효율 극대화를 위한 IGBT 전도 손실 측정

서론

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 성능과 효율성은 ON과 OFF 상태 사이를 전환하는 동안의 스위칭 손실과 전도 손실을 통해 정량화할 수 있습니다. 고성능 IGBT는 일반적으로 동일한 반도체 패키지에 IGBT와 다이오드를 모두 사용하여 제작됩니다. IGBT와 다이오드는 각각 결합 손실에 영향을 미치므로 상호 작용을 고려해야 합니다.

IGBT와 다이오드의 전도 손실은 집전기를 통과하는 전류, 즉 전도 주기 동안의 ON 상태 전압(포화 및 애노드 전압)의 결과입니다. 이 백서에서는 턴온 및 턴오프 단계에서 IGBT의 전압 및 전류 파형을 조작하여 스위칭 손실을 줄이는 가장 효과적인 방법 중 하나를 제시합니다. 또한 이 접근 방식이 중복 시간 동안 발생하는 손실을 크게 줄이거나 아예 없애는 데 어떻게 도움이 되는지 보여드리겠습니다.

IGBT 기본 사항

IGBT의 구조는 분석의 기초를 마련하기 위해 추가적인 탐색이 필요합니다. 수십 년 전, IGBT가 처음 소개되었을 때, IGBT는 게이트에 전압 제어 MOSFET을, 컬렉터와 에미터에 전류 제어 바이폴라 접합 트랜지스터를 결합한 스위칭 소자로 개발되었습니다. 이 설계는 두 가지 검증된 스위칭 장치의 장점을 효과적으로 결합하여 전압 제어 바이폴라 장치를 만들었습니다. 그림 1은 게이트가 MOSFET이고 출력단이 PNP 바이폴라 소수 캐리어 소자인 IGBT 등가 회로를 보여줍니다. 또한, 그림 2에서는 관심 있는 매개변수로 표시된 테스트 회로의 IGBT를 보여줍니다.

VOL 태그 강하 제어

IGBT는 전류에 비례하지 않는 고정된 전압 강하를 갖습니다. 이는 채널 저항에 전류를 곱하여 전압 강하를 측정하는 MOSFET과 다릅니다. MOSFET은 다수 캐리어 소자이므로 자체 유형의 캐리어로 구현된 전도 채널을 사용합니다. 일반적으로 전자로 전도하는 N채널 전력 소자입니다. MOSFET은 채널의 저항을 변경하여 전류 흐름을 제어하는 반면, 바이폴라 트랜지스터는 주입된 캐리어를 변경하여 전류를 제어합니다.

이러한 효과는 반도체 접합과 각 영역의 도핑 농도를 설계하는 동안 내부적으로 최적화됩니다. 특히 MOSFET 채널 저항이 감소하여 PNP 베이스 전류가 증가하고, 이로 인해 IGBT에서 동일한 전압 강하를 달성하는 데 필요한 P 전하의 양이 감소합니다. 이렇게 하면 저장된 전하와 테일 전류도 감소합니다. 별도로, PNP 베이스의 두께를 줄이는 것은 이러한 긍정적인 결과를 얻는 데 도움이 됩니다.

단점과 테일 극복

IGBT는 중간~고전류 및 고전압 애플리케이션에 적합한 장치입니다. 하드스위치 애플리케이션과 인버터 드라이브에서 IGBT는 비슷한 크기의 패키지에 들어 있는 독립형 MOSFET보다 더 많은 전류를 전달할 수 있습니다. 이것의 부수적인 이점은 입력 정전용량이 감소하고 비용이 절감된다는 것입니다. 일반적으로 IGBT는 MOSFET의 제곱 드레인 전류와 대조적으로 IGBT 집전기 전류의 기여 덕분에 MOSFET에 비해 전도 손실이 개선됩니다.

그러나 IGBT는 MOSFET보다 스위칭 손실이 큰 것으로 알려져 있습니다. 이는 IGBT가 소수 캐리어 바이폴라 출력으로 인해 스위칭 주파수가 낮은 애플리케이션에 더 적합하다는 것을 의미합니다. 구체적으로 말하자면 상태 간의 전환은 즉각적으로 일어나지 않습니다. 내부 BJT에 저장된 전하는 모든 소수 캐리어가 제거될 때까지 짧은 '테일 시간' 동안 '테일' 전류를 생성합니다. 효율성을 위해 장치를 최적화할 때, 테일 타임은 스위칭 손실이 적정 수준으로 유지되도록 최대 허용 스위칭 주파수를 결정합니다. 테일 타임과 다이오드의 순방향 전압 강하 사이에는 상충 관계가 있습니다. IGBT가 효율적으로 작동할 수 있도록 테일 시간과 순방향 전압 강하를 줄이는 것이 바람직합니다. 이렇게 하면 일반적인 4kHz~20kHz 범위에서 상단 쪽에 더 가깝게 작동할 수 있습니다.

