고전력 고주파 전력 컨버터에서의 1200V SiC MOSFET와 N-off SiC JFET 의 성능 및 구동

Bettina Rubino, Giuseppe Catalisano, Luigi Abbatelli, Simone Buonomo

STMicroelectronics

이 글에서는 실제 6KW 실험기를 이용해서 각기 다른 전력레벨과 fsw 값에서 1.2 KV SiC MOSFET와 1.2 KV N-off SiC JFET를 비교 분석하고자 한다. 전기 및 열성능 평가를 넘어, ‘구동’의 측면에 특별히 초점을 맞추었다. 이를 목적으로 2개의 전용 구동 네트워크를 구축해서 스위치 2개를 구동했다. 그 결과, 컨버터의 특정 fsw 값의 모든 전력 레벨에서 SiC MOSFET가 JFET보다 높은 효율성을 보였으며, 구동 방법도 가장 간단했다.

서문
전력관련 부품은 비용 및 크기 축소만큼, 우수한 효율성 실현을 위해 끊임없이 노력한다. 1.2KV 제품들 중에서는 SiC가 실리콘 보다 더 나은 대안으로 각광받고 있는 추세다. SiC 제품은 비슷한 BV의 최신 MOSFET 기술보다 훨씬 낮은 수준의 Ron*A 값을 보장하기 때문이다.

반대로, 동작주파수 허용치(operative frequency limit)는 최신 IGBT 제품의 허용치보다 훨씬 높일 수 있다. 여기서는 ST의 최신 1.2 KV 100mΩ SiC MOSFET와 경쟁사의 1.2 KV, 80mΩ N-off SiC JFET제품, 그리고 ST의 필드스톱 트렌치 게이트 기술 신제품 1.2 KV, 25A 실리콘 IGBT의 일부 엔지니어링 샘플을(표1 확인) 실제 애플리케이션 상에서 비교해봤다.

단순한 6KW 부스트 컨버터 오픈루프를 제작했다. 부스트 입력전압은 Vin=600V, Vout=800V이며, 스위칭 주파수 대역은 25Khz(실리콘 IGBT와 비교를 위해서 선택한 값)에서 100Khz까지이다.

선택된 부스트의 다이오드는 ST의 1.2 KV 6A SiC 다이오드와 비슷한 시제품 샘플 2종이다. 실험에서 케이스 온도와 컨버터 효율은 모두 2KW, 4KW, 6KW의 세 종류의 출력 전력 레벨에서 측정했다.

SiC MOSFET과 N-off JFET가 기술과 구동 요건에 있어서 차이가 심해서, 2개의 다른 구동 네트워크를 시행했다. 초반의 결과에서는 효율성이 25Khz 일 때, Si IGBT는 케이스 온도가 상당히 높아 한계에 도달한 것으로 나타났다.

SiC MOSFET는 컨버터의 모든 전력 레벨에서 SiC JFET보다 좋은 성적을 보였으며, 높은 전력으로 갈수록 장점이 더욱 부각되었다. 또 하나의 시스템 설계자들이 무시할 수 없는 측면은, MOSFET가 필요로 하는 구동 네트워크가 상당히 단순하다는 점이다. N-off SiC JFET의 구동 회로는 극도의 주의와 복잡성이 요구된다.

실리콘 IGBT가 SiC와 경쟁 부분은?
Si IGBT는 다른 2개의 SiC 디바이스보다 2KW와 4KW에서 상당히 낮은 효율성을 보여준다. 6KW에서 측정한 Tcase 가 약 100°C에 도달하자 IGBT는 25Khz에서 그 한계에 도달했다.

보드상의 SiC MOSFET와 n-OFF JFET
그림3, 4, 5, 6은 25Khz에서 컨버터의 출력 전력을 6KW로 했을 때, SiC MOSFET와 SiC JFET의 전원을 켰을 때와 껐을 때의 에너지를 나타낸다. MOSFET의 측정 케이스 온도는 Tcase=52°C였다. SiC JFET는 Tcase=60°C였다.

MOSFET 와 N-OFF JFET 구동하기
2개의 전용 구동 네트워크를 구현하여 SiC MOSFET와 N-off SiC JFET를 구동시켰다. 각각의 구동 블럭은 각기 다른 PCB에 구현해서 전력 스위치 게이트에 바로 옆에 동일한 전력보드에 연결했다.

이러한 모듈식 접근법은 기생 성분(parasitic components)과 다른 디바이스들의 효과를 비교할 때, 전력 보드 상의 모든 거리가 변화가 업도록 해준다. 낮은 기생 용량(parasitic capacitance)의 부스트 인덕터(1mH)와 낮은 ESR의 출력 전기 용량을 일부러 선택했다.

SiC MOSFET은 최상의 Rdson에 도달하기 위해 20V의 정전압을 게이트에 적용해야 한다. 구동 측면에서 여타 다른 특별한 기능이 필요치 않으며, 이러한 이유로 SiC MOSFET는 매우 매력적이며 실리콘 스위치만큼 사용하기가 쉽다.

똑같은 구동 보드 컨셉을 IGBT에도 채택하면서, 드라이버의 정전압 Vcc만 +20V대신 +15V로 낮추었다. 반드시 해야 하는 것은 아니지만, 전원 오프 위상(phase)을 고정시키기 위해 전원 오프 때 약간의 부전압(-2V)을 MOSFET 게이트에 적용했다.

반대로, N-OFF SiC JFET를 위해 만든 구동 네트워크는 더 복잡하다. 이 디바이스의 적절한 구동을 위한 특수 형태의 게이트 전하를 만들기 위해 더블 채널 드라이버를 사용했다.

채널A는 짧은 펄스전압신호(≈100ns)를 제공하며, 장치의 전원을 신속히 켜기 위해 낮은 게이트 저항기 값을 통해 높은 게이트 전하를 주입했다. 채널B는 낮은 게이트 전류 값으로 정상 상태를 유지할 수 있는 전압신호를 제공하며 스위치를 끌 수도 있다.

이 두 개의 출력 드라이버 채널이 서로 확실히 동기화되도록 매우 세심한 주의가 필요한데, 그 이유는 두 디바이스 간의 작은 시간 불일치도 JFET의 성능을 크게 감소시킬 수 있기 때문이다.

JFET의 낮은 한계 전압값때문에 원치 않게 전원이 커질 가능성을 최소화하기 위해 JFET를 끌 때는 -10V의 더 높은 부전압을 적용했다. 이 조치에도 불구하고 게이트 전압 신호에서 일부 원치 않는 진동과 잡음이 관찰되었다.

결론
첫 실험에서 SiC MOSFET가 컨버터의 fsw=25Khz에서 6KW까지 모든 전력 레벨에서 SiC JFET보다 좋은 결과를 보여주었으며, 전력이 상승할수록 장점도 증가했다.

JFET 네트워크를 구축하는 동안 극도의 주의와 복잡성이 요구됐던 것과는 달리, SiC MOSFET 구동 네트워크는 그 어떠한 특별한 노력도 필요하지 않았다. 100Khz까지 비교하기 위한 추가실험을 해서 그 결과를 최종 보고서에 포함시킬 예정이다.

References
[1] “Silicon Carbide Enhancement-Mode Junction Field Effect Transistor and Recommendations for Use”, Semisouth.

[2] “Direct comparison among different technologies in Silicon Carbide” , Bettina Rubino, Michele Macauda, Massimo Nania, Simone Buonomo, PCIM 2012

[3] “Application Considerations for Silicon Carbide MOSFETs” , Bob Callanan, Cree

ST마이크로일렉트로닉스 www.st.com

아이씨엔 매거진 2013년 09월호