SiC 및 GaN 전력 반도체 — WBG가 속도를 향상시키는 이유

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0. 이 글에서 다루는 내용

광대역 밴드갭(WBG) 소재가 고온, 고전압 및 고속 스위칭을 지원하는 이유
SiC MOSFET 및 GaN HEMT의 소자 구조, 손실, 게이트 구동 및 기생 인덕턴스
전기차, 태양광 발전 시스템, 데이터센터 전원 공급 장치 및 고속 충전기에 적합한 소재 선정 및 한계점

1. SiC와 GaN이 중요한 이유

탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)은 실리콘보다 넓은 밴드갭을 가지고 있어 동일한 전압에서 더 작고, 더 높은 발열을 견딜 수 있으며, 더 빠른 스위칭이 가능합니다. 소재를 교체한다고 해서 손실이 완전히 사라지는 것은 아닙니다. 게이트 구동, 레이아웃, 발열, EMI 및 신뢰성을 함께 재설계해야 합니다.

2. 소재의 장점

넓은 밴드갭은 열적으로 발생하는 전하 캐리어를 억제하고 고온 동작에 유리합니다. 큰 임계 자기장 $E_{crit}$ 은 더 얇은 드리프트 층에서 동일한 전압을 지원하며 온 저항을 감소시킬 수 있습니다. 발리가(Baliga)의 개념적인 고주파 성능 지표는 다음과 같습니다.

BFOM\propto\varepsilon\mu E_{crit}^{3}

유전율은 $\varepsilon$ 이고 이동도는 $\mu$ 입니다. 실제 소자 손실은 전도 손실 $P_{cond}=I^2R_{on}$ 및 스위칭 손실,

P_{sw}\simeq\frac{1}{2}VI(t_{on}+t_{off})f_s

뿐만 아니라 게이트 전하, 출력 커패시턴스, 역회복 손실 및 패키지 기생 성분으로 구성됩니다.

3. 기본 아키텍처

그림 1 — WBG 성능은 소재부터 소자, 게이트 구동, 레이아웃, 열 설계에 이르는 일련의 과정입니다.

4. SiC MOSFET

SiC MOSFET은 고전압 수직 구조를 지원하며 IGBT 테일 전류를 방지하여 턴오프 손실을 줄입니다. 수백 볼트에서 킬로볼트급에 이르는 전기 자동차 구동 인버터, 태양광 발전 시스템, 철도 및 산업용 전원 공급 장치에 사용됩니다. 바디 다이오드 역회복, 단락 내성, 게이트 산화막 신뢰성 및 문턱 드리프트는 정적 $R_{on}$ 만으로는 측정할 수 없습니다.

5. GaN HEMT

GaN HEMT는 AlGaN/GaN 계면에서 고밀도 2차원 전자 가스를 사용합니다. 낮은 게이트 전하와 높은 전자 이동도는 수백 볼트급의 고주파 동작에 적합합니다. 어댑터, 서버 전원 공급 장치, 무선 전원 공급 장치 및 자동차 보조 변환기 등에 사용됩니다. 동적 온 저항, 게이트 과전압, 하드 스위칭 스파이크 및 절연 드라이버 전파 지연은 설계 시 고려해야 할 중요한 변수입니다.

6. 소자 비교

재료/소자	최적 성능 영역	주요 이점	주의 사항
Si MOSFET	저전압~중전압, 저비용	성숙한 생산 및 구동 기술	고전압에서 $R_{on}$ 및 정전 용량 증가
Si IGBT	중/고전압, 고출력	비용, 단락 내성, 현장 이력	테일 전류로 인해 주파수 제한
SiC MOSFET	고전압, 고온, 수십 kHz	낮은 전도 손실 및 스위칭 손실	산화막, 단락, 게이트 노이즈, 비용
GaN HEMT	수백 볼트, 고주파	낮은 게이트 전하, 소형 자성체	동적 $R_{on}$ , 기생 성분, 좁은 구동 범위

7. 속도의 부작용

스위칭 속도를 높이면 기생 인덕턴스로 인한 전압 오버슈트가 증가합니다.

