최근 Si기반 전력반도체의 물성적 한계로 인해 스위칭 반도체의 발전 속도가 떨어지고, 더 이상의 성능향상을 기대하기 어려운 실정이지만 Si기반보다 우수한 물성을 가진 SiC 기반 전력반도체가 개발되고 있다. 하지만 실제 시스템에 적용하기 위해서는 아직 뚜렷한 방법이 제시되지 못하고 있다. SiC기반 전력반도체의 시스템 설계에 대한 타당성과 솔루션을 제안하기 위하여, 1kW급의 DC-DC컨버터를 설계 및 제작하고 스위칭 주파수, 듀티비, 전압, 전류의 변화 조건 속에서 Si기반 전력반도체와 실험을 통해 비교 분석하였다. 각 시스템 부하별 입․출력을 통한 효율을 분석 및 Si MOSFET 대비 SiC MOSFET의 우수한 스위칭 성능을 확인하였고, 이를 통해 동일한 구동 조건에서 SiC MOSFET의 우수성을 검증하였다.
최근 Si기반 전력반도체의 물성적 한계로 인해 스위칭 반도체의 발전 속도가 떨어지고, 더 이상의 성능향상을 기대하기 어려운 실정이지만 Si기반보다 우수한 물성을 가진 SiC 기반 전력반도체가 개발되고 있다. 하지만 실제 시스템에 적용하기 위해서는 아직 뚜렷한 방법이 제시되지 못하고 있다. SiC기반 전력반도체의 시스템 설계에 대한 타당성과 솔루션을 제안하기 위하여, 1kW급의 DC-DC컨버터를 설계 및 제작하고 스위칭 주파수, 듀티비, 전압, 전류의 변화 조건 속에서 Si기반 전력반도체와 실험을 통해 비교 분석하였다. 각 시스템 부하별 입․출력을 통한 효율을 분석 및 Si MOSFET 대비 SiC MOSFET의 우수한 스위칭 성능을 확인하였고, 이를 통해 동일한 구동 조건에서 SiC MOSFET의 우수성을 검증하였다.
Recently, due to physical limitation of Si based power semiconductor, development speed of switching power semiconductors is falling and it is difficult to expect any further performance improvements. SiC based power semiconductor with superior characteristic than Si-based power semiconductor have b...
Recently, due to physical limitation of Si based power semiconductor, development speed of switching power semiconductors is falling and it is difficult to expect any further performance improvements. SiC based power semiconductor with superior characteristic than Si-based power semiconductor have been developed to overcome these limitations. however, there is not method to apply for real system. Therefore, suggested the feasibility and solution for SiC-based power semiconductor system. design to 1kW class DC-DC boost converter and demonstrated the superiority of SiC MOSFET under the same operating conditions by analyzing switching frequency, duty ratio, voltage and current, and comparing with Si based power semiconductor through experimental efficiency according to each system load. The SiC MOSFET has high efficiency and fast switching speed, and can be designed with small inductors and capacitors which has the advantage of volume reduction of the entire system.
Recently, due to physical limitation of Si based power semiconductor, development speed of switching power semiconductors is falling and it is difficult to expect any further performance improvements. SiC based power semiconductor with superior characteristic than Si-based power semiconductor have been developed to overcome these limitations. however, there is not method to apply for real system. Therefore, suggested the feasibility and solution for SiC-based power semiconductor system. design to 1kW class DC-DC boost converter and demonstrated the superiority of SiC MOSFET under the same operating conditions by analyzing switching frequency, duty ratio, voltage and current, and comparing with Si based power semiconductor through experimental efficiency according to each system load. The SiC MOSFET has high efficiency and fast switching speed, and can be designed with small inductors and capacitors which has the advantage of volume reduction of the entire system.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 차세대 전력반도체로 꼽히는 SiC MOSFET를 Si MOSFET를 같은 실험조건에서 Turn-on/off 특성을 비교 및 분석하고, SiC MOSFET의 효율과 우수성을 검증하였다.
제안 방법
1kW의 용량의 Boost Converter를 제작하여 스위칭의 Turn-on/off를 측정하여 비교하고 1kW의 부하실험을 시행하였다. 최적의 회로구성을 위하여 음전압의 오프셋 회로와 스위칭 서지보호를 위한 역병렬 다이오드를 설계하여 실험에 추가하였다.
SiC MOSFET의 우수성을 확인하기 위하여 Si MOSFET 와의 소자 특성을 비교하여 표 1에 정리하였다.
