글쓴이 : SOONDORI
반도체 소자 제조사가 자사 제품을 알리려고, 팔려고 열심히 노력하고 있음. <Rohm 뉴스레터>에 담긴 내용을 간략히 소개한다.
“오늘은, 스위칭 손실의 저감 및 고온 환경에서의 동작 특성이 우수하여, 차세대 저손실 소자로서 주목받고 있는 SiC 파워 디바이스에 대해 소개하겠습니다! SiC는 고속 디바이스 구조인 SBD (쇼트키 배리어 다이오드) 구조로 600V 이상의 고 내압 다이오드를 실현할 수 있습니다. (Si SBD는 200V정도까지) 따라서, 현재 주류를 이루고 있는 고속 PN 접합 다이오드 (FRD : 패스트 리커버리 다이오드) 대신 사용함으로써 리커버리 손실을 대폭 삭감할 수 있습니다. 전원의 고효율화 및 고주파 구동에 의한 코일 등 수동부품의 소형화, 노이즈 저감에 기여합니다. 역률 개선 회로 (PFC 회로) 및 정류 브릿지를 중심으로 에어컨, 전원, 태양광 발전 파워 컨디셔너, EV 급속 충전기 등에 응용이 확대되고 있습니다. (URL : https://www.rohm.co.kr)”
“… SiC-SBD의 turn-on 전압은 약 1V로 Si-FRD와 동등합니다. Turn-on 전압은 쇼트키 장벽의 배리어 높이에 따라 결정되며, 통상적으로 배리어 높이를 낮게 설계하면 turn-on 전압은 낮아지는 반면, 역바이어스 시의 리크 전류가 증가한다는 트레이드 오프 관계에 있습니다…”
“… Si의 고속 PN 다이오드 (FRD : 패스트 리커버리 다이오드)는 순방향에서 역방향으로 전환되는 순간에 큰 과도 전류가 흘러, 이 기간에 역바이어스 상태로 이행함으로써 큰 손실을 발생시키게 됩니다. 이는 순방향 통전 시에 드리프트층 내에 축적된 소수 캐리어가 소멸되기까지의 기간 (축적 시간) 전기 전도에 기여하기 때문입니다. 순방향 전류가 클수록, 또한 온도가 높을수록 리커버리 시간 및 리커버리 전류가 커지므로 손실이 많아집니다. 한편, SiC-SBD는 소수 캐리어를 전기 전도에 사용하지 않는 다수 캐리어 디바이스 (유니폴라 디바이스)이므로 원리적으로 소수 캐리어의 축적이 발생하지 않습니다. 접합 용량을 방전할 정도의 작은 전류만 흐르므로 Si-FRD에 비해 손실을 대폭 삭감할 수 있습니다. 이러한 과도 전류는 온도 및 순방향 전류에 거의 의존하지 않으므로, 어떠한 환경에서도 안정된 고속 리커버리를 실현할 수 있습니다. 또한, 리커버리 전류에 기인하여 발생하는 노이즈 삭감도 기대할 수 있습니다…”
이상에서,
확실히 요즘 뜨고 있는 SiC(실리콘 카바이트, Silicon Carbide) 타입 SBD(Schottky Barrier Diode)의 반응이 Si-FRD(Fast Recovery Diode) 또는 PN 접합 다이오드의 것보다 좋다. 최소한 순방향/역방향에서 통제되지 않은 출렁거림이 많이 절제되어 있음.
So What?
흔한 실리콘 다이오드 동작 전압은 0.6V~0.7V로 트랜지스터 동작 전압, V_be와 같은 수준. 물질의 반응과 결합 구조가 거기서 거기이니 당여한 일이다. “게르마늄 다이오드여?” 그 턴-온(Turn On) 전압을 0.2~0.3V로 현격히 낮춘 쇼트키 다이오드(*)는… 대체로 최대한 낮은 입력 대 출력 전압 차를 요구하는 DC-DC 컨버터나 고속 스위칭 회로에 적합하다.
* 1938년에 독일 물리학자 Walter Schottky가 소개한 이론을 따라가서, PN 접합 사이에 침 바른 머시기 층을 하나 더 두었더니 그렇게 되었다고 함.
여기서 잠시, 그동안의 시장 내 변천을 기억해 보면, 까까머리 중학생의 광석 라디오 쓰였던 게르마늄 PN 다이오드 → 인켈 앰프에 들어간 흔한 실리콘 PN 다이오드 → PN 다이오드 대비, 무척 발 빠른 Fast Recovery Diode → 그것보다 더 빠르고 SMPS 세상에서 물을 만난 물고기가 된 Si 쇼트키 다이오드 → 조금 더 날뛰는 물고기인 SiC 쇼트키 다이오드 순이라고 상상하며…
빈티지 오디오 세상의 관점에서만 바라보면, 쇼트키 다이오드는 흔한 PN 접합 다이오드에 비해 흔히 고압에 취약하고 당장은 가격도 비쌈.
예를 들어 Rohm 제품 중 최상위 등급인 SCS240KE2HR(1200V, 40A, 3단자 THD, 오토모티브용)의 디지키 소매 가격은 약 23불(약 3만 원)수준. (용도가 달라서 그렇게 쓸 바도 아니지만) 양파용을 브릿지 다이오드 형태로 치환하면 총 6만 원쯤 소요된다. 동일 조건으로, 크지만 노멀인 IXYS VBO40 브릿지 다이오드가 소매가로 4만 원. 참고로, 흔한 앰프의 흔한 정류소자는 꼴랑 몇백 원에도, ‘어? 지금 뒤통수 맞나?”를 상상할 정도로 싸다.
“그렇게 빠르고 조~은 거면 내 인켈 앰프에 쓸 수 있을까?”
우수한 인켈 설계팀이 여러 악조건을 검토하고 단가든 뭐든 최적의 Normal P/N 다이오드 소자를 선정했을 것이고, 에너지의 원천인 AC220V 콘센트 전압이 늘 오락가락에, 꼴랑 50/60hz와 ~20Khz를 신호를 다루는 오디오 시스템이 특별히 빠른 정류 처리를 요구하는 것도 아니고 또… 릴레이든 뭐든 몇 초 지연의 Power On Delay 대책이 적용되어 있으며 게다가 정류 소자의 속성이 바뀐다고 해서 최초 통전 이후로 음이 달라질 까닭이 없으니… “그냥 쓰세요!”
다음은 Micrel LM2576S-3.3 DC-DC 벅(Buck) 컨버터 IC의 활용 예시. 기능적으로는 리니어 IC인 LM317과 유사함. 다른 점은… 52Khz로 스위칭하는 구조에서 쇼트키 다이오드가 사용되었다.
리니어 전원부가 다루는 콘센트 주파수와 SMPS 회로가 다루는 52Khz(또는 그 이상의 주파수)의 취급 여건은 완전히 다르다. 예를 들어, 빠른 반응은 기생 커패시턴스가 작다는 말이기도 한데… 이런 회로에 (흘깃 봐서는 차이를 쉽게 알 수 없는) 일반 정류 다이오드를 붙이면? 머리를 긁게 될 것.
