CCM PFC에서의 고전압 MOSFET의 영향

 CoolMOS 기술은  전도 및 스위칭 손실을 크게 감소시킴으로써 높은 전력 밀도와 효율성을 달성할 수 있도록 한다. 이는 표준적인 MOSFET으로는 불가능한 일이며, 또한 동급 최상의 가격대 성능비도 달성할 수 있다.
 
이러한 이점은 효율성의 향상을 가져 오는데, 업계 표준의 요구에 부응하여 콤팩트하고 보다 가벼우며 발열이 적은 디자인에 대한 고객의 요구를 충족시켜야 하기 때문이다. 또한 시스템 신뢰성도 향상시키는데, 이는 고장 시간이 최소화 되거나 없는 애플리케이션을 구현하기 위해 필요하다.
 
결론적으로, 인피니언은 동급 최상의 고전압 파워 디바이스를 제공함으로써 고출력 스위칭 모드 파워서플라이의 까다로운 요구를 충족시켜 주고 있다. 
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전원 변환 성능을 극대화하기 위한 드라이버 IC와 MOSFET의 선택

오늘날 전원변환 및 전원 관리 애플리케이션은, 되도록이면 PCB 면적은 적게 차지하면서 최소한의 손실로 고전압 고주파 동작을 가능하게 하는 컴팩트하면서 견고한 전원 스위칭 회로를 필요로 한다.
이러한 요구를 얼마나 성공적으로 충족할 수 있느냐에 가장 중대하게 영향을 미치는 것은 어떤 MOSFET 기술을 선택하느냐이다. 또한 최상의 성능을 달성하기 위해서는 이렇게 선택한 MOSFET과 함께 그 밖의 소자들 또한 그에 적합한 것을 선택해야 한다. 그 중에서도 디자이너가 해야 할 가장 중요한 일은 목표로 하는 애플리케이션에 가장 적합한 MOSFET 게이트 드라이버 IC를 선택하는 것이다.

글/Tobias Gerber, Infineron Technology


전원 변환 시의 요구사항
SMPS(switched-mode power supply), DC-DC 컨버터, 산업용 모터 드라이브, 태양광 패널 인버터(광전지 셀로부터 공급되는 전압 변환) 같은 첨단 전원 스위칭 애플리케이션들은 여러 가지 다양한 요인의 영향을 받는다.
먼저, 가동 비용을 절감하고 에너지 사용과 유해한 온실 가스 배출을 최소화하기 위해서, 상업적으로, 법규적으로, 환경적으로 효율은 높이고 손실은 줄이도록 하는 압박이 갈수록 더 높아지고 있다. 또한 사용자들은 제품이나 시스템 크기는 늘리지 않으면서 성능은 끊임 없이 더더욱 높이도록 요구하고 있으며, 사용자와 주요 장치 모두를 보호하기 위해서 안전 조치들을 구축하도록 요구하고 있다.
이와 함께 부품 밀도가 높아짐으로써 공간적 제약이 갈수록 심해지고 있고, 열 성능을 효율적으로 관리해야 할 필요성이 제기되고 있으며, 또 한편으로는 예산적 제약 때문에 되도록이면 최소한의 BOM(bill of materials)과 더 저렴한 소자 부품들을 사용할 것이 요구되고 있다. 그러면서도 또한 이러한 모든 요구들을 개발 단계에서부터 최종 제품 단계에 이르기까지 되도록이면 최단 시간 안에 달성하도록 요구하고 있다.
이러한 요구들을 충족하기 위해서 갈수록 사용이 늘어나고 있는 것이 바로 고전류 고속 스위칭 전원 변환 회로들이다. 스위칭 속도를 높이면 성능과 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 필터링을 위해서 더 소형이면서 더 저렴한 인덕티브 소자를 사용할 수 있다는 점에서 크게 유리하다. 이러한 회로들은 통상적으로, 필요한 고주파 입력 신호를 제공하는 컨트롤러 또는 레귤레이터 IC와 부하를 물리적으로 스위칭하는 전력 MOSFET을 중심으로 이루어진다.

