고효율 전자 기기 설계에 SiC 채택 비율 높아져
SiC MOSFET 활용, 소자 선정과 게이트 저항값
튜닝에 달려있어 더블 펄스 테스트 등 숙지해야


전력 효율 향상은 전자 기기를 설계하는 모든 엔지니어의 목표라 할 수 있다. 오랫동안 안정적으로 동작하는 고성능 전자 기기는 시장 경쟁력이 크고, 요즘처럼 환경 보호와 ESG 경영이 화두가 되는 시점엔 더욱 수요가 크기 때문이다.

이를 위해 많은 전자 기기 제조사가 기존 실리콘(Si) 기반 소자보다 높은 전압을 허용하고, 손실마저 낮은 실리콘카바이드(SiC) 및 갈륨나이트라이드(GaN) 기반의 와이드밴드갭(Wide-bandgap; WBG) 소자를 자사의 제품에 탑재하고 있다.

MOSFET는 전자 기기의 필수 소자로, 최근에는 SiC 소재를 채택한 제품이 많이 출시되고 있다. SiC MOSFET은 Si 소자 대비 가격은 비싸지만, 효율이 높고 크기도 작단 이점을 지녔다. 하지만 시스템 설계를 최적화 못하면 이러한 이점을 활용하지 못하며, 시스템의 신뢰성까지 훼손한다. 이러면 채택한 의미가 없다.

인피니언 코리아 산업용 전력 제어 사업부는 상용 인버터, ESS 등 산업용 제품에 사용되는 소자 솔루션을 제공하고 있다. 여기서 기술지원을 담당하는 이건호 차장에게 SiC MOSFET 채용과 활용을 어떻게 하면 잘할 수 있는지에 관해 물었다.



Q. MOSFET 시장에서 SiC 제품의 추세는 어떻습니까?

A. SiC MOSFET은 MOSFET 시장보다 IGBT 시장에서 더 관심을 받고 있습니다. SiC MOSFET은 기본적으로 스위칭 손실이 적어 고속 스위칭이 가능한 것이 가장 큰 장점인데, MOSFET 자체가 스위칭 손실이 적습니다. 그래서 Si MOSFET 대비 SiC MOSFET의 장점이 IGBT 대비 SiC MOSFET 장점보다는 작은 편입니다.



Q. SiC MOSFET 설계 시 가장 어려운 부분은 어디인지?

A. SiC MOSFET은 고속 스위칭을 하므로 c*dv/dt로 인한 게이트 오동작이 큰 문제입니다. 이를 해결하는 가장 대표적인 방법으론 게이트 단에 네거티브 전압을 사용하는 것입니다. SiC MOSFET은 네거티브 전압이 커질수록 수명이 저하되기 때문에 가능한 한 가장 작은 네거티브 전압으로 c*dv/dt를 해결해야 합니다.

그러다 보니 게이트 저항 선정이 아주 중요합니다. 문턱 전압이 타사보다 1~2V 높은 인피니언 소자는 작은 게이트 저항을 사용할 수 있는 환경을 만들 수 있으며, 스위칭 주파수나 손실에서 큰 이점을 가질 수 있습니다.



Q. SiC MOSFET 소자의 적절성은 어떻게 평가합니까?

A. 짧게는 2가지를 검증해야 합니다. 하나는 턴오프 스파이크 전압(Turn-off spike voltage)이 내압을 넘어가는지 아닌지입니다. 이때 전류 조건이 클 때가 가장 안 좋은 사례로, 단락 시험을 병행해야 합니다. 다른 하나는 c*dv/dt 체크입니다. 이때는 전류가 작은 조건일 때가 가장 안 좋은 사례가 됩니다.



Q. 적절성 테스트 중 ‘더블 펄스 테스트’가 있던데, 어떤 테스트인지?

A. 더블 펄스 테스트(double pulse test)와 일반 부하 테스트의 가장 큰 차이는 특정 전류 조건에서 측정하느냐 매번 다른 전류에서 테스트하느냐입니다.

부하 전류는 사인파(sine wave) 등 실시간으로 변합니다. 게이트 저항이 10Ω일 때는 10A으로, 5Ω일 때는 9A이나 11A에서 측정하는 경우, 전류가 낮아져서 개선된 것처럼 보이는 것인지 실제로 개선된 것인지 판단하기 어렵습니다.

부하의 전류가 해당 소자의 전류인지, 다른 소자에도 흐르는 전류인지도 알 수 없어, 선정한 게이트 저항값에서 Eon 및 Eoff 등 스위칭 손실 측정도 어렵습니다.

SiC MOSFET 같은 경우는 단가가 비싸서 손실 최적화로 이득을 취해야 합니다. 그런데 정확한 Eon, Eoff 값을 측정할 수 없다거나, 더 낮은 저항을 쓸 수가 있는데도 마진이 큰 저항을 써서 이를 취할 수 없다면, 손해로 이어질 수 있습니다.

