와이드 밴드갭 특성 분석

SiC 및 GaN과 같은 초고속 WGB(와이드 밴드갭) 반도체에서 스위칭 손실을 측정하려면 DPT가 필요합니다. 표준 작동 스윕은 개별 전이를 깔끔하게 분리하기에 너무 빠르게 발생하므로 DPT는 제어된 전류 및 전압 기준선 하에서 단일 턴온 및 턴오프 이벤트를 분리하여 정확한 에너지 소모를 계산합니다.

스위칭 손실은 트랜지스터에 걸리는 순시 전압과 트랜지스터를 통과하는 전류를 곱한 다음 스위칭 전이 기간 동안 해당 전력 파형을 적분하여 도출되는 에너지 측정값(Joule 단위로 표현)입니다.

GaN 및 SiC 반도체의 나노초 단위의 초고속 스위칭 엣지를 정확하게 측정하려면 프로브에 의해 유발되는 노이즈를 제거하고 하드웨어 대역폭을 전이 엣지의 속도에 맞추어야 합니다.

긴 악어클립 접지선을 가진 표준 오실로스코프 프로브는 신호를 왜곡하는 기생 인덕턴스를 유발하여 실제 소자의 동작을 가릴 수 있는 인위적인 전압 오버슈트와 링잉을 생성합니다. 이를 방지하기 위해 엔지니어는 표준 접지선을 완전히 우회하고, MMCX 동축 커넥터 또는 로컬 접지면에 직접 압착되는 짧은 금속 접지 스프링과 같은 전용 PCB 실장형 테스트 픽스처를 선택해야 합니다.

계측기는 스위칭 주파수보다 엣지 상승 시간에 근거하여 선택해야 하며, 고속 니(Knee) 주파수 공식을 활용하여 오실로스코프와 프로브 조합이 충분한 대역폭 여유(1ns 엣지의 경우 일반적으로 1GHz 이상)를 제공하도록 해야 합니다. 하프 브리지 레이아웃의 중요한 하이 사이드 측정의 경우, 표준 차동 프로브는 극단적인 전압 단계를 견디는 데 필요한 CMRR(공통 모드 제거비)이 부족하므로 계측기를 완전히 절연하고 공통 모드 누설을 차단하기 위해 광절연 프로브(R&S®RT-ZISO 등)를 배치해야 합니다.

마지막으로, 전력 계산은 전압 및 전류 파형을 동시에 곱하므로, 교정 디스큐 픽스처를 사용하여 미리 프로브의 물리적 정렬을 맞춰야 합니다. 단 1나노초의 타이밍 불일치도 계산된 스위칭 지표를 20퍼센트 이상 변화시킬 수 있기 때문입니다.

RDS(ON)은 MOSFET이 완전히 켜지고 선형 도통 상태에서 작동할 때 드레인과 소스 단자 사이의 총 내부 저항을 나타냅니다. 이 파라미터는 트랜지스터가 능동적으로 전류를 통과시키는 동안 시스템의 도통 손실을 직접 결정하므로 효율의 주요 병목 요인으로 작용합니다.

도통 손실은 트랜지스터의 "ON" 상태의 전체 기간 동안 열로 발산되는 지속적인 열 에너지입니다. 줄의 법칙에 따라, 이 수치는 소자를 통과하는 실효(RMS) 드레인 전류에 비례하여 지수적으로 증가합니다. 과도한 도통 손실은 전체 전력 변환기 효율을 저하시키고 시스템 신뢰성을 위협할 수 있는 상당한 열적 스트레스를 발생시키므로 RDS(ON)을 최소화하는 것이 매우 중요합니다.

SiC 및 GaN과 같은 WBG 반도체는 탁월한 재료 특성 덕분에 훨씬 높은 전자 밀도를 확보할 수 있어, 기존 실리콘 대비 훨씬 작은 물리적 다이 크기에서도 극도로 낮은 RDS(ON)을 구현하는 큰 이점을 제공합니다.

회로 내부에서 능동적으로 스위칭하는 동안 전력 MOSFET의 동적 온 저항 RDS(ON)을 측정하는 것은 전력 전자공학에서 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 이러한 어려움은 오실로스코프가 트랜지스터가 ON일 때 아주 작은 밀리볼트 전압 강하를 측정해야 하지만, 1마이크로초 후 트랜지스터가 OFF될 때 정확히 동일한 단자 사이의 수백 볼트를 견뎌야 하기 때문에 발생합니다.

