전력 소모가 1W 이상인 거의 모든 전자제품은 대부분 스위치 모드 전원 서브 시스템을 포함하고 있다. 사실 그렇지 않은 제품은 상상조차 할 수 없다. 전자 제품의 전 수명 시간동안에 효율과 비용을 개선하기 위해 많은 토폴로지와 컨트롤 방식이 시도되었다.

가장 큰 영향력은 여전히 파워 스위치의 개선으로 얻어진다는 것이다. 최신의 전원 MOSFET과 IGBT는 산업현장에서 점차 의무화되고 있는 새로운 에너지 효율 규제를 넘어설 뿐 아니라 최고 수준의 집적을 허용함으로써 애플리케이션의 양상을 변화시키고 있다.

어떻게 파워스위치가 세상을 구하는가

글│Alfred Hesener, Fairchild Semiconductor

친환경 시대에서의 역할

환경 친화적 디자인(ecodesign)의 관점에서부터 제품의 총 가치 사슬은 길다. 원자재에서 시작해 제품의 디자인, 제조, 최종 소비자에게로의 운송, 사용, 재활용 그리고 최종 소비로 이어진다. 이러한 사용 순환 주기의 각 단계에서 에너지 소모와 유해 폐기물이 고려되어야 하고 그 영향이 계량화 되어야 한다. 바람직하지 않은 결과물은 열, 폐수, 온실가스, 화학물질 등이 있으며 운송과 사용 중에 더 많은 온실 가스가 생성되고 재활용 중에도 훨씬 더 많은 화학물질과 매립의 문제가 개입된다. 이 모든 것을 금액으로 계량화하여 합한 것이 이른 바 ‘수명주기 비용’이다.

이 경우 선택이 잘못된 것은 명백하다. 어떻게 할 것인가? 적어도 에너지를 사용하는 제품에 있어서 가장 큰 영향은 기본적으로 동작과 대기 중의 향상된 에너지 효율과 관계되어 있으므로 전원공급장치 및 전기 모터에 더 많은 관심을 가져야 한다.

우리의 일상생활에서 대부분의 애플리케이션은 그림 1에 나타나 있는 바와 같이 전원 변환이나 모션 컨트롤 서브시스템이 포함되어 있다. 애플리케이션 전체를 이러한 이분법으로 구조화 하면 해결해야 할 문제들을 더 쉽게 설명할 수 있다.

그림 1.

표 1

애플리케이션	서브 시스템	드라이버 주요 기능
산업용 전원공급장치	전원 변환/레귤레이션	성능
용접
텔레콤 전원공급장치
임베디드 DCDC		통합
램프 밸러스트/LED
가전제품	동작 제어
산업용 서보 드라이브		솔루션 지원
송풍기 및 펌프
파워 스티어링

전원 변환 서브시스템은 기본적으로 모두가 AC-DC 및 DC-DC 변환이다. 사용되고 있는 토폴로지를 상세히 살펴보면 DC 전압의 대부분이 압도적으로 스위치 모드 변환 회로를 사용해 다른 DC 전압으로 변환되고 있다. 오프라인의 전원공급장치에서 조차도 입력 측에서 가장 먼저 찾아낼 수 있는 것 중의 하나가 정류기이며, 엄격하게 말해 AC-DC 전원 공급장치는 어떠한 경우든 대부분은 DC-DC 컨버터이다.

모션 컨트롤 서브시스템은 기본적으로 주변의 다른 방식으로 작용한다. 여기서는 DC 입력 전압이 사용되어 모터를 회전시키기에 적합한 대체 파형을 생성한다. 때로 DC-AC라는 용어가 이들 시스템에 사용되는데 다른 경우에는 주파수 인버터로 지칭된다. 대부분의 모터는 삼상이며 이들 인버터들은 3 종류의 파형을 출력하고 다시 스위치 모드 회로를 사용해 모터용으로 위상 변이 파형을 생성한다. 실질적으로 삼상은 회전을 결정하고 모터를 원하는 방향으로 가동시키기 위한 최소단위이다(DC 브러시 및 스위치를 포함하고 있는 자기저항 모터는 예외).

스위치 및 제어 회로의 성능 향상

세 부문 모두의 개선을 위한 드라이버의 핵심은 사용되는 스위치 및 제어 회로의 성능 향상이다. 전원 전자회로 시스템에 통합되는 것이 점점 더 많아지고, 이러한 장비를 생산하는 제조사의 가치사슬은 변화한다. 예를 들면 많은 제조사들이 전원공급장치를 필요악으로 간주하고 있는데 그 이유는 디자인이 어렵고 공간과 비용이 필요하며 열을 생성하지만 최종 제품에 대해 시장 판매상의 장점이나 기능을 추가해 주지는 않기 때문이다.

