실리콘 카바이드 모스펫의 근사모델에 의한 스위칭 과도 현상 분석 및 전력 변환 응용

Abstract

최근 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)를 이용한 MOSFET과 쇼트키 다이오드가 생산, 판매되고 있다. 실리콘보다 우수한 실리콘 카바이드의 전기적 물성으로 인해 SiC MOSFET과 쇼트키 다이오드는 동급의 실리콘 IGBT와 PN접합 다이오드보다 우월한 전력반도체적 특성을 가진다. 하지만 SiC MOSFET의 높은 dv/dt 또는 di/dt로 인한 소자의 과전압과 전압, 전류의 진동현상이 실제품 적용을 어렵게 하는 문제로 알려져 있으며 이를 해결하기 위해 SiC MOSFET의 스위칭 특성 개선 연구가 최근 많이 수행되고 있다. 하지만 이러한 연구보다 선행 되어야 할 SiC MOSFET의 스위칭 과도에 대한 연구는 미흡한 실정이다.<br/> 본 논문은 SiC MOSFET의 스위칭 과도 분석을 통해 SiC MOSFET의 스위칭 특성이 기존에 잘 알려진 일반적인 MOSFET의 경우와 다르다는 사실을 규명하였다. 특히 게이트 저항이 매우 작은 경우 기생 인덕턴스와 소자의 기생 캐패시터의 상호작용에 의해 부하전류가 증가함에 따라 과전압의 크기가 증감을 반복하는 주기적인 과전압 특성을 가지는 것을 보였으며 SiC MOSFET과 역병렬로 연결된 SiC 쇼트키 다이오드의 과전압은 2배의 DC단 전압이 나타남을 규명하였다. 이러한 결과는 SPICE 시뮬레이션과 실험을 통해 분석의 타당성을 입증하였다. 또한 기존의 실리콘 IGBT와는 달리 SiC MOSFET의 스위칭 과도 계측을 위해서는 특별한 주의를 기울여야 한다는 사실을 밝히고, SiC MOSFET의 빠른 스위칭 과도를 측정하기 위한 계측 장치에 대해 고찰하였으며, 측정 위치 사이에 존재하는 기생 성분들에 의한 측정 오차를 분석하고 이를 제거하기 위한 후처리 방안을 제시했다. 본 논문의 분석 결과는 향후 실리콘 카바이드 MOSFET을 사용하는 전력 변환 장치 설계의 최적화에 유용하게 활용 될 수 있으리라 생각된다.<br/>