전력 반도체 장치

Power semiconductor device

전력반도체디바이스는 전력전자제품(예를 들어 스위치모드 전원장치)에서 스위치 또는 정류기로 사용되는 반도체디바이스이다.이러한 장치를 전원 장치라고도 하며, 집적회로에서 사용되는 경우에는 전원 IC라고도 합니다.

전력 반도체 장치는 보통 "전류 모드"(즉, 켜지거나 꺼짐)에서 사용되므로 이러한 용도에 최적화된 설계를 가지고 있습니다. 일반적으로 선형 작동에는 사용하지 마십시오.선형 전원 회로는 전압 조절기, 오디오 증폭기 및 무선 주파수 증폭기로 널리 보급되어 있습니다.

전력 반도체는 헤드폰 앰프에 불과 수십 밀리와트, 고전압 직류전송로에서는 최대 약 1기가와트 정도의 전력을 공급하는 시스템에서 볼 수 있습니다.

역사

전력 회로에 사용된 첫 번째 전자 장치는 전해 정류기였습니다. 초기 버전은 프랑스 실험자 A에 의해 설명되었습니다.1904년 노든.이것들은 알루미늄 판과 가정용 화학 물질로 즉흥적으로 만들어질 수 있었기 때문에 초기 전파 실험자들에게 잠시 인기가 있었다.그들은 낮은 내구성 전압과 제한적인 [1]효율을 가지고 있었다.

최초의 고체 전력 반도체 장치는 L.O. Grundahl과 P.가 1927년에 발표한 초기 배터리 충전기와 무선 장비용 전원 공급 장치에 사용된 산화 구리 정류기입니다.에이치 [2]가이거

최초의 게르마늄 전력 반도체 소자는 1952년 R.N. 홀이 전력 다이오드를 도입하면서 등장했다.200V의 역전압 차단 기능과 35A의 전류 정격을 가지고 있었습니다.

상당한 파워 핸들링 기능(100mA 컬렉터 전류)을 갖춘 게르마늄 양극 트랜지스터가 1952년경 도입되었습니다.기본적으로 신호 장치와 구조가 동일하지만 열 흡수 기능이 향상되었습니다.파워 핸들링 기능은 급속히 발전하여 1954년에는 100와트 방산 게르마늄 합금 접합 트랜지스터를 사용할 수 있게 되었습니다.이들은 모두 약 100kHz, 최대 85℃의 접점 [3]온도에서 사용되는 비교적 저주파 장치였다.실리콘 파워 트랜지스터는 1957년까지 만들어지지 않았지만, 사용 가능한 경우 게르마늄 장치보다 주파수 반응이 더 좋았고, 최대 150℃의 접점 온도까지 작동할 수 있었다.

사이리스터는 1957년에 나타났다.매우 높은 역파괴 전압을 견딜 수 있으며 고전류를 전달할 수도 있습니다.그러나 스위칭 회로에서 사이리스터의 단점 중 하나는 일단 도통 상태에서 '래칭 온' 상태가 되면 사이리스터 꺼짐이 수동적이므로 외부 제어로 끌 수 없다는 것입니다. 즉, 디바이스에서 전원을 차단해야 합니다.꺼질 수 있는 사이리스터(Gate-Turn-Off 사이리스터)는 [4]1960년에 도입되었습니다.이는 적용된 신호로 켜거나 끌 수 있기 때문에 일반 사이리스터의 몇 가지 한계를 극복합니다.

전원 MOSFET

주요 기사:전원 MOSFET
참고 항목: FET 앰프, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, MOSFET, LDMOS 및 VMOS

1959년 벨 연구소에서 모하메드 아탈라와 다원 칸이 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터)를 발명하면서 전력 전자제품의 비약적인 발전이 이루어졌다.MOSFET 트랜지스터의 세대는 파워 설계자가 바이폴라 [5]트랜지스터에서는 불가능한 성능과 밀도 수준을 달성할 수 있도록 했습니다.MOSFET 기술의 향상(원래 집적회로 생산에 사용됨)으로 인해 1970년대에 전력 MOSFET를 사용할 수 있게 되었습니다.

