고전력 응용 분야에서 손실을 줄이고 효율성을 향상시키며 온도 범위를 확장하는 방법

전력 소비가 큰 응용 분야의 설계자는 더 높은 전압과 온도에서 작동할 수 있는 더 작고 가볍고 효율적인 전력 컨버터가 필요합니다. 위의 개선 사항으로 인해 충전 속도가 단축되고 주행 가능 거리가 더 늘어나는 전기 자동차(EV)와 같은 응용 분야에서 특히 그렇습니다. 이러한 향상을 위해 설계자들은 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 와이드 밴드갭(WBG) 기술을 기반으로 하는 전력 컨버터를 사용하고 있습니다.

이러한 장치는 실리콘(Si)에 비해 더 높은 전압에서 작동하며 무게가 덜 나가지만 전력 처리 성능은 비슷하고 더 높은 온도에서도 작동하여 냉각 시스템 필요성을 줄입니다. SiC 장치는 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있으므로 컨버터의 크기와 무게를 줄이는 더 작은 수동 부품을 사용할 수 있습니다. SiC는 지속적인 개발 단계에 있으며 최근 노력으로 인해 '온스테이트' 저항이 더 낮아지고 전력 손실이 더욱 감소되었습니다.

이 기사에서는 EV를 예로 들어 Si와 SiC를 비교하고 SiC의 장점에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 SiC 개발에 대해 설명하고 ROHM Semiconductor 4세대 SiC MOSFET을 소개한 후 이 장치가 설계자들이 전력 손실, 비용 및 실장 면적을 줄이는 데 도움을 주는 방법을 설명합니다.

SiC를 사용하는 이유

EV는 주행 거리를 더 늘리려면 배터리 용량을 늘려야 합니다. 이러한 추세와 함께 충전 시간을 단축하기 위해 배터리 전압은 800V로 증가하고 있습니다. 따라서 EV 설계자는 이러한 높은 전압을 견디고 동시에 전기 손실과 무게를 줄일 수 있는 장치가 필요합니다. ROHM Semiconductor의 4세대 SiC MOSFET을 사용하면 더 높은 전압 허용 오차, 더 낮은 전도 및 스위칭 손실, 더 작은 크기를 통해 손실을 줄일 수 있습니다.

WBG 반도체인 SiC는 Si MOSFET 기술에 비해 고전압 전력 스위치 응용 분야에 매우 효율적입니다. SiC와 Si의 물리적 속성을 비교한 결과 5가지 물리적 속성인 항복 전기장, 밴드갭, 열 전도율, 녹는점, 포화 전자 드리프트 속도를 기준으로 이러한 향상의 원인을 알 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 5가지 물리적 속성을 기반으로 하여 Si MOSFET에 비해 SiC의 장점을 보여줍니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductors)

SiC의 항복 전기장 강도는 Si의 항복 전기장 강도보다 10배 더 크므로 장치 두께를 줄이면서 항복 전압이 더 높은 장치를 설계할 수 있습니다. 이 장치는 SiC의 더 넓은 밴드갭으로 인해 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 열 전도율이 높으면 장치를 냉각하는 데 필요한 노력이 감소하며 녹는점이 높아서 작동 온도 범위가 증가합니다. 마지막으로 SiC의 포화 전자 드리프트 속도가 높을수록 스위칭 주파수가 높아지고 스위칭 손실이 낮아집니다. 이러한 높은 스위칭 주파수는 더 작은 필터와 기타 수동 부품이 필요하므로 크기와 무게가 더 줄어듭니다.

