탄화규소로 대표되는 3세대 광대역 반도체는 더 높은 온도, 전압 및 주파수 환경에서 정상적으로 작동할 수 있으며, 전력 소비는 적고 내구성과 신뢰성은 뛰어납니다. 이는 차세대 소형화, 고속화, 저비용화, 고효율 전력 전자 제품 개발에 획기적인 발전을 가져올 것입니다.

탄화규소 전력 전자 소자 기술의 발전과 산업화는 고전압 전력 시스템에 새로운 응용 분야를 열어주고 전력 시스템의 혁신에 지대한 영향을 미칠 것입니다. 탄화규소 전력 전자 소자는 뛰어난 고효율, 고전압, 고온, 고주파 특성을 지니고 있어 가전제품, 모터 에너지 절약, 전기 자동차, 스마트 그리드, 항공우주, 석유 탐사, 자동화, 레이더 및 통신 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

탄화규소 전력 전자 장치 소개

1. 탄화규소(SiC)의 정의

탄화규소(SiC) 전력 전자 소자는 3세대 반도체 소재인 SiC로 만들어진 광대역 갭 전력 전자 소자를 말합니다. SiC 전력 전자 소자는 고온 내성, 고주파수 지원, 고효율 등의 특성을 가지고 있습니다. 소자의 동작 형태에 따라 SiC 전력 전자 소자는 주로 전력 다이오드와 전력 스위칭 트랜지스터로 나뉩니다. 전력 다이오드에는 접합 장벽 쇼트키(JBS) 다이오드, PiN 다이오드, 슈퍼접합 다이오드 등이 있으며, 전력 스위칭 트랜지스터에는 금속 산화물 반도체 전계 효과 스위칭 트랜지스터(MOSFET), 접합 전계 효과 스위칭 트랜지스터(JFET), 바이폴라 스위칭 트랜지스터(BJT), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 게이트 턴오프 사이리스터(GTO), 이미터 턴오프 사이리스터(ETO) 등이 있습니다.

2. 기술적 장점

The excellent properties of silicon carbide semiconductors make power electronic devices based on silicon carbide have the following outstanding advantages compared with silicon devices:

(1) 온저항이 낮다. 낮은 항복전압(약 50V)에서 탄화규소 소자의 비온저항은 1.12μΩ에 불과하여 유사한 실리콘 소자의 약 1/100 수준이다. 높은 항복전압(약 5kV)에서 비온저항은 25.9mΩ으로 증가하여 유사한 실리콘 소자의 약 1/300 수준이다. 낮은 온저항은 탄화규소 전력 전자 소자의 전도 손실을 줄여 전체적인 기계 효율을 높일 수 있게 한다.

(2) Has higher breakdown voltage. For example: Commercial silicon Schottky diodes usually have a voltage rating of less than 300V, but the voltage rating of the first commercial silicon carbide Schottky diode has reached 600V; the voltage rating of the first commercial silicon carbide MOSFET is 1200V, while most commonly used silicon MOSFETs are below 1kV.

(3) 접합 케이스의 열 저항이 낮아지면 장치의 온도가 더 천천히 상승합니다.

(4) 더 높은 최종 작동 온도. 탄화규소의 극한 작동 안정성은 600°C 이상에 도달할 것으로 예상되는 반면, 실리콘 소자의 최대 접합 온도는 150°C에 불과합니다.

(5) 방사선 저항성이 더욱 강해져 항공 및 기타 분야에서 사용할 때 방사선 차폐 장비의 무게를 줄일 수 있습니다.

(6) 안정성이 더 높으며, 탄화규소 소자의 순방향 및 역방향 특성은 온도에 따라 거의 변하지 않습니다.

(7) 낮은 부정행위 손실. 탄화규소 소자는 스위칭 손실이 적고 수십 킬로와트의 전력 수준에서 실리콘 소자로는 달성하기 어려운 더 높은 스위칭 주파수(>20kHz)에서 작동할 수 있습니다.

