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  1. (Dept. of Development Team, Green Power, Korea.)



GaN FET, Inductive power transfer, ZVS, ZCS, Reverse recovery charge, Reverse recovery current

1. 서 론

전기자동차용 자기유도방식 무선충전 (IPT, Inductive Power Transfer) 시스템은 SAE J2954 규격에 따라 스위칭 주파수와 결합계수가 각각 80~90kHz와 0.08~0.2로 제한되어 이를 고려한 설계가 요구된다(1). 차량의 주차 위치에 따라 자동차 내부 수신패드의 변위 변화로 결합계수 역시 변할 수 있고, 이러한 결합계수의 변화는 경우에 따라 송수신 코일 공진회로의 공진점이 분기되는 공진점 분기현상 (Bifurcation)을 야기한다(2-4).

그림 1과 같은 SP(Series-Parallel) 보상회로를 갖는 IPT 시스템은 일반적으로 ZVS 영역 동작시키는데, 공진점 분기현상이 발생하게 되면 ZVS 영역에서 동작하던 시스템이 동일한 주파수 지점에서 ZCS 영역으로 동작할 수 있다. IPT 시스템이 ZCS 동작할 경우 1차측 풀브리지 회로의 스위치에 공진회로에서 발생하는 큰 공진 전류와 MOSFET의 바디 다이오드 내 큰 역회복 전하량 (Qrr)에 기인하는 역회복 전류가 각각의 스위치에 중첩되어 효율 감소 및 열폭주로 인한 소자 소손이 발생될 수 있다(5-6).

그림. 1. 자기유도방식 무성충전 시스템 구성도

Fig. 1. Configuration of Inductive Power Transfer System

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이러한 문제를 해결하기 위해 1차측 풀브릿지 회로의 전압 및 전류 위상을 (ZPA, Zero Phase Angle) 지속적으로 검출하고 시스템의 동작 상태를 파악하여 ZCS 영역에서의 동작 시 스위칭 주파수를 천이시켜 시스템을 보호하는 방법이 제안되었다(7-10). 이 방법은 일반적으로 좋은 성능을 나타내지만 전압 및 전류의 위상정보를 파악하기 위한 별도의 센싱 회로 및 제어 알고리즘이 필요하게 된다. 또 다른 방법으로 기본 보상회로 구조인 SS, SP, PS, PP 보상회로 외 인덕터 및 커패시터를 추가적으로 직·병렬 구성한 LCCL-S, LCL-S 등의 보상 방법이 제안되었고 매우 활발하게 연구되고 있다(11-13). 보상회로의 개선을 통해 병렬 공진커패시터 값을 크게 할 수 있어 공진점 분기현상 발생가능성을 낮출 수 있는 장점이 있지만, 추가적인 인덕터 및 커패시터가 필요해 시스템 원가상승 및 전력밀도가 낮아지는 단점이 존재한다.

이러한 문제의 근본 원인인 실리콘 MOSFET 바디 다이오드의 Qrr을 최소화 할 수 있다면 하드웨어 추가 없이 문제를 저감할 수 있으나 실리콘 MOSFET의 물성적 특성으로 인해 Qrr을 줄이는 데 한계가 있다. 최근 활발히 연구되고 있는 대표적 와이드 밴드갭 전력반도체인 GaN FET은 Qrr이 0에 가깝기 때문에 ZVS-ZCS 천이과정에서 발생되는 전류 스파이크 문제를 해결하기 위한 좋은 대안이 될 수 있으나(14-15), 아직까지 이에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 xEV 무선충전용 IPT 충전시스템에 하드웨어 및 제어기 추가 없이 GaN FET만을 적용 했을 경우 공진점 분기 조건에서 ZVS-ZCS 천이 시 발생되는 전류 스파이크 문제의 해결 가능성을 제시한다. 이를 위해 IPT 시스템의 ZCS 동작 특성 및 GaN FET의 역회복 특성을 분석하고, 실리콘 MOSFET 바디 다이오드의 Qrr에 따른 전류 스파이크 발생 추이와 동일 조건에서 GaN FET 적용 시 전류 스파이크 발생 추이를 모의실험 및 실험을 통해 확인한다.

