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2020.03.25 Si 파워 디바이스

정리

정리

이번 편을 마지막으로 Si 파워 디바이스 기초편을 마무리하겠습니다. Si계 파워 소자로서, 정류 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드, 패스트 리커버리 다이오드, MOSFET, Super Junction MOSFET, PrestoMOS, Hybrid MOS를 예로 들어 기본 특성에 대해 설명하였습니다. 또한, 선정한 트랜지스터가 실제 동작 조건에서 적정한지에 대해 판단하는 방법과 순서, 그리고 각 다이오드와 트랜지스터의 특징을 활용한 어플리케이션 사례를 소개하였습니다. 기초적인 내용이지만, 디스크리트 각 부품의 특징을 이해하는데 도움이 되었으리라 생각합니다. 하기와 같이 키 포인트를 정리하였으니, 참고하여 주십시오.

<서론>

서론

키 포인트

・최신 Si 파워 디바이스의 특성 및 특징을 이해하여, Si 파워 디바이스의 적용 범위를 확대한다.

・요구 사양에 따라 기존의 Si 반도체와 SiC와 같은 새로운 파워 디바이스를 구별하여 사용한다.

<Si 다이오드란?>

다이오드란? – 분류와 특성

키 포인트

・매우 기초적인 내용이므로, 잘 숙지해 둔다.

・Si 파워 디바이스로서의 다이오드의 종류 및 분류.

다이오드란? – 정류 다이오드의 특징 비교

키 포인트

・파워계 Si 다이오드의 대략적인 특징 비교를 알아둘 것.

다이오드란? – 쇼트키 배리어 다이오드의 특징

키 포인트

・Si-SBD의 특성은 배리어 메탈에 따라 달라진다.

・Si-SBD의 IR은 무시할 수 없는 레벨임을 인식해 둔다.

・열 폭주를 발생시킬 가능성이 있으므로 충분한 열 설계 검증을 실시한다.

다이오드란? – 패스트 리커버리 다이오드의 특징

키 포인트

・Si-FRD의 특성은 실리콘에 확산되는 불순물에 따라 달라진다.

・Si-FRD의 VF와 trr은 트레이드 오프 관계이다.

・역회복 시의 노이즈는 스위칭 전원 어플리케이션에서 나쁜 영향을 미치므로, 개량형이 개발되었다.

<Si 트랜지스터란?>

트랜지스터란? – 분류와 특징

키 포인트

・여기에서는 파워 트랜지스터로서 바이폴라, MOSFET, IGBT를 다루었다.

・바이폴라 트랜지스터, MOSFET, IGBT의 기초적인 특징을 확인한다.

MOSFET란? – 기생 용량과 그 온도 특성

키 포인트

・MOSFET에는 기생 용량이 존재하며, 기생 용량은 스위칭 특성에 영향을 미치는 중요한 파라미터이다.

・기생 용량은 온도에 따른 변화가 거의 없으므로, 스위칭 특성은 온도 변화의 영향을 거의 받지 않는다.

MOSFET란? – 스위칭 특성과 그 온도 특성

키 포인트

・MOSFET의 스위칭 특성은, 일반적으로 Turn-on 지연 시간, 상승 시간, Turn-off 지연 시간, 하강 시간이 제시된다.

・스위칭 특성은 측정 조건과 측정 회로에 크게 영향을 받으므로, 제시 조건을 확인한다.

・스위칭 특성은 온도 변화의 영향을 거의 받지 않는다.

MOSFET의 임계치, ID-VGS 특성과 온도 특성

키 포인트

・MOSFET를 ON시키는 전압을 게이트 임계치라고 한다.

・VGS가 일정하면 온도 상승에 따라 ID가 증가하므로, 조건에 따라서는 주의가 필요하다.

・VGS(th)의 변화로, 대략적인 Tj 추정이 가능하다.

MOSFET란? – Super Junction MOSFET

키 포인트

・Si-MOSFET는, 저전력~중전력에서 고속 동작이 가능한 포지션이다.

・Super Junction 구조는, 내압을 유지하면서 ON 저항 RDS(ON)과 게이트 전하량 Qg의 저감을 실현한다.

・Super Junction MOSFET는 Planar MOSFET보다 trr이 고속이고, irr이 크다는 특성을 지닌다.

MOSFET란? – 고내압 Super Junction MOSFET의 종류와 특징

키 포인트

・SJ-MOSFET는 특성에 따라 종류가 분류된다.

・SJ-MOSFET는 Planar MOSFET에 비해 기본적으로 저 ON 저항이며 고속이지만, Low Noise화, 저 ON 저항화, 고속화가 한층 더 추진되고 있다.

MOSFET란? – 고속 trr SJ-MOSFET : PrestoMOS™

키 포인트

・PrestoMOS는 SJ-MOSFET의 고내압, 낮은 ON 저항, 낮은 게이트 총 전하량이라는 특징과 더불어, 내부 다이오드의 역회복 시간 trr의 고속화를 실현한 로옴의 SJ-MOSFET이다.

