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모터 드라이브를 위한 실리콘카바이드(SiC)

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글/알리 후세인(Ali Husain), 온세미컨덕터 기업전략 및 마케팅 수석 매니저

서론

최근 전력전자 분야에서 가장 주목할 만한 발전 중 하나로 와이드밴드갭(WBG) 소재인 실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)의 부상을 꼽을 수 있다. 해당 소재들은 작고 빠르며 효율적인 전력 전자 디바이스를 구현하게 한다. WBG 전력 디바이스는 이미 다양한 애플리케이션과 토폴로지에 영향을 미치고 있으며, 그 범위는 공용 전원공급장치 및 충전기부터 태양광 및 에너지 스토리지까지 아우른다. SiC는 전력 반도체의 형태로 GaN 보다 먼저 시장에 출시됐으며, 일반적으로 더 높은 전압과 대전력 애플리케이션에 사용된다.
모터는 산업 애플리케이션 분야에서 소비되는 총 전력의 상당한 부분을 차지한다. 이는 공기조화기술(HVAC), 중장비 로봇, 재료 취급을 비롯한 다양한 기능에서 사용되며 모터 드라이브의 효율성과 신뢰성 개선은 비용을 절감하는 중요한 방법이다. SiC는 고전력 산업용 드라이브에 점점 더 보편적으로 사용되고 있다. SiC가 전력 전자 소재로 채택되는 이유는 SiC만의 고유한 특성이 효율성과 신뢰성 개선을 위한 다양한 도전 과제들을 해결해주기 때문이다.

SiC의 소재 특성

SiC의 밴드갭은 3.26 eV로, 1.12eV인 실리콘보다 밴드갭이 큰 반도체 소재이며, 이는 전력 전자 디바이스에 사용 시 다양한 이점을 제공한다.
SiC는 실리콘에 비해 10배 높은 절연파괴 강도(dielectric breakdown strength)를 가진다. 전력 전자 스위치의 가장 중요한 기능 중 하나는 고전압을 차단하는 것이다. SiC는 절연파괴 강도가 높으므로 보다 짧은 거리에서 고전압을 지원한다. 이 거리는 수직 디바이스(vertical device) 내 채널과 드레인 접점 사이의 드리프트 영역이기도 하다. 드리프트 영역이 짧을수록 디바이스의 전기저항이 감소하며, 전력 손실을 바로 줄인다.
또한, WBG은 열적으로 여기된(thermally excited) 캐리어의 수를 줄여 자유전자와 누설전류를 감소시킨다. 게다가, 기존 실리콘 디바이스보다 광범위한 온도 범위에서 낮고 안정적인 누설전류가 발생한다. 따라서, SiC MOSFET 및 다이오드는 고온 애플리케이션을 위한 보다 효율적인 선택지라고 할 수 있다.
SiC의 열전도율은 실리콘보다 3배 높아 더욱 큰 열 분산을 가능케 한다. 전력 전자 디바이스의 열을 제거하는 것은 시스템 설계에 있어 매우 중요한 부분이다. SiC의 열전도율은 스위치의 작동 온도와 열 응력을 더욱 낮춘다.
마지막으로, SiC는 실리콘보다 전자 포화 속도가 두 배 더 빠르기 때문에 스위칭 속도도 더욱 빠르다. 스위칭 속도가 빨라지면 스위칭 손실이 적어지고, 보다 높은 PWM 주파수에서의 구동이 가능하다. 일부 전력 변환 토폴로지에서는 PWM 주파수가 높을수록 시스템에서 가장 크고 비싼 부품인 패시브 요소들이 더욱 작아지고, 가벼워지며, 저렴해진다.
반도체 소자의 원료인 SiC 웨이퍼를 만드는 과정은 실리콘 웨이퍼를 만드는 것보다 훨씬 까다롭다. 실리콘의 보울은 융해물로부터 만들어낼 수 있지만, SiC 보울은 진공 챔버에서 화학기상증착을 통해 만들어야 한다. 이 과정에는 매우 많은 시간이 소요되며, 많은 결함으로 인해 어려움이 따른다. SiC는 종종 산업용 절단에 사용될 정도로 비교적 단단하고 잘 부러지는 소재이므로, SiC 보울로부터 웨이퍼를 슬라이스 하려면 특수 공정을 거쳐야 한다.
온세미컨덕터는 SiC 수요의 증가에 따른 공급을 보장하기 위해 SiC 기판과 관련된 여러 공급 계약을 체결했다. 이와 더불어, 온세미컨덕터는 SiC 기판의 내부 공급까지 개발 중에 있다.

