전기전자 응용에서 실리콘 탄화물 (SIC) 반도체 부품은 뛰어난 성능 때문에 전통적인 실리콘 기반 부품을 점차 대체하고 있다.SiC 부품은 더 높은 뚫기 전압, 더 낮은 도통 저항 및 우수한 열 성능을 가지고 있으며, 이러한 특성으로 인해 SiC 그리드급 구동 회로 설계가 매우 중요합니다.이 문서에서는 새로운 기술의 고성능 요구 사항을 충족하면서 전반적인 효율성과 신뢰성을 향상시키기 위해 SiC 그리드 레벨 구동 회로를 최적화하는 방법을 살펴 보겠습니다.

분리형 그리드 드라이브는 SiC(탄화규소) 및 GaN(질화갈륨)과 같은 기술에 필요한 최대 스위치 속도와 시스템 크기 제한을 충족하도록 설계되었으며 IGBT 및 mosfet에 대한 안정적인 제어를 제공합니다.아키텍처의 진화는 새로운 효율성 수준과 타이밍 성능의 안정성을 충족시켜 전압 왜곡을 줄일 수 있습니다.ROHM Semiconductor는 탄화규소(SiC) 기술에 기반한 전력 부품의 참조점이다.

SIC MOSFRT를 사용하는 이유

우리의 재료는 고유의 저항이 비교적 낮기 때문에 더 작은 칩을 사용할 수 있고 최종적으로 더 작은 패키지를 실현할 수 있다.전원 공급 장치와 같은 복잡한 구성 요소의 경우 일반적으로 브리지 구성에 여러 레이어를 포함하는 핵심 요소입니다.

또한 더 작은 칩은 내부 레이아웃을 더 잘 최적화하고 기생 용량을 줄이는 데 도움이 된다.SiC 기술의 두 번째 이점은 더 높은 작동 속도입니다.더 나은 재료 동적 및 더 높은 스위치 속도를 통해 더 높은 작동 주파수를 구현할 수 있으므로 소스 없는 컴포넌트 (코일 센서, 필터 및 변압기) 의 크기, 텍스쳐를 줄일 수 있으며 경우에 따라 입력 및 출력 용량을 줄일 수 있습니다.

세 번째 이점은 SiC 재료의 높은 작동 온도 (최대 200도) 와 더 나은 전도성 때문에 더 높은 작동 온도와 관련이 있습니다.따라서 히트싱크 크기를 줄이거나 경우에 따라 냉각 시스템을 단순화할 수 있습니다.때로는 액체 냉각 시스템에서 강제 공기 냉각 시스템으로 마이그레이션할 수도 있습니다.

2. SiC MOSFET 구동회로의 도전과 최적화

높은 감응 전압

다음 그림은 탄화규소(SiC) MOSFET, 전력 MOSFET 및 실리콘 IGBT의 서로 다른 전력 부품 간의 비교를 보여줍니다.

출력 특성 (다른 제조업체 참조) 에서 우리는 전압 수준에 큰 변화가 있음을 관찰할 수 있다.이제 3세대에 접어든 ROHM SiC MOSFET의 전형적인 그리드 소스 전압(V GS)은 18V입니다.우리는 지금 우리가 잘못된 전압 전압으로 SiC MOSFET를 구동하면 무슨 일이 일어날지 검사하는 데 관심이 있습니다. 우리의 전압은 18V에서 시작하여 점차 전압을 16V, 14V 심지어 이 전압보다 낮게 낮춥니다.전원 공급 장치의 전압 변화나 기타 요인으로 인해 현장에서 전압이 떨어질 수도 있기 때문에 이 부분이 중요합니다.다음 그림에 표시된 설정은 실험실에서 테스트되었습니다.

