By 아킬 나이르 (Akhil Nair),
Technical Marketing Manager for IGBTs, ON Semiconductor

절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT) 소자는 고성능 전력 변환(High Performance Power Conversion, HPPC) 회로부의 주요 요소이다. 전력 모스펫 (MOSFET)은 일반적으로 중/저전력 응용에 사용되며, 1kV를 초과하는 전압 정격을 가지는 IGBT는 1kV를 초과하는 전압정격이 필요한 환경에서 사용할 수 있도록 최적화 되어있다. 이러한 소자들을 이용해 시스템 효율을 높이고 손실을 줄이는 것이 엔지니어들의 최대 관심사이다. 아래와 같이 이 주제에 대해 자세히 다루고자 한다.

질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN) 혹은 탄화 규소(Silicon Carbide, SiC)와 같은 기술은 단가가 너무 높다. 대부분의 애플리케이션에 적용하기에는 원가 절감효과측면에서 단가가 너무 높아 숙제로 남아있다. 폭넓게 이 기술이 사용되도록 가격 하락을 기대하려면 동작의 안정화 외에도 규모의 경제가 요구되므로 GaN/SiC 기술의 일반적인 상용화는 아마도 5-8년 뒤에나 가능할 것으로 예상된다. 그래서 이 방법은 상용화 측면에서 아직은 가능성이 높지 않다고 판단되기에 차선의 대책이 절실히 필요한 상황이다.

따라서 반도체 업계는 새로운 소재 개발 대신 기존의 IGBT 기술의 성능을 높이는 방법을 찾아야 한다. 문제는 ‘과연 어떻게 할 것인가?’ 이다.

애플리케이션 수요

고전력 IGBT 소자는 현재 늘어나는 고주파수 수요를 지원하도록 기술 발전이 이뤄져야 하며, HPPC(고성능 전력 변환) 애플리케이션 사용 시 최소 20kHz 이상을 확보해야 한다. 이러한 성능은 하이브리드/전기 차량 (HEV), 태양열 기반시설, 무정전 전원공급기(UPS) 장치, HEV 충전 장치 등 애플리케이션 분야에서 적용이 기대된다. 이들 애플리케이션은 특히 고주파에서의 상당한 전력 효율을(대부분의 경우 최고 95%) 필요로 한다. 즉, 이는 곧 애플리케이션의 요구사항에 따라 기존 IGBT 기술의 변환 손실이 줄어들어야 함을 의미한다.

열 관련 문제 해결 또한 IGBT 기술의 또 다른 중요한 부분으로서 간과해서는 안될 부분이다. 오늘날의 복잡한 동력 장치 설계에서 공간은 보통 상당히 제약적이다. 전환 성능 및 시스템 효율 향상을 통해 방열판 기구에 필요한 공간을 최소화할 수 있다. 이를 통해 보드 공간 활용도를 높이고 재료비를 감소하는 동시에 신뢰도 향상도 가능해진다.

실리콘 기술을 유지하며 IGBT의 성능 특성을 향상할 수 있는 유일한 방법은 IGBT 설계 법에 대해 다각도로 새롭게 접근해보는 것이다. IGBT 운영 정의와 동력 효율에 가장 큰 영향을 미치는 데에는 2가지 기준이 있다. 첫 번째는, 총 스위칭 손실(Ets)인데 이는 턴온(Eon) 및 턴오프(Eoff) 스위칭 손실의 합계이다. 특히 소자가 높은 스위칭 주파수 및/혹은 높은 가동 온도에서 작동할 때 IGBT 스위칭 손실은 상당히 치명적이다

두 번째는, 콜렉터-에미터 포화 전압 (Collector-Emitter Saturation Voltage (VCEsat)에 의한 전도 손실이다. 스위칭 손실 성능 및 전도 손실 성능 사이에는 불가피한 상충점(trade-off)이 존재한다. 설계 엔지니어들은 세부 요소를 별개로 살피기보다는 전체를 생각해야 할 필요가 있으므로 다음과 같은 성능 지수(FoM)를 참조해야 한다:

FoM= VCEsat x Ets

성능 지수(FoM)는 엔지니어들이 IGBT 성능을 벤치마크하고 각기 다른 업체에서 제조된 소자들을 비교하는 데에 일관된 방법을 제공한다.

IGBT 전환 손실에 관한 사항
앞서 기술한 바와 같이 IGBT 스위칭 성능은 기본적으로 Eon 및 Eoff 의 두 가지 요소로 이루어진다.
IGBT의 Eoff 는 다음 두 가지 방법을 통해 감소할 수 있다;

a, 소자의 속도를 증가시킴으로써.... (즉, 고속에서 저속으로의 과도 시간을 줄임)
b, Tail 전류를 차단함으로써

하기 그림 1은 앞서 언급된 방법들을 통해 Eoff 를 감소하는 두 가지 방법들을 소개한다. 여기에서는 소자의 속도(초고속 di/dt)를 증가시킴으로써 Eoff 을 줄여주는 회색 파형이 급격하게 상승함을 확인할 수 있다. 이는 EMI 측면에서 좋지 않을 뿐 아니라 발생하는 진동이 손실을 증가시키고 피크 전압이 파괴 전압을 초과할 경우 소자의 추가 손실을 발생하게도 한다. 따라서 자연스럽고 매끄러운 턴오프를 유지하면서도 감소된 손실을 허용하는 대체 방법 (초록색 파형)이 확연히 더 선호된다.


