최근 Si기반 전력반도체의 물성적 한계로 인해 스위칭 반도체의 발전 속도가 떨어지고, 더 이상의 성능향상을 기대하기 어려운 실정이지만 Si기반보다 우수한 물성을 가진 SiC 기반 전력반도체가 개발되고 있다. 하지만 실제 시스템에 적용하기 위해서는 아직 뚜렷한 방법이 제시되지 못하고 있다. SiC기반 전력반도체의 시스템 설계에 대한 타당성과 솔루션을 제안하기 위하여, 1kW급의 DC-DC컨버터를 설계 및 제작하고 스위칭 주파수, 듀티비, 전압, 전류의 변화 조건 속에서 Si기반 전력반도체와 실험을 통해 비교 분석하였다. 각 시스템 부하별 입․출력을 통한 효율을 분석 및 Si MOSFET 대비 SiC MOSFET의 우수한 스위칭 성능을 확인하였고, 이를 통해 동일한 구동 조건에서 SiC MOSFET의 우수성을 검증하였다.
This paper introduces an enhanced interleaved (IL) PFC (Power Factor Correction) boost converter typed 650V Intelligent Power Module (IPM), which is fully optimized hybrid IGBT converter modules; Silicon (Si) IGBT and Silicon Carbide (SiC) diode, for up to 10kW HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems. It utilizes newly developed $4^{th}$ Generation Field Stop (FS) trench IGBTs, $EXTREMEFAST^{TM}$ anti-paralleled diodes, SiC Junction Barrier Schottky (JBS) diodes, Bridge rectifiers, Multi-function LVIC, and Built-in thermistor provide good reliable characteristics for the entire system. This module also takes technical advantage of DBC (Direct Bonded Copper) substrate for the better thermal performance. It is shown that the Si IGBT/SiC diode hybrid IL PFC module can achieve excellent EMI performance and greatly enhance the power handling capability or switching frequency of various applications compared to the Si IGBT/Diode. This paper provides an overall description of the newly developed 650V/50A Hybrid SiC IL PFC IPM product.
Jo, Yoo Jin;Moon, Jeong Hyun;Seok, Ogyun;Bahng, Wook;Park, Tae Joo;Ha, Min-Woo
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제17권2호
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pp.265-270
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2017
4H-SiC has attracted attention for high-power and high-temperature metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) for industrial and automotive applications. The gate oxide in the 4H-SiC MOS system is important for switching operations. Above $1000^{\circ}C$, thermal oxidation initiates $SiO_2$ layer formation on SiC; this is one advantage of 4H-SiC compared with other wide band-gap materials. However, if post-deposition annealing is not applied, thermally grown $SiO_2$ on 4H-SiC is limited by high oxide charges due to carbon clusters at the $SiC/SiO_2$ interface and near-interface states in $SiO_2$; this can be resolved via low-temperature deposition. In this study, low-temperature $SiO_2$ deposition on a Si substrate was optimized for $SiO_2/4H-SiC$ MOS capacitor fabrication; oxide formation proceeded without the need for post-deposition annealing. The $SiO_2/4H-SiC$ MOS capacitor samples demonstrated stable capacitance-voltage (C-V) characteristics, low voltage hysteresis, and a high breakdown field. Optimization of the treatment process is expected to further decrease the effective oxide charge density.
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.
Sharma, Ashutosh;Lee, Soon Jae;Jang, Young Joo;Jung, Jae Pil
마이크로전자및패키징학회지
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제21권2호
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pp.71-78
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2014
Silicon has been most widely used semiconductor material for power electronic systems. However, Si-based power devices have attained their working limits and there are a lot of efforts for alternative Si-based power devices for better performance. Advances in power electronics have improved the efficiency, size, weight and materials cost. New wide band gap materials such as SiC have now been introduced for high power applications. SiC power devices have been evolved from lab scale to a viable alternative to Si electronics in high-efficiency and high-power density applications. In this article, the potential impact of SiC devices for power applications will be discussed along with their Si counterpart in terms of higher switching performance, higher voltages and higher power density. The recent progress in the development of high voltage power semiconductor devices is reviewed. Future trends in device development and industrialization are also addressed.
This paper discribes the analysis of the I-V characteristics of 4H-SiC DiMOSFET with single epi-layer Silicon Carbide has been around for over a century. However, only in the past two to three decades has its semiconducting properties been sufficently studied and applied, especially for high-power and high frequency devices. We present a numerical simulation-based optimization of DiMOSFET using the general-purpose device simulator MINIMIS-NT. For simulation, a loin thick drift layer with doping concentration of $5{\times}10^{15}/cm^3$ was chosen for 1000V blocking voltage design. The simulation results were used to calculate Baliga's figure of Merit (BFOM) as the criterion structure optimization and comparison.
SiC는 고온, 고전압을 비롯한 악조건에서의 내성이 기존 산업분야의 대다수를 점유하고 있는 Silicon에 비해 우수하여 전력반도체 분야에서 Silicon의 위치를 대체하여 가고 있다. 본 논문은 전력 반도체 소자 중 하나인 4H-SiC Planar MOSFET에 알루미늄으로 Gate를 형성하여 다결정 Si 게이트와 대비, 파라미터 값들이 일관성을 갖도록 하였으며, SiC MOSFET의 채널 도핑 농도에 변화를 주어 문턱전압과 항복전압, IV 특성을 연구하였다.
Sharma, Y.K.;Coulbeck, L.;Mumby-Croft, P.;Wang, Y.;Deviny, I.
Journal of the Korean Physical Society
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제73권9호
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pp.1356-1361
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2018
Replacing conventional Si diodes with SiC diodes in Si insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules is advantageous as it can reduce power losses significantly. Also, the fast switching nature of the SiC diode will allow Si IGBTs to operate at their full high-switching-speed potential, which at present conventional Si diodes cannot do. In this work, the electrical test results for Si-IGBT/4HSiC-Schottky hybrid substrates (hybrid SiC substrates) are presented. These substrates are built for two voltage ratings, 1.7 kV and 3.3 kV. Comparisons of the 1.7 kV and the 3.3 kV Si-IGBT/Si-diode substrates (Si substrates) at room temperature ($20^{\circ}C$, RT) and high temperature ($H125^{\circ}C$, HT) have shown that the switching losses in hybrid SiC substrates are miniscule as compared to those in Si substrates but necessary steps are required to mitigate the ringing observed in the current waveforms. Also, the effect of design variations on the electrical performance of 1.7 kV, 50 A diodes is reported here. These variations are made in the active and termination regions of the device.
In this paper, recent researches on new and renewable energy have been conducted due to problems such as energy exhaustion and environmental pollution, and new researches on high efficiency and high speed switching are needed. Therefore, we compared the efficiency by using high speed switching devices instead of IGBT which can't be used in high speed switching. The experiment was performed theoretically by applying the same parameters of the high speed switching devices which are the Cool MOS of Infineon Co., SiC C3M of Cree, and GaN FET device of Transform, by implementing the DC-DC boost converter and measuring the actual efficiency for output power and frequency. As a result, the GaN FET showed good efficiency at all switching frequency and output power.
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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