[기고] 적합한 반도체 스위치 기술을 어떻게 선택할 것인가
  • 2020-12-07
  • 글 / Francesco Di Domenico, Principal Application Engineering, 인피니언 테크놀로지스


온 저항은 낮추고 열 전도성은 높이는 것은 SMPS 애플리케이션의 향상된 시스템 효율과 전력 밀도를 의미한다. Si 디바이스를 와이드 밴드갭 디바이스로 교체하기 위해서는 단순히 디바이스를 교체하는 것이 아니라 여러 가지 사항을 고려해야 한다.



들어가며

와이드 밴드갭 기술이 빠르게 발전함으로써 GaN이나 SiC가 기존의 Si 스위칭 디바이스에 비해서 이론적으로 더 우수한 성능을 달성하게 되었다. 온 저항은 낮추고 열 전도성은 높이는 것과 같은 향상을 이룸으로써, 최종 애플리케이션은 효율을 높이고 더 높은 온도로 동작할 수 있게 되었다. 이는 SMPS 애플리케이션의 향상된 시스템 효율과 전력 밀도를 의미한다. 하지만 Si 디바이스를 와이드 밴드갭 디바이스로 교체하기 위해서는 단순히 디바이스를 교체하는 것이 아니라 여러 가지 사항을 고려해야 한다. 또한 여전히 Si가 더 적합한 애플리케이션도 있다.

고성능 SMPS 설계

업계는 지난 몇 년 동안 고성능 SMPS의 성능 요구와 시장의 가격 요구를 적절하게 조화시킬 수 있는 일련의 스위칭 기술에 집중해 왔다. 이는 PFC(역률 보상) 스테이지와 절연형 고전압 DC/DC(HV DC/DC) 컨버터에도 적용된다. 가장 먼저 할 일은, 다양한 스위치 기술을 비교하고 GaN이나 SiC가 Si 솔루션에 비해서 이점을 제공하는지 확인하는 것이다.

가장 먼저 알아야 할 점은, Si 수퍼정션과 SiC MOSFET은 비슷하게 수직적 구조인데 GaN MOSFET은 수평적 구조라는 것이다. 다시 말해서 Si 및 SiC 디바이스는 전류가 디바이스를 통해서 상단에서 후면의 서브스트레이트로 흐르는데, GaN은 수평적 구조로 소스, 게이트, 드레인이 개별적 금속 층들을 통해서 표면으로 연결되어 있고 전류가 디바이스 상에서 횡으로 흐른다(그림 1). 도핑을 하지 않고 불순물 수준이 낮은 이 결정 구조는 전자 이동도가 높다. 그래서 이것을 HEMT(고 전자 이동도 트랜지스터)라고 한다.



이와 같이 구조 차이에 서로 다른 반도체 소재를 사용함으로써 각기 다른 성능 특징을 나타낸다. 전도성(RDS(on)) 손실과 스위칭 손실을 결합한 성능 지수(FoM)를 사용해서 성능 특성을 비교해 볼 수 있다.

드레인-소스 전하(Qoss), 복구 전하(Qrr), 게이트 전하(Qg)에 있어서는 SiC MOSFET이 Si 수퍼정션 디바이스에 비해서 FoM이 더 우수하다. 하지만 출력 커패시턴스로 저장되는 에너지(Eoss)에 있어서는 Si 디바이스가 더 우수하다. 한편으로 GaN MOSFET은 모든 면에서 다른 기술들보다 우수하다. 하지만 큰 그림에서 이해하려면 좀더 자세히 들여다볼 필요가 있다.



SMPS는 갈수록 더 축소되는 공간으로 갈수록 더 높은 전력을 요구하고 있다. 그러면 부품들 사이에 공간이 줄어들고 동작 시에 온도를 높인다. 이것은 RDS(on)에 영향을 미친다. GaN HEMT는 불순물 수준이 낮으므로 Si 디바이스에 비해서 RDS(on)이 온도에 대한 종속성이 낮다. RDS(on)이 온도에 대한 종속성이 가장 낮은 것은 SiC 디바이스이다.

25℃에서 정규화했을 때, 100℃에서 SiC 디바이스의 RDS(on)은 GaN HEMT 보다 30% 낮고 Si 수퍼정션 디바이스보다는 50% 낮다(그림 3). 그러므로 이 시스템 동작 온도에서 RDS(on)이 70mΩ인 Si 수퍼정션 디바이스가 100mΩ인 SiC 디바이스보다 FoM이 더 나쁠 수 있다. 이것은 SMPS의 전반적인 효율에 영향을 미친다.



사례 분석: 3kW 텔레콤 SMPS


텔레콤 전원장치처럼 계속해서 가동되는 애플리케이션은 끊임 없이 가동 비용을 절감할 수 있는 방법을 찾고 있다. 오늘날 97% 효율이 표준으로 정착하고 있으며, 98%이면 프리미엄 제품으로 여겨진다. 설계 엔지니어들은 PFC와 HV DC/DC 스테이지를 합쳐서 요구되는 시스템 효율을 달성하도록 적합한 토폴로지와 반도체 기술을 선택해야 한다.

48Vout 3kW 텔레콤 SMPS가 50% 부하에서 98%의 ηpeak를 달성하기 위해서 PFC 스테이지는 99% 효율을 달성해야 한다. 그러기 위해서 흔히 풀 브리지나 하프 브리지 같은 토템폴 토폴로지에 연속 전도 모드(CCM) 또는 삼각 전류 모드(TCM), 듀얼 부스트, H4/H-브리지를 결합하는 접근법을 사용한다. 그런데 최고 수준의 효율을 달성하고자 할 때는 조금이라도 더 적합한 반도체 기술을 선택해야 한다. 풀 브리지 CCM 토템폴에 GaN 디바이스를 사용하면 효율이 99.3%로, TCM 토템폴 디자인에 Si 수퍼정션 MOSFET을 사용해서 달성하는 99%보다 약간 더 높다(그림 4).



