하프 브릿지 회로 구성에서 SiC MOSFET의 비선형성을 반영한 스위칭 과도 모델링

Abstract

최근 들어 실리콘(Si, Silicon) 기반 전력 반도체가 물성적인 한계에 직면하면서 실리콘 카바이드(SiC, Silicon Carbide) 및 갈륨 나이트라이드(GaN, Gallium Nitride)와 같은 WBG(Wide Band-Gap) 반도체가 이를 대체할 차세대 반도체로 주목받고 있다. 특히 SiC MOSFET의 경우 친환경 자동차의 모터 구동을 위한 인버터 시스템 내부 파워 모듈에 사용되던 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 대체할 소자로 급부상하고 있다.

SiC MOSFET은 그 재료적 특성에 기인하여 실리콘 반도체 대비 내열성이 뛰어나고 스위칭 속도가 빠른 것이 장점이다. 하지만 이처럼 우수한 재료적 특성은 전력전자 시스템에 응용 시 전자기파 간섭(EMI, Electro-Magnetic Field), 소자의 비선형성과 회로의 기생 성분에 의한 스위칭 과도에서의 과전압/과전류 현상 등 기존에는 없던 문제의 원인이 되기도 한다. 학계에서는 이러한 문제를 이해하고 해결하기 위한 WBG 반도체의 모델링(Modeling) 연구가 지속적으로 이뤄지고 있다.

본 연구는 SiC MOSFET의 스위칭 과도(Switching transient)에서 관찰되는 고속 스위칭과 소자 및 회로에 의한 공진(Resonance) 현상 등을 모방할 수 있는 모델을 개발하고자 하는 목적에서 시작되었다.

실제 시스템에 적용되는 것과 유사한 환경에서의 스위칭 과도를 보기위해 파워 모듈을 구성하는 단위인 하프 브릿지(Half-Bridge) 회로를 연구 대상으로 선정하였다. Turn-Off, Turn-On 모두 4개의 구간 별 등가회로로 나누어 모델링하였으며, 등가회로를 바탕으로 유도된 루프 방정식을 상태 방정식으로 변환 후 수치해석 방법을 적용하였다. 또한 SiC MOSFET소자 자체의 비선형성과 회로에 존재하는 기생 성분을 모델링에 반영하였다. 입력 커패시턴스(Ciss) 및 채널 저항(Rds, on)의 고려한 것이 기존 연구와는 다른 특징이다.

또한 모델링 결과를 검토하기 위해 더블 펄스 시험기(DPT, Double Pulse Tester)를 제작해 실험 환경을 구축하였다. 이 과정에서 더블 펄스 시험기의 제작 시 유의사항, 최적화 과정 및 측정 시 프로브 선택/사용방법과 관련된 내용을 유기적으로 정리하였다.

마지막으로 모델과 실험에 의한 스위칭 과도를 비교하며 결과에 대해 정성적/정량적으로 고찰하였다.