중요 응용 분야에서 절연 성능 향상을 위해 단일 및 이중 게이트 구동기 사용

고전압 회로에서 저전압 회로로 데이터 및 전력을 전송해야 하는 중요 응용 분야가 다수 존재합니다. 좋은 예로 모터 구동기, 데이터 센터, 산업 자동화, 태양광 인버터와 같은 그리드 인프라 장비를 들 수 있습니다. 설계자는 신뢰할 수 있는 조절된 전압 및 전류와 고무결성의 빠른 데이터 전송을 요구하지만 규제되지 않은 고전압 과도 현상으로 인해 자신의 고가 시스템에 영향을 미치는 것을 원치 않습니다. 낙뢰로 인해 발생하는 전압은 민감한 실리콘을 손쉽게 손상시키고 데이터 스트림에 오류를 일으킵니다. 게다가 이러한 과도 현상은 유지보수 직원에게 위험을 끼칠 수 있습니다.

과도 현상으로부터의 보호는 절연을 통해 제공됩니다. 절연은 전체 시스템 내 두 개의 서브 회로가 전기적으로 분리되도록 보장하며, 두 서브 회로 사이에는 저항성 또는 갈바닉 경로(무한대 저항)가 존재하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 신호, 전력 또는 둘 모두 이러한 서브 회로 사이를 통과할 수 있습니다.

안전한 절연을 달성할 수 있는 방법은 여러 가지가 있으며, 전통적 기법에는 절연 변압기 및 광 커플러가 사용됩니다. 그러나, 공통 모드 과도 내성(CMTI), 깨끗한 파형, 작은 크기, 기능 통합, 높은 스위칭 속도, 낮은 비용, 간소성, 신뢰성, 긴 수명과 같은 특성이 우선시되는 응용 분야의 경우에는 우수성이 입증된 솔루션인 게이트 구동기를 활용할 수 있습니다.

고성능 절연 응용 분야를 위한 게이트 구동기

분리형 게이트 구동기 IC(그림 1)는 절연 레벨, 전파 지연, 기생 누설 유도 용량, 기생 입력-출력 정전 용량, CMTI, 부품 크기 및 두께, 인쇄 회로 기판(pc 기판) 레이아웃, 부족전압 차단(UVLO)과 같은 보호 기능 포함 등의 요소에 대한 제어를 제공합니다. 이러한 특성 각각을 최적화하면 엔지니어는 응용 분야에 맞게 게이트 구동기의 성능을 미세 조정할 수 있습니다.

그림 1: CMOS 절연 및 UVLO 보호 기능을 갖춘 일반적인 단일 채널 게이트 구동기의 레이아웃(이미지 출처: Skyworks Solutions)

Skyworks Solutions는 3V ~ 20V CMOS 입력과 최대 30V 게이트 구동을 지원하는 다양한 분리형 게이트 구동기 IC를 제공합니다. 이 IC는 Si82Ax, Si82Bx, Si82Cx, Si82Dx, Si82Ex, Si82Fx를 비롯하여 1A(암페어), 4A, 6A 구성으로 제공됩니다(그림 2). 제공되는 기능에는 최대 6kV_rms(킬로볼트 RMS) 절연, 마이크로초당 200kV의 CMTI(kV/µs), 45나노초 미만의 전파 지연, GaN, IGBT, SiC, MOSFET 기술 지원 등이 포함됩니다.

그림 2: Si82Ax-Fx 단일 및 이중 채널 게이트 구동기는 1A, 4A, 6A 출력을 지원합니다(이미지 출처: Skyworks Solutions).

이 장치의 전압 모드 출력은 최적화된 스위칭 성능을 실현하고, 다양한 UVLO 옵션 및 입력 중복 보호 기능은 안적한 작동을 보장합니다. 여기에는 디글리치 옵션, 결합 또는 분할 출력 구성을 갖춘 단일 채널 구성, 통합된 밀러 클램프, 구동되는 전원 스위치 유형에 맞는 다양한 UVLO가 포함됩니다.

Si82Ax 및 Si82Dx는 전력 및 모터 제어 응용 분야를 대상으로 하고, Si82Bx 및 Si82Ex는 전원 스위치 구동 요구 사항을 충족합니다. 전원 스위치 구동을 위한 Si82Cx 및 Si82Fx 고성능 버전은 Skyworks의 선택 가능한 가변 전류 구동(SelVCD) 전류 모드 아키텍처를 사용하며 자동차용 인증을 획득했습니다. SelVCD는 전류원으로 작동하여, 모든 작동 조건에 걸쳐 목표값의 엄격한 허용 오차 내에서 출력을 유지합니다.

분리형 게이트 구동기로 시작하기

설계자는 각 제품군 내의 다양한 옵션 중 특정 요구 사항에 맞게 선택할 수 있습니다. 예를 들어 Si82Ax 제품군의 SI82A30BCC-IS는 스위치형 전력 및 모터 제어와 같은 응용 분야에서 전력 MOSFET 및 IGBT를 구동하는 데 이상적인 단일 채널, 3.75kV, 1A 장치입니다. 이 장치는 단일 출력 또는 분할 출력(그림 3) 구성으로 제공됩니다.

그림 3: SI82A30BCC-IS는 전력 MOSFET 및 IGBT를 구동하는 데 이상적인 단일 채널 장치이며 단일 출력 또는 분할 출력 구성으로 제공됩니다(이미지 출처: Skyworks Solutions).

Si82Fx 계열의 SI82F29AGC-IS1은 MOSFET, IGBT, SiC, GaN 스위칭 아키텍처용으로 설계된 3.75kV, 이중 채널 장치로 이중(그림 4, 왼쪽) 또는 단일(그림 4, 오른쪽) 제어 입력을 제공합니다. 출력단의 SelVCD 기술은 8개의 선택 가능한 수준 사이에서 출력 전류를 조정하여 게이트 저항기에 대한 필요성을 없애고 밀러 효과 전류를 억제합니다.

그림 4: SI82F29AGC-IS1은 MOSFET, IGBT, SiC, GaN 스위칭 아키텍처를 위한 이중 채널 게이트 구동기로 이중(왼쪽) 또는 단일(오른쪽) 제어 입력을 제공합니다(이미지 출처: Skyworks).

Skyworks는 또한 Si82Fx 계열을 위한 간단한 SI82F39ABC-KIT 평가 키트(그림 5)를 제공합니다. Si82Fx는 키트의 중심에 배치되어 있으며, 엔지니어는 주변 부품과 기능을 통해 칩의 스위칭, 보호, 절연 기능을 실행할 수 있습니다.

그림 5: 설계자는 SI82F39ABC-KIT 평가 키트를 사용하여 Si82Fx 계열의 스위칭, 보호, 절연 기능을 실행할 수 있습니다(이미지 출처: Skyworks Solutions).

결론

고전압 전원 공급 장치와 저전압 작동 회로 간의 절연은 데이터 센터, 산업 자동화, 의료, 자동차와 같은 중요 응용 분야의 시스템과 사용자를 보호하는 데 필수적입니다. Si82Ax-Fx 게이트 구동기는 설계자에게 이러한 시스템이 모든 주파수에서 효율적으로 성능을 발휘하는 데 필요한 뛰어난 절연 성능, 깨끗한 정현파 출력, 유연성, 신뢰성을 제공합니다.