비용을 절감하면서 에너지 인프라를 더욱 효율적이고 안정적으로 만드는 방법

전기 자동차(EV) 충전소와 태양열 인버터에서부터 에너지 저장 장치와 무정전 전원 공급 시스템에 이르기까지 에너지 인프라 설계자는 탄소 배출량을 줄이고 신뢰성을 향상시키며 비용을 절감하는 과제에 끊임없이 도전하고 있습니다.

이러한 목표에 도달하려면 전력 변환 솔루션을 최적화하여 전도 손실과 스위칭 손실을 줄이고 우수한 열 성능은 유지하며 전체 폼 팩터를 줄이고 전자파 장해(EMI)를 낮추는 방법을 면밀히 검토해야 합니다. 또한 선택한 솔루션이 생산 부품 승인 절차(PPAP)를 충족하고 AEC-Q101 인증을 받았는지 확인해야 합니다.

설계자는 이러한 과제를 해결하기 위해 다양한 실리콘 카바이드(SiC) 전력 MOSFET, SiC 쇼트키 다이오드, 게이트 구동 IC, 전력 모듈을 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 기존의 실리콘(Si) 접근 방식과 비교하여 SiC 기술의 효율성과 신뢰성을 높이고 비용을 절감하는 방법을 간략하게 살펴봅니다. 이어서 SiC의 패키징 및 시스템 통합 옵션을 살펴본 후 onsemi의 몇 가지 실제 사례를 소개하고 설계자가 SiC 전력 MOSFET과 게이트 구동 성능을 최적화하여 에너지 인프라 문제를 해결하는 데 가장 적합한 방법을 보여줍니다.

SiC와 Si의 비교

SiC는 와이드 밴드갭(WBG) 재료로, Si의 밴드갭이 1.12전자볼트(eV)인 것에 비해 SiC의 밴드갭은 3.26eV입니다. 또한 항복 전기장이 10배 더 높고 열전도율이 3배 이상 높으며 Si보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 이러한 사양을 갖춘 SiC야말로 에너지 인프라 응용 분야에 적합합니다.(표 1).

표 1: 4H-SiC 재료의 속성은 Si보다 SiC가 에너지 인프라 응용 분야에 적합함을 보여줍니다. (이미지 출처: onsemi)

항복 전기장이 높을수록, 얇은 SiC 장치가 두꺼운 Si 장치와 정격 전압이 동일해지며, SiC 장치가 얇을수록 온스테이트 저항이 낮아지고 전류 용량이 높아집니다. SiC의 이동성 파라미터는 Si와 같은 크기이므로 두 재료 모두 소형 폼팩터를 지원하는 고주파 전력 변환에 사용할 수 있습니다. SiC 장치의 열전도율이 높다는 것은 전류 레벨이 더 높을 때 온도 상승이 완화된다는 것을 의미합니다. SiC 장치의 작동 온도는 SiC 재료 특성이 아니라 전선 접속과 같은 패키징 요소에 의해 제한됩니다. 따라서 SiC를 사용할 때 최적의 패키징 스타일을 선택하는 것은 설계자에게 중요한 고려 사항입니다.

SiC의 재료 특성은 대부분의 고전압, 고속, 고전류, 고밀도 전력 변환 설계에서 탁월한 선택입니다. 대개는 SiC를 사용할지 여부보다 어떤 SiC 패키징 기술이 최적의 성능과 비용 절감을 이뤄낼 수 있는지가 더 중요합니다.

설계자는 SiC 전력 기술을 사용할 때 세 가지 기본 패키징을 선택할 수 있습니다. 이산 소자 장치, 지능형 전력 모듈(IPM), 전력 통합 모듈(PIM)은 각각 고유한 비용과 성능 트레이드오프를 제공합니다(표 2). 예를 들면 다음과 같습니다.

• 이산 소자 장치는 일반적으로 소비자 가전 응용 분야와 같이 주요 고려 사항이 비용일 때 선호됩니다. 또한 이중 소싱을 지원하며 수명이 깁니다.
• IPM 솔루션은 설계 시간을 단축하고, 가장 높은 신뢰성을 가지고 있으며, 중간 수준의 전력 레벨을 위한 가장 콤팩트한 솔루션입니다.
• PIM은 IPM과 비교하여 우수한 출력 밀도, 상당히 빠른 출시 시간, 다양한 설계 옵션, 더 많은 이중 소싱 기회를 갖춘 더 높은 전력 설계를 지원할 수 있습니다.

표 2: 이산 소자 장치, IPM, PIM SiC 패키징 솔루션 중에서 선택할 때 통합 특징과 트레이드오프를 비교합니다. (이미지 출처: onsemi)

하이브리드 Si/SiC IPM

SiC 장치만 사용하여 솔루션을 개발할 수도 있지만, 때로는 하이브리드 Si/SiC로 설계하는 것이 비용 면에서 더 효율적일 수도 있습니다. 예를 들어, onsemi의 NFL25065L4BT 하이브리드 IPM은 4세대 Si IGBT와 출력에는 SiC 부스트 다이오드를 결합하여 소비자 가전, 산업, 의료 응용 분야를 위한 인터리브 역률 보정(PFC) 입력단을 형성합니다(그림 1). 이 콤팩트 IPM에는 EMI와 손실을 최소화하기 위해 IGBT에 최적화된 게이트 구동이 포함되어 있습니다. 통합 보호 기능에는 저전압 차단, 과전류 차단, 열 모니터링, 장애 보고가 포함됩니다. NFL25065L4BT의 특징은 다음과 같습니다.