특히 턴오프 스파이크 전압 같은 경우는 신뢰성 부분에서 소자의 손상이나 안정성과 연결될 수 있으므로, 정확한 조건에서 게이트 저항을 선정하고 스위칭 손실도 측정하는 것이 필요하며, 이에 최적화된 테스트가 더블 펄스 테스트입니다.



Q. 인피니언의 SiC MOSFET 및 드라이브 IC 제품의 강점은?

A. SiC MOSFET, 드라이브 IC 각각 2가지 장점이 있습니다.

먼저 인피니언 SiC MOSFET은 문턱 전압이 4.5V입니다. 현장에선 데이터시트의 문턱 전압 최솟값에 설계를 맞추는데, 최소 기준도 3.5V입니다. 1V 대의 제품이 주류란 걸 고려할 때, 인피니언 제품의 문턱 전압은 타사 대비 2배 이상입니다.

또한, 인피니언은 단락 시 견딜 수 있는 내량(short circuit capability)을 보증합니다. 데이터시트에서 이를 보증하는 업체는 인피니언 이외에 거의 없으며, TO-247 등 디스크리트 기준으로 3us, 모듈 기준으로 2us를 보증합니다.

SiC MOSFET을 채용하는 프리미엄 시스템이 신뢰성과 안정성을 보장할 수 없다면 효율이 조금 높은 것은 큰 의미가 없어, 이를 향상하는 것에 몰두했습니다.

다음으로 인피니언 드라이브 IC의 가장 큰 장점 중 하나는 소프트 턴오프(soft turn-off) 기능이 있다는 것입니다. 인피니언 드라이브 IC는 평상시에는 하드 오프(hard off)해서 손실을 최소화하고, 단락 발생 시에만 천천히 턴오프됩니다.

턴오프 스파이크 전압(turn-off spike voltage)는 단락 전류가 흐를 때가 가장 안 좋습니다. 이땔 기준으로 내압을 넘지 않게 설계하면 평소에도 턴오프 시 손실이 큰 게이트 저항을 사용해야 합니다. 소프트 턴오프 기능은 이를 방지합니다.

이 기능은 SiC MOSFET를 위해 나왔다고 해도 과언이 아닙니다.

두 번째는 DESAT 필터 시간을 조정할 수 있다는 것입니다. 대부분 소자의 필터 시간이 수백ns인데, 이는 노이즈로 인한 오감지가 충분히 발생할 수 있는 시간입니다. 하지만 DESAT 필터 시간을 최대 4us까지 조정할 수 있는 소자는 DESAT 오감지로부터 시스템을 안전하게 보호할 수 있습니다.



Q. 소개하고픈 SiC MOSFET 관련 인피니언 솔루션이 있다면?

A. 인피니언은 맞춤형 열 커플러 샘플(customized thermal coupler sample)을 제공하고 있습니다. 단일 칩이 하나 들어가는 TO-247 등 디스크리트 제품은 온도 측정 및 관리가 쉬운 편인데, 다수의 소자가 들어가는 모듈의 경우 정션 온도 측정이 어렵고 온도 관리도 쉽지 않습니다. 이를 위해 칩 위에 온도 센서를 부착해 정션 온도 실측이 가능한 맞춤화된 모듈 샘플을 제공하고 있습니다. 실제 구동 중에 정션 온도를 실측할 수 있어 온도 관리 측면에서 큰 장점이 있습니다.



Q. SiC MOSFET 시장에서 인피니언의 목표와 계획은?

A. 현재 인피니언의 디스크리트 SiC MOSFET 라인업은 650V 제품에서 27mΩ까지, 1200V 제품에서 30mΩ까지 지원하고 있습니다. 인피니언은 내년이나 내후년에 더 작은 RDS(on), 즉 한 자리 대의 mΩ까지 지원하는 제품을 출시할 계획입니다. 그와 별개로 모듈 솔루션의 경우 2mΩ까지 계획하고 있어, 대전류 애플리케이션에서도 적합한 SiC MOSFET 솔루션을 점차 제공할 방침입니다.



SiC MOSFET을 채택한 시스템의 상태를 진단하고, 게이트 저항값을 튜닝하는 방법에 관해 알아보는 인피니언의 웨비나가 오는 7월 22일(목) 오전 10시 30분에 진행될 예정이다. 해당 웨비나에선 SiC MOSFET이 하프 브리지 구조로 되어있는 보드를 활용한 예시가 시연된다. 더블 펄스 테스트는 단상이나 3상에서도 한 상만 진행하기 때문에 하프 브리지 보드로 충분히 테스트를 진행할 수 있다.