와이드 밴드갭 게이트 드라이버의 새로운 동향

실리콘 카바이드(SiC) 기술과 질화 갈륨(GaN) 기술은 모두 전압 등급을 높이고 스위칭 손실을 낮추면서 지속적으로 개선되고 있습니다. 최대 2,200V 정격의 SiC MOSFETs은 현재 개별 장치 또는 최대 6개 장치로 구성된 모듈 패키지로 이용할 수 있습니다. 대부분 GaN 장치는 여전히 650V지만, 2024년 중반에 정격 1,200V 모듈이 출시될 것으로 예상됩니다.

게이트 드라이버 IC 는 디지털 또는 아날로그 컨트롤러의 제어 신호와 전원 스위치(IGBT, MOSFET, SiC MOSFET 또는 GaN HEMT) 간의 인터페이스 역할을 합니다. 이것은 고속 스위칭을 위해 게이트 용량을 극복하고 하이사이드 전압 기준 트랜지스터 단자로부터의 저전압 드라이브 신호를 구분하는 데 필요한 높은 구동 전류를 제공합니다. 유도 경로 불균형의 영향을 해소하기 위해 로우사이드 트랜지스터에도 점차 절연 게이트 드라이버를 사용하고 있습니다. 그러므로 게이트 드라이버는 WBG 트랜지스터 성능과 신뢰성을 최적화하는 데 중요한 역할을 하며, 새로운 과제를 충족하기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다.

예를 들어, 통합 게이트 드라이버 솔루션은 종종 여러 드라이버에 보호 기능과 고장 감지 기능을 결합합니다. 이러한 제품은 이산적으로 구현된 설계에 비해 설계 복잡성과 개발 시간, 자재 명세서(BOM) 비용을 줄이고 안정성을 향상시킵니다.

예를 들어 하프브리지 GaN 드라이버에는 TTL 호환 가능한 독립적인 상단 및 하단 구동 증폭단, 로직 제어, 단락/저전압/과전압 상태 보호 기능이 포함되어 있습니다. 이러한 장비는 동기식 하프브리지, 풀브리지, 벅, 부스트, 벅-부스트 구성 등 다양한 토폴로지로 구성할 수 있습니다.

초고속 게이트 드라이버는 최근에 부상하고 있는 또 다른 장치입니다. 최근 도입된 이 장치는 200pF 부하에 각각 0.65ns 및 0.70ns의 상승/하강 시간으로 최대 7A 출력 전류까지 전달할 수 있습니다. 게이트 드라이버 전력 범위 4.5V~5.5V인 이 드라이버는 GaN 장치에 맞추어 제작됩니다.

이러한 모든 절연 게이트 드라이브의 공통점은 절연 출력 증폭단을 위한 절연 전력 공급이 필요하다는 것입니다. 높은 피크 전류에도 불구하고 평균 전력 소비는 몇 와트에 불과하므로, 이DC/DC 전원 공급장치 를 매우 작게 만들 수 있습니다. 또한 비대칭 전압을 생성해야 할 수도 있습니다. 예를 들어 많은 SiC 트랜지스터가 +18V~-4V 게이트 구동 전압으로 구동할 때 최고 성능에 도달합니다. 다른 장치는 +20V/-5V, +15V/-3V, +6V/-1V, +15V/-9V 등의 다른 최적 게이트 드라이브 전압이 필요할 수 있습니다.

WBG 트랜지스터 구동 시 수반되는 난제를 고려할 때, 일부 제조업체가 SiC 또는 GaN 전원 장치와 게이트 드라이브를 하나의 패키지로 결합하여 이러한 문제를 피하려고 하는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이러한 방식에는 장단점이 있습니다. 장점은 다음과 같습니다.

• 공간 효율성. 게이트 드라이버와 전력 트랜지스터를 하나의 패키지로 결합하면 인쇄 회로 기판(PCB)의 소요 공간이 줄어들어 배치가 간편하고 비용이 절감됩니다.
• 기생 감소. 게이트 드라이버와 전력 트랜지스터를 통합하면 둘 사이의 상호 연결 길이를 최소화할 수 있습니다. 기생 인덕턴스와 커패시턴스가 감소됨에 따라 스위칭 성능이 향상되고 전자파 간섭(EMI)이 줄어듭니다.
• 성능 향상. 합포장을 통해 게이트 구동 회로를 최적화할 수 있습니다. 전력 트랜지스터의 특징에 맞게 게이트 드라이버를 특별 조정하여 효과적인 스위칭을 보장하고 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.
• 열성능 향상. 게이트 드라이버와 전력 트랜지스터가 동일한 열 경로를 공유하면 열방산이 더욱 효과적이므로 열 관리가 개선되고 신뢰성이 향상됩니다.

물론 잠재적인 단점도 있습니다.

