Split Output 활용한 SiC MOSFET 기반의 전력모듈

SiC MOSFET 한계 극복을 통한 성능 및 효율 향상

빈코텍 박 노 성 애플리케이션 엔지니어

SiC MOSFET의 한계를 모듈레벨에서 극복할 수 있게 한다. 이 모듈은 인버터 애플리케이션에서 부스터 회로처럼 동작하며, 이는 SiCMOSFET이 SiCJFET나 SiC BJT보다 높은 성능과 효율을 가능하게 만들어 준다.

그리고 MOSFET의 간단한 게이트 드라이브 회로의 이점은 덤으로 따라온다.

SiC MOSFET 바디 다이오드의 역회복 전하량이 Si MOSFET보다는 낮지만 여전히 SiC Schottky 다이오드를 사용하는 것만큼의 이득은 없다. 새로운 와이드 밴드갭 소자 증가를 위해 스위칭 성능이 요구되는 것처럼 커뮤니케이션 동작을 요구한다. 분할 출력 토폴로지는 턴온 손실을 줄이기 위한 추가적인 기능과 교차 전도의 억제를 제공한다.

표준 하프-브리지 토폴로지의 한계

표준 하프브리지 포톨로지(그림 1) 구조의 파워모듈은 빠른 스위칭 어플리케이션에서는 문제점이 있다.

바디 다이오드의 역회복 전류

만약 바디다이오드가 프리휠링을 위해 사용된다면 그 바디다이오드의 역회복 전류는 스위칭 손실을 증가 시킨다. SiC MOSFET의 역회복 부하(Qrr)는 Si MOSFET의 그것보다 매우 우수하다.

어떻게든 이것은 고속 스위칭 애플리케이션(>50kHz)에서 여전히 중요하다. 그 역회복 전류는 SiC MOSFET의 턴온 손실을 증가시킨다.

출력 캐피시턴스

SiC MOSFET의 출력 캐패시턴스는 비교적 높다. 낮은 인덕턴스 환경에서 동작하는 MOSFET은 그 턴오프된 장치의 캐패시턴스 부하를 스위칭 해야만 한다. 이것은 턴온 손실과 EMI를 증가시킨다.

교차 전도

SiC MOSFET은 하프브리지의 턴온에서 높은 dV/dt를 초래하는 초고속 스위칭을 위해 디자인됐다. 출력전압은 상단 MOSFET이 턴온될 때 DC-에서 DC+로 변한다. 하단 MOSFET의 드레인과 게이트 사이의 기생 캐패시터는 하단 MOSFET의 게이트에 전압을 유도할 것이다. 이 전압은 기생 턴온을 유발할 수 있다.

분할 출력 토폴로지

이 아이디어는 상하 반파의 커뮤니케이션 회로, 순방향과 역방향 전환사이의 양방향 DC-DC회로의 경우에 대해 분리하는 것이다. 하프-브리지는 하나의 부스터 회로와 벅 회로로 구분된다(그림 3).

커뮤니케이션 루프는 낮은 인턱턴스를 유지해야 하지만, 상하단 MOSFET은 외부 연결의 인덕턴스와 출력에 붙는 추가적인 인덕터스에 의해 분리된다. 이 인덕턴스는 하프-브리지 회로의 한계를 넘게 해준다.

Split Output 구조는 추가적인 SiC 다이오드의 비활성화와 함께 바디 다이오드를 사용 가능하게 한다. Si MOSFET으로 된 구성과 대조적으로 SiC MOSFET의 바디 다이오드의 전압드랍은 SiC 다이오드보다 높다.

SiC 다이오드는 역회복 전류를 수행하고 SiC MOSFET의 바디 다이오드의 역회복 충전을 막는다.

Split Output의 인덕턴스는 아래상의 MOSFET으로부터 윗상을 분리시킨다. SiC MOSFET의 경우에, 외부의 상호연결된 기생 인덕턴스는 출력 커패시턴스를 통한 교차전도의 부정적인 동작을 줄인다.

턴온에서 SiC MOSFET은 극도로 낮은 Qrr를 가진 SiC 다이오드만을 직면한다. 턴오프에서는 커뮤니케이션 루프는 SiC 다이오드와 커패시터를 경유하는 낮은 인덕턴스 경로로 닫힌다.

동기 정류

고효율 애플리케이션에서 바디 다이오드의 프리휠링 효율은 전압드랍을 줄이는 MOSFET의 역방향 동기 턴온으로 개선할 수 있다. 이런 동작은 매우 낮거나 심지어 출력의 기생 인덕턴스만 가지는 Split Output 토폴로지에서만 가능하다.

이런 모드는 개발자가 펄스전류 제한하는 SiC 다이오드의 사이즈를 줄일 수 있게 해준다. 출력 인덕턴스는 수 ns로 MOSFET의 역방향 전도를 지연할 것이다.

Spit Output 테크놀로지를 가지는 SiC 파워모듈 솔루션

Split Output의 이득은 다음의 디자인 콘셉트를 가지는 탁월한 제품 정의를 가지는 것이다.

2-Level 동작을 위한 Split Output 모듈성

보편적인 사용을 위해 하나의 모듈에 각 3개의 BUCK and Booster 회로가 조합된다(그림 5).

3개의 회로는 각각의 회로로서 사용되고 전류센싱을 위해 Shunt를 연결하기 위해 서로 연결되지 않는다. 내부의 DC 커패시터는 10ns 이하의 턴오프 스위칭 속도를 위해 요구되는 낮은 인덕턴스를 제공한다. 이 구성은 다음과 같은 애플리케이션에 사용된다.

→ 양방향 DC/AC 3Phase Inverter

→ 3 Channel DC/DC Converter

3-Level 동작을 위한 Split Output

Split Output 구조는 MNPC(Mixed voltage NPC, T-type) 토폴로지(그림 6)에서도 사용될 수 있다.

이런 경우 커뮤니케이션 루프는 DC 전압과 중성점 컨덕터 사이에서 이뤄진다. Commutation loop에 위치한 모든 소자들 사이의 연결은 낮은 인덕턴스를 가지고 상단과 하단사이에도 역시 외부 인덕턴스가 사용된다.

성능과 효율

Split Output 토폴로지는 SiC MOSFET의 모든 한계를 초월한다. 측정된 스위칭 특성으로 부터 계산된 효율(그림 7)은 SiC MOSFET이 SiC JFET을 능가한다.

SiC MOSFET이 Split Output 구조로 이루어진 MNPC 토폴로지는 64kHz이상에서 99%이상의 효율을 가지고 16kHz에서 최대효율은 99.5%에 이른다.

높은 성능 및 효율 실현

Split Output 토폴로지는 SiC MOSFET의 한계를 모듈레벨에서 극복할 수 있게 한다.

이 모듈은 인버터 애플리케이션에서 부스터 회로처럼 동작하며, 이는 SiCMOSFET이 SiCJFET나 SiC BJT보다 높은 성능과 효율을 가능하게 만들어 준다.

그리고 MOSFET의 간단한 게이트 드라이브 회로의 이점은 덤으로 따라온다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)

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