광대역 반도체소자 및 박막 인덕터를 이용한 전력변환회로에 관한 연구

1. 광대역 반도체소자 및 박막 인덕터를 이용한 전력변환회로에 관한 연구 - 제 1 총괄 과제 제 1세부과제 - 한양대학교 전자 컴퓨터공학부 김 희 준

2. 연구의 목적 및 필요성 • 정보통신전자기기의 소형경량화 추세. 반도체 집적기술 및 저소비전력소자 발달 디지털기술의 발달 • 전원공급장치도 소형경량화(고전력밀도화) 요구  구성요소 : 전력용 반도체 소자와 자성소자  전력손실분에 의한 발열 등으로 제약.  소형경량화에 제약.

3. 국내외 기술 분석

4. 연구 목표 2단계 최종목표 • 온도특성을 중심으로 하여 SiC-SBD (Schottky Barrier Diode)를 • 이용한 전력변환회로의 신뢰성 분석 및 평가 • 박막인덕터를 이용한 전력변환회로의 MCM (Multi Chip Module) • 형태의 모듈화

5. 연도별 목표

6. SiC를 이용한 전력변환회로의 제작 SiC의 전기적 특성 • Ⅳ-Ⅳ족 화합물 반도체 • SiC는 bandgap이 2.2eV인 Wide bandgap의 반도체로서 leakage current 가 보통 Si를 사용한 반도체보다 작다. • SiC는 강한 공유결합에 기인하여 소결하기 어려운 재료이다. • 우수한전기적 특성 • high-power, high-frequency, high-temperature소자로 높은 온도에서 확실한 동작이 가능하다. • 1000V 이상의 높은 항복전압을 가지고 있다.

7. 4H-SiC 다이오드의Cross-section 구조 초기 제작된 SiC 다이오드

8. 시뮬레이션을 통한 SiC-SBD 다이오드의 역회복 특성 분석 및 비교 • 설계사양 • 스위칭 주파수 Fs = 250kHz • 인덕터의 인덕턴스 = 200H • 주스위치 = IRF740 • (VDS(MAX) = 400V, IDS(MAX) = 10A) < 전력용 다이오드 역회복 특성 Simulation 회로도 > DUT : ① Ultra Fast Recovery Diode (UF4007) ② Si-Schottky Barrier Diode (10CTQ150) ③ SiC Schottky Barrier Diode (제5세부과제)

9. Name Paramete ①UFRD ②SBD ③SiC IS [A] Reverse saturation Current 7.1e-11 5.9e-14 1.0e-11 RS [Ω] Ohmic(Parastic) Resistance 0.13 0.013 0.0025 N Emission Coefficient of IS 2 1.2 1.2 TT [sec] Transit Time 5.0e-8 2.0e-10 5.0e-12 CJO [F] Zero-bias Junction Capacitance 2.65e-11 8.4e-10 2.0e-12 VJ [V] Junction(Contact) Potential 1.51 0.597 0.95 M Junction Capacitancegrading exponent 0.55 0.644 0.5 EG [eV] Energy gap 1.11 1.11 3.26 BV [V] Reverse Breakdown Voltage 1000 150 900 IBV [A] Current at Reverse Breakdown Voltage 0.9 0.003 0.9 FC Forward-bias Depletion capacitive coefficient 0.5 0.5 0.5 Diode simulation Parameter

10. UFRD의 온도특성 7 W 0 W 25℃에서 ①UFRD(UF4007)의 역회복 손실(위)과 역회복시의 전압,전류파형(위) 22 W 0 W 150℃에서 ①UFRD(UF4007)의 역회복 손실(위)과 역회복시의 전류전압 파형(아래)

11. SBD의 온도특성 5 W 0 W 25℃에서 ②SBD(10CTQ150)의 역회복 손실(위)과 역회복시 전압, 전류파형(아래) 5 W 0 W 150℃에서 ②SBD(10CTQ150)의 역회복 손실(위)과 역회복시 전압, 전류파형(아래)

12. SiC의 온도특성 0 .7 W 0 W 25℃에서 ③SiC SBD의 역회복 손실(위)과 역회복시 전압, 전류파형(아래) 0 .7 W 0 W 150℃에서 ③SiC SBD의 역회복 손실(위)과 역회복시 전압, 전류파형(아래)

