[TECH REPORT] SiC MOSFET 게이트 드라이브 최적화 방안

[온세미=디디에 발로코(Didier Balocco) 비즈니스 마케팅 엔지니어] 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 고전압에서 고주파 스위칭이 가능해 기존의 실리콘 MOSFET 및 IGBT에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있다. 기존의 실리콘 MOSFET와 IGBT의 각각 설명하면 실리콘 MOSFET는 고주파수 스위칭이 가능하지만 매우 높은 전압(>1000V)에서는 사용할 수 없고 IGBT는 고전압에서 사용할 수 있지만, IGBT의 ‘Tailing Current’와 느린 턴오프는 더 낮은 주파수 스위칭 애플리케이션으로 사용이 제한된다.

SiC MOSFET은 기존의 실리콘 MOSFET 및 IGBT가 갖는 장점을 모두 제공하지만 고유한 디바이스 특성으로 게이트 드라이버 회로에는 특정 요구사항이 적용된다. 특성을 이해하면 설계자는 디바이스 신뢰성과 전반적인 스위칭 성능을 개선할 수 있는 게이트 드라이버를 선택할 수 있다.

◆ SiC MOSFET 특성

실리콘 디바이스와 비교할 때, SiC MOSFET은 트랜스컨덕턴스(gain)가 낮고 내부 게이트 저항이 높으며 게이트 턴온(turn-on) 임계값이 2V 미만일 수 있다. 따라서 게이트는 오프 상태에서 지면 아래로 당겨져야 한다(일 반적으로 -5V). SiC 디바이스는 일반적으로 온 상태 동안 on저항(RDS)을 낮추기 위해 18V<VGS<20V 사이의 게이트 소스 전압이 필요하다.

낮은 VGS에서 SiC MOSFET을 작동하면 열응력이 발생하거나 높은 RDS로 인해 고장이 발생할 수 있다. 낮은 게인과 관련된 다른 효과는 적절한 게이트 드라이브 회로를 설계할 때 고려해야 하는 몇 가지 중요한 동적 스위칭 특성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 효과에는 on저항, 게이트 전하(Miller Plateau) 및 과전류(DESAT) 보호가 있다.

◆ On 저항

낮은 VGS에서 일부 SiC 디바이스의 on 저항 대 접합 온도 특성은 내부 디바이스 기능의 조합으로 인해 포물선 (온세미 M1 및 M2 SiC MOSFET에 적용)처럼 보일 수 있다. VGS=14V일 때 RDS는 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 음의 온도 계수(NTC) 특성을 갖는 것처럼 보인다. SiC MOSFET의 이 고유한 기능은 낮은 게인에 직접적으로 기인한다.

낮은 VGS(음의 TC)로 작동하는 동안 두 개 이상의 SiC MOSFET을 병렬로 배치하면 결과는 치명적일 수 있다. 따라서 SiC MOSFET 간의 병렬 작동은 VGS가 신뢰할 수 있는 양의 TC 작동을 보장하기에 충분한 경우(VGS>18V)에만 권장된다. 새로운 M3 SiC 세대는 모든 VGS 및 전체 온도 작동 범위에 대해 양의 온도 계수를 보여준다.

◆ 게이트 차지

SiC MOSFET에 게이트 전압(VGS)이 적용되면 VGS(MIN)(VEE) 및 VGS(MAX) (VDD)에서 게이트 전압을 가능한 최대한 빨리 증가시키기 위해 전하가 전송된다. 디바이스의 내부 용량은 비선형이기 때문에, VGS 대 게이트 전하(QG) 곡선을 사용해 주어진 VGS에 대해 얼마나 많은 전하를 전달해야 하는지 식별할 수 있다.

SiC MOSFET에 대한 이러한 ‘밀러 플래토(Miller Plateau)’는 더 높은 VGS에서 발생하며 실리콘 MOSFET에서는 편평하지 않다. 편평하지 않은 밀러 플래토는 VGS가 해당 전하 범위인 QG에서 일정하지 않다는 것을 의미하며, 낮은 디바이스 게인의 다른 결과이다.

