세계 선진국들이 꾸준히 화석 연료에서 벗어나 청정 에너지로 전환함에 따라, 기술 시장은 진화하는 고객 요구를 충족하기 위해 변화하고 있습니다. 이러한 발전의 한 측면이 바로 마이크로 전자 부품을 위한 새로운 재료의 연구 및 채택입니다. 이 문서에서는 GaN 및 SiC 기술과 이 기술이 절연 게이트 드라이버 IC를 어떻게 혁신하는지 살펴봅니다.
초록
GaN 및 SiC FET이 전력 전환 응용 분야에서 MOSFET 및 IGBT 기술을 대체하기 시작함에 따라, 절연 게이트 드라이버 선택을 위한 주요 사양에 대해 논의합니다. CMTI와 전파 지연 스큐의 중요성을 설명하고 이러한 새로운 전력 트랜지스터와 함께 사용하기에 이상적인 절연 게이트 드라이버 IC를 제시합니다.
서론
"석기 시대는 돌이 부족해서가 아니라 더 나은 해결책으로 전환했기 때문에 끝났다는 말이 있습니다. 에너지 효율과 청정 에너지에서도 동일한 기회가 우리 앞에 놓여 있습니다." 세계가 화석 연료로부터의 전환을 가속화하고 있고 화석 연료의 고갈이 예상되는 상황에서 노벨상 수상자인 Steven Chu의 말이 이보다 더 적절했던 적은 없습니다. 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN)과 같은 새로운 반도체 재료는 이러한 에너지 효율 혁명의 선봉에 설 것입니다. 기존 MOSFET 및 IGBT 기술과 비교할 때 이러한 새로운 재료를 사용하면 더 작고 가벼운 부품을 만들 수 있으므로 자동차에서 태양광 전지 인버터에 이르는 응용 분야에서 비용과 에너지 소비를 줄일 수 있습니다(그림 1).
그림 1. 태양광 패널에 연결된 인버터 상자.
이러한 재료를 사용하는 새로운 전력 스위치는 이를 제어하는 부품, 특히 게이트 드라이버에 대해 다양한 요구 사항을 제시합니다. 이 설계 솔루션에서는 GaN 및 SiC와 MOSFET 및 IGBT 스위치의 응용 분야를 살펴보고 게이트 드라이버에 미치는 영향을 논의합니다. 절연 게이트 드라이버를 선택하기 위한 주요 사양을 설명한 후, 대체 제품보다 이러한 신기술에 훨씬 더 적합한 성능 수준을 갖춘 IC 제품군을 제시합니다.
현상 유지에 내미는 도전장
최근까지 전력 공급 시스템용 스위치 기술을 선택하는 것은 상대적으로 사소한 일이었습니다. MOSFET은 일반적으로 최대 600V의 전압에 사용되었으며 IGBT는 더 높은 전압에 선택되는 기술이었습니다. 그러나 질화갈륨 및 탄화규소와 같은 새로운 전력 스위치 기술의 측면 결정 구조는 성능 측면에서 기존 제품에 비해 몇 가지 중요한 이점을 제시합니다. 첫 번째 이점은 크기가 더 작아서 더 높은 전환 주파수가 가능하다는 것입니다. 스위치 속도를 수십 킬로헤르츠에서 수백 킬로헤르츠로 높이면 효율이 향상됩니다. 둘째, 더 높은 전류와 온도에서도 안전하게 작동할 수 있습니다. 즉, 필요한 변압기와 방열판이 더 작으므로 모터가 더 가벼워집니다. 전기 자동차에서는 크기와 무게가 줄어들어 주행 가능 거리가 늘어납니다. 마찬가지로 태양광 인버터의 크기를 줄이면 가정용 응용 분야에 더 적합해집니다. 최신 GaN 기기는 최대 600V까지 작동할 수 있습니다. 기술 비용이 저렴해짐에 따라 결국 고전압 응용 분야에서 IGBT를 대체하는 SiC로 MOSFET 기술을 대체하게 될 가능성이 높습니다.
세상에 공짜는 없는 법
이러한 이점은 상당히 가치가 크지만 주의할 점이 있습니다. 그림 2는 저전압 마이크로컨트롤러가 출력 스위치와 해당 게이트 드라이버를 포함하는 고전압 도메인으로부터 (안전상의 이유로) 갈바닉 절연된 회로를 보여 줍니다. 전환 속도가 빠르면 전환 과도현상에 대한 민감도가 높아집니다. 예를 들어 GaN 전력 시스템은 일반적으로 5ns(기존 MOSFET 시스템보다 훨씬 빠른 속도)로 전환됩니다. 일반적인 600V 고전압 레일을 가정하면 (600V/5ns) = 120kV/μs 전환 과도현상이 발생합니다.
그림 2: 일반적인 절연 전력 변환기 회로.
