SiC 파워 디바이스｜응용편
SiC MOSFET 게이트 – 소스 전압 측정 시의 주의점 : 일반적인 측정 방법
2024.07.10
키 포인트
・DUT의 단자에 연장 케이블을 솔더링하고 전압 프로브를 접속하여 측정하는 방법은 스위칭 속도가 빠른 경우 관측 파형이 크게 변화한다.
・측정을 위해 장착한 연장 케이블의 영향으로 인해 본래의 파형과 전혀 다른 파형이 관측된다.
・관측된 파형이 본래의 파형과 동일한지의 여부를 항상 염두에 두고 관측해야 한다.
SiC MOSFET는 우수한 스위칭 특성을 구비하고 있지만 스위칭 시의 전압이나 전류의 변화가 매우 크기 때문에, Tech Web 기초 지식 SiC 파워 디바이스 「SiC MOSFET : 브릿지 구성에서의 게이트 – 소스 전압 동작」 편에서 설명한 바와 같이, 게이트 – 소스 사이에서 발생하는 서지를 정확하게 측정할 필요가 있습니다. 본 테마에서는 게이트 – 소스 전압 측정 시 주의점에 대해 설명하겠습니다. SiC MOSFET를 예로 들어 설명하지만, 일반적인 MOSFET나 IGBT 등의 파워 디바이스 전반에 공통되는 내용이므로, 참고하여 주십시오.
SiC MOSFET 게이트 – 소스 전압 측정 : 일반적인 측정 방법
전원 유닛 등의 제품에 사용되는 파워 스위칭 디바이스는 일반적으로 냉각을 위해 히트싱크를 탑재하는 경우가 많아, 디바이스 단자간 전압 측정 시 통상적으로 전압 프로브 등을 디바이스의 단자에 직접 장착할 수 없습니다. 따라서, 디바이스의 단자에 연장 케이블을 솔더링하여, 제품의 본체 외부에서 전압 프로브를 접속하여 측정하는 경우가 있습니다.
그림 1은 로옴의 평가 기판 (P02SCT3040KR-EVK-001)에 히트싱크를 탑재하고 연장 케이블에 전압 프로브를 접속한 예입니다. 파측정 디바이스 (이하 DUT)의 단자에 전압 프로브 접속용 연장 케이블 (길이 약 12cm)을 솔더링하고, 복사 노이즈의 영향을 억제하기 위해 연장 케이블에는 연선을 사용하였습니다. 이러한 측정 방법을 사용하여 그림 2와 같이 브릿지 구성에서의 더블 펄스 시험을 실시하여 파형을 관측하였습니다.
그림 1. 연장 케이블에 전압 프로브를 접속하여
게이트 – 소스 전압을 측정
그림 2. 더블 펄스 시험 회로
더블 펄스 시험 회로의 High-side (HS)와 Low-side (LS)에 로옴의 SiC MOSFET SCT3040KR을 실장하여, HS를 스위칭하고 LS는 상시 OFF 상태 (게이트 전압＝0V)로 설정하였습니다. 그림 1의 연장 케이블은 HS의 게이트 단자와 소스 단자에 직접 솔더링하였습니다.
그림 3은 측정한 게이트 – 소스 전압 파형입니다. 외장 게이트 저항 RG_EXT가 10Ω인 경우, 연장 케이블의 영향은 그다지 크지 않지만, RG_EXT를 3.3Ω으로 설정하여 스위칭 속도를 빠르게 하면 전압 및 전류의 변화로 인한 노이즈나 회로적인 고주파 동작을 유발하여 측정 파형이 크게 변화합니다. 이는 측정을 위해 장착한 연장 케이블의 영향으로 인해 측정 기기에서의 주파수 대역이 변화하여 여분의 임피던스가 부가됨에 따라 본래의 파형과 전혀 다른 파형이 관측되는 예입니다.
Turn-on 파형
Turn-off 파형
그림 3. 연장 케이블을 장착하여 측정한 게이트 – 소스 전압의 파형. 본래의 파형과 전혀 다른 파형이 나타난다.
주의점으로서, 관측된 파형이 본래의 파형과 동일한지, 어떠한 영향으로 인해 본래의 파형과는 다른 파형이 관측되는지를 항상 염두에 두고 관측해야 합니다. 이를 위해서는 정확한 관측이 가능한 방법뿐만 아니라, 관측에 영향을 미치는 요인에 대해 잘 알고 있어야 합니다.
그림 4는 이 측정 예에 사용한 차동 전압 프로브의 등가회로를 나타낸 것입니다 (*1, *2). 통상적으로 전압 프로브의 주파수 특성은 프로브의 헤드부를 포함하여 설정됩니다. 그러나, DUT의 측정 단자에 연장 케이블을 장착하면, 수십 ns의 고속 스위칭 파형을 관측하는 경우 부유 인덕턴스 LEXT와 전압 프로브 본체의 입력용량 C 사이에서 공진 현상이 유발됩니다. 따라서, 본래의 전압 파형에 중첩되는 고주파의 전압 링잉이 발생하여 실제의 서지보다 큰 서지가 관측되는 경우가 있습니다.
그림 4. 차동 전압 프로브의 등가회로
- *1. 참고 자료 : 「ABCs of Probes」 Application Note (No. EA 60W-6053-14) Tektronix, 2016년 1월, 및 「WaveLink Medium Bandwidth (8-13GHz) Differential Probe」 Operator’s Manual (924243-00) TELEDYNE LECROY, May 2014
- *2. 참고 자료 : 「WaveLink Medium Bandwidth (8-13GHz) Differential Probe」 Operator’s Manual (924243-00) TELEDYNE LECROY, May 2014