반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 아자이 사뚜(Ajay Sattu), 온세미(onsemi)

실리콘 카바이드(SiC)와 같은 와이드밴드갭(WBG) 디바이스는 자동차, 재생 에너지 등 최신 애플리케이션에서 필수다. 에너지원이 주로 전기와 같은 지속 가능한 에너지원으로 전환됨에 따라 효율성의 중요성이 그 어느 때보다 커지고 있다. 

스위치 모드 효율을 높이는 방법 중 하나는 도통 손실과 스위칭 손실을 줄이는 것이다. 그러나 이를 해결하기 위해서는 DC 버스 전압을 높이는 것에 맞춰 반도체 기술이 발전해야 한다. 이러한 기술은 기업에게 매우 중요하며 탄소 감축 약속을 이행하는 데에도 도움이 된다.

본 기고에서는 최신 애플리케이션의 과제를 해결하기 위해 차세대 SiC 디바이스가 어떻게 진화하고 있는지 살펴보고, 지속적인 성공을 보장하기 위해 강력한 엔드 투 엔드 공급망이 얼마나 중요한지 알아본다.

효율성 요구 증가

다양한 애플리케이션 분야에서 다양한 요인으로 인해 기술이 빠르게 발전하고 있다. 가장 중요한 두 시장인 산업 및 자동차 시장을 살펴보면, 이미지 센싱을 통한 효율성 향상, 폼 팩터 및 감지 개선이 주요 트렌드로 자리 잡고 있다.

산업 부문에서는 다양한 산업 시스템의 에너지 효율과 시스템 비용을 개선하기 위해 MOSFET 및 전력 모듈에서 발전이 이루어지고 있다. 특별히 이점을 가진 두 가지 분야로는 전기차(EV) 충전 인프라와 태양광과 같은 대체 및 재생 에너지 애플리케이션이 있다.

비용 및 성능은 많은 산업 응용분야에서 공통적으로 직면하는 문제이다. 설계자는 크기를 늘리지 않고도 태양광 인버터에서 더 많은 전력을 공급하거나 에너지 저장과 관련된 냉각 비용을 줄여야 하는 과제에 직면해 있고, 저렴한 충전은 전기차 확산의 관문으로 여겨지고 있다. 그러나 중요한 것은 추가 냉각 없이 DC 월박스(wallbox) 또는 DC 고속 충전을 통해 더 빠른 충전 기능을 구현하는 것이다.

자동차 분야에서 효율성은 아니라 온보드 전자 장치의 크기, 무게 및 비용뿐만 아니라 차량의 주행 거리와 밀접한 관련이 있다. 전기차/하이브리드차(HEV)에서는 IGBT 전력 모듈에 SiC 솔루션을 채택함으로써 상당한 성능 개선을 이루고 있다. 여기에는 자동차 CPU, LED 조명 및 차체 전자 장치의 향상된 전력 관리를 통해 얻을 수 있는 이점도 함께한다.

트랙션 인버터는 차량의 전반적인 효율에 영향을 미치고 주행 거리를 정의하기 때문에 핵심 요소이다. 주행 프로파일을 고려할 때, 대부분의 승용차는 경부하 조건에서 작동하므로 IGBT 솔루션에 대한 SiC의 효율성 개선 이점은 잘 알려져 있다. 또한 온보드 충전기(OBC)는 가능한 작아야 한다. 더 작은 폼 팩터는 높은 스위칭 주파수를 지원하는 WBG 디바이스를 통해서만 달성된다. 에너지를 1온스 절약할 때마다 차량의 전체 주행 거리를 개선하고 주행 거리 불안을 완화할 수 있다. 

최신 애플리케이션에서 SiC 기술의 이점

자동차 및 산업용 애플리케이션의 모든 전력 변환은 효율을 높이고 변환 손실을 줄이기 위해 반도체 기반 스위칭 디바이스와 다이오드에 의존한다. 따라서 반도체 업계는 전력 애플리케이션에 사용되는 실리콘 기반 반도체 디바이스 중에서 특히 IGBT, MOSFET 및 다이오드의 성능을 향상시키기 위해 노력해 왔다. 그 결과 전력 변환 토폴로지의 혁신과 함께 그 어느 때보다 뛰어난 성능을 구현할 수 있게 됐다.

