1. 인버터 설계를 위한 SiC MOSFET 선정
제가 원하는 인버터는 최대 300V의 입력 전압으로 3kW까지 출력 가능한 인버터를 설계하는 것이므로 이에 충족하는 소자를 선정해보겠습니다.
- 정격전압이 600V이상일 것
정격전압은 설계할 인버터의 서지전압과 연관이 깊습니다.
인버터의 서지전압에 의해 소자가 소손될 수 있으므로 설계 목표보다 정격이 높은 모스펫을 선정해야합니다. - 정격전류가 30A이상일 것
정격전류는 추후에 사용할 모터에 사양에 맞춰서 구성하였습니다. 유도전동기의 V/F제어시 기동전류로 인해 정격의 3~4배 이상의 전류가 인버터를 통해 흘러들어가므로 소자의의 소손을 방지하기 위해선 높은 정격 전류의 MOSFET이 요구됩니다. - 기생커페시터 성분이 낮을 것
기생커페시터 성분은 스위칭속도와 손실에 영향을 줍니다.
그러므로 빠른 스위칭을 위해서는 낮은 기생커페시터를 가지고 있는 모스펫일 수록 좋습니다. - 0V 스위칭이 가능할 것
많은 제조사에서 음전압 게이트전압 인가를 통해 빠른 스위칭을 구현합니다.
음의 전압으로 드라이버에 전원을 인가하면 더욱 빠른 속도로 전류를 방전할 수 있기 때문이죠.
하지만, 음전압 스위칭모스펫을 사용 하면 게이트드라이버 주변회로의 구성 또한 달라지게 됩니다.
음전압 게이트 구동을 위해서는 -18V to 18V의 SMPS를 요구할 수 있습니다. 저는 음전압 스위칭이 까다롭다고 생각하였기 때문에 0V to 18V 스위칭을 하는 모스펫을 찾아다녔습니다.
인피니온, 울프스피드의 SiC MOSFET은 음전압 구동이 필수적이고
로옴의 경우 0V전압 스위칭이 가능하다고 명시되어있어 로옴의 제품을 사용하였습니다.
추가적으로 로옴은 다양한 어플리케이션 노트를 한국어로 제공하기 때문에 프로젝트 진행에 매우 도움이 되었습니다.
2-1. GateDriver란?
게이트드라이버는 MOSFET 게이트에 입력하는 전압 18V로 승압해주는 역할을 합니다.
일반적으로 사용하는 MCU는 3.3V나 5V의 PWM을 출력합니다. 하지만 MCU를 통해 게이트를 ON해주기에는 충분한 전류와 전압을 게이트에 공급해주지 못합니다.
일반적으로 모스펫의 게이트와 소스, 드레인 사이에는 커페시턴스가 존재하고 이를 빠른 시간안에 충전해주기 위해 비교적 높은 전류가 필요합니다. 또한 SiC MOSFET은 게이트전압이 18V이기 때문에 5V의 PWM으론 턴온 시킬 수 없습니다.
하나의 예시로 Rohm의 SiC MOSFET인 SCT3080AL을 살펴봅시다.
Recommended drive voltage가 0~18V입니다. 즉. Gate에 전압을 인가해 턴온상태로 만드려면 0~18V의 PWM이 필요한데 이를 위해서는 Gatedriver를 이용해야 합니다.
2-2. GateDriver 선정
제가 생각한 GateDriver의 선정 조건은 다음과 같습니다.
- 입력단과 출력단이 절연형일 것
게이트드라이버가 불의의 사고로 죽었을 때, MCU에 데미지를 주지 않기 위함입니다. 실제로 프로젝트 진행 중에 드라이버가 10번 넘게도 죽었는데, 비절연형이라면 MCU도 같이 변경해야 했을 겁니다. - 낮은 딜레이를 가지고 있을 것
딜레이가 심하다면 작동에 큰 오류가 생깁니다. 스위칭 주기에 영향을 주기도 하고 온오프 동작에 영향을 주기 때문에 최대한 낮을 것을 고르는게 좋습니다.
찾아본 드라이버들은 대부분 딜레이가 낮기 때문에 중요성에 비해 크게 고려한 요소는 아닙니다. - 제조사에서 최대한 많은 레퍼런스를 제공하고 있을 것
제조사가 다양한 레퍼런스를 제공하면 할 수록 좋습니다. 게이트 드라이버를 알고 있어도 어떻게 쓰는지 모르면 아무것도 못하기 때문이죠.
위의 세가지 조건을 모두 만족하는 게이트드라이버는 2~3개 정도 있었지만, 결국은 Ti의 Driver가 적절하다고 생각했습니다.
2-3. 게이트 드라이버 데이터시트
소자를 사용하기 전, 데이터 시트를 살펴봅시다.
핀아웃을 먼저 살펴봅시다.
INA = 입력 1번
INB = 입력 2번
VCCI = 1차측 5V
GND = 1차측 그라운드
EN = 사용하므로 VCCI와 묶기
DT = 데드타임, MCU에서 데드타임을 줄 것이기 때문에 사용하지 않음, VCCI와 묶어서 사용
NC = NOT CONNECTED
VDDA = 2차측 18V
OUTA = 2차측 1번 아웃
VSSA = 2차측 1번 그라운드
VDDA =2차측 18V
OUTB = 2차측 2번 아웃
VSSB = 2차측 2번 그라운드
이를 통해 5V 와 18V의 SMPS가 필요함을 알수 있습니다.
