SiC MOSFET/Si IGBT 복합형 스위치

SiC(실리콘카바드) 및 High Voltage Wide Bandgap 반도체는 기존의 Si(실리콘)에 비해 고유의 소재적 장점으로 많이 주목받고 있습니다. MOSFET이나 JFET와 같은 SiC 전원 스위치는 Si IGBT와 같은 실리콘 전원 장치보다 특히 스위칭 손실을 크게 줄일수 있는 좋은 특성을 지니고 있습니다. 하지만 이런 좋은 특성을 지니고 있음에도 더 고가의 재료와 제작 비용이라는 것이며, 고전압 MOSFET의 한가지 고유 단점은 On state Loss가 크다는 것입니다. Even for SiC MOSFETs.

특히, 고전압 및 고온에서 그런 단점이 더욱 두드러지는데 그에 비해 

 

IGBT는 전도성 변화가 강해서 전압강하가 적지만, 차단 기간 중 Currnet tail에 의한 손실이 높습니다.

따라서 IGBT와 MOSFET을 병렬로 연결하여 각각의 장점을 결합한 하이브리드 MOSFET 및 IGBT 스위치를 제안하는 논문을 보도록 하겠습니다. 기존의 제안된 하이브리드 스위치는[5], [6]은 저전압 애플리케이션을 윟나 것이며 IGBT와 MOSFET 모두 Si 장치입니다.

 

이 백서는 Fig. 1.과 같이 고전압 SiC MOSFET와 Si IGBT를 병렬로 연결하는 고전압 Si/SiC 하이브리드 전원 모듈입니다.

SiC MOSFET 및 Si IGBT에 비해 Si/SiC 하이브리드 스위치의 우수한 성능과 저렴한 비용에 대해 다루며 이상적인 SiC기술 개발의 기반을 마련하겠습니다.

[5] Hoffmann, K.F.; Karst, J.P., "High frequency power switch - improved performance by MOSFETs and IGBTs connected in parallel," Power Electronics and Applications, 2005 European Conference on , vol., no., pp.11 pp.,P.11, 0-0 0

[6] Ortiz, G.; Gammeter, C.; Kolar, J.W.; Apeldoorn, O., "Mixed MOSFET-IGBT bridge for high-efficient Medium-Frequency DualActive-Bridge converter in Solid State Transformers," Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), 2013 IEEE 14th Workshop on , vol., no., pp.1,8, 23-26 June 2013

 

Si/SiC 하이브리드 스위치 구성에 대하여..

Fig. 1.은 게이트 구동 신호를 보여 주며, 표시된 것처럼 병렬로 연결되어 있습니다. IGBT와 같은 양극성 반도체 소자는 고전류 밀도(Fig. 2. 참조)에서 Forward conduction 특성이 뛰어나고, MOSFET과 같은 단극성 반도체 소자는 스위칭 속도가 더 빠르고 스위칭 손실도 훨씬 더 낮다. 특히 turn off loss도 더 낮은것으로 보입니다. 

 

따라서 IGBT와 MOSFET의 장점을 결합하기 위해 MOSFET의 경우 Si IGBT가 먼저 turn off 하고, 모든 전류를 SiC MOSFET으로 전환한 후 지연 시간 Td가 지난 후에 SiC MOSFET이 turn off 됩니다.. 

이러한 방식으로, 낮은 forward conduction 전압 강하는 IGBT의 낮은 전도 손실 특성을 이용하여 가능케 할 수 있습니다.

하이브리드 스위치의 주요 과제 중 하나는 Fig. 1.과 같이 SiC MOSFET의 적절한 turn off delay time Td를 결정하는 것입니다. 

 

Fig. 3.에서 Si IGBT turn off loss Eoff를 분석하면 각각 4kV, 20A, 30A에서 Td의 함수로서 Td가 증가함에 따라 IGBT Eoff가 감소하고 있음을 알 수 있습니다. 처음 10us에서 Eoff는 Td=10us 이후보다 약 2배 더 빨리 감소합니다.

 

Td가 20us일 때 Td가 추가되지 않은 경우에 비해 약 70%의 IGBT turn off loss 감소를 가능케 합니다. 10us MOSFET turn off delay는 스위칭 주파수와 turn off loss reduction 사이에서 tradeoff 처럼 선택할 수 있다.

 

이런 개선된 기능에는 물리적인 영향이 있기에 가능한 것이다. 

t1에서 IGBT 게이트 전압이 제거되고, IGBT에 있는 MOSFET채널이 빠르게 제거된다. 그 동안에 전류는 SiC MOSFET으로 전환된다.

개방형 Base에 저장된 excess minority carriers는 양극성/ minority carriers의 수명에 따라 점차적으로 부식 될 것이다. 

이 t1~t2 에서 IGBT 위의 전압은 거의 0전압이 MOSFET의 낮은 forward 전압 강하에 의해 클램프 된다.

 

따라서 ZVS를 Si IGBT에 대해 해제할 수 있다.

 

지연시간 Td 동안 낮은 전압 강하가 IGBT와 MOSFET  모두에 적용되며, N-Base 영역에서 대량의 저장된 전하가 소수 반송파 재조합으로 인해 기하급수적으로 감소한다.

