WBG 전력 반도체의 저손실 및 신뢰성 있는 동작에 관한 연구

Abstract

Wide bandgap (WBG) 전력 반도체는 silicon (Si) 전력 반도체에 비해 높은 임계 전압, 높은 열전도도, 낮은 도통 저항, 빠른 스위칭 속도 등 우수한 특성을 보인다. 이러한 장점으로 인해 전기 자동차 충전기, 멀티레벨 인버터, 인덕션 히터, 연료 전지 시스템 및 무선 전력 전송을 포함한 다양한 응용 분야에 WBG 전력 반도체가 사용되고 있다. 그러나 단순히 기존의 Si 전력 반도체 기술을 WBG 전력 반도체에 적용하게 되면, WBG 전력 반도체의 장점을 온전히 활용하지 못하고 심지어 더 악화된 결과를 초래할 수 있다. WBG 전력 반도체는 입력 및 출력 커패시턴스가 작으므로 고속 스위칭의 이점이 있지만, 이는 스위칭 과도상태에서 큰 di/dt 및 dv/dt를 야기한다. 이러한 전류 및 전압 파형의 기울기는 과도상태 동안 회로의 기생 인덕턴스에 의해 크게 영향을 받아 ringing, undershoot 및 overshoot을 유발한다. 또한 WBG 전력 반도체를 병렬로 연결할 경우 기생 인덕턴스의 크기뿐 아니라 대칭성도 고려해야 한다. 병렬 연결된 WBG 전력 반도체 간의 기생 인덕턴스 비대칭은 큰 드레인 전류 불균형을 초래하여 스위칭 손실을 증가시키고 전력변환장치의 효율을 감소시킨다. 이러한 현상은 WBG 전력 반도체가 제공하는 높은 효율을 저해할 뿐만 아니라 신뢰성도 저하시킨다. 여기에 더해, WBG 전력 반도체의 낮은 단락 내구성은 스위칭 소자의 신뢰성을 크게 저하시킨다. Si 전력 반도체 소자의 short-circuit withstand time (SCWT)은 일반적으로 10 마이크로 초 이상인 반면 silicon carbide (SiC) metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)의 SCWT은 수 마이크로 초, 그리고 gallium nitride (GaN) high electron mobility transistor (HEMT)의 SCWT은 수백 나노 초이다. 따라서, 다양한 전력 변환 애플리케이션에서 WBG 전력 반도체의 신뢰성을 보장하기 위해선 고속 단락 보호 회로가 요구된다. 본 논문에서는 기생 인덕턴스에 민감하고 단락 내구성이 낮아 효율과 신뢰성이 떨어지는 WBG 전력 반도체의 활용도를 높이기 위한 세 가지 방법을 제안한다. 먼저, printed circuit board (PCB)의 기생 인덕턴스를 줄이기 위해 vertical lattice loop structure가 제안되었다. 둘째, 병렬 연결된 WBG 전력 반도체 간의 전류 불균형을 해결하기 위한 대칭적인 게이트 및 파워 루프를 갖는 PCB layout이 제안되었다. 마지막으로, 스위칭 노이즈에 대해 강한 내성을 지닌 고속 단락 보호 회로가 제안되었다. 제안된 방법은 WBG 전력 반도체의 기생 인덕턴스에 의한 스위칭 특성 저하를 해결하여 전압 및 전류의 overshoot과 ringing을 감소시켰으며, 강인하고 빠른 단락 보호를 제공하여 소자의 안정성 또한 향상시켰다. 이는 궁극적으로 WBG 전력 반도체 기반 전력 변환장치의 효율성과 신뢰성을 향상시키고 다양한 응용 분야에서 WBG 전력 반도체의 활용도를 높인다. 이러한 주장을 뒷받침하기 위해 본 논문에선 제안된 방법을 검증하는 다양한 실험 결과를 제시한다. |Wide bandgap (WBG) power semiconductors exhibit superior characteristics, such as high breakdown field, high thermal conductivity, low on-resistance, and fast switching speed, compared to their silicon (Si) counterparts. These advantages have led to the adoption of WBG power semiconductors in various applications, including electric vehicle chargers, multilevel inverters, induction heaters, fuel cell systems, and wireless power transmission. However, simply adapting existing Si power semiconductor technology to WBG power semiconductors fails to fully exploit their advantages and may even yield worse results. Although WBG power semiconductors have the benefit of fast switching due to their small input and output capacitances, this feature also generates large di/dt and dv/dt during switching transients. The slope of current and voltage waveforms is significantly impacted by the parasitic inductance in the circuit during these transients, leading to ringing, undershoot, and overshoot. Furthermore, when WBG power semiconductors are connected in parallel, both the magnitude and symmetry of parasitic inductance must be considered. Imbalanced parasitic inductance between parallel-connected WBG power semiconductors causes significant drain current imbalances, which increase switching losses and reduce power converter efficiency. These phenomena not only undermine the high efficiency offered by WBG power semiconductors but also compromise their reliability. Moreover, one of the major factors affecting the reliability of WBG power semiconductors is their low short-circuit withstand capability. Typically, the short-circuit withstand time (SCWT) of gallium nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMTs) spans several hundred nanoseconds, while Si devices usually have an SCWT exceeding 10 microseconds. Consequently, WBG power semiconductor must be employed with fast short-circuit protection circuits to ensure their reliability across various power conversion applications. In this dissertation, three methods are proposed to enhance the utilization of WBG power semiconductors, which are sensitive to parasitic inductance and have low short-circuit withstand capability, thereby degrading efficiency and reliability. First, a vertical lattice loop structure is proposed to reduce the parasitic inductance of the printed circuit board. Second, to address current imbalances between parallel-connected WBG devices, a structure with symmetrical gate and power loops for parallel-connected devices is proposed. Finally, a short-circuit protection circuit featuring fast and robust immunity to switching noise is introduced. By addressing switching characteristic degradation of WBG devices due to parasitic inductance through proposed methods, voltage and current overshoot and ringing are reduced, and the stability of WBG power semiconductor is enhanced through a robust and fast short-circuit protection circuit. This ultimately improves the efficiency and reliability of WBG power semiconductor-based power converters and increases their utilization in various applications. To support these claims, the dissertation presents various experimental results verifying the proposed methods.