・내부 다이오드 trr의 고속화로, 인버터 및 모터 드라이버 회로의 고효율화와 소형화가 가능하다.

MOSFET와 IGBT의 장점을 겸비한 Hybrid MOS

키 포인트

・Hybrid MOS는 MOSFET와 IGBT의 장점을 겸비한 신 구조 MOSFET이다.

・MOSFET의 고속성, 저전류 영역에서의 저손실, IGBT의 대전류 영역에서의 저손실 특성을 겸비했다.

・가전의 APF는, 대전력에 대응하면서 저전력 영역의 효율을 높일 수 있어 유용하다.

<실제 동작에서 트랜지스터의 적합성 확인>

실제 동작에서의 적합성 확인과 준비

키 포인트

・기본적으로 프로토타입 제작 시, 선택한 트랜지스터가 실제 동작에서 사용 가능한지 확인이 필요하다.

・확인을 위해, 트랜지스터가 취급하는 전압과 전류 데이터를 측정한다.

절대 최대 정격 이내인지 확인

키 포인트

・절대 최대 정격의 정의와 의미를 정확히 이해하여, 사용 가능 여부를 판단한다.

SOA (안전 동작 영역) 이내인지 확인

키 포인트

・SOA (Safe Operating Area : 안전 동작 영역)는, 트랜지스터가 안전한 조건하에서 동작하고 있는지 확인하기 위한 정보.

・기본적으로 ID와 VDSS와의 관계에 있어서, 정격전압 및 전류, 허용전력 (발열)에 대해 안전한 영역이 그래프에 기재되어 있다.

・SOA 조건을 확실히 확인하여, 실제 사용 조건과의 차이를 고려한 후에 이용한다.

사용 주위 온도에서 마진 확보한 SOA 이내인지 확인

키 포인트

・SOA 그래프는 Ta=25℃일 때의 데이터이므로, 실제 트랜지스터를 사용하는 온도에 따라 SOA의 마진을 확보할 필요가 있다.

・마진 확보 비율은, 허용 손실의 마진 확보 비율을 이용한다.

평균 소비전력이 정격전력 이내인지 확인

키 포인트

・연속 펄스 (스위칭 동작)의 경우, 평균 소비전력을 구하여 허용 손실이 정격 이내인지 확인한다.

・최종적으로는 Tj가 절대 최대 정격을 초과하지 않았는지가 판단의 근본이 된다.

칩 온도 확인

키 포인트

・최종적으로 Tj가 절대 최대 정격을 초과하지 않았는지 확인한다.

・Ta 또는 Tc와 발열 (열저항×소비전력)의 합계가 Tj가 된다.

<특징을 활용한 어플리케이션 사례>

PFC (역률 개선)란? – 원리와 회로 : 싱글 / 인터리브, BCM / CCM

키 포인트

・PFC (역률 개선)는, 역률을 개선하여 1에 근접시키는 것이다.

・PFC에는 싱글 방식과 인터리브 방식이 있으며, 인터리브 방식은 손실을 분산시킬 수 있으므로 열 설계가 용이하다.

・PFC에는 임계 모드 (BCM)와 연속 모드 (CCM)가 있으며, 일반적으로 대전력에는 CCM이 사용된다.

임계 모드 PFC : 다이오드에 의한 효율 향상의 예

키 포인트

・임계 모드 PFC에서는 다이오드의 VF가 손실에 큰 영향을 주고, trr의 영향은 적다.

・임계 모드 제어의 PFC에서는 VF가 작은 다이오드를 선택함으로써 회로 효율 개선이 가능하다.

전류 연속 모드 PFC : 다이오드에 의한 효율 향상의 예

키 포인트

・전류 연속 모드 (CCM) PFC에서는 다이오드의 trr이 손실에 큰 영향을 주고, VF의 영향은 적다.

・전류 연속 모드 제어의 PFC에서는 trr이 작은 다이오드를 선택함으로써 회로 효율 개선이 가능하다.

LED 조명 회로 : MOSFET에 의한 효율 향상과 노이즈 저감의 예

키 포인트

・PFC부 및 DC/DC 컨버터부의 스위치인 MOSFET의 특성 차이에 따라 효율이 변하므로, MOSFET의 특성은 충분히 검토한다.

에어컨용 PFC 회로 : MOSFET와 다이오드에 의한 효율 향상의 예

키 포인트

・전류 연속 모드 PFC에서는, IGBT+FRD를 Hybrid MOSFET+SiC SBD로 교체함으로써 효율 개선을 도모할 수 있다.

・이 예에서는, SiC SBD의 고속 trr 특성, Hybrid MOSFET의 저 ON 저항+고속 스위칭을 통해 효율을 향상시킨다.

실리콘 파워 디바이스의 특징을 활용한 어플리케이션 사례