최근 LCD 패널 TV의 백라이트였던 CCFL을 LED가 급속도로 대체하고 있다. 대형 LCD TV의 LED 백라이트는 충분한 밝기를 만들기 위해 많은 직병렬의 LED 배열이 필요하며, LED 배열에 따라 백라이트를 에지형과 직하형으로 구분할 수 있다. LED의 개수를 줄이기 위해 에지형 LED 백라이트가 일반적으로 사용되며, 에지형 LED 백라이트에서는 직렬로 연결된 LED를 구동하기 위해 높은 효율을 갖춘 고승압 방식의 DC-DC 컨버터가 요구된다. 본 글에서는 페어차일드의 Mid-voltage Shielded PowerTrench MOSFET 기술을 살펴본다.


최근 저전력, 긴 수명 및 넓은 색재현성에 대한 요구가 증가함에 따라, 기존 LCD(liquid crystal display) 패널 TV의 백라이트였던 CCFL(cold-cathode fluorescent lamp)을 LEDs(light-emitting diodes)가 급속도로 대체하고 있다.
대형 LCD TV의 LED 백라이트는 충분한 밝기를 만들기 위해 많은 직병렬의 LED 배열이 필요하다. 이러한 LED 배열에 따라 (그림 1, 2)와 같이 백라이트를 에지형과 직하형으로 구분할 수 있다.
LED의 개수를 줄이기 위해 에지형 LED 백라이트가 일반적으로 사용되며, 에지형 LED 백라이트에서는 직렬로 연결된 LED를 구동하기 위해 높은 효율을 갖춘 고승압 방식의 DC-DC 컨버터가 요구된다.
페어차일드의 Mid-voltage Shielded Gate PowerTrench 기술은 Qg(gate charge)의 증가 없이 rDS(ON)(on-resistance)을 작게 만들 수 있다. 이는 고승압 DC-DC 컨버터의 전도 손실과 스위칭 손실을 감소시켜 높을 효율을 구현할 수 있다.
에지형 LED 백라이트 전원 설계
40인치 이상의 LCD TV에서는 (그림 3)과 같이 하나의 LED 스트링에 36개 정도의 LED가 직렬로 연결되므로 SMPS(Switching mode Power Supply)의 24V 입력을 LED 스트링에서 요구되는 120V까지 공급 가능한 고승압 DC-DC 컨버터가 요구된다.

커플드 인덕터 부스트 DC-DC 컨버터
커플드 인덕터(Coupled inductor) 부스트 DC-DC 컨버터는 전압 전달 비를 크게 하지 않고 높은 승압 이득을 얻을 수 있는 실용적인 방법 중 하나이다. 또한 커플드 인덕터의 권선 비를 이용하며 일반 부스트 컨버터에 비해 낮은 BVDSS MOSFET 스위칭 소자가 사용 가능하여 전력 손실을 줄일 수 있다.
커플드 인덕터 부스트 DC-DC 컨버터는 (그림 3, 4)와 같이 스위칭 주기 내에 두 가지 모드를 가지고 있다.
T0-T1 구간에서는 MOSFET이 턴 온이 되고, 자화 인덕터(Lm)에 입력 전압이 걸리므로 에너지를 선형적으로 저장한다. 이때 출력 다이오드는(Dout) 역 바이어스이므로 출력 커패시터(Cout)가 에너지를 부하로 전달한다.
T1-T2 구간에서는 MOSFET이 턴 오프되어 모든 자화 전류가 1차 측에서 2차 측으로 다이오드를 통해 인덕터에 저장된 에너지가 출력 부하로 전달된다.


전압 전달 비는 (식 1)과 같다:
여기서 D는 전압 전달 비이고 N은 커플드 인덕터의 권선 비이다:
Mid-voltage Shielded PowerTrench MOSFET
오늘날 TV 전원설계의 추세는 전력 손실을 줄여 효율을 높이는 데 있다. 이를 위해 Qg(gate charge)와 rDS(ON)이 낮은 스위칭용 전력 MOSFET을 선정하는 것이 중요하다.
페어차일드의 Shielded gate 구조는 Mid-voltage MOSFET의 BVdss를 구현하고 동시에 rDS(ON)에서 가장 큰 비중을 차지하는 REPI(epi resistance)을 감소시키는 것이 가능하다. (표 2)와 같이 이 기술은 Mid-voltage MOSFET 영역에서 더 큰 이점이 있다.
(표 2)는 기존 trench MOSFET의 100V 제품과 30V 제품의 rDS(ON) 성분 저항을 비교하였다. 100V MOSFET에서 epitaxial 에서 발생하는 저항이 가장 큰 부분을 차지한다. Shielded gate와 같은 charge balance 기술을 사용하면 Qg 또는 Qgd의 증가 없이 epitaxial 저항을 절반이상 줄일 수 있다.




