100kVA급 SiC 인버터 개발

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 100kVA급 SiC 인버터 개발 간사이전력㈜_아사노 가츠노리 스가와라 요시타카(菅原良孝) 개요 전기에너지를 제어하는 파워일렉트로닉스(Power Electronics) 기술은 기간산업에서 그 중요성이 증대되어, 파워일렉트로닉스 장치에 이용되는 Si 파워 반도체 소자에 대한 고성능화 요구 또한 더욱 높아지고 있다. 특히 지구온난화 문제가 클로즈업되어 그 주요 원인인 CO2 배출을 삭감하기 위한 반도체 소자의 저손실화가 더욱 큰 과제가 되고 있다. 따라서 반도체 소자의 저손실화를 위해 새로운 소자 구조를 적용하는 것으로 Si 반도체 소자의 저손실화 및 고속화를 꾀하고 있다. 그러나 고출력, 저손실, 고주파 특성 등의 문제로 인해, 재료인 Si가 물성 한계에 직면하여 저손실화, 고성능화는 어려운 상황에 처한 상태다. 이 Si 물성 한계를 타파하여 향후에 대응하도록 특성을 개선하기 위해서는 Si에 비교해 우수한 물성치를 가진 와이드 갭 반도체를 이용한 파워 반도체 소자 개발이 중요하다. 와이드 갭 반도체에는 GaN, SiC, 다이아몬드 등이 있는데, 현재는 SiC가 단결정 기판 제작 기술 및 프로세스 기술 등에서 다른 와이드 갭 반도체보다 더욱 선행되고 있어, 파워 반도체로서 SiC가 가장 주목받고 있다. SiC는 Si에 비해 절연파괴 전계가 약 8배~9배 가량 더 크고 반도체 소자의 고내압화·저손실화가 뛰어난 데다, 밴드 갭이 4H-SiC의 경우 3.2eV로 Si보다 약 3배 더 크기 때문에 고온동작이 기대된다. 이러한 물성적인 특징으로 인해 SiC 반도체 소자 개발이 활발히 이루어져 SiC 다이오드는 2001년부터 시판되고 있다. 또한 SiC 반도체 소자와 인버터가 함께 사용되는 효과에 대한 결과도 속속 밝혀지고 있다. 전력변환 장치에 적용 가능한 전류 용량을 가진 고내압 SiC 반도체 소자를 개발하여 인버터에 조합함으로써 SiC 인버터로는 세계 최고 용량을 출력하는 데 성공했다. 고내압 100A급 SiC 파워 반도체 소자 1. 반도체 소자 및 모듈 구조 개발된 SiCGT(SiC Commutated Gate turn-off Thyristor)의 단면도를 <그림 1>로 나타냈다.

[그림 1] SiCGT의 구조

SiCGT의 구조는 pnpn의 4층 사이리스터 구조로, 고내압에서도 전도도(傳導度) 변조에 의해 낮은 온전압을 기대할 수 있다. 또한 매입 게이트 영역을 설치함으로써 게이트 저항을 낮추고 게이트 배선의 부유 인덕턴스를 최소화함에 따라, 게이트에서 고속으로 전류 주입이 가능해져 고속 턴 오프를 기대할 수 있다. 따라서 인버터 대용량화를 위한 대전류화 방법으로 SiCGT의 대면적화를 연구했다. SiC는 기판에 결정 결함이 많고 대면적화되기 어려웠지만, 그 결함을 줄여 SiC 스위치 소자로서는 세계 최대급인 8㎜각의 SiCGT 소자를 개발했다. 이 SiCGT 단위 구조 사진을 <그림 2>로 나타냈다.

[그림 2] SiCGT의 사진

하나의 소자 내에는 260개 단위구조가 집적되어 있다. 통전 전류를 크게 하면 이에 따른 전기적인 손실에 의한 자기발열이 커지기 때문에 고온에서도 동작 가능한 모듈 개발이 기대됐다. 이에 따라 일본 간사이전력에서는 고내열 절연수지 ‘나노테크 레진(Resin : 수지) KA100’을 ㈜ADEKA와 공동으로 개발했다. 이 수지는 폴리실록세인(Polysiloxane) 일종의 폴리머로, 열경화성 수지지만 경화 후에도 유연성을 가진다. 또한 400℃까지의 넓은 온도 영역에서 우수한 전기 절연성을 유지할 수 있기 때문에 대용량화 시에도 SiC 반도체 소자가 본래 가진 고내열 성능을 발휘하는 것이 가능해진다. <그림 3>에 SiCGT 모듈을 나타냈다.

