KR101091202B1 - 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기 - Google Patents

고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기에 관한 것으로서, 펄스폭과 펄스의 진폭이 조절가능한 두 개의 연속 펄스를 인가하는 제네레이터와, 상기 펄스에 의해 동작하는 스위치와, 상기 스위치가 단락되면 전류를 자기에너지로 저장하며 방전시 시간에 따른 전류의 기울기를 제한하는 인덕터와, 상기 인덕터에 직류전원을 공급하는 전원공급기와, 역방향 회복시간을 측정하기 위한 대상소자와, 상기 대상소자에 흐르는 전류를 측정하는 전류프로브와, 상기 전류프로브에서 변환된 전압 파형을 측정하는 오실로스코프를 포함하여 구성되되, 상기 대상소자의 음극(Cathode) 단자측에는 상기 측정장치 내에 존재하는 기생성분의 실측치를 모델링하기 위한 기생저항 및 기생인덕터가 더 포함되어 연결되고, 상기 대상소자의 역방향 회복시간은 상기 기생성분을 배제하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
따라서 고속 전력반도체의 역방향 회복시간을 정확하게 예측할 수 있으며, 상기 전력반도체의 정밀한 모델링을 통해 스위칭손실 및 발열량 계산이 가능하여 경박단소한 전원장치의 설계에 효과적인 장점이 있다. 또한 전력반도체를 이용한 패키지 및 모듈 설계시 기생성분의 최적화에 용이한 장점이 있다.
반도체, 역방향 회복, 기생성분, 인덕터, 저항

Description

고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기{A PRECISION MEASURING EQUIPMENT FOR EXTRACTING A REVERSE RECOVERY TIME OF HIGH-SPEED POWER SEMICONDUCTOR}
본 발명은 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다이오드나 스위치소자 등을 포함하는 고속 전력반도체의 스위칭 손실에 큰 영향을 미치는 역방향 회복특성에 대한 정확한 측정 및 모델링을 하기 위한 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기에 관한 것이다.
최근 경박단소해지는 전원장치를 설계하기 위해서는 전원장치에 사용되는 수동 부품들(인덕터, 트랜스포머, 커패시터, 필터 등)의 크기를 줄여야 하는데, 상기 부품들의 크기를 줄이기 위한 가장 쉬운 방법은 전원장치의 동작주파수를 높이는 것이다. 하지만 전원장치의 동작주파수를 높이면 다이오드나 스위치소자 등의 고속 전력반도체에서 많은 스위칭손실이 열의 형태로 발생하고 이들은 시스템 전체의 성능 및 신뢰성에 영향을 미친다.
따라서 고속 전력반도체의 스위칭손실에 큰 영향을 미치는 역방향 회복특성 에 대한 정확한 측정 및 모델링이 필요한데, 일반적으로 고속 전력반도체의 역방향 회복시간을 측정하기 위해서는 측정할 대상소자와 측정장치를 연결하여 측정에 필요한 신호를 만들고 신호를 처리할 간단한 회로인 측정장치(test fixture)가 필요하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래에 반도의 역방향 회복시간 측정장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 종래에 반도체의 역방향 회복특성 측정장치를 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래에 반도체의 역방향 회복특성 측정장치는, 펄스를 인가하는 제네레이터(2)와, 상기 펄스에 의해 동작하는 스위치(3)와, 상기 스위치(3)가 단락되면 전류를 자기에너지로 저장하며 방전시 전류-시간 기울기를 제한하는 인덕터(4)와, 상기 인덕터(4)에 직류전원을 공급하는 전원공급기(5)와, 역방향 회복특성을 측정하기 위한 대상소자(DUT)와, 상기 대상소자(DUT)에 흐르는 전류를 측정하는 전류프로브(6)와, 상기 전류프로브(6)에서 변환된 전압 파형을 측정하는 오실로스코프(7)를 포함하여 구성된다.
역방향 회복특성을 측정하기 위해 먼저 제네레이터(2)로부터 펄스가 인가되면 스위치(3)가 닫히고 직류전압이 전원공급기(5)에서 인덕터(4)로 공급된다. 이때 인덕터(4)의 전류는 선형적으로 증가하며 전류는 자기에너지 형태로 인덕터(4)에 저장된다.
인가된 펄스전압이 0V로 떨어지면 스위치(3)가 열리게 되며, 이에 따라 인덕터(4)에 저장된 에너지는 측정 대상소자(DUT)를 통해서 흐르게 된다. 여기서 상기 대상소자(DUT)에서는 순방향 도통이 이루어지며 상기 대상소자(DUT)의 내부에서는 과잉 케리어들이 발생하게 된다.
