SiC 기반 MOSFET을 사용하여 전력 변환 효율 개선

전력 요구 사항, 규제 의무, 효율 및 EMI 문제 관련 표준이 강화되는 추세에 따라 전원 공급 장치에서 효율이 우수하고 작동 범위가 폭넓은 스위칭 전력 장치를 사용할 필요성이 커지고 있습니다. 이와 동시에 설계자는 비용을 줄이고 공간을 절약해야 한다는 지속적인 압박에 시달리고 있습니다. 이러한 요구 사항에 직면하여 일반 실리콘(Si) 기반 MOSFET을 대체할 대안이 필요합니다.

실리콘 카바이드(SiC)는 현재 완전하고 3세대에 적합한 옵션으로 등장했습니다. SiC 기반 FET는 특히, 효율, 탁월한 신뢰성, 더 적은 열 관리 문제, 작은 실장 면적 등 많은 성능 이점을 제공합니다. 이 장치는 전력 스펙트럼 전반에 적용되며, 약간의 조정은 필요하겠지만 설계 기술의 급격한 변경은 필요하지 않습니다.

이 기사에서는 Si와 SiC를 간략하게 비교하고 Wolfspeed의 SiC 장치를 예를 들어 소개하고 이러한 장치로 설계를 시작하는 방법을 보여줍니다.

SiC와 Si MOSFET 비교

먼저, 기술 및 용어를 명확히 해야 합니다. SiC 기반 FET는 이전 세대 실리콘 제품과 마찬가지로 MOSFET입니다. 넓은 의미에서 물리적인 내부 구조는 비슷하며, 두 장치 모두 소스, 드레인, 게이트 연결을 포함하는 3단자 장치입니다.

차이점은 이름에 나타난 그대로입니다. 즉, SiC 기반 FET는 실리콘만 사용하는 것이 아니라 기본 소재로 실리콘 카바이드를 사용합니다. 업계에서는 대부분 MOSFET 부분을 생략하고 SiC 장치라고 합니다. 이 기사에서는 SiC FET라고 합니다.

SiC 화합물을 소재로 사용하는 이유는 무엇일까요? 다양한 물리학적 이유로 인해 SiC는 실리콘과 크게 차별화되는 세 가지 주요 전기적 특성을 가지며, 각 특성은 작동 상의 장점을 제공합니다. 이외에 미묘한 다른 특성들도 있습니다(그림 1).

그림 1: SiC와 Si 및 GaN 고체 소재 간의 대략적인 주요 소재 속성 비교 Si에 비해 SiC는 임계 항복과 열 전도율이 더 높고 밴드갭이 더 넓습니다. (이미지 출처: Researchgate)

3가지 전기적 특성:

• 높은 임계 항복 전기장 전압(0.3MV/cm에 비해 약 2.8MV/cm 높음) - 온스테이트 저항이 크게 감소하여 훨씬 얇은 레이어에서 지정된 정격 전압으로 작동할 수 있습니다.
• 높은 열 전도율 - 단면적당 더 높은 전류 밀도를 지원합니다.
• 폭넓은 밴드갭(반도체 및 절연체의 가전자대 상단과 전도대 하단 사이의 에너지 차이(eV)) - 높은 온도에서 누설 전류가 감소됩니다. 따라서 SiC 다이오드와 FET를 와이드 밴드갭(WBG) 장치라고도 합니다.

대체적으로 SiC 기반 장치는 실리콘 장치보다 최대 10배 더 높은 전압을 차단할 수 있으며, 25°C에서 1/2 이하의 온스테이트 저항으로 약 10배 더 빠르게 전환할 수 있습니다. 동시에 125°C에 비해 훨씬 더 높은 200°C의 온도에서도 작동할 수 있으므로 열 설계와 관리가 간편합니다.

이점을 실현하는 데 중요한 게이트 구동기

대부분의 외부 결함으로부터 어느 정도 보호하면서 전력 장치에 필요한 타이밍에 따라 낮은 수준의 디지털 제어 신호를 필요한 전류 및 전압 신호로 변환하는 게이트 구동기가 없다면 전력 장치는 작동하지 않습니다. SiC FET의 경우 구동기는 추가 기능을 포함해 다음 사항을 제공해야 합니다.

