인피니언 테크놀로지스
이러한 신기술 중에서 태양열, 풍력, 기타 발전 장비로부터의 전력은 전력망에 곧바로 보낼질 수 없고 고주파 스위칭 컨버터와 적합한 전력 및 에너지 전송 제어를 이용해서 변환해야 한다. 이러한 측면에서 고주파 스위칭 컨버터는 오늘날의 새로운 전력 발전/변환 기술과 새로운 에너지 절약 장비에 있어서 매우 중요한 역할을 한다.
글: 게리 창/ 인피니언 테크놀로지스 산업 및 멀티마켓 사업부 선임 엔지니어
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고주파 스위칭 전환 변환 기술은 높은 효율과 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 전력 반도체 소자와 트랜스포머 등과 같은 다양한 에너지 변환 소자와 커패시터와 인덕터 등의 축전 소자를 채택한다.
전력 변환 기술의 개발은 더 높은 전력 밀도와 더 높은 변환 효율을 달성하는 것을 중요시한다. 그럼으로써 소위 말하는 "더 가볍고, 더 얇고, 더 짧고, 더 컴팩트한" 장비를 설계할 수 있다. 초기에 개발된 전력 변환 기술은 대부분이 우주선의 계측기 및 장비의 전력 요구를 충족하기 위한 것이었다. 전력 컨버터가 우주선 배터리의 전력을 각기 다른 전압 레벨 및 타입으로 변환할 수 있다.
높은 전력 밀도 및 높은 효율의 컨버터는 변환 손실을 줄이고, 컨버터 무게와 체적을 줄이고 우주선의 연료를 절약할 수 있도록 한다. 오늘날에는 전력 변환 기술이 더 이상 우주 및 군용 애플리케이션에만 이용되는 것이 아니고 정보기술 장비, 전자기기, 가전, 산업용 장비에 널리 응용되고 있다.
오늘날 에너지 변환 기술이 널리 이용되고 있는 것은 환경 보호 및 에너지 절약의 필요성에 의한 것이며 이 점은 해당 기관들에서 갈수록 더 엄격한 에너지 절약 규제를 도입하고 있다는 점에서 잘 나타나고 있다. 뿐만 아니라 전력 반도체 소자와 다양한 자기 및 에너지 축전 소자들이 기술적으로 성숙 단계에 접어들고 있으며 가격이 매우 저렴해졌다.
높은 전력 밀도 및 높은 변환 효율 요구뿐만 아니라 컨버터는 대기 전력 소비가 낮아야 하고 특정한 정격 출력 전력에서 전력 변환 효율 요구를 충족해야 한다.
표 1. 전력 MOSFET의 전력 소비 항목
(표 1)은 다양한 전류 컨버터의 변환 효율 사양을 보여준다. 가장 잘 알려진 솔루션은 버스트 모드(burst mode)나 펄스 스키핑 모드(pulse skipping mode)등과 같은 특수한 PWM 제어 기법을 이용해서 전력 MOSFET의 스위칭 게이트 구동 수치나 스위칭 주파수를 감소시킴으로써 높은 효율을 달성하는 것이다. 그러나 이러한 솔루션은 오늘날의 갈수록 엄격해지는 효율 요구를 충족하기 위해서 충분히 높은 전력 변환 효율을 달성할 수 있는 비교적 낮은 전력을 소비하는 전력 MOSFET을 이용할 수 있느냐에 따라 좌우된다. 대체적으로 전력 MOSFET 기술의 개발은 다이(die) 기술과 패키징 기술의 두 가지 측면에서 이루어지고 있다:
(1) 다이 기술 개발에 있어서 중점을 두고 있는 것은 더 낮은 온 저항, 더 신속한 스위칭 속도, 더 낮은 전극간(inter-electrode) 커패시턴스를 달성하는 것이며 따라서 전력 MOSFET의 도전 손실(conduction loss), 스위칭 손실, 기타 손실을 현저히 감소시킬 수 있다.
