[테크월드=이나리 기자] 기존의 실리콘 기반 MOSFET 기술의 발전 단계가 완숙되면서 이론적으로 성능이 한계에 도달하고 있다. 이에 따라 전기, 열, 기계적 특성이 뛰어난 와이드 밴드갭(Wide band-gap) 반도체 디바이스가 성능을 더 끌어올릴 수 있는 대안으로 떠오르고 있다.

상용 실리콘 기반 전력 MOSFET는 약 40년 전 처음 등장한 이후, 그 사촌격인 IGBT와 함께 회로, 드라이빙 모터, 기타 무수한 애플리케이션을 구동하기 위한 스위칭 전원 장치에서 주된 전력 제어 소자로 자리잡았다.

MOSFET는 성공으로 인한 기술에 대한 기대치가 높아지면서 오히려 역풍을 맞고 있다. 반도체 스위치는 전반적으로 성능이 크게 향상됐고, 특히 온 저항과 스위칭 손실이 낮아지면서 애플리케이션 범위가 수많은 분야들로 확장됐다. 그 결과, Si 기반 MOSFET과 IGBT에 대한 기대치는 점점 더 높아졌으며, 더 높은 성능에 대한 요구가 끊이질 않고 있다.

지난 몇 년간 MOSFET과 IGBT를 향상시키기 위해 우수한 연구진과 유수의 기업들이 집중적인 연구와 투자를 했지만, 기술면에서 발전은 미미한 수준에 그쳤다. 이처럼 뛰어난 기술이나 제품도 결국 투입한 노력에 비해 소득이 적어지는 시점에 도달하는 것은 자연스러운 현상이다. 또 일정 시점에 이르면 투자에 대한 회수가 줄어드는 것은 당연하다. 그러나 이런 기술 개발은 새롭고 획기적인 접근 방식과 새로운 디바이스가 등장할 수 있는 발판을 마련하는 계기가 된다.

MOSFET 디바이스의 경우, 해체 사이클은 새로운 기초 소재를 개발하고 터득하게 되는 결과를 낳았다. 실리콘 카바이드(SiC) 반도체 기반의 MOSFET는 실리콘만 사용한 것 보다 훨씬 더 우수한 성능을 보여준다. 이는 R&D 샘플이나 프로토타입 데모뿐 아니라, SiC 기반 MOSFET가 이미 상용으로 도입되고 있다는 사실을 뒷받침한다.

전기차/하이브리드차(EV/HEV)는 MOSFET 디바이스를 유용하게 활용하고, 빠르게 성장하면서 동시에 디바이스의 개발과 제품화를 견인한 주요 애플리케이션이다. 이런 배터리를 탑재한 자동차는, 소비자들이 대체로 생각하는 것처럼 단순히 대형 배터리팩이 전기 트랙션 모터로 연결된 형태(HEV의 경우, 충전용 소형 가솔린 엔진 추가)가 아니라 훨씬 더 복잡한 형태를 가진다. 여기에는 작동, 관리, 특수 기능들을 위해 수많은 전자 모듈이 필요하다[그림 1]. 

그림 1] HEV/EV는 대형 배터리와 트랙션 모터 외에 다수의 소형 전자 서브시스템, 시스템의 전원장치들뿐만 아니라 대형 배터리 어셈블리의 충전, 방전, 관리를 위한 고전력 전원장치들이 필요하다.


다음은 EV/HEV에 필요한 수많은 전원 스위칭 컨버터 시스템 중 일부를 보여준다.

• 휠 모터용 트랙션 인버터(200kW/최대 20kHz)
• AC 입력 온보드 차저(20kW/50kHz~200KHz)
• 선택적인 급속 충전 기능(50kW/50kHz~200kHz)
• 각종 보조 기능용 전원: 운전자 콘솔, 배터리 관리와 제어, 에어 컨디셔닝, 인포테인먼트, GPS, 커넥티비티(4kW 대/50kHz~200kHz)

효율에 집중하는 이유는 무엇인가? EV/HEV의 시급한 과제 중 하나는 주행 거리다. 인버터 성능을 약간만 향상시켜도 개발자가 느끼는 기본적인 FOM(Figure of Merit)을 유의미하게 높일 수 있기 때문이다. 하지만 단지 그 이유 외에도 효율 향상은 다음과 같이 여러 측면에서 바람직하다.

