2.1 반도체 스위치 기반 막스 모듈레이터의 동작 원리

본 논문에서 다루는 전력용 반도체 스위치를 사용한 막스 모듈레이터는 그림 1과 같은 구조를 가진다. 전력용 반도체 스위치의 전압 정격의 한계를 극복하고 고전압을 출력하기 위해 멀티 스테이지 구조가 사용되었다. 스테이지들이 직렬로 스택되어 펄스 방전부를 이루며, 각 스테이지는 방전 스위치($S_{1}-S_{N}$), 스토리지 커패시터($C_{1}-C_{N}$), 바이패스 다이오드($D_{1}-D_{N}$)로 구성된다.

Fig. 1. The structure of the solid-state Marx modulator

반도체 스위치 기반 막스 모듈레이터의 동작 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 스토리지 커패시터는 커패시터 충전기에 의해 동시에 충전되며, 고주파 스위칭 제어를 통해 충전 전압을 조절한다. 그림 1에서 커패시터 충전기 구조는 복잡성의 이유로 생략하였다. 커패시터 충전기의 충전 동작과 독립적으로 펄스 방전은 방전 스위치의 동기 스위칭에 의해 이루어진다. 한편, 바이패스 다이오드는 일부 스테이지의 동기화 실패 혹은 고장 시에 펄스 전류의 패스를 제공해주는 역할과 방전 스위치의 양단 전압을 스토리지 커패시터 전압으로 클램핑하는 역할을 한다.

막스 모듈레이터의 펄스 상승 시간은 방전 스위치의 스위칭 속도, 동기화, 방전 루프의 기생 성분에 의해 결정된다. 특히, 수십 나노초의 빠른 상승 시간을 가지는 막스 모듈레이터를 구현하기 위해선 방전 스위치들의 빠른 스위칭 속도와 정확한 동기화 요구된다. 막스 모듈레이터의 펄스 방전은 모든 방전 스위치들이 턴 온 됨에 따라 커패시터가 직렬 연결되어 고전압이 부하에 인가되는 방식으로 이뤄지기 때문에 펄스 상승 시간은 방전 스위치의 동기 턴 온 시 방전 스위치들의 턴 온 속도와 동기화 오차에 의해 결정된다. 따라서 빠른 상승 시간을 가지는 방전 스위치 사용이 필수적이며, 스위치의 턴 온 속도가 빠르고 스테이지 간 동기화 오차가 최소화된 게이트 제어가 필요하다. 이 중 본 논문에선 막스 모듈레이터의 나노초 상승 시간 달성을 위한 방전 스위치의 선정을 다룬다.

2.2 방전 스위치 선정 고려 사항 및 후보 선정

반도체 스위치 기반 막스 모듈레이터의 방전 스위치는 출력 펄스 특성, 신뢰성, 가격에 주요한 영향을 미치기 때문에 이들을 모두 고려하여 다각적인 관점을 가지고 선정하였다.

막스 모듈레이터의 고전압 펄스 생성은 방전 스위치의 턴 온/오프 스위칭에 의해 이뤄지므로 방전 스위치의 특성에 따라 출력 펄스의 특성이 크게 좌우된다. 빠른 상승 시간을 가지는 펄스를 출력하기 위해선 특히 턴 온 특성이 빠른 방전 스위치가 사용되어야 한다. 추가로, 같은 모델의 전력용 반도체 스위치 간에도 존재하는 공정 오차는 펄스 방전 시 방전 스위치들의 동기화 오차를 만들어내기 때문에, 이를 최소화하기 위해 같은 공장에서 생산된 모델을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 나노초 펄스 모듈레이터의 응용 분야 특성상 부하에 아크 발생이 잦기 때문에, 아크에 대한 신뢰성도 펄스 모듈레이터 설계 과정에서 중요하게 고려해야 할 부분이다. 부하에 아크가 발생하면 펄스가 출력되는 동안 아크 전류가 급격하게 증가하게 되는데, 아크 전류의 피크 값이 방전 스위치 피크 전류 내량을 초과하면 스위치의 소손 혹은 수명 저하가 발생한다. 이에따라 스위치 선정 시 피크 전류 내량이 고려되어야 한다. 동일한 연속 정격 전류를 가지는 경우에는 IGBT가 SiC-MOSFET보다 피크 전류 내량이 높다는 사실은 실험을 통해 밝혀져 왔다⁽¹⁰⁾. 따라서 비슷한 값의 연속 정격 전류 사양을 가지는 IGBT와 SiC-MOSFET을 비교할 경우 IGBT가 아크에 대한 신뢰성이 높다.