고전압에서의 SiC MOSFET는 Si MOSFET과 같은 조건으로 입력 전압 AC 220V상용전원을 정류하여 300V 입력전압에 출력전압을 400V로 승압시킨 상태에서 전류를 500mA ~ 2.5A로 변화를 주면서 Turn-on/off Time을 측정하였다. 그림 13은 Si MOSFET의 Turn-on Time을 그림 14는 Turn-off Time을 나타내었다.
특히 역회복 시간(Trr)과 역회복 전하(Qrr)에서 SiC MOSFET가 더욱 우수한 특성을 지닌 것으로 확인된다. 데이터시트 상으로 SiC MOS FET가 Si MOSFET에 비해 좋은 특성을 가지고 있음을 알 수 있으나, 이는 두 소자간의 실험특성 조건이 다른 수치이므로 실제 같은 조건의 실험에서도 데이터 시트의 수치대로 우수한 특성을 가지는 지를 실험을 통하여 분석하였다.
두 번째 실험은 고전압에서의 실험을 진행하였다. 입력 전압 AC 220V상용전원을 정류하여 300V 입력전압에 출력전압을 400V로 승압시킨 상태에서 전류를 500mA ~ 2.
본 논문에서는 Si 전력반도체와 SiC 전력반도체를 다양한 실험을 통하여 그 특성을 비교하고, 1kW급 Boost Converter를 통하여 부하에 따른 효율과 변화되는 특성을 비교하였다.
본 논문에서는 SiC MOSFET와 Si MOSFET의 스위칭 특성과 효율에 관한 연구의 목적이 있으므로 실험조건을 50V/500mA~2A, 400V/500mA~2.5A, 스위칭 주파수를 20kHz~100kHz까지 동작시켜보고, 듀티비를 15% ~40%까지 변화 시켜 보면서 그 특성을 파악하였다.
최적의 회로구성을 위하여 음전압의 오프셋 회로와 스위칭 서지보호를 위한 역병렬 다이오드를 설계하여 실험에 추가하였다. 설계된 Boost Converter를 제작하여 교류 입력 전압 220V를 정류하여 출력 직류 전압 400V, 출력 전력 1kW으로 실험을 완료하였다. 실험 결과 저전압과 고전압 전영역에서 SiC MOSFET가 Turn-on/off 특성이 Si MOSFET보다 우수하였다.
실험은 출력전압과 출력전력을 동일한 기준으로 정하여 하드웨어 스펙이 동일한 컨버터에 SiC MOSFE T와 Si MOSFET를 적용하여, 스위칭의 Turn-on과 Turn-off 타임을 다양한 조건에서 실험하였다.
두 번째 실험은 고전압에서의 실험을 진행하였다. 입력 전압 AC 220V상용전원을 정류하여 300V 입력전압에 출력전압을 400V로 승압시킨 상태에서 전류를 500mA ~ 2.5A로 변화를 주면서 Si MOSFET와 SiC MOSFET의 Turn-on/off Time을 측정하였다. 그림 11은 Si MOSFET의 Turn-on Time을 그림 12는 Turn-off Time을 나타내었다.
1kW의 용량의 Boost Converter를 제작하여 스위칭의 Turn-on/off를 측정하여 비교하고 1kW의 부하실험을 시행하였다. 최적의 회로구성을 위하여 음전압의 오프셋 회로와 스위칭 서지보호를 위한 역병렬 다이오드를 설계하여 실험에 추가하였다. 설계된 Boost Converter를 제작하여 교류 입력 전압 220V를 정류하여 출력 직류 전압 400V, 출력 전력 1kW으로 실험을 완료하였다.
컨버터의 제어는 오픈루프 방식으로 실시하였으며, 실험의 조건은 입력전압과 전류, 주파수 크기, 듀티비의 변화에 따른 스위칭 시간을 오실로 스코프를 통하여 측정하였다.
효율 실험은 200W/800Ω의 부하저항 5개를 사용하여 200W, 400W, 600W, 800W, 1kW까지 5개의 구간에서 실험을 진행하였다.
대상 데이터
소자는 Boost Converter 회로의 입․출력 조건에 따라 1200V 내 외의 정격을 기준으로 선정하였다. 보다 정확한 특성을 비교하기 위하여 동일한 회로와 조건 속에서 가장 비슷한 정격을 가지는 소자를 선정하였다. 표 1의 내용은 각각 SiC MOSFET, Si MOSFET의 제조사인 ROHM社와 IXYS社의 데이터시트를 참조하였다.
