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실리콘 카바이드(SiC)를 바로 아는 것이 핵심

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글/아제이 하리(Ajay Hari), 애플리케이션 디렉터, 온세미(onsemi) 

최근 실리콘 카바이드(SiC)와 이를 사용하는 전력 전자 제품에서 사용할 수 있는 잠재력에 대한 관심이 많이 집중되고 있지만, 그로 인해서 몇 가지 오해가 생기기도 하는 것 같다. 본 기고는 엔지니어들이 향후 SiC 디바이스 사용에 더욱 자신감을 가질 수 있도록 이 오해들에 대해서 명확하게 설명하는 것을 목표로 작성됐다. 

애플리케이션

SiC를 둘러싼 오해 중 하나는 SiC를 사용할 수 있는 애플리케이션과 관련이 있다. 예를 들어, 일부 설계자들은 SiC MOSFET은 IGBT를 대체하기 위해 사용해야 하고, 질화 갈륨(GaN) 디바이스는 실리콘 MOSFET을 대체해야 한다고 생각한다. 그러나 650V 정격 SiC MOSFET은 경쟁력 있는 RDS(ON) * Qg 성능 지수와 역 회복 전하값을 최소화 같은 뛰어난 성능을 제공하고 있기도 하므로, SiC는 토템폴 역률 보정(TPPFC) 또는 동기식 부스트와 같은 하드 스위칭 애플리케이션에서 실리콘 MOSFET의 탁월한 대안이 될 수도 있다. 

일부 엔지니어는 SiC가 고주파 애플리케이션에 적합하지 않고, 빠른 스위칭을 위해 GaN을 사용해야 한다고 생각한다. 그러나 최근 기술의 발전으로 SiC 다이 면적이 줄어 고주파(>100kHz) 동작에 대한 적합성이 더욱 높아졌다. 그 결과 SiC 디바이스는 현재 100kHz의 TPPFC 및 200 ~ 300kHz의 주파수에서 소프트 스위칭 LLC와 같은 애플리케이션에서 성공적으로 사용되고 있다. 또한 트렌치와 캐스코드 SiC MOSFET과 같은 새로운 기술은 고주파 성능을 더욱 향상시킬 것이다. 

마지막으로, 다른 엔지니어들은 SiC가 전기차(EV) 트랙션 인버터에서의 성공을 기반으로 한 틈새 기술일 뿐이라고 생각한다. 하지만 거의 모든 부문에 걸쳐 전력 밀도를 높이고 효율적으로 동작시켜야 한다는 요구가 늘어가는 것을 볼 때, SiC의 이점은 클라우드 컴퓨팅 뿐만 아니라 EV 온보드 충전기(OBC), 태양광 발전(PV) 모듈 및 재생 에너지와 같은 덜 복잡한 광범위한 설계에도 도움이 될 수 있다는 것을 보여준다.

[그림 1] SiC 웨이퍼 이미지

디바이스 선택과 동작

설계사들은 스위칭 과도 현상때문에 SiC 디바이스가 ‘바운싱’되거나 실수로 다시 켜지는 것을 방지하기 위해 네거티브 턴오프 게이트 전압을 사용하지만, 이는 엄격하게 요구되는 사항은 아니다. 성공적인 SiC 설계의 많은 예를 보면 네거티브 게이트 전압 드라이브를 사용하지 않는다. 그러나 모든 설계가 그렇듯 기생 효과를 최소화하는 타이트한 레이아웃과 같은 모범 사례를 잘 따라야 한다. 

또한 게이트 드라이버는 디바이스를 견고하게 유지하기에 충분한 전류를 흘려보낼 수 있어야 한다. 접합 절연 게이트 드라이버는 TPPFC와 같은 제한된 몇 가지의 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 그러나 갈바닉 절연 게이트 드라이버는 노이즈에 대해서 향상된 내성을 제공하고 스위치 노드 dv/dt 과도 현상을 더 잘 처리하여 잘못된 트립을 방지할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 

SiC MOSFET은 동급의 스위칭 속도가 빠른 실리콘 디바이스보다 게이트 전하(Qg)가 낮기 때문에 갈바닉 절연 게이트 드라이버가 꼭 필요하지 않은 애플리케이션에서도 갈바닉 절연 게이트 드라이버를 사용하는 것이 더욱 견고한 설계를 구현할 수 있다. 오늘날 사용되고 있는 많은 SiC 전용 드라이버는 네거티브 게이트 드라이브, DESAT, OCP, OTP, 및 기타 보호와 같은 편리한 기능을 제공한다. 올바른 게이트 드라이버를 선택하면 실리콘 MOSFET을 구동하는 것보다 더 어렵지 않게 SiC 디바이스를 구동할 수 있다.

