SiC MOSFET에 적합한 게이트 드라이버를 선택하는 방법

탄화규소(SiC) MOSFET 권력에 상당한 진출을 이루었다. 반도체 실리콘 기반 스위치에 비해 다양한 이점 덕분에 업계에서 여기에는 더 빠른 스위칭, 더 높은 효율성, 더 높은 전압 작동 및 고온으로 인해 더 작고 가벼운 설계가 가능합니다. 이를 통해 다양한 자동차 및 산업 응용 분야에서 주택을 찾을 수 있었습니다. 그러나 SiC와 같은 WBG(광대역갭) 장치는 EMI(전자기 간섭), 과열 및 과전압 조건을 비롯한 설계 문제를 야기하며, 이는 올바른 게이트 드라이버를 선택하여 해결할 수 있습니다.

게이트 드라이버는 전력 장치를 구동하는 데 사용되기 때문에 전력 퍼즐의 중요한 부분입니다. SiC를 사용하여 최적화된 설계를 보장하는 한 가지 방법은 먼저 게이트 드라이버 선택을 신중하게 고려하는 것입니다. 동시에, 애플리케이션 요구 사항에 따라 항상 절충점이 있기 때문에 설계의 주요 요구 사항인 효율성, 밀도 및 비용에 대한 면밀한 검토가 필요합니다.

SiC의 고유한 이점에도 불구하고 가격 책정은 여전히 ​​채택의 걸림돌입니다. 부품 비교 기준으로 SiC와 실리콘을 비교하면 설계자가 총 솔루션 비용을 고려하지 않는 한 더 비싸고 정당화하기 어려울 것입니다. IC 제조 업체.

먼저 SiC와 실리콘 MOSFET의 애플리케이션, 이점 및 장단점을 살펴보겠습니다. IGBT에스. SiC FET는 더 낮은 온 저항(더 높은 항복 전압으로 인해), 더 빠른 스위칭을 위한 높은 포화 속도, 3배 더 높은 밴드갭 에너지를 제공하여 냉각 개선을 위한 더 높은 접합 온도와 3배 더 높은 열 전도성을 제공합니다. 이는 더 높은 전력 밀도로 해석됩니다.

저전압 Si MOSFET과 GaN이 700V 미만 범위 이상에서 작동한다는 업계 합의가 있습니다. 여기서 SiC는 더 낮은 전력 범위에서 약간의 중첩과 함께 작동합니다.

SiC는 대부분 600V 이상, 3.3kW 이상, 약 11kW에서 실리콘 IGBT 유형 애플리케이션을 대체하고 있습니다. 이는 실제로 SiC에 더 적합하며, 이는 고전압 작동, 낮은 스위칭 손실 및 더 높은 전력 소비를 의미합니다. 스위칭 주파수 전력 스테이지라고 Microchip의 Discrete and Power Management 부문 디지털 게이트 드라이버(AgileSwitch) 제품 라인 디렉터인 Rob Weber는 말했습니다. Technology.

이것은 더 작은 필터와 패시브를 사용할 수 있게 하고 냉각 요구를 감소시킨다고 그는 말했다. “우리는 IGBT에 비해 시스템 수준의 이점을 말하고 있으며, 이는 궁극적으로 크기, 비용 및 무게의 감소입니다.

"손실의 관점에서 볼 때, 예를 들어 70kHz 스위칭 주파수에서 손실을 최대 30%까지 줄일 수 있습니다. 이는 항복 필드, 전자 포화도 측면에서 탄화규소의 다른 특성 중 일부의 결과입니다. 속도, 밴드갭 에너지 및 열전도율이 중요합니다.”라고 Weber가 말했습니다.

엔지니어가 보는 벤치마크는 효율성으로, 개선 수준을 가져오지만, SiC에서 점점 더 많이 일어나고 있는 또 다른 것은 IGBT에 비해 시스템 수준의 이점이라고 Weber는 말했습니다.

“실리콘 카바이드를 사용하면 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있으므로 필터와 같이 즉각적인 전력 스테이지를 둘러싸는 더 작은 외부 부품을 가질 수 있습니다. 예를 들어 크고 무거운 자기 장치입니다. 더 낮은 스위칭 손실로 인해 더 높은 온도에서 작동하거나 더 차갑게 작동합니다. 수냉식 시스템을 공냉식 시스템으로 교체하고 방열판 크기를 줄이는 것”이라고 설명했다.

그는 이러한 부품의 크기와 무게 감소로 인해 비용이 절감된다는 것은 SiC가 더 나은 효율성을 얻는 것 이상을 의미한다고 말했습니다.