다시 펄스가 스위치(3)에 인가되면 상기 스위치(3)가 닫히고 인덕터(4)를 통해 전류가 흐르게 되는데, 이때에는 대상소자(DUT)에 역방향으로 전압이 인가되어 이상적으로는 상기 대상소자(DUT)에 전류가 흐를 수 없지만, 순방향 도통시 상기 대상소자(DUT) 내부에 축적되었던 과잉 케리어들은 순간적으로 사라지지 못하고 재결합을 통해 전류를 형성한다. 여기서 인덕터(4)는 급속하게 전류가 감소하는 것을 막아주며 특히 역방향 회복특성에 중요한 시간에 따른 전류의 기울기(di/dt)를 결정하는데 영향을 준다. 상기 기울기(di/dt)는 스위치(3)에 인가되는 펄스의 상승(rising) 및 하강(falling) 기울기에도 영향을 받는데, 측정 대상소자(DUT)에 흐르는 전류는 전류프로브(6)에 의해 오실로스코프(7)에 연결되어 측정할 수 있다.
도 2는 측정장치 내에 기생성분이 존재하지 않을 경우에 대상소자의 역방향 회복특성의 파형을 도시하는 그래프이다.
도 2를 살펴보면, 0nsec 이하까지는 순방향으로 전류가 흐르다가 두 번째 펄스 인가로 인해 역방향 상태에서 전류가 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 순간적으로 역전류가 흐르는 것은 대상소자 내에 남아 있던 과잉 케리어가 재결합하면서 전류를 발생시키기 때문이다. 그리고 전류가 감소하는 기울기(di/dt)는 역방향 회복특성 측정에 있어서 중요한 조건이 된다.
도 3은 측정장치 내에 기생성분이 존재할 경우에 대상소자의 역방향 회복특성의 파형을 도시하는 그래프이다. 즉, 측정장치가 아주 이상적으로 만들어졌거나 역전류의 영향을 미치는 과잉 케리어들의 재결합 시간보다 기생성분이 영향을 미치는 시간이 아주 짧을 때 대상소자에 흐르는 전류 파형을 보여주고 있는 것이다.
동일한 대상소자에 대해 도 2에서는 추출된 역회복시간은 7.3nsec이며, 도 3에서는 15nsec으로 약 한 배의 차이를 보인다. 더욱이 이러한 차이는 측정장치를 어떻게 설계하는가에 따라 더 커질 수도 있다.
이와 같이 종래에는 정확한 측정을 위해서 측정장치 자체에 존재하는 기생성분을 최소화하는 방향으로 회로 및 장치 설계에 주안점을 두었다.
그러나 상기와 같이 기생성분을 최소화하는 기술은 구현하기가 어렵고, 설계 역량에 상당히 의존해야 하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 측정장치에서 필연적으로 발생하는 기생성분을 고려하여 역방향 회복시간을 모델링하고 이것을 바탕으로 기생성분을 배제하여 대상소자의 정확한 역방향 회복시간을 측정할 수 있는 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 펄스폭과 펄스의 진폭이 조절가능한 두 개의 연속 펄스를 인가하는 제네레이터와, 상기 펄스에 의해 동작하는 스위치와, 상기 스위치가 단락되면 전류를 자기에너지로 저장하며 방전시 시간에 따른 전류의 기울기를 제한하는 인덕터와, 상기 인덕터에 직류전원을 공급하는 전원공급기와, 역방향 회복시간을 측정하기 위한 대상소자와, 상기 대상소자에 흐르는 전류를 측정하는 전류프로브와, 상기 전류프로브에서 변환된 전압 파형을 측정하는 오실로스코프를 포함하는 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기에 있어서, 상기 대상소자의 음극(Cathode) 단자측에는 상기 측정장치 내에 존재하는 기생성분의 실측치를 모델링하기 위한 기생저항 및 기생인덕터가 더 포함되어 연결되고, 상기 대상소자의 역방향 회복시간은 상기 기생성분을 배제하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시 예에 따르면, 상기 기생저항 및 기생인덕터에 의한 기생성분을 반영한 상기 대상소자의 전류-전압 특성은 다음 식
Figure 112009059372166-pat00001
( 단, t > T1 )
과 같이 모델링되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시 예에 따르면, 상기 대상소자의 전류-전압 특성 식에 의한 역방향 회복시간은 다음 식
Figure 112009059372166-pat00002
에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기는, 고속 전력반도체의 역방향 회복시간을 정확하게 예측할 수 있으며, 상기 전력반도체의 정밀한 모델링을 통해 스위칭손실 및 발열량 계산이 가능하여 경박단소한 전원장치의 설계에 효과적인 장점이 있다.
