KR20240090355A - 노멀리-온 트랜지스터를 포함하는 전원 스위치 - Google Patents

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데이비드 사피로
슈무엘 벤-야콥
드미트리 노보
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비식 테크놀로지스 엘티디.
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Abstract

다음을 포함하는 전원 스위치(power switch): 캐스코드 노드에서 노멀리 ON 트랜지스터와 노멀리 OFF 트랜지스터가 직렬로 연결된 캐스코드; 상기 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트와 상기 캐스코드 및 상기 다이오드에 공통인 제1접이지 사이에 연결된 제1다이오드; 및 다음을 포함하는 컨트롤러: 상기 캐스코드 노드에 연결된 전원 공급 장치 출력(power supply output)을 갖는 컨트롤러 전원 공급 장치(controller power supply), 컨트롤러 전원 공급 장치 출력은 제1접지에 대해 플로팅(floating)인 제2접지에 대해 전압을 제공함; 및 상기 컨트롤러가 제2접지에 대해 제1전압을 생성하는 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트에 연결된 제1컨트롤러 출력.

Description

노멀리-온 트랜지스터를 포함하는 전원 스위치
본 발명의 실시예는 노멀리 ON(normally ON), 일반적으로 노멀리 OFF가 되도록 제어되는 공핍 모드 트랜지스터(depletion mode transistor)를 포함하는 전원 스위치에 관한 것이다.
컴퓨터에서 파워트레인에 이르기까지 거의 모든 유형의 최신 광학 및 전자 장치는 타이밍 펄스, 데이터 패킷을 생성하고 전력을 공급하기 위한 전력 스위칭 회로를 포함한다. 전기자동차에 동력을 전달하는 파워트레인과 같은 전기 파워트레인(powertrain)에 동력을 전달하기 위해서는 고전압 전원(electric power source)을 부하(load)에 연결 및 분리할 수 있도록 빠르게 ON/OFF할 수 있는 전원 스위치가 필요하다. III-V족 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT), 예를 들어 GaN(질화갈륨) 트랜지스터는 이러한 응용 분야에 특히 유리하다. 그룹 III-V HEMT는 높은 항복 전압(breakdown voltage), 높은 전류 밀도 및 낮은 ON 상태 저항(ON-state resistance)을 특징으로 하는 넓은 밴드 갭 트랜지스터이다. 그러나 그룹 III-V HEMT는 노멀리 ON, 공핍 모드 트랜지스터이다. 결과적으로 이러한 트랜지스터를 스위칭 소자로 사용하는 전원 스위칭 회로에서 컨트롤러는 트랜지스터의 ON/OFF 상태를 지속적으로 제어해야 하며 트랜지스터가 전원에 연결되어 있는 한 트랜지스터를 OFF로 유지해야 하며 전원에서 부하로 전원을 전환하기 위해 ON일 필요는 없다. 이러한 컨트롤이 없는 경우, 예를 들어 스위칭 회로가 컨트롤러에 연결되기 전에 전원에 연결되거나 컨트롤러가 작동 중에 오작동하는 경우, 전원 스위치, 부하 및/또는 전원을 손상시키는 큰 전류 과도 전류가 생성될 수 있다.
본 개시의 실시예의 측면은 노멀리 ON 선택적으로 공핍 모드 트랜지스터를 포함하는 고속 스위칭 전원 스위치(fast switching power switch)를 제공하는 것에 관한 것이다. 상기 전원 스위치는 부하를 부하 전원에 전기적으로 연결 및 부하 전원으로부터 연결 해제하고 전원 스위치, 부하 및/또는 전원을 손상시킬 수 있는 대규모 전류 과도(large current transients)의 생성을 방지하도록 구성된다.
일 실시예에서, 전원 스위치는 캐스코드(cascode)의 노드에서 노멀리 ON 트랜지스터가 노멀리 OFF, 선택적으로 증식형(enhancement mode) 트랜지스터와 직렬로 연결되는 캐스코드를 포함한다. 선택적으로 안전 다이오드라고 하는 다이오드는 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트와 캐스코드 및 다이오드에 공통인 제1접이지(ground) 사이에 연결된다. 컨트롤러 전원 공급 장치로 구동되는 컨트롤러는 공핍 및 증식형 트랜지스터의 게이트를 제어한다. 제2접지에 상대적인 컨트롤러 전압을 제공하는 컨트롤러 전원 공급 장치의 출력은 캐스코드 노드에 연결된다. 제2접이지는 플로팅 그라운드(floating ground) 또는 제1접지에 대한 플로팅 그라운드(ground float)라고도 할 수 있으며, 제1접지에 직접 연결되지 않으며, 캐스코드 노드의 전압에서 컨트롤러 전압을 뺀 값에 응답하여 제1접지에 대해 오프셋된 전압을 갖는다. 상기 컨트롤러 전원 전압은 노멀리 온 트랜지스터의 문턱 전압의 절대값보다 큰 절대값을 갖는다.
