Galvanic-Isolated Gate Driver with High Common-Mode Transient Immunity for SiC/GaN Devices = 높은 공통 모드 트랜지언트 내성을 갖는 SiC/GaN용 갈바닉 절연 게이트 드라이버

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the increasing use of SiC and GaN devices, the demand for reliable gate drivers has grown. A critical requirement for these drivers is galvanic isolation, which ensures safety, prevents ground loops, and provides better high-voltage separation and noise immunity. Compared to traditional junction isolation, galvanic isolation handles higher voltages and performs better in high-speed switching, making it more suitable for SiC/GaN devices, which require effective isolation to ensure stability and efficiency. In high-speed switching, high common-mode transient immunity (CMTI) is essential to minimize noise and maintain stable operation.

This paper presents two types of galvanic-isolated gate drivers for SiC and GaN power devices: one using capacitive isolation and the other using transformer-based isolation. The capacitive isolation driver proposes a counter-based modulation technique, replacing the traditional OOK modulation method, to ensure high CMTI. In the transformer-based isolation driver, a bleeder circuit is proposed to enhance CMTI performance, ensuring stable operation in harsh environments. The transformer isolation design provides robust electrical separation between the control and power stages, while the bleeder circuit suppresses common-mode transients, maintaining high noise immunity.

The proposed galvanic isolation gate driver has been implemented in a 130nm BCD process. Simulation results show that the driver guarantees a CMTI of over 300V/ns and an isolation rate of at least 400V.

국문 초록 (Abstract)

SiC 및 GaN 소자의 사용이 증가함에 따라, 이를 안정적으로 구동할 수 있는 게이트 드라이버에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 게이트 드라이버에서 갈바닉 절연(galvanic isolation)은 필수적인 요소로, 시스템의 안전성을 확보하고, 그라운드 루프를 방지하며, 고전압 분리 및 노이즈 내성을 제공한다. 기존의 접합 절연(junction isolation) 방식에 비해, 갈바닉 절연은 더 높은 전압을 처리할 수 있으며, 고속 스위칭 환경에서도 더 우수한 성능을 제공하므로, SiC 및 GaN 소자와 같은 와이드 밴드갭(WBG) 소자에 보다 적합하다. 특히 고속 스위칭 환경에서는 높은 공통 모드 트랜지언트 내성(CMTI)이 요구되며, 이는 시스템의 노이즈 영향을 최소화하고 안정적인 동작을 유지하는 데 중요하다.

본 논문에서는 SiC 및 GaN 전력 소자용으로 설계된 두 가지 갈바닉 절연 게이트 드라이버 구조를 제안한다. 첫 번째는 커패시터 기반 절연 구조로, 기존의 OOK 변조 방식 대신 카운터 기반 변조 기법을 도입하여 높은 CMTI를 확보하였다. 두 번째는 트랜스포머 기반 절연 구조로, CMTI 성능을 향상시키기 위한 블리더 회로(bleeder circuit)를 추가하여, 고노이즈 환경에서도 안정적인 동작이 가능하도록 하였다. 트랜스포머 절연 방식은 제어부와 전력부 간의 강력한 전기적 분리를 제공하며, 블리더 회로는 공통 모드 트랜지언트를 억제하여 높은 노이즈 내성을 유지한다.

제안된 갈바닉 절연 게이트 드라이버는 130nm BCD 공정으로 구현되었으며, 시뮬레이션 결과 300V/ns 이상의 CMTI와 400V 이상의 절연 성능을 보장함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Conventional Gate Drivers and Modulation 3
• 2.1 Junction Isolation Gate Driver 3
• 2.2 Galvanic Isolation Gate Driver 5
• 2.3 On-Off Keying(OOK) Modulation 14
• 3. Proposed Galvanic isolated Gate Drivers 16
• 3.1 Capacitive Galvanic Isolation Gate Driver with Counter-based modulation 16
• 3.2 Full Architecture of Proposed Capacitive Galvanic Isolation Gate Driver 20
• 3.3 Transformer Galvanic Isolation Gate Driver with Bleeder circuit 26
• 3.4 Full Architecture of Proposed Transformer Galvanic Isolation Gate Driver 29
• 4. Experimental Results 33
• 4.1 Capacitive Isolation 34
• 4.2 Transformer Isolation 37
• 5. Conclusion 42
• References 45
• Korean Abstract 47