전력 전자의 기술 동향 - 슈퍼 정션 전계 효과 트랜지스터 (SJFET)-

전력 전자 시장에서 사용하는 슈퍼 정션 전계 효과 트랜지스터 (SJFET, 이하 SJFET) 대한 소개와 기술동향에 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

 - SJFET의 개요 -

 

SJFET의 정의

 

슈퍼 정션 전계 효과 트랜지스터(SJFET)는 전력 관리 애플리케이션에서 성능을 향상하기 위해 고유한 구조를 통합한 전력 MOSFET(금속-산화막-반도체 전계 효과 트랜지스터)의 한 유형입니다. 기존의 평면형 전력 MOSFET에 비해 높은 정격 전압, 낮은 온저항, 향상된 효율을 제공하도록 설계되었습니다. SJFET의 주요 특징은 특별한 "슈퍼 정션" 구조입니다. 기존의 평면형 MOSFET에서는 일반적으로 드리프트 영역(고전압이 인가되는 영역)이 균일하게 도핑됩니다. 그러나 슈퍼 정션 FET에서는 드리프트 영역이 서로 다른 도핑된 반도체 물질의 교대 영역으로 구성됩니다. 이러한 교대 구조는 드리프트 영역 내에서 전기장의 분포를 보다 균일하게 만들어 SJFET가 과도한 전기장 집중을 겪지 않고 더 높은 전압을 견딜 수 있도록 합니다. 그 결과, SJFET는 낮은 온저항을 유지하면서 더 높은 항복 전압 정격을 달성할 수 있습니다.

 

SJFET의 장점

SJFET의 장점은 다음과 같습니다.

1. 높은 전압 정격: SJFET는 기존의 평면형 MOSFET에 비해 더 높은 전압 레벨을 처리할 수 있습니다.

2. 낮은 온스테이트 저항

슈퍼 정션 FET는 낮은 온스테이트 저항을 제공하여 전력 손실을 줄이고 전반적인 효율을 개선합니다.

3. 향상된 스위칭 성능

SJFET는 빠른 스위칭 특성을 보여 효율적인 고주파 작동을 가능하게 하고 스위칭 손실을 줄입니다.

4. 애플리케이션 다양성

SJFET는 전원 공급 장치, 모터 제어, LED 조명, 산업용 장비를 비롯한 다양한 전원 관리 시스템에서 응용 분야를 찾을 수 있습니다.

SJFET의 종류 구분

 

SJFET는 구조와 작동 방식에 따라 크게 수직형과 측면형 두 가지 유형이 있습니다. 다음은 각 유형에 대한 개요입니다:

수직형 SJFET

수직 SJFET에서는 슈퍼 정션 구조가 수직으로 형성되며, P 영역과 N 영역이 번갈아 쌓여 있습니다.
이 수직 구조는 디바이스를 통해 효율적인 전류 흐름을 가능하게 합니다.
수직 SJFET는 높은 항복 전압을 처리할 수 있기 때문에 일반적으로 고전압 애플리케이션에 사용됩니다.
일반적으로 전원 공급 장치, 모터 드라이브 및 기타 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

 

측면 SJFET

측면 SJFET에서는 슈퍼 정션 구조가 측면에 형성되며, P와 N 영역이 교대로 나란히 배열됩니다.
측면 SJFET는 평면 구조를 가지며 일반적으로 단일 칩에 통합됩니다.
저전압 및 중전압 애플리케이션에 적합합니다.
측면 SJFET는 부하 스위치, LED 드라이버 및 저전력 컨버터와 같은 애플리케이션에 자주 사용됩니다.
수직 및 측면 SJFET 모두 높은 정격 전압, 낮은 온저항, 향상된 효율과 같은 이점을 제공합니다. 전압 레벨, 전력 정격, 공간 제약 등 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 두 가지 유형 중 하나를 선택해야 합니다.

SJFET의 사용 예시

 

SJFET는 높은 정격 전압, 낮은 온저항, 향상된 효율로 인해 다양한 전력 관리 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

SJFET을 실제 현실에서 사용하고 있는 환경은 아래와 같습니다..

1. 전원 공급 장치

SJFET는 효율적인 전력 변환을 위해 일반적으로 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에 사용됩니다. 고주파 작동을 가능하게 하여 전력 손실을 줄이고 전체 전원 공급 장치 효율을 높입니다.

2, 모터 드라이브

SJFET는 전기 모터의 속도와 토크를 제어하기 위해 가변 주파수 드라이브(VFD)와 같은 모터 제어 애플리케이션에 사용됩니다. 높은 정격 전압과 빠른 스위칭 속도로 고전력 모터 제어에 적합합니다.

3. LED 조명

SJFET는 LED 드라이버를 비롯한 LED 조명 시스템에서 응용 분야를 찾습니다. LED로 흐르는 전류 흐름을 효율적으로 제어하여 정밀하고 에너지 효율적인 조명 작동을 보장합니다.

