하프 브리지 토폴로지에서 슛 쓰루 이벤트에 영향을 미치는 MOSFET 파라미터와 구동 부품 - Technology

이 글에서는 커패시턴스, 게이트 차지, 트랜스컨덕턴스, 임계값 전압 등 이러한 현상에 영향을 미치는 내부 MOSFET 파라미터들을 간략히 살펴보고 테스트 결과와 시뮬레이션을 통해 MOSFET의 회로를 끌 때 어떠한 작용이 있는지를 알아본다.

글│Stefano Finocchiaro, Power MOSFET Division, STMicroelectronics

하프 브리지 토폴로지에서는 고속 정류 시 일시적인 단락 회로가 발생할 수 있으며, 이러한 현상을 이른바 Cdv/dt 슛 쓰루라고 한다.

슛 쓰루는 2개의 MOSFET 중 하나에서 발생하는 빠른 전압 변동과 관련된다.

게이트-드레인 커패시턴스를 통해 흐르는 전류는 꺼져있는 MOSFET의 Vgs를 상승시켜 레그(leg)로 흐르는 전압강하를 발생시킨다.

Cdv/dt 슛 쓰루

하프 브리지 토폴로지를 살펴보자.

정상적인 하드 스위치드 정류 시에는 2개 MOSFET 중 하나인, 예를 들어 하이 사이드(HS)가 꺼지면 다른 하나인 로우 사이드(LS)가 켜진다.

LS MOSFET이 켜져 있을 때에는 소자에 흐르는 드레인-소스(drain to source) 전압이 급격히 변한다. Cdv/dt 슛 쓰루 현상은 HS 소자에서의 이러한 빠른 전압 변동과 관련된다.

그림1. Cdv/dt 슛 쓰루를 보여주는 등가 회로

그림2. Cdv/dt 슛 쓰루 현상과 관련된 파형

그림 1을 보면 높은 dv/dt가 HS MOSFET 드레인과 소스 핀 사이에 인가되면 게이트-드레인(gate to drain) 커패시턴스 Cgd가 급격히 변화하여 상당한 전류의 I=Cgd dv/dt에 의해 전압강하가 일어난다는 것을 알 수 있다.

이러한 전류의 일부분이 게이트 저항(Rgint Rgext)을 통과하며 나머지 전류는 게이트-소스(gate to source) 커패시턴스 Cgs를 통과한다.

Cgs에 흐르는 전류 성분은 게이트 전압을 상승시켜, 꺼져 있어야 하는 MOSFET을 켜지게 할 수 있다(그림 2참조).

이러한 현상이 발생하면 하이 사이드나 로우 사이드 어느 쪽이든 상관없이 동일한 레그에 놓인 두 MOSFET은 전도하기 시작하며, 이에 따라 레그 자체를 통해 쇼트가 일어난다.

이러한 현상은 에너지 손실을 더욱 증가시키고 극도의 조건에서는 소자에 고장이 발생할 수 있다.

관련 파라미터

이제 Cdv/dt 현상과 관련된 일부 파라미터를 식별해보자.

Cdv/dt 현상이 발생하지만 아직 스퓨리어스로 인해 유도된 턴 온이 발생하기 전 MOSFET의 근사 모델을 고려해 보자. 이것은 모든 전류 드레인이 채널을 통해 흐를 수 있다는 것을 의미하며, 그림 3에 나와 있다.

그림3. 근사 MOSFET 모델

Rgint는 게이트 핀 상의 입력 가변 신호에 대해 MOSFET에 의해 나타나는 임피던스의 실제 부분이다.

Rgext는 외부 오프 회로(저항, 다이오드, 트랜지스터 등), 드라이버 싱크 저항 및 기생 저항(접촉, 레이아웃 등으로 인한)의 전체 합이다.

그림 3에 보이는 회로는 간단한 R-C 회로이므로 다음과 같이 모든 노드와 루프 방정식을 직접 쓸 수 있다.

Cgd x dVgd/dt = Cgs x dVgs/dt Vgd/Rt	(1)
Vds = Vgd Vgs	(2)

여기서 Rt = Rgext Rgint이다. 방정식(1)에 (2)의 Vgd를 대입하면 다음과 같은 방정식이 나온다.

Cgd x d(Vds - Vgs)/dt =	(3)
Cgs x dVgs/dt x (Vds-Vgs)/Rt

하이 사이드 MOSFET에 인가되는 드레인-소스 전압은 선형 램프(linear ramp)와 유사하다고 가정할 수 있으며, 이는 그림 4에 나와 있다.