2. IPT 시스템의 공진점 분기현상 및 ZCS 특성 분석

그림. 2. 결합계수에 따른 위상 곡선

Fig. 2. Phase Curve according to Coupling Factor(5)

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그림. 3. SP 보상회로 구성된 상세 회로도

Fig. 3. Detail circuit diagram with SP compensation circuit

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그림 3과 같이 SP 보상회로가 적용된 IPT 시스템 MOSFET의 전압 및 전류 특성은 1차측 공진회로의 코일 및 보상 커패시터에 의한 부하 공진 특성으로 결정되며 인덕터와 커패시터가 직렬로 연결된 직렬 공진 특성을 가진다. 전력전달 성능을 증대시키기 위해 인덕터 및 커패시터의 공진 주파수와 MOSFET의 스위칭 주파수를 일치시켜 리액턴스 성분에 의한 무효전력 성분을 소거하는 형태가 일반적이다. 직렬 공진 특성은 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 클 경우 입력 임피던스 성분이 인덕턴스에 지배적이 되고 전압이 전류의 위상보다 더 앞서 시스템이 ZVS로 동작하게 된다. 이와 반대로 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 작을 경우 입력 임피던스 성분이 커패시턴스에 지배적이 되어 전압이 전류의 위상보다 뒤쳐져 시스템이 ZCS로 동작하게 된다. 이러한 IPT 시스템은 결합계수의 변화에 따라 그림 2와 같이 ZVS 및 ZCS 동작범위가 결정된다. IPT 시스템을 동작시키는 일반적인 범위는 ω0에서 ωS로 공진점 분기현상이 발생하지 않을 경우 ZVS 영역에서 동작된다. 하지만 시스템 결합계수가 일정 결합계수 이상으로 증가하게 되면 ZCS로 동작하게 된다. 공진점 분기현상은 1차, 2차 Q-factor 관계로 정의되며 본 논문에서 사용한 SP 보상회로의 1차측 Q-factor (QP)는,

(1)
$$Q_{P}=\dfrac{\omega_{0}L_{P}L_{S}^{2}}{M^{2}R_{ac}}$$

2차측 Q-factor (QS)는,

(2)
$$Q_{S}=\dfrac{R_{ac}}{\omega_{0}L_{S}}$$

으로 정의되며, 1차 및 2차 Q-factor의 관계가 식 (3)의 조건이 될 공진점 분기현상이 발생한다.

(3)
$$Q_{P}<Q_{S}+\dfrac{1}{Q_{S}}$$

상기 식을 정리하면,

(4)
$$k_{\lim}=\dfrac{\omega_{0}L_{S}}{R_{ac}}\sqrt{1/\left(1+(\dfrac{\omega_{0}L_{S}}{R_{ac}})^{2}\right)}$$

이 되고, 만약 $(\omega_{0}L_{S}/R_{ac})^{2}\ll 1$ 이라면 공진점 분기현상이 발생되는 임계결합계수는 아래식과 같다.

(5)
$$k_{\lim}=\dfrac{\omega_{0}L_{S}}{R_{ac}}$$

그림 3은 SP보상회로가 적용된 풀브리지 구조의 IPT 시스템이다. 1차측 스위치가 MOSFET일 경우 ZVS 및 ZCS 동작 파형은 그림 4와 같다. ZVS 동작 시 그림 4(a)와 같이 MOSFET에서 역병렬 다이오드가 턴 온 되기 전에 스위치가 턴 오프 되어 다이오드의 특성인 역회복 전류가 발생하지 않는다. 하지만 ZCS 동작 시 그림 4(b)와 같이 드레인 전류가 영전류까지 떨어진 후 스위치가 턴 오프 될 때까지 역병렬 다이오드를 통해 전류가 흐르고 이후 MOSFET이 턴 오프 되면 다이오드의 역회복 현상으로 인한 전류 스파이크가 발생한다. 그림 4(c)는 ZCS 동작 시 풀브리지 구조의 스위치 상태에 따른 Q1에 대한 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 스위치 Q2와 Q3가 턴 오프되며, 역병렬 다이오드 D2와 D3가 정방향 바이어스 되어 다이오드를 통해 전류의 흐름이 형성된다. 이 후 Q1과 Q4가 턴 온되어 D2와 D3가 턴 오프되고 이때 발생하는 다이오드 역회복 전류가 그림과 같은 Peak Current를 발생시킨다. 이러한 Peak Current는 SP 보상회로의 특성상 결합 계수가 낮아 짐에 따라 1차측 공진 전류가 커지게 되고, 역회복 전류와 더해지며 더 큰 Peak Current가 발생하게 된다.

