게이트 전하 특성 분석을 통해 전력 회로 설계에 가장 적합한 디바이스 선택하기 | 키사이트 Keysight
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전력 전자 분야의 시장 및 기술 트렌드
최근 전력 디바이스의 향상된 성능 덕분에 더 높은 주파수와 더 컴팩트한 스위칭 전원 공급기 설계가 가능해졌습니다. 초접합 MOSFET 또는 GaN FET와 같이 주목 받는 새로운 디바이스는 머지않아 실리콘 MOSFET 또는 IGBT와 같은 전통적인 디바이스를 대체할 것으로 전망됩니다. 수백 kHz에서부터 1 MHz 이상에 이르기까지 광범위한 고주파수에서 작동하는 스위칭 전원 공급기의 개발이 완료되어 혁신적인 전력 디바이스를 이용해 사용할 수 있습니다.
고주파수 작동으로 자성 구성요소의 크기가 줄어들어 전력 회로 비용을 절감하게 되면서, 더 작고 가벼운 회로 설계가 가능해졌습니다. 그러나 고주파수 스위칭으로 인해 전력 디바이스 손실이 증가하고 있습니다. 스위칭 전원 공급기에서 주요 전력 손실은 전력 반도체 디바이스와 관련된 것입니다. 따라서 전력 전자 회로를 설계할 때는 최적의 저전력 디바이스를 선택하는 것이 중요합니다.
최적의 전력 디바이스 선택을 위해 필요한 평가
전력 전자 회로에 적합한 전력 디바이스를 선택하려면 많은 파라미터의 자세한 평가가 필요합니다. 차단 전압, 누설 전류 및 열적 특성은 신뢰성 관점에서 모두 중요한 요소입니다. 포화 전압, 임계 전압, 트랜스-컨덕턴스 및 피크 전류는 작동 관점에서 중요합니다. 전력 손실 최소화는 효율적인 전력 전자 회로의 전체 설계에 있어 핵심 요소입니다.
전력 디바이스 손실은 주로 3가지 요소, 즉 전력 디바이스를 구동할 때 발생하는 구동 손실, 디바이스를 켜거나 끌 때 발생하는 스위칭 손실, 그리고 디바이스가 켜져 있는동안 발생하는 유도 손실로 분류할 수 있습니다. 유도 손실은 10 kHz 미만의 스위칭 주파수에서 발생합니다. 스위칭 주파수가 증가하면 구동 손실과 스위칭 손실이 발생합니다. 3가지 전력 손실은 고유 디바이스 파라미터를 통해 계산할 수 있습니다. 구동 손실은 게이트 전하(Qg)로 계산할 수 있습니다. 스위칭 손실은 게이트 저항(Rg)과 디바이스 기생 커패시턴스 (또는 게이터 전하 특성)로 계산할 수 있는 반면, 유도 손실은 온저항(Ron)으로 계산할 수 있습니다. 구동 손실은 게이트 전하(Qg)로 계산할 수 있습니다. 스위칭 손실은 게이트 저항(Rg)과 디바이스 기생 커패시턴스 (또는 게이터 전하 특성)로 계산할 수 있는 반면, 유도 손실은 온저항(Ron)으로 계산할 수 있습니다. 따라서 전력 손실 평가에는 이런 파라미터의 특성을 분석할 수 있는 테스트 장비가 필요합니다. 디바이스 기생 커패시턴스는 입력 커패시턴스(Ciss), 출력 커패시턴스(Coss) 및 역방향 전송 커패시턴스(Crss)로 나뉩니다.
온저항과 디바이스 기생 커패시턴스 사이의 균형을 적절하게 유지하는 전력 디바이스를 선택하는 것이 효율적인 전력 전자 회로의 설계에서 첫 번째 단계입니다. 게이트 전하는 전력 디바이스를 완전히 켜기 위해 필요한 전하의 총량입니다. 또한 게이트 전하는 디바이스 입력 커패시턴스의 비선형 특성(Ciss = Cgs + Cgd)을 표현하는 파라미터로 간주할 수도 있습니다. 온저항과 디바이스 기생 커패시턴스는 Qg와 Ron의 곱으로 계산하는 FOM(Figure Of Merit)이 작은 높은 스위칭 주파수 전력 디바이스에서 중요합니다.
게이트 전하란?
게이트 전하는 전력 디바이스를 켜기 위한 전하의 총량입니다. 다시 말해 게이트 전하는 디바이스가 ON 상태로 전환될 때 게이트 터미널로 흐르는 전류의 시간 적분입니다. 그 다음에 구동 손실은 게이트 전하, 게이트 전압 및 주파수의 곱으로 계산합니다.
구동 회로의 설계 지점
회로 설계자는 게이트 구동 회로를 설계하고 구동 손실을 계산하는 데 게이트 전하 특성을 활용합니다. 또한 디바이스 성능, 분산, 예기치 못한 디바이스 켜짐을 고려해 게이트 구동 전압을 설정하고 Qg 커브에서 전하의 총량을 읽습니다. 구동 전류가 충분하지 않으면 스위칭 속도가 지연되어 스위칭 손실이 증가합니다. 최대 구동 전류는 구동 회로 설계에서 중요한 파라미터입니다.
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