KR101816357B1 - 역접속 방지가 가능한 전력스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역접속 방지가 가능한 전력스위치에 관한 것으로, 배터리 전원을 부하에 공급하거나 차단하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 배터리 역접속 시 상기 배터리로부터 인가되는 전원을 차단하는 보호부, 및 상기 스위칭부와 상기 보호부의 구동을 제어하는 구동부를 포함한다.

Description

역접속 방지가 가능한 전력스위치{POWER SWITCH CAPABLE OF PREVENTING REVERSE CONNECTION OF ELECTRICPOWER SOURCE}

본 발명은 배터리 역접속 시 배터리로부터 공급되는 전류를 차단하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용 스위치는 기존 릴레이 방식에서 안정성 및 신뢰성이 높고, 기계적 노이즈가 없는 전력스위치로 전환되고 있다. 그러나, 종래의 지능형 전력스위치(Sense FET)는 전류 센싱 오차율이 높아서 보호회로 구현에 어려움이 있다.

또한, 종래의 지능형 전력스위치는 릴레이 스위치와 달리 내부 기생 다이오드(바디 다이오드)로 인해 배터리 역접속 시 배터리로부터 공급되는 전류가 차단되지 않는다. 이로 인해, 각 제어기별로 이를 방지하기 위한 추가적인 외부 보호 소자가 필요한 실정이다.

JP 2014000161147 A JP 2001000224135 A

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리 역접속 시 배터리로부터 공급되는 전류를 차단하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치를 제공하고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 역접속 방지가 가능한 전력스위치는 배터리 전원을 부하에 공급하거나 차단하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 배터리 역접속 시 상기 배터리로부터 인가되는 전원을 차단하는 보호부, 및 상기 스위칭부와 상기 보호부의 구동을 제어하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭부는, 내부 고전압 FET(Field Effect Transistor)으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 고전압 FET은, N 타입 DMOS(double-diffused metal oxide semiconductor) 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 보호부는, 전류 측정을 위한 제1FET, 및 상기 배터리 역접속 시 기생 다이오드에 의해 상기 배터리로부터 공급되는 전류를 차단하는 제2FET을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1FET 및 제2FET의 게이트단은 상기 구동부의 출력단에 연결되고, 소스단은 상기 고전압 FET의 소스단에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1FET 및 제2FET은, 내부 저전압 FET으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 저전압 FET은, N 타입 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 전력스위치는, 상기 제1FET의 드레인단에 연결되어 부하 전류를 센싱하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1FET 및 제2FET은, 상기 스위칭부로부터 출력되는 전류를 1:N의 비율로 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기 센싱부는, 상기 스위칭부, 상기 보호부 및 상기 구동부와 동일한 공정을 거쳐 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 구동부는, 상기 전력스위치의 외부에 위치하는 제어기의 제어에 따라 부하 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어기는, 상기 센싱부의 출력단에 직렬로 연결되는 외부 저항을 통해 부하 전류를 측정하고 측정한 부하전류에 근거하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 배터리 역접속 시 배터리로부터 공급되는 전류를 차단하여 전력스위치를 보호할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전력스위치를 구성하는 모든 구성요소들이 동일한 공정을 거쳐 제작되므로, 공정상 및 온도상 편차를 교정하는 교정 회로 없이 전류 센싱이 가능하며 전류 센싱 오차를 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 역접속 방지를 위한 다이오드나 FET(Field Effect Transistor) 같은 별도의 소자를 추가로 요구하지 않으므로, 추가적인 소자 연결로 인한 전압 강하 및 전력 손실을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역접속 방지가 가능한 전력스위치를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명과 관련된 저전압 FET의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력스위치의 오프 동작을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력스위치의 온 동작을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역접속 시 전력스위치의 동작을 설명하기 위한 도면.