이러한 제조사들은 제품의 다른 측면을 더 중시하는 경향이 있다. 이러한 경우 전원공급장치 디자인은 다른 곳에서 이루어져야 하며 반도체 공급사는 양호한 솔루션을 지원함으로써 이를 크게 변화시킬 수 있다.

스위치 모드 토폴로지가 오랫동안 존재해 있었지만 대부분의 에너지 손실은 여전히 전원공급장치에서 나타나며 이러한 디자인 개선의 가장 큰 잠재가능성은 전원 스위치를 개선하는 것이다. 시간이 지나면서 수 십 년에 걸쳐 파워 스위치의 특성이 개선되면서 변환 회로의 선택 역시 진화하고 변화했다. 오늘날에는 플라이백 컨버터가 150W 이상까지 사용되는데 전력의 범위는 최대 400W이다. 이는 과거에는 풀 브리지 컨버터를 사용해 변환되던 값이다. 현재는 Half 브리지 컨버터로 해결하고 있다. 제어 회로 및 수동형 소자의 개선도 기억해 두어야 한다. 신형 제어 체계와 타이트한 공차를 통해 Resonant(공진) 토폴로지의 사용이 가능해져 효율을 개선하고 전자기 방출을 한층 더 감소시켰다.

지난 20년간 소자의 형태에 엄청난 발전이 있었다. 바이폴라 트랜지스터가 MOSFET로 대체되었고 이를 통해 RDSON과 견고성에 큰 발전이 이루어졌으며 바이폴라 트랜지스터가 보다 소형의 MOS와 결합되어 이를 모놀리식 형태로 구동하는 이른바 IGBT가 개발되었다.

그림 2.

그림 2는 수직 평면 MOSFET의 단면인데 배선도와 단면을 보여주고 있다. 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터는 하나가 아니라 두 개의 소자를 포함하고 있지만 크게 복잡하지는 않다. 그림 4는 MOSFET이 바이폴라 트랜지스터를 구동하는 방식을, 그림 3은 실리콘에 구현된 소자의 수직 구조를 나타낸다.

그림 3.

그림 4.

MOSFET의 스위칭 주파수가 더 높기 때문에(그래서 인덕터도 더 적다), 비교적 낮은 전류와 빠른 스위칭 동작 또는 선형 특성의 I-V를 필요로 하는 애플리케이션은 통상 MOSFET를 이용해 구축되며 반면에 높은 이득과 높은 전류 그리고 적정 스위칭 동작을 필요로 하는 High Power 애플리케이션은 통상 IGBT를 사용해 구축된다. 브레이크다운 전압의 조절이 용이하며, 높은 전원 시스템용으로 가장 흔한 값은 1200V, 1700V 그리고 3500V이다. 이들 수치는 상업적으로는 말할 것도 없고 MOSFET로서는 거의 불가능하다.

이들과 이상적인 스위치 사이의 큰 차이는 어디서 나타나는 것인가? 무엇보다도 실제 스위치를 구동하기 위해서는 어느 정도의 전원이 필요하다. 이러한 전원은 게이트 드라이버가 공급해야 한다. MOSFET와 IGBT가 커패시티 부하를 나타내므로 필요한 전원은 게이트 커패시턴스, 소요 구동 전압, 그리고 스위칭 주파수로 계산할 수 있다. 바이폴라 트랜지스터는 베이스전류를 필요로 하며 IGBT의 경우 이는 고 전원 레일에서 이를 취하며 부하로 흐른다. 이 전원이 상당히 높기 때문에 바이폴라 트랜지스터가 오늘날에는 극히 소수의 경우에만 스위치 모드 전원공급장치에 사용된다.

게이트가 커패시티 부하를 나타내므로 게이트 드라이버가 스위치 될 때 하이 피크 전류가 발생될 수 있다. 이러한 피크 전류는 메인 스위치의 스위칭 속도에 직접적인 관계가 있는데 유익할 수도 있고 해로울 수도 있다. 통상 빠른 스위칭 속도를 원하는데 그 이유는 소자가 선형 영역(완전한 온과 오프 사이)에서 소모하는 시간이 점점 적어지기 때문이다. 그러나 회로 내에서 전류 변화 dI/dt가 빨라질수록 바람직하지 않은 역효과가 나타나는데, 스위치 또는 기타 컴포넌트를 파괴할 수 있는 하이 피크 전압이 그 예이다. 그리고 스위칭 속도가 빠를 경우 불가피하게 전자기 방출이 나타나는데 규제에 맞추기 위해서는 이를 필터링할 필요가 있다.

