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자사의 SiC-MOSFET와 SiC-SBD로 구성한 「Full SiC」 파워 모듈

스위칭 손실 저감과 고주파화로,
기기의 소형화에 기여

주목 키워드
  • Full SiC 파워 모듈
  • SiC-MOSFET
  • SiC-SBD
  • IGBT 파워 모듈
  • 스위칭 손실
  • 고속 스위칭
  • 소형화

로옴은 세계를 선도하여, 자사의 SiC-MOSFET와 SiC-SBD를 사용하여 구성한 「Full SiC」 파워 모듈을 양산하고 있습니다. 기존의 Si-IGBT 파워 모듈 대비, 고속 스위칭과 대폭적인 손실 저감이 가능합니다. 최신 모듈에는 제3세대 SiC-MOSFET를 채용하여, 저손실을 한층 더 실현하였습니다.

Full SiC 파워 모듈의 구성

현재 양산 중인 Full SiC 파워 모듈은, 1개의 모듈로 half-bridge 회로를 구성할 수 있는 2in1 타입과 1개의 모듈로 승압 회로를 구성할 수 있는 초퍼 타입이 있습니다. SiC-MOSFETSiC-SBD (쇼트키 배리어 다이오드)로 구성된 타입과, SiC-MOSFET만으로 구성된 타입이 있습니다.

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Si-IGBT 파워 모듈 대비 스위칭 손실 대폭 저감

대전류를 취급하는 파워 모듈에는 Si-IGBT와 FRD (패스트 리커버리 다이오드)를 조합한 IGBT 파워 모듈이 널리 사용되고 있습니다. IGBT 모듈은 IGBT의 tail 전류와 FRD의 리커버리 전류로 인한 스위칭 손실이 크다는 과제가 있습니다. 반면에 SiC-MOSFET와 SiC-SBD로 구성된 「Full SiC」 모듈은 스위칭 손실을 대폭 저감하였습니다.

오른쪽 그림은 SiC-MOSFET+SiC-SBD 구성의 Full SiC 모듈 BSM300D12P2E001 (1200V / 300A)과, IGBT+FRD 모듈의 스위칭 손실을, 동일한 환경에서 실측한 결과를 바탕으로 비교한 것입니다.

Eon은 스위칭 ON 시의 손실 (역회복 손실 포함), Eoff는 OFF 시의 손실이며, Err은 보디 다이오드의 역회복 손실입니다.

SiC-MOSFET에는 IGBT와 같은 OFF 시의 tail 전류가 없으므로 Eoff가 대폭 감소합니다. 역회복 전류도 거의 흐르지 않으므로 Err이 대폭 삭감됩니다. Eon에 대해서도 30% 정도 저감되므로, 총 스위칭 손실을 77% 삭감할 수 있습니다.

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IGBT 대비 고속 스위칭 가능

Full SiC 모듈은 IGBT 모듈에 비해 고속 스위칭이 가능합니다. 하기 그림은 PWM 인버터를 5kHz와 30kHz로 구동했을 때의 손실을 시뮬레이션한 결과입니다. SiC 모듈은 고속 스위칭이 가능하므로, 30kHz 조건에서는 60%의 스위칭 손실을 삭감할 수 있습니다. 또는, 손실을 증대시키지 않고, 주파수를 6배로 높일 수 있습니다.

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스위칭 손실 저감과 고속 스위칭에 따른 메리트

스위칭 손실이 저감됨에 따라, 효율이 향상되어 발열이 줄어듭니다. 이에 따라, 냉각기를 간소화할 수 있습니다. 예를 들어, 히트싱크의 소형화, 수냉 및 강제 공냉을 자연 공냉으로 변경할 수 있으므로, 시스템 전체의 소형화와 비용 삭감이 가능합니다.

고속 스위칭에 따른 동작 주파수의 고주파화는 리액터 및 콘덴서와 같은 주변 부품의 소형화에 기여합니다. 이는 통상적인 스위칭 전원 회로와 동일합니다. 또한, SiC-SBD는 단펄스 역회복 현상이 발생하지 않으므로, 단펄스 시의 이상 서지 전압을 고려하지 않고도 PWM 제어가 가능합니다.

인버터 및 전원의 고효율화와 동시에 소형화가 가능하다는 점이 Full SiC 파워 모듈의 큰 메리트입니다.

※본 기사는 2016년 12월 시점의 내용입니다.

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