인버터에 대해서 끊임없이 더 높은 전력밀도 요구를 충족하기 위해서는 전체 손실 측면에서 전력 모듈의 성능을 향상시키는 것이 무엇보다 중요하다. 인피니언 테크놀로지스의 새로운 1700V IGBT5와 새로운 이미터 제어 다이오드를 채택한 최신 세대 PrimePACK™ 전력 모듈은 바로 이와 같은 애플리케이션 요구를 충족할 수 있도록 성능을 제공한다.

5세대 1700V IGBT5와 이미터 제어 다이오드

다양한 애플리케이션에서 인버터 시스템에 사용되는 전력 모듈로 더 높은 전력 밀도를 달성하기 위해서는 무엇보다도 먼저 실리콘 성능을 향상시키는 것이 기본이 되어야 한다. 시스템 당 요구하는 전력 용량이 계속해서 높아지고 있는 한 예가 바로 풍력발전용 터빈이다. 이전 세대 제품과 비교해 5세대 1700V IGBT 및 이미터 제어 다이오드는 여러 면에서 향상을 이룸으로써 Tvjop=175℃로 연속적으로 동작할 수 있게 됐다[1].

그럼으로써 이들 디바이스를 채택한 전력 모듈로 더 높은 열 스트레스를 견디면서도 이전 세대와 동일한 동작 수명을 달성하고 전력 밀도는 크게 끌어올릴 수 있게 됐다. 이것은 앞서 발표한 .XT 기술을 적용함으로써 가능해진 것이다[2]. .XT 기술의 특징적인 점은, 다이 접착 시 신뢰성이 우수한 확산 본딩을 사용하고, Al 와이어본딩 대신에 Cu 와이어본딩을 사용하며, 최종적 시스템 솔더 및 합금 성분을 향상시켰다는 것이다.

한편으로는 전력 밀도를 이전 세대 모듈과 동일하게 유지한다면 .XT 기술의 이러한 특성들에 힘입어서 모듈의 정격 동작 수명을 크게 높일 수 있다는 뜻이 된다.

1700V 5세대 IGBT

그림 1은 IGBT4 세대와 비교해서 단면도를 보여준다. 두 디바이스 모두 성공적인 트렌치 필드스톱(trench-fieldstop) 기술을 사용하고 있다. 5세대에서는 여기에 더해서 단락 회로 시에 더 높은 수준의 전력 소산을 처리할 수 있도록 상단면에 후막 구리(Cu) 금속층을 도입하고 있다.

지난 PCIM 전시회에서는, 이 방법을 써서 단락 회로 내량 시간을 성공적으로 늘릴 수 있게 되었다는 점을 설명했다[3][4]. Cu 금속층은 또한 새로운 .XT 접합 기술과 함께 결합해서 Cu 와이어본딩을 도입하는 것을 가능하게 한다. 이 그림에서는 또한 IGBT5에서는 동적 디바이스 두께가 감소했다는 것을 알 수 있다. 그럼으로 결과적으로 정적 및 동적 손실을 낮춰준다.




그림 2는 실온과 각기 최대 동작 온도일 때 두 기술 세대의 결과적인 출력 특성을 비교하고 있다.

이전 기술 세대와 마찬가지로, 5세대 IGBT(P5) 역시 컬렉터 이미터 포화 전압(VCEsat)이 양의 온도 계수를 나타낸다. 또한 디바이스 수직 구조를 향상시킴으로써 동일한 전류 정격 디바이스로 온상태 전압을 크게 감소시킨다. 그럼으로써 동일한 모듈 풋프린트로 전류 밀도를 높일 수 있게 한다.

온상태 손실뿐만 아니라, 스위칭 손실 또한 고려해야 한다. 표 1에서는 동일한 PrimePACK™ 모듈 풋프린트로 전류를 30% 높였을 때 1700V P4와 비교해서 1700V P5 고전력 디바이스의 정적 및 동적 손실을 살펴보고 있다.



표 1에서는 1700V IGBT5가 접합부 온도가 25K 상승했음에도 이전 세대 디바이스와 비교해 암페어 당 총 스위칭 손실(Esw/A)이 더 낮다는 것을 알 수 있다. 그러므로 150℃의 동일한 접합부 온도로 비교했을 때는 IGBT5-P5가 P4와 비교해 공칭 전류는 30% 더 높음에도 불구하고 VCEsat은 동일하면서 암페어당 총 스위칭 손실은 10% 이상 낮다는 것을 알 수 있다.

이 새로운 IGBT 기술을 평가할 때 또 다른 중요한 점은, 적절한 소프트 스위칭 동작을 제공한다는 점이다. 그럼으로써 EMI 친화적 동작을 가능하게 한다. 그림 3은 실온으로 공칭 전류의 두 배 이상을 처리하면서 스위칭이 매우 빠르게 이루어질 때 IGBT5 PrimePACK의 턴오프 곡선을 보여준다.

이 턴오프 곡선을 보면, 1700V IGBT5-P5를 사용함으로써 공칭 전류가 최대 1800A에 이르는 전력 모듈로 소프트 스위칭 동작을 제공하고자 하는 디자인 목표를 확실하게 달성하고 있다는 것을 알 수 있다. 그러면서도 표 1에서 열거한 바와 같이 동적 손실을 낮춰준다.