반도체 스위치 기반 막스 모듈레이터는 고전압을 출력하기 위해 수십 개 이상의 전력용 반도체 스위치를 사용하기 때문에 스위치의 가격이 펄스 시스템의 전체 비용에서 차지하는 부분은 상당하다. 펄스 모듈레이터의 높은 가격은 상용화에 큰 장애물로서 전력용 반도체 스위치의 가격은 방전 스위치 선정 시에 중요한 요소로 다뤄진다.

반도체 스위치 기반 막스 모듈레이터에선 일반적으로 전압 정격이 900 V 혹은 1200 V인 방전 스위치들이 사용된다⁽¹⁰⁾, ⁽¹¹⁾. 900 V 미만의 낮은 전압 정격을 가지는 전력용 반도체 스위치를 사용할 경우 같은 전압을 출력하기 위해 더욱 많은 스테이지가 요구되어 소자 수가 증가한다. 또한, 1200 V 보다 높은 전압 정격을 가지는 전력용 반도체 스위치의 경우 스위칭 특성이 느려지거나 비용이 크게 증가하여 일반적으로 채택되지 않는다.

빠른 상승 시간을 구현하기 위하여 빠른 스위칭 특성을 가지는 900 V/ 1200 V 전력용 반도체 스위치들을 후보로 선정하였으며, 비교 분석을 통해 가장 적합한 방전 스위치를 선정하였다. 후보로 FGL40N120AN, C2M0025120D, C2M0040120D, C2M0065090D, C2M00280090D가 선정되었으며, 표 1에 주요 사양을 나타내었다.

2.3 방전 스위치의 상승 시간 분석을 위한 테스트 회로

전력용 반도체 스위치의 상승 시간에 대한 정보가 제조 업체에서 제공하는 데이터시트에 나와 있으나, 출력 전압/전류, 게이트 전압 인가 방식에 관한 조건이 각각 다르다. 동일 조건에서의 전력용 반도체 스위치들의 상승 시간을 비교하기 위해 테스트 회로를 구축하였다. 상승 시간 분석을 위한 테스트 회로의 전체 구조는 그림 2와 같다. 파워 셀 기반 펄스 모듈레이터의 단일 셀 형태로, 멀티 스테이지 방식과 동일하게 커패시터 충전기에 의해 스토리지 커패시터가 충전되며, 펄스 방전 스위치를 통해 부하에 펄스 형태의 전압을 인가한다. 스토리지 커패시터, 방전 스위치, 부하로 이어지는 펄스 방전 루프와 독립적으로 스토리지 커패시터를 충전하기 위한 LCC 공진형 컨버터 기반 커패시터 충전기가 사용되었다. LCC 공진형 컨버터는 낮은 도전손실 및 스위칭 손실의 장점으로 반도체 스위치 기반 펄스 모듈레이터의 승압용 커패시터 충전기로 널리 사용되고 있으며, 설계 과정은 ⁽¹²⁾에 자세히 나와 있다. 테스트 회로에 사용되는 LCC 공진형 컨버터는 다양한 펄스 폭 및 펄스 반복률 조건에서도 방전 스위치의 동작 및 특성을 확인할 수 있도록 충분한 마진을 가지고 설계되었으며, 출력 전압 833 V, 출력 전류 50 A, 펄스 폭 1 uH 조건에서 6 kHz의 펄스 반복까지 동작이 가능한 사양이다. 커패시터 충전기의 사양과 설계 파라미터는 표 2에 나와 있다.