 

t2에서 하이브리드 스위치의 SiC MOSFET이 꺼집니다.

지연 시간이 충분히 길면 Td는 저장된 전하가 t2에 거의 남지 않게 된다.

 

SiC MOSFET이 꺼져  Si IGBT를 통한 전압이 증가하면, 소량의 전류만이 Si IGBT를 통과하여 기생 캐패시터를 충전한다.

Si IGBT의 ZCS turn off가 실현된다.

 

Fig. 3.은 시험한 IGBT에서 carrier 수명이 비교적 높게 나타난다. 그러나 상세 분석은 손실이 DV/dt가 MOSFET에 의해 강력하게 결정되는 t2에서 ZCS turn off 동안 역학 관계이기 때문에 exp(-t//hl)에 기초한 모델이 Eoff 추정을 위한 정확한 모델이 아니라는 것을 보여준다.

 

IGBT에 남아 있는 캐리어는 높은 dV/dt를 지원해야 하므로 carrier 추출 속도가 더 높아지면 일반적으로 IGBT 전류가 더 높아져 IGBT 손실이 발생하게 된다.

 

 

단일 펄스 테스터에 대하여..

하이브리드 스위치의 차단 손실 개선을 평가하기 위해 Fig. 4.와 같이 고전압 DC 전원 공급 장치, DC 커패시터 및 클램프 유도 부하를 포함한 단일 펄스 테스터 프로토타입을 개발했다.

Fig. 5.는 하이브리드 스위치의 단일 펄스 테스트 파형을 보여준다.

 

Si IGBT 및 하이브리드 스위치의 차단 손실은 Fig. 6.와 Fig. 7.에서 비교할 단일 펄스 테스터에서 측정됐다.

하이브리드 스위치의 단일 펄스 테스트 파형을 보여준다. 처음에는 SiC MOSFET와 Si IGBT가 동시에 켜진다.

낮은 전류에서 SiC MOSFET의 낮은 전압 강하로 인해 거의 모든 전류가 SiC MOSFET를 통과한다.

 

총 전류가 증가하면 총 전류의 더 많은 부분이 Si IGBT를 통과한다.

 

고전류에서는 대부분의 전류가 Si IGBT를 통과하고, SiC MOSFET Ids를 통과하는 전류가 거의 유지되는 것을 알 수 있다.

 

turn off state동안 SiC MOSFET은 Si IGBT 10us 이후 turn off 된다.

 

Fig. 6.은 표준 Si IGBT turn off 파형을 보여준다.

4kV, 40A에서 Si IGBT의 차단 손실은 약 139mJ이며, 전류가 0이 되려면 약 2us가 필요하다. 같은 테스터로

4kV, 40A에서 SiC MOSFET의 차단 손실은 20mJ에 불과했다. 

 

Fig. 7.은 하이브리드의 turn off 파형을 보여준다. 하이브리드 스위치의 총 turn off loss은 두 부분으로 구성되는데, 하나는 Si IGBT turn off loss(78mJ)이고 다른 하나는 SiC MOSFET turn off loss(약 1mJ)이다.

 

따라서, 총 하이브리드 스위치 turn off loss는 약 79mJ로 표준 IGBT turn off loss보다 44% 가까이 감소했다.

 

MOSFET이 꺼진 후 빠른 전압 상승 단계에서 Si IGBT에는 여전히 많은 양의 전하가 남아 있어 현저하게 감소하지만 여전히 높은 turn off loss로 이어진다. 이 테스트 사례에서 dV/dt는 여전히 MOSFET이 아닌 IGBT에 의해 결정되므로 MOSFET 손실은 독립 실행형 MOSFET 조건에서 20mJ가 아닌 1mJ 이다.

 

지연 시간이 길수록 Td 하이브리드 스위치 turn off loss는 더욱 낮아진다.

 

실험 겨로가, Si IGBT의 스위칭 손실은 RT의 전환 손실보다 높은 온도에서 약 3배 더 많은 것으로 나타난다.

 특성이 낮은 수준에 머물 수 있다는 것이다.

반면, SiC MOSFET의 Ron은 Rt보다 높은 온도에서 약 2배 더 크지만 스위칭 손실은 거의 남지 않는다.

 

따라서 고온에서는 Si/SiC 하이브리드 스위치가 훨씬 더 큰 손실 감소를 가능케 한다.

 

변환 손실 분석을 기반으로 Si/SiC 하이브리드 스위치를 실험했을떄 결과는 어땠을까.

 

스위치의 손실 평가를 위해 스위칭 주파수 2kHz, 듀티 사이클 50%라고 가정하여 100kW-200kW 컨버터를 모의했을 때, 

forward 전도 손실 비교를 보여주는 차트이다.

하이브리드 스위치와 Si IGBT의 전도 손실은 거의 동일하다는 것을 알 수 있다. 

SiC MOSFET은 높은 전류 밀도에서 높은 Ron에 의해 전도 손실이 가장 높으며, 전류가 증가할수록 갭이 더 넓어진다.