그림 1: Eoff 를 감소시키는 두 가지 접근법

Eoff 는 거의 대부분의 경우 IGBT 기술의 중요한 척도로 여겨지지만 Eon는 함께 co-pack된 다이오드에 의해 작동되므로 의미를 크게 부여하지 않는다. 이러한 사실에도 불구하고 소자를 전체로 간주해 시스템 성능에 미치는 영향을 고려할 경우 Eon는 시스템 손실에 큰 영향을 미치므로 절대 간과해서는 안될 부분이다. 그림 2와 같이 최대 역회복 전류(IRRM)와 역회복 시간(TRR)를 감소시키면 다이오드 역회복 성능이 향상된다. 너무 낮은 TRR 값은 결과적으로 링잉 (입력의 급속한 변동에 의해 출력에 생기는 과도적 진동상태)현상을 발생시켜 dIRRM/dT 값을 아주 높이므로, 역회복 손실을 (더 나아가 소자의 Eon을) 줄이는 가장 좋은 방법은 IRRM 를 감소시키는 것이다.



그림 2: 링잉을 유발하는 fast스위칭

IGBT 제조의 한계

사실상 대부분의 IGBT은 “수직형” 소자로 설계된다. 즉, 에미터 및 게이트 단자는 웨이퍼 기판의 한 면에 콜렉터 단자는 다른 한 면에 형성된다. 장비의 FoM은 장비가 구성하는 웨이퍼의 두께에 역비례한다. 즉, 얇은 웨이퍼를 통해 IGBT의 더 높은 FoM를 기대할 수 있다. 요즘의 IGBT는 일반적으로 <200µm의 웨이퍼로 개발된다.

근본적으로 IGBT의 FoM을 향상시키는 가장 간단한 방법은 두께를 줄이는 방법이다. 그러나 얇은 웨이퍼 사용은 상당한 모험이다. 사람의 머리카락만큼 얇은 웨이퍼를 다루는 일은 제조 과정에서 주요 쟁점이지만 두께를 감소시켜 파괴 전압을 더 낮추는 편이 더욱 중요한 일이다. .

대부분의 최신 IGBT 기술은 파괴 전압의 변동 없이 두께를 감소하는 필드 스톱(Field Stop) 기술을 사용한다. 이 기술은 콜렉터 층과 실리콘 사이의 (Field stop layer) 버퍼 층을 활용하는데 필드 스톱 층은 더 높은 파괴 전압을 허용할 뿐 아니라 IGBT의 Eoff 를 감소하는데 더 큰 도움이 된다. 두꺼운 필드 스톱 층이 장비 성능 측면에서는 유리하지만 하나로 압축 해내야 하는 실리콘 압축 기술은 그리 간단치 않다.

차세대 IGBT 솔루션

온세미컨덕터는 자체의 UFS(UltraField Stop) 트렌치 기술을 이용해 초고도 FoM를 탑재한 1200V IGBT시리즈를 출시한 바 있다. UFS 기술을 탑재한 기준 1200 V/ 40 A 소자는 현재 시장에서 우위를 차지하고 있는 대부분의 장비보다 40% 더 낮은 ETS와 15% 더 낮은 VCEsat를 자랑한다. 이는 이 소자들이 시스템 에너지 손실을 줄이고 동력 효율을 높이는 고성능 제품임을 의미한다.

UFS소자는 SIO(실리콘 온 인슐레이터)면 위에 장착된다. 또한 UFS는 105 µm 두께의 웨이퍼를 1200V IGBT에 사용한 첫 제품이다. 물론 초미세 장비는 더 두꺼운 필드 스톱 층을 필요로 한다. 두꺼운 필드 스톱 층과 얇은 웨이퍼 사용을 통해 이러한 소자들은 뛰어난 FoM를 발휘하게 된다.

이들 소자의 성능 향상에 기여한 또 다른 것은 IGBT구성 요소와 함께 co-package 된 고성능 플래티늄 실리콘 기반의 다이오드인데 이는 UFS 기술과의 결합되어 함께 구동되도록 특별히 최적화한 것이다. 이를 통해 링잉 현상 없이 원하는 역회복 손실 감소를 실행하게 된다. 그림 3은 기존의 업계 기준이었던 FS2기술과 온세미컨덕터의 UFS소자의 표준 하프 브리지 인버터 내 동력 손실 차이를 보여준다. 측정 항목 별 자세한 애플리케이션 상태는 그림에 나타나 있다. UFS기술을 통해 동력 손실이 감소되는 지를 보여준다.


그림 3: UFS기술을 이용한 효율 및 동력 손실 향상

GaN 혹은 SiC 채택이 되어 상용화되는 것은 수 년 뒤에나 가능할 것이어서, 전력용 IC 업체들은 애플리케이션 시장에 실리콘 공정을 기초로 한 고압 전환 소자들을 제공해야 하는데 IGBT 기술은 분명 그 주요 원동력이 될 것으로 예상한다. 고속 회복 다이오드 기술의 발전과 더불어 UFS와 같은 새로운 IGBT 기술은 미래 애플리케이션 요구를 만족시키도록 전력 효율을 진화시키고 있다.