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2021.11.10 Si 파워 디바이스

중부하 시 스위칭 소자의 동작에 관한 주의점

Phase Shift Full Bridge 회로의 전력 변환 효율 향상

중부하 시에는 MOSFET의 Body Diode 리커버리 시간 trr이 길고, 전류가 남아 있는 경우 Leading Leg MOSFET의 turn-off 시에 기생 바이폴라 트랜지스터가 셀프 ON되어, MOSFET가 파괴될 가능성이 있습니다. 이는 turn-off 시에 발생하는 드레인 – 소스 용량 CDS에 충전되는 전류로 인해 기생 바이폴라 트랜지스터가 자발적으로 ON (셀프 ON)되어, 순간적으로 대전류가 흐르게 되기 때문입니다.

인버터 회로 등에서는 MOSFET의 Body Diode에 순방향 전류가 흐르는 상태에서, 고전압의 역 바이어스를 인가함으로써 강제적으로 Body Diode 내부의 전하 (Qrr)를 급속하게 방출합니다. 이러한 방출에 필요한 시간이 trr이므로, 결과적으로 trr이 짧아집니다.

반면에 PSFB 회로의 경우, 리커버리 중에 Body Diode에 걸리는 바이어스가 거의 0V이므로 전하 방출이 늦어져 결과적으로 trr이 길어집니다. 하기 그림은 Leading Leg MOSFET의 VDS, ID, 리커버리 전류의 개략도를 나타낸 것입니다.

trr이 길어지면, 리커버리로 인해 발생하는 전류는 그림의 적색 점선과 같이 이동합니다. 즉, turn-off 시 MOSFET에 전하가 잔존하게 되어 더욱 전류가 흐르기 쉽고, 이로 인해 기생 바이폴라 트랜지스터의 셀프 ON이 발생하기 쉬워집니다.

t0~t1: MOSFET의 출력 용량에서 방전되어, Body Diode에 순방향 전류가 흐르기 시작한다.
t1~t3: Body Diode가 도통하고 있는 구간.
t1~t5: MOSFET가 turn-on하여, ON 상태인 구간.
t3~t4: Body Diode의 리커버리 전류가 흐르는 구간. trr이 길면, 이 구간은 길어진다.
t5~t6: MOSFET가 turn-off한다. 이때, trr이 길면 기생 바이폴라 트랜지스터가 셀프 ON되기 쉬워져 MOSFET가 파괴된다.

이와 같은 이유에서 PSFB 회로에서는 trr이 작은 MOSFET를 사용해야 합니다. 단순히 trr이 작을수록 유효성은 높아집니다. 시장에는 trr이 작은 고속 리커버리를 특징으로 하는 SJ MOSFET가 통용되고 있지만, 메이커나 시리즈에 따라 trr 및 관련된 파라미터가 다르므로, 선택 시에는 충분한 검토가 필요합니다.

Lagging Leg MOSFET의 경우도, turn-off 시에 발생하는 기생 바이폴라 트랜지스터의 셀프 ON이 발생할 가능성이 있습니다. 그러나, PSFB 회로의 동작에서 설명한 바와 같이 Leading Leg에 비해 ID가 플러스인 구간이 길어 trr로 인한 영향을 받기 어려워지므로, Lagging Leg 쪽이 기생 바이폴라 트랜지스터의 셀프 ON으로 인한 MOSFET의 파괴가 발생하기 어려워집니다. 하기 그림은 Lagging Leg MOSFET의 VDS, ID, 리커버리 전류의 개략도를 나타낸 것입니다.

t0~t1: MOSFET의 출력 용량에서 방전되어, Body Diode에 순방향 전류가 흐르기 시작한다.
t0~t2: Body Diode가 도통하고 있는 구간.
t1~t4: MOSFET가 turn-on하여, ON 상태인 구간.
t2~t3: Body Diode의 리커버리 전류가 흐르는 구간. trr이 길면, 이 구간은 길어진다.
t4~t5: MOSFET가 turn-off한다. Leading Leg에 비해 리커버리로 인한 영향을 받기 어려워, 기생 바이폴라 트랜지스터의 셀프 ON은 발생하기 어렵다.

키 포인트

・중부하 시에 trr이 긴 경우, Leading Leg의 turn-off 시에 기생 바이폴라 트랜지스터가 셀프 ON되어, MOSFET가 파괴될 가능성이 있다.

・PSFB 회로는 리커버리 중 Body Diode의 바이어스가 거의 0V이므로 전하 방출이 늦어지고, 결과적으로 trr이 길어진다.

・PSFB 회로에서는 trr이 작은 MOSFET를 사용하는 것이 중요하다.

・고속 리커버리 타입의 SJ MOSFET라도 메이커나 시리즈에 따라 성능에 차이가 있으므로, 선택 시에는 충분한 검토가 필요하다.

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