자동차용 전력 MOSFET

자동차 전장 기술

자료제공 : 페어차일드 반도체www.fairchildsemi.com지난 15~20년 동안 자동차용 전력 MOSFET는 다소 평이한 분야에서 하나의 역동적 사업부문으로 발전했다. 전력 MOSFET는 자동차의 전기 시스템에서 나타나는 로드 덤프와 필드 디케이 (load dump and field decay) 등과 같은 과도 고압을 견딜 수 있도록 선택되었다. 패키지 방식은 직선적이어서 대부분 TO220과 TO247 리드를 갖춘 패키지를 사용했다. 전기 구동식 창문이나 연료분사, 간헐 와이퍼, 자동항법 장치와 같은 애플리케이션이 대부분의 자동차에서 표준으로 자리 잡고 있으며 그 디자인에 있어서 유사한 파워 소자를 필요로 했다. 이 시기에 자동차의 전력 MOSFET는 전기 모터, 솔레노이드, 연료 분사장치의 사용 증가와 함께 많이 사용되었다.오늘날의 자동차 시스템은 파워 소자 분야의 신세대를 선도해왔다. 이 글에서는 자동차 파워 소자 분야의 혁신을 주도하고 있는 몇 가지 신형 애플리케이션을 제시하고 이를 검토하고자 한다. 또한 오늘날의 자동차 시스템을 가능하게 한 전력 MOSFET의 특정 개발에 관해서도 살펴볼 것이다.시장의 역동성전장용 파워 소자 부문에서 이러한 발전을 이끄는 새로운 자동차 애플리케이션 분야의 추진력은 다음의 4부문이다:쪾요구되는 항복 전압 (Bvdss)쪾시스템 전원 조건쪾시스템 지능/생존성전통적으로 자동차 애플리케이션에서는 대략 60V Bvdss의 파워 소자가 사용되었다. 그러나 새로운 시스템은 이보다는 높거나 낮은 전압을 사용하여 전에 비해 비용 대비 효과가 보다 좋은 시스템 성능을 구현한다.고압 피에조 및 자석식 전기 주입 시스템과 고강도 조명은 널리 보급되고 있는 두 애플리케이션이다. 이 두 애플리케이션은 150V~300V의 높은 내압을 갖춘 전력 MOSFET를 필요로 한다.고강도 조명장치는 보통의 백열등보다 낮은 에너지로 더 밝은 빛을 생성한다. 이는 야간이나 궂은 날씨 조건 속에서 운전자의 가시성을 개선한다. 또한 다른 자동차 운전자들도 내 차를 더 잘 볼 수 있게 한다.자동차용 고압 애플리케이션 외에 자동차 내부에 장착되는 가전 애플리케이션의 폭발적 증가는 전압 스펙트럼의 하단을 압박하고 있다. CD/DVD 플레이어, 위성방송 라디오, 휴대전화, GPS 내비게이션, MP3 플레이어 인터페이스 등이 전력 MOSFET 소자를 필요로 하는 새로운 애플리케이션의 몇 가지 예이다. 이들 애플리케이션에 사용되는 필요 전원은 기본적으로 낮아서 사용되는 개별 또는 가능하다면 집약형 전원 소자의 크기는 더 작다. 이 제품들은 일반 가전제품들과 동일한 특성을 가지고 있다. 이 애플리케이션들의 크기는 매우 중요하며 신형 전원 소자들은 보다 작은 PC 기판 패키지 풋프린트와 표면실장 어셈블리를 사용하는 것이 표준이다. Power56 및 Super SOT SSOT 6와 같은 패키지가 이들 애플리케이션에 통상적으로 사용되어 초소형 패키지로 상당한 전력 공급 용량을 제공한다.전통적으로 기계식 또는 유압식을 사용하던 자동차의 많은 시스템이 전기식 또는 전기/유압 시스템으로 전환되고 있다. 가장 먼저 바뀐 것 중의 하나가 래디에이터 팬이다. 전기 모터를 사용하게 되면서 팬 벨트가 사라졌고 팬 컨트롤이 실제 엔진 또는 냉각수 온도와 보다 정확하게 연동이 되었다. 유사한 다른 애플리케이션으로는 전기 동력식 스티어링(EPS), 통합식 스타터 얼터네이터(ISA), 그리고 능동형 서스펜션 시스템 등이 있다. 