컨트롤러는 트랜지스터의 ON/OFF 상태를 동적으로 제어하여 전원 스위치를 켜고 끄며, 큰 과도 전류를 방지하기 위해 향상 모드 트랜지스터가 OFF인 동안 노멀리 ON 트랜지스터 OFF를 유지하도록 구성된다. 상기 컨트롤러는 게이트를 제어하여 캐스코드가 전도되도록 하고 먼저 증식형 트랜지스터를 켜고 그 다음 노멀리 ON 트랜지스터를 켜서 전원 스위치를 켠다. 상기 전원 스위치가 켜지면 상기 캐스코드는 전원 스위치에 연결된 부하 전원 공급 장치(load power supply)에서 전류가 흘러 전원 스위치에 연결된 부하에 전원을 공급할 수 있는 전도 경로(conducting path)를 제공한다. 상기 컨트롤러는 게이트를 제어하여 캐스코드를 비전도 상태로 만들고 전원 스위치를 꺼서 부하 전원 공급 장치로부터 전류가 캐스코드를 통해 흐르는 것을 방지하고 증식형 트랜지스터가 켜져 있는 동안 노멀리 ON 트랜지스터를 꺼서 부하에 전력을 공급한다.
전원 스위치(power switch)가 부하 전력 공급 장치(load power supply)에 연결되어 있고, 증식형 트랜지스터가 OFF일 때 컨트롤러가 노멀리 ON 트랜지스터를 OFF로 유지하도록 작동하지 않는 이상 상황이라고도 불리는 상황에 대해, 상기 안전 다이오드는 노멀리 ON 트랜지스터를 끄고 큰 과도 전류로 인한 손상으로부터 전원 스위치, 부하 및/또는 부하 전원을 보호하도록 작동한다.
본 개시의 실시예에 따르면 공핍 및 증식형 트랜지스터는 n-채널 또는 p-채널 트랜지스터일 수 있으며, 표현의 편의와 전압 극성에 대한 참조를 위해 다음 설명에서는 공핍 모드 트랜지스터와 증식형 트랜지스터가 n-채널 트랜지스터인 것으로 가정한다. 증식형 트랜지스터의 소스는 제1접지에 연결되고 안전 다이오드의 양극은 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것으로 가정한다. 상기 제1접이지 전압은 제로 기준 전압으로 가정하고 상기 부하 전원 공급 장치(load power supply)는 제1접지에 대해 양의 전압을 제공한다고 가정한다.
전원 스위치가 부하 전원 공급 장치(load power supply)에 연결되어 있고 컨트롤러가 노멀리 ON 트랜지스터를 OFF로 유지하도록 작동하지 않는 비정상적인 상황의 경우, 증식형 트랜지스터가 OFF일 때, 노멀리 ON 트랜지스터의 드레인 및 소스의 전압은 제1접지에 대해 부하 전원 공급 장치에 의해 제공되는 양의 전압과 실질적으로 동일해진다. 안전 다이오드는 제1접지를 기준으로 노멀리 ON 트랜지스터 게이트의 전압을 전원 공급 장치의 양 전압보다 최소한 노멀리 ON 트랜지스터의 임계 전압의 절대값만큼 작은 안전 다이오드의 양 순방향 전압으로 제한한다. 안전 다이오드의 순방향 전압(forward voltage of the safety diode)은 임계 전압보다 작은 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트-소스 전압을 생성하고 노멀리 ON 트랜지스터를 꺼서 과도 전류 흐름이 전원 스위치, 부하 및/또는 전원 공급 장치를 손상시키는 것을 방지한다.
