전력 전자 부품용 SiC 및 GaN 반도체

실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)은 전기차, 산업용 전원 공급 장치 및 태양광 전력 시스템의 차세대 전력 설계에 널리 선택되는 WBG(와이드 밴드갭) 기술로 자리 잡고 있습니다. 현재의 상황, WBG 기술이 새로운 대안을 제공할 수 있는 이유, 앞으로 접하게 될 첨단 WBG 솔루션 몇 가지를 살펴보겠습니다.

하이브리드 및 전기차부터 데이터 센터 및 군사용 전력 전자 부품에 이르기까지 SiC 및 GaN 반도체 소재가 고전압 전력 전자 부품의 전력 변환 및 에너지 절약을 향상할 중요한 옵션으로 부상했습니다.

예를 들어, 전기차(EV)의 파워트레인 인버터는 오랫동안 실리콘 기반 IGBT를 사용해 왔지만 EV 설계자가 더 높은 주파수로 작동하며 높은 항복 전압 응용 분야에 적합한 SiC MOSFET을 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 그 결과 SiC SBD(쇼트키 장벽 다이오드), SiC MOSFET, SiC 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET) 및 기타 SiC 이산 소자를 사용할 수 있게 됨에 따라 하이브리드 및 전기차에서 SiC 장치 사용이 증가하고 있습니다. 다음으로 기대할 수 있는 단계는 전체 SiC 모듈의 출시입니다.

해당 부문의 경우, GaN 반도체는 더 낮은 비용을 보장하고 SiC 웨이퍼보다 제조가 쉬우며 SiC 수량을 따라잡고 있습니다. 인버터와 같은 자동차 설계와 함께 이제 GaN 장치는 데이터 센터, 고전압 전원 공급 장치 및 군사용 전력 전자 부품의 DC DC 컨버터에서 인기를 끌고 있습니다.

SiC: 더 높은 출력 밀도와 신뢰성

SiC 소재는 2.86eV¹의 와이드 밴드갭을 가지므로 열전도율이 실리콘(1.11eV)보다 높습니다. 따라서 고전력 응용 분야에서 고전압을 구동할 수 있습니다. 더 높은 출력 밀도, 내구성 및 신뢰성을 제공할 수 있기 때문에 차량 충전, 태양광 인버터 및 기타 고출력 응용 분야를 위한 전력 변환 시스템에 적합합니다.

예를 들어, Cree 자회사인 Wolfspeed의 SiC MOSFET E-Series는 EV 배터리 충전기와 고전압 DC/DC 컨버터에 최적화되어 있습니다. E-Series는 Wolfspeed의 3세대 러기드 평면형 기술을 기반으로 하며 자사의 6.6kW 양방향 온보드 충전기 참조 설계를 특징으로 합니다.

Wolfspeed는 E-Series SiC MOSFET을 업계 최저의 스위칭 손실 및 최고의 성능 지수(FOM)를 갖춘 제품으로 포지셔닝하고 있습니다. 실제로 R_DSon이 65mΩ에 불과하기 때문에 WBG 전력 장치의 전기 전력 손실과 열 제한을 고려한 이 제품의 FOM은 현재로서 거의 최고에 가깝습니다.

또한 매우 열악한 환경에서 작동하는 태양광 전력 시스템에 사용되는 이러한 SiC 장치는 HV-H3TRB 등급을 준수합니다. 이 제품은 상대 습도 85%, 상시 주위 온도 85⁰C의 환경에서 정격 차단 전압의 80%를 준수합니다.

Rohm Semiconductor 역시 3세대 SiC SBD를 다양한 전류 등급 및 패키지로 제공합니다. SBD는 Vf 특성을 크게 향상시키며, 누설을 낮추면서 더 높은 서지 전류 저항을 제공합니다. 결과적으로, 이 장치는 SiFRD(실리콘 고속 회복 다이오드)보다 낮은 스위칭 손실을 가질 수 있습니다.

또한 Rohm에서는 SiC MOSFET 및 SBD를 산업 표준 포장에 맞게 통합한 전력 모듈을 출시했습니다(그림 1).

그림 1: 3세대 SiC MOSFET을 사용하는 전력 모듈의 스위칭 손실이 낮은 주요 이유는 R_DS(ON)가 크게 감소했기 때문입니다. (이미지 출처: Rohm Semiconductor)

전체 SiC 하프브리지 전력 모듈은 일반 IGBT 모듈보다 스위칭 손실이 훨씬 낮으며 100kHz가 넘는 고주파 작동이 가능합니다.

GaN: 실리콘보다 작고 빠름

GaN은 3.4eV의 더 높은 밴드갭을 제공하며 실리콘과 비교하여 전극 이동이 두 배 빠릅니다. 또한 GaN 장치의 무전류붕괴 특성 덕분에 전력 변환 시스템의 크기가 줄고 효율성이 높아집니다.

EPC의 EPC2206 장치(그림 2)를 예로 들어 보겠습니다. eGaN^® FET 제품군에 속하는 EPC2206은 48V 전력 분배 버스를 사용하는 차량을 대상으로 전자 시작-중지, 전자 스티어링, 전자 서스펜션 및 가변 속도 에어컨과 같은 기능을 효과적으로 활용합니다. EPC2206 eGaN FET는 납땜 바와 함께 부동태화된 다이 형태로만 공급됩니다. 다이 크기는 6.05mm x 2.3mm입니다.

그림 2: EPC의 EPC2206 eGaN FET는 납땜 바와 함께 부동태화된 다이 형태로만 공급됩니다. 다이 크기는 6.05mm x 2.3mm입니다. (이미지 출처: EPC)

EPC의 EPC2100 하프 브리지 GaN 트랜지스터도 eGaN FET 제품군에 해당합니다(그림 3의 위). 컨버터 설계에 전력 FET를 통합하는 작업을 간소화하기 위해 EPC는 EPC9036 개발 기판도 제공합니다(그림 3의 아래).

그림 3: EPC2100 하프 브리지 GaN 트랜지스터는 납땜 범프가 있는 부동태화된 다이 형태로 제공됩니다(위). 크기는 6.05mm x 2.3mm입니다. 그중 두 개는 EPC9059 개발 기판에 병렬로 배치됩니다(아래). (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

EPC9036 개발 기판에는 30V EPC2100 eGaN IC 두 개가 더 높은 출력 전류를 위해 단일 온보드 게이트 드라이브와 병렬로 배치됩니다. 이 기판은 최적의 스위칭 성능을 위한 모든 중요 부품 및 레이아웃을 갖추고 있습니다.

다음으로, 2017년에 최초로 자동차용 AEC-Q101 인증을 받은 GaN 트랜지스터를 출시한 Transphorm이 있습니다. Transphorm에 따르면 자사의 고전압 GaN FET는 전력 시스템 개발 시 충분한 열 여유 공간을 제공합니다. TP65H035WSQA는 Gen III AEC-Q101 인증을 받은 GaN 장치이며 FET 열 제한을 175°C로 확장했습니다. 이는 AEC-Q101 인증을 받은 고전압 실리콘 MOSFET보다 25°C 더 높은 수치입니다.

위 솔루션은 SiC 및 GaN 전력 장치가 상업적으로 출시되었음을 보여 줍니다. 주요 응용 분야의 설계 과제를 지속적으로 해결함에 따라 수량과 가용성이 증가하여 결과적으로 드롭인 교체 측면에서 실리콘 부품을 따라잡을 것입니다.

참고 자료:

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1