[논문]유도 가열 시스템에서 SiC MOSFET과 GaN Transistor의 성능 비교를 통한 소자 적합성 분석

차광형; 주창태; 민성수; 김래영

doi:10.6113/tkpe.2020.25.3.204

유도 가열 시스템에서 SiC MOSFET과 GaN Transistor의 성능 비교를 통한 소자 적합성 분석
Device Suitability Analysis by Comparing Performance of SiC MOSFET and GaN Transistor in Induction Heating System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.3, 2020년, pp.204 - 212

차광형 (Dept. of Electrical Engineering., HYPEC-EPECS Lab., Hanyang University) , 주창태 (Dept. of Electrical Engineering., HYPEC-EPECS Lab., Hanyang University) , 민성수 (Dept. of Electrical Engineering., HYPEC-EPECS Lab., Hanyang University) , 김래영 (Dept. of Electrical Bio-Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, device suitability analysis is performed by comparing the performance of SiC MOSFET and GaN Transistor, which are WBG power semiconductor devices in the induction heating (IH) system. WBG devices have the advantages of low conduction resistance, switching losses, and fast switching due to their excellent physical properties, which can achieve high output power and efficiency in IH systems. In this study, SiC and GaN are applied to a general half-bridge series resonant converter topology to compare the conduction loss, switching loss, reverse conduction loss, and thermal performance of the device in consideration of device characteristics and circuit conditions. On this basis, device suitability in the IH system is analyzed. A half-bridge series resonant converter prototype using the SiC and GaN of a 650-V rating is constructed to verify device suitability through performance comparison and verified through an experimental comparison of power loss and thermal performance.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Conventional IH system.
그림 Fig. 2. Equivalent resistance according to number of turns of coil and frequency.
그림 Fig. 3. Rate of change of on resistance according to junction temperature.
그림 Fig. 4. On resistance according to junction temperature and gate-source voltage.
표 TABLE I PARAMETERS OF SELECTED DEVICES
그림 Fig. 5. Turn-off waveform of switch in IH system.
표 TABLE II VALUE OF CIRCUIT COMPONENTS
그림 Fig. 6. Loss breakdown according to the output power of each device.
그림 Fig. 7. Thermal analysis results at 30W loss.
그림 Fig. 8. Experimental waveform at 2kW.
그림 Fig. 9. Loss breakdown reflecting experimental values at 2kW.
그림 Fig. 10. Efficiency according to output power.
그림 Fig. 11. Device case temperature measurement result according to output power.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SiC MOSFET과 GaN Transistor를 Half-bride 공진형 컨버터 토폴로지에 적용하여 IH 시스 템에서의 SiC 및 GaN 소자의 적합성을 분석한다. 이를 위해 각 소자별 접합 온도를 고려한 소자별 도통 손실, Gate 저항 가변과 스너버 커패시터를 고려한 스위칭 손실, 도통 전류를 고려한 역방향 도통 손실을 해석한다.
본 논문에서는 WBG 소자인 GaN과 SiC의 performance 비교를 통해서 IH 시스템에서의 소자 적합성을 분석하였다. 각 소자별 접합 온도, gate-source 전압, gate 저항 등을 고려한 손실 모델링을 진행하였으며, 모델링을 기반으로 한 손실 비교와 소자의 패키징 및 물성을 반영한 열 해석 시뮬레이션을 통해 열 성능 비교를 수행하여 소자 적합성을 분석하였다.

가설 설정

3장에서 유도한 손실 모델을 기반으로 하여 이론적인 도통 손실, 스위칭 손실, 역방향 도통 손실을 계산을 통해서 소자에 따른 손실을 비교 분석한다. 이때 접합 온도는 800W에서 40℃로 가정하여 200W가 증가할 때마다 10℃씩 증가한다고 가정하며, V_GS는 각각 권장되는 전압으로 SiC는 18V, GaN은 6V로 선정하였다. 턴-오프 시의 게이트 전압은 GaN의 경우는 낮은 임계전압에 의해서 false turn on이 발생할 수 있기 때문에 음전압이 권장되고, 그에 따라 SiC는 0V, GaN은 –3V의 off 전압을 기반으로 계산을 진행하였다.