측정 회로는 출력이 5kW인 승압기 구성을 기반으로 합니다.V GS 18V를 시작으로 전압은 14V 이하로 점차 내려간다.13.4V에서 테스트를 중지합니다.테스트 결과는 그림과 같다: 예상대로 R ds (감응 전압이 낮아짐에 따라 증가한다.14V 정도(피측 부품을 가리킴) 에서 온도가 높아지는 것을 관찰할 수 있으며, 격파 (열 통제 불능으로) 발생하기 전에 테스트를 중단해야 한다.

이 현상은 R ds(on) 온도 계수가 12V에서 14V 근처에 있다는 것이 그 상징이기 때문에 눈에 띈다.18V에서 온도 계수는 양수: 이는 온도가 올라가면 R ds(on)가 증가한다는 것을 의미합니다.저전감 전압에서는 온도계수가 음이고 온도가 높아지면 R ds(on)가 낮아진다.열 조절 불능을 방지하기 위해 이 카테고리의 SiC MOSFET는 최소 감지 전압이 14V여야 합니다.

또 다른 큰 문제는 SiC MOSFET를 올바르게 구동하는 방법과 실리콘 MOSFET를 사용하여 이 목적을 달성할 수 있는지 여부입니다.예를 들어, 그림 5의 전원 원리도를 고려합니다.입력 전압은 700-1000 VDC이므로 실리콘 MOSFET를 적용하기가 어렵습니다. 어쨌든 우리는 두 개의 직렬 MOSFET를 사용하여 이 응용 프로그램을 충족시켜야 합니다.MOSFET가 감당할 수 있는 최대 전압은 1350V 이상(1000V 최대 입력 전압, 반사 전압에 잡다한 음향으로 인한 서지 전압)에 쉽게 도달할 수 있다.

우리는 두 개의 실리콘 MOSFET 대신 하나의 탄화규소 MOSFET (예: 1700V형) 만 사용할 수 있지만 어떻게 구동합니까?정답은 우리가 전문적인 IC가 필요하다는 것이다.ROHM BD7682FJ는 탄화규소 MOSFET에 대한 시장 구동 최적화를 위한 IC다.18V 감지 클램프 비트 (위험한 전압 이상에서 작동하지 않음), 14V 압력 부족 잠금 (UVLO), 소프트 부팅 (공진 펄스 감소에 도움), 포괄적인 보호 기능 목록이 있습니다.

빠른 스위치 속도

IGBT 트랜지스터의 경우 SiC MOSFET는 더 나은 동적 특성을 가지고 있으며 이는 전환 속도가 더 빠르다는 것을 의미합니다.SiC MOSFET의 전환 시간은 순간 나노초이고 IGBT의 전환 시간은 수백 나노초이다.이러한 상황의 빠른 방향 전환을 실현하기 위해서, 우리는 반드시 더 짧은 주기에 총 공명 공명을 제공해야 한다.즉, 피크 전류가 더 높은 공명 드라이브가 필요합니다.얼마나 높아요?그림 6과 같이 적어도 IGBT와 같은 전류가 필요하거나 그 이상이 필요합니다.

더 빠른 방향 전환은 더 높은 dV/dt를 의미합니다.dV 및 dt는 IGBT 및 Sic MOSFET의 스위치 시간을 비교한 그림 7의 예와 같이 실험을 통해 측정할 수 있습니다.그림에서 볼 수 있듯이, CMTI (Common Time Instance) 는 나노초당 100V 이상의 공명 드라이브와 같거나 같아야 합니다.

하위 임계값

IGBT MOSFET의 임계값은 약 +5V 또는 그 이상이며 탄화규소 MOSFET의 경우 +1 또는 +2V (그림 8)로 낮은 임계값을 허용합니다.또한 임계값 전압의 음온도 계수 때문에 임계값은 온도가 높아질수록 낮아진다.따라서 인덕션 드라이브 설계에서 인덕션의 노이즈가 위험할 수 있기 때문에 이러한 측면에 유의해야 합니다.어떻게 소음을 제어하고 기생 효과를 제거합니까?첫 번째 단계는 PCB 설계와 관련이 있습니다.좋은 PCB 설계는 다음 매개변수를 최소화해야 합니다.

