진화하는 로옴의 최신 파워 디바이스

2015년 11월호 지면기사  /  글│ROHM

전력 변환 시 사용되는 반도체 파워 디바이스는 다양한 기기의 에너지 절약화에 크게 기여할 수 있다. 로옴은 에너지 절약 추세에 대응해 개별 반도체, LSI의 개발 및 제조를 통해 축적해온 기술을 발전시킨 파워 디바이스 제품 전개에 주력 중이다. 특히 실리콘 반도체로는 얻을 수 없었던 획기적인 특성을 실현하는 “실리콘 카바이드 반도체 (SiC 반도체)” 제품에 있어 업계를 리드하고 있다. 이와 함께 종합 반도체 부품 메이커로서 기존 실리콘 반도체 제품에서도 제어 LSI와의 복합형 제품을 전개하고 있다. 


실리콘 카바이드 반도체

SiC 파워 디바이스는 탄소와 규소로 이뤄진 화합물 반도체인 실리콘 카바이드(탄화규소)를 재료로 만들어진 파워 반도체다.
그 우수한 성능을 바탕으로 오랜 기간에 걸쳐 ‘꿈의 디바이스’로 기대를 모아온 SiC 파워디바이스는 산업기기, 자동차 기기, 철도 등 다양한 애플리케이션에 채용되거나 검토되며 기기의 에너지 절약에 기여하고 있다.

로옴의 「SiC 쇼트키 다이오드」는 낮은 스위칭 손실, 순방향 전압 특성을 지닌 제품이다(그림 1). 고효율 전원 등의 기기에서 수많이 사용되고 있다. 로옴은 AEC-Q101에 준거한 디스크리트 제품도 라인업으로 구비해, 전기차ㆍ플러그인 하이브리드 등의 충전회로에 대해 일본을 비롯 다수의 글로벌 메이커에 채택되고 있다.

 

1,000 V를 넘는 내압의 MOSFET 디바이스는 실리콘 반도체로는 도통 손실이 낮은 디바이스를 제작하기 어려웠으나, 로옴의 SiC 반도체로는 가능하다. 또, 고내압 스위칭 소자로서 널리 사용되고 있는 Si-IGBT에 비해 스위칭 손실이 1/5 정도여서 구동 주파수의 고주파화를 통한 기기의 소형화(필터ㆍ냉각기구) 및 전력변환 효율 향상에 대한 효과를 기대할 수 있다(그림 2).
또한, 로옴은 파워 소자를 모두 SiC파워 디바이스로 구성한 “Full SiC” 파워 모듈을 양산하고 있다.



대전류화를 높인 1200VA “Full SiC” 파워 모듈

로옴은 2012년부터 1,200 V/120Aㆍ180 A 제품을 양산했으며 2015년 6월부터 1,200 V/ 300 A 제품을 새롭게 양산하고 있다. SiC 파워 디바이스의 고속 스위칭 성능을 살리기 위해, 모듈 패키지 내부의 낮은 인덕턴스화는 대전류 사양화를 실현함에 있어서 중요한 기술이다. 로옴은 내장하는 SiC 소자의 배치 및 내부 패턴을 최적화함으로써 이미 양산 중인 제품(120 A ㆍ 180 A)에 비해 내부 인덕턴스를 반감한 모듈 패키지를 개발해 300 A 정격의 제품화를 실현했다.

 

동등한 전류 정격의 IGBT 모듈에 비해 스위칭 손실을 77% 저감할 수 있다. 대폭적인 스위칭 손실 저감이 가능해 애플리케이션 내부 냉각기구의 소형화가 가능하다. 또한 고주파 구동에도 적합해, 예를 들어 30 kHz의 스위칭 주파수에서 파워 모듈을 사용할 경우, IGBT모듈에 비해 손실과 스위칭 손실을 합쳐 약 60%의 손실을 저감할 수 있다(그림 4).
한층 더 고주파 스위칭 동작을 실행함으로써 코일 및 캐패시터와 같은 주변 부품의 소형화를 실현할 수 있어 기기의 저전력화뿐만 아니라, 소형화에도 기여한다.


