SMPS 설계향상을 위한 차세대 스위칭 IC ‘SMPS IGBT’

[이흥선]

SMPS 설계향상을 위한 차세대 스위칭 IC ‘SMPS IGBT’





지금까지 모터 구동회로를 설계할 경우 IGBT를 스위칭 소자로 사용함으로써 시스템의 전력밀도를 높일 수 있었을 뿐만 아니라 시스템의 설계원가도 줄일 수 있었다. 최근 페어차일드가 발표한 차세대 IGBT 솔루션인 'SMPS IGBT'는 SMPS (Switch Mode Power Supply) 설계 시에도 이러한 이점을 제공해 준다. 이 글에서는 1.25kW Full-bridge DC-DC 컨버터와 450W Two-Switch 포워드 컨버터에서 파워 MOSFET을 SMPS IGBT로 대체할 경우의 평가결과와 'SMPS IGBT'와 그 이전 세대의 IGBT와의 차이점을 분석하고자 한다.


고전압 SMPS 분야에서 MOSFET을 스위칭 소자로 선택하는 것은 당연한 일이다. MOSFET의 턴-온 손실과 턴-오프 손실은 모든 동작온도 범위에서 거의 일정하며, MOSFET의 도통손실은 150KHz 이하의 동작주파수에서 지배적이다. 불행하게도 고전압 MOSFET의 도통손실은 매우 높고 졍션온도와 드레인 전류가 높아짐에 따라 훨씬 더 증가하는 단점을 지니고 있다.
이러한 단점들을 보상하기 위해서는 칩 사이즈가 보다 큰 MOSFET을 사용하거나 여러 개의 MOSFET을 병렬로 연결해 사용해야만 한다. 그러나 이러한 보상책들은 시스템의 설계비용을 높이고 전력밀도를 떨어뜨리는 결과를 초래하게 한다.
고전압 SMPS 분야에서 IGBT는 갈수록 스위칭 소자로서 광범위하게 사용되어지고 있다. 그 이유는 낮은 도통손실과 높은 전류밀도 및 높은 전력밀도 때문이다. 페어차일드 반도체는 최근 고주파, 고전압 SMPS를 위한 차세대 IGBT 솔루션인 ‘SMPS IGBT’를 출시했다. 이 제품은 특히 기존의 IGBT에 비해 턴-오프 손실이 50% 이하에 불과해 SMPS 설계시 MOSFET을 대체할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 시스템의 원가는 물론 전력밀도 및 설계효율을 개선시킬 수 있다.
고전압 MOSFET 바디 다이오드의 스위칭 특성은 특정 SMPS에서는 매우 중요한 역할을 한다. 그러나 MOSFET 바디 다이오드는 역회복 특성이 좋지 않고 턴-온 스위칭 손실을 증가시키는데 큰 영향을 끼친다. 특히 EMI, RFI, 전류 링깅 및 전압 스파이크(높은 di/dt에서) 현상들을 보다 악화시키는 경향이 있다. 설계자들은 가끔 이 바디 다이오드가 도통하지 않도록 하기 위해 직렬 다이오드와 외부 역병렬 다이오드 같은 부품들을 추가해야 하는데 이것은 시스템 원가를 증가시키는 요인이 된다.
또한 Super Junction Transistor(Cool MOS) 바디 다이오드는 역회복 특성이 매우 좋지 않은데다 역회복 전류가 매우 높아 트랜지스터를 파괴시키거나 스위칭시 순간적인 단락현상을 만들기도 한다.
이러한 역회복 특성은 더블 펄스 인덕티브 로드 테스트(Double Pulse Inductive Load Test) 장치에서 25℃ 졍션온도로 측정된 것이다. IGBT 턴-온 게이트 저항은 20Ω으로 하였고 이 값으로 IGBT 턴-온 손실의 특성을 측정하였다. 수퍼 정션 트랜지스터는 바디 다이오드의 역회복 시간 동안 파괴되었다.
IGBT의 턴-온 시간을 느리게 하기 위하여 게이트 저항을 150Ω으로 키웠으며, 그 결과 250A/㎲의 턴-온 di/dt 값을 얻었다. 이 시험에서는 수퍼 정션 트랜지스터가 안전하였다. 그러나 200V DC 버스에서 역회복 전류의 피크치는 45A로써 부하전류 2.8A의 약 16배나 되었다. 다이오드의 역회복 시간(trr)은 ta와 tb라는 두 부분으로 정의되는데 시간 ta는 그림 1에서 보는 바와 같이 약 200ns로 측정되었고 반면에 시간 tb는 매우 느리게 측정되었다. 이는 결국 매우 높은 di/dt를 초래하게 되는데 이러한 trr의 결과는 매우 위험한 것이다.
파워 MOSFET에 숏키(Schottky) 다이오드를 직렬로 연결시키고 이 MOSFET과 숏키 다이오드의 직렬회로 사이에 외부 Hyperfast Soft Recovery, Freewheeling 다이오드를 추가시킴으로써 바디 다이오드를 바이패스 시킬 수 있다. 이 방법으로 Freewheeling 다이오드의 역회복 손실은 감소시킬 수 있으나 반면 도통손실이 증가하고 원가가 올라가는 단점이 있다.
Co-packed SMPS IGBT는 역병렬 다이오드인 Hyperfast Soft Recovery 다이오드를 내장하고 있다. 따라서 도통손실과 스위칭 손실을 줄이기 위해 기존에 사용했던 MOSFET과 숏키 다이오드, 그리고 외부의 Hyperfast Soft Recovery Freewheeling 다이오드를 제거하고 Co-packed SMPS IGBT만을 사용해 구현할 수 있다.

