부산대학교 도서관

자동차용 스위치는 기존 릴레이 스위치에서 안정성 및 신뢰성이 높고 기계적 노이즈가 없는 전력반도체 스위치로 전환되고 있다. 이러한 전력반도체 스위치를 사용할 경우 별도의 추가적인 외부 센싱 회로 없이 SenseFET을 이용하여 전류를 센싱할 수 있는 장점이 있다. 그러나 현재 사용되는 전력 반도체 스위치의 SenseFET의 전류 센싱 오차율은 ±20% 달한다. 추가적인 교정회로를 이용하여 오차율을 개선하는 노력을 기울이고 있지만 SenseFET 자체의 높은 오차율로 인해서 오차율을 낮추기에는 한계가 있다. 또한, 턴오프시 기계적으로 절연된 릴레이 스위치와 달리 전력반도체에는 구조상 기생 다이오드가 존재한다. 이로 인해 부하에 흐르는 전류의 턴오프 시간이 길어지고, 또한 Reverse Battery 시 부하 및 Driver IC에 역방향으로 고전류가 발생하여, 신뢰성 및 안정성을 저하시키는 요인이 된다. 현재 전력반도체를 사용한 자동차용 모듈의 경우 추가적인 보호 회로를 이용하여 이를 방지하고 있다. 본 논문에서는 전류 센싱 정확도 개선 및 Reverse battery 보호가 가능한 High-Side Switch Driver IC를 제안한다. 현재 기계식으로 동작하는 릴레이 스위치를 대체하는 전력 반도체 스위치의 경우 전류 센싱 오차가 크고 Reverse Battery 보호를 위하여 추가적인 외부 보호 회로를 사용해야 하는 단점이 존재한다. 제안된 IC는 제시된 단점을 하나의 IC로 보완할 수 있도록 설계되었다. P-sub 기반의 90V 0.13um BCD 공정을 이용하였으며, 구동부와 센싱부를 집적화하여 전류 센싱 오차율을 개선하는 효과와 동시에 Reverse Battery 시 역전류를 완전 차단하도록 설계되었다. Self-Boost Charge Pump 구조의 High-Side Switch Driver를 형성하여 전력반도체 스위치를 구동하였으며, 0.1A-6.5A 범위에서 오차율 ±5% 이내의 개선된 전류 센싱 정확도를 확인하였다. 또한, 제안된 IC를 사용하면 추가적인 외부 보호 회로 없이 Reverse Battery 보호가 가능함을 확인하였다. 끝으로 제안된 IC는 자동차용 신뢰성 평가 규격인 AEC-Q100을 통하여 성능을 검증함으로써 자동차용 반도체 사용에 적합한 제품 기준을 만족하였다.
In recent years, automotive switches have undergone transitions from the conventional relay switches to power semiconductor switches owing to their high stability and reliability and low mechanical noise. A power semiconductor switch offers the advantages of SenseFET-based current sensing without requiring additional external sensing circuits. However, the sensing current using automotive power semiconductor SenseFETs are flawed because of a large current sensing error range of ±20%. Efforts are underway to reduce the error rates by using additional calibration circuits. However, the wide range of error of the SenseFETs hampers such error reduction attempts. Moreover, parasitic diodes are structurally generated within a power semiconductor, unlike the relay switch circuits that are mechanically cut off in the turn-off state. Not only do such parasitic diodes cause output current turn-off delays, they also induce high currents in the reverse direction to the load and driver IC in the reverse battery mode. These factors are detrimental to the reliability and stability of the power semiconductor switches. Currently, an additional protection circuit is used to protect the automotive power semiconductor modules from such negative factors. These drawbacks bring about undesirable consequences such as lower current sensing accuracy, increased complexity, inferior performance, and price rise, and impede the conversion transition from relay switches into power semiconductor switches.This paper presents a high-side switch driver IC capable of improving the current sensing accuracy and providing reverse battery protection. Power semiconductor switches used to replace relay switches are encumbered by two disadvantages: they are prone to current sensing errors and they require additional external protection circuits for reverse battery protection. The proposed IC integrates a gate driver and current sensing blocks, thus compensating for these two disadvantages with a single IC. A p-sub-based 90-V 0.13-µm bipolar-CMOS-DMOS (BCD) process is used for the design and fabrication of the proposed IC. The current sensing accuracy (error ≤ ±5% in the range of 0.1 A–6.5 A) and the reverse battery protection features of the proposed IC were experimentally tested and verified. In addition, it was evaluated and verified based on AEC-Q100 standard for reliability of automotive semiconductor IC.