SiC의 경제, 생태계와 공급망

SiC 솔루션은 값이 비싸다는 오해가 있다. 실리콘 MOSFET에 비해 SiC 디바이스에는 약간의 가격 프리미엄이 있지만, 일반적인 실리콘 기반 30kW 전력 솔루션을 생각해 볼 때 그렇지만도 않은 결과를 볼 수 있다. 이 경우 전체 비용의 90%는 인덕터와 커패시터(각각 60%, 30%)에서 발생하며, 반도체 디바이스는 전체 BOM 비용의 10%에 불과하다. 실리콘 MOSFET을 SiC 스위치로 교체한다고 가정해보자. 

커패시턴스와 인덕턴스 크기가 75% 감소하여 스위칭 부품의 비용 증가를 능가하는 상당한 비용 절감 효과(크기 감소)를 얻을 수 있다. 또한 실리콘 디바이스는 SiC보다 효율이 낮기 때문에 비싸고 부피가 큰 방열판 솔루션이 필요하다. 결과적으로 SiC 솔루션의 총 BOM 비용은 동일한 실리콘 솔루션의 비용보다 낮다. 

SiC 생태계는 기술이 주류로 진입함에 따라 빠르게 진화하고 있다. 이제는 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있는 다양한 SiC 제품군이 다양한 패키지 형태로 제공되고 있으며 이에 맞춰서 게이트 드라이버도 다양하게 선택할 수 있게 되었다. SiC에 대한 지식 공유 기반도 늘어가고 있는데, 이는 제조업체가 애플리케이션 엔지니어링 팀을 통한 지원을 강화하거나, 레퍼런스 회로도, 애플리케이션 노트, 시뮬레이션 모델, 툴을 통한 지원도 강화함에 따라 가능해지게 됐다. 

최근에는 부품의 공급 가능성(SiC뿐만 아니라)이 중요한 문제가 되고 있다. 하지만, 최근 GTAT를 인수한 이후 온세미의 공급망은 훨씬 더 안정화됐다. 온세미는 볼륨 불(boule) 제작, 서브스트레이트, 에피택시, 디바이스 제조, 및 동급 최고의 통합 모듈과 개별 패키지 솔루션을 모두 제공하는 엔드 투 엔드 SiC 공급 능력을 갖춘 유일한 대형 반도체 제조회사이다. 

향후 몇 년간 예상되는 SiC의 성장을 지원하기 위해 온세미는 서브스트레이트 생산 능력을 5배 늘리고 2023년까지 모든 사이트에서 디바이스와 모듈 생산 능력을 두 배로 확대하는 대규모의 투자를 할 계획이다. 그리고 2024년까지 생산능력을 다시 거의 두 배로 늘린 후 필요에 따라 다시 확장할 수 있도록 계획하고 있다. 

[그림 2] 온세미의 엔드 투 엔드 공급망

고온 및 고전압에서의 견고성

SiC 소재의 와이드 밴드갭(WBG) 특성으로 인해서 열에 의해 생성되는 캐리어 농도가 실리콘 디바이스보다 훨씬 작기 때문에 SiC MOSFET를 구성했을 때 더 나은 애벌런치 내구성을 제공한다. SiC 디바이스의 기하학적 구조가 더 작기 때문에 단락 내구 시간이 IGBT보다 짧은 것은 사실이지만, 적절한 SiC 게이트 드라이버를 사용하면 고장을 빨리 감지함으로 충분한 여유를 두고 디바이스를 끌 수 있어서 견고성이 요구되는 애플리케이션에서 안심하고 사용할 수 있다. 

많은 전기차(EV)의 배터리 전압은 400V에서 800V 또는 1,000V로 이동하고 있으며, 태양광 발전(PV) 시스템에서는 입력 전압이 600V에서 1,500V로 증가하고 있다. 더 높은 브레이크다운 전압을 제공하는 디바이스에 대한 시장의 요구 사항을 충족하기 위해 온세미는 고속 스위칭 애플리케이션에 최적화된 다양한 1700V M1 플라나 타입 EliteSiC MOSFET 디바이스를 개발했다. 이러한 MOSFET과 함께 다양한 1700V SiC 쇼트키 다이오드도 출시했다.

[그림 3] 1700V M1 플라나 타입 EliteSiC MOSFET

결론

다양한 관점으로 실리콘과 실리콘 카바이드 디바이스를 비교해 본 결과, 널리 펴진 오해들이 사실에 근거하지 않았음을 알 수 있었으며, 엔지니어들은 이러한 다목적의 기술을 선택하고 설계에 적용하는 것에 대해서 확신을 가지고 설계해도 되는 것을 볼 수 있었다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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