그러나 부품별 가격 비교에서 SiC는 기존 실리콘 기반 IGBT보다 여전히 더 비쌉니다. “SiC 모듈 모든 제조업체에서 더 많은 비용이 들지만 전체 시스템을 살펴보면 SiC 시스템 비용이 더 낮습니다.”라고 Weber는 말했습니다.

Weber가 공유한 예에서 한 고객은 SiC를 사용할 때 시스템 비용을 XNUMX% 절감할 수 있었습니다. 이끼.

설계자가 SiC로 전환하기로 결정한 후에는 장단점도 살펴봐야 합니다. 힘 반도체 제조업체는 잡음, EMI, 과전압과 같은 "XNUMX차 효과"를 처리해야 한다는 데 동의합니다.

Weber는 "이러한 장치를 더 빠르게 전환하면 잠재적으로 더 많은 노이즈를 생성하여 EMI로 변환할 수 있습니다."라고 말했습니다. “또한 SiC는 더 높은 전압에서 훌륭하지만 짧은 시간 동안 IGBT보다 훨씬 덜 견고합니다.회로 조건에 따라 전압이 변동하므로 과전압 조건이 발생하여 일부 설계자는 더 높은 전압 정격 SiC 장치를 사용하여 과전압 및 과열을 더 잘 제어할 수 있습니다.”

여기서 게이트 드라이버의 선택이 큰 역할을 합니다. SiC에는 공급 전압, 빠른 단락 보호, 높은 dv/dt 내성과 같은 특성에 대한 고유한 요구 사항이 있습니다.

SiC 게이트 드라이버 선택

SiC 스위치에 적합한 게이트 드라이버를 선택할 때 실리콘 기반 장치와 비교하여 전력 솔루션에 대한 새로운 사고방식이 필요합니다. 살펴봐야 할 주요 영역에는 토폴로지, 전압, 바이어스, 모니터링 및 보호 기능이 있습니다.

게이트 드라이버를 선택하는 것은 매우 중요하며 역사적으로 게이트 드라이버를 선택할 때 순차적 접근 방식을 사용하는 것은 괜찮았다고 Weber는 말했습니다. “SiC 이전에는 IGBT를 먼저 선택한 다음 게이트 드라이버를 두 번째로 선택한 다음 버스바와 드라이버를 선택했습니다. 콘덴서등등”이라고 Weber는 말했습니다. “완전히 달라졌어요. IGBT에 대해 사용하는 순차적 접근 방식 대신 구축 중인 전체적인 솔루션과 모든 단계의 장단점을 살펴봐야 합니다. 많은 고객들에게 교육이 되었습니다.”

또한 기능 및 통합(및 가격)이 다양한 SiC용 게이트 드라이버가 다양하며 단순한 설계에서 보다 복잡한 설계를 목표로 합니다.

예를 들어 Analog Devices Inc.(ADI)는 과전류 보호 및 오류 감지와 같은 보호 기능으로 "보호"하는 기본 기능, 전체 프로그래밍 가능한 구성 가능성 등 클래스별로 게이트 드라이버를 구성합니다. ADI의 절연 게이트 드라이버는 고속 CMOS 및 모놀리식 변압기 기술과 결합된 회사의 iCoupler 절연 기술을 기반으로 하며, 이 기술은 CMTI(Common-Mode Transient Immunity) 성능을 희생하지 않으면서 매우 낮은 전파 지연을 제공합니다. ADI는 또한 제품 설계를 위한 좋은 출발점을 제공하는 평가 보드 및 참조 설계 포트폴리오를 제공합니다.

Texas Instruments Inc.의 고전압 전력 시스템 엔지니어링 책임자 Lazlo Balogh는 토폴로지, 전력 수준, 보호 및 기능 안전 요구 사항, 사용 중인 SiC 장치의 생성에 따라 애플리케이션에 필요한 드라이버 종류가 결정될 것이라고 말했습니다.

예를 들어, 많은 추가 회로가 필요할 수 있는 비절연 드라이버는 모든 것이 드라이버에 통합될 필요가 없는 단순한 애플리케이션에 적합하다고 그는 말했다.

그는 또한 네거티브 바이어스 및 절연 문제를 처리할 수 있지만 자동차 애플리케이션을 위한 모니터링 및 보호 회로 및 기능 안전과 같은 추가 통합을 제공하는 장치까지 시스템에서 일종의 모니터링이 여전히 필요하다고 덧붙였습니다.

"SiC를 올바른 방식으로 배치하기 위한 체크리스트는 토폴로지와 구동해야 하는 장치의 종류를 확인한 다음 게이트 드라이버를 선택하고 바이어스를 최적화하고 어떤 종류의 보호가 필요한지 파악한 다음 레이아웃을 최적화하는 것입니다." 발로가 말했다.

