격리된 게이트 드라이버 사용을 위한 설계 가이드라인

3부로 구성된 설계 가이드는 전력 전자 애플리케이션에서 전력 스위칭 장치에 적합한 절연 게이트 드라이버를 선택하는 방법을 설명하고 실제 경험을 공유합니다. 이 문서는 첫 번째 부분으로, 주로 절연 게이트 드라이버의 소개 및 선택 가이드를 포함합니다.

본 기사의 참고 주소:

ON Semiconductor의 절연 게이트 드라이버는 SiC(실리콘 카바이드) 및 GaN(갈륨 질화물)과 같은 기술에서 요구하는 최대 스위칭 속도 및 시스템 크기 제약을 충족하도록 설계되어 MOSFET의 안정적인 제어를 제공합니다. 전력 전자 산업의 많은 설계자는 Si MOSFET, SiC 및 GaN MOSFET을 사용한 광범위한 경험을 가지고 있으며 전문 사용자입니다. 시스템 제조업체는 설계의 에너지 효율성을 개선하는 데 점점 더 관심을 갖고 있습니다. 시장에서 선도적인 위치를 차지하려면 높은 에너지 효율성과 낮은 비용의 조합이 중요합니다. 반도체 재료 관점에서 이 분야는 상당한 진전을 이루었으며 이제 고속으로 스위칭할 수 있는 제품이 있어 시스템 수준의 효율성을 높이는 동시에 크기를 줄일 수 있습니다.

분리된 게이트 드라이버--그것들은 무엇이고, 왜 사용되며, 어떻게 작동합니까?

전력 MOSFET은 전력 회로, 모터 드라이브 및 기타 시스템에서 스위칭 소자로 사용되는 전압 제어 장치입니다. 게이트는 각 장치의 전기적으로 절연된 제어 단자입니다. MOSFET의 다른 단자는 소스와 드레인입니다.

MOSFET을 작동하려면 일반적으로 게이트(소스 또는 에미터와 대조적으로)에 전압을 적용해야 합니다. 전용 드라이버는 전력 장치의 게이트에 전압을 적용하고 구동 전류를 제공하는 데 사용됩니다.

게이트 드라이버는 전원 장치를 켜고 끄는 데 사용됩니다. 이를 위해 게이트 드라이버는 전원 장치의 게이트를 최종 턴온 전압 VGS(ON)으로 충전하거나 드라이버 회로는 게이트를 최종 턴오프 전압 VGS(OFF)로 방전합니다. 두 게이트 전압 레벨 사이를 변환하기 위해 게이트 드라이버, 게이트 저항기 및 전원 장치 사이의 루프에서 일부 전력이 소모됩니다.

오늘날, 저전력, 중전력 애플리케이션용 고주파 컨버터는 주로 MOSFET과 같은 게이트 전압 제어 장치를 활용합니다.

고전력 애플리케이션의 경우 현재 사용 중인 최고의 장치는 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET으로, 이러한 전원 스위치를 빠르게 켜거나 끄려면 더 높은 구동 전류가 필요합니다. 게이트 드라이버는 MOSFET에만 적합한 것이 아니라 실리콘 카바이드(SiC) FET 및 질화갈륨(GaN) FET와 같이 현재 소수의 사람만 알고 있는 와이드 밴드갭의 새로운 장치에도 적합합니다.

게이트 드라이버는 컨트롤러 IC로부터 입력을 받고 전력 스위칭 장치의 게이트를 구동하기 위해 적절한 고전류를 생성하는 전력 증폭기입니다.

게이트 드라이버를 사용하는 이유에 대한 간략한 요약은 다음과 같습니다.

게이트 드라이브 임피던스

게이트 드라이버의 기능은 손실을 줄이기 위해 전원 장치를 빠르게 켜고 끄는 것입니다. 밀러 효과나 특정 부하에서 느린 스위칭으로 인한 교차 전도 손실을 피하기 위해 드라이버는 반대 트랜지스터의 온 상태보다 낮은 임피던스로 오프 상태를 설정해야 합니다. 음의 게이트 드라이브 마진은 이러한 손실을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.

소스 인덕턴스

이것은 게이트 드라이버 전류 루프와 출력 전류 루프가 공유하는 인덕턴스입니다. 소스 리드 인덕턴스와 결합된 음의 게이트 드라이브 전압 마진은 부하 하에서 출력의 스위칭 속도에 직접적인 영향을 미치며, 이는 소스 인덕턴스의 소스 저하 효과입니다(소스 리드 인덕턴스는 출력 스위칭 전류를 게이트 드라이브로 다시 결합하여 게이트 드라이브를 느리게 합니다).