따라서 전원 및 게이트 루프는 단락되어야 합니다. 켈빈 소스, 게이트 저항, RC/RCD 스너버 및 능동 게이트 제어를 통해 이를 제한할 수 있습니다. 빠른 에지는 또한 공통 모드 전류를 증가시키고 통신 및 센서에 EMI를 발생시키므로, 전원 회로 설계 시 차폐, 필터링 및 접지를 함께 고려해야 합니다.

8. 발열, 신뢰성 및 안전성

접합 온도는 다음 공식으로 추정합니다.

T_j=T_a+P_{loss}(R_{th,jc}+R_{th,cs}+R_{th,sa})

여기서 $T_a$ 는 주변 온도이고, 각 항은 접합부-케이스, 케이스-방열판, 방열판-주변 환경 열 저항을 나타냅니다. WBG는 열 저항을 완전히 제거하지 못합니다. 온도 사이클링 조건에서 솔더 및 본드 와이어 피로도, 게이트 산화막 및 패키지 절연, 단락 보호의 타이밍 조정을 테스트해야 합니다.

9. 실용적인 선택 사항

EV 트랙션 인버터: 주행 사이클 동안 전압, 단락 내성, 냉각, 회생 제동 및 EMI를 비교하고, SiC 손실 감소가 실제로 냉각기 크기를 줄이는지 확인합니다.
AC 어댑터 및 서버 전원 공급 장치: GaN은 주파수에 따라 자성체의 크기를 줄일 수 있지만, 레이아웃 및 연면 거리를 먼저 검증해야 합니다.
PV PCS 및 에너지 저장 장치: 부분 부하, 양방향성, 수명, 서비스 부품 및 계통 고조파에 대한 가중 평균 효율을 사용합니다.
프로토타입: 평가 보드 파형을 맹목적으로 복사하지 마십시오. 측정 불확실성에 프로브 접지 인덕턴스를 포함하십시오.

10. 3줄 요약

SiC와 GaN은 넓은 밴드갭과 높은 임계 자기장을 사용하여 고전압, 고온, 고속 스위칭을 가능하게 합니다.

이러한 장점은 게이트 전하, 역회복, 기생 인덕턴스, 열 및 EMI를 함께 고려할 때만 나타납니다.

전압, 주파수, 부하율 및 안전 기준을 정의한 다음, WBG가 시스템 손실을 실제로 줄이는지 측정합니다.

단순히 읽기만 하지 마십시오. 디바이스 데이터시트의 값은 전체 컨버터의 효율로 간주됩니다. 전도 손실은 전류 파형과 온도에 따라 달라지고, 스위칭 손실은 전압과 전류의 중첩 및 주파수에 따라 달라지며, 게이트 구동 손실은 게이트 전하와 구동 전압에 따라 달라집니다. 반도체, 자기 소자, 냉각기 및 EMI 대책을 포함하여 동일한 부하 프로파일, 냉각 조건 및 측정 대역폭을 비교하십시오. 또한 단락 보호 시간, 연면 거리 및 절연 거리, 생산 조건에서 고장 발생 후 안전 상태를 확인하십시오. 채택 시 보호 협조 및 유지보수성을 고려해야 합니다.

생산 전에 온도, 전압 및 부하율에 걸쳐 가속 테스트를 실행하여 효율 향상과 신뢰성 마진이 유지되는지 확인하십시오. 평가 보드 결과는 생산 결론이 아닙니다.

이해도 확인

SiC 또는 GaN으로 교체하면 효율이 자동으로 향상됩니까?

게이트 구동, 기생 성분, 냉각 및 주파수 또한 컨버터 손실에 영향을 미칩니다. 디바이스 특성과 시스템 특성을 구분하십시오. 성능.

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