3. 주요 카테고리

(1) Silicon carbide Schottky diode

단극 소자인 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)는 전도 과정에서 추가적인 전하 주입 및 저장이 없으므로 역회복 전류가 거의 없습니다. 따라서 턴오프 속도가 매우 빠르고 스위칭 손실이 매우 작습니다. 그러나 실리콘의 쇼트키 장벽이 낮아 실리콘 SBD의 역방향 누설 전류가 비교적 크고 차단 전압이 낮아 1~200V의 저전압 환경에서만 사용 가능합니다. PiN 다이오드는 일반적으로 더 높은 전압 환경에서 사용되지만 역회복 전류가 크고 스위칭 손실이 큽니다. 탄화규소 소재는 임계 항복 전기장 강도가 높아 1000V 이상의 역항복 전압을 갖는 탄화규소 SBD를 비교적 쉽게 제작할 수 있습니다.

SiC의 이러한 고유한 장점을 바탕으로 Cree와 같은 반도체 소자 제조업체들은 1~20A의 단일 소자 전류와 300V, 600V, 1200V의 전압 레벨을 갖춘 고전압 SiC 쇼트키 다이오드 제품을 생산하고 있습니다. 표 1은 현재 주요 국제 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 다이오드 제조업체와 상용 제품의 전압 레벨을 보여줍니다. Cree는 최근 1700V 전압 레벨의 최신 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드를 출시했습니다. 고전압 스위칭 응용 분야에서 SiC 쇼트키 다이오드는 거의 이상적인 성능을 제공합니다. 순방향 회복 전압이 거의 없어 즉시 켜질 수 있습니다. 접합 정전 용량과 달리 저장 전하량도 매우 작아 빠르게 꺼질 수 있습니다.

(2) 탄화규소 전력 트랜지스터

미국의 세미사우스(SemiSouth)사는 탄화규소 JFET에 대한 심층적인 연구를 진행해 왔으며, 현재 전 세계적으로 상용 탄화규소 JFET 소자를 공급하는 주요 업체입니다. 세미사우스사의 SiC JFET 제품은 최대 1700V의 전압 정격과 30A의 전류 정격을 자랑합니다.

Due to the superior characteristics and successful applications of silicon MOSFETs, silicon carbide MOSFETs have become the most popular device in the research of silicon carbide power electronic devices. The American company Cree took the lead in making breakthroughs in silicon carbide MOSFET research and launched two commercial silicon carbide MOSFET products, 10A/1200V and 20A/1200V, becoming the only manufacturer in the world to provide commercial discrete silicon carbide MOSFETs. Japan's Rohm Corporation is also actively promoting the commercialization process of its silicon carbide MOSFET. These initial SiC N-channel DMOSFETs were mainly targeted at 1200V applications. SiC MOSFETs at this voltage level have greater advantages than current Si devices.

02

해외 탄화규소 소자 개발 현황 1. 미국

미국은 1997년 '국방과학계획'을 수립하면서 광대역 반도체 개발 목표를 명확히 제시했습니다. 2014년 오바마 대통령은 SiC를 대표로 하는 3세대 광대역 반도체 산업 연합 설립을 직접 주도하여 차세대 전력 전자 제조 분야의 기술 혁신을 선도할 수 있도록 광대역 반도체 기술을 전폭적으로 지원했습니다. 이 연합은 현재 연방 정부와 지방 정부로부터 총 1억 4천만 달러의 지원금을 받았습니다. 향후 5년 내에 광대역 반도체 기술을 기존 실리콘 기반 전력 전자 기술과 비용 경쟁력을 갖추도록 개발하여 차세대 에너지 절약, 고효율, 고출력 전력 전자 칩 및 소자를 구현하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이를 통해 가전제품, 산업 장비, 통신, 청정에너지 등 세계 최대 규모의 빠르게 성장하는 산업 시장을 선도하고 국제 경쟁력을 강화하며 고임금 일자리를 창출할 것으로 기대됩니다.

2. 일본

Since 1998, the Japanese government has continued to fund research on wide-bandgap semiconductor technology. In 2013, Japan included the SiC material system in the "Prime Minister's Strategy", believing that 50% of energy savings in the future will be achieved through SiC devices in order to create a new era of clean energy. In recent years, Japan's New Energy Industrial Technology Development Organization (NEDO) has launched a research plan related to SiC power electronic devices, focusing on the application of SiC power modules in railway locomotive circuit systems, diverse power exchange systems, power generation and electric integrated turbocharger waste heat recovery systems, cutting-edge medical equipment and accelerator miniaturization, in order to achieve the goals of energy conservation and efficiency improvement.

