Si 파워 디바이스｜평가편

인버터 회로에서 스위칭 소자 역회복 특성의 중요성3상 변조 인버터 회로의 기본 동작

2023.07.19

키 포인트

・인버터 회로에서는 동작 상 Body Di의 역회복 전류가 발생한다.

・역회복 시간이나 역회복 전류가 크면 손실 증가로 이어지므로, 인버터 회로에서는 단점이 된다.

・역회복 시간과 역회복 전류 피크가 작은 MOSFET를 사용함으로써, 인버터 회로의 손실을 저감하고, MOSFET 파괴 리스크를 저감할 수 있다.

이번에는 두번째 항목인 「3상 변조 인버터 회로의 기본 동작」에 대해 설명하겠습니다. 지난 편에서 설명한 바와 같이 모터 구동에서 자주 사용되는 「정현파 구동 (3상 변조) 방식」을 예로 들어 설명하겠습니다.

3상 변조 인버터 회로의 기본 동작

그림 6은 U상에서의 3상 변조 인버터 회로 타이밍 차트입니다. U상이 플러스 극성일 때는 High Side (Q1)가 여자 (励磁 / Excitation)를 실행하므로, U상 전류의 피크에 가까워짐에 따라 게이트 구동 신호의 듀티가 증가하고, 마이너스 극성에 가까워질수록 듀티가 감소하여, 마이너스 극성일 때는 프리휠링 동작을 합니다. U상이 마이너스 극성일 때는 이와 반대로 Low Side (Q2)가 여자 (励磁 / Excitation)를 실행하여, 플러스 극성에서 프리휠링 동작을 합니다.

이러한 구동 패턴에서는 V상, W상도 마찬가지로 PWM 동작 및 프리휠링 동작을 실행하기 때문에, AC 출력의 모든 타이밍에서 3상 모두 스위칭하는 것이 특징이므로 3상 변조라고 합니다.

각 스위칭 타이밍에서의 듀티 D(t)는 인버터 출력 AC 주파수 f 및 위상차 θ를 사용하여, 하기 식으로 나타낼 수 있습니다.

D(t)=D_max sin⁡(2πft+θ) ・・・・・・・・・ (1)

여기에서 Dmax는 AC 출력 피크 시의 듀티이며, 변조율이라고 합니다.

그림 7은 U상 전류 피크 부근 (플러스 극성)에서 U상의 상전류 파형과 각 상의 트랜지스터 (Q1/Q2, Q3/Q4, Q5/Q6)의 게이트 구동 파형을 나타낸 것입니다.

U상 전류 피크 부근에서, 인덕터에 에너지를 축적하기 위한 여자 (励磁 / Excitation) 스위치인 U상 High Side (Q1)가 ON된 후 OFF되고, 다시 ON될 때까지의 구간을 (1)~(13)까지의 동작 모드로 나누어 설명할 수 있습니다. 하기 그림은 U상에서 본 전류 경로의 변화를 나타낸 것입니다.

Mode (1)

  • ・Q1, Q4 및 Q6이 ON, Q2, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・Q4 및 Q6의 드레인 전위가 0V가 된다.
  • ・Q2의 드레인 전위가 Vin이 되어, U상의 인덕터 LU에는 Vin의 전압이 인가된다.
  • ・LU에 여자 전류가 흐름에 따라, LU에 에너지가 축적된다.

Mode (2)

  • ・Q1, Q6이 ON, Q2, Q3, Q4 및 Q5가 OFF.
  • ・Q6의 드레인 전위는 계속 0V 상태.
  • ・LU의 여자 전류에 의해 여자된 LV에는, Q4가 OFF됨에 따라 Q3의 Body Di를 통해 프리휠링 전류가 흐른다.
  • ・이 프리휠링 전류와 LW로의 여자 전류에 의해, LU에 여자 전류와 프리휠링 전류가 흐른다.

