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인피니언의 고전력 애플리케이션 위한 새로운 저손실 사이리스터 제품군

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글/Jens Przybilla, Uwe Kellner-Werdehausen, Dr. Sebastian P. Sommer, 인피니언 테크놀로지스

많은 경우에 산업용 드라이브나 고전압 직류(HVDC) 전송 같은 고전력 애플리케이션에 여전히 사이리스터를 일순위로 선택하고 있다. 석유나 가스 같은 산업용 분야에서는 펌프와 컴프레서 등에 전력대가 80MW 혹은 그 이상 이르는 산업용 드라이브를 필요로 한다. 이러한 드라이브의 요구를 충족하기 위해서는 사이리스터가 최대 125℃의 최대 접합부 온도(Tvj)에 이르는 넓은 온도 범위로 동작하는 것이 필수 이다. 또한 동작 수명이 수십년에 달하는 극히 효율적인 고전력 드라이브를 설계하기 위해서는 장기적인 안정성과 높은 서지 전류 용량을 제공해야 한다.

산업용 애플리케이션에 사용되는 이러한 드라이브는 작동 수명이 수십 년에 달하므로 사이리스터의 손실이 중요한 고려사항이다. 이와 함께 장기적인 안정성과 서지 전류 용량 또한 중요하게 고려해야 할 요소이다. 오늘날 이러한 애플리케이션에 사용되는 사이리스터는 블로킹 전압이 7kV~8kV 정도 이므로 중전압(medium voltage, MV) 드라이브에직렬연결하는소자의수를줄일수있다.

산업용 애플리케이션의 이러한 요구를 충족하기 위해 서 인피니언은 온 상태 및 스위칭 시에 손실이 낮고 Tvj = 125℃로 높은 블로킹 전압이 가능한 새로운 8.5kV 사이 리스터 제품을 출시하였다. 이와 같은 성능을 달성할 수 있게 된 것은 실리콘 디자인을 최적화하고 LTS(Low Temperature Sintering)와 전기 활성 비정질 탄소 패시베이션(amorphous carbon passivation, a-C:H) 같은 검증된 프로세스를 적용하였기 때문이다. 또한 최대 블로킹 전압을 애플리케이션 요구에 맞게 맞춤화하였다. 이 저손실 사이리스터는 실리콘 직경은 150mm(6인치)이고 폴피스 직경은 135mm인 패키지로 뛰어난 파라미터를 달성한다(그림 1). 이 새로운 사이리스터는 HVDC 용으로 이미 개발된 9.5kV 6인치 사이리스터와 동일한 이점들을 제공한다[1][2]. 짧은 기간내에 100mm(4인치)나 125mm(5인치) 같은 더 작은 규격도 가능하다.

LTS를 적용한 새로운 사이리스터

LTS 기술은 확산 접합 개념을 토대로 하며, 전체적인 영역에 걸쳐서 실리콘과 몰리브데넘 운송체 사이에 견고한 금속 전이를 형성한다(그림 2a의 LTS 층). 그림 2b에서 보는 자유 부유(free floating: FF) 어셈블리는 실리콘과 몰리브데넘 사이가 건조한 계면인 것에 반해서, LTS 디자인의 열 저항은 훨씬 낮다. 뿐만 아니라 FF 어셈블리는 튀어나온 접합부 단자 영역이 양면 음 베벨(사면)로서 2개 몰리브데넘 접촉 디스크 사이에 직접적인 열 결합이 없다. 이 점이 극히 높은 주기적 블로킹 전압 VRRM과 VDRM으로 최대 동작 온도를 제한할 수 있다.

그러므로 LTS 디자인은 열 소진이 더 우수하므로 최대 125℃에 이르는 더 높은 최대 동작 온도가 가능하다. 그러면서도 서지 전류나 장기적인 블로킹 전압 안정성이나 주기적 블로킹 전압 용량 같은 사이리스터의 주요 파라미터로 부정적인 영향을 미치지 않는다. LTS를 적용함으로써 높은 역 전류가 흐를 때, 특히 접합부 단자에서, 전력 손실을 충분히 소진시킬 수 있다.

테스트를 통해서, 실리콘 웨이퍼 두께를 늘리지 않고 서도 최대 주기적 블로킹 전압 VRRM과 VDRM을 추가적으로 15~20퍼센트 높일 수 있는 것으로 나타났다. 이 테스트는 사이리스터에 관한 표준 규격(IEC 60747-6)의 주기적 전압 스트레스에 관한 규정에 따라서 실시하였다[2].

그림 3은 전형적인 전류와 전압 특성을 보여준다. 동작 전압 VRWM과 동일한 진폭으로 tP =10ms인 하프 사인파를 인가한다. 이 베이스 사인파는 tP =300μs의 더 짧은 간격에 더 높은 진폭으로 서지 전압 VRRM에 의해 중첩된다. 이와 같이 하면 매우 높은 VDRM 및 VRRM으로 블로킹 전류가 수암페어에이를수있다...(중략)