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2021.12.08 시뮬레이션

PFC 회로 : 적절한 게이트 구동 전압의 검토

PFC 회로의 최적화

PFC 회로 : 적절한 게이트 구동 전압의 검토

여기에서는 PFC 회로의 스위칭 소자로서 사용하는 SiC MOSFET에 대한, 적절한 게이트 구동 전압 VGS 값에 대해 검토해보겠습니다.

회로 예

회로는 Power Device Solution Circuit / AC-DC PFC 일람의 시뮬레이션 회로 「A-2. PFC BCM Diode-Bridge-Less Vin=200V Iin=2.5A」를 예로 들겠습니다 (그림 9 참조). 상세 회로도 확인은 여기를 클릭하여 주십시오.

본 예에서는 그림 9의 Low-side 스위칭 소자인 SiC MOSFET SCT2450KE를 구동하기 위한 적절한 VGS의 값을 시뮬레이션을 이용하여 검토해보겠습니다.


그림 9 : PFC 시뮬레이션 회로 「A-2. PFC BCM Diode-Bridge-Less Vin=200V Iin=2.5A」

ON 저항과 게이트 구동 전압의 관계

그림 10과 같이, 기존 Si (실리콘) MOSFET의 ON 저항 Ron은 ON 상태에서는 VGS에 대해 거의 일정합니다. 반면에 SiC MOSFET는 그림 11과 같이 VGS에 따라 Ron이 크게 변화하므로, VGS의 설정은 Si MOSFET 이상으로 중요합니다. 즉 SiC MOSFET는 VGS가 낮으면, 도통 손실이 증가하여 효율이 악화됩니다. 반대로 고효율을 위해 VGS를 지나치게 높게 설정하면 정격을 초과할 우려가 있으므로, VGS를 적절하게 설정하는 것이 매우 중요합니다.


그림 10 : Si-MOSFET에서 Ron과 VGS의 관계


그림 11 : SiC-MOSFET에서 Ron과 VGS의 관계

적절한 게이트 구동 전압의 검토

그림 9의 PFC 회로에서, SiC MOSFET의 VGS 값을 변화시켰을 때의 효율 시뮬레이션 결과를 그림 12로 나타내었습니다.


그림 12 : SiC MOSFET의 VGS를 변화시켰을 때의 효율 시뮬레이션 결과

VGS가 14V 이하일 경우 Ron의 상승으로 인해 효율이 급격히 저하됩니다. 이러한 현상은 온도가 낮을수록 현저하게 나타나며, 이 영역에서는 디바이스가 파괴될 가능성이 커지므로 사용이 불가능합니다. 반대로 VGS가 클수록 효율은 좋아지지만 정격 (VGS=22V)을 초과하면 사용이 불가능합니다. 따라서, 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로 효율과 안전성의 밸런스를 고려하면, VGS=18V 전후에서 사용하는 것이 적절하다고 할 수 있습니다. 실제로 로옴의 SiC MOSFET는 일반적으로 VGS=18V 전후에서의 사용이 권장되고 있습니다.

키 포인트

・스위칭 소자의 SiC MOSFET는 VGS의 변화에 따른 Ron의 변동이 크므로, 게이트 구동 전압 VGS의 설정이 중요하다.

・SiC MOSFET의 게이트 구동 전압 VGS의 검토는 효율과 안전의 밸런스를 고려해야 한다.

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