1. 클램핑 회로 방식
클램핑 회로 방식은 트랜지스터의 ON 및 OFF 상태 사이의 극심한 전압 차이를 극복하여 오실로스코프를 입력 증폭기 포화로부터 보호합니다. 프로브가 드레인에 직접 연결될 때, ON 상태 동안의 아주 작은 밀리볼트 전압 강하를 분석하기 위해 확대하면 OFF 상태의 높은 전압이 스코프를 심각하게 블라인드하고 오버드라이브시켜 이후 데이터를 무의미하게 만듭니다. 이를 방지하기 위해 엔지니어는 초고속 다이오드를 활용하는 특수 픽스처를 삽입하여 높은 OFF 상태 전압 스파이크를 차단하므로 오실로스코프가 고감도 수직 스케일에서 포화되지 않은 진정한 ON 상태 전압 강하 RDS(ON)을 안전하게 측정할 수 있습니다.

2. 직접 수식 연산
직접 수식 연산 방식은 오실로스코프가 실시간 수식 기능을 사용하여 시간 도메인 전체에서 RDS(ON)을 지속적으로 계산하고 매핑할 수 있도록 합니다. 클램핑 회로가 진정한 ON 상태 전압 강하를 분리하고 나면, 스코프는 이 시간에 따라 변하는 전압 파형을 CVR(전류 감지 저항)과 같은 고대역폭 전류 센서를 통해 캡처된 동시 드레인 전류 I_D로 나눕니다. 엔지니어는 결과 수식인 [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)]를 통해 고속 스위칭 전이 직후 트랜지스터의 내부 저항이 어떻게 안정화되는지 시각적으로 정확하게 관찰할 수 있습니다.

정적 및 동적 시험은 트랜지스터의 내부 저항을 평가하는 데 사용되는 근본적으로 다른 두 가지 환경을 나타냅니다. 정적 시험은 커브 트레이서 또는 SMU(Source Measure Unit, 소스 측정 유닛)를 사용하여 스위칭하지 않는 소자에 안정적인 DC 신호를 인가하는 방식으로, 데이터시트의 기본 성능을 검증하는 데는 적합하지만 실제 시스템의 동작 조건을 구현하지는 못합니다.

반대로, 동적 시험은 DPT 동안과 같이 부하 하에서 소자가 능동적으로 스위칭하는 동안 저항을 측정하며, 이는 GaN 및 SiC 소자의 고전압 전하 포획으로 인한 일시적인 동적 RDS(ON) 스파이크와 같은 실제 작동 이상 현상을 포착하는 데 중요합니다.

스위칭 에미션은 트랜지스터가 초고속 턴온 및 턴오프 전이를 수행하는 동안 발생하는 원치 않는 EMI(전자기 간섭) 및 고주파 노이즈를 의미합니다. 전력 반도체가 상태를 전환할 때, 시간에 따른 전압의 급격한 변화(dv/dt) 및 시간에 따른 전류의 급격한 변화(di/dt)는 고주파 에너지가 공기를 통해 방사되거나 회로 트레이스를 통해 전도되도록 강제하여 신호 왜곡 또는 부품 오작동을 유발합니다.

높은 공통 모드 측정이 필요한 이유는 전력 컨버터의 핵심 부품, 특히 표준 하프 브리지 구성의 하이 사이드 게이트 드라이버 및 하이 사이드 트랜지스터가 안정적인 시스템 접지에 연결되지 않기 때문입니다. 대신, 그들의 기준 노드(스위치 노드)는 모든 단일 스위칭 이벤트 동안 DC 버스 레일 사이에서 수백 또는 수천 볼트 위아래로 격렬하게 변동하는 거대한 전압 파형 위에 올라탑니다. 테스트 장비를 파괴하거나 데이터를 손상시키지 않고 이러한 하이 사이드 스위치를 제어하는 미세한 밀리볼트 신호를 캡처하기 위해서는 계측기가 이러한 엄청난 공통 모드 전압 변동 위에 플로팅되어 이를 무시할 수 있어야 합니다.

결과적으로, 기존의 고전압 차동 프로브는 오늘날의 WBG(와이드 밴드갭) 기술을 평가하는 데 더 이상 충분하지 않습니다. 초고속 스위칭 엣지를 특성 분석하려면 해당 전체 주파수 스펙트럼에 걸쳐 예외적으로 높은 CMRR(공통 모드 제거비)와 결합된 고대역폭 성능(최대 1 GHz 이상)이 필요합니다. 기존 프로브 방식은 고주파 영역에서 CMRR이 급격히 저하되기 때문에 이러한 까다로운 테스트 환경에서는 정밀한 광절연 측정 시스템을 도입해야 합니다.