이후에 컨트롤러가 증식형 트랜지스터를 켜면 캐스코드 노드, 노멀리 ON 트랜지스터의 소스, 증식형 트랜지스터의 드레인 및 그에 따른 컨트롤러 전원 공급 장치 출력이 전기적으로 제1접지에 연결된다. 따라서 제2접지의 전압은 선택적으로 컨트롤러 작동 기준 전압(controller operating reference voltage)으로 지칭되는 전압을 가정하며, 이는 컨트롤러 전원 전압만큼 제1접지보다 작다. 그 결과, 상기 컨트롤러는 노멀리 온 트랜지스터의 게이트 전압을 컨트롤러 동작 기준 전압으로 설정하고, 노멀리 온 트랜지스터는 오프 상태로 유지하고, 전원 스위치는 오프 상태로 유지한다. 컨트롤러는 노멀리 ON 트랜지스터 게이트에 컨트롤러 작동 기준 전압에 상대적인 "턴온" 양의 전압을 적용하여 노멀리 ON 트랜지스터를 켜고 전원 스위치를 켜도록 작동한다. 턴온 전압은 노멀리 ON 트랜지스터 게이트의 전압을 제1접지 전압에서 노멀리 ON 트랜지스터 임계 전압의 절대값을 뺀 값보다 크고 제1접지 전압과 안전 다이오드의 순방향 전압을 더한 것보다 작게 높이는 크기(magnitude)를 갖는다. 이에 대한 턴온 전압은 안전 다이오드에 의해 접지로 분류(shunt)되지 않고, 노멀리 ON 트랜지스터를 ON시키고 전원 스위치를 ON시키는 노멀리 ON 트랜지스터에 대한 게이트-소스 전압을 생성한다.
이 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 단순화된 형태로 개념 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 주요 특징이나 필수적인 특징을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용하려는 의도도 없다.
본 발명의 실시예의 비제한적인 예는 이 단락 다음에 나열된 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명된다. 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조, 요소 또는 부품은 일반적으로 나타나는 모든 도면에서 동일한 숫자로 표시된다. 그림에 표시된 구성 요소 및 기능의 치수는 설명의 편의와 명확성을 위해 선택되었으며 반드시 일정한 비율로 표시되는 것은 아니다.
도 1A는 본 발명의 실시예에 따라 컨트롤러, 상기 컨트롤러에 의해 제어되는 공핍 및 증식 모드(depletion and enhancement mode) 트랜지스터를 포함하는 캐스코드, 그리고 안전 다이오드를 포함하는 전원 스위치의 개략도를 도시한다.
도 1B는 본 발명의 실시예에 따라 컨트롤러가 전원 스위치를 제어하기 위해 생성하는 전압이 시간의 함수로서 개략적으로 도시되는 타임라인을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 기생 전류 흐름으로부터 컨트롤러 전원 공급 장치를 보호하기 위해 추가적인 안전 다이오드를 갖는 도 1A에 도시된 것과 유사한 전원 스위치를 개략적으로 도시한다.
도 3A는 본 발명의 실시예에 따라, 컨트롤러 전원 공급 장치로부터의 전압이 전원 스위치의 의도된 동작을 활성화하기에 불충분할 때 컨트롤러의 동작을 비활성화하는 비교기를 포함하고, 도 2에 도시된 것과 유사한 전원 스위치를 개략적으로 도시한다. ;
도 3B는 본 발명의 실시예에 따라 안전 다이오드가 상시 폐쇄 스위치(normally closed switch)로 대체된 도 3A에 도시된 것과 유사한 전원 스위치를 개략적으로 도시한다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 실시예에 따른, 캐스코드를 갖는 전원 스위치의 정상 OFF 강화 모드 트랜지스터를 제어하도록 동작 가능한 제어 회로의 다양한 구성을 개략적으로 도시한다.
달리 언급하지 않는 한, 논의에서, 본 발명의 실시양태의 특성 또는 특성들의 조건 또는 관계 특성을 수정하는 "실질적으로" 및 "약"과 같은 형용사는 조건 또는 특성이 의도되는 적용분야에 대한 실시양태의 조작에 허용되는 허용오차 내에서 정의된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 본 개시내용의 일반적인 용어가 예시적인 사례 또는 예시적인 사례의 목록을 참조하여 예시되는 경우, 언급된 사례 또는 사례들은 일반적인 용어의 비제한적인 예시 사례이며, 일반적인 용어는 언급된 특정 사례 또는 사례들로 제한되도록 의도되지 않는다. "일 수 있다", "선택적으로" 또는 "예를 들어"와 같은 허용과 연관되어 있는지 여부에 관계없이 "실시예에서"라는 문구는 고려를 위해 예를 소개하는 데 사용되지만, 반드시 본 개시 내용의 가능한 실시예의 필수 구성은 아니다. 달리 명시하지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위 내의 단어 "또는"은 배타적인 또는이라기보다는 포괄적인 "또는"으로 간주되며, 그것이 결합하는 항목들 중 적어도 하나 및 임의의 조합을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원 스위치(20)를 개략적으로 도시한다. 전원 스위치(20)는 노멀리 OFF 트랜지스터(32)와 직렬로 연결된, 노멀리 ON 선택적으로 공핍 모드, 트랜지스터(31), 상기 트랜지스터를 제어하는 컨트롤러(60), 및 컨트롤러에 의한 적절한 제어가 없을 때 상기 노멀리 ON 트랜지스터를 끄도록 작동하는 안전 다이오드(50)를 포함한다.
