올바른 게이트 구동기 전력 컨버터로 전력 소자 제어 효율 최대화

전원 공급 장치, 모터 구동, 충전소 등 다양한 응용 분야에서 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 질화 갈륨(GaN) MOSFET과 같은 스위칭 전력 반도체와 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)는 효율적인 전력 시스템 설계를 위한 핵심 요소입니다. 하지만 전력 소자의 성능을 극대화하려면 적절한 게이트 구동기가 필요합니다.

이름에서 알 수 있듯이 이 부품의 역할은 전력 소자 게이트를 구동하여 빠르고 명확하게 전도 모드로 전환하거나 전도 모드에서 해제하는 것입니다. 이렇게 하려면 부하(게이트)에서 내부 장치 및 부유(기생) 정전 용량, 유도 용량 및 기타 문제가 있더라도 구동기에서 충분한 전류를 소싱/싱크할 수 있어야 합니다. 따라서 전력 소자의 잠재력과 효율을 극대화하려면 적절한 주요 특성을 가진 적절한 크기의 게이트 구동기를 제공해야 합니다. 하지만 게이트 구동기를 최대한 활용하기 위해 설계자는 전력 소자 DC 레일과 무관한 구동기 DC 전원 공급 장치에 특히 주의해야 합니다. 이 공급 장치는 기존 공급 장치와 비슷하지만 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. 단극 공급 장치일 수도 있지만, 대부분의 경우 비대칭 양극 공급 장치이며 두 장치는 기능적 구조적으로 서로 다릅니다. 설계자는 기판 실장 면적 및 로우 프로파일 요구 사항의 측면에서 폼 팩터에 유의하고, 설계의 의도된 조립 및 제조 공정과의 호환성에도 주의해야 합니다.

이 기사에서는 Murata Power Solutions MGJ2 계열 2W 게이트 구동 DC/DC 컨버터의 표면 실장 장치(SMD) DC/DC 공급 장치를 예로 들어 게이트 구동기용 전원 공급 장치를 중심으로 살펴봅니다.

스위칭 장치로 시작

게이트 구동기 DC/DC 컨버터의 역할과 바람직한 특성에 대한 이해는 스위칭 장치로 시작합니다. MOSFET을 스위칭 장치로 사용할 경우 게이트 소스 경로가 장치 끄기 또는 켜기 상태를 제어하는 데 사용됩니다(IGBT와 유사). 게이트 소스 전압이 임계 전압보다 작은 경우(V_GS < V_TH), MOSFET은 차단 영역에 있고, 드레인 전류가 흐르지 않고(I_D = 0A), MOSFET은 '개방된 스위치'로 표시됩니다(그림 1).

그림 1: 열차단 모드에서 MOSFET 드레인 소스 경로는 개방된 스위치처럼 보입니다. (이미지 출처: Quora)

반대로 게이트 소스 전압이 임계 전압보다 훨씬 큰 경우(V_GS < V_TH), MOSFET은 포화 영역에 있고, 최대 드레인 전류가 흐르고(I_D = V_DD /R_L), MOSFET은 저저항 '폐쇄형 스위치'로 표시됩니다(그림 2). 이상적인 MOSFET의 경우 드레인 소스 전압이 0(V_DS = 0V)이지만, 실제로는 일반적으로 0.1Ω 이하인(몇 십 밀리옴에 불과할 수도 있음) 온스테이트 저항 R_DS(on)으로 인해 V_DS는 일반적으로 약 0.2V입니다.

그림 2: 포화 모드에서 MOSFET 드레인 소스 경로는 저저항 스위치처럼 보입니다. (이미지 출처: Quora)

회로도 구성도에서는 게이트에 대한 인가 전압이 MOSFET을 켜고 끄는 것처럼 보이지만 이는 작업의 일부일 뿐입니다. 이 전압은 MOSFET을 켜는 데 충분한 전하가 누적될 때까지 MOSFET으로 전류를 구동합니다. 스위칭 구동의 크기(전류 정격)와 유형에 따라 완전히 켜진 상태로 빠르게 전환하는 데 필요한 전류의 양은 단 몇 mA에서 몇 암페어(A) 정도면 됩니다.

