실리콘 카바이드, 실리콘보다 고전압에서 동작
SiC MOSFET, 고전압에서 고속 스위칭 가능
인피니언 SiC MOSFET, 타사 대비 문턱전압 높아


전력 소비가 늘어나며 소형의 고효율 인버터에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이에 따라 인버터를 설계하는 개발자는 손실이 적고 면적대비 전류 밀도가 높은 전력 디바이스를 검토하게 됐다.

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘(Si)과 탄소(C)로 구성된 반도체 재료다.

Si보다 절연 파괴 전계 강도가 10배 높아 높은 전압에도 동작하며, 밴드 갭이 3배 넓어 온도에 상관없이 성질을 유지한다. 열전도도는 3배 높아 냉각에 들어가는 에너지도 적다.

SiC MOSFET은 위와 같은 특징들을 바탕으로 Si 기반 MOSFET은 물론 IGBT를 대체할 수 있다.

효율을 중시하는 태양광 발전(PV) 전력 저장 장치(ESS), 전기차 충전기 등의 분야에서 우선적으로 검토되고 있는 SiC MOSFET은 관련 기술의 발전과 생산 시설의 증대로 가격이 하락하며 메리트가 증가하고 있다.

인피니언 테크놀로지스 코리아에서 산업용 반도체 기술 지원을 담당하고 있는 이건호 차장을 만나 SiC MOSFET을 인버터 설계에 적용하기 전에 개발자가 미리 알아둬야 할 것들에 관해 물었다.


Q. 고효율 인버터를 설계하기 위해 업계에선 어떤 방법들을 고안하고 있습니까?
A. 인버터 시스템에 사용되는 반도체 소자의 손실은 곧 시스템의 효율과 연관되기 때문에 인피니언에서는 손실이 적게 발생하는 고효율 소자 제품 개발에 집중하고 있습니다. SiC를 기반으로 하는 인피니언의 CoolSiC MOSFET은 손실이 작게 발생하는 고효율용 인버터 소자입니다.


Q. SiC MOSFET의 Si 기반 MOSFET, IGBT 대비 장점은 무엇입니까?
A. Si IGBT는 내압이 600V나 1200V, 혹은 그 이상도 있지만, 스위칭 손실이 커서 빠른 스위칭 주파수를 사용하기 어렵습니다. Si MOSFET은 고속 스위칭하는 데는 문제가 없지만, 아주 높은 내압까지 지원하는 제품이 나오지 않습니다. 현재 900V까지의 내압을 지원하는 제품군만이 나와 있는 것으로 알고 있습니다.

SiC MOSFET은 1200V와 같은 고전압 대에서 고속 스위칭이 가능합니다. IGBT보다 스위칭 손실이 낮으므로 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있습니다. SiC 소자의 가격이 Si 소자보다 비싸긴 하지만, 시스템 주파수가 올라가면 리액터 등 다른 아날로그 소자의 크기를 줄일 수 있어 시스템 전체적으로 볼 때 오히려 비용을 더욱 절약할 수 있습니다.


Q. SiC MOSFET로 고효율 인버터를 설계할 때 주의해야 할 점들은 무엇입니까?
A. 기본적으로 고속 스위칭 소자들은 빠른 di/dt와 dv/dt 이슈를 갖고 있습니다. dv/dt는 게이트 단 쪽에 오동작을 일으킬 수 있고, di/dt는 턴 오프 시 높은 스파이크 전압을 발생시킵니다. 따라서 설계할 때 이러한 부분을 중점적으로 고려해야 합니다.


Q. 인피니언은 고속 스위칭 소자에서 일어나는 밀러 효과를 어떻게 극복하고 있습니까?
A. 일반적으로 밀러 효과를 극복하기 위해서 3가지 방법이 사용됩니다.

첫 번째 방법은 게이트의 온 저항은 높이고 오프 저항은 낮추는 것입니다. 하지만 턴 오프 스파이크 전압을 위해서 오프 저항을 높여야 할 필요도 있어 두 가지 요건을 모두 만족시키기 위해 전반적인 게이트 저항이 커지는 경향이 있습니다.

