3-레벨 NPC 토폴로지 시스템 레벨 설계

최근에 고전력 애플리케이션을 위한 것으로 알려져 있던 3-레벨 NPC(Neutral-Point-Clamped) 토폴로지가 시스템 레벨 설계에 있어서의 특별한 장점들을 활용하기 위해서 중저 전력 애플리케이션에도 적용되고 있다. UPS 시스템 또는 PV 인버터 등과 같은 필터를 필요로 하는 애플리케이션은 향상된 스펙트럼 성능과 상대적으로 낮은 전압 등급의 디바이스의 보다 낮은 특수한 스위칭 손실로부터 이점을 얻을 수 있다.

Zhang Xi, Uwe Jansen, Holger Ruething / 인피니언 테크놀로지

최근에 디스크리트 디바이스를 적용하거나 최소 3개의 모듈을 통합함으로써 3 레벨 위상 레그를 설정할 수 있게 되었다. 3-레벨 위상 레그를 단일 모듈에 통합함으로써 조금 더 높은 항복전압을 위한 칩 기술을 채택하고 이러한 토폴로지를 위한 단순한 솔루션을 제공하는 것이 새로운 프로젝트들을 위한 한층 더 매력적인 방법으로 자리잡아가고 있다.

3-레벨 NPC 토폴로지의 동작 원칙
NPC 토폴로지의 3-레벨 위상 레그는 모두 직렬로 배치된 관련 안티-패러럴 다이오드를 통합한 4개의 IGBT와 DC-링크의 중립 지점과 중간 노드들을 연결하는 2개의 추가적인 다이오드 DH 및 DL로 구성되어 있다. 사용된 모든 전력 반도체는 동일한 블록킹 전압을 나타낸다.
출력 전압 및 전류의 신호에 따라 출력 기저 주파수(base frequency)의 한 주기 동안 4개의 각기 다른 정류 루프(commutation loop)가 동작한다. 양의 방향의 전압과 전류를 통해 T1과 DH는 벅 쵸퍼처럼 동작하며, (그림 1a)에 나타낸 바와 같이 단지 T2만이 스위칭 없이 출력 전류를 전달한다. 모드 음의 방향인 전압과 전류에 대해 T4 및 DB은 부스트 쵸퍼처럼 동작하며 단지 T3만이 전류를 전달한다. 이러한 조건들에 대해 단지 2개의 다비이스만이 정류 루프 내에 존재하며, 이를 단거리 정류(short commutation)라고 한다.
하지만, 음의 전압과 결합되어 음의 방향인 출력 전류를 통해 T3과 DB을 통과하는 전류는 (그림 1b)에 나타낸 바와 같이 D2 및 D1까지 정류해야만 한다. 이러한 정류 동작은 4개의 다바이스를 포함하며, 장거리 정류(long commutation)로서 지정될 것이다. 나머지 경우에 대해서는 장거리 정류의 다른 경로로서 존재한다. 표유 인덕턴스(stray inductance)와 과전압을 관리하는 것은 3-레벨 컨버터를 설계하는 데 있어서 중요한 태스크 중 하나이다.
650V IGBT3 및 이미터 제어 다이오드3 칩을 통합한 3-레벨 NPC 토폴로지를 위한 신형 IGBT 모듈
총 4개의 IGBT와 6개의 다이오드를 통합하는 것은 고전력 애플리케이션을 위한 선택사항이 아니며, 이것은 이용 가능한 전력과 제어 핀의 수가 표준 패키지를 사용할 수 있을 경우에 중저 전력 범위에서만 실현 가능하다.
저전력 범위의 경우, (그림 3)의 EasyPACK 2B 패키지가 완벽한 150A 3-레벨 위상 레그를 통합할 수 있는 충분한 DBC 영역을 제공한다. 해당 그리드 내에서 자유롭게 핀을 배치할 수 있고 핀이 전력 또는 제어 기능을 제공하도록 지정할 수 있기 때문에 적합한 상호연결 방법이 제공된다. 고속 스위칭을 지원할 수 있도록 제공되는 보조 이미터 단말이 있다. 전력 단말의 경우, 필요한 전류 등급을 달성하고 표유 인덕턴스와 PCB 발열을 최소화하기 위해서 최대 8개의 핀이 병렬로 사용된다.
중전력 범위의 경우, 새롭게 출시된 EconoPACK™ 4 패키지가 모든 전력 디바이스를 통합하는 데 있어서 최적의 선택이다. 3개의 단말은 3-레벨 컨버터를 위해 필요하기 때문에 낮은 인덕턴스를 분산 DC-링크에 연결할 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 반대쪽 2개의 단말은 위상 출력 단말로서 병렬로 사용된다. 드라이버 PCB는 모듈 프레임의 모서리에서 있는 제어 단말에 직접 연결된다. 이 패키지는 최대 300A의 칩 전류를 제공하는 3-레벨 위상 레그를 위해 사용될 수 있도록 개발되었다.
3-레벨 위상 레그의 모든 디바이스들을 1개의 모듈에 통합함으로써 표유 인덕턴스를 최소화할 수 있는 가능성은 높지만, 다음과 같은 이유로 인해 단지 600V의 블록킹 전압으로 일반적인 애플리케이션의 요구사항을 충족시키는 것은 여전히 어렵다.
●DC-링크 전압의 완벽하지 않은 균형
●600V 디바이스의 보다 빠른 스위칭 특성

