파워 반도체(전력 반도체)란?

전력을 변환·제어하기 위해 높은 전압과 큰 전류를 온·오프하는 반도체 소자의 총칭. 파워 디바이스라고도 한다. 다이오드, 파워 MOSFET, IGBT, 사이리스터 등이 있으며, 재료로는 Si, SiC, GaN이 쓰인다.

일본어 명칭: パワー半導体

파워 반도체(전력 반도체)은(는) 전력 반도체, 에피택셜 성장, 반도체 산업과 시장 등 14개 분야의 연습 문제 55개에 나와요.

열저항의 직렬 회로 모델 · 도해에서 보기

분야: 전력 반도체

로직·메모리 IC와의 차이

파워 반도체(파워 디바이스)는 전력을 변환·제어하기 위한 반도체 소자의 총칭입니다. 교류를 직류로 바꾸는 정류, 직류를 교류로 바꾸는 인버터, 전압을 바꾸는 DC-DC 컨버터, 모터 구동 등에서 스위치로서 전류를 온·오프합니다. 로직이나 메모리 IC가 1 V 안팎의 전원 전압으로 작은 신호를 다루고 미세화로 집적도를 높여 온 것과 달리, 파워 반도체는 대략 수십 V에서 수 kV의 전압과 수 A에서 수천 A의 전류를 다룹니다. 높은 전압을 저지하려면 저농도 드리프트층을 두껍게 해야 하므로, 전류를 칩 표면에서 뒷면으로 세로 방향으로 흘리는 수직형 구조가 많이 쓰입니다. 제품은 소자 하나를 패키지에 넣은 디스크리트 반도체 외에, 여러 칩을 절연 기판 위에 조합해 대전류를 다루는 파워 모듈로도 공급됩니다.

주요 소자의 종류

다이오드는 제어 단자가 없으며, 정류나 인버터에서 전류를 흘려보내는 환류에 쓰입니다. pn 접합 다이오드 외에 역회복이 거의 없는 쇼트키 배리어 다이오드가 있습니다. 파워 MOSFET은 다수 캐리어만으로 도통하므로 스위칭이 빠르며, 실리콘에서는 주로 수백 V 이하의 전원 회로에 쓰입니다. IGBT는 MOS 게이트로 구동하는 바이폴라 소자로, 전도도 변조 덕분에 고내압에서도 온 전압을 낮출 수 있어, 실리콘에서는 약 600 V에서 6.5 kV 영역에서 전기차 인버터, 철도 차량, 산업용 모터 구동에 쓰입니다. 사이리스터는 pnpn 4층 구조로, 게이트 신호로 한 번 켜지면 전류가 유지 전류 아래로 떨어질 때까지 도통을 계속하므로, 교류 위상 제어나 직류 송전 같은 매우 높은 전압·대전류의 변환에 쓰입니다.

재료: Si·SiC·GaN

현재 가장 많이 쓰이는 것은 실리콘(Si)으로, 대구경 웨이퍼와 성숙한 제조 기술 덕분에 낮은 비용으로 만들 수 있습니다. 탄화규소(SiC, 밴드갭 약 3.3 eV)와 질화갈륨(GaN, 약 3.4 eV)은 와이드 밴드갭 반도체로, 절연 파괴 전계가 실리콘의 약 10배입니다. 따라서 같은 내압을 더 얇고 고농도인 드리프트층으로 저지할 수 있어 온 저항과 스위칭 손실을 크게 낮출 수 있습니다. SiC는 주로 600 V급 이상의 MOSFET과 쇼트키 배리어 다이오드로서 전기차 인버터, 급속 충전기, 태양광 발전용 파워 컨디셔너에 쓰입니다. GaN은 대부분 실리콘 기판 위의 수평형 HEMT로, 높은 주파수의 스위칭이 장점이 되는 수백 V 이하의 영역에서 소형 AC 어댑터나 서버 전원 등에 쓰입니다.

손실과 주요 용도

손실은 온 상태의 전압 강하에 의한 도통 손실과, 온·오프를 전환하는 도중 전압과 전류가 겹쳐 생기는 스위칭 손실로 크게 나뉩니다. 도통 손실은 MOSFET에서는 전류의 제곱과 온 저항의 곱, IGBT나 다이오드에서는 대략 온 전압과 전류의 곱이 되며, 스위칭 손실은 1회 전환에서 잃는 에너지와 스위칭 주파수의 곱이 됩니다. 손실은 모두 열이 되므로, 접합 온도를 정격(실리콘에서는 일반적으로 150~175 °C) 이하로 유지할 수 있도록 열저항이 작은 패키지와 냉각이 꼭 필요합니다. 주요 용도는 전기차와 하이브리드차의 모터를 구동하는 인버터와 차량 탑재 충전기, PC와 서버의 스위칭 전원, 철도 차량의 구동 장치, 에어컨 등 가전의 인버터, 산업용 모터 드라이브, 태양광·풍력 발전의 전력 변환, 송전 설비 등입니다.