• 600V/50A 2상 인터리브 PFC
• 20kHz 스위칭 주파수에 최적화
• 산화알루미늄 직접 접합 구리(DBC) 기판을 사용하여 낮은 열 저항 실현
• 온도 모니터링용 반비례 온도 계수(NTC) 서미스터 통합
• 분당 2500V 실효값(rms)의 절연 등급
• UL 인증

그림 1: NFL25065L4BT IPM은 출력단에 SiC 부스트 다이오드가 있는 4세대 Si IGBT를 사용하여 인터리브 PFC 단을 형성합니다. (이미지 출처: onsemi)

SiC PIM

태양광 인버터, EV 충전소, SiC 기반 PIM을 사용하여 실장 면적과 전체 부피를 줄이고 전력 공급을 극대화함으로써 이점을 얻을 수 있는 유사 응용 분야의 경우 설계자는 NXH006P120MNF2PTG를 선택할 수 있습니다. 이 장치는 F2 패키지에 6mΩ, 1200V, SiC MOSFET 하프 브리지, 통합 NTC 서미스터로 구성되어 있습니다(그림 2). 패키지 옵션은 다음과 같습니다.

• 열전 재료(TIM) 사전 도포 선택 가능
• 납땜용 핀 또는 압입식 핀

그림 2: NXH006P120MNF2PTG 통합 전력 모듈은 압입식 핀이 있는 F2 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: onsemi)

이러한 IPM은 최대 작동 접합 온도가 175°C이며 외부 제어와 게이트 구동기가 필요합니다. 옵션인 압입식 기술은 냉간 용접이라고도 하며 PC 기판의 핀과 도금된 관통 구멍 사이를 안정적으로 연결합니다. 압입식은 납땜이 없는 간단한 조립품을 제공하고 기밀, 낮은 저항, 금속 대 금속 연결을 지원합니다.

SiC 쇼트키 다이오드

SiC 쇼트키 다이오드는 IPM과 함께 사용하거나 100% 이산 소자 설계로 사용할 수 있으며 Si 다이오드보다 스위칭 성능과 신뢰성이 더 좋고 더 높습니다. 1700V/25A NDSH25170A와 같은 SiC 쇼트키 다이오드는 역회복 전류가 없고 열 성능이 뛰어나며 스위치 특성상 온도에 영향을 받지 않습니다. 따라서 효율성은 더 높아지고 스위칭 주파수는 더 빨라지며 전력 밀도도 더 높아지고 EMI가 낮아지며 병렬 처리가 쉬워집니다. 그리고 이 모든 것이 솔루션 크기를 줄이고 비용을 절감하는 요인이 됩니다(그림 3). NDSH25170A 시리즈의 특징은 다음과 같습니다.

• 175°C 최대 접합 온도
• 506mJ 애벌런치 등급
• 최대 220A의 비반복 서지 전류, 최대 66A의 반복 서지 전류
• 정비례 온도 계수
• 역회복 및 순방향 회복 없음
• AEC-Q101 인증과 PPAP 공정 능력

그림 3: 1700V/25A NDSH25170A SiC 쇼트키 다이오드는 역회복 전류가 없고 뛰어난 열 성능과 온도에 영향을 받지 않는 스위칭 특성을 갖추고 있습니다. (이미지 출처: onsemi)

이산 소자 SiC MOSFET

설계자는 이산 소자 SiC 쇼트키를 Onsemi의 1200V SiC MOSFET과 결합할 수 있으며, Si 장치보다 뛰어난 스위칭 성능과 낮은 온스테이트 저항, 높은 신뢰성을 가지고 있습니다. SiC MOSFET의 콤팩트한 칩 크기는 낮은 정전 용량과 게이트 전하를 발생시킵니다. 낮은 정전 용량, 낮은 게이트 전하, 낮은 온스테이트 저항의 조합은 시스템 효율성을 높이고 더 빠른 스위칭 주파수를 지원하며 전력 밀도를 높이고 전자파 장해(EMI)를 낮추고 솔루션 폼 팩터를 축소합니다. 예를 들어 NTBG040N120SC1은 1200V/60A 정격이며 D2PAK-7L 표면 실장 패키지로 제공됩니다(그림 4). 특징은 다음과 같습니다.