3. 유럽 ​​연합

2014년 유럽연합(EU)은 총 18.58만 유로를 투자하여 800,000년(2014-2017) 동안 고효율 전력 시스템용 SiC 전력 기술 연구 프로그램(SPEED)을 시작했습니다. 7개국 12개 연구기관과 기업이 이 프로그램에 참여했습니다. 이 프로그램의 목표는 세계 유수의 제조업체와 연구기관을 한데 모아 SiC 전력 전자 소자 기술을 공동으로 개척하고, SiC 전력 전자 소자 산업 사슬 전반의 기술적 병목 현상을 해소하여 재생 에너지 분야에 널리 적용하는 것입니다. 2015년 독일 연방 연구부는 카를스루에 공과대학교와 산업 파트너들에게 03만 유로를 지원하여 SiC 스위칭 소자를 기반으로 한 고주파 전원 공급 장치의 에너지 효율 향상 연구를 수행하도록 했습니다. 이 연구는 산업 생산에서 전원 공급 장치의 에너지 효율을 개선하고 에너지 소비 및 CO2 배출량을 줄이는 것을 목표로 합니다.

중국 내 탄화규소 소자 개발 현황

1. 타이코 톈룬

타이코톈룬은 2011년에 설립되었습니다. 제품군은 기본 핵심 기술 제품, 탄화규소 성형 제품 및 다양한 산업 솔루션으로 구성되어 있습니다. 기본 핵심 제품으로는 탄화규소 쇼트키 다이오드가 있습니다.

2015년, 타이코톈룬(Tyco Tianrun)은 3300V/50A 고출력 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 제품 출시를 발표했습니다. 보도에 따르면, 이 제품은 낮은 순방향 전압 강하, 빠른 스위칭 속도, 뛰어난 열전도율 등의 특징을 갖고 있으며, 철도 운송 및 스마트 그리드와 같은 고급 분야에 적합합니다.

보고서에 따르면, 3300V/50A 고출력 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드의 일반적인 순방향 전압 강하는 2.22V(IF=50A, Tj=25℃) 및 4.75V(IF=50A, Tj=175℃)이며, 일반적인 역방향 누설 전류는 120μA(VR=3300V, Tj=25℃) 및 200μA(VR=3300V, Tj=175℃)입니다. 이 제품은 열악한 전기 환경에서도 높은 신뢰성을 제공하며, -55℃ ~ 175℃의 온도 범위에서 정상적으로 작동할 수 있습니다. 제품은 패키징되지 않은 베어칩 형태로 제공되며, 고객 요구 사항에 따라 다양한 패키징 유형을 맞춤 제작할 수 있습니다.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

심천 베이직 반도체(Shenzhen Basic Semiconductor)는 2016년에 설립되어 탄화규소 전력 소자의 연구 개발 및 산업화에 주력하고 있습니다. 심천 3세대 반도체 연구소 설립에 앞장선 기업 중 하나입니다. 심천 베이직 반도체는 오랜 기간 탄화규소 전력 소자 연구 개발에 집중해 왔으며, 주요 제품으로는 탄화규소 다이오드, 탄화규소 MOSFET, 자동차용 탄화규소 MOSFET 모듈 등이 있습니다. 이 제품들은 신에너지 발전, 신에너지 자동차, 철도, 스마트 그리드 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

베이직 세미컨덕터가 2018년 10월 공식 출시한 1200V 실리콘 카바이드 MOSFET은 중국 기업이 자체 설계하고 신뢰성 테스트를 통과한 최초의 산업용 제품입니다. 이 제품은 국제 최고 수준의 성능을 자랑하며, 단락 내성은 6μs에 달합니다.

3. 양지에 기술

양지에 테크놀로지는 전력 반도체 칩 및 소자 제조, 집적 회로 패키징 및 테스트 분야의 산업 개발에 특화되어 있습니다. 주요 제품으로는 다양한 전력 전자 소자 칩, 전력 다이오드, 정류 브리지, 고출력 모듈, DFN/QFN 제품, SGTMOS, 탄화규소 SBD, 탄화규소 JBS 등이 있습니다. 당사 제품은 가전제품, 보안, 산업 제어, 자동차 전자, 신에너지 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다.

양지에 테크놀로지 공식 웹사이트에 따르면 현재 MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300DU02FJ, MB40DU12FJ 등 4가지 모델의 탄화규소 쇼트키 모듈을 판매하고 있습니다. 데이터시트를 살펴보면 MB200DU01FJ 모델은 도금 전원 공급 장치, 고주파 전원 공급 장치, 고전류 스위칭 전원 공급 장치, 역극성 배터리 보호 장치, 용접기 등 다양한 분야에 사용될 수 있음을 알 수 있습니다.

