이 글에서는 새로운 CoolSiC™ MOSFET 기술을 소개하고 CoolSiC 기반의 통합적인 레퍼런스 디자인에 대해서 살펴본다. 

실리콘 카바이드(SiC) 스위치가 전원 컨버터와 여타 전원 관련 애플리케이션에서 갈수록 인기가 높아지고 있다. 이러한 최신 기술을 사용하면 효율을 높이고, 더 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있고, 열 발생을 줄이고, 공간을 절약할 수 있다. 그럼으로써 또한 전반적인 비용을 낮출 수 있다.

2016년 5월에 개최된 PCIM 전시회에서 ‘a revolution to rely on(믿고 따라갈 수 있는 혁신)’이라는 캐치프레이즈를 내걸고 출시된 인피니언의 새로운 CoolSiC™ MOSFET은 이전에 경험할 수 없었던 전력 밀도와 성능을 가능하게 한다.

현재 및 미래의 요구 충족 

어떤 신기술이든 남보다 앞서서 이러한 신기술을 도입하는 애플리케이션 분야가 있기 마련이다. 그러다 보면 신기술에 대한 인식이 확산되고 다른 분야들에서도 이 흐름을 따르게 된다. 그러면 새로운 기술로 이전하기에 충분히 매력적일 만큼 가격대 성능비가 향상된다.

이미 하이엔드 전원장치 분야에서는 SiC 쇼트키 다이오드가 널리 사용되고 있다. 다음으로는 태양광 인버터 및 부스트 회로, UPS(무정전 전원공급장치), 충전기가 그 뒤를 따를 것으로 예상된다. 모터 드라이브와 트랙션 같은 전통적 분야와 장기적으로 내다보았을 때 자동차 애플리케이션 역시도 점차적으로 이 새로운 반도체 기술로 이전할 것으로 전망된다.

태양광 인버터 분야에서는 스위칭 손실을 낮추어 전력 밀도를 높이려고 하는 경향을 볼 수 있다. 그럼으로써 방열판을 소형화할 수 있다. 또한 마찬가지로 더 높은 동작 주파수로 동작하려고 하는 것을 볼 수 있는데, 그럼으로써 더 작은 자기 소자를 사용할 수 있다.

CoolSiC MOSFET 솔루션 

온 저항(R_DS(ON))이 45 mΩ인 CoolSiC MOSFET 디바이스는 SiC 전력 반도체에 있어서 중요한 일대 전환점이 될 것이다. 하지만 전기적 성능은 단지 전체적인 그림의 한 면에 불과한 것이다. 고속 스위칭 IGBT와 SiC 트랜지스터를 위해서는 패키지 디자인 역시 마찬가지로 중요하다. 바로 이러한 이유에서 인피니언은 다양한 유형의 패키지를 개발했다.

표준적 3핀 TO-247 디바이스(IMW120R045M1)가 아니라 4핀 TO-247(IMZ120R045M1)을 사용함으로써 게이트 이미터 접속에 전용적인 켈빈 소스 핀(신호 GND) 을 사용할 수 있다. 그럼으로써 게이트 제어 전압이 전력 소스 핀(파워 GND)으로 흐르는 부하 전류의 방해를 받지 않는다. 그러므로 턴온 손실을 40%까지 향상시킬 수 있다.

이러한 디스크리트 형태의 리드형 제품은 고속 스위칭 애플리케이션에 사용하기에 적합하며, 태양광전지(PV) 스트링 인버터, 차저, UPS 장비에서부터 시작해서 다양한 분야로 빠르게 도입될 것으로 예상된다.

디스크리트 패키지 제품뿐만 아니고, 널리 인기를 끌고 있으며 유연성이 뛰어난 Easy1B 전력 모듈을 사용하면 PV용의 하프 브리지 구성 및 부스터 솔루션을 빠르게 구현할 수 있다. 이들 부스터 모듈 제품은 바이패스 및 역 극성 보호 용으로 1,200V CoolSiC 쇼트키 다이오드와 낮은 V_F 값의 실리콘 다이오드를 포함한다.

