정밀성, 효율성 및 보호 기능을 갖춘 SiC MOSFET 및 IGBT를 구동하는 방법

전기 자동차(EV), 재생 에너지 및 산업 자동화의 수요를 맞추기 위해 전력 시스템이 발전함에 따라 설계자가 효율성, 성능, 안전 간의 균형을 맞추는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 및 실리콘 카바이드(SiC) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 고전압 부품의 통합은 이러한 균형을 달성하기 위한 중요한 단계이지만, 이러한 장치를 사용하려면 정밀한 제어, 빠른 전환 및 강력한 보호 메커니즘을 제공할 수 있는 게이트 구동기가 필요합니다.

이 기사에서는 하프 브리지 토폴로지를 중심으로 최신 전력 시스템 구동과 관련된 문제점을 살펴봅니다. 그런 다음 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 Infineon Technologies의 게이트 구동기와 평가 기판을 소개합니다.

최신 하프 브리지 토폴로지의 설계 과제

업계가 더 높은 스위칭 주파수, 높은 전압, 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 채택을 추진함에 따라 전력 시스템은 산적한 과제에 직면하고 있습니다. 이러한 발전으로 효율성이 향상되면서, 게이트 구동기에 대한 수요가 커지고 있습니다.

많은 응용 분야에서 표준으로 자리 잡은 하프 브리지 토폴로지를 예로 들어 증가하는 요구 사항을 설명해 보겠습니다. 하프 브리지 회로는 EV DC-DC 기판 실장형 충전기 및 모터 구동 시스템에 필수적입니다. 이 회로는 양방향 전력 흐름을 지원하며, 이는 정상적인 모터 작동(순방향 전력 흐름)과 회생 제동(역방향 전력 흐름)에서 모두 매우 중요합니다. 새로운 EV 플랫폼에서 800V 아키텍처로 전환되면서, 스위칭 정밀도를 유지하면서 안정적으로 절연 및 보호하는 메커니즘에 대한 필요성이 커지고 있습니다.

재생 에너지 시스템의 경우 하프 브리지 설계는 그리드 통합에 필요한 3상 인버터의 기반입니다. SiC MOSFET 및 IGBT에 사용되는 스위칭 주파수가 높을수록 효율성은 증가하지만 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치 모두에서 공통 모드 전압 문제가 증가하여 시스템 성능을 저하하고 잠재적으로 규제 표준을 위반할 수 있는 심각한 전자파 장해(EMI)가 발생할 수 있습니다.

산업용 모터 구동기는 분리 커패시터 배열에서 균형 잡힌 DC 버스 전압을 유지해야 하는 등 추가적인 과제에 직면해 있습니다. 더욱 콤팩트하고 전력 밀도가 높은 설계를 지향하는 추세에서 열 관리의 어려움과 전기 잡음 문제가 증가하고 있습니다.

이 모든 응용 분야에서 설계자는 고전압 회로와 저전압 회로를 견고하게 분리하면서 정밀한 제어, 빠른 스위칭 기능, 포괄적인 보호 기능을 제공하는 게이트 구동기 솔루션이 필요합니다.

IGBT 및 MOSFET용으로 제작된 이중 채널 게이트 구동기

Infineon Technologies의 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 계열(그림 1)은 IGBT 및 MOSFET을 제어하도록 제작된 이중 채널 설계로 이러한 문제를 해결합니다. 모든 계열 제품은 부동 시간 제어(DTC)를 통해 독립적인 채널 작동을 제공하여 2ED314xMC12L 장치를 이중 채널 로우 사이드 구동기, 이중 채널 하이 사이드 구동기 또는 하프 브리지 게이트 구동기로 작동할 수 있습니다.

그림 1: 2ED314xMC12L 계열은 DTC를 통한 독립 채널 작동을 지원하므로 장치를 이중 채널 로우 사이드 구동기, 이중 채널 하이 사이드 구동기 또는 하프 브리지 게이트 구동기로 작동할 수 있습니다(이미지 출처: Infineon Technologies).

하프 브리지 구성에서 이중 채널 아키텍처를 사용하면 단일 게이트 구동기 IC로 하이 사이드스위치와 로우 사이드 스위치를 모두 효율적으로 제어할 수 있습니다. 이러한 통합은 인쇄 회로 기판(PC 기판) 레이아웃을 단순화하고 부품 수를 줄이며 채널 간에 일치하는 타이밍 특성을 지원하여 적절한 DTC를 유지하고 슛스루 상태를 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.