설계를 간편화하고 고객들에게 보다 큰 마진을 제공하기 위해서 이 모듈들은 650V를 블록킹할 수 있도록 강화된 IGBT와 다이오드 칩을 탑재했다. 이 새로운 칩들은 매우 잘 알려져 있는 600V IGBT3 디바이스로서 정확하게 동일한 도전 및 스위칭 특성을 제공한다. 두 다바이스의 소프트성과 강건성(SOA, RBSOA, SCSOA) 역시 변화하지 않고 유지된다.
이것은 IGBT와 다이오드를 위한 새로운 단말 구조의 개발을 통해 실현되었으며, 70μm의 초박형 두께는 변화하지 않았다. 따라서 650V IGBT의 VCESat은 16kHz의 스위칭 주파수에 대해 전체 인버터 손실의 단지 1/3에 불과한 낮은 스위칭 손실 특성으로 25°C(150°C)에서 1.45V(1.70V)의 탁월한 값을 유지한다.
IGBT는 또한 임계 조건에서 스냅-오프 현상이 나타나지 않는 부드러운 전류 테일(current tail)을 제공한다. 다이오드 역시 25°C(150°C)에서 1.55V(1.45V)로 최적의 VF-Qrr 트레이드-오프 조건을 유지하면서, 소프트 스위칭 동작을 유지한다.

3-레벨 토폴로지를 위한 IGBT 드라이버 설계의 기술적 과제
중저 전력 애플리케이션에서 3-레벨 NPC 토폴로지를 활용하는 데 있어서 최적의 시스템 성능을 달성하기 위해 고려해야 할 몇 가지 특수한 드라이버 요구사항이 있다.

■ 높은 스위칭 주파수로 인한 기술적 과제
16kHz에서부터 30kHz까지의 범위를 포괄하는 스위칭 주파수 때문에 드라이버는 작으면서 일정한 전달 지연을 제공하여 데드타임을 최소화시킬 수 있다. 650V 디바이스의 고속 스위칭 시간을 고려할 경우, 데드타임 요구사항에 대한 주요 원인은 드라이버 전달 지연의 변화로 인해 나타난다.
데드타임이 스위칭 주파수의 주기보다 너무 클 경우에 이로 인해 인버터 단의 비선형적인 동작이 나타나서 제어 알고리즘에 새로운 기술적 과제가 형성될 수 있다.

■ 토폴로지로 인한 기술적 과제
●사용되는 디바이스가 600V 또는 650V의 블록킹 전압을 가지고 있을지라도 드라이버에 대한 절연 요구사항은 1200V 애플리케이션과 유사하다.
●드라이버 회로의 수가 2배이기 때문에 반드시 낮은 부품 수와 낮은 보드 공간 요구사항을 가진 드라이버와 전력공급 설계를 사용해야만 한다.
●단락회로 감지, 과소전압 록아웃 등과 같은 보호 기능은 3 레벨 NPC 토폴로지와 일치해야만 한다. 내부 IGBT(그림 1의 T2, T3)를 먼저 오프 상태로 변환하는 것은 이 디바이스를 전체 DC-링크 전압에 노출시켜 SCSOA 또는 RBSOA 위반으로 인한 중간 디바이스 고장을 일으킬 수 있다.

신형 EiceDRIVER™ 통합 IGBT 드라이버 제품군을 통해 큰 노력 없이도 이러한 요구사항들을 충족시킬 수 있다.
●통합 마이크로트랜스포머는 최대 1420 Vpeak의 반복 절연 전압을 통해 기본적인 절연 성능을 제공한다.
●통합 능동 밀러 클램프(Active Miller Clamp) 기능을 통해 이 드라이버는 높은 스위칭 속도에서도 기생 턴-온 현상의 위험 없이 단일 공급으로 사용될 수 있다.
●일반적인 옵토-커플러 기반 드라이버와 비교해 전달 지연의 허용 공차와 변동이 마이크로트랜스포머 기술을 통해 대폭 감소된다.
●통합 Vcesat-보호 기능을 외부 스위치를 위해 사용할 수 있지만, 내부 IGBT를 불능화시켜야만 한다.

실험실 테스트 및 결과
다음 절에서는 EasyPACK 2B 3-레벨 모듈의 스위칭 파형을 제시할 것이다. 테스트는 IGBT를 위한 1ED020I12-F IGBT 게이트 드라이버를 통해 이루어졌다. 전류는 DC+ 또는 DC-에서 전류 트랜스듀서로 측정했다.

■ 단거리 정류
(그림 4)는 400V의 DC 전압과 25°C의 접합 온도의 일반적인 전류 조건에서 단거리 정류의 스위칭 파형을 나타낸 것이다.
500V의 최고 값을 통해 전압은 한도 이내로 잘 유지된다.
■장거리 정류
(그림 5)은 동일한 조건에서 장거리 정류의 스위칭 파형을 나타낸 것이다.
580V의 최고 전압을 가지는 데 이 전압은 단거리 정류보다 단지 약 40V 높은 수준이며, 650V의 항복 전압 이하로 유지되고 있는 것이다.

최초의 측정 결과는 전체 3-레벨 위상 레그를 단일 모듈로 통합했기 때문에 단거리 정류와 거의 유사한 스위칭 동작이 장거리 정류를 위해 달성될 수 있는 것으로 나타났다. 하지만,