전기동력식 스티어링과 능동형 서스펜션 시스템에서 자동차 시스템 디자이너는 다중 자동차 플랫폼에서 하나의 하드웨어 시스템을 사용할 수 있는 융통성을 가질 수 있을 뿐 아니라 소프트웨어 변조를 통해 자동차를 스포티한 느낌으로부터 럭셔리한 느낌까지 다양하게 바꿀 수 있다.이러한 전기-기계식 시스템의 특성 중 하나는 사용되는 전력 레벨이 극히 높다는 점이다. 이러한 고에너지 시스템은 고전류의 전원 스위치를 필요로 한다. 전력 손실을 낮추고 최고 수준의 전류 스위칭을 제공하기 위해서는 이들 애플리케이션이 기본 적으로 30V~40V 레이팅의 고성능 트렌치 MOSFET를 사용해야 한다.전력 MOSFET 솔루션트렌치 MOSFET 사용은 오늘날 대부분의 자동차용 애플리케이션에서 표준이 되었다. 역사적으로 볼 때 Planar MOSFET는 실리콘 웨이퍼의 표면에 구축되었다. 트렌치 MOSFET는 실리콘 속에 수직형 골을 형성해서 소자의 밀도를 높이고 전원 스위치에 대한 저항을 낮춘다. 대부분의 이들 전자-기계식 시스템이 MOSFET H 브리지 모터 구동 컨피규레이션을 사용하기 때문에 두 소자는 항상 직렬로 연결되어 저압 MOSFET 사용이 가능하며 한편으로는 기존 자동차의 과도 고압을 견뎌 낸다. 이러한 낮은 브레이크다운 전압의 소자들은 60V MOSFET와 비교할 때 저항에서 스위치의 50%까지 감소가 가능하다. 이는 직접적으로 시스템의 전력 소모를 50% 줄이는 효과로 이어져 시스템의 열을 감소시키고 열 냉각의 필요성을 최소화한다.자동차용 시스템 디자이너들이 이러한 저압 전력 MOSFET에 대한 경험을 쌓게 되고 저압 전력 MOSFET에 대한 성능과 비용의 장점을 깨닫게 되면서 이들 제품의 사용이 제동 및 디스플레이 컨트롤과 같은 기타 저전력 시스템에까지 확장되고 있다.오늘날의 트렌치 MOSFET의 RDS(ON)은 1또는 2밀리옴까지 낮아졌다. 이는 시스템의 전력 소모를 극적으로 낮추었지만 자동차 시스템 디자이너에게는 다른 복잡한 문제가 추가되었다. 기판의 상호 연결, 시스템 배선, 그리고 패키지의 본드 배선을 포함하는 상호 연결 저항이 실제 MOSFET보다 더 많은 저항을 시스템에 추가할 수도 있다. 온 저항을 지속적으로 감소시키고 전력 밀도를 개선하는 방법 중의 하나가 하이브리드 모듈을 사용하는 것이다. 많은 애플리케이션이 기존의 전원 패키지 솔루션에서 탈피하여 IMS(절연 금속 기판) 또는 DBC(Direct Bond Copper) 소재로 만든 절연 기판에 탑재된 빈 다이를 사용한다. 이러한 모듈은 동일한 전원 실리콘 다이를 사용할 경우에도 디스크리트 파워 패키지와 비교할 때 에너지와 전류 성능이 더 높다.모듈은 다이의 본딩 밀도를 더 높일 수 있고 와이어 본딩을 더 크게 할 수 있어 연결 저항을 낮추는 한편 파워 소자 사이의 거리를 최소화할 수 있다. 이렇게 더 높은 밀도의 에너지 성능으로 디스크리트 패키지에 비해 컴포넌트의 단가는 더 높아진다. 그러나 고에너지 시스템의 시스템 크기 및 성능 개선 효과는 이러한 소자의 단가 상승을 상쇄하고도 남는다.자동차 전력 MOSFET가 취하고 있는 마지막 발전 방향은 전력 스위치 감지, 제어, 보호 능력의 향상이다. 전력 소자는 자동차 시스템의 지능과 결합되고 있다. 최저 수준에서 MOSFET는 현재 전력 소자에 포함되어 있는 감지 소자와 함께 이용 가능하다. 이들 감지 소자는 전류 또는 온도를 측정할 수 있고 전자 기기에 연결되어 시스템의 성능을 감시하고 과전류 또는 과열 조건의 경우 전력 소자를 보호할 수 있다.30V~60V 범위의 저전력 소자는 직렬 인터페이스와 마이크로컨트롤러를 포함하는 모놀리식 IC에 집적되고 있다. 이러한 단일 애플리케이션별 특수 IC는 소형 모터 또는 모터나 잠금장치를 갖춘 전체 도어 노드를 컨트롤 할 수 있다. 