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2019.08.21 SiC 파워 디바이스

활용 포인트 : 게이트 드라이브 -제2장-

Full SiC 파워 모듈

활용 포인트 : 게이트 드라이브 -제1장-」 편에서, Full SiC 모듈의 게이트 드라이브 검토 사항으로, 「게이트 turn-on 오동작」에 대해 알아보았습니다. 이번에는 제2장으로, 게이트 turn-on 오동작의 대처 방법에 대해 설명하겠습니다.

「게이트 turn-on 오동작」의 억제 방법

게이트 turn-on 오동작의 대책으로, 3가지 방법이 있습니다.

①은 Vgs를 0V가 아닌 부전압으로 낮춤으로써, Vgs에 상승이 일어나도 임계치에 도달하지 않도록 마진을 부여하는 방법입니다. 이 방법은, 마이너스 게이트 드라이브 전압이 필요하므로, 게이트 드라이버의 전원은 +18V / -3V와 같이 비대칭의 양전원을 사용합니다. 이 경우, 부전압은 Vgs의 최대 정격을 초과하지 않도록 설정할 필요가 있습니다.

②는 게이트-소스 사이에 외장 콘덴서를 추가하여 임피던스를 낮춤으로써, 게이트 전위 상승을 억제하는 방법입니다. 검토 사항으로서, CGS는 손실 요인이기도 하므로, 적정한 용량을 사용할 필요가 있습니다.

③은 미러 클램프용 MOSFET를 게이트-소스 사이에 추가하는 방법입니다. SiC-MOSFET OFF 시에 이 MOSFET를 ON함으로써, Vgs를 거의 0V로 억제하여 게이트 전위 상승을 배제합니다.

평가 회로를 통한 확인

평가 회로를 사용하여 게이트 전압 상승의 억제 효과를 확인하겠습니다. 하기는, 게이트 드라이브 회로의 예로, 게이트 드라이브 L은 부전압 드라이브입니다. CN1과 CN4의 +18V, CN3과 CN6의 -3V가 드라이버 전원입니다. CGS와 미러 클램프 MOSFET를 추가함으로써, 게이트 저항을 포함하여 조정 가능합니다. 이 게이트 드라이버를 Full SiC 파워 모듈의 게이트와 소스에 접속시켜, 게이트 전압의 상승을 확인합니다.

②의 외장 CGS를 추가한 경우의 효과부터 확인해 보겠습니다. 하기 그림은 외장 CGS가 없는 데이터입니다. 앞서 설명한 바와 같이, Low-Side의 게이트 저항 Rg를 작게하면 Vgs의 상승이 커지게 됩니다.

다음으로, 하기는 외장 CGS로서 2.2nF을 추가한 경우의 데이터입니다. 2.2nF의 곡선을 통해 알 수 있듯이 게이트 전압의 상승은 억제됩니다.

그리고, 하기는 CGS를 5.6nF으로 증가시킨 경우의 데이터입니다. 용량을 늘려도, 억제 효과는 특별히 향상되지 않습니다.

결과적으로, CGS를 추가하는 것은 Vgs의 상승 저감에 효과를 발휘하지만, 단순히 콘덴서의 용량을 크게 한다고 해서 효과가 커지지는 않는다는 것을 알 수 있습니다. 앞서 설명한 바와 같이 CGS는 손실 요인이기도 하므로, 콘덴서의 용량은 적정한 값을 선택할 필요가 있습니다.

다음으로 하기는, ③의 미러 클램프 MOSFET의 효과를 나타낸 그래프입니다. CGS를 추가한 데이터는 점으로 표기하였습니다. 미러 클램프의 데이터는 가운데가 비어있는 점으로 표기하였으며, 효과가 매우 높은 것을 알 수 있습니다. 또한, 우측의 그래프를 통해 서지 전압의 모든 조건이 거의 같다는 것을 알 수 있습니다.

마지막으로, 하기는 실제의 파형입니다. 녹색과 청색이 대책 실시 전의 파형이고, 적색과 주황색이 대책 실시 이후의 파형입니다. 조건은 우측 표에 기재되어 있으며, 대책 실시 후는 미러 클램프 MOSFET를 추가하였고, Rg는 3.9Ω에서 2.2Ω으로, CGS는 5.6nF을 추가하였습니다.

Id, Vd 모두 대책 실시 후에는 링잉이 작아졌습니다. Vgs의 경우, Vgs (L)에서는 5.9V 피크의 상승이 관찰되었지만, 대책 실시 이후에는 1.1V로 억제되었습니다. Vgs (H)에서도 7.7V를 피크로 하는 링잉이 3.5V로 저감되어, 더욱 빠르게 억제됨을 알 수 있습니다.

이처럼, Full SiC 파워 모듈의 게이트 드라이브를 최적화함으로써, 한층 더 저손실로 깨끗한 동작이 가능합니다.

키 포인트

・「게이트 turn-on 오동작」의 억제 방법으로서, ①OFF 시의 Vgs를 부전압으로 인가, ②외장 CGS 추가, ③미러 클램프 MOSFET 추가가 있다.

・Full SiC 파워 모듈의 게이트 드라이브를 최적화함으로써, 한층 더 저손실로 깨끗한 동작이 가능하다.

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