게이트 드라이버 전원 공급장치에 대한 문제를 제기한 WBG 기기

2024. 6. 14

RECOM's R24C2T25 series with blue background

탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 기기용 게이트 드라이버 전원 공급장치는 이러한 와이드 밴드갭 반도체의 고유한 편향 요구 사항을 해결해야 합니다. 본 블로그에서는 SiC 및 GaN용 게이트 드라이버의 전원 공급장치를 설계할 때의 핵심 고려 사항에 대해 논의합니다.

SiC 및 GaN 은 더 낮은 손실로 더 빠르게 전환할 수 있기 때문에, 전력 전자 분야에서 기존 실리콘(Si)에 비해 더 많은 이점을 제공하는 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 소재 입니다. 이는 고효율성과 고전력 밀도를 크게 고려해야 하는 응용 분야에서 상당한 시장 점유율을 차지하고 있습니다.

얼리 어댑터는 기술에 따라 다릅니다. 더욱 성숙한 기술을 제공하는 SiC는 전기차의 트랙션 인버터에 전력을 공급하기 위해 주로 Si IGBTs를 대체해 왔으며, GaN은 노트북 및 유사한 기기의 충전기에서 큰 성공을 거두었습니다.

WBG 기기용 게이트 드라이버 요구 사항

SiC 및 GaN 트랜지스터용 게이트 드라이버는 각 기기의 구체적인 특성에 맞게 제작되어야 합니다. 하이사이드 게이트 드라이버의 경우, 게이트 드라이와 및 해당 DC 공급장치를 분리해야 합니다.

1세대 SiC MOSFETs는 가장 낮은 ON 저항을 제공하기 위해 기본적으로 ON 상태에서 +20V V_DD 게이트 드라이브가 필요합니다. 게이트 턴온 임계값이 2V보다 작을 수 있으므로, SiC MOSFET 드라이버는 일반적으로 최적의 전환 신뢰성을 위해 턴오프 단계에서 음의 게이트 전압으로 선회합니다.

SiC MOSFET and GaN HEMT circuit diagrams — 그림 2: SiC & GaN 기기용 드라이버 전압 비교(출처: RECOM)

차세대 기기의 경우, 최적의 턴온 및 턴오프 전압은 각각 +15V 또는 +18V와 -3V 또는 -4V입니다. 게이트 드라이버는 몇 나노초 단위로 매우 빠르게 상승 또는 하강할 수 있어야 합니다. 또는 문제없이 작동하기 위해서는 대부분의 게이트 드라이버를 비대칭 V_DD 및 V_EE 공급 전압과 함께 사용할 수 있습니다. 게이트 드라이버의 전력 소비는 스위칭 주파수가 높을수록 증가하지만, 피크 게이트 구동 전류는 드라이버 전원 공급장치 핀에 가깝게 배치된 커패시터에서 공급하며, 저전력 2W~3W DC/DC 컨버터만 필요합니다.

GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 기본 풀 인핸스먼트 전압이 7V이지만, V_GS가 SiC 게이트 드라이버에 필요한 게이트 전압보다 훨씬 낮은 10V를 초과하면 손상됩니다. HEMT 구조의 낮은 게이트 커패시턴스 채널은 상승 및 하강 시간이 매우 빠르기 때문에, 외부 게이트 구동에 과도한 인덕턴스가 발생하면 스파이크 또는 전압 고리를 형성하여 해당 전압 한계를 초과할 수 있습니다. 그러므로 6V 게이트 구동 전압은 고효율과 안전한 작동 범위를 유지하는 것의 좋은 절충안입니다. SiC MOSFET와 달리, 낮은 커패시턴스의 HEMT 게이트 채널을 사용하면 턴오프 전압이 0V가 될 수 있습니다.

WBG 게이트 드라이버 전원 공급장치의 핵심 사양

SiC 또는 GaN 게이트 드라이버용 전원 공급장치는 위에서 논의한 필요 전압 수준을 공급할 수 있어야 합니다. 이것은 일반적으로 SiC MOSFET의 경우 +20/-5V(2세대 기기의 경우 +15/-3V), GaN HEMT의 경우 +6V 및 +9V를 공급하는 절연형 DC/DC 컨버터로 구성됩니다.

