Wide bandgap (WBG) 전력 반도체인 Silicon carbide (SiC)와 gallium nitride (GaN)는 고밀도 달성과 고온에서도 안정적인 작동이 가능하며, 스위칭 성능 또한 매우 뛰어나다. 현대 전력 전자 산업에서 이러한 WBG 전력 반도체는 가전제품, 전기차 충전기, 산업용 전원 등 다양한 분야에서 활용되며, 높은 효율과 신뢰성을 요구한다. 그러나 WBG 전력 반도체는 기존의 실리콘 (Si) 전력 반도체와 비교하여, 높은 di/dt와 dv/dt 특성을 가지고 있다. 그리고 회로 단락이 발생했을 때 견딜 수 있는 시간이 훨씬 짧다는 문제점이 존재한다. 따라서 WBG 전력 반도체를 안정적으로 구동하기 위해선 강인한 스위칭 노이즈 내성과 빠른 단락 보호 회로가 요구된다.
그림 1. Conventional desaturation detection method.
(a) Conventional circuit of Gate Based Desaturation detection. (b) Main Waveform.
그림 1 (a)은 기존의 게이트 기반 desaturation 보호 회로를 보여준다. 이 회로는 device under test (DUT)의 전압을 센싱하여 desaturation 상황을 검출하는 방식이다. 그림 1 (b)는 이 회로의 주요 파형이다. 센싱되는 전압 vs는 저항에 의해 분배된 게이트 전압, Desat 다이오드 D1의 포워드 전압, 그리고 DUT에 걸리는 전압의 합으로 구성됩니다. DUT에 흐르는 전류가 증가하면 센싱 전압도 상승합니다. 이 센싱 전압은 폴트 레퍼런스 전압과 비교되어, 폴트 레퍼런스 전압을 초과할 경우 고장 신호를 발생시킨다.
기존 방법의 한계점은 고효율을 위해 낮은 Rds(on)을 선정할 경우 vs의 센싱 민감도가 낮아진다는 점이다. 또한, 높은 전압에서 DUT를 구동할 때는 Desat 다이오드 D1의 수가 증가하여, 정상 상태에서의 vs가 증가한다. 이는 마진 전압을 낮추고 노이즈로 인한 오동작의 가능성을 높인다.
그림 2. Proposed desaturation detection method.
(a) Proposed circuit of Gate Based Desaturation detection. (b) Main Waveform.
이러한 한계점을 해결하기 위해 본 연구에서는 제너 다이오드와 비반전 증폭기를 사용하여 마진전압을 확보하고 vs의 센싱 민감도를 향상시켰다. 제안한 회로는 그림 2(a)와 같다. 그리고 그림 2(b)는 제안한 회로의 주요 파형이다. 첫 번째 파형은 게이트 전압, 두 번째 파형은 게이트-소스 전압, 세 번째 파형은 DUT의 드레인-소스 전압을 나타낸다. 네 번째 파형은 센싱 전압과 폴트 래퍼런스 전압을 보여주며, 여기서 vs와 래퍼런스 전압의 차이가 마진 전압이다. 이 마진 전압을 증가시키기 위해 본 연구에서는 제너 다이오드를 도입하였다. 이로 인해 vs가 제너 다이오드의 전압만큼 감소하게 되었다. 이 파형은 주황색으로 강조하였다. 추가로, 센싱 민감도를 높이기 위해 k배의 이득을 가지는 비반전 증폭기를 사용하였다. 이를 통해 민감도가 k배 증가함을 파형에서 확인할 수 있다. 결과적으로 제너 다이오드와 증폭기의 사용은 센싱 민감도를 향상시키고 충분한 마진 전압을 확보할 수 있다.
그림 3. Experimental waveforms of the short-circuit test under 500 V dc voltage.
(a) Situation on Fault Under Load. (b) Situation on Hard Switching Fault.
그림 3은 fault under load (FUL)과 hard switching fault (HSF) 상황에서 검증한 파형이다. FUL에서는 35ns에 검출하였고, IC 딜레이를 거쳐서 총 390ns 이후에 정상적으로 DUT를 정지함을 확인하였다. 또한, HSF 상황에서는 210ns에 검출, 총 530ns에 정지함을 확인하였다. 두 가지 상황 모두 정상적으로, 그리고 매우 빠르게 검출함을 알 수 있다.
그림 4. Experimental waveforms of the sensing sensitivity.
(a) Without Zener Diode. (b) With Zener Diode.
그림 4는 제너 다이오드 유무에 따른 센싱 민감도를 보여준다. 그림 4(a)의 경우 제너 다이오드 없이 증폭기만 사용하여 측정한 결과이고, 그림 4(b)는 제너 다이오드와 증폭기를 사용하였다. 제너 다이오드 덕분에 증폭비를 더울 증가시킬 수 있었고 이에 따라 센싱 민감도도 50.667mV/A에서 92.667mV/A로 증가됐다.
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- 웨비나 링크 - https://youtu.be/q32HlOBDxvY
- 관련 논문 - doi: 10.1109/ACCESS.2024.3351744.
