4단자 패키지를 채용한 SiC MOSFET : SCT3xxx xR 시리즈：4단자 패키지 채용으로, 기존품 대비 스위칭 손실 35% 저감

SCT3xxx xR 시리즈는 서버용 전원 및 태양광 인버터, 전동차의 충전 스테이션 등 고효율이 요구되는 어플리케이션에 적합한 트렌치 게이트 구조의 SiC MOSFET로, 4단자 패키지를 채용하였습니다. 현재, 6기종 (650V 및 1200V 내압)의 라인업이 구비되어 있습니다.

SiC MOSFET : SCT3xxx xR 시리즈의 포인트

포인트1：트렌치 게이트 구조로 Planar 구조보다 미세화가 가능하여, SiC 재료 본래의 특성에 가까운 저 ON 저항을 기대할 수 있습니다.

포인트2：SiC MOSFET가 지닌 고속 스위칭 성능을 최대한으로 발휘할 수 있는 4단자 패키지 : TO-247-4L을 채용하였습니다. 기존의 3단자 패키지 : TO-247N 대비 약 35％의 스위칭 손실 저감이 가능합니다.

포인트3：SiC 디바이스의 구동에 최적인 게이트 드라이버 IC 및 각종 전원 IC, 디스크리트 제품을 탑재한 SiC MOSFET 평가 보드를 구비하여, 디바이스 평가를 간단히 실시할 수 있습니다.

포인트4：SCT3xxx xR 시리즈 SiC MOSFET 및 평가 보드는 온라인에서 판매되고 있으며, 부품 유통 사이트에서 구입이 가능합니다.

4단자 패키지 : TO-247-4L과 기존의 3단자 패키지 : TO-247N의 구조 차이

하기는, 신규 채용 4단자 패키지 : TO-247-4L과, 기존의 3단자 패키지 : TO-247N의 구조 차이를 모식화한 이미지입니다.

기존의 3단자 패키지 : TO-247N (좌측)은 소스 단자가 지닌 인덕턴스 성분의 영향으로 인해 게이트 전압이 저하되어, 스위칭 속도가 저하된다는 과제가 있었습니다. 반면에, SCT3xxx xR 시리즈에서 채용한 4단자 패키지 : TO-247-4L (우측)은, 게이트 드라이버용 소스 단자 (드라이버 소스)와 전력 경로가 되는 소스 단자 (파워 소스)를 분리한 구조를 채용함으로써, 게이트 드라이브의 인덕턴스 성분으로 인한 영향을 줄일 수 있습니다. 결과적으로, TO-247-4L 패키지의 SiC MOSFET는, 기존의 3단자 패키지 대비 스위칭 손실을 저감할 수 있습니다.

4단자 패키지 : TO-247-4L은 스위칭 손실을 약 35% 저감

4단자 패키지 : TO-247-4L을 채용함으로써, SiC MOSFET가 지닌 고속 스위칭 성능을 최대한으로 발휘시킬 수 있으며, 특히 Turn-on 시의 손실을 대폭 개선할 수 있습니다. Turn-on 손실과 Turn-off 손실을 통틀어 기존의 3단자 패키지 대비 약 35％의 스위칭 손실 저감이 가능합니다.

MOSFET는 일반적으로 전압 구동 타입이며, 게이트 단자로의 전압을 ON / OFF 함으로써 스위칭 동작을 제어합니다. 그림 1은 기존 (TO-247N) MOSFET의 일반적인 게이트 구동 회로 예입니다.

구동 회로에는 회로 기판의 인덕턴스와 MOSFET 소스 단자의 인덕턴스 L_SOURCE가 포함되어 있으므로, 이러한 파라미터를 고려하는 것이 매우 중요합니다. 기존의 스위칭 속도에서는 드레인-소스에 흐르는 드레인 전류 I_D의 변화에 의해, 전류를 발생시키는 전위차인 기전압이 발생합니다.

V_G가 인가되어 MOSFET가 Turn-on하면 I_D는 증가하고, L_SOURCE에 하기 그림의 (Ⅰ) 방향으로 V_LSOURCE가 발생합니다. 이러한 전압은 Turn-on 시의 구동 회로망에 포함되어 있으므로 MOSFET의 Turn-on 동작에 필요한 전압 V_{GS_INT}가 식 (1)과 같이 감소하게 되어, 결과적으로 Turn-on 속도의 저하를 초래합니다.

