[논문]GaN FET을 이용한 토템폴 구조의 브리지리스 부스트 PFC 컨버터

장바울; 강상우; 조보형; 김진한; 서한솔; 박현수

doi:10.6113/tkpe.2015.20.3.214

GaN FET을 이용한 토템폴 구조의 브리지리스 부스트 PFC 컨버터
Totem-pole Bridgeless Boost PFC Converter Based on GaN FETs 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.3, 2015년, pp.214 - 222

장바울 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul National Univ.) , 강상우 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul National Univ.) , 조보형 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul National Univ.) , 김진한 (DMC R&D Center, Samsung Electronics) , 서한솔 (DMC R&D Center, Samsung Electronics) , 박현수 (DMC R&D Center, Samsung Electronics)

Abstract ▼ AI-Helper

The superiority of gallium nitride FET (GaN FET) over silicon MOSFET is examined in this paper. One of the outstanding features of GaN FET is low reverse-recovery charge, which enables continuous conduction mode operation of totem-pole bridgeless boost power factor correction (PFC) circuit. Among many bridgeless topologies, totem-pole bridgeless shows high efficiency and low conducted electromagnetic interference performance, with low cost and simple control scheme. The operation principle, control scheme, and circuit implementation of the proposed topology are provided. The converter is driven in two-module interleaved topology to operate at a power level of 5.5 kW, whereas phase-shedding control is adopted for light load efficiency improvement. Negative bias circuit is used in gate drivers to avoid the shoot-through induced by high speed switching. The superiority of GaN FET is verified by constructing a 5.5 kW prototype of two-module interleaved totem-pole bridgeless boost PFC converter. The experiment results show the highest efficiency of 98.7% at 1.6 kW load and an efficiency of 97.7% at the rated load.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

반면 GaN FET 의 좋은 역회복 특성을 이용하여 power factor correction(PFC) 회로의 성능을 극대화 할 수 있음이 알려져 있음에도 불구하고, 그 검증에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다^[9]. 따라서 본 논문에서는 단상 5.5kW급 PFC 회로를 대상으로 하여 GaN FET을 이용한 회로 고효율화 방안에 대하여 연구를 수행한다.
본 논문에서는 GaN FET의 고주파 스위칭을 통한 고 밀도화보다 좋은 역회복 특성을 이용해 기존 소자 대비 효율을 극대화하는데 연구의 목적이 있으므로, GaN FET을 적용했음에도 불구하고 높지 않은 30kHz의 동작 주파수를 선택하였다.
본 논문에서는 Si MOSFET 대비 GaN FET의 특성을 비교 및 분석하고, GaN FET이 역회복 특성에 가장 큰 장점을 가지고 있음을 확인하였다. 이에 GaN FET의 우수성을 활용할 수 있는 방안으로 토템폴 브리지리스 부스트 PFC 컨버터를 선정하였다.
반면 표 1에서 볼 수 있듯이 GaN FET은 역회복 전하가 현저히 작기 때문에 CCM으로 동작이 가능하며 대용량 응용에서도 토템폴 브리지리스 방식을 가능케 한다. 이에 본 논문에서는 CCM으로 동작하는 토템폴 브리지리스 PFC를 설계하도록 한다. 단, 5.

가설 설정

(a) Basic bridgeless. (b) Semi bridgeless. (c) Totem-pole bridgeless.
(b) Semi bridgeless. (c) Totem-pole bridgeless.

