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2018.03.30 SiC 파워 디바이스

SiC 파워 디바이스의 개발 배경과 메리트

SiC (실리콘 카바이드)란?

앞에서는 SiC의 물성과 SiC 파워 디바이스의 특징에 대해 설명하였습니다. SiC 파워 디바이스는 Si 파워 디바이스를 뛰어넘는 고내압, 저 ON 저항, 고속 동작을 실현할 수 있으며, 한층 더 고온 환경에서의 동작도 가능합니다. 이번에는 SiC의 개발 배경과 구체적인 메리트에 대해 설명하겠습니다.

SiC 파워 디바이스의 개발 배경

앞서 설명한 바와 같이 SiC는 파워 디바이스에 응용함으로써, 기존의 Si 파워 디바이스로는 실현할 수 없었던 저손실 전력 변환이 가능합니다. 이것이 바로 SiC를 파워 디바이스로서 실용화한 큰 이유입니다. 그 배경에는 전 세계적인 과제인 에너지 절약의 촉진이 있습니다.

저전력 DC/DC 컨버터를 예로 들면, 모바일화에 따라 90%를 넘는 변환 효율이 당연시되었지만, 고전압, 대전류의 AC/DC 컨버터의 경우, 아직 효율 개선의 여지가 남아있습니다. EU를 중심으로 한 에너지 절약 관련 규제에서는 전기 / 전자기기에 대기 시 전력의 삭감을 포함한 에너지 절약이 강하게 요구되고 있습니다.

이러한 상황에서 전력 변환 시에 발생하는 에너지의 손실을 삭감하는 것이 급선무이며, 이를 위해서는 Si의 한계를 뛰어넘는 물질을 파워 디바이스에 응용하는 것이 필수적이라고 할 수 있습니다.

예를 들어, SiC 파워 디바이스를 이용함으로써, IGBT에 비해 스위칭 손실을 85% 삭감할 수 있습니다. 이와 같이 SiC 파워 디바이스가 에너지 문제에 대한 하나의 솔루션임에는 틀림이 없습니다.

SiC 사용의 메리트

앞에서 기술한 바와 같이 SiC를 이용함으로써 대폭적인 에너지 손실의 삭감이 가능합니다. 물론 이러한 사실도 큰 메리트이지만, SiC의 특징인 저저항, 고속 동작, 고온 동작에 의한 메리트도 큽니다.

Si와 비교하면, 「저저항」이라는 것은 단순히 손실 저감으로 이어지지만, 동일한 저항치일 경우 소자 (칩)의 면적을 줄일 수 있습니다. 대전력을 취급하는 경우에는 여러 개의 트랜지스터 및 다이오드를 모듈화한 파워 모듈을 사용하는 경우가 있습니다. 예를 들어 SiC 파워 모듈의 경우, Si에 비해 사이즈를 약 1/10로 줄일 수 있습니다.

「고속 동작」에 대해서는 스위칭 주파수를 높임으로써, 트랜스, 코일, 콘덴서와 같은 주변 부품을 더 작은 제품으로 사용할 수 있습니다. 실제로 1/10 정도로 소형화된 예가 있습니다.

「고온 동작」은 한층 더 고온에서의 동작이 가능하여, 히트싱크 등 냉각 기구를 간소화할 수 있습니다.

이와 같이, SiC를 사용하여 효율을 개선하고, 한층 더 큰 전력을 취급할 수 있다는 접근 방법도 있지만, 현 상태의 동일한 전력이라면 SiC화를 통해 대폭적인 소형화가 가능하다는 큰 메리트를 어필할 수 있습니다. 직접적인 에너지 절약뿐만 아니라, 설치 장소 및 수송 등 간접적인 에너지 절약도 가능한 소형화는 중요 과제 중 하나입니다.

키 포인트

・SiC는 에너지 문제에 대한 하나의 솔루션으로서 개발되었다.

・SiC는 손실 삭감뿐만 아니라, 소형화라는 큰 메리트가 있다.

실리콘 카바이드 파워 디바이스의 이해와 활용 사례