 전류 변화가 갑자기 발생하여 스위치가 턴온 될때마다 강한 피크들이 나타나게 된다.

이들 전류 피크는 단자 A 및 B에 의해 AC 공급 네트워크로 다시 전송되어 이네트워크 및 이 네트워크에 연결된 다른 회로들을 교란시키게 된다.

통상적으로, 이들 교란을 감쇄시키기위해 스위칭 회로와 직렬로 비교적 높은 값의 인덕턴스(L)가 제공되는데, 이는 비용이 많이 들며, 비교적 큰 치수의 별개의 구성 부품으로서 회로 설계를 복잡하게 한다.

미국 특허번호 제 6,127,746호는 전류 피크를 검출하고, 이들 전류 피크를 제거하기위해 MOS 트랜지스터를 제어하는 비교적 복잡한 회로를 개시하고 있다.

일본 특허출원번호 제 07/131316호는 MOS 트랜지스터의 출력 패드에서의 과도전류를 검출하는 것에 대해 개시하고 있는바, 이 패드를 권선으로 에워싸므로서 이 트랜지스터를 내포하는 반도체 칩의 표면 영역이 크게 증가된다.

본 발명은 양방향 스위치에 의해 AC 네트워크에 연결되거나 또는 단방향 스위치에 의해 정류 브리지로 정류되는 AC 네트워크에 연결되는 부하의 스위칭에 관한 것이다. 예를들면, 본 발명은 예컨대 진공 청소기 모터, 온도-조정 히터 회로, 다이머 조명 회로 등의 매체-파워 부하들의 제어에서 응용된다.

본 발명의 상기 목적, 구성 및 장점들이 첨부도면을 참조로한 다음의 비 제한적인 특정 실시예에 대한 상세한 설명에서 구체적으로 설명될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 부하의 스위칭 회로의 개략도이다.

도 2는 전류 변화 검출기와 관련된 부하 스위칭 회로의 개략도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 스위치에 대한 한 예의 부분 단면도이다.

도 3b는 본 발명에 따른 스위치에 대한 한 예의 개략 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 부하에서의 전류 스위칭을 위한 회로도이다.

상기 여러 도면에서, 동일 소자들은 동일 부호로 나타냈다. 또한, 반도체 소자의 단면도 및 정면도는 실제 척도로 도시하지 않았다.

따라서, 본 발명은 고가의 인덕턴스와 같은 추가의 소자를 필요로 하지 않고, 복잡한 회로를 제공하지 않으며, 반도체 칩의 표면 영역을 증대시킴이 없이, 노이즈가 전원 및 이 전원에 연결된 소자들에 다시 전송되는 문제를 해결하는데 목적을 두고 있다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 본 발명은 반도체 칩에 형성되며, 상기 칩의 적어도 한 표면의 주변에 형성되는 권선을 포함하는 수직형의 파워 스위치를 제공하는바, 상기 권선은 상기 스위치에서의 전류 변화들에 비례하는 신호를 제공하는 두개의 연결 단자를 포함하고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스위치는 반도체 칩에 또는 그 위에 배열된 저항을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스위치는 바이폴라 트랜지스터, MOS 트랜지스터 또는 게이트 절연 바이폴라 트랜지스터 형으로 되어있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스위치는 상기 권선 양단의 신호에 따라 상기 스위치의 제어 신호를 제어하는 회로와 관계한다.

본 발명은 간단한 방식으로 도 2에 도시한 타입의 회로를 형성하는데 목적을 두고 있다. 이 회로에서, 부하(1)가 스위치(SW)를 통해 AC 전원 단자 A 와 B사이에 연결된다. 스위치(SW)는 각각 절반파의 정해진 시간으로부터 턴온 신호(3)를 수신하는 제어회로(12)에 의해 제어된다. 닫힌 시간에 충전 회로의 전류 변화(di/dt)가 검출되고, 변화의 값(di/dt)에 링크되는 보정 신호가 제어회로(12)에 인가되는데,상기 값(di/dt)은 소정의 드레시홀드 값을 초과하지 않는다. 본 발명은 파워 스위치(SW)와 모노리식으로 전류 변화 검출회로를 형성한다.

본 발명의 일 실시예가 도 3a의 부분 단면도로 예시되어 있는데, 여기서 수직 파워 소자는 MOS 트랜지스터이다.

이 수직 MOS 트랜지스터는 그의 하부면에 드레인 금속부(D)가 덮인 높게 도핑된 N-형 층(22)을 포함하는 N-형 기판으로부터 형성된다. 상부면에는 P-형 우물들(23)이 형성된다. 각 우물에는 N-형 링(24)이 형성되는데, 이것의 주변부는 우물(23)의 주변부에 매우 밀접하게 연장된다. 이 우물의 주변부와 P-형 영역(24)의 바깥 주변부 사이의 우물(23)의 영역은 절연층(27)상에 형성된 게이트 금속부에 의해 덮힌다. 소오스 금속영역이 우물(23)과 링(24)의 중앙부와 연속되어 있다. 따라서, 게이트 전극(G)에 전압이 인가되지 않을 시, 이 전극은 오프된다. 전압이 게이트 전극(G)에 인가되면, 전류가 소오스 금속부(S)로부터 영역(24)을 통해 소오스 드레인 금속부(D)로, 우물(23)의 바깥 상부에 형성된 채널 영역으로, 그리고 기판(21)을 통해 수직으로 N⁺영역(22)으로 흐를 수 있게 된다.