게이트 구동기의 기능은 게이트에 충분한 전류를 빠르고 명확하게 구동하여 MOSFET을 켜고, 역으로 전류를 차단하여 MOSFET을 끄는 것입니다. 형식적으로 제어 전하를 빠르게 삽입하고 배출하는 데 충분한 전류를 소싱 및 싱킹할 수 있는 임피던스가 낮은 소스로부터 게이트를 구동해야 합니다.

MOSFET 게이트가 순수 저항 부하처럼 보이는 경우 이 전류를 소싱 및 싱킹하는 것이 상대적으로 간단합니다. 하지만 MOSFET에는 내부 정전 용량 및 유도 용량 방식 기생 소자가 있고, 구동기와 전력 소자 간 상호 연결에도 기생이 있습니다(그림 3).

그림 3: 이 모델의 MOSFET은 구동기 성능에 영향을 주는 기생 정전 용량 및 유도 용량을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그 결과 임계 전압 주위에 게이트 구동 신호 링잉이 발생하여 궤적을 따라 소자가 1회 이상 켜지거나 꺼진 이후에 완전히 켜지거나 꺼집니다. 이는 기계식 스위치의 '스위치 바운스'와 유사합니다(그림 4).

그림 4: MOSFET 부하에서 기생으로 인한 구동기 출력 링잉은 기계식 스위치 바운스와 유사한 링잉 및 허위 트리거를 발생할 수 있습니다. (이미지 출처: Learn About Electronics)

결과는 불을 켜거나 끄는 것과 같이 일상 응용 분야에서 모르고 지나치거나 약간 불편한 정도에서부터 전원 공급 장치, 모터 구동기 및 유사한 서브 시스템에 널리 사용되는 펄스 폭 변조(PWM) 고속 스위칭 회로 손상 가능성까지 다양합니다. 브리지의 동일한 사이드에 있는 두 MOSFET이 한 순간이라도 동시에 켜질 경우 상단과 하단의 MOSFET 쌍 사이에 부하가 배치되는 표준 하프브리지 및 풀브리지 토폴로지에서 단락이 발생하여 영구 손상으로 이어질 수 있습니다. 이 현상을 '슛 스루'라고 합니다(그림 5).

그림 5: Q1 및 Q4(왼쪽) 또는 Q2 및 Q3(오른쪽)의 정상 MOSFET 켜기와 달리 브리지의 Q1과 Q2 또는 Q3과 Q4가 구동기 문제나 다른 원인으로 인해 동시에 켜질 경우 전력 레일과 접지 사이에서 손상의 가능성이 있는 허용되지 않는 단락 조건(슛 스루)이 발생합니다. (이미지 출처: Quora)

게이트 구동 세부 정보

게이트로 전류를 구동하려면 양극 레일의 전압이 전원 스위치의 완전 포화/인핸스먼트를 보장할 만큼 충분히 높되, 게이트의 절대 최대 전압을 초과하지 않아야 합니다. 이 전압 값은 특정 장치 유형과 모델에 따라 결정되지만, IGBT 및 표준 MOSFET은 일반적으로 15V 구동에서 완전히 켜지고, 일반 SiC MOSFET은 완전 온스테이트 조건을 위해 20V에 가까운 전압이 필요할 수 있습니다.

음수 게이트 구동 전압 상황은 좀 더 복잡합니다. 원칙적으로 오프스테이트 조건을 위한 게이트의 적절한 전압은 0V입니다. 하지만 일반적으로 -5V ~ -10V 사이의 음수 전압은 게이트 저항기에 의해 제어되는 빠른 스위칭을 가능하게 합니다. 적절한 음수 구동은 게이트 방출기 오프 전압을 항상 0 이하로 보장합니다.

