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파워 디바이스의 터닝 포인트, 실리콘 카바이드 반도체의 이점

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글/쉬닝 장(Xuning Zhang), 토마스 크레첵(Tomas Krecek), 니테쉬 사티쉬(Nitech Satheesh), 마이크로칩 디스크리트 및 전력 관리 사업부

본 기고문을 통해 마이크로칩은 시스템 효율성의 향상과 전력 전자 제품 설계시 비용 절감, 더 높은 작동 온도의 지원 등 실리콘 카바이드(SiC) 반도체 제품이 가지는 여러가지 이점에 대해 상세히 설명하고자 한다.

열차 운송 시스템은 열차 내부에 사용되는 전자 장치에도 영향을 미칠 수 있는 다양한 기상 환경에 놓여 있다. 따라서 이러한 운송 수단의 시스템 설계자들은 데이터 시트에 표시되지 않는 매개변수까지도 고려해야 한다. 특히 와이드밴드갭(WBG)의 전력 장치로 실리콘 카바이드(SiC)처럼 새로운 소재가 애플리케이션에 사용되는 경우에는 더욱 그러하다.

마이크로칩의 실리콘 카바이드(SiC) 파워 디바이스는 까다로운 운송 수단 분야의 애플리케이션 개발에 요구되는 견고성과 강력한 성능을 갖췄으며, 다양한 기본형 및 맞춤형 패키징 구성의 포트폴리오는 고객에게 디자인의 유연성을 제공한다. PCB 플러그 앤 플레이 또는 코어 드라이버로 제공되는 디지털 프로그래머블 게이트 드라이버는 엔지니어들에게 최소한의 하드웨어 수정으로 시스템 성능을 최적화하고 애플리케이션에 맞게 시스템을 조정할 수 있는 도구를 제공한다.

광범위한 조건에서 마이크로칩의 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET의 견고성은 기존 부하와 비상 부하 모두에게 전원을 공급하는 보조동력장치에 필수적이다. MOSFET의 게이트 산화물 안정성과 수명, MOSFET 바디 다이오드의 안정성, 그리고 극한의 환경에서도 견딜 수 있는 애벌런치 견고성과 같은 고장 강도 측정 등을 검증해야 한다. 

안정성과 수명

파워 컨버터의 안정적인 작동을 보장하기 위해서는 해당 장치의 파워 디바이스가 컨버터의 수명이 다하기 전까지 문턱전압의 최소 변화와 안정적인 성능을 제공해야 한다. 그림 1은 상용화 단계의 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET가 175℃에서 1,000시간 동안 스트레스를 받은 후에도 Vth 데이터에 의미 있는 변화가 없었다는 것을 보여준다. 

게이트 산화물의 수명은 고장날 때까지 높은 온도와 전기장으로 가속화하는 테스트를 통해 예측할 수 있다. 상용화 단계의 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET의 게이트 산화물은 높은 스트레스 상태에서 100년 이상 지속될 수 있으며, 일반적 환경에서도 보조동력장치의 안정적인 작동을 보장한다.

바디 다이오드 안정성

실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 고유한 바디 다이오드를 활용해 역전류를 전도할 수 있다. 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 비교해 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 안정적인 바디 다이오드를 갖추고 있어, 사용시 신뢰성을 높이고 비용도 절감할 수 있다. 그러나 바디 다이오드의 신뢰성은 공급업체에 따라 크게 좌우된다. 

일부 장치는 시간이 지남에 따라 바디 다이오드가 성능 저하되어 RDS-on 저항이 증가하게 되고, 설계된 것보다 더 많은 열이 발생하게 된다. 그림 2는 상당 시간 동안 지속적인 전류 스트레스를 받은 바디 다이오드 I-V 곡선과 RDS-on 저항(MOSFET의 ON상태시 드레인-소스 저항) 변화를 보여준다. 이중에서 마이크로칩의 디바이스는 테스트 도중 눈에 띄는 변화를 보이지 않았다.

