인피니언은 다양한 분야에 이용할 수 있는 단일 채널 게이트 드라이버 IC 제품군인 EiceDRIVER™ Compact 시리즈를 출시했다. 이 제품군은 디스크리트 IGBT와 IGBT 모듈, MOS 트랜지스터뿐만 아니라 SiC 및 GaN 스위치에도 이용할 수 있다.

EiceDRIVER™ 제품군은 코어-리스 트랜스포머(core-less transformer) 기술을 채택해 ±1200 V에 이르는 오프셋 전압과 100 kV/ms 이상에 이르는 커먼 모드 과도현상 내구성(common mode transient immunity: CMTI)으로 무리 없이 동작할 수 있다. 그럼으로써 한 차원 향상된 견고성을 달성하며 전기적 절연 드라이버의 새로운 기준을 제시하고 있다.

새로운 디바이스 제품군은 출력 전류 용량이 0.5 A부터 6 A로 다양한 전력 등급의 IGBT 및 MOS 트랜지스터 게이트 구동에 이용할 수 있다. EiceDRIVER™ Compact 시리즈의 DSO-8 패키지는 소형화된 풋-프린트와 더 높은 전력 밀도를 가능하게 한다. 그뿐만 아니라 복잡성을 낮춰 시스템 디자인을 간소화한다.

1EDI20N12AF와 1EDI60N12AF는 MOSFET과 SiC, GaN 스위치 구동에 이용하기 위한 제품들이다. 이들 제품은 게이트를 구동하기 위해 최소한 2 A 및 6 A의 출력 전류를 제공하도록 설정됐다. 또한 충전과 방전에 각기 개별적인 출력을 제공하여 애플리케이션에 따라 다양한 저항값으로 턴-온 및 턴-오프 특성을 조절할 수 있다.

이들 제품은 전달 지연이 105 ns 미만이고 입력 필터 시간이 40 ns에 불과하며 최대 4 MHz로 이용할 수 있어 SMPS 같은 고주파 스위칭 애플리케이션에 이용할 수 있다. 특히 이들 제품은 CoolMOS™ 기술을 기반으로 전력 반도체에 이용하도록 최적화되어 있다. 저전압 임계값 UVLO는 적절한 MOS 트랜지스터 동작을 달성하도록 조절할 수 있다. EiceDRIVER™ Compact 제품과 4핀 패키지의 새로운 CoolMOS™ C7 디바이스를 결합하면 효율을 추가해서 0.5% 더 향상할 수 있다. 이들 드라이버 제품은 SMPS 이외에도 PFC와 서버, 통신 장비, 태양광, 벅/부스트 컨버터, PC 전원 등의 애플리케이션에 이용할 수 있다.


1EDI05I12AF, 1EDI20I12AF, 1EDI40I12AF, 1EDI60I12AF는 게이트 출력 전류가 최소한 0.5 A ~ 6 A인 디스크리트 IGBT 및 IGBT 모듈 구동에 이용하기 위한 제품이다. 이들 4개 제품 역시 1EDI20N12AF 및 1EDI60N12AF와 마찬가지로 게이트 충전과 방전에 이용하기 위한 각기 개별적인 출력을 제공한다. 이들 드라이버 제품은 230 ns의 대형 입력 필터를 내부적으로 통합해 혹독한 환경으로 견고한 PWM 동작을 달성한다. 따라서 이들 드라이버 제품은 전달 지연이 늘어나 300 ns에 이른다. 이 지연 시간을 각기 스위칭 동작에 맞게 추가적으로 트리밍할 수 있다. 이 IC 제품을 이용하기에 적합한 애플리케이션은 드라이브, 태양광 인버터, 용접, 인덕션 쿠킹 등이다.

EiceDRIVER™ Compact 시리즈의 또 다른 제품들로서 1EDI10I12MF, 1EDI20I12MF, 1EDI30I12MF는 개별적인 충/방전 출력이 아니라 능동 밀러 클램프(Active Miller Clamp) 기능을 특징으로 한다. 이 솔루션은 유니폴라 전원장치를 이용해 IGBT에서 높은 dV/dt로 트랜지스터를 턴-오프 상태로 유지할 수 있다. 표 1은 EiceDRIVER™ 1EDI Compact 시리즈의 특징을 설명하고 있다.

