[특집] 파워 디바이스
확대되는 로옴의 최신 파워 디바이스 라인업

2014년 12월 11일

서론

로옴은 기존에 민생기기 분야에서 축적해온 기술을 활용하여, 산업기기 분야용 상품 전개를 적극적으로 추진하고 있다. 「에너지 절약 ㆍ 에너지 창출 ㆍ 에너지 축적」기술을 뒷받침하는 반도체 파워 디바이스에 있어서는 실리콘 반도체로는 얻을 수 없었던 획기적인 특성을 지닌 실리콘 카바이드 반도체 (SiC 반도체)를 양산하고 있다. 또한, 기존의 실리콘 반도체 파워 디바이스에 있어서도 개별 반도체에서 LSI까지 커버할 수 있는 복합형 상품을 전개하고 있다.

생활 속에서 활용이 확대되는 SiC 파워 디바이스

SiC 파워 디바이스는 탄소와 규소로 이루어진 화합물 반도체, 실리콘 카바이드 (탄화 규소)를 재료로 만들어진 파워 반도체이다. 그 선진성과 우수한 성능을 바탕으로 장기간에 걸쳐 「꿈의 디바이스」로서 기대를 모아온 SiC 파워 디바이스는 오늘날 일상의 생활 속에서 사용되는 「친숙한」 디바이스로 자리잡고 있다. (그림 1)

생활 속에서 탑재가 증가하고 있는 SiC 파워 디바이스
그림 1. 생활 속에서 탑재가 증가하고 있는 SiC 파워 디바이스

SiC 파워 디바이스의 채용 사례 (일부, 개발중인 사례 포함)

  • 「가정에서의 SiC」 PC 전원, 태양광 발전 파워 컨디셔너 (가정용), 에어컨, 등
  • 「산업에서의 SiC」 데이터 센터, UPS, 공장 반송 로봇, 고주파 유도 가열 장치 (IH) ㆍ 고주파 전원, 태양광 발전 파워 컨디셔너 (태양광 발전소 등의 비가정용) 등
  • 「지역사회에서의 SiC」 전기 자동차 (차량용 충전기), 급속 충전소, 발전기, 의료 진단 장치, 등

로옴은 SiC 파워 디바이스의 연구 및 개발에서 양산에 이르기까지 업계를 리드해왔다. SiC 파워 디바이스의 제품 라인업과 그 특징에 대해 간략히 소개하고자 한다.

(1) SiC 쇼트키 다이오드

2001년에 세계 최초로 SiC 쇼트키 다이오드를 양산한 후, 로옴은 2010년에 일본 국내 메이커로서는 최초로 SiC 쇼트키 다이오드의 양산을 개시했다. 현재는 구제품인 제1세대품에 비해, 매우 짧은 역회복 시간을 유지함과 동시에 순방향 전압을 0.15V 저감한 제2세대품을 상품 전개하고 있다. (그림 2)

SiC 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 비교 (650V 10A 클래스)
그림 2. SiC 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 비교 (650V 10A 클래스)

내압은 650V와 1200V의 2가지이며, TO-220 절연 / 비절연, TO-247, D2PAK와 같은 다양한 패키지 라인업을 구비하고 있다. 또한, Si 패스트 리커버리 다이오드 (FRD)에 비해 역회복 손실을 대폭적으로 저감할 수 있어, 가전에서 산업기기까지 폭넓은 분야의 고주파 회로에서 채용이 확대되고 있다. (그림 3) 차량의 신뢰성 규격 AEC-Q101에 준거한 제품도 구비하여 이미 일본 국내외를 막론하고 다수의 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 차의 차량용 충전 회로에 탑재되었다.

