더블 펄스 시험이란?

Si 파워 디바이스의 새로운 테마로서 「평가편」을 시작하겠습니다. 「더블 펄스 시험을 통한 MOSFET의 리커버리 특성 평가」 편에서는 더블 펄스 시험을 통해 MOSFET의 바디 다이오드 (Body Diode)의 리커버리 특성을 평가하여 손실에 대해 설명하겠습니다.

MOSFET 바디 다이오드의 리커버리 특성과 브릿지 회로의 손실 관계

인버터 회로 및 Totem Pole 타입의 역률 개선 (PFC) 회로 등, MOSFET를 2개 이상 탑재하는 브릿지 회로에 있어서, 상하 arm을 관통하는 전류로 인해 turn-on 손실이 증가하는 경우가 있습니다. 이러한 현상은 스위칭하는 MOSFET와 역 arm의 MOSFET가 지닌 바디 다이오드 (기생 다이오드)의 리커버리 특성에 크게 영향을 받습니다. 따라서, 브릿지 회로에서는 바디 다이오드의 리커버리 특성이 우수한 MOSFET가 유리합니다.

더블 펄스 시험이란

더블 펄스 시험은 MOSFET 및 IGBT 등의 파워계 스위칭 소자의 특성을 평가하기 위해 널리 사용되고 있는 시험 방법입니다. 이 시험에서는 대상이 되는 소자의 스위칭 특성뿐만 아니라, 바디 다이오드나 IGBT와 함께 사용되는 패스트 리커버리 다이오드 (FRD) 등의 리커버리 특성도 평가할 수 있습니다. 따라서, turn-on 시에 리커버리 특성으로 인한 손실이 발생하는 회로의 평가 시험으로서 매우 유효합니다. 더블 펄스 시험의 기본 회로도는 하기와 같습니다.

하기 표는 이 회로의 Q1을 환류용 MOSFET, Q2를 구동용 MOSFET로 한 경우의 더블 펄스 시험의 기본 동작을 나타낸 것입니다. 기본 동작은 주로 ①, ②, ③의 3가지로 분류할 수 있습니다. 펄스 제너레이터의 전압을 V_Pulse, 인덕터에 흐르는 전류를 I_L, Q2의 드레인 – 소스 전압을 V_{DS_L}, Q2의 드레인 전류를 I_{D_L}로 정의하여 각 모드의 동작, 전류 경로, 파형을 정리하였습니다.

동작 ③에서, Q2의 turn-on 시에 단락 전류 (I_{D_L} 적색 부분)가 관측됩니다. 이는 Q1의 바디 다이오드의 리커버리 특성으로 인해 발생합니다.

바디 다이오드가 ON에서 OFF로 바뀌는 경우, ON 시에 축적한 전하를 방전할 필요가 있습니다. 이때 바디 다이오드에서 방출되는 전하량을 Qrr, 전하를 방출함으로써 발생하는 전류의 피크치를 Irr, Q2의 전력 손실을 P_{d_L}이라고 하면, Q2의 turn-on 동작은 오른쪽 그림과 같이 나타낼 수 있습니다. I_{D_L}의 삼각형에 해당하는 면적이 Qrr, 삼각형의 높이가 Irr입니다.

일반적으로 환류측 소자 Q1의 바디 다이오드의 리커버리 특성이 나쁘고 Qrr이 큰 경우, 구동측 소자 Q2의 turn-on 손실이 증가합니다. 따라서, 인버터 회로와 같이 회생 전류가 흐르는 어플리케이션 및 Totem Pole 타입 PFC 회로의 경우에는 바디 다이오드의 리커버리 특성이 손실에 큰 영향을 미치는 것을 고려해야 합니다.