전력 전자제품은 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), GaN HEMT와 같은 반도체에 크게 의존한다. 그동안 Si가 일반적으로 사용됐으나, SiC 디바이스가 뛰어난 성능과 신뢰성으로 점점 더 인기를 얻고 있다. Si에 비해 많은 기술적 이점이 있는 SiC(그림 1) 는 전기차(EV), 데이터센터, 그리고 DC 고속 충전, 에너지 저장, 태양광 인버터와 같은 에너지 인프라 등 많은 애플리케이션에서 새로운 기술로 각광받고 있다.

 

SiC 캐스코드(Cascode) JFET 기술이란?

많은 SET 제조업체는 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT), 접합형 전계 효과 트랜지스터(junction gate field effect transistor, JFET), 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT) 기반의 전원 공급 장치를 개발하기 위해 Si 기술보다 SiC를 채택하고 있다. 이들은 서로 다른 장단점을 가지고 있기 때문에 다른 애플리케이션에서도 사용된다. 

하지만 온세미의 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) 캐스코드 JFET 디바이스(그림 2)는 이 기술을 한 단계 더 발전시켰다. 이 디바이스는 고유한 ‘캐스코드’ 회로 구성을 기반으로 하며, 노멀-온 SiC JFET 디바이스를 Si MOSFET과 함께 패키징해 통합된 노멀-오프 SiC FET 디바이스를 생성한다. 온세미의 SiC 캐스코드 JFET은 IGBT, 수퍼정션(super junction) MOSFET, SiC MOSFET과 같은 모든 디바이스 유형을 쉽고 유연하게 교체할 수 있다(그림 3).

이 기고에서는 온세미 EliteSiC 캐스코드 JFET의 장점을 SiC MOSFET과 비교해서 살펴보고자 한다. 
 

Si와 비교한 SiC 사용의 장점

SiC 캐스코드 JFET은 Si 디바이스에 비해 여러 가지 장점이 있다. SiC는 와이드 밴드갭 소재로, 항복 전압이 높으므로 훨씬 더 얇은 디바이스를 사용해 더 높은 전압을 지원할 수 있다. Si에 비해 SiC가 가진 추가적인 장점은 다음과 같다.

 • 지정된 전압과 저항 등급에서 SiC는 Si대비 더 높은 동작 주파수를 지원하므로 더 작은 크기의 부품을 사용할 수 있고 이로 인해 전체 시스템 크기와 비용을 줄일 수 있다.

• 높은 전압 등급(1200V 이상)의 경우, SiC는 낮은 전력 손실로 고주파 스위칭을 가능하게 한다. 여기서 이러한 높은 전압 등급의 Si 디바이스는 본질적으로 존재하지 않는다.

• 지정된 패키지에서 SiC는 Si에 비해 온저항(RDS(ON))이 낮고 스위칭 손실이 적다.

• SiC는 Si와 동일한 설계에서 더 나은 열 성능과 높은 시스템 전력 등급으로 높은 효율을 제공한다.


SiC 캐스코드 JFET: 뛰어난 성능을 제공하면서 Si에서 SiC로의 전환을 간소화할 수 있다.

이러한 장점은 여러 전력 애플리케이션에 최적화된 새롭고 더 강력한 디바이스인 온세미 EliteSiC 캐스코드 JFET의 성능에도 적용된다.


Si 게이트 드라이버와의 호환: SiC로의 원활한 전환 지원

먼저, SiC 캐스코드 JFET의 아키텍처는 일반적인(표준) Si 게이트 드라이버를 사용할 수 있다. 따라서 Si 기반 설계에서 SiC로의 전환을 간소화할 수 있어서 설계 유연성이 좋아진다. 또한 IGBT, Si 수퍼정션(Super junction) MOSFET, SiC MOSFET용으로 설계된 것을 포함하는 다양한 게이트 드라이버 유형과 호환된다.
 

추가적인 장점

• 지정된 패키지에서 업계 최저 수준의 드레인-소스 온저항(R_DS(ON))을 제공해 시스템 효율을 극대화한다.

• 커패시턴스가 낮을수록 스위칭 속도가 빨라지므로 동작 주파수가 높아진다. 이는 곧 인덕터, 커패시터와 같은 부피가 큰 수동 부품의 크기를 더욱 줄일 수 있다.

• 고전압 클래스(1200V 이상)의 SiC 캐스코드 JFET은 Si IGBT와 비교했을 때 더 높은 동작 주파수를 사용 가능하게 한다. Si IGBT는 전통적으로 이러한 부문에 사용되지만, 일반적으로 낮은 동작 주파수에서만 사용되며, 스위칭 손실이 높다.

• 온세미 EliteSiC 캐스코드 JFET 디바이스는 지정된 온저항에 있어서 다이 사이즈를 줄일 수 있고, SiC MOSFET에서 일반적으로 발생하는 게이트 산화막의 신뢰성 문제를 줄일 수 있다.

