전력 변환 시 사용되는 전력 반도체는 다양한 기기의 에너지 절약에 크게 기여할 수 있어 그 기술 추이에 이목이 집중된다. 이러한 에너지 절약 추세에 대응해 로옴은 디스크리트 반도체, LSI의 개발 및 제조를 통해 축적한 기술을 발전시킨 전력 반도체 제품의 전개에 주력하고 있다. 그 중에서도 실리콘 카바이드(SiC) 반도체 제품의 전개에 있어서는 타의 추종을 불허한다.

SiC 전력 반도체는 탄소와 규소로 이루어진 화합물 반도체인 실리콘 카바이드(탄화규소)를 재료로 만들어졌다. 그 선진성과 우수한 성능을 바탕으로 오랜 기간에 걸쳐 “꿈의 소자”로 기대를 모아온 SiC 전력 반도체는 산업기기, 자동차, 철도, 컨슈머 기기 등 다양한 애플리케이션에 채용되어 기기의 에너지 절감에 기여하고 있다. 로옴은 SiC 전력 반도체의 연구개발에서 양산에 이르기까지 업계를 선도해 왔다. 로옴의 SiC 전력 반도체 제품 라인업과 그 특징에 대해 소개한다.

SiC 쇼트키 다이오드

낮은 스위칭 손실, 순방향 전압 특성을 보유한 제품이다. 고효율 전원 등의 기기에서 주로 사용된다. 로옴은 AEC-Q101에 준거한 디스크리트 제도 라인업으로 갖추고 있다.

SiC-MOSFET　

1000 V를 초과하는 내압의 MOSFET 소자는 실리콘 반도체로는 도통 손실이 낮은 소자를 제작하기 어려웠으나, SiC 반도체로는 가능하다. 또한 고내압 스위칭 소자로서 널리 사용되고 있는 Si-IGBT에 비해 스위칭 손실이 1/5 정도이므로, 구동 주파수의 고주파화를 통한 기기의 소형화(필터, 냉각기구)와 전력 변환 효율 향상에 대한 효과를 기대할 수 있다(그림 1).

SiC 파워 모듈

로옴에서는 전력 소자를 모두 SiC 전력 반도체로 구성한 “Full SiC” 파워 모듈을 양산하고 있다(그림 2).

1200 V/300 A “Full SiC” 파워 모듈

로옴은 2012년부터 1200 V/120 A ·180 A 제품을 양산하기 시작했으며, 올해 6월부터 1200 V/300 A 제품을 새롭게 생산하고 있다.

SiC 전력 반도체의 고속 스위칭 성능을 살리기 위해, 모듈 패키지 내부의 낮은 인덕턴스화는 대전류화를 실현함에 있어서 중요한 기술이다. 로옴은 내장하는 SiC 소자의 배치 및 내부 패턴을 최적화함으로써 이미 양산중인 제품(120 A·180 A)에 비해 내부 인덕턴스를 절반으로 줄인 모듈 패키지를 개발해 300A 정격의 제품을 실현했다.

동등한 전류 정격의 IGBT 모듈에 비해 스위칭 손실을 77％ 저감할 수 있다. 대폭적인 스위칭 손실 저감이 가능하므로, 애플리케이션 내부 냉각기구의 소화가 가능하다. 또한 고주파 구동에도 적합하다. 예를 들어 30 kHz의 스위칭 주파수에서 파워 모듈을 사용할 경우, IGBT 모듈에 비해 도통 손실과 스위칭 손실을 합쳐 약 60％의 손실을 저감할 수 있다(그림 3).

한층 더 고주파 스위칭 동작을 실행함으로써 코일 및 커패시터와 같은 주변 부품의 소형화를 실현할 수 있으므로 기기의 저전력화 뿐만 아니라 소형화에도 기여한다.

차세대 SiC-MOSFET

기존에 양산중인 SiC-MOSFET에 비해, 동일 소자 사이즈의 경우 도통 손실(ON 저항을 약 50% 삭감) 저감, 스위칭 성능(입력 용량을 약 35% 저감) 향상을 실현했다(그림 4).

