Cascode형 GaN FET를 적용한 위상천이 영전압 스위칭 풀 브릿지 DC-DC 컨버터

Abstract

본 논문은 최근 새로운 전력반도체로 부상하고 있는 GaN FET를 소프트 스위칭의 특징을 갖는 위상천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 스위치로 적용한 경우, 기존의 대표적 전력반도체인 Si MOSFET를 적용했을 때에 비해 효율이 개선됐음을 입증한 연구이다. 우선 2차측에 동기정류 및 배전류 방식을 채용한 위상천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 정상상태에서의 동작을 자세하게 해석함으로써 GaN FET를 적용할 이 컨버터의 설계가 용이하도록 하였다. 그리고 전기자동차의 전력변환 회로 등으로 이용할 수 있는 1.5kW(15V/100A)급의 위상천이 풀브릿지 DC-DC 컨버터를 설계하였으며 이 컨버터의 2차측에는 100A의 대전류에 대응하고, 보다 더 높은 효율을 위하여 배전류 방식의 동기정류를 채택하였다. 설계한 컨버터의 동작의 타당성을 입증하기 위하여 시작품을 제작하였다. 제작한 시작품의 스위치에 Cascode형 GaN FET를 적용하여 실험을 수행하였다. 그리고 효율 비교를 위해 동일한 시작품의 스위치에 Cascode형 GaN FET와 동급의 Si MOSFET를 적용하여 실험을 수행하였다. 실험한 결과 Cascode형 GaN FET를 적용한 경우, 출력전력 1.3kW의 조건에서 최대 효율 96.09%의 고효율이 측정되었으며, 동급의 Si MOSFET를 적용한 결과의 최대 효율보다 약 1.09% 효율 개선이 이루어졌음을 확인하였다.