전자 제품은 소자 및 제품 프로세스의 진보와 맞물려 끊임없이 반도체 개선을 촉진하고 있다. 전력은 모든 산업군의 핵심 요소 중 하나로 제품의 전체 효율성을 개선함과 동시에 첨단 기능과 특성을 갖추는데 반드시 필요하다. 2014년 주요 반도체사가 전하는 전력 전자에 대해 알아본다.
오토모티브 전력 관리, 포괄적인 접근 필요

IR, 올레그 케이겐(Oleg Khaykin) President & CEO
최근의 전력 관리는 설계 안건이 급속히 많아지고, 에너지 효율이 뛰어난 애플리케이션의 수요가 늘어남에 따라 엔지니어가 가장 최우선으로 꼽는 부문이다. 또한 높은 전력 레벨과 전력 밀도의 요구는 시스템이 더 많은 기능을 제공할수록 다양한 종류의 디바이스로 출시되고 있다.

예를 들면 자동차 OEM은 오토모티브에서 파워트레인의 전기화로, 생산하는 차량에 엄격한 배출 규제 및 목표를 달성하기 위해 일부 자사의 플랫폼에 HEV(hybrid electric vehicle)와 EV(electric vehicle)를 계속해서 추가하고 있다. 하지만 HEV와 EV의 대량 채용은 비용, 크기, 무게, 신뢰할 수 있는 전기 파워트레인 시스템에 따라 크게 달라진다. 따라서 성능과 비용 목표를 달성하기 위해 차량 전용의 한층 진보한 반도체 디바이스와 패키징 콘셉트 개발 등, 혁신적이고 포괄적인 접근이 필요하다.


디지털 전원 관리 기술의 확대

IR은 오토모티브 업계의 고객과 긴밀히 협력해 IGBT(CooliRIGBT™)와 전원 MOSFET(COOLiRFET™)이 포함된 COOLiR™로 불리는 차량용 고출력 반도체 플랫폼을 개발했다. 또한 오토모티브 시장의 과제에 대응하기 위해 새로운 플랫폼을 사용한 IGBT와 MOSFET의 새로운 제품군을 개발할 예정이다. 몇 년간 디지털 전원 관리 기술이 틈새 기술로 사용된 후, 빠르게 보급될 것으로 보인다. 또한 앞으로 10년간 에너지 효율 제품에 주력해 DC-DC 컨버터와 같이 애플리케이션의 디지털 전원 관리 사용이 확대할 것으로 예상된다.
다양한 애플리케이션의 에너지 절감

IR은 DC-DC 애플리케이션을 포함하는 고성장의 서버 시장에서 고성능 CHiL짋 디지털 IC와 PowIRstage짋 멀티-페이즈 디바이스를 제공하고 있다. 산업 및 소비자 분야에 영구 자석 변속 모터를 사용하면 높은 에너지 절감을 달성하고 향상된 성능을 제공할 수 있다. IR의 iMOTION™ 플랫폼과 같이 통합된 설계 플랫폼은 컨트롤 알고리즘 디지털 IC와 아날로그 전원 기능, 산업과 가정용 기기 애플리케이션의 에너지를 60% 절감할 수 있는 가변의 모터 속도를 사용해 소프트웨어 및 설계 툴 개발을 단순화한다.

동시에 비용 효율이 높은 고품질, 내구성, 고성능 GaN 기반 전력 디바이스의 가용성을 지원하여 전력 전자 밀도를 혁신적으로 개선할 수 있다. 따라서 효율적인 비용으로 앞으로 몇 년간 애플리케이션 또는 마켓에 넓은 범위를 차지할 전망이다. 특히 높은 효율 전원 공급 장치, 고밀도, 효율적인 영구 자석 기반의 모션 컨트롤, 더 가볍고 정밀한 전기 차량뿐만 아니라 차세대 전자를 위한 DC-DC 전원 장치를 통합해 GaN 기반의 전력 디바이스가 업계의 혁명을 일으킬 것이다.



웨어러블, 전력 효율이 중요
TI, 데이브 프리먼(Dave Freeman) 전력 관리부문 CTO
2014년 전력 관리 분야의 중요 이슈는 웨어러블 일렉트로닉스와 오토모티브 일렉트로닉스를 꼽을 수 있다. 이 분야는 변하지 않는 확실한 테마가 있다. 그것은 고효율과 고전력, 고밀도 그리고 가격 대비 높은 가치이다.

먼저 웨어러블 일렉트로닉스 애플리케이션은 다양한 관점의 작업이 필요하며, 에너지 드레인(energy drain) 없이 휴대형 에너지 관리 시스템을 관리하는 것이 중요하다. 웨어러블 일렉트로닉스 설계자는 전력 조건을 낮추기 위해 노력을 기울이지만, 전력 관리 시스템에 많은 시간을 허비하는 것을 원치 않는다.