캐스코드(30)는 부하와 전원 스위치가 전원 공급 장치로부터 상기 부하로의 전력 전송을 제어하는 부하 전력 공급 장치가 연결된 단자(41, 42) 사이에 연결된다. 선택적으로 단자(42)는 접지(G1)에 연결되며, 설명의 편의를 위해 접지는 0과 동일한 전압을 갖는 것으로 가정된다. 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 드레인(D31)은 단자(41)에 연결되고 증식형 트랜지스터(32)의 소스(S32)는 단자(42)에 연결되어 접지(G1)에 연결된다. 증식형 트랜지스터(32)의 드레인(D32)은 캐스코드 노드(N33)에서 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 소스(S31)에 연결된다. 선택적으로, 도 1에 표시된 바와 같이 트랜지스터(31 및 32)는 n-채널 트랜지스터이고, 각각 임계 전압 V31th 및 V32th를 갖고, 노멀리 OFF 트랜지스터(32)는 증식형 트랜지스터이다. 안전 다이오드(50)는 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 게이트(G31)와 접지(G1) 사이에 연결되고, 안전 다이오드의 애노드가 게이트에 연결된다. 예를 들어, 도 1에서 저항(40)으로 개략적으로 표현된 부하와 부하에 전력을 공급하기 위해 접지(G1)에 대해 양의 전압 VLPS를 제공하는 부하 전원 공급 장치 LPS는 전원 스위치 단자 41 및 42에 직렬로 연결된다.
컨트롤러(60)에 의해 생성된 전압 신호는 접지(G1)에 대해 플로팅하는 접지(G2)를 참조한다. 컨트롤러는 G2에 대해 전원 공급 장치의 출력(61)에서 임계 전압 V31th의 절대값과 선택적으로 임계 전압 V32th 중 더 큰 값보다 큰 양의 전압 VCPS를 생성하는 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS를 포함한다. 출력(61)은 캐스코드 노드 N33 및 DC 아이솔레이터(isolator) 또는 선택적으로 일반적으로 DC 아이솔레이터라고 불리는 절연 게이트 드라이버(62)에 전기적으로 연결된다. DC 아이솔레이터(62)는 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS를 향상 트랜지스터(32)의 게이트 G32에 연결한다. 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS가 DC 아이솔레이터(62)에 전압 VCPS를 제공할 때 DC 아이솔레이터는 접지 G1을 기준으로 게이트 G32에서 DC 전압을 생성하거나 생성하도록 제어 가능하다. 게이트 G32에서 DC 아이솔레이터에 의해 제공된 DC 전압은 증식형 트랜지스터의 임계 전압 V32th보다 큰 증식형 트랜지스터(32)에 대한 소스 전압 V32GS에 대한 게이트를 생성하고 증식형 트랜지스터를 켜서 캐스코드 노드 N33을 접지 G1에 연결한다.
개시의 실시예에 따르면 컨트롤러(60)는 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS로부터 전력을 수신하고 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 ON/OFF 상태를 제어하는 게이트 드라이버(70)로서 작동하는 절연 전력 증폭기(isolated power amplifier)를 포함한다. 상기 게이트 드라이버는 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 게이트 G31에 연결된 출력(71)과 게이트 드라이버가 게이트 드라이버 컨트롤러(도시되지 않음)로부터 스위치 제어 신호를 수신하는 입력(72)을 갖는다. 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS로부터 전압 VCPS에 의해 전력이 공급될 때 스위치 제어 신호는 게이트 드라이버가 접지 G2에 대해 출력 (71)에서 생성하는 출력 전압 V71을 제어한다. 전압 V71은 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 ON/OFF 상태를 제어하는 노멀리 ON 트랜지스터(31)에 대해 게이트 G31의 전압과 게이트-소스 전압 V31GS를 제어한다. 아래에 설명된 바와 같이, 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS가 DC 아이솔레이터(62)에 전력을 제공하여 증식형 트랜지스터(32)를 켜진 상태로 유지하는 한, 출력(71)의 V71 및 이에 따른 전압 V31GS는 정상 ON 트랜지스터(31)가 꺼지거나 켜지는지 여부를 제어하고 그에 따라 전원 스위치(20)가 각각 꺼지거나 켜지는지 여부를 제어한다.
