업계 최고※의 낮은 ON 저항을 실현한 제4세대 SiC MOSFET 개발 차량용 메인 인버터 등으로의 보급을 가속화
2020년 6월 17일 ※2020년 6월 17일 로옴 조사
<개요>
로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 메인 인버터를 비롯한 자동차 파워 트레인 시스템 및 산업기기용 전원에 최적인 「1200V 제4세대 SiC MOSFET※1」를 개발하였습니다. 파워 반도체는, ON 저항을 저감하면 단락 내량 시간※2이 짧아지는 트레이드 오프 관계가 있어, SiC MOSFET의 낮은 ON 저항화와 단락 내량 시간을 동시에 확보하기 어려웠습니다. 이번에 개발한 신제품은 독자적인 더블 트렌치 구조※3를 더욱 진화시킴으로써, 단락 내량 시간을 악화시키지 않고 트레이드 오프 관계를 개선하여, 기존품 대비 단위 면적당 ON 저항을 약 40% 저감하였습니다. 또한, 스위칭 시의 과제였던 기생 용량※4을 대폭 삭감함으로써, 기존품 대비 스위칭 손실을 약 50% 삭감하는데 성공하였습니다. 이와 같이 낮은 ON 저항, 고속 스위칭을 겸비한 제4세대 SiC MOSFET는 차량용 인버터 및 각종 스위칭 전원 등 다양한 어플리케이션의 극적인 소형화 및 저소비전력화에 기여합니다. 본 제품은 6월부터 베어 칩의 샘플 제공을 순차 개시하였으며, 향후 디스크리트 패키지로 샘플을 제공할 예정입니다.
<배경>
최근 차세대 전동차 (xEV)의 보급 확대를 위해, 한층 더 고효율로 소형 · 경량화된 전동 시스템의 개발이 추진되고 있습니다. 특히, 구동의 중심이 되는 메인 인버터 시스템의 소형 · 고효율화가 과제로서 중요시됨에 따라, 파워 디바이스에도 한층 더 진화가 요구되고 있습니다. 또한, 전기자동차 (EV)에 있어서는 항속 거리가 짧다는 단점을 개선하기 위해, 탑재 배터리의 용량이 증가하는 경향이 있습니다. 이에 따라, 충전 시간의 단축이 요구되어, 배터리의 고내압화 (800V)가 추진되고 있습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 고내압 및 저손실을 실현할 수 있는 SiC 파워 디바이스가 큰 기대를 모으고 있습니다. 이러한 상황에서 로옴은 2010년에 세계 최초로 SiC MOSFET의 양산을 개시하였습니다. 또한, 일찍이 자동차기기 신뢰성 규격 AEC-Q101에 준거하는 제품 라인업을 강화하여, 차량용 충전기 (On Board Charger : OBC) 등에서 높은 시장 점유율을 획득하였습니다. 이번에 ON 저항과 단락 내량 시간의 트레이드 오프 관계를 동시에 개선한 제4세대 SiC MOSFET를 개발함으로써, 기존 시장과 더불어 메인 인버터를 중심으로 채용을 가속화시키고자 합니다. 앞으로도 로옴은 SiC 파워 디바이스의 라인업을 강화함과 동시에, 디바이스의 성능을 최대화시키는 제어 IC 등 주변 디바이스 및 모듈화 기술을 조합하여, 차세대 자동차의 기술 혁신에 기여해 나갈 것입니다. 또한, 어플리케이션 개발 시의 공수 삭감 및 평가 트러블의 미연 방지에 기여하는 WEB 시뮬레이션 툴을 비롯하여 고객의 과제를 해결할 수 있는 솔루션을 제공해 나가겠습니다.
<특징>
1. 트렌치 구조의 진화로, 업계 최고의 낮은 ON 저항 실현
로옴은 독자적인 구조를 채용함으로써, 2015년에 세계 최초로 트렌치 구조※5를 채용한 SiC MOSFET의 양산화에 성공하였습니다. 이후, 디바이스 성능을 한층 더 향상시키기 위한 개발을 추진해왔지만, 낮은 ON 저항화와 트레이드 오프 관계인 단락 내량 시간을 동시에 만족하기는 어려웠습니다. 이번에 로옴의 독자적인 더블 트렌치 구조를 한층 더 진화시킴으로써, 단락 내량 시간을 악화시키지 않고, 기존품 대비 ON 저항을 약 40% 저감하는데 성공하였습니다.