제안 방법

4.2절에서 설명한 바와 같이 교류 입력 전압의 극성에 따라 각 스위치의 역할이 다르기 때문에 위상 동기 루프(PLL)에서 얻은 극성에 따른 제어를 수행하였다.
이에 GaN FET의 우수성을 활용할 수 있는 방안으로 토템폴 브리지리스 부스트 PFC 컨버터를 선정하였다. 5.5kW의 용량 상 2 개의 모듈을 인터리빙으로 구동하였으며 경부하 효율 최적화를 위하여 페이즈 쉐딩 알고리즘을 도입하였다. 또한, 스위칭이 빠른 GaN FET 구동 시 슛-스루 현상을 피하기 위하여 음전압 오프셋 회로를 이용하여 게이트를 구동하였다.
GaN FET의 우수성을 확인하기 위하여 Si MOSFET 과의 소자 특성을 비교하여 표 1에 정리하였다. 소자는 일반 PFC 회로의 입출력 조건에 따라 650V내외의 정격을 기준으로 선정하였다.
5kW의 용량 상 2 개의 모듈을 인터리빙으로 구동하였으며 경부하 효율 최적화를 위하여 페이즈 쉐딩 알고리즘을 도입하였다. 또한, 스위칭이 빠른 GaN FET 구동 시 슛-스루 현상을 피하기 위하여 음전압 오프셋 회로를 이용하여 게이트를 구동하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 GaN FET과 Si MOSFET의 특성을 비교하여 GaN FET의 우수한 성능을 확인하고, 그 활용 방안을 검토한다. 후에 고효율화를 달성하기 위한 다양한 토폴로지를 비교 및 분석하며 선정된 토폴로지의 기본 동작과 그 제어 전략에 대하여 기술한다.
선정한 회로의 동작 및 성능을 검증하기 위해 프로토 타입을 제작하고 실험을 수행하였다. 실험 조건 및 설계 사항을 표 4에 정리하였다.
본 논문에서는 Si MOSFET 대비 GaN FET의 특성을 비교 및 분석하고, GaN FET이 역회복 특성에 가장 큰 장점을 가지고 있음을 확인하였다. 이에 GaN FET의 우수성을 활용할 수 있는 방안으로 토템폴 브리지리스 부스트 PFC 컨버터를 선정하였다. 5.
전류 제어기의 경우 스위칭 주파수보다 낮은 교차주파 수를 가지며 안정적인 위상 여유를 가질 수 있도록 설계하였으며, 전압 제어기의 경우 역률 제어를 위하여 교차주파수가 5～20Hz 정도 되도록 설계하였다. 양 제어기는 모두 PI 제어기로 설계 되었으며, 아날로그 도메인 상에서 설계 된 결과를 표 2에 나타내었다.
토템폴 브리지리스 부스트 컨버터의 동작 특성에 따른 제어 전략 및 병렬 구동 제어 전략을 수립하였다.
먼저 GaN FET과 Si MOSFET의 특성을 비교하여 GaN FET의 우수한 성능을 확인하고, 그 활용 방안을 검토한다. 후에 고효율화를 달성하기 위한 다양한 토폴로지를 비교 및 분석하며 선정된 토폴로지의 기본 동작과 그 제어 전략에 대하여 기술한다. 마지막으로 하드웨어 프로토타입 개발 과정 및 실험 결과를 보인다.

대상 데이터

따라서 2개 모듈 인터리브드 토템폴 브리지리스 부스트 PFC 회로를 최종 선정하였다. 고효율을 얻기 위하여 60Hz 다이오드를 이용하는 대신 60Hz 동기 스위치 S5 및 S6 을 이용하였다.
이 때, 각 상을 180도씩 밀어서 동작하는 인터리빙 방식을 사용하면 입력 및 출력 리플이 감소하고 작은 값의 수동소자를 사용할 수 있으며 EMI 특성을 향상할 수 있다. 따라서 2개 모듈 인터리브드 토템폴 브리지리스 부스트 PFC 회로를 최종 선정하였다. 고효율을 얻기 위하여 60Hz 다이오드를 이용하는 대신 60Hz 동기 스위치 S5 및 S6 을 이용하였다.
GaN FET의 우수성을 확인하기 위하여 Si MOSFET 과의 소자 특성을 비교하여 표 1에 정리하였다. 소자는 일반 PFC 회로의 입출력 조건에 따라 650V내외의 정격을 기준으로 선정하였다. 표 1의 내용은 각각 GaN FET, Si MOSFET의 제조사인 R社와 I社의 데이터시트로부터 참조하였다.
소자는 일반 PFC 회로의 입출력 조건에 따라 650V내외의 정격을 기준으로 선정하였다. 표 1의 내용은 각각 GaN FET, Si MOSFET의 제조사인 R社와 I社의 데이터시트로부터 참조하였다.

이론/모형

제작된 프로토타입을 그림 9에 보인다. GaN FET은 표 1에서 소개한 R社의 소자를 이용하였으며 회로의 제어 알고리즘은 TI社의 디지털 시그널 프로세서(DSP)인 TMS320F28335를 이용해 구현하였다.
이에 다중 모듈 컨버터에서 부하에 따라 동작 모듈 개수를 증가시켜 최적의 효율로 운전하는 기법을 페이즈 쉐딩 제어라 한다. 본 논문에서는 모듈 동작 개수 별 효율 측정 결과를 바탕으로 페이즈 쉐딩 제어 기법을 적용하였다.
설계 된 제어기의 성능은 그림 4에서 확인할 수 있다. 한편 본 연구에서는 디지털 제어기를 이용할 계획이므로 표 2 및 식 (5)의 backward 근사법을 이용하여 디지털 도메인 상의 제어기를 완성하였다.

