One-chip controllers have been implemented for switching power converters.
One is the class-E inverter controller implemented in a 0.35 μm standard CMOS process. The control IC generates a gate signal to turn on or off the IGBT switch of the class-E inverter power supply for driving a magnetron load which generates 2.45 GHz microwave for heating. It provides active power factor correction, soft start, and thermal protection.
In addition, we proposed several designs to resolve the problem of high resonant voltage stress across the switch in class-E operation, which are appended at the end of this thesis.
The other is the single-chip boost DC/DC converter implemented in a 0.5 μm 40 V power BiCMOS process. All the power switches as well as control and gate drive circuits have been integrated into one chip. The output voltage ranging from 12 V to 20 V is obtained from the battery input voltage of around 3.7 V. The overall chip area is 1780 μm × 2300 μm.
산업혁명 이후 급속히 발달해온 과학기술은 최근 약 100년이라는 짧은 기간 동안 그 첨단에 첨단을 향해 가고 있으며, 각 분야에서의 기술은 완성되어 가고 있으며 타 분야와의 협력은 강조되고 있는 현실이다. 그 가운데서 자칫 방향을 잃기 쉽지만 끊임없이 계속되고 있는 기술 개발의 중심에는 인간의 편의라는 목적이 있다. 그래서 사람들에게 보다 나은 성능의 제품을 낮은 가격으로 제공하기 위한 노력이 계속되고 있는 것이다. 그러한 변화를 주도하는 핵심 기술 가운데 하나는 집적화 기술이다.
다수의 개별 소자로 구성된 회로 혹은 시스템을 하나의 칩으로 만들면서 작은 공간으로 더 다양한 기능을 구현할 수 있으며 적은 비용으로 제작이 가능하며 높은 수율을 얻을 수 있는 것이다. 초기에는 아날로그 회로와 디지털 회로가 하나의 칩 안에 집적되면서 혼합형 회로 설계가 관심의 대상이었지만, 현재는 고전압의 전력 소자까지 함께 단일칩으로 집적되면서 특정 응용 분야에 적합한 전력 IC를 빨리 개발하는 것이 이 분야의 관심사가 되었다.
본 논문은 전력 수준의 차이가 큰 두 가지의 스위칭 전력 변환기에 대한 단일칩 제어기 설계를 다루고 있다. 첫째는 1 kW급 출력의 마그네트론을 구동하는 E급 인버터의 제어 회로를 0.35 μm CMOS 공정을 이용하여 단일칩으로 구현하는 것이다. 둘째는 최대 1 W 수준의 출력으로 수동 매트릭스형 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이에 전원을 공급하는 승압형 DC/DC 변환기를 제어 회로와 함께 전력 스위칭 소자까지 하나의 칩으로 집적화하는 것이다.
가정용 전자레인지(microwave oven)는 고주파를 발생하는 마그네트론을 구동하기 위해 기존의 60 Hz 전력선 전압을 바로 승압하는 형태가 아닌 수십 kHz로 동작하는 인버터를 채용하고 있다. 하나의 IGBT 스위치로 구현된 이 인버터의 동작은 실제로 RF 전력 증폭기에 사용되는 E급 동작에 해당하는데, 이 인버터 전원 장치가 기존의 철공진형 승압 변압기를 대체함으로써 전자레인지를 이용한 요리가 좀 더 다양해지고 전자레인지의 무게가 줄어들게 되었다.
E급 동작은 RF 영역의 전력 증폭기에 처음 사용되었는데, 기본적으로 소프트 스위칭을 하므로 스위칭 손실이 작고, 스위치 주변의 기생 커패시터가 공진 커패시터에 흡수되므로 기생 효과의 영향이 작고, 하나의 스위치로 구현이 가능하므로 구조가 간단하고 가격이 저렴한 장점을 지니고 있다.
E급 전력 증폭기의 구조는 흔히 볼 수 있는 전원측에 전류원 인덕터(RF choke)를 사용한 전류원 형태와 그러한 인덕터 없이 부하가 하나의 인덕터와 하나의 커패시터로 구성된 전압원 형태로 나뉘어지며, RF 영역뿐만 아니라 안정기(ballast)나 DC/DC 변환기 등 전력 변환 분야에서도 다양한 응용 예를 찾을 수 있다. 하지만 대부분 전류원 인덕터를 사용한 E급 동작만이 주를 이루고 있다.