4. 태양광 인버터

태양광 인버터: 태양광 인버터는 태양광 패널에서 생산된 직류(DC)를 전기 그리드에서 사용할 교류(AC)로 변환하는 태양광 인버터에서 중요한 역할을 합니다. 전력 변환 효율을 최적화하고 태양광 시스템의 고전압 요구 사항을 처리하는 데 도움이 됩니다.

5. 산업 장비

SJFET는 모터 제어 시스템, 전원 공급 장치, 자동화 시스템을 비롯한 다양한 산업 장비에 활용됩니다. 효율적인 전력 관리, 고전압 처리 및 시스템 성능 향상에 기여합니다.

6. 자동차 애플리케이션

SJFET는 전동 파워 스티어링, 전자식 제동 시스템, LED 조명과 같은 자동차 시스템에 사용됩니다. 자동차 환경에 필요한 전압 정격, 신뢰성 및 효율성을 제공합니다.

 

 - SJFET 기술의 현재  동향 -

 

SJFET의 최신 기술 동향은 다음과 같습니다.

1. 전압 정격 증가: 고전력 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 더 높은 정격 전압을 가진 SJFET를 개발하는 추세가 지속되고 있습니다. 낮은 온저항과 높은 효율을 유지하면서 항복 전압 성능을 개선하기 위한 노력이 계속되고 있습니다.

2. 효율성 향상: SJFET의 효율성 향상은 여전히 중요한 초점입니다. 여기에는 재료 기술, 소자 구조 및 제조 공정의 발전을 통해 온저항을 줄이고 스위칭 손실을 최소화하는 것이 포함됩니다.

3. 소자 크기 축소: 업계에서는 더 높은 전력 밀도와 콤팩트한 설계를 구현하기 위해 SJFET의 크기를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 여기에는 칩 패키징의 발전과 공정 기술의 발전이 포함되며, 이를 통해 더 작은 피처 크기와 더 긴밀한 소자 통합이 가능해집니다.

4. 고온 성능: 고온에서도 안정적으로 작동하도록 설계된 SJFET은 자동차, 항공우주, 산업 시스템과 같은 산업에서 적용 범위가 확대되고 있습니다.

5. 향상된 스위칭 속도: 더 높은 작동 주파수와 더 효율적인 전력 변환을 가능하게 하는 SJFET의 스위칭 특성을 개선하기 위한 연구와 개발이 계속되고 있습니다.

6. 통합 및 시스템 레벨 솔루션: 게이트 드라이버 및 보호 회로와 같은 추가 기능을 SJFET 내에 통합하는 것은 시스템 설계를 간소화하고 전반적인 성능을 개선하는 추세입니다.

 - SJFET기술의 한계점들 -

 

SJFET는 여러 가지 장점을 제공하지만, 몇 가지 잠재적인 문제와 한계도 있습니다. 아래는 SJFET와 관련된 현재까지 해결되지 못한 문제들을 정리해 보았습니다.

1. 비용

SJFET 기술은 복잡한 제조 공정과 재료 요구 사항을 포함하므로 기존의 평면형 MOSFET에 비해 생산 비용이 높아질 수 있습니다. 이러한 비용 요인으로 인해 예산 제약이 엄격한 특정 애플리케이션에서는 채택이 제한될 수 있습니다.

2. 설계 및 제작의 복잡성

SJFET의 슈퍼 접합 구조는 설계 및 제조 공정에 복잡성을 더합니다. 도핑 프로파일과 재료 특성을 정밀하게 제어해야 하는데, 이는 달성하기 어려울 수 있습니다. 제조 공정에는 추가 단계가 포함되므로 생산 시간과 비용이 증가할 수 있습니다.

3. 경부하에서의 스위칭 손실

SJFET는 슈퍼 정션 구조에 커패시턴스가 존재하기 때문에 경부하 조건에서 더 높은 스위칭 손실을 나타낼 수 있습니다. 이는 경부하 또는 대기 모드에서 자주 작동하는 애플리케이션의 효율성에 영향을 미칠 수 있습니다.

4. 역회복 효과

특정 애플리케이션, 특히 동기 정류 회로에 사용되는 경우 SJFET는 역 회복 효과를 경험할 수 있습니다. 이 효과는 전력 손실 증가와 효율성 저하로 이어질 수 있습니다.

5. 제한된 가용성 및 선택

기존의 평면형 MOSFET에 비해 SJFET은 제조업 체마다 사용 가능한 모델과 선택 옵션의 범위가 더 제한적일 수 있습니다. 이로 인해 설계 유연성과 부품 소싱이 제한될 수 있습니다.

 

이상,  슈퍼 정션 전계 효과 트랜지스터 (SJFET) 대한 소개와 기술동향에 대하여 포스팅을 마치겠습니다.