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최고의 GaN 게이트 드라이버 선택

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이 글에서는 엔지니어가 프로젝트에 가장 적합한 GaN 게이트 드라이버를 선택할 때 고려해야 할 주요 요소에 대해 논의한다.

글/류창우, 선임 FAE, EPC Korea

전력 전자 분야에서 질화갈륨(GaN)의 장점

질화갈륨 (GaN)은 더 높은 항복 강도, 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 열 전도성, 더 낮은 온 저항을 지닌 광대역 갭 반도체 소재이다. GaN 기반 전력 장치는 실리콘 기반 장치보다 성능이 훨씬 뛰어나다. GaN이 제공하는 스위칭 성능 및 크기 감소의 상당한 개선으로 인해 에너지 효율적인 고성능 솔루션의 발전에 기여하는 다양한 애플리케이션 에서 기록적인 전력 밀도 및 효율성을 실현할 수 있다.

GaN 게이트 드라이버 유형

질화 갈륨 FET 기반 전력 변환 시스템은 실리콘 기반 시스템에 비해 더 높은 효율, 향상된 전력 밀도 및 더 낮은 전체 시스템 비용을 제공한다. 이러한 유리한 특성으로 인해 eGaN® FET 성능을 향상시키도록 특별히 설계된 게이트 드라이버, 컨트롤러 및 수동 구성 요소를 포함하여 전력 전자 구성 요소의 계속 확장되는 에코시스템이 존재하게 되었다.

로우 측 게이트 드라이버

로우사이드 드라이버는 접지 기준 스위치를 구동하는 데 사용된다.

하프 브리지 게이트 드라이버

하프 브리지 드라이버는 플로팅 및 접지 기준 스위치 모두에서 브리지 구성으로 연결된 두 개의 스위치를 구동하는 데 사용된다. 다음에 있는 표에는 eGaN FET와 함께 사용하기에 적합한 로우 측 및 하프 브리지 드라이버의 몇 가지 예가 나와 있다.

하이사이드 스위치 구동

구동 회로가 있는 간단한 브리지 토폴로지 구조에서 상단 스위치의 소스 단자는 접지에서 DC 버스 전위까지 어디든 플로팅할 수 있다. 따라서 하이사이드 스위치를 구동하려면 두 가지가 필요하다.

① 부동 공급 장치: 이 부동 중간점 전위와 관련된 모든 회로에 전원을 공급한다.

② 레벨 시프터: PWM 제어 신호를 플로팅 드라이버 회로로 전송한다.

GaN 게이트 드라이버 선택 시 주요 고려 사항

게이트 드라이버 IC는 eGaN FET의 스위칭 속도 성능을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다. eGaN FET와의 호환성을 보장하려면 게이트 드라이버는 5V 드라이브에 적합한 UVLO, 낮은 풀업 및 풀다운 저항, 작은 설치 공간, 높은 dv/를 견딜 수 있는 적절한 공통 모드 과도 내성(CMTI)을 갖춘 절연 기능을 갖추고 있어야 한다. dt. 일부 eGaN 호환 드라이버의 다른 유용한 기능으로는 통합 전압 조정기, 부트스트랩 관리 및 매우 좁은 펄스 폭 기능이 있다.

GaN 게이트 드라이버 요구 사항

고주파수 및 고성능 애플리케이션의 요구 사항을 충족하려면 GaN FET용 게이트 드라이버가 최적의 성능을 달성하기 위해 다음 요소를 고려해야 한다.

① 하이 측 부트스트랩 전압 ‘클램프’: 부트스트랩 전원 공급 장치 구동 하프 브리지 드라이버의 로우 측 FET 역전류 전도(역 전도 전압은 최대 2.5V에 도달하여 부트스트랩 커패시터를 7V 이상으로 충전할 수 있음)를 관리한다.

② UVLO(저전압 차단)를 확인해야 하며 비활성화의 경우 3.6V, 활성화의 경우 4.0V 범위에 있는 것이 좋다.