게이트 드라이버는 그림 1에서 볼 수 있듯이 고전류 펄스를 전달하는 동안 전력 MOSFET의 게이트(G)와 소스(S) 사이에 전압 신호(VGS)를 인가합니다.

·CGS 및 CGD의 빠른 충전/방전 가능

·빠른 온/오프 전력 MOSFET

그림 1. 게이트 구동 전류 경로

왜 갈바닉 분리가 필요한가요?

고전력 애플리케이션은 위험한 접지 루프가 트리거되는 것을 방지하기 위해 전기적 절연이 필요합니다. 이는 노이즈를 발생시켜 두 회로의 접지가 서로 다른 전위에 있게 되어 시스템의 안전성을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 시스템의 전류는 인간에게 치명적일 수 있으므로 최고 수준의 안전성을 보장해야 합니다. 전기적 또는 전기적 절연은 서로 다른 전위의 두 지점 사이에 DC 전류가 흐르지 않는 상태를 말합니다.

더 정확하게 말해서, 전기적 절연 상태에서는 캐리어를 한 지점에서 다른 지점으로 옮길 수 없지만, 전자기 유도, 용량 결합 또는 빛과 같은 다른 물리적 현상을 통해 전기 에너지(또는 신호)를 여전히 교환할 수 있습니다. 이 조건은 두 지점 사이의 무한 저항과 같습니다. 실제로는 최대 약 100MΩ까지의 저항이면 충분합니다. 손상이 전자 부품에 국한된 경우 안전 절연이 필요하지 않을 수 있지만 제어 측에 인간 활동이 관련된 경우 고전력 측과 저전압 제어 회로 사이에 전기적 절연이 필요합니다. 이는 부품이 손상되거나 고장이 발생하더라도 절연 장벽이 전력이 사용자에게 도달하지 못하도록 하기 때문에 고전압 측의 모든 오류로부터 보호합니다. 감전 위험을 방지하기 위해 규제 기관과 안전 인증 기관에서는 절연을 의무화합니다. 아래는 많은 전력 응용 분야에서 전기적 절연을 사용하는 이유와 방법을 요약한 것입니다.

·장비를 손상시키거나 인간을 위험에 빠뜨리는 고전압 서지를 예방하고 안전하게 견뎌냅니다.

·비싼 컨트롤러를 보호하세요 - 스마트 시스템

· 높은 에너지 또는 긴 분리를 갖는 회로에서 큰 전위차와 파괴적인 접지 루프를 허용합니다.

·고전압 고성능 시스템의 하이사이드 구성 요소와 안정적으로 통신합니다.

솔루션

그림 2. 비격리 및 격리

격리된 게이트 드라이버 선택 가이드

다음은 절연 게이트 드라이버를 선택하는 방법을 설명합니다. 예를 들어, 작동 전압이 낮은 시스템의 경우 컨트롤러의 내전압이 허용 범위 내에 있는 한 스위칭 장치를 컨트롤러에 직접 연결할 수 있습니다. 그러나 게이트 드라이버는 대부분의 전력 변환기에서 일반적인 구성 요소입니다. 제어 회로는 저전압에서 작동하기 때문에 컨트롤러는 전원 스위치를 빠르고 안전하게 열거나 닫는 데 충분한 전력을 공급할 수 없습니다. 따라서 컨트롤러의 신호는 더 높은 전력을 견딜 수 있고 필요에 따라 MOSFET의 게이트를 구동할 수 있는 게이트 드라이버로 전송됩니다. 고전력 또는 고전압 애플리케이션에서 회로의 구성 요소는 큰 전압 편차와 높은 전류에 노출됩니다. 전력 MOSFET에서 제어 회로로 전류가 누출되면 전력 변환 회로의 고전압과 전류가 트랜지스터를 쉽게 태워 제어 회로가 심각하게 고장날 수 있습니다. 또한 고전력 애플리케이션은 사용자와 다른 장치를 보호하기 위해 입력과 출력 사이에 전기 절연이 있어야 합니다.

게이트 드라이브 전압 범위

컨버터의 작동 전압은 스위칭 소자(예: Si MOSFET 또는 SiC MOSFET)의 사양에 따라 달라집니다. 컨버터 출력 전압이 스위칭 소자의 게이트 전압의 최대값을 초과하지 않는지 확인해야 합니다.