하지만 최신 GaN 및 SiC 반도체 기술은 다른 토폴로지에서는 그렇게 효과적이지 않을 수 있다. GaN 기반 CCM 하프 브리지 토템폴은 2개 스위치를 절약할 수 있으나, 최대 98.8% 효율로 SMPS 차원의 98% 효율 목표를 달성하기에 적합하지 않다. CCM 토템폴 토폴로지에 SiC 스위치를 사용하는 것도 약 98.6% 효율을 달성하므로 마찬가지다(그림 5).



그러므로 이들 신기술이 이론적인 성능은 더 우수하더라도, 어떤 토폴로지로는 수퍼정션 Si MOSFET이 강점을 발휘하고 더 나은 선택일 수 있다. 또 한 가지 덧붙이자면, TCM 토템폴 PFC 토폴로지가 비교 대상 토폴로지들 중에서 비용이 가장 비싸고 제어가 가장 복잡한 토폴로지이다.

또 한 가지 중요한 점은, 오늘날 실리콘 스위치는 계속해서 가격 우위를 점하고 있으며 설계 엔지니어들이 이 기술로 많은 설계 경험을 쌓고 있다는 것이다. 하지만 이러한 Si 기반 PFC 토폴로지는 목표 효율을 달성하기 위해서 설계와 제어가 복잡해진다는 점 또한 간과하지 말아야 한다. 이와 비교해서 와이드 밴드갭 디바이스는 더 적은 노력으로 목표 효율을 달성할 수 있다.

이번에는 HV DC/DC 스테이지를 보자. 전체 시스템 차원에서 50% 부하에서 98%의 목표 효율을 달성하기 위해서는 HV DC/DC 스테이지가 50% 부하에서 최소한 99.1% 효율을 달성해야 한다. 하프 브리지 LLC는 가장 단순하면서 디자이너들이 익숙하게 알고 있는 토폴로지로, Si, GaN, SiC 모두 사용하기 적합하다. 다만 한 가지 제한점은, 97% 이상의 SMPS 피크 효율(50% 부하)을 제공하지 못한다는 것이다. 이 효율은 동일한 부하 조건에서 PFC 성능에 의해서도 좌우된다.

3상 인터리브 하프 브리지 LLC를 사용하면 50% 부하에서 충분한 여유를 두고 98%의 SMPS 피크 효율을 확실히 달성할 수 있다. 하지만 이 토폴로지로는 GaN이나 SiC 스위치가 특별히 더 유리하지 않으므로 이러한 스위치를 사용할 필요가 없다. 또 한편으로 3개 트랜스포머를 단일 코어로 통합하면 디자인 밀도 측면에서 유리할 수 있다. 하지만 이것은 만만한 작업이 아니며 자기 소자와 관련한 상당한 전문 지식을 필요로 한다.

2상 인터리브 풀 브리지나 하프 브리지 LLC 토폴로지는 와이드 밴드갭을 사용하는 것이 적합할 수 있다. 이들 토폴로지는 인터리브 방식에 의해서 전체적인 회로 상으로 열을 분산시킬 수 있다. 하프 브리지 토폴로지는 부품 수를 줄이고 제어를 단순화할 수 있으며, 풀 브리지 토폴로지는 리플 제어를 향상시키고 열을 더 잘 분산시킬 수 있다.

전력 밀도를 중요하게 요구하는 경우에는, HV DC/DC 스테이지를 더 높은 스위칭 주파수에서 동작함으로써 자기 소자의 크기를 작게 할 수 있다. 대신에 이렇게 하면 효율을 떨어트리는데, 이 효율 저하는 Si, Gan, SiC가 차이가 있을 수 있다. LLC 공진 주파수를 300kHz와 500kHz로 높였을 때 Si가 가장 크게 영향을 받으며, SiC는 영향을 덜 받는다. GaN 기술은 500kHz에서도 인상적인 성능을 달성한다는 것을 알 수 있다(그림 6).



결과적인 전력 밀도 향상은 얼마나 많은 체적을 줄이느냐에 따라서 결정될 것이다. SMD, 보조 부품들, 보조 전원은 거의 영향을 받지 않는다. 체적을 줄이는 것은 주로 트랜스포머와 인덕터, 전해 커패시터, 전력 반도체, 히트싱크, 냉각 장치에서 일어난다. 100kHz에서 300kHz 공진 주파수로 전환하면 최대 30%까지 체적을 줄일 수 있다.

어떤 기술을 선택할 것인가?

단순히 FoM이 더 우수한 스위칭 기술을 선택하는 것으로는 충분하지 않다. Si 스위치는 지금까지 많은 설계 및 구현 경험을 쌓아왔으며, 앞으로도 까다로운 SMPS 디자인에 우선적으로 고려될 것이다. Si 스위치는 일부 경우에 가장 우수한 효율을 달성할 수 있기 때문이다.

하지만 특정한 토폴로지나 또는 전력 밀도(GaN)나 가혹한 고온 환경 동작(SiC) 같은 특정한 요구사항을 충족해야 할 경우에는 GaN이나 SiC 같은 와이드 밴드갭 기술이 더 유리할 수 있다. 반도체 스위치를 선택할 때 단순히 새로 나온 최신 기술이 더 나을 것이라고 단정하지 말고 열린 마음으로 각각의 토폴로지와 애플리케이션의 필요에 따라서 적합한 기술을 선택해야 한다.
 

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