SiC 파워 디바이스｜응용편
브릿지 구성에서의 주의점 : 프로브의 CMRR
2024.08.09
키 포인트
・브릿지 구성에서 HS MOSFET 측정 시, 사용하는 프로브의 공통 모드 제거비 (CMRR)가 고주파 영역에서 저하되어 파형 변동이 커지는 경우가 있다.
・특히 VGS 측정 시에는 수 V 레벨의 서지를 측정하기 때문에, 관측된 파형이 본래의 파형인지, CMRR 부족으로 인해 변동된 파형인지를 구별할 필요가 있다.
・광 절연 방식 차동 프로브의 CMRR 주파수 특성은 매우 우수하므로, 본래의 파형을 관측할 수 있다.
SiC MOSFET 게이트 – 소스 전압 측정 : 브릿지 구성에서의 주의점 : 프로브의 CMRR
브릿지 구성에서 High-side (HS) MOSFET 측정 시에는 고전압 차동 프로브나 차동 페어 프로브 (*4)를 사용하여 파형을 관측합니다. 이때 사용하는 프로브의 공통 모드 제거비 (CMRR)가 고주파 영역에서 저하되어 파형 변동이 커지는 경우가 있습니다. 특히 게이트 – 소스 전압 VGS 측정 시에는 수 V 레벨의 서지를 측정하기 때문에, 관측한 파형이 본래의 파형인지, CMRR 부족으로 인해 변동된 파형인지를 구별할 필요가 있습니다.
그림 13은 브릿지 구성에서 HS 스위칭 시와 LS 스위칭 시의 파형을 비교한 것입니다. 사용한 차동 전압 프로브는 YOKOGAWA의 701297 (150MHz, 1400V)입니다. 파형 비교 결과, LS 스위칭 시의 Commutation 측 (HS) VGS가 크게 변동하는 것을 알 수 있습니다. 이는 Commutation 측이 고속 dV/dt (20~50V/ns)로 변화 시 프로브의 CMRR 저하로 인해 발생한 것입니다.
그림 13. HS 스위칭 시와 LS 스위칭 시의 VGS 파형 비교
그림 14는 차동 전압 프로브의 CMRR 성능을 측정한 결과를 나타낸 것입니다. 전압 프로브 헤드의 플러스 측과 마이너스 측을 HS 및 LS의 Driver Source 단자에 접속하여 측정하였습니다. 이러한 측정 방법은 Tektronix의 어플리케이션 노트 「ABCs of Probes」 (*5)에 자세히 기재되어 있으므로 참고하여 주십시오.
그림 14. 절연형 전압 프로브의 CMRR 성능
그림 14의 Turn-on 시, Turn-off 시의 파형에서는 Driver Source 단자의 전위에 HS, LS 모두 스위칭 시 전압 변동이 발생하였습니다. 그러나, 스위칭 동작 종료 후 LS는 스위칭 전의 상태로 되돌아가지만, HS는 일정 전위가 남아 있습니다. 이것이 CMRR의 오차가 됩니다. 이러한 잔류 전위는 시간의 경과 (수 μs)에 따라 소멸됩니다. 이번 측정 예에서 Driver Source 단자의 전위는 VDS가 상승하는 경우 마이너스 측으로, 강하하는 경우 플러스 측으로 변동되지만, 차동 프로브의 특성으로 인해 역방향으로 변화하는 경우도 있습니다. 최근에는 CMRR의 영향을 받지 않는 측정 기기로서 광 절연 방식의 차동 프로브가 제품화되어, 정확한 파형 측정에 유효한 해결 수단으로서 주목받고 있습니다.
광 절연 방식의 차동 프로브와 일반적인 고전압 차동 프로브의 성능을 비교해 보겠습니다. 광 절연 방식의 차동 프로브는 Tektronix IsoVu® 기술을 사용한 Tektronix의 광 아이솔레이션 타입 차동 프로브 (TIVH08, MMCX50X)를 사용하였습니다.
측정에 사용한 기판 (P02SCT3040KR-EVK-001)에는 광 아이솔레이션 프로브를 접속하는 MMXC 커넥터를 실장하기 위한 패턴이 구비되어 있으며, 그림 15와 같이 광 아이솔레이션 프로브와 일반적인 고전압 차동 프로브를 동시에 접속하여 측정하였습니다. 지금까지 설명한 바와 같이, 측정 위치 및 차동 전압 프로브의 설치 위치에 따른 파형의 영향을 최대한 배제하기 위해 전압 프로브의 측정 위치는 SiC MOSFET의 바로 밑에 짧은 연장선을 솔더링하고 댐핑 저항 100Ω을 접속하였습니다. 그림 16은 각 프로브의 게이트 – 소스 전압 VGS의 파형을 나타낸 것입니다.
그림 15. 일반적인 고전압 차동 프로브 (뒤쪽)와 광 아이솔레이션 타입 차동 프로브 (앞쪽)
그림 16. 일반적인 고전압 차동 프로브와 광 아이솔레이션 타입 차동 프로브를 통해 관측한 HS 스위칭 시의 VGS 파형과 CMRR 성능 비교
HS를 스위칭하기 때문에 HS의 게이트 – 소스 전압 VGS는 일반적인 고전압 차동 프로브의 경우 CMRR 저하로 인해 Turn-on 후에 구동 전압 18V를 상회하고 Turn-off 후에 0V를 하회합니다 (녹색 선). 반면에 광 아이솔레이션 프로브는 18V 및 0V에 CMRR의 영향으로 인한 변동이 나타나지 않아, 스위칭 동작의 정확한 파형을 관측할 수 있습니다.
이러한 결과는 그림 17과 같이 CMRR의 주파수 특성에서도 명백하게 나타납니다 (*4, *6). 광 아이솔레이션 프로브의 CMRR 주파수 특성은 고전압 차동 프로브에 비해 매우 우수하여, 수십 MHz의 공통 모드 노이즈도 충분히 제거할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.
그림 17. 일반적인 고전압 차동 프로브와 광 아이솔레이션 타입 차동 프로브의 CMRR 특성 비교
IsoVu®는 Tektronix의 등록상표입니다.
- *4. 참고 자료 : 「인버터 회로의 평가 방법」 어플리케이션 노트 (V1.3) IWATSU ELECTRIC CO., LTD., 2018년 12월
- *5. 참고 자료 : 「ABCs of Probes」 Application Note (No. EA 60W-6053-14) Tektronix, 2016년 1월
- *6. 참고 자료 : 「Complete ISOLATION Extreme COMMON MODE REJECTION」 White Paper (0/16 51W-60485-1) Tektronix, 2016