게이트 드라이버의 양전압은 게이트가 완전히 켜지도록 충분히 높아야 합니다. 또한 구동 전압이 절대 최대 게이트 전압을 초과하지 않도록 해야 합니다. Si-MOSFET은 일반적으로 +12V의 구동 전압을 사용하고, +15V는 일반적으로 SiC를 구동하는 데 사용되며, GaN의 게이트 전압은 +5V입니다. 0-V 게이트 전압은 모든 장치를 꺼짐 상태로 유지할 수 있습니다. 일반적으로 MOSFET은 때때로 SiC 및 GaN MOSFET에 사용되는 음의 바이어스 게이트 구동이 필요하지 않습니다. 스위칭 애플리케이션에서는 높은 di/dt 및 dv/dt 스위칭 중에 이상적이지 않은 PCB 레이아웃으로 인해 기생 인덕턴스가 발생하여 전력 트랜지스터의 게이트-소스 구동 전압에 링잉이 발생할 수 있으므로 SiC 및 GaN MOSFET에 음의 바이어스 게이트 구동을 사용하는 것이 좋습니다. 각 스위칭 장치에 적용 가능한 게이트 구동 전압은 다음과 같습니다.

격리 능력

이 기능은 시스템의 작동 전압에 의해 결정됩니다. 시스템 작동 전압은 절연 기능에 직접 비례합니다. 절연 게이트 드라이버의 주요 매개변수 중 하나는 절연 전압 정격입니다. 절연 정격은 예상치 못한 전압 과도로 인해 전원 공급 장치에 연결된 다른 회로가 손상되는 것을 방지하도록 설계되었으므로 올바른 절연 정격을 갖는 것이 잠재적으로 유해한 전류 방전으로부터 사용자를 보호하는 데 중요합니다. 또한 이 정격은 컨버터 내의 신호가 노이즈나 예상치 못한 공통 모드 전압 과도에 의해 방해받지 않도록 보호합니다. 절연 값은 일반적으로 절연 장벽이 견딜 수 있는 전압의 양으로 표현됩니다. 대부분의 절연 게이트 드라이버 데이터시트에서 절연 전압은 최대 반복 피크 절연 전압(VIORM), 작동 절연 전압(VIOWM), 최대 과도 절연 전압(VIOTM), 최대 서지 절연 전압(VIOSM) 및 RMS 절연 전압(VISO)과 같은 매개변수로 나열됩니다. 시스템 작동 전압이 높을수록 컨버터의 절연 기능이 더 높아야 합니다.

ON Semiconductor의 절연 게이트 드라이버는 MPS 테스터(모델 MSPS-20)에서 생산 테스트를 거쳤습니다.

절연 용량

절연 캐패시턴스는 컨버터의 입력과 출력 측 사이의 기생 캐패시턴스입니다. 다음 공식에서 절연 캐패시턴스는 누설 전류에 비례한다는 것을 알 수 있습니다.

그 중: Ileak: 누설 전류, fS: 동작 주파수, CISO: 절연 캐패시턴스, VSYS: 시스템 동작 전압

전력 손실은 누설 전류에 비례합니다. 시스템이 높은 작동 주파수와 높은 전압에서 작동해야 하는 경우 과도한 온도 상승을 피하기 위해 컨버터 절연 캐패시턴스의 크기에 더 많은 주의를 기울여야 합니다.

공통모드 과도 면역성(CMTI)

공통 모드 과도 면역(CMTI)은 특히 시스템이 높은 스위칭 주파수에서 작동할 때 절연 게이트 드라이버와 관련된 주요 특성 중 하나입니다. 이는 높은 슬루율(고주파) 과도 전류가 절연 장벽을 통한 데이터 전송을 손상시킬 수 있기 때문에 중요합니다. 절연 장벽(즉, 절연 접지 평면 사이)의 커패시턴스는 이러한 빠른 과도 전류가 절연 장벽을 통과하여 출력 파형을 손상시킬 수 있는 경로를 제공합니다. 이 특성 매개변수의 단위는 일반적으로 kV/uS입니다.

CMTI가 충분히 높지 않으면 고전력 노이즈가 격리된 게이트 드라이버에 결합되어 전류 루프를 생성하고 스위치 게이트에 전하가 나타날 수 있습니다. 이 전하가 충분히 크면 게이트 드라이버가 이 노이즈를 구동 신호로 오해할 수 있으며, 이 슛스루로 인해 심각한 회로 고장이 발생할 수 있습니다.

현재 드라이브 기능 고려 사항

단시간 내에 공급/싱크할 수 있는 게이트 전류가 높을수록 게이트 드라이버의 스위칭 시간이 짧아지고 구동되는 트랜지스터의 스위칭 전력 손실이 낮아집니다.

피크 소스 및 싱크 전류(ISOURCE 및 ISINK)는 그림 3에서 볼 수 있듯이 평균 전류(IG, AV)보다 높아야 합니다.