수많은 SiC 및 GaN 응용 분야에서 하이사이드 구동 회로는 종종 접지 위로 수백 볼트씩 떠다니기 때문에, 드라이버 및 연결 회로에 갈바닉 절연이 필요합니다. 옵토커플러는 제어 신호에 대한 절연 효과를 제공하지만, 전원 공급장치에 대한 절연이 필요합니다.

DC/DC 컨버터의 가장 간단한 (기능적) 절연은 1초 동안 1kVDC를 견딜 수 있지만, 브리지 구성의 하이사이드 게이트 드라이버에는 충분하지 않은 경우가 많습니다. DC/DC 절연 전압은 작동 전압의 2배 이상이어야 하지만, 고전력 SiC 및 GaN 트랜지스터가 생성하는 높은 주변 온도와 빠른 스위칭은 절연 장벽에 추가적인 스트레스를 가합니다. 결과적으로 게이트 드라이버에 전원을 공급하기 위해 고도로 절연된 DC/DC 컨버터가 필요합니다.

SiC 및 GaN 게이트 드라이버를 위한 RECOM 솔루션

RECOM의 게이트 드라이버용 DC/DC 컨버터는 WBG 응용 분야에서 게이트 드라이버를 위한 신뢰할 수 있고 수명이 긴 솔루션을 제공하는 드롭인 모듈입니다. RECOM은 SiC MOSFET 또는 GaN HEMT 전원 공급장치를 위한 간편한 전원 솔루션을 지원하는 다양한 절연형 DC/DC 컨버터 모듈을 제공합니다. 이러한 컨버터의 기능에는 비대칭 출력 전압, 높은 절연 전압, 낮은 절연 커패시턴스가 있습니다.

SiC 및 GaN 구동 기술을 위한 최적의 RECOM DC/DC 컨버터 제품군은 무엇일까요?

SiC MOSFET

RxxP22005D 및 RKZ-xx2005D 시리즈는 SiC MOSFET를 효과적이고 효율적으로 전환하기 위해 +20V와 -5V의 비대칭 출력을 제공합니다.

RxxP21503D 시리즈는 2세대 SiC MOSFET를 효과적으로 전환하는 데 필요한 +15V와 -3V의 비대칭 출력 전압을 제공합니다.

GaN HEMT

슬루 레이트가 높은 GaN 트랜지스터 드라이버는 절연 전압이 높고 절연 커패시턴스가 낮은 RECOM의 DC/DC 컨버터 RP-xx06S 및 RxxP06S 시리즈에서 +6V의 경우 최적의 성능 스위칭에 도달합니다. 더 큰 노이즈와 간섭을 고려해야 하는 GaN 분야에서 RECOM은 출력이 +9V인 컨버터도 제공하는데, 이러한 컨버터는 제너 다이오드를 통해 +6V 및 -3V로 분할하여 턴오프 시 마이너스 게이트 전압을 제공해 게이트 전압이 턴온 임계값 미만으로 유지되도록 합니다.

게이트 드라이버에 최적화된 RA3 시리즈

RECOM의 비조절형 3W DC/DC 컨버터 RA3 제품군 은 트랜지스터 게이트 드라이버에 전원을 공급하도록 특별 설계되었습니다. 모듈은 최신 Si, SiC, GaN 트랜지스터를 수용하기 위해 단일 또는 이중 비대칭 출력과 함께 5VDC, 12VDC 또는 24VDC의 입력 전압으로 사용할 수 있습니다.

콤팩트한 SMD 설계를 통해 특히 다층 PCB에 필요한 보드 공간을 최소화할 수 있습니다. 모듈은 강력한 5.2kVDC/분 절연과 10pF 미만의 절연 커패시턴스를 제공합니다. 최대 부하 시 -40C~+85°C의 작동 온도 범위는 일반 효율 78%~82%로 유도 가열, 통신, EV 배터리 충전기, 모터 구동뿐만 아니라 태양광 인버터의 열악한 환경 요구 사항을 충족합니다.