SMPS IGBT
과거 10년간 IGBT 특성 개선을 위해 유도성 턴-오프 손실과 도통 전압강하 문제에 주력해 왔다. 이러한 특성개선의 결과로 높은 전압-전류 정격, 넓은 안전동작영역(SOA), 보다 긴 단락유지시간(SCWT) 및 신뢰성 향상 등을 얻을 수 있었다. 반도체 셀 구조에 보다 엄격한 식각 방식의 디자인 룰을 적용함으로써 과거에 비해 IGBT의 전류 생성능력을 한층 더 증대시킬 수 있었다. 이러한 셀 구조를 최적화할 수 있었던 것은 대부분 수직 에피(Epitaxial) 구조의 최적화와 수명시간 제어를 통해 경험적으로 얻은 것이었다.
최근 컴퓨터 시뮬레이션 툴의 등장으로 셀 구조를 한층 더 개선시킬 수 있었고 그 결과 Shallow Junction IGBT를 개발할 수 있었다. 스테퍼(Stepper) 기반의 리소그래피 공정으로 인해 훨씬 더 미세 선폭의 셀을 사용할 수 있게 되었고 보다 나은 성능을 확보할 수 있게 되었다.
Self-aligned 구조는 고도의 에칭공정과 증착공정을 사용하였는데 이로 인해 생산성이 향상되었고 IGBT의 역 바이어스 SOA가 훨씬 더 개선되었다. 또한 수직구조에 대한 광범위한 수식적 시뮬레이션 분석으로 우수한 스위칭 소자를 설계할 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.
페어차일드 반도체의 SMPS IGBT는 업계에서는 처음으로 혁신적인 Ultra-Shallow 정션기술을 사용하였다. 이것은 이전 세대의 IGBT에 비해 Junction Depth를 3배나 줄일 수 있는 혁신적인 기술로 VCE(SAT)를 줄일 수 있는 Lower channel과 JFET 레지스턴스 실현이 가능하게 되었다. SMPS IGBT는 스테퍼 기반의 리소그래피 공정을 사용하였는데 이를 통해 Tight Alignment와 소형화가 가능하게 되었고 이로써 이전의 Projection Aligner Based Quantum IGBT에 비해 소자의 성능을 대폭 향상시킬 수 있었다.
이러한 새로운 IGBT 역시 스트라이프 셀 디자인(Stripe Cell Design)을 사용하였다. 이것은 VCE(SAT)-EOFF 트레이드 오프 특성을 가지고 있는데 600V 이상의 정격에서 기존의 셀룰러 디자인보다 우수한 성능을 보여준다. Self-Aligned P+ 프로세스는 SMPS IGBT 래치-업(Latch-up)을 만들고 생산성을 향상시킨다.
정밀제어된 에피층과 수명시간을 갖는 최적화된 수직구조로 인해 EOFF가 더 낮아지게 되고 스위칭 파형이 더 매끄럽게 되며, 배면 가공처리의 향상으로 다이 두께를 줄여 소자의 열 특성을 개선할 수 있다. 이러한 설계경험을 기반으로 한 성능향상과 공정기술의 향상으로 SMPS IGBT의 EOFF는 이전 Quantum IGBT에 비해 50% 이상 감소되는 결과를 가져왔다.

