이코노팩 4 -강인하고 신뢰성 높은 차세대 전력 모듈

전력모듈

글 : 빌헬름 루체 / 인피니언 테크놀로지스www.infineon.com최신 기술에 기반한 전력 반도체 디바이스들은 보다 많은 애플리케이션 영역에서 사용이 가능하다. 재생 에너지 시스템에서 에너지 생성을 위해 반도체를 사용하는 것도 하나의 예가 될 수 있으며, 자동화 시스템 역시 이러한 발전을 활용한다.새로운 반도체 다바이스들은 전력손실이 작고 잡음 생성이 적으며 계속적으로 작아지고 가벼워진다. 다양한 애플리케이션들을 살펴보면, 보다 높은 전력 밀도를 가진 최신 반도체 시스템들이 요구되는데, 이와 같은 전력 모듈들의 중요한 요소들은 높은 신뢰성, 강건성 및 긴 수명이다.진동 조건 하에서 강인성과 신뢰성은 철도차량 애플리케이션에서뿐만 아니라 많은 표준 산업용 드라이브에서도 매우 중요하다. 전력 모듈 엔지니어들은 새로운 제품 개발 시에 이와 같은 증가된 요구들을 구현해야만 한다. 반도체 디바이스의 구성과 전력 등급은 요구되는 접합 기술을 포괄적으로 정의한다.최대 30kW 전력 범위의 드라이브 애플리케이션과 UPS(Uninteruptable Power Supply) 애플리케이션에 대해 솔더링 가능한 핀을 가진 이코노팩과 이코노핌(EconoPIM) 모듈은 이전까지의 구조를 변화시켰다. 75kW 이상의 애플리케이션에 대해서 이코노팩+ 모듈은 2000년대 초에 전력 모듈에 대한 새로운 표준을 수립했다. 이러한 이코노 전력 모듈들은 인버터 설계 엔지니어들에게 콤팩트한 인버터를 구현할 수 있게 했다(그림 1).이러한 이코노 모듈의 성공과 더불어 애플리케이션에서의 요구가 지속적으로 증가함에 따라 인피니언은 22kW에서 75kW 사이의 전력 등급을 위한 새로운 전력 모듈을 개발했다. 이 새로운 IGBT 모듈 솔루션은 그림 2에 나타낸 이코노팩 4이다.이코노팩 4 - 새로운 표준을 위한 하우징 개념이코노팩 4는 온도 측정을 위한 NTC 레지스터를 포함하는 6팩 IGBT 모듈이다.잘 알려진 이코노 하우징 원칙에 기반한 패키지는 플랫 공정 기술을 통해 특성화되었다. 이코노팩 및 이코노핌 모듈에 비해 보다 높은 전력 등급을 가지므로 주요 단자들이 스크류 연결로 구현되었다. 이러한 전력 단자들은 인피니언의 이코노팩+와 유사한 소위 플로 쓰루(flow through) 개념을 가진다. 모듈의 한 면은 DC 연결을 위한 스크류 단자들이 있으며, 패키지의 다른 한 면은 AC 출력 연결을 위한 스크류 단자를 가지고 있다.17mm의 모듈 높이로 인해 실장이 매우 편리하면서도 소요 공간을 크게 감소시켜 다소 납작한 인버터 구조를 실현할 수 있다.드라이버를 모듈의 상단에 배치함으로써 최적화된 게이트 드라이버 연결이 가능해졌다. 드라이버 보드 연결을 위한 신뢰성 있는 무연 압착방식의 프레스핏(PressFIT) 보조단자를 제공함으로서 혁신적인 모듈설계는 인버터의 시스템 비용까지 고려한다. 실장 과정에서 제어 핀들은 정해진 만큼의 힘으로 드라이버 보드에 밀려들어가서 가스가 스며들지 않는 접촉을 만들게 된다. 필요한 경우 프레스핏 접촉 역시 납땜 공정을 사용할 수 있는 유연성을 제공한다.모듈 내부에서 전력 단자와 보조 단자는 초음파(US: ultrasonic) 금속 용접을 통해 DCB에 연결된다.인피니언 IGBT4-T4와 에미터 컨트롤드 4 다이오드의 내부이 소자는 최신 반도체 기술인 IGBT4와 에미터 컨트롤드 4 다이오드로 무장했다. 인피니언의 향상된 에미터 컨트롤드 다이오드와 조합된 새로운 1200V IGBT4 세대는 최신 인버터 개념들의 요구에 맞춰 설계된 3가지의 최적화된 칩 버전을 제공한다. 새로운 칩 세대를 개발함에 있어서 2가지 주요 성공 척도는 당연히 낮은 정적 및 동적 손실이다.이코노팩 4에 사용된 IGBT4-T4 칩은 고속 스위칭 특성을 통해 이전의 IGBT3-T3 세대와 비교하여 20% 낮은 스위칭 손실을 제공한다. 이러한 손실 감소는 전력 모듈의 효율 측면에서 이점을 제공한다.손실을 줄이는 것만으로는 충분하지 않다. 추가적으로 디바이스 자체의 스위칭 특성 역시 중요한 문제이다. 각기 다른 IGBT 세대와 버전들은 애플리케이션 요구에 맞게 최적화 되는데, IGBT4-T4는 이전 저전력 IGBT3-T3 칩보다 조금 더 소프트하며 IGBT4 E4 버전은 중간급 전력의 IGBT3-E3 칩보다 조금 더 소프트하다.