Easy 모듈은 유연성 뛰어난 핀 격자를 제공하므로 PCB 레이아웃을 용이하게 하며 10 nH 미만의 부유 인덕턴스를 제공한다. 이것은 이전 솔루션에 비해서 5배 향상된 것으로서, 전력 모듈 디자인에 있어서 한 걸음 더 나아간 진보이다. 이들 부스터 모듈은 성냥갑만한 크기이며, 최대 20 kW에 이르는 MPP 트랙커 시스템에 사용하도록 설계됐다.

전력 다이오드와 트랜지스터에 어떤 반도체 소재를 사용할지 결정할 때는 효율, 전력 밀도, 비용이 모두 중요한 고려사항이다. 태양광 스트링 인버터나 UPS 시스템 같이 높은 스위칭 주파수(10 kHz 이상)로 동작하는 전원 컨버터에서는 실리콘 IGBT와 SiC 쇼트키 다이오드를 사용하는 하이브리드 전력 모듈이 대세가 되고 있다. 인피니언은 이러한 요구를 충족하기 위해서 다양한 디스크리트 패키지로 된 다양한 CoolSiC 쇼트키 다이오드 제품과 EasyPACK™ 및 EconoPACK™ 같은 다수의 하이브리드 전력 모듈 제품을 제공한다.

앞으로 더 높은 스위칭 주파수와 더 높은 변환 효율을 달성하기 위해서는 SiC 다이오드와 트랜지스터를 결합한 완전 SiC 솔루션을 사용하게 될 것이다.

완전 SiC로 전환함으로써 턴오프 손실과 온(on) 상태 손실을 낮춤으로써 손실을 추가적으로 약 50% 더 줄일 수 있을 것이다.

현재 사용되고 있는 많은 SiC MOSFET은 특수한 드라이버와 함께 비표준적 구동 전압을 필요로 함으로써 시장 도입이 저조하게 이뤄지고 있다. 하지만 인피니언의 새로운 CoolSiC MOSFET은 표준적 IGBT 구동 전압을 사용한다(-5V/15V, -0V/15V 등).

그러므로 EiceDRIVER™ Compact 같은 표준적 게이트 드라이버 IC를 사용할 수 있다. 그러므로 전력 반도체 시스템으로 SiC MOSFET의 도입을 가속화할 것이다.

스위칭 동작 

이들 새로운 디바이스 제품의 스위칭 동작을 살펴보기 위해서 TO-247 4핀 패키지로 된 45 mΩ CoolSiC MOSFET을 -5V/15V를 사용해서 테스트했다. 이 디바이스는 온으로 스위칭할 때 발진을 거의 일으키지 않으면서 아주 깨끗한 스위칭 동작을 나타낸다. 이와 같은 우호적인 동작을 달성하므로 표준적 EiceDRIVER IGBT 드라이버를 사용하는 기존 시스템으로 CoolSiC를 쉽고 빠르게 구현할 수 있다.

또한 시스템 차원에서 스위칭 동작을 평가하기 위해서 CoolSiC 하프 브리지 모듈과 6A 출력 EiceDRIVER Compact(1EDI60H12AH)를 사용한 DC/DC 컨버터를 제작했다. 이 모듈은 양방향 벅-부스트 컨버터 토폴로지로 구성되었으며, R_DS(ON)은 실온에서 23 mΩ이다(FF23MR12W1M1_B11).

더블 펄스 테스트를 실시해서 1Ω 게이트 저항과 각기 다른 드레인 전류로 dv/dt를 측정했다. 〈그림 4〉의 상단 차트는 5A일 때 스위칭을 보여주는 것으로서, 턴온 및 턴오프 동작이 약간의 발진만을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 턴오프일 때 dv/dt는 5 kV/μs로 비교적 낮은 값이다. 하단 차트는 600V 30A일 때 이 CoolSiC MOSFET 모듈의 스위칭을 보여준다.

