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DC/DC 강압컨버터용 MOSFET의 TID 및 SEGR 실험
TID and SEGR Testing on MOSFET of DC/DC Power Buck Converter 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.11, 2014년, pp.981 - 987  

노영환 (Dep't of Railroad Electricity System, Woosong University)

초록
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DC/DC 컨버터는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 효율이 높은 전력변환기이다. DC/DC 컨버터는 MOSFET(산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), PWM-IC(펄스폭 변조 집적회로) 제어기, 인덕터, 콘덴서 등으로 구성되어있다. MOSFET는 스위치 기능을 수행하는데 코발트 60 ($^{60}Co$) 저준위 감마발생기를 이용한 TID 실험에서 방사선의 영향으로 문턱전압과 항복전압의 변화와 SEGR 실험에 적용된 5종류의 중이온 입자는 MOSFET의 게이트(gate)에 영향을 주어 게이트가 파괴된다. MOSFET의 TID 실험은 40 Krad 까지 수행하였으며, SEGR 실험은 제어보드를 구현한 후 LET(MeV/mg/$cm^2$)별 cross section($cm^2$)을 연구하는데 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

DC/DC switching power converters are commonly used to generate a regulated DC output voltage with high efficiency. The DC/DC converter is composed of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor), a PWM-IC (pulse width modulation-integrated circuit) controller, inductor, capacitor, et...

주제어

#산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터   #전체 이온조사   #단일현상 게이트파괴   #단일현상 효과   #DC/DC 컨버터  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • PWM-IC의 SEGR 실험을 위해 Fig. 12와 같이 회로를 설계 및 구현한 후 NASA 등 산업체가 많이 이용하고 세계적으로 가장 권위 있는 Fig. 13과 같은 미국 Texas A&M University Cyclotron Facility의 중이온가속기에서 Table 2에서 보여준 에너지가 15 MeV/u인 중이온 5종 (Ar, Kr, Xe, Ho, Au)을 bare chip 상태의 시료에 조사하였다.
  • 설계에서 MOSFET에 대하여 코발트 60 (60Co)감마발생기를 활용하여 40 krad 조사량까지 TID 실험을 수행하였으며, MOSFET의 SEGR 평가를 중이온가속기의 에너지 15 MeV/u에서 중이온 5종(Ar, Kr, Xe, Ho, Au)을 이용하여 bare chip으로 LET(MeV/mg/cm2) 별 cross section(cm2) 실험을 성공적으로 수행하였다. 향후, 본 연구결과를 바탕으로 차세대 위성체의 부품국산화 추진에서 내방사선 특성 및 평가기술로 활용될 수 있고 우주용 전자부품 영향평가 기술개발의 기반을 마련하였다고 본다.
  • 조사량은 2.5, 5, 7.5, 10, 20, 그리고 30 Krad까지 6등급으로 구분하고 선량율(조사율)은 저 준위 조사 시 많이 사용하는 5 rad/sec로 설정한다. 총 조사선량은 조사율, 거리, 그리고 시간에 따라 결정되는데, 예를 들어 2.
  • 특히, 고 전압 응용에서 일정 기간 이상이 지나면 BVDSS(V) 레벨이 감소하는 경향을 보이는데 이러한 현상을 방지하기 위해 충분히 우물(well) margin을 두고 설계를 한다. 정션(junction) 온도가 올라 갈수록 BVDSS가 Fig.

대상 데이터

  • Table 3에서 시료(sample)를 10개를 사용하였는데 시료 1과 2를 40Ar에 조사 시 4분 3초와 2분 42초 동안 게이트 파괴(gate rupture)가 발생되지 않았고 질량이 증가시켜 시료 2과 4를 Kr, 시료 5와 6을 Xe, 시료 7과 8을 Ho, 시료 9와 10을 Au에 조사시켜 비고에 표기된 시간에 게이트 파괴가 발생하였다. 이때 조사 시 fluence가 측정되어 식 (5)로부터 cross section을 계산할 수 있다.
  • 본 실험에서 적용되는 MOSFET의 사양은 Table 1과 같다. 시료로서 항복전압이 150 V 인 International Rectifier 제품인 IRF3315S[7]를 사용한다.
  • 조사시설로는 한국원자력연구원 정읍방사선연구소의 저준위 방사선 조사실의 코발트 60 (60Co) γ 발생기를 이용한다.

