업계 최초 쇼트키 다이오드를 삭제한 SiC-MOS 모듈 양산 개시
1200V / 180A 대응으로 인버터의 전력 손실을 대폭 저감

2012년 12월 21일

<개요>
반도체 메이커 로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 산업기기 및 태양광 발전의 파워 컨디셔너 등의 인버터, 컨버터용으로 SiC-MOS 모듈 (정격 1200V / 180A)의 양산을 개시합니다.
본 제품은 업계 최초로 내장하는 파워 반도체 소자를 SiC-MOSFET만으로 구성한 모듈이며, 정격전류를 180A로 높임으로써 응용 범위가 확대되어 다양한 기기의 저소비전력화 및 소형화에 크게 기여합니다.
생산 거점으로는 로옴 본사 공장 (교토)에서 이미 샘플 출하를 개시하였으며, 12월부터 양산 출하를 개시합니다.

※12월 21일 현재 로옴 조사

 

<배경>
로옴은 2012년 3월 세계 최초로 내장하는 파워 반도체 소자를 모두 SiC로 구성한 "Full SiC" 파워 모듈 (정격 1200V / 100A)의 양산을 개시하였습니다. 산업기기 등에서의 채용 및 검토가 진행되고 있으나, 한편으로는 소형 모듈 사이즈를 유지함과 동시에 대전류화에 대한 요구가 높아짐에 따라 그에 대한 개발이 기대되었습니다.
통상적으로 대전류화를 실현하기 위해서는 MOSFET의 탑재 개수를 늘리는 등의 방법이 있지만, 정류 소자인 다이오드도 세트로 필요하므로 소형 사이즈를 유지하기가 매우 어렵습니다.

<신제품의 상세 내용>
로옴은 보디 다이오드의 통전 열화를 해소한 제2세대 SiC-MOSFET를 채용함으로써 정류 소자인 다이오드가 불필요한 SiC 파워 모듈 (SiC-MOS 모듈) 개발에 성공하였습니다. SiC-MOSFET의 탑재 면적을 증가시킬 수 있어, 소형 모듈 사이즈를 유지함과 동시에 대전류화를 실현하였습니다.
내장하는 SiC-MOSFET는 결정 결함에 관한 프로세스와 디바이스 구조를 개선함으로써 보디 다이오드를 비롯하여 신뢰성 면에서의 과제를 모두 극복하였습니다.
이에 따라, 일반적인 인버터에 사용되는 Si-IGBT에 비해 손실을 50% 이상 삭감하였으며, 저손실화를 실현함과 동시에 50kHz 이상으로 고주파화함으로써 주변부품의 소형화에도 기여합니다.


<특징>

1. MOS 구성품에서도 스위칭 손실은 그대로!
    Tail 전류가 발생되지 않는 저손실 스위칭 가능

SBD를 삭제하여도 기존품과 동등한 스위칭 특성을 실현하였습니다. Si-IGBT에서 발생되는 Tail 전류가 발생되지 않으므로 손실을 50% 이상 저감할 수 있어, 기기의 저전력화에 기여합니다. 또한, Si-IGBT로는 불가능했던 50kHz 이상의 스위칭 손실도 가능하여, 주변기기의 소형화 및 경량화를 실현할 수 있습니다.

MOS 구성품에서도 스위칭 손실은 그대로!Tail 전류가 발생되지 않는 저손실 스위칭 가능
 
2. 역방향 도통이 가능하여, 고효율 동기정류 회로 실현 

일반적으로 Si- IGBT 디바이스는 역방향으로 도통시킬 수 없지만, SiC-MOSFET는 보디 다이오드를 통해 역도통이 가능합니다. 또한, 게이트 신호를 입력함으로써 MOSFET의 역도통도 가능하므로, 다이오드만으로 구성한 경우보다 더욱 저저항화가 가능합니다. 이러한 역도통 특성에 따라, 1000V 이상의 영역에서도 다이오드 정류 방식에 비해 고효율의 동기정류 방식 기술을 채용할 수 있습니다.

역방향 도통이 가능하여, 고효율 동기정류 회로 실현 역방향 도통이 가능하여, 고효율 동기정류 회로 실현
 
3. 보디 다이오드의 통전 열화 해소
    통전 시간 1000시간 이상의 경우에도 특성 열화 없음

보디 다이오드 통전에 의해 결함이 확대되는 메커니즘을 해명하여, 프로세스 디바이스 구조를 통해 발생 요인을 억제하였습니다.
일반적인 제품은 20시간을 넘으면 ON 저항이 대폭 증대되지만, 본 제품은 1000 시간 이상의 통전 시간에도 ON 저항이 증대되지 않습니다.

보디 다이오드의 통전 손실 해소 통전 시간 1000시간 이상의 경우에도 특성 열화 없음

<용어 설명>

  1. 보디 다이오드 (Body diode)
    MOSFET의 구조 상, 내부에 기생하여 형성되는 다이오드.
    인버터 구동 시에는 이 다이오드에 전류가 흐르므로 Low VF 및 고속 리커버리 특성이 요구된다.
  2. Tail 전류 (Tail current)
    IGBT에서 Turn-off 시 흐르는 과도 전류.
    주입된 정공의 축적 시간에 의해 발생된다. 그 시간에 높은 드레인 전압이 걸리므로 스위칭 손실이 크다.
  3. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)
    전자뿐만 아니라 정공에 의해서도 전류가 흐름으로써 저 ON 저항을 실현한 파워 트랜지스터.
    주입된 정공의 축적 시간으로 인해 고속 동작이 불가능하여 스위칭 손실이 크다는 문제가 있다.
  4. 순방향 전압 (VF : Forward Voltage)
    순방향 전류가 흐를 때 다이오드에 발생하는 전압치. 수치가 작을수록 소비전력이 적다.
  5. ON 저항
    파워 소자 동작 시의 저항치. 파워 MOSFET의 성능을 좌우하는 가장 중요한 수치로서, 작을수록 고성능.

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