IGBT 및 MOSFET 재생 가능 에너지 애플리케이션을 위한
35V 단일 채널 게이트 드라이버
오늘날 컨트롤러와 전원 스테이지의 통합은 현실화되고 있다. 이 분야에서는 보다 높은 스위칭 주파수를 선호하며, 1MHz 이상의 속도를 낼 수 있는 실리콘(Si) MOSFET이 주류를 이룬다. 이러한 전원 스위치들은 일반적으로 5V 또는 12V의 IC 게이트 드라이버나 이와 유사한 솔루션을 통해 구동된다.
복잡하고 다양한 전력 변환이 요구되는 전자시장 분야에서 POL(Point-of-oad) 애플리케이션의 스위칭 전력 컨버터는 일반적으로 비절연 방식이다. 전력 수준은 200W 이하로 상당히 낮다.
전력은 일반적으로 DC 전압에서 다른 전압으로, 예컨대 12V에서 3.3V로 변환된다. 전원 스테이지 스위치는 통합되어 있거나 저전류 컨트롤러나 트랜지스터로 구동된다.
재생 가능 에너지의 트렌드
대부분 국가의 총 전력 포트폴리오에서 풍력과 태양력 등으로부터 생산되는 재생 가능 에너지의 비율은 낮은 편이지만, 최근에는 해마다 지속적으로 성장해왔다. 재생 가능 에너지가 가용 전력의 많은 부분을 차지하고 있는 국가들도 있다.
예를 들어 덴마크 에너지청(Danish Energy Agency)에 따르면, 덴마크는 2012년 상반기에 풍력 발전으로만 전체 전기의 약 34%를 생산했다고 한다. 또한 덴마크 에너지청의 소속기관인 덴마크 기후 에너지부(Danish Ministry of Climate, Energy and Building)에 따르면, 덴마크는 2020년까지 전체 전력의 50%를 풍력 에너지로 조달하기로 했다고 한다.
풍력 에너지가 국내 총 전력에서 그렇게 큰 비중을 차지하게 되면, 변환 시스템의 신뢰도가 무엇보다도 중요해진다. 이는 그리드와 고전력 연결, 절연 세이프티 요건, 대형 재생 가능 에너지 변환 시스템의 비용과 더불어 시스템 신뢰도가 언제나 설계 우선 순위이며, 효율성이 그 다음이라는 것을 의미한다. 그러므로 보호 기능과 신뢰도는 컨트롤러에서 PET/IGBT 드라이버에 이르기까지 모든 차원에서 우선시된다.
재생 가능 에너지 관리의 과제
풍력 발전기에서 태양광 발전기에 이르기까지 전기 파워트레인은 고유한 성능 문제를 몇 가지 갖고 있다. 재생 가능 에너지의 전형적인 전력 수준은 마이크로 인버터의 경우 1kW에서 3kW이며, 대형 중앙 집중형 인버터 스테이션인 경우 10kW에서 1MW일 수 있다.
DC/DC 변환 외에 DC/AC와 AC/DC 변환도 이용할 수 있으며, 간혹 두 개가 결합되어 이용되기도 한다.
구형 풍력 터빈은 전력 그리드에 직접 연결되었지만 전력선 주파수로 가동해야 했다. 때문에 많은 동작점을 비효율적으로 통과하게 되었다. 신형 풍력 터빈(그림 1)은 풍력 발전기가 가변 속도에서 최대 효율로 작동할 수 있도록, 주로 AC에서 DC로 변환시키고 DC에서 AC로 다시 변환시킨다. 반대로 태양전지는 DC 전압/전류를 발생시킨다. 일반적으로 전압은 더 높게 승압되며 그리드에 결합되기 전에 DC/AC 인버터를 통해 전송된다.
전형적인 전원 관리의 구성
전력 수준이 높으면 시스템 전압이 높아지므로, 컨버터에 이용되는 내부 구성품의 스탠드오프(Standoff) 전압이 높아진다.