전력용 반도체 스위치의 출력 전압 상승 시간은 반도체 스위치의 고유 스위칭 특성과 출력 전압 전류뿐만 아니라 게이트 입력 신호에도 영향을 받는다. 동일 출력 전압 및 전류 조건에서의 전력용 반도체 스위치들의 출력 상승 시간을 비교 분석하기 위해 동일 범용 게이트 드라이버를 사용하였다. 또한, 순수한 저항 부하에서의 실험 결과를 얻기 위해 RL 시정수에 따른 상승 시간 딜레이를 최소화하기 위해 방전 루프 길이를 최소화하였고 무유도 저항을 사용하였다.

Fig. 2. The test circuit for measuring the rise time of single cell

3.1 방전 스위치 상승 시간 측정 및 선정

나노초 막스 모듈레이터 구현에 적합한 방전 스위치를 선정하기 위해 상승 시간 비교 실험을 수행하였다. 2.2 장에서 선정한 전력용 반도체 스위치들을 대상으로, 2.3 장에서 소개한 테스트회로를 사용하여 반도체 스위치의 상승 시간을 측정하였다. 600 V의 출력 전압 및 10 A, 25 A, 50 A 출력 전류 조건에서 실험을 수행하였으며, 그림 3(a), 그림 3(b), 그림 3(c) 는 각각 600 V/ 10 A, 600 V/ 25 A, 600 V/ 50 A 조건에서 전력용 반도체 스위치들의 출력 파형이다. 방전 스위치 상승 시간 측정 실험 결과를 그림 3에 나타내었으며, 정리하여 표 3에 나타내었다.

나노초 막스 모듈레이터에 사용할 방전 스위치로 빠른 상승 시간, 높은 신뢰성, 낮은 가격을 가지는 FGL40N120AN(1200V IGBT)가 선정되었다.

여러 전류 조건에서 반도체 스위치들의 상승 시간을 비교하였다. C2M0065090D와 C2M00280090D는 다른 후보들과 비교하여 10 ns 이상 느린 상승 시간을 가지며, 정격 전압도 900 V로 1200 V에 비해 비교적 낮기 때문에 제외하였다. 한편, FGL40N120AN, C2M0025120D, C2M0040120D의 상승 시간은 10 A와 25 A 조건에선 FGL40N120AN이 각각 14 ns와 20 ns로 가장 빠르며, 50 A 조건에선 C2M0025120D가 42 ns로 가장 빠르다.

아크 발생 시의 높은 피크 전류에 대한 신뢰성을 검토하였다. FGL40N120AN, C2M0025120D, C2M0040120D 세 후보의 연속 정격 전류는 각각 64 A, 90 A, 60 A 이다. SiC-MOSFET인 C2M0025120D와 C2M0040120D의 경우 연속 정격 전류의 3 배 이상의 펄스 전류 출력이 어려우나, FGL40N120AN의 경우 연속 정격 전류의 6배가 넘는 400 A의 피크 전류에서도 소손없이 동작함을 실험적으로 검증하였다⁽¹³⁾. 부하에 아크 발생이 잦은 나노초 펄스 모듈레이터의 응용분야를 고려하였을 때, 방전 스위치로 FGL40N120AN를 사용하는 것이 신뢰성 측면에서 유리하다.

반도체 스위치들의 가격을 비교하였다. FGL40N 120AN의 가격을 기준으로 C2M0025120D은 962%, C2M0040120D는 475%의 가격을 가진다.

3.2 선정된 방전 스위치를 적용한 10 kV급 막스 모듈레이터의 펄스 출력 실험

상승 시간, 피크 전류 내량, 가격을 종합적으로 비교하여 FGL40N120AN(1200V IGBT)를 10 kV급 막스 모듈레이터의 방전 스위치로 선정하였으며, 펄스 출력 실험을 수행하였다. 이 막스 모듈레이터에는 방전 스위치들의 빠른 스위칭과 정확한 동기화 구현에 최적화된 게이트 구동 시스템이 사용되었으며 12개의 방전 스위치가 사용되었다. 표 4에 막스 모듈레이터의 사양을 정리하였다.

그림 4는 출력 전압 10 kV, 출력 전류 10 A/20 A/40 A/60 A/80 A 조건에서의 펄스 출력 파형을 보여준다. 모든 출력 전류 조건에서 20ns 이하의 빠른 상승 시간을 확인할 수 있다.

Fig. 4. The experimental results of 10-kV pulses test