[기고] Si, SiC 및 GaN을 위한 하나의 게이트 드라이버 적용하기

2023-09-06

인피니언 테크놀로지스

차세대 듀얼 채널 갈바닉 절연 게이트 드라이버 IC의 특징 및 장점

아이솔레이터는 오늘날 통신 및 서버 스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)^[1]에서부터 태양광 인버터,산업용 AC 모터 드라이브 및 전기차 충전에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 사용된다.

아이솔레이터는 주로 HMI 또는 커넥터를 다루는 작업자에게 부상과 감전으로부터 필요한 보호를 제공하고, 고전압 전력단의 고장으로부터 컨트롤러와 같은 민감하고 값비싼 저전압 부품을 보호하는 데 사용된다^[2]. 종종 절연은 파괴적인 접지 루프를 차단하는 데 사용되어 제어 장치로 다시 주입되는 변위 전류와 고주파 노이즈를 제거한다.

글 / 카르멘 멘디티 마트리시아노(Carmen Menditti Matrisciano) 스태프 제품 정의 엔지니어
디오고 바라자오(Dr. Diogo Varajao) 절연 IC 테크니컬 마케팅 책임자
인피니언 테크놀로지스

디지털 아이솔레이터 및 절연 게이트 드라이버 IC는 펄스 트랜스포머[2] 및 옵토커플러와 같은 기존 솔루션에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있어 시장에서 선호되는 기술이 되었다.

이 글에서는 새로운 EiceDRIVER™ 2EDi 제품군인 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버 IC의 특징과 장점을 살펴본다. 차세대 제품군은 확장된 채널 간 연면거리, 데드타임, 슛스루 보호, 빠른 시동 시간, 최신 절연 표준(VDE 0884-11, IEC 60747-17)을 만족하는 견고한 절연 기술을 제공하는 DSO 14핀 패키지 및 저전압 애플리케이션에서 공간을 36% 절약할 수 있는 소형 LGA 4ｘ4 패키지로 제공된다. 다중 저전압 록아웃(UVLO), 패키지 옵션 및 절연 레벨을 갖춘 이 제품군은 다양한 스위치 기술을 위한 여러 애플리케이션에서 대부분의 설계 요구사항을 충족한다(표 1 참조).

표 1: 차세대 및 이전 세대 EiceDRIVER™ 2EDi 제품군의 제품 개요

최신 표준 요구사항을 충족하는 뛰어난 MFI 및 CMTI 적용된 절연 기술

차세대 EiceDRIVER™ 2EDi는 검증된 인피니언의 코어리스 트랜스포머(CT) 기술을 적용한 자기 절연을 사용한다. 1767VRMS의 반복 동작 전압이 20년 수명 동안 보장되며, 자기 및 용량성 커플러의 최신 부품 표준 VDE 0884-11 및 IEC 60747-17의 시간 의존적 유전체 파손(TDDB) 요구사항을 충족한다.

고유의 이중 코일 온칩 트랜스포머는 높은 자기장 내성(MFI)을 보장하므로 IEC 61000-4-8, IEC 61000-4-9, ISO 11452-8 및 MIL-STD-461G-RS101 표준에 따른 가장 엄격한 테스트 수준을 만족한다. 이 트랜스포머는 또한 150V/ns 이상의 뛰어난 공통 모드 과도 내성(CMTI)을 제공한다. 이는 SiC 및 GaN과 같은 와이드밴드갭 디바이스(WBG)를 구동하는 데 필수적이다.

전력단의 전기적 과부하(EOS)에 대한 견고한 절연

과부하 시나리오에서 절연의 견고성은 특히 강화 절연 장벽에 걸쳐 전력단의 잠재적 고장 및 손상과 관련하여 종종 우려되는 부분이다.

그림 1은 최악의 시나리오 중 하나를 보여준다. Eice DRIVER™ 2EDRx259X 갈바닉 절연 게이트 드라이버가 LLC 토폴로지로 사용될 때 다른 전원 스위치가 작동하는 동안 전원 스위치 하나가 게이트 드레인 단락으로 고장나는 경우이다.

드라이버 출력과 접지 사이에 보호 다이오드가 없으면 상당한 양의 에너지가 벌크 커패시터(이 예에서는 680μF)에서 드라이버로 직접 전달되어 출력 칩 ChA의 전기적 고장과 본드 와이어 단선으로 인한 패키지 파손으로 이어진다. EiceDRIVER™ 2EDRx259X는 1차 측 칩에 구축된 견고한 절연으로 높은 전기적 과부하 후에도 완벽한 절연을 보장한다. 용량성(캐패시터를 이용한) 절연 기술을 사용하는 경쟁제품 2 및 3은 EOS 스트레스 후 하이팟 테스트에 통과하지 못했다.

표 2: 정격 VISO 하이팟 테스트 후 출력측 EOS에 대한 절연 견고성

표 2는 EOS 스트레스 후 정격 VISO 전압에서 시행된 하이팟 테스트의 요약 결과를 보여준다.

빠른 UVLO 타이밍

부트스트랩 회로는 단순하고 저렴한 비용으로 하이사이드 MOSFET에 전원을 공급하는 데 자주 사용된다. 그러나 부트스트랩 회로는 시동 중에 부트스트랩 전원과 로우사이드 전원을 사용할 수 없어 몇 가지 복잡한 문제가 숨겨져 있을 수 있다. 하이사이드 채널의 공급 전압은 부트스트랩 커패시터와 저항의 크기에 따라 약간의 지연 후에 사용할 수 있게 된다.

