인버터 회로의 최적화

목차

• ・ROHM Solution Simulator를 활용한 인버터 회로의 최적화
• ・인버터 회로에서 역회복 시간 trr의 영향
• ・인버터 회로의 손실 분석을 통한 최적의 디바이스 선정
• ・최적의 디바이스 검토
• ・Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로의 특징

파워 디바이스용 「Power Device Solution Circuit」에는 AC-DC PFC, DC-AC 인버터, DC-DC 컨버터의 3가지 카테고리에 따라 다양한 시뮬레이션용 회로가 구비되어 있습니다. 본 기사에서는 Power Device Solution Circuit의 인버터 회로를 이용하여, 각 파라미터의 기본적인 조정 방법 및 노하우에 대해 소개하겠습니다.

ROHM Solution Simulator를 활용한 인버터 회로의 최적화

MyROHM에 등록하는 것만으로 이용 가능한 Web 시뮬레이션 툴 ROHM Solution Simulator에서는 다수의 Solution Circuit을 제공하고 있습니다. 파워 디바이스용 「Power Device Solution Circuit」에는 AC-DC PFC, DC-AC 인버터, DC-DC 컨버터의 3가지 카테고리에 따라 다양한 시뮬레이션용 회로가 구비되어 있습니다.

본 기사에서는 Power Device Solution Circuit의 인버터 회로를 이용하여, 각 파라미터의 기본적인 조정 방법 및 노하우에 대해 소개하겠습니다. 인버터 회로 설계 시 중요한 검토 항목인 「trr의 영향」, 「손실을 고려한 최적의 디바이스 선정」, 「Half-bridge와 Full-bridge의 특징」에 대해, 시뮬레이션을 이용하여 최적화하는 예를 소개하겠습니다.

본 기사의 기본 자료인 「유저 가이드 인버터편」은 하기 링크에서 다운로드 가능합니다.

https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/discrete/common/web-sim-power-device-inverter_ug-e.pdf

Power Device Solution Circuit의 인버터 회로 일람

먼저, 하기 표는 현재 구비되어 있는 Power Device Solution Circuit의 인버터 회로 일람입니다. 일반적인 단상 Half-bridge, Full-bridge를 비롯하여 3상, 3레벨 회로와 더불어, IH 및 모터 드라이브 등 어플리케이션에 따른 회로도 구비되어 있습니다.

인버터 회로에서 역회복 시간 trr의 영향

인버터 회로에서 스위칭 디바이스의 역회복 시간 trr (Reverse recovery time) 특성은 손실에 큰 영향을 미칩니다. 본 편에서는 ROHM Solution Simulator의 Power Device Solution Circuit을 사용한 시뮬레이션을 통해, 인버터 회로에서 trr의 영향에 대해 알아보겠습니다.

시뮬레이션에 사용하는 인버터 회로

Power Device Solution Circuit 일람의 인버터 회로 「Ｂ-6. 3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kW」를 예로 들어 설명하겠습니다 (그림 1). 이 인버터 회로의 스위칭 디바이스 (노란색 박스)를 변경하여 시뮬레이션을 실시하고, trr의 영향을 확인하겠습니다.

그림 1 : Power Device Solution Circuit 인버터 회로 Ｂ-6. 3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kW

인버터 회로에서 trr 특성의 중요성

그림 2는, 그림 1의 인버터 회로에서 스위칭 시의 전류 경로를 나타낸 것입니다.

인버터 회로에서는 공급하는 전력을 조정하기 위해, PWM이나 PFM 등의 제어를 통해 High-side와 Low-side의 디바이스를 교대로 ON / OFF시킵니다. 그림 2의 ①~⑤는 이때의 전류 경로를 나타낸 것이며, 이러한 동작이 반복됩니다.

주목해야 할 점은 ④에서 ⑤로의 동작입니다. High-side가 OFF에서 ON으로 전환되는 타이밍에 Low-side의 내부 다이오드에 리커버리 전류가 흐르므로, High-side에서 Low-side로 관통 전류가 흐르게 됩니다 (적색 표시).

그림 2 : 스위칭 시의 전류 경로

이러한 리커버리 전류는, 발생한 프리휠링 측 디바이스 (Low-side) 자체의 손실에 대한 영향은 작지만, 그림 3과 같이 스위칭 측 디바이스 (High-side)에 대해서는 VDS 변화 전에 통상적인 스위칭 전류에 추가되는 형태로 리커버리 전류가 흐르기 때문에, 매우 큰 Turn-on 손실이 발생하게 됩니다. 따라서, 인버터 회로에서 스위칭 디바이스는 trr이 작은 제품을 선정하는 것이 중요합니다.

그림 3 : 스위칭 측 디바이스 (High-side)의 Turn ON 파형 예 및 trr의 크기와 스위칭 손실의 관계

trr 특성의 차이에 따른 스위칭 손실의 비교

그림 4는 그림 1의 인버터 회로 스위칭 디바이스에 일반적인 스위칭 용도의 Super Junction MOSFET인 R6047KNZ4를 사용한 경우와, 내장 다이오드의 trr이 고속인 PrestoMOS™ R6050JNZ4로 변경한 경우 (그림 1의 노란색 박스)의 스위칭 손실과 스위칭 파형의 시뮬레이션 결과입니다.