제안 방법

3장에서 유도한 손실 모델을 기반으로 하여 이론적인 도통 손실, 스위칭 손실, 역방향 도통 손실을 계산을 통해서 소자에 따른 손실을 비교 분석한다. 이때 접합 온도는 800W에서 40℃로 가정하여 200W가 증가할 때마다 10℃씩 증가한다고 가정하며, V_GS는 각각 권장되는 전압으로 SiC는 18V, GaN은 6V로 선정하였다.
이를 기반으로 한 손실과 열 성능의 비교를 통해 IH 시스템에서의 SiC 및 GaN 소자의 적합성을 제시한다. 650V 정격의 GaN과 SiC를 적용한 2kW급 IH 시스템용 Half-bride 직렬 공진형 컨버터 구축을 통해 다양한 실험 결과를 제시함으로써 제안한 손실 해석 및 소자 적합성 분석의 타당성을 검증한다.
IH 시스템의 스위칭 손실은 Zero Voltage Switching (ZVS)로 인해 turn on에서의 손실은 이론적으로 발생하지 않으며, 실제적으로는 기생 성분에 의해서 발생하지만 매우 작기 때문에, 0으로 가정하여 turn off에 발생하는 손실을 비교 분석한다. 이때 보다 정확한 손실 비교를 위해서 시스템 및 소자의 특성을 반영한 스위칭 손실 수식을 유도한다.
본 논문에서는 WBG 소자인 GaN과 SiC의 performance 비교를 통해서 IH 시스템에서의 소자 적합성을 분석하였다. 각 소자별 접합 온도, gate-source 전압, gate 저항 등을 고려한 손실 모델링을 진행하였으며, 모델링을 기반으로 한 손실 비교와 소자의 패키징 및 물성을 반영한 열 해석 시뮬레이션을 통해 열 성능 비교를 수행하여 소자 적합성을 분석하였다. 100kHz 대역의 IH 시스템에서의 손실은 스너버 커패시터로 인해 스위칭 손실이 크게 감소함에 따라 도통 손실과 역방향 도통 손실이 지배적이며, 이로 인해 SiC가 대부분 더 높은 효율이 나타났다.
각 소자에 따른 물성을 반영한 열 해석 모델에 동일한 fan과 방열판을 부착하여 모델링을 진행하였다. 그림 7은 열 해석 시뮬레이션을 통해서 각 소자에 30W의 손실을 발생시켰을 때의 시뮬레이션 결과이다.
본 장에서는 소자의 특성 및 회로 조건을 고려한 도통 손실, 스위칭 손실, 역방향 도통 손실 등의 손실에 대한 비교를 위해 이론적 손실 해석이 수행된다. 본 논문에서 사용되는 소자는 표 1과 같다.
손실 분석을 위한 효율 측정 실험을 진행하였다.
이를 위해 각 소자별 접합 온도를 고려한 소자별 도통 손실, Gate 저항 가변과 스너버 커패시터를 고려한 스위칭 손실, 도통 전류를 고려한 역방향 도통 손실을 해석한다. 이를 기반으로 한 손실과 열 성능의 비교를 통해 IH 시스템에서의 SiC 및 GaN 소자의 적합성을 제시한다. 650V 정격의 GaN과 SiC를 적용한 2kW급 IH 시스템용 Half-bride 직렬 공진형 컨버터 구축을 통해 다양한 실험 결과를 제시함으로써 제안한 손실 해석 및 소자 적합성 분석의 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 SiC MOSFET과 GaN Transistor를 Half-bride 공진형 컨버터 토폴로지에 적용하여 IH 시스 템에서의 SiC 및 GaN 소자의 적합성을 분석한다. 이를 위해 각 소자별 접합 온도를 고려한 소자별 도통 손실, Gate 저항 가변과 스너버 커패시터를 고려한 스위칭 손실, 도통 전류를 고려한 역방향 도통 손실을 해석한다. 이를 기반으로 한 손실과 열 성능의 비교를 통해 IH 시스템에서의 SiC 및 GaN 소자의 적합성을 제시한다.
턴-오프 시의 게이트 전압은 GaN의 경우는 낮은 임계전압에 의해서 false turn on이 발생할 수 있기 때문에 음전압이 권장되고, 그에 따라 SiC는 0V, GaN은 –3V의 off 전압을 기반으로 계산을 진행하였다.