제품의 특징

1.1 코어-리스 트랜스포머(Core-less Transformer)
이전 디자인과 비교해서 코어-리스 트랜스포머 기술은 동일하게 소형화된 DSO-8 패키지를 이용해 더 높은 출력 전류와 전력 밀도를 가능하게 한다. 전력 스테이지의 고속 스위칭은 만약 드라이버가 그와 같은 애플리케이션 환경에 적합하게 설계되지 않았다면 시스템 성능에 중대한 영향을 미칠 수 있다.

새로운 코어-리스 트랜스포머 기술의 견고한 디자인은 인피니온의 CoolMOS™ 트랜지스터를 이용한 애플리케이션 회로로 테스트했을 때 100 kV/ℓs 이상에 달하는 dV/dt 동작으로 높은 CMTI를 달성하고 있다[1]. 내부적 입력 잡음 필터가 MOSFET의 경우에는 TMININ+/-=40 ns, IGBT의 경우에는 TMININ+/-=240 ns의 펄스 지속시간에 이르는 잡음을 제거할 수 있다. 따라서 통상적 애플리케이션으로 외부적 필터가 필요하지 않다. 이에 설계 작업을 간소화하고 PCB 공간과 시스템 비용을 절감할 수 있다.

1.2 넓은 입력 전압 범위
입력 로직은 넓은 동작 범위로 동작하도록 설계됐으나 입력 임계 전압 레벨은 항상 입력 전원 전압(VCC1)과 연관이 있다. 통합하는 저전압 감지 회로가 칩을 3 V로 활성화하고 이 레벨 이후부터는 입력 상한(high) 임계 전압이 항상 VIN,H=0.7*VVCC1이다. 따라서 입력 하한(low) 임계 전압은 VIN,L=0.3*VVCC1이다. 이같은 선형적 스케일링으로써 직접 3.3 V 디지털 신호 프로세서로 동작할 수 있을 뿐만 아니라 신호를 부스트하기 위해 12 V PFC 컨트롤러로부터의 출력 신호를 수용할 수 있다. 최대 입력 전압 정격은 VVCC1, max=17 V이다.

1.3 반전 및 비-반전 입력
이들 새로운 EiceDRIVER™ 1EDI Compact 시리즈 제품은 2개 입력 신호를 하나는 반전 및 다른 하나는 비-반전으로 이용할 수 있다. 이들 입력을 애플리케이션의 필요에 따라 다양한 조합으로 이용할 수 있다. 예를 들어 비-반전 입력은 PWM 입력으로 이용하고 반전 입력은 일종의 ‘EN’ 신호로 작동할 수도, 아니면 그 반대로 이용할 수도 있다. 또 다른 예로는 IN+는 하이 및 IN-는 로우로서 입력의 반전 구동이 가능하다. 이 방법은 안전성 측면에서 유용할 수 있다.

만약 2개의 EiceDRIVER™ Compact 디바이스를 이용해서 IGBT 또는 MOS 트랜지스터를 하프 브리지 구성으로 구동할 때는 상측 드라이버의 IN+ 신호를 하측 드라이버의 IN- 신호로 연결하거나 그 반대로 할 수 있다. 이렇게 구성하면 상호 전도(interlock)를 피할 수 있다.
I
N+ 단자를 내부적으로 풀-다운해서 오프 상태를 이루고 IN- 단자를 풀업할 수 있다. 이 셋업 역시 입력 신호를 고 임피던스 출력으로 연결하거나, 취약한 솔더 접합부로 연결하거나, 와이어 단선으로 연결하는 등의 경우에 오프 상태를 이루도록 할 수 있다.

1.4 출력 구성
EiceDRIVER™ 1EDI Compact 시리즈는 다양한 유형의 애플리케이션에 이용하도록 다양한 유형의 제품들을 제공한다. 따라서 특정한 요구에 따라서 제품을 선택할 수 있다.

