[첨단 헬로티]
크기, 무게, 효율에 대한 요구가 높아짐에 따라서 전력 컨버터에 실리콘 카바이드(SiC) 트랜지스터의 사용이 갈수록 늘어나고 있다. SiC는 소재 특성이 뛰어나므로 바이폴라 IGBT 디바이스 대신에 고속 스위칭 유니폴라 디바이 스를 설계할 수 있다. 그러므로 지금까지 저전압(600V 미만)으로만 가능했던 것들이 더 높은 전압으로도 가능하게 되었다. 그럼으로써 효율을 극대화하고, 더 높은 스위칭 주파수로 동작하고, 열 발생을 줄이고, 공간을 절약하고, 전반적인 비용을 낮출 수 있다.
MOSFET은 다양한 애플리케이션에 널리 사용되고 있다.
SiC 트랜지스터로 성능과 신뢰성을 결합하기 위해서 처 음에는 JFET 구조가 사용될 것으로 보였다. 그런데 기존에 확립된 150mm 웨이퍼 기술을 사용해서 트렌치 기반 SiC MOSFET이 가능해지게 되었다. 그럼으로써 성능이나 신뢰성 중에서 어느 한 쪽을 택해야 했던 DMOS의 딜레마를 해결할 수 있게 되었다.
정적 및 동적 성능과 더불어서, 양산에 착수하고 시장에서 잘 받아들여지기 위해서는 설계에 관련된 문제들을 고려해야 했다. 그 중의 하나가 민감한 게이트 산화막의 신뢰성이다. 그 밖에도 충분히 높은 문턱 전압과 단락 견고성 같은 것들이 중요한 요구사항이다. 이 글에서는 SiC 전력 MOSFET 기술을 사용해서 어떻게 이러한 요구들을 성공적으로 충족할 수 있는지 설명한다.
SiC 소개
SiC 다이오드와 트랜지스터, GaN HEMT(고 전자이동도 트랜지스터) 같은 와이드 밴드갭 기반 전력 디바이스 사용이 점점 늘고 있다. 그렇다면 Si에 대해서 SiC의 이점은 무엇이고, 어떤 특징들 때문에 SiC 디바이스가 실리콘 고전압 디바이스에 비해서 가격대가 더 높음에도 불구하고 사용이 늘고 있는 것일까?
전력 변환 시스템에서 가장 중요하게 요구되는 것은 전력 변환 시에 에너지 손실을 낮추는 것이다. 많은 첨단 시스 템은 수동 소자들과 함께 반도체 트랜지스터를 켜고 끄는 것을 근간으로 한다. 트랜지스터에 관련된 손실은 다양한 측면들로 이루어진다. 가장 먼저, 전도 시의 손실을 고려 해야 한다. MOSFET에서 이 손실은 고전적인 저항에 의해서 결정된다. IGBT는 무릎 전압(VCE,sat)과 출력의 차동 저항 특성에 따라서 전도 손실이 고정적이다. 차단 시의 손실은 미미하다.
문제는 스위칭 시에 온 상태와 오프 상태 사이에 전환할 때이다. 이 때의 손실은 주로 디바이스 커패시턴스에 따라서 결정된다. IGBT의 경우에는 소수 캐리어 동작(턴온 피크, 테일 전류)으로 인해서 추가적인 손실이 발생될 수있다. 그렇다면 MOSFET이 더 유리할 것이라고 생각하기 쉬우나, 특히 고전압의 경우에 실리콘 MOSFET은 저항이 매우 높아져서 총 손실이 IGBT에 비해서 나빠진다.
IGBT는 소수 캐리어를 사용해서 전하 변조를 해서 전도 모드 시에 저항을 낮출 수 있다. 그림 1은 둘을 비교해서 보여준다.
그림 1. MOSFET(HV는 IGBT와 같은 블로킹 전압 – 1200V 이상)과 IGBT의 스위칭 프로세스(왼쪽, 동일한 dv/dt)와 정적 I-V 동작(오른쪽) 비교
와이드 밴드갭 반도체를 사용하면 상황이 달라진다. 그림 2는 SiC 및 GaN과 실리콘의 물리적 특성을 비교하고 있다. 중요한 것은, 밴드갭과 반도체의 임계 전계 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것이다. SiC가 Si에 비해서 항복 전계가 약 10배 더 높다.
그림 2. 전력 반도체 소재들의 물리적 특성 비교
이러한 특성 때문에 고전압 디바이스를 설계할 때는 상황이 달라진다. 그림 3은 5kV 반도체 디바이스를 예로 들어서 설명하고 있다. 실리콘의 경우에는 내부적 항복 전계가 높지 않기 때문에 비교적 두꺼운 활성 영역을 사용해야 한다. 뿐만 아니라 활성 영역으로 소수의 불순물만을 포함시킬 수 있으므로 직렬 저항이 높아진다(그림 1 참조).
그림 3. 5kV 전력 디바이스 크기 – Si과 SiC의 차이
SiC는 항복 전계가 10배 높으므로 활성 영역을 훨씬 더 얇게 할 수 있으며 동시에 훨씬 더 많은 자유 캐리어를 포함 시킬 수 있다. 그러므로 전도도가 훨씬 더 높다. SiC의 경우에는 MOSFET이나 쇼트키 다이오드 같은 고속 스위칭 유니폴라 디바이스가 IGBT와 p-n 다이오드 같은 느린 바이폴라 구조보다 블로킹 전압이 훨씬 더 높은 쪽으로 이동하고 있다는 것을 알 수 있다(그림 4). 이는 다시 말해 서, 실리콘을 사용해서 50V 부근의 저전압으로 가능했던 것들이 SiC를 사용해서 1200V 디바이스로도 가능하게 되었다는 것을 뜻한다.