이론/모형

  • TID 시험절차는 Fig. 9의 Mil-Std-883 Method 1019를 따르는데 한국항공우주연구원이 개발한 다목적실용위성2호(KOMPSAT-2)에서 적용되는 K2-RAD-IGG-0001와 같으며 측정 장비로는 반도체 소자의 측정 장비인 HP Semiconductor Parameter Analyzer과 Digital Multimeter를 사용한다. 조사시설로는 한국원자력연구원 정읍방사선연구소의 저준위 방사선 조사실의 코발트 60 (60Co) γ 발생기를 이용한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MOSFET은 어떻게 구성되어 있는가? MOSFET[7]는 N형과 또는 P형의 반도체 벌크에 드레인, 소스라 불리는 벌크와 반대되는 반도체 형의 확산영역을 만들고, 그들 사이에 SiO2 절연층으로 분리된 게이트 전극이 놓인 구조로 이루어져 있다. MOSFET의 게이트는 매우 작고 뛰어난 특성을 갖는 커패시터이며, 채널을 통한 전도는 게이트와 소스 사이에 인가된 전압에 의하여 제어된다.
방사선의 형태는 어떻게 나누어 볼 수 있는가? 이러한 영향은 방사선의 조사량 (dose)와 조사율 (dose rate)에 따라 그 영향이 축적되다가 결국 전자부품을 파손시킨다. 방사선의 형태는 일반적으로 소립자 방사선 (particle radiation)과 광자 방사선 (photon radiation)으로 나누어진다. 소립자 방사선은 하전입자와 중성자입자로 나누어지는데 하전입자는 전자, 양자, 알파, 이온입자들이며, 중성자입자는 중성자로 구성된다.
농축 이온 같은 입자들은 전자회로에 어떤 영향을 미치는가? SEE는 우주공간에서 농축 이온이나 강력한 양성자와 중성자의 영향에 의해 발생되어 위성체의 전자회로에 민감한 부분에서 발생된다. 이와 같은 입자들은 회로에 일시적인 지장을 주거나 치명적인 손상을 야기 시킬 수 있는 회로에 이온에너지를 축적시킨다.
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참고문헌 (10)

  1. P. C. Adell et Al, "Total-Dose and Single-Event Effects in DC/DC Converter Control Circuitry," IEEE Transactions Nuclear Science, Vol. 50, No. 6, December, 2003 

  2. Y. H. Lho, "A Study on the Design of Voltage Mode PWM DC/DC Power Converter," Journal of the Korean Society for Railway, 14(5), October, 2011 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. S. H. Lee, J. Y. Jung, "Power Electronics Engineering," Seoul, Hyung Seol Publications Inc. pp. 147-153, 2006 

  4. E. C. Roh, K. B. Jung, N. S. Choi, "Power Electronics," Moon Woon Dang, pp. 190-218, 1997 (in Korean) 

  5. Radiation Effects Research Program at IUCF Newsletter, March 2003 

  6. Rene Donaldson and M. G. D. Gilchrisese, Proceedings of the Workshop on Calorimetry for the Supercollider, pp.575, University of Alabama, Tuscaloosa, Alabama, 1989 

  7. Data sheet of IRF3315S/L, International Rectifier 

  8. Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, "Microelectronics Circuits,"SAUNDERS COLLEGE PUBLISHING pp. 320-326, 2002 (in Korean) 

  9. N. W. Van Vonno, L. G. Pearce, GM Wood et. al, "Total Dose and Single Event Testing of a Hardened Single-Ended Current Mode PWM Controller," NSREC, July, 2010 

  10. A Technical Report, "Development of Evaluation Technology of SEL Effects on Electronic Component for SPACE," National Research Foundation of Korea (2011) (in Korean) 

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