많은 백색가전 제품에서 바람직한 주파수는 20kHz입니다. 그 이유는 주로 장치에서 생성되는 가청 소음이 인간의 귀로는 감지되지 않기 때문입니다. 절연 변압기가 필요 없는 모터 드라이브와 하드 스위칭 애플리케이션에서는 가청 범위를 초과하는 것에 대한 이점이 없습니다. 왜냐하면 주파수가 높아져도 모터 설계의 효율성이 높아지지 않기 때문입니다. 이를 통해 IGBT는 모터 드라이브와 하드 스위칭 애플리케이션에서 최적의 선택으로 자리매김하게 되었습니다.

오버랩으로 인해 스위칭 손실이 발생합니다

칩 설계의 견고성, 턴오프 전환 손실, ON 상태 전압 손실은 IGBT 설계에서 가장 중요한 절충점입니다. 다양한 응용 분야에서 IGBT의 효율을 극대화하기 위해서는 일반적인 IGBT 동작 중에 전압, 전류 및 손실 파형의 상호 작용을 측정하고 이해하는 것이 중요합니다.

IGBT를 하드 스위치로 사용하는 애플리케이션에서는 OFF에서 ON으로 또는 ON에서 OFF로 전환될 때마다 정의된 전력 손실 기간이 있습니다. 이는 IGBT를 통해 전류가 흐르는 동안 스위치 컬렉터-에미터 연결부에서 전압이 발생하기 때문에 발생합니다. 그림 3은 이러한 각 전환점 주변과 전환점에서 발생하는 전압, 전류 및 손실을 보여줍니다.

전압과 전류 파형을 각 지점에서 곱하여 순간 전력 손실 파형을 얻습니다. 주목할 점은 스위칭 중에 큰 전력 손실이 발생한다는 것입니다. 각 스위칭 전환으로 인해 손실되는 전력은 일정하고 스위칭 전환도 일정하므로 스위칭 전력 손실은 스위칭 주파수에 따라 증가합니다. 따라서 주파수가 낮아질수록 전체 스위칭 손실도 줄어듭니다. Bourns® IGBT는 TGFS(Trench-Gate Field-Stop) 기술을 사용하여 제작됩니다. 트렌치 게이트(TG) 구조는 장치의 MOSFET 부분에서 더 높은 채널 밀도를 가져옵니다. 또한, TGFS 기술은 평면 IGBT 구조와 비교했을 때 온 상태 전압 강하를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이는 전도 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다. FS(Field-Stop) 층이 있으면 전체 스위칭 에너지를 줄이는 데도 도움이 됩니다. FS는 또한 게인을 증대하고 소수 캐리어 수명을 줄이는 데 도움이 되며, 결과적으로 IGBT가 꺼질 때 테일 전류를 차단할 수 있습니다. 이는 FS 계층이 없지만 비슷한 차원의 기기에 비해 기기의 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.

전도 손실 결정

IGBT 또는 이에 포함된 고속 복구 다이오드가 켜져 있고 전류가 흐르면 전도 손실이 발생합니다. 이 손실은 전력 소멸로 규정되며, ON 상태 전압에 ON 상태 전류를 곱하여 얻습니다. 펄스 대역폭 변조(PWM) 기술 기반 응용 분야에서는 평균 소멸 전력을 도출하기 위해 듀티 계수를 승수로 포함해야 합니다.

전도 손실의 근사값을 알아볼 수 있는 첫 번째 장소는 IGBT와 프리휠링 다이오드 데이터 시트입니다. IGBT는 온도에 따라 정격 전압(V_CE(sat))을 가지며, 이 값을 해당 애플리케이션의 예상 평균 장치 전류로 곱하면 IGBT의 대략적인 소실 전력을 얻을 수 있습니다. 마찬가지로, 프리휠링 다이오드 데이터 시트에는 순방향 전압 강하(V_f)가 있는데, 이를 예상 평균 다이오드 전류에 곱하면 전체 소실 전력에 대한 기여도를 구할 수 있습니다. PWM 애플리케이션에 대한 최적의 근사값을 얻으려면 듀티 사이클을 고려해야 합니다. 이러한 추정치는 보수적인 경향이 있는데, 실제로는 전류가 정격 전류(I_C)보다 낮을 때 V_CE(sat)가 데이터 시트 값보다 낮기 때문입니다.

10kHz 미만의 스위칭 주파수에서는 총 전력 손실의 대부분이 전도 손실에서 발생합니다. 낮은 전도 손실은 콜렉터 전류에서 거의 일정한 V_CE 를 유지하는 음-양-음(NPN) 바이폴라 전력 트랜지스터의 전도 메커니즘에서 비롯됩니다. 이는 MOSFET의 낮은 저항 채널과는 대조적으로, 여기에서 전압 강하는 전류에 저항을 곱하여 계산됩니다. 전체 전력 손실에 미치는 영향이 미미하기 때문에 일반적으로 무시되는 IGBT 차단 손실은 IGBT가 꺼질 때 차단 전압과 누설 전류를 곱하여 계산할 수 있습니다.