• 전도 및 스위칭 손실과 게이트 손실을 최소화합니다. 이러한 손실은 끄기 및 켜기 에너지, 밀러 효과 및 게이트 구동 전류 요구 사항을 포함합니다. 끄기 에너지는 꺼진 상태에서 게이트 저항 및 게이트-소스 전압의 함수입니다. 손실을 줄이려면 게이트에서 더 많은 전류를 유입해야 합니다. 이렇게 하는 방법 중 하나는 구동기가 꺼진 시간 동안 게이트 전압에 부 바이어스를 적용하는 것입니다. 마찬가지로 게이트 저항을 줄여서 켜기 에너지를 줄입니다.
• 일부 상황과 응용 제품 구성에서 기생 정전 용량으로 인해 의도치 않게 전원이 켜질 수 있는 밀러 효과와 부정적인 결과를 최소화합니다. 이 밀러 유도 켜기는 역회복 에너지를 높이고 손실을 키웁니다. 한 가지 해결책은 구동기에서 밀러 클램프 보호 기능을 적용하여 전력 스테이지의 스위칭 중에 구동 전류를 제어하는 것입니다.
• 적절한 전압에서 필요한 싱크 및 소스 전류를 제공합니다. SiC 장치는 일반적으로 손실을 최소화하기 위해 실리콘 MOSFET보다 높은 정 바이어스 게이트 구동(20V 이상)이 필요하며, -2V ~ -6V 사이의 음의 끄기 게이트 전압이 필요할 수도 있습니다. 필요한 게이트 전류는 게이트 전하(Q_g), V_DD, 드레인 전류 I_D, 게이트-소스 전압, 게이트 저항에 기반한 일반적인 계산에 의해 결정되며, 일반적으로 몇 암페어 정도입니다. SiC FET의 스위칭 속도에 상응하는 슬루율에서 이 전류의 싱크 및 소스 등급이 적절해야 합니다.
• 이러한 장치의 높은 스위칭 속도에서 발진, 전압/전류 오버슈트, 잘못된 트리거를 일으킬 수 있는 기판 및 장치 기생(부유 유도 용량 및 정전 용량 모두)을 모델링하고 최소화합니다. 실리콘 MOSFET에는 오버슈트와 링잉을 어느 정도까지 줄이기 위해 댐퍼 또는 스너버 역할을 하는 작은 전류 “테일”이 있습니다. SiC MOSFET에는 이 테일이 없으므로 드레인-전압 오버슈트 및 링잉이 높아서 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 기생을 줄이려면 레이아웃 문제에 주의하여 컨덕터 길이를 최소화하고 구동기를 전력 장치에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. SiC FET의 높은 스위칭 속도에서는 부유 유도 용량 및 정전 용량의 효과가 더욱 커지므로 단 몇 센티미터로도 차이가 발생할 수 있습니다. 링잉을 줄이면 장치와 장치 부하 측의 높은 스위칭 속도와 관련한 EMI 발생이 감소하므로 또 다른 이점이 있습니다.

SiC MOSFET을 구동할 때 발생하는 추가적인 문제에도 불구하고, 이러한 용도로 고안된 표준 IC는 많은 벤더에서 SiC 장치의 특정 요구 사항에 상응하는 특성으로 제공됩니다. 대부분의 설계에서 게이트 구동기 및 SiC FET는 저전압 회로망에서 전기적으로 분리되어야 합니다. 표준 부품을 사용하여 광학, 펄스 변압기 또는 정전 용량 기술을 통해 전기적 분리를 구현할 수 있습니다. 첫째, 회로 오작동 시 높은 전압으로부터 사용자를 안전하게 보호하기 위해 둘째, 브리지 구성과 같이 MOSFET이 본질적으로 접지되지 않는 다양한 회로 토폴로지에서 분리가 필요합니다.

성능 기능이 입증된 새로운 장치

최초의 상용 패키지 SiC MOSFET인 CMF20120D는 2011년 1월에 Wolfspeed(Wolfspeed: Wolfspeed의 전력 및 RF 부서, 2015년에 이름이 발표됨)에 의해 소개되었으며, SiC 웨이퍼는 몇 년 전에 출시되었습니다. 이 장치는 온스테이트 저항 80mΩ(모두 25⁰C)에서 1200V/98A 정격을 제공하며 TO-247 패키지로 제공되었습니다. Wolfspeed는 이어서 2세대 공정을 발표하고 현재는 3세대 SiC MOSFET 지정 C3M 장치를 제공하고 있습니다(그림 2).

