초록 ▼

연구의 목적 및 내용
차세대 전력반도체로 주목받고 있는 GaN FET와 같은 Wide Band Gap 소자의 Power conversion system 적용에 대한 연구가 선진국(사)에서 활발히 수행중이나, 국내의 경우 이에 대한 연구가 매우 부족한 실정이었음. 따라서 GaN FET의 우수한 특성에 적합한 응용분야 (xEV용 Low Voltage DC-DC Converter)를 선정하고, 선진국 연구 대비 비교 우위를 점할 수 있는 공진형 회로에 GaN FET을 적용하여 시스템의 고효율·고밀도 구현을 위한 GaN Power S

연구의 목적 및 내용
차세대 전력반도체로 주목받고 있는 GaN FET와 같은 Wide Band Gap 소자의 Power conversion system 적용에 대한 연구가 선진국(사)에서 활발히 수행중이나, 국내의 경우 이에 대한 연구가 매우 부족한 실정이었음. 따라서 GaN FET의 우수한 특성에 적합한 응용분야 (xEV용 Low Voltage DC-DC Converter)를 선정하고, 선진국 연구 대비 비교 우위를 점할 수 있는 공진형 회로에 GaN FET을 적용하여 시스템의 고효율·고밀도 구현을 위한 GaN Power System에 대한 연구를 수행하는 것이 본 과제의 주요 목적이었음. 이를 위해 1) GaN Power system의 고신뢰성 확보를 위한 optimal hardware 설계 기술 개발, 2) GaN FET 적용 고효율/고밀도 Modular dc-dc converter 개발, 3) 고효율/고밀도 구현을 위한 Modular structure 및 최고 효율 추종 제어 알고리즘 (META, Maximum Efficiency Tracking Algorithm) 개발 연구를 수행함.

연구결과
1차년도 : 현존 최고사양의 Super Junction type Si-MOSFET와 Cascode type GaN FET을 적용한 600W급 부분공진형 topology인 Phase-Shifted Full-Bridge (PSFB) dc-dc converter를 실구현하였음. 이를 통해 Si-MOSFET 대비 GaN FET의 스위칭 특성 차이를 분석하고, faulty turn-on 방지를 위한 게이트 회로 generalized modeling 및 ac-loop inductance의 일반화식을 도출하여 hardware 설계 guideline을 제시하였음. 이를 통해 GaN FET 기반 600W급 공진형 PSFB를 안정적으로 구동하였고 최고 8% 수준의 경부하 효율향상을 실현하였음

2차년도 : pGaN type의 GaN FET을 대상으로 GaN FET 구동 gate driver 최적화 연구를 수행하였고, GaN FET의 매우 작은 parasitic에 의해 switching dead-time이 시스템 효율에 큰 영향을 미치는 것을 발견하여 이에 대한 심층 분석을 통해 optimal dead-time selection 기법을 제안 및 검증하였음. 또한 400W급 LDC를 3병렬 구성하여 1.2kW급 3-modular LDC를 실 구현하였고, 제안한 META (Maximum Efficiency Tracking Algorithm)기반의 power assist 알고리즘을 적용하여 최고효율 94.8% (기존대비 최고 4%의 효율향상 및 정격부하조건 2.3%의 효율향상)을 실현하였음

3차년도 : LDC의 효율 및 전력밀도 향상을 위해 PSFB 2차측 회로의 Si-Diode 대신 GaN FET을 적용한 동기정류회로 (Synchronous Rectifier)를 실현하였고, Master/Slave 제어기법 적용을 통한 META 제어기 성능 향상 연구를 통해 1.5kW LDC System 최고효율 96.14%를 달성하였음 (2차년도 대비 1.34% 향상). 또한 Gate 구동 안정성 향상을 위한 Miller 전류 영향 최소화 위한 게이트 드라이버 설계 기법을 개발하여 GaN Power System의 구동 안정성을 크게 향상시켰음