스위치와 구동기 레퍼런스 사이의 방출기 유도 용량(L)(그림 6의 ‘x’ 지점)은 스위치가 꺼져 있을 경우 반대 게이트 방출기 전압을 생성하므로 이는 중요합니다. 유도 용량이 작을 수도 있지만, 5nH의 매우 작은 유도 용량(몇 밀리미터의 전선 연결)이 1000A/μs di/dt 슬루율에서 5V를 생성합니다.

그림 6: 레이아웃 고려 사항으로 인해 스위치와 구동기 레퍼런스 사이 ‘x’ 지점의 작은 방출기 유도 용량이 스위치 오프 상태에서 반대 게이트 방출기 전압을 유발하여 켜기/끄기 '지터'를 발생할 수 있습니다. (이미지 출처: Murata Power Solutions)

음수 게이트 구동 전압은 장치가 꺼져 있는 동안 게이트 구동 회로에 전류를 주입하는 콜렉터/드레인-게이트 밀러 효과 정전 용량 C_m 효과를 해결하는 데에도 도움이 됩니다. 장치가 꺼져 있으면 콜렉터-게이트 전압이 상승하고 C_m × dV_ce/dt 값의 전류가 밀러 정전 용량, 게이트, 방출기/소스 정전 용량 C_ge, 게이트 저장기를 통과하여 구동기 회로로 흐릅니다. 게이트의 결과 전압 V_ge로 인해 장치가 다시 켜져서 슛 스루 및 손상이 발생할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: 음수 게이트 구동 전압을 사용하면 MOSFET 또는 IGBT 내에 존재하는 밀러 효과 정전 용량으로 인해 발생하는 단점을 극복할 수 있습니다. (이미지 출처: Murata Power Solutions)

하지만 음수 게이트를 구동하면 이 효과가 최소화됩니다. 따라서 효과적인 구동기를 설계하려면 게이트 구동 기능을 위한 양수 전압 레일과 음수 전압 레일이 모두 필요합니다. 하지만 출력이 대칭인(예: +5V 및 -5V) 대부분의 양극 DC/DC 컨버터와 달리 게이트 구동기용 공급 레일은 일반적으로 양수 전압과 비대칭이며 음수 전압보다 더 큽니다.

컨버터의 전력 정격 조정

중요한 요소는 게이트 구동기 컨버터가 제공해야 하는 전류량, 즉 전력 정격입니다. 기본적인 계산은 매우 간단합니다. 각 스위칭 주기에서 게이트 저항기 R_g를 통해 게이트를 충전하거나 방전해야 합니다. 장치 규격서에는 게이트 전하 Q_g 값 곡선이 제공됩니다. 여기서 Q_g는 특정 게이트 전압에서 MOSFET을 켜기(구동) 위해 게이트 전극에 주입해야 하는 전하량입니다. DC/DC 컨버터를 통해 제공해야 하는 전력은 다음 수식을 사용하여 도출합니다.

여기서 Q_g는 주파수 F에서 값이 V_s인 선택한 게이트 전압 스위칭(양수에서 음수로)에 대한 게이트 전하입니다. 이 전력은 장치의 내부 게이트 저항(R_int) 및 외부 계열 저항 R_g에서 소비됩니다. 대부분의 게이트 구동기는 1W ~ 2W 이하의 전원 공급 장치가 필요합니다.

다른 고려 사항은 게이트를 충전 및 방전하는 데 필요한 피크 전류(I_pk)입니다. 피크 전류는 V_s, R_int 및 R_g에 따라 결정됩니다. 표준 편차는 다음 수식을 사용하여 계산됩니다.