(2) 패키징 기술 개발에 있어서 중점을 두고 있는 것은 새로운 패키징 구조 및 기술을 향상 또는 개발하고 패키징 구조에 의해 유발되는 기생 저항 및 기생 인덕턴스를 감소시키는 것이다. 온저항을 낮추고 스위칭 속도를 높이는 것 이외에 패키징을 향상시키면 전력 MOSFET의 발열 능력을 높이고 전력 용량을 극대화 할 수 있다.
(그림 1)은 저전압 및 고전압 전력 MOSFET의 온저항 분포를 보여준다.
그림 1. 전력 MOSFET의 온저항 분포
고전압 전력 MOSFET은 다이 기술이 패키징 기술보다 훨씬 더 중요한데 이는 온저항이 패키징이 아니라 주로 다이로부터 발생되기 때문이다. 저전압 전력 MOSFET은 온저항 분포가 패키징 기법에 따라 좌우되며 최소 온저항은 패키징 기법에 의해서 제한된다.
인피니언 테크놀로지스는 이미 수십 년 전부터 반도체 기술 개발에 많은 인력 자원을 투입해 왔다. 인피니언은 독일의 장인정신을 가지고 전력 반도체 소자를 제조하며 전력 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있는 전력 소자를 개발하여 왔다. 인피니언은 1996년에 처음으로 자사의 1세대 저전압 전력 MOSFET-SIPMOS 시리즈를 내놓았으며 이후로 고성능 저전압 전력 MOSFET으로서 트렌치 타입 구조를 기반으로 한 OptiMOS, OptiMOS2, OptiMOS3, NewOptiMOS를 출시하였다.
최근의 전력 MOSFET의 온저항은 1mΩ미만이다. 인피니언의 고전압 전력 MOSFET 개발은 1998년에 CoolMOSS5 시리즈를 내놓으면서 시작되었다. 이는 초접합(Super-Junction) 기술을 채택한 최초의 고전압 전력 MOSFET이다. 이 시리즈의 출시로 600V 전력 MOSFET의 최소 온저항이 190m로 떨어지게 되었다.
이후로 CoolMOS 시리즈의 고전압 전력 MOSFET이 고효율 컨버터 디자이너들이 가장 먼저 선택하는 솔루션이 되었다. 이어서 인피니언은 CoolMOSC3, CoolMOSCFD, CoolMOSCP, CoolMOSC6 시리즈를 출시하였으며 최소 온저항을 37m로 낮추었다. 이것은 TO-247 패키징 제품 중 업계에서 가장 낮은 온저항의 전력 MOSFET이다.
다음에서는 높은 효율 및 높은 밀도를 달성하는 고주파 컨버터에 요구되는 전력 MOSFET의 다이 및 패키징 기술의 발전에 대해 소개한다. 표 1은 전력 MOSFET의 전력 소비 항목과 그에 해당되는 공식을 보여준다. 전반적인 컨버터 효율의 관점에서는 도전 손실과 스위칭 손실 이외에도 부하 전류가 극히 낮을 때는 커패시티브 손실 및 구동 손실을 무시할 수 없다.
표 1에서 보면 도전 손실 이외에 나머지 손실들이 스위칭 주파수와 직접적으로 비례하다는 것을 알 수 있다. 다시 말해서 컨버터의 스위칭 주파수가 높을수록 손실이 높아진다는 것이다. (그림 2)는 동기 정류기로서 풀 브리지 위상-이동(phase-shift) 컨버터에서 125KHz 스위칭 주파수로 작동되는 80V 전력 MOSFET의 전력 손실을 보여준다.
그림 2. 동기 정류 전력 MOSFET의 전력 손실 분포
이 도표에서는 MOSFET의 온/오프 스위칭 손실은 무시하고 있다. 출력 부하 전류가 낮을수록 총 손실에 대해서 커패시티브 손실과 구동 손실의 비율이 높아진다는 것을 알 수 있다. 전력 MOSFET 기술 개발에 있어서는 온저항을 낮추는 것 이외에 전극간 커패시턴스에 의해 유발되는 커패시티브 손실과 구동 손실을 낮춤으로써 경량 부하 조건 시에 컨버터의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
전력 MOSFET의 다이는 다수의 소형 셀로 이루어지므로 온저항 수치만으로는 MOSFET 다이 기술의 우월성을 객관적으로 나타낼 수 없다. 전력 MOSFET 다이 기술의 품질을 객관적으로 나타내는 지수가 있을까? 소위 말하는 FOM(figure of merit)이 현실적으로 전력 MOSFET을 판단하기 위해 이용된다.