그림4. 근사 Vds 파형

(3)을 재배열하고 dv/dt=Vbulk/Ton을 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

Cgd x Vbulk/Ton = (Cgs Cgd) x dVgs/dt Vgs/Rt

(4)

앞의 선형 차분 방정식을 Vgs에 대해 풀면(Vds를 변화시켜 커패시턴스를 일정하게 한다고 가정),

Vgs = Rt x Cgd x Vbulk/Ton x (1-e	-t/(Rtx(Cgd Cgs))	) (5)

먼저 시간 변수에 대해 Vgs 최대 지점을 찾는다. 1차 도함수를 계산하고 제로(zero)와 같도록 함으로써, 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있다.

Vgsmax = Rt x Cgd x Vbulk/Ton x (1-e	-Ton/(Rtx(Cgd Cgs))	) (6)

t~Ton 및 Vds~Vbulk에서 Cgd 및 Cgs가 안정적인 값에 있다고 가정할 수 있으므로 실제적인 조건에서 Vbulk는 수백 볼트이다. 하지만 유도된 Vgs 스파이크는 무엇을 의미하는가?

Vth 값보다 더 높은 Vgs 스파이크는 MOSFET을 켜지게 하여 심각한 위험이 발생할 수 있다는 것이 분명하지만 우리는 드레인 전류와 Vth 개념 사이의 직접적인 연관을 알아보고자 한다.

여기서 Vth는 채널 전류 흐름을 발생시킬 수 있는 정의된 게이트-소스 전압의 의미로 사용된다.

이러한 이유로 모든 데이터 시트에서는 Vth 값과 관련된 전류 드레인을 함께 제공하고 있다.

데이터 시트에 나와 있는 Vgs(th) 값은 MOSFET 채널이 언제 켜져 있는 것으로 간주할 수 있는지 나타낼 수 있도록 보통 수 μA 드레인 전류에서 측정된다.

우리는 이러한 현상을 더 잘 설명하기 위해 LS MOSFET이 켜질 때 HS Vds는 고정된다고 간주했는데, 이는 HS 상의 Vgs 스파이크가 매우 높지 않을 때까지만 해당된다.

그림5. 포화 영역에서 동작하는 MOSFET

일례로 Vth보다 높은 고정된 유도 Vgs 값에서 HS MOSFET이 고정된 전류 동작을 처리할 수 있다.

LS는 HS에 흐르는 Vds를 켜기 때문에 이것은 충분히 높아져 HS MOSFET이 포화 영역에서 동작하지 않으면 안된다.

이에 따라 전원 전류가 두 소자를 모두 통과하게 되는데, 이것이 이른바 슛 쓰루 이벤트이다. 따라서 MOSFET은 큰 에너지 양을 발산하지 않으면 안 된다.

이러한 이유로 고정된 Vds에서 전류 변화와 Vgs 변화의 관계를 아는 것이 중요하다.

이러한 특징을 요약하는 MOS-FET 파라미터가 gfs(그림 6)이다. 높은 gfs를 갖는 소자는 슛 쓰루 관점에서 더 민감하다.

그림 6. gfs 정의

기술 자료에는 Cdv/dt 슛 쓰루와 관련된 훨씬 중요한 파라미터가 비율이라고 나와 있는 것을 볼 수 있다.

여기서 Qgsth는 MOSFET이 고정된 전류를 처리할 수 있는 고정 Vgs 값에 도달하기 위해 필요한 Qgs이다.

슛 쓰루를 피하려면 비율이 1보다 작아야 하므로 Cgd에 저장되는 충전은 Cgs를 채울 만큼 충분하지 않을 것이다.

이와 함께 다른 많은 고유 MOSFET 파라미터도 중요하다.

또 하나 중요한 파라미터는 Vth이다.

Vth가 높을수록 전류를 처리하기가 더 어려운데, 슛 쓰루보다 더 드물다. 고정 Vgs 스파이크에서 더 높은 Vth를 갖는 MOSFET는 더 약한 전류 흐름을 허용한다.

여기에서 관련된 또 다른 고유 파라미터는 Rgint로, 임피던스 게이트-소스의 실제 부분이다. 간단히 말하면 Rgint가 너 낮을수록 슛 쓰루가 더 드물다고 할 수 있다.

더 실제적 의미를 갖는 고유 파라미터는 커패시턴스 Cgd이다. 간단히 설명하면 전이 동안 높은 Cgd는 낮은 임피던스를 보여주므로 Rt와 Cgs 사이를 병렬로 통과해 흐르는(그림 3참조) 전류 스파이크가 높아지고, 따라서 Vgs 스파이크도 높아진다.

그림7. 방정식 (6)으로부터 얻은 최대 Vgs 스파이크와 Cgd 간의 관계

그림 7에는 방정식(6)에서 얻은 최대 Vgs 스파이크와 Cgd 간의 관계가 나와 있다. 따라서 낮은 Cgd 값을 갖는 것이 좋다.