3. 속은 윤기 있고 촉촉하다

2016년 3월에 설립된 신광룬제(Xinguang Runze)는 3세대 반도체 SiC 전력 소자 및 모듈의 연구 개발 및 제조를 전문으로 하는 하이테크 기업입니다. 2018년 9월 18일, 신광룬제는 국내 최초의 실리콘 카바이드 지능형 전력 모듈(SiCIPM) 생산 라인을 공식 가동했습니다. 이 프로젝트는 2016년 12월에 착공되었으며, 생산 라인이 안정화되면 월 생산량 30만 개, 연간 생산량 360만 개에 달할 것으로 예상됩니다. 현재 신광룬제는 실리콘 카바이드 SBD와 실리콘 카바이드 MOSFET을 포함한 다양한 실리콘 카바이드 제품을 생산하고 있습니다. 예를 들어, XGSCS1230SWA는 1200V 전압 요구 사항을 충족하는 실리콘 카바이드 SBD 모델 중 하나입니다. 이 제품은 스위칭 전원 공급 장치, 역률 보정 장치, 전력 인버터, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 모터 구동 장치 등에 적용됩니다.

4. 루이넹 반도체

루이넝 반도체(Ruineng Semiconductor Co., Ltd.)는 NXP 반도체와 베이징 장광 자산운용(Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd.)이 설립한 첨단 기술 합작 회사입니다. 루이넝 반도체는 실리콘 정류기(SCR) 및 트라이액, 실리콘 파워 다이오드, 고전압 트랜지스터, 실리콘 카바이드 다이오드를 포함한 업계를 선도하는 폭넓고 심도 있는 바이폴라 전력 반도체 제품 포트폴리오 개발에 주력해 왔습니다. 이 회사의 실리콘 카바이드 다이오드는 주로 산업, 서버, 에어컨 등에 사용됩니다. 공식 웹사이트에 따르면, 루이넝 반도체는 NXPSC16650B 모델과 같이 650V 전압 요구 사항을 충족하는 25가지 실리콘 카바이드 다이오드 모델을 보유하고 있으며, 이 모델은 역률 보정, 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS), 무정전 전원 공급 장치(UPS), 태양광 인버터, LED/OLED TV, 모터 드라이브 등에 사용될 수 있습니다.

5. 상하이 잔신 전자(Shanghai Zhanxin Electronics)

상하이 잔신 전자는 탄화규소 전력 소자를 핵심으로 하는 비용 효율적인 전력 칩 및 모듈 제품 개발에 전념하여 전원 공급 장치 및 전기 구동 시스템의 소형화, 효율성 향상 및 경량화를 위한 완벽한 반도체 솔루션을 제공합니다.

2017년 10월, 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET의 제조 공정이 6인치 양산 공정 라인에서 완료되었습니다. 웨이퍼 레벨 테스트 결과, 다양한 전기적 파라미터가 기대치를 충족하여 공정 및 소자 설계의 추가 최적화를 위한 견고한 기반을 마련했습니다. 그리고 2018년 5월 1일, 국내 최초의 6인치 SiC MOSFET 웨이퍼가 공식적으로 출시되었습니다.

04

Typical applications of silicon carbide devices 1. 5G infrastructure - communication power supply

통신 전원 공급 장치는 서버와 기지국 통신을 위한 에너지 뱅크 역할을 합니다. 다양한 전송 장비에 전력을 공급하여 통신 시스템의 정상적인 작동을 보장합니다. 실리콘 카바이드 MOSFET의 고주파 특성 덕분에 전원 회로의 자기 소자를 소형화하고 경량화할 수 있으며, 전체 전원 공급 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드는 역회복 특성이 거의 0에 가까워 다양한 PFC 회로에 폭넓게 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 3kW 고효율 통신 전원 공급 장치의 브리지리스 인터리브드 PFC 회로에서 650V/10A 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드를 사용하면 고객이 요구하는 95% 이상의 최대 부하 효율을 달성할 수 있습니다.