VGS=0V에서는 QG=0nC(SiC MOSFET을 턴오 프하는데 필요한 전하량)가 발생하지 않으므로, VGS를 완전히 방전하려면 VGS를 접지(이 경우에는 -5V) 아래로 끌어와야 한다.

SiC MOSFET을 턴온하거나 턴오프하는데에 필요한 전하량을 측정하기 위해, Qg 증가 또는 Qg 누적 또는 Qg 변동만을 곡선으로 표시하며, 값은 Qg라고도 한다. 아래의 그래프는 필요한 에너지의 양으로 해석돼야 하며, 게이트-소스 용량(gate-to-source capacitor)에 저장된 절대 에너지는 없다.

음의 게이트 드라이브 차단 전압을 사용하는 주된 이유는 오프 상태에서 드레인 전류 누설을 줄이기 위해서이다. 낮은 트랜스컨덕턴스 게인 때문으로 음의 차단 전압을 사용하면 주로 턴오프에서 스위칭 손실도 줄어든다.

따라서 대부분의 SiC MOSFET에 대해 오프 상태동안 -5V<VGS(MIN)<-2V의 최소 VGS 를 사용하는 것이 권장되며, 일부 제조업체는 -10V까지 전압을 지정한다.

◆ DESAT(Desaturation Protection)

DESAT 보호는 IGBT를 구동하는 회로에서 발생한 과전류 감지 유형이다. 온 타임 동안 IGBT를 더이상 포화 상태 (또는 불포화)로 유지할 수 없으면, 컬렉터-이미터 전압이 상승하고 전체 컬렉터 전류가 흐른다. 이는 분명하게 효율성에 부정적인 영향을 미치고, 최악의 경우 IGBT의 치명적인 오류로 이어질 수 있다. 소위 ‘DESAT’ 기능은 IGBT의 컬렉터-이미터 전압을 모니터링하고 잠재적으로 파괴적인 조건이 발생하는 시기를 감지한다.

SiC MOSFET의 결함 메커니즘은 다소 다르지만, 최대 ID가 흐르는 동안 VDS가 상승할 수 있다. 바람직하지 않은 상태는 턴온일 때 최대 VGS가 너무 낮거나, 게이트 드라이브 턴온 엣지가 너무 느린 경우, 단락 또는 과부하 조건이 존재하면 발생할 수 있다. 전체 ID가 존재하는 동안 RDS가 증가해 VDS가 예기치 않게 증가할 수 있다.

SiC MOSFET이 불포화 상황을 겪을 때 VDS는 매우 빠 르게 반응하는 반면, 최대 드레인 전류는 증가하는 on 저항을 통해 계속 흐른다. VDS가 미리 결정된 임계값 (predetermined threshold)에 도달하면, 보호가 활성화될 수 있다. 현상을 가릴 수 있는 VDS 감지 지연을 피하기 위해서는 특별한 주의가 필요하다. 따라서 DESAT는 게이트 드라이브 회로에서 중요하고 보완적인 보호 장치이다.

◆ 동적 스위칭

SiC MOSFET의 턴온 및 턴오프 전환 상태에는 4개의 뚜렷한 위상이 있다. 표시된 동적 전환 파형은 이상적인 작동 조건을 나타낸다. 하지만 실제로는 리드 및 본드 와이어 인덕턴스, 기생 용량 및 PCB 레이아웃과 같은 패키지 기생(package parasitic)이 실제 파형에 큰 영향을 미칠 수 있다. 적절한 구성요소 선택, 최상의 PCB 레이아웃 사례 및 잘 설계된 게이트 드라이브 회로 제공에 대한 강조는 스위칭 전력 애플리케이션에 사용되는 SiC MOSFET의 성능을 최적화하는 데 각각 필수적이다.