이상적인 스위치와 MOSFET 또는 IGBT 사이의 또 다른 차이점은 두 소자의 온 저항이 0이 아니기 때문에 전도 손실이 나타난다는 점이다. IGBT의 경우 더 나빠서 소자에 다소의 일정전압이 전압강하되어 온 상태 손실이 나타나는데 이는 특히 부하가 낮을 경우 매우 높을 수 있다. 세 번째 차이는 소자의 상태가 온에서 오프로 또는 그 반대로 변할 때 정확하게 소자 내의 기생 커패시턴스가 에너지를 저장하고 방출한다는 점이다. 이러한 손실은 상당히 클 수도 있으며 부하가 걸리지 않았을 경우에도 전력 소모가 나타날 수 있다.

본래 추구하는 것이 전원 서브시스템의 효율 개선이므로 가장 영향력이 큰 것은 전원 스위치이며 여기서는 이들 3 가지 효과가(게이트 드라이브, 스위칭 및 전도 손실) 개선의 여지를 제공한다. 그렇다면 새로운 것이 무엇인가? 그림 5와 그림 6은 평면에서 수직 및 수퍼 junction MOSFET의 다양한 소자 구조의 경로를 보여주고 있다.

그림 5.

그림 6.

그림 5는 고전적인 평면 MOSFET를 보여주고 있으며 이와 비교되는 그림 6은 다중 에피택셜 레이어로 제조된 수퍼 junction MOSFET를 보여주고 있다.

해결방법

무어의 법칙은 여기에서는 적용되지 않는다. 리소그래피 장비가 개선되면 소자 구조는 감소하고 보다 많은 능동형 트랜지스터가 동일한 면적 내에 탑재될 수 있다. 그러나 두 가지 효과가 이를 제한한다. 첫째는 전기장이 특정 강도 미만으로 유지되어야 한다. 그렇지 않으면 소자 구조가 내적으로 파괴된다. 두 번째로는 과 전압이 소자에 적용될 때 제어된 방식으로 에너지를 흡수하는 것이 바람직하며 이는 소자를 파괴하지 않기 위해 특수한 구조뿐 아니라 충분한 실리콘 크기가 필요하다.

그러나 모든 상황이 나쁜 것은 아니다. 개별 트랜지스터 셀(통상 여러 열의 형태로 정렬)의 크기 감소와 함께 온 저항이 크게 향상될 수 있다. 그래서 주어진 RDSON 값에 대해 칩은 훨씬 더 작아지며 비용대비 효과가 보다 커질 뿐 아니라 필요한 게이트 드라이브 전원도 적어진다(이는 또한 게이트에서의 내부 커패시턴스를 감소시키는 소자 구조의 개선에 의해 서도 이루어진다). 오늘날 전원 MOSFET는 85mOhm 미만의 온 저항에서 600V의 브레이크다운 전압(TO220 패키지의 경우)이 가능하며 이는 이 특정 지점에서의 전력 손실을 이전 세대의 제품보다 2배 이상 감소시킨다.

수직형 트랜지스터에서 벌크 반도체 소자의 저항 감소를 통해 추가적으로 상당한 개선이 이루어진다. 전원 MOSFET에서 대부분의 작용은 표면으로부터 단 몇 마이크로미터에서 나타나며 그 두께는 기계적 취급을 위해 필요하며 디플레이션 존이 소자의 깊이까지 연장되도록 허용하고 최대의 전기장 강도를 초과하지 않도록 한다. 웨이퍼를 보다 얇게 만드는 데 있어 상당한 개발이 이루어졌다는 사실은 놀랄 일이 아니며 이는 취급 방식의 개선과 관련하여 전류 경로에서 불필요한 저항을 제거하기 위한 것이다. ‘수퍼 junction’ MOSFET라 지칭되는 보다 새로운 소자구조에서는 소자의 n-도핑이 증가되어 이 저항을 한층 더 감소시키며 이는 소자의 벌크 구조 내에 도입되어 있는 p-도핑으로 상쇄되어 전반적인 전하 균형이 유지된다.