예를 들어 나노 암페어의 100 s를 위해 1 uA 미만의 대기 전류를 가진 솔루션이 필요할 경우, 이 시스템은 피크 대 평균 전력비(peak-to-average power ratio)를 가지는 경향이 있다. 이러한 비율은 100보다 클 수 있다. 이것은 넓은 부하에서 높은 효율을 갖도록 전력 관리 솔루션을 구동하기 때문이다. 어떤 경우에는 고전력 방식 및 고전력 듀티 사이클 제품이 더 낮은 전력의 듀티 사이클 및 저전력 요건과 거의 같을 수 있다. 따라서 두 가지 방식 모두 효율이 중요하다. 일부 웨어러블 시스템은 다른 전력 조건을 위해 3개 이상의 모드를 가지고 있기도 하다.
서브-시스템의 최적화가 필수

실용적인 웨어러블 전자기기는 긴 수명과 높은 기능성 등의 사용자 기대를 충족하기 위해 모든 서브-시스템의 최적화가 필요하다. 따라서 TI는 프로세싱과 통신처럼 시스템의 에너지 수요를 최소화하는 종합적인 솔루션에 초점을 맞추고 있다. 이들 에너지 수요는 더 나은 목표 전력 요건에 대한 TI의 전력 관리 비즈니스에 도움이 된다.

또한 이것이 오토모티브 일렉트로닉스에 도입됐을 때 더 많은 컨슈머 전자장치가 추가될 것이다. 여기에 향상된 오토모티브 성능 및 안전, 예를 들어 고체 조명(Solid State Lighting, SSL) 및 전자 안정성 시스템(electronic stability system)이 포함된다. 게다가 다중 전원 레일은 바로 그런 12 V 및 48 V와 같은 현재의 자동차에 통합되기 시작했다. 48 V 레일은 고전력 디바이스에 제공된다. 하지만 하나의 레일은 하중에 의한 배터리 전압의 변화, 온도, 충전 상태 등으로 넓은 인풋 DC/DC를 필요로 한다. 예를 들어 12 V 배터리는 대략 8 V에서 17 V의 범위를 가진다. 하지만 주문 시간 범위의 허용으로 설계는 6 V ~ 63 V를 허용할 필요가 있다.



또 다른 요구 사항은 낮은 전도성 전자파 간섭(electroma-gnetic interference, EMI)이다. 그러나 현실적으로 완전히 EMI를 배제할 수 없다. 따라서 차량용 DC/DC 컨버터는 EMI의 생산을 최소화하도록 설계되어야 한다. 마지막으로 효율과 전력 밀도는 차량 연비 감소에 중요하다. 차량 안에 전자 기기의 수가 많을수록 전력 장치에 소비되는 연료를 1/2 갤런으로 줄일 수 있다.

40 V ~ 100 V NexFET™ MOSFET

TI는 지난 3월 전력 MOSFET 디바이스 14종을 출시하며 자사의 NexFET 포트폴리오를 확장했다. 새롭게 출시된 제품은 40 V ~ 100 V에 이르는 입력 전압을 지원하며, TO-220 및 SON 패키지로 제공된다. 이들 고효율 NexFET 디바이스는 40 V, 60 V, 80 V, 100 V N채널로 제공되며 뛰어난 열 성능을 갖춰 다양한 유형의 고전류 모터 제어 및 전원 애플리케이션에 적합하다.

새로운 80 V 및 100 V NexFET 디바이스 2종은 높은 게이트 전하를 유지하면서도 TO-220 패키지로 업계 최저의 온-저항을 달성해 개발자들은 더 높은 전류에서 전력 변환 효율을 높일 수 있다. CSD19506은 최대 80 V의 입력 전압에서 2.0 mW의 RDS(on)을, CSD19536은 100 V의 입력에서 2.3 mW의 RDS(on) 값을 가진다. 두 제품 모두 플라스틱 패키지를 채택하여 높은 애버랜치(avalanche) 성능을 제공하므로 스트레스가 높은 모터 제어 애플리케이션에 적합하다. 또한 개발자들은 TI의 WEBENCH짋 온라인 설계 툴을 사용하여 손쉽게 최신 디바이스를 선택하고 자신만의 전원 설계를 시뮬레이션할 수 있다.

NexFET 전력 MOSFET

NexFET 전력 MOSFET 기술은 고전력 컴퓨팅, 네트워킹, 산업용 및 전원 공급 장치 애플리케이션의 에너지 효율을 높여준다. 이러한 고주파, 고효율의 아날로그 전력 MOSFET은 시스템 설계자가 최첨단의 DC/DC 전원 변환 솔루션을 이용할 수 있도록 지원한다.
전체 효율성 향상이 목표
인피니언, 딘 헨더슨(Dean Henderson) 전력 관리 디렉터
전 세계 전력 반도체 트렌드는 전체 에너지 소비와 효율을 중심으로 빠르게 변화하고 있다. 따라서 전력 전자 엔지니어는 더욱 커진 시스템 설계의 중요성은 물론, 혁신에 대해 더 많은 압박을 받는다.