턴오프일 때 dv/dt는 34 kV/μs로서, 5A일 때보다 훨씬 높다는 것을 알 수 있다. 스위칭 동작이 드레인 전류에 따라서 매우 종속적인 것은 SiC MOSFET의 높은 출력 커패시턴스 때문이다. 출력 커패시턴스의 높은변위 전류가 턴오프 전압을 역동적으로 상승시킴으로써 턴오프를 가속화한다. 

그 외에도 〈표 1〉과 같이 dv/dt 및 피크 전압을 측정했다.

조절 가능성 

CoolSiC MOSFET의 또 다른 이점은 외부 게이트 저항을 조절하는 것으로 dv/dt 및 di/dt를 조절할 수 있다는 것이다. 〈그림 5〉는 FF45mR12W1M1_B11 CoolSiC Easy1B 하프 브리지 모듈을 테스트한 결과다.

외부 게이트 저항의 값을 높이면 MOSFET의 dv/dt 및 di/dt를 낮출 수 있다. 그러므로 간단하게 필요에 따라서 전자기 잡음을 낮추거나 특정한 애플리케이션 요건을 충족할 수 있다.

이렇게 간단하게 dv/dt를 조절할 수 있으므로 애플리케이션 요구에 따라서 스위칭 성능을 맞춤화할 수 있다. 예를 들어서 모터 권선 절연의 경우에는 5 kV/μs 같이 dv/dt 한계에 제한이 있다. CoolSiC MOSFET을 사용하면 적합한 게이트 저항을 선택함으로써 이러한 한계를 손쉽게 충족할 수 있다.

게이트 드라이버 PCB 레이아웃을 할 때 중요한 과제 중의 하나는 드라이버 IC, 모듈 게이트, 보조 소스 핀(신호 GND) 사이에 형성되는 게이트 소스 루프 주변을 극히 낮은 인덕턴스로 유지하는 것이다. 이것은 플레인을 사용한 ‘스트립 라인(Strip Line)’ 디자인과 병렬 경로로 이루어진 넓은 트레이스를 사용해서 달성할 수 있다. 이렇게 함으로써 특히 R_g=1Ω을 사용한 하드 스위칭의 경우에 전자기 잡음을 크게 줄일 수 있다.

CoolSiC MOSFET으로 최대의 성능을 달성하기 위해서는 PCB 레이아웃에 신중한 주의를 기울여야 한다. 특히 인덕티브 루프를 최소화해야 한다. 위의 드라이버 회로 예는 CoolSiC 모듈의 성능을 측정하기 위한 용도의 평가 시스템의 일부분이다. 이 시스템을 최대 500 kHz 동작 주파수로 테스트했다.

맺음말 

인피니언의 SiC MOSFET을 사용하면 표준적 소자부품 및 토폴로지를 사용해서 최대의 스위칭 성능을 이끌어낼 수 있다.

인피니언의 CoolSiC MOSFET은 표준적 IGBT 드라이버 전압을 사용할 수 있고 우호적인 스위칭 동작을 달성하므로 특히 드라이버를 개발할 때 최소한의 설계 작업만을 필요로 한다. 뿐만 아니라 외부 게이트 저항을 사용해서 dv/dt를 조절할 수 있으므로(그러므로 EMI 관리를 간소화하고 뛰어난 스위칭 성능 달성) CoolSiC 디바이스를 기반으로 한 고성능 전원 컨버터를 개발할 때 개발 비용을 절감할 수 있다.

CoolSiC MOSFET 기술을 사용할 수 있게 됨으로써 전력 반도체가 전력 변환 효율 및 전력 밀도에 있어서 새 시대를 맞게 됐다. 이 새로운 CoolSiC MOSFET을 사용함으로써 더 소형화되고 더 효율적인 PV 인버터, UPS, 충전 시스템을 설계할 수 있다. 더 높은 스위칭 주파수와 더 작은 방열판을 사용할 수 있으므로, 실리콘 IGBT 기반 솔루션에 비해서 스위칭 손실을 최고 80%까지 줄일 수 있다.