저자: Bodo의 Power Systems 매거진 편집부
1, 국내 최강 전력반도체이자 선두주자인 IGBT
IGBT는 구동 전력이 작고 포화 전압이 낮은 복합 완전 제어형 전력 반도체입니다 전력전자기기의 CPU이다 창립 이래 지속적인 기술 혁신을 통해 IGBT 장치 구조 및 공정 기술이 큰 발전을 이루었으며 제품은 7세대에 걸쳐 개발되었습니다 트렌치 게이트, 필드 스톱(FS), 라이트 펀치 스루(LPT), 소프트 펀치 스루(SPT), 캐리어 저장(CS) 레이어, 플로팅 P형 영역, 가상 게이트, 마이크로 트렌치 게이트(MPT), 웨이퍼 처리, 후면 H 이온 주입 등과 같은 산업화된 기술을 채택하여 장치의 신뢰성, 적용 빈도 및 전력 손실이 크게 개선되었습니다【1】。
화징공업연구소의 데이터에 따르면 최근 몇 년간 글로벌 IGBT 산업이 발전함에 따라 시장 규모도 해마다 증가하고 있습니다 2021년 글로벌 IGBT 시장 규모는 전년 대비 66% 성장한 약 70억 9천만 달러가 될 전망이다 TrendForce의 데이터에 따르면 중국 시장 규모는 39억 6천만 달러로 59%를 차지하며 세계 최대 IGBT 시장입니다
IGBT 분야를 보면 미국, 유럽, 일본 기업이 거의 독점하고 있습니다 중요한 이유는 IGBT 칩의 설계 및 제조와 IGBT 모듈의 설계, 제조 및 테스트에는 매우 높은 인력과 장비가 필요하므로 구석구석에서 추월하기 어려운 산업이기 때문입니다 우리나라는 이 분야에서 '목이 막히는' 문제에 직면해 왔습니다 IGBT 장벽이 높지만 국내 전력반도체의 유일한 탈출구는 독자적인 혁신과 국내 대체를 모색하는 것뿐이다
젠 토토 Technology는 중국 현지 기업으로서 자체 개발한 IGBT 기술에 주력하고 있으며 현재 생산하고 있습니다i20 칩셋, 다른 주류 국제 제조업체의 4세대 칩보다 우수합니다 실제 측정에 따르면 동종 업체의 동일한 사양 칩과 비교했을 때 젠 토토 Technology의 칩 전력은 250A이며 성능이 10% 이상 향상되었습니다
2、젠 토토 Technology의 자체 개발 i20 IGBT 핵심 기술 탄생
2.1, i20 및 d20 칩셋 소개
썬킹테크놀로지가 양산하는 i20 IGBT 칩과 d20 FRD 칩의 단일 웨이퍼의 전압/전류는 1200V/250A이며 다양한 성능을 발휘합니다충족 또는 초과선도적인 국제 기업의 유사한 제품 i20 IGBT 칩은 Fine Pattern Trench-Field Stop 구조를 채택하고 N-Enhancement 레이어, Narrow Mesa, Low Channel, Ultra-thin base, Optimized P+ LAYER 및 Advanced 3D 구조를 사용합니다 구조) 및 기타 최적화된 설계를 통해 IGBT 전도 포화 전압 강하 및 스위칭 손실 성능 저하를 더욱 개선하는 동시에 전류 제어성(di/dt 제어성) 및 단락 견고성을 크게 높였습니다
IGBT의 전반적인 성능을 더욱 발전시키기 위해 젠 토토 Technology는 프리휠링 다이오드 칩 d20을 지원하는 IGBT의 설계도 최적화했습니다 고급 에미터 효율 관리(Advanced Emitter 효율 관리), 최적화된 양극 확산 분포(Anode: 확산 프로파일 최적화), 음극 레이저 복귀 공정(Cathode: 레이저 어닐링) 및 기타 기술을 통해 더 낮은 전도 전압 강하 및 역회복 손실 트레이드오프 균형을 달성하는 동시에 전자 조사 수명 제어 기술(전자 조사 수명 제어) 및 얇은 베이스 두께 조정(얇은 베이스 두께)을 통해 튜닝) 및 기타 기술을 사용하여 발진 없이 d20 신호의 높은 di/dt 역회복 특성을 달성하고 d20 단자 설계를 최적화하여 다이오드의 동적 견고성을 더욱 향상시킵니다