1969년, 히타치는 최초의 수직 전력 MOSFET를 [6]도입했습니다.이 MOSFET는 나중에 VMOS(V-groove MOSFET)[7]로 알려지게 되었습니다.1974년부터 야마하, JVC, 파이오니어, 소니, 도시바가 파워 MOSFET를 탑재한 오디오 앰프를 [8]제조하기 시작했다.국제 정류기는 1978년에 [9]25A, 400V 전원 MOSFET를 도입했습니다.이 소자는 바이폴라 트랜지스터보다 높은 주파수에서 작동할 수 있지만 저전압 용도로 제한됩니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 1980년대에 개발되어 1990년대에 널리 보급되었습니다.이 구성 요소는 바이폴라 트랜지스터의 파워 핸들링 기능과 파워 MOSFET의 절연 게이트 구동의 장점을 가지고 있습니다.

공통 장치

일반적인 전력 장치로는 전력 MOSFET, 전력 다이오드, 사이리스터 및 IGBT가 있습니다.전력 다이오드 및 전력 MOSFET는 저전력 제품과 유사한 원리로 작동하지만 더 많은 양의 전류를 전달할 수 있으며 일반적으로 오프 상태에서 더 큰 역바이어스 전압을 견딜 수 있습니다.

높은 전류밀도, 높은 전력소자 및/또는 높은 역파괴전압을 수용하기 위해 종종 전력디바이스에서 구조변경이 이루어진다.대부분의 이산형(즉, 비통합형) 전원 장치는 수직 구조를 사용하여 제조되는 반면, 작은 신호 장치는 측면 구조를 사용한다.수직구조에서는 장치의 전류정격이 그 면적에 비례하여 다이의 높이에서 전압차단능이 달성된다.이 구조에서는 소자의 연결부 중 하나가 반도체 다이 하단에 위치합니다.

전력 MOSFET는 낮은 게이트 드라이브 전력, 빠른 스위칭 속도 및 고급 병렬 처리 [10]기능으로 인해 세계에서 가장 일반적인 전력 장치입니다.휴대형 정보기기, 전력집적회로, 휴대전화, 노트북, 인터넷을 [11]가능하게 하는 통신 인프라 등 다양한 전력 전자 애플리케이션을 갖추고 있다.2010년 현재 전력 MOSFET가 전력 트랜지스터 시장의 과반수(53%)를 차지하고 있으며 IGBT(27%), RF 앰프(11%), 바이폴라 정션 트랜지스터(9%)[12]가 그 뒤를 잇고 있습니다.