2. 기생 용량을 대폭 삭감함으로써, 낮은 스위칭 손실 실현
일반적으로 MOSFET는 낮은 ON 저항화 및 대전류화에 따라 각종 기생 용량이 증가하는 경향이 있어, SiC가 지닌 본래의 고속 스위칭 특성을 충분히 발휘할 수 없다는 과제가 있었습니다. 이번에, 게이트–드레인 용량 (Cgd)을 대폭 삭감함으로써, 기존품 대비 스위칭 손실을 약 50% 저감하는데 성공하였습니다.
<용어 설명>
※1) MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor의 약자)
금속 – 산화물 – 반도체 전계 효과 트랜지스터. FET 중에서는 가장 일반적으로 사용되는 구조이며, 스위칭 소자로서 사용된다.
※2) 단락 내량 시간
MOSFET가 단락 (쇼트) 시에 파괴에 이르기까지의 시간. 통상적으로 단락이 발생하면 설계치를 초과하는 대전류가 흘러, 이상 발열이 발생하고 열폭주를 일으켜 파괴에 이르게 된다. 단락 내량을 높이면, 트레이드 오프 관계에 있는 ON 저항을 비롯한 성능이 악화된다.
※3) 더블 트렌치 구조
로옴의 독자적인 트렌치 구조. SiC MOSFET의 트렌치 구조 채용은 ON 저항 저감에 효과가 있어 주목 받았지만, 디바이스의 장기간 신뢰성 확보를 위해 게이트 트렌치 부분에 발생하는 전계를 완화할 필요가 있었다. 로옴은 이러한 전계 집중을 완화하는 독자적인 더블 트렌치 구조를 채용함으로써 과제를 극복하여, 2015년에 세계 최초로 트렌치 구조를 채용한 SiC MOSFET의 양산화에 성공했다.
※4) 기생 용량
전자 부품의 내부 등에서 물리적인 구조로 인해 발생하는 기생의 정전 용량. MOSFET의 경우, 게이트–소스 용량 (Cgs), 게이트–드레인 용량 (Cgd), 드레인–소스 용량 (Cds)이 있다. 게이트–소스 용량 및 게이트–드레인 용량은 게이트 산화막의 정전 용량에 따라 결정된다. 드레인–소스 용량은 기생 다이오드의 접합 용량이다.
※5) 트렌치 (Trench) 구조
Trench는 도랑을 의미한다. 칩 표면에 홈을 형성하여, 그 측벽에 MOSFET의 게이트를 형성한 구조이다. Planar 타입 MOSFET에 구조상 존재하는 JFET 저항이 존재하지 않으므로, Planar 구조보다 미세화가 가능하여 SiC 재료 본래의 성능에 가까운 ON 저항을 기대할 수 있다.
업계 최고※의 낮은 ON 저항을 실현한 제4세대 SiC MOSFET 개발
차량용 메인 인버터 등으로의 보급을 가속화
2020년 6월 17일
※2020년 6월 17일 로옴 조사
<개요>
로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 메인 인버터를 비롯한 자동차 파워 트레인 시스템 및 산업기기용 전원에 최적인 「1200V 제4세대 SiC MOSFET※1」를 개발하였습니다.
파워 반도체는, ON 저항을 저감하면 단락 내량 시간※2이 짧아지는 트레이드 오프 관계가 있어, SiC MOSFET의 낮은 ON 저항화와 단락 내량 시간을 동시에 확보하기 어려웠습니다.
이번에 개발한 신제품은 독자적인 더블 트렌치 구조※3를 더욱 진화시킴으로써, 단락 내량 시간을 악화시키지 않고 트레이드 오프 관계를 개선하여, 기존품 대비 단위 면적당 ON 저항을 약 40% 저감하였습니다.
또한, 스위칭 시의 과제였던 기생 용량※4을 대폭 삭감함으로써, 기존품 대비 스위칭 손실을 약 50% 삭감하는데 성공하였습니다.
이와 같이 낮은 ON 저항, 고속 스위칭을 겸비한 제4세대 SiC MOSFET는 차량용 인버터 및 각종 스위칭 전원 등 다양한 어플리케이션의 극적인 소형화 및 저소비전력화에 기여합니다.
본 제품은 6월부터 베어 칩의 샘플 제공을 순차 개시하였으며, 향후 디스크리트 패키지로 샘플을 제공할 예정입니다.
<배경>
최근 차세대 전동차 (xEV)의 보급 확대를 위해, 한층 더 고효율로 소형 · 경량화된 전동 시스템의 개발이 추진되고 있습니다. 특히, 구동의 중심이 되는 메인 인버터 시스템의 소형 · 고효율화가 과제로서 중요시됨에 따라, 파워 디바이스에도 한층 더 진화가 요구되고 있습니다.