모터 제어 애플리케이션에서는 전도 손실이 총 손실을 크게 차지하므로 포화 전압과 순방향 전압 강하가 설계에서 중요한 변수가 됩니다. 모터 응용 분야의 낮은 전환 속도 특성으로 인해 V_CE(sat)는 최대한 감소시켜야 합니다. 순방향 전압 강하와 스위칭 속도 간의 인기 있는 애플리케이션 상충 관계는 단락 회로 기능을 향상시키는 데 자주 사용됩니다.

저전력 및 저속

그러면 문제는 V_{CE를 줄이는 방법에 관한 것입니다}. 답은 더 단단한 게이트 구동, 더 높은 전압(V_CC), 더 낮은 작동 전류 및 감소된 게이트 구동 임피던스입니다.

앞서 설명한 대로 IGBT는 기기 테일 시간으로 인해 전환 속도 제한이 있습니다. 장치의 V_CE(sat) 가 높을수록 테일 타임을 줄일 수 있습니다. 하지만 이러한 절충은 가치가 없을 수도 있습니다. 일반적으로 캐리어와 V_CE(sat) 및 전환 주파수 사이에는 반비례 관계가 있습니다. 캐리어가 많을수록 전환 주파수가 느려지고 V_CE(sat)도 낮아집니다. 반대로 캐리어 수가 적을수록 V_CE(sat)와 전환 주파수가 높아집니다. 전환 시간과 순방향 전압 강하를 최적화하는 동시에 강력한 단락 회로 보호 기능을 제공하는 여러 기술이 개발되어 있습니다.

손실 시각화

그림 4는 전체 스위칭 사이클에 걸친 스위칭 손실과 전도 손실의 기본 매개변수를 보여줍니다. 전환은 V_GE, I_C 및 V_CE의 10% 및 90% 수준에서 효과적인 것으로 간주됩니다. 게이트-이미터 전압(V_GE)이 10% 수준에 도달하면 켜짐으로의 전환이 시작됩니다. 시간 지연은 파형이 10%와 90% 수준을 교차할 때 측정됩니다.

IGBT가 ON으로 전환되는 데 걸리는 시간은 t3-t0으로 주어진다. V_GE 가 10%에 도달하는 시간부터 I_C 가 10%에 도달하는 시간까지의 지연은 t1-t0으로 주어집니다. 상승 시간은 I_C가 10%에서 90%로 상승하는 데 걸리는 시간으로, t2-t1로 도출합니다.

E_on 은 턴온 에너지 손실로, 10% I_C 상승(t1)에서 90% V_CE 하락(t3-t1)까지의 전력 손실 파형 아래의 면적입니다. 전력 손실 파형은 각 시점에서 I_C 와 V_CE 를 곱하여 계산되며 E_on 과 E_{off 아래의 음영 처리된 영역으로 근사화됩니다}. E_off 는 곡선 아래의 면적이 10% V_CE 상승(t6)에서 90% I_C 하락(t7)까지 나타내는 턴오프 에너지입니다.

IGBT를 OFF하기 위해 전압 전환을 높게 시작하는 데 걸리는 지연은 t6-t5로 주어진다. 90% V_GE 에서 10% I_C로의 전환을 살펴보면 시간은 t7-t5로 주어진다. I_C 가 90%에서 10%로 떨어지는 시간부터의 지연은 t7-t6에 의해 주어지는 하강 시간입니다. 마지막으로, 테일 시간은 I_C 가 10% 지점으로 떨어진 후 모든 전하가 제거되고 전류가 0에 도달할 때까지 존재하는 테일링 컬렉터 전류로 표시됩니다. 이는 t8과 t7의 차이로 측정할 수 있습니다.

결론

요약하자면, 전력 스위칭 장치에서 고려해야 할 전력 손실은 전도 손실, 턴온 스위칭 손실, 턴오프 스위칭 손실, 차단 손실로 구성됩니다. 본 논문에 제시된 계산과 파형은 설계자가 다양한 IGBT 매개변수의 효과와 전력 손실 및 전반적인 효율에 미치는 영향을 이해하는 데 도움을 주기 위해 개발되었습니다. 실습 또는 애플리케이션별 분석을 위해 테스트베드를 사용하여 성능을 평가하고 IGBT에서 일반적으로 발생하는 파형을 측정할 수 있습니다. IGBT에 내장된 기술이 효율성과 견고성 면에서 계속 발전함에 따라 IGBT의 적용 범위도 확대될 것으로 예상됩니다. 상충 관계는 일관되게 유지될 것이며, 주된 전력 손실은 계속해서 스위칭 손실이나 전도 손실이 될 것입니다. IGBT 매개변수를 측정하고 조작함으로써 설계자는 장치의 유용성과 응용 분야의 이점을 극대화할 수 있습니다.

추가 자료

• 전기 스팟 용접 응용 분야에서 개별 IGBT를 사용하여 더 높은 전력 밀도 및 효율 달성 응용 참고 사항
• TVS 및 PTVS 다이오드를 사용한 IGBT 스위칭 보호의 이점 애플리케이션 노트
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• 효율 극대화를 위한 IGBT 전도 손실 측정 백서
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