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문제 정의
- 본 논문에서는 GaN HEMT가 다양한 기생성분 조건 하에서 안정적으로 동작하기 위해 Half-Bridge 구조의 동기 벅 컨버터에서 하나의 스위치에 대한 영향뿐만 아니라 다른 스위치로부터 받는 영향에 대해 분석한다. 상단 스위치의 턴-온, 턴-오프 동작에 따른 하단 스위치 게이트 전압의 분석적 모델을 제시하고, 이를 통하여 각 모드에서의 하단 스위치의 게이트 전압을 수식적인 결과로 도출한다.
제안 방법
- 그 결과로 상단 스위치의 동작은 하단 스위치에 영향을 미치지만 하단 스위치 동작은 상단 스위치에 미치는 영향은 적다. 그러므로 본 논문은 상단의 스위치 동작에 의한 하단 스위치의 영향에 초점을 맞추어 분석하며, 하단 스위치의 게이트 전압은 각 게이트 저항 값에 따라 계산한다.
- 실제 게이트에는 공진으로 인한 전압이 인가되지만 본 논문에서는 하단 게이트-소스 전압의 최대 크기에 초점이 맞춰져 있다. 따라서 해석의 간편화를 위하여 드레인 전류에 의해 인덕터에 걸리는 전압의 크기만을 계산 값 및 시뮬레이션 값에 더하도록 한다.
- 상단 스위치의 턴-온, 턴-오프 동작에 따른 하단 스위치 게이트 전압의 분석적 모델을 제시하고, 이를 통하여 각 모드에서의 하단 스위치의 게이트 전압을 수식적인 결과로 도출한다. 또한 각 게이트 저항의 값을 변화하면서 하단게이트 전압의 경향에 대해서 분석을 하고, 그 결과에 대한 타당성을 시뮬레이션과 GaN 스위칭 소자를 사용한 50W급 테스트베드를 활용한 실험을 통해 검증한다.
- 본 논문에서는 차세대 전력반도체 중 하나인 GaN HEMT를 사용한 Half-Bridge 구조에서 두 개의 상보 동작하는 스위치의 상호작용에 의한 하단 스위치의 게이트 전압을 수식적 모델을 통해 분석하였다. 상단 스위치 턴-온, 오프에 따른 하단 스위치에 생기는 영향을 분석하였고, 이론에 근거하여 하단 게이트 전압에 관련된 수식을 도출하였다.
- 본 논문에서는 차세대 전력반도체 중 하나인 GaN HEMT를 사용한 Half-Bridge 구조에서 두 개의 상보 동작하는 스위치의 상호작용에 의한 하단 스위치의 게이트 전압을 수식적 모델을 통해 분석하였다. 상단 스위치 턴-온, 오프에 따른 하단 스위치에 생기는 영향을 분석하였고, 이론에 근거하여 하단 게이트 전압에 관련된 수식을 도출하였다. 이때 각각의 모드별 수식은 Si MOSFET과 유사한 형태를 갖고 있지만 GaN HEMT의 작은 기생커패시턴스 및 게이트-소스 정격에 의해 GaN HEMT에서의 분석은 Si MOSFET과는 달리 중요한 의미를 가지게 되었고, 시뮬레이션을 통해 그 값을 비교하여 그 중요성을 나타내었다.
- 본 논문에서는 GaN HEMT가 다양한 기생성분 조건 하에서 안정적으로 동작하기 위해 Half-Bridge 구조의 동기 벅 컨버터에서 하나의 스위치에 대한 영향뿐만 아니라 다른 스위치로부터 받는 영향에 대해 분석한다. 상단 스위치의 턴-온, 턴-오프 동작에 따른 하단 스위치 게이트 전압의 분석적 모델을 제시하고, 이를 통하여 각 모드에서의 하단 스위치의 게이트 전압을 수식적인 결과로 도출한다. 또한 각 게이트 저항의 값을 변화하면서 하단게이트 전압의 경향에 대해서 분석을 하고, 그 결과에 대한 타당성을 시뮬레이션과 GaN 스위칭 소자를 사용한 50W급 테스트베드를 활용한 실험을 통해 검증한다.
- 수식 (8)에 의해 하단 게이트 전압은 하단 게이트 저항에 비례 하는 것을 보이며 이에 기생 인덕턴스를 제외한 표 2의 파라미터를 유지하면서 하단의 게이트 저항 Rg2를 5Ω에서 10Ω, 15Ω 순으로 변화하여 시뮬레이션을 진행한다.
- 앞선 시뮬레이션과 같이 하단 게이트 저항 Rg2가 10Ω일 때, 상단 게이트 저항 Rg1을 25Ω, 50Ω, 100Ω으로 변화시키고 상단 게이트 저항 Rg1을 50Ω으로 고정된 상황에서 하단게이트 저항 Rg2를 5Ω에서 10Ω, 15Ω순으로 변화시키면서 하단 게이트 전압 Vgs2를 도출하는 실험을 진행하였다.
