[논문]현대 전력모듈의 소형화 및 GaN 기반 전력반도체의 모노리식 집적화 기술

한상우; 차호영

현대 전력모듈의 소형화 및 GaN 기반 전력반도체의 모노리식 집적화 기술 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.30 no.6, 2017년, pp.10 - 18

한상우 (홍익대학교 전자정보통신공학부) , 차호영 (홍익대학교 전자전기공학부)

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문제 정의

본고에서는 WBG 차세대 전력반도체기술 중 비교적 높은 전력을 수용하며 초고속 스위칭의 장점을 갖는 GaN 기반 전력반도체의 고효율 전력변환 관련 기술동향을 소개함과 더불어 본 연구진의 최근 기술개발 내용에 대하여 소개한다.
현대 전력변환모듈에 요구되는 소형화 및 고전력화 추세에서 빠르고 안정적인 스위칭소자 기술은 기존 전력소자가 극복해야 할 핵심기술이며 본고에서는 기생 인덕턴스 성분 최소화의 궁극적 방안인 모노리식 집적화 기술에 대해 소개하였다. 타 물질기반 전력소자에 비해 빠른 스위칭 속도에 더욱 강점이 있는 GaN기반 차세대 전력소자의 모노리식 집적화 기술은 모듈의 안정적인 동작과 더 높은 효율을 달성을 위한 효과적인 방안이며 응용분야 목적에 따라 다양한 모노리식 집적화 연구가 진행되어야 할 것이다.

제안 방법

본 실험에서는 clamp 회로의 커패시터, 다이오드, 저항성분을 각각 다층구조 MIM 커패시터, 쇼트키 장벽 다이오드(schottky barrier diode, SBD), MOS 게이트의 저항성분을 통해 구현하였으며 일반적인 normally-on 특성을 가지는 GaN MOS-HFET 와 모노리식 집적화하였다. 모노리식 집적화를 통해 제작된 소자의 형태는 그림 11(c)와 같다.
최근 본 연구진에서는 GaN 기반 인버터를 게이트 드라이버로써 GaN 전력소자와 모노리식 집적화 접근방법으로 구현한 통합모듈을 개발하였으며 그림 9(b), (c)와 같이 게이트 드라이버로써 활용될 GaN 인버터의 모노리식 집적화 효과를 분석하기 위해 1단으로 구성한 GaN 인버터와 recessed MOS gate 구조를 가지는 normally-off GaN switching FET를 모노리식 집적화 하였다 [16].
최근 본 연구진에서는 GaN 기반 전력소자의 normally-off 동작을 위한 창의적 방안으로 clamp 회로를 응용한 normally-off 방안을 구현하였으며 모노리식 집적화 접근방법으로 GaN 전력소자와 clamp 회로 통합 모듈을 개발하였다 [24].

성능/효과

게이트 드라이버 모노리식 집적화 모듈 구현 결과, 그림 10(a)와 같이 온·오프 스위칭 동작에 있어서 게이트 커패시턴스 충전전류는 GaN 기반 인버터를 통해 10 mA에서 148 mA로 증폭되었으며 이에 따라 증가 과도시간(rise time) 및 감소 과도시간(fall time)은 각각 626 ns에서 43 ns로 554 ns에서 44 ns로 감소하였다. 과도시간(transient time)이 감소함에 따라 메인 스위치 소자의 스위칭 손실(switching loss) 또한 227.5 mW에서 20.9 mW로 10배 감소하였으며 모노리식 집적화에 따른 기생성분 최소화 효과를 분석한 결과 그림 10(a),(b)와 같이 게이트 드라이버가 모노리식 집적된 GaN 전력 소자는 일반 회로연결 소자 대비 공조 현상이 41%에서 7.6%로 감소하여 안정적인 스위칭 동작을 보였으며 상승시간 또한 일반적인 회로연결 소자의 상승시간이 108 ns를 가진 것에 비해 43 ns의 개선된 상승시간을 갖는 것을 확인하였다.