OUT에서 센싱, 콘덴서에 이르는 동선 임피던스;

GND에서 원극, 콘덴서에 이르는 주선 임피던스;

고전류 경로의 면적.다음 그림에서는 경로의 모퉁이가 빨간색으로 표시되고 경로의 모퉁이가 녹색으로 표시됩니다.

두 번째 단계는 밀러 클램프와 관련이 있다.일반적인 하프 브리지 MOSFET 감지 드라이브를 살펴보겠습니다.하단 스위치의 상단 MOSFET(M2: 끄기)를 켜면 하단 스위치 양쪽 끝에 VDS 전압 변화가 발생합니다.이렇게 하면 전류(I_Miller)가 발생하여 하부 MOSFET의 기생 커패시터 C를 충전합니다(그림 9).이 전류는 밀러 커패시터, 인덕션 저항기, C GS 커패시터를 거친다.V DS는 낮은 레벨에서 높은 레벨로 빠르게 전환됩니다.인덕션 저항기의 전압이 하부 MOSFET의 임계값 전압을 초과하여 내려가면 "밀러 효과"라고 하는 기생 도통(M1 도통)이 발생합니다.

밀러 효과는 두 가지 방법으로 피할 수 있다.하나는 MOSFET를 유지하여 음수 전원(VEE)을 끄는 것입니다.두 번째는 소스 밀러 클램프 위치입니다. 그림, 10 참조.이 솔루션에는 드라이브 회로의 최소 전위에 연결하는 세 번째 내부 MOSFET(M3)를 추가하는 것이 포함됩니다.MOSFET가 꺼져 있을 때, 공명 전압이 레벨의 특정 이하로 떨어질 때, 펜치 스위치가 활성화되어 MOSFET가 어떠한 접지 반등 이벤트나 dV DS /dt에서 순식간에 그림 10과 같이 유원 밀러 펜치는 감지 직접 펜치를 땅에 도달시키거나 마이너스 전원에 도달시켜 VGS의 증가를 줄일 수 있다.

세 번째 단계는 전감 전압 진동과 관련이 있다.진동은 양수일 수도 있고 음수일 수도 있어 소음을 발생시킨다.이 경우 검증된 해결책은 그리드극과 원극 사이에 C GD/C GS 성분 수를 높이기 위해 시너를 추가하는 것입니다.

콘덴서는 개폐 시간에 영향을 미치기 때문에 이 해결 방안을 자세히 평가해야 한다.위의 모든 고려 사항을 바탕으로 Rohm은 SiC MOSFET 전용 감지 드라이브를 출시했습니다.BM61S40RFV 감지 드라이브는 14.5V 미전압 잠금(ULVO), 22V 과전압 보호(OVP), 100V/ns의 CMTI 및 4A의 출력(제품 노선에 계획된 미래 부품이 추가될 예정)을 갖추고 있다.따라서 SiC MOSFET 공명 드라이브를 이미 사용할 수 있으며 초기 테스트에 사용할 수 있는 문서 및 평가 보드가 지원됩니다.

결론적으로, SiC 전력 부품의 그리드 레벨 구동 회로를 최적화하는 것은 모든 것의 기초가 레이아웃 최적화입니다.이 단계는 멜버른 기생 부품이 가하는 전압이나 전류 소음 또는 피크를 증가시키는 첫 번째 단계입니다.두 번째 단계는 모든 작업 조건에서 전압 레벨 및 공명 신호 노이즈를 검사해야합니다. 세 번째 단계는 앞서 언급 한 바와 같이 시장에 이미 존재하는 전용 장치를 사용하여 SiC MOSFET를 구동하는 것입니다.

부스트 테크놀로지는 신에너지 자동차, 전력 신에너지, 가전제품, 터치 디스플레이, 4대 분야에 집중하여 고객에게 IGBT 모듈과 SiC MOSFET 및 FRD 등 전력 부품 선형 구매 서비스를 제공하며, 핵심 기술을 보유한 전자 부품 공급업체이자 솔루션 업체이다.