1200V 100A 급 SiC MOSFET, SiC-JFET/Si-MOSFET cascode 하프 브리지 파워 모듈 슬루율 연구

Abstract

실리콘 카바이드(SiC) 파워모듈은 그동안 친환경 자동차 인버터 시스템에서 채택해왔던 실리콘 (Si) 파워모듈을 대체할 부품으로 기대되고 있다. 고효율 전력변환 시스템에 대한 요구 증가와 스위칭 속도가 빠른 SiC 모듈로의 전환으로 인해, 스위칭 손실 저감을 위해 파워 반도체의 출력 전압 변화율, 즉 슬루율은 점차적으로 증가하고 있다. 그러나 슬루율 증가는 다양한 잡음에 취약하며 스위칭 도중 의도치 않은 전기적 신뢰성 문제를 야기할 위험성을 내포하고 있다. 따라서, 파워모듈의 종류와 응용분야의 요구조건에 따라 슬루율을 적절히 제어해주어야 한다. 본 논문에서는 1200V 100A 급 하프 브리지 파워모듈 2 종에 대해 슬루율에 영향을 주는 주요 변수에 대해 비교 분석하였다. 실제 차량용 인버터에 적용 가능한 수준의 SiC MOSFET 및 SiC-JFET/Si-MOSFET cascode 파워모듈을 대상으로 각각의 모듈 슬루율 제어에 적합한 변수를 제시하고자 하였다. 적용한 변수는 게이트 저항, 외부 게이트-드레인 캐패시터, 모듈 내부 RC 회로, 세 가지이다. 먼저, 소자와 모듈 외부를 전기적으로 연결하기 위한 금속패턴 등 모듈 내 구조들의 기생 인덕턴스를 ANSYS Q3D Extractor를 사용하여 추출하였고 이를 반영한 회로 시뮬레이션을 수행하였다. 회로 시뮬레이션에서는 해당 파워모듈의 스위칭 동작을 확인하기 위해 더블 펄스 시험 회로를 구현하였고 각 변수 별, 모듈 별로 슬루율에 대한 영향도를 파악하였다. 또한 더블 펄스 시험 환경을 구성하여 실험도 진행하였다. 그 결과, 게이트 저항은 SiC MOSFET 파워모듈의 슬루율에 영향이 있어 제어 변수로 적합하나, SiC-JFET/Si-MOSFET cascode 파워모듈의 슬루율 제어 변수로는 적합하지 않았다. 따라서 본 연구에서 사용한 SiC-JFET/Si-MOSFET cascode 파워모듈의 슬루율 제어를 위해서는 외부 게이트-드레인 캐패시터의 용량을 조절하거나 내부 RC 회로를 연결할 필요가 있음을 확인하였다. |Silicon carbide(SiC) power modules are expected to replace silicon (Si) power modules that have been adopted in eco-friendly vehicle inverter systems. Due to an increase in demand for a high-efficiency power conversion system and the replacement by a SiC module with a fast-switching speed, the output voltage change rate of the power semiconductor, that is, the slew rate, is gradually increasing in order to reduce the switching loss. However, the increased slew rate is susceptible to various noises and poses the risk of causing unintended electrical reliability problems during switching. Therefore, it is necessary to properly control the slew rate according to the type of power module and the requirements of the application. In this paper, the main variables affecting the slew rate were compared and analyzed for two types of 1200V 100A half-bridge power modules. This study tried to suggest variables suitable for controlling the slew rate of each SiC MOSFET and SiC-JFET/Si-MOSFET cascode power modules that are applicable to actual vehicle inverters. The applied variables are the gate resistance, the external gate-drain capacitor, and the RC circuit inside the module. First, the parasitic inductance of structures inside the module, such as a metal pattern for electrically connecting the device and the outside of the module, was extracted using ANSYS Q3D Extractor, and circuit simulation with the inductance was performed. In the circuit simulation, a double pulse test circuit was implemented to check the switching operation of the power module, and the influence on the slew rate for each variable and each module was identified. In addition, experiments were conducted. As a result, the gate resistance is suitable as a control variable for SiC MOSFET because it affects the slew rate of the power module, but not for SiC-JFET/Si-MOSFET cascode power module. Therefore, it was confirmed that it is necessary to adjust the capacity of the external gate-drain capacitor or connect the internal RC circuit to control the slew rate of the SiC-JFET/Si-MOSFET cascode power module.