[그림 3] SiCGT 모듈

고내열화를 위해 금속제 캠형 패키지를 이용했고, 산화 방지를 위해서는 패키지에 금속 코팅을 실시했다. 모듈에는 SiCGT 외 프리휠 다이오드로, 동시개발된 SiC 다이오드를 내장하고 나노테크 레진 KA100으로 피복했다. 2. 전기적 특성 개발된 8㎜각 SiCGT의 전기적 특성을 <그림 4>, <그림 5>, <그림 6>으로 나타냈다. <그림 4>는 SiCGT의 내전압 특성의 온도 의존성을 나타냈다. 개발된 SiCGT는 실온에서는 5㎸ 이상의 내압을 가진다. 나노테크 레진 KA100의 높은 접착력에 의해, 실리콘 수지에서는 실현할 수 없는 250℃ 고온에서도 4.5㎸의 내전압을 가지며, 누설 전류는 4×10-6A/㎠ 이하로 작아질 수 있다. <그림 5>에 SiCGT의 출력 특성을 나타냈다. 온 전압은 120A, 100℃ 이상에서 5V 이하로 가능하여 시판되는 4.5㎸ SiCGT의 정격전류 시의 온 전압과 동등하다.

[그림 4] SiCGT 내전압 특성 [그림 5] SiCGT의 출력 특성 [그림 6] SiCGT의 턴 오프 파형

<그림 6>에는 리액터 부하의 경우 SiCGT의 턴 오프(Turn-Off) 파형을 나타냈다. 직류전압은 2㎸다. SiC 스위치 소자로서는 최대 250A의 턴 오프로 성공했다. 축적 시간은 1.46㎲, 하강 시간은 0.24㎲이며, 턴 오프 시간은 1.7㎲다. Si-GTO보다 10배 이상 고속이며 고내압 Si-IGBT에 대해서도 약 2배 더빠르다. 또한 턴 온(Turn-On) 시간도 0.3㎲으로 대폭 빨라졌다. SiCGT는 Si-IGBT 및 Si-GTO에 대해 정격 전류 시의 온 전압은 비슷한 정도며, 스위치 시간은 매우 빨라졌기 때문에 저손실을 기대할 수 있다. SiC 인버터 SiCGT 모듈을 사용하여 삼상 인버터를 만들었다. 주회로의 구성을 <그림 7>로 나타냈다. SiCGT는 턴 오프 시 열내량이 높고 dv/dt내량도 높기 때문에 모듈에 병렬로 콘덴서를 설치하지 않고 스너버(Snubber)가 필요 없는 형태를 모색하고 있다. 단, SiCGT의 턴 오프 시 국부 발열에 의한 데미지를 줄이기 위해 양극 리액터를 사용했다. SiC 삼상 인버터 장치 외관을 <그림 8>로 나타냈다.

[그림 7] SiC 인버터 주회로 구성 [그림 8] SiC 삼상 인버터 외관

이 장치에는 SiC 모듈을 조합한 스택(Stack)이 각 상 1대씩 총 3대 내장되어 있다. 또 직류전원 등도 들어있기 때문에 전력변환부는 이 장치의 1/3 정도의 용량이다. SiCGT 모듈은 250℃ 이상에 견디는 내열성이 있기 때문에, 히트싱크는 동 용량의 Si-IGBT 인버터와 비교하여 소형으로도 할 수 있다. 인버터 동작 시 출력 선간전압 및 출력전류의 파형을 <그림 9>로 나타냈다. 캐리어 주파수는 고내압 Si-IGBT 사용 시와 같은 2㎑이다. 출력 용량은 110㎸A를 달성할 수 있었다.

[그림 9] 출력전류 전압 파형 [그림 10] SiC 인버터 출력 용량 추이

<그림 10>에는 SiC 인버터의 출력 용량 추이를 나타냈다. SiC 인버터는 1999년에 최초로 만들어진 이후 매년 대용량화가 진행되어 왔지만, 이번 개발된 110㎸A SiC 인버터는 세계 최고의 대용량 출력을 실현한다. 마무리 세계 최대급 4.5㎸ 120A SiCGT 및 내열온도 400℃의 고내열 절연 수지 ‘나노테크 레진 K100’을 개발, 그 수지로 피복된 SiCGT 모듈을 이용하여 고전압·고주파 삼상 인버터를 만들어 냈다. 개발된 고내열 절연수지로 SiC 본래 특성을 살려 고온에서도 모듈을 사용할 수 있으므로, 히트싱크를 소형화할 수 있으며 세계 최고 출력인 110㎸A를 달성할 수 있게 됐다. 향후 SiC 인버터의 대용량화와 소형화를 한층 더 진행시킴과 동시에 장기 실증평가를 행하여 신뢰성 확립을 모색해 갈 것이다. 파워일렉트로닉스(Power Electronics) 발전·변전 등 고전압·대전류를 다루는 전자공학이다. 전력계통의 연계(連系), 직류송전, 교·직류전동기의 속도제어, 전동차 ·자동차의 동력장치, 유도가열장치, 방송용·전산기용 무정전 전원장치, 자연에너지 이용 기기, 가정용 전기기기 등에 응용된다.