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고속 스위칭 애플리케이션에 온세미 기술을 선택해야 하는 이유

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글/파티흐 세틴닥(Fatih Cetindag), 오토모티브 파워 사업부 애플리케이션 엔지니어, onsemi

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘(Si)보다 유전체 파괴 강도, 에너지 밴드갭, 열 전도율이 높다. 이러한 특성을 활용해 전력 전자 설계자는 Si IGBT 디바이스 기반 설계보다 더 높은 전력 밀도를 가진 효율적인 전력 컨버터를 개발할 수 있다. 이러한 애플리케이션의 경우 고주파수에서 전도와 스위칭 손실을 최소화하려면 낮은 RDS(on)과 바디 다이오드 역회복 전하(Qrr)의 디바이스가 필요하다.

본 기고에서는 TO247-4L 패키지의 서로 다른 두 가지 SiC 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 통해 구현된 3단계 역률 보정(PFC) 컨버터에 대한 디바이스 특성화 테스트와 시뮬레이션 결과를 검토한다. 테스트한 디바이스 중 하나는 낮은 스위칭 손실에 최적화된 온세미의 새로운 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) M3S 제품군에 속한 제품이고, 다른 하나는 표 1에 제공된 기본 파라미터를 가진 경쟁사의 제품이다. 또한 본 기고는 디바이스 파라미터가 상대적 성능에 미치는 영향에 대해서도 설명한다.

MOSFET이 스위치 역할을 할 때 전력 손실 이해

스위칭 디바이스의 전력 손실은 전도 손실과 스위칭 손실로 분류할 수 있다. 스위칭 손실은 전류 또는 전압이 순간적으로 레벨을 변경할 수 없으므로 상승과 하강 시간으로 인해 발생한다. 파워 MOSFET 전압과 전류의 경우 상승과 하강 시간은 디바이스의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)가 얼마나 빨리 충전, 방전되는지에 따라 결정된다. 또한 바디 다이오드의 역회복 전하도 스위칭 손실에 영향을 미친다. 반대로, 전도 손실은 디바이스가 전류를 ‘온(on)’ 상태에서 전도하는 동안 발생한다. 디바이스의 다이나믹 파라미터가 스위칭 손실을 결정하는 반면, 전도 손실은 정적 파라미터와 관련이 있다. 설계자는 이러한 파라미터를 조사해 전력 손실 규모와 관련된 디바이스 성능에 대한 통찰력을 얻을 수 있다. 스위칭 손실에 주로 영향을 미치는 파라미터는 디바이스 커패시턴스(Coss, Ciss, Crss)와 바디 다이오드 역회복 전하(Qrr)이다. 이와는 대조적으로 전도 손실에 크게 기여하는 파라미터는 RDS(on)와 VSD(바디 다이오드 전압 강하)이다.

나믹 특성화 테스트

처음에는 그림 1과 같이 이중 펄스 테스트 설정을 사용한 다이나믹 특성화 테스트를 다양한 조건에서 수행하여 각 MOSFET의 주요 파라미터를 비교했다. 이후에는 3단계 PFC 시뮬레이션을 수행하여 각 MOSFET의 전체 시스템 효율을 비교했다.

[그림 1] 이중 펄스 테스트 회로의 단순화된 다이어그램

[표 1] 테스트한 두 디바이스의 데이터시트 정보

정적 파라미터 비교

RDS(on)와 VSD(바디 다이오드 전압 강하)는 가장 중요한 정적 파라미터이며, 여러 테스트 조건에서 특성화됐다. 온세미 NVH4L022N120M3S는 Competitor A의 대체 SiC MOFSET과 비교 테스트했다. 표 2에 따르면, 온세미 NVH4L022N120M3S는 측정된 모든 온도와 전류에서 더 낮은 VSD로 우수한 성능을 달성했다. 이러한 결과는 전도 손실 감소로 이어진다.

RDS(on)은 디바이스 전도 손실 예측에 사용할 수 있는 또 다른 중요한 파라미터이다. 따라서 이 파라미터는 25℃와 175℃ 접합 온도에서 두 디바이스 모두에 대해 특성화된다. RDS(on) 측정은 300µs의 전도 펄스 폭을 사용해 15V와 18V의 두 가지 게이트-소스 전압에서 수행된다. 테스트 결과를 살펴보면 각 테스트 조건에서 Competitor A가 약간 더 낮은 RDS(on)을 보였으며, 이는 주어진 접합 온도에서 M3S보다 전도 손실이 더 낮다는 것을 나타낸다.

