비대칭 TVS 다이오드를 사용하여 파괴적인 과도 전압으로부터 중요 회로 보호

과도 전압 스파이크 또는 서지가 발생할 경우, 전자 회로에 크고 작은 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 과도 상태가 발생하는 원인으로는 번개, 정전기, 유도 방전 등을 들 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 과도 상태는 번개, 정전기, 유도 방전과 같은 원인으로 발생할 수 있고, 제대로 보호되지 않은 전자 기기에는 큰 피해를 줄 수 있습니다. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

이러한 과도 상태는 피크 전압이 수백 볼트에서 수만 볼트에 이르고, 전류 범위가 킬로암페어이며, 지속 시간이 수백 나노초에서 밀리초에 이르는 펄스를 생성할 수 있습니다.

IC와 프로세서의 소형화와 공급 전압의 감소로 인해 전기적 과도 상태에 대한 감도가 증가했습니다. 여러 전자 시스템이 엔진, 스티어링, 제동, 온도, 엔터테인먼트 등 모든 것을 제어하는 차량에서는 특히 더 그렇습니다.

차폐 배선, 필터, 크로우바, 클램핑 장치 등 민감한 회로를 보호하기 위한 여러 가지 설계 전략이 지금까지 개발되었습니다. 차폐 및 필터링에서는 수동 소자 설계를 사용하는 반면, 크로우바 및 클램핑 보호에서는 능동적 메커니즘을 사용합니다. 점화 간극, 가스 방출, 사이리스터와 같은 크로우바 장치는 과도 상태를 접지로 션트하여 회로를 보호합니다. 보호 장치는 크로우바가 활성화되는 동안에는 작동하지 않지만 과도 상태가 진정되면 작동합니다.

클램핑 장치에는 임피던스를 변화시켜 전체 보호 장치에서 일정한 전압을 유지하는 금속 산화물 배리스터(MOV), 제너 다이오드, 과도 전압 억제(TVS) 애벌런치 다이오드가 포함됩니다. 이러한 기술은 단독으로 사용할 수도 있고 동시에 사용할 수도 있습니다. TVS 다이오드는 응답 시간이 빠르고 소비 전력이 높아 클램핑 장치로 널리 사용됩니다.

과도 전압 억제 다이오드

TVS 다이오드는 인가 전압이 애벌런치 항복 전압을 초과하면 초과 전류를 차단하여 전압을 일정한 전위로 유지하거나 클램핑하는 클램핑 장치 역할을 하는 애벌런치 다이오드입니다. 인가 전압이 항복 값 아래로 떨어지면 TVS 다이오드는 자동으로 초기화됩니다.

TVS 다이오드는 단일 극성의 과도 상태로부터 보호하는 단방향 장치와 양 극성의 과도 상태로부터 보호하는 양방향 장치로 제공됩니다(그림 2). 양방향 부품은 극성이 동일한 전압 진폭을 클램핑하는 대칭형이거나, 과도 상태의 극성에 따라 다른 전압 레벨로 클램핑하는 비대칭형일 수 있습니다.

그림 2: TVS 장치(세 가지 유형)의 전류-전압 항복 특성과 회로도 기호 (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

단방향 TVS 다이오드는 단순 다이오드처럼 작동하여 순방향 바이어스 시에는 전도되고 역방향 바이어스 시에는 다이오드의 항복 전압(_VBR)이 초과될 때까지 전도되지 않습니다. 인가 전압이 V_BR을 초과하면 다이오드가 전도되어 통과 전압이 클램핑 전압(_VC)으로 유지됩니다. 이 다이오드는 피크 펄스 전류(_IPP) x V_C의 최대 전력을 소모할 수 있습니다.

양방향 TVS 다이오드는 백투백 연결된 두 다이오드 역할을 합니다. 어느 방향에서든 항복 전압(V_BR)이 초과될 때까지 작은 역방향 누설 전류(I_R)가 흐릅니다. 두 바이어스 조건의 항복 전압 크기가 동일하므로 대칭적으로 작동합니다.