컨트롤러 전원 공급 장치 CPS의 출력(61)은 캐스코드 노드 N33에 연결되고 접지 G2는 접지 G1에 대해 플로팅되므로 전압 V71은 노멀리 ON 트랜지스터(31)에 대해 소스 전압 V31GS = (V71-VCPS)에 대한 게이트를 생성한다. 게이트 드라이버의 스위치 제어 신호가 없는 경우 컨트롤러 전압 V71은 G2에 비해 0이고 게이트-소스 전압 V31GS는 -VCPS와 같다. 결과적으로 VCPS가 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 임계 전압의 절대값 |V31th|보다 크기 때문에, V31GS는 V31th보다 작으며 OFF 상태로 동작하여 노멀리 ON 트랜지스터의 OFF를 유지한다.
한편, 본 개시의 실시예에 따르면, 입력(72)에서 적절한 스위치 제어 신호에 의해 트리거될 때, 게이트 드라이버(70)는 V31th보다 큰 게이트-소스 전압 V31GS=(V71-VCPS)을 생성하기 위해 G2에 비해 전압 V71을 증가시킨다. 따라서 소스 전압 V31GS에 대한 게이트는 노멀리 ON 트랜지스터(31)를 켜서 캐스코드(30)를 전도시키고 전원 스위치(20)를 켠다.
예를 들어, 도 1A는 게이트 드라이버(70)가 "턴온(turn-on)"이라고도 불리는 대응하는 출력 펄스(76) 시퀀스를 생성하게 하는 전압 펄스(75)의 시퀀스인 스위치 제어 신호를 수신하는 게이트 드라이버(70)를 개략적으로 도시한다. 상기 전압 펄스는 G2에 비해 양의 크기 V76을 갖고 소스 전압 펄스 V31GS = (V76-VCPS)에 대한 게이트를 생성한다. 실시예에 따르면 V76의 크기는 (V76-VCPS) ≥ V31th이고, 각각의 펄스(76)는 V76 ≥ (V31th + VCPS)인 펄스의 지속 시간과 실질적으로 동일한 기간 동안 일반적으로 ON 트랜지스터(31)를 ON시킨다. 증식형 트랜지스터(32)가 ON이기 때문에, 스위치 제어 펄스(75)는 전원 스위치(20)를 켜고 끄도록 동작하고, 스위치 제어 신호 펄스의 주파수 및 펄스 폭에 의해 결정되는 반복 주파수 및 듀티 사이클로 부하 전원 공급 장치(LPS)로부터 부하(40)에 전력을 제공한다.
전원 스위치(20)에 대해 전압 펄스 V76은 접지 G2를 기준으로 하며 G2에 대해 VCPS와 동일한 최대 크기를 갖는다는 점에 유의한다. 접지 G1에 대해 접지 G2는 (VN33-VCPS)와 동일한 컨트롤러(60)에 대한 작동 기준 전압을 설정하고, 여기서 VN33은 캐스코드 노드 N33의 전압이다. 증식형 트랜지스터(32)가 턴온되기 때문에, 캐스코드 노드 N33은 턴온된 증식형 트랜지스터(32)를 통해 접지(G1)에 전기적으로 연결된다. 그러므로 VN33의 전압은 G1의 전압에 증식형 트랜지스터(32) 양단의 전압 강하(voltage drop) V32ds를 더한 것과 거의 같고 접지 G2의 동작 기준 전압은 대략 전압 (G1 + V32ds) - VCPS와 같다. 실시예에서, 안전 다이오드(50)는 전원 스위치(20)가 켜질 때 예상되는 전압 강하 V32ds보다 큰 순방향 전압 Vf를 갖도록 구성된다. 따라서 안전 다이오드(50)가 직접 연결된 접지 G1에 비교하여, 전압 펄스(76)는 안전 다이오드(50)의 순방향 전압 Vf를 초과하지 않는다. 결과적으로, 전압 펄스는 안전 다이오드에 의해 접지 G1으로 분류(shunt)되지 않고 트랜지스터(31)를 ON시키고 전원 스위치(20)를 ON시키는 전압 V31GS를 생성하는 것이 방지된다.