대부분의 경우 이 피크 전류는 DC/DC 컨버터에서 제공할 수 있는 전류보다 높습니다. 낮은 듀티 사이클로 작동하는 더 크고 더 비싼 공급 장치로 전환하는 대신, 대부분의 설계에서는 구동기 공급 레일에서 '벌크' 커패시터를 사용하여 전류를 공급합니다. 구동기 공급 레일은 주기의 전류가 낮은 구간에서 컨버터에 의해 충전됩니다.

벌크 커패시터의 크기는 기본 계산에 따라 결정됩니다. 또한 벌크 커패시터는 전달 중인 과도 전류를 방해하지 않도록 낮은 등가 직렬 저항(ESR) 및 유도 용량(ESL)을 갖는 것이 중요합니다.

기타 게이트 구동기 컨버터 고려 사항

게이트 구동기 DC/DC 컨버터에는 다른 고유한 문제가 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• 규정: 장치를 스위칭하지 않을 경우 DC/DC 컨버터의 부하는 0에 가깝습니다. 하지만 대부분의 기존 컨버터는 항상 최소 부하가 필요합니다. 그렇지 않으면 출력 전압이 최대 게이트 항복 수준까지 크게 증가할 수 있습니다.

이 고전압은 벌크 커패시터에 저장되므로 장치 스위칭이 시작되면 컨버터 수준이 정상 부하 이하로 떨어질 때까지 게이트 과전압이 나타날 수 있습니다. 따라서 클램핑 출력 전압 또는 매우 낮은 최소 부하 요구 사항이 있는 DC/DC 컨버터를 사용해야 합니다.

• 시동 및 차단: 구동 회로 전압이 지정된 값에 도달할 때까지 PWM 제어 신호를 통해 IGBT 및 MOSFET을 능동적으로 구동해서는 안 됩니다. 하지만 게이트 구동 컨버터를 켜거나 끌 때 과도 조건이 존재하여 PWM 신호가 비활성 상태에서도 장치가 구동되어 슛 스루 및 손상으로 이어질 수 있습니다. 따라서 전원을 켜고 끌 때 단조성 상승 및 하강으로 DC/DC 컨버터 출력이 정상적으로 작동해야 합니다(그림 8).

그림 8: DC/DC 컨버터 출력은 전원을 켜고 끌 때 과도 전압 없이 정상적으로 작동해야 합니다. (이미지 출처: Murata Power Solutions)

• 분리 및 결합 정전 용량: 높은 출력에서 전원 인버터 또는 컨버터는 일반적으로 브리지 구성을 사용하여 라인 주파수 AC를 생성하거나 모터, 변압기 또는 기타 부하에 양방향 PWM 구동을 제공합니다. 사용자 안전과 규정 준수를 위해 하이사이드 스위치의 게이트 구동 PWM 신호 및 관련 구동 전력 레일은 사이에 저항 경로 없이 접지로부터 전기적으로 분리되어야 합니다. 또한 분리 장벽이 강력하고 설계 수명 동안 반복된 부분 방전으로 인한 성능 저하가 크지 않아야 합니다.

또한 분리 장벽을 통한 정전 용량 방식 결합으로 인한 문제가 있습니다. 이는 완전 절연 AC 라인 변압기의 1차 권선과 2차 권선 사이의 누설 전류와 유사합니다. 따라서 구동 회로 및 관련 전력 레일은 스위치 노드의 높은 dV/dt로부터 보호되고 결합 정전 용량이 매우 작아야 합니다.

이 문제의 메커니즘은 일반적으로 10kV/μs에 이르고 최신 GaN 장치의 경우 100kV/μs에 이르는 매우 빠른 스위칭 에지 때문입니다. 이 빠른 슬루 dV/dt로 인해 과도 전류가 DC/DC 컨버터의 분리 장벽 정전 용량을 통해 흐르게 됩니다.

전류 I = C x (dV/dt)이므로 장벽 정전 용량이 20pF에 불과한 10kV/μs 스위칭에서도 200mA의 전류가 흐릅니다. 이 전류는 컨트롤러 회로망을 통해 브리지로 돌아가는 확정되지 않은 귀로를 찾아서 연결 저항과 유도 용량을 통해 전압 스파이크를 발생하므로, 컨트롤러와 DC/DC 컨버터의 작동이 중단될 수 있습니다. 따라서 낮은 결합 정전 용량이 매우 바람직합니다.