본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다", "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일", "하나" 및 "그" 등의 관사는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 차량용 전력스위치에 관한 것으로, 저전압 FET(Field Effect Transistor)을 이용하여 전류 센싱 오차를 개선하고, 전원 역접속 시 전류를 차단하여 전력스위치를 보호하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역접속 방지가 가능한 전력스위치를 도시한 회로도이고, 도 2는 본 발명과 관련된 저전압 FET의 구조를 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전력스위치(100)는 배터리(미도시)와 부하(A) 사이에 위치하며, 제어기(200)의 제어에 따라 동작한다.

전력스위치(100)는 배터리 전원(V_BAT)을 부하(A)로 공급(전달)하거나 차단한다. 여기서, 부하(A)는 전기 모터 및 액츄에이터(actuator) 등일 수 있다.

전력스위치(100)는 구동부(110), 센싱부(120), 스위칭부(130), 및 보호부(140)를 포함한다.

구동부(110)는 제어기(200)로부터 출력되는 제어명령에 따라 스위칭부(130) 및 보호부(140)의 동작을 제어한다. 구동부(110)는 스위칭부(130) 및 보호부(140)를 구동시킨다.

센싱부(120)는 부하 전류를 측정한다. 센싱부(120)는 센싱한 전류를 구동부(110) 및 외부로 출력한다.

스위칭부(130)는 구동부(110)의 출력(제어신호)에 따라 온 또는 오프되어 배터리 전원(V_BAT)을 부하(A)에 공급하거나 차단한다. 다시 말해서, 스위칭부(130)는 부하(A)의 구동을 제어한다.

스위칭부(130)는 내부 고전압 FET(field Effect Transistor)으로 구현된다. 고전압 FET(130)의 게이트단(gate)은 구동부(110)의 출력단에 연결되고, 드레인단(drain)은 배터리 전원(V_BAT)과 연결된다. 고전압 FET(130)은 N 타입(N 채널) 디모스(double-diffused metal oxide semiconductor, DMOS) 구조를 가진다. 또한, 고전압 FET(130)은 라운드 형태의 수평 단면구조를 가진다.

보호부(140)는 배터리 역접속 시 전력스위치(100)에 인가되는 전원을 차단하는 역접속 보호 기능 및 전력스위치(100)를 통해 부하(A)로 공급되는 부하 전류를 측정하는 전류 센싱 기능을 수행한다.

이러한 보호부(140)는 병렬로 연결되며 1:N의 전류 전달 비율을 가지는 제1FET(M1) 및 제2FET(M2)으로 구성된다. 여기서, N은 사전에 실험 등을 통해 설정된다.

제1FET(M1) 및 제2FET(M2)의 게이트단은 구동부(110)의 출력단에 연결되고, 소스단은 스위칭부(130)의 소스단에 연결된다. 즉, 제1FET(M1) 및 제2FET(M2)의 게이트단은 스위칭부(130)의 게이트단과 동일한 제어신호를 입력받는다.

제1FET(M1)의 드레인단은 센싱부(120)의 입력단에 연결되고, 제2FET(M2)의 드레인단은 부하(A)로 연결된다.

제1FET(M1) 및 제2FET(M2)은 내부 저전압 FET으로, 도 2에 도시된 바와 같이 N 타입(N 채널) CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 구조를 가진다. CMOS 구조의 FET은 내압이 작기 때문에 크기가 작고, 소자의 정합도가 높다. 또한, CMOS 구조의 FET은 단위 면적당 턴 온(turn on) 저항을 DMOS에 비하여 작게 만들 수 있다. 따라서, 저전압 FET을 직렬로 연결하여 발생하는 전력 손실은 역전류(역접속) 방지를 위해 외부 소자를 추가하는 형태에 비하여 더 낮은 값의 저항값으로 설계할 수 있다.

제2FET(M2)의 기생 다이오드(바디 다이오드) D는 배터리(미도시) 역접속 시 배터리 전원을 차단하는 역할을 수행한다. 다시 말해서, 제2FET(M2)의 기생 다이오드 D는 배터리 역접속을 방지하여 배터리 역접속 시 발생하는 역전류로부터 전력스위치(100)를 보호한다.

