실리콘 카바이드(SiC) 전력 장치는 서버 전력 공급, 에너지 저장 시스템, 태양열 패널 전력 인버터를 비롯하여 다양한 애플리케이션에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 최근, 자동차 산업에서 부는 전기 구동으로의 전환으로 인해 SiC 사용은 물론 더 넓은 애플리케이션 영역에서 이 기술의 이점에 대한 설계 엔지니어의 관심이 증가한 것을 볼 수 있습니다.
장치 기술 선택
애플리케이션에 상관없이 모든 전력 공급 설계는 전압 입력, 전압 출력 및 전류 출력은 무엇인가? 같은 동일한 기본 질문에 대한 대답으로 시작됩니다. 그 다음, 설계자는 최종 제품에서 구현하려는 성능 기준에 대해 생각합니다. 현재 질화 갈륨(GaN), SiC, 다양한 실리콘(Si) 기반 기술(예: MOSFET, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 초접합(SJ) 장치)을 포함하여 전력 공급 설계자가 사용할 수 있는 여러 기술이 있어 이러한 기준을 충족할 수 있습니다(그림 1).
그림 1: 이러한 기술은 모두 가장 적합한 장점과 애플리케이션 영역을 지니고 있습니다.
파괴 전압 정격이 400V 미만이고 설계 시 1KW 미만으로 비교적 낮은 주파수 작동이 필요할 때에는 실리콘이 최선의 선택인 경우도 있습니다. 마그네틱 크기를 줄이려면 높은 전환 주파수가 필요한 소형 애플리케이션(예: USB 충전기)을 구축할 경우에는 GaN을 선택하는 것이 가장 좋습니다. 전력 수준이 1KW 이상, 전압 정격이 600V 이상, 저주파수가 최대 약 1,700V인 경우 SiC와 함께 IGBT를 고려할 수 있습니다. 그러나 전환 주파수 또는 전력 밀도가 더 높은 경우에는 SiC가 가장 적합합니다.
선택의 중심
그림 1에서는 적당히 높은 전압과 전환 주파수가 여러 선택 항목의 중심을 나타냅니다. 그러나 운영 비용과 BoM 비용의 비교가 결정 요인이 될 수 있으므로 SiC의 높은 효율은 매력적인 옵션으로 다가옵니다.
Wolfspeed SiC 장치의 매우 낮은 저항은 낮은 전도 손실과 더 높은 효율을 의미합니다. 이 측면에서 실리콘 및 GaN과 비교할 때(그림 2) SiC는 모든 애플리케이션에서 모든 기술보다 뛰어난 성능을 자랑합니다. 재료 자체의 특징으로 인해 온도에 따른 저항의 변화가 낮지만 GaN 및 실리콘의 RDS(ON)는 실온에서 정격에 비해 2.5배 이상 증가합니다.
그림 2: Wolfspeed의 SiC 장치는 넓은 온도 범위에서 항상 일정하게 낮은 RDS(ON)를 유지합니다.
PFC 진화 실현
그림 3: 단순한 비 PFC에서 기본 브리지리스 PFC로 풀 브리지 정류기의 진화
오늘날 대부분의 스위치 모드 전력 공급에서 부스트 변환기는 다이오드 브리지 다음에 액티브 PFC로 사용되어 라인 주파수보다 몇 배 더 높은 수준으로 전환되므로 소형 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있습니다. 애플리케이션에 따라 액티브 PFC 단계에서 실리콘 기반 다이오드를 SiC 다이오드로 교체하면 효율이 2 ~ 3% 증가할 수 있습니다.
반면에 전환 주파수를 80kHz에서 200kHz로 높이면 형상 계수를 낮추거나 전력 밀도를 60%까지 높일 수 있습니다. 일반적으로 전환 주파수를 높이면 인덕터의 크기를 줄이는 데 도움이 되므로 인덕터의 구리 손실도 줄어듭니다.
그러나 200kHz에서 400kHz로 높이면 인덕터 코어 손실이 계속 증가하는 상태에서 구리 손실이 안정되는 것을 볼 수 있습니다. 그 결과, 크기가 10% ~ 15% 줄어들면서 전력 손실이 10% ~ 15% 증가하여 수익이 감소하게 됩니다. 이는 크기 감소가 중요한 애플리케이션에서 수용 가능한 절충안일 수 있습니다.
효율 수준을 더 높은 90대로 바꾸려면 다이오드 브리지를 제거하는 방식으로 회로를 변경해야 합니다. 부스트 구현 시 이를 수행하기 위한 한 가지 방법은 인덕터를 AC 입력으로 이동하고 브리지의 하부 다이오드 2개를 MOSFET 2개로 교환하는 것입니다. 왼쪽 스위치는 양의 반주기에서 전압을 높이며 오른쪽 스위치는 음의 반주기에서 전압을 높입니다.