후속연구

현대 전력변환모듈에 요구되는 소형화 및 고전력화 추세에서 빠르고 안정적인 스위칭소자 기술은 기존 전력소자가 극복해야 할 핵심기술이며 본고에서는 기생 인덕턴스 성분 최소화의 궁극적 방안인 모노리식 집적화 기술에 대해 소개하였다. 타 물질기반 전력소자에 비해 빠른 스위칭 속도에 더욱 강점이 있는 GaN기반 차세대 전력소자의 모노리식 집적화 기술은 모듈의 안정적인 동작과 더 높은 효율을 달성을 위한 효과적인 방안이며 응용분야 목적에 따라 다양한 모노리식 집적화 연구가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력반도체소자란?	전력반도체소자(power semiconductor device)는 전력의 변환 또는 제어에 사용되는 스위칭 반도체로서 자기부상열차, 태양광 인버터, 전기자동차뿐만 아니라 모든 전기기기의 효율적 전력소모를 관리하며 안정성과 신뢰성을 좌우하는 핵심부품으로서 넓은 분야에서 활용되어 왔다. 이러한 전력반도체 소자기술은 가장 보편적 반도체 물질인 규소(silicon, Si) 기반의 전력반도체를 바탕으로 1960년대부터 급격한 발전을 이뤄왔으나 기존 전력반도체 시장을 견인해온 Si 기반 전력반도체 기술은 Si 물질이 본질적으로 좁은 밴드 갭(band gap) 및 낮은 전자이동도(electron mobility)를 가짐으로 인해 이론적으로 달성 가능한 전력반도체의 핵심 성능지수 인 온-저항, 항복전압, 그리고 동작 가능 온도 등의 한계가 존재하며, super junction MOSFET, insulated gate bipolar mode transistor (IGBT) 등의 소자 구조적 혁신기술을 통해 이론적 한계를 어느 정도 극복한 성능을 가진 전력반도체가 출시되었으나 현대 전력전자 및 무선통신시스템 등에서 요구되는 핵심기술은 현재의 Si 기술로는 해결할 수 없는 고전력화, 고주파수화, 고온동작화 되고 있는 실정이다.
	Si 기반 전력반도체의 한계점은?	전력반도체소자(power semiconductor device)는 전력의 변환 또는 제어에 사용되는 스위칭 반도체로서 자기부상열차, 태양광 인버터, 전기자동차뿐만 아니라 모든 전기기기의 효율적 전력소모를 관리하며 안정성과 신뢰성을 좌우하는 핵심부품으로서 넓은 분야에서 활용되어 왔다. 이러한 전력반도체 소자기술은 가장 보편적 반도체 물질인 규소(silicon, Si) 기반의 전력반도체를 바탕으로 1960년대부터 급격한 발전을 이뤄왔으나 기존 전력반도체 시장을 견인해온 Si 기반 전력반도체 기술은 Si 물질이 본질적으로 좁은 밴드 갭(band gap) 및 낮은 전자이동도(electron mobility)를 가짐으로 인해 이론적으로 달성 가능한 전력반도체의 핵심 성능지수 인 온-저항, 항복전압, 그리고 동작 가능 온도 등의 한계가 존재하며, super junction MOSFET, insulated gate bipolar mode transistor (IGBT) 등의 소자 구조적 혁신기술을 통해 이론적 한계를 어느 정도 극복한 성능을 가진 전력반도체가 출시되었으나 현대 전력전자 및 무선통신시스템 등에서 요구되는 핵심기술은 현재의 Si 기술로는 해결할 수 없는 고전력화, 고주파수화, 고온동작화 되고 있는 실정이다.
	열 발생이 심화되는 문제를 해결할 수 있는 전력반도체 소자는?	일반적으로 스위칭속도가 빠를수록 전력모듈을 구현하는데 필요한 커패시터와 인덕터 등의 수동소자 크기는 감소하는 반면 스위칭 손실은 증가하여 열 발생이 심화되는 문제를 수반한다. 최대 150℃ 동작온도범위를 갖는 Si기반 전력반도체 에 비해 최대 400℃까지의 고온동작범위를 갖는 GaN 전력소자는 모듈 대부분의 무게를 차지하는 heat sink 또한 획기적으로 감소시켜 모듈의 전반적인 소형화 및 경량화가 가능하다 [1,2]. 이러한 이유로 인해 WBG기반전력소자를 사용하여 전력변환 모듈을 제작할 경우 부피 및 중량을 최대 70%까지 감량 가능한 것으로 보고되고 있다.

참고문헌 (24)

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저자의 다른 논문 :

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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