MOSFETs OptiMOS™ 와 StrongIRFET

이전의 IR사의 StrongIRFET 제품군과 인피니언의 OptiMOS™ 포트폴리오가 결합하여 강력한 조합을 이루었습니다.
MOSFET을 대체하기 위한 제품인 OptiMOS™와 거친 산업용 애플리케이션을 위해 개발된 StrongIRFET으로 매우 다양한 애플리케이션에 이용할 수 있습니다.
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인피니언의 TRENCHSTOP™ 5 IGBT를 이용함으로써 용접 장비의 전력 밀도 향상

Fabio Brucchi, 인피니언테크놀로지스오스트리아
Forrest Zheng, 인피니언테크놀로지스차이나

 
머리말

특히 신흥개발국과 같은 지역에서 낮은 가격대의 이동형 용접장비에 대한 수요가 빠르게 늘어나고 있다. 전력용량이 1.5kW에서 최대 6kW에 이르는 MMA(Manual Metal Arc) 및TIG(Tungsten Inert Gas) 타입장비에는 이산적인 IGBT와 MOSFET이 널리 사용되고 있다. 대개 이들 장비는 전류모드 PWM 제어와TTF(Two Transistors Forward), 하프브리지(Half Bridge), 풀브리지(Full Bridge) 같은 단순한 토폴로지, 그리고 제로전류스위칭(Zero Current Switching) 턴온과 하드스위칭턴오프를 이용한다. 또한 이러한 구성으로 성능을 향상시키고 시스템차원에서 비용을 낮추기 위해서 높은 주파수를 이용하는 것이 설계상의 대세가 되고 있다. 인피니언의 TRENCHSTOP™ 5 IGBT기술은 턴오프손실을 현저히 낮춤으로써 용접장비의 이와 같은 까다로운 기술적 요구를 완벽하게 충족하는 강력한 솔루션을 제공한다.
 
TRENCHSTOP™ 5 IGBT는 이전세대 IGBT와 비교해서 더 높은 스위칭주파수로 동작하면서 향상된 성능을 달성한다. 이들 IGBT 제품은 적절한 레이아웃으로 설계함으로써 스위칭주파수가 최대 100kHz에 이르는 기존 고전압 MOSFET을 곧바로 교체할 수 있다. 높은 스위칭주파수로 동작함으로써 필요한 자기소자의 크기와 커패시터수를 줄일 수 있다. 다만 di/dt와 dv/dt가 더 높음으로써 턴오프시의 고전압 오버슈트, 턴온시의 발진, EMI 성능의 저하같은 문제가 발생될 수 있는 가능성이 있기 때문에 모든 경우에 이전세대IGBT를“플러그-앤-플레이”방식으로 곧바로 교체 할 수 있는 것은 아니다.



<그림1> (a) 4.5kW 하프브리지용접장비데모와 (b) 관련파형이다(10ms/div). 녹색파형은 IGBT 컬렉터전류이고(20A/div),
파란색파형은 IGBT VCE이고(100V/div), 보라색파형은 출력전류이고(100A/div), 빨간색파형은 IGBT VGE이다(10V/div
)
 
 
턴오프손실을 현저히 낮춤으로써 컨버터일차측을 기계적으로 크게 변경 할 수 있으므로 기계적 솔루션을 간소화 할 수 있다. 그럼으로써 또한 PCB 레이아웃과   게이트 구동 디자인을 추가적으로 더욱 더 간소화 할 수 있다. 그러므로 장비의 크기와 무게를 상당히 줄일 수 있다. 그림 1은 이러한 취지로 설계한 용접장비데모를 보여준다. 이 데모는 단상 4.5kW 하프브리지 MMA/TIG 용접장비다. 이 예의 경우에는 전력루프와 신호루프 둘 다 레이아웃을 적절히 향상시킴으로써 스위치당 2개 40A/600V IGBT를 단일의 IKW50N65H5 TRENCHSTOP™ 5 IGBT로 교체할 수 있다.
 
