역회복 시간 trr의 영향

인버터 회로에서 역회복 시간 trr의 영향

인버터 회로에서 스위칭 디바이스의 역회복 시간 trr (Reverse recovery time) 특성은 손실에 큰 영향을 미칩니다. 본 편에서는 ROHM Solution Simulator의 Power Device Solution Circuit을 사용한 시뮬레이션을 통해, 인버터 회로에서 trr의 영향에 대해 설명하겠습니다.

시뮬레이션에 사용하는 인버터 회로

지난 편에서 게재한 Power Device Solution Circuit 일람의 인버터 회로 「Ｂ-6. 3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kW」를 예로 사용하겠습니다 (그림 1). 이 인버터 회로의 스위칭 디바이스 (노란색 박스)를 변경하여 시뮬레이션을 실시하고, trr의 영향을 확인하겠습니다.

그림 1: Power Device Solution Circuit 인버터 회로 Ｂ-6. 3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kW

인버터 회로에서 trr 특성의 중요성

그림 2는, 그림 1의 인버터 회로에서 스위칭 시의 전류 경로입니다.

인버터 회로에는 공급하는 전력을 조정하기 위해, PWM이나 PFM 등의 제어를 통해 High-side와 Low-side의 디바이스를 교대로 ON / OFF시킵니다. 그림 2의 ①~⑤는 이때의 전류 경로를 나타낸 것이며, 이러한 동작이 반복됩니다.

주목해야 할 점은 ④에서 ⑤로의 동작입니다. High-side가 OFF에서 ON으로 변하는 타이밍에 Low-side의 내부 다이오드에 리커버리 전류가 흐르므로, High-side에서 Low-side로 관통 전류가 흐릅니다 (적색 표시).

그림 2 : 스위칭 시의 전류 경로

이러한 리커버리 전류는, 발생한 프리휠링 측 디바이스 (Low-side) 자체의 손실에 대한 영향은 작지만, 그림 3과 같이 스위칭 측 디바이스 (High-side)에 대해서는 VDS 변화 전에 통상적인 스위칭 전류에 추가되는 형태로 리커버리 전류가 흐르므로, 매우 큰 Turn-on 손실이 발생하게 됩니다. 따라서, 인버터 회로에서 스위칭 디바이스는 trr이 작은 제품을 선정하는 것이 중요합니다.

그림 3 : 스위칭 측 디바이스 (High-side)의 Turn-on 파형 예 및 trr의 크기와 스위칭 손실의 관계

trr 특성의 차이에 따른 스위칭 손실의 비교

그림 4는 그림 1의 인버터 회로 스위칭 디바이스에 일반적인 스위칭 용도의 Super Junction MOSFET인 R6047KNZ4를 사용한 경우와, 내장 다이오드의 trr이 고속인 PrestoMOS™ R6050JNZ4로 변경한 경우 (그림 1의 노란색 박스)의 스위칭 손실과 스위칭 파형의 시뮬레이션 결과입니다.

그림 4 : trr 특성이 다른 스위칭 디바이스의 스위칭 손실 및 파형 비교 (시뮬레이션)

시뮬레이션 파형이 나타내는 바와 같이, trr 특성의 차이로 인해 Turn-on 손실에 현저한 차이가 발생합니다. 내부 다이오드의 trr 특성이 고속인 R6050JNZ4가 R6047KNZ4에 비해 Turn-on 손실이 약 1/5로 저감된 것을 알 수 있습니다. 참고로, R6047KNZ4의 내부 다이오드 trr은 700ns (Typ.)인 반면, R6050JNZ4는 1/5 이하인 120ns (Typ.)입니다.

또한, 인버터 회로 동작 전체를 통해 스위칭 디바이스 (MOSFET)의 손실을 분석하면, 그림 5와 같이, trr로 인한 손실이 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다.

그림 5 : 일반적인 스위칭 MOSFET와 고속 trr MOSFET의 손실 분석

이러한 결과에서도 인버터 회로는 스위칭 디바이스 내부 다이오드의 trr이 고속인 제품을 선정하는 것이 중요하다고 할 수 있습니다.