Fuji Electric Journal 특집요약_2017.12. (p3)

에너지 매니지먼트에 공헌하는 파워 반도체
파워디바이스와 회로 토폴리지
이토 준이치 (伊藤 淳一) / 나가오카(長岡) 기술과학대학 기술과학 이노베이션 전공 (겸) 전지전자정보공학 전공교수

탄화규소(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)을 사용한 와이드 갭 반도체 개발이 눈부시게 이루어지고 있다. 1.2㎸ 클래스는 이미 많은 제조사로부터 제품화되어, 최근에는 고내압을 가진 SiC의 개발이 성황을 이루며 10㎸ 내압 SiC의 적용 사례도 보고되고 있다. 지금까지 사이리스터 → GTO → IGBT로의 변혁이 전력 변환장치를 크게 바꾸어 놓은 것처럼, 파워 일렉트로닉스는 파워 디바이스의 발전화 함께 크게 진화해 온 역사가 있다.

저손실 디바이스가 출현하자, 전력 변환장치는 비약적으로 소형화(고 파워 밀도화)가 진행되었다. 효율은 최대 100%로 한계는 있으나, 소형화에는 끝이 없다. 고효율화는 성(省)에너지 덕분이라고 생각하는 경우가 많으나, 95%를 뛰어넘는 고효율의 세계에서는 고효율화에 따른 러닝코스트의 저감효과는 작다. 한편, 효율이 향상되면 저(低)손실화에 따라 냉각을 작게 할 수 있어, 소형, 경량화에 크게 기여한다.

고 파워 밀도화는 커다란 이노베이션의 가능성을 감추고 있다. 예를 들어 스마트폰에 아무리 매력적인 콘텐츠나 서비스가 있다고 해도 주머니 안에 두고 꺼내지 않거나, 전원이 하루를 버티지 못했다면 이렇게까지 보급되지는 않았을 것이다. 여기에는 부품, 배터리, 실장을 비롯해 전력 변환 회로의 대폭적인 고 파워 밀도화 기술이 크게 공헌하고 있다. 이와 같이 LED 조명 및 액정 TV의 보급에는 보이지 않는 곳에서 전원기술이 크게 활약하고 있다. 고 파워 밀도화에 의해 개발 당시에는 가동, 조립비용이 올라갈 수도 있지만, 최종적으로 원재료의 삭감으로 이어져 비용의 절감으로까지 연결될 수 있다.

새로운 파워 디바이스가 출현하게 되면, 새로운 회로 토폴로지가 만들어질 수 있을지 가 기대되고 있다. 그러나 원래 전력변환 회로의 토폴로지는 저항, 캐퍼시터, 인덕터, 스위치의 조합이며, 간단화되어 가는 것이 세계의 추세이다. 순수한 의미에서, 지금까지의 새로운 조합은 거의 다 나왔다는 느낌이 있다. 그러나, 파워 디바이스의 발전에 따라, “옛날에는 실용이 어려웠던 회로”가 다시 부활할 가능성도 없지 않다. 예를 들어 T 타입 3레벨 인버터의 회로 토폴리지는 꽤 옛날부터 존재했으나, 고압 대용량의 전력 변환 장치에서는 다이오드 램프 타입이 주로 사용되어 왔다. 그러나 고내압 파워디바이스의 도통 손실이 저하한 것이나 그 비용이 인덕터의 비용보다 저렴해진 것, 소형화, 고효율화의 요구가 현격히 높아진 것에 의해 2000년 초에 실용화되었다. 이렇게 옛날과는 기술뿐만 아니라 사회의 가치관이 변화하고 있다. 현재, 소형화, 고효율화의 요구와 더불어 신뢰성(멘테넌스 프리) 및 계통 연계나 와이어리스 급전 등 새로운 규격으로의 적합성이 요구될 때마다 커다란 변혁을 가져올 수 있는 찬스가 된다.