Ti는 드라이버 데이터시트에 Reference 를 제공하고 있습니다.
부트스트랩 회로에 대한 자세한 설명과 예시를 제공하여 이를 통해 쉽게 회로를 구성할 수 있었습니다.
그러면 해당 Gate Driver를 정확하게 사용하기 위해선, Bootstarp 회로에 대해서 알아봅시다.
3. Bootstrap 회로 설계
부트스트랩 회로는 게이트 드라이버 2차측 하이사이드 전원(VDDA)에 전력을 공급해주기 위한 장치입니다. 기본적으로 부트스트랩 커페시터 Cboot와 다이오드가 사용됩니다.
인버터 회로는 NMOS가 High side, Low side에 배치가 됩니다. 그러므로 High side의 source는 2차측 접지(VSS)에 배치될 수 없습니다. VDDA는 VSSA와 전위차이로 전압이 공급되기 때문에 부트스트랩 회로가 없으면 정상적인 작동이 불가능합니다.
만약 부트스트랩이 없다면 회로는 다음과 같이 작동할 것입니다.
- Lowside ON Highside OFF일 때
VSSA는 0V이고 VDDA node에는 18V가 인가되어 FET가 정상적으로 작동할 것입니다.
(하지만 이때 OUTA는 출력이 없음) - Highside ON, Lowside OFF일 때
VSSA는 Vdc가인가될 것입니다. 그러면 VDDA와 VSSA의 전위차이는 18-Vdc가 될 것입니다.
Highside ON, Lowside OFF일때 비정상적인 작동을 하게 되므로 사용해서는 안되는 회로입니다.
만약 부트스트랩이 있다면
- Lowside ON, Highside OFF일 때
Cboot에 18V가 충전되면서 VDDA와 VSSA사이엔 18V가 인가됩니다. 커페시터를 충전하므로 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다. (OUTA에 출력은 없으므로 커페시터의 충전된 전하를 소모하지 않음) - Highside ON, Lowside OFF일 때
충전된 Cboot는 VDDA에 전력을 공급합니다. VSSA에는 Vdc전압이 인가됩니다. 하지만 VDDA와 VSSA의 사이의 전압은 Cboot에 충전된 전압만큼 인가되므로 18V가 인가됩니다.(VDDA의 전압은 VDC + 18V)
즉, 정상적으로 driver가 동작할 수 있게 됩니다.
부트스트랩 다이오드는 VDD로 되돌아가는 전류를 막아주는 역할을 합니다. 그러므로 정격전압과 전류가 크고 역회복특성이 좋은 다이오드를 사용해야합니다. VDDA에는 높은 전압이 인가될 수 있기 때문에 모스펫의 정격에 가까운 다이오드를 선정해야합니다.
부트스트랩 커페시터는 Highside FET를 턴 온 하기 위해 Gatedriver VDDA에 전력을 공급하는 역할을 합니다. 이때 너무 높은 값의 커페시턴스가 사용되면 18V의 전압이 너무 느리게 충전될 수 있습니다. 고속 스위칭을 지향하는 SiC MOSFET에서 느린 속도로 커페시터가 충전된다면 UVLO가 작동되어 비정상적으로 회로가 동작될 수 있습니다.
반대로 커페시턴스가 너무 낮으면, 18V의 전압 리플이 커질 수도 있습니다. 그러므로 적절한 커페시턴스의 선정이 중요합니다.
제조사에선 그림4의 수식을 제공합니다. $Q_{total}$을 얻기 위해선 더블펄스 실험을 진행해야합니다. 실제로 더블펄스를 진행하기엔 애로사항이 많으므로 시뮬레이션을 통해 회로를 모델링하고 $Q_G$값을 얻어냈습니다.
이를 통해 얻어낸 $Q_G$값은 대략83nC 이고 $Q_{total}$은 저희들의 실험 구성에서 200nC정도 되는 것을 확인하였습니다. TI사는 계산한 CBOOT값에 10배정도 되는 커페시터를 이용해서 Cboot를 구성하였기 때문에 2uF정도로 Cboot값을 선정하였습니다.
4. UVLO
부트스트랩 커페시터의 소자값이 너무 높으면, UVLO가 작동할 수 있다고 하였습니다.
UVLO는 UnderVoltageLockOut의 약자로 일정전압보다 낮은 전압에서 디바이스를 작동중지하는 옵션입니다.
- OFF에서는 작동 안함
- 전압이 올라가면서 FUNCTIONAL지점에 도달할 때 작동은 함. 하지만 최고의 퍼포먼스는 나오지 않음.
- FULL PERFORMANCE에서 재대로 된 동작이 시작
- UNDEFINED에서는 사용금지 = 예상치 못한 일이 발생할 수 있음.
- 이러한 UVLO는 히스테리시스를 가지고 있어서 ON동작과 OFF동작에서 각각 다른 전압 지점에서 발생
제조사에서는 다음과 같이 UVLO의 값을 제공해줍니다. 직접 회로를 제작한 다음에, VSSA와 VDDA의 파형을 오실로로 관측해보면서 적절한 값이 선정되었는지 확인해보는 것도 좋을 것 같네요.
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