SiC 스위치 데드타임을 줄여주는 높은 CMTI 게이트 드라이버 선택하기

개요   GaN과 SiC FET가 전력 스위칭 애플리케이션에서 MOSFET와 IGBT 기술을 대체하기 시작함에 따라, 절연 게이트 드라이버를 선택하기 위한 주요 사양에 대해 논의합니다. 우리는 CMTI와 전달 지연 스큐의 중요성을 설명하고, 이러한 새로운 전력 트랜지스터에 이상적인 절연 게이트 드라이버 IC를 소개합니다.

소개   “속담에서 말하듯이, 석기 시대는 돌이 다 떨어져서 끝난 것이 아니라, 더 나은 해결책으로 전환했기 때문에 끝났습니다. 에너지 효율성과 청정 에너지에서도 같은 기회가 놓여 있습니다.” 세계가 예측된 고갈보다 훨씬 앞서 화석 연료에서 벗어나 전환 속도를 높임에 따라, 노벨상 수상자 스티븐 추의 말은 그 어느 때보다도 관련성이 높습니다. 실리콘 카바이드(SiC) 및 갈륨 나이트라이드(GaN)와 같은 새로운 반도체 재료는 에너지 효율성 혁명의 최전선에 서게 될 것입니다. 기존의 MOSFET 및 IGBT 기술과 비교했을 때, 이러한 새로운 재료는 더 작고 가벼운 부품을 가능하게 하여 자동차에서 태양전지 인버터에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 비용과 에너지 소비를 줄일 수 있습니다(그림 1).

그림 1. 태양광 패널에 연결된 인버터 박스.

이러한 소재를 사용하는 새로운 전력 스위치는 특히 게이트 드라이버에 대해 제어하는 구성 요소에 다양한 요구를 제시할 것입니다. 이 설계 솔루션에서는 GaN 및 SiC 대 MOSFET 및 IGBT 스위치의 응용 분야를 살펴보고 이들의 게이트 드라이버에 대한 영향에 대해 논의합니다. 격리된 게이트 드라이버를 선택하기 위한 주요 사양을 설명하고, 이러한 새로운 기술에 더 적합한 성능 수준을 제공하는 IC 제품군을 소개합니다.

현상에 도전   최근까지 전력 공급 시스템을 위한 스위치 기술 선택은 비교적 간단했습니다. MOSFET는 600V까지의 전압에서 일반적으로 사용되었고, IGBT는 더 높은 전압에 선호되는 기술이었습니다. 그러나 질화 갈륨 및 탄화 규소와 같은 새로운 전력 스위치 기술의 수평 결정 구조는 기존 기술에 비해 성능 면에서 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다. 첫 번째 이점은 작아서 더 높은 스위칭 주파수를 허용한다는 것입니다. 스위치 속도를 수십 킬로헤르츠에서 수백 킬로헤르츠로 증가시키면 효율성이 증가합니다. 두 번째로, 더 높은 전류와 온도에서 안전하게 작동할 수 있습니다. 이는 작은 변압기와 히트싱크가 필요하다는 것을 의미하며, 따라서 가벼운 모터가 가능합니다. 전기차의 경우, 크기와 무게가 줄어들면 주행 거리가 증가합니다. 유사하게, 태양광 인버터의 크기를 줄이면 가정용 애플리케이션에 더 적합해집니다. 최근 GaN 장치는 최대 600V에서 작동할 수 있습니다. 기술 비용이 저렴해짐에 따라, 장기적으로 SiC가 IGBT를 대체하면서 고전압 애플리케이션에서 MOSFET 기술을 대체할 가능성이 높습니다.

공짜 점심은 없다   이러한 이점들이 상당하지만, 주의해야 할 점도 있습니다. 그림 2는 저전압 마이크로컨트롤러가 출력 스위치와 그 게이트 드라이버를 포함하는 고전압 도메인과 (안전상의 이유로) 갈바닉 절연된 회로를 보여줍니다. 더 빠른 스위칭 속도는 더 빠른 스위칭 과도 현상에 취약해질 수 있습니다. 예를 들어, GaN 전력 시스템은 일반적으로 5ns(전통적 MOSFET 시스템보다 10배 빠르게) 스위칭합니다. 일반적인 600V 고전압 레일을 가정할 때, 이는 (600V/5ns) = 120kV/µs의 스위칭 과도 현상을 초래합니다.

그림 2: 일반적인 절연형 전력 변환기 회로.