SiC-MOSFET에 있어서 트렌치(trench) 구조의 채용은 ON 저항 저감에 효과적이라는 이유에서 주목받아왔지만, 소자의 장기적 신뢰성 확보를 위해 게이트(전압 인가 유무에 따라 MOSFET 소자의 스위칭 ON/OFF를 제어하는 부위) 부분에 발생하는 전계를 완화하는 구조의 확립이 필요했다. 게이트 부위만을 트렌치 구조화할 경우, 게이트 구조 저부에 전계가 집중되어 소자의 신뢰성 확보가 어렵기 때문이다. 로옴은 독자적인 더블 트렌치 구조를 채용함으로써 게이트 구조 저부의 전계 집중을 완화시킨 SiC-MOSFET의 양산에 성공했다(그림 5).

양산에 성공한 트렌치 구조의 SiC-MOSFET 소자를 사용한 Full SiC 파워 모듈을 1200 V/180 A 정격, 내부 회로를 하프 브리지(half-bridge) 구성으로 제품화했다. 동등한 정격의 Si IGBT 파워 모듈 제품뿐만 아니라, 기존에 양산중인 1200 V/180 A의 SiC-MOSFET 모듈과 비교 시에도 스위칭 손실을 대폭 저감했다(그림 6).

로옴은 향후 650 V·1200 V 정격의 제품 전개를 디스크리트 패키지로 계획하고 있으며, 대전류 정격 제품도 선보일 예정이다.

인텔리전트 파워 모듈 제품

소자 특성의 우위성으로 주목을 받고 있는 SiC 전력 반도체에 비해 가격 면에서 유리한 Si 전력 반도체 제품의 시장 규모는 여전히 크다. 로옴은 실리콘 반도체를 사용한 전력 반도체 개발에도 주력하고 있다. IGBT, MOSFET 같은 디스크리트 반도체와 LSI 뿐만 아니라, 전력 소자와 제어 IC의 통합 제품도 전개하고 있다.

IGBT 인텔리전트 파워 모듈(IGBT-IPM)

소비 전력 저감을 위해 기기의 인버터화는 다양한 모터 애플리케이션에서 적용되고 있다. 이러한 인버터 기기에서 많이 채용되는 제품이 IGBT 전력 소자와 이를 제어하는 IC, 주변회로를 단일 패키지로 통합한 파워 모듈 제품(인텔리전트 파워 모듈, IPM)이다. 로옴은 자사의 Si IGBT 소자를 탑재해 양산하고 있다.

MOS 인텔리전트 파워 모듈(MOS-IPM)

최근 백색 가전에서는 에너지 절약이 매우 중요시되고 있다. 사용 실태에 가까운 에너지 소비 효율을 나타내는 APF(Annual Performance Factor)를 표기하는 경향이 있으며, 전력 부하가 큰 기기의 기동 시, 그리고 정격 조건뿐만 아니라 부하가 작은 정상 동작 시의 저전력화에 대한 움직임이 높아지고 있다.
로옴은 IGBT-IPM 뿐만 아니라, 자사의 저 ON 저항 PrestoMOS™를 탑재하고, 독자적인 LSI 제어 기술을 도입한 MOS-IPM 제품을 올 8월부터 양산 개시했다.

대전류 대응이 가능한 PrestoMOS 채용

일반적으로 MOSFET는 고속 스위칭 및 저전류 영역에서의 도통 손실이 낮다는 장점이 있어서, 기기의 정상 동작 시 저소비전력화에 효과가 있다. 기존의 MOSFET에서는 어려웠던 대전류화를 가능하게 하는 PrestoMOS™의 채용으로 도통 손실을 대폭 저감해 IPM의 제품화를 실현했다.

자체 회로 기술을 탑재한 게이트 드라이버 IC

로옴은 독자적인 게이트 드라이버 회로를 도입함으로써 IPM 제품의 고효율화를 실현했다. 예를 들어 고전압에서의 고속 스위칭 동작에 발생하기 쉬운 MOSFET의 오동작을 방지하는 회로를 도입함으로써 고속 스위칭 동작을 가능하게 하여 스위칭 손실 저감을 도모한다. 또한 스위칭 시에 발생하는 노이즈를 고려하여 트레이드오프 관계인 스위칭 손실과 발생 노이즈를 최적화함으로써, PrestoMOS™의 성능을 최대한으로 발휘할 수 있는 게이트 드라이브를 실현했다.

이러한 특징을 통해 로옴의 MOS-IPM 제품은 IGBT-IPM 제품에 비해, 저전류 동작 조건 하에서 대폭적인 전력 손실 저감을 실현했다(그림 7).