[오토모티브 특집] 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 차세대 시스템 구동

[테크월드뉴스=이재민 기자] 전 세계 전기 에너지 수요가 2020년에 30PW(페타와트)에 이를 것으로 전망됐다. 전기 에너지 수요는 앞으로 더 증가할 것이다. 전기 에너지를 생산하기 위해 화석 연료나 재생 에너지를 사용하는 것과 상관없이 비용을 최소화하고, 낭비되는 에너지를 줄이기 위해서는 전원 변환 장치의 효율이 중요하다.

산업 분야가 전기 모터의 형태로 전 세계 에너지의 50% 이상을 소비한다. 데이터 센터 역시 전력을 많이 소모하며 전기차(EV) 충전으로 인해 전기 수요가 늘고 있다. 이런 이유들로 인해 지능적으로 전력 소모를 줄이기 위한 혁신이 일어나고 있다. 이 변화를 따라잡기 위해서는 전원 변환 장치로 계속해서 손실을 더 낮춰야 한다. 이 글에서는 이것을 가능하게 하는 기술로서 와이드 밴드갭 반도체 기술에 대해서 알아본다.

전원 변환 기술과 과제
전원 컨버터 디자이너의 목표는 유틸리티 AC나 DC 버스를 사용한 분배 시스템으로부터의 전압을 다양한 DC 또는 AC 전압으로 변환하면서 효율을 극대화하는 것이다. 안전이나 기능 상의 이유에서 갈바니 절연이 필요할 수 있으며 출력 전압이 입력보다 높거나 낮을 수 있고, 레귤레이션을 하거나 하지 않을 수 있다. 오늘날에는 스위치드 모드 전원 변환 기법이 널리 사용되고 있다.

원래의 바이폴라 스위치 기술이 실리콘 MOSFET으로 대체되었으며 고전압·고전력 분야에는 IGBT(고전력 스위칭용 반도체)가 여전히 지배적으로 사용되고 있다. 한편, 오늘날에는 최신 컨버터 토폴로지로 실리콘 카바이드(SiC)와 질화 갈륨(GaN)이 경쟁 기술로서 점점 부상하고 있다. 대체로 공진 타입이 최대의 효율을 달성하고, 모터 제어에는 3위상 브리지가 사용된다.

어떤 토폴로지를 사용하냐에 상관없이 온 저항 또는 스위칭 전이로 인해 손실이 누적될 수 있다. 스위칭 전이 시에 순간적으로 높은 값일 수 있다[그림 1].

스위칭 손실은 초당 전이 횟수에 비례해 주파수가 낮을수록 좋다. 그러나, 높은 주파수는 인덕터나 커패시터 같은 수동 부품을 더 작고 가볍고 저렴한 것을 사용할 수 있다. 그러므로 스위칭 주파수를 선택하는 것은 절충적이다. 예를 들어 모터 드라이브로 수 kHz(킬로헤르츠)부터 데이터 센터의 크기를 중요하게 요구하는 DC-DC 변환으로 수 MHz(메가헤르츠)에 이르기까지 다양하게 선택할 수 있다.

스위칭 전이 시에 중요한 전력 소모 요인이 디바이스 커패시턴스 C_OSS를 충전하고 방전하기 위해서 필요로 하는 에너지 E_OSS이다. 그러므로 온 저항 R_DS(ON)과 더불어 E_OSS와 C_OSS가 중요한 파라미터이다. 온 저항과 다이 면적을 곱한 R_DS(ON).A가 총 손실을 가늠할 수 있는 FOM(figure of merit)이다. 다이 면적이 줄어드는 것에 따라 커패시턴스와 그에 따른 스위칭 손실이 줄어들기 때문이다.

와이드 밴드갭 반도체
SiC와 GaN 같은 와이드 밴드갭(WBG) 반도체는 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자를 이동시키기 위해 비교적 높은 에너지를 필요로 한다. 높은 밴드갭 값은 특히 고온으로 더 높은 임계 항복 전압과 더 낮은 누설 전류를 가능하게 한다. 또한, WBG 디바이스는 전자 포화 속도가 우수해 더 빠른 스위칭이 가능하며 특히 SiC는 열 전도도가 우수하다. [그림 2]는 주요 특성들을 비교해서 보여준다. 모든 특성이 값이 높을수록 더 우수한 것이다.

예를 들어 SiC는 특정한 두께로 실리콘(Si)과 비교하면 임계 항복 전압이 약 10배 더 우수하고, 10배의 도핑 농도로 드리프트 레이어를 10배 더 얇게 할 수 있다. 그러므로 Si보다 온 저항이 훨씬 낮으며 Si와 비교해 동일한 다이 면적으로 전력 소모가 훨씬 낮다. 또한, SiC는 열 전도도가 높아 다이를 아주 작게 할 수 있어 뛰어난 R_DS(ON).A FOM을 달성한다. [그림 3]은 SiC MOSFET, GaN HEMT 셀, Si MOSFET과 IGBT로 R_DS(ON).A를 비교해서 보여준다. 모든 디바이스가 650V 전압대다.

SiC와 GaN은 게이트 구동 전력 요구량이 훨씬 낮다. Si MOSFET과 IGBT는 효율적인 스위칭을 위해 상당한 양의 게이트 전하를 필요로 한다. 대형 IGBT의 경우에 수 W(와트)대에 이르는 구동 전력을 필요로 할 수 있어 시스템 손실을 증가시킨다. WBG 디바이스는 수치가 높은 주파수로도 mW(밀리와트)대의 구동 전력을 필요로 한다.

