MOSFET와 IGBT의 장점을 겸비한 Hybrid MOS

이번에는, MOSFET와 IGBT의 장점을 모두 갖춘 로옴의 Hybrid MOS에 대해 설명하겠습니다. 하기 그림의 좌측 아래 빨간 테두리로 표시한 부분입니다.

MOSFET와 IGBT의 우수한 특성을 겸비한 Hybrid MOS GN 시리즈

Hybrid MOS는 Super Junction MOSFET (이하, SJ-MOSFET)의 고속 스위칭과 저전류 시의 저 ON 저항, IGBT의 고내압과 대전류 시의 저 ON 저항이라는, 우수한 특성을 겸비한 신 구조의 MOSFET입니다.

아래 그림은 IGBT, SJ-MOSFET, Hybrid MOS의 특징을 비교한 것입니다.

V-I 특성에서 알 수 있듯이 Hybrid MOS는 기본적으로 저전류 영역에서 SJ-MOSFET와 동등한 좋은 특성을 지니고 있습니다. 대전류 영역에서는 기울기가 급격해져, 보다 많은 전류를 흘릴 수 있습니다. 이는, SJ-MOSFET보다 대전류 영역에서 ON 저항이 낮다는 것을 나타내며, IGBT와 동등한 수준은 아니지만, Hybrid MOS는 SJ-MOSFET의 대전류 영역에서의 특성을 상당히 개선하였습니다.

하기는, 5개의 항목에 대해 5단계로 평가하여 좀 더 자세히 비교한 그림입니다. Hybrid MOS가 전반적으로 우수한 특성을 갖추고 있음을 잘 알 수 있습니다.

Hybrid MOS는, SJ-MOSFET 대비 고온 동작에서 크게 개선되었습니다. 또한, 보다 큰 전류에서의 동작도 가능해졌습니다. 이는, 앞에서 말씀드린 바와 같이 ON 저항의 온도 특성과 깊은 관계가 있습니다.

우측은 Hybrid MOS와 SJ-MOSFET의 ON 저항 Ron의 상세한 온도 특성을 나타낸 그래프입니다. SJ-MOSFET는 고온 시에 I_D에 대한 V_DS, 즉 Ron이 대폭 증가합니다. 따라서 주위 온도가 높은 경우를 비롯하여, I_D가 증가하면 발열도 증가하여 칩 온도가 상승함에 따라 Ron이 증가합니다. 이에 따라 칩 온도가 더욱 상승하여 열폭주 상태가 될 수 있습니다. 반면에, Hybrid MOS는 고온 시에도 Ron 및 Ron의 변동이 매우 적어, Tj=125℃, ID=20A일 때, Ron 환산으로 62%의 저감을 실현하였습니다.

IGBT와 비교하면, SJ-MOSFET와 동일하게 스위칭 특성이 우수합니다.

Hybrid MOS는, IGBT의 약점인 고속 스위칭이 가능합니다. 스위칭 주파수의 고속화를 통해, 회로를 구성하는 인덕터 및 콘덴서의 값과 사이즈를 작게할 수 있습니다.

또한, 손실 요인 중 하나인 테일 전류가 없습니다. IGBT에서, OFF 시의 테일 전류는 중요한 검토 사항입니다.

시장 요구를 반영한 개발 배경

최근, 에너지 절약법의 개정에 따라, 가전 제품에서는 실제 사용에 가까운 에너지 소비 효율을 나타내는 APF (Annual Performance Factor)가 표기되고 있습니다. 에어컨을 예로 들면, APF를 개선하기 위해서는 실온이 안정된 정상 동작 상태, 즉 저부하 시의 효율을 높이는 것이 하나의 포인트입니다. 이를 위해서는, 저전류 영역의 효율이 높은 SJ-MOSFET가 유리하지만, 급속 냉방 등 고부하 시에는 SJ-MOSFET로는 불충분한 경우가 많아, IGBT를 사용하는 예가 적지 않습니다. 그러나, IGBT는 저부하 시의 효율이 좋지 않기 때문에 APF의 관점에서 모든 영역에서 효율이 높은 솔루션이 요구되었습니다. Hybrid MOS는 이러한 배경을 바탕으로 개발된 MOSFET입니다.

하기의 그래프는, 에어컨의 PFC 회로에서 Hybrid MOS, SJ-MOSFET, IGBT의 효율을 평가한 예입니다.

효율 곡선은, 지금까지 설명한 각 트랜지스터의 특징 그 자체를 나타냅니다. Hybrid MOS의 경우, 저부하 시에는 IGBT의 효율을 대폭 상회하는 효율을 달성하고, 고부하 시에는 IGBT와 동등한 효율을 유지합니다.

이는 에어컨의 예이지만, 이러한 Hybrid MOS의 특징은 다른 많은 기기에서도 매우 유용합니다. 기존의 IGBT를 사용한 어플리케이션, 그리고 SJ-MOSFET를 사용한 어플리케이션에 대한 Hybrid MOS의 포지션은 하기를 참조하여 주십시오. 하기 그림은 전력과 스위칭 주파수에 대한 각각의 트랜지스터의 대응 범위를 나타냅니다.

위의 그림을 통해 알 수 있듯이, Hybrid MOS의 적색 테두리 안에 포함되는 각 트랜지스터의 영역은, Hybrid MOS로 대체가 가능합니다. 또한, 적색 테두리 안에 포함되지 않은 영역은, 발전적인 전개가 예상되는 영역입니다. SJ-MOSFET를 베이스로 한 어플리케이션은, 기본 특성을 그대로 유지함과 동시에 고전력화할 수 있습니다. IGBT를 베이스로 한 어플리케이션은 IGBT로서는 비교적 전력이 낮은 어플리케이션의 고효율화, 그리고 고속화 = 소형화를 기대할 수 있습니다.

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