시중에 나와 있는 많은 게이트 드라이버 IC는 보통 수십 μs의 UVLO 시동 시간을 보여주는데(그림 2 아래쪽), 이는 정상 작동 시 로우사이드 MOSFET이 켜지고 꺼지는 동안 여러 번의 하이사이드 펄스를 건너뛴다는 것을 의미한다.

이는 LLC 토폴로지의 2개 공진 커패시터에서 불균형을 초래할 수 있는 등 여러 가지 결과를 가져올 수 있다. 적절히 제어되지 않을 경우 심각한 하드 커뮤테이션 문제가 일어날 수 있으며, 무엇보다 코어의 포화로 주 트랜스포머에서 전압 불평형이 발생할 수 있다. 차세대 EiceDRIVER™ 2EDi는 2μs보다 낮은 업계 벤치마크 UVLO 시동 시간을 제공하므로 1펄스 미만으로 하이사이드 활성화를 보장한다(그림 2).

슛스루를 방지하는 빠른 능동 출력 클램핑

부트스트랩 시스템에 감추어진 또 다른 잠재적 문제는 하이사이드 게이트에서 유도된 노이즈가 아직 충전 중인 부트스트랩 전원이 UVLO 레벨보다 낮은 비활성 상태인 드라이버에 의해 효과적으로 억제되지 않을 때 발생할 수 있다.

한 가지 예는 분할 공진 커패시터를 사용하는 LLC에서의 시동이다(그림 3 참조). 특별한 시동 시퀀스가 고려되지 않Infineon는 경우 부트스트랩 전원이 UVLO에 도달할 때까지 (그리고 일정 지연 후) 하이사이드 MOSFET은 OFF 상태이기 때문에 공진 커패시터에서 전압 불평형이 발생하고 스위칭 노드(녹색)의 원하지 않는 변화가 일어난다. 스위칭 노드의 각 네거티브 dV/dt는 밀러 효과를 통해 하이사이드 전원 스위치(마젠타색)의 게이트를 충전한다.

차세대 EiceDRIVER™ 2EDi에는 특별한 능동 클램핑 회로가 포함되어 있어 채널이 “비활성”(출력 전원이 UVLO 미만)인 경우에도 출력 노이즈를 빠르게 억제하므로 그림 3의 오른쪽 측정에서 보듯이 위험한 슛스루 이벤트를 방지한다.

정확한 타이밍 및 데드타임 제어(DTC)

차세대 EiceDRIVER™ 2EDi는 WBG 디바이스를 사용하는 고속 스위칭 애플리케이션의 요구를 충족하는 기능을 포함한다. 뛰어난 전파 지연 정합 및 데드타임 정확도(표 3 참조)는 게이트 신호의 완벽한 타이밍 동기화(대각선 주행 등)와 데드타임 최적화를 보장하므로 시스템 신뢰성과 효율 성능에서 많은 장점을 제공한다. 뿐만 아니라 중요한 2단계 안전 메커니즘으로 게이트 드라이버 IC에 내장된 구성 가능한 슛스루 보호(STP)와 데드타임 제어(DTC)가 있다.

표 3: WBG 구동 가능한 엄격한 타이밍 규격

EVAL_2EDB_HB_GaN 평가 보드(그림 4)는 EiceDRIVER™ 2EDB8259Y 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버와 인피니언의 디스크리트 GaN HEMT를 결합한다. 이 보드는 여러 동작 모드와 다양한 구동 전원 방식(부트스트랩을 사용한 유니폴라 또는 바이폴라, 절연 또는 비절연)으로 테스트할 수 있다.

게이트 주입 트랜지스터(GIT) HEMT를 사용하여 얻은 테스트 결과는 MHz 및 kW 범위에서 신뢰할 수 있는 동작을 보여준다^[3]. 보드는 또한 다양한 전압 레벨에서 바이폴라 또는 유니폴라 동작으로 구성할 수 있는 유연한 바이어스 전원과 함께 쇼트키 게이트(SG) GaN HEMT를 구동할 때 특히 중요한 1% 전압 조절 옵션을 포함한다. 650V GIT 및 SG GaN HEMT에 모두 적용 가능한 범용 게이트 구동 회로에 대한 자세한 내용은^[4]에 설명되어 있다.

결론

차세대 EiceDRIVER™ 2EDi 제품군은 견고한 절연 기술의 장점과 우수한 전기 파라미터를 결합했다. 이 새로운 제품군의 특징은 넓은 온도 범위에서 긴 수명 동안 높은 효율과 신뢰할 수 있는 동작을 달성하는 시스템 요구사항을 지원할 수 있다.

인피니언의 광범위한 제품 포트폴리오는 여러 패키지와 절연 등급으로 다양한 애플리케이션 사용 사례 및 토폴로지의 요구에 맞춘 포괄적인 제품을 제공한다.

차세대 EiceDRIVER™ 2EDi를 더 깊이 알아보려면 전용 애플리케이션 노트^[3] 및 제품 웹페이지를 참고한다.