[논문]Wide Bandgap 소자 기반 전력변환장치의 현황

김종수

Wide Bandgap 소자 기반 전력변환장치의 현황 원문보기

전기의 세계 = The proceedings of KIEE, v.65 no.2, 2016년, pp.15 - 26

김종수 (대진대학교)

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문제 정의

이는 WBG 소자가 기존 Si 소자와 상이한 특성을 가지고 있기 때문인 것으로 분석된다. 따라서 본 고에서는 GaN FET을 중심으로 WBG 소자의 특성을 살펴보고, WBG 소자를 적용한 전력변환장치 구현의 난점과 이를 개선하기 위한 연구동향 및 향후 WBG 기반 전력변 환장치의 전망에 대해 기술하고자 한다.
그러나 GaN FET 제조사에서 선보이는 몇몇 Evaluation board를 제외하고 상품화된 사례를 찾아보기 쉽지 않다. 소자의 단가 문제도 있겠지만 그 외 몇 가지 기술적 문제 또한 상품화가 더딘 이유일 것으로 생각되며, 본 장에서는 GaN FET 기반 전력변환 장치 개발이 빠르게 전개되지 못하는 몇 가지 문제점을 생각해보고자 한다.

제안 방법

다른 방법으로 불소도핑 또는 독자적 소자구조로 E‐mode 특성을 구현한 GaN FET이 출시되고 있다. D‐mode GaN은 페르미 준위 (E_f)가 전도대역 (Ec)보다 큰 상태에서 2DEG가 형성되므로 E‐mode 구현을 위해 그림 6과 같이 D‐mode GaN의 게이트에 p‐AlGaN 도핑하여 페르미 준위 (Ef)보다 전도대역 (Ec)을 증가시켜 Normally‐off를 구현하였다. 단일 칩으로 구현이 가능하기 때문에 보다 빠른 스위칭이 가능하고 양방향 도통이 용이하며 dv/dt에 의한 위험성이 상대적으로 적고 0에 가까운 reverse recovery charge를 구현할 수 있어 Cascode GaN FET이 가지고 있는 단점을 보완할 수 있는 장점을 가진다.

성능/효과

또한 1700V/1200A SiC FET Module을 2병 렬로 구성한 철도차량용 인버터도 Mitsubishi에 의해 세계 최초로 출시되었다. SiC를 적용하여 고속 스위칭 함므로써 기존 Si IGBT 인버터 대비 40%의 부피 및 무게 저감을 실현하였고 30%의 손실 또한 저감한 것으로 발표하였다.
따라서 많은 연구자들이 그림 9와 같이 GaN FET 소자 내 기생 성분을 줄이기 위한 Packaging에 대한 연구를 수행중이다. 패키지 변경을 통해 소자 내 기생성분을 최소화하여 transition time 및 턴‐온 에너지의 30% 이상을 줄였고 이를 통해 효율 향상을 대할 수 있다.