13. 다이오드 종류 역회복 Power loss Unit ①Ultra Fast Recovery Diode (UF4007) 25℃ 8.628 mW 150℃ 49.2 ②Schottky Barrier Diode (10CTQ150) 25℃ 1.85 mW 150℃ 9.9 ③SiC Schottky Barrier Diode (제5세부과제) 25℃ 0.45 mW 150℃ 0.45 Simulation 결과 • 다이오드의 Turn-off 전이구간동안 전류의 역회복 시간이 존재  이로 인한 역회복 손실이 존재 • 온도가 고온으로 증가함에 따라 다이오드의 특성이 저하됨의 확인 • 전류의 역회복 시간이 작고 온도의 변화에 따라 역회복 손실의 변화가 없는 SiC SBD의 역회복 특성이 다른 다이오드에 비해 우수함을 입증 < 전력용 다이오드의 역회복 특성에 의한 손실 >

14. 입력전압(Vi) 50 Vdc 출력전압(Vo) 100 Vdc 출력전류(Io) 10 A 동작 주파수(fs) 250 KHz 출력전력(Po) 1 KW SiC-SBD를 이용한 전력변환회로의 Turn-On 손실분석 비교 DUT : ① Ideal Diode, ② Ultra Fast Recovery Diode (UF4007) ③ Si-Schottky Barrier Diode (10CTQ150) ④ SiC Schottky Barrier Diode (제5 세부과제)

15. 스위치 Q의 Turn-On 특성 (1) 10 A Diode Current -1 A 1 kw Turn on loss 0 ①DUT=Ideal Diode인 경우의 스위치 Q의 Turn-on 특성 40 A Diode Current -40 A 4 kw Turn on loss 0 ②DUT=Ultra Fast Recovery Diode인 경우의 스위치 Q의 Turn-on 특성

16. 스위치 Q의 Turn-On 특성 (2) 10 A Diode Current -1 A 1 kw Turn on loss 0 ③DUT=Schottky Barrier Diode인 경우의 스위치 Q의 Turn-on 특성 10 A Diode Current -1 A 1 kw Turn on loss 0 ④DUT=SiC Schottky Barrier Diode인 스위치 Q의 경우의 Turn-on 특성

17. DUT 종류 Turn-on Power loss of Switch Unit Ideal Diode 4.86 W Ultra Fast Recovery Diode (UF4007) 18.2 W Si-Schottky Barrier Diode (10CTQ150) 5.35 W SiC Schottky Barrier Diode (제5세부과제) 5.01 W Turn-On시의 스위치 손실 비교결과

18. PFC(Power Factor Correction) 회로 PFC회로의 종류와 기본동작

19. 입력전압(Vi) 220 Vac 출력전압(Vo) 400 Vdc 출력전류(Io) 0.25 A 동작 주파수(fs) 100 KHz 출력전력(Po) 60 W PFC(Power Factor Correction) 회로의 적용 예 < 전류 불연속 모드에 의한 역률개선 회로 > 설 계 사 양

20. 설계 제작된 역률개선회로 제작된 60W급 역률개선회로 제작된 250W급 역률개선회로

21. 결과 파형 입력전압 및 입력전류 입력전압 및 인덕터전류

22. 온도특성 분석을 위한 PFC회로의 적용-FRD 25℃(좌) 125℃(우)에서의 60W급 PFC에 적용한 FRD의 역회복 특성

23. 온도특성 분석을 위한 PFC회로의 적용-UFRD 25℃(좌) 125℃(우)에서의 60W급 PFC에 적용한 UFRD의 역회복 특성

24. 온도특성 분석을 위한 PFC회로의 적용-SiC-SBD 25℃(좌) 125℃(우)에서의 60W급 PFC에 적용한 SiC-SBD의 역회복 특성

25. 결과 • 상온상태의 모든 다이오드의 동작 일치 • 고온에서의 SiC-SBD의 우수한 온도특성 • SiC-SBD의 빠른 역회복특성 • 기기의 전체적인 신뢰성 향상

26. 입력전압(Vi) 4.5 Vdc 출력전압(Vo) 3.3 Vdc 출력전류(Io) 0.3 A 동작 주파수(fs) 1.2 MHz 출력전력(Po) 1 W 박막인덕터를 이용한 전력변환회로 모듈의 제작 박막인덕터를 이용한 일반적인 Buck Converter의 회로도 설 계 사 양

