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파워계 어플리케이션의 손실 저감과 소형화의 열쇠：파워계 다이오드에서 손실이 가장 적은 SiC-SBD

2018.09.06

로옴은 고내압과 대전류를 취급하는 회로에 최적인 SiC (실리콘 카바이드) 재료를 사용한 SBD (쇼트키 배리어 다이오드) 개발을 추진하고 있습니다. 2010년에 일본 최초로 SiC-SBD의 양산을 개시하였으며, 현재는 제2세대 SiC-SBD를 전개하여, 자동차를 포함한 다양한 어플리케이션에서 채용되고 있습니다.

SiC-SBD는 하기와 같은 특징이 있습니다.

・역회복 시간 trr이 고속 (고속 스위칭 가능)
・trr 특성의 온도 의존성이 없음
・Low V_F (제2세대 SBD)

실제 사용 시, 이러한 특징이 어떤 메리트가 되는지에 대해 설명하겠습니다.

스위칭 손실 대폭 저감

SiC-SBD는 Si 다이오드에 비해 역회복 시간 trr이 대폭 개선되었습니다. 오른쪽 그래프는 SiC-SBD와 Si-FRD (패스트 리커버리 다이오드)의 trr을 비교한 것입니다. 회복까지의 시간 trr은 짧고, 다이오드 OFF 시의 역방향 전류 IR이 대폭 작아집니다. 즉, 역회복 전하량 Qrr이 적다 ＝ 스위칭 손실이 작다는 것입니다.

스위칭 손실이 작으면 2가지 가능성이 확대됩니다. 첫째, 동일 스위칭 주파수에서 동작시키는 경우, 발열이 더 적으므로 방열판 및 방열을 위한 기판 면적을 소형화할 수 있으며, 이 때 당연히 효율도 향상됩니다. 두번째, 동일한 발열, 손실을 허용할 수 있다면, 한층 더 고속의 스위칭 동작이 가능합니다. 스위칭 전원을 예로 들면, 스위칭 주파수를 높임으로써, 더 작은 사이즈의 코일 (인덕터)과 콘덴서를 사용할 수 있어, 소형화 및 스페이스 절약화로 이어집니다.

안정된 온도 특성 실현

SiC는 온도에 대한 특성 변동이 Si에 비해 작으므로 고온 조건에서도 안정된 특성을 실현합니다.

앞서 기술한 trr 특성도 온도에 대해 매우 안정되어 있습니다. Si-FRD의 trr은 온도 상승에 따라 증가하는 반면, SiC-SBD는 거의 일정한 trr을 유지할 수 있습니다. 또한, 고온 동작 시에도 스위칭 손실은 거의 증가하지 않습니다.

SiC-SBD의 순방향 전압 V_F는 Si-FRD와 거의 동등한 1V 정도이지만, 온도 계수는 Si-FRD와는 반대로 「+」 특성이며, 온도 상승에 따라 증가합니다. 순방향 특성의 그래프 실선은 25℃ 시의 특성이며, 점선이 125℃입니다 (색의 차이는 세대를 표시). 이 특성은 온도 상승으로 인한 열폭주가 발생하기 어려워, 병렬 접속 시에는 고온 조건에서의 안전 동작 확보로 이어집니다.

P16-2_trr

P16-2_vf1

제2세대에서는 순방향 전압 저감으로 도통 손실도 저감

이미 로옴의 SiC-SBD는 제2세대가 양산 공급되고 있습니다. 제2세대 SiC-SBD는 제조 프로세스를 개선하여, 리크 전류 및 trr 특성을 기존품과 동등하게 유지하면서, V_F를 약 0.15V 저감하였습니다. 이에 따라, V_F에 의한 도통 손실이 저감됩니다. 순방향 특성 그래프의 적색 점선은 제1세대 SiC-SBD, 청색은 제2세대 SiC-SBD이며, V_F가 저감된 것을 확인할 수 있습니다.

SiC-SBD는 고속 trr에 의한 스위칭 손실 저감과 더불어 V_F가 개선됨으로써, 파워계 다이오드 중에서는 가장 손실이 적은 다이오드라고 할 수 있습니다.

파워계 어플리케이션의 효율 향상과 소형화 촉진

SiC-SBD의 대표적인 어플리케이션은 하기와 같습니다. 주로 파워계 어플리케이션에서 기존의 Si 다이오드를 대체하여 사용함으로써, 오늘날 중요 과제인 시스템의 효율 향상과 소형화의 키 디바이스로서 활용되고 있습니다.

＜어플리케이션 예＞