The Charge Balance Technique
(그림 6)에서는 기존 Trench와 Shielded Gate Trench MOSFET의 구조를 비교하였다. Charge balance를 위해 Shield electrode 구조를 적용하여 내압 확보를 위한 epitaxial 영역의 길이를 줄인 결과 확연히 rDS(ON) 를 줄일 수 있다.
또한, (그림 6)과 같이 Shield electrode를 Gate electrode 아래로 설계하는 구조는 기존 Trench의 아래쪽에서 발생하는 Cgd 혹은 Crss를 Cgs로 대체할 수 있어 Cgd를 줄일 수 있다. 결국 이 구조는 Shielded electrode가 Drain을 기준으로 보았을 때 Gate electrode를 감싸는 형태이다.
(그림 7)에서는 기존 Trench 구조와 Shielded Gate Trench 구조에서의 Capacitive 성분을 동등한 rDS(ON)을 갖는 MOSFET에서 비교하였다. Crss를 획기적으로 줄인 결과 온 오프 구간에서의 전이 시간이 더 짧아지고, 이는 곧 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 다시 말하면, (그림 8)에서 보는 것과 같이 Qgd를 줄임으로써 고전압, 전류를 갖는 애플리케이션에서 전이시간을 최소화할 수 있고 이로 인해 스위칭 에너지 손실을 줄일 수 있다.




마지막으로, Shield 자체의 Rshield는 (그림 9)에서와 같이 저항, Cdshield는 커패시터로 작용하여 built-in R-C 스너버의 역할을 한다.
이러한 스너버 네트워크는 저전압에서 고전압으로 스위칭시 발생하는 EMI를 개선하고 dv/dt로 유기되어 발생할 수 있는 falsed turn-on 및 스위칭 전이시 발생되는 피크 전압을 줄일 수 있다.
페어차일드에서는 보다 낮은 스위칭 손실, 전도 손실 및 EMI를 실현할 수 있도록 low gate charge, low on-resistance 등 이러한 모든 특성을 갖는 Mid-voltage Shielded PowerTrench 게이트 기술(BVDSS: 60-150V)을 제공하고 있다.
커플드 인덕터 부스트 DC-DC 컨버터의 특성 개선
페어차일드의 100V Shielded PowerTrench MOSFET인 FDD86102와 기존 Trench 구조의 MOSFET을 에지형 40인치 이상에 적합한 24V에서 120V 승압비의 커플드 인덕터 부스트 DC-DC 컨버터에서 비교 실험하였다. 우선 두 제품의 특성을 (표 3)에서 비교해보면 rDS(ON), Qg특성이 월등히 뛰어남을 알 수 있다.







[그림11] Thermal performance Comparison-24VIN 120VOUT 300KHz 500mA IOUT(좌, Conventional:95.4℃ 우, FDD86102: 56.2℃)

(그림 9)는 FDD86102의 이러한 특성들이 기존 Trench 구조의 MOSFET과 비교하였을 때 실제 스위칭 손실 에너지를 얼마나 줄일 수 있는가를 보여주고 있다.
(그림 10, 11)에서는 FDD86102와 기존 Trench MOSFET의 효율과 온도를 비교한 결과이다. 스위칭 손실과 전도 손실을 최소화함으로써 최소 3.5%의 효율 개선과 최대 약 40℃의 온도 개선의 결과를 얻었다.
LCD TV에서 고효율과 낮은 온도 특성은 패널의 사이즈와 두께 측면에서 매우 중요하다. 일반적으로, LCD TV 전원 설계에서의 파워 소자, 즉 인덕터나 MOSFET의 온도는 상온 25℃에서 65℃를 넘지 말아야 한다.