실험에 사용된 오실로스코프는 LeCroy사의 104MXi를 사용하였다. 첫 번째 실험인 50V/500m A~2A조건에서의 Si MOSFET 실험결과를 그림 6과 그림7에 나타내었다.
실험은 동일한 용량을 가지는 Boost Converter를 그림3과 같이 구성하였으며, 입력 전원은 50V/30A의 전원 공급기와 AC 220V 상용 전원을 사용하였고, 부하는 80V/20A의 전자부하와 200W/800Ω*5EA(병렬구조)의 부하저항으로 구성하였다.
보다 정확한 특성을 비교하기 위하여 동일한 회로와 조건 속에서 가장 비슷한 정격을 가지는 소자를 선정하였다. 표 1의 내용은 각각 SiC MOSFET, Si MOSFET의 제조사인 ROHM社와 IXYS社의 데이터시트를 참조하였다.
성능/효과
이는 경부하시에 전압과 전류가 낮기 때문에 스위칭 소자의 도통 손실이 크게 작용하여 효율이 상대적으로 전압과 전류가 높은 부하보다 낮은 효율이 나타난다. Si MOSFET의 경우, 경부하의 효율이 상대적으로 적게 나오며 중부하부터 효율이 좋게 나오는 반면 SiC MOSFET는 전체적인 물성적인 특성이 좋기 때문에 경부하에서도 높은 효율을 나타내며, 부하의 변화에도 고유 특성이 크게 변하지 않고 좋은 효율이 나타났다.
스위칭 특성이 우수하기 때문에 인덕터의 충․방전효율이 좋고 스위칭 손실이 적기 때문에 주파수를 높임과 동시에 인덕터와 커패시터를 작게 설계할 수 있어서 Si MOSFET대비 높은 효율을 가짐과 동시에 시스템 부피를 줄일 수 있다. 부하 실험에서도 1kW 부하에서 SiC MOSFET의 최대 효율 98.9%를 확인하였고, 전 부하영역에서도 Si MOSFET대비 좋은 효율을 확인하였다.
비교 결과 스위치 온 저항(RDS), 상승 시간(Tr), 하강시간 (Tf) 등 대부분의 항목에서 SiC MOSFET가 Si MOSFET에 비해 좋은 특성 값을 가지고 있음을 알 수 있다. 특히 역회복 시간(Trr)과 역회복 전하(Qrr)에서 SiC MOSFET가 더욱 우수한 특성을 지닌 것으로 확인된다.
이 실험결과를 그림 10에 나타내었다. 빠른 Turn-on/off Time이 장점이 될 수 있으나 충분한 듀티비가 보장되지 않을 경우 입력전류가 미세하게 흔들리는 단점이 보였으며, 이는 듀티비를 15%이상으로 주었을 경우 안정된 결과를 얻을 수 있었다.
설계된 Boost Converter를 제작하여 교류 입력 전압 220V를 정류하여 출력 직류 전압 400V, 출력 전력 1kW으로 실험을 완료하였다. 실험 결과 저전압과 고전압 전영역에서 SiC MOSFET가 Turn-on/off 특성이 Si MOSFET보다 우수하였다. 스위칭 특성이 우수하기 때문에 인덕터의 충․방전효율이 좋고 스위칭 손실이 적기 때문에 주파수를 높임과 동시에 인덕터와 커패시터를 작게 설계할 수 있어서 Si MOSFET대비 높은 효율을 가짐과 동시에 시스템 부피를 줄일 수 있다.
실험 결과를 전체적으로 분석하면 SiC MOSFET는 Si MOSFET보다 물성적인 특성상 작은 역회복 전하량을 가지므로 역회복 스위칭 속도가 빠를 것으로 예상되었으며, 실험의 전 영역에서 Si MOSFET에 비해 Turn-on/off 속도가 빠르게 측정되었다. 이로 인해스위칭 손실이 적어 효율부분에서도 더 높게 나타났다.
실험에서의 변화 요인으로 스위칭 주파수를 100kHz까지 변화를 주었으나 Turn-on/off Time에 영향을 주지는 않았다. 또한 전류를 500mA~2A까지 증가시켜도 Turn-on/off Time에 영향을 주지 않았다.
파란색 그래프는 Si MOSFET, 붉은색 그래프는 SiC MOSFET의 효율을 나타낸다. 전체적인 그래프를 분석해보면 SiC MOSFET가 훨씬 좋은 효율을 보이고 있는 것으로 보인다.