도 1B는 본 발명의 실시예에 따라 타임라인(101, 102, 103, 104)에 따른 전원 스위치(20)의 동작과 관련된 전압의 시간적 전개 및 상대적인 타이밍을 개략적으로 보여주는 그래프(100)를 도시한다. 접지 G2를 기준으로 컨트롤러의 출력(61)에서 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS에 의해 생성된 전압 VCPS가 타임라인(101)을 따라 표시된다. 타임라인(102)은 컨트롤러 전력 공급 장치(60)가 전압 VCPS를 DC 아이솔레이터에 제공할 때 DC 아이솔레이터(62)(도 1a)가 게이트 G32에 인가하여 ON으로 설정하고 ON 증식형 트랜지스터(32)를 유지하는 게이트 전압 V32GS를 개략적으로 도시한다. 타임라인(102)은 노멀리 ON 트랜지스터(31)를 켜고 컨트롤러 전원 공급 장치가 전압 VCPS를 제공할 때 전원 스위치(20)를 ON시키는 게이트 드라이버 출력 펄스(76)(도 1A)를 생성하도록 게이트 드라이버(70)를 제어하는 스위치 제어 펄스(75)를 개략적으로 도시한다. 타임라인(104)은 접지(G2) 및 접지(G1)에 대한 출력 펄스(76)의 전압 및 정상 온 트랜지스터(31)의 임계 전압(V31th)을 개략적으로 도시한다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS가 켜지고 전원 컨트롤러(60)에 전압 VCPS를 제공할 때, 접지 G2의 전압은 ON 증식형 트랜지스터(32)에 의해 소스 S31이 전기적으로 연결되는 접지 G1의 전압보다 전압 VCPS만큼 작다. 게이트 드라이버 펄스(76)의 전압이 G2보다 높은 전압(V31th가 음이라고 가정)이 (G1-|V31th|)보다 큰 전압까지 상승할 때, 노멀리 ON 트랜지스터(31)는 턴온되고 전원 스위치(20)는 턴온된다. 게이트 드라이버 펄스(76)가 (G1- |V31th|) 이상으로 상승하고 전원 스위치(20)를 ON시키는 전압은 해칭(hatching)이 없는 펄스 영역으로 표시된다.
컨트롤러(60)가 캐스코드(30)에 연결되고 트랜지스터(31 및 32)를 적절하게 제어하여 전원 스위치(20)가 꺼지도록 의도된 경우 노멀리 ON 트랜지스터(31)를 OFF로 유지하고 강화 트랜지스터(32)를 ON으로 유지하는 한, 컨트롤러(60)는 전술한 바와 같이 작동하고 잠재적으로 크고 손상을 주는 과도 전류의 발생을 방지한다. 그러나, 예를 들어 컨트롤러(60)가 오작동하거나 캐스코드(30)에 적절하게 연결되지 않은 결과로 부하 전원 공급 장치(LPS)가 전원 스위치(20)에 연결되고 노멀리 ON 트랜지스터(31)는 ON으로 켜지고 증식형 트랜지스터는 OFF되면 큰 피해를 주는 과도 전류가 발생할 수 있다. 이러한 이상 상황이 발생한 경우, 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 드레인(D31), 게이트(G31) 및 소스(S31)의 전압은 부하 전원 공급 장치의 전압(VLPS)을 향하여 상승하고 노멀리 ON 트랜지스터를 온 시키도록 동작하여 손상을 주는 과도 전류의 생성을 가능하게 한다. 본 개시의 실시예에 따르면, 안전 다이오드(50)는 노멀리 ON 트랜지스터가 ON되는 것을 방지하도록 동작한다. 게이트 G31의 전압이 안전 다이오드(50)의 순방향 전압 임계값 Vf를 초과하도록 상승함에 따라, 다이오드는 턴온되고, 접지 G1을 기준으로 게이트 G31의 전압을 순방향 다이오드 전압 임계값으로 제한하고, 노멀리 ON 트랜지스터(31)를 끄는 소스 전압 V31GS에 대한 네거티브 게이트를 생성하고, 다이오드는 전원 스위치(20) 및 전원 스위치에 연결된 회로를 손상시킬 수 있는 큰 과도 전류의 생성 및/또는 지속을 제한한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원 스위치(220)를 개략적으로 도시한다. 전원 스위치(220)는 전원 스위치(20)와 유사하지만 캐스코드 노드(33)로부터의 기생 전류 경로가 컨트롤러로 흐르는 것을 차단하도록 동작하는 추가적인 안전 다이오드(250)를 갖는 컨트롤러(260)를 포함한다.
