실리콘 카바이드 MOSFET으로 고전압 스위치 모드 전력 시스템에서 손실 줄이기

전기 자동차(EV)와 광발전(PV) 인버터부터 저장 및 충전 스테이션에 이르기까지 전력 전자 부품 응용 분야의 수와 다양성이 계속 증가하고 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 높은 작동 전압, 높은 출력 밀도, 낮은 손실, 높은 효율성, 높은 신뢰성이 요구됩니다. 설계자는 이러한 향상을 위해 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 계속 발전하는 와이드 밴드갭(WBG) 기술을 기반으로 하는 전력 소자를 사용할 수 있습니다.

SiC를 사용하는 이유

SiC와 같은 WBG 반도체 재료는 Si에 비해 스위치 모드 전력 시스템을 위한 탁월한 설계 옵션이 될 수 있는 특징을 갖추고 있습니다. 밴드갭은 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하는 데 필요한 에너지를 나타냅니다. SiC는 밴드갭이 넓으므로 작동 전압을 높일 수 있습니다. 다른 중요한 특성으로는 열전도율, 온스테이트 저항, 전자 이동성, 포화 속도 등이 있습니다.

열전도율은 반도체 접합부에서 외부 환경으로 열이 얼마나 빨리 전달되는지를 말합니다. SiC는 열전도율이 Si보다 약 3배 더 높습니다. 이를 통해 SiC 소자를 쉽게 냉각할 수 있어 높은 온도 등급을 받을 수 있고 비슷한 전압 등급의 동급 Si 소자보다 더 얇은 SiC 반도체를 만들 수 있습니다. 그 결과 주어진 전압과 전력 등급에 맞는 작은 소자를 만들 수 있습니다.

설계자는 SiC를 사용하여 동일한 크기의 다이에서 전류 흐름을 전달하는 면적을 늘려 소자의 저항을 낮출 수 있습니다. 그 결과 소자의 채널 온스테이트 저항(R_DS(ON))이 감소하여 동일한 정격 전압을 가진 소자의 채널 온스테이트 저항이 감소합니다. 이것이 SiC 소자의 가장 큰 장점입니다. R_DS(ON)이 낮을수록 전도 손실이 낮아져 효율이 높아집니다.

SiC 반도체는 전자 이동성이 뛰어나 Si 소자보다 고주파에서 작동할 수 있습니다. 높은 스위칭 주파수로 전력 회로를 작동하면 변압기, 초크, 인덕터, 커패시터와 같은 수동 소자 부품을 소형화할 수 있어 상당한 비용이 절감됩니다. 또한 부품의 부피가 줄어들어 전체 출력 밀도가 높아집니다.

포화 속도는 고전기장에서 전자의 최대 속도입니다. SiC 반도체는 전자 속도가 Si 반도체보다 2배 빠르기 때문에 스위칭 시간이 빠르고 스위칭 손실이 적습니다.

SiC MOSFET의 최신 예

Vishay는 SiC의 핵심 이점을 기반으로 1200V MaxSiC 계열 SiC MOSFET을 출시했습니다. 독점적인 MOSFET 기술을 사용하여 45mΩ(밀리옴), 80mΩ, 250mΩ의 R_DS(ON) 값을 트랙션 인버터, PV 에너지 변환 및 저장, 온보드 충전기, 충전 스테이션과 같은 산업 응용 분야를 위한 표준 패키지로 제공합니다. 빠른 스위칭 속도와 3µs(마이크로초)의 단락 내성 시간(SCWT)이 특징입니다.

MaxSiC MOSFET은 N 채널 소자로, 최대 드레인-소스 전압(V_DS)이 1200V이고 -55°C ~ 150°C의 온도에서 작동하는 등급을 받았습니다. 각 R_DS(ON) 값에 대해 두 가지 표준 스루홀 패키지로 제공됩니다. 최대 소비 전력과 드레인 전류는 모델 번호에 따라 다르며, 최대 소비 전력과 연속 드레인 전류(I_D)는 각각 227W, 49A(암페어)입니다(표 1).

목록의 MaxSiC MOSFET은 3리드 또는 4리드 TO247-AD 패키지(그림 1)로 제공됩니다.

그림 1: MaxSiC MOSFET은 3리드 및 4리드 TO-247AD 패키지로 제공됩니다.(이미지 출처: Vishay)

4리드 패키지는 게이트 구동 연결용 켈빈 연결 리드를 추가하여 소스 리드 연결에서 발생하는 드레인 전류의 전압 강하 결합을 최소화하도록 설계되었습니다.

MaxSiC MOSFET은 400V 및 800V 자동차 배터리 시스템, PV 전원, 충전 스테이션 등 600V보다 높은 스위칭과 최대 227W의 전력 레벨이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

결론

Vishay MaxSiC MOSFET은 자동차 및 전력 산업을 위한 혁신적인 고전력 소자입니다. 이 MOSFET은 표준 Si 소자보다 높은 전압 사양 및 낮은 채널 저항을 제공하므로 저손실 및 고효율이 필요한 설계에 적합합니다.