바디 다이오드로 인한 공진 토폴로지 결함 평가

[테크월드=선연수 기자] 

이 글에서는 디바이스의 내부와 컨버터 레벨에서 진행되는 물리적 프로세스 측면에서, 수퍼 정션 MOSFET의 기생 바디 다이오드의 역 회복(Reverse Recovery)구간에서 발생하는 결함 메커니즘을 평가·분석하고자 한다. 일반 통신이나 서버 애플리케이션에서는 서비스의 연속성을 유지하기 위해 더 높은 신뢰성을 가진 이론적으로 전혀 결함이 없는 시스템이 필요하다. 이 글에서 분석하는 토폴로지는 하프 브리지(Half-bridge) LLC 공진 컨버터와 풀브리지-페이즈쉬프트(FBPS, Full-bridge Phase-shifted) 컨버터다. 이에 대해 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)의 MDmesh 기술에 기반한 고속 회복 다이오드 SJ MOSFET을 솔루션으로 제공하고 있다.

빅데이터를 위한 토폴로지

최근 통신, IoT, 클라우드 스토리지가 급증해 관리가 필요한 데이터가 점점 늘어나면서, 더 높은 효율의 DC/DC 컨버터 사용 사례가 빠르게 증가하고 있다. 이런 이유로 통신·서버 분야에서는 소프트 스위칭 애플리케이션이 널리 사용되고 있으며 주로 하프 브리지·풀 브리지 LLC와 풀브리지-페이즈쉬프트 토폴로지가 사용된다.

이 토폴로지들은 턴온 시 제로 전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching) 조건으로 동작해, 스위치 온(On) 손실을 제거하고 효율을 높이며 히트싱크를 줄이거나 아예 제거한다. 동작을 계속 유지하기 위해서는, 과도한 스트레스가 가해지는 조건에서도 결함에 대한 신뢰성과 높은 내구성을 필수로 갖춰야 한다. 이 모든 것은 일차측 MOSFET에서 가장 민감한 부분인 기생 바디 다이오드 특성에 달려 있다[그림 1].

역 회복 메커니즘

수퍼 정션 MOSFET의 기생 바디 다이오드는 p⁺ 바디 영역과 N^- 에피택시층 사이에 형성된다. 이는 일부 브리지 토폴로지에서 중요한 역할을 하며, 실제로 하프 브리지의 양쪽 MOS가 오프(Off)일 때 이 다이오드는 전류 경로가 된다. 디바이스가 오프 상태가 되고 드레인(Drain)과 소스 핀 상의 전압이 바디 다이오드를 순방향 바이어스할 수 있게 되면, 바디 다이오드가 소스에서 드레인으로 전류를 전도한다. 드레인 대 소스 전압이 다이오드를 순방향 바이어스하기에 충분하지 않을 때, 역 회복 동작이 시작된다. 다이오드가 차단 상태가 되기 전에 전도할 경우, pn 접합부로 집중된 전하들의 평형 상태를 회복해야 한다.

브리지 토폴로지에서는 다이오드가 순방향 전도에서 차단 상태로 전이할 경우, MOSFET이 턴온할 때 MOSFET의 드레인 전류에서 큰 전류 피크로 역 복구가 표시된다[그림 4].

역 회복 전류는 평균 순방향 전류에 따라 좌우되며, I_SD가 높을수록 역 회복 전류(Irrm) 피크가 높아진다는 점을 강조할 필요가 있다. I_SD가 Irrm으로 하강할 때의 시간 간격과 di/dt는 PCB 레이아웃에 달려 있고, Irrm에서 0으로 상승할 때의 시간 간격과 di/dt는 진성 MOSFET 기술에 의해서만 달라진다. 디바이스의 데이터시트 상에서는 다이오드에 대한 테스트 조건과 Qrr, trr, Irrm 등의 상대적 특성들을 확인할 수 있다[그림 2]. 이 특성들은 모두 VDD(Voltage Drain Drain)의 영향을 받는데, [그림 3]에서 알 수 있듯 VDD가 낮을수록 역회복 시간(trr)이 길어지며 이는 최악의 상태를 의미한다.

바디 다이오드에 의한 컨버터 결함

바디 다이오드 역 회복이 진행되는 동안 공진 컨버터에서는 다음과 같은 결함이 발생할 수 있다.

