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2018.06.07 SiC 파워 디바이스

SiC-SBD란? - Si-PND와의 순방향 전압 비교

SiC 쇼트키 배리어 다이오드란?

앞서 SiC-SBD와 Si-PND의 역회복 특성을 비교하여 설명하였습니다. 이어서 다이오드의 가장 기본이 되는 특성인 순방향 전압 VF 특성의 차이점에 대해 설명하겠습니다.

SiC-SBD와 Si-PND의 순방향 전압 특성의 차이점

다이오드의 순방향 전압 VF는 한없이 zero에 가깝고, 온도에 대해서 안정되어 있는 것이 이상적입니다. 하지만, 실제로는 zero가 아니며 온도에 따라서도 변동합니다. SiC-SBD의 VF 특성을 이해하기 위해 Si-PND의 FRD (패스트 리커버리 다이오드)와 비교해 보겠습니다.

SiC_2-3_vfcompa

상기는 SiC-SBD와 Si-FRD의 순방향 전류 IF에 대한 VF 특성 그래프입니다. 25℃에서 200℃, 8단계의 온도 조건에서 측정한 데이터입니다.

SiC-SBD는 온도가 상승하면 IF가 흐르기 시작하는 초기에는 VF가 약간 저하되지만, 저항이 상승하므로 기울기가 완만해져 통상적인 사용 영역의 IF에서는 VF가 상승합니다.

Si-FRD는 온도가 상승하면 VF는 단순히 저하됩니다. 그래프에 따르면, 어떤 온도에서도 기울기가 거의 동일하게 VF가 저하됨을 알 수 있습니다.

이러한 특성은 각각의 물성 및 구조에 따라 달라지며 각각 장단점이 있습니다. 이상적인 다이오드를 생각한다면, Si-FRD의 VF가 고온에서 저하되는 것은 도통 손실이 줄어 좋은 현상이라고 생각됩니다. 그러나, VF가 낮아짐에 따라 IF가 증가하여 손실이 증가하고 발열량이 커짐에 따라, VF가 한층 더 낮아지고 IF는 증가하는 열폭주 상태에 이르게 될 가능성이 있습니다.

한편, SiC-SBD의 경우에는 온도가 상승함에 따라 VF가 높아지므로 열폭주가 발생하지 않습니다. 그러나, VF가 상승하므로 IFSM (순시 대전류 내량)이 Si-FRD보다 낮다는 단점이 있습니다.

SiC-SBD의 VF 특성 개선

우수한 특성을 지닌 SiC-SBD의 특성을 향상시켜 한층 더 사용이 용이하도록 VF를 저감한 차세대 제품이 개발되었습니다. 로옴에서는 제2세대 시리즈입니다. 로옴의 제1세대 제품 및 유사한 타사 제품의 VF가 IF=10A 시 1.5V인데 비해, 제2세대 제품의 VF는 1.35V로 저감되었습니다. 하기는 참고치로서 25℃와 125℃ 시의 IF vs VF의 그래프입니다.

SiC_2-3_vf25
SiC_2-3_vf125

적색 선이 로옴의 제2세대 SiC-SBD의 VF 특성입니다.

trr과 VF의 손실에 관한 고찰

지금까지 SiC-SBD와 Si-FRD의 VF 특성의 차이점에 대해 설명했는데, 앞서 설명한 trr 특성을 포함하여 손실에 대해 생각해 보고자 합니다.

SiC-SBD를 설명하기 위해 trr과 VF에 대해 Si-PND (FRD)와 비교한 것에는 이유가 있습니다. 하기 왼쪽 그림은 Si 다이오드와 SiC 다이오드가 대응할 수 있는 내압에 대한 그래프입니다. 포인트는 Si-PND / FRD와 SiC-SBD의 범위가 거의 동일하여, 동일한 어플리케이션에 사용할 수 있다는 점입니다. SiC-SBD는 새로운 디바이스이므로, 현재의 Si-PND / FRD가 대응하는 영역은 기본적으로 SiC-SBD로 대체하여 사용할 수 있다고 말할 수 있습니다.

특히, 고속성이 중요한 어플리케이션 등, Si-FRD와 SiC-SBD가 경합하는 경우, 최적의 다이오드 선택을 위해서는 양쪽의 특성을 잘 이해할 필요가 있습니다. 그리고, 검토 사항 중 「손실의 저감」은 가장 중요한 과제입니다.

하기 그래프는 Si-FRD와 SiC-SBD에서의 trr (스위칭 손실)과 VF (도통 손실)를 나타낸 것입니다.

SiC_2-3_cover
SiC_2-3_vftrr-1

trr이 빠르고 VF가 낮을수록 토탈 손실은 작아집니다. Si-FRD는 trr이 빨라지면 VF는 높아집니다. 반면에, 제2세대 SiC-SBD는 기존의 SiC-SBD의 고속 trr을 유지함과 동시에 VF를 1.5V에서 1.35V로 저감하였습니다.

현재는 파워계 Si-FRD와 SiC-SBD 중, 제2세대 SiC-SBD가 가장 크게 손실을 저감할 수 있는 가능성이 있습니다.

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.

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