최근 들어 IGBT 기술이 발전함에 따라 디바이스의 스위칭 손실을 크게 낮출 수 있다. 이글에서는 켈빈 이미터 구성을 이용해 전반적인 시스템 효율을 향상하고 IGBT 디바이스가 더 낮은 온도로 동작하는 방법에 대해 알아본다.

켈빈 이미터를 제공하는 TO-247 4핀 패키지는 더 빠르게 정류할 수 있어 650 V TRENCHSTOP™ 5 IGBT의 스위칭 동작을 향상한다. 그럼으로써 표준적 TO-247 패키지와 비교해 동적 손실을 20퍼센트까지 낮출 수 있으며, 이는 다시 전반적인 시스템 효율을 향상하고 IGBT가 더 낮은 온도로 동작할 수 있다.

최근 들어 IGBT 기술이 향상함에 따라 디바이스의 스위칭 손실을 크게 낮출 수 있다. 이는 IGBT 칩의 구조를 변경함으로써 가능하다. 그림 1은 각기 다른 기술의 디스크리트 50 A 정격 IGBT의 스위칭 에너지를 비교했다. 그림 하단에는 해당 IGBT와 이와 짝을 이루는 다이오드 기술, 그리고 시장에 출시된 연도를 표시했다. 대조를 위해 동일 전류 정격의 디바이스들을 이용해서 스위칭 셀에서 에너지를 측정했다.

그림 1은 최근 제품군에 이르면서 IGBT의 턴-오프 에너지가 얼마나 크게 낮아졌는지를 알 수 있다. 이는 턴-오프 시에 전류 하강 시간을 단축하고 테일 전류를 거의 완전히 제거함으로써 달성할 수 있게 된 것이다. 한편으론 턴-온 에너지가 크게 변하지 않았다는 것을 알 수 있다. 가장 큰 이유는 IGBT의 턴-온 동작은 짝이 되는 다이오드와 역 복구 전하량에 따라 크게 종속적이라는 점에서 비롯된다.

실제로 다이오드를 더 빠른 IGBT와 결합하면 역 전하의 양이 증가하는 경향을 보이고, 그럼으로써 스위치의 턴-온 손실을 증가시킨다. 이러한 턴-온 손실을 크게 낮추기 위해서 TRENCHSTOP 5 제품군으로 도입한 것이 바로 TO-247 4핀 패키지이다. 이 패키지는 전적으로 제어 루프로 연결하기 위한 추가적인 이미터 핀을 포함하며, CoolMOS™ C7 기술의 수퍼정션 MOSFET과 결합해 이미 성공적으로 채택됐다[1].

켈빈 이미터 구성을 이용함으로써 스위칭 속도를 더욱더 향상할 수 있다. 그럼으로써 같은 다이오드를 이용한다 하더라도 턴-온과 턴-오프 모두에서 스위칭 손실을 낮출 수 있다. 여러 가지 이점이 많지만, 그중에서도 중요한 것은, TO-247 4핀 구성은 전반적인 시스템 효율을 향상하고 IGBT 디바이스가 더 낮은 온도로 동작할 수 있다.

켈빈 이미터 구성

TO-220이나 TO-247 같은 표준적 쓰루-홀(through-hole) 패키지에서 각각의 리드 패드는 기생 인덕턴스를 의미한다. 특히 이미터 패드 인덕턴스는 전력 루프와 제어 루프 양쪽 모두의 일부분을 지나게 된다. 또한, 전력 루프는 컬렉터 리드와 스위칭 소자를 DC 링크 커패시터로 배선하는 PCB 트랙으로부터의 기생 인덕턴스를 포함한다.

