WBG 반도체 중 SiC MOSFET은 고전압, 고속 스위칭, 고온 동작이 가능하여 전력전자 산업에서 핵심적인 요소로 사용된다. 하지만, SiC MOSFET은 고속 스위칭 특성으로 인해 오버슈트가 발생하게 되어 시스템의 안정성이나 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 또한, SiC MOSFET은 고속 스위칭 특성으로 스위칭 손실은 저감할 수 있지만, EMI와 Noise를 크게 발생시킬 수 있다. 따라서, SiC MOSFET의 오버슈트와 스위칭 손실을 모두 줄일 수 있는 제어 방법이 요구되어지고 있으며, 능동 게이트 드라이버는 좋은 해결 방안으로 사용되어진다.
그림 1. Proposed Active Gate Driver
그림 1은 제안하는 능동 게이트 드라이버를 나타낸다. 이는 센싱 회로(Sensing Circuit), 제어 유닛 (Control Unit), 출력 회로 (Output Circuit)으로 구성되어있으며, 오버슈트 측정을 통해 스위칭 과도 구간을 분리하여 오버슈트와 스위칭 손실을 제어하는 구간을 분리한다. 이를 위해, 센싱 회로는 스위칭 과도 구간을 파악하고 오버슈트를 측정하며, 출력 회로는 Current Source Driver를 통해 SiC MOSFET을 구동시키며, 게이트 전류의 크기를 조절한다. 그리고 제어 유닛은 스위칭 손실을 계산하고 이를 기반으로 게이트 전류를 조정하여 스위칭 손실을 제어한다.
(a) (b)
그림 2. Swtiching Stage Detection using Triangle Simiarity Ratio (a) Turn-on, (b) Turn-off
(a) (b)
그림 3. Proposed Swtiching Waveforms (a) Turn-on, (b) Turn-off
그림 2는 삼각형 닮음비를 통해 스위칭 과도 구간을 분리하는 방법을 나타낸다. 제안하는 방법은 오버슈트와 스위칭 과도 시간을 측정하여 삼각형 닮음비를 통해 턴-온과 턴-오프에서 오버슈트와 스위칭 손실을 제어하는 구간을 분리한다. 그림3은 제안하는 능동 게이트 드라이버의 제어 방법을 나타내며, 분리된 스위칭 과도 구간을 바탕으로 오버슈트와 스위칭 손실을 독립적으로 제어하는 기법을 나타낸다.
그림 4. Proposed Loss Model
그림 4는 제안하는 손실 모델을 나타낸다. 스위칭 손실을 제어하기 위해서는 정확한 스위칭 손실을 계산하는 것이 요구되어진다. 제안하는 손실 모델은 측정된 오버슈트 값을 스위칭 손실 계산에 반영하여 스위칭 손실 계산의 정확도를 높인다.
(a) (b)
그림 5. Verification of Loss Model Accuracy Based on Drain-Source Voltage
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림 5는 제안하는 손실 모델의 검증을 위해 부하 전압에 따른 스위칭 손실의 정확도를 나타낸다. 턴-온과 턴-오프에서 부하 전압은 400V, 500V, 600V로 가변하였으며, 이때 전압에 따른 최대 정확도는 턴-온에서 99.42%, 턴-오프에서 94.97%으로 계산되었다.
(a) (b)
그림 6. Verification of Loss Model Accuracy Based on Gate Current
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림 6는 게이트 전류 변동에 따른 스위칭 손실의 정확도를 나타낸다. 턴-온과 턴-오프에서 계산된 손실 모델의 정확도는 각각 99.42%, 98.12%으로 계산되었다.
(a) (b)
그림 7. Verification of Overshoot Control Performance Based on Gate Current
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림 7은 게이트 전류에 따른 오버슈트 제어 성능을 나타낸다. 턴-온에서는 전류 오버슈트를 최대 21.4%까지 저감할 수 있으며, 턴-오프에서는 전압 오버슈트를 최대 9.4%까지 저감할 수 있음을 나타낸다.
(a) (b)
그림 8. Verification of Switching Loss Control Performance Based on Gate Current
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림8은 게이트 전류에 따른 스위칭 손실 제어 성능을 나타낸다. 턴-온에서는 동일 오버슈트 조건에서 턴-온 손실을 최대 40.95%까지 저감할 수 있으며, 턴-오프에서는 동일 오버슈트 조건에서 턴-오프 손실을 최대 23.02%까지 저감할 수 있음을 나타낸다. 이를 통해 스위칭 손실과 오버슈트가 독립적으로 제어가 가능함을 알 수 있다.
