일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.8.22

태양광발전 시스템의 간소화 및 고효율 추진
도시바, 탄화규소 파워 모듈 개발

도시바 산하로 반도체 디바이스 등을 개발하는 도시바 디바이스&스토리지는 8월, 탄화규소(SiC)를 이용한 내압 2,200V의 MOSFET를 개발했다고 발표했다. 태양광발전 시스템의 인버터 모듈로의 탑재를 전망하고 있으며, 곧 샘플 출하를 시작할 예정이라고 한다.

SiC-MOSFET을 사용함으로써 실리콘제 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 탑재된 기존형 인버터에 비해 구동 주파수를 높이거나 소비전력을 줄일 수 있다. 도입 코스트는 같은 내압의 실리콘제 IGBT와 비교해 2배 이내로 낮출 수 있을 전망이다.

도시바 디바이스&스토리지는 지금까지 내압이 1200V, 1,700V, 3,300V인 SiC-MOSFET 제품을 시장에 투입해왔다. 특히, 3,300V라고 하는 고내압이 요구되는 철도용 제품 개발에서 축적해온 “높은 신뢰성과 성능을 양립시키는 노하우에 강점이 있다”(도시바 디바이스&스토리지 반도체 사업부 첨단 반도체 디바이스 개발 센터의 고노(河野) 씨)라고 한다.

이것을 산업 기기 등을 위한 내압 1,200V나 1,700V의 제품으로 확대. 이 외에도 2025년에 전기자동차(EV)에 채택되는 것을 목표로 차량용 제품 개발을 추진하고 있다.

도시바의 파워반도체 사업은 지금 도시바의 경영 재건을 위한 움직임으로도 주목 받고 있다. 롬(ROHM)은 7월, 일본산업파트너스(JIP) 등을 통한 도시바에 대한 TOB(주식 공개 매입)를 위해 3,000억엔을 거출한다고 발표했다. 출자를 통해 다양한 전략적 대응 가능성을 검토한다고 한다. 발표문에서는 도시바의 반도체 사업을 언급하며 ‘롬과의 친화성이 높아 향후의 협업·연계에도 관심을 가지고 있다’라고 했다.

롬과 도시바의 반도체 사업은 기기의 전력 변환 등에 사용되는 파워반도체에 강하다는 공통점을 가지고 있으며, 현재 주류인 실리콘제 외에도 탄화규소와 질화갈륨(GaN)을 이용한 차세대 파워반도체 개발에도 주력하고 있다.

롬은 650V와 750V 등, 도시바의 기존 제품에 비해 낮은 내압의 SiC-MOSFET 제품군도 갖추고 있어, 대전력계에 강한 도시바와는 보완적인 관계를 기대할 수 있다. 롬은 철도나 전력 등 파워반도체의 응용 소프트웨어나 판로 개척에서도 기기 및 시스템에 강한 도시바의 자원에 기대를 걸고 있는 것으로 보인다.

-- SiC-MOSFET에 다이오드 내장 --
도시바 디바이스&스토리지는 이번에 자사의 기존 SiC-MOSFET 기술을 베이스로 한 태양광발전용 내압 2,200V의 SiC-MOSFET를 개발했다. 2레벨 인버터로 불리는, 태양광 발전용으로 수요가 높아지고 있는 유형의 인버터에 적합한 특성을 가지고 있다. 내압이 2,000V급인 SiC-MOSFET 개발 사례는 지금까지 비교적 적었다.

2레벨 인버터는 3레벨 인버터로 불리는 기존형 인버터에 비해 스위칭 소자의 탑재 수가 적고, 구동 회로 등을 포함한 시스템을 소형·경량화할 수 있다. 한편, 동일한 동작 조건에서는 3레벨 인버터와 비교해 스위칭 소자에 큰 전압이 가해지기 때문에 고내압에서 손실이 작은 스위칭 소자가 요구된다.

특히, 최근의 태양광발전 시스템은 대응하는 직류 전압을 1,500V로 높이는 움직임이 나오고 있어, 2레벨 인버터용으로 “보다 고내압이면서 저손실의 스위칭 소자가 요구되고 있다”(도시바 연구개발센터 첨단디바이스연구소의 오가타(尾形) 씨)라고 한다.

이번에 개발된 SiC-MOSFET는 이러한 요구에 부응하는 것으로, 도시바 디바이스&스토리지의 기존 제품 설계를 베이스로 드리프트층이라고 불리는 영역의 불순물 농도와 두께를 조정해 내압을 2,200V로 설계했다. 드리프트층 설계의 최적화뿐만 아니라, 내압을 높이면서 ON저항 증가 및 신뢰성 저하를 억제하는 복수의 기술을 도입했다.

예를 들면, 도시바 디바이스&스토리지의 기존 제품과 마찬가지로 SiC-MOSFET의 소자 내에 쇼트키 배리어 다이오드를 내장했다. 소자 내에 기생적으로 발생하는 다이오드 구조로의 통전에 의한 동작 신뢰성 저하를 억제하고, 쇼트키 배리어 다이오드를 외장하지 않고 1개의 칩으로 파워 모듈을 구성할 수 있도록 했다. 태양광발전이라는 용도에 특별히 요구되는 우주방사선에 대한 파괴 내량(耐量)도 높였다.

-- 고내압과 저손실을 양립 --
이번 SiC-MOSFET를 이용해 파워 모듈을 구성할 경우, 실리콘제의 IGBT와 외장 다이오드로 구성된 파워 모듈에 비해 스위칭 손실을 대폭 줄일 수 있다. 내압이 2,300V인 실리콘제 파워 모듈과 비교하면, 작동(턴온) 및 작동 중단(턴오프) 시의 스위칭 손실을 90% 전후로 낮출 수 있을 전망이라고 한다.

도시바 디바이스&스토리지는 이 탄화규소 파워 모듈을 2레벨 인버터에 탑재함으로써 실리콘 IGBT를 이용한 3레벨 인버터보다 고속의 구동과 손실을 억제를 실현할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

구체적으로는, 스위칭 주파수를 5kHz에서 10kHz로 2배 높여도 동작 시 소비전력을 약 38% 낮출 수 있다고 추산하고 있다. 구동 주파수를 높일 수 있게 되면 필터 등을 위한 수동 소자를 소형·경량화할 수 있어 시스템 전체를 저비용화하기 쉽다.

도시바 디바이스&스토리지는 이번 SiC-MOSFET 기술에 대한 상세한 내용을 독일 뉘른베르크에서 올 5월에 개최된 파워 일렉트로닉스의 국제 학회 ‘PCIM Europe 2023’에서 발표했다.

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