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SiC 파워 디바이스란? SiC-MOSFET

 

1. 디바이스 구조와 특징

Si는 고내압의 디바이스일수록 단위 면적당 ON 저항이 높아지므로 (내압의 약 2~2.5승으로 증가), 600V 이상의 전압에서는 주로 IGBT (절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)가 사용되었습니다.
IGBT는 전도도 변조라고 하여, 소수 캐리어인 정공을 드리프트층내에 주입함으로써 MOSFET보다 ON 저항을 작게 하지만, 한편으로 소수 캐리어의 축적에 의해 turn-off 시 tail 전류가 발생하여 큰 스위칭 손실의 원인이 됩니다.
SiC는 드리프트층의 저항이 Si 디바이스보다 낮으므로, 전도도 변조를 사용할 필요가 없어, 고속 디바이스 구조인 MOSFET에서 고내압과 저저항을 동시에 실현할 수 있습니다.
MOSFET는 원리적으로 tail 전류가 발생하지 않으므로, IGBT 대신 사용할 경우, 스위칭 손실의 대폭적인 삭감과 냉각기의 소형화를 실현할 수 있습니다.
또한, IGBT에서는 불가능한 고주파 구동이 가능하여 수동 부품의 소형화에도 기여합니다.
600V~900V의 Si-MOSFET에 대해서도 chip 면적이 작다는 점 (소형 패키지에 실장 가능)과 보디 다이오드의 리커버리 손실이 매우 작다는 점 등의 이점이 있습니다.
산업기기의 전원 및 고효율 파워 컨디셔너의 인버터 · 컨버터부 등에서 응용이 확대되고 있습니다.

디바이스 구조와 특징

2. 규격화 ON 저항

SiC는 절연 파괴 전계 강도가 Si의 10배이므로 낮은 비저항, 박막의 드리프트층으로 높은 내압을 실현할 수 있습니다.
따라서, 동일한 내압일 경우, 규격화 ON 저항 (단위 면적당 ON 저항)이 작은 디바이스가 가능합니다.
예를 들어, 900V에서는 Si-MOSFET의 1/35, SJ-MOSFET의 1/10의 chip 사이즈로 동일한 ON 저항을 실현할 수 있습니다.
작은 패키지에서 저 ON 저항을 실현할 수 있을뿐만 아니라, 게이트 전하량 Qg, 용량 등도 작아집니다.
SJ-MOSFET는 900V 정도까지의 제품밖에 없지만, SiC는 1700V 이상의 내압도 낮은 ON 저항으로 실현할 수 있습니다.
IGBT와 같은 바이폴라 디바이스 구조 (ON 저항은 낮아지는 반면, 스위칭이 늦다)를 사용할 필요가 없으므로 저 ON 저항, 고내압, 고속 스위칭을 모두 갖춘 디바이스가 가능합니다.

Blocking Voltage

3. Vd-Id 특성

SiC-MOSFET는 IGBT와 같은 turn-on 전압이 없으므로 소전류에서 대전류까지 넓은 전류 영역에서 낮은 도통 손실을 달성할 수 있습니다.
또한, Si-MOSFET는 150°C에서 ON 저항이 실온의 2배 이상으로 상승하지만, SiC-MOSFET는 상승률이 비교적 낮으므로 열 설계가 용이하여 고온에서도 저 ON 저항을 실현할 수 있습니다.

Vds - Id (Ta=150℃)

4. 구동 게이트 전압과 ON 저항

SiC-MOSFET는 드리프트층 저항이 Si-MOSFET보다 낮은 한편, 현재의 기술 레벨에서는 MOS 채널 부분의 이동도가 낮으므로 채널부의 저항이 Si 디바이스에 비해 높습니다.
따라서, 높은 게이트 전압일수록 낮은 ON 저항을 얻을 수 있습니다. (Vgs=20V 이상에서 서서히 포화)
일반적인 IGBT 및 Si-MOSFET에서 사용되는 구동전압 Vgs=10~15V에서는 본래의 저 ON 저항 성능을 발휘할 수 없으므로, 충분한 저 ON 저항을 얻기위해 Vgs=18V 전후에서의 구동을 권장합니다.

구동 게이트 전압과 ON 저항

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