DC/DC 컨버터 기본 분리 및 관련 절연의 다른 측면이 있습니다. 분리 장벽은 정격 전압을 지속적으로 견디도록 설계되었지만, 전압이 스위칭되므로 시간이 흐를수록 장벽의 성능이 빠르게 저하될 수 있습니다. 이는 전적으로 DC 정전압의 결과로 인해 발생하는 장벽 소재의 전기화학 및 부분 방전 효과 때문입니다.

따라서 DC/DC 컨버터는 강력한 절연을 제공하고 최소 연면거리 및 공간거리가 충분해야 합니다. 또한 컨버터 장벽이 안전 분리 시스템에 포함되는 경우 필요한 분리 수준(기본, 보완, 강화), 작동 전압, 오염도, 과전압 범위, 고도에 대한 관련 기관의 규정이 적용됩니다.

따라서 다양한 기본 보호 수준과 강화된 보호 수준(일반적으로 EN 62477-1:2012에 지정된 수준과 동일) UL60950-1에 따라 적절한 설계와 소재를 적용한 게이트 구동 DC/DC 컨버터만 승인되거나 승인 보류됩니다. 1 × 환자 보호 수단(MOPP) 및 2 × 오퍼레이터 보호 수단(MOOP) 요구 사항을 적용한 의료 표준 ANSI/AAMI ES60601-1에 따라 더 엄격한 승인이 적용되거나 승인 보류되기도 합니다.

• 공통 모드 일시 내성: CMTI는 분리된 게이트 구동기의 경우처럼 게이트 구동기의 두 개별 접지 레퍼런스 사이에 차동 전압이 존재하는 높은 스위칭 주파수에서 중요한 게이트 구동기 파라미터입니다. CMTI는 두 분리된 회로 사이에서 적용되는 공통 모드 전압의 최대 허용 가능한 상승 또는 하강 비율로 정의되며 kV/µs 또는 V/ns로 지정됩니다.

CMTI가 높다는 것은 상승(양수) 또는 하강(음수) 슬루율이 매우 큰 신호로 절연 장벽을 '타격'할 때 분리된 배열의 두 측면(송신측 및 수신측)이 규격서 사양을 초과하는 것을 의미합니다. DC/DC 컨버터 규격서에 이 파라미터에 대한 사양 값이 나오며, 설계자는 해당 값을 회로의 세부 작동 주파수 및 전압과 연결해야 합니다.

게이트 구동기 DC/DC 컨버터 요구 사항 충족

게이트 구동 DC/DC 컨버터에 대한 많은 과제와 상충되는 요구를 인식하여 Murata는 SMD DC/DC 컨버터를 포함하도록 MGJ2 계열 스루홀 DC/DC 컨버터를 확장했습니다. Murata의 컨버터는 성능, 콤팩트 폼 팩터, 낮은 높이(약 20mm 길이 × 15mm 폭 × 4mm 높이) 및 SMD 제조 공정과의 호환성으로 인해 공간 및 무게 제약이 있는 응용 분야에서 IGBT 및 MOSFET의 하이사이드 및 로우사이드 게이트 구동 회로를 구동하는 데 적합합니다(그림 9).

그림 9: Murata MGJ2 계열 DC/DC 컨버터의 모든 장치는 외형과 크기가 동일하지만, 다양한 정격 입력 전압 및 양극 출력 전압 쌍으로 제공됩니다. (이미지 출처: Murata Power Solutions)

이 2W 컨버터 제품군에 속하는 제품은 5V, 12V 및 15V 공칭 입력으로 작동하며, 최대 시스템 효율과 최소 전자파 장해(EMI)로 최적의 구동 수준을 지원하기 위해 비대칭 출력 전압(+15V/-5V, +15V/-9V, +20V/-5V 출력) 옵션을 제공합니다. 표면 실장 패키지는 게이트 구동기와의 물리적 통합을 간소화하고 근접 배치를 가능하게 하여 EMI 또는 무선 주파수 간섭(RFI) 픽업을 최소화하면서 배선 복잡성을 줄입니다.