[그림 1] WBG의 기술적 이점

3상 인버터의 개선

가변속 고전압 모터 드라이브를 위한 기존의 해결책은 실리콘 IGBT를 역병렬 다이오드와 함께 패키징해 모터 전류 커뮤테이션을 지원하는 3상 인버터였다. 3개의 하프 브리지 위상은 인버터의 3상 코일을 구동해 사인형의 전류파형을 전달하고 모터를 구동한다.
SiC를 사용해 이러한 시스템의 성능을 업그레이드하는 방법에는 여러 가지가 있다. 인버터에서 낭비되는 에너지는 전도 손실과 스위칭 손실, 두 가지로 구분된다. SiC 디바이스는 두 가지 손실 메커니즘 모두에 영향을 미칠 수 있다.
역병렬 실리콘 다이오드를 SiC 쇼트키 배리어 다이오드로 교체하는 것은 점차 보편화되고 있다. 기존의 실리콘 역방향 다이오드는 역회복 전류를 발생시켜 스위칭 손실을 증가시키고, EMI를 생성한다. 이에 반해 SiC 다이오드는 역회복 전류가 거의 없어 스위칭 손실을 최대 30%까지 줄일 수 있고, EMI 필터의 필요성을 덜어낸다는 장점이 있다. 또한, 역회복 전류는 전원이 켜지면서 콜렉터 전류에 더해지기 때문에 SiC 다이오드는 IGB를 통해 피크 전류를 감소시킴으로써 시스템의 신뢰성을 높인다.
인버터 효율을 개선하기 위한 다음 단계는 IGBT를 SiC MOSFET으로 완전히 교체하는 것이다. SiC MOSFET은 스위칭 손실을 최대 5배까지 줄여 효율성을 더욱 향상시킨다. 디바이스 선택에 따라 SiC MOSFET의 전도 손실은 동일한 정격 전류인 실리콘 IGBT의 절반이 될 수 있다.
효율성 향상을 통해 방출되는 폐열의 양은 줄어든다. 따라서, 설계자는 냉각 시스템을 축소하거나 능동적 냉각시스템을 아예 제거해 비용을 절감할 수 있다. 그러면 더욱 작아진 모터 드라이브를 모터 하우징에 직접 장착할 수 있게 되면서 배선과 모터 드라이브 캐비닛이 줄어든다.
WBG 디바이스는 스위칭 속도가 빠르기 때문에 스위칭 손실을 줄이지만, 또다른 문제를 야기한다. 높은 전압상승률(dv/dt)이 노이즈를 발생시키고 모터 권선 절연에 응력을 가한다. 이에 대한 한 가지 해결책은 게이트 저항을 사용해 스위칭 속도를 늦추는 것이지만, 스위칭 손실은 IGBT 사용 시의 수준으로 다시 올라간다. 또 다른 해결책은 모터 위상에 필터를 설치하는 것이다. 이 때 필터 크기는 PWM 주파수가 증가함에 따라 줄어들기 때문에, 열과 필터 비용 간의 상충관계가 형성된다.
고속 스위칭 전력 반도체는 인버터 회로의 표류 인덕턴스(inductance) 및 커패시턴스(capacitance)에 대한 내구성이 없다. 소위 ‘기생(parasitic)’ 인덕턴스는 스위칭 과정에서 생성되는 높은 과도전류로 인해 전압 스파이크를 유발할 수 있다. 기생 인덕턴스를 제거하려면 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃의 배열 상태를 확인해야 한다. 모든 전원 루프와 트레이스는 짧아야 하며, 디바이스는 서로 가깝게 배치돼야 한다. 노이즈로 인해 원하지 않는 디바이스의 전원이 켜질 가능성을 줄이려면 게이트 드라이브 루프도 최소화돼야 한다.
전원 모듈은 모터 드라이브에 적합한 토폴로지에 여러 디바이스를 통합함으로써, 낮은 기생 인덕턴스 및 최적화된 레이아웃을 통해 더욱 빨라진 솔루션을 제공한다. 전원 모듈은 PCB 공간을 절약하고 히트 싱크에 부착될 부품의 수를 줄여 더욱 간편하게 열을 관리하도록 한다.

온세미컨덕터의 다양한 솔루션

온세미컨덕터는 다양한 애플리케이션을 위한 SiC 디바이스의 포트폴리오를 확장하고 있다. 온세미컨덕터의 SiC 다이오드는 TO-220, TO-247, DPAK 및 D2PAK 패키지에서 650V, 1200V 및 1700V 버전으로 제공된다. 또한, 성능과 비용의 균형을 유지하는 하이브리드 솔루션을 위해 SiC 다이오드를 IGBT와 함께 패키징 한다. 온세미컨덕터는 신규 출시된 650V, 900V 및 1200V 버전의 SiC MOSFET을 3리드 및 4리드 패키지로 제공하며, 현재 SiC MOSFET을 기반으로 하는 3상 인버터 모듈을 계획 중에 있다. 마지막으로, SiC를 위해 특별 설계된 비절연 및 갈바닉 절연 게이트 드라이버를 모두 제공한다.

결론

SiC 디바이스는 빠른 스위칭 속도와 손실 감소 등의 특징 덕분에 효율적인 통합 모터 드라이브에 사용되는 핵심적 솔루션으로 자리잡았다. 앞서 언급한 대로, 시스템 설계자는 모터 드라이브의 크기를 줄이고 모터에 가깝게 배치해 비용을 절감하고 신뢰성을 향상할 수 있다. 온세미컨덕터가 SiC 모터 드라이브를 위해 제공하는 광범위하고 지속적으로 확장되는 디바이스와 시스템은 다양한 산업용 애플리케이션에 적합한 솔루션이다.