초접합 전력 MOSFET의 성능 및 효율성 평가

초접합 전력 MOSFET이 고전압 스위칭 응용 제품에 오랜 시간 동안 널리 사용되어 왔기에, 더 나은 대안을 모색하고자 하는 움직임이 일고 있습니다. 하지만 이러한 MOSFET은 성능, 효율성 및 비용 효율성 간의 균형을 지속적으로 제공하고 있기 때문에, 많은 새로운 응용 제품을 위한 전자 전력 설계를 최적화하는 데 필수 불가결합니다.

21세기 초부터 상용화된 실리콘 기반 초접합 MOSFET은 반도체 물질의 p형과 n형 층을 번갈아 쌓아 PN 접합을 생성하여, 기존의 평면형 MOSFET에 비해 온 상태 저항(R_DS(ON)) 및 게이트 전하(Q_g)를 감소시켰습니다. 이러한 이점은 성능 지수(FOM) 계산을 통해 정량화되었습니다(여기서 FOM = R_DS(ON) x Q_g).

FOM은 MOSFET이 켜져 있을 때 저항이 얼마인지, 전원을 켜고 끄는 데 필요한 전하가 얼마인지를 정량화합니다.

Q_g를 통해 스위칭 성능을 편리하게 비교할 수 있지만, 필요 이상으로 강조되는 경우도 있습니다. 최신 게이트 구동기는 대부분의 게이트 전하 요구 사항을 충족할 수 있으므로, 더 우수한 최적화를 추구하는 설계자 입장에서는 다른 중요한 파라미터를 개선하면서 그에 따른 비용이 증가할 위험이 커지고 있습니다.

초접합 MOSFET의 전하 균형 설계를 통해, 더 얇고 보다 고농도로 도핑된 영역이 구축될 수 있습니다. 전력 변환의 효율성은 MOSFET을 더 빠르게 켜고 끌 수 있어 스위칭 손실을 줄이는 데서 비롯됩니다. 효율성이 향상되어 작동 중 열이 덜 발생하므로, 열 관리 문제도 간소화됩니다.

물론 사용하는 경우 또는 사용 여부는 응용 제품의 특정 요구 사항에 따라 다릅니다. AC/DC 전원 공급 장치 및 컨버터, 가변 주파수 모터 드라이브, 태양광 인버터 등과 같이 고전압 스위칭 효율과 콤팩트한 설계가 요구되는 응용 제품에서 널리 사용됩니다.

Q_rr 값의 중요성

응용 제품을 위해 초접합 MOSFET을 선택할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 스위칭 주기 동안 전류가 MOSFET의 바디 다이오드를 통해 흐르면서 PN 접합에 축적되는 전하인 역회복 전하(Q_rr)입니다. 역회복 전하가 높은 경우 전압 스파이크와 추가 손실로 이어질 수 있으므로, 효율을 개선하고 스위칭 손실을 최소화하려면 회복 전하를 낮추는 것이 중요합니다.

또한 높은 Q_rr로 인한 과도 이벤트는 전자파 장해(EMI)를 발생시켜 민감한 부품과 신호 무결성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

Q_rr을 줄이면 특히 이러한 영향이 확대되는 고주파 응용 제품에서 성능을 향상하고 최적의 작동을 보장하고 EMI 파라미터를 준수하는 데 유리합니다. 제품 설계 관점에서 보면 전하가 낮을수록 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 에너지 손실 최소화로 스위칭 손실 감소
• 에너지 활용도 향상으로 효율성 향상
• 스위칭 중 발열 감소로 열 성능 향상
• 전압 스파이크 및 링잉 감소를 통한 EMI 완화
• 스위칭 주기 동안 스트레스가 적어 장기적인 안정성 향상

일반적으로, 응용 제품의 주파수가 높을수록 낮은 Q_rr을 활용하는 것에 대한 우선 순위가 높아집니다. 또한 이 요소가 응용 제품의 발열과 그에 따른 냉각 요구 사항에 어떻게 기여하는지 파악하는 것도 중요합니다.

하나 이상의 잠재적 MOSFET을 결정한 후 설계자는 시뮬레이션 툴을 사용하여 MOSFET을 모델링하고 Q_rr이 응용 제품에서 어떻게 작동하고 성능에 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다. 오실로스코프와 전류 프로브를 사용하여 실험적으로 테스트하면 특정 MOSFET의 스위칭 이벤트를 측정할 수 있습니다.

이러한 값을 응용 제품의 요구 사항에 맞추는 것은 효율성과 기타 파라미터(열 성능, 트랜스콘덕턴스, 임계 전압 및 다이오드 순방향 전압 등) 간의 적절한 균형을 찾는 것과 관련됩니다.

알맞은 전력 MOSFET 선택

Nexperia는 제품 설계자가 다양한 응용 제품 요구 사항에 적합한 스위칭 성능 조합을 맞출 수 있도록 다양한 옵션을 제공하기 위해 두 가지 초접합 전력 MOSFET 제품군을 제공합니다.