이론/모형

정확한 손실을 분석하기 위해서 소자별 전류 i_out에 따른 v_SD를 이전의 도통 저항과 같은 방법으로 curve-fitting하여 도출한다. SiC 소자의 v_SD는 다음과 같다.

성능/효과

각 소자별 접합 온도, gate-source 전압, gate 저항 등을 고려한 손실 모델링을 진행하였으며, 모델링을 기반으로 한 손실 비교와 소자의 패키징 및 물성을 반영한 열 해석 시뮬레이션을 통해 열 성능 비교를 수행하여 소자 적합성을 분석하였다. 100kHz 대역의 IH 시스템에서의 손실은 스너버 커패시터로 인해 스위칭 손실이 크게 감소함에 따라 도통 손실과 역방향 도통 손실이 지배적이며, 이로 인해 SiC가 대부분 더 높은 효율이 나타났다. 열 성능에서는 열 전도성과 패키징의 차이에 의해서 상이한 결과가 나타났다.
열 성능에서는 열 전도성과 패키징의 차이에 의해서 상이한 결과가 나타났다. 2kW급 prototype 컨버터를 구축하여, 실험을 통해서 손실 비교를 진행한 결과 스위칭 손실에서 링잉의 영향이 지배적임에 따라 GaN에서 더 높은 손실이 나타났으며, 도통 손실 및 역방향 도통 손실에서는 유사한 결과가 나타났다. 열 성능 또한 시뮬레이션과 유사한 결과가 나타남으로써 분석의 타당성이 검증되었다.
[6]에서는 Si IGBT와 GaN을 3상 인버터에 적용할 때, 출력 전력에 따른 효율 비교가 수행 되었다. 결과적으로 WBG 소자인 SiC와 GaN을 사용한 시스템에서 기존 Si 기반의 시스템보다 낮은 conduction loss와 switching loss를 통해서 높은 효율이 달성되었다.
두 번째 방법은 스위칭 주파수를 증가시켜 등가저항을 증가시키는 방법으로 스위칭 손실이 증가하는 한계점은 있으나, WBG 소자를 사용함으로써 낮은 스위칭 손실을 달성할 수 있고, coil의 크기, 도선저항, cost가 증가하지 않고 등가저항을 증가시킴으로써 더 높은 출력 전력을 달성할 수 있다.
또한 T_j가 증가할 때의 R_DS(on)은 GaN에서 매우 크게 증가함을 알 수 있다. 따라서 두 소자 모두 권장하는 V_GS를 사용한다고 가정하면, 손실이 적은 경부하 구간에서는 GaN이 더 도통 손실이 작을 것이며, 정격부하로 갈수록 SiC의 도통 손실이 더 작을 것임을 예측할 수 있다.
그 결과로 효율의 격차는 점차 줄어들게 되는 것을 볼 수 있다. 또한 정격 부하에서 예측 효율과 시뮬레이션 효율, 실험 효율이 매우 유사함을 통해서 소자의 손실 모델링이 잘 수행되었음이 검증된다.
스너버 커패시터를 사용함으로서 tIf에서 발생하는 스위칭 손실보다 그 이후에 링잉에 의해 발생하는 손실이 지배적이고 그에 따라 SiC가 GaN보다 적은 스위칭 손실이 나타났다.
2kW급 prototype 컨버터를 구축하여, 실험을 통해서 손실 비교를 진행한 결과 스위칭 손실에서 링잉의 영향이 지배적임에 따라 GaN에서 더 높은 손실이 나타났으며, 도통 손실 및 역방향 도통 손실에서는 유사한 결과가 나타났다. 열 성능 또한 시뮬레이션과 유사한 결과가 나타남으로써 분석의 타당성이 검증되었다.

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저자의 다른 논문 :

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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