대부분의 회로 설계자들은 400V 이상에서의 저전력 손실에 대비하여 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insu-lated Gate Bipolar Transistors, IGBT)나 최신 실리콘 카바이드(SiC) FET를 즐겨 사용한다.
이러한 디바이스는 이에 상응하는 Si MOSFET보다 온(ON) 저항이 낮으며 스탠드오프 전압이 최대 1,200V에 달한다.
이와 같은 복합 전원 시스템은 디지털 신호 처리, 마이크로컨트롤러 또는 디지털 파워 컨트롤러가 관리한다. 그러므로 통상 잡음이 발생하는 전원 스테이지의 스위칭 환경으로부터 전력과 신호를 모두 격리시켜야 한다.
정상 상태의 스위칭 주기 사이에도 회로는 상당한 접지 변동을 발생시킬 수 있는 전압과 전류의 커다란 변화를 겪게 된다.
그림 2를 보면 싱글 페이즈 DC/AC 인버터조차도 전원 스테이지에서 IGBT를 적합하게 스위칭하는 데 많은 게이트 드라이버가 필요하다는 것을 알 수 있다.
단일 채널 게이트 드라이버인 텍사스 인스트루먼트의 UCC27531은 필요한 신호와 바이어스 절연이 있을 경우 스위치 브리지에서 어떠한 스위치도 구동할 수 있다. 옵토커플러 또는 디지털 아이솔레이터가 신호 절연을 담당한다. 설계자는 바이어스 절연을 위해 절연된 바이어스 공급이나 다이오드와 커패시터와 함께 부트스트랩 회로를 이용할 수 있다.
또 다른 옵션은 컨트롤러, 절연체와 같은 쪽에 게이트 드라이버를 연결하고 게이트 드라이버 뒤에 게이트 트랜스포머를 통해 스위치를 구동하는 것이다. 이 옵션을 이용하면 컨트롤 사이드에서 비절연 공급장치로 드라이버를 바이어스할 수 있다.
재생 가능 에너지의 게이트 드라이버
비절연 게이트 드라이버 단일 채널 UCC27531은 소형이므로 앞에서 설명한 환경에 매우 적합하다. IC의 입력 신호는 옵토커플러나 디지털 아이솔레이터를 통해 공급된다. 공급/출력 드라이버의 전압이 10V~35V로 높으므로 IGBT/SiC FET 애플리케이션뿐만 아니라 12V Si MOSFET 애플리케이션에도 이상적이다.
잘못된 턴온으로부터 전원 스위치를 보호하는 데에는 차단 시의 네거티브 전압 풀다운뿐만 아니라 더 높은 포지티브 게이트 드라이브가 일반적으로 사용되고 있다.
SIC FET는 일반적으로 에너지원에 따라 ＋20/－5V 게이트 드라이버를 통해 구동된다. IGBT의 경우, 시스템 설계자들은 ＋18/－13V를 이용할 수 있다(그림 3).
UCC27531은 레일-투-레일(Rail-to-rail) 드라이버이므로 OUTH가 이미터에 따라 전원 스위치 게이트를 18VDD로 끌어 올린다. 또한 OUTL은 이미터에 따라 게이트를 드라이버의 －13V GND로 떨어뜨린다.
드라이버는 GND에 따라 VDD에서 31V, 또는 ＋18에서 －13V이 효율적으로 보인다. 또한 35V 정격은 잡음과 링잉으로 인한 IC 과전압 장애를 예방할 수 있는 마진을 제공한다.
OUTH와 OUTL이 모두 있는 스플릿 출력은 사용자가 턴온 전류(Sourcing)와 턴오프(Sinking) 전류를 따로 관리할 수 있게 한다. 이는 잡음과 전자파 간섭에 대한 요건에 부합하도록 스위칭 시간을 제어하고, 효율성을 최대화하는 데 도움이 된다. 또한 스플릿 출력의 경우에도 싱글 게이트 드라이버는 출력 스테이지의 인덕턴스를 최소한으로 유지하여 과도한 링잉과 오버슈트를 막아준다.
