10 μs 단락회로 강건성을 제공하는 650 V IGBT4는 다양한 인버터 전압 및 전력 정격에 대해 인버터 설계의 활용성을 증대시킨다.

글 | 스벤 슈바르처(Sven Schwarzer)
로버트 세버린(Robert Severin)
빌헬름 루슈(Wilhelm Rusche)
인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies)

기존 EconoPIM 및 EconoPACK 범위가 650 V IGBT4를 제공하는 모듈들에 의해 최근에 보완됐다. 신형 모듈은 신형 650 V IGBT4가 중고 전력 애플리케이션[1]은 물론 수많은 저전력 애플리케이션에도 최적화되었다는 것을 보여주고 있다. 600 V IGBT3과 비교하여 신형 칩은 스위치-오프 시 향상된 소프트 특성(softness)과 보다 높은 차단 전압 성능을 제공한다. 추가 기능으로서 단락-회로 강건성이 대폭 향상됐다. 첨단 어셈블리 기술과 IGBT4 650 V를 사용함으로써 인피니언은 150 °C 동작 접합온도 조건에서 1200 V IGBT4 및 1700 V IGBT4 EconoPIM™ 및 EconoPACK™과 동일한 고전력 사이클링 성능을 설정했다. IGBT3 600 V 대비 IGBT4 650 V의 전력 사이클링 성능은 2배 증가했다.

650V IGBT4의 설계 및 기술
신형 650V IGBT4[2]는 그림 1에 제시한 바와 같이 트렌치 MOS-톱-셀(MOS-top-cell) 박형 웨이퍼 기술과 필드-스톱(field-stop) 개념을 활용하고 있다. 트렌치 셀과 필드-스톱의 통합으로 상대적으로 낮은 온-상태 및 턴-오프 손실을 지원할 수 있다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 600V IGBT3 대비 칩 두께는 약 15% 증가됐으며, MOS 채널 폭은 약 20% 감소됐다. 따라서 스위치-오프 시의 소프트 특성이 향상되어 EMI 활동을 감소시킨다. 하지만, 물론 이러한 측정값이 추가적인 손실을 일으킬 수 있다. 따라서 이러한 부작용을 보상하기 위해서 후면 에미터의 효율을 50% 증가시켰다. 동적 동작의 최적화뿐만 아니라, 차단 전압(blocking voltage)을 50 V에서 650 V로 증대시켰다.

650 V IGBT4 동적 특성의 결과
부유 인덕턴스(stray inductance)는 전류 변화도와 결합하여 턴-온 및 턴-오프 시에 ΔV=L*di/dt에 따라 전압 특성에 영향을 미친다. 따라서, 상대적으로 큰 Lσ를 통해 오프 상태로 스위칭할 경우에 과전압이 증가한다. 턴-오프 동작은 게이트 저항에 크게 영향을 받지 않는다. 이러한 동작은 트렌치 필드-스톱 IGBT[7]로 알려져 있다. 이러한 고유한 IGBT 동작의 결과는 IGBT 보호 기능 또는 스누버 커패시터(snubber capacitor)와 같은 추가적인 컴포넌트들과 통합된 특수 드라이버 단이 된다. 이러한 모든 기능들과 컴포넌트들은 설계 활동과 비용을 수반한다. 높은 전류 수준은 높은 di/dt 레벨로 인해 매우 낮은 기생 인덕턴스 특성을 제공하는 DC-링크 설계를 필요로 한다. 대안으로서 신형 650 V IGBT4와 같이 특별히 설계된 소프트 스위칭 특성을 제공하는 IGBT를 사용할 수 있다.