인피니언은 25년 전에 벌써 이러한 잠재력을 인식하고이 기술을 활용하기 위한 전문가 팀을 구성했다. 이 여정 에서 주요한 전환점들로서, 2001년에 세계 최초로 SiC 기반 쇼트키 다이오드를 출시하고, 2006년에 SiC를 통합한 최초의 전력 모듈을 출시하고, 2017년에는 빌라흐 공장에서 150mm 웨이퍼 기술을 사용해서 세계적으로 혁신적인 트렌치 CoolSiC™ MOSFET의 첫 선을 보이게 되었다.
그림 4. 고전압 용으로 실리콘과 SiC 비교
전력 디바이스의 지평을 바꿔놓을 SiC MOSFET
앞서도 언급했듯이, SiC MOSFET이 IGBT를 대신해서 점점 사용이 늘고 있다. 그림 5에서는 IGBT에 대해서 SiC MOSFET의 이점을 요약해서 보여준다. 특히 작은 부하일 때 훨씬 더 낮은 전도 손실이 가능하다. 이것은 IGBT의 무릎 전압에 비해서 선형적 출력 특성에 의한 것이다. 또한 더 넓은 디바이스 면적을 사용함으로써 이론적으로 전도 손실을 무한하게 낮은 수치로 낮출 수 있다. IGBT는 그렇지 못하다.
스위칭 손실과 관련해서는, 전도 모드 시에 소수 캐리어가 없기 때문에 테일 전류를 제거할 수 있고, 그러므로 매우 낮은 턴오프 손실이 가능하다. 턴온 손실 역시도 IGBT에 비해서 낮출 수 있다. 이것은 주로 턴온 전류 피크가 더 낮기 때문이다. 두 손실 요인 모두 온도에 따라서 증가하지 않는다. 그런데 IGBT와 달리, 턴온 손실이 대부분을 차지하고 턴오프 손실은 낮다. IGBT는 이 반대이다. 끝으로, 추가적인 프리휠링 다이오드가 필요하지 않다. 수직적 MOSFET 구조 자체로 강력한 바디 다이오드를 포함하기 때문이다. 이 바디 다이오드는 p-n 다이오드를 기반으로 하며, SiC의 경우에 무릎 전압은약 3V이다.
그러면 다이오드 모드 시에 전도 손실이 매우 높지 않느 냐고 반문할 수 있다. 이와 관련해서는, (저전압 실리콘 M O S F E T으로는 최첨단으로서) 하드 스위칭 시에 200ns에서 500ns 사이 및 ZVS 같은 공진 토폴로지로 50ns 미만으로 짧은 데드 타임 다이오드 전도 동안만 다이오드 모드로 동작할 것을 권장한다. 그런 다음에는 다시 게이트에 바이어스를 인가해서 채널을 턴온할 수 있다. 이렇게 하면 무릎 전압이 없기 때문에 트랜지스터 모드 온 상태일 때와 같은 이점을 갖는다. 다이오드가 바이폴라 소자이기 때문에 낮지만 역 복구 효과가 발생 된다. 하지만 전반적으로 스위칭 손실에 미치는 영향은 미미하다.
인피니언은 최근에 650V CoolSiC™ MOSFET 제품을 추가함으로써 포괄적인 구성의 650V 제품 포트폴리오를 갖추게 되었다. 이 블로킹 전압 대로 IGBT와 성공적인 CoolMOS™ 기술에 더해서 이 기술을 추가함으로써 다양한 솔루션을 제공하게 되었다. 두 디바이스 모두 빠른 스위칭과 선형적 I-V 특성을 특징으로 한다. 하지만 SiC MOSFET은 하드 스위칭으로 바디 다이오드 동작을 가능하게 하고 10kHz 이상의 스위칭 주파수로 동작할수 있다.
수퍼정션 디바이스와 비교해서, 출력 커패시턴 스로 전하(Qoss)가 훨씬 낮으며 드레인 전압 대비 커패 시턴스 특성이 더 매끄럽다. 이러한 특징들로 인해서 SiC MOSFET은 하프 브리지나 CCM 토템 폴 같은 고효율 브리지 토폴로지에 사용하기에 적합하며, CoolMOS™ 디바이스는 전도 바디 다이오드로 하드 정류가 일어나지 않거나 방지할 수 있는 애플리케이션에 사용하기에 유리 하다.
그러므로 600V부터 900V 사이의 전압대로 SiC와 수퍼 정션 MOSFET이 성공적으로 공존할 수 있다. 디자이너 들이 해당 애플리케이션의 필요에 따라서 적합한 기술을 선택할 수 있다.
그림 5. IGBT에 대해서 SiC MOSFET의 이점. 왼쪽: 동적 손실, 오른쪽: 전도 동작, 상단 오른쪽: 바디 다이오드
맺음말
인피니언은 가격대 성능비와 신뢰성을 모두 충족하는 디바이스 제품을 제공하기 위해서 애쓰고 있다. 인피 니언의 SiC 트렌치 MOSFET은 이러한 철학에 충실하게 개발되었다. 낮은 온 저항과 최적화된 설계를 결합 함으로써 과도한 게이트 산화막 전계 스트레스를 방지 하고 IGBT에 버금가는 게이트 산화막 신뢰성을 달성 한다.
글 / 피터 프리드리히 박사(Dr. Peter Friedrichs) 인피니언 테크놀로지스