솔리드 스테이트 디바이스

장치 묘사 등급
다이오드 정류 및 회로 방향 전류 제어와 같은 용도로 사용되는 단극성, 제어되지 않은 스위칭 장치.역전압 차단 장치. 일반적으로 전압원과 직렬 스위치로 모델링되며 일반적으로 0.7VDC입니다.전류 흐름과 관련하여 다이오드를 통과하는 다이오드 전압 강하를 정확하게 예측하기 위해 모델을 개선하여 접합 저항을 포함할 수 있습니다. 1개의 실리콘 디바이스로 최대 3000암페어, 5000볼트.고전압을 사용하려면 여러 직렬 실리콘 장치가 필요합니다.
실리콘 제어 정류기(SCR) 이 반제어 장치는 게이트 펄스가 존재하고 양극이 음극에 비해 양일 때 켜집니다.게이트 펄스가 있는 경우 장치는 표준 다이오드처럼 작동합니다.양극이 음극에 비해 음의 경우 장치가 꺼지고 존재하는 양 또는 음의 전압을 차단합니다.게이트 전압 때문에 장치가 [13]꺼지지 않습니다. 1개의 실리콘 디바이스로 최대 3000암페어, 5000볼트.
사이리스터 사이리스터는 SCR, GTO 및 MCT를 포함하는 3단자 디바이스 패밀리입니다.대부분의 디바이스에서는 게이트 펄스에 의해 디바이스가 켜집니다.양극 전압이 장치 특성에 따라 결정되는 값(음극에 상대적인 값) 아래로 떨어지면 장치가 꺼집니다.꺼지면 역전압 차단 [13]장치로 간주됩니다.
게이트 끄기 사이리스터(GTO) 게이트 끄기 사이리스터는 SCR과 달리 게이트 펄스로 켜고 끌 수 있습니다.장치의 한 가지 문제는 일반적으로 꺼짐 게이트 전압이 더 크고 켜짐 레벨보다 더 많은 전류를 필요로 한다는 것입니다.이 꺼짐 전압은 게이트에서 소스로의 음전압이며, 일반적으로 짧은 시간 동안만 존재하면 되지만 크기는 양극 전류의 1/3 정도입니다.이 장치에 사용 가능한 전환 곡선을 제공하기 위해서는 스너버 회로가 필요합니다.스너버 회로가 없으면 GTO를 사용하여 유도 부하를 끌 수 없습니다.이러한 장치는 IGCT 기술의 발전으로 인해 전력 전자 제품 분야에서는 그다지 인기가 없습니다.제어, 단극 및 쌍극 전압 [14]차단으로 간주됩니다.
트라이악 트라이악은 기본적으로 동일한 [15]칩 상에 역병렬로 연결된 위상제어 사이리스터의 통합 쌍인 디바이스입니다.SCR과 마찬가지로 게이트 단자에 전압 펄스가 있으면 장치가 켜집니다.SCR과 트라이악의 주요 차이점은 양 또는 음의 게이트 펄스를 사용하여 양 및 음의 사이클을 서로 독립적으로 켤 수 있다는 것입니다.SCR과 마찬가지로 디바이스를 켜면 디바이스를 끌 수 없습니다.이 소자는 바이폴라 및 리버스 전압 블로킹으로 간주됩니다.
바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) BJT는 고출력에서는 사용할 수 없습니다. MOSFET 유형의 장치에 비해 속도가 느리고 저항 손실이 큽니다.고전류를 전달하려면 BJT의 기본 전류가 상대적으로 커야 하므로 이러한 소자는 MOSFET 소자에 비해 전력 손실이 높습니다.BJT는 MOSFET와 함께 단극으로[clarify] 간주되며 보호 다이오드와 함께 장착되지 않는 한 역방향 전압을 잘 차단하지 않습니다.일반적으로 BJT는 온 저항 및 베이스 전류 [13]요건과 관련된 IR 손실 때문에2 전력 전자 스위칭 회로에서는 사용되지 않습니다.BJT는 고전력 패키지에서 전류 이득이 낮기 때문에 전력 전자 회로에 필요한 전류를 처리하기 위해 Darlington 구성으로 설정해야 합니다.이러한 다중 트랜지스터 구성 때문에 스위칭 시간은 수백 나노초에서 마이크로초입니다.디바이스의 정격 전압은 최대 약 1500V이며 정격 전류는 상당히 높습니다.전원 처리를 높이기 위해 병렬로 연결할 수도 있지만 전류 [14]공유를 위해 5개 안팎의 장치로 제한해야 합니다.
전원 MOSFET BJT에 비해 전력 MOSFET의 주요 장점은 MOSFET가 고갈 채널 장치이기 때문에 드레인에서 소스로의 전도 경로를 만들려면 전류가 아닌 전압이 필요하다는 것입니다.저주파수에서는 전환 중에 게이트 캐패시턴스를 충전해야 하므로 게이트 전류가 크게 감소하지만 주파수가 증가하면 이 장점이 감소합니다.MOSFET의 손실은 대부분 온 저항으로 인해 발생하며, 장치를 통과하는 전류가 증가함에 따라 증가할 수 있으며 높은 블로킹 전압을 제공해야 하는 장치에서도 더 커집니다.BVdss