뿐만 아니라 스위칭손실과 전도손실을 낮춤으로써 디바이스 온도를 크게 낮추며   절연호일을 사용하는 것도 가능하다. 그림 2는 각기 다른 기술을 적용한 인피니언 IGBT의 케이스온도프로파일을 보여준다. 각기 다른 기술간에 케이스온도가 눈에 띄게 차이가 난다는 것을 알 수 있다. 특히 TRENCHSTOP™ 5는 이전세대 TRENCHSTOP™실리콘에 비해서 40도 가까이 더 우수하다는 것을 알 수 있다.

<그림2> 4.5kW 용접장비데모로 각기 다른 인피니언 IGBT 제품을 이용했을 때의 열 결과
 
이 테스트에서는 게이트저항 RG(off)의 크기를 선택해서 턴오프시에 전압오버슈트가 항복전압의 80퍼센트 이내가 되도록 하고 그럼으로써 컬렉터-이미터전압을 최대 VCE=520V로 제한하도록 하였다. 보드의 부유인덕턴스가 낮을수록 지정된 한계에 적합하게 선택할 수 있는RG(off)가 낮아진다. 이 테스트는 또한 최대게이트- 이미터전압발진을 고려하였다. 이 테스트에서 허용 가능한 수치는200ns 미만에 대해서-25VGE(max)<25V였다.
 
아니면 수동게이트 네트워크를 조정하여TRENCHSTOP™ 5를 비최적화 레이아웃에서도 이용할 수도 있다. 이 경우에는 턴오프시에 더 높은 게이트저항을 발생시키고 CGE/RCE게이트클램핑구조를 활용함으로써 역시VCE와 VGE오버슈트를 허용가능한 수치이내로 유지할 수 있다. 하지만 이렇게 하면 TRENCHSTOP™ 5 IGBT를 이용하는 것의 이점이 크게 줄어든다. 그러므로 이점에 있어서 적절한 레이아웃이 중요하다는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.
 
전력보드상의 부유인덕턴스를 추가적으로 더 낮출수 있는 방법은 TRENCHSTOP™ 5 IGBT 기술을 절연기판(isolated substrate) 상에 표면실장어셈블리로 이용하는 것이다. 그러면 상측과 하측 IGBT에 단일히트싱크를 이용함으로써 좀 더 컴팩트한 솔루션을 달성할 수 있다. 그러려면IMS나 Al2O3세라믹 같은 특수한 IGBT 절연에 추가적인 강화절연을 필요로 한다. 기술적으로 이와 같이 변경함으로써 전체적 장비의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 그림 3은 바로 그러한 예이다. 이 데모는 또다른 하프브리지 MMA/TIG 용접장비데모로서,이 새로운 디자인을 적용함으로써 앞서 데모에 비해서 크기는 35퍼센트 줄이고 무게는 15퍼센트 낮출 수 있다.
 

<그림3> 또 다른 4.5kW 하프브리지용접장비데모
 
이 디자인은40nH의전체적인 부유인덕턴스를 달성할 수 있으며 다른 방식의 패키지어셈블리에 풀브리지토폴로지디자인을 적용하면 이 수치를 추가적으로 20nH 더 줄일 수 있다. 부유인덕턴스를 낮춤으로써 시스템을 100kHz가 넘는 스위칭주파수로 실행할 수 있으며 그럼으로써 단일히트싱크를 이용할 수 있으므로 전력밀도를 높이고 트랜스포머크기와 DC-Link 커패시터수를 줄일 수 있다.
 
풀 브리지 토폴로지의 향상
그림 4는 또 다른 디자인 예로서 3.5kW 풀브리지고주파용접장비다. 이 디자인의 취지는 풀브리지토폴로지에서 TRENCHSTOP™ 5를 이용해서 기존 MOSFET을 대체함으로써 제조원가를 낮추고 더 용이한 제조가 가능하고 신뢰성을 높일수 있다는 것을 보여주는 것이다.


