[논문]수평형 에미터 스위치트 사이리스터의 단락회로 유지 능력 향상을 위한 새로운 보호회로

최영환; 지인환; 최연익; 한민구

수평형 에미터 스위치트 사이리스터의 단락회로 유지 능력 향상을 위한 새로운 보호회로
A New Protection Circuit for Improving Short-Circuit Withstanding Capability of Lateral Emitter Switched Thyristor (LEST) 원문보기

최영환 (서울대학교 전기 컴퓨터 공학부) , 지인환 (서울대학교 전기 컴퓨터 공학부) , 최연익 (아주대학교 전자공학부) , 한민구 (서울대학교 전기 컴퓨터 공학부)

수평형 에미터 스위치트 사이리스터(Lateral Emitter Switched Thyristor, LEST)의 고전압 전류 포화 특성을 위한 새로운 보호회로가 제안하였으며 성공적으로 제작 및 측정하였다. LEST의 부유(浮遊, floating) n+ 전압이 보호 MOSFET의 문턱 전압 보다 커지면 보호 회로는 LEST의 동작 모드를 regenerative 상태에서 non-regerative 상태로 전환시킨다. 일반적인 LEST의 전압 전류 포화 특성이 17 V로 제한되는 것에 비해 제안된 회로와 결합된 LEST는 200V 이상의 고전압 전류 포화 특성을 보였으며, Hard Switching Fault(HSF) 단락 회로 상황에서도 $10{\mu}s$ 이상 견디는 단락 회로 유지 능력을 보였다.

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문제 정의

본 논문에서는 복잡한 공정과 순방향 전압 강하의 손실 없이 LEST가 높은 게이트 전압에서도 고전압 전류포화 특성을 가질 수 있게 하는 보호 회로를 제안하고 제작하였다. 고전압 전류 포화 특성을 확인하기 위해 200 V급 LEST와 보호 회로를 7-마스크 표준 IGBT 공정을 통해 제작하였다.

제안 방법

고전압 전류 포화 특성을 확인하기 위해 200 V급 LEST와 보호 회로를 7-마스크 표준 IGBT 공정을 통해 제작하였다. 실험 결과, 제안된 회로와 결합된 LEST는 고전압 전류 포화 특성을 성공적으로 보였으며, HSF 단락 회로 상황에서 보호 동작을 하는 것을 확인하였다.
애노드 전류 밀도 100 A/cn?에서의 순방향 전압 강하 특성은 두 소자 모두 동일하다. 기존 LEST의 최대 제어 전류(Maximum Controllable Current, MCC) 는 게이트 전압을 15 V에서 0 V로 턴-오프 하여 측정하였다. 측정된 MCC는 280 A/crS이다.
실험 결과 기존 LEST의 전압 전류 포화 특성이 약 17 V 로 제한되는 것에 비해 제안된 보호 회로와 결합된 LEST는 보호 회로에 의해 200 V 이상의 고전압 전류포화 특성을 보이며, Hard Switching Fault (HSF) 상황에서도 10 ps 이상 견디는 단락 회로 유지 능력을 보였다. 제안된 보호 회로는 LEST 의 최대 제어 전류 (Maximum controllable current, MCC)를 증가시킬 수는 없지만 LEST의 최대 전류를 MCC 이하로 동작시킨다.

대상 데이터

제작된 LEST의 제작 변수는 표 1에 나타나 있다. 저항 Rg는 LPCVD 공정을 통한 3500 A의 다결정 실리콘으로 증착되었고, 보호 MOSFET (Mp)는 추가적인p-웰(well) 공정 없이 p-베이스 영역 내에서 제작되었다. 부유 n+ 전압(Gp 전압)이 보호 MOSFET 의 문턱 전압보다 커지게 되면 내부 게이트 전압(Dp 전압)은 Rg 와 Mp의 on-저항의 비에 따라 감소하게 된다.
기존 LEST의 최대 제어 전류(Maximum Controllable Current, MCC) 는 게이트 전압을 15 V에서 0 V로 턴-오프 하여 측정하였다. 측정된 MCC는 280 A/crS이다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 기존 LEST의 전류는 MCC 이상으로 증가하는데 비해 제안된 보호 회로와 결합된 LEST의 최대 전류(그림 2의 Imax)는 MCC 보다 낮게 유지된다.

데이터처리

단락 회로 상황에서의 보호 능력 검증을 위해 HSF 테스트를 실행하였고 그 결과는 그림 5에 나타나 있다. 보호 회로와 결합된 LEST의 경우 애노드 전류는 MCC 이하로 감소하여 단락 회로 상황에서도 10 }is 이상 견딜 수 있는데 비해 기존 LEST는 애노드 전류가 MCC를 넘어 고전력 소모에 의한 접합 failure를 초래한다.

성능/효과

5 V이다. 기존 LEST의 항복 전압은 17 V인데 비해 제안된 희로와 결합된 LEST의 항복 전압은 보호 회로에 의해 200 V 이상임을 볼 수 있다. 애노드 전류 밀도 100 A/cn?에서의 순방향 전압 강하 특성은 두 소자 모두 동일하다.
사이리스터의 동작 모드가 non-regenerative 상태에서는 부유 n+ 전압이 애노드 전압을 따라가지 않으므로 제안된 보호 회로와 결합된 LEST는 고전압 전류 포화 특성을 가지게 된다. 실험 결과 기존 LEST의 전압 전류 포화 특성이 약 17 V 로 제한되는 것에 비해 제안된 보호 회로와 결합된 LEST는 보호 회로에 의해 200 V 이상의 고전압 전류포화 특성을 보이며, Hard Switching Fault (HSF) 상황에서도 10 ps 이상 견디는 단락 회로 유지 능력을 보였다. 제안된 보호 회로는 LEST 의 최대 제어 전류 (Maximum controllable current, MCC)를 증가시킬 수는 없지만 LEST의 최대 전류를 MCC 이하로 동작시킨다.
고전압 전류 포화 특성을 확인하기 위해 200 V급 LEST와 보호 회로를 7-마스크 표준 IGBT 공정을 통해 제작하였다. 실험 결과, 제안된 회로와 결합된 LEST는 고전압 전류 포화 특성을 성공적으로 보였으며, HSF 단락 회로 상황에서 보호 동작을 하는 것을 확인하였다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 기존 LEST의 전류는 MCC 이상으로 증가하는데 비해 제안된 보호 회로와 결합된 LEST의 최대 전류(그림 2의 Imax)는 MCC 보다 낮게 유지된다. 제안된 보호 회로는 LEST의 MCC를 증가시키지는 못하지만, LEST가 MCC를 넘지 않도록 Imax를 조절할 수 있다.

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