산업용 모터 구동기, AC/DC 및 DC/DC 인버터/컨버터, 배터리 충전기, 에너지 저장 시스템 등 전력 응용 제품 전반에서 효율성 향상, 소형화, 성능 향상을 위한 끊임없는 노력이 일어나고 있다. 이러한 공격적인 성능 요구 사항은 실리콘(Si) MOSFET의 기능을 능가하고 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 최신 트랜지스터 아키텍처로 이어졌다.
이러한 최신 소자들은 주요 성능 지표에서 큰 이점을 제공했지만 설계자는 다양한 제한과 응용 불확실성으로 인해 1세대 SiC 장치를 경계해야만 한다. 2세대 소자들은 세부적이고 정확한 이해와 함께 향상된 사양을 제공한다. SiC MOSFET 성능이 향상되고 출시 시간 압력이 증가하면서 설계자는 제품 목표를 달성하기 위해 이러한 최신 소자들을 사용하기 시작했다.
최근에는 3세대 소자들이 SiC 기반 전력 장치의 완성도를 입증하고 있다. 이러한 소자들은 이전 세대의 설계 경험과 관련 전문성을 기반으로 하면서 주요 파라미터를 개선해준다.
이 기사에서는 Si와 SiC를 비교한 후 3세대 SiC MOSFET 개발 및 마이그레이션에 대해 살펴보고자 한다. 그런 다음 이러한 장치가 설계자가 전력 시스템 설계에서 중요한 발전을 이루는 데 얼마나 도움이 되는지를 보여주는 Toshiba Semiconductor and Storage Corp.(Toshiba)의 실제 사례를 소개한다.
실리콘과 SiC의 비교
지난 수십 년에 걸쳐 실리콘 기반 MOSFET은 기본 공급 장치 및 인버터부터 모터 구동기까지 광범위한 전력 시스템 설계를 혁신해 왔습니다. 기능적으로 유사하지만 구조와 특성이 매우 다른 반도체인 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)와 함께 스위칭에 최적화된 Si MOSFET을 사용하면서 선형 토폴로지를 기반으로 하는 기존의 비효율적인 전력 변환 및 관리에서 스위칭된 제어를 사용하는 훨씬 효율적이고 콤팩트한 방식으로 전환할 수 있게 되었습니다.
대부분의 설계에서는 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 폐쇄 루프 피드백 배열에서 원하는 전압, 전류 또는 전력 값을 제공하고 유지한다. 실리콘 MOSFET의 사용이 증가하면서 요구도 함께 증가하는 추세이다.
새로운 효율성 목표(대부분 규제에 따름), 전기 자동차 및 스마터 모터 제어기 시장, 재생 에너지 및 관련 에너지 저장 시스템을 위한 전력 변환 등으로 인해 이러한 MOSFET의 기능적 효율적 향상이 촉진되고 있다.
그 결과 상당한 R&D 노력에 힘입어 실리콘 기반 MOSFET의 성능이 향상되었지만, 연구자들은 이러한 노력이 효용체감점에 도달하고 있다는 것을 깨달았다. 다행히, 이론적으로는 실리콘을 단독으로 사용하는 대신 SiC를 사용하는 전력 스위칭 소자에 기반하는 대안이 있었다.
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