<그림4>(a) 3.5kW 풀브리지용접장비데모와 (b) 관련파형이다(2ms/div).
빨간색파형은 IGBT VCE이고(100V/div), 녹색파형은 고주파트랜스포머 일차측 전류이다(20A/div).
 
이 사례에서도 역시TRENCHSTOP™ 5 IGBT 기술이 턴오프손실이 낮아졌다는 점이 이 새로운 디자인을 적용해서 시스템아키텍처를 향상시킬 수 있는 중요한 요인이 되고 있다. 이와 더불어서IGBT가 MOSFET에 비해서 전류전달능력이 더 뛰어나다는 점까지 더해짐으로써3개의기존고전압 MOSFET을 단 하나의 IGBT 디바이스로 교체할 수 있다. 디바이스수가줄어듦으로써전력보드위에드라이버보드를필요로하는것이아니라전력스테이지와구동스테이지를하나의소형화된크기의보드로간편하게통합할수있다. 그럼으로써 이 새로운 디자인은 기존의 통상적인 방식에 비해서 필요한 총보드 면적을1/3 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 전력루프상의 기생인덕턴스를 크게 낮춤으로써 TRENCHSTOP™ 5를 더 높은 di/dt로턴오프 할 수 있으며 그러면서도 전압오버슈트를 권장된 수치 이내로 유지할 수 있다.
 
이 데모디자인은 아키텍처를 간소화면서 동시에 전력밀도는 높이도록 개발되었다. 이 하드웨어디자인은 어셈블리공정을 줄임으로써 양산시의 제조를 크게 향상시킬수 있으며 시스템원가를 낮출 수 있다는 것을 잘 보여준다. 부품수를 줄이고 레이아웃을 간소화하므로 다른 통상적솔루션에 비해서 원자재비용을 30퍼센트 낮추고, 크기를 30퍼센트 줄이고, 무게를 35퍼센트 낮출 수 있다.
 

<표> 풀브리지 데모의 벤치마크테스트결과
 
이 풀브리지용접플랫폼을  100kHz로 실행하는 간단한 벤치마크테스트를 실시함으로써 고주파동작으로 이 디자인의 성능을 확인하였다. 이 테스트는 케이스와 주변부 사이에 동일한 IGBT 온도스윙을 유지하면서 최대 출력전류용량을 측정하는 것이었다. 이와 동시에 시스템효율과 최대컬렉터-이미터및게이트-이미터전압오버슈트를 모니터링하였다. 올바른 비교를 위해서 시스템불안정성에 도달하거나 결함이 발생할 때까지 구동셋업을 동일하게 유지하였다. 표 1은 이 테스트의 결과를 요약하고 있다.
 
100kHz 동작주파수일때 TRENCHSTOP™ 5는 다른 디바이스들이 달성하지 못하는 성능을 나타내고 있다. H5 IGBT는 가장 근접한 솔루션에 비해서 30퍼센트 더 높은 출력전류를 제공하고 두번째로 근접한 솔루션에 비해서는70퍼센트 더 높은 출력 DC 전류를 제공하며, 또 한편으로는 구동파형을 매끄럽게 하기 위해서 추가적인 작업을 필요로 하지 않는다.
 
H5 IGBT는 용접장비의 최대출력전류레벨일때 다른 솔루션들에 비해서 1~3퍼센트 더 높은 효율을 달성하고 있다. 그럼으로써 해당용접장비로 더 높은 에너지 효율등급을 달성할 수 있다.
 
하프브리지디자인의 경우에서처럼 다소 높은컬렉터-이미터전압오버슈트는 대부분 경우에 문제가 되지 않는다. 왜냐하면, 첫째, 이 오버슈트는 절대값이200A일 때 430V로 제한되고, 둘째, H5 IGBT는 다른 대부분 디바이스와 비교해서50V 추가적인 항복전압마진을 제공하기 때문이다.