전력 전자 설계의 주된 목표는 전체 효율성 향상과 최적의 시스템 풋-프린트를 달성하는 데에 있다. 이 같은 목표를 실현하기 위해 반도체 업체는 장치 기술과 전문가 지원 리소스에 대한 접근을 중심으로 움직이고 있다.


2014년 인피니언은 칩을 통한 운영, 모듈 통합, 설계를 위한 시스템 및 서브-시스템 레벨의 접근 실행, 새로운 기술과 동시에 프로세스 개선을 지속해서 향상할 예정이다. 이 같은 개발은 더 빠른 타임-투-마켓(time-to-market), 단순화된 설계, 그리고 비용 절감을 포함한다. 최근 인피니언이 출시한 OptiMOS™ 중간-전압 MOSFET 제품군(200/250 V)은 Hard commutation(전압, 전류의 중첩/천이구간) 시에 최적화된 바디 다이오드를 내장하여 향상된 디바이스 견고성을 제공하고 전압 오버슈트를 낮춰 역 복구 손실을 감소시킨다.

새로운 OptiMOS FD 시리즈는 향상된 하드 정류 견고성을 달성함으로써 현재 시장에 출시되어 있는 기존의 200 V 및 250 V 제품들과 비교해서 더 높은 dv/dt, di/dt, 전류 밀도 등과 같이 더 혹독한 조건에서 사용할 수 있다. 따라서 더 사용하기 편리하고 설계 작업을 간소화할 수 있다. 이 뿐만 아니라 OptiMOS FD 시리즈는 경쟁 제품들과 비교해서 온-상태 저항(RDS(on))은 45퍼센트, FOM(Figure of Merit)은 65퍼센트까지 낮춤으로써 높은 효율과 전력 밀도를 달성한다. 한편 OptiMOS FD 200 V 시리즈는 D2PAK(RDS(on)=11.7 mOhm) 제품과 TO-220(RDS(on)=12 mOhm) 제품을 포함한다. OptiMOS FD 250 V는 TO-220(RDS(on)=22 mOhm)으로 제공된다.

패키지 기술의 역할

혁신적인 칩과 모듈 단의 패키지 기술은 디바이스 성능에서 큰 역할을 차지한다. 인피니언은 중간-전압 공급 장치를 위해 블레이드 칩-임베디드 패키지 제공을 확대할 예정이다. 이 멀티-칩 패키지는 컴퓨터 및 통신 시스템에서 필요한 높은 전력 밀도를 달성하면서도 풋-프린트를 30% 감소할 수 있다.

엔지니어들은 고압 산업용 전력 시스템에서 기존의 열전도 그리스(grease)보다 열 저항이 74% 낮출 수 있는 위상 변화 접촉 연전도재(phase-change Thermal Interface Material)와 함께 IGBT 모듈이 패키지된 확장된 포트폴리오를 사용하게 될 것이다. 특히 인피니언은 지속된 기술 개발과 프로세스 개선으로 전력 반도체 디바이스를 넘는 고성능을 제공해 엔지니어링 혁신을 추진할 예정이다.
차세대 IGBT, 낮은 시스템 비용 제공

전기적 및 열 저항은 최신 세대의 IGBT와 새로운 SiC 다이오드 패밀리에서 최적화되고 있다. 서브스트레이트 두께는 SiC 디바이스의 110 nm에서 최신 IGBT5 디바이스의 거의 절반으로 더 나은 개선을 위해 로드맵을 정립했다. 동시에 대량의 MOSFET과 IGBT 제품군은 소비자와 상업, 산업 시장 전체에서 수요 확대를 지원하기 위해 300 mm 웨이퍼에서 제조될 것이다.

생산 경험은 SiC와 같은 화합물 반도체 사용으로 꾸준히 성장하고, 새로운 애플리케이션이나 현재의 실리콘 장치가 점유하는 시장에서 더 세분화될 것이다. 동시에 차세대 IGBT와 SJ MOSFET는 효율성과 낮은 시스템 비용을 제공하고 풍부한 애플리케이션을 증가시킬 것이다. 이 유형의 장치는 전기 밸류 체인 및 모빌리티 애플리케이션의 모든 측면에서 효율을 위한 글로벌 목표를 달성하기 위해 중요한 역할은 물론, 전력 전자 설계 엔지니어를 위한 기회와 지속적인 성장을 위한 든든한 기초를 제공할 것이다.