또한 전력반도체를 이용한 패키지 및 모듈 설계시 기생성분의 최적화에 용이한 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
본 발명에서는 종래에 반도의 역방향 회복시간 측정장치를 사용하는 대신 측정장치 자체에 존재하는 기생성분을 측정하고 모델링하여 실측치에서 이를 배제(de-embedding)하는 기법을 사용하였다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기를 도시하는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기는, 펄스폭과 펄스의 진폭이 조절가능한 두 개의 연속 펄스를 인가하는 제네레이터(10)와, 상기 펄스에 의해 동작하는 스위치(20)와, 상기 스위치(20)가 단락되면 전류를 자기에너지로 저장하며 방전시 시간에 따른 전류의 기울기를 제한하는 인덕터(30)와, 상기 인덕터(30)에 직류전원을 공급하는 전원공급기(40)와, 역방향 회복 시간을 측정하기 위한 대상소자(DUT)와, 상기 대상소자(DUT)에 흐르는 전류를 측정하는 전류프로브(50)와, 상기 전류프로브(50)에서 변환된 전압 파형을 측정하는 오실로스코프(60)를 포함하여 구성되는데, 여기서 상기 대상소자(DUT)의 음극(Cathode) 단자측에는 상기 측정장치 내에 존재하는 기생성분의 실측치를 모델링하기 위한 기생저항(80) 및 기생인덕터(70)가 더 포함되어 연결되고, 상기 대상소자(DUT)의 역방향 회복시간은 상기 기생성분을 배제하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
도 4는 측정장치 자체에 존재하는 기생성분을 고려한 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기가고, 상기 측정장치 자체에 존재하는 기생성분은 기생저항(80)과 기생인덕터(70)로 모델링된다.
상술한 각 구성은 해당 기술분야에서 주지관용의 기술이므로 상세한 설명은 생략하도록 하며, 본 발명의 실시 예에 따른 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기를 이용하여 대상소자(DUT)의 역방향 회복시간을 도출하는 과정을 첨부된 그래프를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 역방향 회복특성의 파형에 따른 역방향 회복시간 측정시 필요한 인자를 도시하는 그래프이다.
IF는 순방향 전류로서 대상소자(DUT)에 의해 결정되며, 주로 대상소자(DUT)의 정격전류용량을 의미한다. di/dt는 시간에 따른 전류의 기울기로서 주로 100A/us을 사용한다. IRMM은 최대 역전류를 의미하며, trr은 역방향 회복시간을 의 미한다.
일반적으로 기생저항과 기생인덕터를 고려하지 않을 경우 역방향 회복시 대상소자의 전류-전압 특성식은 다음과 같이 결정된다.
Figure 112009059372166-pat00003
( 단, t > T1 )
여기서 τ는 대상소자의 특성과 관련 있는 시정수이다. 상기 수학식 1은 통상적으로 해당 기술분야에서 사용되고 있으며, 상기 대상소자의 역방향 회복시간은 다음과 같이 결정된다.
Figure 112009059372166-pat00004
이와는 반대로 본 발명의 실시 예에 따른 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기에서는 필연적으로 발생하는 기생성분을 고려하여 역방향 회복시간을 모델링하는데, 기생성분을 고려할 경우 대상소자의 전류-전압 특성식은 다음과 같이 결정된다.
Figure 112009059372166-pat00005
( 단, t > T1 )
여기서
Figure 112009059372166-pat00006
(단, Rs는 기생저항이고, Ls는 기생인덕턴스이다), q(0)는 초기 과잉 케리어 전하량, q'(0)는 인덕터에 흐르는 초기 전류, Tm은 과잉 케리어의 재결합과 관련 있는 시정수이다.
일반적으로 기생성분에 의한 오실레이션이 발생하는 경우 4τp/τ≫1 이고, 일반적으로 Sin앞 상수항은 1보다 작기 때문에 Sin항은 무시할 수 있으며, 따라서 대상소자의 전류는 Cos항에 의해 결정된다. 이 경우 대상소자의 역방향 회복시간은 다음과 같이 결정된다.