그림 2: Wolfspeed의 2세대(왼쪽) 및 3세대(오른쪽) SiC 공정 비교에서는 약간의 차이를 보여주지만, 단면에서는 그에 따른 성능 사양 개선이 나타나지 않습니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

예를 들어 업계 최초 900V SiC MOSFET 플랫폼 제품 중에 C3M0280090J가 있습니다. 이 플랫폼은 재생 에너지 인버터, 전기 자동차 충전 시스템, 3상 산업용 전원 공급 장치를 비롯한 고주파 전력 전자 제품에 최적화되어 있습니다(표 1).

표 1: Wolfspeed C3M0280090J SiC MOSFET의 최상위 특성은 재생 에너지 인버터, 전기 자동차 충전 시스템 및 3상 산업용 전원 공급 장치에 적합함을 보여줍니다. (표 출처: Wolfspeed)

전압/전류 사양 이외에 이 장치는 낮은 정전 용량의 고속 스위칭에 최적화되고, 구동기 소스 연결을 사용하는 낮은 임피던스 패키지(그림 3)를 갖추고, 낮은 역회복 전하(Qrr)를 가진 본질적으로 빠른 다이오드를 포함하며, 드레인과 소스 사이의 연면거리(7mm 이하)가 넓습니다.

그림 3: Wolfspeed C3M0280090J에는 구동기 소스 연결을 사용하는 낮은 임피던스 패키지가 있습니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

이 900V 플랫폼은 실리콘 기반 솔루션과 비용은 비슷하지만 사양이 훨씬 뛰어나면서 보다 작고 높은 효율의 차세대 전력 변환 시스템을 구현합니다. 안전 작동 영역(SOA) 그래프에는 이 SiC FET의 기능이 요약되어 있습니다(그림 4). 드레인-소스 전압(V_DS)이 낮은 경우 최대 전류는 온스테이트 저항에 의해 제한되고, 중간 V_DS에서는 부품이 잠시 동안 15A를 유지할 수 있습니다.

그림 4: Wolfspeed C3M0280090J에 대한 SOA 그래프는 I_DS 기능과 V_DS 기능을 비교하여 보여줍니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

성능에 영향을 주는 패키지

또한 Wolfspeed는 사양은 비슷하지만 패키지에 따라 큰 차이를 나타내는 세 가지 제품(C3M0075120D, C3M0075120K, C3M0075120J)을 제공합니다(그림 5).

그림 5: Wolfspeed는 동일한 1200V SiC FET를 거의 비슷한 사양의 세 가지 패키지로 제공합니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

숫자로 알 수 있지만 세부적인 사항이 있습니다. D 접미사 장치는 3단자 패키지(TO-247-3)이고, K 접미사 장치는 4단자 패키지(TO-247-4)입니다. 이 두 장치와 7단자 J 접미사 장치에는 게이트 회로에서 L × di/dt에 의해 유도되는 전압 스파이크 효과를 줄여주는 Kelvin 소스 핀이 포함되어 있습니다. 이 핀을 통해 게이트와 소스에서 더 많은 전압을 적용하여 더 빠르고 동적인 스위칭이 가능합니다. 그러면 정격 전류에 가까운 위치에서 장치를 측정할 때 스위칭 손실을 3.5배 줄일 수 있습니다.

성공을 가속화하는 평가 기판 참조 설계

기가헤르츠 주파수 RF 설계에서 스펙트럼의 반대쪽에서 고전압의 높은 전력 범위에서 작동하기 위한 고성능 회로를 구축하려면 세부 사항에 주의해야 합니다. 부품 및 레이아웃의 모든 세부 사항과 특이 사항이 확대되고, 실제 회로에서는 아무리 사소한 문제나 실수도 용납되지 않습니다.

