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2019.08.21 SiC 파워 디바이스

활용 포인트 : 게이트 드라이브 -제1장-

Full SiC 파워 모듈

이번에는 Full SiC 파워 모듈의 우수한 성능을 충분히 활용하기 위한 검토에 대해 알아보겠습니다. 먼저 게이트 드라이브에 대한 「제1장」으로써, 게이트 드라이브의 검토 사항을 살펴본 후, 「제2장」에서 대처 방법에 대해 설명하겠습니다.

게이트 드라이브의 검토 사항 : 게이트 turn-on 오동작

지금부터 설명할 내용은, Full SiC 파워 모듈 고유의 검토 사항이 아니라, SiC-MOSFET로 구성하는 경우에도 필요한 검토 사항입니다. 또한, 디스크리트 구성의 설계 시에도 도움이 되는 정보입니다.

「게이트 turn-on 오동작」은, High-Side SiC-MOSFET+Low-Side SiC-MOSFET의 구성에서 SiC-MOSFET의 천이 (스위칭) 시, High-Side SiC-MOSFET의 게이트 전압에 링잉이 발생하거나, Low-Side SiC-MOSFET의 게이트 전압이 상승하여, SiC-MOSFET가 오동작하게 되는 현상입니다. 하기 파형을 보면 어떠한 현상인지 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

녹색 파형은 High-Side SiC-MOSFET의 게이트 전압 VgsH, 적색 파형은 Low-Side의 게이트 전압 VgsL, 청색 파형은 Vds를 나타냅니다. 모두 링잉 및 발진이 보여지므로, 낙관하기는 어려운 파형입니다. 예를 들어, Low-Side가 OFF되어야 하는 타이밍에서 오동작이 발생하여 ON되면, High-Side와 Low-Side 사이에 관통 전류가 흐르는 등의 문제가 발생할 가능성이 있습니다.

이러한 현상은, SiC-MOSFET의 특성 중 하나인 초고속 스위칭이 원인입니다. Low-Side의 게이트 전압 상승은 High-Side가 ON으로 스위칭될 때 발생하는 Vd의 링잉과, Low-Side SiC-MOSFET의 기생 게이트 용량으로 인해 발생됩니다.

Full SiC 파워 모듈의 스위칭 속도와 기생 용량

게이트 전압의 링잉 및 상승과 관계가 있는 Full SiC 파워 모듈의 스위칭 속도와 기생 용량의 특징을, 기존의 IGBT 파워 모듈과 비교하여 확인해 보겠습니다.

스위칭 속도 : IGBT와의 비교

하기는, 스위치 ON 시와 OFF 시의 dV/dt, 즉 스위칭 속도를 IGBT 모듈과 비교한 그래프입니다. SiC 모듈의 스위치 ON 시의 dV/dt는, IGBT 모듈과 거의 동일하고, 외장 게이트 저항 Rg에 의존합니다. OFF 시, SiC 모듈은 IGBT와 같이 tail 전류가 없으므로, ON 시와 마찬가지로 외장 게이트 저항 Rg에 의존하는 dV/dt를 나타내고 있습니다.

기생 용량 : IGBT와의 비교

MOSFET (IGBT)에는 기생 용량으로서, 게이트-드레인 (콜렉터) 사이의 Cgd (Cgc), 게이트-소스 (이미터) 사이의 Cgs (Cge), 드레인 (콜렉터)-소스 (이미터) 사이의 Cds (Cce)가 존재합니다. 이 중, Low-Side의 게이트 전압 상승과 관련된 것은, Cgd와 Cgs입니다.

하기의 좌측 그래프는 Cgd (Cgc) 및 Cgs (Cge)와 Vds (Vce)의 관계를 나타냅니다. SiC 모듈로 표시되지 않은 곡선은 IGBT를 가리킵니다. 각 곡선이 나타내듯이, 해당 기생 용량은 동일한 정도로 특성도 비슷합니다. 우측 그림은, Cgd (Cgc)와 Cgs (Cge)의 비율로, 기생 게이트 용량비라고 하며, Low-Side의 게이트 전압 상승에 영향을 미치는 파라미터입니다. 좌측 그래프의 직접적인 용량치를 통해 추측할 수 있듯이, 동일한 정도의 기생 용량을 나타냅니다.

게이트 전압 상승의 메커니즘

앞에서 기술한 것처럼, Low-Side SiC-MOSFET의 게이트 전압 상승은, High-Side SiC-MOSFET의 스위치 ON 시의 dV/dt가 고속이기 때문입니다. Low-Side SiC-MOSFET의 기생 게이트 용량과 게이트 임피던스에 의해 게이트 전압 상승 ⊿Vgs가 발생합니다.

SiC-MOSFET의 스위치 ON 속도가 외장 게이트 저항 Rg에 의존하는 것은 상기 그래프를 통해 알 수 있으며, Rg가 작아지면 dV/dt가 커집니다.

게이트 기생 용량은 근본적으로 존재하는 것이므로 조정이 불가능합니다. 따라서, 일정량의 게이트 기생 용량이 존재한다는 전제로, Low-Side의 게이트 임피던스를 ⊿Vgs의 인자로 하여, 조정 가능한 외장 게이트 저항 Rg를 검토합니다.

하기는, Low-Side의 게이트 전압 상승 ⊿Vgs와, High-Side의 외장 게이트 저항 Rg_H 및 Low-Side의 외장 게이트 저항 Rg_L과의 관계를 나타낸 그림입니다. 그래프에서 알 수 있듯이, High-Side의 Rg_H가 작을수록, 즉 dV/dt가 고속일수록 그리고 Low-Side의 외장 게이트 저항이 클수록, ⊿Vgs가 커지는 것을 알 수 있습니다.

다음 편에서는, 이러한 내용을 바탕으로 게이트 전압 상승의 대처 방법에 대해 검토하겠습니다.

키 포인트

・Full SiC 파워 모듈의 게이트 드라이브 검토 사항으로 「게이트 turn-on 오동작」이 있다.

・게이트 turn-on 오동작은 High-Side의 스위치 ON 시 dV/dt가 고속인 점과, Low-Side의 기생 게이트 용량 및 게이트 임피던스로 인해 발생한다.

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