도 3A는 본 발명의 실시예에 따른 전원 스위치(320)를 개략적으로 도시한다. 전원 스위치(320)는 전원 스위치(220)와 유사하지만 비교기(comparator)(362), 선택적으로 슈미트 트리거(Schmidt Trigger)를 갖고, 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS의 출력(61)에 연결된 입력(364)과 DC 아이솔레이터(62) 및 게이트 드라이버(70)에 연결된 출력(366)을 갖는 컨트롤러(360)를 포함한다. 실시예에 따르면, 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS가 노멀리 ON 트랜지스터(31)의 임계 전압의 절대값 |V31th|보다 큰 전압 VCPS 또는 컨트롤러의 적절한 작동을 가능하게 하는 충분한 전압을 제공하지 않는 경우, 비교기(362)는 DC 아이솔레이터(62)와 게이트 드라이버(70)의 동작을 비활성화한다. 전원 공급 장치 CPS가 충분한 전압을 제공하는 경우, 비교기(362)는 출력(366)에서 DC 아이솔레이터(62)와 게이트 드라이버(70)의 동작을 가능하게 하는 인에이블 신호를 생성한다. DC 아이솔레이터(62)와 게이트 드라이버(70)의 작동을 방지하는 것은 노멀리 ON 트랜지스터(31)를 끄고 전원 스위치(360)를 끄기 위해 전술한 바와 같이 안전 다이오드(50)를 결합시킨다.
위의 설명에서 전원 스위치는 일반적으로 ON 트랜지스터를 끄도록 작동하고 큰 과도 전류로 인한 손상으로부터 전원 스위치를 보호하도록 작동하는 안전 다이오드(50)를 포함하는 것으로 설명되었지만, 본 개시 내용의 실시예의 실시는 안전 다이오드에 제한되지 않는다. 예를 들어, 노멀리 OFF 트랜지스터(32)가 ON으로 전환될 때 OFF로 전환되는 노멀리 ON 스위치는 손상을 일으키는 과도 현상으로부터 전원 스위치를 보호하는 데 사용될 수 있다. 도 4B는 도 3A에 도시된 전원 스위치(320)와 유사하지만 다이오드(50)(도 3A) 대신에 노멀리 ON 스위치(150)를 갖는 실시예에 따른 전원 스위치(321)를 개략적으로 도시한다. 노멀리 ON 스위치(150)는 선택적으로 출력(366)에서 비교기(362)에 의해 제공된 인에이블 신호에 의해 또는 V32GS와 같은 게이트 드라이버(62)에 의해 생성된 전압에 의해 OFF로 꺼진다.
본 개시의 실시예에 따르면, 도 4A는 증식형 트랜지스터를 켜는 소스 전압 V32GS에 대한 DC 게이트를 생성하기 위해 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS를 증식형 트랜지스터(32)에 연결하는 DC 아이솔레이터(62)에 대한 회로 구성(62-1)의 세부사항을 개략적으로 도시한다.
회로 구성(62-1)은 저항 R1에 결합된 반전 연산 증폭기(inverting operational amplifier)(500)와 접지 G1에 직렬로 연결된 커패시터 C1을 선택적으로 포함한다. 증폭기(500)의 레일(501, 502)은 각각 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS의 출력(61)과 접지(G2)에 연결된다. 저항 R1은 반전 증폭기(500)의 출력(505)과 입력(506) 사이에 연결된다. 결과적으로, 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS에 의해 제공되는 DC 전압 VCPS에 응답하여, 반전 증폭기(500)는 발진 전압 및 전류를 생성한다. 발진 전류(oscillating current)는 저항 R2, 커패시터 C2 및 C3, 다이오드 D1 및 D2에 의해 정류되어 증식형 트랜지스터(32)를 켜는 소스 DC 전압 V32GS에 게이트를 제공한다. 커패시터 C2 및 C3 DC는 증식형 트랜지스터(32)로부터 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS를 분리한다. 저항 R3은 블리더 저항(bleeder resistor)이다.
본 개시의 실시예에 따르면, 도 4A는 증식형 트랜지스터를 켜는 소스 전압 V32GS에 대한 DC 게이트를 생성하기 위해 컨트롤러 전원 공급 장치 CPS를 증식형 트랜지스터(32)에 연결하는 DC 아이솔레이터(62)에 대한 또 다른 회로 구성(62-2)의 세부사항을 개략적으로 도시한다.