MOSFET 개발

기존의 SiC MOSFET은 장치 게이트와 채널이 반도체 표면에 있는 평면 구조를 사용했습니다. 평면 장치는 장치 수율을 향상시키기 위해 설계 크기를 줄일 수 있는 정도가 제한적이므로 해당 부품의 밀도가 제한됩니다. 단일 및 이중 트렌치 MOSFET을 사용하면 더 높은 장치 밀도를 달성할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 트렌치 MOSFET은 장치 소자를 세로로 배열하여 장치 밀도를 더욱 높입니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

다른 MOSFET과 마찬가지로 트렌치 MOSFET 셀에는 드레인, 게이트, 소스가 포함되지만 세로로 배열됩니다. 이 채널은 필드 효과를 통해 게이트 트렌치와 평행하게 세로로 형성됩니다. 소스에서 드레인까지 전류 흐름 방향이 세로입니다. 가로로 펼쳐지고 많은 표면적을 차지하는 평면 장치에 비해 이 구조는 매우 콤팩트합니다.

단일 트렌치 구조는 단일 게이트 트렌치를 사용합니다. 이중 트렌치 장치에는 게이트와 소스 트렌치가 모두 있습니다. ROHM Semiconductor는 3세대 SiC MOSFET에 대해 이중 트렌치 구조로 전환했습니다. 4세대 설계는 셀 크기를 줄이고 온스테이트 저항과 기생 정전 용량을 더욱 감소시켜 전력 손실을 크게 줄이고 더 비용 효율적인 시스템 설계를 위해 더욱 작은 SiC 장치를 사용하는 옵션을 제공하여 이중 트렌치 설계를 발전시켰습니다.

MOSFET의 온스테이트 저항을 낮추면 단락을 처리하는 기능이 저하될 수 있습니다. 그러나 4세대 SiC MOSFET은 단락 저항 시간을 저하시키지 않고 저항을 낮춰 이러한 장치가 높은 효율성과 견고한 단락 견고성 모두를 갖추는 데 상당한 이점을 제공합니다.

손실에 대한 이해

스위치 모드 컨버터의 손실은 전도, 스위칭, 바디 다이오드 손실을 포함하는 능동 소자와 관련된 몇 가지 소스에서 기인합니다(그림 3).

그림 3: 스위칭 파형 및 관련 손실 파형을 나타내기 위해 레이블이 표시된 벅 DC/DC 컨버터 회로도를 보여줍니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

이 벅 컨버터는 하이사이드(S_H) 및 로우사이드(S_L) MOSFET 스위치가 적용된 토템폴 설계를 사용합니다. 스위치는 역위상으로 구동되어 한 번에 한 스위치만 작동합니다. 게이트 구동 파형(V_GSH 및 V_GSL)은 장치의 기생 정전 용량에 대해 연결된 충전 간격으로 인한 진폭 단계를 보여줍니다. 두 장치의 드레인-소스 전압(V_DSH, V_DSL) 및 드레인 전류(I_DH, I_DL) 파형이 표시되어 있습니다. 장치가 On 상태이면 V_DS가 높고(high), Off 상태이면 V_DS가 낮습니다(low). S_H가 On 상태인 동안 드레인 전류는 선형으로 증가하면서 인덕터의 자기장을 충전합니다. 이 시간 동안 채널 저항을 통한 전류는 채널 전체에 걸쳐 전압을 발생시켜 전류의 제곱과 저항의 채널에 비례하는 전도 손실(P_COND)이 생깁니다. 장치의 상태가 변경되는 중에는 전압과 전류가 모두 0이 아니며 전압, 전류, 스위칭 전이 시간, 스위칭 주파수에 비례하여 장치에서 전력이 소모됩니다. 이것이 바로 스위칭 손실입니다.

S_L이 On 상태인 경우에도 유사한 상황이 발생합니다. 여기서 인덕터에 저장된 에너지가 아래쪽 장치에 드레인 전류를 제공하는 동안 전류는 선형으로 감소합니다. 채널 저항 역시 전도 손실로써 전력을 소모합니다. 아래쪽 장치의 V_DSL은 전류가 0이 아닌 상태가 되기 전에 0에 가까워지기 때문에 주기의 이 부분과 관련된 스위칭 손실이 없습니다.