와이드 밴드갭 반도체는 고내압, 저온 저항, 저스위칭 손실의 특징이 있다. 또한 마이크로 컴퓨터, FPGA를 비롯한 디지털 제어장치의 발전과 저 비용화도 눈에 띈다. 지금까지의 상식을 버리고 새로운 가치관에 적합한 회로 및 시스템을 새로운 파워 디바이스 및 제어 장치로 실현시킬 수는 없는 것일까를 다시 검토해 보는 것은 어떨까?

예를 들어 SiC화에 의해 1,200V계의 디바이스가 당연하게 되면, 1대로 전세계의 다양한 전원 전압에 대응하는 스위칭 전원이 당연하게 된 것처럼, 범용 인버터도 기존에 별도로 대응하고 있던 200V/400V의 양쪽 전압에 공통으로 대응할 수 있게 하는 것도 필요하다. 또한 AC 200V계의 회로에 1,200V 내압의 디바이스가 적용된다면, 지금까지 “파워 디바이스의 내압이 올라가기 때문에” 경원되어 왔던 회로가 세상에 나올 수도 있다. 이와 같은 회로 토폴리지의 ‘발굴’ 및 ‘재발견’이 와이드 밴드갭 반도체의 발전과 함께 찾아 올 것이다.

회로 토폴리지의 ‘발굴’ 및 ‘재발견’은 선착순이기 때문에 누가 먼저 발견하는 가에 달려 있다. 이런 연구개발에는 회로뿐만이 아니라, 파워 디바이스, 수동 부품, 냉각, 구조 등 다양한 지견이 필요하며, 특히 최적의 설계를 시행하기 위해서는 파워 일렉트로닉스에 있어서의 시스템 인테그레이션 기술이 중요하다. 이것은 회로 토폴리지 위주의 설계가 아닌, 컴포넌트, 서멀 매니지먼트, EMC를 포함한 통합설계기술이다. 이것을 실현할 방법은 몇 개 있으나, 모두 폭넓은 지식을 필요로 하고 있으며, 안테나를 넓혀서 얻은 지식을 정리하는 것이 중요하다. 자괴감을 담아 말하자면, 특히 눈 앞의 업무에 쫓기더라도 좀처럼 알아차리지 못한다. 자신부터 적극적으로 교류를 열어 간단히 손에 넣을 수 있는 인터넷으로부터의 정보가 아닌, 스스로 여러 사람으로부터 살아있는 정보를 얻는 것이 더욱 중요해 진다.

〔목차〕

-- 특집: 에너지 매니지먼트에 공헌하는 파워 반도체
1. 〔특집을 내며〕 파워 디바이스와 회로 토폴로지
2. 〔현상과 전망〕 파워 반도체의 현상과 전망
3. SiC 트렌치 게이트 MOSFET 탑재 All-SiC 모듈
4. SiC-MOSFET의 바이폴라(Bipolar) 열화억제를 위한 백업층 기술
5. 배전기기용 3.3kV 내압 All-SiC 모듈
6. 제 7세대 ‘X-시리즈’ 1,700V IGBT 모듈 “PRIMEpack”
7. 대용량 SiC 하이브리드 모듈 ‘HPnC’
8. 제 7세대 ‘X 시리즈’ 산업용 RC-IGBT 모듈의 계열화
9. 차량 탑재용 대용량 IGBT 모듈 ‘M660’
10.  6.5세대 차량탑재용 압력 센서
11. 650V 내압 PWM 전원제어 IC ‘FA8A80 시리즈’
12. DFN8 X 8 패키지의 ‘Super J MOS S2 시리즈’ ‘Super J MOS S2FD 시리즈’

-- 신제품 소개 논문 --
13. 제7세대 ‘X 시리즈’ 1,700 V IGBT 모듈 ‘PrimePACK^TM’
14. 3레벨용 IGBT 모듈 I-type ‘PrimePACK^TM’
15. 초고효율 몰드 변압기 ‘슈퍼 에코모르토라Ⅱ’
16. 6.5세대 차량 탑재용 압력 센서

-- 약어 상표 --

 -- 끝 --