- 스타트업 시의 커패시티브 모드

- 과부하로 인한 커패시티브 모드

- 단락 회로로 인한 커패시티브 모드

컨버터가 정상적으로 동작하는 동안 바디 다이오드는 MOSFET의 C_OSS를 방전하고, ZVS를 달성하기만 하면 된다. 그러나 앞서 언급한 상황 중 하나라도 발생하면, 컨버터가 커패시티브 모드로 동작하고 턴온 시 하드 스위칭해 역 회복 효과를 일으킨다. 중요한 것은 역 회복으로 발생하는 dv/dt가 di/dt에 따라 좌우되며, di/dt는 보드 레이아웃과 순방향 평균 전류와 직접적으로 관련된다는 점이다. 즉, 어떤 시스템에서는 결함 조건이더라도 다른 컨버터에서는 아닐 수 있다.

위험성 평가 시뮬레이션

소프트 스위칭 애플리케이션을 설계할 때 중요한 점은, 발생 가능성이 있는 스트레스형의 비정상적인 동작 조건과 연관된 잠재적인 위험성을 평가하는 것이다. 이 글에서의 제안 방법은 시험 측정과 시뮬레이션에 기반한다[그림 5]. 벤치에서의 이중 펄스 테스트에서 시작해 SIMetrix에서 시뮬레이션들을 실시했으며, 이는 시뮬레이션 데이터를 실제 데이터에 맞추기 위함이다. 이 데이터를 사용해 인지된 결함 조건에서 전체 DC/DC 컨버터를 분석했으며, 이는 설계 단계에서 표준 MOSFET을 사용할 지 더 높은 수준의 신뢰성과 ‘고장 없는’ 시스템을 보장하기 위한 고속 다이오드가 필요할 지 판단하기 위함이다.

공급되는 부하 타입과 컨버터 전력 레벨에 따라, 이 정보를 사전에 알 수 있으면 시스템 동작 예측에 유용하다. 이중 펄스 테스트 결과(핀의 기생 인덕턴스, 인덕터의 표유(Stray) 커패시턴스)와 시뮬레이션 데이터를 맞춰 전체 시스템에 대해 정확하게 시뮬레이션할 수 있으며, 이를 통해 ‘비정상적’인 조건에서의 전류에 대해 파악하고 적절한 보호 조치를 취할 수 있다.

[그림 6]에서 보듯이 동일한 게이트 구동 회로, 동일한 스타트업 조건에서의 시뮬레이션 결과는 실제 측정 결과와 매우 유사하다. 또한, 동일한 MDmesh 기술에 기반한 고속 다이오드 버전을 사용하면, 역 회복 효과를 더 잘 관리하고 데이터시트의 한계 이내로 동작할 수 있다. 이 상황에서 표준 제품을 사용하더라도 결함을 일으키지는 않지만, dv/dt와 di/dt가 데이터시트의 한계를 벗어날 수 있다.

결론

이번 글에서는 시뮬레이션으로 바디 다이오드 역 회복과 관련된 결함을 평가하고, 실험 측정으로 검증하는 기법을 제안했다. 설계 단계에서는, SMPS의 공진 DC/DC 단계에서 발생할 수 있는 ‘비정상적’ 조건들을 평가하고 고려하는 작업이 필수적이다.

스타트업과 단락 회로 시에 발생하는 커패시티브 모드를 모두 살펴보고, MDmesh 고속 다이오드 기술의 핵심 역할도 함께 설명했다. 고속 다이오드 MOSFET은 dv/dt와 di/dt와 관련해 동적으로 더욱 우수해, 컨버터가 커패시티브 구간에 가까워질수록 역 복구 효과를 보다 잘 관리할 수 있도록 지원한다. 이를 통해 컨버터의 전반적인 신뢰성이 향상된다. 이중 펄스 테스트를 맞춰 시뮬레이션을 최적화함으로써 최종 실험 측정 결과[그림 6]에 나타난 것처럼 실제 값에 거의 근접한 결과를 보인다.

글: 도메니코 나르도(Domenico Nardo) 애플리케이션 개발 엔지니어,
알피오 스쿠토(Alfio Scuto) 애플리케이션 개발 수석 TL/SECT 매니저,
시모네 부오노모(Simone Buonomo) HV·SiC 애플리케이션 개발 수석 매니저

자료제공: ST마이크로일렉트로닉스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 5월 호에 게재된 기사입니다.