SiC 전력 반도체를 사용하여 고성능 스위칭 컨버터의 효율을 높이는 방법

실리콘 카바이드(SiC) 전력 소자를 사용하면 기존의 잘 확립된 실리콘(Si) 부품에 비해 비용을 절감하고 효율성을 개선할 수 있습니다. 하지만 일부 설계자는 여전히 SiC 반도체를 매우 비싸고 제어하기 복잡하다고 여길 수 있습니다.

Microchip Technology의 SiC 소자를 예로 들어 그러한 우려를 해소해 보려 합니다. 먼저 SiC 기술의 근본적인 이점부터 간략히 살펴보겠습니다. 그런 다음 SiC 전력 반도체에 대해 설명하고 개발 공정을 더욱 쉽게 관리할 수 있는 시뮬레이션 도구, 구성 가능한 디지털 게이트 구동기 및 참조 설계에 대해 알아보겠습니다.

작은 크기, 가벼운 무게, 효율성 개선, 비용 감소

산업 현장, 전기 자동차(EV) 또는 재생 에너지 부문의 많은 고성능 전기 응용 제품은 지속적으로 에너지 변환 효율을 개선하고 자원을 절약하며 비용을 절감해야 합니다. SiC MOSFET은 검증된 Si 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)에 비해 최대 2000V의 시스템 전압과 3kW 이상의 전력 레벨에서 몇 가지 뛰어난 이점을 제공합니다.

가파른 스위칭 에지와 작은 오버슈트가 특징인 SiC 반도체는 IGBT에 비해 30kHz 스위칭 주파수에서 최대 70% 작은 매우 낮은 스위칭 손실을 달성합니다(그림 1). 그러면 시스템 효율성이 향상되고 전자파 장해(EMI)가 감소하여 역률 보정(PFC) 및 라인 필터의 필요성이 최소화됩니다.

그림 1: IGBT(위)와 비교하여 SiC MOSFET(아래)은 30kHz 스위칭 주파수에서 스위칭 손실을 70% 이상 줄입니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

높은 스위칭 주파수, 고전압, 저전류에서 작동하면 유도 용량 및 정전 용량 부품이 더 작아집니다. 따라서 무게, 전선 크기, BOM 비용을 줄일 수 있습니다. Si 트랜지스터에 비해 SiC 반도체는 더 높은 온도에서 더 안정적이고 열 방출이 우수하므로 더 작은 방열판을 사용하여 부피를 최소화할 수 있습니다.

애벌런치 에너지가 높기 때문에, SiC MOSFET은 클램프되지 않은 유도 스위칭(UIS) 사용 사례에서 견고한 성능을 제공합니다. SiC MOSFET은 일반적으로 매우 안정적이며 높은 출력 밀도를 달성하고 일시적인 단락을 견딜 수 있습니다.

고속, 저손실 SiC 쇼트키 장벽 다이오드

Microchip Technology의 SiC 반도체는 광발전 인버터, 배터리 충전, 에너지 저장, 모터 구동기, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 보조 전원 공급 장치, 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 등의 응용 분야에서 향상된 시스템 효율성, 더 작은 폼 팩터, 더 높은 작동 온도를 원하는 설계자를 위한 혁신적인 옵션을 제공합니다.

Microchip의 SiC 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)는 서지 전류, 순방향 전압, 열 저항, 열 정전 용량, 낮은 역전류, 작은 스위칭 손실을 위해 균형 잡힌 값으로 설계되었습니다.

SBD는 음극 SBD 및 TO-247-3 패키지를 갖춘 MSC050SDA070BCT 이중 SBD와 같은 이산 소자 설계로 제공됩니다. MSC050SDA070BCT는 700V의 반복적인 역회복 전압(V_RRM)과 88A의 순방향 전류(I_F)를 처리할 수 있습니다. MSC50DC70HJ 풀브리지 모듈은 나사 단자가 있으며 700V 및 50A를 처리할 수 있고, MSCDC50X1201AG 3상 브리지 모듈은 스루홀 납땜용으로 설계되었습니다.

고전압 고전류의 견고한 SiC MOSFET

최신 SiC MOSFET은 약 10J/cm² ~ 25J/cm2의 높은 UIS 성능을 제공합니다. MSC080SMA120B4와 같은 일반 N채널 단일 트랜지스터는 TO-247-4 패키지로 제공되며 최대 1200V에서 37A를 전환하고 간섭 없는 게이트 제어를 위한 별도의 Kelvin 소스 연결이 있습니다.

