실리콘 카바이드 트랜지스터는 점점 더 높은전압 전력 변환기는 이러한 애플리케이션의 크기, 무게 및/또는 효율성과 관련된 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그런데 이게 왜? technology 엔지니어들에게 그렇게 매력적인가요? 블로그는 몇 가지 통찰력을 제공할 것입니다.
실리콘 카바이드(SiC)의 뛰어난 재료 특성으로 절연 게이트 바이폴라 대신 고속 스위칭 유니폴라 장치 설계 가능 트랜지스터 (IGBT) 스위치. 따라서 600V 이하의 전압을 사용하는 저전압 환경에서만 가능했던 솔루션이 이제 더 높은 전압에서도 가능해졌습니다. 그 결과 효율성이 향상되고, 스위칭 주파수가 높아지며, 열 방출이 줄어들고, 공간이 절약되어 전체 시스템 비용도 절감되는 이점이 있습니다.
Infineon Technologies는 거의 30년 전에 이러한 잠재력을 확인했으며 1992년에 전문가 팀을 구성하여 고전력 산업용 애플리케이션을 위한 SiC 다이오드 및 트랜지스터를 개발했습니다. 그 이후에 도달한 이정표의 짧고 불완전한 목록은 다음과 같습니다.
- 2001년 세계 최초 SiC 기반 쇼트키 다이오드 도입
- 2006년 SiC 장치를 포함하는 최초의 전원 모듈
- 현재 XNUMX세대 SiC 다이오드 출시
- 혁신적인 Trench CoolSiC의 시사회와 관련하여 Villach Innovation Factory에서 150mm 웨이퍼 기술로 완전히 전환™ 이끼 2017년
금속 산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)는 신뢰할 수 있는 SiC 장치를 목표로 할 때 일반적으로 선택의 개념으로 받아 들여졌습니다. 처음에는 접합 전계 효과 트랜지스터 (JFET) 구조는 SiC 트랜지스터에서 성능과 신뢰성을 결합하기 위한 궁극적인 솔루션으로 보였습니다. 그러나 현재 확립된 150mm 웨이퍼 기술로 트렌치 기반 SiC MOSFET이 가능해졌습니다. 이러한 방식으로 DMOS(Double-diffused Metal-Oxide Semiconductors) 구조의 딜레마가 성능이나 높은 신뢰성을 모두 가지고 해결될 수 있었습니다.
SiC 다이오드 및 트랜지스터 또는 질화갈륨 고 전자 이동도 트랜지스터(GaN HEMT)와 같은 와이드 밴드갭 기반 전력 장치는 오늘날 전력 전자 설계자의 라이브러리에서 일반적인 요소입니다. 하지만 왜? 기존 실리콘과 달리 탄화규소의 매력은 무엇입니까? SiC 부품이 실리콘 고전압 장치에 비해 높은 비용에도 불구하고 설계 엔지니어에게 매우 매력적이어서 설계에 자주 사용하는 이유는 무엇입니까? 몇 가지 이유를 살펴보겠습니다.
낮은 손실과 높은 고장 필드가 핵심
전력 변환 시스템에서 설계 엔지니어는 변환 중 에너지 손실을 줄이기 위해 지속적으로 노력합니다. 최신 시스템은 반도체 트랜지스터가 수동 소자와 함께 ON 및 OFF로 전환되는 기술을 기반으로 합니다. 사용된 트랜지스터와 관련된 손실의 경우 몇 가지 측면이 관련됩니다.
- 첫째, 설계 엔지니어는 전도 단계에서 손실을 고려해야 합니다. MOSFET에서 이는 고전적인 저항으로 정의됩니다. IGBT에서는 무릎 전압(Vce_sat) 및 추가적으로 출력 특성의 차동 저항. 차단 단계의 손실은 일반적으로 무시할 수 있습니다.
- 둘째, 설계 엔지니어는 스위칭 중에 항상 ON과 OFF 상태 사이에 전환 단계가 있다는 점을 고려해야 합니다(그림 1). 관련 손실은 대부분 장치 커패시턴스에 의해 정의됩니다. IGBT에서는 소수 캐리어 역학(턴온 피크, 테일 전류)으로 인해 추가 기여가 있습니다.
이러한 고려 사항을 바탕으로 선택한 장치는 항상 다음과 같을 것으로 예상됩니다. MOSFET. 그러나 특히 고전압의 경우 실리콘 MOSFET의 저항이 너무 높아서 총 손실 밸런스가 IGBT보다 열등합니다. 이는 소수 캐리어에 의한 전하 변조를 사용하여 전도 모드에서 저항을 낮출 수 있기 때문입니다.
그림 1: 그림은 스위칭 프로세스와 정적 IV 동작의 그래픽 비교를 보여줍니다. (출처: 인피니언 테크놀로지스)
와이드 밴드갭 반도체를 고려하면 상황이 바뀝니다. 그림 2 실리콘과 비교하여 SiC 및 GaN의 가장 중요한 물리적 특성을 요약합니다. 밴드갭과 임계 전기장 사이의 직접적인 상관관계 반도체 중요하다. SiC의 경우 실리콘에 비해 약 10배 더 높습니다.
그림 2: 이 이미지는 실리콘 대 SiC 및 GaN의 중요한 물리적 특성을 강조합니다. (출처: 인피니언 테크놀로지스)
이 기능을 사용하면 고전압 부품의 설계가 다릅니다. 그림 3 5kV 반도체 장치의 예를 사용하여 영향을 보여줍니다. 실리콘의 경우 반도체 설계자들은 적당한 내부 항복 자기장 때문에 상대적으로 두꺼운 활성 영역을 사용해야 합니다. 또한 활성 영역에 소수의 도펀트만 포함될 수 있으므로 높은 직렬 저항이 발생합니다( 그림 1).
그림 3: SiC는 더 얇은 반도체 활성 영역을 허용합니다. (출처: 인피니언 테크놀로지스)
SiC에서 10배 더 높은 항복 필드로 활성 영역을 훨씬 더 얇게 만들 수 있습니다. 동시에, 더 많은 자유 캐리어가 포함될 수 있으며, 따라서 실질적으로 더 높은 전도도가 달성될 수 있습니다. 탄화규소의 경우 MOSFET 또는 쇼트키 다이오드와 같은 고속 스위칭 유니폴라 장치와 IGBT 및 pn 다이오드와 같은 느린 바이폴라 구조 간의 전환이 이제 훨씬 더 높은 차단 전압으로 이동했다고 말할 수 있습니다.그림 4).
그림 4: SiC는 기존 실리콘보다 높은 차단 전압을 제공합니다. (출처: 인피니언 테크놀로지스)
또는 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 약 50V의 저전압 범위에서 실리콘으로 가능한 것은 1200V 장치에 가능한 SiC를 사용하는 것입니다.
결론
WBG 기술의 발전과 규소 카바이드의 우수한 재료 특성으로 인해 이러한 장치는 더 빠른 스위칭, 낮은 스위칭 손실 및 더 얇은 활성 영역으로 작동할 수 있으므로 효율성이 향상되고 스위칭 주파수가 향상되고 공간이 절약되는 설계가 가능합니다. 결과적으로 SiC MOSFET은 전력 변환 애플리케이션을 위해 기존 실리콘보다 선호되는 옵션이 되고 있습니다.
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