소자 주변부에서 우물(23)보다 깊은 주변 P-형 영역(28)이 또한 도시되어있다. 영역(28) 또는 주변 영역에서 수직 MOS 트랜지스터의 브레이크다운이 발생되지 않게 하는 다른 주변 수단은 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으며, 많은 대안적인 실시예들을 가질 수 있다. 그러한 주변부는 필요하며, 소자의 손실된, 비 활성의 표면영역에 대응한다.

수직 MOS 트랜지스터가 예로서 도시되어 있다. 본 발명은 또한 그를통해 흐르는 전류가 이들의 제어 전극에 인가되는 전압에 링크되도록 다른 수직 파워 스위치들로 실시될수 도 있다. 그러한 소자의 예들로써 바이폴라 트랜지스터 또는 게이트 절연 트랜지스터(IGBT)가 있다.(주목할 사항으로, IGBT 트랜지스터의 구조는 층(22)이 기판과 동일한 도전형으로 높게 도핑하는 대신에 반대 극성의 도전형으로 높게 도핑된 점에서 도 3a에 개략적으로 보인 구조와 다르다. 그러한 다른 소자들은 또한 충분히 높은 브레이크다운 전압을 갖는 주변 영역을 포함한다.

본 발명에 따르면, 이 소자 주변부는 파워 소자 주위에 연속의 나선형으로 감긴 금속부(30)로 피복된다. 금속부(30)는 예컨대 실리콘 산화물로된 절연층(29)에 의해 기판(21)으로부터 절연된다.

금속부(30)는 도 3b의 평면도에서 더 잘 보이는데, 여기서 이 금속부는 패드(31)과 (32)사이에서 연장된다. 도 3b에 소오스 금속부(S)의 윤곽 및 게이트 접촉부(G)의 윤곽이 또한 점선으로 도시되어 있다.

이 소자가 수직 전류를 도통시킬때, 이 전류의 변화는 인덕턴스(30)의 단자(31, 32)의 양단에서 이 전류의 변화에 비례하는 신호를 발생한다. 주목할 사항으로, 이 신호는 만일 이 전류가 나선 평면에 존재하지 않는 경우 이 전류가 엄격하게 수직이 아니라 하더라도 검출 가능하다. 본 도면에는 4개의 나선형 권선이 도시되어 있다. 물론 이보다 적거나 많은 나선을 갖는 권선이 원하는 검출 드레시홀드 값에 따라 제공될 수 있다.

단자 (31)과 (32)사이의 신호를 검출하기위해서, 매우 높은 값을 갖는 저항이 예컨대 단자(31)와 단자(32)사이에 연결될 수 있다. 이 저항은 외부에 배열되거나 혹은 폴리실리콘 저항 형태로 또는 당업자에게 공지된 방식으로 반도체 칩(21)에 모놀리식으로 형성될 수 있다.

도 4는 회로에서 본 발명에 따른 소자의 이용을 예시하는 도면이다. 도 4에서, 이 소자는 도면부호 40으로 표시되었으며, 예컨대 모노리식으로 집적된 파워 트랜지스터(T), 권선(30) 및 저항(R)을 포함한다. 권선(30) 및 저항(R)의 단자 (32)는 접지된다. 단자(31)는 계수 K 배율기(41)를 통해 가산기(42)의 감산 입력에 연결되며, 이 가산기의 가산 입력은 단자(12)로부터 제어 신호를 수신한다. 따라서, 회로(12)의 입력(3)에 명령이 인가되면, 이 명령은 트랜지스터(T)를 턴온시킨다. 따라서, 회로에서 전류 변화가 발생하고, 신호(di/dt)가 중폭기(41)에 의해서 증폭/감쇄되고 트랜지스터(T)의 턴온 속도를 제한하기위한 제어 명령과 결합된다.

당업자이면 쉽게 알 수 있는 바와같이, 트랜지스터(T)의 제어 회로 또는 다른 제어 스위치가 다양한 변화, 수정 및 개량을 가져올 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 전원 네트워크에서 노이즈의 재 전송의 표준을 충족시키기 위해, 신호(di/dt)의 주파수에 따라 서로다른 보상을 수행하는 제어 회로가 제공될 수 도 있다.

또한, 상기 제어회로 및 신호(di/dt)를 처리하는 회로는 파워 소자를 포함하는 것과 같이 동일한 반도체 칩에 함께 집적될 수 있다. 소자 크기에 관해서도 당업자이면 다양한 변형을 꾀할 수 있을 것이다.

본 발명의 한 장점으로서, 권선(30)의 형성은 이 권선이 필수적이지만은 비활성인 영역에 대응하는 반도체 칩의 주변부 위에 배치되기 때문에 반도체 칩의 표면영역에서의 손실을 야기하지 않는다.

Claims (4)

1. 반도체 칩에 형성된 수직 파워 스위치로서

   상기 반도체 칩의 적어도 한 표면의 주변부에 형성된 권선(30)을 포함하며, 상기 권선은 상기 스위치에서의 전류변화에 비례하는 신호를 공급하는 두개의 연결 단자(31, 32)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 파워 스위치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반도체 칩에 또는 그 위에 배열되는 높은 값의 저항(R)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 파워 스위치.
3. 제 1항에 있어서,

   바이폴라 트랜지스터, MOS 트랜지스터 또는 게이트 절연 바이폴라 트랜지스터 형으로된 것을 특징으로하는 수직 파워 스위치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 권선 양단의 신호에 따라 상기 스위치의 제어 신호를 제어하는 회로(41, 42)와 관계하는 것을 특징으로 하는 수직 파워 스위치.