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

지난 편에서는 LS 스위치 Turn-on 시의 게이트 – 소스 전압 동작에 대해 설명했습니다. 이번에는 LS Turn-off 시의 동작에 대해 설명하겠습니다.

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

하기는 LS MOSFET가 Turn-off 할 때의 전류 동작을 나타낸 등가 회로도와 각각의 파형도입니다. Turn-on 시와 마찬가지로 각 현상에 (IV), (V), (VI)의 번호를 부여했습니다. Turn-on 시와 비교했을 때 V_DS와 I_D가 변화하는 순서가 달라질 뿐이며, 기본적인 동작은 동일합니다. Turn-on 시의 현상과의 대응은 하기와 같습니다.

dV_DS/dt로 인한 LS의 V_GS 상승과 HS의 V_GS 마이너스 서지 (파형도 T4)가 현상 (IV)입니다.

파형도의 T4 구간 종료 시에 식 (2)로 나타낸 I_CGD1이 소멸하면 발생하는 서지가 현상 (V)입니다. 식 (2)는 지난 편에 게재한 것과 동일합니다. 그 후, 드레인 전류가 변화하여 (파형도 T6), 식 (1)에 나타낸 L_SOURCE로 인해 전류가 발생하고, 등가 회로의 현상 (VI)과 같이 전류가 흐릅니다. 식 (1)도 지난 편에서 게재한 것과 동일합니다.

이러한 전류는 MOSFET C_GS의 소스 측을 마이너스로서 충전하므로, HS에서는 V_GS를 상승시키고, LS에서는 V_GS를 플러스 측으로 높여 V_GS가 강하하는 것을 방지합니다. 결과적으로, 파형도와 같은 V_GS 동작이 되며, V_GS의 점선은 이상적인 전압 파형을 나타냅니다.

외장 게이트 저항의 영향

하기는 SiC MOSFET의 브릿지 구성에서 LS를 Turn-off했을 때의 더블 펄스 시험 결과를 나타낸 것입니다. (a)의 파형도는 외장 게이트 저항 R_{G_EXT}가 0Ω인 경우, (b)는 10Ω인 경우입니다. 그림의 (IV), (V), (VI)은 앞서 설명한 현상과 동일한 의미입니다.

파형도와 같이 현상 (V)의 서지가 현저하게 나타나는 것을 알 수 있습니다.

V_DS의 변화에 따른 현상 (IV)의 영향은 작지만, HS의 현상 (IV)으로 인한 마이너스 서지는 정격을 초과하는 경우가 있으며, 이러한 경우에는 회로에 대책이 필요하게 됩니다. 이러한 Turn-off 시의 HS 마이너스 서지를 작게 억제하기 위해서는 HS 게이트 저항 R_{G_EXT}를 작게 하면 됩니다. 그러나, 지난 편에서 설명한 바와 같이 일반적으로 사용되는 게이트 저항 조정 회로에서는 저항치가 높은 R_{G_ON} 측에서 현상 (IV)가 현저하게 나타나므로 주의해야 합니다.

또한, 현상 (VI)로 인한 V_GS의 상승에 대해서는, 그 타이밍이 Turn-off 종료 직전이므로, HS가 Turn-on 동작을 시작했더라도 LS는 Turn-off되어 있어 그다지 문제가 되지 않습니다.