SiC는 1200V를 초과하거나 그 이상 전압의 애플리케이션에 적합하다. 이 기술은 특히 온보드 전장화 규모의 확대를 추진하고 있는 자동차 생태계에서 버스 전압의 선택에 따라 적절한 적용 분야를 찾을 수 있다.

와이드 밴드갭 반도체(wide bandgap semiconductors, WBG)는 최근 전력 변환 장치의 주 스위치로 많은 관심을 모으고 있다. 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨나이트라이드(GaN)와 같은 재료는 자체의 고유 특성으로 인해 실리콘(Si)에 비해 몇 가지 이점을 제공한다. 즉 전력 밀도 향상, 고온 안정성, 높은 전력 변환 효율, 그리고 시스템의 크기를 줄일 수 있는 현실적인 답을 제시한다.

이러한 획기적인 두 기술 중에서도 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)는 현재 시장에서 구입 가능한 가장 성숙된 와이드 밴드갭 반도체 재료이다. ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 최초로 고전압 SiC 전력 MOSFET을 소개하고 양산한 제조업체 중 한 곳이며, 몰딩 패키지로 업계 최고 온도 등급인 200 ℃를 달성한 최초의 회사이다.

그림 1은 항복 전압과 시스템 전력 측면에서 SiC와 GaN의 비교 매핑을 보여준다. 두 재료 사이에는 겹치는 부분이 거의 없다. 이러한 까닭에 ST는 두 가지 혁신적인 기술을 모두 개발하기로 결정했다.

그림에서 확인할 수 있듯이, GaN는 수백 볼트에서 최대 1000 V까지의 전압 범위에서 사용할 수 있는 반면, SiC는 1200 V를 초과하거나 심지어 더 높은 전압의 애플리케이션에 적합하다. 두 기술은 온보드 전장화(on-board electrification) 규모의 확대를 추진하고 있는 자동차 생태계에서 버스 전압의 선택에 따라 적절한 적용 분야를 찾을 수 있다. 

실리콘 카바이드 전력 기술, 1200V SiC MOSFET

SiC MOSFET 벤치마크에서 1200 V를 초과하는 전압에서는 앞서 강조한 이유들로 인해 IGBT가 적합하다. 실제 초접합(super-junction) 제품을 사용하려면, 매우 높은 온저항(Ron) 특성을 제공해야 한다. 표 1은 위의 설명을 정량화하여 요약한 것이다.

표 1에 제시한 데이터는 동일한 정격 전압을 가진 최첨단 IGBT와 100 mΩ SiC MOSFET을 비교하여 얻은 수치이다. 가장 눈에 띄는 것은 SiC MOSFET이 심지어 더 높은 온도에서도 더 낮은 스위칭 손실을 나타낸다는 것이다. 이는 훨씬 더 높은 스위칭 주파수에 도달할 수 있고, 그로 인해 더 작은 자기 부품(magnetic components)의 사용으로 폼팩터를 줄일 수 있음을 의미한다.

ST SiC MOSFET의 또 다른 두드러진 특징은 온도가 상승함에 따라 턴온 에너지(Eon)와 턴오프 에너지(Eoff)의 변화가 크지 않다는 것이다. 이는 와이드 밴드갭(WBG) 제품의 또 다른 장점이다. 이것은 그림 2에 나타난 바와 같이 표준 실리콘(Si) MOSFET 뿐만 아니라 경쟁사 SiC MOSFET의 온저항(Ron) 파라미터에도 적용됨을 알 수 있다.

SIC MOSFET의 가치 제안

그림 3에 나타난 바와 같이, 실험을 통해 SiC MOSFET은 실리콘 IGBT와 동일한 효율성을 보장하지만 주파수가 4배 더 높다는 것이 확인됐다.

이것은 전자기 회사가 위에 제시된 5 kW 부스트 컨버터에 대해 실시한 분석(보고서 입수 가능)과 그림 4에 명확하게 나타난 바와 같이 수동 부품의 영향을 감소시켜 더 작고, 더 가볍고, 덜 비싼 시스템을 구현할 수 있음을 의미한다.

SIC MOSFET 제품 라인 확대

ST의 SiC MOSFET SCT30N120 (1200 V, 100 mΩ)과 SCT20N120 (200 V, 290 mΩ)은 2014년 대량 생산에 착수했다. 주요 애플리케이션은 태양광 인버터, 고주파 전원공급장치, 역률보상장치(Power Factor Corrections, PFC) 그리고 전기ㆍ하이브리드 자동차(EV 및 HEV) 등을 포함한다.

이 제품의 성공은 “normally-off” 구조와 다음과 같은 뛰어난 고유 파라미터에 기인한다.
- 온도 대비 거의 일정한 온저항(RDS(on))
- 최저 게이트 전하(Qg) 및 정전용량
- 고속의 고유하고 견고한 바디 다이오드(body-diode)

ST의 SiC 전력 MOSFETs은 100 kHz 이상의 주파수에서 실행되는 모든 전력 변환 애플리케이션에서 반드시 채택해야 할 차세대 기술로서 전통적인 실리콘 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal&-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFETs) 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated-Gate Bipolar Transistors, IGBTs)와 경쟁하고 있다. 또한 최대 200 ℃까지 완전 보장되는 접합 온도(TJ)는 열관리, 신뢰성, 견고성 면에서 새로운 지평을 열고 있다.

ST는 현재 새로운 온저항(RDS(on)) 사양과 혁신적인 패키지, 그리고 높은 항복전압 디바이스(예, 1700 V)를 도입하여 제품 라인업을 확대하기 위해 노력하고 있다.