SiC 전력반도체 병렬 구동을 위한 대칭 구조 및 낮은 기생 인덕턴스를 가진 방열 일체형 스위칭 모듈 개발

Abstract

본 논문에서는 범용 이산 패키지(TO-247) 기반 전력반도체 소자의 병렬 구동 시 발생하는 Ringing 및 전류 불균형을 최소화하기 위해 게이트 및 파워 루프에 있어 균일한 병렬 스위치 특성을 갖는 구조적 기법을 적용함과 동시에 방열 설계의 유연성과 높은 전력 밀도를 가진 방열 일체형 스위칭 모듈에 대해 제안한다. 먼저 WBG 소자를 단일 및 병렬 스위치로 사용할 경우 게이트 루프 및 파워 루프의 기생 인덕턴스가 스위칭 동작에 미치는 영향을 PSPICE시뮬레이션을 통해 분석하고, 높은 전력 밀도를 가짐과 동시에 Low Profile 구조를 가질 수 있도록 제안하는 구조적 기법의 배치를 적용한 방열 일체형 병렬 하프 브릿지 스위칭 모듈을 설계한다. 또한 제시한 기법으로 설계된 스위칭 모듈의 실제 기생 인덕턴스에 대한 유효성을 검증하기 위해 Ansys사의 FEA(Finite Element Analysis) 프로그램을 사용하여 병렬 스위치의 게이트 루프 및 파워 루프의 대칭성에 대해 분석하고 제안하는 스위칭 모듈의 전류 밸런싱의 유효성 검증을 위하여 입력 전압 300V 조건에서 DPT(Double Pulse Test) 실험과 7.5kW LLC 공진형 컨버터 실험에 적용하여 정상상태 및 과도구간에서 병렬 스위치의 전류 밸런싱에 대한 다양한 실험 결과를 제시한다. |In this paper proposes heat sink integrated switching module with flexible heat sink design and high power density while applying structural method’s layout with uniform parallel sic semiconductor in gate loop and power loop to minimize ringing and current imbalance in parallel operation of general purpose discrete package (TO-247) based power semiconductor devices. First, we analyze the effect of parasitic inductance of gate loop and power loop on switching operation when WBG semiconductor are used as single and parallel switches through pspice simulations, and design heat sink integrated parallel half-bridge switching module with a layout of a proposed structural method to have a high power density and a low profile structure. To validate the actual parasitic inductance of the switching module, we anlayze the gate loop and power loop symmetry of the parallel switch using ansys’s FEA(Finite Element Analysis) program, and present the results of the DPT(Double Pulse Test) and 7.5kW LLC resonant converter current balancing experiments in parallel.