SiC 파워 디바이스｜기초편
정리
2020.01.22
이제 SiC 파워 디바이스의 최종편으로, SiC의 물성, SiC-SBD (쇼트키 배리어 다이오드), SiC-MOSFET, Full SiC 파워 모듈의 키 포인트를 정리하겠습니다.
＜서론＞
▶서론
키 포인트
・SiC 파워 디바이스는 손실 저감 및 고온 환경에서의 동작 특성이 우수한 차세대 저손실 소자.
・새로운 반도체이지만, 자동차기기와 같은 고품질 고신뢰성이 요구되는 시장에서도 이미 많은 실적 보유.
＜SiC (실리콘 카바이드)란?＞
키 포인트
・SiC의 물성은 파워 디바이스에 적합하다.
・Si 반도체 대비, 손실 저감 및 고온 환경하에서의 동작 특성이 우수하다.
키 포인트
・SiC는 에너지 문제에 대한 하나의 솔루션으로서 개발되었다.
・SiC는 손실 삭감뿐만 아니라, 소형화라는 큰 메리트가 있다.
＜SiC 쇼트키 배리어 다이오드란?＞
키 포인트
・SiC-SBD의 특징은 우수한 고속성과 고내압을 동시에 실현한 것.
・고내압 Si-PN 다이오드 대비, 역회복 시간 등의 고속성이 우수하여, 손실 저감과 소형화 가능.
▶SiC-SBD란? – Si-PND와의 역회복 특성 비교
키 포인트
・SiC-SBD는 Si-PND (FRD)에 비해 trr이 고속이며, 역회복 전류도 대폭 적어 손실이 적다.
・SiC-SBD의 역회복 특성 (trr과 역회복 전류)에는 온도 의존성이 거의 없다.
▶SiC-SBD란? – Si-PND와의 순방향 전압 비교
키 포인트
・SiC-SBD의 VF는 고온이 되면 상승하지만, Si-PND (FRD)의 VF는 저하된다.
・고온에서 SiC-SBD의 VF 상승은 IFSM을 저하시키지만, VF가 저하되는 Si-PND (FRD)와 같이 열폭주하지 않는다.
・제2세대 SiC-SBD는 VF를 저감하므로, 현재 가장 손실 저감에 기여하는 파워 다이오드라고 할 수 있다.
키 포인트
・로옴의 SiC-SBD는 이미 제3세대까지 진화했다.
・제3세대 제품은 서지 전류 내량과 리크 전류를 개선하여, 제2세대에서 실현한 Low VF를 더욱 저감했다.
키 포인트
・trr이 고속이므로, 리커버리 손실을 대폭 삭감할 수 있어 고효율이다.
・상기와 같은 이유에서 역전류가 작으므로 노이즈 역시 작아, 노이즈 / 서지 대책 부품을 삭감할 수 있어 소형화가 가능하다.
・고주파 동작을 통해 인덕터 등 주변 부품의 소형화가 가능하다.
키 포인트
・로옴에서는 SiC-SBD의 신뢰성에 대해, 표준적인 반도체 디바이스용 규격에 준거하여 시험 및 평가를 실시하고 있다.
＜SiC-MOSFET란?＞
키 포인트
・SiC-MOSFET는, Si-MOSFET 및 IGBT에 비해 어플리케이션의 손실 삭감 및 소형화에 한층 더 기여할 수 있다.
▶SiC-MOSFET란? – 파워 트랜지스터의 구조와 특징 비교
키 포인트
・파워 트랜지스터의 특징은, 재료 및 구조에 따라 다르다.
・각각 특성 면에서 장단점이 있지만, SiC-MOSFET는 전체적으로 우수한 특성을 지닌다.
▶SiC-MOSFET란? – Si-MOSFET와의 차이점
키 포인트
・SiC-MOSFET가 낮은 ON 저항을 얻기 위해서는, Vgs는 18V 전후로 Si-MOSFET보다 높아야 한다.
・SiC-MOSFET 내부 게이트 저항은 Si-MOSFET보다 크므로 외장 Rg는 작게 하지만, 서지 보호 역할도 고려해야 한다.