1700V 5세대 이미터 제어 다이오드

또한 모듈 설계 측면에서, 이 새로운 세대의 전력 모듈로 최대의 성능 향상을 달성하기 위해서는 그에 걸맞은 전력 다이오드를 사용해야 한다. 그림 4에서 보듯이 5세대 1700V 이미터 제어(emitter controlled) 다이오드는 이전 기술과 비교해서 실리콘 두께를 추가적으로 더욱 줄였다. 이 점이 정적 및 동적 손실을 줄일 수 있도록 하는 토대가 된다.

IGBT에서와 마찬가지로, 순방향 전압(Vf)과 암페어 당 역복구손실(Erec)은 이전 세대 다이오드와 같은 수준이다. 그러면서도 IGBT5와 마찬가지로 실리콘을 향상시킴으로써 동일한 PrimePACK™ 모듈 풋프린트로 30% 더 높은 전류와 25K 더 높은 접합부 온도를 가능하게 한다.

다이오드의 실리콘 두께는 상대적으로 크게 줄였으면서도 5세대 디바이스는 스위칭 매끄러움(softness)이 이전 디바이스와 거의 비슷하다. 이와 같이 향상이 가능한 것은 다이오드의 필드 스톱(field stop) 설계를 최적화했기 때문이다. 그림 5에서는 공칭 전류의 5% 일 때 두 다이오드 세대의 정류 특성을 비교하고 있다. 5세대 이미터 제어 다이오드를 채택한 PrimPACK™ 모듈을 사용해서 실온에서 측정했다.

Tvj,op가 25K 높아짐에도 불구하고 서지 전류 용량은 떨어트리지 않도록 하기 위해서, 이 차세대 다이오드 역시 그림 4에서 보는 것과 같이 상단면에 후막 구리 금속층을 적용하고 있다[2].

모듈 성능-인버터 출력 전류 계산

이러한 디바이스 차원의 데이터를 살펴봤을 때, 새로운 1700V IGBT5-P5를 사용함으로써 동일한 모듈 풋프린트로 최대 인버터 출력 전류를 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.

이를 확인하기 위해서 인피니언 테크놀로지스의 IPOSIM 시뮬레이션 툴[5]을 사용해서 테스트를 실시했다. PrimePACK™ 1700V 모듈 제품은 인피니언이 2006년부터 제공하기 시작했으며, 이제는 메가와트 풍력발전 애플리케이션에서 사실상의 표준 전력 모듈로 자리잡고 있다. 그러므로 이 인버터 출력 계산은 제너레이터측 풍력발전 인버터 애플리케이션의 경우라고 가정했다.



이 계산을 위해, 액체 냉각 시스템의 Rth,ha가 모듈 암(module arm)당 0.015K/W이고 주변 온도는 Ta=50℃라고 가정했다. 또한 이러한 전문적 풍력발전 애플리케이션에서는 다이오드가 인버터 크기를 결정하는 가장 중요한 요소이다. 그러므로 DC 링크 전압 1080V, 베이스 주파수 15Hz, 변조 계수(MI) 1.00, cos(φ) -0.82로 했다.

그림 6에서는 그에 따른 계산 결과를 보여준다. 스위칭 주파수에 따라서 달성 가능한 인버터 출력 전류를 보여주고 있다. 검정색과 파란색 곡선은 Tvj,op=150℃ 일 때 5세대 디바이스와 4세대 디바이스의 전류 계산을 보여준다. 빨간색 곡선은 TvjopMax=175℃ 일 때 IGBT5로 달성 가능한 최대 인버터 출력 전류이다.

이들 시뮬레이션 결과를 보면, 새로운 5세대 기술을 사용함으로써 최대 인버터 출력 전류를 대략 30%까지 높일 수 있다는 것을 알 수 있다. 파란색 곡선은 5세대 모듈로 Tvj,op를 150℃로 제한했을 때 계산되는 최대 출력 전류이다. 이렇게 하면 .XT 모듈 패키징 기술에 힘입어 모듈 수명을 10% 향상시킬 수 있으며, 그러면서도 달성 가능한 최대 출력 전류 또한 약 10% 향상시킨다.

요약

인피니언 테크놀로지스의 5세대 1700V IGBT 및 이미터 제어 다이오드는 Tvj,op=175℃로 동작할 수 있도록 설계됐다. 가능한 동작 온도를 높임으로써 확고한 기반을 구축하고 있는 1700V PrimePACK™ 모듈 플랫폼으로 전력 밀도를 대대적으로 높일 수 있다.

새로운 PrimePACK™ 전력 모듈 제품은 .XT 기술을 적용함으로써 혹독한 환경에서 동작할 수 있으며, 수명과 서지 전류에 대한 요구를 충족하고, EMI 측면에서도 안정적이다. 한편으로는 .XT 기술의 이점에 힘입어 전력 밀도는 조금 높이면서 수명을 이전과 비교하여 크게 향상시킬 수도 있다.