WBG 디바이스의 이점은 이것뿐만 아니다. WBG 디바이스는 실리콘과 비교하면 훨씬 높은 온도로 동작할 수 있으며 높게는 500°C를 넘는 온도로도 동작할 수 있다. 현실적으로는 패키징 제약 때문에 이 동작 온도가 제한될 수 있으나, 이처럼 높은 온도로 동작할 수 있다는 점은 여유를 확보할 수 있도록 한다. 온도에 따라서 게이트 누설과 온 저항이 변화하는 것 또한 실리콘에 비해 훨씬 낮다.

WBG 기술 개발
WBG 디바이스는 원래 실리콘보다 가격이 비쌌으나 점차 가격이 떨어지고 있으며 시스템 차원의 이점들이 이 비용을 상쇄할 수 있도록 한다. 예를 들어 효율을 향상시켜 히트싱크나 필터의 인덕터와 커패시터 같은 다른 부품들의 크기, 무게, 비용을 낮출 수 있도록 한다. 시스템 성능에 있어서도 유리하다. 더 빠른 스위칭이 가능해 부하 변화에 빠르게 대응하고, 매끄러운 모터 제어를 달성할 수 있다.

이런 이점들을 앞세워 어느 애플리케이션으로나 전원 변환에 WBG 디바이스를 사용하는 것을 고려할 수 있게 됐다. 또한, 디바이스 업체들이 기술을 계속 향상시켜 사용 편의성을 높일 뿐만 아니라 단락 회로나 과전압 같은 결함 조건으로 견고성을 높이게 됐다.

인피니언 테크놀로지스는 트렌치 구조([그림 4]의 왼쪽)를 사용해 낮은 게이트 전계 강도로 낮은 채널 저항을 가능하게 하고, 게이트 산화막 계면의 신뢰성을 높이도록 했다. 인피니언의 향상 모드 GaN HEMT(high electron mobility transistor) 디바이스는 평면 구조([그림 4]의 오른쪽)를 사용한다. 이 구조는 SiC MOSFET과 달리 진성 바디 다이오드를 포함하지 않아 하드 스위칭 애플리케이션에 특히 적합하다. SiC가 1200V 및 그 이상인 것에 비해 GaN 디바이스는 600V 정격이다. 그러나, GaN은 특정한 전압 정격으로 R_DS(ON)의 이론적 한계가 SiC보다 약 10배 더 우수하다.

ST 마이크로 일렉트로닉스는 자사의 1200V SiC MOSFET으로 200°C가 가능하고, 전체 온도 범위에 걸쳐 온 저항이 낮다고 밝혔다. 빠르고 견고한 바디 다이오드를 통합해 외부적 다이오드가 필요하지 않으므로 모터 드라이브처럼 정류가 일어나는 회로로 공간과 비용을 절약할 수 있다.

로옴도 SiC MOSFET 시장에 경제적이면서 혁신적인 성능을 달성하는 제품을 내놓고 있다. 로옴의 역평행 SiC 쇼트키 배리어 다이오드를 통합한 SiC MOSFET은 까다로운 정류 스위치 애플리케이션으로 평행 다이오드의 낮은 포워드 전압 강하(1.3V)가 4.6V인 바디 다이오드와 비교해서 손실을 낮춘다.

WBG 분야의 또 다른 업체인 GaN 시스템즈는 고유의 패키징 기술에 중점을 두고, GaN의 속도와 낮은 온 저항을 최대한 활용한다. GaN 시스템즈의 ‘섬 기술(Island Technology)’은 HEMT 셀 매트릭스를 금속 바의 측면 배열과 수직으로 연결해 인덕턴스, 저항, 크기, 비용 등을 낮춘다. 또한, GaNPX 패키징 기술은 와이어본드를 제거해 열 성능을 최적화하고, 전류 밀도를 높이며 높이를 낮춘다.

파나소닉은 고유의 특허 기술을 적용해 전류 붕괴를 일으키지 않으면서 ‘normally off’ 동작을 달성하는 X-GaN 디바이스를 출시했다. 전류 붕괴란 GaN으로 드레인과 소스 사이에 붙잡힌 전자가 전이 시에 높은 전압이 인가될 때 온 저항을 증가시키는 것으로 디바이스 결함으로 이어질 수 있다[그림 5]. 파나소닉의 GIT(Gate Injection Transistor) 기술은 Si MOSFET과 같은 수준의 게이트 전압으로 구동할 수 있는 진정한 ‘normally off’ GaN 디바이스를 가능하게 한다.

맺음말
WBG는 여러 측면에서 실리콘에 비해 효율성이 높으나 가격, 사용 편의성, 신뢰성 같은 점들이 걸림돌이 되어 왔다. 하지만 WBG 디바이스 업체들이 이런 문제들을 해결하고, 양산을 현실화해 다양한 시장 분야에서 이들의 디바이스가 점점 많이 사용되고 있다. 마우저 일렉트로닉스는 SiC와 GaN 기술에 기반한 WBG 디바이스 제품들을 공급한다.

<글 : 폴 리(Paul Lee)>
<자료제공 : 마우저 일렉트로닉스(www.mouser.com)>