또한, 전기자동차 (EV)에 있어서는 항속 거리가 짧다는 단점을 개선하기 위해, 탑재 배터리의 용량이 증가하는 경향이 있습니다. 이에 따라, 충전 시간의 단축이 요구되어, 배터리의 고내압화 (800V)가 추진되고 있습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 고내압 및 저손실을 실현할 수 있는 SiC 파워 디바이스가 큰 기대를 모으고 있습니다.
이러한 상황에서 로옴은 2010년에 세계 최초로 SiC MOSFET의 양산을 개시하였습니다. 또한, 일찍이 자동차기기 신뢰성 규격 AEC-Q101에 준거하는 제품 라인업을 강화하여, 차량용 충전기 (On Board Charger : OBC) 등에서 높은 시장 점유율을 획득하였습니다. 이번에 ON 저항과 단락 내량 시간의 트레이드 오프 관계를 동시에 개선한 제4세대 SiC MOSFET를 개발함으로써, 기존 시장과 더불어 메인 인버터를 중심으로 채용을 가속화시키고자 합니다.
앞으로도 로옴은 SiC 파워 디바이스의 라인업을 강화함과 동시에, 디바이스의 성능을 최대화시키는 제어 IC 등 주변 디바이스 및 모듈화 기술을 조합하여, 차세대 자동차의 기술 혁신에 기여해 나갈 것입니다. 또한, 어플리케이션 개발 시의 공수 삭감 및 평가 트러블의 미연 방지에 기여하는 WEB 시뮬레이션 툴을 비롯하여 고객의 과제를 해결할 수 있는 솔루션을 제공해 나가겠습니다.
<특징>
1. 트렌치 구조의 진화로, 업계 최고의 낮은 ON 저항 실현
로옴은 독자적인 구조를 채용함으로써, 2015년에 세계 최초로 트렌치 구조※5를 채용한 SiC MOSFET의 양산화에 성공하였습니다. 이후, 디바이스 성능을 한층 더 향상시키기 위한 개발을 추진해왔지만, 낮은 ON 저항화와 트레이드 오프 관계인 단락 내량 시간을 동시에 만족하기는 어려웠습니다.
이번에 로옴의 독자적인 더블 트렌치 구조를 한층 더 진화시킴으로써, 단락 내량 시간을 악화시키지 않고, 기존품 대비 ON 저항을 약 40% 저감하는데 성공하였습니다.
2. 기생 용량을 대폭 삭감함으로써, 낮은 스위칭 손실 실현
일반적으로 MOSFET는 낮은 ON 저항화 및 대전류화에 따라 각종 기생 용량이 증가하는 경향이 있어, SiC가 지닌 본래의 고속 스위칭 특성을 충분히 발휘할 수 없다는 과제가 있었습니다. 이번에, 게이트–드레인 용량 (Cgd)을 대폭 삭감함으로써, 기존품 대비 스위칭 손실을 약 50% 저감하는데 성공하였습니다.
<용어 설명>
FET 중에서는 가장 일반적으로 사용되는 구조이며, 스위칭 소자로서 사용된다.
통상적으로 단락이 발생하면 설계치를 초과하는 대전류가 흘러, 이상 발열이 발생하고 열폭주를 일으켜 파괴에 이르게 된다. 단락 내량을 높이면, 트레이드 오프 관계에 있는 ON 저항을 비롯한 성능이 악화된다.
SiC MOSFET의 트렌치 구조 채용은 ON 저항 저감에 효과가 있어 주목 받았지만, 디바이스의 장기간 신뢰성 확보를 위해 게이트 트렌치 부분에 발생하는 전계를 완화할 필요가 있었다. 로옴은 이러한 전계 집중을 완화하는 독자적인 더블 트렌치 구조를 채용함으로써 과제를 극복하여, 2015년에 세계 최초로 트렌치 구조를 채용한 SiC MOSFET의 양산화에 성공했다.
MOSFET의 경우, 게이트–소스 용량 (Cgs), 게이트–드레인 용량 (Cgd), 드레인–소스 용량 (Cds)이 있다. 게이트–소스 용량 및 게이트–드레인 용량은 게이트 산화막의 정전 용량에 따라 결정된다. 드레인–소스 용량은 기생 다이오드의 접합 용량이다.
Planar 타입 MOSFET에 구조상 존재하는 JFET 저항이 존재하지 않으므로, Planar 구조보다 미세화가 가능하여 SiC 재료 본래의 성능에 가까운 ON 저항을 기대할 수 있다.
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