• 제한된 유연성. 통합 패키지는 다른 게이트 드라이버 또는 전력 트랜지스터를 개별적으로 선택하지 못할 수 있습니다.
• 절연 요구 사항. 게이트 드라이버와 전력 트랜지스터는 혼선을 예방하고 안전성을 보장하기 위해 전기 절연이 필요합니다. 합포장된 솔루션은 절연 요구 사항을 효과적으로 해결해야 합니다.
• 테스트 및 디버깅 복잡성. 게이트 드라이버와 절연 트랜지스터가 결합되면 문제 해결이 더욱 어려워집니다. 고장이나 결함을 분리하려면 특수 공구 및 전문 지식이 필요합니다.

합포장의 장점이 턴온 및 턴오프 기울기가 급격한 고속 스위칭의 단점을 극복할 수 있다 하더라도, 외부 절연 전원 공급장치가 여전히 필요합니다. 이 DC/DC 컨버터는 높은 dv/dt 스위칭 전환에 대처할 수 있어야 하므로, 절연 커패시턴스가 낮고 CMTI 면역이 높아야 합니다.

RECOM에는 SiC 및 GaN 게이트 드라이버에 적합한 다양한 제품군의 절연 DC/DC 컨버터가 있습니다.

SiC MOSFETs. RxxP22005D 및 RKZ-xx2005D 시리즈는 +20V와 -5V의 비대칭 출력으로 SiC MOSFET를 효과적이고 효율적으로 스위칭합니다. RxxP21503D 시리즈는 2세대 SiC MOSFET를 효과적으로 스위칭하는 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.

아래 표는 WBG 장치 및 IGBT를 위한 권장 DC/DC 컨버터를 요약한 것입니다.

IGBT RxxP2xx, RxxPxx, RP, RH & RKZ 시리즈, 컴팩트한 SIP7 케이스 RV & RGZ 시리즈, 낮은 높이의 DIP14 및 미니 DIP24 케이스 +15/-9V 출력 최대 6.4kVDC 절연 5V, 12V 또는 24V 입력 1W 또는 2W 토탈 출력 대칭적 파워 86% 까지의 효율 최대 +90°C 까지의 동작 온도 EN 인증 3 년간의 품질 보장

SiC RxxP21503D, RxxP22005D, RKZ-xx2005D 시리즈, 컴팩스 SIP7 케이스 +15/-3V및+20/-5V 출력 SMD RA3 시리즈(+15/-5, +15/-3 또는 +20/-5V 출력) 최대 6.4kVDC 까지의 절연 5V, 12V, 15V 또는 24V 입력 2W 토탈 출력 (RA3의 경우 3W) 대칭 또는 비대칭 전류 출력 최대 87% 까지의 효율 최대 +90°C 까지의 동작 온도 EN/IEC/UL 인증 3 년간의 품질 보장

GaN RJZ, RK, RP, RV, RxxPxx, RxxP2xx 시리즈, 컴팩스 DIP14, DIP24및SIP7 케이스 +6V및+9V 출력 SMD RA3 시리즈(+7/-1, +8V 또는 +9V 출력) 최대 6.4kVDC 까지의 절연 5V, 12V, 15V 또는 24V 입력 1W, 2W 토탈 출력 (RA3의 경우 3W) 최대 83% 까지의 효율 최대 +90°C 까지의 동작 온도 EN/IEC/UL 인증 3 년간의 품질 보장

R-REF-HB 하프브리지 게이트 드라이브 전원 공급 기준 설계(RD)는 최대 1kVDC의 전압에 적합한 하프브리지와 로우사이드 및 하이사이드 스위칭 트랜지스터용 절연 전원 공급장치가 포함된 완전 절연 드라이버 증폭단으로 구성됩니다.

R-REF01-HB에는 두 개의 R12P22005D, R12P21503D, R12P21509D, R12P06S DC/DC 컨버터가 포함되며, SiC 및 GaN 장치에 적합한 게이트 드라이브 전압을 생성할 수 있습니다. 이러한 컨버터를 사용해 다음과 같은 게이트 드라이브 전압을 생성할 수 있습니다.

• +20V/-5V
• +15V/-3V 또는 +18V*
• +15V/-9V
• +6V

해당 분야에 대한 개발을 바짝 뒤쫓고 있는 RECOM 엔지니어는 새로운 장치가 출시됨에 따라 적절한 게이트 드라이버 전원 공급장치 를 사용할 것을 권장합니다.

예를 들어 Gen IV 35mΩ 650V GaN FET는 최적의 스위칭 제어를 위한 추가 켈빈 소스 핀이 포함된 TO-247 패키지로 제공됩니다. RECOM은 이 신기술로부터 최고의 성능을 얻기 위해 R-REF01-HB를 +15/-3V의 최신 드라이버 전압과 함께 사용할 것을 권장합니다.

WBG 전원 장치 기술 은 빠르게 진행되고 있는 분야로, 새로운 장치와 토폴로지를 수용하기 위해 새로운 게이트 드라이버 가 계속 출시되고 있습니다. RECOM은 이 시장을 바짝 뒤쫓고 있으며, 당사 엔지니어는 WBG 응용 분야에 적합한 전원 공급 솔루션을 추천해드릴 수 있습니다.