14PB1500, Development of High Voltage/Current Power Module and ESD for BLDC Motor,
Yang Yil Suk
Abstract
□ 최종목표 o 가전용 및 자동차용 100V, 100A급 파워소자, 파워소자구동회로 및 모터구동회로가 집적화된 1칩 BLDC모터 구동용 파워모듈과 고내압 ESD 기술 개발 - BLDC모터구동 통합 SiP 파워모듈 개발 - BLDC모터구동 통합 SiP 파워모듈 검증 시스템 개발 - 파워소자구동회로, 모터구동회로, ESD 보호회로가 집적화된 1칩 파워모듈 칩 개발 - 고효율 고전압/대전류 실리콘 수직 파워소자 개발 - CMOS 호환성 높은 파워소자 집적화 공정 개발
□ 개발내용 및 결과 o BLDC모터구동 통합 SiP 파워모듈 개발 - 파워소자 외장 파워소자구동회로, SMO 알고리즘 적용 모터구동회로 및 칩용 ESD 보호회로가 집적화된 BLDC 모터구동용 정현파 180˚ 1칩 파워모듈 칩 개발 - 항복전압 129V, 온저항 0.84mΩ㎠ Super Junction TDMOS 파워소자 개발 - 1칩 파워모듈 칩과 6 ETRI SJ TDMOS 파워소자로 구성된 BLDC 모터구동 통합 SiP 파워모듈 개발 o BLDC모터구동 통합 SiP 파워모듈 검증 시스템 개발 - BLDC 모터구동용 통합 1칩 COB type 방열판리스 SiP 파워모듈 검증보드 개발 (모터구동 용량 : 200W급, COB SiP 파워모듈 크기 : 1.4 cm x 1.4cm, 동작속도 :1000 ~ 3000 rpm @[0 ~ 150mN.m], 속도편차 : 0.03%@[3000 rpm, 150mN.m], 속도리플 : 2%@[3000 rpm, 150mN.m], 스위칭 주파수 : 20kHz, 동작 전압 : 1.8V, 5V, 24V) - BLDC 모터구동용 통합 1칩 PCB 기판 방열판 분리형 SiP 파워모듈 검증보드 개발 (모터구동 용량 : 1.5KW급, 검증보드 크기 : 13.5cm x 19.5cm, 동작속도 :1000 ~ 3000 rpm @[0 ~ 5N.m], 속도편차 : 0.08% @[3000 rpm , 5N.m], 속도리플 : 2%@[3000 rpm , 5N.m], 스위칭 주파수 : 20kHz, 동작전압 : 1.8V, 5V, 48V) - BLDC 모터구동용 통합 1칩 Metal PCB 기판 방열판 일체형 SiP 파워모듈 검증보드 개발 (모터구동 용량 : 1.5KW급, Metal PCB 기판 SiP 파워모듈 크기 : 5.8cm x 5.0cm, 동작속도 :1000 ~ 3000 rpm @[0 ~ 3N.m], 속도편차 : 0.07% @[3000 rpm , 3N.m], 속도리플 : 3.1%@[3000 rpm, 3N.m], 스위칭 주파수 : 20kHz, 동작 전압 : 1.8V, 5V, 48V, 동작 전류 : 5.7mA@파워소자제외) o 파워소자구동회로, 모터구동회로, ESD 보호회로가 집적화된 1칩 파워모듈 칩 개발 - 가변 게인 전류 센싱 앰프 회로, H/L 및 L/S 파워소자 게이트 구동회로와 ADC가 내장된 100V, 100A급 파워소자 외장/내장 파워소자구동회로 칩 개발 - ASIC 기반 SMO/Modified SMO 알고리즘 적용 홀센서리스 정현파 180˚ 모터구동회로 칩 개발 - HBM 8kV, MM800V NPN BJT Stack 기반 고전압 60V및 SCR 기반 저전압 5V 칩 레벨 ESD 보호회로 개발 o 고효율 고전압/대전류 실리콘 수직 파워소자 개발 - 항복전압 130V, 온저항 1.3mΩ㎠ TDMOS 파워소자 개발 - 항복전압 126.4V, 온저항 1.1mΩ㎠ Semi Super Junction TDMOS 파워소자 개발 - 항복전압 129V, 온저항 0.84mΩ㎠, 게이트 전하 617 nC/Area, UIS 0.531J Super Junction TDMOS 파워소자 개발 - 0.18um BCD공정 기반 140V/145V 항복전압특성을 가지는 120V n/p LDMOS 파워소자 개발 및 전기적 파라메타 추출 