1200V CoolSiC™ MOSFET, 성능과 신뢰성 둘 다 충족

  • 2017년 07월호
  • Marc Buschkuhle, 인피니언 테크놀로지스



전력 컨버터를 크기, 무게, 효율 면에서 차별화하기 위해 실리콘 카바이드(SiC)의 역할이 갈수록 중요해지고 있다. SiC의 물질적 특성을 활용함으로써 전하 변조 IGBT 디바이스가 아니라 소수 캐리어(Minority Carrier)가 없는 유니폴라 디바이스를 구현할 수 있다. 그러므로 최대의 효율을 달성하고, 더 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있으며, 열 발생과 차지하는 공간을 줄일 수 있다. 이러한 이점들은 다시 전반적인 비용을 절감하는 것으로 이어진다.

그렇지만 양산 인버터에 사용하기 위해서는 정적 및 동적 성능을 비롯한 여러 가지 측면들을 면밀하게 검토해야 한다. 적정한 수준의 신뢰성뿐만 아니라 충분한 임계 전압과 애플리케이션에 적합한 단락 회로 견고성을 달성해야 한다. IGBT와 호환 가능하도록 턴온 시에 VGS=15V로 구동은 IGBT에서 SiC MOSFET 솔루션으로 전환하는 것을 수월하게 할 것이다. 이 글에서는 인피니언의 새로운 1200V CoolSiC™ MOSFET과 함께 이러한 문제들을 짚어본다.

머리말 

블로킹 전압이 1,200V인 SiC MOSFET이 태양광 컨버터, UPS, 배터리 충전기, 산업용 드라이브 같은 애플리케이션 분야에서 관심이 고조되고 있다. 이러한 애플리케이션에 사용함으로써 스위칭 손실과 전도 손실을 낮출 수 있다. 이렇게 해서 여유가 생긴 열 예산을 활용해 더 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있으며, 그러므로 수동 소자의 크기를 줄이고 냉각 요구량, 무게, 비용을 최소화할 수 있다.

T-MOSFET 디자인을 적용한 CoolSiC™은 온(on) 상태 및 오프(off) 상태로 게이트 산화막에서 전기장을 제한하도록 설계됐다. 1,200V 대로 매력적인 턴온 저항을 제공하며, 양산 시에도 안정적이며 반복적으로 그렇다. VGS=15V의 구동 전압만으로도 이미 낮은 턴온 저항을 달성하며, 게이트-소스 임계 전압은 4V 이상이다. 이것은 SiC 트랜지스터 분야에서는 새로운 기준을 제시하는 것이다. 이와 같이 한계를 끌어 올림으로써 실리콘 전력 반도체 분야에서 구축된 품질 보장 방법론을 이어 받아서 사용하고 산업용 및 더 나아가서 자동차 애플리케이션용으로 요구되는 FIT(고장률)를 보장할 수 있을 것이다.

빠르게 스위칭하는 IGBT 및 SiC 트랜지스터를 위해서는 패키지 설계가 중요하다. 고속 스위칭 SiC 디바이스에는 특정한 패키지가 더 유리할 수 있다. 부유 인덕턴스가 낮아야 하며, 그러면서도 극히 대칭적인 디자인이어야 한다.

이지 모듈(Easy-Module) 플랫폼은 특히 이러한 점을 염두에 두고 설계됐다. 잘 알려진 베이스플레이트를 사용하는 표준적 패키지와 달리, 이지 모듈 플랫폼은 고도로 대칭적이면서 인덕턴스가 낮은 디자인이다. 이러한 이유에서 널리 인기를 끌고 유연성이 뛰어난 Easy1B 전력 모듈을 사용해서 PV 전지, 오프 보드 전기차 충전, 무정전 전원장치용으로 적합한 최초의 SiC 하프 브리지 및 부스터 솔루션을 구현했다.

이지 모듈의 유연한 핀 격자는 PCB 레이아웃을 간소화하고 10 nH보다 낮은 부유 인덕턴스를 제공한다. 이것은 EconoDUAL™이나 표준 SIXPACK 디자인과 같은 기존 솔루션과 비교해서 70~80%까지 크게 낮아진 것으로서, 전력 모듈 디자인에 있어서 획기적인 전환점이라고 할 수 있다.