Figure 112009059372166-pat00007
도 6은 기생성분의 변화에 따른 역방향 회복시간의 측정치와 실제값의 차이를 도시하는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 기생성분이 존재할 때 기생저항(Rs) 및 기생인덕턴스(Ls)의 변화에 따른 역방향 회복시간의 측정치와 실제값의 차이를 보여주고 있는데, 측정장치에 존재하는 기생인덕턴스가 클수록 기생성분을 제외한 측정치와 실제값에서 역방향 회복시간의 차이가 커지는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 역방향 회복시간 결정을 위한 인자를 도시 하는 그래프이다.
상술한 내용을 바탕으로 대상소자의 역방향 회복시간을 측정하기 위한 방법은 다음과 같다.
먼저 최대 역전류(160)와 측정치에서 진동의 최대값(180) 및 수학식 3에서 포락선(140)을 결정하는 항(IRRM×e-(t- T1 )/2τp)을 이용하여 기생성분에 의한 시정수 (τp)를 결정한다. 이 과정은 해당 기술분야의 커브 피팅을 이용하여 쉽게 수행할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
그리고 측정치에서 추출한 역방향 회복시간(120)과 수학식 4를 이용하면 대상소자의 과잉 케리어의 재결합에 의한 시정수(τ)를 결정할 수 있다. 따라서 기생성분을 배제한 역방향 회복시간은 상기 추출한 인자들과 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있게 되는 것이다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본τ 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에 서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
도 1은 종래에 반도체의 역방향 회복특성 측정장치를 도시하는 개념도.
도 2는 측정장치 내에 기생성분이 존재하지 않을 경우에 대상소자의 역방향 회복특성의 파형을 도시하는 그래프.
도 3은 측정장치 내에 기생성분이 존재할 경우에 대상소자의 역방향 회복특성의 파형을 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기를 도시하는 개념도.
도 5는 역방향 회복특성의 파형에 따른 역방향 회복시간 측정시 필요한 인자를 도시하는 그래프.
도 6은 기생성분의 변화에 따른 역방향 회복시간의 측정치와 실제값의 차이를 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 역방향 회복시간 결정을 위한 인자를 도시하는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
2: 제네레이터 3: 스위치
4: 인덕터 5: 전원공급기
6: 전류프로브 7: 오실로스코프
10: 제네레이터 20: 스위치
30: 인덕터 40: 전원공급기
50: 전류프로브 60: 오실로스코프
70: 기생인덕터 80: 기생저항
120: 역방향 회복시간 140: 포락선
160: 최대 역전류 180: 진동의 최대값
DUT: 대상소자

Claims (3)

  1. 펄스폭과 펄스의 진폭이 조절가능한 두 개의 연속 펄스를 인가하는 제네레이터(10)와, 상기 펄스에 의해 동작하는 스위치(20)와, 상기 스위치(20)가 단락되면 전류를 자기에너지로 저장하며 방전시 시간에 따른 전류의 기울기를 제한하는 인덕터(30)와, 상기 인덕터(30)에 직류전원을 공급하는 전원공급기(40)와, 역방향 회복시간을 측정하기 위한 대상소자(DUT)와, 상기 대상소자(DUT)에 흐르는 전류를 측정하는 전류프로브(50)와, 상기 전류프로브(50)에서 변환된 전압 파형을 측정하는 오실로스코프(60)를 포함하는 전력반도체의 역방향 회복시간 측정장치에 있어서,
    상기 대상소자(DUT)의 음극(Cathode) 단자측에는 상기 측정장치 내에 존재하는 기생성분의 실측치를 모델링하기 위한 기생저항(80) 및 기생인덕터(70)가 더 포함되어 연결되고,
    상기 대상소자(DUT)의 역방향 회복시간은 상기 기생성분을 배제하여 측정되는 것을 특징으로 하는 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기생저항(80) 및 기생인덕터(70)에 의한 기생성분을 반영한 상기 대상소자의 전류-전압 특성은 다음 식
    Figure 112009059372166-pat00008
    [여기서, t > T1이고, IRMM은 최대 역전류이고,
    Figure 112009059372166-pat00009
    (단, Rs는 기생저항이고, Ls는 기생인덕턴스이다), q(0)는 초기 과잉 케리어 전하량, q'(0)는 인덕터에 흐르는 초기 전류, Tm은 과잉 케리어의 재결합과 관련 있는 시정수이다.]
    과 같이 모델링되는 것을 특징으로 하는 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 대상소자(DUT)의 전류-전압 특성 식에 의한 역방향 회복시간은 다음 식
    Figure 112009059372166-pat00010
    에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 전력반도체의 역방향 회복시간 측정을 위한 정밀계측기.
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