그림 4 : trr 특성이 다른 스위칭 디바이스의 스위칭 손실 및 파형 비교 (시뮬레이션)

시뮬레이션 파형이 나타내는 바와 같이, trr 특성의 차이로 인해 Turn-on 손실에 현저한 차이가 발생합니다. 내부 다이오드의 trr 특성이 고속인 R6050JNZ4가 R6047KNZ4에 비해 Turn-on 손실이 약 1/5로 저감된 것을 알 수 있습니다. 참고로, R6047KNZ4의 내부 다이오드 trr은 700ns (Typ.)인 반면, R6050JNZ4는 1/5 이하인 120ns (Typ.)입니다.

또한, 인버터 회로 동작 전체를 통해 스위칭 디바이스 (MOSFET)의 손실을 분석하면, 그림 5와 같이, trr로 인한 손실이 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다.

그림 5 : 일반적인 스위칭 MOSFET와 고속 trr MOSFET의 손실 분석

이러한 결과에서도 인버터 회로에서는 스위칭 디바이스 내부 다이오드의 trr이 고속인 제품을 선정하는 것이 중요하다고 할 수 있습니다.

인버터 회로의 손실 분석을 통한 최적의 디바이스 선정

인버터 회로의 손실을 검토할 때에는 사용하는 파워 디바이스의 선정도 중요합니다. 원하는 회로 동작이나 특성을 구현함과 동시에 손실을 최소화하기 위한 최적화가 필요합니다. 이제부터는 파워 디바이스의 손실을 스위칭 손실과 도통 손실로 구분하여 분석함으로써 최적의 디바이스를 선정하는 방법에 대해 설명하겠습니다.

시뮬레이션에 사용하는 인버터 회로

Power Device Solution Circuit 일람의 인버터 회로 중에서 「B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW」를 예로 사용하겠습니다 (그림 6). 이 인버터 회로의 노란색 박스로 표시한 내용을 변경하여 시뮬레이션을 실행하고, 손실 분석을 통해 최적의 디바이스를 선정합니다.

그림 6 : Power Device Solution Circuit 인버터 회로 B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW

손실 분석 방법

손실 분석 방법을 설명하기 위해, 먼저 DC-DC 컨버터의 예에 대해 알아보겠습니다. 그림 7은 MOSFET 스위칭 시 V_DS, I_D, 손실 (P_d), 손실을 시간적분한 에너지 (E)의 시뮬레이션 파형을 나타낸 것입니다. ROHM Solution Simulator에서는 시뮬레이션 결과 표시 툴 Waveform Viewer에 포함된 Waveform Analyzer의 연산 기능을 사용하여 손실을 적분할 수 있어, 에너지 파형을 용이하게 출력할 수 있습니다.

그림 7의 에너지 파형에서는 스위칭 구간 (E_on, E_off) 및 도통 구간 (E_cond)의 소비 에너지를 한눈에 확인할 수 있습니다. 또한, 커서의 차분을 통해 수치를 확인할 수 있습니다.

DC-DC 컨버터와 같이 입출력이 일정한 경우에는 1주기의 에너지와 스위칭 주파수를 곱한 값에서 스위칭 손실과 도통 손실을 각각 산출할 수 있습니다.

그림 7 : DC-DC 컨버터 회로의 MOSFET 파형

그러나, 인버터 회로의 경우에는 그림 8과 같이 부하가 변동하기 때문에 일부의 스위칭 파형만을 보고 회로 동작 전체의 손실을 산출할 수는 없습니다.

이와 같이 디바이스의 손실이 일정하지 않은 회로 동작에 대해서는 손실 파형을 경우에 따라 구분하여 임의의 부분만 추출함으로써, 도통 손실과 스위칭 손실로 구분하여 산출할 수 있습니다.

그림 8 : 인버터 회로의 MOSFET 파형

그림 9의 왼쪽 파형은 그림 8과 같은 인버터 회로의 MOSFET 파형이며, 오른쪽 파형은 왼쪽 파형의 하늘색 점선으로 지정한 부분의 확대 파형입니다. 오른쪽 파형에서 확인 가능한 노란색 선의 파형은 도통 손실을 추출한 파형입니다.

여기에서 실시한 경우에 따른 구분은, 도통 손실만을 추출하기 위해 「V_GS=High」일 때, 「전력이 도통 손실의 최대치 이하」가 되는 경우의 전력을 추출하였습니다. 임의의 파형이 추출되면, 1주기의 평균치를 산출하여 손실 비율을 분석합니다.

그림 9의 경우, 총손실 29.5W, 도통 손실 20.5W (파형의 Average 수치에서 발췌)이므로 스위칭 손실은 9.0W가 됩니다. 따라서, 손실 비율은 도통 손실 70%, 스위칭 손실 30%임을 알 수 있습니다.

