드라이버 소스 단자의 효과 : 더블 펄스 시험을 통한 비교

지난 편에서는 드라이버 소스 단자의 유무에 따른 차이와 효과에 대해, 동작 원리와 수식을 통해 설명했습니다. 드라이버 소스 단자가 있는 MOSFET는 소스 단자의 인덕턴스로 인한 영향을 배제할 수 있어, 결과적으로 스위칭 손실을 저감할 수 있습니다. 이번에는 더블 펄스 시험을 통해 그 효과를 확인해 보겠습니다.

드라이버 소스 단자의 효과 : 더블 펄스 시험을 통한 비교

Turn-on 시와 Turn-off 시 각각의 드레인 – 소스 전압 V_DS와 드레인 전류 I_D의 파형, 그리고 스위칭 손실을 비교해 보겠습니다. 시험에 사용하는 것은 최대 정격 (V_DSS) 1200V, ON 저항 (R_DS(on)) 40mΩ의 SiC MOSFET입니다. TO-247N 패키지 (품명 : SCT3040KL)가 드라이버 소스 단자가 없는 제품, TO-247-4L (SCT3040KR) 및 TO-263-7L (SCT3040KW7)이 드라이버 소스 단자가 있는 제품입니다. 구동 조건은 R_{G_EXT} 10Ω, 인가 전압 V_HVDC는 800V, I_D는 약 50A일 때의 파형입니다.

Turn-on 시의 I_D는 드라이버 소스 단자가 없는 TO-247N 제품 (하늘색 점선)에 비해, 드라이버 소스 단자가 있는 TO-247-4L 제품 (적색 점선)과 TO-263-7L 제품 (녹색 점선)이 급격하게 상승합니다. 그 결과, 스위칭 손실이 TO-247N 제품 (하늘색 선)은 2742μJ인 반면, TO-247-4L 제품 (적색 선)은 1690μJ로 약 38% 저감, TO-263-7L 제품 (녹색 선)은 2083μJ로 24% 저감되어, 대폭 저감된 것을 알 수 있습니다.

Turn-on 파형에서 TO-247-4L의 I_D 피크치가 TO-247N에 비해 23A 큰 80A임을 확인할 수 있습니다. 이는, MOSFET의 스위칭 동작에 따른 C_OSS로의 충방전 에너지는 일정하지만, 드라이버 소스 단자에 의한 고속 스위칭이 가능해짐에 따라 충방전 시간이 짧아져, 결과적으로 충전 전류의 피크치가 커졌기 때문입니다. HS 측 MOSFET의 Self Turn-on으로 인해서도 피크 전류가 증가하지만, 본 예에서는 Self Turn-on으로 인한 것은 아닙니다.

TO-263-7L의 I_D 피크치는 60A로 TO-247-4L만큼 크지는 않습니다. 이것은 뒤에서 설명할 Turn-off 서지의 차이와 마찬가지로 프리휠링 (転流 / Freewheeling) 측 MOSFET (HS)의 패키지 인덕턴스 차이로 인한 것입니다. 즉, dI_D/dt에 의한 스위칭 측 (LS) 및 프리휠링 측 MOSFET를 더한 패키지 인덕턴스로 인한 전압 발생이, 스위칭 측 MOSFET의 V_DS를 낮추어 스위칭 측 MOSFET의 C_OSS에 축적된 에너지를 방전시키는데, TO-263-7L은 그 방전 전류가 작아 Turn-on 시의 I_D 피크치도 작아지는 것입니다.

또한, Turn-on 시의 스위칭 손실 E_ON도 동일한 이유로, TO-247-4L의 경우 스위칭 측 MOSFET의 V_DS를 낮추고, 결과적으로 스위칭 손실 E_ON이 작아지게 됩니다.

그러나, TO-247-4L이나 TO-263-7L은 Self Turn-on 대책이 없으면, Self Turn-on이 발생하는 경우에 Turn-on 전류의 피크치가 더욱 증가될 우려가 있으므로, 반드시 밀러 클램프 회로나 게이트 소스 사이에 수 nF의 콘덴서를 접속하는 등, Self Turn-on 대책을 실시해야 합니다. 자세한 사항은 어플리케이션 노트 「SiC-MOSFET 게이트 – 소스 전압의 서지 억제 방법」 편을 참조하여 주십시오.

다음으로, 하기는 Turn-off 시의 파형입니다. 스위칭 손실은 TO-247N 제품 (하늘색 실선)이 2093μJ인 반면, TO-247-4L 제품 (적색 실선)은 1462μJ로 약 30% 저감, TO-263-7L 제품 (녹색 실선)은 1488μJ로 약 29% 저감되어, Turn-on 시보다는 저감 폭이 낮기는 하지만, 크게 개선되었습니다.

Turn-off 시 V_DS에 관측되는 Turn-off 서지의 발생 요인은, 메인 회로의 총 기생 인덕턴스입니다. 앞서 게재한 더블 펄스 시험 회로의 배선 인덕턴스 L_MAIN과 스위칭 측 및 프리휠링 측 MOSFET의 패키지 인덕턴스 (L_DRAIN+L_SOURCE)의 합계치입니다. 따라서, 패키지 인덕턴스가 거의 동일한 TO-247-4L (적색 실선)과 TO-247N (하늘색 실선)의 경우 dI_D/dt가 고속화될수록 서지는 커지게 됩니다. 이 시험에서는 TO-247N은 890V인 반면 TO-247-4L은 1009V로 119V 정도 커져, 스너버 회로 등의 서지 대책이 필요하게 될 가능성이 있습니다.

드라이버 소스 단자가 있는 TO-263-7L (녹색 실선)과 TO-247-4L (적색 실선)보다 서지가 작은 이유는 패키지 구조의 차이 때문입니다. TO-263-7L의 드레인은 패키지 배면의 fin에 할당되어, PCB에 직접 솔더링됩니다. 또한, 소스 단자는 7개 단자 중 5개에 할당되어, 패키지 인덕턴스가 TO-247-4L보다 작다는 것을 예상할 수 있습니다. 그리고, 스위칭 측의 서지는 스위칭 측이 아니라 프리휠링 측의 패키지 인덕턴스가 작을수록 작아집니다.

하기는 스위칭 손실 비교를 정리한 표입니다.

조건 : V_DS=800V, I_D=50A, R_{G_EXT}＝10Ω