그림 3. 현재 구동 용량 정의

각 드라이버 전류 정격에 대해 표시된 시간 내에 스위칭할 수 있는 대략적인 최대 게이트 전하 QG는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 필요한 드라이버 전류 정격은 스위칭 중 평균 게이트 전류가 IG이기 때문에 스위칭 시간 tSW−ON/OFF 내에 얼마나 많은 게이트 전하 QG를 이동시켜야 하는지에 따라 달라집니다.

여기서 tSW,ON/OFF는 MOSFET을 얼마나 빨리 스위칭해야 하는지를 나타냅니다. 알 수 없는 경우 스위칭 기간 tSW의 2%로 시작합니다.

다음 공식을 사용하여 대략적인 게이트 드라이버 피크 소스 및 싱크 전류를 계산할 수 있습니다.

켜짐(소스 전류)

꺼짐(싱킹 전류)

여기서 QG는 VGS=VCC, tSW, ON/OFF=스위치 켜짐/꺼짐 시간, 1.5=경험적으로 결정된 요인(드라이버 입력 단계 및 기생 구성 요소를 통한 지연의 영향을 받음)에서의 게이트 전하입니다.

게이트 저항 고려 사항

게이트 저항의 크기를 조정할 때 기생 인덕턴스와 커패시턴스로 인해 발생하는 링잉 전압을 줄이는 것을 고려하는 것이 중요합니다. 그러나 게이트 드라이버 출력의 전류 용량이 제한됩니다. 턴온 및 턴오프 게이트 저항으로 인한 제한된 전류 용량 값은 다음 공식을 사용하여 얻을 수 있습니다.

그 중에는 ISOOURCE: 피크 소스 전류, ISINK: 피크 싱크 전류, VOH: 고레벨 출력 전압 강하, VOL: 저레벨 출력 전압 강하가 있습니다.

ON Semiconductor의 절연 게이트 드라이버

ON Semiconductor는 스위칭 속도가 매우 높고 시스템 크기 제약이 있는 애플리케이션에 적합한 통합 자기 결합 코어리스 변압기를 기반으로 하는 다양한 종류의 절연 게이트 드라이버를 제공하며, Si MOSFET 및 SiC FET를 안정적으로 제어할 수 있습니다.

당사는 UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1, CQC GB 4943.1에 따라 인증된 기능적이고 강화된 절연 제품을 제공합니다. 당사의 절연 게이트 드라이버에는 산업용 및 자동차용 인증 제품이 모두 포함됩니다.

이러한 분리형 게이트 드라이버는 다양한 기능을 통합하여 높은 CMTI 레벨을 견디고, 여러 UVLO 옵션을 제공하며, 빠른 전파 지연(짧은 지연 불일치 포함)과 최소한의 펄스 폭 왜곡을 제공합니다.

특히, ON Semiconductor의 출시 예정인 신제품은 SiC MOSFET을 구동하는 데 적합한 게이트 구동 루프에서 음의 바이어스를 생성하는 간단한 방법을 제공합니다. 이 음의 바이어스는 PCB 레이아웃 및/또는 패키지 리드가 전력 트랜지스터 Vg에서 높은 링잉을 생성하는 경우에 유용합니다. 이 게이트 전압 링잉은 일반적으로 높은 di/dt 및 dv/dt 스위칭 조건에서 발생합니다. 스퓨리어스 턴온을 방지하기 위해 링잉을 임계 전압 아래로 유지하기 위해 일반적으로 게이트 드라이버에 음의 바이어스가 적용됩니다. 모든 구성에 맞게 -2V, -3V, -4V 및 -5V를 생성하는 다양한 옵션이 제공됩니다. ON Semiconductor의 절연 게이트 드라이버는 소형 LGA 및 SOIC 8-핀 대 16-핀 변형을 포함한 다양한 패키지 옵션으로 제공됩니다.

ON Semiconductor사의 절연 게이트 드라이버 제품군의 주요 기능, 전기 사양 및 안전 관련 인증은 아래와 같습니다.

표 1.

- 개발중

- 선택 사항, 요청 시 제공 가능

- 계획됨

격리된 게이트 드라이버 지원 도구

ON Semiconductor 홈페이지에서는 데이터시트, 설계 및 개발 도구, 시뮬레이션 모델, 애플리케이션 노트, 평가 보드 문서, 규정 준수 보고서 등을 포함하여 갈바닉 절연 게이트 드라이버와 관련된 모든 문서를 확인할 수 있습니다.

주요 관련 드라이버는 다음과 같습니다.

● NCP51560

● NCP51561과 NCV51561

● NCP51563과 NCV51563