- 앞의 표 2의 파라미터를 유지하고, 상단 게이트 저항 Rg1을 25Ω, 50Ω, 100Ω으로 변화시키면서 시뮬레이션을 진행한다.
- 상단 스위치 턴-온, 오프에 따른 하단 스위치에 생기는 영향을 분석하였고, 이론에 근거하여 하단 게이트 전압에 관련된 수식을 도출하였다. 이때 각각의 모드별 수식은 Si MOSFET과 유사한 형태를 갖고 있지만 GaN HEMT의 작은 기생커패시턴스 및 게이트-소스 정격에 의해 GaN HEMT에서의 분석은 Si MOSFET과는 달리 중요한 의미를 가지게 되었고, 시뮬레이션을 통해 그 값을 비교하여 그 중요성을 나타내었다. 계산된 결과 값과 경향성은 상단 게이트 저항, 하단 게이트 저항의 변화에 따른 시뮬레이션 및 실험에 의해 증명되었다.
- 그로인해 Si MOSFET의 상단 스위치 턴-온, 오프에 의한 하단 스위치 게이트 전압 노이즈의 크기는 GaN HEMT에 비해 작아지고, GaN HEMT보다 게이트 전압정격 혹은 문턱전압이 높기 때문에 Half-Bridge 구조에서 기생성분 및 게이트 저항에 의한 영향 분석이 적다. 이를 검증하기 위하여 표 2와 같은 조건으로 시뮬레이션을 동작하여 GaN HMET와 Si MOSFET의 하단 스위치 게이트-소스 노이즈 크기를 비교한다. 그림 5의 시뮬레이션을 통해 GaN HEMT와 Si MOSFET의 게이트 전압 Vgs1 의 증가 속도, 상단 및 하단 스위치의 드레인-소스 전압 Vds1 , Vds2등의 기울기나 크기가 달라짐을 알 수 있다.
- GaN HEMT를 이용한 동기 벅 컨버터의 실제 회로를 구성하였고, 그림 8은 GaN HEMT를 구동하기 위한 게이트 드라이버 회로를 나타낸다. 표 2와 같이 시뮬레이션과 동일한 조건으로 파라미터를 구성하였고, 표 3과 같이 입력전압 100V, 스위칭 주파수 50kHz, 듀티 0.5, 출력 전력 50W를 유지하면서 스위치를 동작 시킨다. 앞선 시뮬레이션과 같이 하단 게이트 저항 Rg2가 10Ω일 때, 상단 게이트 저항 Rg1을 25Ω, 50Ω, 100Ω으로 변화시키고 상단 게이트 저항 Rg1을 50Ω으로 고정된 상황에서 하단게이트 저항 Rg2를 5Ω에서 10Ω, 15Ω순으로 변화시키면서 하단 게이트 전압 Vgs2를 도출하는 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- GaN HEMT를 이용한 동기 벅 컨버터의 실제 회로를 구성하였고, 그림 8은 GaN HEMT를 구동하기 위한 게이트 드라이버 회로를 나타낸다. 표 2와 같이 시뮬레이션과 동일한 조건으로 파라미터를 구성하였고, 표 3과 같이 입력전압 100V, 스위칭 주파수 50kHz, 듀티 0.
데이터처리
- 의 파형이다. 이 두 개의 파형과 앞서 계산한 계산 값 및 시뮬레이션의 결과를 표 4을 통해 비교 하였다. 표를 통해 결과를 확인했을 때 Rg1을 증가시킬수록 Vgs2의 값은 작아지는 것과 Rg2를 증가시킬수록 Vgs2이 커지는 것을 확인하였다.
성능/효과
- 그 결과 상단 게이트 저항이 가장 작은 25Ω에서 Vgs2에 가장 큰 전압이 인가되고, 경향성과 그 수치가 수식적 분석과 일치함을 보인다.
- 1V로 발생한다. 이 값들은 GaN HEMT의 경우 문턱전압을 순간적으로 넘게 되므로 이 현상이 유지 될 경우 턴-온 오류로 이어질 수 있지만 Si MOSFET의 경우 0.1V는 문턱전압에 많이 못 미치므로 턴-온 오류의 가능성이 적다는 것을 알 수 있다. 따라서 GaN HEMT에서는 게이트 전압의 문턱전압과 정격전압을 고려하여 게이트 저항에 따라 게이트 전압 노이즈의 경향과 그 값을 비교할 필요가 있다.
- 이 두 개의 파형과 앞서 계산한 계산 값 및 시뮬레이션의 결과를 표 4을 통해 비교 하였다. 표를 통해 결과를 확인했을 때 Rg1을 증가시킬수록 Vgs2의 값은 작아지는 것과 Rg2를 증가시킬수록 Vgs2이 커지는 것을 확인하였다.
후속연구
- 계산된 결과 값과 경향성은 상단 게이트 저항, 하단 게이트 저항의 변화에 따른 시뮬레이션 및 실험에 의해 증명되었다. 제안된 분석모델은 GaN HEMT를 이용한 Half-Bridge 구조를 설계 할 때 가이드가 될 수 있을 것이라 기대한다.
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