키 포인트
・SiC-MOSFET는 Vd-Id 특성에 있어서 ON 저항 특성의 변화가 직선적이고, 저전류 영역에서 IGBT보다 메리트가 있다.
・SiC-MOSFET의 스위칭 손실은 IGBT 대비 대폭적으로 저감이 가능하다.
키 포인트
・SiC-MOSFET 바디 다이오드의 순방향 특성인 Vf는, Si-MOSFET에 비해 크다.
・SiC-MOSFET 바디 다이오드의 trr은 고속이며, Si-MOSFET 대비 리커버리 손실을 대폭 저감할 수 있다.
▶SiC-MOSFET란? – Trench 구조 SiC-MOSFET와 실제 제품
키 포인트
・로옴은 독자적인 더블 Trench 구조를 채용한 SiC-MOSFET의 양산화를 실현했다.
・Trench 구조 SiC-MOSFET는, DMOS 구조 제품 대비, ON 저항을 약 50%, 입력 용량을 약 35% 저감하였다.
▶SiC-MOSFET란? – SiC-MOSFET의 활용 사례
키 포인트
・SiC-MOSFET의 활용 사례를 참고하여, SiC-MOSFET의 유효성에 대해 생각한다.
▶SiC-MOSFET란? – SiC-MOSFET의 신뢰성
키 포인트
・로옴의 SiC-MOSFET는 기존에 유통되고 있는 Si-MOSFET와 동등한 신뢰성을 지닌다.
＜Full SiC 파워 모듈＞
키 포인트
・Full SiC 파워 모듈은 로옴의 SiC-MOSFET와 SiC-SBD로 구성되어 있다.
・Si-IGBT 파워 모듈에 비해, 고속 스위칭 및 대폭적인 손실 저감이 가능하다.
・Full SiC 파워 모듈의 진화는 계속되고 있으며, 최신의 제3세대 SiC-MOSFET가 탑재되어 있다.
키 포인트
・Full SiC 파워 모듈은 IGBT 모듈에 비해, 대폭적인 스위칭 손실 저감이 가능하다.
・특히 스위칭 주파수가 높아지면 손실의 차는 커진다.
・SiC 파워 모듈은 손실을 대폭 저감함과 동시에 고속 스위칭이 가능하다.
키 포인트
・Full SiC 파워 모듈의 게이트 드라이브 검토 사항으로 「게이트 turn-on 오동작」이 있다.
・게이트 turn-on 오동작은 High-Side의 스위치 ON 시 dV/dt가 고속인 점과, Low-Side의 기생 게이트 용량 및 게이트 임피던스로 인해 발생한다.
키 포인트
・「게이트 turn-on 오동작」의 억제 방법으로서, ①OFF 시의 Vgs를 부전압으로 인가, ②외장 CGS 추가, ③미러 클램프 MOSFET 추가가 있다.
・Full SiC 파워 모듈의 게이트 드라이브를 최적화함으로써, 한층 더 저손실로 깨끗한 동작이 가능하다.
키 포인트
・고속 스위칭 성능을 발휘시키기 위해, 전기 배선의 기생 인덕턴스를 최대한 억제할 필요가 있다.
・전력용 단자와 근접하게 콘덴서를 접속시켜, 배선 인덕턴스를 저감한다.
▶활용 포인트 : 전용 게이트 드라이버와 스너버 모듈의 효과
키 포인트
・전용 게이트 드라이버와 스너버 모듈을 이용하면, 서지 및 링잉을 대폭 억제할 수 있다.
・손실에 있어서, Eon은 증가하고 Eoff는 감소한다. 손실 전체 (Eon+Eoff)로 비교하면, 손실은 감소한다.
【자료 다운로드】 SiC 파워 다바이스의 기초
SiC의 물성 및 메리트에 대해 소개하고, SiC 쇼트키 배리어 다이오드와 SiC MOSFET를 Si 디바이스와 비교하여 특징 및 사용 방법의 차이점 등에 대해 설명한 자료입니다. 다양한 메리트를 지닌 Full SiC 모듈에 대한 내용도 게재되어 있습니다.