후속연구
SiC 전력반도체를 이용하여 전력변환장치를 구성하면 기존의 Si 전력반도체를 이용한 전력변환 장치보다 높은 효율 및 소형화를 이룰 수 있을 것으로 기대되며, 이에 따른 SiC 전력반도체를 실제시스템에 적용하기 위해서는 다양한 방법론적·결과론적인 연구가 진행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SiC가 여타 재료들에 비해 뛰어난 면은?
SiC (silicon carbide, 탄화규소)는 실리콘에 비하여 밴드갭이 넓은 이른바 와이드 밴드갭 반도체(wide bandgap semiconductor)이다. 전력반도체에 사용될 물질로 거론되는 와이드 밴드갭 소재로는 SiC, GaN, 다이아몬드 등 여러 반도체 재료들이 있으나 에피탁시 및 반도체 단결정 성장 등 재료기술의 성숙도, 소자 제조공정 상의 용이성 면에서 SiC가 여타 재료들을 압도하고 있으므로 현재 실리콘을 대체할 수 있는 가장 유력한 전력반도체 재료로 간주되고 있다[2].
SiC란?
SiC (silicon carbide, 탄화규소)는 실리콘에 비하여 밴드갭이 넓은 이른바 와이드 밴드갭 반도체(wide bandgap semiconductor)이다. 전력반도체에 사용될 물질로 거론되는 와이드 밴드갭 소재로는 SiC, GaN, 다이아몬드 등 여러 반도체 재료들이 있으나 에피탁시 및 반도체 단결정 성장 등 재료기술의 성숙도, 소자 제조공정 상의 용이성 면에서 SiC가 여타 재료들을 압도하고 있으므로 현재 실리콘을 대체할 수 있는 가장 유력한 전력반도체 재료로 간주되고 있다[2].
탄화규소 (SiC) 및 질화갈륨 (GaN)을 이용하여 전력반도체소자를 개발하고 있는 이유는?
IGBT의 발전을 통해 소자의 전류밀도 측면에서 매 10년간 5~6배의 전류밀도 향상 등의 특성 향상이 이루어졌다. 이러한 발전으로 전력반도체 시장은 전체 반도체 시장의 약10%에 달하는 거대 시장을 형성하였으나 기존 실리콘기반 재료의 물성적 한계로 인해 최근 발전 속도가 떨어지고 있는 추세이고 더 이상의 성능향상을 기대하기 어려운 실정이다. 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 선진 전력반도체 업계는 실리콘보다 우수한 물성을 가진 탄화규소 (SiC) 및 질화갈륨 (GaN)을 이용하여 전력반도체소자를 개발하고 있다.
참고문헌 (7)
I. H. Kang, W. Bang, J. H. Mun, and M. K. Na, "SiC power semiconductor device technology trend," Ceramist, vol. 16, no. 4, pp. 7-16, Dec. 2013.
N. K. Kim, S. C. Kim, W. Bang, and U. D. Kim, "Silicon Carbide (SIC) Semiconductor situation," KIPE MAGAZINE, vol. 9, no. 6, pp. 27-31, Dec. 2004.
T. Hayashi, H. Tanaka, Y. Shimoida, S. Tanimoto, and M. Hoshi, "New High-voltage Unipolar Mode p+ Si/n-4H-SiC Heterojunction Diode," in Proceedings of the 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, Italy, vol. 483-485, pp. 953-956, May 2005.
R. Fu, E. Santi, and Y. Zhang, "Power SiC MOSFET Model with Simplified Description of Linear and Saturation Operating Regions," International Conference on Power Electronics (ICPE), pp. 190-195, June 2015.
P. Jang, S. W. Kang, B. H. Cho, J. H. Kim, H. S. Seo, H. S. Park, "Totem-pole Bridgeless Boost PFC Converter Based on GaN FETs," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 20, no. 3, pp. 214-222, June 2015.
J. Hormberger, A. B. Lostetter, K .J. Olejniczak, T. Mcnutt, S .Magan Lal, A. Mantooth, "Silicon (SiC) Semiconductor Power Electromics for Extreme High-Temperature Environments," in Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, Montana , vol.4, pp. 2538-2555, March 2004.
J. Biela, M. Schweizer, S. Waffler, Johann W. Kolar, "SiC versus Si-Evaluation of Potentials for Performance Improvement of Inverter and DC-DC Converter Systems by SiC Power Semiconductors," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.58, no.7, pp. 2872-2882, July 2011.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.