장치의 바디 다이오드의 복구로 인해 복구 손실(P_Qrr)이 발생합니다. 단순성을 위해 이는 하이사이드에 대해서만 표시됩니다.

P_body는 장치의 바디 다이오드 전도입니다. 이 손실은 로우사이드 장치의 바디 다이오드를 통해 전도된 전류에 의해 발생합니다.

총 전력 손실은 두 트랜지스터에 대한 이러한 모든 구성요소의 합입니다.

4세대 SiC MOSFET의 성능 향상

3세대 및 4세대 SiF MOSFET뿐 아니라 Si IGBT의 성능 비교는 5kW 풀브리지 인버터를 사용하여 수행되었습니다(그림 4). 이 풀브리지 회로에서 스위칭 장치는 더 높은 전류 용량을 제공하기 위해 병렬로 연결됩니다. 풀브리지는 총 8개의 장치를 사용합니다. 왼쪽 이미지에서 이 8개의 장치가 방열판에 실장되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 회로의 효율은 기존 IGBT와 3세대 및 4세대 MOSFET을 사용하여 평가되었습니다. 인버터는 SiC MOSFET의 경우 40kHz 스위칭 주파수에서 작동하고 IGBT의 경우 20kHz 스위칭 주파수에서 작동합니다.

그림 4: 5kW 팬리스 인버터와 해당 회로도를 보여줍니다. 원래 20kHz에서 작동하는 실리콘 IGBT로 설계된 이 회로는 40kHz에서 3세대 및 4세대 SiC MOSFET 모두를 사용하여 작동되었습니다. 3가지 반도체 유형 모두의 성능을 비교했습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

3세대 장치는 채널 저항(R_DS(ON)) 30mΩ과 함께 650V를 기준으로 정격화된 ROHM Semiconductor SCT3030AL 장치였습니다. 4세대 MOSFET은 ROHM Semiconductor SCT4026DEC11이었습니다. 4세대 장치의 전압 정격은 750V로 증가했습니다. R_DS(ON)은 13% 감소한 26mΩ으로, 이로 인해 전도 손실이 약간 감소했습니다.

두 SiC MOSFET 손실을 기존의 IGBT의 손실과 비교하면 효율성이 향상된 것을 알 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 4세대 SiC MOSFET은 기존 Si IGBT와 3세대 장치에 비해 손실을 크게 감소시켰습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

4세대 장치는 3세대 장치에 비해 전도 손실(파란색)을 10.7W에서 9.87W로 줄였습니다. 스위칭 손실(주황색)은 16.6W에서 8.22W로 크게 감소했습니다.

4세대 장치의 추가 개선 사항에는 게이트 구동 용량이 포함되며 4세대 SiC MOSFET은 15V로 구동을 지원하고 3세대 장치는 18V가 필요합니다. 즉 Si 장치를 사용하여 설계된 회로는 드롭인 교체로 4세대 MOSFET을 사용할 수 있습니다. 또한 4세대 SiC MOSFET의 경우 전원 차단 시 권장되는 구동 전압은 0V입니다. 4세대 제품 이전에는 전원을 끌 때 셀프 턴온을 방지하기 위해 게이트-소스 전압에 네거티브 바이어스가 필요했습니다. 그러나 4세대 장치에서는 셀프 턴온을 억제하기 위해 임계 전압(Vth)이 높게 설계되었으므로 네거티브 바이어스를 적용할 필요가 없어졌습니다.

4세대 솔루션

ROHM Semiconductor의 4세대 SiC MOSFET 솔루션은 장치 패키지를 기반으로 2개의 그룹으로 나뉩니다. 앞서 언급한 SCT4026DEC11은 3리드 TO-247N 패키지의 750V, 56A(+25°C)/29A(+100°C), 26mΩ SiC MOSFET입니다. 대안적인 4리드 패키지의 예로는 4리드 TO-247-4L 패키지의 750V, 105A(+25°C)/74A(+100°C), 13mΩ 장치인 SCT4013DRC15가 있습니다.