그림 1. SiC 기술의 이점을 필요로 하는 다양한 애플리케이션

기존의 실리콘 기반 반도체 디바이스는 지속적으로 효율을 높일 수 있는 능력이 한계에 도달하면서 새로운 소재가 필요하다. SiC 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 소위 와이드밴드갭 소재는 미래에 대해 많은 가능성을 가지고 있다. 더 높은 성능, 밀도 및 신뢰성에 대한 전기 시스템의 요구는 SiC 기술에 대한 기술 한계를 뛰어넘고 있다.

자동차 트랙션, 태양광 인버터 또는 전기차 충전기의 미션 프로필과 관계없이, SiC 기반 MOSFET 및 다이오드 제품은 기존 Si 기반 IGBT 및 정류기보다 우수한 성능과 시스템 레벨 비용을 제공한다. SiC의 넓은 에너지 밴드갭 특성으로 인해 실리콘보다 더 높은 전압이 가능하여 1700V 및 2000V와 같은 더 높은 차단 전압 성능을 구현할 수 있다. 

또한 SiC는 본질적으로 Si디바이스보다 전자 이동도와 포화 속도가 더 높기 때문에 훨씬 더 높은 주파수 및 접합 온도에서 작동할 수 있으며, 이 두 가지 장점 모두 매우 유용하다. 또한 SiC 기반 디바이스는 더 높은 주파수에서 상대적으로 낮은 손실로 스위칭할 수 있어 마그네틱 및 축전기(capacitor)를 비롯한 관련 수동 부품의 크기, 무게 및 비용을 절감할 수 있다.

그림 2. 전력 시스템에 다양한 이점을 제공하는 SiC와 같은 와이드밴드갭 소재(출처 ONSAR2992)

전도 및 스위칭 손실이 현저히 낮다는 것은 SiC 기반 전력 솔루션이 열을 덜 발생시킨다는 것을 의미한다. 또한 175°C의 높은 접합 온도(Tj)에서 작동할 수 있다는 점은 팬 및 방열판과 같은 열 완화 장치의 필요성이 크게 줄어들어 시스템 크기, 무게 및 비용이 절감되고 공간 제약이 심한 까다로운 애플리케이션에서도 안정성이 향상된다는 것을 의미한다.

고전압 디바이스의 필요성

SiC의 와이드밴드갭 특성으로는 실리콘보다 더 높은 전압이 가능하여 1700V 및 2000V와 같은 더 높은 차단 전압 용량을 제공한다. 주어진 와트 수에 대해 전압을 높이면 전체 전류 용량 요구 사항과 전체 구리 손실을 줄일 수 있다. 태양광 발전(PV) 시스템과 같은 재생 에너지 애플리케이션에서는 효율을 높이기 위해 PV 패널의 DC 버스 전압이 600V에서 1500V로 증가했다. 

마찬가지로 승용차에서도 효율을 높이고 충전 시간을 줄이기 위해 400V에서 800V 로, 경우에 따라서는 1000V 로 전환하고 있다. 과거에는 400V 전압에 750V 정격 장치가 사용됐지만, 이제는 이러한 애플리케이션에서 안정적인 작동을 보장하기 위해 1200V, 심지어 1700V와 같은 더 높은 전압이 필요하다.

최신기술

이러한 항복 전압 증가에 대한 요구를 충족하기 위해, 온세미는 고속 스위칭 애플리케이션에 최적화된 다양한 1700V M1 Planar형 EliteSiC MOSFET 디바이스를 개발했다. 가장 먼저 출시된 디바이스 중 하나는 1700V의 VDSS와 -15/+25V의 VGS를 제공하는 NTH4L028N170M1다. 이 디바이스의 RDS(ON) _typ값은 28 m 에 불과하다.

