애플리케이션에 적합한 IGBT를 선택하는 것은 까다롭고도 많은 시간이 소요된다. 이 글에서는 어떠한 절충

요소들을 고려해야 할지 설명함으로써 선택 과정을 간소화하고자 한다. DC-AC 인버터 애플리케이션 용으로

개발된 새로운 세대의 600볼트 IGBT를 이용해서 가능한 성능 향상에 대해 설명한다.

DC-AC 인버터 애플리케이션의 전력 손실 감소시키는 600V 트렌치 IGBT

글│Wibawa Chou,

Application Engineer, International Rectifier

애플리케이션에 적합한 IGBT를 선택하는 것은 까다롭고도 많은 시간이 소요된다. 이 글에서는 어떠한 절충 요소들을 고려해야 할지 설명함으로써 선택 과정을 간소화하고자 한다. DC-AC 인버터 애플리케이션 용으로 개발된 새로운 세대의 600볼트 IGBT를 이용해서 가능한 성능 향상에 대해 설명한다.

이들 새로운 디바이스는 Field Stop Trench 기술을 이용해서 UPS나 태양열 인버터 등의 고주파 스위칭 애플리케이션에서 전도 및 스위칭 손실을 감소시킴으로써 더 높은 효율의 전력 변환을 가능하게 한다. 이들 디바이스는 낮은 단락 회로 요구에 대해서 20kHz로 스위칭하도록 최적화되었다.

이러한 주장을 검증하기 위해서 International Rectifier는 유사한 크기의 IGBT를 이용해서 500W DC-AC 인버터를 제작하고 성능 차이를 분석했다. 이 글에서는 최적화 트렌치 IGBT를 이용해서 효율을 향상시키거나 시스템 히트 싱크 크기를 줄이거나 동일한 보드 어셈블리로 전류 밀도를 높일 수 있다는 것을 보여

줄 것이다.

기본적인 트렌치 IGBT

최근의 IGBT 기술 발전에 의해서 20kHz 동작을 목표로 한 최신 세대의 600V 트렌치 IGBT가 가능하게 되었다. 그림 1은 각각 평면 및 트렌치 IGBT의 단면도를 보여준다. 플래너 IGBT에서는 폴리실리콘 게이트가 평면이다. 다시 말해서 p 구역에 대해서 수평적이다.

그림 1. 플래너 IGBT와 트렌치 IGBT의 구조

트렌치 IGBT에서는 폴리실리콘 게이트가 그림 1에서 보듯이 p 바디 구역으로 ‘매립’된다. 이는 전자 흐름에 대해 채널 저항을 낮추고 전류 혼잡을 제거하는 이점이 있다. 이는 전자가 채널에서 수직으로 흐르기 때문이다. 플래너 IGBT에서는 전자가 전류 혼잡을 야기하는 각도로 채널로 진입함으로써 전자 흐름의 저항을 증가시킨다. 트렌치 IGBT에서는 전자 흐름을 향상시킴으로써 V_ce(on)을 대폭적으로 낮출 수 있다.

V_ce(on)을 감소시킬 뿐만 아니라 IGBT의 구조를 더 얇은 구조로 변화시킴으로써 스위칭 에너지 또한 감소시킨다. 더 얇은 구조이므로 더 신속한 홀 전자 재결합을 가능하게 하고 이는 다시 턴오프 시에 IGBT 테일 전류를 감소시키는 것으로 이어진다.

동일한 항복 전압 성능을 유지하기 위해서 n-field 정지 층을 생성함으로써 IGBT 상의 전압이 상승함에 따라서 전기장이 컬렉터 구역으로 도달하는 것을 정지시킨다. 더 낮은 전도 및 스위칭 에너지의 조합으로써 더 소형의 인버터 크기를 가능하게 하거나 아니면 동일한 인버터 어셈블리로 전력 밀도를 높일 수 있다. 표 1은 동일한 크기의 플래너 및 트렌치 IGBT의 파라미터를 비교해서 보여준다.