• 동작 온도를 낮춰 신뢰성 강화
• 열 부하를 낮춰 히트 싱크, 래디에이터, 냉각액, 기타 기술을 통해 소산시켜야 하는 열의 감소 가능
• 충전 시간 단축과 기본적인 전기 사용 감소
• 열 관련된 요구나 제약을 줄일 수 있으므로 패키징에서의 유연성 강화
• 규제 기관의 요건을 더 수월하게 충족시킬 수 있음

SiC로 과제 해결
SiC를 사용하면 더 고효율을 얻을 뿐만 아니라 부수적인 효과도 거둘 수 있다. 그렇다면 SiC는 현재 주로 사용되고 있는 순수 실리콘 MOSFET와 비교할 때 그 구조와 성능이 어떻게 다른가? 기본적으로 SiC는 SiC n+ 서브스트레이트 위에 SiC n 도핑 에피택시층(또는 드리프트층)으로 이뤄졌다[그림 2].

중요한 파라미터인 온 저항 RDS(ON)이 주로 이 드리프트층의 저항 RDrift, 소스/바디 접점과 드리프트층 간의 채널 저항에 따라 결정된다.

[그림 2] 순수 실리콘만을 사용하는 것과 달리 SiC MOSFET는 n+ SiC 서브스트레이트 위에 실리콘 카바이드 에피택시(드리프트)층을 사용한다. SiC 드리프트층 위에는 전력 소스와 게이트 접점을 성장시킨다.


접합부 온도 25⁰C 에서 특정 RDrift 값에 대해, SiC 트랜지스터는 다이 면적을 실리콘 수퍼정션에 비해 몇 배 더 작게 할 수 있으며, 같은 다이 크기에서 훨씬 더 높은 성능을 제공할 수 있다. 또 다른 관점에서 살펴보면, 잘 알려진 FOM인 RDS(ON) x 다이 면적을 사용해 SiC와 Si를 비교할 수 있다(수치가 낮을수록 우수). 1200V 블로킹 전압인 ST의 SiC MOSFET는 이 FOM 수치가 현재 시장에 출시된 가장 우수한 고전압 실리콘 MOSFET(900V 수퍼정션)의 약 10분의 1에 불과하다. 

트랙션 인버터로 주로 사용되는 실리콘 IGBT와 SiC MOSFET을 비교하면 다음과 같은 이점을 들 수 있다:

• 낮거나 중간인 전력 레벨로 스위칭 손실과 전도 손실을 낮춤.
• IGBT에서와 같은 PN 접합부 전압 강하가 없음.
• SiC 디바이스는 견고하고 빠른 진성(Intrinsic) 바디 다이오드를 포함하므로 외부 다이오드가 필요하지 않음. 이 진성 다이오드는 복구 전하가 거의 없음.
• 더 고온(200⁰C)에서 동작 가능, 냉각과 히트 싱크 요구를 줄일 수 있어 신뢰성 강화 가능.
• 동일 효율로 IGBT의 4배인 주파수로 동작 가능. 따라서 더 작은 수동 소자와 더 적은 수의 외부 소자를 사용할 수 있어 무게, 크기, 비용 감소 가능.
 
구동 문제

숙련된 엔지니어들은 전력 디바이스 자체가 전체 시스템에 필수적인 수많은 부품 중 하나에 불과하다는 사실을 잘 알고 있다. 신뢰할 수 있고 효율적이며 경제성이 뛰어난 설계를 달성하기 위해서는 MOSFET에 적합한 드라이버가 필요하며, 이 드라이버는 MOSFET와 부하의 고유한 전류 슬루(Slewing), 전압 레벨, 타이밍 제약에 딱 맞아야 한다. Si 기반 MOSFET는 충분히 발달된 기술이므로 드라이버/MOSFET 쌍이 잘 작동하도록 하는 표준 드라이버가 다수 업체들로부터 다양하게 출시 돼 있다. 

따라서 SiC MOSFET에 대해 구동이 얼마나 쉬울지 혹은 어려울지, 또 성능이 우수한 드라이버를 구입할 수 있을지 염려되는 것은 당연하다. 하지만 다행히 SiC 기반 MOSFET의 구동은 Si 기반 MOSFET 구동과 마찬가지로 쉽다. 80mΩ 디바이스용 20V의 게이트-소스 전압과 약 2A(최대) 대의 전류 구동만이 필요하기 때문이다. 그 결과, 대부분의 경우 간단한 표준 게이트 드라이버를 사용할 수 있다. 또한 ST의 TD350처럼 ST 외의 업체 또한 SiC MOSFET에 최적화된 추가 게이트 드라이버를 개발해 왔다.