V_{GS_INT}=V_G-I_G×R_{G_EXT}-L_SOURCE×dI_D⁄dt 　　・・・식 (1)

Turn-off 시에도 마찬가지로, 식 (1)과 같이 I_G 및 dI_D⁄dt가 마이너스 (-)가 되므로, R_{G_EXT}와 L_SOURCE에 전압 상승 (Ⅱ)을 발생시켜, V_{GS_INT}의 증가로 인해 Turn-off 속도가 저하됩니다.

그림 2는 이러한 기전압의 영향을 배제할 수 있는 4단자 패키지 TO-247-4L MOSFET의 구동 회로 예입니다. 드라이버 소스 단자는 V_G 신호의 SOURCE 측을 직접 칩에 접속함으로써 이러한 기전압 V_LSOURCE의 영향을 배제하여, 스위칭 속도의 개선을 도모한 것입니다.

하기 그림은 4단자 패키지 : TO-247-4L과 기존의 3단자 패키지 : TO-247N의 Turn-on 스위칭 특성의 비교 (좌측)와, Turn-on / off 시의 스위칭 손실 (우측)을 나타낸 그래프입니다.

좌측 스위칭 파형의 4단자 패키지 (적색)는 V_DS, I_DS 모두 스위칭 시간의 대폭적인 고속화를 확인할 수 있습니다. 우측의 스위칭 손실 비교에서도 마찬가지로 4단자 패키지 (적색) 쪽의 손실이 작아졌습니다. (파형 면적으로 비교)

Turn-on과 Turn-off의 손실을 통틀어, 약 35%의 스위칭 손실 저감을 확인할 수 있습니다.

적합한 어플리케이션

최근, AI 및 IoT의 도입에 따라 클라우드 서비스에 대한 요구가 높아지고 있으며, 전 세계적으로 데이터 센터의 수요가 확대되고 있습니다. 데이터 센터 등에서 사용되는 서버의 경우, 대용량화 및 고성능화가 진행됨에 따라, 소비전력 저감이 과제로 떠오르고 있습니다. 이에 따라, 한층 더 손실이 적은 SiC 디바이스가 주목을 받고 있습니다. SCT3xxx xR 시리즈는 서버, 기지국, 태양광 인버터, 축전 시스템, 전동차의 충전 스테이션 등의 어플리케이션에 매우 적합한 성능을 구비하고 있습니다.

라인업

SiC MOSFET SCT3xxx xR 시리즈는 650V 제품 3기종, 1200V 제품 3기종으로 총 6기종을 구비하고 있습니다. 각 제품의 상세 내용은, 하기 표에서 품명을 클릭하여 주십시오.

품명	드레인-소스 전압 VDS[V]	드레인-소스 ON 저항 RDS(on) @25℃ [mΩ(typ.)]	드레인 전류 ID@25℃ [A]	드레인 손실 PD [W]	동작온도 범위 [℃]	패키지
SCT3030AR	650	30	70	262	-55～+175	TO-247-4L
SCT3060AR		60	39	165
SCT3080AR		80	30	134
SCT3040KR	1200	40	55	262
SCT3080KR		80	31	165
SCT3105KR		105	24	134

평가 보드 사용으로 간단하고 신속한 평가 가능

P02SCT3040KR-EVK-001은 SiC MOSFET 평가 보드입니다. SiC 디바이스의 구동에 최적화된 게이트 드라이버 IC (BM6101FV-C) 및 각종 전원 IC, 디스크리트 제품을 탑재하여 간단히 디바이스 평가를 실시할 수 있습니다.

TO-247-4L 패키지 제품뿐만 아니라, 동일 조건에서의 평가가 가능하도록 TO-247N 제품의 실장도 가능합니다. 또한, 평가 보드를 사용함으로써 더블 펄스 시험, Boost 회로, 2레벨 인버터, 동기정류 타입 Buck 회로 등의 평가가 가능합니다. P02SCT3040KR-EVK-001은 온라인 부품 유통 사이트에서 판매하고 있습니다. 상세 내용은 서포트 페이지를 참조하여 주십시오.

※기전압 : 전자 유도, 열전 효과, 광전 효과 및 화학 반응 등으로 인해 발생하는 전위차. 본문에서는 전자 유도로 인한 전위차를 나타냅니다.

※본 기사는 2019년 12월 시점의 내용입니다.