Superjunction MOSFET 제어

첨단 전원 변환 애플리케이션이 요구하는 스위칭 성능과 효율을 달성하기 위해서는 고성능 MOSFET을 필요로 하며, 이는 다시 말해서 수퍼정션(SJ) 반도체 프로세스를 기반으로 한 디바이스를 말하는 것이기도 하다. 이것은 SJ MOSFET이 필요한 전압 블로킹 성능은 떨어트리지 않으면서 훨씬 더 낮은 단위면적당 온-상태 저항(RDS(ON)*A)을 가능하게 하는 드레인 구조를 채택하고 있기 때문이다. 또한 SJ 기술은 다수의 셀 구조 차원의 개선을 통해서 모든 디바이스 커패시턴스를 낮춤으로써 스위칭 관련 FoM(figures of merit)과 여타 애플리케이션 성능 특성들을 향상시키고 있다.
그림 1은 최신 세대 SJ 기술인 CoolMOSTM C7의 구조를 보여준다. C7에 이르러서는 7컬럼(기둥) 고-종횡비(가로세로 비율) 보상 구조를 도입하고 있다. 이 구조를 도입함으로써 새로운 CoolMOS C7 600V 시리즈로 업계 최초로 mm2당 1Ω이라고 하는 RDS(ON)*A 한계를 깨는 것을 비롯한 중대한 성능 상의 향상을 이루고 있다.



많은 경우에 컨트롤러 IC가 MOSFET을 직접적으로 구동하는 것이 현실적으로 가능하지 않다. 이것은 특히 다수의 컨트롤러가 단지 오늘날 고성능 전력 소자들에 맞게 충분히 높은 출력 용량을 제공하지 못하기 때문이다.
예를 들어서 SJ MOSFET은 통상적으로 최소한 8V의 게이트 소스 전압(Vgs)을 필요로 한다. 그와 동시에 높은 효율을 위해서는 빠른 스위칭 트랜션트와 통상적으로 1APEAK가 넘는 높은 전류를 필요로 한다. 그럼으로써 모노리딕으로(monolithically) 컨트롤러 IC로 드라이버 회로를 통합하는 것은 기술적으로뿐만 아니라(주로 열 분산 측면의 문제 때문에) 상업적으로도 현실적이지 못하다. 
또한 디자이너가 고속 스위칭으로 인한 잠재적인 EMI 문제를 완화하기 위해서 구동 회로를 부하에 되도록 가깝게 위치하도록 하려고 할 수 있다.
이러한 이유들에서 갈수록 더 많은 수의 디자이너들이 컨트롤러와 MOSFET 사이에 전문적인 드라이버 IC를 선택하고 있다. 그림 2에서는 통상적인 전원 변환 스테이지로 바로 그와 같은 셋업을 보여준다.
적합한 게이트 드라이버 IC 기술을 선택할 때 디자이너가 고려해야 할 것들은 전류 용량, 스위칭 속도, 폼팩터, 통합 수준(얼마나 많은 수의 드라이버 채널을 제공하고 어떤 안전성 기능들을 통합하고 있는가?), 프로세스 및 패키지 기술(목표로 하는 애플리케이션의 효율 및 열 성능 요구를 충족하기에 적합한가?) 등이다.