빠른 소음 과도현상은 절연 장벽을 통과하는 데이터 전송을 손상시키거나, 최악의 경우에는 결함을 유발하여 두 전력 FET이 동시에 켜지도록 트리거되면서 위험한 전기 단락이 발생할 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하려면 고속 전환 기술에 일반적인 600V 고전압 레일을 사용하는 설계에 대해 최소 120kV/μs의 게이트 드라이버 공통 모드 과도 내성(CMTI)이 필요합니다. CMTI는 2개의 절연된 회로 사이에 적용되는 공통 모드 전압의 최대 허용 가능한 상승 또는 하강 속도로 정의됩니다. 단위는 일반적으로 kV/μs입니다. CMTI가 높으면, 절연 장벽이 고전압 공통 모드 신호에 부딪힐 때 절연 장벽 양쪽의 신호 수준이 데이터시트 제한 내에서 유지된다는 의미입니다. 단순화된 CMTI 테스트 설정이 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3: CMTI 측정.
전파 지연 매칭
그림 4의 회로에서 어떤 상황에서도 두 스위치가 동시에 "켜져서는" 안 됩니다. 이렇게 되면 잠재적으로 손상을 유발할 수 있는 단락 유형(일반적으로 슛스루라고 함) 상태가 발생할 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하려면 두 스위치가 모두 "꺼지는" 약간의 "데드 타임"을 설계에서 적용해야 합니다. 그러나 GaN 스위치는 역방향 바이어스된 경우에도 일부 전류를 계속 전도합니다. 이 시간 동안 전력 중 일부가 부하로 전달되지 않으므로 효율이 감소합니다. 따라서 충분히 안전한 "데드 타임"을 두는 것과 이로 인해 발생하는 효율 감소 사이에 균형이 필요합니다. 최적의 솔루션에 도달하려면 부품 간(또는 여러 채널이 있는 부품의 경우 채널 간) 전파 지연 매칭, 일명 스큐라고 하는 개별 게이트 드라이버 부품 간 전파 지연의 가변성을 이해해야 합니다. 이러한 유형의 회로를 설계할 때 전파 지연 스큐가 가장 낮은 게이트 드라이버를 선택하는 것이 가장 좋습니다. 데드 타임을 최소화하는 동시에 "슛스루" 조건이 절대 발생하지 않도록 보장하기 때문입니다.
그림 4. 푸시-풀 하프 브리지 회로.
2-for-1 솔루션
그림 5는 앞서 설명한 2가지 문제를 모두 해결하는 절연 게이트 드라이버 IC 제품군을 보여 줍니다.
그림 6에서 볼 수 있듯이 이러한 부품의 CMTI는 300kV/μs(일반)이며, 이는 유사한 부품의 보호 수준을 초과하므로 GaN 및 SiC 스위치를 사용하는 응용 분야에 이상적입니다.
그림 6. MAX22700의 CMTI 측정.
전파 지연 스큐는 실온에서 2ns(최대), -40°C~+125°C 작동 온도 범위에서 5ns(최대)에 불과하므로 데드 타임을 최소화하고 효율을 높이는 데 도움이 됩니다. 다른 장점으로는 여러 부품, 병렬 구동 스위치가 동일한 시작 전압에서 작동하도록 보장하는 정밀 저전압 차단(UVLO)이 있습니다. 이는 SiC 트랜지스터용 VGS를 설정할 때 중요합니다. 게이트 드라이버 공통 핀에 대한 출력 옵션으로는 GNDB(MAX22700), 밀러 클램프(MAX22701), 조정형 UVLO(MAX22702) 등 여러 가지 변형이 있습니다. 또한 차동(D 버전) 또는 단일 종단(E 버전) 입력 버전도 사용할 수 있습니다. 절연 장벽은 강력한 성능을 위해 내전압 정격이 60초 동안 3kVRMS입니다. 이러한 IC는 다양한 출력 게이트 구동 회로와 B측 공급 전압을 사용하여 SiC 또는 GaN FET을 구동할 수 있습니다.
요약
일상 생활에서 에너지 절약에 대한 관심이 높아지면서 작업을 수행하는 새로운 방법을 찾아야 하는 필요성이 커지고 있습니다. SiC 및 GaN은 더 높은 속도와 온도에서 안전하게 작동할 수 있는 반도체 재료로, 다양한 응용 분야에서 더 가볍고 효율적인 설계를 실현합니다. 그러나 이러한 새로운 재료는 이를 구동하는 회로에 대한 새로운 요구 사항을 제시합니다. 앞서 이러한 전환 기술을 사용하는 응용 분야를 위한 절연 게이트 드라이버를 선택할 때 고려해야 할 가장 중요한 사양중 2가지로 CMTI와 전파 지연 스큐가 꼽히는 이유를 살펴보았습니다. 가장 높은 CMTI와 가장 낮은 전파 지연 스큐를 모두 갖춘 절연 게이트 드라이버 IC 제품군도 소개했습니다. 이러한 제품군은 UPS 및 광전지 인버터는 물론 모터 드라이브의 GaN 및 SiC FET과 함께 사용하기에 이상적입니다.
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