기본 브리지리스 회로의 문제는 고주파수 스위치 노드가 AC 입력에 직접 연결되어 있고 DC 접지가 AC 입력에 대해 부동 상태라는 것입니다. 이로 인해 모든 기생 정전용량이 공통 모드 EMI로 바로 전환될 수 있습니다. 이를 해결하는 일반적인 방법은 듀얼 부스트 또는 세미 브리지리스 구현을 사용하는 것입니다(그림 4, 왼쪽).
이 토폴로지에서는 왼쪽 하부 다이오드 2개로 부동 접지 문제를 해결하며 인덕터 분할을 통해 스위치 노드를 AC 소스에 직접 연결하는 문제를 해결하여 공통 모드 EMI 문제를 처리할 수 있습니다. 실리콘 MOSFET을 사용할 수 있지만 95% ~ 96%의 최대 효율, 더 큰 설치 공간, 인덕터 2개 및 잠재적으로 더 높은 총 BoM 비용이 필요할 수 있습니다.
그림 4: 듀얼 부스트 세미 브리지리스 솔루션(왼쪽)과 SiC를 통해 가능한 토템 폴 토폴로지(오른쪽)로의 풀 브리지 진화 비교
토템 폴 토폴로지
듀얼 부스트 세미 브리지리스 구성의 대안은 트랜지스터가 서로 교대로 위에 적층되는 방식에서 이름을 따온 토템 폴 토폴로지입니다(그림 4, 위). 토템 폴은 그림과 같이 풀 브리지 버전으로 구축하거나 오른쪽의 저주파수 레그에 있는 MOSFET을 다이오드로 교체한 브리지리스 버전으로 구축할 수 있습니다.
토템 폴 토폴로지의 가장 큰 문제는 변환기가 연속 전도 모드(CCM) 조건에서 작동하는 경우 MOSFET 바디 다이오드의 역회복 충전입니다. 로우 사이드에서 하이 사이드 스위치로 전환하는 동안 두 FET을 동시에 켤 수 없으며 바디 다이오드는 해당 데드 타임 중에 전도해야 합니다. 실리콘의 역회복 특징은 효율을 떨어뜨립니다(그림 5).
그림 5: SiC와 Si 바디 다이오드 역회복 비교
모든 하드 스위칭 전력 공급 설계에서 바디 다이오드가 전도해야 하는 경우 역회복 손실이 발생합니다. 소수 캐리어가 없는 SiC를 사용하면 역회복 전류가 거의 0에 가깝습니다. 반면에 실리콘 MOSFET은 몇 배 더 높은 손실을 입게 됩니다. 이것이 토템 폴에서 실리콘을 사용할 수 없는 이유입니다.
50V 미만의 전압 및 50W 미만의 전력에서 기가헤르츠 전환 속도가 필요한 RF 전력 애플리케이션의 경우 GaN-on-SiC가 최상의 기술입니다. 더 높은 전압에서는 GaN의 비용이 상당히 비싸집니다.
풀 브리지 또는 하이브리드 토템 폴?
완전 동기식 버전의 토템 폴을 구현하는 것이 가장 효율적입니다. 저주파수 레그에서 실리콘 MOSFET을 사용할 수 있지만 4개의 SiC MOSFET 구현 모두 양방향성만 지원합니다. 예를 들어 스마트 그리드에 연결되는 애플리케이션에서 복잡성과 BoM 비용이 약간 절충됩니다.
그림 6: “하이브리드” 토템 폴 PFC 전력 단계
서버 전력 공급을 포함하여 비용에 민감한 대다수 애플리케이션은 저주파수 레그에서 저렴한 핀 다이오드를 사용하는 브리지리스 또는 "하이브리드" 토템 폴 토폴로지를 사용합니다(그림 6). 이는 최소한의 부품을 사용하는 이점이 있으며 Wolfspeed의 650V급 C3M SiC MOSFET이 도입되면서 풀 브리지에 비해 경부하 효율이 0.5% 미만 감소하여 비용 효율적인 구현입니다.
이는 BoM, 회로도, 보드 레이아웃, 프레젠테이션 및 애플리케이션 참고 사항으로 구성된 패키지로 다운로드할 수 있는 Wolfspeed의 CRD-02AD065N 2.2kW 참조 설계를 통해 이미 입증되었습니다. 또한 새로운 650V 60mΩ MOSFET을 사용하면 98.5% 이상의 효율과 THD를 기록하여 업계 표준 80+ 티타늄을 달성할 수 있습니다.
이와 같은 SiC 기반 토템 폴 설계는 모든 부하 조건에서 80+ 티타늄 요구 사항을 크게 초과하므로 엔지니어가 DC 간 변환기 섹션의 설계 제약을 완화할 수 있습니다.
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