1.4.1 소스와 싱크에 별도 출력 제공
소스(On)와 싱크(Off)에 각기 별도 출력을 제공하는 제품들은 턴-온 및 턴-오프 스위칭 동작에 따라 애플리케이션 회로를 적합하게 조정하기에 유용하다. 이는 각기 개별적인 게이트 충전 및 방전 저항을 이용해서 구현할 수 있으며 추가적인 외부적 다이오드가 필요하지 않다. 그림 1에서 왼쪽이 이 구성이다. 전원 전압은 VCC2=35 V까지 될 수 있다. 이들 IC 제품은 유니폴라 전원을 이용해 바이폴라 게이트 전압을 제공할 수 있다. 그럼으로써 구동 회로를 간소화하고 더 적은 PCB 공간을 차지하며 게이트 루프의 기생 성분을 최소화함으로써 더 우수한 성능을 달성할 수 있다.

1.4.2 출력과 능동 밀러 클램프
그림 1의 오른쪽은 또 다른 출력 구성이다. 이 경우는 공통적 충전/방전 경로에 능동 밀러 클램프를 결합하고 있다. 이 구성의 장점은 높은 dV/dt로도 트랜지스터를 턴-오프할 수 있다는 것이다. 이 솔루션은 바이폴라 전원을 피할 수 있어 회로 작업을 줄이고 PCB 공간을 절약할 수 있다. 이들 드라이버 IC 제품은 최대 VCC2=20 V에 이르는 유니폴라 전원을 지원하여 대다수 애플리케이션에 이용하기에 충분하다.

이들 드라이버 IC 제품은 대기 전류가 낮으므로 부트스트랩 회로를 이용한 간소화된 전원 전압 발생을 이용할 수 있다. 또한 대형의 부트스트랩 커패시터를 이용할 필요 없이 높은 변조 지수를 지원한다.

능동 밀러 클램프 제품의 또 다른 이점은 다이오드를 통합해서 CLAMP 핀을 VCC2로 클램핑한다는 것이다. 이 핀을 전력 스위치 게이트로 직접 연결하여 이러한 유사한 구성들에서 흔히 발견할 수 있는 통상적인 게이트 출력 및 게이트 저항 경로의 바디 다이오드와 비교해 추가적인 저항 경로를 발생시키지 않는다. 따라서 PCB 상에 추가적인 외부적 다이오드가 필요할 때의 공간을 절약할 수 있다. CLAMP 기능은 출력과 동일한 전류 용량을 갖는다. 1EDI30I12MF는 최소 피크 전류가 IOUT=3 A이다. 턴-오프 시에 CLAMP 핀의 전압이 VGATE=2 V아래로 떨어지면 CLAMP 회로가 작동한다. 그다음 턴-온 시에는 Clamp 회로가 3상태 모드로 작동한다.

성능

2.1 열 성능
EiceDRIVER™ Compact 시리즈는 듀얼 칩 디자인으로 한 패키지 내에서 2개의 각기 독립적인 전력 손실 영역을 발생시킨다. 따라서 먼저 출력 칩으로부터의 영향을 배제하기 위해서 입력 섹션을 자체적으로 평가했다. 두 번째 평가 단계에서는 그림 2와 같이 입력과 출력 동작을 조합했다.
최대 f=5 MHz에 이르는 입력 스위칭 주파수와 최대 VCC1=17 V에 이르는 전원 전압에 대해 1EDI60N12AF의 온도 상승을 테스트했다. 이 드라이버 IC는 입력 칩 영역으로 VCC1=5 V일 때 최대 5.5Kelvin 및 VCC1=17 V일 때 최대 14Kelvin의 온도 상승을 나타냈다.

출력 섹션을 시험하기 위해서는 입력으로 VCC1=5 V의 정전압을 공급했다. VCC2=15 V 및 50% 듀티 사이클일 때 입력 칩의 영향은 출력 칩에서의 전력 손실에 비해 미미한 것으로 나타났다. 그림 3에서는 커패시티브 부하(CLOAD) 변동과 스위칭 주파수에 따른 열적 영향을 기록하고 있다. 드라이버 출력 스테이지와 각기 1.2 W의 2개 외부 게이트 저항 사이에 전력 손실을 공유하고 있다.