두 번째 방법은 네거티브 전압을 사용하는 것입니다. 일반적으로 15V, 0V를 사용하는 방법 이외에도 –15V에서 -8V, 혹은 더 큰 전압을 사용할 수도 있는데, SiC MOSFET은 네거티브 전압을 크게 사용하면 문턱전압이 시프트되는 이슈가 있습니다. 이는 인피니언 소자뿐만 아니라 모든 SiC MOSFET이 공통으로 가지고 있는 이슈입니다. 그래서 네거티브 전압을 무작정 키울 수는 없습니다.

세 번째 방법은 액티브 클램프 밀러 기능이 있는 드라이브 IC를 사용하는 것입니다. 이 방법은 밀러 효과 감쇄에 일정 부분 도움이 되지만, 해결책은 아니므로 보통 3가지 방법을 다 활용해야 합니다.


Q. 인피니언의 CoolSiC 포트폴리오의 타사대비 강점은 무엇입니까?
A. 크게 3가지인데, 첫 번째는 단락(Short Circuit) 보증입니다. 인피니언은 소자가 단락이 났을 때 견딜 수 있는 시간을 데이터 시트로 보증하고 있습니다. 데이터 시트에서 단락을 보증하냐 그렇지 않으냐는 큰 차이가 있습니다.

두 번째는 문턱전압이 타사대비 높다는 것입니다. 문턱전압이 2V면 어떤 기생 노이즈가 2V만 넘어가면 다시 턴 온이 되는데, 인피니언 제품은 일반적으로 4.5V로 타사보다 1~2V 이상이 높습니다.

문턱전압이 높아서 앞서 설명한 밀러 효과를 극복하는 3가지 방법을 더 적게 활용할 수 있습니다. 큰 저항 대신 작은 저항을 쓰면 손실에서 이득을 가져갈 수가 있고, 네거티브 전압도 작게 사용할수록 수명 상 유리합니다.

세 번째로, 모든 SiC MOSFET은 문턱전압이 시프트되는 이슈가 있습니다. 주파수를 높게 쓰면 쓸수록, 네거티브 전압을 크게 쓰면 쓸수록 가속화가 일어나기 때문에 인피니언에서는 안전 영역을 제시하고 있습니다.

어떤 스위칭 주파수에서 몇 V 이하를 사용하면 원하는 수명을 만족할 수 있다는 부분을 미리 문서로 제시하여 설계자가 이를 고려할 수 있도록 하는 것이 세 번째 장점입니다.


Q. CoolSiC MOSFET과 EiceDRIVER IC를 함께 사용했을 때 엔지니어가 얻을 수 있는 이점은 무엇입니까?
A. 기본적으로 전력 소자를 보호하는 방법으로 션트(Shunt)저항을 사용하는 방법과 드라이브 IC의 디셋(Desat) 기능을 사용하는 방법이 있습니다. 션트저항은 저항 자체에서 발생하는 손실 때문에 고효율을 목적으로 하는 설계에는 적합하지 않습니다.

디셋 기능의 경우 드라이브 IC 대부분이 300~400ns의 필터 시간을 가지고 있어 0.3ms나 0.4ms의 노이즈가 발생하면 보호 기능이 오동작할 수가 있습니다. 반면 인피니언의 EiceDRIVER IC는 0.5ms에서 4ms까지 원하는 필터 시간을 사용자가 선택할 수 있어 SiC MOSFET과 고속 스위칭 소자에 적합합니다.


Q. SiC MOSFET 분야에서 인피니언의 향후 목표와 계획에 대해 말씀해주십시오.
A. 인피니언은 끊임없이 고효율에 적합한, 손실이 적게 발생하는 소자와 그에 맞는 드라이브 IC를 출시하고 있습니다. 이러한 소자를 처음 접하는 분들이 어려움 없이 제품을 설계하실 수 있도록 인피니언은 온라인이나 오프라인으로 기술 지원을 지속해서 제공할 것입니다.