로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 산업기기용 전원, 태양광 발전 파워 컨디셔너 및 UPS 등의 인버터, 컨버터용으로 1200V 400A, 600A 정격의 Full SiC 파워 모듈 「BSM400D12P3G002」, 「BSM600D12P3G001」을 개발하였습니다.

본 제품은 독자적인 모듈 내부 구조 및 방열 설계를 최적화한 새로운 패키지 개발을 통해, 600A 정격을 실현하였습니다. 이에 따라, 산업기기용 대용량 전원 등, 한층 더 대전력의 어플리케이션에 대한 검토가 가능해졌습니다. 또한, 전류정격이 동등한 일반 IGBT 모듈에 비해 스위칭 손실을 64% 저감 (칩 온도 150℃ 시)하여, 어플리케이션의 에너지 절약화에 기여합니다. 뿐만 아니라, 고주파 구동에 따른 주변 부품의 소형화는 물론, 고주파 구동 시 스위칭 손실 저감 효과가 한층 더 커지므로 냉각 시스템 등의 소형화에도 기여합니다. 예를 들어, SiC 모듈을 사용할 경우, 냉각 기구에서의 손실 시뮬레이션을 바탕으로 한 계산식에서 전류정격이 동등한 IGBT 모듈과 비교 시, 수냉 히트싱크를 88% 소형화※할 수 있습니다.

본 모듈은 6월부터 샘플 출하 및 양산을 개시할 예정입니다. 생산 거점은 전공정 로옴 아폴로 주식회사 (후쿠오카), 후공정 로옴 본사 공장 (교토)입니다.

＜배경＞

최근, SiC는 저전력 효과를 바탕으로 자동차 및 산업기기 등에서 채용됨에 따라, 한층 더 대전류 제품의 라인업이 기대되고 있습니다. SiC 제품의 특징인 고속 스위칭 성능을 최대한 활용하기 위해, 특히 파워 모듈 제품과 같은 전류정격이 큰 제품에 대해서는 스위칭 시의 서지 전압의 영향을 억제한 새로운 패키지 개발이 필요했습니다.

로옴은 2012년 3월 세계 최초로, 내장 파워 반도체 소자를 모두 실리콘 카바이드로 구성한 Full SiC 파워 모듈 양산을 개시하였습니다. 이후, 1200V, 300A 정류정격까지의 제품을 전개하여, 다양한 분야에서의 채용이 추진되고 있습니다. 이번에 새로운 패키지 개발로 IGBT 모듈 시장에서 주요한 전류정격 범위인 100A~600A까지 커버하는 Full SiC 모듈의 라인업 확충에 성공함에 따라, 수요가 더욱 확대될 것으로 예상되고 있습니다.

＜특징＞

1. 대폭적인 스위칭 손실 저감을 통해, 기기의 저전력화에 기여

로옴의 SiC-SBD와 SiC-MOSFET를 탑재한 Full SiC 파워 모듈 실현을 통해, 전류정격이 동등한 일반 IGBT 모듈에 비해, 스위칭 손실을 64% 저감 (칩 온도 150℃ 시)하였습니다. 이에 따라, 어플리케이션의 전력 변환 효율을 저감할 수 있어, 저전력화에 기여합니다.

2. 고주파 구동 실현을 통해, 주변 부품 소형화

PWM 인버터 구동 시의 손실 시뮬레이션에 있어서, 동일 스위칭 주파수에서 전류정격이 동등한 IGBT 모듈과 비교한 경우, 5kHz 구동 시 30％, 20kHz 구동 시 55％로 토탈 손실을 대폭 저감하였습니다. 이에 따라, 20kHz 구동 시, 필요시되는 히트싱크 사이즈를 88% 소형화할 수 있습니다.

또한, 고주파 구동이 가능하여, 주변 수동 부품의 소형화에 기여합니다.

＜대전류화를 실현하기 위한 기술 포인트＞

1. 패키지 내부 인덕턴스 대폭 저감

파워 모듈 제품의 대전류 정격화에 따라, 스위칭 동작 시의 서지 전압이 커지므로, 패키지 내부의 인덕턴스를 저감할 필요가 있습니다. 이번 신제품은 내장하는 SiC 디바이스의 배치 및 내부 패턴, 단자 구조 등을 최적화함으로써, 기존품 대비 내부 인덕턴스를 약 23％ 저감하였습니다. 기존 패키지에 비해 동일한 손실 시 서지 전압을 27% 억제한 신규 패키지 G 타입 개발을 통해, 400A, 600A 정격의 제품화를 실현합니다. 또한, 동등한 서지 전압 구동 조건하에서 신규 패키지 채용 시, 24%의 스위칭 손실 저감을 실현합니다.

2. 패키지 방열성 대폭 향상

600A 정격의 대전류화를 실현하기 위해서는 내부 인덕턴스의 저감과 함께 방열성도 필요합니다. 신제품은 모듈의 방열성에 크게 기여하는 베이스 플레이트 부분의 평탄성을 향상시킴으로써, 베이스 플레이트와 고객측에서 탈착이 가능한 냉각 기구 간 열 저항을 57％ 삭감하였습니다.

기존에 전개해온 SiC 모듈과 동일하게, 제품 평가가 용이한 평가 구동용 게이트 드라이버 보드도 구비하고 있습니다.

＜SiC 파워 모듈 라인업＞

품명	절대 최대 정격						인덕턴스 (nH)	패키지	서미 스터	내부 회로도※
	VDSS (V)	VGS (V)	ID (A) [Tc=60°C]	Tj max (°C)	Tstg (°C)	Visol (V) [AC 1min.]
BSM080D12P2C008	1200	-6~22	80	175	-40 ~ 125	2500	25	C type 45.6 × 122 × 17mm	-
BSM120D12P2C005			120
BSM180D12P3C007		-4~22	180
BSM180D12P2E002		-6~22	180				13	E Type 62 × 152 × 17mm	○
BSM300D12P2E001			300
BSM400D12P3G002		-4~22	400				10	G Type 62 × 152 × 17mm
BSM600D12P3G001			600

＜용어 설명＞

인덕턴스

흐르는 전류를 변화 시킬 때, 전자유도로 인해 발생하는 기전력의 크기를 나타내는 수치.

서지 전압

정상적으로 전기가 흐르는 전기회로에서 순간적으로 급격히 변동하는 전압. 본 내용에서는 구체적으로 MOSFET의 스위칭 OFF 시 발생하는 전압을 가리킴.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

절연 게이트 타입 바이폴라 트랜지스터. 게이트에 MOSFET를 탑재한 바이폴라 트랜지스터.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)

금속－산화물－반도체 전계 효과 트랜지스터를 뜻하며, FET 중 가장 일반적으로 사용되는 구조. 스위칭 소자로서 사용됨.

SBD (Schottky Barrier Diode)

금속과 반도체를 접촉시킴으로써 쇼트키 접합이 형성되어, 정류성 (다이오드 특성)이 얻어지는 원리를 이용한 다이오드. 소수 캐리어 축적 효과가 없어, 우수한 고속성을 지님