• 전력전자학회지
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• 제14권1호
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• pp.21-25
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• 2009

전력반도체소자는 1947년 트랜지스터의 출현으로 반도체시대가 도래한 이후 사이리스터, MOSFET 및 IGBT 등으로 발전하였다. 개발당시에는 10A 정도의 전류처리 능력과 수백V 정도의 진압저지능력을 가지고 있었지만, 현재에는 정격전류로는 약 8,000A, 정격전압으로는 무려 12kV 급까지 발전되었다. 그러나 전력반도체 소자의 대부분은 실리콘을 윈료로 제작되고 있으며 현재 실리콘의 물성적 한계에 직면하여 고전압, 저손실 및 고속 스위칭화에 대한 새로운 도전이 시작되고 있다. SiC 전력용 반도체는 실리콘 반도체의 이론적 물성한계를 극복할 수 있는 소재로서 80년대 이후 각광받아 왔다. 하지만 대구경의 단결정 웨이퍼 및 저결함의 에피박막의 부재로 90년대 중반까지는 가능성 있는 재료로서만 연구되었다. 90년대 중반 단결정 웨이퍼가 상용화된 이후 단결정 웨이퍼의 대구경화 및 저결함화가 급속히 진전되어 전력용 반도체 소자의 개발도 활기를 띄게 되었다. 본 기고에서는 탄화규소 반도체소자의 기술동향에 대해 소개하고자 한다.

• 전력전자학회논문지
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• 제22권4호
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• pp.360-368
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• 2017

This paper proposes the 80-kW high-efficiency bidirectional hybrid SiC boost/buck converter using droop control for DC nano-grid. The proposed converter consists of four 20-kW modules to achieve fault tolerance, ease of thermal management, and reduced component stress. Each module is constructed as a cascaded structure of the two basic bi-directional converters, namely, interleaved boost and buck converters. A six-pack hybrid SiC intelligent power module (IPM) suitable for the proposed cascaded structure is adopted for high-efficiency and compactness. The proposed converter with hybrid switching method reduces the switching loss by minimizing switching of insulated gate bipolar transistor (IGBT). Each module control achieves smooth transfer from buck to boost operation and vice versa, since current controller switchover is not necessary. Furthermore, the proposed parallel control using DC droop with secondary control, enhances the current sharing accuracy while well regulating the DC bus voltage. A 20-kW prototype of the proposed converter has been developed and verified with experiments and indicates a 99.3% maximum efficiency and 98.8% rated efficiency.

• 전기전자학회논문지
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• 제24권1호
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• pp.170-177
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• 2020

본 논문은 HF/LF 변조 방법을 적용한 ANPC (active neutral point clamped) 인버터의 스위치 개방 고장에 대응하기 위한 허용 제어 방법을 제안한다. 기존 Si 기반 인버터에 비해 SiC MOSFET과 Si IGBT로 구성된 ANPC 인버터는 시스템의 효율이 높고 출력 품질이 우수하다. HF/LF 변조는 커뮤테이션 루프를 줄일 수 있어 MW 급 대용량 인버터를 위해 사용되는 변조 기법이다. MW 급 인버터의 스위치 개방 고장은 부하에 심각한 손상을 입히며, 인버터가 동작을 멈출 경우 막대한 경제적 손실을 야기한다. 제안하는 스위치 개방 고장의 허용 제어 기술은 ANPC 인버터의 지속적인 운전을 가능하게 하며 신뢰성을 향상 시킨다. 제안하는 기법의 성능은 시뮬레이션 결과를 통해 검증한다.

• 전력전자학회논문지
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• 제23권3호
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• pp.168-173
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• 2018

In this paper, an auxiliary power supply (APS) for railroad cars is proposed. The APS can reduce the number of devices required to supply power through structural modification and operates at a high switching frequency by application of a SiC device. The voltage stress on the device in the proposed circuit can be reduced to less than half of the input voltage of the system; thus, a device with low breakdown voltage can be designed. By adapting a SiC device instead of an IGBT device, the proposed circuit can reduce switching and conduction losses and operate at a high switching frequency, thereby reducing output voltage and inductor current ripples in the proposed circuit. The theoretical analysis results of the proposed APS are verified with a 40 kW computer-based simulation and a 2 kW experiment.

• 전력전자학회:학술대회논문집
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• 전력전자학회 2018년도 전력전자학술대회
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• pp.93-95
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• 2018

본 논문은 전기버스에 사용되는 HDC(High voltage DC-DC Converter)를 위한 제어 전략에 대하여 설명한다. 기존 IGBT를 사용한 HDC는 낮은 동작 주파수로 인하여 전류 리플 만족을 위해 인덕터 용량이 증대되며, 대 전류 구동 시 자기 포화방지를 위해 코어의 크기가 커지는 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 고속 스위칭 특성이 우수한 SiC-FET의 적용을 통해 인덕터 용량을 저감하였다. 또한 일반 산업에서 많이 사용되고 있는 Phase-Shift PWM 방식의 아날로그 IC를 사용하여 비절연 강압형 DC-DC 컨버터의 동작 및 성능을 구현시킬 수 있는 방법에 대하여 설명한다. 본 논문에서는 제안된 방식의 타당성을 검증하기 위하여 이론적 분석 및 시작품을 제작하여 실험을 수행하였으며, 본 연구의 제어 전략과 제품의 성능은 실차 시험을 통하여 그 타당성을 검증하였고 보완설계를 통하여 신뢰성을 확보하였다.