SiC 쇼트키 다이오드와 Si FRD의 특성 비교 (650V 10A 클래스)
그림 3. SiC 쇼트키 다이오드와 Si FRD의 특성 비교 (650V 10A 클래스)

(2) SiC MOSFET

쇼트키 다이오드에 비해, SiC MOSFET는 기존의 보디 다이오드 통전에 의한 특성 열화 (MOSFET의 ON 저항 ㆍ 보디 다이오드의 순방향 전압 상승)이 발생하며, 이러한 문제로 인해 신뢰성이 양산화의 과제가 되었다.
로옴은 결정 결함에 관한 프로세스 및 디바이스 구조의 개선을 통해 2010년 12월 세계 최초로 SiC MOSFET의 양산을 개시했다.
현재는 650V 및 1200V 내압의 제2세대 제품을 전개하고 있다.
고내압의 스위칭 소자로 널리 사용되고 있는 Si IGBT에 비해 스위칭 손실이 1/5정도로 압도적으로 작으므로, 구동 주파수의 고주파화에 의한 기기의 소형화 (필터의 소형화 ㆍ 냉각 기구의 소형화에 의한) 및 전력 변환 효율의 향상으로 효과를 얻고 있다. (그림 4)

Si-IGBT와 SiC MOSFET의 스위칭 손실 비교
그림 4. Si-IGBT와 SiC MOSFET의 스위칭 손실 비교

(3) SiC 파워 모듈

로옴은 내장하는 파워 소자를 모두 SiC 파워 디바이스로 구성한 "Full SiC" 파워 모듈을 보다 빨리 자사 개발하여, 2012년부터 양산화했다. 현재, 1200V 120~180A 정격의 파워 모듈 2제품을 자사의 제조 라인에서 양산하고 있다. 또한, 1200V 300A정격의 파워 모듈도 2014년내에 양산을 개시할 예정이며, 향후, 정격전류 및 정격전압의 확대를 계획하고 있다. (그림 5) 이러한 SiC 파워 모듈도 디스크리트 타입의 SiC MOSFET와 함께 비가정용 태양광 발전 파워 컨디셔너 및 고주파 전원 등 주로 산업기기 용도를 중심으로 이미 전세계적으로 채용되고 있다.

SiC 파워 모듈의 외관
그림 5. SiC 파워 모듈의 외관

(4) 향후 상품 전개

SiC 쇼트키 다이오드와 SiC MOSFET 모두 1700V 내압품의 라인업을 예정하고 있다. 또한, 칩 면적 당 ON 저항을 대폭적으로 저감할 수 있는 trench 게이트 구조를 채용한 제3세대 SiC MOSFET를 개발중이다. ON 저항의 저감 및 칩 비용의 저감으로 SiC의 보급을 가속시킬 기술로서 기대를 모으고 있다.

로옴의 기술력을 총동원하여 창출해낸 Si IGBT 파워 디바이스

스위칭 손실이 작다는 메리트를 활용하여, 고내압 ㆍ 고주파가 모두 요구되는 분야에서 특히 높은 효과를 발휘하는 SiC 파워 디바이스. 이에 비해 가격 면에서 우위에 있는 실리콘 반도체 파워 디바이스가 활약하는 영역은 여전히 크다. 이러한 가운데 로옴은 기존의 실리콘 반도체 파워 디바이스 분야에서도 MOSFET와 IGBT의 특징을 모두 갖춘 「Hybrid MOS」를 개발하는 등 특징 있는 상품을 개발하고 있다.
Si IGBT는 단품의 개별 반도체와 더불어 종합 반도체 부품 메이커로서의 모든 기술력을 활용한 복합형 제품을 구비하고 있으며, 제품 라인업을 지속적으로 확대하고 있다. 하기에서 로옴의 Si IGBT 파워 디바이스 상품 라인업을 소개하고자 한다.