이 첨단 게이트 드라이버는 혁신적인 능동 밀러 클램프(Miller-Clamp) 기능을 포함해, 대부분의 애플리케이션에서 음의 게이트 구동을 할 필요가 없으며, 상측 드라이버에 간단한 부트스트랩 전원을 사용할 수 있다. 또한 레벨과 지연이 조절 가능한 2레벨 턴오프 기능을 내장하고 있어, 과전류나 단락 회로 상태에서 턴오프 시의 지나친 과전압으로부터 보호할 수 있다.

2레벨 턴오프 기능으로 설정된 동일한 지연시간을 턴온에도 적용함으로써 펄스 폭 왜곡을 방지할 수 있다. (SiC MOSFET의 보다 간편한 사용을 위해, ST는 애플리케이션 노트 “손실 최소화를 위해 SiC MOSFET 게이트 드라이버를 미세하게 조정하는 방법”을 제공하며, 여기에서는 최대 성능을 달성하는 드라이버 요건과 솔루션을 매우 상세하게 설명하고 있다.)

상상이 아닌 현실

프로세스의 발전이 연구소의 R&D 단계에서 실제 생산과 대중적 사용 단계로 넘어가지 못하는 경우도 있다. 하지만 이는 SiC 기반 MOSFET의 경우에는 해당되지 않는다. 실제로 SiC 기반 MOSFET는 본격적으로 생산 중이며, HEV/EV 설계에 이미 사용되고 있다. 이는 효율, 성능, 동작 조건과 관련해 명백한 혜택들을 주고 있으며, 회로와 시스템 차원에서 확실한 이점을 제공한다.

HEV/EV 애플리케이션에 사용되는 80kW 트랙션 모터 인버터 전력 모듈과 비교해 보면, 650V SiC MOSFET가 여러 주요 동작 파라미터에서 실리콘 IGBT보다 우수한 성능을 보여준다는 점을 알 수 있다. 이 3상 인버터 설계는 역전류를 위한 동기 정류 모드를 갖춘 바이폴라 PWM 토폴로지를 사용했다. 두 디바이스의 크기는 접합부 온도가 각각 절대 최대 정격의 약 80%가 되도록 했다.

한쪽은 4개 병렬 650V/200A IGBT에 동일한 정격의 프리휠링 실리콘 다이오드를 사용하고, 또 한쪽은 7개 병렬 650V/100A SiC MOSFET에 외부 다이오드는 사용하지 않았다(내부 진성 바디 다이오드 사용). 피크 전력은 480Arms(10초)이고, 평상시 부하는 230Arms로 동작했다. 그 외 동작 조건은 다음과 같다:

• DC 링크 전압: 400Vdc    
• 스위칭 주파수: 16kHz
• SiC는 Vgs가 +20V/-5V, IGBT는 Vge가 ±15V 
• 냉각액 온도: 85℃
• RthJ-C(IGBT-die) = 0.4℃/W, RthJ-C(SiC-die) = 1.25℃/W
• 모든 조건에서 Tj ≤ 80% × Tjmax℃ 

[표 1] 피크 전력 등급에서의 전력 손실을 보여준다:


[표 1]을 보면, 거의 모든 에너지 손실 요인들이 현저히 향상된다는 것을 알 수 있다. SiC MOSFET는 병렬화로 인한 이점 때문에 IGBT에 비해 낮은 전도 손실을 실현한다. MOSFET을 병렬로 사용하면 결과적인 RDS(ON)이 MOSFET 수만큼 나뉘게 되고, 따라서 전도 손실을 0까지 낮출 수 있다. 반면 IGBT를 병렬로 사용하면 결과적인 VCE(SAT)이 선형적으로 감소하지 않으며, 최소 온 전압 강하가 약 0.8V~1V로 제한된다.

SiC 기반 MOSFET 솔루션은 전체 부하 범위에 걸쳐 훨씬 더 낮은 손실을 보여준다. 또한 이 MOSFET은 온 전압 강하가 더 낮아, 100% 부하일 때 전도 손실이 125W에서 55W로 감소한다[그림 3a와 3b]. 

[그림 3] a) SiC 기반 설계(빨간색)가 전체 부하 범위에 걸쳐 Si 기반 IGBT(파란색)보다 전력 손실이 훨씬 낮다.
[그림 3] b) SiC 시스템(빨간색)의 효율이 순수 Si 시스템(파란색)보다 훨씬 높으며, 특히 부하가 더 낮을수록 더 우수하다.


SiC 기반 디바이스는 낮은 부하일 때 효율이 최고 3%까지 더 우수하며, 전체 부하 범위에 걸쳐 전반적인 효율이 1% 이상 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 1%가 미미해 보일지 몰라도, 이 정도는 상당한 전력과 관련 소실을 의미하며, 그만큼의 열 발생으로 이어진다. 고온은 지속적인 동작과 신뢰성 달성을 가로막는 적이다.