스위칭 시간은 수십 나노초에서 수백 마이크로초까지입니다.MOSFET 스위칭 디바이스의 공칭 전압은 몇 볼트부터 1000V를 약간 웃돌며, 전류는 약 100A에 달하지만 MOSFET는 병렬로 스위칭 전류를 증가시킬 수 있습니다.MOSFET 디바이스는 양방향도 아니고 역전압 [14]블록도 아닙니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 이 장치들은 MOSFET와 BJT의 가장 좋은 특성을 가지고 있습니다.MOSFET 소자와 마찬가지로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 게이트 임피던스가 높기 때문에 게이트 전류 요구사항이 낮습니다.이 디바이스는 BJT와 마찬가지로 온스테이트 전압 강하가 낮기 때문에 동작 모드에서는 스위치 전체의 전력 손실이 낮습니다.GTO와 마찬가지로 IGBT를 사용하여 양전압과 음전압을 모두 차단할 수 있습니다.작동 전류가 1500A를 초과하고 전환 전압이 최대 3000V에 달할 [14]정도로 상당히 높습니다.IGBT는 MOSFET 장치에 비해 입력 캐패시턴스가 감소하여 높은 dv/dt 온/오프 [15]시 밀러 피드백 효과가 향상되었습니다.
MOS 제어 사이리스터(MCT) MOS 제어 사이리스터는 사이리스터와 유사하며 MOSFET [15]게이트에 대한 펄스에 의해 켜지거나 꺼질 수 있습니다.입력은 MOS 기술이기 때문에 전류 흐름이 매우 적기 때문에 매우 낮은 전력 제어 신호를 사용할 수 있습니다.이 장치는 두 개의 MOSFET 입력과 한 쌍의 BJT 출력 단계로 구성됩니다.입력 MOSFET는 양의 반주기 및 음의 반주기 동안 전원을 켤 수 있도록 구성됩니다.출력 BJT는 양방향 제어 및 저전압 역차단을 허용하도록 구성됩니다.MCT의 이점으로는 퍼스트스위칭 주파수, 꽤 높은 전압 및 중전류 정격(100A 내외)이 있습니다.
통합 게이트 교환 사이리스터(IGCT) GTO와 비슷하지만 부하를 켜거나 끄기 위한 고전류 요건이 없습니다.IGCT는 게이트 전류가 거의 없는 빠른 스위칭에 사용할 수 있습니다.디바이스는 주로 MOSFET 게이트 드라이버에 의해 입력 임피던스가 높아집니다.전력 낭비가 없는 저저항 출력과 BJT에 필적하는 매우 빠른 과도 시간을 제공합니다.ABB 그룹사는 이러한 장치에 대한 데이터 시트를 공개하고 내부 작업에 대한 설명을 제공했습니다.이 장치는 광학적으로 격리된 입력이 있는 게이트, 저저항 BJT 출력 트랜지스터로 구성되어 있어 상당히 높은 스위칭 전압 및 전류 레벨에서 장치 전체에 저전압 강하 및 저전력 손실을 초래합니다.

ABB의 이 새로운 장치의 예는 전력 전자 애플리케이션에서 고전압과 고전류를 전환하는 GTO 기술을 개선하는 방법을 보여줍니다.ABB에 따르면 IGCT 디바이스는 5000VAC와 5000A를 넘는 주파수를 매우 높은 주파수로 스위칭할 수 있어 GTO 디바이스에서는 효율적으로 [16]스위칭할 수 없습니다.

분류

그림 1: 주요 전원 스위치를 나타내는 전원 장치 패밀리.

전원 장치는 다음과 같은 주요 범주 중 하나로 분류할 수 있습니다(그림 1 참조).