설계자가 SiC FET(예: C3M0075120D 및 C3M0075120K)를 평가할 수 있도록 돕기 위해 Wolfspeed는 이러한 장치의 고속 스위칭 성능을 시연하는 KIT-CRD-3DD12P 벅 부스트 평가 키트를 제공합니다(그림 6). 이 키트는 C3M0075120D의 3단자 패키지와 동일한 C3M0075120K의 4단자 패키지를 모두 사용하도록 설계되었습니다. 설계자는 이 키트를 사용하여 다양한 패키지에서 Wolfspeed의 3세대(C3M) MOSFET의 성능을 테스트하여 비교할 수 있습니다.

그림 6: The KIT-CRD-3DD12P 평가 키트를 사용하면 3단자 TO-247 패키지 C3M0075120D와 4단자 C3M0075120K를 간편하게 평가할 수 있습니다. 탁월한 열 성능을 지원하는 큰 방열판과 도넛형 인덕터에 유의하십시오. (이미지 출처: Wolfspeed)

이 평가 키트는 하프 브리지 구성으로 제공되며 상부와 하부에 MOSFET 또는 다이오드를 추가할 수 있으므로, 동기식 벅 또는 동기식 부스트와 같은 일반 변환 토폴로지에서 기판을 구성할 수 있습니다. 또한 위쪽 또는 아래쪽에 다이오드를 추가할 수 있으므로, 사용자가 비동기식 벅 또는 비동기식 부스트 컨버터 토폴로지를 평가할 수 있습니다.

전력 손실을 줄이기 위해 키트에는 “센더스트” 재질의 저손실 인덕터가 함께 제공됩니다. Kool Mµ라고도 하는 이 마크네틱 금속 파우더(85% 철, 9% 실리콘, 6% 알루미늄으로 구성됨)는 향상된 주요 자기 및 온도 파라미터 성능으로 인해 퍼멀로이의 대안으로 사용됩니다.

또한 자체 게이트 구동기 서브 회로를 설계해야 하는 사용자를 위해 Wolfspeed는 이 3세대 SiC FET를 위한 CGD15SG00D2 게이트 구동기 참조 설계를 제공합니다(그림 7).

그림 7: CGD15SG00D2 게이트 구동기 참조 설계의 상단(왼쪽) 및 하단(오른쪽), 전체 기판 및 전체 BOM, 동일한 SiC MOSFET 다이를 사용하여 3리드 및 4리드 TO-247 패키지의 성능을 평가하려는 사용자를 위한 규정 (이미지 출처: Wolfspeed)

CGD15SG00D2의 상위 수준 제품 구성도(그림 8)에서는 광 커플러(U1), 게이트 구동기 집적 회로(U2), 분리형 전원 공급 장치(X1)를 비롯한 이 참조 설계의 기능을 보여줍니다. 광 커플러(5000V AC 절연)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 허용하고 35/50kV/µs(최소/일반)의 공통 모드 내성을 제공합니다. 기타 주목할 만한 기능은 다음과 같습니다.

• 홈(groove)은 인쇄 회로의 논리 부분과 전력 부분 사이의 규정된 연면거리 사양을 개선하고, 기판의 주 회로와 보조 회로 사이에 9mm 연면거리 개선 슬롯이 있습니다.
• 2W 분리형 전원 공급 장치는 높은 주파수에서 대형 MOSFET 작동을 지원합니다.
• 별도의 게이트 켜기 및 끄기 저항기에는 사용자가 켜기 및 끄기 신호를 맞춤 조정하고 최적화할 수 있도록 전용 다이오드가 포함되어 있습니다.
• 향상된 EMI 내성을 위해 논리 전력 입력에 공통 모드 인덕터가 있습니다.

그림 8: CGD15SG00D2 게이트 구동기 참조 설계의 이 상위 수준 제품 구성도에서는 광 커플러 U1, 게이트 구동기 IC U2, 분리형 전원 공급 장치 X1 등 주요 기능 블록을 보여줍니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

결론

Wolfspeed의 3세대 SiC MOSFET은 전력 스위칭 응용 제품의 효율과 열 기능 측면에서 볼 때 기존 Si MOSFET에 비해 성능에서 중요한 이점을 제공합니다. 적합한 구동기와 결합할 경우 신규 및 기존 응용 제품 모두에서 안정적이고 일관된 성능을 제공합니다.