GaN, SiC MOSFETs 및 IGBT Devices 측정(DPT, Double Pulse Test)-1

오늘은 GaN, Sic MOSFET 및 IGBT 디바이스 측정 법에 대해서 다룰 예정입니다. 실제로 많은 내용은 기존의 실리콘 디바이스에도 적용 가능합니다.

더블 펄스 테스트의 기본 개념에 대해 설명하려고 합니다. 먼저 간단한 개요를 통해 왜 이 테스트가 사용되는지, 그리고 어떤 작동 모드가 있는지 이해해보겠습니다. 두 번째에서는 더블펄스 테스트에 필요한 장비와 측정에 적절한 프로브 선택 방법에 대해서 말씀드리고, 마지막으로 텔레다인르크로이의 Power Device Software에 대해서 말씀드리겠습니다.

그림 1. Double Pulse Test 파형 포착

일반적으로 반도체 디바이스를 테스트 하는 방법은 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 정적 테스트(Static Test)입니다. 이 방식은 전통적인 방식으로 전압을 입력하고 다른 전압 또는 전류를 측정한 후, 그래프를 확인합니다. 두 번째는 동적 테스트(Dynamic Test)입니다. 실제로 더블 펄스 테스트에서 다루는 부분입니다.

 

Double Pulse Testing

더블 펄스에 대해서는 아마 이 글을 읽고 계신 분들이 저보다 더 잘 알고 계실 것입니다. 더블 펄스 테스트(DPT)는 반도체 디바이스를 다양한 전류 수준에서 켜고 끌 수 있는 테스트입니다. 왜 이 테스트를 수행하는 지, 동작 모드는 어떻지를 이해할 수 있는 간단한 개요를 설명하겠습니다.

그림 2에 샘플 다이어그램을 보이고 있습니다. 이 이미지는 하프 브리지 형식인데, 하프 브리지 토폴로지가 더블 펄스 테스트에서 가장 흔히 사용됩니다. 물론 이 토폴로지가 반드시 하프 브리지여야 하는 것은 아니며, 풀 브리지로도 테스트가 가능합니다. 다만, 풀 브리지보다는 하프 브리지에서 더 자주 사용됩니다. 캐스켕드 엣지(cascaded edge bridge)에서 더블 펄스 테스트를 수행하는 경우는 드물며, 일반적으로 시스템으로 진입할 준비가 되었을 때 진행합니다.

그림 2. Double Pulse Test를 위한 Half Bridge의 예

더블 펄스 테스트는 개별 디스크리트 디바이스나 모듈 테스트에 모두 사용할 수 있습니다. 디스크리트 디바이스를 테스트할 때는 상단과 하단 측의 모든 단자에 접근할 수 있기 때문에, 디바이스를 프로빙하거나 와이어를 납땜하는 데 있어 더 많은 유연성을 제공합니다.

 

모듈을 테스트할 때는 이러한 유연성이 다소 제한되지만, 디바이스 제조업체들은 모듈의 핀 배열이 필요한 모든 단자에 맞도록 설계합니다. 또한, 스터드가 매우 짧게 만들어져 모듈 내부 깊은 곳에 있는 디바이스에서부터 외부 패키지의 핀까지 긴 와이어가 연결되지 않도록 합니다. 이렇게 하면 측정 시 긴 와이어로 인한 추가적인 인덕턴스나 커패시턴스의 영향을 받지 않습니다. 풀 브리지에서는 여전히 한 번에 한 쪽 하프 브리지를 테스트하며, 다른 쪽 하프 브리지가 기준점이 됩니다. 이를 통해 디바이스가 더블 펄스 테스트를 하지 않는 경우와 실제로 테스트하는 경우의 동작 차이를 확인할 수 있습니다. 설계자나 검증 엔지니어에게는 최종 시스템을 테스트하는 것이 중요하며, 그래서 더블 펄스 테스트를 최종 시스템에서 실행하는 것이 더 선호됩니다. 이 때문에 풀 브리지나 캐스케이드 엣지 브리지에서도 이 테스트를 할 수 있는 옵션이 존재합니다.

 

그림 2에서는 MOSFET 두 개가 하프 브리지 형식으로 구성되어 있습니다. 여기에는 DC 버스 전압과 캐패시터와 인덕터가 있습니다. 인덕터는 부하가 어떻게 작동할지를 시뮬레이션합니다. 기본적인 더블 펄스 테스트를 수행하기 위해 필요한 것들이 대략 그림 2와  같습니다.

 

더블 펄스 테스트가 왜 중요한가?

이 테스트가 중요한 이유는 설계 엔지니어들에게 큰 도움이 되기 때문입니다. 디바이스 자체를 설계하는 사람이나, 그 디바이스의 동작을 이후의 다른 엔지니어에게 설명해야 하는 사람 모두에게 유용합니다. 더블 펄스 테스트는 최종 사용자, 즉 고객이나 중간 단계의 엔지니어가 전력 디바이스의 스위칭 동작을 이해할 수 있게 해줍니다. 더블 펄스 테스트를 통해 최악의 조건이나 코너 조건에서 디바이스 성능을 쉽게 확인할 수 있습니다. 여기서 '최악의 조건'과 '코너 조건'은 별개의 개념이지만, 이 두 가지 모두 실험실 환경에서 쉽게 시뮬레이션할 수 있습니다.