2.2, i20 및 d20 스위치 특성 테스트
i20 및 d20 칩셋의 스위칭 특성의 우수성을 검증하기 위해 젠 토토 Technology는 업계의 국제적 리더가 제공하는 동일한 IGBT4 플랫폼 모듈을 사용하여 이미 대량 생산된 1200V 750A ED 시리즈 모듈 SISD0750ED120i20에 대한 비교 테스트를 수행했습니다 IGBT4 모듈의 현재 최대 접합 온도는 150°C에 불과하다는 점에 유의해야 합니다 비교를 통해 두 모듈의 턴온 손실은 기본적으로 동일한 것으로 나타났다 i20 칩셋을 사용한 ED 모듈의 턴오프 손실은 약간 높지만, 포화 전도 전압 강하를 갖는 ED 모듈은 더 낮습니다 d20 칩셋을 기반으로 하는 ED 모듈 다이오드는 IGBT4와 동일한 순방향 전압 강하를 가지며 더 낮은 역방향 복구 손실을 유지할 수 있습니다 테스트 결과, i20 및 d20 칩셋 모듈을 사용하는 것이 국제 선도 기업의 유사한 4세대 IGBT 모듈보다 더 나은 것으로 나타났습니다
2.3, 안전한 작업 영역 테스트
IGBT단락 안전 동작 영역(SCSOA)
i20 칩셋은 단락에 대한 견고성이 뛰어납니다 아래 그림 4는 케이스 온도 175°C, 버스 전압 800V에서 테스트한 ED 모듈의 단락 회로 파형을 보여줍니다 단락 전류는 정격 전류의 약 3배에 불과하며 단락 파형에는 발진이 없습니다 모듈 단락 지속 시간은 15us에 달할 수 있으며 이는 실시간 및 빠른 회로 보호를 보장합니다
SC 모드: 15μs @ VGE=15V, VCE= 800V
IGBT역바이어스 안전 동작 영역(RBSOA)
IGBT 신뢰성과 관련된 또 다른 측면은 장치의 역방향 바이어스 안전 작동 영역입니다 일반적으로 모듈 제조업체가 제공하는 RBSOA 경계는 정격 전류의 두 배입니다 i20 칩의 RBOSA 경계를 테스트하여 손상 한계를 확인하기 위해 젠 토토 Technology는 장치 정격 전류의 두 배로 시작하여 점차 전류를 증가시켰습니다 테스트 결과 i20 칩은 공칭 전류의 약 3배에서 안전하게 종료될 수 있는 것으로 나타났습니다 전류가 더 증가하면 장치는 포화 상태에 도달합니다 이때 장치는 여전히 정상적으로 꺼질 수 있어 RBSOA 작동 영역이 크게 확대됩니다
현재 I 증가C=1500A(=공칭의 25배) 2000A(3배), VDC=800V
다이오드 안전 동작 영역(DSOA)
다이오드의 안전한 작동 영역은 주로 다이오드의 스위칭 특성에 따라 달라집니다 다이오드 견고성을 평가하기 위해 외부 게이트 저항기 R곤최소값으로 줄인 다음 게이트 전압 V를 높입니다ge로 인해 다이오드의 정류 속도가 증가합니다 선택된 극단적인 경우에 대해: 750A 전류 및 900V 역전압, IGBT 턴온 전압 21V, 이중 펄스 테스트가 수행되었습니다 실험 결과, 케이스 온도 175°C에서 다이오드의 피크 전력은 800kW를 초과하고 di/dt는 10kA/us를 초과하며 장치는 여전히 안정적일 수 있는 것으로 나타났습니다 선택된 테스트 조건은 데이터 시트의 권장 사항을 훨씬 뛰어넘어 젠 토토 D20 칩셋의 높은 신뢰성을 더욱 입증했습니다
I=750A,VR=900V, VGE_on=21V
2.4, 인버터 효율 비교 시뮬레이션