IGBT의 경우 트렌치 기술을 적용하여 온 칩 측면 절연 구조의 크기를 감소시키면 칩의 크기가 감소되면서 성능은 그대로 유지된다. 그러나 이들 트렌치는 상당한 절연 전압의 지원을 필요로 하기 때문에 이러한 기술적 단계는 달성이 쉽지 않다. 결과는 이전 세대의 제품과 비교할 때 전도 손실이 25% 낮아지고 스위칭 손실은 8% 낮아진다. Heating 애플리케이션 부문에서 IGBT 기반의 인덕션 히터 사용이 널리 확산되고 있으며 그 효율은 40% 이하에서 90% 이상으로 개선되었다. (induction heater는 난방용이 아니다.)

효율성 높은 신형 스위치

이러한 신 소자들이 어떠한 애플리케이션을 이루어 낼 것인가? 오늘날 에너지 절약과 새로운 규제가 그 어느 때보다 중요하게 대두되고 있다. 이러한 규제들은 기존의 회로와 소자로도 해결될 수 있다. 그러나 기존의 비용 수준을 유지하면서 동시에 이를 이룰 수는 없다. 페어차일드반도체가 공급하는 이러한 신형 스위치들은 최첨단의 비용 대비 성능 비율을 제공하며 이는 전원 서브시스템을 더 효율적으로 만들도록 소속 기업과 고객들의 요구를 받고 있는 많은 R&D 엔지니어들의 삶은 보다 편안하게 만들어 준다.

이들 보다 작아진 신형 소자들은 실제로 다중 칩 패키지의 전원 서브시스템 통합을 효율적으로 가능하게 함으로써 합리적인 전원 수준을 커버한다. 이전의 기술을 사용하는 경우 전원은 항상 너무 많은 제약을 받고 있는데 그 이유는 패키지의 열 제한 및 이들 솔루션들의 과잉 열이 의미가 없기 때문이다. 이것이 현재는 변화하고 있다. 주로 동작 제어, 인덕션 가열 및 용접 애플리케이션을 위한 다중 IGBT 모듈, 그리고 FPS 전력 범위를 넘어서는 최초의 전원 공급장치 모듈이 이미 페어차일드반도체에서 공급하고 있으며 더 많은 제품들이 공급될 것이다.

전력 서브시스템에서 가장 문제가 되는 첨단 기술의 개선 역시 가능하다. 이러한 신기술을 개발하고 이들이 상상 가능한 모든 상황하에서 이것이 동작한다는 것을 확인하기에는 수년이 걸릴 것이며 수백만 달러가 소요될 것이다. 이는 실제로는 모호한 어떤 것이 아니다. 그러나 그 가치는 있다. 점점 더 많은 제품들이 에너지를 절약하고 최종 사용자에게 더 많은 이익을 돌려주며 이 과정 속에서 지구를 살리기 위해 개발되고 있기 때문이다. 단지 스위치가 문제일 뿐이다.

스위치 모드 토폴로지의 동작 방식

그림은 스위치 모드 컨버터의 기본 개념을 보여주고 있는데 여기서 스위치는 주기적으로 꺼지고 켜지며(예; 60 또는 100kHz에서) 이로 인해 구형파가 낮은 전압으로 변환된다. 이 스위치가(이상적으로는) 완전하게 켜지고 꺼지면 이로 인한 스위치에서의 손실(전도, 스위칭 및 게이트 드라이브 손실)의 크기는 작다. 인덕터는(이상적으로) 이 과정에서 손실을 유발하지 않지만 작은 손실(코어 및 와인딩 저항)은 존재한다. 다이오드는 소위 프리휠링 다이오드로서 인덕터에 지속적인 전류 흐름을 허용할 필요가 있다.

그림에 나타나 있는 바와 같이 구형파의 아래 면적은 출력에서의 면적과 동일한데 모든 사각형이 연결되어 평탄한 출력 전압을 생성한다. 이른 바 선형 레귤레이터의 경우 본 토폴로지의 선행 모델인데 스위치가 가변저항으로 대치되었고 인덕터가 빠졌다. 가변저항값은 회선과 부하의 변화에 따라 변할 필요가 있고 통상적으로 능동형 제어 회로는 출력 전압과 함께 이를 구동한다. 손실은 I2R에 비례하며 전류 및 입력/출력 전압 차에 따라 증가하여 일거에 비실용적인 모델이 되었다.

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