 

정적 테스트에서는 코너 조건 또는 최악의 조건에서 테스트 하는 것은 어려운 부분입니다. 정적 테스트는 현실 세계의 시나리오를 재현하기 어렵고, 코너 케이스를 시뮬레이션하기 위해서는 많은 노력이 필요합니다. 반면, 더블 펄스 테스트는 실험실에서 비교적 간단하게 수행할 수 있기 때문에 선호하는 테스트 입니다.

 

더블 펄스 테스트에서는 여러 DC 전압과 다양한 전류 수준에서 디바이스를 손쉽게 테스트할 수 있습니다. 전압을 테스트할 때는 전압원의 출력 전압 값을 변경하기만 하면 됩니다. 60V, 100V, 200V, 1000V, 3000V 등 원하는 전압으로 스위치를 간단히 조정할 수 있습니다. 전류 수준을 시뮬레이션하는 방법은 펄스의 폭을 변경하는 것입니다. 펄스의 폭을 넓히면 커패시터가 충전되는 시간이나 인덕터로 전류가 흐르는 시간이 증가하여 두 번째 펄스에서 다양한 전류 수준을 테스트할 수 있습니다. 이렇게 간단한 방법으로 실험실에서 테스트할 수 있고, 원격으로 AFG나 전압원을 제어하면 더욱 편리합니다. 이는 정적 테스트와 비교했을 때 훨씬 쉬운 방식입니다.

 

특히 실리콘 카바이드(SiC) 또는 실리콘 카바이드 다이오드를 사용하는 실리콘 디바이스에서는 더블 펄스 테스트를 통해 리버스 리커버리 커브의 영향을 빠르게 확인할 수 있습니다. GaN을 사용할 경우에는 필요하지 않지만, 더블 펄스 테스트 모드에서는 이러한 옵션이 기본적으로 제공됩니다. 이렇게 몇 가지 간단한 테스트로 실험실에서 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

 

그림 3. 정적 테스트 중의 하나인 SOA(Safe Operating Area) 측정 예(텔레다인르크로이 Power Analysis Tool 이용)

 

정적 테스트도 테스트 과정에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 데이터 시트의 모든 값을 입력할 때, 최대 전압, 최대 전류, 커패시턴스, 안전 작동 영역(SOA) 등을 확인하는 데 필요합니다. 이 모든 값들은 정적 테스트를 통해 산출됩니다. 더블 펄스 테스트는 디바이스가 시스템에 삽입되어 실질적으로 작동하는 상황에서 필요한 테스트로, 결국 대부분의 사람들이 시스템에서 사용하는 디바이스의 동작을 확인하는 데 중요합니다.

 

그림 2에서는 더블 펄스 테스트의 블록 다이어그램을 살펴보았습니다. 이제 실제 동작이 어떻게 이루어지는지 간단히 살펴보겠습니다. 앞서 언급했듯이, 더블 펄스 테스트를 통해 하단의 디바이스(여기 하단 왼쪽에 위치한 것)와 상단 디바이스(상단 왼쪽에 위치한 것)를 모두 테스트할 수 있습니다. 먼저 하단 디바이스의 동작부터 살펴보겠습니다. 이해를 돕기 위해 테스트를 세 가지 모드로 나눠 설명하겠습니다.

 

 

모드 1

그림 4. Low Side 동작 모드 1

 

먼저, 하단 MOSFET(측정 대상 디바이스)을 펄스 동작시키려면, 두 디바이스(상단과 하단)를 동시에 켤 수 없습니다. 동시에 켤 경우, 전원 공급으로 인해 상하단이 단락되어 단락 회로가 발생할 수 있기 때문입니다. 따라서 하단 디바이스를 테스트할 때는, 상단 디바이스를 게이트 터미널에서 끄는 방식으로 진행합니다. 하단 디바이스가 켜질 때, VGS(게이트-소스 전압)는 낮은 값에서 높은 값으로 변합니다. 이 전압은 디바이스에 따라 -5V에서 20V까지 다양하게 설정될 수 있습니다.

 

하단디바이스가 켜질 때, 전류 경로는 그림 의 주황색 경로와 같습니다. 전압 소스에서 인덕터를 거쳐 MOSFET(이제 켜이진 상태)를 통과하고 다시 전원 공급으로 돌아갑니다. 이 경로에서 주목할 신호는 VGS(디바이스를 켜고 끄는 신호), 드레인-소스 전압(VDS), 또는 IGBT의 경우 콜렉터-이미터 전압(VCE)입니다. 또한 전류를 측정하는 방법도 중요하며, 이에 대해 나중에 더 다룰 예정입니다.

