반도체 디자인, 공정 기술 및 패기지 기술의 발달에 따라 전력용 반도체는 소형화, 고성능화, 지능화하고 있다. 고속 구동이 용이한 때문에 MOSFET이나 IGBT등의 MOS-gate형 전력 반도체의 발전이 두드려지며, trench, charge balance, NPT 기술등이 패키지 기술과 더불어 이를 위한 주요 기술이 될것으로 보인다. SiC나 GaN등의 Wide Band Gap 물질들을 사용한 차세대 전력 반도체 연구도 활발히 진행되고 있다.
In these days, importance of the power electronic devices and modules keeps increasing due to electric vehicles and energy saving requirements. However, current silicon-based power devices showed several limitations. Therefore, wide band gap (WBG) semiconductors such as SiC, GaN, and $Ga_2O_3$ have been developed to replace the silicon power devices. WBG devices show superior performances in terms of device operation in harsh environments such as higher temperatures, voltages and switching speed than silicon-based technology. In power devices, the reliability of the devices and module package is the critically important to guarantee the normal operation and lifetime of the devices. In this paper, we reviewed the recent trends of the power devices based on WBG semiconductors as well as expected future technology. We also presented an overview of the recent package module and fabrication technologies such as direct bonded copper and active metal brazing technology. In addition, the recent heat management technologies of the power modules, which should be improved due to the increased power density in high temperature environments, are described.
The next-generation AlGaN/GaN HEMT power devices need higher power at higher frequencies. To know the device characteristics, the simulation of those devices are made. This paper presents a simulation study on the DC and RF characteristics of AlGaN/GaN HEMT power devices. According to the reduction of gate length from $2.0{\mu}m$ to $0.1{\mu}m$, the simulation results show that the drain current at zero gate voltage increases, the gate capacitance decreases, and the maximum transconductance increases, and thus the cutoff frequency and the maximum oscillation frequency increase. The maximum oscillation frequency maintains higher than the cutoff frequency, which means that the devices are useful for power devices at very high frequencies.
Power electronics is a key technology for electric, hybrid, plug-in hybrid, and fuel cell vehicles. Typical power electronics converters used in electric drive vehicles include dc/dc converters, inverters, and battery chargers. New semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) and novel topologies such as the Z-source inverter (ZSI) have a great deal of potential to improve the overall performance of these vehicles. In this paper, a Z-source inverter for fuel cell vehicle application is examined under three different scenarios. 1. a ZSI with Si IGBT modules, 2. a ZSI with hybrid modules, Si IGBTs/SiC Schottky diodes, and 3. a ZSI with SiC MOSFETs/SiC Schottky diodes. Then, a comparison of the three scenarios is conducted. Conduction loss, switching loss, reverse recovery loss, and efficiency are considered for comparison. A conclusion is drawn that the SiC devices can improve the inverter and inverter-motor efficiency, and reduce the system size and cost due to the low loss properties of SiC devices. A comparison between a ZSI and traditional PWM inverters with SiC devices is also presented in this paper. Based on this comparison, the Z-source inverter produces the highest efficiency.
Power semiconductor devices are widely used as high voltage applications to inverters and motor drivers, etc. The blocking voltage is one of the most important parameters for power semiconductor devices. Generally most of field effect concentrations shows on the edge of power devices. Can be improve the breakdown characteristic using edge termination technology. In this paper, considering the variables that affect the breakdown voltage and optimization of parameters result for 600 V Super Junction MOSFET Field ring.
Power semiconductor devices are widely used as high voltage applications to inverters and motor drivers, etc. The blocking voltage is one of the most important parameters for power semiconductor devices. And cause of junction curvature effects, the breakdown voltage of the device edge and device unit cells was found to be lower than the 'ideal' breakdown voltage limited by the semi-infinite junction profile. In this paper, Propose the methods for field ring design by DOE (Design of Experimentation). So The field ring can be improve for breakdown voltage and optimization.
Approximate equations for cylindrical breakdown voltages of planar pn junctions are proposed and verified. The equations show good agreement with the Baliga's results for $r_{j}/Wpp{\leqq}0.3$ and with numerical results for $r_{j}/Wpp{\geqq}0.3$ within 1% error. Sensitivity of the breakdown voltage with respect to the doping concentrations is successfully derived using the approximate equations. The sensitivity formula can be utilized in the area of tolerance design of power semiconductor devices.
The CCM (Continuous Conduction Mode) boost topology is generally used in the PFC (Power Factor Correction) regulator of household air-conditioning systems. There are three kinds of power devices-bridge rectifier diodes, FRDs (Fast Recovery Diodes), and IGBTs (or MOSFETs) - used In a boost PFC regulator. Selecting the appropriate device is very cumbersome work, specially, in the case of FRDs and IGBTs, because there are several considerations as described below: 1) High frequency leakage current regulation (conducted and radiated EMI regulation) 2) Power losses and thermal design 3) Device cost. It should be noted that there are trade-offs between the power loss characteristic of 2) and the other characteristics of 1) and 3). This paper presents a detailed evaluation by using several types of power devices, which can be unintentionally used, to show that optimal selection can be achieved. Based on the given thermal resistances, thermal analysis and design procedures are also described from a practical viewpoint.
논문에서는 전력용반도체 소자의 수명예측으로 기초적인 동작환경과 구동시간들을 기록하였다. 전력변환기의 제어기에 의하여 전력소자의 구동시간과 방렬기의 온도 등 동작환경을 누적하여 기록하고 이를 확인할 수 있도록 하므로써 전력용 반도체소자는 그 구조에서 수명은 반도체 칩의 온도변화의 크기와 반복회수로 사용기간을 보증하고 있으므로 이에 의한 수명의 예측으로 유지보수 또는 교체가 적절한 시점에서 이루어질 수 있다고 판단된다.
본 논문에서는 전기차 전력변환 시스템의 근간이 되는 전력반도체 소자의 발전 방향과 차세대 전력반도체 소자인 wide bandgap (WBG)의 특징에 관해 소개하고자 한다. 현재까지의 주류인 Si insulated gate bipolar transistor (IGBT)의 특징에 관해 소개하고, 제조사 별 Si IGBT 개발 방향에 대해 다루었다. 또한 대표적인 WBG 전력반도체 소자인 SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)이 가지는 특징을 고찰하여 종래의 Si IGBT 소자 대비 SiC MOSFET이 가지는 효용 및 필요성에 대해 서술하였다. 또한 현 시점에서의 GaN 전력반도체 소자가 가지는 한계 및 그로 인해 전기자동차용 전력변환모듈 용으로 사용하기에 이슈인 점을 서술하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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