상기한 전력스위치(100)를 구성하는 모든 구성요소들(110 내지 140)은 동일한 공정 과정을 통해 형성되므로, 센싱부(120)를 통한 전류 센싱 오차를 개선할 수 있다.

센싱부(120)는 고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)가 온 되어 부하(A)가 구동되면, 제1FET(M1)을 통해 부하 전류를 센싱한다. 센싱부(120)는 제1FET(M1)을 통해 제2FET(M2)를 통과하는 전류의 1/N을 측정한다. 다시 말해서, 제1FET(M1) 및 제2FET(M2)는 스위칭부(130)의 출력단으로부터 출력되는 전류를 1:N 비율로 분배하여 전달한다.

종래의 센스(Sense) FET을 이용한 전류 센싱 방식은 라운드 형태인 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)의 구조적 특징으로 인한 편차, 및 구동부(110)와 제어기(200)가 다른 MOS를 사용하므로 공정상 및 온도상 편차의 영향으로 인하여 이를 교정해 주기 위한 회로를 추가하여 전류 센싱 회로를 구성한다.

하지만, 차량용 반도체는 넓은 범위의 동적 영역을 가지므로 전 범위에서 교정 회로를 적용하여 오차를 개선해야 하는데 이 방식은 온도 및 부하 전류에 따라 다른 교정 수준을 적용해야 하므로 오차가 매우 클 수 밖에 없는 구조이다.

본 발명은 공정상 설계 편차가 작은 CMOS 구조의 내부 저전압 FET을 사용하여 전류를 센싱하므로, LDMOS와 같은 문제점이 발생하지 않아 추가적인 교정회로없이 전류 센싱이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따르면 시스템의 구조가 간단해지고 전류 센싱 오차를 줄일 수 있다.

제어기(200)는 전력스위치(100)의 센싱부(120)를 통해 센싱한 전류 Is에 근거하여 전력스위치(100)의 동작을 제어한다. 이때, 제어기(200)는 센싱부(120)의 출력단에 직렬로 연결된 외부 저항 R에 걸리는 전압 V_R을 검출한다. 제어기(200)는 검출한 전압과 외부 저항 R의 저항값을 이용하여 센싱한 전류 Is를 연산한다.

제어기(200)는 외부 저항 R을 이용하여 부하 전류를 측정하고 그 측정한 부하전류에 따라 전력스위치(100)의 온(on) 또는 오프(off)를 제어하여 부하(A)의 구동을 제어한다. 제어기(200)는 전력스위치(100)의 센싱부(120)를 통해 과전류가 검출되면 전력스위치(100)를 오프시켜 부하(A)로 과전류가 전달되는 것을 차단한다.

이러한 제어기(200)는 MCU(Micro Controller Unit) 또는 CPU(Central Processing Unit) 등으로 구현될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력스위치의 오프 동작을 설명하기 위한 도면이다.

제어기(200)가 부하(A)의 구동 중단을 지시하면, 구동부(110)는 제어기(200)의 제어에 따라 스위칭부(130) 및 보호부(140)의 동작을 중단시킨다. 다시 말해서, 구동부(110)는 고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)의 게이트로 오프 신호를 입력한다.

고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)가 오프 상태일 때, 제2FET(M2)의 기생 다이오드 D가 배터리 전압(V_BAT)와 순방향으로 형성되므로, 기생 다이오드 D의 순방향 전압(V_D)이 제2FET(M2)에 걸리게 되고, 배터리 전압(V_BAT)의 대부분이 고전압 FET(130)에 인가된다.

배터리 전압(V_BAT)은 차량 내에서 발생할 수 있는 로드 덤프나 모터 내부의 코일의 특성으로 인해, 온 또는 오프 시 발생할 수 있는 스파크 전압 때문에 수십 볼트(V) 이상의 전압이 발생할 수 있고, 이 전압의 대부분이 고전압 FET(130)에 인가된다.