또한, 설계 시 의도한 바와 같이 E 버전은 분명히 T 시리즈보다 소프트하다. 프레임에 내장된 버스바와 초음파 용접의 조합으로 인해 매우 낮은 기생인덕턴스를 구현하였는데 이는 IGBT4-T4 칩의 장점을 활용하기 위해 반드시 필요한 것이다.IGBT의 스위칭 속도는 접합 온도에 따라 변한다. 접합 온도가 증가하면 IGBT의 소프트성 역시 증가한다. 소자의 우수한 소프트성은 낮은 온도, 예를 들어 25°C에서도 구현되어야 한다. 예시로써 150A 이코노팩 4 IGBT 모듈의 Tvjop=25°C에서의 턴-온 및 턴-오프를 그림 3과 그림 4에 볼 수 있다.또한, 잘 알려져 있는 이전 세대인 IGBT3에 견줄 수 있는 강건성을 기대할 수 있다. 그림 4에 보인 FS150R12PT4의 예와 같이 IGBT4-T4는 보호되지 않는 단락을 견딜 수 있다.IGBT4 기술을 통해 이전 세대의 125°C보다 25K 높은 최대 칩 동작 온도 Tvjop=150°C를 허용한다. 보다 높은 동작 온도는 동일한 냉각 조건에서 전체 온도범위를 사용한다면 보다 높은 출력 전력을 달성할 수 있도록 해준다. 뿐만 아니라 칩 어셈블리 및 접합 기술의 최적화는 그림 5와 같이 주목할 만한 전력 사이클링(PC, power cycling) 향상을 보여준다. 이에 의하면 동작 온도 증가에 따른 결과로서 애플리케이션의 조건에 따라 더 높은 출력 전류에서 최소한 동일한 PC 기대수명을 보장한다.새로운 전력 반도체는 자체 특성을 향상시키고, Tvjop=150°C의 동작 온도 증가의 결과로써, 인버터의 출력 전력을 증가시킬 수 있도록 최적화되었다. 새로운 IGBT 이코노팩 4 제품군은 1200V 내압에 100A, 150A, 200A 정격 전류로 시작될 것이다. 모든 1200V 이코노팩 4 디바이스는 새로운 IGBT4-T4과 에미터 콘트롤드 4 다이오드 칩 기술의 이점을 제공한다.이코노팩 4의 보다 높은 집적도를 갖는 다음 단계는 ‘MIPAQ™ 서브(serve)’ 모듈을 통해 이미 시작되었다. MIPAQ™ 서브는 이코노팩 4의 모든 이점들을 제공하는 동시에 그 위에 최적화된 절연 드라이버 회로를 추가했다.MIPAQ™ 서브이코노팩 4에 기반한 ‘MIPAQ™ 서브’는 드라이브 및 제어 회로가 추가로 내장된 SixPACK 구성의 반도체 모듈이다. 이 모듈은 IGBT 드라이버단과 디지털 출력 신호를 통한 온도 측정 기능을 포함하고 있다(그림 6).여기에 사용된 구성은, 전력전자 영역의 기계적 향상에 의해 달성된 신뢰성 증가뿐만 아니라, 모듈의 신뢰성을 한층 강화할 수 있게 하는 다른 기능들을 제공한다.1) 저전압 감지 기능은 공급 전압이 충분하지 않은 경우에 모듈을 보호한다.2) IGBT 포화전압 VCEsat 모니터링 기능은 효율적인 반도체 단락 보호를 보장한다.3) 정밀한 온도 기록 기능은 사용자가 정적 온도 상황을 알 수 있도록 해준다.4) 상측 및 하측 드라이버의 오류 신호는 드라이버의 동작에 대해 알려준다.5) 드라이버를 모듈에 연결하기 위하여 프레스핏 기술을 사용하였다.이러한 전기적 기능들과는 별도로 가능한 가장 높은 신뢰도를 달성하도록 부품을 선택하였는데, 옵토커플러의 사용을 피한 것을 예로 들 수 있다.드라이버와 전력 회로간의 짧은 거리와 발생한 열은 옵토커플러의 수명에 영향을 미칠 수 있다. 이것은 장기적인 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다. 옵토커플러 대신에 인피니언의 CLT(Coreless Transformer Technology)에 기반한 전기적 절연 커플러가 사용되며, 이것은 EiceDriver™ 부품 1ED020I12-F의 핵심을 구성한다.‘이코노팩 4’ ‘MIPAQ™ 서브’ 등과 같은 새로운 제품들은 PressFIT 접합, 초음파 용접 기술, 최신 IGBT 및 다이오드 칩 기술 등과 같은 새로운 기술을 공유한다.이러한 모든 인피니언 제품들은 전력전자의 향후 트렌드에 맞도록 잘 준비되어 있다. 하프 제어 입력 정류기인 이코노브릿지 4(EconoBRIDGE™ 4)는 600V 및 1700V IGBT SixPACK 모듈과 함께 이코노팩 4 제품군을 확장시킬 것이다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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