완료 - Isolation 항복전압 130V, 온저항 1.41 mΩcm2 P-기판 기반 6-Pack Up-Drain Cu Metal Filling Super Junction TDMOS 파워소자모듈 개발 o CMOS 호환성 높은 파워소자 집적화 공정 개발 - 파워소자 집적화 단위공정 기술 개발 (Trench Isolation 및 Trench 식각 및 필링 공정, Trench 게이트 식각 공정, 고신뢰성 게이트 산화막 공정 기술) - 0.18um BCD공정 기반 140V/145V 항복전압특성을 가지는 120V n/p LDMOS 파워소자 집적화 공정 개발 - P-기판 기반 6-Pack Up-Drain SJ TDMOS 파워소자모듈용 BCTDMOS 종합공정 개발
□ 기술개발 배경 o 그린오션 환경의 도래에 따라 친환경 절전형 부품/시스템 개발이 필요하며 이에 대해 기존 브러시형 DC모터보다 에너지 절감 기능이 우수하고 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 브러시 없는 DC(Brush Less DC, BLDC)모터의 신 시장에 대응할 수 있는 1칩 BLDC 모터구동용 파워모듈 기술 개발이 요구됨 - 저소음, 장수명, 고효율, 고내구성 특징을 갖는 BLDC모터는 DC모터의 브러시나 정류자 대신에 내장된 전력반도체 소자로 사용하므로 파워소자, 파워소자 구동회로 및 모터구동 회로 등 파워모듈 개발이 필수적임 - 파워소자, 파워부품, 파워모듈 레벨 수준의 고 신뢰성 ESD 기술 요구와 파워 시스템 및 패키징 레벨 수준의 고 신뢰성 ESD 기술 요구를 충족할 수 있는 고 감내 ESD 소자 및 보로 회로 기술 개발이 요구 됨 - 소형화, 저전력화, 고효율화, 고생산성화 가능한 집적화된 BLDC모터구동용 파워모듈을 위해서는 낮은 온 저항 대전류 파워소자, CMOS호환성 높은 파워소자 집적화 공정, 효율이 높고 소비전력이 낮은 혼성모드 회로설계, 고감내 ESD기술 및 고신뢰성 파워모듈의 기술개발 및 적용이 필수적임
□ 핵심개발 기술의 의의 o 파워소자구동회로, 모터구동회로, ESD 보호회로로 구성된 1칩 파워모듈 칩과 고전압/대전류 파워소자가 집적화된 BLDC 모터구동 통합 SiP 파워모듈 기술 확보 - 1칩 파워모듈 칩과 Super Junction TDMOS 파워소자로 구성된 200W급 통합 1칩 COB type 방열판리스 SiP 파워모듈, 1.5KW급 통합 1칩 Metal PCB 기판 방열판 일체형 SiP 파워모듈, 1.5KW급 통합 1칩 PCB 기판 방열판 분리형 SiP 파워모듈 개발 - ASIC 기반 파워소자 외장 파워소자구동회로, SMO 알고리즘 적용 모터구동회로 및 칩용 ESD 보호회로가 집적화된 BLDC 모터구동용 정현파 180° 1칩 파워모듈 칩 개발 - BLDC 모터구동용 ASIC 기반 정현파 180° 모터구동회로 칩 및 100V, 100A급 파워소자구동회로 칩 개발 - HBM 8kV, MM 800V 특성을 가지는 고감내 저전압 2.7V/3.3V/5V 및 고전압 20V/40V/60V/80V/100V 개별 ESD 보호회로 및 저전압 5V 및 고전압 60V 칩 레벨 ESD 개발 - 낮은 온저항, 높은 항복전압, 전류 센싱 FET 내장 Super Junction TDMOS 파워소자 및 공정기술 개발 - P-기판 기반 6-Pack Up-Drain Super Junction TDMOS 파워소자모듈 및 BCTDMOS 공정 기술 개발
□ 적용 분야 o 대전류 파워 스위칭소자, 파워소자 구동회로 및 모터구동 회로가 집적화 된 BLDC모터구동용 파워모듈은 자동차용, 가전용 및 산업용 BLDC모터에 응용할 수 있음은 물론, 전력 스마트그리드가 상용화되면 EV 등 그린자동차용, 댁내 DC 가전 기기용 BLDC모터에도 활용할 수 있음
(출처 : 초록)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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