2. 신에너지 자동차 충전기 - 충전기 전력 모듈

신에너지 자동차 산업의 급속한 발전은 충전탑 수요 증가를 견인해 왔습니다. 신에너지 전기 자동차 산업 발전의 두 가지 주요 목표는 충전 속도 향상과 충전 비용 절감입니다. 충전탑 전력 모듈에 탄화규소 소자를 사용하면 충전탑 전력 모듈의 고효율 및 고출력을 달성할 수 있어 충전 속도를 높이고 충전 비용을 절감할 수 있습니다.

3. 빅데이터센터, 산업인터넷 - 서버 전원 공급

서버 전원 공급 장치는 서버의 에너지 뱅크 역할을 합니다. 서버는 전원 공급 장치를 통해 서버 시스템의 정상적인 작동을 위한 전력을 공급합니다. 서버 전원 공급 장치에 탄화규소 전력 소자를 사용하면 전력 밀도와 효율을 향상시키고, 데이터 센터의 전체 규모와 건설 비용을 절감하며, 환경 효율성을 높일 수 있습니다. 예를 들어, 3kW 서버 전원 모듈에서 토템 폴 PFC에 탄화규소 MOSFET을 사용하면 서버 전원 공급 장치의 효율을 크게 향상시켜 더욱 높은 효율 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

4. 초고전압 - 유연한 송전 DC 회로 차단기의 적용

대규모 시스템 프로젝트인 초고압(UHV) 송전은 원자재 및 부품에 대한 일련의 수요를 촉발할 것입니다. 전력 소자는 송전단의 초고압 직류 송전에서 FACTS 유연 송전 기술의 핵심 구성 요소이며, 변전소단에서는 전력 전자 변압기(PET)가 핵심 부품입니다. 유연 직류 송전의 핵심 부품 중 하나인 직류 차단기의 신뢰성은 전체 송전 시스템의 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 기존의 실리콘 기반 소자를 사용하여 직류 차단기를 설계하려면 여러 단계의 서브 유닛을 직렬로 연결해야 합니다. 고전압 탄화규소 소자를 직류 차단기에 사용하면 직렬 서브 유닛의 수를 크게 줄일 수 있으며, 이는 업계 연구의 중요한 방향입니다.

5. 시외 고속철도 및 시외 철도 운송 - 견인 변환기, 전력 전자 변압기, 보조 변환기, 보조 전원 공급 장치

미래의 철도 운송은 견인 변환기, 전력 전자 전압 변환기 등과 같은 전력 전자 장치에 더욱 높은 요구 사항을 제시할 것입니다. 탄화규소 전력 소자를 사용하면 이러한 장치의 전력 밀도와 작동 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 철도 운송 시스템의 하중 부담을 현저히 줄이는 데 도움이 될 것입니다. 탄화규소 소자는 장비의 고효율 및 소형화를 더욱 실현할 수 있게 해주며, 철도 운송 분야에서 큰 기술적 이점을 제공합니다. 일본의 신칸센 N700S는 견인 변환기에 탄화규소 전력 소자를 선도적으로 적용하여 차량 중량을 크게 줄이고, 수송 효율을 높이며, 운영 비용을 절감했습니다.

05

결론적으로, 탄화규소 전력 전자 소자는 여전히 낮은 출력, 높은 가격, 제한된 상용 제품 종류, 고온 패키징의 부재 등의 문제점을 안고 있지만, 탄화규소 전력 전자 소자 기술에 대한 연구가 지속적으로 심화됨에 따라 이러한 문제점들은 점차 해결될 것입니다. 더욱 다양하고 우수한 상용 탄화규소 전력 전자 소자가 시장에 출시되어 탄화규소 전력 전자 소자의 응용 분야가 크게 확대될 것입니다. 가까운 미래에 탄화규소 전력 소자는 다양한 컨버터 응용 분야에서 전력 손실을 줄이고 효율과 전력 밀도를 향상시키는 핵심 소자가 될 것입니다.

주의: 본 기사는 인터넷에서 가져온 것으로, 지적 재산권 보호를 위해 게재되었습니다. 재인쇄 시 원 출처와 저자를 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해 사항이 있을 경우 삭제를 위해 저희에게 연락해 주십시오.

회사 전화번호: +86-0755-83044319
팩스: +86-0755-83975897
이메일: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 리 관리자

QQ: 332496225 Qiu 관리자

주소: 중국 선전시 룽화신구 민즈대로 1079번지 전타오테크놀로지빌딩 C동 809호