 

모드 2

그림 5. Low Side 동작 모드 2

 

어느 순간, 펄스가 높은 상태가 되었을 때, 충분한 전류가 흐르면 VGS 또는 VBE를 꺼야 합니다. 이때, 하단MOSFET가 꺼지면서 원래의 전류 경로는 비활성화됩니다. 상단 MOSFET는 여전히 꺼진 상태로, 이번 테스트는  하단 디바이스에만 집중하고 있습니다. 그러나 인덕터에는 여전히 전류가 흐르고 있으며, 인덕터는 전류가 0으로 돌아가려고 할 것입니다. 따라서 전류는 계속 흐르며, 실리콘 카바이드 다이오드가 있는 실리콘 MOSFET 또는 바디 다이오드를 가진 실리콘 카바이드 MOSFET를 통해 전류 경로가 형성됩니다. 이 경로(Mode 2 그림의 주황색 경로)를 통해 전류가 순환하며, 이 과정을 '프리휠링'이라고 부릅니다.

 

모드 3

그림 6. Low Side 동작 모드 3

 

모드 3은 모드 1과 유사하게,하단  MOSFET에 다시 펄스가 적용됩니다. 이때, 모드 1에서 보았던 주황색 전류 경로가 다시 활성화됩니다. 하지만 이번에는 다이오드의 영향이 추가됩니다. 이상적으로는 하단 MOSFET가 다시 켜질 때, 전압이 다이오드가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 전환되어 다이오드에 전류가 흐르지 않아야 합니다. 하지만 짧은 시간 동안 다이오드에서 회로로 소량의 전류가 흐르며, 이 전류는 주황색으로 보인 전류에 추가되어 나타나며, 이것을  '다이오드 역회복(reverse recovery)'이라고 부릅니다.

 

회로 상의 특정 지점에서 전류를 측정하고 있다면, 두 번째 펄스의 시작 부분에서 그 현상을 확인할 수 있습니다.  설계자와 시스템이 디바이스를 통합하는 엔지니어들은 역회복이 최종 전류에 미치는 영향과 얼마나 빨리 사라지는지를 알고 싶어합니다. 왜냐하면 그것이 이 경로가 완전히 꺼졌는지, 그리고 어느 시점에서 쇼트 스루(shoot-through) 현상이 발생하지 않는지를 보장하기 때문입니다. 

그림 7. High side 동작 모드 1,2,3

 

같은 동작이 하이사이드에서도 일어납니다. 하이사이드 테스트의 경우 로우사이드 디바이스는 세 가지 동작 모드 모두에서 계속 꺼져 있을 것입니다. 하이사이드에서 첫 번째 펄스 VGS를 펄싱하면, 주황색 경로를 통해 전압 소스에서 상단 인덕터를 거쳐 전압 소스로 돌아오게 됩니다. 하이사이드의 경우 몇 가지 변경 사항이 필요합니다. 로우 사이드에서는 윗쪽으로 닫혀 있던 스위치가 하이사이드 측정에서는 아래쪽으로 전환되어 있습니다. 이것은 실제 회로 기판에서 점퍼 또는 연결을 위해 나사를 조여야 하는 등의 연결이 있을 수 있습니다. 그 후에야 하이사이드에서 펄싱이 의미를 갖게되며, 그렇지 않으면 하이사이드 디바이스는 계속 꺼져 있을 것입니다.

 

말씀드리고 싶은 점을 요약하면, 전류의 경로는 이전과 같습니다. 모드 2에 진입하면, 상단 FET는 꺼집니다. 이제 하단에서 프리휠링이 보입니다. 왜냐하면 그림 7 중간에서 볼 수 있듯이 인덕터의 전류가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르고 있으며, 저항성 흐름이 반대쪽에서 발생합니다. 자유롭게 흐르는 다이오드, 즉 바디 다이오드는 이제 순방향 바이어스 상태입니다. 따라서 이 루프에서 전류가 자유롭게 흐를 수 있는 경로가 존재합니다.

 

그런 다음 두 번째 펄스를 이용하여 상단 FET를 다시 펄싱하면 바디 다이오드 효과가 다시 나타나 주황색의 드레인 전류에 추가됩니다.  따라서 로우 사이드 FET 측정에서와 마찬가지로 두 번째 펄스를 펄싱할 때 바디 다이오드의 효과가 측정 장치에서 나타나는 것을 확인할 수 있습니다(그림 1의 Idrain).

더블펄스테스트의 기본은 여기 까지 다루겠습니다. 다음 블로그 기사에서는 더블 펄스 테스트에 필요한 장비에 대해 간략히 이야기해보겠습니다. 대부분의 측정 엔지니어들이 사용하게 되는 장비들이며 대부분의 기본 사항들을 다루도록 하겠습니다.

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견적 및 개발문의 글쓰기 | CTI KOREA

 

출처 - 텔레다인르크로이