  • 상태가 접속되어 있는 외부 전원 회로에 완전히 의존하는 2단자 디바이스(예를 들어 다이오드).
  • 상태가 외부 전원 회로뿐만 아니라 구동 단자(이 단자는 게이트 또는 베이스로 알려져 있음) 상의 신호에 따라 달라지는 3단자 장치(예를 들어 3극)입니다.
  • 4개의 단자 장치(예: Silicon Controlled Switch - SCS)SCS는 양극, 양극 게이트, 음극 게이트 및 음극이라고 불리는 4개의 단자와 4개의 층을 가진 사이리스터의 한 종류입니다.단자는 각각 [17]제1층, 제2층, 제3층 및 제4층에 접속되어 있다.

다른 분류는 명확하지 않지만 장치 성능에 큰 영향을 미칩니다.

  • 다수 캐리어 디바이스(예를 들어 쇼트키 다이오드, MOSFET 등); 이것은 1종류의 충전 캐리어만을 사용합니다.
  • 마이너리티 캐리어 디바이스(예를 들어 사이리스터, 바이폴라 트랜지스터, IGBT 등); 이것은 다수 및 소수 캐리어(전자 및 전자 구멍)를 모두 사용합니다.

다수 캐리어 디바이스는 고속이지만 소수 캐리어 디바이스의 전하 주입에 의해 온스테이트 퍼포먼스가 향상됩니다.

다이오드

이상적인 다이오드는 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

  • 전방 바이어스 시 다이오드를 통과하는 전류(온 상태)에 관계없이 다이오드의 엔드 단자에 걸친 전압은 0이어야 합니다.
  • 역바이어스 시 전압(오프 상태)에 관계없이 누출 전류는 0이어야 합니다.
  • 온상태와 오프상태 사이의 전환(또는 정류)은 즉시 이루어져야 한다.

실제로 다이오드의 설계는 온스테이트, 오프스테이트 및 정류 성능 간의 트레이드오프입니다.실제로 장치의 동일한 영역은 차단 전압을 OFF 상태에서 유지하고 ON 상태에서 전류를 흐르게 해야 합니다. 두 상태의 요건이 완전히 반대이기 때문에 다이오드를 이들 중 하나에 최적화하거나 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 시간을 허용해야 합니다(즉, 변환 속도를 줄여야 합니다).).

이러한 트레이드오프는 모든 전력 디바이스에서 동일합니다.예를 들어 쇼트키 다이오드는 스위칭 속도와 온스테이트 퍼포먼스가 뛰어나지만 오프스테이트에서는 높은 수준의 누설전류가 발생합니다.한편, PIN 다이오드는 상용적으로 다양한 정류 속도("고속" 및 "초고속" 정류기라고 함)로 제공되지만, 속도가 증가하면 반드시 온 상태에서의 성능이 저하됩니다.

스위치

그림 2: 주전원 전자 스위치의 전류/전압/스위칭 주파수 영역

스위치에는 전압, 전류 및 주파수 정격 간의 트레이드오프도 존재합니다.실제로 모든 전력 반도체는 전압을 유지하기 위해 PIN 다이오드 구조에 의존합니다.이것은 그림 2에 나타나 있습니다.전력 MOSFET는 다수 반송파 디바이스의 장점이 있기 때문에 매우 높은 동작 주파수를 얻을 수 있지만 고전압에서는 사용할 수 없습니다.물리적 한계이기 때문에 최대 전압 정격에 관한 실리콘 MOSFET 설계에는 개선이 기대되지 않습니다.그러나 저전압 애플리케이션에서의 뛰어난 퍼포먼스로 인해 전압이 200V 미만인 애플리케이션에서는 (실제로 현재 유일한 선택지) 디바이스로 선택됩니다.여러 디바이스를 병렬로 배치함으로써 스위치의 전류 정격을 높일 수 있습니다.MOSFET는 특히 이 구성에 적합합니다.그 이유는 저항 계수의 양의 열계수가 개별 디바이스 간에 전류의 균형을 이루는 경향이 있기 때문입니다.