- 기술 문의 - Tel +82-2-2220-2897 Email rykim@hanyang.ac.kr
Wide bandgap (WBG) 전력 반도체인 Silicon carbide (SiC)와 gallium nitride (GaN)는 고밀도 달성과 고온에서도 안정적인 작동이 가능하며, 스위칭 성능 또한 매우 뛰어나다. 현대 전력 전자 산업에서 이러한 WBG 전력 반도체는 가전제품, 전기차 충전기, 산업용 전원 등 다양한 분야에서 활용되며, 높은 효율과 신뢰성을 요구한다. 그러나 WBG 전력 반도체는 기존의 실리콘 (Si) 전력 반도체와 비교하여, 높은 di/dt와 dv/dt 특성을 가지고 있다. 그리고 회로 단락이 발생했을 때 견딜 수 있는 시간이 훨씬 짧다는 문제점이 존재한다. 따라서 WBG 전력 반도체를 안정적으로 구동하기 위해선 강인한 스위칭 노이즈 내성과 빠른 단락 보호 회로가 요구된다.
그림 1. Conventional desaturation detection method.
(a) Conventional circuit of Gate Based Desaturation detection. (b) Main Waveform.
그림 1 (a)은 기존의 게이트 기반 desaturation 보호 회로를 보여준다. 이 회로는 device under test (DUT)의 전압을 센싱하여 desaturation 상황을 검출하는 방식이다. 그림 1 (b)는 이 회로의 주요 파형이다. 센싱되는 전압 vs는 저항에 의해 분배된 게이트 전압, Desat 다이오드 D1의 포워드 전압, 그리고 DUT에 걸리는 전압의 합으로 구성됩니다. DUT에 흐르는 전류가 증가하면 센싱 전압도 상승합니다. 이 센싱 전압은 폴트 레퍼런스 전압과 비교되어, 폴트 레퍼런스 전압을 초과할 경우 고장 신호를 발생시킨다.
기존 방법의 한계점은 고효율을 위해 낮은 Rds(on)을 선정할 경우 vs의 센싱 민감도가 낮아진다는 점이다. 또한, 높은 전압에서 DUT를 구동할 때는 Desat 다이오드 D1의 수가 증가하여, 정상 상태에서의 vs가 증가한다. 이는 마진 전압을 낮추고 노이즈로 인한 오동작의 가능성을 높인다.
그림 2. Proposed desaturation detection method.
(a) Proposed circuit of Gate Based Desaturation detection. (b) Main Waveform.
이러한 한계점을 해결하기 위해 본 연구에서는 제너 다이오드와 비반전 증폭기를 사용하여 마진전압을 확보하고 vs의 센싱 민감도를 향상시켰다. 제안한 회로는 그림 2(a)와 같다. 그리고 그림 2(b)는 제안한 회로의 주요 파형이다. 첫 번째 파형은 게이트 전압, 두 번째 파형은 게이트-소스 전압, 세 번째 파형은 DUT의 드레인-소스 전압을 나타낸다. 네 번째 파형은 센싱 전압과 폴트 래퍼런스 전압을 보여주며, 여기서 vs와 래퍼런스 전압의 차이가 마진 전압이다. 이 마진 전압을 증가시키기 위해 본 연구에서는 제너 다이오드를 도입하였다. 이로 인해 vs가 제너 다이오드의 전압만큼 감소하게 되었다. 이 파형은 주황색으로 강조하였다. 추가로, 센싱 민감도를 높이기 위해 k배의 이득을 가지는 비반전 증폭기를 사용하였다. 이를 통해 민감도가 k배 증가함을 파형에서 확인할 수 있다. 결과적으로 제너 다이오드와 증폭기의 사용은 센싱 민감도를 향상시키고 충분한 마진 전압을 확보할 수 있다.
그림 3. Experimental waveforms of the short-circuit test under 500 V dc voltage.
(a) Situation on Fault Under Load. (b) Situation on Hard Switching Fault.
그림 3은 fault under load (FUL)과 hard switching fault (HSF) 상황에서 검증한 파형이다. FUL에서는 35ns에 검출하였고, IC 딜레이를 거쳐서 총 390ns 이후에 정상적으로 DUT를 정지함을 확인하였다. 또한, HSF 상황에서는 210ns에 검출, 총 530ns에 정지함을 확인하였다. 두 가지 상황 모두 정상적으로, 그리고 매우 빠르게 검출함을 알 수 있다.
그림 4. Experimental waveforms of the sensing sensitivity.
(a) Without Zener Diode. (b) With Zener Diode.
그림 4는 제너 다이오드 유무에 따른 센싱 민감도를 보여준다. 그림 4(a)의 경우 제너 다이오드 없이 증폭기만 사용하여 측정한 결과이고, 그림 4(b)는 제너 다이오드와 증폭기를 사용하였다. 제너 다이오드 덕분에 증폭비를 더울 증가시킬 수 있었고 이에 따라 센싱 민감도도 50.667mV/A에서 92.667mV/A로 증가됐다.
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