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WBG 반도체 중 SiC MOSFET은 고전압, 고속 스위칭, 고온 동작이 가능하여 전력전자 산업에서 핵심적인 요소로 사용된다. 하지만, SiC MOSFET은 고속 스위칭 특성으로 인해 오버슈트가 발생하게 되어 시스템의 안정성이나 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 또한, SiC MOSFET은 고속 스위칭 특성으로 스위칭 손실은 저감할 수 있지만, EMI와 Noise를 크게 발생시킬 수 있다. 따라서, SiC MOSFET의 오버슈트와 스위칭 손실을 모두 줄일 수 있는 제어 방법이 요구되어지고 있으며, 능동 게이트 드라이버는 좋은 해결 방안으로 사용되어진다.
그림 1. Proposed Active Gate Driver
그림 1은 제안하는 능동 게이트 드라이버를 나타낸다. 이는 센싱 회로(Sensing Circuit), 제어 유닛 (Control Unit), 출력 회로 (Output Circuit)으로 구성되어있으며, 오버슈트 측정을 통해 스위칭 과도 구간을 분리하여 오버슈트와 스위칭 손실을 제어하는 구간을 분리한다. 이를 위해, 센싱 회로는 스위칭 과도 구간을 파악하고 오버슈트를 측정하며, 출력 회로는 Current Source Driver를 통해 SiC MOSFET을 구동시키며, 게이트 전류의 크기를 조절한다. 그리고 제어 유닛은 스위칭 손실을 계산하고 이를 기반으로 게이트 전류를 조정하여 스위칭 손실을 제어한다.
(a) (b)
그림 2. Swtiching Stage Detection using Triangle Simiarity Ratio (a) Turn-on, (b) Turn-off
(a) (b)
그림 3. Proposed Swtiching Waveforms (a) Turn-on, (b) Turn-off
그림 2는 삼각형 닮음비를 통해 스위칭 과도 구간을 분리하는 방법을 나타낸다. 제안하는 방법은 오버슈트와 스위칭 과도 시간을 측정하여 삼각형 닮음비를 통해 턴-온과 턴-오프에서 오버슈트와 스위칭 손실을 제어하는 구간을 분리한다. 그림3은 제안하는 능동 게이트 드라이버의 제어 방법을 나타내며, 분리된 스위칭 과도 구간을 바탕으로 오버슈트와 스위칭 손실을 독립적으로 제어하는 기법을 나타낸다.
그림 4는 제안하는 손실 모델을 나타낸다. 스위칭 손실을 제어하기 위해서는 정확한 스위칭 손실을 계산하는 것이 요구되어진다. 제안하는 손실 모델은 측정된 오버슈트 값을 스위칭 손실 계산에 반영하여 스위칭 손실 계산의 정확도를 높인다.
(a) (b)
그림 5. Verification of Loss Model Accuracy Based on Drain-Source Voltage
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림 5는 제안하는 손실 모델의 검증을 위해 부하 전압에 따른 스위칭 손실의 정확도를 나타낸다. 턴-온과 턴-오프에서 부하 전압은 400V, 500V, 600V로 가변하였으며, 이때 전압에 따른 최대 정확도는 턴-온에서 99.42%, 턴-오프에서 94.97%으로 계산되었다.
(a) (b)
그림 6. Verification of Loss Model Accuracy Based on Gate Current
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림 6는 게이트 전류 변동에 따른 스위칭 손실의 정확도를 나타낸다. 턴-온과 턴-오프에서 계산된 손실 모델의 정확도는 각각 99.42%, 98.12%으로 계산되었다.
(a) (b)
그림 7. Verification of Overshoot Control Performance Based on Gate Current
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림 7은 게이트 전류에 따른 오버슈트 제어 성능을 나타낸다. 턴-온에서는 전류 오버슈트를 최대 21.4%까지 저감할 수 있으며, 턴-오프에서는 전압 오버슈트를 최대 9.4%까지 저감할 수 있음을 나타낸다.
(a) (b)
그림 8. Verification of Switching Loss Control Performance Based on Gate Current
(a) Turn-on (b) Turn-off
그림8은 게이트 전류에 따른 스위칭 손실 제어 성능을 나타낸다. 턴-온에서는 동일 오버슈트 조건에서 턴-온 손실을 최대 40.95%까지 저감할 수 있으며, 턴-오프에서는 동일 오버슈트 조건에서 턴-오프 손실을 최대 23.02%까지 저감할 수 있음을 나타낸다. 이를 통해 스위칭 손실과 오버슈트가 독립적으로 제어가 가능함을 알 수 있다.
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