비대칭 TVS 다이오드는 항복 전압(V_BR1 및 V_BR2)이 다르다는 점만 제외하고 양방향 장치처럼 작동합니다.

비대칭 TVS 다이오드

비대칭 TVS 다이오드가 왜 필요한지 궁금하실 수 있습니다. 이러한 부품은 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET의 게이트 구동기를 보호하도록 설계되었습니다. SiC 스위치는 빠르게 작동하기 때문에 이러한 구동기는 과도 과전압에 의한 손상이 발생하기 쉽습니다. 온보드 충전이나 트랙션 인버터에는 SiC MOSFET을 고려해 보세요(그림 3).

그림 3: SiC MOSFET 스위치의 게이트 구동기를 보호하는 비대칭 TPSMB1505CA TVS (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

비대칭 Littelfuse TPSMB1505CA TVS는 MOSFET의 게이트 구동기를 보호하는 데 사용됩니다. 게이트 구동기는 두 가지 상태로 작동하는데, 온 상태에서는 게이트 전압이 -5V ~ +10V 사이이고 오프 상태에서는 게이트가 -10V 미만으로 구동됩니다. TPSMB1505CA의 정격 음극(K)-양극(A) 항복 전압은 16.7V ~ 18.5V이고 최대 클램프 전압이 24.4V입니다. 이 방향의 I_pp는 10ms ~ 1000ms의 과도 펄스 지속 시간에 24.6A입니다.

TVS의 A ~ K 항복 전압은 6.8V ~ 7.4V이고 최대 클램프 전압은 11.5V입니다. 이 방향의 피크 펄스 전류는 동일한 10ms ~ 1000ms 과도 펄스 지속 시간에 60A입니다. 이러한 작업은 단일 부품으로 수행되므로 개별 장치로 이러한 비대칭 작업을 수행하려면 여러 부품이 필요합니다.

Littelfuse TPSMB 비대칭 계열 TVS 다이오드(그림 4)에는 K-A 항복 전압이 다른 두 개의 추가 부품이 포함됩니다. TPSMB1805CA의 K-A 항복 전압 범위는 20.0V ~ 21.1V이고 최대 클램프 전압은 29.2V입니다. I_pp 정격은 10ms ~ 1000ms 펄스 지속 시간에 20.6A입니다. A-K 항복 범위는 TPSMB1505CA(6.8V ~ 7.4V)와 동일합니다.

그림 4: TPSMB 비대칭 장치는 장치의 K 측을 나타내는 절개 막대가 있는 표면 실장 DO-214AA 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Littelfuse Inc.)

TPSMB2005CA의 K-A 항복 전압 범위는 22.2V ~ 24.5V이고 최대 클램프 전압은 32.4V입니다. I_pp 정격은 다른 다이오드와 동일한 펄스 지속 시간에 18.6A이며, A-K 항복 범위는 TPSMB1505CA와 동일합니다.

세 TVS 다이오드는 모두 10ms ~ 1000ms 파형 지속 기간에 정격 피크 펄스 전력이 600W이며, 모두 자동차 AEC-Q101 인증을 획득했습니다. DO-214AA 표면 실장 패키지로 제공되어 기판 공간을 최적화하고 다이오드를 회로 접점에 가깝게 배치하여 최상의 보호 기능을 구현할 수 있습니다. 패키지의 절개 막대는 장치의 K 측을 나타냅니다.

결론

TPSMB 대칭 및 TPSMB 비대칭 TVS 계열은 번개, 정전기 또는 유도 방전으로 인해 발생하는 과도 전압으로부터 민감한 전자 회로를 보호하는 데 적합합니다. TPSMB 비대칭 장치는 단일 TVS 부품이 턴온 및 턴오프 구동 레벨을 모두 포함하는 고속 SiC 스위치의 게이트 구동기를 보호하는 데 특히 적합합니다.