[표 2] 다양한 테스트 조건에서 VSD 비교

[그림 2] 25℃(왼쪽), 175℃(오른쪽)에서 두 MOSFET의 RDS(on) 비교

다이나믹 파라미터

SiC MOSFET에 소수 캐리어가 없다는 것은 Si IGBT와 같은 테일 전류가 성능을 저해하지 않아 턴오프 스위칭 손실이 크게 줄어든다는 것을 의미한다. 또한 SiC 디바이스는 Si MOSFET보다 역회복 전하가 낮기 때문에 피크 턴온 전류가 더 작고 턴온 스위칭 손실이 더 낮다. 입력 커패시턴스(Ciss), 출력 커패시턴스(Coss), 역전송 커패시턴스(Crss), 역회복 전하(Qrr)는 주로 스위칭 손실에 기여하는 파라미터이며, 일반적으로 값이 작을수록 손실이 줄어든다. 스위칭 애플리케이션에서 스위칭 과도 구간 동안 드레인-소스 전압이 6V보다 훨씬 높기 때문에 고전압 영역은 이러한 스위칭 곡선에서 중요한 부분이다. NVH4L022N120M3S는 VDS가 6V 이상일 때 Ciss, Coss, Crss(그림 3)가 더 낮은 값을 나타내므로 Competitor A보다 턴온과 턴오프 손실이 더 낮다.

두 디바이스의 스위칭 에너지 손실은 그림 4, 그림 5와 같이 25℃와 175℃에서 여러 부하 전류 조건에 대한 이중 펄스 테스트를 사용해 측정한다. 테스트 조건은 다음과 같다.

• Vin = 800 V

• RG = 4.7 Ω

• VGS_on = +18 V

• VGS_off = -3 V

• ID = 5 - 100 A

평균적으로 Competitor A에 비해 M3S는 10A~100A 범위의 부하 전류에서 스위칭 손실이 5%(25℃ 기준), 스위칭 손실이 9%(175℃ 기준) 더 낮았다. 이는 온세미 M3S 공정 기술의 우수한 EON 손실 성능 덕분이다.

앞서 언급한 바와 같이 MOSFET의 역회복 동작은 스위칭 손실에도 영향을 미친다. 이러한 파라미터는 25℃에서 ID = 40A, di/dt = 3A/ns(RG 값은 동일한 di/dt로 조정됨)의 조건에서 테스트됐다. 테스트 결과, M3S는 역회복 시간이 짧고 역회복 전하가 낮으며 역회복 에너지가 낮아 Competitor A보다 역 회복 성능이 더 우수한 것으로 나타났다.

[그림 6] M3S(왼쪽)와 Competitor A(오른쪽)의 역회복 손실 비교

널리 사용되는 오토모티브 토폴로지에서 MOSFET 성능 시뮬레이션

두 개의 인덕터(LL)와 커패시터(C)를 사용하는 부스트형 PFC와 LLC는 차량용 온보드 충전기와 HV DC/DC 컨버터에서 널리 사용되는 회로 토폴로지이다. 부스트형 3상 PFC 토폴로지는 6개의 스위칭 디바이스를 포함하며, 풀 브리지 LLC 토폴로지는 2차측에 동기 정류기와 함께 4개의 스위칭 디바이스가 있다.

전도와 스위칭 손실을 평가한 다음, 다음 테스트 조건을 사용해 각 유형의 MOSFET을 개별적으로 적용한 시스템 효율을 비교하기 위해 3상 부스트 PFC 회로의 시뮬레이션(PSIM 사용)을 수행했다.

• VaLL = VbLL = VcLL = 400V

• fline = 50Hz

• RG = 4.7Ω

• VOUT = 800V

• fSW = 100kHz

• POUT = 11 kW(max)

시뮬레이션 결과에 따르면 NVH4L022N120M3S를 사용하는 3상 부스트 PFC 시스템은 동일한 시스템 설계를 가진 Competitor A 디바이스보다 모든 작동 지점에서 더욱 높은 효율을 보였다. 

[그림 8] 시뮬레이션된 추정치: 다양한 전력 수준에서의 효율성 비교

스위칭 애플리케이션에 더 적합한 M3S

SiC 디바이스는 전력 전자 애플리케이션에서 더 높은 효율, 낮은 스위칭과 전도 손실, 높은 주파수에서 작동하는 등 더 높은 전력 밀도 설계를 가능하게 해 기존 Si 디바이스에 비해 여러 이점을 제공한다. 유사한 경쟁 디바이스에 비해 온세미 M3S 기술은 우수한 스위칭 성능과 ETOT, Qrr, VSD, 전체 시스템 효율을 포함한 뛰어난 수치를 제공한다. M3S 기술은 온보드 충전기와 전압 DC/DC 컨버터와 같은 전기차의 고주파 스위칭 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 맞춤화됐다. M3S MOSFET은 전도 손실과 스위칭 손실 간에 최적의 균형을 이루도록 설계되어 PFC와 기타 하드 스위칭 애플리케이션에 적합하다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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