• 통상 106nC 게이트 전하
• 통상 139pF 출력 정전 용량
• 100% 애벌런치 테스트 완료
• 175°C 접합 온도 작동
• AEC-Q101 인증

그림 4: NTBG040N120SC1 SiC MOSFET은 1200V/60A 정격이고 온스테이트 저항 40mΩ이며 D2PAK-7L 표면 실장 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: onsemi)

SiC MOSFET 게이트 구동기

onsemi NCx51705 라인과 같은 SiC MOSFET용 게이트 구동기는 Si MOSFET용 구동기보다 더 높은 구동 전압을 공급합니다. Si MOSFET을 켜는 데 필요한 게이트 전압은 10V 미만인 반면, SiC MOSFET을 완전히 켜려면 18V ~ 20V의 게이트 전압이 필요합니다. 또한 SiC MOSFET은 장치를 끌 때 -3V ~ -5V의 게이트 구동이 필요합니다. 설계자는 SiC MOSFET에 최적화된 NCP51705MNTXG 로우사이드 단일 6A 고속 구동기를 사용할 수 있습니다(그림 5). NCP51705MNTXG는 최대 정격 구동 전압을 공급하여 전도 손실을 낮추고 켜고 끄는 동안 높은 피크 전류를 공급하여 스위칭 손실을 최소화합니다.

그림 5: NCP51705MNTXG 구동기 IC 2개(가운데 오른쪽)가 하프 브리지 토폴로지에서 SiC MOSFET 2개(오른쪽)를 구동하는 간단한 회로도입니다. (이미지 출처: onsemi)

설계자는 통합 충전 펌프를 사용하여 사용자가 선택할 수 있는 네거티브 전압 레일을 생성함으로써 더 높은 신뢰성, 향상된 dv/dt 내성, 더 빠른 전원 끄기를 실현할 수 있습니다. 분리형 설계에서는 외부에서 접근할 수 있는 5V 레일이 디지털 또는 고속 광절연기의 2차측에 전력을 공급할 수 있습니다. NCP51705MNTXG의 보호 기능으로는 구동기 회로의 접합 온도에 기반한 과열 시 전원 차단과 바이어스 전력 부족전압 차단 모니터링이 있습니다.

평가 기판과 SiC 게이트 구동 고려 사항

설계자는 평가 및 설계 공정의 속도를 높이기 위해 NCP51705용 NCP51705SMDGEVB 평가 기판(EVB)을 사용할 수 있습니다(그림 6). EVB는 NCP51705 구동기와 온보드 디지털 아이솔레이터 그리고 TO-247 패키지인 모든 SiC 또는 Si MOSFET을 납땜할 수 있으며 필요한 모든 구동 회로가 포함되어 있습니다. EVB는 로우사이드 또는 하이사이드 전력 스위칭 응용 제품에서 사용하도록 설계되었습니다 2개 이상의 EVB로 토템폴 구동을 구성할 수 있습니다.

그림 6: NCP51705SMDGEVB EVB에는 SiC 또는 Si 전력 MOSFET을 연결하는 구멍(왼쪽 위)이 있으며, NCP51705 구동기(U1, 왼쪽 가운데), 디지털 아이솔레이터 IC(오른쪽 가운데)가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: onsemi)

NCP51705 게이트 구동기를 SiC MOSFET과 함께 사용할 경우 PC 기판 기생 유도 용량과 정전 용량을 최소화하는 것이 중요합니다(그림 7). PC 기판 레이아웃에서 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• NCP51705는 SiC MOSFET에 가능한 한 가깝게 배치해야 하며 VDD, SVDD, V5V, 충전 펌프, VEE 커패시터와 MOSFET 사이의 짧은 트레이스에 특히 주의해야 합니다.
• VEE와 PGND 사이의 트레이스는 가능한 한 짧아야 합니다.
• 잡음 커플링으로 인해 발생할 수 있는 비정상적인 작동을 방지하려면 높은 dV/dt 트레이스와 구동기 입력과 DESAT를 분리해야 합니다.
• 고온 설계의 경우 노출형 패드와 외부 레이어 사이에 열 비아를 사용하여 열 임피던스를 최소화해야 합니다.
• OUTSRC, OUTSNK, VEE에는 넓은 트레이스를 사용해야 합니다.

그림 7: SiC MOSFET 구동에 의한 기생 유도 용량과 정전 용량을 최소화하기 위해 NCP51705에 권장되는 PC 기판 레이아웃 (이미지 출처: onsemi)

결론

SiC는 점점 증가하고 있는 다양한 에너지 인프라 응용 분야의 요구 사항을 설계자가 충족하도록 도와주는 중요한 역할을 합니다. 설계자는 이제 SiC 장치를 사용하여, 솔루션 크기를 줄이고 출력 밀도를 높이는 더욱 효율적인 고전압, 고속, 고전류 전력 변환을 설계할 수 있습니다. 그러나 SiC를 이용한 설계에서 최대의 이점을 얻으려면 최적의 패키징 스타일을 선택하는 것이 중요합니다.

이미 살펴본 바와 같이 이산 소자 장치, IPM, PIM 중에서 선택할 때 각종 성능, 출시 기간, 비용 트레이드오프 등을 고려해야 합니다. 또한 이산 소자 장치 또는 PIM을 사용할 때 안정적이고 효율적인 시스템 성능을 달성하려면 SiC 게이트 구동기와 최적의 PC 기판 레이아웃을 선택하는 것이 중요합니다.

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