Mode (3)

  • ・Q1, Q3 및 Q6이 ON, Q2, Q4 및 Q5가 OFF.
  • ・Q6의 드레인 전위는 계속 0V 상태.
  • ・Q3이 ON되어, Q3의 Body Di에 흐르던 프리휠링 전류가 Q3의 채널에 흐르게 됨에 따라 동기정류 동작으로 전환된다.
  • ・LU에 계속 여자 전류와 프리휠링 전류가 흐른다.

Mode (4)

  • ・Q1, Q3이 ON, Q2, Q4, Q5 및 Q6이 OFF.
  • ・LU의 여자 전류에 의해 여자된 LW에는, Q6이 OFF됨에 따라 Q5의 Body Di를 통해 프리휠링 전류가 흐른다.
  • ・이에 따라 LV, LW가 프리휠링 상태가 되고, 이 프리휠링 전류의 합성 전류에 의해 LU에 흐르는 전류는 유지된다.

Mode (5)

  • ・Q1, Q3 및 Q5가 ON, Q2, Q4 및 Q6이 OFF.
  • ・Q5가 ON되어, Q5의 Body Di에 흐르던 프리휠링 전류가 Q5의 채널에 흐르게 됨에 따라 동기정류 동작으로 전환된다.
  • ・이때 LV, LW가 계속 프리휠링 상태가 되어, LU에 흐르는 전류는 유지된다.

Mode (6)

  • ・Q1, Q3이 ON, Q2, Q4, Q5 및 Q6이 OFF.
  • ・먼저 Q5가 OFF됨에 따라, 프리휠링 전류가 다시 Q5의 Body Di에 흘러, Mode (4)와 같은 전류 경로로 프리휠링 전류가 흐른다.

Mode (7)

  • ・Q1, Q3 및 Q6이 ON, Q2, Q4 및 Q5가 OFF.
  • ・Q6이 다시 ON됨에 따라, Q6의 드레인 전위는 0V로 낮아진다.
  • ・Q6의 드레인 전위가 낮아짐에 따라, 다시 LU의 단자 사이에 Vin의 전압이 인가된다.
  • ・Mode (3)과 같은 전류 경로로, LU에 프리휠링 전류와 여자 전류가 흐른다.

Mode (8)

  • ・Q1, Q6이 ON, Q2, Q3, Q4 및 Q5가 OFF.
  • ・Q3이 다시 OFF됨에 따라, 프리휠링 전류가 Q3의 Body Di에 흐른다.
  • ・Mode (2)와 같은 전류 경로로, LU에 계속 프리휠링 전류와 여자 전류가 흐른다.

Mode (9)

  • ・Q1, Q4 및 Q6이 ON, Q2, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・Q4가 다시 OFF됨에 따라, Q4의 드레인 전위가 0V로 낮아진다.
  • ・Mode (1)과 같은 전류 경로로, 프리휠링 전류가 흐르지 않게 된다.
  • ・LU, LV, LW가 여자 상태가 됨에 따라, 다시 큰 여자 전류가 LU에 흘러, LU에 에너지가 축적된다.

Mode (10)

  • ・Q4, Q6이 ON, Q1, Q2, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・Q1이 OFF됨에 따라, LU에 흐르던 여자 전류는 흐르지 않게 된다.
  • ・이때 LU는 에너지를 유지하므로, Q2의 Body Di를 통해 프리휠링 전류가 흐른다.

Mode (11)

  • ・Q2, Q4 및 Q6이 ON, Q1, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・Q2가 ON됨에 따라, Q2의 Body Di에 흐르던 프리휠링 전류가 Q2의 채널에 흐르게 됨에 따라 동기정류 동작으로 전환된다.
  • ・LU의 축적 에너지에 의해 프리휠링 전류가 계속 흐른다.

Mode (12-1)

  • ・Q4, Q6이 ON, Q1, Q2, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・Q2가 OFF됨에 따라, 프리휠링 전류가 다시 Q2의 Body Di에 흐른다.
  • ・LU의 축적 에너지에 의해 프리휠링 전류가 계속 흐른다.

