엔지니어 인터뷰

4단자 패키지를 채용한 SiC MOSFET : SCT3xxx xR 시리즈：4단자 패키지를 채용한 이유

2020.06.10

로옴은 SiC MOSFET의 새로운 시리즈로 SCT3xxx xR 시리즈를 개발하여, 제공하고 있습니다. SCT3xxx xR 시리즈는 최신 트렌치 게이트 구조를 채용하여, ON 저항을 한층 더 저감하였습니다. 또한, 게이트 드라이버용 소스 단자를 별도로 분리한 4단자 패키지를 채용함으로써 스위칭 특성을 개선하여, 스위칭 손실을 약 35% 삭감할 수 있습니다.
로옴 주식회사의 어플리케이션 엔지니어 인터뷰를 통해, SiC MOSFET에 4단자 패키지를 채용한 이유와 그 효과에 대해 알아보았습니다.

－SiC MOSFET SCT3xxx xR 시리즈는, 저 ON 저항과 더불어 4단자 패키지를 채용하여 스위칭 손실을 35% 삭감할 수 있다는 점이 매우 흥미롭습니다. 그럼, 이러한 4단자 패키지에 초점을 맞추어 인터뷰를 진행하겠습니다.

－먼저, 4단자 패키지란 어떤 것이며, 채용하게 된 배경과 목적에 대해 설명해 주십시오.

먼저, 4단자 패키지는 SiC MOSFET의 스위칭 손실 개선을 목적으로 채용하였습니다. SiC MOSFET를 비롯하여, 파워 스위칭용 MOSFET나 IGBT는 다양한 전원 어플리케이션 및 전력 라인의 스위칭 소자로서 사용되고 있습니다. 이러한 스위칭 소자에서 발생하는 스위칭 손실 및 도통 손실은 가능한 작게 억제해야 하며, 어플리케이션에 따라 손실 저감을 위한 방법은 다양합니다. 그 방법 중 하나로, MOSFET의 소스, 드레인, 게이트의 3단자와 드라이버 소스 단자를 별도로 구성한 4단자 패키지가 최근 새롭게 사용되고 있습니다. 로옴은 최신 트렌치 게이트 구조의 채용으로 저 ON 저항을 한층 더 실현하여 도통 손실을 저감한 SCT3xxx xR 시리즈에 4단자 패키지를 채용함으로써, SiC가 지닌 본래의 고속 스위칭 성능을 최대화하여, 스위칭 손실 삭감을 도모하였습니다.

－드라이버 소스 단자란 어떤 것입니까?

드라이버 소스 단자는 Kelvin 접속 (Kelvin Connection / 4단자 접속)의 원리를 사용한 소스 단자입니다. Kelvin 접속은 저항 측정에서의 4단자 또는 4선식 측정 방식으로, 전류 경로에 전압 측정의 2가지 선을 배치함으로써, 극소 저항 측정 또는 대전류에서의 측정 시 무시할 수 없게 되는 케이블의 저항이나 접촉 저항의 영향을 최대한 배제하는 방법으로 잘 알려진 방법입니다. 이 4단자 패키지는 소스에만 해당되지만, 게이트 구동 회로의 리턴에 접속하기 위한 소스 전압 단자를, 대전류가 흐르는 파워 소스 단자와는 분리함으로써, 게이트 구동 회로에 대한 I_D의 영향을 배제합니다.

－기본적인 개념은 Kelvin 접속이군요.

그렇습니다. 실제의 패키지에 대한 설명에 앞서, 어떻게 드라이버 소스 단자가 스위칭 손실 삭감에 기여하는지에 대해 설명하겠습니다.

MOSFET는 일반적인 전압 구동으로, 게이트 단자의 전압을 제어함으로써 MOSFET를 ON / OFF합니다. Figure 1은 기존 3단자 패키지 (TO-247N) MOSFET의 일반적인 게이트 구동 회로 예입니다. 적색 점선은 MOSFET의 패키지 내부와 외부의 경계를 의미합니다.

통상적으로 구동 전원 V_G와 MOSFET의 게이트 단자 사이에는 스위칭 속도를 제어하기 위한 외장 게이트 저항 R_{G_EXT}가 삽입되어 있으며, 프린트 기판의 배선 인덕턴스 L_TRACE도 포함되어 있습니다. 또한, 소스 단자와 MOSFET 칩 사이에는 패키지 인덕턴스 L_SOURCE가 포함되어 있습니다.

