전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2019.02.21 SiC 파워 디바이스

SiC-MOSFET란?-IGBT와의 차이점

SiC-MOSFET란?

앞에서 Si-MOSFET와의 차이점으로서, SiC-MOSFET의 구동 방법에 대한 2가지 포인트에 대해 설명하였습니다. 이번에는, IGBT와의 차이점에 대해 설명하겠습니다.

IGBT와의 차이점 : Vd-Id 특성

Vd-Id 특성은 트랜지스터의 기본 특성 중 하나입니다. 하기는 25℃와 150℃ 시의 Vd-Id 특성을 나타낸 그래프입니다.

graf08_170425

25℃일 때의 특성 그래프를 확인하여 주십시오. SiC 및 Si-MOSFET는 Vd (Vds)에 대해 Id가 리니어하게 증가하지만, IGBT는 임계 전압이 있으므로, 저전류 영역에서 MOSFET 디바이스 쪽의 Vds가 낮아집니다 (IGBT의 콜렉터 전류, 콜렉터-이미터 간 전압). Vd-Id 특성은 ON 저항의 특성이기도 합니다. 옴의 법칙에 따라, Id에 대해 Vd가 낮으면 ON 저항이 작고, 특성 곡선의 기울기가 급할수록 ON 저항이 낮은 것을 나타냅니다.

IGBT의 Low Vd (또는 Low Id) 영역, 위의 예에서 Vd가 1V 정도까지인 영역은, IGBT에서는 커버가 가능한 영역입니다. 고전압 대전류 어플리케이션에서는 문제가 되지 않지만, 충전측의 전력 요구가 저전력부터 고전력까지 폭 넓은 경우, 저전력 영역의 효율은 좋지 않습니다.

그에 비해 SiC-MOSFET는 폭 넓은 범위에서 저 ON 저항을 유지합니다.

또한, 150℃일 때 Si-MOSFET와의 특성을 비교해 보면, SiC, Si-MOSFET도 특성 곡선의 기울기가 완만해지므로 ON 저항이 증가하는 것을 알 수 있습니다. 그러나, SiC-MOSFET 쪽이 25℃에서의 변동이 작고, 25℃ 환경에서는 근접한 특성이었던 것이, 차이가 더욱 커지고 고온이 되었을 때 SiC-MOSFET의 ON 저항 변화가 작다는 것을 알 수 있습니다.

IGBT와의 차이점 : 스위치 OFF 손실 특성

SiC 파워 디바이스는, 스위칭 특성이 우수하여 대전력을 취급하면서 고속 스위칭이 가능하다고 여러번 언급했습니다. 여기에서는, IGBT와의 스위칭 손실 특성의 차이에 대해 구체적으로 설명하겠습니다.

IGBT의 기본 특성으로 잘 알려진 바와 같이, IGBT의 스위치 OFF 시에는 디바이스 구조로 인해 테일 (tail) 전류가 흐르므로 스위칭 손실이 증가합니다.

graf09_170425

스위치 OFF 시의 파형을 비교해 보면, SiC-MOSFET의 경우는 원리적으로 테일 전류가 흐르지 않으므로, 그만큼 스위칭 손실이 매우 작다는 것을 알 수 있습니다. 위의 예에서는, IGBT+FRD (패스트 리커버리 다이오드)의 스위치 OFF 손실 Eoff를, SiC-MOSFET+SBD (쇼트키 배리어 다이오드) 조합에서는 88% 저감하였습니다.

IGBT의 테일 전류는 고온 시 더욱 커진다는 점도 중요 포인트입니다. 또한, Si-MOSFET와의 차이점에서 설명한 바와 같이, SiC-MOSFET의 고속 구동을 위해서는 외장 게이트 저항 Rg를 적절히 조정할 필요가 있습니다.

IGBT와의 차이점 : 스위치 ON 손실 특성

이어서 스위치 ON 시의 손실입니다.

graf10_170425

IGBT에서는 스위치 ON 시, Ic (청색 선)에 적색 점선으로 표시된 부분의 전류가 흐릅니다. 이는, 다이오드의 리커버리 전류로 인한 부분이 많고, 스위치 ON 시 큰 손실이 됩니다. SiC-SBC를 병렬로 사용한 경우, 리커버리 특성의 고속성과 더불어 MOSFET 스위칭 ON 시의 손실이 적어집니다. FRD를 페어로 사용 시 스위치 ON 손실은 IGBT의 테일 전류와 마찬가지로 고온에서 증가한다는 점에 유의하여 주십시오.

결과적으로, 스위칭 손실 특성에 있어서 SiC-MOSFET가 IGBT보다 우수하다는 점을 알 수 있습니다.

참고로, 여기에서 제시한 데이터는 로옴의 시험 환경에서 얻은 결과입니다. 구동 회로 등의 제반 조건에 따라 결과가 달라질 가능성이 있습니다.

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.

실리콘 카바이드 파워 디바이스의 이해와 활용 사례