슛 쓰루 성능에 영향을 미치는 많은 내부 MOSFET 파라미터들이 있다.

우리는 유사한 Qgd/Qgs 비를 갖지만 서로 다른 파라미터를 갖는 2개의 라인 소자를 비교했다(표 1참조).

표1. 테스트의 전기적 파라미터 하의 MOSFET

Device	Cgs	Cgd	Cds	Qgd/Qgs
	@25V			@1A
	(pF)	(pF)	(pF)
Device A	1265	35	465	3.46
Device B	1912	38	470	3.17

Device	Ron	Vth	gfs
	@10A	@250	@Vds = 15V, Id = 12A
	Ω	(V)	(s)
Device A	0.27	3.5	9
Device B	0.21	4.3	12

또한 그림 8의 회로를 사용하여 일부 분석을 수행했으며, Vgs 유도 스파이크에 의해 영향을 받는 하이 사이드 MOSFET을 통과하여 흐르는 전류 스파이크의 진폭을 측정했다.

그림8. 회로 테스트

낮은 Rg ext 값에서 피크 전류 값은 안정적이다. 이 전류는 HS Coss 충전(및 LS Coss 방전)과 관련되므로 슛 쓰루와는 연관이 없다. 단 값이 증가하기 시작하면 슛 쓰루 특성이 Coss 충전 전류를 넘어선다.

슛 쓰루 전류가 채널 MOSFET을 통과할 때 Coss 전류는 단지 커패시턴스만을 통과한다.

소자 B는 가장 낮은 Qgd/ Qgs 비율을 갖지만 슛 쓰루에 더 민감하다.

더욱이 Qgd/Qgs 비율은 전류값과도 관련되므로 gfs, Vth와 같이 드레인 전류에 의존하는 다른 파라미터와도 연관된다. 우리는 드레인 전류를 변화시켜 2개 라인 소자의 Qgd/Qgs를 측정했다. 결과는 그림 10에 나와 있다.

그림9. 테스트에서 측정된 I 피크 값

그림10. 서로 다른 드레인 전류에서의 Qgd/Qgs

Qgd/Qgs는 스위치된 드레인 전류에 대해 선형적인 특성을 갖는다. 2개 직선의 경사는 서로 다르므로 2개의 라인 특성이 반전되는 곳에서 전류 값이 존재한다고 생각할 수 있다.

내부 MOSFET 파라미터를 평가하여 슛 쓰루 이벤트를 방지하는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다.

슛 쓰루 관점에서 MOSFET에 영향을 미치는 많은 고유 파라미터가 존재하는데, 유감스럽게도 이들 대부분은 상호연결되어 있다.

따라서 슛 쓰루 내성을 증가시키기 위해 내부 파라미터를 변화시킨다 해도 다른 스트레스나 조건과 관련된 기타 경우를 만족시킬 수 없다.

이러한 이유로 설계 관점에서 슛 쓰루 잡음을 증가시키는 외부 조건을 감소시키는 것이 필수적이다.

Cdv/dt 유도 Vgs 스파이크에 강력한 영향을 미치는 외부 파라미터는 Rgext로, 이것은 MOSFET의 게이트와 소스 핀 간의 모든 저항에 걸친다. Rgext는 회로 꺼짐, 드라이버 출력 저항, 레이아웃 저항 등 많은 특성의 합이다.

우리는 전이 속도를 높이기 위해 하이 사이드 MO-SFET의 Roff와 로우 사이드의 Ron을 변화시켰으며, 시뮬레이션을 통해 그림 11과 같은 결과를 얻었다.

그림11. 고정 dv/dt에서 최대 Vgs 스파이크와 Roff 간의 관계

Roff는 슛 쓰루 스파이크를 감소시키기 위해 필수적이다. 따라서 우수한 구동 회로를 설계하기 위해서는 슛 쓰루 문제도 고려해야 한다.

이러한 문제를 제거하는 데에는 AC 커플링 게이트 드라이브(MOSFET이 꺼져 있을 때 게이트를 소스 포텐셜 아래로 차단하는 방법)와 같은 다른 구동 솔루션도 있지만, Roff는 가장 많이 사용되는 터닝 오프 방법이므로 우리는 Roff 규칙을 살펴보는 것으로 제한하고자 한다.

마지막으로 슛 쓰루 평가의 기준은 Qgd/Qgs 비뿐만 아닐 다른 많은 파라미터도 고려해야 한다.

우리의 경험에 따르면 애플리케이션이 완전히 조립되었을 때 적합한 조치를 취할 수 있을 것으로 생각한다.

측정을 통해 Roff가 발생 가능한 슛 쓰루 이벤트에 미치는 영향을 평가할 수 있으며, 그것을 보드 상에서 테스트하여 제거할 수 있기 때문이다.