오마르 하몬/토마스 베슬러 패니 비에르 인피니언테크놀로지스 임원

오늘날 태양광, UPS 또는 에너지 저장장치 애플리케이션에 사용되는 단상 또는 3상 인버터는 높은 효율과 초소형 설계, 광범위한 신뢰성을 요구한다. 이러한 애플리케이션에 구현되는 인버터는 1200V에서 동작하는 경우 실리콘 디바이스의 높은 동적 손실로 인해 제한된다.

600V·650V 디바이스를 사용하는 대안적인 방법은 부분적으로 효율을 향상시킬 수 있지만 이러한 방법은 특별한 제어 구조와 많은 부품 수를 갖는 보다 복잡한 토폴로지(3레벨)를 필요로 하는 단점이 뒤따른다.

실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 다이오드는 실제적인 역 복구 전하가 없다. 따라서 1200V SiC 다이오드와 1200V 실리콘(Si) IGBT로 구성된 하이브리드 세트는 다이오드 턴-오프 손실을 줄이고 Si IGBT의 턴-온 손실을 크게 낮춤으로써 보다 단순한 2레벨 토폴로지를 구현한다.

이러한 구성에서 SiC 다이오드의 정적 손실은 종종 Si IGBT·SiC 다이오드 솔루션의 최적화 가능성을 제한한다.

이러한 제한을 극복하기 위해 인피니언에서 새로 선보이는 5세대 다이오드는 순방향 전압과 소자의 온도 종속성을 낮춰 정적 손실을 감소시킨다. 이 글에서는 디바이스 설계와 어셈블리 기법의 지속적인 혁신이 어떻게 다이오드 성능과 신뢰성, 원가 위치를 향상시키는지 그리고 그 결과 효율적이고 신뢰할 수 있는 견고한 인버터 설계를 위한 보다 손쉬운 시스템을 구현할 수 있는지 살펴볼 것이다.

역 복구 전하가 없는 SiC 쇼트키 다이오드의 특성
실리콘 핀 다이오드는 큰 역 복구 전하를 갖는 것을 특징으로 하는 소수 전하 운반자의 주입에 의존하는 바이폴라 디바이스다.

다이오드의 도통 상태 동안 캐리어가 디바이스에 주입되므로 전압을 블로킹하기 전에 또는 달리 말하면 공간 전하 영역을 생성하기 전에 디바이스로부터 이를 제거할 필요가 있다.

더 높은 캐리어 밀도는 높은 역 복구 전하를 발생시킨다. 또한 역 복구 전하는 순방향 전류와 디바이스의 접합부 온도에 의존한다. 다수 캐리어 디바이스로서 SiC 쇼트키 다이오드를 사용하는 이점은 실질적으로 제로 역 복구 전하를 보인다는 것이다.

[그림1] 첨단 고속 1200V Si-핀 다이오드 및 SiC 쇼트키 다이오드 5세대(G5)의 역 복구 특성. VDC=700V, 스위치: 1200V IGBT, DI/DT=1300A/㎲, 손실: 50㎼s(G5), 190㎼s(Si-핀 다이오드). 다이오드에 인가된 역 전압은 검정색 곡선으로 표시됐다.

[그림1]의 스위칭 파형을 보면 역 복구 전류 피크는 고속 Si 핀 다이오드에 비해 매우 작다. 접합 커패시턴스에서 발생하는 변위 전류만 나타날 뿐이다. 이것은 턴-오프 손실을 크게 낮춰준다.

더욱이 쇼트키 다이오드의 동적 특성은 본질적으로 용량성이므로 SiC 쇼트키 다이오드의 역 복구 특성은 순방향 전류, DI/DT 및 디바이스 접합부 온도로부터 독립적이다.

정적 손실 감소 및 향상된 열 성능
새로운 1200V SiC 쇼트키 다이오드는 최신 세대 650V 다이오드와 동일한 기술 기반인 MPS(merged pn-Schottky) 구조를 구현한다. MPS 설계를 보다 잘 이해할 수 있도록 [그림2]에는 SiC 쇼트키 다이오드의 애노드 측이 나와 있다.