드라이버의 관점에서 볼 때 올바른 바이어스가 있으므로 올바른 전압 기능이 필요하며 절연 또는 비절연 게이트 드라이버가 필요한지, 보호가 얼마나 필요한지, [보호 및 안전을 위해] 통합 수준과 연결되는 방법 또는 그는 많은 추가 회로가 필요하다고 덧붙였다.

SiC를 약간 방해한 것 중 하나는 더 높은 스위칭 속도 때문에 소스 인덕턴스가 제거되는 패키지에 넣어야 한다는 인식입니다. 이는 일반적으로 켈빈 소스 연결로 수행됩니다. . "소스 인덕턴스는 스위칭 동작을 느리게 하기 때문에 많은 울림과 추가 전력 손실을 유발할 수 있습니다."

"여기서 레이아웃 엔지니어는 가장 친한 친구가 됩니다. 레이아웃을 살펴보고 링잉을 완화하고 고속 스위칭을 위해 최적화해야 하기 때문입니다."라고 Balogh는 말했습니다. 여기에는 트레이스 인덕턴스를 최소화하고 게이트 루프를 전력 루프에서 분리하고 올바른 구성 요소를 선택하여 [전환된 전류 경로 및 넓은 주파수 대역의] 적절한 바이패스가 포함됩니다.

정말 중요한 것은 드라이버를 스위치에 연결하는 것이라고 Balogh는 말했습니다. 그는 스위칭 손실을 증가시킬 수 있는 표유 인덕턴스 때문에 드라이버의 접지를 전원 스위치의 소스에 직접 연결해야 한다고 말했습니다.

Texas Instruments는 고객이 성능 요구 사항에 근접하도록 하는 다양한 참조 기판/설계를 제공합니다. 항상 트레이드오프가 거의 없으며 TI는 최대 부하에서 최대 효율성이 필요한 경우와 같이 필요에 따라 설계를 최적화하는 데 도움을 줄 수 있다고 Balog는 말했습니다. 그의 조언: WBG를 운전하는 데 문제가 있는 경우 애플리케이션 노트를 읽고 애플리케이션 엔지니어에게 문의하십시오.

TI는 UCC21710, UCC21732, UCC21750을 비롯한 다양한 Si 및 IGBT 게이트 드라이버를 제공합니다. 보호 및 감지 기능이 통합된 절연 게이트 드라이버입니다. 이 장치는 과전류 이벤트로부터 보호하는 동시에 안전한 시스템 종료를 보장하기 위해 빠른 감지 시간을 제공합니다.

Infineon Technologies의 지역 애플리케이션 엔지니어인 Mladen Ivankovic은 SiC를 선택할 때 이렇게 말했습니다. MOSFET 가장 먼저 물어봐야 할 중요한 질문은 해당 구성 요소에 대해 '단극 구동이 필요한가요, 아니면 양극 구동이 필요한가요?'입니다.

시장에는 Si와 SiC를 모두 구동할 수 있는 빠르고 강력한 드라이버가 있지만 Si에서 SiC로 이동할 때 사람들이 주의해야 할 점은 실리콘이 일반적인 12볼트 전압으로 구동되기 때문에 이를 구동하는 방법이라고 Ivankovic은 말했습니다. . "12V를 사용하여 켜고 0V를 사용하여 끄므로 실리콘 부품 또는 초접합 MOSFET을 구동하는 드라이버의 정상 전압 범위는 0~12V이며 이는 모든 실리콘 부품 공급업체의 보드에 있습니다. 그는 덧붙였다.

반면에 다른 벤더의 SiC 장치는 다른 켜기/켜기 전압을 갖습니다. 예를 들어 시장에는 켜기 위해 +15V, 끄기 위해 -4V가 필요하거나 켜기 위해 +20V, 끄기 위해 -2 또는 -5V가 필요한 SiC MOSFET이 있습니다. Ivankovic 말했다. "이를 위해서는 양 및 음의 전압을 사용할 수 있는 드라이버가 필요합니다."

그러나 Infineon SiC를 사용하면 더 넓은 전압 범위만 있으면 된다고 그는 말했습니다. "따라서 0~12V 대신 0~18V로 구동해야 하며 Si 또는 SiC에 사용되는 것과 동일한 드라이버를 사용할 수 있습니다."

따라서 유니폴라 게이트 드라이버가 필요한지 또는 구성 요소를 적절하게 구동하기 위해 양극과 음극이 모두 필요한지 여부에 대해 주의해야 한다고 Ivankovic은 말했습니다.

