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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 RDSon이 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 RDS(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

작성자 정보

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Majeed Ahmad는 B2B 기술 미디어에서 20년 이상의 경력을 갖춘 전자 엔지니어입니다. 그는 EE Times의 자매 출판물인 EE Times Asia의 전직 편집장입니다.

Majeed는 전자 공학과 관련한 6권의 책을 저술했습니다. 또한 All About Circuits, Electronic Products, Embedded Computing Design을 비롯한 전자 설계 간행물의 기고가로 활동하고 있습니다.

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