(1) 단품 IGBT

로옴은 650V 내압의 IGBT 디바이스를 2종류 상품화하였다. 첫번째 종류는 RGTH 시리즈다. 본 시리즈는 저포화 전압 특성 (정격전류 1.6V typ.)과 더불어 컨버터 회로에 요구되는 고속 스위칭 성능을 중시하여 설계했다. 스위칭 전원의 역률 개선 회로 (PFC), 태양광 발전 파워 컨디셔너의 승압 회로 등에 적합하다. 두번째 종류인 RGT 시리즈는 저포화 전압 특성 (정격전류 1.65V typ.)과 더불어 인버터 회로에 요구되는 단락 내량 보증 (5μs)을 구비하여, 에어컨 ㆍ 세탁기 등의 백색가전 ㆍ 태양광 발전 파워 컨디셔너 ㆍ 용접기 등의 인버터 회로 등에 최적이다. 각각 초고속 소프트 리커버리 FRD를 동일 패키지 내에 탑재한 제품도 구비하고 있다. 향후, 1200V 내압 시리즈 및 차량용으로 AEC-Q101에 준거한 시리즈 등, 상품 라인업을 순차적으로 확대해 나갈 예정이다.

(2) IGBT IPM

저포화 전압 특성이 우수한 단품 IGBT와 초고속 소프트 리커버리 FRD를 게이트 드라이버 IC ㆍ bootstrap 다이오드와 함께 인버터화 한 IPM (인텔리전트 파워 모듈)도 라인업에 추가했다. (그림 6)

로옴의 IGBT-IPM
그림 6. 로옴의 IGBT-IPM

하기는 IGBT IPM의 특징이다.

  • 600V SOI 프로세스를 사용한 게이트 드라이버 IC의 채용으로 latch up에 의한 트러블이 발생하지 않는다.
  • bootstrap 회로의 전류 제한 저항에 독자적인 전류 제한 방식을 채용하여, 기동 시의 돌입전류를 억제함과 동시에 ARM 측 플로팅 전원의 안정화를 실현.
  • UVLO, 단락 보호, 온도 검출 기능 등 보호 기능 실장.
  • 업계 최고 수준의 저열 저항 세라믹 절연 패키지 채용.

낮은 캐리어 주파수 (4~6kHz 정도)에서의 구동을 상정하여, 포화전압 VCEsat의 저역을 목표로 한 "저속 스위칭 구동 시리즈"와 높은 캐리어 주파수 (15-20kHz 정도)에서의 구동 용도에 맞추어 스위칭 손실의 저감을 목표로 한 "고속 스위칭 구동 시리즈"의 2시리즈를 백색가전 및 소용량 산업 모터 구동 용도로 2014년중에 양산을 개시할 예정이다. (그림 7)

캐리어 주파수에 대응하는 시리즈 전개
그림 7. 캐리어 주파수에 대응하는 시리즈 전개

(3) 이그나이터용 IGBT

차량용 상품으로는 가솔린 엔진 이그나이터용 IGBT를 제품화하여, 2014년말부터 양산 대응을 개시할 예정이다. (그림 8)

이그나이터용 IGBT의 개발 로드맵
그림 8. 이그나이터용 IGBT의 개발 로드맵

이러한 용도에 요구되는 avalanche 내량 보증 (250mJ @25℃) 이외에도 저포화 전압 특성을 실현했다. 패키지는 D-PAK를 채용하여, 차재용 신뢰성 규격 AEC-Q101에도 준거한다.
앞으로는 콜렉터-에미터간 보호전압 430±30V품을 발표한 후, 콜렉터-에미터간 보호 전압 ㆍ avalanche 내량의 조합에 따른 기종 전개 및 드라이버 IC를 포함하여 1패키지화 한 "이그나이터 IGBT IPM"의 제품화도 고려하여 제품을 전개할 예정이다.

결론

주목을 받고 있는 SiC 반도체와 더불어 실리콘 반도체 분야에서도 라인업을 끊임없이 확충하고 있는 로옴의 파워 디바이스. 로옴은 향후 개별 반도체에서 LSI까지를 커버하는 모든 기술을 활용하여 다양한 시장 요구에 대응하는 상품을 전개해 나갈 것이다.

본 제품에 대한 문의