고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)의 게이트와 소스 간 전압 V_GS, 고전압 FET(130)의 드레인과 소스 사이의 전압 V_DS.고전압, 제1FET(M1) 및 제2FET(M2)의 드레인과 소스 간 전압 V_DS.저전압은 다음과 같다.

V_GS = 0V

V_DS.고전압= V_BAT - V_D

V_DS.저전압 = V_D (0.7V)

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력스위치의 온 동작을 설명하기 위한 도면이다.

제어기(200)가 부하(A)의 구동을 지시하면, 구동부(110)는 제어기(200)의 제어에 따라 스위칭부(130) 및 보호부(140)의 동작시킨다. 즉, 구동부(110)는 고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)의 게이트로 온 신호를 입력한다.

고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)가 온 상태일 때, 구동부(110) 및 센싱부(120)는 온 상태를 유지하고 고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)의 턴 온시 부하(A) 양단에 대부분의 배터리 전압(V_BAT)이 인가되므로 제1FET(M1) 및 제2FET(M2)에 문제가 발생하지 않는다.

이때, 고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)의 게이트와 소스 간 전압 VGS, 고전압 FET(130)의 드레인과 소스 간 전압 V_DS.고전압, 제1FET(M1) 및 제2FET(M2)의 드레인과 소스 간 전압 V_DS.저전압는 다음과 같다.

V_GS = V_BAT + 12V

V_DS.고전압 = I_O×R_{DS.ON.고전압}

V_DS.저전압 = I_O×R_{DS.ON.저전압}

여기서, R_{DS.ON.고전압}은 고전압 FET(130) 온 시 드레인-소스 간 저항값이고, R_{DS.ON.저전압}는 제1FET(M1) 및 제2FET(M2) 온 시 드레인-소스 간 저항값이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 역접속 시 전력스위치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시 된 바와 같이, 배터리 전원이 역접속된 경우 구동부(110)에 전원이 인가되지 않아 출력이 발생하지 않는다. 이로 인해, 고전압 FET(130), 제1FET(M1), 및 제2FET(M2)은 모두 오프 상태를 유지한다. 이때, 제2FET(M2)의 기생 다이오드는 역접속된 배터리 전압(V_BAT)과 역방향이므로, 역전류가 발생하지 않도록 차단한다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.

100: 전력스위치
110: 구동부
120: 센싱부
130: 스위칭부
140: 보호부
200: 제어기
A: 부하

Claims (12)

1. 배터리 전원을 부하에 공급하거나 차단하는 스위칭부,
   상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 배터리 역접속 시 상기 배터리로부터 인가되는 전원을 차단하는 보호부, 및
   상기 스위칭부와 상기 보호부의 구동을 제어하는 구동부를 포함하되,
   상기 구동부는 전력스위치의 외부에 위치하는 제어기의 제어에 따라 부하 구동을 제어하고,
   상기 보호부는 전류 측정을 위한 제1FET 및 상기 배터리 역접속 시 기생 다이오드에 의해 상기 배터리로부터 공급되는 전류를 차단하는 제2FET을 포함하고, 상기 제1FET 및 상기 제2FET의 게이트단은 상기 구동부의 출력단에 연결되고, 소스단은 상기 스위칭부의 소스단에 연결되는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭부는,
   내부 고전압 FET(Field Effect Transistor)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 고전압 FET은,
   N 타입 DMOS(double-diffused metal oxide semiconductor) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1FET 및 제2FET은,
   내부 저전압 FET으로 구현되는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 저전압 FET은,
   N 타입 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 전력스위치는,
   상기 제1FET의 드레인단에 연결되어 부하 전류를 센싱하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1FET 및 제2FET은,
   상기 스위칭부로부터 출력되는 전류를 1:N의 비율로 전달하는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 스위칭부, 상기 보호부 및 상기 구동부와 동일한 공정을 거쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.
    
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 센싱부의 출력단에 직렬로 연결되는 외부 저항을 통해 부하 전류를 측정하고 측정한 부하전류에 근거하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 역접속 방지가 가능한 전력스위치.

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