인피니언은 최근 다양한 산업용 애플리케이션을 위한 EiceDRIVER X3 Enhanced 아날로그(1ED34xx) 및 디지털(1ED38xx) 게이트 드라이버 IC를 출시했습니다. 두 제품군 모두 개별 및 모듈 패키지의 IGBT와 Si 및 SiC MOSFET용으로 설계되었습니다. 1ED34xx는 외부 저항을 사용하여 조정 가능한 불포화 필터 시간 및 소프트 턴오프 전류를 제공하고 1ED38xx는 단락 보호, 소프트 오프, 저전압 잠금, 밀러 클램프와 같은 조정 가능한 제어 및 보호 기능을 포함하여 여러 매개변수에 대한 I2C 구성 가능성을 제공합니다. , 과열 차단 및 XNUMX단계 끄기(TLTO).

ADI의 수석 애플리케이션 엔지니어인 Eric Benedict에 따르면 또 다른 게이트 드라이버 고려 사항은 피크 전류 용량 기능입니다. 그는 Wolfspeed와의 교육 세션 웨비나에서 이를 다루었습니다. “그러면 이것이 스위치를 구동하는 데 중요한 기능인 이유는 무엇입니까? 대부분의 경우 스위칭 손실 감소의 형태로 효율성이 떨어집니다. 스위칭 전환을 완료하려면 게이트가 게이트에 충분한 전하를 전달하여 스위치가 완전히 켜져 있어야 합니다. 스위칭 속도를 높이는 것은 이 전하를 더 빠르게 전달한다는 것을 의미하며 전류는 시간에 대한 전하이므로 더 빠른 스위칭은 더 많은 게이트 구동 전류를 의미합니다. 따라서 피크 구동 전류는 게이트 루프의 전체 저항에서 게이트 공급 전압에 의해 결정됩니다.”

데이터 시트를 볼 때 Benedict의 주의 사항은 제조업체가 다양한 테스트 조건을 기반으로 게이트 드라이버 출력 전류를 보고한다는 것입니다. "일부는 출력을 단락시키는 매우 짧은 회로 펄스 동안 검색되는 전류를 지정하고 다른 것들은 존재하는 실제 게이트 저항이 있을 때 측정된 전류를 사용하므로 다른 장치의 사양을 비교할 때 주의해야 합니다. .”

교육 세션에서 다루는 몇 가지 핵심 사항에는 스위칭 주파수를 활용하여 손실을 줄이고 공통 모드 과도 현상에 대한 적절한 내성을 제공하고 기생을 최소화하고 불포화 또는 단락 보호가 IGBT와 다르다는 것을 이해하는 것과 같이 SiC에 맞게 조정됩니다.

구성 가능한 디지털 게이트 드라이버

많은 주요 전력 IC 제조업체는 WBG 기술로 전환하는 이점을 극대화할 뿐만 아니라 일부 XNUMX차 효과를 해결하기 위해 고유한 SiC 게이트 드라이버 기술 및 솔루션을 개발했습니다.

예를 들어 Microchip은 "Augmented Switching"이라는 고유한 기술이 포함된 AgileSwitch 드라이버로 디지털 접근 방식을 취합니다. 이 기술의 핵심 요소는 구성 가능한 켜기/끄기이며, 이러한 전압 수준에서 전압 수준과 시간을 제어하는 ​​일련의 단계를 제공합니다. 이를 통해 설계자는 소프트웨어를 통해 켜기/끄기 프로필을 디지털 방식으로 구성할 수 있으므로 하드웨어를 변경할 필요가 없습니다. 이 기술에는 추가 수준의 오류 모니터링 감지 및 단락 회로 응답도 포함됩니다.

Microchip은 최대 50% 더 낮은 스위칭 손실 및 80% 더 낮은 전압 오버슈트와 같은 상당한 개선을 주장합니다.

Weber는 "전통적인 아날로그 방식은 실리콘 스위치에 확실히 적합합니다. 이러한 많은 XNUMX차 효과는 느린 IGBT를 구동하는 데 문제가 되지 않았지만 실리콘 카바이드는 완전히 다른 동물입니다."라고 말했습니다.

Weber는 디지털 게이트 구동 기술의 핵심 요소 중 하나는 단락 상태를 매우 신속하게 보호한 다음 안전한 방식으로 이에 대응하는 것이라고 말했습니다.

Microchip은 최근 2세대 장치에 새로운 수준의 제어를 추가한 XNUMX세대 디지털 게이트 드라이버를 출시했습니다. 구성 가능한 게이트 드라이버는 모든 공급업체의 SiC MOSFET과 함께 사용할 수 있습니다.