그림. 4. MOSFET의 스위칭에 따른 전압 및 전류 특성

Fig. 4. Voltage and current characteristics according to MOSFET switching

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3. MOSFET vs GaN FET 역회복 특성 비교

그림 5(a)와 (b)는 각각 MOSFET과 GaN FET의 물성적 구조를 보여준다. MOSFET은 수직적인 구조를 가지며 p형 기판위에 고농도로 도핑된 n영역들이 놓여진 구조로 게이트 전압이 인가되지 않을 때 p형 반도체와 n형 반도체가 서로 접합되어 드레인-소스 방향으로 pn접합 다이오드가 생성된다. 이러한 구조로 인해 MOSFET에 음의 전압이 인가되면 다이오드와 동일하게 동작하게 된다. GaN FET은 일반적으로 수평적인 구조로 제조되며 AlGaN과 GaN epi 사이에 이종접합 구조의 2DEG (2 Dimensional Electron Gas)층이 형성되고 때문에 MOSFET과 같은 built-in 다이오드가 생성되지 않는다. 따라서 MOSFET의 경우 턴 온 시에는 순방향 전도 특성과 채널 저항을 나타내며 턴 오프 될 때 다이오드의 특성을 가지지만, GaN FET의 경우 턴 온 시에는 MOSFET과 동일하지만 턴 오프 될 때 역방향으로 도통하고 채널저항만을 나타내기 때문에 역회복 전류가 발생되지 않는다(8-10).

그림. 5. MOSFET과 GaN FET의 내부 구조 비교

Fig. 5. Comparison of internal structure between MOSFET and GaN FET

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이런 구조로 인해 MOSFET과 GaN FET의 역방향 도통 특성은 그림 6(a)와 (b)와 같이 나타나다. MOSFET에 역전압을 인가하면 그림 6(a)와 같이 바디 다이오드가 순방향 바이어스가 되어 VGS=0V인 경우 다이오드의 V-I 특성과 동일하게 된다. 역회복 특성의 물리적인 현상으로는 다이오드가 턴 온 상태에서 정공이 n층에 소수캐리어로 존재하며 턴 온 상태가 유지된다. 턴 온 상태에서 다이오드 양단 전압의 극성이 반전되면 n층의 정공 즉 소수캐리어가 p층으로 이동하며 역방향으로 전류가 흐르는 역회복 전류가 발생하고, 역회복 전류가 일정시간 흐르고 난 후 역저지 능력을 회복하는 과정에서의 역회복 특성이 나타난다. 이상적 조에서 다이오드가 순방향 바이어스일 때 전압강하는 발생되지 않고 무한대의 전류를 흘릴 수 있으나, 실제 다이오드는 전압강하가 발생하며 이 전압과 다이오드의 기생 커패시턴스 성분으로 인한 전하량 Q가 존재한다. 이 조건에서 역방향 바이어스 되면 저장되었던 전하량 Q가 모두 방출될 때까지 역방향 전류가 흐르게 된다(11-13). 하지만 GaN FET의 경우에는 그림 5(b)에서 설명한 바와 같이 GaN FET은 구조적으로 역병렬 다이오드를 가지고 있지 않아 다이오드의 전압 강하 및 기생 커패시턴스에 의해 나타나는 역회복 전류가 발생하지 않는다. GaN FET의 V-I Curve는 그림 6(b)와 같으며, 턴 오프 상태에서 Negative 전압을 사용하는 경우 소스-드레인 전압이 Vth + VGS(off)보다 클 경우 역방향으로 도통하며 전류가 역방향으로 흐르는 것으로 확인 할 수 있다.

그림. 6. 역 바이어스 조건의 V-I 특성 곡선(14)

Fig. 6. V-I characteristic curve in reverse bias condition(14)

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4. 모의실험 및 실험 결과

Qrr에 따른 ZCS 조건에서의 역회복 전류 모의실험을 위해 SIMetrix/SIMPLIS Simulation Tool을 사용하였으며, SIMetrix/SIMPLIS를 사용한 이유는 PSIM의 경우 ideal 소자를 기반으로 하고 있으나, SIMetrix/SIMPLIS는 spice 계열의 모의실험 툴로 practical한 모델을 제공하고 있어 MOSFET과 GaN FET에 인가되는 각종 파라미터에 대해 실제와 가까운 역회복 전류를 확인할 수 있다. 따라서 reverse recovery 현상을 확인할 수 있어 이 Tool을 사용하여 모의 실험을 진행하였다. 이를 바탕으로 전압정격이 같고 Qrr의 크기가 각각 다른 3종류의 MOSFET과 1종류의 GaN FET으로 모의실험을 진행하였다. 모의실험에서 사용한 MOSFET의 상세 사양은 표 1과 같으며, 공진주파수는 85kHz, 스위칭 주파수 82kHz로 ZCS를 구현하였다. 입력전압 100Vdc 조건에서 각 MOSFET 및 GaN FET의 Qrr에 따른 드레인 전류의 스파이크 성분의 크기를 통해 역회복 전류의 영향을 확인하였다.