새로운 1700V MOSFET은 175°C의 높은 접합 온도(Tj)에서 작동할 수 있으므로 히트싱크를 훨씬 더 작게 만들거나 완전히 제거할 수 있다. NTH4L028N170M1은 네 번째 핀(TO-247-4L 패키지)에 켈빈(Kelvin) 소스 연결이 포함되어 있어 턴온 전력 손실과 게이트 노이즈를 개선한다. 또한 패키지 기생 성분을 더욱 줄여주는 D2PAK-7L 인 NTBG028N170M1으로도 사용할 수 있다.

그림 3. 온세미의 새로운 1700V 엘리트SiC MOSFET

전기차 충전 및 재생 에너지 애플리케이션에서 신뢰성이 높은 보조 전원 공급 장치를 위한 TO-247-3L 및 D2PAK-7L 패키징의 1700V 1000 m SiC MOSFET이 곧 출시될 예정이다.

온세미는 MOSFET과 함께 다양한 1700V SiC 쇼트키 다이오드 제품군도 개발했다. 이 정격으로 D1 세대 제품군의 디바이스는 VRRM과 다이오드의 피크 반복 역전압 사이에 더 많은 전압 마진을 제공한다. 특히 새로운 디바이스는 고온에서도 낮은 VFM, 최대 순방향 전압 및 우수한 역방향 누설 전류를 제공하므로, 설계자는 고온에서 안정적인 고전압 작동을 달성할 수 있다.

그림 4. 온세미의 새로운 1700V 쇼트키 다이오드

NDSH25170A, NDSH10170A와 같은 새로운 디바이스는 TO-247-2L 패키지와 베어 다이로 제공되며, 100A 버전의 베어 다이도 함께 제공된다.

공급망 고려사항

일부 부문에서 부품 가용성이 공급망을 방해하고 있기 때문에 새로운 디바이스 및 기술을 선택할 때 공급 능력을 고려하는 것은 매우 중요하다. 온세미는 빠른 성장을 지원하고 고객에게 안정적인 공급을 보장하기 위해 최근 GTAT를 인수했다. 이를 통해 공급망을 강화할 뿐만 아니라 GTAT의 기술 경험을 활용할 수 있게 됐다. 

현재 온세미는 대량 SiC 불(boule) 성장, 기판, 에피택시, 디바이스 제조, 동급 최고의 통합 모듈 및 개별 패키지 솔루션을 포함하는 엔드 투 엔드 공급 역량을 갖춘 유일한 대규모 공급업체이다.

온세미는 향후 몇 년 동안 예상되는 SiC의 성장을 지원하기 위해, 기판 운영 용량을 5배로 늘리고 2023년까지 모든 사이트에서 디바이스 및 모듈 용량을 두 배로 확장하는 데 상당한 투자를 할 계획이다. 이후 2024년까지 용량을 두 배 가까이 늘릴 예정이며, 향후에도 다시 공급 능력을 두 배로 늘릴 수 있다.

SiC는 설계자가 자동차, 재생 에너지, 산업용 등 까다로운 최신 애플리케이션의 요구 사항 중 특히 전력 밀도 및 열 측면을 충족할 수 있는 성능을 제공한다.

이 기술은 아직 개발 단계에 속하지만, 주요 응용 분야의 지속적인 진화와 발전은 SiC도 이러한 증가하는 요구 사항을 충족하기 위해 진화해야 한다는 것을 의미한다. 한 가지 예로는 온세미가 새로운 1700V SiC MOSFET 및 다이오드로 충족한 더 높은 항복 전압에 대한 요구 사항을 얘기할 수 있다. 또한 온세미는 현재 태양광, 솔리드 스테이트 변압기(Solid state transformer), 전자 회로 차단기와 같은 새로운 애플리케이션을 지원하기 위해 2000V SiC MOSFET 기술을 개발하고 있다.