모놀리식 IC의 단가 또는 기술이 실용적이지 않은 보다 높은 에너지 애플리케이션에 대해서는 혁신적 패키지 솔루션의 사용을 통해 집적이 가능하다. 고전력 MOSFET를 단일 패키지에 포함된 제어 집적 회로와 조합함으로써 매우 높은 전력의 지능형 시스템을 구축할 수 있다.그림 6은 오늘날 자동차 시스템에서 사용되는 다중 다이 패키지의 몇 가지 예이다. 이러한 지능형 소자는 통합된 보호기능을 통해 시스템 성능의 모니터링 기능을 개선하고 전력 시스템의 신뢰도를 개선한다. 과전류, 과전압, 과열 보호 등과 같은 사양들은 이러한 유형의 제품상 표준이다. 소자가 이렇게 잠재적으로 큰 고장 조건 중 하나의 존재를 감지하면 전력 MOSFET를 이 조건에 넣어 자체적으로 전 시스템을 보호한다. 추가적인 진단 기능 역시 통합되어 개방 또는 단락 부하를 감시하고 자동 장치를 동작시켜 자동차의 문제를 정정하고 이를 해결할 수 있다.결론오늘날 자동차의 전원 소자 및 디자인 고려사항의 다양성은 오랜 시간에 걸쳐 유일한 디자인의 문제였던 60V 또는 55V 대안으로부터 먼 길을 걸어왔다.필자는 4가지의 추진력이 있다고 말을 했고 지금까지 3가지에 관해 검토를 했다. 4번째 추진력은 무엇인가?이것은 이들 모든 애플리케이션의 뒤에 있는 가장 중요한 추진력이며 이로 인해 이들 많은 기술들의 이용이 가능하다. 이것이 바로 제품과 시스템의 비용이다. 자동차 사업 부문에서는 지속적으로 제품과 시스템의 비용 감축이 추진되어 왔다. 이는 컴포넌트 단가에 대한 압박일뿐 아니라 자동차 소유비용 전체에 대한 것이기도 하다. 이 글에서는 비용을 움직이게 하는 힘으로 신뢰성을 포함시켰다.비용이 낮은 전원 소자가 회선이나 운행 중의 고장의 원인이 된다면 이는 저비용의 소자가 아니다. 자동차에 사용될 컴포넌트에 대한 의사결정을 함에 있어서 시스템 디자이너는 비용과 신뢰도를 하나의 추진력으로 고려해야 한다.이글에서 검토한 제품들은 자동차 애플리케이션과 시스템용으로 특수하게 디자인 되고 있으며 자동차에서의 최종 용도특성과 적합성을 갖추고 있다. 자동차 시장에서는 전원 및 지능형 전원 소자에 대해 여러 가지의 제품 적합성 표준을 세워두고 있다. 이것이 바로 AEC Q100과 AEC Q101 표준으로 알려져 있다. 개발되어 자동차 시장에 공급되는 제품들은 반드시 이러한 엄격한 표준에 맞도록 디자인 되고 특성을 갖추어서 최종 시스템의 성능이 디자이너는 물론, 보다 중요하게는 자동차 소유자의 제품 가치 기대치를 충족시켜야 한다.한편 자동차에 승차 시에 눈앞에 보이는 전자 시스템의 수를 생각해 보자. 라디오, 기기 클러스터, 엔진 제어, 선루프, 창문, 잠금장치, 팬, 에어컨디셔너, 제동장치, 운전대, 서스펜션, 배터리 충전, 와이퍼, 성에 제거장치, 보안 및 안전 장치… 제품 목록이 끝없다. 운전자가 의지하고 있는 전원 소자의 수는 자동차 한 대당 수백에 이른다.운전자는 매 운전 시마다 이 모두가 원하는 기능을 수행하기를 기대하고 있다. 그러나 이를 너무 오래 생각할 필요는 없다. 눈은 길을 바라보아야 할 것이다. 아직… 운전자를 대신할 시스템은 개발되어 있지 않으니 말이다.

회원가입 후 이용바랍니다.

개의 댓글

회원로그인

작성자 비밀번호

댓글 내용입력

댓글 정렬

최신순 추천순 답글순

BEST댓글

BEST 댓글 답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다. 닫기

더보기

김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

기자의 다른기사 보기

저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지