MOSFET의 차이는 켜기 및 끄기 전압과 관련이 있으므로 회사에서 회사마다 다른 양의 전압과 음의 전압을 가질 수 있는 경우에도 +/- 전압 레벨을 프로그래밍하는 기능은 모두 다음을 통해 구성할 수 있습니다. 게이트 드라이버, Weber가 말했습니다.

Weber는 고객들이 개발 주기와 개발 시간을 최대 XNUMX개월까지 단축할 수 있었다고 말했습니다. “솔더링 건이나 보드 재스핀으로 하던 일을 소프트웨어를 사용하여 할 수 있다는 생각은 다른 사고방식입니다. 그러나 그것을 채택하기 시작한 고객들은 그것이 판도를 바꿀 것이라고 생각한다는 것을 알고 있습니다.”

그는 또한 이것이 특히 공급망 문제의 시기에 고객에게 더 많은 유연성을 제공한다고 언급했습니다. “공급이 가능해지면 공급업체 간에 이동할 수 있습니다.”

Microchip은 게이트 드라이버 코어라고 하는 일련의 게이트 드라이버 보드 제품에 ASD2 디지털 게이트 드라이버 IC를 구현합니다. 이는 마이크로프로세서와 일정 수준의 구성 가능성 및 제어가 있는 전원 공급 장치 게이트 드라이버가 있는 하프 브리지 장치입니다. 이 회사는 또한 Microchip과 경쟁업체가 제공하는 다양한 산업 표준 모듈 유형을 사용할 수 있도록 하는 어댑터 보드 또는 도터 카드 라인과의 산업 전반의 호환성을 지원합니다.

또한 디지털 게이트 드라이버를 사용하면 설계자는 시간 또는 사용에 따른 스위치 성능 저하를 설명하기 위해 10년 또는 XNUMX년 동안 최적화하는 대신 오늘날의 애플리케이션에 맞게 MOSFET을 최적화할 수 있습니다.

“저희 드라이버를 통해 고객이 보고 관심을 갖고 있는 것 중 하나는 시간이 지남에 따라 MOSFET의 성능이 저하되면 MOSFET 주변에서 최적화하도록 설정을 변경할 수 있다는 아이디어와 함께 오늘날 MOSFET을 최적화할 수 있는 기능입니다. 이러한 방식으로 그들은 현재 시스템에서 더 많은 효율성을 얻고 미래의 최악의 경우를 위해 설계함으로써 효율성을 포기하지 않습니다.”라고 Weber가 말했습니다.

이것은 아날로그 솔루션에서 수행할 수 있으며 거기에 도달하는 방법은 항상 여러 가지가 있지만 솔루션을 개발하는 데 소요되는 비용, 절충안 및 시간은 얼마라고 그는 덧붙였습니다.

표준 드라이버 사용

공급업체는 표준 드라이버를 사용하여 SiC 장치를 제어하는 ​​것이 가능하지만 트레이드오프의 크기를 결정해야 하며 트레이드오프에는 일반적으로 추가 회로 또는 더 큰 외부 장치가 수반된다는 데 동의합니다. 예를 들어, 표준 드라이버를 사용할 때 링잉 및 과전압을 줄이는 한 가지 방법은 게이트 크기를 늘리는 것입니다. 저항기.

Balogh는 보호 기능, 저전압 잠금, 고주파 작동, 더 빠른 스위칭 및 다이의 핫스팟과 같이 고려해야 할 다른 문제에 대해 언급했으며, 이러한 문제는 모두 전력 손실, EMI 및 크기에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 추가 회로는 일반적으로 통합 솔루션 및 전용 SiC보다 훨씬 더 많은 공간을 차지하므로 많은 단점이 있으며 이러한 이유로 고급 설계에서는 더 빠른 스위칭과 같은 사항을 고려하는 전용 SiC 코어 드라이버를 선택합니다. , 과전압 조건, 노이즈 및 EMI 관련 문제가 있다고 그는 말했습니다.

"항상 표준 게이트 드라이버를 사용할 수 있지만 추가 회로로 이를 보완해야 하며 일반적으로 이것이 절충점입니다."라고 Balogh는 말했습니다.

예를 들어, 소형 고전력 밀도 설계의 경우 SOT23 패키지의 표준 비절연 게이트 드라이버를 사용할 수 있다고 Baloh 씨는 말했습니다. 절연되지 않은 드라이버는 직접 적용할 수 없지만 수행할 수 있으며 많은 사람들이 이 경로를 선택한다고 그는 말했습니다.

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