IGBT는 최신 컴포넌트이기 때문에 테크놀로지의 진화에 따라 정기적으로 퍼포먼스가 향상됩니다.이미 전력 애플리케이션에서 바이폴라 트랜지스터를 완전히 대체했습니다. 여러 IGBT 장치가 병렬로 연결되어 있는 전원 모듈을 사용할 수 있으므로 최대 몇 메가와트까지 전력 레벨이 매력적이므로 사이리스터와 GTO가 유일한 옵션이 되는 한계를 더욱 높일 수 있습니다.기본적으로 IGBT는 전력 MOSFET에 의해 구동되는 바이폴라 트랜지스터이며, MOSFET의 높은 입력 임피던스(매우 낮은 전력량으로 온/오프할 수 있음)를 가진 마이너 캐리어 디바이스(온/온/고전압 디바이스에서도 양호한 성능)라는 장점이 있습니다.

저전압 어플리케이션에서의 IGBT의 주요 제한은 온상태(2~4V)에서 나타나는 고전압 강하입니다.MOSFET에 비해 IGBT의 동작 주파수는 비교적 낮습니다(통상은 50kHz 이하).이는 주로 전류 테일이라고 불리는 전원 끄기 시 문제가 원인입니다.차단 시 전도 전류의 느린 감쇠는 전도 중 IGBT의 두꺼운 '드리프트' 영역을 범람시키는 다수의 캐리어의 느린 재결합에 기인합니다.결과적으로 IGBT의 오프 스위칭 손실[de]이 온 손실보다 상당히 커집니다.일반적으로 데이터시트에서는 꺼짐 에너지가 측정 파라미터로 언급됩니다.꺼짐 손실을 추정하기 위해서는 이 숫자에 대상 애플리케이션의 스위칭 주파수를 곱해야 합니다.

매우 높은 전력 수준에서도 사이리스터 기반 장치(예를 들어 SCR, GTO, MCT 등)가 여전히 자주 사용됩니다.이 장치는 구동 회로에서 제공하는 펄스로 켤 수 있지만 펄스를 제거하여 끌 수는 없습니다.사이리스터는 전류가 더 이상 흐르지 않게 되면 바로 꺼집니다.이러한 현상은 각 사이클의 교류 시스템에서 자동으로 발생하거나 소자 주위에 전류를 우회할 수 있는 수단이 있는 회로가 필요합니다.MCT와 GTO는 모두 이 한계를 극복하기 위해 개발되어 배전 어플리케이션에서 널리 사용되고 있습니다.

스위치 모드의 전력 반도체는 램프 조광기, 스위치 모드 전원 공급 장치, 인덕션 쿠커, 자동차 점화 시스템 및 모든 크기의 AC 및 DC 전기 모터 드라이브가 일부 사용됩니다.

앰프

증폭기는 장치의 전류와 전압이 모두 0이 아닌 활성 영역에서 작동합니다.이것에 의해, 전력은 계속 소산해, 반도체 장치로부터 여분의 열을 제거할 필요성에 의해서 설계가 지배된다.파워앰프 장치는 장치 장착에 사용되는 히트 싱크로 인식되는 경우가 많습니다.바이폴라 접합 트랜지스터, 수직 MOS 전계효과 트랜지스터 등 여러 종류의 전력반도체 증폭장치가 존재한다.개별 앰프 장치의 전력 레벨은 최대 수백 와트이며 주파수 제한은 하위 마이크로파 대역까지 있습니다.2개의 채널과 약 수십 와트의 전력 정격을 가진 완전한 오디오 파워 앰프는 소수의 외부 패시브 컴포넌트만 있으면 작동하는 소형 집적회로 패키지에 넣을 수 있습니다.액티브 모드 증폭기의 또 다른 중요한 응용은 증폭기 장치가 원하는 설정으로 부하 전압을 유지하기 위해 전압 조절기로 사용되는 선형 조절 전원이다.이러한 전원 장치는 스위치 모드 전원 장치보다 에너지 효율이 낮을 수 있지만, 용도가 간단하기 때문에 특히 약 1A의 전류 범위에서 인기가 있습니다.

