[전원 측정 가이드 5/5] 전력 반도체 동적 성능 테스트 솔루션 — 더블 펄스 테스트 응용 가이드 Leave a comment

개요

전력 변환기(Power converter)는 전기 에너지를 활용하는 핵심 장치로, 생산과 일상 전반에서 중요한 역할을 합니다. 전력 변환기의 핵심은 전력 반도체 소자이며, 소자가 변환기의 성능을 크게 좌우합니다. 지난 수십 년 동안 전력 반도체 소자는 수 V에서 수천 V, 수 A에서 수천 A를 아우르는 큰 가족으로 성장했습니다. 대표적인 소자로는 MOSFET, IGBT, 다이오드가 있습니다.

대부분의 전력 소자는 Si(실리콘) 소재를 기반으로 하는데, 그 특성이 이론적 한계에 가까워져 전력 변환기 발전의 병목이 되었습니다. Si 소자와 비교하면 SiC(실리콘 카바이드) 소자는 스위칭 속도가 더 빠르고, 더 높은 접합 온도에서 동작할 수 있으며, 고전압과 대전류를 동시에 구현할 수 있습니다. 이런 특성은 전력 변환기의 성능을 크게 높여서 더 높은 전력 변환 효율과 전력 밀도, 낮은 시스템 비용을 가져다줍니다.

SiC 소자는 전기차 구동 인버터, 전기차 온보드 충전기(OBC), 전기차 충전 설비, 태양광, 무정전 전원 장치(UPS), 에너지 저장, 산업용 전원 등에 적합합니다. 현재 국내외 SiC 산업 사슬이 점차 성숙하고 있고 주요 전력 반도체 업체들이 SiC 제품을 내놓고 있으며 가격도 계속 내려가고 있어서, SiC 소자의 응용은 폭발적으로 늘고 있습니다.

테스트 요구

전력 반도체의 동적 파라미터 테스트는 반브리지(half-bridge) 회로를 바탕으로 스위치의 스위칭 특성을 평가하는 방법이 체계적으로 발전해 왔고, 그 대표가 더블 펄스 테스트(Double pulse test) 입니다. 더블 펄스 테스트는 전력 반도체 연구·개발과 응용에서 핵심 평가 도구입니다. 핵심 동적 파라미터를 제공할 뿐 아니라, 실제 동작 조건을 모사해서 소자의 잠재적인 위험과 개선 방향을 알려 줍니다.

SiC와 GaN으로 대표되는 3세대 반도체가 빠르게 발전하고 확산되면서 신에너지 차량 산업과 전원 산업에 큰 변화가 일어나고 있고, 설계 엔지니어에게는 큰 테스트 과제도 생겼습니다. 선택한 고속 전력 소자가 제품 안에서 안정적이고 신뢰성 있게 동작하게 하려면 전력 소자의 동적 특성을 알아야 합니다.

테스트 목적

1. 핵심 동적 파라미터 측정 — 스위칭 손실, 스위칭 시간, 역회복(reverse recovery) 특성 같은 동적 파라미터를 측정합니다. 시스템 효율을 최적화하고, 소자의 응답 속도를 평가하고, 커뮤테이션(전류 전환) 과정에서의 안전 여유를 판단하는 데 쓰입니다.
2. 구동 회로 설계 검증 — 게이트 구동 저항이 적절한지 평가하고, 구동 신호의 상승/하강 기울기를 최적화해서 스위칭 진동을 줄입니다. 구동 칩의 보호 기능이 제대로 동작하는지도 시험합니다.
3. 소자 성능 비교 — 전압, 전류, 온도 조건을 바꿔 가며 시험해서 서로 다른 소재(Si IGBT와 SiC MOSFET)나 서로 다른 제조사 소자의 성능 차이를 비교하고, 부품 선정 결정을 지원합니다.
4. 기생 파라미터의 영향 분석
5. 극한 조건에서의 신뢰성 평가

테스트 원리

그림 1은 SiC MOSFET을 예로 든 더블 펄스 테스트 회로입니다. 회로는 버스 커패시터 C_Bus, 피시험 스위치 Q_L, 보조 다이오드 VD_H, 구동 회로, 부하 인덕터 L로 구성됩니다. 테스트에서는 Q_L에 더블 펄스 구동 신호를 보내서, 지정한 전압과 전류에서의 Q_L 스위칭 특성을 얻습니다.

