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2019WBG 전력 반도체용 기생 인덕턴스 저감 인쇄 회로 기판 수직 격자 루프 구조 기법

  

현대 산업에 있어서, 전력 변환 시스템의 고전력 밀도, 고효율화에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 최근 Silicon (Si) 전력 반도체 소자의 한계를 극복한 Wide Band Gap (WBG) 전력 반도체 소자의 등장으로 전력 변환 시스템의 더 높은 전력 밀도와 고효율을 기대 할 수 있게 되었다. WBG 전력 반도체 소자의 안정적이고 효율적인 구동을 위해서는 빠른 di/dt 및 dv/dt, 좁은 구동 전압 범위, 낮은 문턱 전압 등 기존의 Si 전력 반도체 소자와 다른 기술적 고려가 필요하다.  

본 기술은 WBG 전력 반도체 소자를 적용한 전력 변환 시스템의 높은 전력 밀도와 고효율을 달성하고 운전 신뢰성을 향상시키기 위한 기술로 특히 인쇄 회로 기판 (PCB) 상의 기생 인덕턴스를 최소화가 위한 수직 격자 루프 구조 (Vertical Lattice Loop Structure)에 관한 것이다. 수직 격자 루프 구조를 통해 기생 인덕턴스가 작아짐으로써 전력 반도체 소자의 스위칭시 나타나는  공진 현상이 저감되고 ringing과 overshoot가 감소되게 된다.


 

Fig. 1. Conceptual configuration of Vertical Lattice Loop Structure where arrow line depict current loop.


Fig. 1은 수직 격자 루프 구조의 기본적인 컨셉을 보여준다. 수직 격자 루프는 기준 루프(Reference loop)와 반복 루프(Iteration loop) 로 이루어지게 된다. 이때 기준 루프는 수평적으로 최단 거리를 가지도록 회로를 구성하며 수직적으로 서로 다른 방향의 전류로 생성되도록 구성된다. 반복 루프는 위의 기준 루프와 동일한 구조를 같으며 수직적으로 반복되어 구성된다. 이를 통해  전류 방향이 같은 도체 사이에 전류 방향이 다른 루프를 가지는 수직 격자 루프 구조가 생성된다.  

 

(a)
(b)
Fig. 2. drain-source voltage and drain current waveform during turn-on. (a) without Vertical Lattice Loop Structure, (b) with Vertical Lattice Loop Structure.

 

Fig. 2는 전력회로 스위칭시 전력 반도체 소자의 drain-source 전압 및 drain 전류 파형을 나타내고 있다. Fig. 2. (a)는 수직 격자 루프 구조를 적용되지 않은 경우이고 Fig. 2. (b)는 수직 격자 루프 구조를 적용한 경우이다. 두 파형을 비교해보면 ringing 과 overshoot의 차이를 볼 수 있다 drain 전류 ringing의 크기는 39A에서 29A로 감소되었고, drain-source 전압 ringing의 크기는 210V에서 140V로 감소됨을 알 수 있다.


(a)

(b)

Fig. 3. GaN switching energy analysis (a) turn-on (b) turn-off.


Fig. 3은 전력회로 스위칭에 따른  turn-on 및 turn-off 에너지를 보여준다. Fig. 3. (a)는 turn-on 시 스위칭 에너지를 나타내고 Fig. 3. (b)는 turn-off 시 스위칭 에너지를 나타낸다. turn-on 시 수직 격자 루프 구조 적용하였을 때, 기존 대비 최소 25% 이상 감소하였고, turn-off 시 수직 격자 루프 구조 적용하였을 때, 기존 대비 최소 15% 이상 감소를 확인 할 수 있다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

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  • 관련 논문         -    http://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE09264649    
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