4리드 패키지는 MOSFET의 스위칭 속도를 향상시키는 리드를 추가합니다. 기존의 TO-247N 3핀 패키지는 높은 드레인 전류로 인해 기생 소스 리드 유도 용량에서 게이트 구동을 분리하지 않습니다. 게이트 전압은 게이트와 소스 핀 사이에 적용됩니다. 소스 단자의 기생 유도 용량(V_L) 전체에 걸친 전압 강하로 인해 칩의 유효 게이트 전압이 감소되어 스위칭 속도가 줄어듭니다(그림 6).

그림 6: TO-247-4L의 4번째 핀은 Kelvin 연결에 연결 핀을 추가하여 전원 핀에서 게이트 구동을 분리합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

4핀 TO-247-4L 패키지는 게이트 구동과, 게이트 구동을 소스에 내부적으로 직접 연결하는 전원 핀을 분할합니다. 이렇게 하면 소스 핀의 기생 유도 용량의 효과가 최소화됩니다. 게이트 구동을 내부 소스 연결에 직접 연결하면 SiC MOSFET의 스위칭 속도를 최대화할 수 있으며 기존 3핀 TO-247N 패키지에 비해 총 스위칭 손실(켜기 및 끄기)을 최대 35%까지 줄일 수 있습니다.

4세대 SiC MOSFET을 차별화하는 2번째 사양은 전압 정격입니다. 장치는 750V 또는 1200V의 전압 정격으로 사용할 수 있습니다. 지금까지 논의한 2가지 장치는 전압 정격이 750V입니다. 더 높은 전압 응용 분야의 경우 SCT4062KEC11은 3리드 TO-247N 패키지의 1200V, 62mΩ, 26A(+25°C)/18A(+100°C) SiC N채널 MOSFET인 반면 SCT4036KRC15는 4리드 TO-247-4L 패키지의 1200V, 36mΩ, 43A(+25°C)/30A(+100°C) N채널 MOSFET입니다. 현재 전류 정격이 +25°C에서 26A ~ 105A인 총 10개의 4세대 SiC MOSFET을 사용할 수 있습니다. R_DS(ON) 값은 범위가 13mΩ ~ 62mΩ입니다.

EV 응용 분야

4세대 SiC MOSFET 사양은 EV 응용 분야에 적합합니다. 400V 또는 800V 전압의 배터리 EV(BEV)가 그 예입니다(그림 7).

그림 7: BEV 내의 일반적인 4세대 SiC MOSFET 응용 분야 및 관련 외부 부속품. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

그림 7은 양방향 및 고속 충전을 지원하는 400V 또는 800V 배터리 전압의 BEV 제품 구성도를 보여줍니다. 온보드 충전기(OBC)에는 토템폴 역률 보정 회로(PFC)와 양방향 풀브리지 CLLC(커패시터, 인덕터, 인덕터, 커패시터) 공진형 컨버터가 포함됩니다. 외부 ‘Quiq’ 충전 DC 충전기를 사용하면 배터리를 직접 충전할 수 있습니다. 배터리는 DC를 3상 AC로 변환하여 모터를 구동하는 제동 인버터를 구동합니다. 이 모든 회로는 다양한 회로 구성에서 MOSFET을 사용하여 필요한 전력 레벨을 처리합니다. 4세대 SiC MOSFET은 회로 물리 크기를 줄이고 전압 정격을 높이면서 손실과 비용을 줄이기 때문에 중요합니다.

결론

EV, 데이터 센터 및 기지국을 포함한 고전압, 고전력 응용 분야의 설계자에게 4세대 SiC MOSFET은 주요한 전력 스위칭 장치입니다. 위에서 살펴본 바와 같이 이러한 장치는 고유한 구조를 사용하여 손실을 줄이면서 실장 면적과 비용도 줄임으로써 전력 변환 효율을 크게 향상시킵니다.

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