그림 9 : 인버터 회로의 MOSFET 파형에서 도통 손실 추출 (오른쪽)

이 예에서는 스위칭 손실과 도통 손실만을 구분했지만, 경우에 따른 구분 조건을 상세하게 설정하면 Turn-on 손실, Turn-off 손실, 리커버리 손실, 기생 다이오드 손실 등으로 더 세분화할 수 있습니다.

최적의 디바이스 검토

그림 6의 회로 「B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW」에서 파워 디바이스인 MOSFET를 변경하는 경우 각 MOSFET의 손실 분석 결과를 그림 10으로 정리하였습니다.

그림 10 : 예시 인버터 회로에서 각 MOSFET의 손실 분석 결과

MOSFET의 기종명에서 숫자 세번째 자리와 네번째 자리 (R6050JNZ4의 경우 「50」)는 전류 정격 I_D를 나타냅니다. 즉, 왼쪽부터 I_D가 50A, 42A, 30A, 20A인 동일 시리즈의 MOSFET입니다.

그림 10의 그래프에서는 전류 정격이 높아질수록 도통 손실 (Conduction Loss)이 낮아지고, 반대로 전류 정격이 낮아질수록 스위칭 손실 (Switching Loss)이 낮아지는 경향을 확인할 수 있습니다. 그리고, 그림 1의 회로에서 최적의 디바이스를 선정하는 경우, 총손실이 가장 적은 R6030JNZ4가 최적의 디바이스라고 판단할 수 있습니다.

Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로의 특징

회로 설계 및 동작 검증을 실시하는 경우에는, 그 기본이 되는 회로 구성과 동작의 특징을 충분히 이해해야 합니다. 그럼, Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로에 대해 각각의 특징을 설명하겠습니다.

시뮬레이션에 사용하는 인버터 회로

「Power Device Solution Circuit의 인버터 회로 일람」에서 하기 2개의 회로를 예로 들어 설명하겠습니다.

B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A (그림 11)

B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A (그림 12)

B-3은 Half-bridge 인버터 회로, B-4는 Full-bridge 인버터 회로입니다. 그림 11과 그림 12는 각각의 회로도입니다. 노란색 박스로 표시한 부분은 뒤에서 설명할 특성 비교 시뮬레이션에서 조건을 변경하는 부분입니다.

그림 11 : Power Device Solution Circuit 인버터 회로 B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

그림 12 : Power Device Solution Circuit 인버터 회로 B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로의 장단점

표 1에 Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로의 특징을 장단점의 관점에서 정리하였습니다.

표 1 : Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로의 장단점

조건에 따라서 달라지기는 하지만, 회로의 특징을 고려하면 Half-bridge 회로는 저전압 · 대전류 용도, Full-bridge 회로는 고전압 · 대전력 용도에 적합하다고 할 수 있습니다.

Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로의 동작 비교

그림 13은 그림 11 (Half-bridge)과 그림 12 (Full-bridge)의 각 회로에서 이니셜 조건 (Vin=500V)일 때 모듈의 손실을 비교한 결과입니다. 출력전류 I_o는 50A~100A로 변동하는 설정입니다 (회로도 노란색 박스). 그리고, 여기에서 언급하는 모듈이란 Half-bridge 1회로를 뜻하며, Full-bridge는 기본적으로 Half-bridge 2회로로 구성된다고 이해하여 주십시오.

그림 13 : Half-bridge 회로와 Full-bridge 회로의 모듈 손실 비교

시뮬레이션을 통해 손실을 비교하면, Half-bridge는 스위치 디바이스에 2개의 전원분에 해당하는 전압이 인가되므로 스위칭 손실이 커져, 1개의 모듈 당 손실은 Full-bridge보다도 커지게 됩니다. 반면에 회로 전체의 손실 면에서는 Half-bridge 회로의 손실 이상으로 Full-bridge의 2모듈분에 해당하는 도통 손실이 크기 때문에 Full-bridge 쪽 손실이 커지게 됩니다.

다음으로, Half-bridge 회로의 V_IN=500V가 1개의 전원밖에 없는 경우를 상정하여 V_IN=250V×2로 분할하는 경우의 시뮬레이션 결과를 확인해 보겠습니다 (그림 11의 노란색 박스 입력전압).

그림 14는 V_IN=500V×2인 경우와 V_IN=250V×2인 경우의 출력 파형입니다. 파형과 같이 V_IN=250V×2인 경우, V_O가 250V에서 상한치에 도달하는 것을 알 수 있습니다. 이는 표 1에서 제시한 Half-bridge 회로의 단점인 「전원 1개분의 전압만 출력 가능하다」는 것이 원인입니다. 출력전압의 설정치 V_O=200V는 실효치의 피크 전압이 282V이므로, V_IN=250V×2인 경우 전압이 부족하게 됩니다.

그림 14 : Half-bridge 회로의 V_IN=500V×2와 V_IN=250V×2인 경우의 출력 파형 비교

이와 같이 Half-bridge 인버터 회로와 Full-bridge 인버터 회로에는 각각 장단점이 있기 때문에 어느 쪽이 좋은지는 단언할 수 없습니다. 각각의 특징을 이해한 후, 용도에 따라 적절하게 구분하여 사용하는 것이 중요합니다.