그림 1〉은 먼저 출시되는 제품들의 개요를 보여준다. 이들 제품은 포괄적인 유형의 CoolSiC™ MOSFET 제품 포트폴리오 중에서 일차적으로 출시되는 제품들이며, 현재 추가적인 제품들을 개발 중이다. 


[그림 1] 먼저 출시되는 CoolSiC™ MOSFET 제품들

제품 개발의 주안점

SiC MOSFET은 스위칭 손실이 꽤 낮으며 온도에 대해서 거의 종속적이지 않다. 특정 기술로 주요한 벤치마크 파라미터로서 면적당 턴온 저항에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 4H SiC 기반 평면 MOSFET의 경우에는 전도 밴드에 가깝운 엄청나게 높은 인터페이스 트랩 밀도를 극복하는 것이 과제다. 이 때문에 채널 이동도가 아주 낮으며, 그러므로 채널의 총 턴온 저항에 대한 기여도가 높아진다. 이러한 높은 결함 밀도 때문에 SiC MOSFET 기반 디바이스로 다양한 이상을 초래한다.

이러한 딜레마를 극복하기 위한 한 가지 방법은 온 상태일 때 산화막으로 인가되는 전기장을 실리콘 기반 MOSFET 디바이스에서 통상적으로 사용하는 값보다 높게 하는 것이다. 하지만 온 상태일 때 산화막으로 이와 같은 높은 전기장은 마모(Wear Out)를 가속화할 수 있다. 이것이 장기적인 신뢰성 면에서 위험성을 초래할 수 있으며, 특히 SiC 서브스트레이트의 높은 결함 밀도와 관련해서 더 그렇다.

이러한 점을 고려했을 때 SiC 기반 평면 MOSFET 디바이스는 〈그림 2〉의 왼쪽 그림에서 보듯이 산화막 전기장 스트레스와 관련해서 두 군데 민감한 부분을 지적할 수 있다.


[그림 2] (왼쪽) 평면 MOSFET의 통상적인 구조로서, 산화막 전기장 스트레스와 관련해서 두 군데 민감한 부분을 알 수 있다. (오른쪽) 트렌치 MOSFET의 통상적인 구조로서, 트렌치 모서리 부분의 산화막 전기장 스트레스가 중요한 문제다.

첫째는 드리프트 영역과 게이트 산화막 사이 인터페이스 가까이에서 높은 전기장 부분에서 역 모드로 자주 논의되는 스트레스이고, 둘째는 온 상태일 때 스트레스를 받는 게이트와 소스 사이의 중첩되는 부분이다. 

온 상태일 때 높은 전기장이 더 위험한 것으로 여겨진다. 온 상태일 때 전기장 스트레스를 낮출 수 있는 디자인 방법이 없기 때문이다. 그러므로 할 수 있는 것은 SiC의 낮은 RDSon을 활용하고, 안전한 산화막 전기장 강도를 잘 고려해서 이를 결합시킨 동작 모드를 활용하는 것이다. 현재로서 온 상태일 때 이것을 달성하기 위해서는 결함 밀도가 높은 평면 표면에서 좀 더 유리한 다른 표면 방향으로 전환하는 방법을 써야 한다.

게이트 산화막 신뢰성 

SiC MOS 디바이스의 게이트 산화막 신뢰성과 관련해서 과제는 주어진 동작 조건들로 원하는 수명 기간 동안에 외부적 결함을 포함한 결함률을 충분히 낮추는 것이다. 통상적으로 산업용으로는 20년의 작동 수명으로 100 ppm 미만을 목표로 한다. SiC MOS 디바이스의 게이트 산화막에서 외부적 결함의 주된 요인들로는 서브스트레이트 소재 내에서의 결함, 에피택스 프로세스와 관련한 결함, 그리고 비중은 좀 더 작으나 그 외 나머지 공정들에서의 결함을 포함한다. 상용 MOSFET 제품의 테스트를 보면 산업용 시스템에 사용하기 위해서는 이 문제가 여전히 심각한 문제라는 것을 알 수 있다.

그러므로 인피니언의 CoolSiC™ MOSFET의 외부 게이트 산화막 결함률을 알아보기 위해서 다량의 디바이스를 사용해서 장시간에 걸친 테스트를 실시했다. 각기 1,000개의 디스크리스 디바이스로 이루어진 두 그룹에 대해서 3회에 걸쳐서 100일 동안 150℃로 일정한 게이트 바이어스 스트레스를 가해서 시험을 실시했다. 〈그림 3〉은 테스트 결과를 보여준다. 100일째마다 게이트 소스 전압을 5V 높였다. 