파라미터

전원 장치는 보통 히트 싱크에 부착되어 동작 손실로 인한 열을 제거합니다.
3 단자 디바이스(IGBT, MOSFET 또는 BJT)의 전력 반도체 다이.접점 두 개는 주사위 위에 있고, 나머지 한 개는 뒷면에 있습니다.
  1. 고장 전압:두껍고 낮은 도프 드리프트 영역을 통합하여 파괴 전압을 높이면 더 높은 온 저항으로 이어지기 때문에 종종 파괴 전압 정격과 온 저항 사이에 트레이드오프가 발생합니다.
  2. 온저항:전류 정격이 높을수록 병렬 셀 수가 많아지기 때문에 온 저항이 줄어듭니다.그러면 전체 캐패시턴스가 증가하고 속도가 느려집니다.
  3. 상승 및 하강 시간:온스테이트와 오프스테이트를 전환하는 데 걸리는 시간.
  4. 안전 작동 영역:이것은 열방산 및 "래치업"에 관한 고려 사항입니다.
  5. 내열성:이는 종종 무시되지만 실용적인 설계의 관점에서 매우 중요한 파라미터입니다.반도체는 고온에서는 성능이 좋지 않지만 전류전도가 크기 때문에 전력반도체 소자는 항상 가열됩니다.따라서 이러한 소자는 지속적으로 열을 제거하여 냉각해야 하며, 패키징 및 히트싱크 기술은 반도체 소자를 외부 환경으로 전도하여 열을 제거하는 수단을 제공합니다.일반적으로 대형 전류 장치는 다이 및 포장 표면적이 크고 열저항이 낮다.

연구 개발

패키징

패키징의 역할은 다음과 같습니다.

  • 외부 회로에 다이를 연결하다
  • 장치에서 발생하는 열을 제거하는 방법을 제공합니다.
  • 외부 환경(먼지, 먼지 등)으로부터 금형을 보호한다.

전원 장치의 신뢰성 문제의 대부분은 과열 또는 열 사이클에 의한 피로와 관련되어 있습니다.현재 다음과 같은 주제에 대한 연구가 진행 중입니다.

  • 냉각 성능
  • 패키지의 열팽창 계수와 실리콘의 열팽창 계수를 밀접하게 일치시킴으로써 열사이클링에 대한 저항성.
  • 포장재의 최대 작동 온도입니다.

또한 패키징의 기생 인덕턴스 감소와 같은 전기적 문제에 대한 연구도 진행 중입니다. 이 인덕턴스는 정류 중에 손실을 발생시키기 때문에 동작 주파수를 제한합니다.

또한 저전압 MOSFET는 고유의 온스테이트 저항이 1~2밀리옴만큼 낮기 때문에 패키지의 기생 저항에 의해 제한된다.

가장 일반적인 유형의 전력 반도체 패키지에는 TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, DPak2 등이 있습니다.

구조 개선

IGBT 설계는 아직 개발 중이며 동작전압의 증가를 기대할 수 있습니다.범위의 고출력 끝에서 MOS 제어 사이리스터는 유망한 장치이다.슈퍼접점 전하 밸런스 원리를 이용하여 기존 MOSFET 구조보다 대폭 개선: 기본적으로 파워 MOSFET의 두꺼운 드리프트 영역을 크게 도핑할 수 있으므로 파괴전압을 해치지 않고 전자흐름에 대한 전기저항을 저감할 수 있다.이는 반대쪽 반송파 극성(홀)과 유사하게 도핑된 영역과 병렬로 배치됩니다. 이 두 영역은 유사하지만 반대쪽 도핑된 영역으로 이동 전하를 효과적으로 상쇄하고 오프 상태일 때 고전압을 지원하는 '감소 영역'을 개발합니다.한편, 온 상태에서는 드리프트 영역의 도핑이 높으면 캐리어의 흐름이 용이해져 온저항이 저감된다.이 슈퍼접합 원리를 기반으로 한 상용 디바이스는 Infineon(CoolMOS 제품) 및 International Refrectifier(IR)와 같은 기업에서 개발되었습니다.