또 우수한 효율로 EV의 주행 거리를 확장할 수 있으며, 이는 자동차 제조업체와 소비자 모두에게 높이 평가된다. 16kHZ에서의 SiC와 IGBT를 비교해 보면, 모두 85⁰C 냉각액을 사용할 경우 낮은 부하에서 풀 부하에 이르기까지 SiC가 확실한 승자라는 것을 알 수 있다[그림 4]. 이 데이터에 따르면 IGBT의 냉각 시스템은 더 높은 손실 때문에 더 효율적으로 만들어져야 할 필요가 있다. 

[그림 4] 온도에 따라 동작 범위, 신뢰성, 기타 성능 특성이 결정된다. SiC 솔루션(빨간색)이 신뢰성 면에서 실리콘 솔루션(파란색)보다 우수하며, 이는 SiC가 100% 부하에 이르기까지 Δ(Tj-Tfluid)가 더 낮기 때문이다.


또한 SiC 디바이스는 거의 전체 동작 주파수 범위에 걸쳐 더 낮은 온도를 나타내며[그림 5], 8kHz의 낮은 주파수에서도 IGBT보다 더 낮은 온도로 동작하고, Si 기반 IGBT는 46kHz에서 이미 사양 범위를 벗어나 있다.

[그림 5] SiC 디바이스가 전체 동작 주파수 범위에 걸쳐 더 낮은 온도로 동작한다는 점도 동작상의 주요 장점이다. 이 두 과정은 대략 8kHz 지점에서 똑같이 출발하지만 이후부터는 SiC 솔루션(빨간색)이 Si(파란색)에 비해 우수하며, Si는 주파수가 오를수록 온도가 급격히 상승한다.


SiC MOSFET 솔루션의 크기를 조정해 IGBT보다 전도 손실이 더 큰 피크 전력 펄스 조건에서 접합부 온도를 최대 수준(보통 200⁰C Tjmax의 80%) 이하로 유지하면, SiC MOSFET는 다음과 같은 이점들을 제공한다.

• 반도체 면적 감소로 보다 소형의 솔루션 설계 가능
• 경량과 중간 부하에서의 손실이 크게 감소
• 배터리 수명의 대폭 연장과 거리 연장
• 풀 부하에서의 손실을 낮춰 보다 소형의 냉각 솔루션 가능
• 전체 부하 범위에 걸쳐 접합부 온도 Tj와 냉각액 온도 Tfluid 사이의 차이를 줄여 신뢰성 강화

이런 특성들은 사용자에게 확실한 가치를 제공한다. 효율을 최소 1% 이상 향상시키고(75% 더 낮은 손실), 인버터 측으로 더 가벼운 냉각 시스템을 사용할 수 있으며(약 80% 축소), 더 작고 가벼운 전력 모듈(50% 축소)을 설계할 수 있다. 

가격 문제

어떤 기술이든 그 발전과 이점에 대해 살펴볼 때는 비용 요인을 고려하지 않을 수 없다.  현재 SiC 기반 MOSFET의 가격은 실리콘 IGBT의 4~5배에 이른다. 하지만 기본 소자 비용에서의 이런 가격 차이는 BOM, 냉각, 에너지 비용을 포함한 전체 시스템 차원의 비용 절감으로 상쇄할 수 있는 경우가 대부분이다. 향후 2~5년의 전망에 따르면, 이 가격은 업계가 더 큰 직경의 웨이퍼로 전환하고, RDSON x 면적 FOM이 향상됨에 따라 그 차이가 3배에서 2.5배까지 낮아질 것이다. 더 장기적으로는 5~10년에 걸쳐 동일 요인에 있어 기술이 발전함에 따라 비용이 지속적으로 감소할 것이다.

SiC 기반 전력 스위치는 애플리케이션과 설치에서의 설계 단점을 최소화하면서 성능상의 이점을 제공하고 미래를 약속한다. 이는 HEV/EV의 발전과 관련된 수많은 전력 모듈, 기타 고전력 모터 중심 애플리케이션에 대한 흐름을 고려할 때, SiC 기반 전력 스위치는 작은 개선만으로도 시스템 차원에서 큰 효과를 얻을 수 있어 성공적인 디자인 설계 역할을 할 수 있다.

글: 제프리 페디슨(Jeffrey FEDISON) ST마이크로일렉트로닉스 애플리케이션 수석 엔지니어
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스

 

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