SiC MOSFET 전력 모듈은 두 자릿수 및 세 자릿수 킬로와트 범위의 스위칭 컨버터 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어 MSCSM120AM02CT6LIAG 하프 브리지 모듈은 나사 단자와 매우 낮은 누설 유도 용량을 제공합니다. 최대 1200V의 부하 회로 전압과 최대 947A의 지속 전류를 안전하게 전환할 수 있는 2개의 N-채널 MOSFET이 포함되어 있습니다.

MSCSM120TAM31CT3AG 3상 하프 브리지는 최대 1200V의 드레인-소스 전압(V_DSS), 최대 89A의 스위칭 전류(I_D), 395W의 최대 소비 전력(P_D)을 처리할 수 있습니다. 통합 SBD 프리휠링 다이오드는 제로 역회복, 제로 순방향 회복 및 온도에 영향을 받지 않는 스위칭 특성을 갖추고 있습니다.

디지털 프로그래밍 가능 게이트 구동기

Microchip의 가속화된 SiC 개발 키트(ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01)에는 낮은 유도 용량 SiC 모듈을 작동하는 데 필요한 모든 하드웨어 및 소프트웨어 부품이 포함되어 있습니다. 이 키트에는 1200V SiC 모듈을 제어하도록 설계된 즉시 사용 가능한 디지털 이중 채널 SiC 게이트 구동기 플러그인 기판이 있습니다. 게이트 구동기는 Microchip의 지능형 구성 도구(ICT)와 프로그래밍 어댑터를 사용하여 최적의 성능을 구현하도록 프로그래밍할 수 있습니다.

구동기 기판은 적절한 어댑터 카드를 통해 SiC 모듈에 직접 연결되어 다단계 on/off 작업을 위한 콤팩트 하프 브리지 장치를 형성합니다(그림 2). 게이트 구동기는 고급 스위칭 제어를 지원하고, 강력한 단락 보호 기능을 갖추고 있으며, +/- V_gs 게이트 전압을 포함하여 전체 소프트웨어를 구성할 수 있습니다.

그림 2: ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01에서 어댑터 카드는 SiC 전력 모듈을 게이트 구동기 기판에 연결하여 콤팩트 하프 브리지 출력 장치를 형성합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

빠르게 성공적으로 개발하기

응용 분야에 맞는 SiC 반도체를 쉽고, 빠르고, 안정적으로 설계하는 또 다른 방법은 Microchip의 MPLAB SiC 출력 시뮬레이터를 사용하는 것입니다. PLECS(Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation)를 기반으로 하는 회로 시뮬레이터는 설계자가 시제품을 제작하기 전에 SiC 소자를 평가할 수 있도록 도와줍니다. DC/AC, AC/DC 및 DC/DC 응용 제품과 같은 일반적인 전력 컨버터 토폴로지에 대한 실험실 테스트 데이터를 사용하여 SiC 장치의 출력 손실을 계산하고 접합 온도를 추정합니다.

온라인 MPLAB SiC 출력 시뮬레이터는 선택할 수 있는 회로 토폴로지를 제공하고, 부품 선택 과정을 안내하며, 작동 파라미터를 정의하고, 전압, 전류, 내전력 및 온도에 대한 신호 곡선을 시뮬레이션합니다(그림 3).

그림 3: 온라인 MPLAB SiC 출력 시뮬레이터의 왼쪽에는 회로 및 시스템 파라미터가 표시되고 오른쪽에는 시뮬레이션된 신호 곡선이 표시됩니다. Vienna 3상 브리지 회로의 전압 및 전류 곡선이 여기에 표시됩니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

Microchip은 설계 파일을 비롯하여 문서화된 다수의 SiC 기반 참조 설계를 제공하므로, 엔지니어가 더욱 빠르게 시작할 수 있습니다. 여기에는 e-모빌리티 및 산업 응용 분야를 위한 전원 공급 장치, 충전기, 전기 에너지 저장 시스템이 포함됩니다.

• EV 충전을 위한 11kW 양방향 DC/DC 브리지
• 30kW Vienna 3상 PFC
• 150VA 3상 SiC 전력 스택 참조 설계

결론

Microchip의 SiC 전력 반도체는 두 자릿수 및 세 자릿수 킬로와트 스위칭 컨버터 응용 분야에서 높은 시스템 성능을 제공하며 콤팩트 고출력 밀도 설계를 지원합니다. 또한 설계자는 조정된 시뮬레이션 도구, 구성 가능한 디지털 게이트 구동기, 광범위한 참조 설계를 활용해 자체 회로를 더 빠르게 설계할 수 있습니다.