게이트 루프는 게이트 리드로부터와 게이트 및 이미터 패드를 게이트 저항과 게이트 드라이버로 배선하는 PCB 트랙으로부터의 인덕턴스를 포함한다. IGBT의 턴-온이나 턴-오프 같은 전이 시점에 기생 인덕턴스는 전압 강하를 일으키고, 디바이스 핀 상에서 유효 전압과 다이 패드 상에서 유효 전압이 차이를 만든다. 이미터 리드 인덕턴스 Le로 인한 전압 감쇠는 유효 게이트-이미터 전압을 감소시킨다. 이것을 Le를 이미터 전류의 변화 속도 di/dt로 곱한 것으로써 수치화할 수 있다. 이 감쇠 때문에 정류 시간이 길어지고 스위칭 손실이 높아진다.

새롭게 제공하는 TO-247 4핀 패키지는 IGBT의 이미터로 추가적인 핀을 제공한다(그림 2에서 E2로 표시). 이 핀은 게이트 드라이버로 연결한다. 켈빈 이미터 단자라고 불리는 이 핀은 전력 루프로부터의 감쇠를 겪지 않는다. IGBT의 컬렉터로부터 들어오는 전류는 오로지 전력 이미터 리드 E1으로만 전도된다.

TO-247 4핀 패키지의 또 다른 점은 표준적 TO-247 3핀과 핀-아웃이 다르다는 것이다. 이렇게 한 것은 고전압 핀들 사이에 연면거리를 유지하기 위해서이다. 또한, 전력 루프로 연결하는 핀들인 C와 E1이 붙어 있게 하고 제어 루프로 연결하는 핀들인 E2와 G가 붙어 있게 했다.

전기적 스위칭 성능

전력 이미터로부터의 게이트 전압이 감쇠되지 않아 IGBT 스위칭이 표준적 TO-247 패키지보다 더 빨라진다. 턴-온 시에 켈빈 이미터 구성의 이점을 수치화하기 위해 IKZ50N65EH5 IGBT를 DUT(device under test)로 이용해서 테스트했다. 이 디바이스는 TRENCHSTOP™ 5 제품군에 속하는 제품으로써 TO-247 4핀 패키지의 50 A 정격 IGBT이다.

첫 번째 테스트는 이미터 핀 E1과 E2를 연결했다. 게이트 드라이버 출력을 G핀과 E1핀으로 연결했다. 이렇게 해서 표준적 TO-247 패키지를 에뮬레이트하고 이를 그림에서 3핀 구성이라 한다. 두 번째 테스트는 E1핀과 E2핀을 그림 2에서와 같이 연결했다. 이는 4핀 구성이라고 한다. 또한, 참고로 표준적 TO-247 패키지로 동일 전류 정격으로 시장에 나와 있는 경쟁사 디바이스를 포함했다.

그림 3에서는 이들 3개 테스트에서 측정된 총 스위칭 손실을 보여준다. 전류가 높아질수록 켈빈 이미터 구성의 이점이 더욱더 분명해진다는 것을 알 수 있다. 전류가 높아지면 높은 전류 변화 속도가 요구된다. 따라서 3핀 구성에서는 리드 인덕턴스가 게이트 전압을 크게 감쇠한다.

그림 4는 3핀 구성과 4핀 구성의 스위칭 전류에 따른 스위칭 에너지 차이를 보여준다. 그러므로 표준적 3핀 구성에 대해서 켈빈 이미터의 이점을 백분율과 같은 절대적 수치로 수치화할 수 있다. 그림 4는 전류가 IGBT의 정격 전류보다 높은 애플리케이션에서 스위칭 손실 감소가 20퍼센트를 넘을 수 있다는 것을 알 수 있다. UPS(무정전 전원장치)나 용접 장비가 바로 그러한 경우이다. 태양광 인버터나 SMPS(스위치 모드 전원장치) 같이 전류가 IGBT 전류 정격의 대략 절반 정도인 애플리케이션에서는 이 이점이 다소 낮아져서 최대 15퍼센트까지 스위칭 손실을 낮출 수 있다.

추가 정보

관련 애플리케이션 노트에서는 TO-247 4핀 패키지의 이점을 최대한 활용하는 것에 관한 더 자세한 내용을 볼 수 있다[2].