도전해 보기: 파워 반도체(전력 반도체) 관련 문제

SiC(탄화규소)가 Si에 비해 고내압 파워 디바이스에 유리한 주된 이유는?

A절연 파괴 전계가 Si의 약 10배로 높기 때문
B밴드갭이 Si보다 작기 때문
C웨이퍼가 Si보다 저렴하고 대구경화하기 쉽기 때문

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정답: A. 절연 파괴 전계가 Si의 약 10배로 높기 때문

SiC는 밴드갭이 약 3.3 eV로 크고 절연 파괴 전계가 Si의 약 10배(약 3 MV/cm)입니다. 같은 내압이라면 드리프트층을 약 1/10 두께로 할 수 있고 불순물 농도를 약 100배로 할 수 있으므로, 드리프트층의 저항은 이론상 수백 분의 1이 됩니다. 열전도율도 Si의 약 3배로 고온에 강해 EV 인버터 등에서 채용이 확산되고 있습니다. 한편 웨이퍼는 Si보다 비싸고, 2020년대 중반 시점에서 대구경화(8인치)는 아직 진행 중입니다.

파워 디바이스에서 스위칭 주파수를 높이면 주로 늘어나는 손실은?

A도통 손실
B스위칭 손실
C대기 시 누설 전류에 의한 손실뿐

정답과 해설 보기

정답: B. 스위칭 손실

스위칭 손실은 전환되는 순간에 전압과 전류가 동시에 존재하여 생기며 '1회당 손실 × 스위칭 주파수'가 됩니다. 주파수를 10배로 하면 스위칭 손실도 10배가 됩니다. 반면 도통 손실은 온 상태 중의 손실(MOSFET이라면 I²R, IGBT라면 대략 포화 전압 × 전류)로 주파수와 무관합니다. 주파수를 높이면 코일과 커패시터를 소형화할 수 있으므로, 스위칭 손실이 작은 SiC나 GaN으로 고주파화하는 것이 최근의 흐름입니다.

자주 묻는 질문

파워 반도체는 로직 IC나 메모리와 어떻게 다른가요?

로직 IC나 메모리는 낮은 전압으로 정보를 처리·저장하며 많은 트랜지스터를 집적합니다. 파워 반도체는 전력 자체를 다루는 소자로, 수십 V에서 수 kV의 전압과 큰 전류를 스위칭합니다. 높은 전압을 저지하기 위해 두꺼운 드리프트층을 가진 수직형 구조가 많으며, 단일 소자나 모듈로 쓰입니다.

파워 반도체에는 어떤 종류가 있나요?

주요한 것은 정류나 환류에 쓰는 다이오드(pn 접합 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드), 고속 스위칭에 적합한 파워 MOSFET, 고내압·대전류에 적합한 IGBT, 매우 높은 전압·대전류의 변환에 쓰는 사이리스터입니다. 용도의 전압·전류·스위칭 주파수에 맞춰 골라 씁니다.

SiC나 GaN 파워 반도체가 실리콘보다 유리한 이유는 무엇인가요?

SiC나 GaN은 밴드갭이 넓고 절연 파괴 전계가 실리콘의 약 10배이므로, 같은 내압을 더 얇은 드리프트층으로 실현할 수 있어 온 저항과 스위칭 손실을 낮출 수 있습니다. 그만큼 전원이나 변환기를 고효율·소형으로 만들 수 있지만, 기판과 소자의 비용은 실리콘보다 높습니다.

해설 속 파워 반도체(전력 반도체)

파워 디바이스의 게이트에는 수 nF급의 큰 용량이 있어, 빠르게 스위칭하려면 수 A의 전류로 단시간에 충방전해야 합니다.
파워 반도체의 게이트 드라이버의 주된 역할로 올바른 것은?
GaN 파워 디바이스는 수백 kHz~MHz로 고속 스위칭할 수 있어 충전기 안의 변압기와 커패시터를 작게 만들 수 있으므로, 같은 출력에서 부피를 절반 정도로 줄인 소형·고출력 충전기가 실현되었습니다.
GaN 파워 디바이스의 채용이 진행되고 있는 친숙한 제품의 예로 올바른 것은?
파워 반도체는 모터 구동이나 전원의 전압 변환 등 큰 전력을 스위칭으로 효율적으로 제어·변환하는 소자로, 다이오드, MOSFET, IGBT, 사이리스터 등이 있습니다.
파워 반도체의 주된 역할로 올바른 것은?
파워 디바이스에서는 도통 손실과 스위칭 손실이 열이 됩니다.
파워 디바이스에 히트 싱크(방열기)를 부착하는 주된 목적은?
실리콘 파워 디바이스에서는 최대 접합 온도가 150 ℃나 175 ℃로 정해진 것이 일반적입니다.
일반적인 실리콘 파워 디바이스의 최대 접합 온도(Tj max) 정격으로 많은 것은?