시스템 애플리케이션 레벨에서 i20 및 d20 칩셋의 성능을 검증하기 위해 i20 칩셋을 기반으로 하는 ED형 750A 하프 브리지 모듈을 경쟁사의 i4-600A 및 i7-750A 모듈과 각각 정류기 모드 및 인버터 모드에서 비교 및 시뮬레이션했습니다 성능 곡선은 인버터 출력 전력(또는 전류)과 스위칭 주파수 사이의 관계를 반영하고, 시뮬레이션된 열 저항 값은 데이터 시트에서 가져오고, 장치의 정적 및 동적 손실은 측정된 값에서 가져옵니다 인버터 조건에서 ED-750A 정격 모듈은 최악의 경우 최첨단 i7 740A 모듈보다 3% 적은 전력을 소비하며 스위칭 주파수가 최대 3kHz일 때 평형에 도달합니다 현재 널리 사용되는 i4-600A 모듈과 비교하여 ED 모듈은 성능을 10% 이상 향상시킬 수 있습니다 정류기 모드에서 젠 토토 Technology의 ED 모듈의 성능은 기본적으로 최신 i7-750A 모듈과 동일합니다 i4-600A 모듈과 비교해 성능도 10% 이상 향상될 수 있다
그림 7: 정류기 및 인버터 모드의 성능
3, 국내 독립 칩은 성능이 뛰어나고 시장에서 호평을 받고 있으며 젠 토토 Technology는 판매 가속화 기간을 맞이하고 있습니다
위의 결과는 스위치 특성 테스트, 안전 작업 영역 테스트 및 인버터 효율 비교 시뮬레이션을 통해 얻은 것입니다 젠 토토 Technologyi20 칩셋장점은 분명하며 시장 적용에서는 점차 고객을 안정시켰습니다 젠 토토 Technology는 신제품의 연구 개발 및 판촉에 지속적으로 많은 투자를 하여 놀라운 결과를 얻었습니다
2021년 6월, 젠 토토 Technology의 세계 최고 수준의 지능형 전자동 최초 IGBT 모듈 생산 라인이 완성되어 대량 생산이 달성되었습니다 이 생산 라인에서 제조된 일련의 ED 패키지 IGBT 모듈은 전기 자동차, 풍력, 광전지 및 산업용 전자 제어 분야의 여러 회사에서 테스트를 거쳤습니다
2021년 말, 젠 토토 Technology가 독자적으로 개발한 IGBT 칩이 신에너지 승용차 시장의 고객에게 첫 번째 공식 배치 납품(웨이퍼 형태)을 완료했습니다 이는 젠 토토 i20 기술을 사용하는 IGBT 칩이 시장의 주류 신에너지 자동차 제조업체로부터 인정을 받아 대량 판매 단계에 진입하기 시작했음을 의미합니다
2022년 초 젠 토토 Technology는 태양광 분야의 유명 국내 기업과 수만 개의 ED 패키지 IGBT 모듈이 포함된 최초의 일괄 구매 프레임워크 계약을 체결했습니다 외국산 IGBT 제품이 거의 독점되어 있는 중앙집중형 태양광발전 분야에서 국내 돌파구를 마련했다 이는 젠 토토 Technology의 자체 기술을 기반으로 한 IGBT 모듈에 대한 첫 번째 일괄 주문이기도 합니다 고객 인지도를 높이고 일괄 판매 및 신청을 시작하는 획기적인 이벤트입니다
또한 회사의 탄화규소 제품 레이아웃도 출시되고 있으며 올해 1세대 탄화규소 모듈이 출시될 것으로 예상됩니다 썬킹이 개발한 칩과 모듈 기술은 전기차, 신에너지 발전, 산업용 전자제어 등 IGBT 모듈 시장을 커버할 것으로 알려졌다 이를 통해 썬킹테크놀로지가 IGBT 칩 분야에서 자사의 장점을 적극적으로 확대하며 계속해서 전진하고 있음을 알 수 있다 국산화라는 사명을 완수하는 궤도에 오르며 국내 대체의 새벽도 점차 밝아지고 있다
4, 최고의 R&D팀의 지원으로 국내 IGBT가 두각을 나타냄
