[논문]GaN, Cool MOS, SiC MOSFET을 이용한 DC-DC 승압 컨버터의 효율 특성

김정규; 양오

GaN, Cool MOS, SiC MOSFET을 이용한 DC-DC 승압 컨버터의 효율 특성
Efficiency Characteristics of DC-DC Boost Converter Using GaN, Cool MOS, and SiC MOSFET 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.2, 2017년, pp.49 - 54

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In this paper, recent researches on new and renewable energy have been conducted due to problems such as energy exhaustion and environmental pollution, and new researches on high efficiency and high speed switching are needed. Therefore, we compared the efficiency by using high speed switching devices instead of IGBT which can't be used in high speed switching. The experiment was performed theoretically by applying the same parameters of the high speed switching devices which are the Cool MOS of Infineon Co., SiC C3M of Cree, and GaN FET device of Transform, by implementing the DC-DC boost converter and measuring the actual efficiency for output power and frequency. As a result, the GaN FET showed good efficiency at all switching frequency and output power.

주제어

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문제 정의

마지막으로 낮은 전도, 스위칭 손실 등의 특징을 가지고 있다[7]. 본 논문에서 각각의 스위칭 소자의 동작 특성과 수식을 통한 체계적인 손실관계식을 도출하고 또한 실험을 통한 효율을 비교함으로써 전력 변환 소자 선정 시 다양한 정보를 제시하고자 한다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 DC-DC Boost Converter에 고속으로 스위칭 가능한 다양한 소자를 사용하여 효율 개선의 정도를 비교하였다.
본 논문에서는 MOSFET, 인덕터, 커패시터 그리고 부하저항으로 구성된 Fig. 1과 같이 DC-DC Converter 회로를 구성하고 출력 전력과 스위칭 주파수 별로 Cool MOS, SiC, GaN FET 소자의 효율을 측정하여 비교하였다.
본 실험은 PWM 듀티비가 34%, 부하 저항이 30Ω, Gate Driver는 Si8230B, Diode는International Rectifier사의 Ultrafast Soft Recovery Diode (60APU06), 인덕터는 660uH의 소자를 사용하여 실험하고 출력 전력 1.5KW, 스위칭 주파수는 20KHz에서 손실을 계산하여 이론 효율과 측정 효율을 비교하였다.
손실 전력 계산은 출력 전력을 1.5KW, 스위칭 주파수가 20KHz, 부하 저항이 30Ω, 출력 전압을 약 1.5배 승압 하기 위해 듀티비가 34%의 조건에서 계산을 하여 구했다. 계산에는 인덕터 손실, 와이어 손실, 계측기 등의 손실 계산이 빠져있다.
출력 전력, 스위칭 주파수 별 소자의 효율 특성을 얻기 위해 DC-DC Boost Converter를 구현하고 출력 전력을 500W에서 3KW까지 500W씩 증가시키고 스위칭 주파수를 20KHz에서 50KHz까지 10KHz씩 증가시키면서 효율을 측정하였다.

