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2021.02.10 SiC 파워 디바이스

Low-side 스위치 Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압 동작

SiC MOSFET : 브릿지 구성에서의 게이트 – 소스 전압 동작

지난 편에서는 SiC MOSFET 브릿지 구성에서의 게이트 구동 회로의 스위칭 동작에 따른 VDS 및 ID의 변화에 의해 발생하는 전류와 전압의 개요에 대해 설명했습니다. 이번에는 LS 스위치 Turn-on 시의 동작에 대해 설명하겠습니다.

Low-side 스위치 Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압의 동작

LS가 Turn-on하면, 먼저 ID가 변합니다 (하기 파형도 T1). 이때 LS의 ID는 증가 방향, HS의 ID는 감소 방향이 되므로, 하기 등가 회로도의 현상 (I)에 의해, 표시된 극성으로 식 (1)의 전압이 발생합니다. 식 (1)은 지난 편에서 게재했던 식과 동일한 식입니다. 전압 발생에 의한 전류는 소스 측을 플러스로 하여 CGS를 충전하므로, LS에서는 VGS를 억제하는 반면, HS에서는 VGS를 마이너스 측까지 낮추어, 마이너스 서지를 발생시킵니다. (파형도 VGS의 T1)

ID의 변화가 완료되면, LS의 VDS 전위가 감소합니다 (파형도 T2). 따라서 식 (2)의 전류가 등가 회로도의 (II)-1, (II)-2와 같이 흘러, VGS에서 각각 하기 식 (3), (4)와 같은 전압 상승이 발생합니다.

VDS의 변화가 시작된 직후에는 식 (3)에 의해 VGS가 주로 상승되지만, 시간의 경과에 따라 식 (4)에 의한 VGS의 상승도 시작됩니다. 즉, MOSFET의 CGD/CGS 비율 및 구동 회로의 RG_EXT, 게이트 구동 신호 패턴 배선의 인덕턴스 LTRACE가 크게 영향을 미칩니다.

등가 회로도와 같이, HS의 (II)-2 전류 ICGD2는 VGS를 상승시키는 방향이 됩니다. 따라서, 본래 OFF 상태인 HS는 VGS의 상승에 따라서는 Turn-on 동작을 시작하게 됩니다. 이것을 셀프 턴온이라고 합니다. HS의 셀프 턴온이 발생하면, LS의 ON 동작과 중복되어 HS와 LS의 MOSFET가 동시에 ON되는 현상이 발생하고, 이에 따라 관통전류 (Arm short 전류)가 흐르게 됩니다.

ICGD2는 LS의 Turn-on 동작이 완료될 때까지 계속 흘러 LTRACE에 축적되지만, VSW의 변화가 완료된 시점에서 소멸하여 LTRACE에 전압이 발생합니다. 이것이 상기 그림의 (III)입니다. ICGD2는 RG_EXT 등의 스위칭 조건에 따라서는 수 A에 달하기도 하므로, 이러한 전압 발생이 커지는 경우가 있습니다.

LS Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압은 상기 그림의 (I), (II), (III)의 영향으로 파형도와 같은 동작을 합니다. 파형도와 등가 회로도의 번호는 동일한 현상을 나타내고 있습니다. 또한, 그림의 VGS 점선 파형은 이상적인 파형을 나타낸 것입니다.

외장 게이트 저항의 영향

하기는 SiC MOSFET 브릿지 구성의 LS를 Turn-on했을 때의 더블 펄스 시험 결과입니다. (a)의 파형도는 외장 게이트 저항 RG_EXT가 0Ω인 경우, (b)는 10Ω인 경우입니다. (I), (II), (III)는 앞에서 게재한 그림과 동일한 의미입니다.

(a)와 (b)의 파형 비교를 통해, RG_EXT가 작은 쪽이 (I)에 의한 VGS의 감소폭이 크다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 스위칭 속도가 매우 빠르므로, (a)에서는 (III)과 같은 현상이 현저하게 발생하지만, RG_EXT가 0Ω이므로 (II)의 파형은 거의 관측되지 않습니다. 반면에 (b)는, (II)-2와 RG_EXT에 의한 VGS의 상승이 현저하게 나타납니다.

이러한 결과에서 알 수 있듯이, LS ON 시의 HS 셀프 턴온을 유발하는 (II)-2의 VGS 상승을 작게 억제하기 위해서는 HS Turn-off 시의 외장 게이트 저항 RG_EXT를 작게 해야 합니다. 그러나, 일반적으로 HS와 LS의 RG_EXT는 동일하게 하는 경우가 많으므로, RG_EXT를 작게 하면 LS의 dVDS/dt가 증대하여, 식 (1)과 같이 HS의 ICGD가 증가합니다. 결과적으로 식 (4)와 같이 HS 서지의 증대를 초래하게 됩니다.

대책으로서, Turn-on 시와 Turn-off 시의 RG_EXT를 별도로 하여, Turn-off 시에만 RG_EXT를 작게 하는 방법이 있습니다. 일반적인 방법으로서 오른쪽 그림과 같이 다이오드를 사용하는 방법이 있습니다. 이 방법으로는 Turn-on 시에 동작하는 저항은 RG_ON만 해당되며, Turn-off 시에 다이오드에 전류가 흘러 RG_ON과 RG_OFF의 병렬 저항이 됩니다. 따라서, Turn-on 시의 저항치에 비해 Turn-off 시의 저항치가 작아집니다.

또한, HS의 VGS 파형이, 앞서 설명한 파형도와 달리 (I)의 현상이 발생하기 직전에 일단 플러스 측으로 증가하는 것은 현상 (I)의 전류가 흐르기 시작하는 순간의 LSOURCE에 의하여 발생된 전압이 CGS를 통해 바로 관측되기 때문입니다.

다음 편에서는, LS Turn-off 시의 동작에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・MOSFET의 게이트 용량과 스위칭에 의한 VDS 및 ID의 변화에 따라, 브릿지 구성에서는 LS 스위치 Turn-on 시 HS에 셀프 턴온이 발생하는 경우가 있다.

・셀프 턴온 대책으로서, 외장 게이트 저항의 값을 작게 하는 방법이 있지만, 다른 동작에 영향을 미치지 않도록 HS Turn-off 시에만 게이트 저항이 작아지도록 해야 한다.

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