Mode (12-2)

  • ・Q4, Q6이 ON, Q2, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・Q1이 OFF상태에서 Turn-on하는 Mode.
  • ・Q2의 Body Di 프리휠링 중에 Q1이 Turn-on하므로, Q1의 채널과 Q2의 Body Di의 역회복 전류가 발생한다.
  • ・이 역회복 전류에 의해, Turn-on의 스위칭 손실이 발생한다.
  • ・역회복 전류가 다 흐르면 Mode (13)으로 이행된다.

Mode (13)

  • ・Q1, Q4 및 Q6이 ON, Q2, Q3 및 Q5가 OFF.
  • ・역회복 전류가 다 흐르면, Mode (1)과 같은 경로로 전류가 흐른다.
  • ・LU에 여자 전류가 흐름에 따라, LU에 다시 에너지가 축적된다.

이와 같은 동작에서 Mode (12-2)와 같은 Body Di의 역회복 전류가 발생합니다. 이러한 Body Di의 역회복 전류는 Q1~Q6 모두에서 발생하는 것이므로, 인버터 회로에서는 역회복 특성의 우열이 매우 중요합니다. 역회복 전류로 인한 악영향을 하기에 정리하였습니다.

●역회복 전류 (피크 전류)가 큰 경우
예를 들어 Mode (12-2)와 같이 Q1 Turn-on 시에는 Q2의 역회복 전류가 흐릅니다. 역회복 전류 피크 Irr이 크면, Q1에 과대한 전류가 흐릅니다. 이때 MOSFET의 정격을 초과하면 (전류 밀도가 커지면) 드레인 – 소스 사이에서 쇼트 파괴를 일으켜 arm 단락 상태가 되므로, Q1, Q2 양쪽의 MOSFET가 파괴될 가능성이 있습니다.

●역회복 시간이 긴 경우
Body Di의 역회복 전류가 흐를 때, Mode (12-2)에서 Q2의 Body Di가 도통 상태면 Q1의 드레인 – 소스 사이에는 Vin의 전압이 인가됩니다. 이때 Turn-on의 스위칭 파형은 그림 11과 같아집니다. 역회복 시간 trr이 길수록 Turn-on 시 Q1의 드레인 전류 ID(t)가 흐르는 시간과 드레인 – 소스 전압 VDS(t)가 인가되는 시간이 길어집니다. 이때의 스위칭 손실 PSW는 스위칭 1주기를 TS로 하여, 다음 식과 같이 나타낼 수 있습니다.

(2) 식에서 ID(t)와 VDS(t)를 곱한 값에 시간을 곱한 면적분이 손실의 에너지 EON이므로, 역회복이 늦을수록 스위칭 손실이 증가하는 것을 알 수 있습니다. 인버터 회로의 경우, 인덕터에 흐르는 전류는 정현파 형태로 변화하므로, 스위칭 타이밍에 따라 Turn-on의 역회복 전류도 변화합니다. 즉, 정현파의 피크 부근일수록 역회복 전류가 커지게 됩니다. 따라서, 정현파 피크 부근의 스위칭일 경우 역회복 전류로 인한 손실이 커지므로 특히 주의가 필요합니다.

이와 같이, 역회복 시간 및 역회복 전류가 크다는 것은, 인버터 회로에서 단점으로 작용합니다. 역회복 시간이 작고, 역회복 전류 피크가 작은 MOSFET를 사용함으로써 인버터 회로에서의 손실을 저감하여, 스위칭 소자의 파괴 리스크를 저감할 수 있습니다.

일반적으로 인버터 회로의 역회복 손실 평가에는 더블 펄스 시험이 사용됩니다. 다음 편에서는 더블 펄스 시험을 통해, 역회복 특성이 우수한 MOSFET와 일반적인 SJ MOSFET의 손실을 비교해 보겠습니다.

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