성능/효과

이것은 스위칭 주파수가 높아지면서 Cool MOS의 효율 보다 SiC 효율이 좋기 때문에 고속 주파수를 사용할 경우 SiC 소자를 사용하는 것이 더 효율이 좋은 것을 알 수 있다. 그리고 모든 스위칭 주파수 대역에서 GaN이 효율이 좋은 것을 알 수 있었다. 본 논문에서의 실험한 결과 출력 전력 2KW에서 스위칭 주파수가 20KHz일 때 효율이 98.
동일한 조건에서 Cool MOS, SiC, GaN FET의 스위칭 소자를 사용하여 Boost Converter의 효율을 측정한 결과 Fig. 3에서부터 Fig. 6을 보면 스위칭 주파수가 20KHz일 때는 Cool MOS가 SiC보다 효율이 좋다가 스위칭 주파수가 높아짐에 따라서 SiC 효율이 더 높게 나오는 것을 알 수 있다. 이것은 스위칭 주파수가 높아지면서 Cool MOS의 효율 보다 SiC 효율이 좋기 때문에 고속 주파수를 사용할 경우 SiC 소자를 사용하는 것이 더 효율이 좋은 것을 알 수 있다.
그리고 모든 스위칭 주파수 대역에서 GaN이 효율이 좋은 것을 알 수 있었다. 본 논문에서의 실험한 결과 출력 전력 2KW에서 스위칭 주파수가 20KHz일 때 효율이 98.34%로 가장 좋게 나온 GaN을 이용하여 향후 고효율 태양광 인버터에 적용하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 DC-DC Boost Converter에 고속으로 스위칭 가능한 다양한 소자를 사용하여 효율 개선의 정도를 비교하였다. 본 논문의 실험에서 사용한 Infineon사의 Cool MOS Power Transistor의 특징은 첫 번째 SMPS, 태양광 인버터 응용 분야에 적합하다. 두 번째 낮은 전도 손실을 갖는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DC-DC 컨버터의 직류 전력이 활용 가능한 분야는?	이러한 입력은 변동폭이 일정한데, 이 입력을 안정화된 직류 출력으로 변환하는 회로가 DC-DC 컨버터이다. DC-DC 컨버터는 직류 전력을 사용하는 다양한 곳에서 이용되며, 최근에는 태양광 PCS(Power Conditioning System), 연료전지 발전 시스템, LED 조명, 전기자동차용 충 방전시스템 등에 적용되고 있다[2].
	DC-DC 컨버터란?	태양광 인버터의 안정된 전력을 공급하기 위해서는 DC-DC 컨버터가 필수적이다. DC-DC 컨버터란 직류(DC)전압을 입력 받아 안정화된 직류 전압을 출력하는 회로를 말한다. 또한 직류 전압은 교류전압을 정류하고 필터를 거쳐서 얻어진 직류 링크와 태양광, 연료전지 등이 있다.
	태양광 인버터의 고효율, 소량화, 경량화 등의 혁신을 이루기 위한 방법은?	그러나 아직 태양광 인버터의 고효율, 소량화, 경량화 등의 혁신을 실현해야 할 문제가 남아있다. 이와 같은 이유로 태양광 인버터에 필수적인 DC-DC Boost Converter의 효율을 높이고 소량화, 경량화를 실현하기 위해서는 스위칭 주파수가 증대되어야 한다[3]. 하지만 기존 IGBT 소자는 고속 스위칭이 불가능하고 컨버터의 스위치들은 스위칭 스트레스와 많은 스위칭 전력 손실을 동반 하기 때문에 낮은 효율 특성을 보인다[4].

참고문헌 (9)

Hong Jung Man. A Study on the New and Renewable Energy Evaluation Items of Private Enterprise Applying AHP Technique. Energy Economics Research, 10 (1), pp115-116. 2011.
Chung Yeon Won, Young Ryul Kim, Taek Ki Lee, Yong Chae Jeong, Byung Kook Lee, "Power Electronics Understanding from Principle: From Basic to Application", Hanvit Academy, pp. 194-209, 2015.
Riccardo Pittini; Zhe Zhang; Michael A. E. Andersen, "High current planar transformer for very high efficiency isolated boost dc-dc converters", IEEE, 2014 International Power Electronics Conference(IPECHiroshima 2014-ECCE ASIA), pp. 3905, 2014.
Nitai Pal, Pradip Kumar Sadhu, Ayodhya Kumar, Upendra Prasad, "Energy efficient solar CFL lighting system using MOSFET based high frequency inverter for remote areas", IEEE, 2010 The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering (ICCAE), pp. 646-647, 2010.
Infineon, IPW65R019C7 650V CoolMosTM C7 Power Transistor, accessed on April 18, 2014. http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-PW65R019C7-DS-v02_01en.pdf.
Cree, C3M0065090D Silicon Carbide Power MOSFET, accessed on March, 2017. http://www.wolfspeed.com/media/downloads/176/C3M0065090D.pdf.
Transphorm, TPH3207WS 605V Cascode GaN FET in To-247(source tab), accessed on December 13, 2016. http://www.transphormusa.com/document/650v-cascodegan-fet-tph3207w/.
Jae Hyung Kim, Chung Yeon Won, and Tae Won Lee, "Improvement of Boost Converter Efficiency of 3kW PV-PCS Using High Efficiency Power Devices", Power Electronics Review, Vol. 14, No. 1, pp. 40-44, 2009.
International Rectifier 60APU06PbF Ultrafast Soft Recovery Diode, accessed on May, 2011, http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/94951/IRF/60APU06.html.

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