Two-Switch 포워드 컨버터에 대한 실험
첫번째 평가 대상인 SMPS는 그림 2와 같은 450W, 105KHz, Two-Switch 포워드 컨버터이다. 이 평가의 목적은 그림 2의 토폴로지에서 SMPS IGBT가 어떻게 잘 동작하는가를 확인하기 위해서다. 페어차일드 반도체의 HGTG12N60A4 SMPS IGBT는 그림 2의 회로에 사용되었다. Thermal-Couple의 위치선정과 같은 시험방법은 MOSFET과 IGBT에 대해서 동일하게 적용하였다.
DC 전력원은 Two-Switch 포워드 컨버터의 고전압 벌크 캐패시터에 직접 연결하여 고전압 버스의 전압을 일정하게 유지함으로써 효율을 정확하게 측정할 수 있었다. 입력 전력은 DC 입력전압과 DC 입력전류를 곱해서 얻었으며, 모든 시험은 215V DC 입력에서 실시하였다.
SMPS는 약 460W의 저항부하에 연결하였다. 저항부하는 0.05% 공차(Dale RH-50)를 가지는 와이어 와운드 레지스터로 알류미늄 하우징으로 봉하였고 이 저항들은 저항값의 변화를 최소화하기 위해 강제공냉식 히트싱크에 설치했다.
2SK1170 MOSFET(다이 사이즈 0.281in×0.286in)을 HGTG12N60A4 SMPS IGBT 다이 사이즈-3(0.186in×0.126in)으로 교체하여 시험한 결과는 그림 3과 그림 4에 요약했다.
MOSFET과 SMPS IGBT를 사용했을 경우 SMPS는 12V 출력이 단락되었을 때 래치 오프 되었다. 최대 정격전류나 단락회로와 같은 과부하 조건에서 12V 출력은 Foldback Current Limiting 특성을 나타내었다.
HGTG12N60A4 SMPS IGBT와 2SK1170 MOSFET의 다이 면적비는 약 29%이다. Low line 입력과 50℃ 주변온도라는 최악의 경우에서 SMPS IGBT는 MOSFET에 비해 효율 0.5%의 개선효과(손실 3% 감소 효과)를 나타냈고 케이스 온도는 14℃가 낮았다. 25℃ 주변온도에서 MOSFET의 케이스 온도는 52℃가 된 반면 SMPS IGBT의 케이스 온도는 53℃가 되었다. 또한 50℃ 주변온도에서 MOSFET의 케이스 온도가 89℃가 된 반면 SMPS IGBT의 케이스 온도는 75℃가 되었다.