실제 전력 변환기의 커뮤테이션(전류 전환) 방식에는 MOS–다이오드와 MOS–MOS 두 가지가 있습니다. 펄스 테스트를 할 때는 실제 변환기와 같은 형태와 소자를 선택해야 합니다. MOS–MOS 형태에서는 다이오드 VD_H를 SiC MOSFET Q_H로 바꾸고, 테스트하는 동안 Q_H에 항상 턴오프 신호를 가해 두면 됩니다.

다이오드의 역회복 특성을 시험할 때는 피시험 소자를 하단(low side) 스위치로 하고, 부하 인덕터를 그 양단에 병렬로 연결합니다. 보조 스위치는 상단(high side) 스위치로 두고, 테스트 중에 턴온·턴오프 동작을 시킵니다(그림 2).

전체 테스트 과정에서 Q_L은 두 번 턴온·턴오프하여 두 개의 펄스를 만듭니다. Q_L의 V_GS, V_DS, I_DS 파형을 측정하고 저장하면, 첫 번째 턴오프와 두 번째 턴온에서의 동적 특성을 분석하고 평가할 수 있습니다.

대표 응용 시나리오

1. 전기차 구동 시스템 — 인버터에 쓰이는 IGBT/SiC 모듈의 스위칭 손실과 열 안정성을 검증합니다.
2. 재생 에너지 — 태양광 인버터와 에너지 저장 변환기(PCS)의 전력 소자가 고주파 스위칭 조건에서 신뢰성이 있는지 시험합니다.
3. 산업용 인버터 — 모터 구동 회로에서 소자의 동적 응답과 전압 스트레스를 평가합니다.
4. 스위칭 전원 — 고주파 DC-DC 변환기의 효율과 EMI 특성을 최적화합니다.

테스트 플랫폼 구축

RIGOL의 전력 반도체 동적 파라미터 테스트 솔루션은 단일 펄스, 더블 펄스, 다중 펄스 테스트를 지원합니다. 오실로스코프, 신호 발생기, 저전압 DC 전원, 고전압 DC 전원, 전압·전류 프로브, 소프트웨어가 통합되어 있습니다.

테스트 항목

위 그림의 중국어 표기는 다음과 같습니다.

장비별 역할

1. DG5000 Pro가 더블 펄스 구동 신호를 만들어 냅니다.
2. 광절연 프로브로 스위치의 게이트 전압 V_gs와 보조 스위치의 게이트 크로스토크 신호를 정확히 측정합니다. 게이트 전하 측정에도 사용할 수 있습니다.
3. MHO5106 오실로스코프가 전압·전류 파형을 캡처하고 계산합니다.

솔루션 특징

1. IGBT와 MOSFET(3세대 반도체인 SiC, GaN 포함) 전력 반도체의 동적 특성을 신뢰성 있고 반복 가능하게 시험합니다.
2. 측정하는 특성 파라미터에는 턴온, 턴오프, 스위칭 전환, 역회복, 게이트 구동, 스위칭 손실 등이 있습니다.
3. 고객 맞춤 지그를 지원합니다.
4. RIGOL 오실로스코프와 프로브를 사용해 프로브 시간 지연을 정확히 보상하고, 전용 스위칭 손실 알고리즘으로 신뢰성 있는 시험 결과를 제공합니다.
5. 독자적인 광절연 프로브는 최대 1 GHz 대역폭에서 최대 180 dB의 CMRR(공통 모드 제거비) 로 구동 신호의 실제 모습을 정확히 측정합니다.

솔루션 구성

본 글은 RIGOL 응용 가이드(ANW01000-1220-0032)를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다. 사양과 구성은 예고 없이 변경될 수 있습니다.