비대칭 드라이브(2.5A 턴온과 5A 턴오프)가 있으므로 UCC27531은 고전력 재생 가능 에너지 애플리케이션의 평균 스위치 타이밍에 최적화된다. 또한 풀다운 임피던스가 낮아 게이트가 컬렉터와 IGBT 게이트 사이, 그리고 FET 게이트와 드레인 사이의 밀러효과 와류 용량(Parasitic Miller-effect Capacitance)으로 인해 잘못된 턴온이 발생할 수 있는 전압 스파이크를 겪지 않으므로 드라이버의 신뢰도가 증가하게 된다.
스위치가 턴 오프되면서 컬렉터/드레인 전압이 급격하게 상승할 경우, 이러한 내부 정전용량은 게이트에서의 풀업으로 인해 턴온 문턱 전압을 초과하는 원인이 될 수 있다.
UCC27531의 입력 스테이지 또한 재생 가능 에너지와 같이 신뢰도가 높은 시스템을 만들기 위해 설계되었다. 이 제품은 공급 전압과 상관없이 작동하는 TTL/CMOS 입력 기능을 갖고 있으며, 표준 TTL 레벨 신호와 호환 가능하다. 이는 전통적인 TTL에서 나타나는 일반적인 0.5V 이력 특성(Hysteresis)에 비해 약 1V라는 더 높은 이력 특성을 제공한다. 어떠한 이유로 입력 신호가 소실되고 플로팅되면 출력이 풀-로우된다. 또한 드라이버 IC의 GND 전압이 크게 변하고 에지 스위칭하는 동안 GND가 크게 변동하면 입력 신호가 네거티브로 나타날 수 있다. 이 드라이버는 이러한 사건이 발생하는 동안 입력(IN)이나 이네이블(EN)에서 지속적으로 최대 －5V로 전압을 조정하여 문제를 처리한다.
UCC27531은 3×3mm 산업용 표준 SOT-23 패키지로 제공되며, 이는 네거티브 입력 기능이 없는 디스크리트 레벨 시프터가 있거나 보호 기능이 추가된 디스크리트 2 트랜지스터 솔루션과 치열한 경쟁을 벌이고 있다. UCC27531의 기능을 싱글 IC 패키지에 통합했기 때문에 공간이 절약되는 것은 물론, 시스템의 전반적인 신뢰도가 증대된다.
이 단일 채널 드라이버는 전원 스위치 게이트와 매우 가까운 위치에 배치할 수 있어 매력적인 옵션이다. 배치는 싱글 IC의 하이 사이드/로우 사이드 게이트 드라이버 조합보다 자유로운데, 이러한 유연성은 드라이버와 전원 스위치 사이의 인덕턴스를 최소화하고 스위치의 게이트를 효율적으로 제어하는 데 도움이 된다.
그림 2는 얼마나 많은 고전원 스위치가 DC/AC 스테이지의 싱글 페이즈에 있는지 나타낸 것이다.
DC와 AC 사이 그리고 AC와 DC 사이의 변환이 여러 번 일어나고, 일부 애플리케이션에 필요한 DC/DC 변환 부스트 스테이지가 있는 3페이즈 시스템에는 다수의 게이트 드라이버가 필요하다. 각각은 반드시 적합한 설계가 보장되도록 PCB에 전략적으로 배치되어야 한다.
재생 가능 에너지 애플리케이션에서 시스템 설계자가 해결해야 할 과제는, 태양광 집열판과 풍력 터빈으로 생산된 전력을 변환시키는 것이다. 이러한 과제들은 세이프티와 신뢰도 요건에 부합하는 고전압과 전력 수준이 서로 연결된 시스템의 총체적이고 복합적인 문제이다.
전원 스위치용 게이트 드라이버는 전체 시스템 제어와 전력 흐름에서 사소한 부분으로 생각될 수도 있지만, 사실상 전체적인 설계 성능에 있어서 매우 중요한 부분이다.
John Stevens TEXAS INSTRUMENTS