스위칭 동작에 있어서 고속 600 V IGBT3와 소프트 650 V IGBT4 사이의 차이점은 2개의 200 A EconoPACK™3 모듈에 대한 스위치-오프 동작을 비교한 그림 2에 명확하게 제시되어 있다. 검사를 위해 Lσ = 60 nH인 표준 DC-링크 설계를 사용했다. 이 설정은 600 V IGBT3를 통한 고전류 설정에 대해 최적화되지는 않았다[6]. 결과적으로 IC = 200 A인 전류의 스위치-오프와 25 °C 조건에서의 300 V DC 링크 전압은 상당히 높은 전압 오버슈트 VCE,max을 일으킨다. 반대로 신형 650 V IGBT4는 상당히 낮은 VCE,max을 통해 심지어 일반적인 300 V의 DC 링크 조건에서도 부드러운 스위치-오프 동작을 보여준다.
해당 테스트 설정에서 600 V IGBT3 디바이스는 425 V에 도달한다. 650 V IGBT4는 보다 작은 390 V의 전압만을 나타낸다. 감소된 과전압 특성뿐만 아니라, 증가된 차단 성능 VCE_max은 과잉 전압으로 다가오지 않고, 턴-오프 시에 증가된 안전성 마진의 이점을 제공한다. 증가된 차단 성능은 제동 동작과 큰 전류 스위칭 하는 동안 계통이 불안정해진 경우 매우 유용하다. 일반적으로 전압 수준이 차단 전압보다 상당히 낮기 때문에 신형 모듈은 가능한 한 고객들이 클램핑을 방지할 수 있도록 지원하여 효율을 최적화시킬 수 있도록 해준다.
턴-오프 특성뿐만 아니라, IGBT의 소프트 특성 역시 게이터 저항에 크게 영향을 받지 않는다. 스위치-오프하는 동안 스위칭 소프트니스(softness) 특성으로 EMI를 저감시킨다.
모든 설계에 있어서 가장 중요한 측면은 DC-링크 설계를 개선하여 추가적인 모든 형태의 발진을 방지해야 한다는 것이다. 고효율 설계를 위한 간단한 규칙은 인덕턴스를 가능한 가장 낮은 값으로 감소시켜야 한다는 것이다.
인피니언 EconoPIM™ 및 EconoPACK™ 650 V IGBT4 모듈은 시장에서 제공되고 있는 다른 솔루션과 비교하여 탁월한 전체 손실 특성을 제공한다. 다른 한편으로는 IGBT3 600 V와 비교하여 보다 소프트한 스위칭 동작을 제공하기 위해 턴-오프 시 Eoff 손실 특성이 높아지고 포화 전압 ΔVCEsat=100 mV@T=25 °C가 증가되었다. 일반적인 스위칭 주파수를 고려할 경우, 이러한 증가는 그다지 중요하지 않다. 이러한 사실은 IPOSIM 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림 3에서 확인할 수 있다. 인피니언의 전력 시뮬레이션 소프트웨어 툴은 인피니언 웹-사이트(www.infineon.com)에서 제공되고 있다. 도전 및 스위칭 손실뿐만 아니라, 온도 정격을 고려하여 모든 컴포넌트들에 대한 스위칭 및 도전 손실을 계산했다. 그림 3에서 확인할 수 있듯이, 650 V IGBT4의 증가된 손실 특성으로 인한 RMS 전류의 감소는 일반적인 애플리케이션을 위한 범위인 1 kHz에서 16 kHz까지의 스위칭 주파수 조건에서 5%~9% 정도로 적당하다.
표준 동작 조건 외에도 설계는 강건해야 하며, 다양한 고장 사례들로부터 견딜 수 있어야 한다. 전력 반도체 데이터시트에 지정된 값은 하드 단락회로 전류(ISC)의 규격이다.

단락회로 강건성
NPT(Non-Punch-Through) 설계 대비 필드-스톱 디바이스의 상당히 감소된 실리콘 두께에도 불구하고 필드-스톱 IGBT는 우수한 단락-회로 강건성을 제공하는 것으로 알려져 있다[4, 5]. 신형 650 V IGBT4은 600 V IGBT3 대비 단락-회로 강건성이 대폭 강화됐다. 칩의 증가된 두께는 실리콘 양의 열용량으로 인해 보다 높은 온도 예산을 제공한다. 또한, 감소된 채널 폭은 단락-회로 전류 수준을 낮춰주며, 이것의 영향은 [6]에 반대로 제시되어 있다. 요약하면, 650 V IGBT4은 보다 높은 단락-회로 에너지를 견딜 수 있기 때문에 디바이스는 파괴되지 않고 보다 긴 단락-회로 펄스 시간을 견딜 수 있다. 그림 4에 650 V IGBT4의 일반적인 하드 단락-회로 펄스 측정값을 나타냈다. 그래프가 제시하고 있는 바와 같이 단락회로 이벤트의 펄스 시간은 10 μs이며, 단락-회로 전류는 일반적으로 FS200R07N3E4 디바이스 정격(nominal) 전류의 약 4배이다.



