Full SiC 파워 모듈의 스위칭 손실

Full SiC 파워 모듈은 모두 SiC로 구성되어 있으므로, 기존의 파워 모듈에 비해 우수한 성능을 지니고 있습니다. 이번에는, 기존의 파워 모듈이 지닌 과제라고 할 수 있는 스위칭 손실에 대해 설명하겠습니다.

Full SiC 파워 모듈의 스위칭 손실

Full SiC 파워 모듈은 기존의 IGBT 모듈에 비해, 1) 스위칭 손실의 대폭적인 저감이 가능하며, 2) 스위칭 주파수가 높을수록 토탈 손실의 저감이 현저해진다는 2가지 메리트가 있습니다.

하기 그림은, 1200V / 300A의 Full SiC 파워 모듈 BSM300D12P2E001과, 동등한 IGBT의 비교입니다. 좌측 그림은 데이터시트의 규격치를 바탕으로 한 비교로, Eon은 스위치 ON 손실, Eoff는 스위치 OFF 손실, Err은 리커버리 손실입니다. Eon, Eoff 모두 매우 작고, Irr이 거의 흐르지 않으므로 Err도 아주 적습니다. 결과적으로, 스위칭 손실을 총 77% 저감할 수 있습니다. 이것이 위에서 말씀드린 메리트 중 첫번째에 해당합니다.

우측은, PWM 인버터를 상정한 손실 시뮬레이션으로, 스위칭 주파수가 5kHz / 30kHz 시의 스위칭 손실과 도통 손실의 합계를 나타낸 그래프입니다. IGBT 모듈과의 비교를 통해 5kHz에서는 전체 손실을 약 22% 저감하였습니다. 저감된 손실의 대부분이 스위칭 손실 (주황색 부분)입니다. 30kHz의 조건에서는, 우선 IGBT의 스위칭 손실이 대폭적으로 증가하였습니다. 이것이 IGBT의 고속 스위칭에 대한 과제라는 점은 잘 알려져 있습니다. Full SiC 파워 모듈의 스위칭 손실도 증가하였지만, 그 비율은 IGBT 모듈에 견줄만큼은 아닙니다. 결과적으로, 30kHz 조건에서는 토탈 손실을 약 60% 저감 가능하다는 점을 알 수 있습니다. 이는 앞서 언급한 Full SiC 파워 모듈의 두번째 메리트입니다.

이처럼 스위칭 손실이 작은 것은, Full SiC 모듈을 구성하고 있는 SiC 소자의 특성에 의한 것입니다. SiC-MOSFET와 SiC 쇼트키 배리어 다이오드에 대한 섹션에 Si계 동등품과의 비교에 대한 기사가 많이 게재되어 있으므로 참조하여 주십시오.

제3세대 SiC Trench MOSFET 사용으로, 한층 더 스위칭 손실 저감

로옴은 업계를 선두하여 Trench 구조의 SiC-MOSFET를 양산하고 있습니다. SiC 파워 모듈은 이미 Trench 구조 MOSFET를 채용하여, 기존의 SiC 파워 모듈 대비 스위칭 손실을 한층 더 저감합니다.

우측 그래프는, 1200V / 180A의 IGBT 모듈과, 제2세대 DMOS 구조 SiC-MOSFET를 사용한 Full SiC 파워 모듈 BSM180D12P2C101, 그리고 제3세대 Trench 구조 MOSFET를 사용한 BSM180D12P3C007의 데이터시트 규격치를 바탕으로 스위칭 손실을 비교한 결과입니다.

제2세대는 IGBT 대비 스위칭 손실을 약 60% 저감하였고, 제3세대는 제2세대 대비 약 42% 저감을 실현하였으며, IGBT에 비해서는 약 77%의 스위칭 손실 저감을 달성할 수 있습니다.

이와 같이, Full SiC 파워 모듈은 동등한 IGBT 모듈에 비해 대폭적인 스위칭 손실 저감이 가능하여, 스위칭 주파수가 높아질수록 IGBT 모듈과의 손실 차는 더 커집니다. 이는, IGBT 모듈의 경우 고속 스위칭 동작이 불리한 반면, Full SiC 파워 모듈은 손실을 대폭 저감함과 동시에 고속 스위칭이 가능하다는 것을 의미합니다.