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2020.11.11 AC/DC

설계에 사용하는 전원 IC : SiC-MOSFET용으로 최적화

SiC-MOSFET를 사용한 절연형 의사 공진 (Quasi-Resonant) 컨버터의 설계 사례

먼저 설계에 사용하는 전원 IC에 대해 설명하겠습니다. 「서론」에 기재한 바와 같이 본 테마에서는 「의사 공진 (Quasi-Resonant) 컨버터」의 설계와 파워 트랜지스터에 「SiC-MOSFET」를 사용한다는 새로운 2가지 과제가 있습니다. 따라서, 전원 IC로는, SiC-MOSFET를 스위치로 사용할 수 있는 의사 공진 컨버터 IC를 사용해야 합니다.

전원용 IC를 사용하는 설계에서 SiC-MOSFET를 사용하기 위해서는 전용의 전원용 IC가 필요

이번 설계 사례에 사용할 전원 IC는 로옴의 「BD7682FJ-LB」라는 IC입니다. BD7682FJ-LB는 AC/DC 컨버터용 의사 공진 컨트롤러로, SiC-MOSFET를 구동하기 위해 최적화된 세계 최초*의 IC입니다. (*2015년 3월 25일 시점)

SiC-MOSFET를 스위치로 사용하기 위해서는, SiC-MOSFET 전용으로 설계된 전원용 IC가 필요합니다. 이는, SiC-MOSFET의 게이트 구동이 Si-MOSFET와 동일하지 않다는 것을 의미합니다. 그럼 전원 IC에 대한 설명에 앞서, SiC-MOSFET와 Si-MOSFET의 게이트 구동의 차이점에 대해 설명하겠습니다.

주된 차이점으로, SiC-MOSFET는 구동 시의 VGS가 약간 높고, 내부 게이트 저항이 높은 편이므로 외장 게이트 저항 Rg는 작은 값을 사용한다는 점입니다. Rg에 대해서는 외장 저항이므로 회로 설계의 범주에 해당됩니다. 그러나, 게이트 구동 전압은 대부분 IC의 사양에 의존하므로, SiC-MOSFET용으로 최적화된 전원 IC를 선택하는 것이 좋은 방법입니다.

구체적으로는, 일반적인 IGBT나 Si-MOSFET의 구동 전압은 VGS=10V~15V입니다. 전원 IC의 경우에도, 예를 들면 「AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법」에서 사용한 AC/DC 컨버터용 PWM 컨트롤러 IC : BM1P061FJ의 게이트 구동 전압 (OUT 단자 H 전압)은 10.5V (min)~14.5V (max)이며, typ는 12.5V 사양입니다.

반면에 SiC-MOSFET는 VGS가 20V 이상에서 서서히 포화되므로, VGS=18V 전후에서의 구동이 권장됩니다. 이번 사례에서 사용하는 BD7682FJ-LB의 게이트 구동 전압 (OUT 단자 클램프 전압)은 16.0V (min)~20.0V (max)이며, typ는 18.0V입니다.

하기 그래프는 BM1P061FJ의 설계 예에서 사용한 Nch 800V 5A의 Si-MOSFET : R8005ANX (왼쪽)와 이번 사례에서 사용하는 Nch 1700V 3.7A의 SiC-MOSFET : SCT2H12NZ (오른쪽)의 ON 저항 vs VGS 특성입니다. 상기 IC의 게이트 구동 전압이 각각의 MOSFET가 포화되기 직전 정도의 VGS임을 알 수 있습니다.



단, 동등한 사양 및 조건에서 비교한 것이 아니므로, 앞서 기술한 VGS의 차이점을 이해하기 위한 것임을 인식하여 주십시오.

설계에 사용하는 전원 IC : SiC-MOSFET 구동용 AC/DC 컨버터 제어 IC : BD7682FJ-LB

BD7682FJ-LB가 SiC-MOSFET 구동용으로서 가장 중요한 포인트는 앞서 설명하였으므로, 이제 개요와 특징에 대해 설명하겠습니다.

<특징>

  • 소형 8핀 SOP-J8 패키지
  • Low EMI 의사 공진 방식
  • 주파수 저감 기능
  • 스탠바이 시 낮은 소비전류 : 19uA
  • 무부하 시 낮은 소비전류 (경부하 시 burst 동작)
  • 최대 주파수 (120kHz)
  • CS 단자 Leading-Edge Blanking
  • VCC의 UVLO 및 OVP 보호
  • 사이클 별 과전류 보호회로
  • 소프트 스타트
  • ZT 트리거 마스크 기능 및 OVP 보호
  • 입력 저전압 보호 기능 (브라운 아웃)
  • SiC-MOSFET용 게이트 클램프 회로

<중요 특성>

  • 동작 전원전압 범위 (VCC) : 15.0V~27.5V
  • 통상 동작전류 : 0.80mA (typ.)
  • Burst 시 동작전류 : 0.50mA (typ.)
  • 최대 발진 주파수 : 120kHz (typ.)
  • 동작온도 범위 : -40℃~105℃

주요 특징으로는 SiC-MOSFET 전용이라는 점과 의사 공진 방식입니다. 의사 공진 방식은 소프트 스위칭 동작에 의해, PWM 방식 대비 Low Noise이므로 고효율로 EMI 저감이 가능합니다.

또한, 690VAC라는 고전압에서도 동작 가능한 보호 기능을 다수 탑재하여, 폭넓은 산업기기 어플리케이션에 대응 가능합니다. 전원전압 단자의 과전압 보호, 입력전압 단자 브라운 인 / 브라운 아웃 (저전압 입력 동작 금지 기능), 과전류 보호, 2차측 과전압 보호 등을 탑재하고 있습니다.

SiC-MOSFET는 고내압 어플리케이션에 있어서, Si-MOSFET 대비 스위칭 손실 및 도통 손실이 적고, 온도에 따른 특성 변동이 작다는 메리트가 있습니다. 이러한 메리트를 통해 전력 변환의 고효율화, 방열기의 소형화, 고주파 동작에 의한 트랜스 및 콘덴서의 소형화 등, 최근의 중요 과제인 저전력화와 소형화에 유용합니다.

오른쪽 그림은 AC/DC 컨버터에서 SiC-MOSFET와 Si-MOSFET의 효율을 비교한 그래프입니다. 그림과 같이 최대 6%의 효율 개선을 기대할 수 있습니다.

참고로, 이번 사례에서 사용하는 BD7682FJ-LB 이외에도 FB 단자 과부하 보호, VCC 단자 과전압 보호 기능에 따라 하기와 같이 라인업을 구비하고 있습니다.

  FB 단자 OLP VCC 단자 OVP
BD7682FJ-LB AutoRestart Latch
BD7683FJ-LB Latch Latch
BD7684FJ-LB AutoRestart AutoRestart
BD7685FJ-LB Latch AutoRestart

마지막으로 특성 및 성능에는 직접적으로 관계가 없지만, 상기 제품은 모두 산업기기 시장용으로 장기간 공급을 보증하는 제품입니다. 우수한 성능과 산업기기에 필요한 보호 기능 등을 탑재한 전원 IC입니다.

다음 편에서는 의사 공진 방식에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・전원용 IC를 사용하는 설계에서 SiC-MOSFET를 사용하기 위해서는 전용의 전원용 IC가 필요하다.

・SiC-MOSFET와 Si-MOSFET의 게이트 구동 전압 VGS에는 차이점이 있다.

・본 설계 사례에서는, SiC-MOSFET 구동용 AC/DC 컨버터 제어 IC인 BD7682FJ-LB를 사용한다.

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