Full-Bridge 컨버터에 대한 실험
두번째 평가 대상인 SMPS는 그림 5와 같이 IRFP460 MOSFET을 사용한 60KHz, Full-bridge PWM 컨버터이다. Co-packed SMPS IGBT를 사용하여 그림 5와 같이 IRFP460 MOSFET을 HGTG12N60A4D SMPS IGBT로 대체하여 파워 회로를 단순화 했다. 숏키 렉티파이어(CR2, CR3, CR10 및 CR11)는 점퍼(Jumper)로 대체했고 젠더 다이오드(Zener Diode, CR1, CR18, CR8 및 CR9)와 역병렬 다이오드(CR5, CR4, CR6 및 CR7)는 제거하였다.(그림 6 참조)
SMPS IGBT를 사용하여 그림 6과 같이 IRFP460 MOSFET을 HGTG12N60A4 SMPS IGBT로 대체하고 숏키 다이오드는 점퍼로 대체하였으며, 젠더 다이오드는 제거하였다. 이 배치는 그림 6과 유사한데 역병렬 다이오드(CR5, CR4, CR6 및 CR7)는 그림 5와 같이 그대로 두었다.
전자부하는 SMPS 출력단자에 연결시켰다. 켈빈 커넥션(Kelvin Connection)을 사용하여 출력전압을 측정하였고, 전자부하를 사용하여 부하전류를 측정하였다. AC 전력계를 사용하여 입력전압 전류 및 역률을 측정하였고 히트싱크와 스위칭 소자에 Thermal Couple을 붙여 온도를 측정하였다. SMPS의 입출구 공간에 Thermal Couple를 설치하여 주위 공기온도를 측정하였다.
SMPS는 50A~250A의 부하전류로 동작하는데 이 부하전류는 50A의 단위로 스텝화 되어지고 각 스텝에서 30분씩 동작시켜 온도를 안정화 시킨 후 모든 측정을 마무리하고 다음 스텝의 부하전류로 옮겨간다. 이러한 일련의 시험들을 주변온도(SMPS 입구) 25℃와 50℃에서 되풀이한다.
이러한 시험들을 MOSFET, SMPS IGBT 및 Co-packed SMPS IGBT에 대해서 각각 실시했는데 그림 7은 주변온도 50℃에서 온도가 가장 높이 올라간 스위칭 소자의 케이스 온도를 측정한 결과를 나타낸 것이고 그림 8은 주변온도 함수에 대한 전력손실(Full load, 250A 기준)을 측정한 결과이다.
과부하 시험을 위해서는 전자부하를 일정한 저항값을 가지는 0.02Ω~0.006Ω 모드로 세팅하여 SMPS를 주변온도(SMPS 입구) 25℃에서 15분 동안 작동시킨 후 측정했다. 단락시험을 위해서는 먼저 SMPS를 250A의 부하로 동작시킨 다음 출력단자를 단락시키고 2분 동안 동작시킨다.
출력 단락상태에서 IGBT의 케이스 온도는 32℃까지 올라갔고 MOSFET은 38℃까지 올라갔다. 출력 단락상태에서 MOSFET을 상대로 시험할 때 SMPS에서 이상한 소리가 나더니 딸꾹질 같은 소리를 내기 시작했다. 그러나 같은 조건에서 IGBT를 상대로 시험을 할 때는 이와 같은 현상들은 나타나지 않았다.
SMPS IGBT 보다 4.4배 더 큰 IRFP460 MOSFET을 SMPS IGBT로 대체했을 때 보다 우수한 성능을 나타냈는데 이러한 회로를 구성하는데 있어 설계자들은 두 가지의 옵션을 선택할 수 있다.
첫번째는, 4개의 HGTG12N60A4D SMPS IGBT는 각각 4개의 IRFP460 MOSFET, 숏키 다이오드, 젠더 다이오드 및 역병렬 다이오드와 교체할 수 있다는 것이다. 이 옵션을 이용하면 설계가 간단해질 뿐만 아니라 조립도 간단해지며, 원가절감 효과도 얻을 수 있다. 또한 이 옵션을 이용하면 시스템 전체 손실의 6.23%를 절감할 수 있으며, 케이스 온도는 19℃ 낮출 수 있다.
두 번째는, 4개의 HGTG12N60A4 SMPS IGBT를 이용해 각각 4개의 IRFP460 MOSFET, 숏키 다이오드, 젠더 다이오드와 교체할 수 있다는 것이다. 이 옵션을 이용하면 설계가 간단해질 뿐만 아니라 조립도 간단해지며, 원가절감 효과도 얻을 수 있다. 또한 이 옵션을 이용하면 시스템 전체 손실의 4.47%를 절감할 수 있으며, 케이스 온도는 MOSFET과 비교해서 22℃ 낮출 수 있다.
SMPS IGBT는 과부하 조건에서 MOSFET 보다 더 엄격한 Foldback 동작을 하며, 과부하 및 단락회로를 포함한 모든 평가조건 하에서 MOSFET 보다 낮은 온도를 유지한다.
2개의 다른 파워 시스템에서 보았듯이 SMPS IGBT는 보다 우위의 성능을 가진다. Two-Switch 포워드 컨버터에서 SMPS IGBT를 사용함으로써 원가절감 효과는 물론 3%의 손실 절감과 14℃의 케이스 온도를 낮출 수 있었다.
Full-bridge 컨버터에서 SMPS IGBT를 사용함으로써 원가절감 효과는 물론 6.23% 또는 4.47%의 손실 절감과 19℃ 또는 22℃의 케이스 온도를 낮출 수 있었다. SMPS IGBT는 SMPS 설계자에게 시스템의 효율을 향상시켜 줄 뿐만 아니라 시스템의 원가절감 효과도 제공해 준다.

[인닥터]

잘읽었읍니다.많은 도음이됩니다.감사합니다.

[md1113]

진심으로감사드립니다.잘읽었읍니다