새로운 세대의 MOSFET 드라이버 IC 기술

SJ MOSFET의 요구에 이상적으로 적합한 드라이버 IC 기술이 바로 인피니언의 새로운 듀얼 채널 고속 고전류 디바이스 시리즈이다. 그림 3은 이들 2EDNx52x 드라이버 IC 시리즈의 기능 블록 다이어그램이다.
이들 새로운 드라이버 제품은 각기 5A 피크 소스 또는 싱크 전류를 제공하는 2개의 독립적 비절연 로우사이드 게이트 드라이버를 제공한다. 두 채널은 단 5ns의 정격 상승 및 하강 시간으로 동작한다. 높은 전류에도 불구하고 출력 스테이지가 여전히 지극히 낮은 온 저항(RDS(ON))을 달성하므로, 이는 다시 말해서 아주 소형(또는 아예 사용하지 않을 수도 있음) 외부 게이트 저항을 사용하더라도 드라이버로 전력 소모가 아주 낮다는 뜻이 된다.
2EDNx52x 시리즈의 고전류 고속 성능은 전이 과정 전체에 피크 전류를 사용하면서 빠른 Miller Plateau (MOSFET 게이트 전하 특성 곡선 상에서, 전하가 충분히 더해지거나 줄어들어서 디바이스가 스위칭하기까지 전압이 일정하게 유지되는 수평적으로 평탄한 구역) 전이를 가능하게 한다. 또한 정밀한 타이밍을 가능하게 한다. 이 점은 PFC(power factor correction) 회로, 하프 브리지, 동기 정류기 같은 고성능 고효율 SJ 기반 MOSFET 디자인에서 또 다른 중요한 점이다.
또한 독립적 2개 드라이버 채널은 채널-대-채널 불일치가 1ns 미만이다. 그러므로 디자이너가 동시적 스위칭이 이루어지도록 구성할 수 있다. 이러한 스위칭은 출력들을 병렬로 연결해서 전체적인 구동 전류를 높이고자 하는 애플리케이션에서 특히 유용하게 활용할 수 있다.
첨단 고주파 전원 변환 플랫폼을 설계할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 문제는 MOSFET 스위칭 속도가 높아지면 접지 바운스로 인한 문제 가능성이 높아진다는 점이다. 접지 바운스는 MOSFET 게이트 전압이 로컬 접지 전위보다 낮은 것으로 보임으로써 전류가 접지 네트워크로 흘러들어갈 때 발생한다. 그럼으로써 제어 입력과 인에이블 입력 상에서 불안정한 동작 때문에 시스템 신뢰성 저하나 결함 같은 문제를 일으킬 수 있다. 접지 바운스로 인한 신뢰성 문제를 방지하기 위해서 2EDNx52x 시리즈의 모든 디바이스 제품은 동작 결함을 일으키지 않으면서 입력 핀과 인에이블 제어 핀에서 최저 -10V까지 이르는 최대 전압을 처리할 수 있다. 뿐만 아니라 음의 전압이 영구적으로 존재하더라도 안정성을 보장한다(DC 조건 등).
디바이스의 허용오차 범위를 벗어나는 비정상적 상황을 완전히 방지할 수 없을 때를 대비해서 제어 입력과 인에이블 입력 모두에서 19ns의 빠른 정격 전달 지연시간이 신속하게 비상 셧다운을 가능하게 한다. 한 가지 주목할 점은, 전달 지연을 이보다 더 낮게 할 수도 있었으나 의도적으로 19ns로 설계했다는 점이다. 이것은 때로는 불량한 회로 레이아웃이나 여타 기생성분 때문에 링잉을 일으킬 수 있기 때문이다. 전달 지연이 15ns 이상이면 이러한 링잉을 완화할 수 있다.
이들 새로운 MOSFET 게이트 드라이버 IC 시리즈는 4.5V~20V의 전원 전압으로 동작하며 저전압 록아웃(UVLO) 기능을 포함함으로써 해로운 선형 모드 동작으로부터 SJ MOSFET을 보호한다. 산업표준 8핀 패키지를 채택함으로써 디자이너들이 비용과 시간이 많이 드는 보드 재작업을 하지 않고서 이 새로운 기술로 편리하게 업그레이드할 수 있으며, 졍선온도 -40℃~150℃의 범위에서 동작하므로 확장된 온도범위로 동작할 수 있다.





맺음말

스위칭 속도와 전류가 계속해서 점점 더 높아짐으로써 첨단 전원 변환 애플리케이션에서 통합적 게이트 드라이버 IC가 갈수록 더 핵심적 부품으로서 중요한 역할을 하고 있다. 새로운 CoolMOS C7 600V 시리즈 같이 고성능 SJ MOSFET 기술이 등장함에 따라서 그에 걸맞게 적합한 드라이버 IC를 선택함으로써 효율, 크기, 견고성, 총 유지비용 측면에서 애플리케이션의 성능을 극대화할 수 있을 것이다.
이러한 게이트 드라이버 IC와 함께, 인피니언은 개발 작업을 지원하기 위해서 특정 애플리케이션용 평가 보드와 레퍼런스 디자인을 비롯한 포괄적인 지원을 제공한다. 2EDNx52x 드라이버와 새로운 CoolMOS C7 600V MOSFET을 기반으로 130kHz 800W CCM PFC 보드, 3.5kW PFC 디자인, 12V 50A 출력 하프 브리지 600W LLC 보드 등의 평가 보드와 개발 툴을 제공한다.