이 결과를 권장 전압을 사용해서 20년의 동작 수명으로 외삽하면 결함률이 0.2 ppm인 것으로 예측된다. 그러므로 게이트 산화막 신뢰성이 IGBT에 대해서 알려진 것과 거의 같다는 것을 알 수 있으며, 그러므로 산업용으로 사용하기에 충분하다.


[그림 3] 장시간 테스트를 실시했다. 이 도표에서는 날짜에 따른 결함 횟수를 그리고 있다. 1,000개 디바이스로 이루어진 2개 그룹을 150℃로 일정한 게이트 전압 VGS를 사용해서 테스트했다. 100일째마다 VGS를 5V 높였다. 각각의 점이 결함을 나타낸다. 실선은 선형 E 모델을 사용한 예측을 나타낸다.

동적 성능 

SiC MOSFET은 유니폴라 디바이스이므로 동적 성능이 주로 커패시턴스에 의해서 좌우된다. 이 디바이스는 입력 커패시턴스 Ciss에 비해 게이트-드레인 역 커패시턴스 Crss가 작도록 설계됐다. 이렇게 하면 MOSFET이 기생 턴온을 하는 것을 방지할 수 있으며 하프 브리지 구성으로 동작할 때 정교한 게이트 드라이버 회로를 필요로 하지 않는다.

그림 4〉는 4핀 TO-247 패키지를 적용한 디바이스를 사용한 하프 브리지의 드레인 전류에 따른 스위칭 손실을 보여준다. 턴오프 에너지 Eoff가 부하 전류에 거의 종속적이지 않다는 것을 알 수 있다. 이것은 주로 커패시턴스가 지배적이기 때문이다. 반면에 턴온 에너지 Eon은 전류에 따라서 선형적으로 증가한다. 

20A 전류일 때 총 손실 Etot는 0.43 mJ이다. 그러면 50~150 kHz의 스위칭 주파수가 가능하다.


[그림 4] 드레인 전류 ID에 따른 스위칭 에너지. 조건: VGS=15V/-5V, RGext=4.5Ω, VDS=800V, Tvj=175℃, 하프 브리지 구성의 4핀 TO-247

TO-247 패키지의 4번째 핀은 게이트 드라이버를 곧바로 소스 핀으로 연결하기 위한 것이다. 그럼으로써 소스 부유 인덕턴스로 인한 부하 전류로부터의 네가티브 피드백을 피할 수 있다. 그러므로 3핀 TO-247 하프 브리지 구성과 비교해서 20A 전류로 약 100 μJ의 총 스위칭 에너지를 절약할 수 있다. 이것은 동일한 다이를 사용하면서 패키지 최적화만으로 약 30%가 낮아진 것이다. 

그림 5〉는 이 MOSFET이 게이트 저항 RG를 조절하는 것으로 전압 기울기 dv/dt를 손쉽게 조절할 수 있다는 것을 보여준다. 이 점은 특히 드라이브 애플리케이션에서 유용하다. 하지만 전압 기울기 dv/dt를 낮추면 대신에 스위칭 손실이 높아진다. 


[그림 5] RGext에 따른 스위칭 손실(왼쪽 축, 검정색 곡선) 및 최대 dv/dt 값(오른쪽 축, 빨간색 곡선). 조건: VDS=800V, ID=40A, VGS=15V/-5V, Tvj=175℃, 하프 브리지 구성의 3핀 TO-247

dv/dt가 제한이 없고 스위칭 주파수에 따라서 높아지는 애플리케이션에서는 손실 감소가 좀 더 분명해질 것이다. DC-DC 부스트나 벅/부스트 애플리케이션이 바로 그러한 경우로, 더 크기가 작고 가볍고 가격대가 저렴한 자기 소자를 사용할 수 있으므로 유리하다. 그러므로 다양한 애플리케이션으로 더 비싼 전력 스위치를 사용하더라도 전체적인 시스템 비용을 낮출 수 있는 것으로 많은 연구를 통해서 입증되고 있다. 그런데다가 시간이 가면서 SiC 기반 디바이스가 가격이 낮아질 것이므로 앞으로 이 기술을 사용하는 애플리케이션은 더 늘어날 것이다.