연구결과의 활용계획
국내 전무했던 GaN Power system에 대한 연구를 정부 주도의 연구과제를 통해 성공적으로 수행함으로써 GaN Power system 관련 지식, 기술 및 know-how를 확보하였으며, 이를 통해 관련 분야 선진국(사)과의 기술격차를 상당히 줄여 GaN Power System 관련시장에서 경쟁력 확보 가능할 것으로 사료됨. 또한 본 연구에서는 시스템 효율향상 뿐 아니라 GaN FET의 특성을 면밀히 분석하여 안정적인 Power conversion system 적용이 가능하도록 이론적 hardware 설계 guide-line을 제시하여, xEV용 LDC 뿐 아니라 유사기술이 적용되는 xEV의 Battery charger, 정보통신분야 dc-dc converter (통신용 정류기), 산업용 dc-dc converter 및 inverter 등 산업 전반에 활용 가능할 것으로 기대함

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
A study on the application of power conversion system of wide band gap device such a GaN FET, which is attracting attention as a next generation power semiconductor, is being actively carried out in advanced countries. However, research in Korea is unfortunately very limited.

Purpose&contents
A study on the application of power conversion system of wide band gap device such a GaN FET, which is attracting attention as a next generation power semiconductor, is being actively carried out in advanced countries. However, research in Korea is unfortunately very limited.

Therefore, the main purpose of this research is to study and develop a GaN power system to achieve high efficiency and high power density by applying GaN FET to resonant dc-dc converter rather than hard switching converter because it can have comparative advantage compared with research in advanced countries. Therefore, we carry out three main researches:
1) Develop the optimal hardware design strategy to have high reliability GaN power system, 2) high efficiency and power density modular dc-dc converter with GaN FET, 3) Implement modular structure and Maximum Efficiency Tracking Algorithm.

Result
1st year: A phase-shifted full-bridge (PSFB) dc-dc converter of a partial resonance topology of 600W was implemented with super junction Si-MOSFET and GaN FET, respectively. The difference in switching characteristics of GaN FET compared to Si-MOSFET was analyzed. Furthermore, the generalized model of gate circuit ac-loop inductance for preventing faulty turn-on was derived and a hardware design guideline was presented. Through this, 600W resonant type PSFB using GaN FET was stably operated and light load efficiency improvement of 8% was achieved.

2nd year: A gate driver optimization study for GaN FET was performed, and we had found that switching dead-time greatly affects system efficiency due to the very small parasitic elements of the GaN FET, so we propose and verify the optimal dead-time selection strategy through in-depth analysis. A Three-modular LDC of 1.2kW was realized, and the maximum efficiency 94.8% is achieved based on the proposed META(Maximum Efficiency Tracking Algorithm)

3rd year: In order to improve the efficiency and power density of the LDC, a synchronous rectifier using a GaN FET instead of the Si-diode of the PSFB secondary-side was implemented. By studying the performance improvement of META controller by applying master / slave control technique, we achieved 96.14% of maximum efficiency of 1.5kW LDC system. In addition, we developed a gate driver design method to minimize the miller current influence to improve gate drive stability, and greatly improved the driving stability of GaN power system.

Expected Contribution
We have gained knowledge, technology and know-how related to GaN Power system by successfully conducting research on GaN Power system, which was never domesticated in Korea, through government-led research project. Through this, it is expected that the technological gap with advanced countries will be reduced considerably and it will be able to secure competitiveness in the market related to GaN Power System. In addition, study in this research project suggested a theoretical hardware design guide-line that not only improves the system efficiency but also analyzes the characteristics of the GaN FET closely and applies the stable power conversion system. Therefore, it is expected that it will be applicable not only for LDC for xEV but also for all industries that apply similar technologies.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 42
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 46
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 47
• 7. 참고문헌 ... 48
• 8. 연구성과 ... 49
• 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 52
• 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 52
• 11. 기타사항 ... 52
• 끝페이지 ... 52