디바이스는 600 V IGBT3의 6 μs에서 650 V IGBT4를 위해 10 μs로 조정된 지정된 단락회로 시간에 대해 탁월한 스위칭 및 단락회로 강건성을 나타낸다.

1200V 및 1700V IGBT4의 설계 및 기술
1200 V 및 1700 V의 설계 원리 및 기술은 650 V IGBT4와 매우 유사하다. 최대 Tvjop = 150 °C의 동작 온도와 보다 높은 정격의 모듈당 RMS 전류는 인버터 전력 밀도를 증가시킬 수 있도록 해준다. 증가된 전력 사이클링 성능과 최적화된 강건성은 최고의 신뢰성으로 최신 인버터의 수명을 연장시키고자 하는 요구를 충족시킨다. Tvj = 150 °C 조건에서 최대 tp = 10 μs의 높은 단락회로 성능은 표준 드라이버 단을 구현할 수 있도록 지원한다. 엔지니어는 일반적으로 개발 시간과 활동을 절약할 수 있다. 최적화된 스위칭 특성-테일 전류 소프트 특성과 스위칭 손실 감소 -은 효율을 강화시킬 수 있도록 해준다. 요약하면, 제한이 없는 Econo 모듈의 넓은 제품 범위는 모든 애플리케이션에 대해 최상의 솔루션을 제공한다.

결론
인피니언의 신형 650 V IGBT4는 저중고 전력 애플리케이션에 대한 인버터 개발을 용이하게 해준다. 650 V, 1200 V, 1700 V IGBT4를 제공하는 Econo 모듈은 약 5 kW에서 수 MW까지의 인버터에 최적화됐으며, 다음과 같은 개별적이지만 중요한 이점을 제공한다:

- PIM, 식스팩, 하프-브리지 등과 같은 다양한 모듈 토폴로지가 다양한 전류 정격으로 제공된다.
- 증가된 동작 접합온도 Tvjop = 150 °C
- 탁월한 온-상태 및 스위칭 손실
- 높은 달성 가능 전력밀도
- 낮은 유도 모듈 설계와 결합된 IGBT 및 다이오드의 소프트 스위칭 특성
- 턴-오프 시 향상된 유연성을 통해 최적화된 EMI 활동 제공
- 낮아진 턴-오프 전류 슬로프 di/dt의 결과로서 상대적으로 낮은 오버슈트 전압 저하
- 탁월한 파워 사이클링 성능
- 최대 Tvjop = 150 °C의 증가한 접합온도 조건에서의 최고 출력 전력 또는 상대적으로 낮은 접합온도 조건에서의 최고 전력 사이클링 성능 사이에서 이상적인 유연성 제공
- 브리지 단의 비용 최적화를 지원하는 Tvjop = 150 °C 조건에서 10 μs의 단락회로 강건성
- 전통적인 납땜 핀 또는 PressFIT 연결을 통한 최고의 신뢰성 제공
- 강건한 모듈 패키지

결과적으로 IGBT4를 포함하는 EconoPIM™, EconoPACK™, EconoDUAL™ 모듈은 다양한 인버터 전압 및 전력 정격에 대해 매우 유사한 설계를 지원한다. 인버터 제조업체에게 이것은 규모 및 범위의 경제를 통해 비용 최적화를 위한 상당한 가능성을 제공한다. 이와 동시에 개발 자원, 인증 활동, 신뢰성, 제조 용이성 등에 긍정적인 영향을 제공한다. 물론, Econo 모듈을 최신 세대의 IGBT4와 함께 사용함으로써 기존 솔루션 대비 다양한 장점을 얻을 수 있기 때문에 자유도 역시 증대시킬 수 있다. ES