2ED314xMC12L 계열의 주요 이점은 코어리스 변압기 기술을 통해 전기적으로 분리된다는 것입니다. 이 접근 방식은 EMI에 대한 높은 내성(EV와 같이 전기적 잡음이 큰 환경에서 필수적임)으로 빠른 신호 전송을 제공합니다.

이 절연 기능은 1초 동안 6.84kV 실효값(_kVRMS), 즉 1분 동안 5.7kV_RMS를 제공하여 UL 1577 표준 인증을 받았습니다. 이 강력한 절연 레벨은 그리드 연계형 인버터가 유틸리티 규모 전압 서지를 견뎌야 하는 재생 에너지 시스템과 같은 응용 분야에서 높은 과도 전압으로부터 보호하는 데 매우 중요합니다.

고출력, 고정밀 스위칭

2ED314xMC12L 계열은 6.5A 피크 출력 전류부터 시작하여 여러 관련 벤치마크에서 우수한 성능을 발휘합니다. 이 높은 출력은 효율적인 스위칭을 위해 강력한 게이트 구동 신호가 필요한 SiC MOSFET에 특히 유용합니다.

다른 주요 특징으로는 정밀한 타이밍 제어를 가능하게 하는 39ns의 전파 지연을 들 수 있습니다. 이는 모터 속도와 토크 제어가 고정밀 스위칭에 의존하는 산업 자동화와 같은 응용 분야에서 중요한 고려 사항입니다.

최대 8ns의 긴밀한 부품 간 전파 지연 스큐는 3상 모터 구동기에서와 같이 여러 구동기 IC를 사용할 때 부품 간 타이밍 차이가 최소화된다는 것을 의미합니다. 최대 5ns의 더욱 촘촘해진 채널 간 전파 지연 스큐로 인해 각 하프 브리지의 스위치 간 슛스루를 방지할 수 있습니다.

마지막으로, 200kV/µs 이상의 공통 모드 일시 내성(CMTI) 등급은 전압 과도 현상으로 인한 잘못된 트리거를 방지하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 재생 에너지 응용 분야에서 높은 일시 내성은 그리드 변동과 갑작스러운 전력 흐름 변화에도 안정적인 작동을 지원합니다.

안정적인 작동을 위한 신뢰성 특징

2ED314xMC12L 계열은 여러 보호 기능을 통합하여 까다로운 전력 응용 분야에서 안정적인 작동을 보장합니다. 각 기능은 고전압 스위칭 환경에서 발생하는 특정 신뢰성 문제를 해결합니다.

필수적인 보호 기능으로는 능동적 전원 차단 및 단락 회로 클램핑이 있습니다. 이러한 메커니즘은 두 전원 스위치가 DC 버스 전압 사이에 있는 적층식 하프 브리지 구성에서 슛스루 전류를 방지합니다. 두 스위치가 동시에 켜지면 단락으로 인해 부품이 손상되거나 시스템이 종료될 수 있습니다.

다른 주요 기능으로는 작은 전압 변동에도 상태가 안정적으로 유지되는 히스테리시스 '불감 대역'을 생성하여 임계값에서 발진을 방지하는 부족 전압 차단(UVLO) 보호가 있습니다. 예를 들어 태양광 전력 시스템에서 UVLO는 부분적으로 흐린 날씨에서도 안정적으로 작동하여 불필요한 가동 중단을 방지합니다. 8.5V ~ 9.3V 사이의 UVLO를 제공하는 제품도 있고, 12.5V ~ 13.6V 사이의 보호 기능을 제공하는 제품도 있습니다.

비상 종료 상황에 대비해 제어 기능을 강화할 수 있는 활성화 핀이 있는 옵션도 제공됩니다. 이러한 변형 제품에서는 각 디지털 입력 핀에 풀다운 저항기가 포함되어 있으므로 핀의 납땜이 제거되거나 연결이 끊어질 경우 기본적으로 채널이 비활성화되어 안전한 상태로 유지됩니다. 이 기능은 예기치 않은 장애가 발생하더라도 시스템 무결성을 유지해야 하는 고신뢰성 응용 분야에 특히 적합합니다.

낮은 전류 소비와 간소화된 제어가 가장 중요한 응용 분야를 위해 비활성화 핀이 있는 변형 제품이 제공됩니다. 이러한 모델을 사용하면 게이트 구동기가 기본적으로 활성 상태를 유지하여 대기 전력 소비를 줄이고 시스템 설계를 간소화할 수 있습니다.

