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SiC 파워 디바이스｜응용편
브릿지 구성 시, 게이트 – 소스 전압의 동작 : Turn-on 시
2023.04.12
키 포인트
・드라이버 소스 단자가 있는 TO-247-4L 및 TO-263-7L 패키지의 SiC MOSFET와, 드라이버 소스 단자가 없는 TO-247N 패키지 제품은 게이트 – 소스 전압의 동작이 달라진다.
・게이트 – 소스 전압의 서지 대책을 확실하게 실시하기 위해서는 각각의 동작을 충분히 이해해야 한다.
파워 스위칭 디바이스의 가장 일반적인 어플리케이션으로서 지난 편에서 설명한 더블 펄스 시험 회로와 같은 브릿지 구성이 있습니다. 브릿지 구성 시의 게이트 – 소스 전압 동작에 대해서는 Tech Web 기초 지식 SiC 파워 디바이스의 「SiC MOSFET : 브릿지 구성에서의 게이트 – 소스 전압 동작」 및 어플리케이션 노트 「브릿지 구성에서의 게이트 – 소스 전압 동작」을 참조하여 주십시오.
이러한 게이트 – 소스 전압 동작은, 드라이버 소스 단자가 있는 TO-247-4L 및 TO-263-7L 패키지의 SiC MOSFET와 드라이버 소스 단자가 없는 TO-247N 패키지 제품에서 차이가 있으므로, 게이트 – 소스 전압의 서지 대책을 확실하게 실시하기 위해서는 각각의 동작을 잘 이해해야 합니다.
지금부터 2회에 걸쳐, 드라이버 소스 단자가 있는 TO-247-4L 패키지의 SiC MOSFET를 브릿지로 구성한 경우의 게이트 – 소스 전압 동작에 대해 LS 측 (Low-side) MOSFET Turn-on 시와 Turn-off 시로 나누어 설명하겠습니다.
브릿지 구성 시, 게이트 – 소스 전압의 동작 : Turn-on 시
브릿지 구성에서 LS 측 (Low-side) MOSFET Turn-on 시의 동작에 대해, 드라이버 소스 단자가 없는 TO-247N과의 차이점을 중심으로 설명하겠습니다.
하기 파형도는 Turn-on 시의 각 스위칭 파형으로, 왼쪽이 드라이버 소스 단자가 없는 TO-247N 패키지 제품, 오른쪽이 드라이버 소스 단자가 있는 TO-247-4L 패키지 제품입니다. 각각의 가로축은 시간을 나타내며, 시간 영역 Tk (k=7, 8, 1~3)의 정의는 파형도 아래에 정리하였습니다. 그리고, 오른쪽 아래의 회로도에는 TO-247-4L 패키지 제품의 브릿지 회로에서의 게이트 단자 전류를 나타낸 것입니다. 파형도 및 회로도에는 각각의 시간 영역에서 발생하는 현상을 (I)~(III)으로 표시하였습니다. 현상 (III)은 구간 T2가 종료된 직후에 발생합니다.
드라이버 소스 단자가 없는 TO-247N 패키지 제품
드라이버 소스 단자가 있는 TO-247-4L 패키지 제품
브릿지 구성에서 LS SiC MOSFET Turn-on 시의 각 스위칭 파형
＜시간 영역 Tk의 정의＞
- T7 : HS=ON 구간 (동기정류 구간)
- T8 : HS=OFF되어, LS=ON될 때까지의 데드타임 구간
- T1 : LS=ON되어, MOSFET의 전류가 변화하는 구간
(현상 (I)이 동시에 발생) - T2 : LS=ON되어, MOSFET의 전압이 변화하는 구간
(현상 (II)가 동시에 발생) - T3 : LS=ON 구간
TO-247-4L : LS Turn-on 시 게이트 단자의 전류
파형도의 비교에서는, TO-247-4L의 현상 (I)이 TO-247N과 크게 달라져, 비스위칭 측 (HS)의 VGS에 플러스 서지가 관측됩니다 (TO-247N은 마이너스 서지). 이는 게이트 단자의 전류를 나타낸 그림에서 현상 (I)의 전류 ICGD가 흐름에 따라 발생합니다 (HS측, 녹색 선). 이 전류는 게이트 – 드레인 용량 CGD를 경유하여 흐릅니다.