회로 구성 62-2는 회로 구성 62-1과 유사하지만 반전 연산 증폭기(500)의 출력(505)을 증폭기의 입력(506)에 연결하여 발진 전류를 생성하는 대신, 구성 62-2에서, 입력은 본 개시의 실시예에 따라 외부 드라이버(미도시)로부터 입력(506)에서 일련의 입력 펄스(601)를 수신하도록 구성된다. 입력 펄스(601)에 응답하여 증폭기(500)는 증식형 트랜지스터(32)를 켜는 게이트-소스 DC 전압 V32GS를 제공하기 위해 정류되는 일련의 출력 펄스(602)를 생성한다.
본 출원의 설명 및 청구범위에서, 동사 "포함하다(comprise)", "함유하다(include)" 및 "갖다" 각각 및 이들의 활용어는 동사의 목적어 또는 목적어들이 반드시 동사의 주어 또는 주어들의 구성요소, 요소 또는 부분의 완전한 열거가 아니라는 것을 나타내는 데 사용된다.
본 출원의 개시의 실시예의 설명은 예로서 제공되며 개시의 범위를 제한을 의도하는 것은 아니다. 설명된 실시예는 상이한 특징을 포함하며, 모든 실시예에서 이들 모두가 요구되는 것은 아니다. 일부 실시예는 특징 중 일부 또는 특징의 가능한 조합만을 이용한다. 본 기술 분야의 사람들은 설명된 개시의 실시예의 변형, 및 설명된 실시예에서 언급된 특징의 상이한 조합을 포함하는 실시예를 안출할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

  1. 다음을 포함하는 전원 스위치(power switch):
    캐스코드 노드에서 노멀리 ON 트랜지스터와 노멀리 OFF 트랜지스터가 직렬로 연결된 캐스코드;
    상기 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트와 상기 캐스코드 및 상기 다이오드에 공통인 제1접이지 사이에 연결된 제1다이오드; 및
    다음을 포함하는 컨트롤러:
    상기 캐스코드 노드에 연결된 전원 공급 장치 출력(power supply output)을 갖는 컨트롤러 전원 공급 장치(controller power supply), 컨트롤러 전원 공급 장치 출력은 제1접지에 대해 플로팅(floating)인 제2접지에 대해 전압을 제공함; 및
    상기 컨트롤러가 제2접지에 대해 제1전압을 생성하는 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트에 연결된 제1컨트롤러 출력.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러 전원 공급 장치 출력을 상기 캐스코드 노드에 연결하는 제2다이오드를 포함하는 전원 스위치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 컨트롤러가 노멀리 OFF 트랜지스터를 턴온하고 턴오프시키기 위해 제 1 접지에 대한 전압을 생성하는 노멀리 OFF 트랜지스터의 게이트에 연결된 제 2 컨트롤러 출력을 포함하는 전원 스위치.
  4. 제3항에 있어서,
    제2컨트롤러 출력에서 전압을 생성하는 컨트롤러 전원 공급 장치에 의해 일차측(primary side)에서 전력을 공급받는 DC 절연 드라이버(isolated driver)를 포함하는 전원 스위치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 DC 절연은 용량성인 전원 스위치.
  6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1다이오드의 애노드는 상기 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트에 연결되는 전원 스위치.
  7. 다음을 포함하는 전원 스위치(power switch):
    캐스코드 노드에서 노멀리 ON 트랜지스터와 노멀리 OFF 트랜지스터가 직렬로 연결된 캐스코드;
    상기 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트와 상기 캐스코드 및 상기 다이오드에 공통인 제1접이지 사이에 노멀리 ON 스위치; 및
    다음을 포함하는 컨트롤러:
    상기 캐스코드 노드에 연결된 전원 공급 장치 출력(power supply output)을 갖는 컨트롤러 전원 공급 장치(controller power supply), 컨트롤러 전원 공급 장치 출력은 제1접지에 대해 플로팅(floating)인 제2접지에 대해 전압을 제공함; 및
    상기 컨트롤러가 제2접지에 대해 제1전압을 생성하는 노멀리 ON 트랜지스터의 게이트에 연결된 제1컨트롤러 출력.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨트롤러 전원 공급 장치 출력을 상기 캐스코드 노드에 연결하는 제2다이오드를 포함하는 전원 스위치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 컨트롤러가 노멀리 OFF 트랜지스터를 턴온하고 턴오프시키기 위해 제 1 접지에 대한 전압을 생성하는 노멀리 OFF 트랜지스터의 게이트에 연결된 제 2 컨트롤러 출력을 포함하는 전원 스위치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 노멀리 OFF 트랜지스터를 턴온하는 것과 실질적으로 동시에 또는 턴온한 직후에 상기 노멀리 ON 스위치를 턴오프시키는 신호를 생성하는 것인 전원 스위치.
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