◆ 게이트 드라이버 위시리스트

효율적인 고속 스위칭을 달성하면서 낮은 디바이스 게인을 보상하기 위해서, SiC 게이트 드라이브 회로에 대한 주요 요구사항은 몇 가지 있다

대부분의 SiC MOSFET은 -5V>VGS>20V에서 구동될 때 최상의 성능을 발휘한다. 게이트 드라이브 회로는 VDD=25V 및 VEE=-10V를 견딜 수 있어야 가장 광범위하게 사용할 수 있는 디바이스를 포괄할 수 있다.

VGS는 빠른 상승 및 하강 엣지가 있어야 한다. ▲ 전체 밀러 플래터 영역에서 높은 피크 게이트 전류(몇몇의 암페어)를 소싱 및 싱크하는 기능이 필요하다.

싱크 전류 기능은 VGS가 밀러 플래터 아래로 떨어질 때 매우 낮은 임피던스 홀드다운 또는 ‘클램 프’를 제공해야 하는 필요성에 의해 구동. 싱크 전류 정격은 SiC MOSFET의 입력 용량을 방전하는 것만으로도 필요한 수준을 초과해야 한다. 10A 정도의 최소 피크 싱크 전류 정격은 고성능 하프브리지 전원 토폴로지를 포함하는 데 적합해야 한다.

전환이 시작되기 전에 VGS>~16V라는 요구사항과 일치하는 VDD UVLO(under-voltage lockout) 레벨과 음의 전압 레일이 허용 범위 내에 있는지 확인하는 VEE UVLO 모니터링 기능이 요구된다.

SiC MOSFET의 안정적인 장기 작동을 위한 감지, 결함 보고 및 보호 기능이 있는 불포화 기능을 포함해야 하고 고속 스위칭을 위한 낮은 기생 인덕턴스, 소형 드라이버 패키지, SiC MOSFET에 최대한 가깝게 위치가 가능해야 한다.

◆ 게이트 드라이버 솔루션

온세미의 NCP51705는 상당한 설계 유연성과 통합을 제공하며, 대부분의 SiC MOSFET과 호환되는 SiC 게이트 드라이버 IC이다. NCP51705에는 ▲최대 28V의 VDD 양극 공급 전압 ▲6A 소스 및 10A 싱크의 높은 피크 출력 전류 ▲5V 바이어싱, 최대 20mA의 저전력 부하(디지털 아이솔레이터, 옵토커플러, 마이크로컨트롤러 등)에 액세스할 수 있는 내부 5V 참조 ▲별도의 신호 및 전원 접지 연결 ▲별도의 소스 및 싱크 출력 핀 ▲내부 열 차단 보호 ▲별도의 비반전 및 반전 TTL, PWM 입력 등의 기능을 포함해 범용 게이트 드라이버 IC와 공통적으로 많은 기능을 갖고 있다.

다만 이러한 IC는 최소한의 외부 구성요소를 사용해 신뢰할 수 있는 SiC MOSFET 게이트 드라이버 회로를 설계하는 몇 가지 고유한 기능과 ▲DESAT ▲충전 펌프(음전압 레일 설정) ▲프로그래밍 가능한 UVLO ▲디지털 동기화 및 오류 보고 ▲편리한 보드 레벨 통합을 위한 24핀, 4㎜×4㎜, 열 개선 MLP 패키지 등의 요소가 포함된다.

SiC MOSFET의 낮은 게인은 설계자가 적절한 게이트 드라이버 IC를 선택할 때 문제를 일으킨다. 범용 로우사이드 게이트 드라이버는 SiC MOSFET을 효율적이고 안정적으로 구동하는 기능이 부족하다. NCP51705는 설계자에게 효율적이고 신뢰할 수 있는 작동으로 SiC MOSFET을 구동하기 위한 단순하고 고성능의 고속 솔루션을 제공하는 다양한 기능을 포함하고 있다.