이 전류가 흐르는 이유는, 스위칭 동작 전에는 HS 측 SiC MOSFET의 Body Di에 소스에서 드레인쪽으로 프리휠링 전류 (転流電流 / Freewheeling Current) ID_HS가 흐르고, 그 뒤 스위칭 동작이 시작되면 먼저 스위칭 측 (LS)의 전류 ID_LS가 증가하기 때문에 ID_HS는 감소하게 됩니다. 반면에 일반적으로 SiC MOSFET Body Di의 순방향 전압 VF_HS (TO-247-4L 파형도의 점선 원 부분)는 전류 의존도가 크기 때문에, 스위칭이 고속이 되면 dID_HS/dt가 커져 dVF_HS/dt도 커지게 됩니다. 그리고, 이러한 dVF_HS/dt는 결과적으로 프리휠링 측 SiC MOSFET의 dVDS_HS/dt이기도 하므로, 드레인 단자에서 게이트 단자로 CGD를 통해 ICGD가 유입되어, 게이트 – 소스 전압의 상승을 초래합니다. 기존의 TO-247N의 경우, ID_LS의 변화가 느려, 현상 (I)의 ICGD는 거의 흐르지 않는 것을 예상할 수 있습니다.
TO-247N의 Turn-on 동작에 대한 자세한 내용은, Tech Web SiC 파워 디바이스 기초 지식 「Low-side 스위치 Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압 동작」이나 어플리케이션 노트 「브릿지 구성에서의 게이트 – 소스 전압 동작 : Turn-on 시 게이트 신호의 동작」 부분을 참조하여 주십시오.
오른쪽의 VDS 파형은 TO-247N과 TO-247-4L의 비교입니다. 프리휠링 측 SiC MOSFET의 VDS_HS에서는 스위칭 동작이 시작된 직후에 TO-247-4L의 VDS_HS가 급격하게 상승하는 것을 알 수 있습니다. 이는 지난 편에서 설명한 바와 같이, 드라이버 소스 단자에 의한 고속화의 결과입니다.
또한, 현상 (II)도 고속화되어, 앞서 게재한 회로도와 같이 HS 측에서 LS 측으로 흐르는 HS 측 CDS에 대한 충전 전류도 커지기 때문에 스위칭 측뿐만 아니라 비스위칭 측의 드레인 – 소스 서지 대책도 필요하게 될 경우가 있습니다.
TO-247-4와 TO-247-4L의 Turn-on 시 VDS 파형 비교
다음으로 오른쪽 그림은 TO-247-4L의 VGS 파형입니다. 서지 대책의 유무에 따른 비교를 나타낸 것입니다. 서지 대책을 실시하지 않은 경우 (Non-Protected)는 지금까지 설명한 바와 같이 서지가 발생합니다. 서지 대책을 실시 (Protected)하면, VGS 서지가 억제되는 것을 알 수 있습니다.
이러한 서지를 억제하기 위해서는 앞서 설명한 게이트 – 소스 전압의 동작을 충분히 이해함과 동시에, 대책으로서 SiC MOSFET에 가깝게 서지 억제 회로를 접속하는 것이 필수입니다.
자세한 사항은 어플리케이션 노트 「게이트 – 소스 전압의 서지 억제 방법」이나, Tech Web 기초 지식 SiC 파워 디바이스의 「SiC MOSFET：게이트 – 소스 전압의 서지 억제 방법」을 참조하여 주십시오.
TO-247-4L의 Turn-on 시 VGS 파형 (대책 유무)
다음 편에서는, Turn-off 시의 동작에 대해 설명하겠습니다.
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