더블 펄스 테스트를 이용한 1200 V SiC MOSFET의 동적 스위칭 특성 및 손실 분석 = Dynamic Switching Characteristics and Loss Analysis of 1.2 kV SiC MOSFETs Using Double Pulse Test

국문 초록 (Abstract)

탄소중립과 에너지 전환이 가속화되면서 고속 및 고효율 전력 변환에 적합한 SiC 전력 소자의 수요가 증가하고 있으며, EV 인버터와 재생에너지 시스템에서는 고전압과 고주파 환경에서의 스위칭 손실 저감과 과도 안정성 확보가 중요하다. 본 연구에서는 동일 세대에 속하며 동일한 TO-247-4L 켈빈 소스(Kelvin source) 패키지를 적용한 1200 V SiC MOSFET 3종을 DUT로 사용하여, 하프브리지 구성에서 더블 펄스 테스트(Double Pulse Test, DPT)를 수행하였다. 이를 통해 소자의 정격전류를 기준으로 전류 및 전압을 단계적으로 스케일링하는 정격전류 기반 스위칭 특성 평가 기법을 적용하고, 정특성과 동특성을 연계한 스위칭 과도응답 해석 방법을 활용하여 스위칭 성능 및 손실을 정량 비교하였다. 실험 결과, 세 소자 모두 전압 및 전류 스케일링에 따라 dv/dt, di/dt, Vds, Id 오버슈트와 링잉이 일관된 변화 양상을 보였으나, 정격전류가 낮은 소자일수록 구동 조건 변화에 대한 스위칭 파형의 민감도가 현저히 높게 나타남을 확인하였다. 스위칭 손실은 구동 전압과 전류에 비례하여 증가하였으나, 운전 조건에 따라 소자 간 총 손실의 상대적 크기 관계가 달라지는 구간이 존재하여 단순히 정격전류의 크기만으로 소자의 우열을 판단할 수 없음을 확인하였다. 결론적으로 본 연구는 동일 패키지 및 세대 내에서 정격전류가 스위칭 속도, 파형 안정성, 손실 간의 상충 관계(Trade-off)를 좌우하는 핵심 인자임을 확인하였다. 나아가 기생 정전용량 및 게이트 전하 특성에 기반한 과도응답 상관관계 분석을 통해 고전압 SiC 전력변환 시스템의 최적 소자 선정 및 구동 회로 설계를 위한 구체적인 설계 지침을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In next-generation high-voltage power conversion systems, understanding how the current rating of SiC MOSFETs influences switching transients and losses is important. This study presents a comparative analysis of switching transients and losses for three 1.2 kV SiC MOSFETs with different current ratings from the same product series, all packaged in a common TO-247-4L package. Static electrical characterization was performed to compare key device parameters across current ratings and to relate them to dynamic switching behavior. Dynamic characterization was conducted using a double pulse test in a half-bridge configuration with an inductive load under current and voltage scaling conditions to quantify transient metrics and switching loss components. Under identical gate drive conditions, the device with the lowest current rating exhibited the largest waveform variability, whereas the device with the highest current rating exhibited the most stable waveforms, indicating higher transient sensitivity to applied voltage and load current for the lowest-rated device. Despite differences in current rating, the devices exhibited operating ranges in which both the loss magnitude and its dependence on applied voltage and load current were comparable. These results indicate that, within a common 1.2 kV SiC MOSFET product series, current rating is a key parameter associated with trade-offs among switching speed, waveform stability, and switching losses.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 2
• 2.1 전력반도체 2
• 2.2 SiC 소재 및 특성 5
• 2.3 SiC MOSFET의 전기적 특성 7
• 가. 정전용량 7
• 나. 게이트 전하 9
• 2.4 SiC MOSFET의 스위칭 특성 12
• 가. 스위칭 동작 원리 13
• 나. 스위칭 손실 17
• 다. 과도 현상 19
• 2.5 더블 펄스 테스트 21
• 가. DPT 회로 구성 22
• 나. DPT 동작 원리 23
• 다. 측정 신호 및 평가 항목 25
• 2.6 연구 절차 개요 26
• Ⅲ. 실험 환경 및 연구 방법 27 3.1 실험 장비 및 측정 시스템 27
• 가. 정특성 측정 시스템 27
• 나. DPT 측정 시스템 29
• 3.2 정격전류별 DUT의 전기적 특성 33
• 3.3 전류 및 전압 스케일링 기반 DPT 구동 조건 34 3.4 정특성-동특성 연계 기반 스위칭 과도응답 및 손실 분석 방법 35
• 가. 정특성 파라미터 기반 스위칭 과도응답 연계 분석 35
• 나. DPT 파형 기반 스위칭 과도응답 및 손실 분석 40
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 42
• 4.1 전류 조건 변화에 따른 스위칭 특성 분석 42
• 가. 전류 스케일링에 따른 DPT 과도응답 분석 42
• 나. 정특성 기반 전류 스케일링에 따른 과도응답 상관관계 분석 48
• 4.2 전압 조건 변화에 따른 스위칭 특성 분석 53
• 가. 전압 스케일링에 따른 DPT 과도응답 분석 53
• 나. 정특성 기반 전압 스케일링에 따른 과도응답 상관관계 분석 59
• 4.3 구동 조건 및 소자 정격에 따른 스위칭 손실 특성 분석 65
• Ⅴ. 결론 67
• 참고문헌 68
• Abstract 75