Nexperia의 NextPower 80V 및 100V MOSFET은 전원 공급 장치, 산업 설계 및 통신과 같은 고효율 스위칭 및 고신뢰성 응용 제품에 중점을 두는 설계자에게 적합합니다. 이 장치는 낮은 역회복 전류(I_rr), 낮은 전압 스파이크(V_peak),링잉 기능 감소로 50 나노컬롬(nC)만큼의 Q_rr을 제공합니다.

LFPAK56, LFPAK56E, LFPAK88 구리 클립 패키지로 제공되는 이 장치는 열 성능이나 안정성을 저하시키지 않으면서 공간을 절약할 수 있는 유연성을 제공합니다. LFPAK56/LFPAK56E 패키징의 풋프린트는 5mm x 6mm, 즉 30mm²로, 163mm²의 D²PAK 대비 81%, 70mm²의 DPAK 대비 57% 공간을 절약합니다(그림 1).

그림 1: LFPAK56 패키지(오른쪽)와 D²PAK(왼쪽) 및 DPAK 풋프린트 비교. (이미지 출처: Nexperia)

LFPAK56E(그림 2)는 LFPAK56의 개선된 버전으로, 동일한 소형 풋프린트를 유지하면서 더 낮은 저항을 달성하여 효율을 개선합니다. 이 개선된 패키지의 예로는 연속 전류 정격이 120A인 100V, 4.3m옴, N채널 MOSFET PSMN3R9-100YSFX가 있습니다. 175°C까지 검증된 이 제품은 AC/DC 및 DC/DC의 동기식 정류기, 48V DC/DC용 1차측 스위치, BLDC 모터 제어, USB-PD 어댑터, 풀 브리지 및 하프 브리지 응용 제품, 플라이백 및 공진 토폴로지 등, 산업용 및 소비자용 응용 제품에 적합합니다.

그림 2: PSMN3R9-100YSFX 및 기타 NextPower 80/100V 초접합 파워 MOSFET의 LFPAQK56E 패키지. (이미지 출처: Nexperia)

100V, 2.07m옴, 267Amp, N채널 MOSFET인 NextPower PSMN2R0-100SSFJ는 8mm x 8mm 풋프린트의 LFPAK88 패키지로 제공됩니다. 또한 +175°C까지 인증되었으며 AC/DC 및 DC/DC의 동기식 정류기, 1차측 스위치, BLDC 모터 제어, 풀 브리지 및 하프 브리지 응용 제품, 배터리 보호와 같은 산업용 및 소비자 응용 제품에 권장됩니다.

고성능과 안정성을 우선시하는 설계자를 위해 NextPowerS3 MOSFET은 쇼트키 플러스 바디 다이오드를 사용하여 낮은 R_DS(ON)과 최대 380A의 연속 전류 성능을 제공하는 25V, 30V 및 40V 버전으로 제공됩니다. 예를 들어 PSMN5R4-25YLDX는 표준 LFPAK56 패키징의 NextPowerS3 N채널 25V, 5.69mΩ 논리 레벨 MOSFET입니다.

Nexperia의 'Schottky-Plus' 기술은 일반적으로 쇼트키 또는 쇼트키 유사 다이오드가 통합된 MOSFET과 관련된 고효율, 낮은 스파이크 성능을 제공하지만, 높은 누설 전류 문제 없이 +25°C에서 1μA 미만의 누설 전류를 제공합니다.

NextPowerS3 장치는 서버 및 통신을 위한 온보드 DC-DC 솔루션, 전압 조정기 모듈(VRM), 부하점(POL) 모듈, V 코어, ASIC, DDR, GPU, VGA 및 시스템 부품을 위한 전력 공급, 브러시/브러시리스 모터 제어를 비롯한 다양한 응용 제품에 적합합니다.

또한 동기식 벅 조정기, AC/DC 및 DC/DC 응용 제품의 동기식 정류기, BLDC(브러시리스) 모터 제어, eFuse 및 배터리 보호와 같은 응용 제품에 적합한 30V PSMN1R8-30MLHX를 포함하여 3.3mm x 3.3mm LFPAK33 풋프린트로 제공되는 NextPowerS3 장치(그림 3)도 있습니다.

그림 3: NextPowerS3 LKPAK33 패키징(오른쪽)과 DPAK 패키징을 비교한 그림. (이미지 출처: Nexperia)

결론

실리콘 기반 초접합 전력 MOSFET은 많은 새로운 전력 전자 응용 제품에 필요한 성능, 효율성 및 비용 효율성의 균형을 달성함에 있어 필수적입니다. Nexperia의 NextPowerS3 및 NextPower 80/100V MOSFET 포트폴리오는 제품 설계자에게 이러한 요구 사항을 충족하는 다양한 특성을 제공하며, 전력 밀도와 신뢰성 향상을 위해 내열 기능이 강화된 콤팩트한 LFPAK 패키지로 제공됩니다.