FOM은 온저항 Rds,on과 (1)출력 커패시턴스 Coss, (2)게이트-드레인 전하 Qgd, (3)총 게이트 전하 Qg의 곱이다. 온저항은 ON 상태일 때의 손실을 결정하고, Qdg와 Qg는 MOSFET의 트랜션트 스위칭 시간과 구동 손실을 결정하고, Coss는 MOSFET의 커패시티브 손실을 결정한다. 이들 파라미터의 곱을 이용해서 전력 MOSFET 다이 기술이 어느 정도 향상되었는지를 평가할 수 있다. FOM이 낮을수록 MOSFET이 이상적인 스위치에 더 근접한 것이다.
그림 3. 인피니언 테크놀로지스의 OptiMOS3 및 NewOptiMOS 전력 MOSFET의 FOM 및 효율 비교
(그림 3)은 벅 컨버터에 이용했을 때 인피니언 테크놀로지스의 OptiMOS3 및 NewOptiMOS 전력 MOSFET의 FOM과 효율을 보여준다. FOM이 낮을수록 시스템의 효율은 높아진다.
또한 전력 MOSFET의 구조 향상에 의해서 비교적 낮은 구동 전압으로 최적의 상태로 작동할 수 있게 되었다. MOSFET이 도전 손실과 스위칭 손실 사이에 균형을 이룰 수 있게 됨으로써 컨버터가 경부하 및 풀부하 시 적정하게 높은 변환 효율을 유지할 수 있게 되었다. (그림 4)는 벅 컨버터의 효율과 구동 전압 사이의 관계를 보여준다.
그림 4. 벅 컨버터에서 효율과 구동 전압의 관계
표 2. 저전압 전력 MOSFET에 흔히 이용되는 표면실장 소자 패키징의 특성 비교
(표 2)는 기생 인덕턴스, 기생 저항, 패키징 냉각 기법, 병렬 동작 용이성 등의 항목을 포함해서 저전압 전력 MOSFET에 주로 이용되는 표면실장 소자 패키징의 특성들을 비교한 것이다. 특히 기생 인덕턴스는 MOSFET의 스위칭 속도, 기생 인덕턴스의 에너지 저장, 병렬 동작 용이성에 영향을 미친다. 뿐만 아니라 기생 저항은 MOSFET의 최소 온저항을 제한하고, 패키징 냉각 기법은 전력 MOSF ET의 최대 전력 소비를 제한한다.
그림 5. TO-220 및 SSO8(Power-PAK)의 패키징 투시도
(그림 5)는 TO-220 및 SSO8(Power-PAK) 패키징의 투시도이다. 리드를 단축하지 않았을 때 리드와 게이트, 드레인, 소스 사이의 기생 인덕턴스 값이 대략 16nH, 13nH, 15nH라는 것을 알 수 있다. 게이트와 소스 사이의 리드는 드라이버 회로에서 기생 인덕턴스를 유발하며 이것은 전력 MOSFET 드라이버 전류의 상승 레이트와 스위칭 속도를 제한한다.
드레인과 소스 사이의 리드는 전력 레벨 회로에서 기생 인덕턴스를 유발한다. 전력 MOSFET이 전도 상태일 때는 에너지를 저장하고(Plea kage=1/2Lleakage.I2D.fsw) OFF일 때는 외부 회로로 에너지를 방출한다는 점이 효율을 감소시키며 전압 스파이크의 원인이 된다. 드레인과 소스 사이의 리드에 의해 유발되는 기생 저항이 온저항의 일부를 이룬다. 이것이 전력 MOSFET이 도전 상태일 때 에너지를 소비하며 시스템 효율을 저하시킨다.
TO-220과 비교해서 SSO8은 기생 저항과 기생 인덕턴스가 훨씬 낮으며 그러므로 낮은 온저항, 높은 효율, 낮은 스파이크 전압 레벨, 우수한 병렬 동작 특성을 달성할 수 있다.