표 1. 시뮬레이션의 스위치 사양

Table 1. Switch specifications used in the simulation

MOSFET#1

MOSFET#2

MOSFET#3

GaN FET#1

Model

IPA60R125C6

IPA60R190C6

IPA60R230P6

GS66058T

$V_{DS}$

650V

650V

650V

650V

Qrr

10uC

(IF=14.5A, di/dt=100A/us)

6.9uC

(IF=9.5A, di/dt=100A/us)

3.4uC

(IF=8A, di/dt=100A/us)

≒0uC

trr

510ns

430ns

282ns

≒0s

Ipeak

53A

61A

23A

2.1A

그림 7(a)-(c)는 Qrr 크기에 따른 MOSFET의 전압 및 전류 파형이다. Qrr이 10uC인 MOSFET1의 피크 전류는 약 53A, Qrr이 6.9uC인 MOSFET2의 피크 전류는 최고 61A, 그리고 Qrr이 3.4uC인 MOSFET3의 피크전류는 최고 23A 수준이다. 전반적인 추이는 Qrr에 비례하는 피크전류가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 다만 MOSFET2가 MOSFET1에 비해 다소 큰 피크전류가 흐르는 이유는 바디 다이오드의 턴-오프 전압, 순방향 전류, 접합부 온도 등의 조건에 따른 Qrr의 차이에 기인하는 것으로 분석된다. 이에 반해 GaN FET의 경우 MOSFET과 같은 모의실험 조건에서 MOSFET의 약 5~10% 수준인 2.1A의 매우 적은 피크전류가 발생하는 것을 확인하였다. 모의실험을 통해 Qrr의 크기가 역회복 전류에 미치는 영향을 확인하였다.

그림. 7. 모의실험 결과

Fig. 7. Reverse recovery current in simulation

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표 2. 실험 스위치 상세 사양

Table 2. Detail specifications of switches used in the experiment

MOSFET#1

MOSFET#2

MOSFET#3

GaN FET#1

Model

IPA60R125C6

R6030ENZ1

FCH125N60E28

GS66058T

$V_{DS}$

600V

600V

600V

650V

ID

30A

30A

30A

30A

Qrr

10uC

15uC

6.5uC

≒0uC

trr

510ns

660ns

376ns

≒0s

Ipeak

30A

28A

21A

7A

이론 분석과 모의실험으로 확인한 Qrr에 따른 ZVS-ZCS 천이 가능성을 검증하기 위해 2kW IPT 시스템 프로토 샘플을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 MOSFET과 GaN FET의 상세 사양은 표 2에 나타내었고, 동일한 전압 정격과 전류 정격을 갖으나 Qrr이 각기 다른 세 종류의 MOSFET과 normally off 구현된 enhancement mode GaN FET을 선택하였다. IPT 시스템의 모든 조건은 모의실험과 동일한 조건으로 통제하였으며, 입력전압 약 120Vdc 이상에서 MOSFET 소손 현상이 발생하여 드레인 피크전류 비교 측정이 가능한 100Vdc 입력전압 조건에서 드레인 전류를 측정하였다.

그림 8은 실험결과의 신뢰성 확보를 위해 GaN FET이 적용된 프로토샘플 IPT 시스템의 정상 동작을 확인한 결과이다. 그림 8(a)는 1, 2차측 공진 전압 및 전류 파형이며, 그림 8(b)는 1차측 풀브리지 출력 전압 및 전류, 시스템 입력 및 출력 전압을 나타낸다. MOSFET으로는 500W가 동작하는 최대 정격이지만, GaN FET을 시스템에 적용하였을 경우엔 2kW 최대 정격에서도 시스템이 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다.