후속연구

GaN의 고유특성이 100% 성능으로 구현될 경우 저손실 및 고온 내열성으로 인해 이러한 문제가 해결될 수 있을 것으로 보여지나 현재의 GaN FET 성능 수준에서는 방열판이 반드시 필요하기 때문이다. 더불어 향후 허용 가능 접합부 온도가 GaN의 물성치만큼 올라갈 경우 PCB 및 주변 부품의 열적 신뢰성도 같이 고려해야 할 것이다.
on을 크게 줄여 도통 손실 저감이 가능하다는 것을 의미한다. 또한 화합물 반도체 특성 상 이종접합 (Heterojunction)으로 인해 매우 빠른 전자 이동도를 가지는 HEMT (High Electron Mobility Transistor) 구조로 어떠한 재질의 특성보다 드리프트 속도가 높아 기존 Si 전력반도체에 비해 매우 빠른 온‐오프시간을 가져 스위칭 손실을 최소화 할 수 있고, 내열특성 또한 크게 개선되어 GaN FET과 SiC FET의 경우 각각 이론상 접합부 온도 700℃ 및 300℃까지 구동이 가능하므로 방열시스템의 크기 및 부피를 크게 줄일 수 있을 것을 기대된다 [2]. 그림 2와 표 2는 IR사의 측정데이터로 Si과 WBG 소자의 물성적 한계 차이와 Breakdown 전압에 대한 Rds.
WBG 기반 전력 반도체는 기술 성격상 소자의 설계, 웨이퍼 및칩 제작, 모듈 패키징, 전력변환시스템 제작의 Value‐chain 을 가지므로 소자레벨부터 시스템레벨까지 전반적인 이해가 필요한 기술분야이므로 일부 Fabless 중심의 반도체 설계 사업에서 탈피해 칩 및 모듈 제작 역량을 향상시키고 시스템 개발사와의 밀접하고 지속적인 협력을 강화해 나가야 할 것으로 생각된다. 시장의 판단은 GaN FET이 Si MOSFET을 대체하고 SiC FET가 Si IGBT를 대체할 것으로 예상하고 소자 개발을 수행중이다. 현 시점에서는 WBG 소자 기술의 미완, 가격 경쟁력 부족, 시스템 신뢰성 부족 등의 문제로 상품 개발이 생각보다 더디지만 예의 Si 기반 전력반도체 및 시스템 개발이 그러했듯이 WBG 전력반도체가 Si 전력반도체를 대체할 시기가 곧 도래할 것으로 예상되므로 이에 대한 준비가 반드시 필요할 것이다.
PCB 패턴설계의 경우 대부분의 논문에서 경험치나 시행착오적 설계 개선 접근방식을 취하고 있는데, 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 고려해보면 새로운 설계 접근 방법이 필요하지 않을까 생각된 다. 일예로 (상대적으로 주파수가 매우 낮아 해석 오차가 크게 발생하는 문제가 있지만) 반도체 설계에 적용중인 Sigrity PowerSI를 통한 모의실험 및 해석 등이 하나의 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.
전언한 바와 같이 GaN FET은 화합물 소자의 여러 장점으로 인해 궁극적으로 Si 전력반도체에 비해 보다 높은 효율 및 고전력밀도 구현이 가능할 것으로 보여진다. 그러나 GaN FET 제조사에서 선보이는 몇몇 Evaluation board를 제외하고 상품화된 사례를 찾아보기 쉽지 않다.
시장의 판단은 GaN FET이 Si MOSFET을 대체하고 SiC FET가 Si IGBT를 대체할 것으로 예상하고 소자 개발을 수행중이다. 현 시점에서는 WBG 소자 기술의 미완, 가격 경쟁력 부족, 시스템 신뢰성 부족 등의 문제로 상품 개발이 생각보다 더디지만 예의 Si 기반 전력반도체 및 시스템 개발이 그러했듯이 WBG 전력반도체가 Si 전력반도체를 대체할 시기가 곧 도래할 것으로 예상되므로 이에 대한 준비가 반드시 필요할 것이다.
현시점에서 상품화된 사례는 많지 않으나 WBG 소자의 전력반도체에의 적용에 대한 연구개발이 얼마 되지 않았다는 점을 고려하면 향후 발전 가능성은 무궁무진할 것으로 보인 다. 프랑스 시장조사기관인 Yole Development사의 ‘Power GaN Market and SiC Modules, Devices, and Substrates for Power Electronics Market’ 보고서에 따르면 2015년부터 2020년까지 GaN FET 시장은 연평균 85% 수준으로 증가하여 2020년에는 5.
