WBG 반도체는 낮은 기생 커패시턴스, 낮은 온저항, 높은 열 전도성으로 인해 고속 스위칭이 가능해지며 고전력, 고신뢰성, 고효율 전력 변환 시스템이 가능해집니다. 하지만, WBG 전력 반도체는 고속 스위칭 특성으로 인해 오버슈트가 발생하게 되어 시스템의 안정성이나 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 또한, WBG 전력 반도체는 고속 스위칭 특성으로 스위칭 손실은 저감할 수 있지만, EMI와 Noise를 크게 발생시킬 수 있습니다.
그림 1. 기존의 게이트 드라이버 슬루율 조절
그러나, 일반적인 게이트 드라이버는 dv/dt 와 di/dt의 slew-rate를 각각 조절할 수 없기 때문에 그림 1과 같이 오버슈트와 스위칭 손실이 트레이드 오프 관계가 됩니다. 이를 해결하기 위해 dv/dt 와 di/dt의 slew-rate를 각각 조절할 수 있는 능동 게이트 드라이버가 연구되고 있습니다.
제안하는 능동 게이트 드라이버는 기존의 게이트 드라이버 동작 파형 대비, dv/dt와 di/dt의 Slew-Rate를 독립적으로 조절하여 오버슈트와 스위칭 손실을 개선할 수 있습니다.
그림 2와 같이 턴온에서 오버슈트가 지난 dvdt 구간을 부분적으로 가속하면 동일한 오버슈트에서 스위칭 손실을 저감시킬 수 있습니다. 또한 didt에서 부분적으로 감속하면 스위칭 손실이 늘어나지 않으면서 오버슈트를 저감시킬 수 있습니다.
그림 3과 같이 턴오프에서는 오버슈트를 지난 didt 구간을 부분적으로 가속하면 동일한 오버슈트에서 스위칭 손실을 저감시킬 수 있습니다. 또한 dvdt에서 부분적으로 감속하면 스위칭 손실이 늘어나지 않으면서 오버슈트를 저감시킬 수 있습니다.
그림 2. 제안하는 능동 게이트 드라이버의 턴온 시 스위칭 손실 저감과 오버슈트 제어 파형
그림 3. 제안하는 능동 게이트 드라이버의 턴오프 시 스위칭 손실 저감과 오버슈트 제어 파형
이러한 dv/dt 와 di/dt를 독립적으로 조절할 수 있는 능동 게이트 드라이버를 가지고 다양한 제어 전략을 가질 수 있습니다.
예를 들어, 손실 최소화 제어 전략은, 전체 과도구간에서 가속을 진행합니다. 이에 따라 그림 4와 같이 턴온은 기존 게이트 드라이버 대비 스위칭 손실 46.78% 개선시킬 수 있으며, 턴오프는 그림 5와 같이 기존 게이트 드라이버 대비 스위칭 손실 32.32% 개선시킬 수 있습니다.
그림 4. 손실 최소화 제어 전략 턴온 파형
그림 5. 손실 최소화 제어 전략 턴오프 파형
본 기술의 이용 및 활용에 대한 사항은 아래 "기술 문의"로 연락 바랍니다.
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- 관련 논문 -
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WBG 반도체는 낮은 기생 커패시턴스, 낮은 온저항, 높은 열 전도성으로 인해 고속 스위칭이 가능해지며 고전력, 고신뢰성, 고효율 전력 변환 시스템이 가능해집니다. 하지만, WBG 전력 반도체는 고속 스위칭 특성으로 인해 오버슈트가 발생하게 되어 시스템의 안정성이나 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 또한, WBG 전력 반도체는 고속 스위칭 특성으로 스위칭 손실은 저감할 수 있지만, EMI와 Noise를 크게 발생시킬 수 있습니다.
그림 1. 기존의 게이트 드라이버 슬루율 조절
그러나, 일반적인 게이트 드라이버는 dv/dt 와 di/dt의 slew-rate를 각각 조절할 수 없기 때문에 그림 1과 같이 오버슈트와 스위칭 손실이 트레이드 오프 관계가 됩니다. 이를 해결하기 위해 dv/dt 와 di/dt의 slew-rate를 각각 조절할 수 있는 능동 게이트 드라이버가 연구되고 있습니다.
제안하는 능동 게이트 드라이버는 기존의 게이트 드라이버 동작 파형 대비, dv/dt와 di/dt의 Slew-Rate를 독립적으로 조절하여 오버슈트와 스위칭 손실을 개선할 수 있습니다.
그림 2와 같이 턴온에서 오버슈트가 지난 dvdt 구간을 부분적으로 가속하면 동일한 오버슈트에서 스위칭 손실을 저감시킬 수 있습니다. 또한 didt에서 부분적으로 감속하면 스위칭 손실이 늘어나지 않으면서 오버슈트를 저감시킬 수 있습니다.
그림 3과 같이 턴오프에서는 오버슈트를 지난 didt 구간을 부분적으로 가속하면 동일한 오버슈트에서 스위칭 손실을 저감시킬 수 있습니다. 또한 dvdt에서 부분적으로 감속하면 스위칭 손실이 늘어나지 않으면서 오버슈트를 저감시킬 수 있습니다.
그림 2. 제안하는 능동 게이트 드라이버의 턴온 시 스위칭 손실 저감과 오버슈트 제어 파형
그림 3. 제안하는 능동 게이트 드라이버의 턴오프 시 스위칭 손실 저감과 오버슈트 제어 파형
이러한 dv/dt 와 di/dt를 독립적으로 조절할 수 있는 능동 게이트 드라이버를 가지고 다양한 제어 전략을 가질 수 있습니다.
예를 들어, 손실 최소화 제어 전략은, 전체 과도구간에서 가속을 진행합니다. 이에 따라 그림 4와 같이 턴온은 기존 게이트 드라이버 대비 스위칭 손실 46.78% 개선시킬 수 있으며, 턴오프는 그림 5와 같이 기존 게이트 드라이버 대비 스위칭 손실 32.32% 개선시킬 수 있습니다.
그림 4. 손실 최소화 제어 전략 턴온 파형
그림 5. 손실 최소화 제어 전략 턴오프 파형
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