그림. 8. GaN FET 적용 prototype 하드웨어 주요 파형

Fig. 8. Key waveform of prototype sample with GaN FET

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Qrr이 각기 다른 실험시료 4종류에 대한 ZCS로의 천이 과정에서 발생하는 역회복 전류 실험 결과를 그림 9(a)~(d)표 3에 나타내었다. Qrr=10uC인 MOSFET#1은 Ipeak=30A, Qrr=15uC인 MOSFET#2는 Ipeak=28A, Qrr=6.5uC인 MOSFET#3은 Ipeak=21A, Qrr이 0uC에 가까운 GaN FET은 Ipeak=7A로 측정되었다. 모의실험결과와 동일하게 Qrr에 따라 스파이크 전류가 감소하는 경향을 확인 하였으며, 특히 GaN FET의 경우에는 MOSFET과 동일한 조건에서 전류 스파이크의 크기가 7A로 현저히 감소함을 실험을 통해 확인하였다. MOSFET#1과 MOSFET#2의 경우 다소 상이한 양상을 보이는데, 이는 앞서 설명한 바와 같이 제조사에서 제공하는 Datasheet에 주어지는 Qrr은 제조사마다

그림. 9. Qrr에 따른 역회복 전류 비교

Fig. 9. Reverse recovery current according to Qrr

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.9.1356/fig9.png

표 3. 실험 결과

Table 3. Experimental results

MOSFET#1

MOSFET#2

MOSFET#3

GaN FET#1

Model

IPA60R125C6

R6030ENZ1

FCH125N60E28

GS66058T

Qrr

10uC

15uC

6.5uC

≒0uC

Ipeak

30A

28A

21A

7A

다른 Test Condition을 통해 도출한 값으로 MOSFET의 턴-오프 전압, 순방향 전류, 접합부 온도 등의 차이에 따른 결과로 판단된다. 실험결과는 IPT 시스템에 GaN FET을 적용 시 공진점 분기현상이 발생하더라도 ZPA검출을 위한 추가적인 센서 및 스위칭 주파수 천이 제어 없이 안정적 동작이 가능하다는 것을 보여준다.

5. 결 론

본 논문에서는 MOSFET 바디 다이오드의 큰 Qrr로 인해 IPT 시스템에서 ZCS 영역 동작 또는 ZVS-ZCS 천이 시 발생하는 스위치 소손 문제의 해결 방법으로 wide bandgap 소자인 GaN FET 적용 가능성을 제시하였다. 이를 위해 ZCS 영역 동작 발생의 원인인 공진점 분기현상의 발생원인과 ZCS 동작 시 발생가능한 문제점에 대해 분석하였고, MOSFET과 GaN FET의 물리적 구조에 따른 전기적 역회복 특성을 분석하였다. 각기 다른 Qrr을 갖는 MOSFET 및 GaN FET을 IPT 시스템에 적용하여 ZCS 동작 시 Qrr 크기에 따른 드레인 전류 스파이크 발생 양상을 모의실험 및 설험하였다. 실험결과 MOSFET 바디 다이오드의 턴-오프 전압, 순방향 전류, 접합부 온도 등에 의해 차이가 발생하기도 했지만, 분석결과와 같이 드레인 스파이크 전류는 Qrr에 비례하는 것을 확인하였다. 또한 Qrr이 0에 가까운 GaN FET의 경우 MOSFET와 비교하여 ZCS 영역에서 현저히 작은 드레인 전류 스파이크만 발생되고 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다. 본 논문의 분석결과는 xEV 및 e-mobility 등의 무선충전 시 결합계수 변화로 인해 발생되는 공진점 분기현상으로 인한 스위치 소손을 해결할 수 있는 방법이 될 것이라 사료된다.

Acknowledgements

This work is supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean Government (NRF-2020 R1F1A1061117).

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저자소개

안철용 (Chul-Yong Ahn)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.9.1356/au1.png

He received the B.S and the M.S. degrees from Daejin University, Pocheon, Korea, in 2017 and 2019, respectively.

Since 2020, he has worked for Green Power CO.LTD. His research interests include Wireless Power Transfer System

김종수 (Jong-Soo Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.9.1356/au2.png

He received his B.S. degree from Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea, in 2006, and his M.S. and Ph.D. degree from Sungkyunkwan University, Suwon, Korea, in 2008 and 2011, respectively, all in Electrical Engineering.

From 2011 to 2012, he was a Full-time lecturer for Electrical Engineering at Seoil university, Seoul, Korea.

From 2012 to 2013, he worked as a Senior Researcher at the Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), Giheung, Korea.

In 2013, Prof. Kim joined Daejin University in the Department of Electrical Engineering.

His research interests include wide band gap devices for power electronics, high power dc-dc converters, power conversion for electric vehicles, and wireless power transfer charging system.