정적 성능 

MOSFET의 정적 출력 특성에 있어서 주요한 파라미터는 턴온 저항 RDS(ON)이다. 이들 새롭게 출시된 다이 제품은 정격 온 저항이 실온으로 VGS=15V로 45 mΩ이다. 온 저항이 정 온도 계수(PTC)이므로 병렬화를 하기 쉽게 설계됐다. 〈그림 6〉은 최신 1,200V HighSpeed 3 IGBT와 비교해서 출력 특성을 보여준다. 최소구동전압(Knee Voltage) 온 상태 특성에 의해 특히 낮은 부하일 때 전도 손실을 크게 낮출 수 있다.

시스템 차원에서는 최소구동전압으로부터 자유로운 전도 동작 특성에 의해서 상당한 손실 감소가 가능하다. 많은 시스템이 대부분 시간을 부분 부하 조건으로 동작하므로 경쟁 관계인 표준 IGBT 기술과 비교해서 전도 손실이 훨씬 낮다. 5 kHz 미만의 아주 낮은 스위칭 주파수와 변화하지 않는 dv/dt 기울기로도, 바디 다이오드를 통합한 무릎 전압으로부터 자유로운 스위치가 동기 정류 모드로 현재 출시되어 있는 상용 IGBT 솔루션과 비교해서 총 손실을 50% 낮춘다는 것을 알 수 있다. 


[그림 6] SiC MOSFET과 IGBT 솔루션의 출력 특성 비교

부스터 스테이지와 달리, 통상적인 인버터 애플리케이션은 특히 현장에서 결함 발생 시에 잘 설계된 단락 회로 기능을 필요로 한다. 이러한 요구를 충족하기 위해서 CoolSiC™ MOSFET은 SiC MOSFET 최초로 단락 회로 견고성 기능을 통합했다. 

보통의 DMOS 동작과 달리 전달 특성을 보면 VGS=12V에서 이미 교차점이 나타난다. 12V를 넘으면 전류가 온도에 따라서 감소한다. 이렇게 되면 단락 회로 이벤트 시에 포화 전류를 제한하기에 유용하다.


[그림 7] TO-247-4로 된 CoolSiC™ MOSFET의 단락 회로 동작

그림 7〉에서는 중요한 하드 단락 회로 이벤트를 보여준다. 이러한 특수한 조건일 때 동작과 견고성을 상세하게 분석했다. CoolSiC™ MOSFET은 단락 회로 보호 기능을 제공하는 최초의 SiC MOSFET이다.

표준 IGBT와 달리, 단락 회로 전류가 디바이스 공칭 전류의 10배로 상승한다. 하지만 위에서 설명한 바와 같이 온도 종속적인 특성에 의해서 첫 번째 피크 후에 포화 전류가 훨씬 더 낮은 수준으로 떨어진다.

요약 

인피니언은 SiC 기술의 상용화에 앞장서고 있다. 2001년에 벌써 세계 최초로 SiC 기반 다이오드를 시장에 내놓았다. 그리고 이제 이의 5세대 제품을 디스크리트 디바이스로 출시하고 있다. 모든 제품을 항상 뛰어난 가격대 성능비를 제공하도록 설계했다.

인피니언의 SiC Trench MOSFET은 낮은 온 저항과 과도한 게이트 산화막 전기장을 방지하기 위한 최적화된 디자인을 결합함으로써 IGBT와 같은 수준의 게이트 산화막 신뢰성을 제공한다. 또한 SiC Trench MOSFET은 스위칭 동작과 손실이라는 면에서 월등이 우수한 성능을 제공한다. 분석을 통해서 턴온 및 턴오프 트랜션트 모두로 전압 기울기를 완벽하게 제어할 수 있는 것으로 확인됐다. 또한 게이트 저항을 사용해서 턴온 시의 전류 기울기를 조절할 수 있다. 턴오프 시에 di/dt는 기생 커패시티브 효과에 의해서 결정된다.

또한 이 디바이스는 전기적 성능과 단락 회로 신뢰성 같은 견고성 기능을 최상으로 조합하고 있다. CoolSiC™ MOSFET 기술은 전력 변환 효율과 전력 밀도 면에서 전력 반도체의 새 시대를 열 것으로 기대된다. 

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