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2020.12.23 SiC 파워 디바이스

SiC MOSFET의 게이트 구동 회로와 Turn-on · Turn-off 동작

SiC MOSFET : 브릿지 구성에서의 게이트 – 소스 전압 동작

SiC MOSFET의 브릿지 구성」 편에서 설명한 SiC MOSFET의 브릿지 구성에서의 게이트 구동 회로와 Turn-on · Turn-off 동작에 관해 설명하겠습니다.

SiC MOSFET 브릿지 구성의 게이트 구동 회로

LS (Low-side) 측 SiC MOSFET에서, Turn-on 시와 Turn-off 시의 VDS 및 ID가 변화하는 양상은 다릅니다. 이러한 변화가, 게이트 – 소스 전압 (VGS)에 미치는 영향에 대해 고찰하기 위해서는, 게이트 구동 회로의 기생 성분을 포함한 등가 회로를 이해해야 합니다.

오른쪽 그림은 기본이 되는 게이트 구동 회로와 SiC MOSFET의 등가 회로입니다. 게이트 구동 회로에는 게이트 신호 (VG), SiC MOSFET 내부의 게이트 배선으로 인한 저항 (RG_INT), 및 SiC MOSFET 패키지의 소스 인덕턴스 (LSOURCE), 게이트 회로 패턴의 인덕턴스 (LTRACE)와 외장 게이트 저항 (RG_EXT)이 존재합니다.

각 전압과 전류의 극성은 등가 회로도에 있어서 게이트 전류 (IG) 및 드레인 전류 (ID)가 나타내는 방향을 플러스 (+)로 하고, 소스 단자를 기준으로 VGS 및 VDS를 정의하고 있습니다.

또한, SiC MOSFET 내부의 게이트 배선에도 인덕턴스는 존재하지만, LTRACE에 비해 작으므로, 여기에서는 생략하였습니다.

Turn-on · Turn-off 동작

브릿지 회로에서의 Turn-on · Turn-off 동작을 이해하기 위해, 지난 편에서 제시한 브릿지 회로의 각 SiC MOSFET의 전압 및 전류 파형에 대해 자세히 설명하겠습니다. 오른쪽 파형도는 지난 편과 동일한 파형도입니다. 상기 등가 회로도와 함께 확인하여 주십시오.

LS 측을 ON하기 위해, LS 측 게이트 신호에 플러스 (+) VG가 인가되면, 게이트 – 소스 용량 (CGS)으로의 충전이 시작되어 VGS가 상승하고, SiC MOSFET의 게이트 임계 전압 (VGS(th)) 이상이 되면 LS에서 ID가 흐르기 시작합니다. 이와 동시에 소스에서 드레인 방향으로 흐르는 HS 측의 ID가 감소하기 시작합니다. 이때의 시간 영역은 지난 편에서 정의한 T1 (파형도 하단부 표시)입니다.

다음으로, HS 측의 ID가 zero가 되어 기생 다이오드가 Turn-off하면, 중간점의 전압 (VSW)이 강하를 시작함과 동시에 HS 측의 드레인 – 소스 용량 (CDS) 및 드레인 – 게이트 용량 (CGD)으로 충전이 실행됩니다 (파형도 T2). 이러한 HS 측에서의 CDS+CGD로의 충전 (LS 측은 방전)이 완료된 후, LS 측의 VGS가 원하는 전압까지 도달했을 때, LS 측의 Turn-on 동작이 완료됩니다.

반면에, Turn-off 동작은 LS 측의 VG가 OFF하면 시작되고, LS 측의 CGS의 축적 전하가 방전을 시작하여 SiC MOSFET의 플래토 전압에 도달하면 (미러 효과 영역에 진입), LS 측의 VDS가 상승하기 시작함과 동시에 VSW가 상승합니다.

이 시점에서 대부분의 부하 전류는 아직 LS 측에 흐르고 있는 상태 (파형도 T4)이며, HS 측의 기생 다이오드에는 아직 프리휠링 전류 (転流電流 / Freewheeling Current)는 흐르지 않습니다. LS 측의 CDS+CGD로의 충전 (HS 측은 방전)이 완료되면, VSW가 입력전압 (E)을 초과하여 HS 측의 기생 다이오드가 Turn-on되고, LS 측의 ID가 HS 측으로 흐르기 시작합니다. (파형도 T5)

LS 측의 ID는 이후 zero가 되고 데드 타임 구간 (파형도 T6)에 진입하여, HS 측 MOSFET의 게이트 신호에 플러스 (+) VG가 인가되면 Turn-on하여, 동기 동작 구간이 됩니다. (파형도 T7)

이러한 일련의 스위칭 동작에 있어서, HS 측 및 LS 측 MOSFET의 VDS 및 ID의 변화에 기인하여 다양한 게이트 전류가 흐르고, 이것이 인가 신호 VG와는 다른 VGS 변화로 나타납니다. 이 부분에 대해서는 다음 편에서 설명하겠습니다.

키 포인트

・Turn-on 시와 Turn-off 시의 VDS 및 ID가 변화하는 양상은 다르다.

・이러한 변화가 VGS에 미치는 영향은, 게이트 구동 회로의 기생 성분을 포함한 등가 회로를 바탕으로 고찰한다.

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