[그림 2] 마이크로칩의 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET의 스트레스 테스트 전후 RDS-on(좌), 4개 공급업체의 상용 실리콘 카바이드 MOSFET의 RUIS 전후 TDDB 수명평가 결과(우)

애벌런치(avalanche)의 견고성

운송수단에 사용되는 보조동력장치(APUs)는 고장이 날 수 있는 여러가지 상황에 노출돼 있기 때문에, 어떤 상황에서도 안정적으로 작동해야 하며 결함에 노출된 이후라도 일관된 성능을 유지할 수 있도록 잘 설계된 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET이 필요하다. 이 중에서도 애벌런치 견고성은 핵심 요구 사항 중 하나다. 언클램프 유도 부하 스위칭(UIS)이 파워 디바이스의 애벌런치 원인으로 종종 지목되기도 한다. 부하 전류가 갑자기 MOSFET에 유입되면 드레인-소스 전압이 강제로 상승하여 고장이 발생하는 원인이 된다. 이는 단락 회로와 달리 MOSFET 채널은 증가하지 않고, 애벌런치 전류는 다이 엣지에 모여 디바이스 온도를 한계치까지 끌어 올리기 때문이다.

이러한 애벌런치 현상은 전기 및 과열 스트레스를 일으켜 전력용 반도체의 수명을 저하시키는 심각한 문제로 지목된다. 따라서 디바이스의 애벌런치 견고성을 테스트하는 방법으로 디바이스가 애벌런치 조건에서 성능 저하나 초기 장애를 얼마나 잘 견뎌내는지를 반복해서 측정하는 ‘반복적 언클램프 유도 부하 스위칭(RUIS)’ 테스트가 있다. 그림 2는 R-UIS 테스트를 10만 회 수행하기 전과 이 후의 상용화 단계의 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET에 대한 TDDB(시간종속 절연항복 특성) 수명평가 테스트 결과를 보여준다. 많은 공급업체가 산화물 강도를 유지했지만, 이중에서도 마이크로칩의 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 은 RDS-on 및 드레인-소스 누출에서 최대 4배 이상의 견고성과 안정성을 갖추고 있는 가장 까다로운 전기 과부하 조건을 안전하게 통과할 수 있는 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET임을 증명했다.

스마트 게이트 드라이버

게이트 드라이버는 고전압과 저전압 사이의 인터페이스를 담당하며, 성능과 신뢰성 측면에서 가장 중요한 하위 시스템 중 하나다.

정상적인 작동 조건에서 게이트 드라이버는 호스트 컨트롤러의 명령에 따라 전력용 반도체를 켜거나 끈다. 또한, 컨버터에는 데드 타임을 조정할 수 있는 게이트 드라이버가 필요하다. 전력용 반도체 스위치를 켜기 위해 게이트에 적용되는 전압은 RDS-on에 영향을 미치므로 전도 손실을 최소화하는 또 다른 중요한 매개 변수다.

마지막으로 게이트 저항기는 스위칭 트랜지언트 속도를 정의하며 전력용 반도체가 켜지거나 꺼지는 데 걸리는 시간을 의미한다. 개발자는 다양한 요구사항에 따라 이러한 매개변수를 종종 최적화하며 신뢰성은 컨버터를 결함으로부터 보호하는 것을 의미한다.

게이트 드라이브에 많은 매개변수와 기능을 조정하여 ‘하드웨어 대신에 소프트웨어로 구성하여 신뢰성 높은 드라이버를 구현할 수 있을까?’라는 문제가 제기될 수 있다. 마이크로칩의 디지털 프로그래머블 게이트 드라이버 제품군은 애플리케이션, 부하 프로파일, 또는 기타 다른 요구 사항에 따라 매개변수를 조정할 수 있도록 유연성을 제공한다. 또한, 이 드라이버는 결함에 대한 피드백을 제공해 고장 진단에도 유용하다. 마이크로칩의 디지털 게이트 드라이버 제품군은 기본적인 DC 링크 전압 및 온도 측정 기능도 제공한다. 파워 컨버터에서 단락회로는 제대로 관리되지 않으면 매우 위험하다. 마이크로칩의 특허 받은 증강 스위칭 기술은 오류를 더 빨리 감지하여 오전류를 제한하고, 다단계 게이트 드라이빙 전압을 통해 전원차단을 관리해 과전압을 제한한다. 

leekh@seminet.co.kr
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