[그림2] 1200V 씬큐(thinQ) SiC 쇼트키 다이오드 5세대 설계. MPS(merged-pin-Schottky) 구조는 전기장을 쇼트키 장벽으로부터 차폐할 뿐 아니라 정공 주입으로 서지 전류 성능을 증가시킨다. (a)점선은 고전류에서 전류 밀도를 보여준다. (b)육각형 p+ 아이슬란드로 최적화된 셀 구조의 셀 설계

역 전압 애플리케이션 동안 SiC 다이오드의 블로킹 기능은 드리프트 층에 의해 제공된다. 이 층은 디바이스의 전체 저항에 많은 영향을 미친다. 따라서 다이오드가 전도될 때 순방향 전압을 낮추려면 드리프트 저항을 낮추는 것이 가장 좋다. 더 높은 드리프트 층 도핑(n)은 저항을 낮추지만, 디바이스 누설 전류를 증가시키는 단점이 있다.

이 구조에 ‘p+ 아이슬란드(island)’를 도입하면 쇼트키 접촉으로부터 전기장을 추가로 차폐할 수 있어 누설 전류를 줄일 수 있다. 따라서 MPS 구조를 사용하면 누설 전류를 크게 증가시키지 않으면서 드리프트 층 도핑을 증가시킴으로써 전체 저항을 낮출 수 있다.

5세대 다이오드의 새로운 구조는 순수한 쇼트키 설계인 이전 2세대에 비해 드리프트 저항을 50% 줄여준다.

[그림3]은 이전 세대와 새로운 세대에 대한 600A/cm2 에서 순방향 전압의 영향을 보여준다. 전류 밀도는 통상 더 낮으며 주로 패키징 디바이스의 달성 가능한 열 저항 Rth에 의해 결정된다.

[그림3] 접합부 온도 25°C 및 150°C에서 쇼트키 다이오드 설계와 MPS 설계의 순방향 전압에 대한 저항의 영향 비교

풀 부하 조건에서 어플리케이션이 동작하는 동안 순방향 전압이 완만하게 증가 하는 것은  의미가 있다. 이제 이러한 향상은 정적 손실을 감소시키면서 더 높은 전류 밀도를 구현하는 데 사용할 수 있다.

크게 향상된 서지 전류 처리 성능
MPS 설계의 또 다른 이점은 향상된 서지 전류 성능이다. 고전류에서 n 접합에서는 p+ 아이슬란드의 내장 전압이 극복되며 정공이 드리프트 층으로 주입된다.

[그림4] 고전류에서 5A 정격 5세대 1200V SiC 쇼트키 다이오드(TO-220)의 I-V 곡선

[그림4]에서 보듯이 다이오드는 순방향 특성으로 바이폴라가 된다. 이러한 설계로 인해 인피니언의 5세대 1200V SiC 쇼트키 다이오드는 일반적인 10㎳ 사인반파에서 공칭 전류의 15배가 넘는 서지 전류 레벨을 견딜 수 있다.

순방향 전압을 감소시키고 열 성능 향상시키는 박막 웨이퍼 기술
반도체 디바이스에 기계적 안정성을 제공하기 위해 [그림5]의 SiC 쇼트키 다이오드의 횡단면에서 보는 것과 같은 기판이 사용된다.

[그림5] 두껍고/얇은 박막 웨이퍼(a)와 다이오드의 접합부에서 생성되는 열에 대한 열 경로(b)를 보여주는 간략화한 SiC 쇼트키 다이오드 그림. 간략한 표현을 위해 머지드(Merged) pn 접합은 표시하지 않았다.

알벌크(Rbulk)로 표시된 기판 저항은 다이오드의 전체 차동 저항에 많은 영향을 미친다. 이 기판의 두께는 다이오드가 전도될 때 순방향 전압에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 순방향 전압을 낮추려면 기계적 안정성을 고려하면서 이 두께를 낮추는 것이 가장 좋다.

확립된 박막 웨이퍼 기술은 기판 두께를 원래의 레이아웃보다 약 1/3로 줄일 수 있다. 이 두께를 사용하면 전체 차동 저항이 감소돼 동일한 칩 크기에서 일반적인 순방향 전압을 150㎷ ~200㎷로 낮출 수 있다.

얇은 칩 두께는 순방향 전압 감소 외에도 열 저항을 향상시켜 디바이스의 전력 소모에 이점을 제공한다. 또한 더 얇은 기판 층은 쇼트키 접합 내부와 다이오드의 드리프트 층에 생성되는 열에 더 짧은 열 경로를 제공한다.

접합부에서 확산되는 열이 향상됨으로써 접합부와 패키지 리드 프레임 또는 케이스간의 열 저항이 감소된다. 이것은 특히 확산 솔더링과 같은 정교한 낮은 Rth 다이 부착을 사용하는 경우 해당된다.