성능/효과

7%이다. GaN FET이 37nC의 굉장히 작은 역회복 전하량을 가지고 있어 역회복 전하에 의한 스위칭 손실이 거의 발생하지 않는다는 점, 높지 않은 스위칭 주파수 및 경부하 효율 향상을 위한 페이즈 쉐딩 제어 기법 등을 통해 경부하 영역에서 97.1%란 높은 효율을 얻을 수 있었다. 또한 브리지리스 기법을 이용해 도통 손실을 최소화함에 따라 stand-alone 동작에도 불구하고 높은 중부하 효율을 얻을 수 있었다.
이상으로 스위치의 손실과 관련된 모든 항목에서 GaN FET이 Si MOSFET에 비해 좋은 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 또 그 중에서도 Trr 및 Qrr 특성이 매우 우수하므로 이들 특성을 이용한 응용 분야에서 GaN FET의 우수성을 가장 효과적으로 드러낼 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
1%란 높은 효율을 얻을 수 있었다. 또한 브리지리스 기법을 이용해 도통 손실을 최소화함에 따라 stand-alone 동작에도 불구하고 높은 중부하 효율을 얻을 수 있었다.
비교 결과 스위치 온 저항(RDS), 상승 시간(Tr), 하강 시간(Tf) 등 대부분의 항목에서 GaN FET이 Si MOSFET에 비해 좋은 특성 값을 가지고 있음을 알 수 있다. 이 중 특히 주목해서 보아야 할 항목은 역회복 시간(Trr)과 역회복 전하(Qrr)이다.
설계된 결과를 바탕으로 프로토타입을 제작하여 단상 교류 입력 전압 220V, 출력 직류 전압 380V, 출력 전력 5.5kW 조건 하에서 실험을 완료하였다. 실험 결과 프로토타입 회로는 1.
실험 결과 프로토타입 회로는 1.6kW 부하에서 최대 효율 98.7%, 정격 부하에서 효율 97.7% 및 역률 0.998를 보였다.
이상으로 스위치의 손실과 관련된 모든 항목에서 GaN FET이 Si MOSFET에 비해 좋은 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 또 그 중에서도 Trr 및 Qrr 특성이 매우 우수하므로 이들 특성을 이용한 응용 분야에서 GaN FET의 우수성을 가장 효과적으로 드러낼 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
이상을 종합할 때, 고효율과 낮은 공통 모드 노이즈를 달성하기에 가장 적합한 방식은 토템폴 브리지리스 방식이다. 하지만 기존 Si MOSFET을 이용해서 연속 전도 모드(CCM)로 동작하는 토템폴 브리지리스 방식을 사용하기 힘든데, 이는 Si MOSFET의 역회복 특성이 좋지 않은 것이 주된 이유이다^[16].
페이즈 쉐딩 제어를 적용하였으므로 전체 효율 곡선은 각 구간에서 더 높은 효율 곡선을 따른다. 측정 결과 출력 380W (7% 부하) 에서 효율이 97.1%로 가장 낮았으며 출력 1.6kW (30% 부하) 에서 효율이 98.7%로 가장 높았다. 정격 부하에서의 효율은 97.
5kW 부하에서 입력 전압과 입력 전류의 파형을 나타낸다. 측정된 PF는 0.998로 프로토타입이 PFC로 역할을 잘 수행하고 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질화 갈륨 (GaN) FET의 스위칭 시 발생하는 손실은 Si에 비해 어떠한가?	차세대 전력반도체 소자로 각광받고 있는 질화 갈륨 (GaN) FET은 기존 실리콘(Si) MOSFET 비해 와이드 밴드-갭(WBG) 반도체가 가지는 특징으로 인해 상대적으로 낮은 도통 저항 값과 작은 소자 커패시턴스 값을 갖는다[1],[2]. 또한 짧은 스위칭 턴-온, 턴-오프 시간으로 인해 스위칭 시 발생하는 손실이 Si MOSFET에 비해 현저하게 작다. 따라서 GaN FET을 이용할 시 전력변환 장치의 고효율화를 달성하는 것이 매우 유리하다.
	질화 갈륨 (GaN) FET는 어떤 특징을 갖는가?	차세대 전력반도체 소자로 각광받고 있는 질화 갈륨 (GaN) FET은 기존 실리콘(Si) MOSFET 비해 와이드 밴드-갭(WBG) 반도체가 가지는 특징으로 인해 상대적으로 낮은 도통 저항 값과 작은 소자 커패시턴스 값을 갖는다[1],[2]. 또한 짧은 스위칭 턴-온, 턴-오프 시간으로 인해 스위칭 시 발생하는 손실이 Si MOSFET에 비해 현저하게 작다.
	GaN FET을 이용할 시 무엇에 유리한가?	또한 짧은 스위칭 턴-온, 턴-오프 시간으로 인해 스위칭 시 발생하는 손실이 Si MOSFET에 비해 현저하게 작다. 따라서 GaN FET을 이용할 시 전력변환 장치의 고효율화를 달성하는 것이 매우 유리하다. 덧붙여 이런 뛰어난 GaN FET의 소자 특성은 전력변환장치의 고주파 구동에 매우 유리하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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