• 전력전자학회:학술대회논문집
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• 전력전자학회 2012년도 전력전자학술대회 논문집
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• pp.369-370
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• 2012

본 논문은 380V DC 배전 시스템의 양방향 전력 흐름 제어와 전력 변환 효율 개선을 위한 고효율 절연형 양방향 AC-DC 컨버터를 제안한다. 제안하는 회로는 비절연형 양방향 AC-DC 정류기와 절연형 양방향 CLLC 공진형 컨버터로 구성된다. AC-DC 정류기의 전력 변환 효율 높이기 위해서 단극성 SPWM 방식을 이용하여 SiC 다이오드와 Anti-parallel 다이오드가 없는 IGBT와 MOSFET를 이용하여 전력 변환 효율을 증가 시켰다. 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 효율을 높이기 위해서 전 범위 ZVS 동작이 가능한 양방향 CLLC 공진형 컨버터를 이용하였다. 5kW 시제품을 통하여 제안하는 절연형 양방향 AC-DC 컨버터의 성능을 검증하였다.

• 전력전자학회논문지
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• 제25권6호
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• pp.496-502
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• 2020

The reliability of a solid-state transformer (SST) is one of the important aspects to consider when replacing a conventional low-frequency passive transformer with SST for urban railway vehicles. Lifetime evaluation of SST in the design phase is therefore essential in guaranteeing a certain SST reliability. In this study, a lifetime evaluation of power semiconductor devices in SST is performed with respect to temperature stress. For a case study, a 3 MW SST with three kinds of power modules (one IGBT module and two SiC-MOSFET modules) is used for the lifetime estimation under the operation profile of urban railway vehicles.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제37권2호
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• pp.133-140
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• 2024

This study offers a comprehensive evaluation of the role and impact of advanced power semiconductors in solar module systems. Focusing on silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) materials, it highlights their superiority over traditional silicon in enhancing system efficiency and reliability. The research underscores the growing industry demand for high-performance semiconductors, driven by global sustainable energy goals. This shift is crucial for overcoming the limitations of conventional solar technology, paving the way for more efficient, economically viable, and environmentally sustainable solar energy solutions. The findings suggest significant potential for these advanced materials in shaping the future of solar power technology.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제21권4호
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• pp.1-13
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• 2014

The paper gives an overview of the concepts, basic requirements, and trends regarding packaging technologies of power modules in hybrid (HEV) and electric vehicles (EV). Power electronics is gaining more and more importance in the automotive sector due to the slow but steady progress of introducing partially or even fully electric powered vehicles. The demands for power electronic devices and systems are manifold, and concerns besides aspects such as energy efficiency, cooling and costs especially robustness and lifetime issues. Higher operation temperatures and the current density increase of new IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) generations make it more and more complicated to meet the quality requirements for power electronic modules. Especially the increasing heat dissipation inside the silicon (Si) leads to maximum operation temperatures of nearly $200^{\circ}C$. As a result new packaging technologies are needed to face the demands of power modules in the future. Wide-band gap (WBG) semiconductors such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) have the potential to considerably enhance the energy efficiency and to reduce the weight of power electronic systems in EVs due to their improved electrical and thermal properties in comparison to Si based solutions. In this paper, we will introduce various package materials, advanced packaging technologies, heat dissipation and thermal management of advanced power modules with extended reliability for EV applications. In addition, SiC and GaN based WBG power modules will be introduced.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.105-105
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• 2012

본 논문에서는 전세계적으로 차세대 에너지절감 반도체로 각광을 받고 있는 GaN 소자의 연구개발 동향에 관하여 발표하고자 한다. GaN 반도체는 와이드 밴드갭(Eg=3.4eV)과 고온 안정성($700^{\circ}C$)등 재료적인 특징으로 인하여 고출력 RF 전력증폭기와 고전력용 전력반도체 응용에 큰 장점을 가진다. 고출력용 GaN RF 전력증폭 소자의 전력밀도는 기존 Si-기반 LDMOS 트랜지스터보다 10배 이상 높아 제품의 소형화와 경량화를 통하여 30% 이상의 전력절감이 가능하며, 레이더, 위성등 송수신 트랜시버 모듈에 GaN 전력증폭기를 이용할 경우 기존 GaAs-기반 전력증폭기에 비하여 높은 전력밀도(>x8)와 높은 효율(>20%)로 인하여 모듈 크기를 50% 이상 줄임과 동시에 경량화를 이룰 수 있어 비행기, 위성등 탑재체의 에너지 절감에 크게 기여할 수 있다. 고전력용 GaN 전력 스위칭 소자는 기존 Si-기반 IGBT에 비하여 스위칭 손실과 온-저항 손실이 낮아 30% 이상의 에너지 절감이 가능하다. 뿐만 아니라, 일본 도요타 자동차사의 보고에 의하면 HEV등 전기자동차의 DC-DC 부스터 컨버터나 DC-AC 인버터에 GaN 전력반도체를 적용할 경우 경량화, 변환효율 향상, 전용 냉각시스템을 제거할 수 있어 연료소모를 10% 이상 줄일 수 있어 연간 400불 이상의 에너지 절감 효과를 가진다. 이러한 에너지절감 효과는 미국, 유럽, 일본등 선진국을 중심으로 차세대 GaN 반도체의 신시장 개척과 선진입을 위한 치열한 경쟁 구도의 구동력이 될 것이며, 본 논문을 통하여 GaN 반도체의 연구개발 방향과 상용화의 중요성을 함께 생각해보고자 한다.