27. 박막인덕터의 구조와 특징 초기 제작된 박막인덕터의 평면도(좌)와 Cross-Section(우)구조 임피던스 측정 결과 박막인덕터의 등가회로

28. 박막인덕터를 적용한 일반 Buck Converter 결과파형 인덕터의 전류파형(위,100mA/div)과 구동파형(아래) 스위치의 양단전압(위)과 구동파형(아래) 환류 다이오드의 전압파형(위)과 전류파형(50mA/div) 환류 다이오드의 전류파형(아래, 20mA/div)

29. 박막인덕터를 적용한 일반 Buck Converter 결과 최대효율 : 78. 26 손실 주 요인 : 박막인덕터의 큰 기생저항 성분 전도손실 와전류에 의한 철손

30. MCM 형태의 구현 (1) MCM Type의 종류와 특성 • MCM-L은 통상 유리와 에폭시수지제의 다층프린트 배선기판을 사용하는 모듈로서 배선밀도가 그다지 높지않은 것으로 생산코스트가 낮다는 이점이 있다. • MCM-C는 후막기술을 활용해 다층배선을 형성하는 세라믹(알루미나 또는 유리 세라믹)을 기판으로 하며 다층 세라믹기판을 사용하는 후막 하이브리드 IC와 유사하다. • MCM-D는 구리(Cu)박막의 배선층 이라든지 폴리아미드 절연층 등을 형성하는 박막기술로 다층배선을 형성한 세라믹(알루미나 또는 질화 알루미늄) 또는 실리콘이나 알루미늄을 기판으로 플립 칩(flip chip)접속하며 배선밀도가 가장 높아 생산코스트가 높은 것이 특징이다.

31. 비 교 항 목 일반(Monolithic) IC 박막 HIC 후막 HIC 저항 범 위 (ohm) 50 ∼ 20K 10 ∼ 500K 0.01 ∼ 20M 정밀도 10 ∼ 30% 0.5 ∼ 2.0% 0.05% 커패시턴스 최고용량 400pF 이하 1~100,000pF 5~1,000pF 정 밀 도 15~20% 0.5~10% 10%이하 온도계수 1,000 50∼400 300∼1,000 설계난이도 어렵다 약간 어렵다 용이하다 개 발 기 간 3개월 20 일 10 일 동작주파수 약 1,000MHz 약 1,000MHz 약 400MHz Pattern 두께 1μm 이하 0.1∼10μm 10∼500μm 적 용 회 로 능동소자가 많은 회로 규격화가 쉬운회로 디지털회로 실장밀도가 높은회로 수동소자가 많은회로 고정밀도 회로 고주파회로 아나로그 회로 수동소자가 많은회로 저가형 회로 전력용 회로 아나로그 회로 MCM 형태의 구현 (2)

32. 종 류 가 로 세 로 두 께 칩인덕터를 이용한 컨버터 15mm 15mm 3.1mm 박막인덕터를 이용한 컨버터 15mm 15mm 1.8mm MCM 형태의 구현 (3) 일반 칩인덕터의 부착형태 박막인덕터의 부착형태

33. 입력전압(Vi) 3.6 Vdc 출력전압(Vo) 2.7 Vdc 출력전류(Io) 600 mA 동작주파수(fs) 1.8 MHz 출력전력(Po) 1.5 W MCM 형태의 구현 (4) 최종 설계사양

34. MCM 형태의 구현 (5) 전력변환회로의 설계 설계된 회로의 CAD 작업 Screen Mask 제작(stencil) 세라믹 기판 가공 세라믹 기판 인쇄 패턴 두께 측정 기판 건조 및 소성 기판 레이져 Trimming Soldering 완성 박막인더터를 이용한 MCM Micro DC-DC 컨버터 공정 순서도

35. MCM 형태의 구현 (6) 인덕터 전류파형IL(위) Vgs(아래) 부스위치 전류파형IS2(위) Vds (아래)

36. 향후 과제 및 연구계획 • MCM-D type의 단위공정 기술개발 • 고속/고밀도 MCM 설계기술 축적 • 면적 최소화를 위한 기판상의 박형 수동소자구현 기술축적 • 웨이퍼상에 직접 구현 가능한 wafer level package 기반기술 확보

37. 자체평가 (1)

38. 자체평가 (2)

39. 자체평가 (3)

40. 자체평가 (4)