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2020.01.22 SiC 파워 디바이스

정리

정리

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?>

실리콘 카바이드란?

키 포인트

・SiC의 물성은 파워 디바이스에 적합하다.

・Si 반도체 대비, 손실 저감 및 고온 환경하에서의 동작 특성이 우수하다.

SiC 파워 디바이스의 개발 배경과 메리트

키 포인트

・SiC는 에너지 문제에 대한 하나의 솔루션으로서 개발되었다.

・SiC는 손실 삭감뿐만 아니라, 소형화라는 큰 메리트가 있다.

<SiC 쇼트키 배리어 다이오드란?>

SiC-SBD란? – 특징과 Si 다이오드와의 비교

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.

SiC-SBD의 진화

키 포인트

・로옴의 SiC-SBD는 이미 제3세대까지 진화했다.

・제3세대 제품은 서지 전류 내량과 리크 전류를 개선하여, 제2세대에서 실현한 Low VF를 더욱 저감했다.

SiC-SBD 사용의 메리트

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.

SiC-SBD란? – 신뢰성 시험에 대하여

키 포인트

・로옴에서는 SiC-SBD의 신뢰성에 대해, 표준적인 반도체 디바이스용 규격에 준거하여 시험 및 평가를 실시하고 있다.

<SiC-MOSFET란?>

SiC-MOSFET란? – 특징

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.

SiC-MOSFET란? – IGBT와의 차이점

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.

SiC-MOSFET란? – 바디 다이오드 특성

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>

Full SiC 파워 모듈이란?

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.

Full SiC 파워 모듈의 스위칭 손실

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.

활용 포인트 : 게이트 드라이브 -제1장-

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.

활용 포인트 : 게이트 드라이브 -제2장-

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.

활용 포인트 : 스너버 콘덴서

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.

설계 서포트 툴 : Full SiC 모듈 손실 시뮬레이터

키 포인트

・Full SiC 모듈 손실 시뮬레이터를 비롯한 서포트 툴을 구비하고 있다.

・서포트 툴은 Full SiC 모듈의 선택 및 초기 검토에 유용하다.

실리콘 카바이드 파워 디바이스의 이해와 활용 사례