IGBT 분야는 기술적으로 어렵고 기술적 장벽으로 인해 R&D 팀은 풍부한 지식 보유량과 실무 경험을 요구합니다 젠 토토 Technology는 항상 기술 연구 및 개발에 큰 중요성을 부여했으며 국제적으로 선도적인 기술 연구 및 개발 기업이 되기 위해 최선을 다하고 있습니다 이를 위해 썬킹테크놀로지는 전력반도체 분야에서 뛰어난 성과와 수십년 간의 실무 경험을 갖춘 업계 리더와 R&D 인력을 대거 유치했다
ABB Semiconductor는 전력전자 장치 산업의 선두주자입니다 IGBT 및 기타 전력 반도체 장치는 기관차 견인, 산업 및 에너지 전송과 같이 높은 신뢰성이 요구되는 분야에 특별히 사용됩니다 젠 토토 Technology의 회장 겸 창립자인 Xiang Jie는 1999년부터 2001년까지 스위스 ABB 반도체 본사에서 근무했습니다 이 기간 동안 그는 IGBT 첫 번째 생산 라인의 모든 측면에 깊이 관여했을 뿐만 아니라 설계 및 R&D, 프로젝트 관리, 시장 분석 등 다양한 직위에 참여했습니다 그는 IGBT R&D 및 생산의 전체 과정을 깊이 이해하고 있습니다
Xiang Jie 회장이 이끄는 IGBT 전문가 팀도 원래 ABB 반도체 기술 팀이 지배하고 있습니다 팀원들은 수많은 기술 논문을 발표했으며 수십 개의 특허를 보유하고 있어 진정한 국제 최고의 기술력과 경험을 보유하고 있습니다
예를 들어, 탁월한 경영 성과를 보유하고 있으며 전력 반도체 기술 분야에서 25년 이상의 업계 경험을 보유한 Mr Roland Villiger입니다 Sven Matthias 박사는 IGBT 관련 학술 논문 25편을 발표했으며 6개의 특허를 보유하고 있습니다 그는 전력 반도체 설계, 개발 및 공정 제조 분야에서 매우 높은 기술적 성취와 풍부한 경험을 보유하고 있습니다 국내 담당자인 Zhang Qiang 씨는 IGBT 관련 논문 3편을 발표했으며 3개의 특허를 보유하고 있습니다 그는 또한 IGBT 공정 제조 분야에서도 풍부한 경험을 갖고 있습니다
젠 토토 Technology에는 이와 같은 뛰어난 인재가 셀 수 없이 많습니다 젠 토토 Technology는 또한 우수한 국제 기술 팀과 뛰어난 국내 인재를 결합하는 데 능숙하며 매년 많은 돈을 투자하여 연구 개발에 집중하고 있습니다 Xiang Jie 회장의 앞선 사고와 선견지명을 바탕으로 모두가 함께 협력하여 젠 토토 Technology의 새로운 돌파구를 차례로 만들어냈습니다 이러한 훌륭하고 성숙한 팀 덕분에 젠 토토 Technology는 IGBT 칩 및 모듈 제품 분야에서 시장 경쟁력을 확보했습니다
100년이 넘는 업계 경험을 바탕으로 오늘날의 젠 토토 Technology R&D 팀은 비즈니스를 활용하여 지속 가능한 솔루션에 영감을 주고 구현하는 데 적극적으로 노력하고 있으며 미래의 지속 가능한 발전을 달성하기 위해 노력하고 있습니다
5, 갈 준비가 됐어요, 앞으로 나아가세요
전기 자동차가 높은 전력 밀도, 높은 안전성 및 저렴한 비용으로 발전함에 따라 전력 장치의 전류 밀도, 전력 손실 및 신뢰성이 중요한 역할을 합니다 세포와 신체 구조 최적화 및 지능형 통합 기술은 위의 목표를 달성하기 위한 근본적인 방법입니다 앞으로 IGBT 장치는 트렌치 게이트 구조, 정제된 패턴 및 캐리어 주입 쪽으로 이동할 것입니다
향상된 변조 및 박화 처리 기술 방향이 계속 발전하고 있습니다 젠 토토 Technology는 IGBT 칩 기술 개발을 통해 지속적으로 개선하고 용감하게 전진하며 도약할 준비를 갖추겠습니다
참조:
[1]장진핑, 샤오샹, 장보 초접합 IGBT의 구조적 특성과 연구 경과 [J] 기관차전기변속기, 2021, 9(5): 12-20