빠른 노이즈 트랜지언트는 절연 장벽을 가로지르는 데이터 전송을 손상시킬 수 있으며, 더 나쁜 경우, 전력 FET 둘 다를 동시에 켜는 글리치를 유발하여 위험한 전기 단락 회로를 초래할 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 빠른 스위칭 기술은 일반적인 600V 고전압 레일을 사용하는 설계에서 최소 120kV/µs의 게이트 드라이버 공통 모드 과도 내성(CMTI)이 필요합니다. CMTI는 두 개의 절연된 회로 간에 적용되는 공통 모드 전압의 최대 허용 상승 또는 하강 속도로 정의됩니다. 단위는 일반적으로 kV/µs입니다. 높은 CMTI는 절연 장벽의 어느 한쪽에 있는 신호 수준이 높은 전압의 공통 모드 신호로 절연 장벽이 타격을 받을 때 (데이터시트 한계 내에서) 보존된다는 것을 의미합니다. 그림 3의 간소화된 CMTI 테스트 설정.

그림 3: CMTI 측정.

전파 지연 정합   그림 4에 표시된 회로에서, 두 스위치가 동시에 "켜짐" 상태가 되지 않도록 하는 것이 필수적입니다. 이러한 상황은 잠재적으로 손상 가능한 단락 회로(보통 슛 쓰루라고 함) 상태로 이어질 수 있기 때문입니다. 이를 방지하기 위해, 두 스위치가 "꺼짐" 상태가 되는 약간의 "데드 타임"을 허용하거나 설계에 포함해야 합니다. 그러나 GaN 스위치는 역편향 상태에서도 일부 전류를 계속 전도합니다. 이로 인해 이 시간이 전부 부하로 전달되지 않으므로 효율이 감소합니다. 따라서 충분히 안전한 "데드 타임"을 유지하는 것과 이로 인해 발생하는 효율 감소 사이에서 타협이 필요합니다. 최적의 솔루션에 도달하려면 개별 게이트 드라이버 부품 간 전파 지연 변동을 이해해야 하며, 이를 부품 간(또는 다중 채널 부품의 경우 채널 간) 전파 지연 정합 또는 스큐라고 합니다. 이러한 유형의 회로를 설계할 때, 최소한의 전파 지연 스큐를 가진 게이트 드라이버를 선택하는 것이 최선의 선택이며, 이를 통해 데드 타임을 최소화하면서 "슛 쓰루" 조건이 결코 발생하지 않도록 보장할 수 있습니다.  

그림 4. 푸시풀 하프 브리지 회로.

2-for-1 솔루션   그림 5는 이전에 논의된 두 가지 문제를 모두 해결하는 격리 게이트 드라이버 IC 패밀리를 보여줍니다.

그림 5. MAX22700D/MAX227002D 고 CMTI 절연 게이트 드라이버.

그림 6에 표시된 바와 같이, 이 부품들은 300kV/µs (typ) 의 CMTI를 가지고 있으며, 이는 유사한 부품들이 제공하는 수준을 초과하는 보호 수준으로, GaN 및 SiC 스위치를 사용하는 애플리케이션에 이상적입니다.

그림 6. MAX22700의 CMTI 측정.

전파 지연 스큐는 실온에서 최대 2ns, -40°C에서 +125°C의 작동 온도 범위에서 최대 5ns로 최소화되어 데드 타임을 줄이고 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다. 다른 장점으로는 여러 부품이 병렬로 스위치를 구동할 때 동일한 시작 전압에서 작동하도록 보장하는 정밀한 저전압 잠금 기능(UVLO)이 포함되어 있습니다. 이는 SiC 트랜지스터의 VGS를 설정할 때 중요합니다. 게이트 드라이버 공통 핀에 대한 출력 옵션이 있는 몇 가지 변형이 있습니다: GNDB (MAX22700), Miller 클램프 (MAX22701), 및 조정 가능한 UVLO (MAX22702). 또한, 차동(D 버전) 또는 단일 종단(E 버전) 입력 버전이 제공됩니다. 절연 장벽은 60초 동안 3kVRMS 내압 등급을 가지고 있어 강력한 성능을 제공합니다. 이 IC는 서로 다른 출력 게이트 구동 회로와 B-사이드 공급 전압을 사용하여 SiC 또는 GaN FET를 구동할 수 있습니다.

요약   일상생활에서 에너지 절약에 대한 집중이 증가하면서 새로운 작동 방식을 찾는 필요성이 커지고 있습니다. SiC와 GaN은 더 높은 속도와 온도에서 안전하게 작동할 수 있는 반도체 재료로, 다양한 애플리케이션에서 더 가볍고 효율적인 디자인을 가능하게 합니다. 그러나 이러한 새로운 재료는 이를 구동하는 회로에 새로운 요구를 합니다. 우리는 CMTI와 전파 지연 스큐가 이러한 스위칭 기술을 사용하는 애플리케이션에 적합한 절연 게이트 드라이버를 선택할 때 고려해야 할 가장 중요한 사양 중 두 가지인 이유를 보여주었습니다. 우리는 UPS와 태양광 인버터 및 모터 드라이브에서 GaN 및 SiC FET와 함께 사용하기에 이상적인, 최고 CMTI와 가장 낮은 전파 지연 스큐를 가진 절연 게이트 드라이버 IC 제품군을 소개했습니다.