그림 6. TO-220 및 SSO8 전력 MOSFET을 출력 동기 정류기로 사용했을 때의 시스템 효율
(그림 6)은 600W 풀 브리지 위상 이동 컨버터에 TO-220 및 SSO8을 채택했을 때의 출력 동기 정류기 시스템 효율을 비교한 것이다. 둘 다 출력 전압은 12V이고 최대 출력 전류는 50A이다. 동일한 스너버 회로를 이용했을 때 SSO8 패키징을 이용한 전력 MOSFET의 시스템 효율이 TO-220 패키징을 이용한 것보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 두 전력 MOSFET은 동일한 다이 사양에 패키징만 다르므로 효율의 차이가 패키징 기법에 의한 것이라는 것을 알수 있다.
그림 7. TO-220 및 SSO8 MOSFET 전압 비교
(그림 7)은 동일한 테스트 조건에서 TO-220과 SSO8 전력 MOSFET의 오프 상태 MOSFET 전압을 보여준다. 풀 부하일 때 SSO8의 MOSFET 전압이 역시 TO-220 패키징보다 훨씬 낮다. (그림 8)은 각기 다른 표면실장 디바이스 패키지의 열 저항을 보여준다. 새로운 CanPAK의 이점은 MOSFET의 게이트와 소스가 PCB로 직접 연결된다는 것이다. 리드나 본딩 와이어가 필요하지 않음으로써 소스의 기생 인덕턴스를 감소시키고, 스위칭 속도를 향상시키고 기생 인덕턴스에 저장되는 에너지를 감소시킨다.
그림 8. 다양한 표면실장 패키지의 열 저항 비교
드레인은 열 방출 캐패시터를 통해 PCB로 연결된다. 다이와 열 방출 캐패시터 사이의 열 저항이 여타 기존 패키징 형태에서보다 훨씬 낮으므로 CanPAK은 열 방출 캐패시터를 이용해서 훨씬 더 많은 열을 방출시킬 수 있으며, 따라서 다이의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다. 결과적으로 스위칭 주파수가 극히 높은 경우라 하더라도 시스템이 높은 효율 목표를 달성할 수 있다.
뿐만 아니라 전력 MOSFET의 최대 전력 소비와 최대 전류는 공식에 의해서 주어지는데, 여기서 TJ,max는 최대 접합부 온도이고, TC는 리드 프레임(케이스) 온도이고, Rth,J-C는 접합부와 리드 프레임 사이의 열 저항 계수이다. 접합부와 리드 프레임 사이의 열 저항이 훨씬 감소함으로써 전력 MOSFET의 전력 소비와 연속 전류를 유지할 수 있는 능력을 향상시킨다.
인피니언 테크놀로지스는 지속적으로 새로운 전력 반도체 기술을 개발하고 있으며 많은 애플리케이션에서 전력 변환 효율을 수 % 향상시키고자 애쓰고 있다. 성능 향상은 느리게 이루어지고 있고 제한적이지만 전 세계적으로 전체 에너지의 40%가 전기 생성에 사용된다는 점을 감안하면 모든 전력 변환 소자에 의해서 절약되는 총 전력은 수 개의 원자력 발전소가 발전하는 전력 양에 해당될 것이다.
인피니언의 제품은 현재 발전, 배전, 활용을 포함한 에너지 가치 체인의 모든 링크를 목표로 하고 있다. 세계 각국의 에너지 정책이 중대한 도전과제에 직면한 가운데서 인피니언의 반도체 제품이 에너지 효율을 끌어올리고 지구상에서 갈수록 줄어들고 있는 자원을 절약함으로써 이러한 도전과제를 해결하는데 기여할 것이다.
물이라는 자원은 살아 있는 모든 생명체들이 이용할 수 있는 것이다. 이와 마찬가지로 인피니언은 "에너지를 보존하고, 전력을 절약하고, 세계 모든 사람들에게 혜택이 돌아가도록 한다"는 목표에 부합하는 새로운 제품을 개발하기 위해 계속해서 노력하고 있다. 향후 어떤 전기 장비가 에너지 절약 이점을 강조할 때 아마도 그러한 모든 제품들에는 인피니언의 제품이 사용되어 있을 것이다.
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