2.2 출력 전류 용량
드라이버 IC에서 가장 중요한 파라미터 중의 하나가 출력 전류이다. 이 시리즈의 가장 강력한 드라이버 제품들인 1EDI60I12AF와 1EDI60N12AF는 출력에서 최소 피크 전류가 VDS=15 V일 때 Igate=6 A이다. 이 정격은 전체적인 온도 범위에 걸쳐 유효하며 동적 단락 회로 테스트 시에는 정격값이 외부적 게이트 저항이 필요하지 않고도 거의 두 배가 높아진다. 그러므로 대부분 애플리케이션에서 이전 디자인의 통상적으로 필요로 하는 추가적인 부스터 회로가 필요하지 않다. 이에 추가로 부품 수와 PCB 공간, 그리고 궁극적으로 비용을 절감할 수 있다.

이들 드라이버 제품은 온 상태일 때 최대 전원 전압에 이르는 출력 전압 및 오프 상태일 때 최저 접지에 이르는 출력 전압을 제공할 수 있어 간단한 부스트 회로 이용 시 출력 전압이 낮아지는 단점을 피할 수 있다.

2.3 CoolMOS™ C7 스위칭
1EDI60N12AF를 드라이버의 부하로서 CoolMOS™ IPZ65R095C7을 이용해 50% 듀티 사이클 및 fSW=1 MHz의 스위칭 주파수로 실행되는 부스트 구성으로 테스트했다. CoolMOS™ 트랜지스터 IPZ65R095C7의 정격 총 게이트 전하는 45 nC이다[3]. 이 테스트 회로는 전원 전압은 50 V이고 게이트 드라이버 전원 전압은 VCC2=12 V였다. 게이트 전하 저항과 게이트 방전 저항은 1.2 Ω이었다. 출력 부하 전류는 0.5 A였다. 이 구성에서 드라이버의 공급 전류는 56 mA였다.

이 같은 동작 환경으로 CoolMOS™의 최대 온도는 TCM=81 °C 및 드라이버에서는 TDrv=64 °C로 기록됐다. 그러므로 1EDI Compact 시리즈의 용량이 CoolMOS™ C7을 구동하고도 남을 만큼 충분하다는 것을 알 수 있다. CoolMOS™를 이용해서 높은 스위칭 주파수로 동작하더라도 이 드라이버가 적절히 동작하는 것으로 나타났다.

결론

EiceDRIVER™ Compact 시리즈는 다양한 유형의 디스크리트 IGBT와 MOS, 모듈, SiC 및 GaN 스위치에 이용할 수 있도록 개발됐다. 이 글에서는 테스트 회로와 특정한 애플리케이션 회로를 이용해서 열 성능을 살펴봤다. 이로써 EiceDRIVER™ Compact 시리즈의 뛰어난 성능을 확인할 수 있었다. 이들 제품은 혁신적인 디자인을 채택해 애플리케이션 회로 작업을 간소화할 수 있다. 또한 넓은 전원 범위와 유연한 입력 신호 구성을 특징으로 필요로 하는 외부 부품, 복잡성, PCB 공간을 최소화한다. 강한 드라이버 출력과 높은 스위칭 주파수는 부스터 스테이지를 필요하지 않아 추가적으로 PCB 공간을 절약하고 전반적인 전력 밀도를 향상한다.

이들 드라이버 제품은 다양한 출력 전류/게이트 전류 용량과 구성을 가능하여 레이아웃과 성능, 비용 측면에서 최적화된 시스템 디자인을 달성할 수 있다. 또한 다수의 기능을 통합하고 지능적인 솔루션을 제공함으로써 사용 편의성을 높였다. 따라서 비용에 민감하면서 높은 성능과 높은 전력 밀도를 요구하는 시장 분야의 애플리케이션 요구를 완벽하게 충족한다. 이들 제품에 관한 더 자세한 내용은 참고문헌 [4]의 링크에서 볼 수 있다.