이 밖에 박막 기판은 [그림5b]에서 보듯이 수직뿐 아니라 수평 방향으로도 열속(thermal flux)의 전달을 향상시킨다. 열 저항의 감소는 동일한 케이스에서 전력 소모의 등가 증가를 의미한다.

그러나 웨이퍼 박막화에 의해 ‘접합 근처’의 열 커패시턴스(Cth)가 감소된다는 사실을 염두에 두어야 한다. 서지 전류와 같은 짧은 시간 발생하는 경우에서는 순방향 전압 강하 감소와 Cth 감소 간에 트레이드 오프가 존재한다.

부스트 토폴로지의 실험 결과
SiC 및 Si 다이오드의 성능이 부스트 회로에서 평가되었다. 테스트 구성은 400VDC 입력 전압과 3000W 출력 전력을 공급할 수 있는 800VDC 출력을 사용했다.

인피니언의 25A 1200V IGBT인 IKW25N120H3이 20㎑에서 동작하는 부스트 스위치로 사용됐다. 통상 이 출력 전력 범위에 통합되는 상용 18A 초고속 Si 다이오드가 사용됐다.

부스트 인덕터는 2.5mH의 인덕턴스 값을 갖는다. [그림6]은 10A SiC 및 부스트 다이오드로 사용되는 18A Si 다이오드에 대한 출력 전력의 함수로서 효율 곡선 및 부스트 다이오드 케이스 온도를 그래프로 나타낸 것이다. 테스트는 25°C 온도에서 수행됐다.

[그림6] 최대 출력 전력 3000W에서 10A SiC 및 18A Si 다이오드의 부스트 회로의 효율 결과(a)와 부스트 다이오드 케이스 온도(b)

2400W 출력 전력에서 SiC를 사용하는 부스트 효율은 97.9%이며 Si 다이오드는 97.0%다. Si 다이오드에 대한 이 출력 전력에서 측정된 케이스 온도는 96.7°C인 반면 SiC 다이오드는 84 °C다. SiC는 감소된 역 복구 전하로 인해 85°C의 케이스 온도에서 부스트 출력 전력이 3000W에 도달할 수 있다.

두 세대의 SiC 다이오드 기술의 효율 향상을 비교하기 위해 부스트 스위치만 제외하고 위와 동일한 테스트 구성이 사용됐다. 이 테스트에서는 최대 출력 전력 6㎾를 제공할 수 있는 SiC JFET가 부스트 스위치로 사용됐다.

[그림7]은 출력 전력 퍼센트의 함수로서 효율 곡선과 부스트 다이오드 케이스 온도를 그래프로 나타낸 것이다.

[그림7] TO-247로 제공되는 인피니언의 5세대 및 2세대 10A SiC 쇼트키 다이오드에서 800V 출력 전압을 갖는 부스트 회로의 효율(a)과 SiC 다이오드 케이스 온도(b) 결과

100% 출력 전력에서 5세대의 부스트 효율은 97.1%인 반면, 2세대는 96.2%를 달성했다. 더욱이 이 출력 전력에서 5세대에 대해 측정된 케이스 온도는 93.6°C인 반면 2세대는 115.1°C를 나타냈다. 100% 출력 전력에서 이러한 디바이스 온도의 감소는 다이오드 손실을 30% 줄인 결과다.

요약
순수한 Si 기반 솔루션과 비교할 때 하이브리드 Si IGBT/SiC 다이오드 세트를 사용할 경우 설계 엔지니어는 UPS, 태양광 인버터, 에너지 저장장치 및 기타 산업용 애플리케이션을 위한 시스템 최적화에서 높은 유연성을 얻을 수 있다.

Si를 SiC 다이오드로 대체하면 보다 낮은 디바이스 온도로 인해 시스템 신뢰성을 높일 수 있다. 또한 동일한 폼 팩터에서 더 높은 출력을 달성할 수 있다.

뿐만 아니라 더 작은 히트 싱크와 EMI 필터를 사용해도 추가적인 시스템 변경을 최소화하면서 전력 밀도를 증가시킬 수 있다.

인피니언의 새로운 5세대 1200V SiC 쇼트키 다이오드는 이러한 보다 높은 유연성, 낮은 손실의 턴-오프를 지원하면서 특히 높은 온도에서 정적 손실과 서지 전류 처리 성능을 극적으로 향상시킨다.

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