사용 가능한 옵션의 예로는 8.5V ~ 9.3V 사이의 히스테리시스와 비활성화 핀을 갖춘 UVLO를 제공하는 2ED3140MC12L이 있습니다. 반면 2ED3146MC12L은 12.5V ~ 13.6V 사이의 UVLO와 활성화 핀을 제공합니다.

효율적이지만 안정적인 포장

이 계열은 PG-DSO-14-71 패키지로 제공됩니다(그림 2). 이 표면 실장 패키지의 크기는 10.3mm x 7.5mm로 고출력 이중 채널 구동기에 적합한 콤팩트한 크기입니다. EV 응용 분야에서 이 패키지는 귀중한 동력 전달 장치 공간을 절약합니다.

그림 2: 2ED314xMC12L 계열은 콤팩트한 PG-DSO-14-71 패키지로 제공됩니다(이미지 출처: Infineon Technologies).

작은 크기에도 불구하고 모든 변형 제품은 8mm 입력-출력 및 3.3mm 채널 간 연면거리 및 공간거리 등 안전한 작동을 위한 충분한 간격을 제공합니다. 이러한 크기는 공간 제약이 있는 설계에 필요한 콤팩트한 폼 팩터를 유지하면서 절연 요구 사항을 충족합니다.

평가 기판으로 빠르게 시작하기

테스트 및 개발을 간소화하기 위해 Infineon Technologies는 EVAL-2ED3146MC12L 평가 기판(그림 3)을 제공합니다. 이 하프 브리지 기판은 2ED3146MC12L 분리형 게이트 구동기 IC의 기능과 성능을 보여주기 위해 설계되었습니다.

그림 3: EVAL-2ED3146MC12L 평가 기판은 2ED3146MC12L을 평가하기 위한 하프 브리지 설정을 제공합니다(이미지 출처: Infineon Technologies).

게이트 구동기 이외에 평가 기판에는 두 Infineon Technologies IMZA120R020M1HXKSA1 CoolSiC 트렌치 MOSFET과 기판 실장 전원 공급 장치용 Infineon Technologies 2EP130R 변압기 구동기 IC가 포함되어 있습니다. 이러한 부품은 평가 목적에 적합하며 실제 설계를 위해 실용적인 옵션입니다.

SiC MOSFET은 드레인-소스 전압 정격이 1200V로, 600V ~ 2,300V 전력 장치를 구동하는 2ED314xMC12L의 성능 범위 내에 있습니다. 이러한 MOSFET의 18V 게이트 구동 전압 요구 사항은 2ED314xMC12L의 35V 절대 최대 출력 공급 전압으로 쉽게 충족됩니다. 이 MOSFET은 25°C 이상에서 19mΩ의 낮은 온스테이트 저항으로 전도 손실을 최소화합니다.

25°C 이상에서 최대 375W의 최대 내전력 성능과 -55°C ~ +175°C 사이의 작동 온도 범위를 갖춘 이 MOSFET은 고성능 전력 전자 응용 분야의 요구 사항에 부합합니다. 게이트 구동기의 39ns의 빠른 전파 지연과 200kV/μs를 초과하는 높은 CMTI는 MOSFET의 전체 온도 범위에서 안정적인 작동을 유지하면서 효율적인 고주파 스위칭을 가능하게 합니다.

2EP130R 변압기 구동기는 50kHz ~ 695kHz의 넓은 스위칭 주파수 범위를 제공하며 2ED3146MC12L의 빠른 전파 지연과 함께 작동하여 게이트 구동기를 보완합니다. 이 변압기 구동기의 고정밀 듀티 사이클 조정(10% ~ 50%)은 게이트 구동기의 정밀한 타이밍 특성과 잘 어울리며, 하프 브리지 구성에서 최적의 부동 시간을 유지하는 데 중요한 조합입니다.

결론

Infineon Technologies의 EiceDRIVER 2ED314xMC12L 계열은 EV, 재생 에너지 및 산업 자동화의 고전압 응용 분야에 필요한 효율성, 성능 및 안전 기능의 균형을 제공합니다. 콤팩트한 PG-DSO-14-71 패키지는 공간 제약적인 설계를 지원하고, EVAL-2ED3146MC12L-SiC 평가 기판은 빠른 테스트를 가능하게 합니다.