전압원 형태로 구성된 E급 인버터는 간단하고 가격대비 효율적인 전력 변환 회로가 될 수 있는데 전력 변환 회로에 적용된 것은 1990년 즈음에 전자레인지용 마그네트론 구동을 위한 E급 인버터를 누설 트랜스포머와 IGBT를 이용해 구성한 예가 발표되면서부터로 보여진다.
위와 같은 전압원 형태의 E급 인버터는 다른 분야의 산업용·의료용 마그네트론 구동 뿐만 아니라 유도 가열 방식을 응용하는 분야나 안정기에도 응용될 수 있다.
전자레인지용 인버터 전원 장치의 제어 회로는 역률 개선과 각종 보호 기능이 중심이다. 기존에는 마이컴(microcomputer)과 개별 소자를 이용하여 평균 입력 전류 수준을 제어하고 역률 개선은 피드포워드로 제어했다. 그 원인은 트랜스포머 2차측의 비선형 특성과 마그네트론 방전 전후의 큰 특성 변화 때문에 안정적으로 부귀환 루프를 제어하기 어렵기 때문인데, 본 논문에서는 전원 전압의 변동과 출력 부하의 변동에도 불구하고 안정적인 부귀환 제어 회로를 CMOS 단일 칩으로 구현하였다.
E급 인버터의 한 가지 단점은 동작의 특성상 스위치에 가해지는 공진 전압의 스트레스가 입력 전압에 비례하여 커지므로 입력 전압이 높은 환경에서는 사용이 어렵다는 것이다.
처음 인버터 형태의 전자레인지가 개발된 일본의 경우 가정용 전원 전압이 100 V로 낮고 적합한 규격의 IGBT 소자의 대량 공급이 쉬운 환경과 추가의 회로 없이 높은 역률을 얻을 수 있는 장점 등으로 E급 인버터는 누설 트랜스포머와 함께 가장 경제적인 해결책이었으나, 입력 전원 전압의 상승에 따른 문제가 필연적으로 발생하므로 이를 해결하기 위해 사용되는 대표적인 구조가 능동 클램프 E급 인버터와 Half-bridge 형태의 직렬 공진형 인버터이다.
본 논문에서는 또한 기존의 E급 동작이 가지는 문제점을 해결하기 위해 E급 동작에 기반한 여러 가지 형태의 수정·보완 회로를 제시하였다.
최근 마이크로머신(MEMS)이나 유기발광다이오드 디스플레이 분야에의 응용을 위해 기존의 CMOS 공정에 추가하여 고전압의 BCD 공정을 제공하는 실리콘 파운드리 업체가 증가하고 있지만, 입력 혹은 출력 전압이 높은 고전압 DC/DC 변환기를 설계하는 경우 원하는 설계에 적합한 고전압 스위칭 소자를 제공하는 공정을 찾기란 쉽지 않다.
현재 파운드리 업체에서 제공하는 고전압 MOSFET의 특징 가운데 하나는 드레인-소스 간 항복전압 보다 게이트-소스 간 절연파괴 전압이 훨씬 낮은 것이다. 예를 들어, PolarFab 공정의 30 V Power MOSFET의 게이트-소스 간 절연파괴 전압은 16 V이다. 그러므로 낮은 전압의 DC/DC 변환기에서와 같이 스위치의 게이트를 변환기의 가장 높은 전압인 출력 혹은 입력 전압으로 구동할 수 없으며 스위칭 손실 면에서도 바람직하지 않다.
따라서 고전압 승압형 DC/DC 변환기에서는 PMOS 출력 스위치 대신 쇼트키 다이오드를 사용하여 게이트 구동을 단순화하는 방법을 일반적으로 채택하고 있다. 하지만 이와 같은 방식은 출력 전압이 낮을 경우 입력에서 출력으로 단락 전류가 흐르게 되어 이를 막기 위한 또 다른 스위치가 필요한 문제점이 있다.
본 논문에서는 고전압 승압형 DC/DC 변환기를 동기식으로 설계하고 각 스위치의 게이트를 출력 전압의 절반으로 효율적으로 구동하는 방법을 제시하고 구현하였다. PolarFab의 0.5 μm 40 V BiCMOS 공정을 이용해 제작된 이 단일칩 DC/DC 변환기는 3.7 V 수준의 입력 배터리 전압에서 12 V에서 20 V 사이의 출력 전압을 만들 수 있으며 에너지 환원 기법을 이용하여 최대 87%의 효율을 얻을 수 있다.