기생 성분 중, 게이트 단자의 패키지 인덕턴스는 L_TRACE에 포함되어 있으며, 드레인 단자의 패키지 인덕턴스 L_DRAIN은 게이트 구동 회로의 시스템에는 포함되어 있지 않으므로, 오른쪽 그림에서는 생략되어 있습니다.

－MOSFET 구동에서의 기본적인 게이트 저항 및 기생 성분에 대한 내용이군요.

그렇습니다. 단, 이것이 일반적인 IGBT의 스위칭 속도라면 큰 영향을 미치지 않겠지만, SiC MOSFET의 특징 중 하나인 고속 스위칭이라는 조건에 있어서는, 스위칭에 따른 드레인 – 소스 전류 I_D의 변화와 L_SOURCE에 의한 기전압 V_LSOURCE가 문제가 됩니다.

Figure 2를 사용하여 조금 더 구체적으로 설명하겠습니다. Figure 2는 스위칭 동작 시 회로 내부의 전압이 어떻게 변하는지를 나타낸 것입니다.

V_G가 인가되어 MOSFET가 turn-on하면 I_D는 급격하게 증가하여, 그림과 같이 L_SOURCE에 기전압 V_LSOURCE (Ⅰ)가 발생합니다.

게이트 단자에는 전류 I_G가 유입되므로, R_{G_EXT}에서 전압 강하 V_{RG_EXT} (Ⅰ)가 발생합니다.

게이트 라인인 L_TRACE에도 동일한 원리로 기전압이 발생하지만, 매우 작은 수치로 영향이 미미하므로 여기에서는 생략하겠습니다.

이러한 전압은 turn-on 시의 구동 회로망에 포함되어 있으므로, 실제로 내부의 칩에 인가되어 MOSFET의 turn-on을 위한 전압 V_{GS_INT}가 감소하게 됩니다. V_{GS_INT}의 감소에 대해서는 하기 식 (1)로 나타낼 수 있습니다.

－실제로 내부의 칩에 인가되는 V_{GS_INT}는, 게이트 인가 전압 V_G에서 외부 게이트 저항으로 인한 전압 강하와 소스 단자의 기생 인덕턴스로 인한 기전압을 뺀 값이 되는 것이네요.

그렇습니다. 이와 같이 V_{GS_INT}가 감소하면 MOSFET가 turn-on하는 속도, 즉 스위칭이 느려집니다.

Turn-off 시에도 마찬가지로, 식 (1)을 적용할 수 있습니다. 단, I_G와 dI_D/dt가 마이너스 (-)가 되므로, R_{G_EXT}와 L_SOURCE에는 (Ⅱ)로 표시한 전압 상승이 발생하여, 역으로 V_{GS_INT}는 증가합니다. 이렇게 증가하게 되면 turn-off 속도가 저하됩니다.

－R_{G_EXT}와 L_SOURCE로 인해 스위칭 속도가 저하된다고 하셨는데, R_{G_EXT}는 외장 게이트 저항이니까 저항치를 작게 하면 영향을 줄일 수 있지 않을까요?

말씀하신 대로, R_{G_EXT}를 작게 하면 스위칭 속도는 빨라집니다. R_{G_EXT}는 원래 스위칭 속도 조정용이므로, 여기에서는 R_{G_EXT}가 필요 이상으로 커지면 불필요하게 스위칭 속도가 저하되어 스위칭 손실이 증가한다고 인식하여 주십시오.

반면에, L_SOURCE는 패키지 내부의 기생 성분이므로 외부로부터의 조정은 불가능합니다. 이러한 점이 매우 중요한 포인트입니다. 일반적으로 파워 스위칭 디바이스의 L_SOURCE는 수 nH부터 십수 nH이며, dI_D/dt가 수 A/ns에 달하면 10V 이상의 기전압 V_LSOURCE가 발생하는 경우도 있어, 스위칭 동작에 큰 영향을 미치게 됩니다.

－수식이 나와서 어렵게 느껴졌는데, 이제 조금 이해되었습니다.

이제 짐작이 가시겠지만, 이러한 V_LSOURCE의 영향을 배제하기 위해서는 패키지의 구조를 변경하여 대처할 필요가 있습니다. 이러한 이유에서, 파워 소스와 드라이버용 소스를 분리한 4단자 패키지를 채용하게 된 것입니다.

이제 본격적으로 4단자 패키지에 대해 설명하겠습니다. 우선 오른쪽 4단자 패키지의 예를 참조하여 주십시오. 현재 로옴에서 제품화한 것은 (a)의 TO-247-4L과 (b)의 TO-263-7L입니다.