로옴(ROHM) 주식회사(본사 : 교토)는 산업기기용 전원, 태양광 발전 파워 컨디셔너 및 UPS 등의 인버터, 컨버터용으로 1,200V 400A, 600A 정격의 Full SiC 파워 모듈 'BSM400D12P3G002', 'BSM600D12P3G001'을 개발했다. 

본 제품은 독자적인 모듈 내부 구조 및 방열 설계를 최적화한 새로운 패키지 개발을 통해, 600A 정격을 실현했다. 이에 따라, 산업기기용 대용량 전원 등, 한층 더 대전력의 애플리케이션에 대한 검토가 가능해졌다. 또한, 전류정격이 동등한 일반 IGBT 모듈에 비해 스위칭 손실을 64% 저감(칩 온도 150℃ 시)해, 애플리케이션의 에너지 절약화에 기여한다. 

뿐만 아니라, 고주파 구동에 따른 주변 부품의 소형화는 물론, 고주파 구동 시 스위칭 손실 저감 효과가 한층 더 커지기때문에 냉각 시스템 등의 소형화에도 기여한다. 예를 들어, SiC 모듈을 사용할 경우, 냉각 기구에서의 손실 시뮬레이션을 바탕으로 한 계산식에서 전류정격이 동등한 IGBT 모듈과 비교 시, 수냉 히트싱크를 88% 소형화¹⁾할 수 있다. 본 모듈은 6월부터 샘플 출하 및 양산을 개시할 예정이다. 생산 거점은 전공정 로옴 아폴로 주식회사 (후쿠오카), 후공정 로옴 본사 공장 (교토)이다.

1) 1200V 600A 제품, PWM 인버터 구동, 스위칭 주파수 20kHz, 40μm 이하의 thermal grease 두께, 히트싱크 사양은 시장에서 정보 입수 가능한 제품에서 인용, 기타 온도 조건 등은 동일한 경우

제품 개발 배경

최근, SiC는 저전력 효과를 바탕으로 자동차 및 산업기기 등에서 채용됨에 따라, 한층 더 대전류 제품의 라인업이 기대되고 있다. SiC 제품의 특징인 고속 스위칭 성능을 최대한 활용하기 위해, 특히 파워 모듈 제품과 같은 전류정격이 큰 제품에 대해서는 스위칭 시의 서지 전압의 영향을 억제한 새로운 패키지 개발이 필요했다.

로옴은 2012년 3월 세계 최초로, 내장 파워 반도체 소자를 모두 실리콘 카바이드로 구성한 Full SiC 파워 모듈 양산을 개시했다. 이후, 1200V, 300A 정류정격까지의 제품을 전개하여, 다양한 분야에서의 채용이 추진되고 있다. 이번에 새로운 패키지 개발로 IGBT 모듈 시장에서 주요한 전류정격 범위인 100A~600A까지 커버하는 Full SiC 모듈의 라인업 확충에 성공함에 따라, 수요가 더욱 확대될 것으로 예상되고 있다.

대폭적인 스위칭 손실 저감을 통해, 기기의 저전력화에 기여 

로옴의 SiC-SBD와 SiC-MOSFET를 탑재한 Full SiC 파워 모듈 실현을 통해, 전류정격이 동등한 일반 IGBT 모듈에 비해, 스위칭 손실을 64% 저감 (칩 온도 150℃ 시)했다. 이에 따라, 애플리케이션의 전력 변환 효율을 저감할 수 있어, 저전력화에 기여한다.

 

고주파 구동 실현을 통해, 주변 부품 소형화 

PWM 인버터 구동 시의 손실 시뮬레이션에 있어서, 동일 스위칭 주파수에서 전류정격이 동등한 IGBT 모듈과 비교한 경우, 5 kHz 구동 시 30％, 20 kHz 구동 시 55％로 토탈 손실을 대폭 저감했다. 이에 따라 20 kHz 구동 시, 필요시되는 히트싱크 사이즈를 88% 소형화할 수 있다. 또한 고주파 구동이 가능해 주변 수동 부품의 소형화에 기여한다.

 

대전류화를 실현하기 위한 기술 포인트 

패키지 내부 인덕턴스 대폭 저감
파워 모듈 제품의 대전류 정격화에 따라, 스위칭 동작 시의 서지 전압이 커지므로, 패키지 내부의 인덕턴스를 저감할 필요가 있다. 이번 신제품은 내장하는 SiC 디바이스의 배치 및 내부 패턴, 단자 구조 등을 최적화함으로써, 기존품 대비 내부 인덕턴스를 약 23％ 저감했다.

기존 패키지에 비해 동일한 손실 시 서지 전압을 27% 억제한 신규 패키지 G 타입 개발을 통해, 400A, 600A 정격의 제품화를 실현한다. 또한, 동등한 서지 전압 구동 조건하에서 신규 패키지 채용 시, 24%의 스위칭 손실 저감을 실현한다.

패키지 방열성 대폭 향상
600A 정격의 대전류화를 실현하기 위해서는 내부 인덕턴스의 저감과 함께 방열성도 필요하다. 신제품은 모듈의 방열성에 크게 기여하는 베이스 플레이트 부분의 평탄성을 향상시킴으로써, 베이스 플레이트와 고객측에서 탈착이 가능한 냉각 기구 간 열 저항을 57％ 삭감했다.

기존에 전개해온 SiC 모듈과 동일하게, 제품 평가가 용이한 평가 구동용 게이트 드라이버 보드도 구비하고 있다.