SiC MOSFET과 온세미 SiC 캐스코드 JFET에 대한 심층 비교

먼저 SiC MOSFET과 온세미 SiC JFET 기술의 차이점에 대해 자세히 살펴보고자 한다. 그림 3에서 SiC MOSFET 기술과 온세미의 통합 SiC 캐스코드 JFET과의 차이점을 알 수 있는데, 이는 바로 설계상에서의 차이다. 온세미는 SiC JFET을 사용하므로 SiC MOSFET의 게이트 산화물층이 필요하지 않아서 채널 저항이 없어지고 다이 크기가 더 줄일 수 있다.

온세미 SiC JFET의 작은 다이 크기는 주된 차별화 요소이며, 그림 4에 표시된 것처럼 ‘R_DS(ON) x A’(RdsA) 성능 지수(Figure of Merit, FOM)로 가장 잘 표현할 수 있다. 즉, 온세미 SiC JFET가 주어진 칩 크기에 대해 더 낮은 온저항 등급을 제공한다. 달리 말해 주어진 R_DS(ON)에 대해 더 작은 SiC 다이를 사용한다는 의미다. RdsA FOM에 대한 온세미의 업계 리더십은 TOLL, D2PAK와 같은 비교적 작은 산업 표준 패키지에서 매우 낮은 저항 등급 제품을 제공함으로써 입증된다. 

 

EliteSiC 캐스코드 JFET은 SiC MOSFET에 비해 출력 커패시턴스 C_oss가 낮다. 출력 커패시턴스가 낮은 디바이스는 낮은 부하 전류로 더 빠르게 스위칭하고, 커패시턴스를 충전하는 데 걸리는 지연 시간이 더 짧다. 즉, 인덕터나 커패시터와 같은 부피가 큰 수동 부품의 필요성과 크기를 줄일 수 있어, 전력 밀도를 높여서 더 작고 가볍고 저렴한 시스템의 설계가 가능하다는 뜻이다.

 

SiC MOSFET에는 다음과 같은 다른 문제도 있다.

• SiC MOS 채널 저항이 높아 전자 이동속도가 낮다.
• V_th가 높은 게이트 바이어스에서 변동(drift)이 클 수 있으며, 이는 게이트-소스 전압 구동 범위가 제한됨을 의미한다.
• 바디 다이오드는 knee voltage가 높기 때문에 동기 정류가 필요하다.

하지만 이러한 약점은 온세미 SiC JFET을 사용해 없앨 수 있다. 그 이유는 다음과 같다.

• SiC JFET 구조는 디바이스에 금속 산화물(metal oxide, MOS) 구조가 없으므로, 디바이스의 신뢰성이 더 높다. 
• 동일한 칩 면적에서 드레인-소스 저항 레벨이 더 낮다.
• 커패시턴스가 더 낮아 스위칭 전환이 더 빠르고, 더 높은 주파수를 실현할 수 있다. 

온세미 EliteSiC 캐스코드 JFET을 선택해야 하는 이유

시장에는 여러 가지 SiC 전력 반도체가 있지만, 특정 애플리케이션에서 더 뛰어난 성능을 발휘하는 제품들도 있다. 이러한 SiC 기술 중 하나는 온세미의 통합 SiC ‘캐스코드’ JFET이다. 이는 낮은 R_DS(ON)과 출력 커패시턴스, 높은 신뢰성으로 우수한 성능을 제공하는 독보적인 위치에 있다. 또한, SiC 캐스코드 JFET 아키텍처는 표준 Si 게이트 드라이버를 사용해 설계 전환을 간소화하고 기존 설계에서 쉽게 구현할 수 있다. 따라서 SiC 기술로 뛰어난 성능을 제공하면서 Si에서 SiC로의 전환을 쉽게 구현할 수 있는 유연성을 제공한다.

 

이러한 장점은 온세미의 SiC 캐스코드 JFET 기술이 다른 제품이 미치지 못하는 영역에서도 뛰어난 성능을 발휘하게 한다. SiC JEET의 향상된 성능은 AI 데이터센터, 에너지 저장 장치, DC 고속 충전기를 위한 AC-DC 전원 공급 장치에서 더 높은 효율성을 가질 수 있다. 더 높은 전력 밀도와 작은 폼 팩터가 요구됨에 따라, 온세미의 SiC 캐스코드 JFET은 더 작고 가벼우며 저렴한 시스템을 구현할 수 있도록 한다. 또한 인덕터, 커패시터와 같은 부피가 큰 수동 부품의 크기를 줄여, 보다 더 높은 전력 밀도를 실현할 수 있게 한다.

EliteSiC JFET 제품 페이지를 방문하면, 제품을 자세히 살펴볼 수 있다. 

• SiC JFET
• SiC 캐스코드 JFET
• SiC 콤보 JFET

또한, SiC JFET 캐스코드의 캐스코드 프라이머 동작에서도 내용을 확인할 수 있다.