Low-side 스위치 Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압 동작

지난 편에서는 SiC MOSFET 브릿지 구성에서의 게이트 구동 회로의 스위칭 동작에 따른 V_DS 및 I_D의 변화에 의해 발생하는 전류와 전압의 개요에 대해 설명했습니다. 이번에는 LS 스위치 Turn-on 시의 동작에 대해 설명하겠습니다.

Low-side 스위치 Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압의 동작

LS가 Turn-on하면, 먼저 I_D가 변합니다 (하기 파형도 T1). 이때 LS의 I_D는 증가 방향, HS의 I_D는 감소 방향이 되므로, 하기 등가 회로도의 현상 (I)에 의해, 표시된 극성으로 식 (1)의 전압이 발생합니다. 식 (1)은 지난 편에서 게재했던 식과 동일한 식입니다. 전압 발생에 의한 전류는 소스 측을 플러스로 하여 C_GS를 충전하므로, LS에서는 V_GS를 억제하는 반면, HS에서는 V_GS를 마이너스 측까지 낮추어, 마이너스 서지를 발생시킵니다. (파형도 V_GS의 T1)

I_D의 변화가 완료되면, LS의 V_DS 전위가 감소합니다 (파형도 T2). 따라서 식 (2)의 전류가 등가 회로도의 (II)-1, (II)-2와 같이 흘러, V_GS에서 각각 하기 식 (3), (4)와 같은 전압 상승이 발생합니다.

V_DS의 변화가 시작된 직후에는 식 (3)에 의해 V_GS가 주로 상승되지만, 시간의 경과에 따라 식 (4)에 의한 V_GS의 상승도 시작됩니다. 즉, MOSFET의 CGD/C_GS 비율 및 구동 회로의 R_{G_EXT}, 게이트 구동 신호 패턴 배선의 인덕턴스 L_TRACE가 크게 영향을 미칩니다.

등가 회로도와 같이, HS의 (II)-2 전류 I_CGD2는 V_GS를 상승시키는 방향이 됩니다. 따라서, 본래 OFF 상태인 HS는 V_GS의 상승에 따라서는 Turn-on 동작을 시작하게 됩니다. 이것을 셀프 턴온이라고 합니다. HS의 셀프 턴온이 발생하면, LS의 ON 동작과 중복되어 HS와 LS의 MOSFET가 동시에 ON되는 현상이 발생하고, 이에 따라 관통전류 (Arm short 전류)가 흐르게 됩니다.

I_CGD2는 LS의 Turn-on 동작이 완료될 때까지 계속 흘러 L_TRACE에 축적되지만, V_SW의 변화가 완료된 시점에서 소멸하여 L_TRACE에 전압이 발생합니다. 이것이 상기 그림의 (III)입니다. I_CGD2는 R_{G_EXT} 등의 스위칭 조건에 따라서는 수 A에 달하기도 하므로, 이러한 전압 발생이 커지는 경우가 있습니다.

LS Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압은 상기 그림의 (I), (II), (III)의 영향으로 파형도와 같은 동작을 합니다. 파형도와 등가 회로도의 번호는 동일한 현상을 나타내고 있습니다. 또한, 그림의 V_GS 점선 파형은 이상적인 파형을 나타낸 것입니다.

외장 게이트 저항의 영향

하기는 SiC MOSFET 브릿지 구성의 LS를 Turn-on했을 때의 더블 펄스 시험 결과입니다. (a)의 파형도는 외장 게이트 저항 R_{G_EXT}가 0Ω인 경우, (b)는 10Ω인 경우입니다. (I), (II), (III)는 앞에서 게재한 그림과 동일한 의미입니다.

(a)와 (b)의 파형 비교를 통해, R_{G_EXT}가 작은 쪽이 (I)에 의한 V_GS의 감소폭이 크다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 스위칭 속도가 매우 빠르므로, (a)에서는 (III)과 같은 현상이 현저하게 발생하지만, R_{G_EXT}가 0Ω이므로 (II)의 파형은 거의 관측되지 않습니다. 반면에 (b)는, (II)-2와 R_{G_EXT}에 의한 V_GS의 상승이 현저하게 나타납니다.

이러한 결과에서 알 수 있듯이, LS ON 시의 HS 셀프 턴온을 유발하는 (II)-2의 V_GS 상승을 작게 억제하기 위해서는 HS Turn-off 시의 외장 게이트 저항 R_{G_EXT}를 작게 해야 합니다. 그러나, 일반적으로 HS와 LS의 R_{G_EXT}는 동일하게 하는 경우가 많으므로, R_{G_EXT}를 작게 하면 LS의 dV_DS/dt가 증대하여, 식 (1)과 같이 HS의 I_CGD가 증가합니다. 결과적으로 식 (4)와 같이 HS 서지의 증대를 초래하게 됩니다.

또한, HS의 V_GS 파형이, 앞서 설명한 파형도와 달리 (I)의 현상이 발생하기 직전에 일단 플러스 측으로 증가하는 것은 현상 (I)의 전류가 흐르기 시작하는 순간의 L_SOURCE에 의하여 발생된 전압이 C_GS를 통해 바로 관측되기 때문입니다.

다음 편에서는, LS Turn-off 시의 동작에 대해 설명하겠습니다.