SiC 파워 디바이스｜응용편
비방전형 RCD 스너버 회로의 설계
2024.11.27
키 포인트
・비방전형 RCD 스너버 회로의 경우, RSNB에서 소비하는 전력은 서지 에너지만 해당되므로, RSNB의 허용 손실은 비교적 작아도 무방하다.
・따라서, CSNB의 정전용량을 크게 할 수 있어, 클램프 효과를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 스위칭 fSW도 높일 수 있다.
・일반적으로 비방전형 RCD 스너버 회로를 추가한 회로는 저부하 시의 효율은 저하되고, 고부하 시의 효율은 향상된다. 이는 고부하 시, 스너버 회로에 의한 서지 억제 효과에 따라 결과적으로 스위칭 손실이 저감되기 때문이다.
스너버 회로의 4번째 종류로서, 「비방전형 RCD 스너버 회로의 설계」에 대해 설명하겠습니다.
- 드레인 – 소스 사이에 발생하는 서지
- 스너버 회로의 종류와 선정
- C 스너버 회로의 설계
- RC 스너버 회로의 설계
- 방전형 RCD 스너버 회로의 설계
- 비방전형 RCD 스너버 회로의 설계
- 패키지에 따른 서지 발생의 차이점
SiC MOSFET : 비방전형 RCD 스너버 회로의 설계
비방전형 RCD 스너버 회로는 방전형 RCD 스너버 회로와 달리, RSNB에서 소비하는 전력은 서지 에너지만 해당되므로, RSNB의 허용 손실이 비교적 작아집니다. 따라서 RSNB의 선택지가 넓어짐에 따라, CSNB의 정전용량을 크게 할 수 있어 클램프 효과를 높일 수 있습니다.
CSNB는 「C 스너버 회로의 설계」 편에서 제시한 식 (2)로 결정되고, RSNB는 「RC 스너버 회로의 설계」 편에서 제시한 식 (3)으로 결정됩니다. 단, RSNB의 소비전력은 하기의 식 (6)으로 결정됩니다. 「RC 스너버 회로의 설계」 편에서 제시한 식 (4)의 CSNB 및 fSW를 포함하는 제2항이 없기 때문에, 기본적으로 CSNB 또는 fSW로 인해 소비전력이 증가하지 않습니다. 따라서, CSNB의 정전용량을 크게 설정할 수 있어, 클램프 효과가 높은 스너버 회로를 실현할 수 있으며, fSW의 고주파화에도 대응이 가능합니다.
그림 8은 비방전형 RCD 스너버 회로 동작 후의 방전 경로를 나타낸 것입니다. Upper Arm의 서지는 PGND로, Lower Arm은 HVdc로, 방전 전류가 RSNB를 경유하여 흐르기 때문에, 배선 인덕턴스의 영향을 크게 받지 않습니다. 반면에 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 접속하는 배선 인덕턴스 LSNB는 전류 변화가 크기 때문에 가능한 작게 해야 합니다.
그림 9는 SiC MOSFET SCT3080KR을 사용한 비방전형 RCD 스너버 회로의 효과를, 평가 기판 P02SCT3040KR-EVK-001을 사용하여 검증한 파형입니다. (a)는 측정 회로, (b)는 스너버 회로의 유무에 따른 측정 파형입니다. RG_EXT＝3.3Ω, HVdc＝800V, 드레인 전류 ID 약 70A일 때의 Turn-off 파형입니다.
스너버 회로를 접속하지 않은 경우, Turn-off 시에는 1210V의 서지가 발생하지만, 스너버 회로를 추가하면 서지는 1069V로 약 12% 감소됩니다. 또한, 서지와 함께 발생하는 전압 링잉 역시 스너버 회로를 통해 배제할 수 있어, EMI도 대폭 저감할 수 있습니다.
그림 10은 Buck Converter (강압 컨버터)에서의 변환 효율을 비교한 그래프입니다. 입력전압=400V, 출력전압=200V, RG_EXT＝6.8Ω으로 설정하고, 스위칭 주파수 fSW＝100kHz일 때의 효율을 비교하였습니다.
부하 전력을 1kW~4.8kW까지 변환시킬 때, 약 4kW 이하에서는 스너버 회로가 없는 경우의 효율이 최대 0.4% 향상 되었지만, 4kW 이상에서는 스너버 회로가 있는 경우의 효율이 0.15% 향상되었습니다. 이는 부하 전력이 커지면 서지로 인한 전력 손실 (공진 전류에 의한 콘덴서 등의 등가 직렬 저항으로 인한 손실 등)이 커지게 되어, 스너버 회로를 통한 서지 억제의 결과 스위칭 손실이 저감되었기 때문입니다.
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SiC의 물성 및 메리트에 대해 소개하고, SiC 쇼트키 배리어 다이오드와 SiC MOSFET를 Si 디바이스와 비교하여 특징 및 사용 방법의 차이점 등에 대해 설명한 자료입니다. 다양한 메리트를 지닌 Full SiC 모듈에 대한 내용도 게재되어 있습니다.