on의 크기를 나타내며, GaN FET을 포함한 WBG 물성의 소자가 Si 소자에 비해 갖는 장점을 명확히 보여준다. 현재 WBG 소자는 사실 epi substrate로 대부분 Silicon을 사용하기 있기 때문에 (GaN‐on‐Si) Si 소자에 비해 월등한 성능을 가지지는 못하지만 향후 Si 소자가 그러했듯이 지속적 성능 개선을 이룬다면 향후 Si 소자에 비해 월등한 효율 향상이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN FET과 SiC FET의 장점은 무엇인가?	Si 기반 전력반도체를 대체 할 것으로 예상되는 가장 주목 받고 있는 전력반도체로는 표 1 및 그림 1에 도시한 것과 같이 Wide bandgap (WBG) 특성을 가지는 화합물반 도체 (compound Semiconductor)로 III‐V족의 질화갈륨 (GaN, Gallium Nitride) FET나 IV‐IV 족의 (SiC, Silicon Carbide) FET 등이 대표적이다. GaN FET과 SiC FET은 기존 Si 전력반도체에 (Bandgap=1.1eV) 비해 약 3배 이상 넓은 (Bandgap=3.3~3.4eV) WBG 소자로 Si의 물성이 내지 못하는 매우 큰 절연파괴전압 (Breakdown Voltage)을 구현할 수 있으며 이는 Si 전력반도체와 동일 내압 소자의 경우 die를 얇게 만들 수 있고 doping 농도를 높일 수 있으므로 R ds.on 을 크게 줄여 도통 손실 저감이 가능하다는 것을 의미한다. 또한 화합물 반도체 특성 상 이종접합 (Heterojunction)으로 인해 매우 빠른 전자 이동도를 가지는 HEMT (High Electron Mobility Transistor) 구조로 어떠한 재질의 특성보다 드리프트 속도가 높아 기존 Si 전력반도체에 비해 매우 빠른 온‐오프시간을 가져 스위칭 손실을 최소화 할 수 있고, 내열특성 또한 크게 개선되어 GaN FET과 SiC FET의 경우 각각 이론상 접합부 온도 700℃ 및 300℃까지 구동이 가능하므로 방열시스템의 크기 및 부피를 크게 줄일 수 있을 것을 기대된다 [2]. 그림 2와 표 2는 IR사의 측정데이터로 Si과 WBG 소자의 물성적 한계 차이와 Breakdown 전압에 대한 Rds.
	Si 기반 전력반도체를 대체할 것으로 주목받는 전력반도체는 무엇인가?	Si 기반 전력반도체를 대체 할 것으로 예상되는 가장 주목 받고 있는 전력반도체로는 표 1 및 그림 1에 도시한 것과 같이 Wide bandgap (WBG) 특성을 가지는 화합물반 도체 (compound Semiconductor)로 III‐V족의 질화갈륨 (GaN, Gallium Nitride) FET나 IV‐IV 족의 (SiC, Silicon Carbide) FET 등이 대표적이다. GaN FET과 SiC FET은 기존 Si 전력반도체에 (Bandgap=1.
	GaN FET와 SiC FET와 같은 WBG 소자의 시장 규모가 Si 전력반도체에 비해 매우 적은 이유는?	WBG 소자의 다양한 장점에도 불구하고 현재 GaN FET와 SiC FET의 시장 규모는 전체 전력반도체 시장에서 Si 전력반도 체의 1~2% 수준 정도로 예측된다. 다양한 이유가 있겠지만 우선 물성적 특성 상 재료가 비싸고, Si에 비해 웨이퍼의 대구경 화가 어려우며, 에피성장 (Epitaxial Growth)이 어려워 수율이 낮아 Si 전력반도체에 비해 3~5배 수준의 높은 단가 때문인 것으로 분석된다. 다른 측면에서는 기존 전력변환장치에서 Si 전력반도체를 아무 조건 없이 1:1로 대체하는 것이 어렵기 때문 이다. 이는 WBG 소자가 기존 Si 소자와 상이한 특성을 가지고 있기 때문인 것으로 분석된다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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상세보기
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[ONLINE] Available at: http://www.mitsubishielectric.com/news/2015/0622a.html
Ashok Bindra, "WideBandgapBased Power Devices," IEEE Power Electronics Magazine, pp. 42-47. March 2015.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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