광대역 반도체

전력 반도체 소자의 주요 돌파구는 실리콘을 광대역 반도체로 대체함으로써 예상된다.현재로서는 탄화규소(SiC)가 가장 유망하다.1200V의 파괴전압을 가진 SiC 숏키 다이오드는 1200V JFET와 마찬가지로 시판되고 있습니다.둘 다 주요 캐리어 디바이스이기 때문에 고속으로 동작할 수 있습니다.바이폴라 장치가 더 높은 전압(최대 20kV)용으로 개발되고 있습니다.그 장점 중 하나인 탄화규소는 실리콘보다 높은 온도(최대 400°C)에서 작동할 수 있고 열저항이 낮아 냉각 성능이 우수합니다.

「 」를 참조해 주세요.

주 및 참고 자료

메모들

  1. ^ Bernard Finn, Loving Electronics, CRC Press, 2000 ISBN9058230562 페이지(14-15페이지)
  2. ^ Peter Robin Morris, 세계 반도체 산업의 역사, IET 1990 ISBN 0863412270 페이지 18
  3. ^ Peter Robin Morris, 세계 반도체 산업의 역사, IET 1990 ISBN 0863412270 39-41페이지
  4. ^ H. 반 리튼, D.Navon, "GTO 스위치의 기본 전원 끄기", IRE Wescon Convention Record, Part 3 on Electron Devices, 49 - 52, 1960년 8월.
  5. ^ "Rethink Power Density with GaN". Electronic Design. 21 April 2017. Retrieved 23 July 2019.
  6. ^ Oxner, E. S. (1988). Fet Technology and Application. CRC Press. p. 18. ISBN 9780824780500.
  7. ^ "Advances in Discrete Semiconductors March On". Power Electronics Technology. Informa: 52–6. September 2005. Archived (PDF) from the original on 22 March 2006. Retrieved 31 July 2019.
  8. ^ Duncan, Ben (1996). High Performance Audio Power Amplifiers. Elsevier. pp. 177-8, 406. ISBN 9780080508047.
  9. ^ Jacques Arnould, Pierre Merle Dispositifs de l'electronique de puancance, Editions 에르메스, ISBN 2-86601-306-9(프랑스어)
  10. ^ "Power MOSFET Basics" (PDF). Alpha & Omega Semiconductor. Retrieved 29 July 2019.
  11. ^ Whiteley, Carol; McLaughlin, John Robert (2002). Technology, Entrepreneurs, and Silicon Valley. Institute for the History of Technology. ISBN 9780964921719. These active electronic components, or power semiconductor products, from Siliconix are used to switch and convert power in a wide range of systems, from portable information appliances to the communications infrastructure that enables the Internet. The company's power MOSFETs — tiny solid-state switches, or metal oxide semiconductor field-effect transistors — and power integrated circuits are widely used in cell phones and notebook computers to manage battery power efficiently
  12. ^ "Power Transistor Market Will Cross $13.0 Billion in 2011". IC Insights. June 21, 2011. Retrieved 15 October 2019.
  13. ^ a b c Hart, D. (2010). Power Electronics. McGraw-Hill Education. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-07-128930-6.
  14. ^ a b c d Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2.
  15. ^ a b c Bose, B (April 1992). "Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters". IEEE Transactions on Industry Applications. 28 (2).
  16. ^ "semiconductor GTO". GTO. ABB. Retrieved 21 March 2012.
  17. ^ 로버트 보일스타드와 루이스 나셀스키(2006).전자 기기및 회로 이론.제9판 프렌티스 홀.어퍼 새들 리버, 뉴저지 주콜럼버스

레퍼런스

외부 링크