초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 WBG 소자 중 GaN HEMT에 초점을 맞춘 차세대 전력반도체의 Fail Safety 기술을 개발하는 것임. 1차연도에는 GaN HEMT의 물리적 특성과 외부 요인(전압, 전류, 온도 등)에 의한 고장 발생 메커니즘 및 단락 시 발생하는 고장 시간에 관한 연구를 수행하고, 이를 바탕으로 추후 진행할 주요 파라미터 측정 및 단락 특성 실험을 위한 300W급 Double Pulse Test 하드웨어 프로토타입 개발, 2차연도에는 소자의 물리적 구조와 고장 메커니즘에 관한 심화 연구 및 외부 전압에 의한 고

□ 연구개요
본 연구는 WBG 소자 중 GaN HEMT에 초점을 맞춘 차세대 전력반도체의 Fail Safety 기술을 개발하는 것임. 1차연도에는 GaN HEMT의 물리적 특성과 외부 요인(전압, 전류, 온도 등)에 의한 고장 발생 메커니즘 및 단락 시 발생하는 고장 시간에 관한 연구를 수행하고, 이를 바탕으로 추후 진행할 주요 파라미터 측정 및 단락 특성 실험을 위한 300W급 Double Pulse Test 하드웨어 프로토타입 개발, 2차연도에는 소자의 물리적 구조와 고장 메커니즘에 관한 심화 연구 및 외부 전압에 의한 고장 시간과 Fail Safety 보호 회로의 동작 가능성을 검증, 3차연도에는 WBG 소자의 노후화와 관련된 시스템 변수 및 전압과 전류에 의한 열화로 인해 변화하는 주요 인자들에 대한 분석을 시행하였으며 2차연도에 시뮬레이션으로 검증한 빠른 응답속도를 지닌 보호 회로에 대한 실험 검증을 통해 궁극적으로 GaN HEMT의 고장을 방지하거나 고장 시 안전하게 차단하는 기술을 개발하는 것임.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차연도에는 연구 목표인 WBG 소자의 물성적 구조 및 Fault 메커니즘 연구에 따라 1) WBG 소자의 대표적인 3가지 물성적 구조(D-Mode type, E-Mode type, Cascode type)에 따른 특성 조사를 통해 조사를 완료하였으며 외부 변수(과전압, 과전류, 과온도)에 의해서 Fault 발생 메커니즘(전자사태 현상 및 과전류로 인한 손상)에 대한 연구 및 Fault Test를 위한 Double Pulse Test용 H/W Prototype을 제작함.
2차연도에는 연구 목표인 빠른 응답이 가능한 WBG 소자용 Fail Safety 알고리즘 및 보호회로연구에 따라 1) 1차연도에 제작한 300W Double Pulse Test H/W의 Stray Inductance로 인한 노이즈 양상을 개선한 2차 Double Pulse Test H/W를 개발하였고, 2) Fail Safety 알고리즘 및 보호회로에 관한 연구를 통해 GaN HEMT의 단락 특성에 대해 파악 후 제작한 H/W를 기반으로 실험적 검증을 한 뒤 3) WBG 소자에 적용 가능한 고속 동작 검출 알고리즘에 관한 연구를 진행하여 스위치 드레인-소스 전압을 직접 측정하는 위상레그 전압 감지방식을 제안함. 이를 기반으로 한 보호회로를 모의실험을 통해 검증하였음.
3차연도에는 연구 목표인 WBG 소자용 Fail Safety 알고리즘 및 보호회로연구와 스위치 노화 특성에 관한 연구에 따라 1) WBG 소자의 노후화에 의한 시스템 변수 인자 5가지를 도출하였으며, 스위치 노화 시 변화하는 주요 인자들의 특성에 대한 분석을 진행함. 또한, 2차연도에 시뮬레이션을 통해 확인한 고속 동작 검출 보호회로를 실험하여 257ns 이내에 신뢰성 높게 단락보호 동작이 되는 것을 검증함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구는 WBG 소자의 Fail Safety 기술개발에 중점을 두고 있으며, 정부 주도의 연구 과제를 통해 해당 분야의 지식과 기술을 성공적으로 확보함으로써 국제적인 기술 경쟁력을 강화할 수 있을 것으로 기대됨. 특히, 본 연구는 WBG 소자 중 GaN HEMT 전력반도체에 대한 물성적 구조에 따른 특성을 이론적인 분석을 하였으며 이를 Double Pulse Test 기반 300W급 H/W를 기반으로 실험적 검증을 진행함. 또한, 전력반도체의 노화에 따른 특성과 주요 파라미터들의 변화에 관한 연구와 GaN HEMT의 Fail Safety 메커니즘에 관한 연구를 기반으로 257ns의 고속 응답이 가능한 단락보호회로 개발함으로써 더욱 효과적인 WBG 소자 Fail Safety 기술을 개발할 수 있는 기반을 마련함. 이러한 연구는 WBG 소자 기반의 전력 변환 시스템의 신뢰성과 성능을 크게 향상시켜 향후 GaN HEMT가 적용되는 컨버터, 인버터 등 다양한 전력변환기의 신뢰성 및 제품 경쟁력을 향상하는데 기여할 것으로 기대함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• (1) 기술의 개념 및 정의 ... 4
• (2) 연구개발의 목적 ... 4
• (3) 시장 동향 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) 1년 차 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2) 2년 차 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 3) 3년 차 수행 과정 및 수행 내용 ... 10
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 자체점검표 ... 15
• 7. 참고문헌 ... 16
• 끝페이지 ... 35