차세대 SiC-MOSFET 디바이스

기존에 양산 중인 SiC-MOSFET에 비해, 동일 소자 사이즈의 경우, 도통 손실(ON 저항 약 50% 삭감) 저감, 스위칭 성능(입력용량 약 35% 저감) 향상을 실현했다. SiC-MOSFET에 있어서 Trench 구조의 채용은 ON 저항 저감에 효과적이라는 이유에서 주목 받아왔지만, 디바이스의 장기적 신뢰성 확보를 위해 게이트(전압 인가 유무에 따라 MOSFET 소자의 스위칭 ON / OFF를 제어하는 부위) 부분에 발생하는 전계를 완화하는 구조의 확립이 필요했다.

게이트 부위만을 Trench 구조화할 경우, 게이트 구조 저부에 전계가 집중돼 디바이스의 신뢰성 확보가 어렵기 때문이다. 로옴은 독자적인 더블 Trench 구조를 채용함으로써 게이트 구조 저부의 전계 집중을 완화할 수 있어 Trench 구조를 채용한 SiC-MOSFET의 양산화에 성공했다(그림 5).

 

양산화에 성공한 Trench 구조 채용 SiC-MOSFET 소자를 사용한 Full SiC 파워 모듈을 1,200 V/180 A 정격, 내부회로를 Half-Bridge 구성으로 제품화했다. 동등한 정격의 Si IGBT 파워 모듈 제품뿐만 아니라, 기존에 양산 중인 1,200 V/180 A의 SiCMOSFET모듈과 비교 시에도 스위칭 손실을 대폭 저감했다(그림 6). 향후 650 Vㆍ1,200 V 정격의 제품 전개를 디스크리트 패키지로 예정하고 있으며, 대전류 정격 제품도 전개할 예정이다.


인텔리전트 파워 모듈 제품

디바이스 특성의 우위성으로 주목을 받고 있는 SiC 파워 디바이스에 비해 가격면에서 유리한 Si 파워 디바이스 제품의 시장 규모는 여전히 크다. 로옴은 실리콘 반도체를 사용한 파워 디바이스 개발에도 주력하고 있다. IGBT 및 MOSFET과 같은 개별 반도체, LSI 뿐만 아니라, 파워 소자와 제어 IC의 복합화 제품을 전개하는 등 종합 반도체 부품 메이커로서 총력을 발휘해 제품 전개를 추진하고 있다.

전력 소비 저감을 위해 기기의 인버터화는 다양한 모터 애플리케이션에서 적용되고 있다. 이같은 인버터 기기에서 많이 채용되는 제품이 IGBT 파워 소자와 이를 제어하는 IC, 주변회로가 1패키지화된 파워 모듈 제품(IPM)이다(그림 7).


 

일반적으로 MOSFET은 고속 스위칭 및 저전류 영역에서의 도통 손실이 낮다는 메리트가 있어, 기기의 정상 동작 시의 저소비전력화에 효과가 있다. 기존의 MOSFET에서는 어려웠던 대전류화를 가능하게 하는 자사의 PrestoMOSTM 채용으로, 도통 손실을 대폭 저감해 IPM의 제품화를 실현했다.

로옴은 독자적인 게이트 드라이브 회로를 도입함으로써 IPM제품의 고효율화를 실현했다. 예를 들어, 고전압에서의 고속 스위칭 동작에 발생하기 쉬운 MOSFET의 오동작을 방지하는 회로를 도입함으로써 고속 스위칭 동작을 가능하게 해 스위칭 손실 저감을 도모한다. 또한, 스위칭 시에 발생하는 노이즈를 고려해 트레이드 오프 관계인 스위칭 손실과 발생 노이즈를 최적화함으로써, PrestoMOSTM의 성능을 최대한으로 발휘 할 수 있는 게이트 드라이브를 실현했다.

이러한 특징을 통해 로옴의 MOSIPM 제품은 IGBT-IPM 제품에 비해, 저전류동작 조건 하에서 대폭적인 손실 저감을 실현한다. 업계 최고 수준의 소비전력으로 애플리케이션 전체의 저전력화에 기여한다.

로옴은 에너지 절약을 한층 더 실현하기 위해 이미 실용화가 진행되고 있는 SiC 파워 디바이스에 대해 기술 혁신을 추진해 나갈 예정이다. 또, 실리콘 반도체 분야에 있어서도 제품 라인업 확충과 함께 제어 LSI를 포함한 복합형 제품 전개를 적극적으로 전개함으로써 저전력화를 통해 사회에 기여하는 디바이스 개발을 추진해 나갈 계획이다. 

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