2022SiC 전력반도체 병렬 구동을 위한 대칭 구조 및 낮은 기생 인덕턴스를 가진 방열 일체형 스위칭 모듈 개발

   Silicon carbide (SiC) 전력반도체는 물성적 우수성으로 인해 Silicon (Si) 전력반도체에 비해 높은 임계전압, 낮은 도통 저항, 빠른 스위칭 속도 등 다양한 장점을 보이며, 이로 인해 고효율과 높은 전력 밀도를 가진 전력 변환 장치 개발을 용이하게 한다.

   일반적으로 스위치 소자의 병렬 구동 시 문턱전압, On-resistance의 불일치와 같은 반도체의 고유 특성 차이, 게이트 드라이브 신호의 동기화에 따른 차이, di/dt, dv/dt의 불균형, 열 비대칭성에 의한 영향, 게이트 루프, 파워 루프의 레이아웃의 비대칭성 등으로 인해 전류 불균형이 발생한다.

   그 중 SiC 전력 반도체를 사용한 병렬 구동은 작은 입력, 출력 커패시턴스를 가지는 소자의 고유 특성으로 인해 Si 전력 반도체와 비교하여 기생 인덕턴스에 의해 야기되는 영향이 지배적이며, 이러한 특성을 가진 SiC 전력 반도체를 가지고 병렬 구동을 할 경우에는 게이트 루프 및 파워 루프를 대칭적으로 가져가는 것이 전류 불균형의 영향을 최소화 시킬 수 있다.


그림 1. Proposed switching module system architecture diagram


   그림 1은 제안하는 대칭적인 게이트 루프 및 파워 루프를 가지는 병렬 하프 브릿지 스위칭 모듈(Power Cell)의 입력, 출력 장치에 대한 전체적인 구조와 논리 관계들에 대해 보여준다. 상단 및 하단 병렬 스위치(Q1~Q4)의 스위칭 동작은 Connector1과 Connector2를 통해 들어오는 약전원과 PWM 신호를 통해 이루어진다.


그림 2. Proposed two parallel half-bridge switching power module


   그림 2는 WBG 소자의 병렬 구동 성능 향상을 위해 파워 루프와 게이트 루프에서 발생하는 기생 인덕턴스를 최소화하면서 대칭성을 가져간 방열 일체형 스위칭 모듈의 전체적인 배치 구조를 보여준다. 상단 병렬 스위치 Q1, Q2는 일직선 상에 위치하되 각 병렬 스위치 간의 게이트 거리를 최소화하기 위해 180도 반전되는 구조를 가진다. 하단 및 상단 병렬 스위치 간에는 파워 루프에서의 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 수평으로 배치하는 구조를 채택하고, 디커플링 커패시터(C5~C10)를 상단 및 하단 병렬 스위치 사이에 위치시킴으로 파워 루프의 대칭성을 만족하였다. 


그림 3. Developed switching module, (a) top layer, (b) bottom layer


   그림 3은 개발한 스위칭 모듈의 PCB top view, bottom view를 보여주며 상단 병렬 스위치, 하단 병렬 스위치, 게이트 드라이버 IC, 다중 입력 커패시터의 위치가 제안한 구조적 기법에 따라 상장 된 것을 볼 수 있다. 


그림 4. 7.5kW LLC Resonant converter experiment set (a) converter, (b) experiment set


   그림 4는 제안한 구조적 기법의 배치를 적용하여 개발한 스위칭 모듈의 병렬 스위치에 대한 성능을 검증하기 위해 LLC 공진형 컨버터에 적용한 실험 환경을 보여주며, 그림 4. (a)는 개발한 스위칭 모듈과 인덕터, 커패시터 네트워크 그리고 변압기를 포함한 LLC 공진형 컨버터의 모습을 보여주고, 그림 4. (b)는 제어보드와 소스, 부하 그리고 오실로스코프가 포함된 실험 환경을 보여준다.


그림 5. Vgs, Vds, Id waveform of parallel SiC MOSFETs


   그림 5는 LLC 공진형 컨버터에 적용한 정상상태 측정 파형을 보여주며, 병렬 스위치의 rms 전류가 9.2A, 9.3A인 것을 확인 할 수 있으며 약 0.1% 정도의 전류 불균형이 발생하는 것을 확인 할 수 있다.  


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