표 1. 플래너 및 트렌치 IGBT의 파라미터 비교

Part Number	IRG4BC20KDPBF	IRG15B60KDPBF	IRG4BC20UDPBF	IRGB4056DPBF
Technology	Planar Gate Punch Through	Planar Gate Non Punch Through	Planar Gate Punch Through	Trench Gate Field Stop
BVces	600V	600V	600V	600V
V_ce(on), I_c=12A, 150℃	3.6V	2.50V	2.30V	1.90V
E_ts, I_c=12A, 150℃	1400uJ	580uJ	980uJ	510uJ
Qg	34nC	36nC	27nC	25nC
R_th	2.1℃/W	1.4℃/W	2.1℃/W	1.07℃/W
Tsc at 125℃	10usec	10usec	2usec	3usec

표 1에서 최신의 최적화 트렌치 IGBT의 낮은 V_ce(on)과 낮은 스위칭 에너지 손실은 더 효율적인 인버터 디자인을 예고한다. 제품을 항목별로 비교함으로써 디자인에 적합한 부품을 선택하기 위해서 어떤 이점들을 제공하는지 알 수 있다.

두 번째 항목에서 네 번째 항목까지 비교함으로써 단락 회로 정격이 요구되지 않고 두 디바이스가 동일한 세대일 때 V_ce(on)이 낮은 것이 유리하다는 것을 알 수 있다. 두 번째 항목과 세 번째 항목을 비교함으로써 NPT 디바이스를 이용해서 향상된 단락 회로 정격 제품을 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다.

네 번째 항목과 다섯 번째 항목을 비교함으로써 새로운 최적화 부품이 어떻게 낮은 열 임피던스와 낮은 게이트 전하로 V_ce(on)과 스위칭 손실 Ets를 향상시키는지 알 수 있다. 이러한 모든 향상을 달성하기 위해서 절충이 필요했다. 목표 애플리케이션의 요구에 따라서 단락 회로 내성 시간은 제거될 수 있다.

DC-AC 인버터 구현

여기서 논의하는 DC-AC 인버터 시스템은 50Hz 또는 60Hz의 트루 사인파 출력을 필요로 하는 시스템에 해당되는 것이다. 이 글에서는 구형파 또는 준 사인파 인버터에 대해서는 논하지 않는다. 이들 인버터를 구현하기 위해서는 전력 디바이스가 20kHz 스위칭 주파수로 동작할 필요가 없기 때문이다.

트루 사인파 출력을 필요로 하는 애플리케이션 중에서 몇 가지 예를 들자면 UPS(uninterruptible power supply), 태양열 인버터, 주파수 컨버터 등을 들 수 있다. 통상적인 구현은 그림 2에서 보는 것과 같은 풀 브리지 인버터를 이용한다.

그림 2. 풀 브리지 DC-AC 인버터의 구현

UPS의 경우에는 배터리 뱅크로부터, 태양열 인버터의 경우에는 태양열 패널로부터, 주파수 컨버터의 경우에는 정류 AC 메인으로부터 DC 버스 전압을 도출할 수 있다. 인버터의 출력은 그림 2에서 LC 필터 다음의 트루 사인파 전압이다.

이 토폴로지에서는 2개 IGBT(Q1과 Q2)를 하이 사이드 디바이스로 간주하며 이들의 게이트 전압은 DC 버스 전압보다 15V 높게 구동된다. 이를 달성하기 위한 편리한 방법은 고전압 게이트 구동 IC와 부트스트랩 전원장치를 이용하는 것이다.

드라이버 IC는 통상적으로 한 쌍의 상보형 하이 및 로우 사이드 IGBT를 구동할 수 있다. 그러므로 풀 브리지 인버터를 구현하기 위해서 그러한 2개의 드라이버 IC만 있으면 된다. 드라이버 IC에 대한 입력 신호는 마이크로컨트롤러로부터 제공되거나 아니면 아날로그 회로를 이용해서 구현할 수 있다.

이 토폴로지를 이용하면 Q1에서 Q4까지의 전력 디바이스를 이전의 단락 회로 정격 플래너 IGBT에서 새로운 최적화 트렌치 IGBT로 변경하는 것만으로 전력 소비를 최고 30%까지 절감할 수 있다. 이 인버터의 스위칭 주파수를 20kHz로 선택함으로써 출력 인덕터 L1이 가청 잡음을 발생시키는 것을 방지할 수 있다.