③ GaN 장치는 매우 빠르게 전환할 수 있으므로 게이트 드라이버는 높은 dv/dt를 견뎌야 한다. 100V/ns 이상의 성능이 권장된다.

④ 데드타임 손실을 줄이려면 최소 데드타임을 최소화해야 하며, 이상적으로는 20 ~ 40ns 범위 내이다.

⑤ 더 낮은 FET와 병렬로 연결된 소형의 저가형 쇼트키 다이오드가 필요할 수 있다.

⑥ 별도의 Ron/Roff 핀

⑦ 과열 제한 보호

이러한 요구 사항을 고려할 때 다음 수정 사항을 사용하여 GaN FET와 함께 일반 MOSFET 게이트 드라이버 IC를 사용하는 것도 가능하다. 

GaN FET와 함께 컨트롤러 IC를 사용할 때 주요 고려 사항

설계자가 MOSFET 기반 게이트 드라이버가 통합된 컨트롤러 IC를 사용하는 것을 선호하는 상황이 있다. 특정 기준이 충족된다면 GaN FET와 함께 작동하도록 이러한 드라이버를 조정하는 것이 가능하다. 중요한 고려 사항은 부트스트랩 다이오드가 외부에 있어야 하고 UVLO 설정이 GaN FET 요구 사항과 일치해야 한다는 것이다. MOSFET 기반 하프 브리지 게이트 드라이버를 수정할 때 부트스트랩 커패시터 전체에 5.2V 제너 클램프 다이오드를 추가하고, 부트스트랩 다이오드와 직렬로 연결된 전류 제한 저항기를 추가하고, 해당하는 경우 하위 FET 전체에 역병렬 다이오드를 추가하는 것이 좋다. 이러한 결합된 조치는 부트스트랩 과전압을 효과적으로 제한한다.

지금까지 우리는 부트스트랩 공급을 위해 게이트 드라이버 내부 또는 외부 다이오드에 의존해 왔다. 게이트 드라이버 내부 다이오드는 프로세스 제한으로 인해 역회복을 나타내므로 벅 컨버터의 상위 FET에서 잠재적인 손실이 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해 부트스트랩 다이오드를 GaN FET로 교체하여 동기식 FET 부트스트랩 전원을 생성할 수 있다. GaN FET의 도입은 부트스트랩 다이오드의 기능을 대체하고 부트스트랩 커패시터를 추가로 조절한다. 이는 양방향으로 전류를 전도할 수 있기 때문이다. 동기식 부트스트랩 FET 회로는 더 높은 주파수에서 최적으로 작동하거나 역회복으로 인한 스위치 노드 전압 전이 왜곡을 제거하는 데 사용될 수 있다.

동기식 부트스트랩 전원 공급 장치를 게이트 드라이버에 장착하는 단계는 다음과 같다.

① 먼저 동기식 부트스트랩 FET를 통합하고 소스를 5V 전원에 연결하고 드레인을 부트스트랩 커패시터 회로에 연결한다.

② 낮은 FET 게이트가 낮게 유지될 때마다 이 커패시터를 충전하기 위해 커패시터 Cenh와 다이오드 Denh를 사용하여 낮은 FET 게이트 신호의 전압 이동을 구현한다.

③ 내부 다이오드가 영구적인 순방향 바이어스를 경험하는 것을 방지하려면 게이트 드라이버에 대한 주 전원을 약간 줄인다. 이를 위해 다이오드 D4V7을 사용한다.

④ Ron, Rbleed 및 Doff로 구성된 끄기 및 켜기 타이밍 회로를 추가한다.

⑤ 마지막으로 Rdamp를 사용하여 드레인 회로 인덕턴스에 대한 감쇠를 도입한다.

EPC는 설계자의 요구 사항을 충족하는 완벽한 GaN 호환 게이트 드라이버를 추천할 수 있다. EPC의 GaN 전문가는 설계자가 올바른 드라이버를 선택할 수 있도록 설계 사양 및 목표에 대해 항상 상담 가능하다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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