미래지향적인 WBG 설계

Semiconductor gate drive voltage ranges — 그림 3: 다양한 IGBT, SiC, GaN 기기에 권장하는 절대 최대 드라이버 전압 비교(출처: RECOM)

최적의 게이트 드라이버 공급 전압 조합은 트랜지스터 유형(IGBT, SiC, GaN), 제조업체, 기술 세대, 캐스코드 구성 사용 여부에 따라 달라집니다(그림 3). 따라서 전자 산업에 몇 가지 우려가 생겼습니다. 최적의 턴온 및 턴오프 전압이 미래 세대 또는 대체 소스 트랜지스터 공급업체를 쉽게 수용할 수 있는 미래지향적인 제품을 어떻게 설계해야 할까요?

이러한 딜레마의 해답은 바로 RECOM의 새로운 R24C2T25 컨버터입니다. 이 제품은 절연형 WBG 게이트 드라이버에 전원을 공급하기 위해 특별 설계된 IC형 SSOP 패키지의 절연형 SMD DC/DC 컨버터입니다. 사전 설정된 저항기를 사용하여 +2.5V~+22.5V/-2.5V~-22.5V의 범위에서 조절형 양/음 출력 전압을 각각 조절할 수 있으므로 IGBT, MOSFET, SiC(모든 세대), 나아가 GaN의 모든 기존 게이트 드라이버 전압을 하나의 부품만으로 커버할 수 있습니다(그림 4).

출력은 3kVrms/분으로 절연된 기본 등급이며, -40°C~+105°C의 작동 온도 범위에서 정격 감소 없이 1.5W를 전달합니다(최대 +85°C에서 2W). CMTI(공통 모드 과도 내성) 값이 150kV/µs를 초과하므로 매우 빠른 스위칭 엣지로 전원 공급장치를 사용할 수 있습니다. 부품은 스위칭 트랜지스터에 가깝게 장착할 수 있는 SMD SSOP 패키지를 사용하며, 손쉽게 설치할 수 있도록 출력을 완벽하게 보호합니다(UVLO, OTP, SCP, OLP).

RECOM R24C2T25 schematic and product — 그림 4: R24C2T25 조절형 비대칭 출력 전압 게이트 드라이버의 전원 공급장치.

결론

와이드 밴드갭 트랜지스터는 고전력 응용 분야에 고유한 이점을 제공하지만 SiC 및 GaN 게이트 드라이버 전원 공급장치 설계자에게 도전 과제를 제시하기도 합니다. DC/DC 컨버터의 표준 절연 수준은 이러한 회로에 충분하지 않으므로 전문 솔루션이 필요합니다. RECOM은 필요한 높은 절연 전압, 비대칭 출력 전압, 낮은 절연 커패시턴스를 SiC 및 GaN 게이트 드라이브 설계에 쉽게 사용하도록 최적화된 DC/DC 모듈의 일부 제품군에 결합했습니다.

용도

	Series
1	R24C2T25 Focus	2W isolated DC/DC converter Programmable asymmetrical output voltages	Ideal for IGBT/Si/SiC/GaN gate drive bias voltages High 3kVAC/1min isolation	Datasheet
2	RA3 Focus	3W isolated DC/DC converter High 5.2kVDC/1min isolation	Wide operating temperature range: -40°C to +85°C Ideal for IGBT/Si/SiC/GaN gate drive power	Datasheet
3	RKZ-xx2005	Power sharing High isolation 3kVDC & 4kVDC for 1 second	Efficiency up to 87% Wide operating temperature range from -40°C to +85°C	Datasheet
4	RP-xx06	6V Output for GaN driver applications Pot-Core transformer with separated windings	High 5.2kVDC isolation In compact Size Low isolation capacitance (10pF max.)	Datasheet
5	RxxP06	6V Output for GaN driver Applications Pot-Core Transformer with separated windings	High 5.2kVDC Isolation in compact size Low isolation capacitance (10pF max.)	Datasheet
6	RxxP21503	+20/-5V & +15/-3V asymmetric outputs for SiC driver applications Qualified with 65kV/µs @ Vcommon mode =1KV	+15/-9V asymmetric outputs for IGBT driver applications Pot-core transformer with separated windings	Datasheet
7	RxxP22005	+20/-5V & +15/-3V asymmetric outputs for SiC driver applications Qualified with 65kV/µs @ Vcommon mode =1KV	+15/-9V asymmetric outputs for IGBT driver applications Pot-core transformer with separated windings	Datasheet