MGJ2series는 모터 구동기 및 인버터에 사용되는 브리지 회로에 필요한 높은 분리 및 dV/dt 요구 사항을 충족하도록 지정되며, 산업용 정격 온도와 구성은 긴 사용 수명과 신뢰성을 제공합니다. 기타 주요 특성:

• UL62368 인증(보류 중)에 대한 강화 절연
• ANSI/AAMI ES60601-1 인증(보류 중)
• 5.7 kV DC 분리 테스트 전압('고전위' 테스트에 따름)
• 매우 낮은 분리 정전 용량
• 최대 +105°C로 작동(부하 경감)
• 단락 보호
• 특징화된 공통 모드 일시 내성(CMTI) 25kV/μs 초과
• 지속적인 장벽 내성 전압 2.5kV
• 특성화된 부분 방전 성능

두 장치는 MGJ2 계열에서 제공되는 성능 범위를 보여줍니다.

• MGJ2D152005MPC-R7은 15V 공칭 입력(13.5V ~ 16.5V)을 사용하고, 각각 최대 80mA에서 +20V 및 -5.0V의 높은 비대칭 출력을 제공합니다. 주요 사양으로는 각각 두 출력에 대한 9% 및 8% 부하 조정(최대), 20mV/45mV(일반/최대) 이하의 리플 및 잡음, 71%/76%(최소/일반)의 효율, 3pF의 분리 정전 용량, 약 1100kHrs(MIL-HDBK-217 FN2를 사용하여 결정) 및 43,500kHrs(Telecordia SR-332 계산 모델을 따름)의 평균 고장 시간(MTTF)이 있습니다.

• MGJ2D121509MPC-R7은 공칭 12V 입력(10.8V ~ 13.2V)에서 작동하고 최대 80mA에서 +15V 및 -9.0V의 비대칭 출력을 제공합니다. 기타 주요 사양으로는 +15V 출력에 대한 8%/13% 부하 조정(일반/최대), -9.0V 출력에 대한 7%/12% 부하 조정(일반/최대), 20mV/45mV 이하의 리플 및 잡음(일반/최대), 72%/77% 효율(최소/일반), 3pF의 분리 정전 용량, 약 1550kHrs(MIL-HDBK-217 FN2 사용) 및 47,800kHrs(Telecordia 모델)의 MTTF가 있습니다.

정적 성능과 동적 성능을 보여주는 예상 목록 및 그래프 이외에, 이 계열 제품에 대한 일반 규격서에는 해당 컨버터가 충족해야 하는 다양한 산업 표준 및 규정과 이러한 요소를 결정하는 데 사용되는 관련 테스트 조건에 대한 포괄적인 세부 사항이 나와 있습니다. 이를 통해 높은 수준의 신뢰도를 제공하고 엄격한 성능 요구 사항이 적용되는 응용 분야에서 제품 인증 시간을 단축합니다.

결론

스위칭 전력 설계에 적절한 MOSFET 또는 IGBT 장치를 선택하는 것은 설계 공정의 한 단계입니다. 또한 스위칭 장치를 제어하여 켜기/끄기 상태를 빠르고 명확하게 전환하는 관련 게이트 구동기가 있습니다. 즉, 구동기가 작동 전력을 제공하려면 적절한 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 앞서 살펴본 바와 같이 Murata의 MGJ2 계열 2W 표면 실장 DC/DC 컨버터는 필요한 전기적 성능을 제공하며, 이 기능에 필요한 많은 복잡한 안전 및 규정을 충족합니다.