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600V급 GaN FET의 스위칭 특성 분석 및 성능 평가
Switching Characteristic Analysis and Performence Evaluation of 600V GaN FET 원문보기

전력전자학회 2019년도 춘계학술대회, 2019 July 02, 2019년, pp.279 - 280  

임종헌 (전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터) ,  김재원 (전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터) ,  박준성 (전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터) ,  김진홍 (전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터) ,  최준혁 (전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터)

초록
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본 논문에서는 3KW급 전력변환장치에 적용 가능한 650V급 GaN FET를 사용하여 Half-bridge 구조의 개발보드를 설계 및 제작하고, Double pulse test 실험을 통해 Turn-on 및 off 시스위칭 특성을 분석하였다. 또한 동기정류식 Buck 컨버터에 GaN FET을 적용하고, 유사한 전압 및 전류 정격의 Si MOSFET 소자와 시스템 효율을 비교하여 GaN FET 전력반도체의 성능을 평가하였다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • GaN 기반 전력시스템의 효율 평가를 위해 동기정류 Buck 컨버터를 구성하여 부하실험을 수행하였다. 입력 전압 400V / 출력 전압 300V로 구성하였으며 Yokogawa WT1800 전력분석계를 활용하여 효율을 측정하였다.
  • PCB Artwork 시 패턴에 의한 기생인덕턴스 저감을 위해 게이트 드라이버를 스위치에 근접하여 배치하였다. 또한 및 제어부와 파워부 간 기생커패시턴스에 의한 영향을 최소화 하기 위해 Isolator를 기준으로 제어부와 파워부를 분리하였다 [4].
  • 본 논문에서는 3KW급 전력변환장치에 적용 가능한 650V급 GaN FET와 근사한 전압 및 전류 정격의 Si MOSFET을 선정하여 개발보드를 설계 및 제작하고, Double pulse test 실험을 통해 스위칭 특성을 분석하였다. 또한 동기정류식 Buck 컨버터에 대해 시스템 효율을 비교하여 성능을 평가하였다.
  • PCB Artwork 시 패턴에 의한 기생인덕턴스 저감을 위해 게이트 드라이버를 스위치에 근접하여 배치하였다. 또한 및 제어부와 파워부 간 기생커패시턴스에 의한 영향을 최소화 하기 위해 Isolator를 기준으로 제어부와 파워부를 분리하였다 [4].
  • 본 논문에서는 3KW급 전력변환장치에 적용 가능한 650V급 GaN FET와 근사한 전압 및 전류 정격의 Si MOSFET을 선정하여 개발보드를 설계 및 제작하고, Double pulse test 실험을 통해 스위칭 특성을 분석하였다. 또한 동기정류식 Buck 컨버터에 대해 시스템 효율을 비교하여 성능을 평가하였다.
  • 본 논문에서는 GaN FET의 성능 평가를 위해 Double pulse test와 부하실험을 수행하였다. Double pulse test 결과 유사한 정격의 Si MOSFET 대비 Turn-on 및 Turn-off 시 스위칭 손실이 각각 12.
  • 신호 노이즈를 최소화하기 위하여 게이트-소스 전압 측정은 Ground spring을 적용한 패시브 프로브를 이용하여 측정하였다. 스위치 전류 및 드레인-소스 전압 측정은 각각 CP030 전류 프로브 및 HVD3102A 디퍼런셜 프로브를 이용하였다.
  • 그림 2는 Double pulse test의 주요 파형을 나타낸다. 신호 노이즈를 최소화하기 위하여 게이트-소스 전압 측정은 Ground spring을 적용한 패시브 프로브를 이용하여 측정하였다. 스위치 전류 및 드레인-소스 전압 측정은 각각 CP030 전류 프로브 및 HVD3102A 디퍼런셜 프로브를 이용하였다.
  • GaN 기반 전력시스템의 효율 평가를 위해 동기정류 Buck 컨버터를 구성하여 부하실험을 수행하였다. 입력 전압 400V / 출력 전압 300V로 구성하였으며 Yokogawa WT1800 전력분석계를 활용하여 효율을 측정하였다.

대상 데이터

  • GaN FET와 Si MOSFET의 성능 비교 평가를 위하여 비슷한 전류 정격의 소자를 선정하였다. GaN FET의 경우 패키징 측면에서 기생 인덕턴스를 줄이기 위해 SMD 타입의 패키징 방식을 채택하고 있으며, PQFN 8x8 패키지를 적용한 Panasonic 社의 PGA26E07BA (600V/26A) 및 Si MOSFET으로 Infineon 社의 IPL60R125P7 (650V/27A)를 선정하였다.
  • GaN FET와 Si MOSFET의 성능 비교 평가를 위하여 비슷한 전류 정격의 소자를 선정하였다. GaN FET의 경우 패키징 측면에서 기생 인덕턴스를 줄이기 위해 SMD 타입의 패키징 방식을 채택하고 있으며, PQFN 8x8 패키지를 적용한 Panasonic 社의 PGA26E07BA (600V/26A) 및 Si MOSFET으로 Infineon 社의 IPL60R125P7 (650V/27A)를 선정하였다.
  • 그림 1은 Double pulse test를 위한 설계 회로도 및 PCB layout을 나타낸다. 회로상으로 제어부와 파워부간 신호 절연을 위한 절연 Isolator 및 Panasonic 사의 GaN FET 특성상 Turn-on 상태일 때 게이트 전류가 지속적으로 흐르기 때문에 전용 게이트 드라이버 (AN34092B)를 적용하였다.

데이터처리

  • 그림 1의 테스트 보드를 이용하여 Double pulse test를 시행하였으며 시험 조건은 표 2와 같다. 그림 2는 Double pulse test의 주요 파형을 나타낸다.
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