이 토폴로지에서 Q1은 20kHz로 폭 변조되는 사인 펄스이고, Q4는 양의 50Hz 또는 60Hz 하프 사이클에 온이 된다. Q2와 Q3은 이 양의 하프 사이클에 오프가 된다. 음의 50Hz 또는 60Hz 하프 사이클에 Q2는 20kHz로 폭 변조되는 사인 펄스이고, Q3은 온이 된다. Q1과 Q4는 이 음의 하프 사이클에 턴오프된다.

그림 3은 이의 결과적인 출력 파형으로서 LC 필터에 앞서서 풀 브리지 인버터의 출력 암 상의 전압을 보여준다. 이 전압 파형은 IGBT의 20kHz 스위칭과 60Hz 정류를 모두 보여준다. 전력 디바이스가 20kHz 및 60Hz로 동작하므로 인버터의 전반적인 전력 소비를 낮추기 위해서는 트렌치 IGBT의 낮은 전도 및 스위칭 손실이 유리하다는 것을 알 수 있다.

그림 3. 인버터 암과 출력 커패시터 상의 전압 파형 예

그림 3은 또한 LC 필터에 의해 20 kHz 스위칭 성분이 제거된 후에 출력 커패시터 상의 출력 전압을 보여준다. 이 출력은 트루 사인파 전압이다. 애플리케이션의 THD 요구를 충족하기 위해서 출력 인덕터와 커패시터의 값을 적합하게 조정할 수 있다.

DC-AC 인버터 데모 보드

그림 4는 위에서 언급한 기법을 이용해서 우수한 플래너 및 트렌치 IGBT의 성능을 비교하기 위해서 International Rec-tifier가 제작한 데모 보드를 보여준다. 이 데모 보드는 강제 공기 냉각을 필요로 하지 않고 500W의 출력 전력을 제공할 수 있다. 이 보드는 크기가 3인치×5인치이며 그림 2에서 보는 회로도를 기반으로 한다. 마이크로컨트롤러를 이용해서 IGBT를 구동하는 고전압 게이트 드라이버 IC를 위해 적합한 신호를 발생시킨다.

그림 4. DC-AC 인버터 데모 보드와 500W 출력 전력의 트렌치 및 플래너 IGBT의 히트싱크 온도 차이

IGBT는 보드 하단면에 솔더링되고 3″× 2.5″× 0.5″ 히트싱크에 탑재된다. 이 데모 보드의 500와트 목표는 전력 장치가 태양열 패널과 통합되는 분산 전력 태양열 인버터 애플리케이션에 이상적이다. 그림 4는 500W 출력 전력의 우수한 플래너 IGBT와 최적화 트렌치 IGBT 사이의 히트싱크 온도 차이를 보여준다.

플래너 IGBT를 이용할 때와 트렌치 IGBT를 이용할 때 데모 보드의 히트싱크 온도는 각각 101℃ 및 85℃이다. 전력 디바이스를 트렌치 IGBT로 교체함으로써 히트싱크 온도가 16% 낮아진다는 것을 알 수 있다. 그러므로 설계 엔지니어가 단지 전력 디바이스를 교체하거나 아니면 만약 동일한 온도를 유지해야 한다면 히트싱크의 크기를 줄여서 전력 장치 어셈블리의 크기를 줄임으로써 동일한 회로 보드 어셈블리로 전력 밀도를 향상시킬 수 있다.

결론

새로운 최적화 600V 트렌치 IGBT 제품군은 이전의 IGBT와 비교해서 20kHz로 전도 및 스위칭 손실을 낮추도록 설계되었다. 이들 IGBT의 목표 애플리케이션은 트루 사인파 출력 전압이 요구되는 UPS, 태양열 인버터, 주파수 컨버터 애플리케이션에 흔히 이용되는 DC-AC 인버터이다. International Rectifier는 히트싱크 온도 차이를 측정해서 전력 손실 감소를 검증하기 위해 풀 브리지 토폴로지를 이용한 500W DC-AC 인버터 데모 보드를 제작했다.

이 시험에서는 전력 디바이스를 새로운 최적화 트렌치 IGBT 디바이스로 교체함으로써 히트싱크 온도가 16% 낮아지는 것으로 나타났다. 손실이 감소함으로써 이전 세대 IGBT 디바이스와 비교해서 효율이 약 30% 향상되었다.

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