듀얼 MOSFET으로 스위칭 컨버터 응용 제품의 전력 밀도 및 성능 극대화

산업용 및 자동차용 스위칭 컨버터와 모터 드라이버에는 작고 효율적이며 전기 노이즈를 최소화하는 금속 산화 실리콘 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)가 필요합니다. 듀얼 MOSFET 접근 방식이 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 수 있습니다.

두 개의 MOSFET을 단일 패키지에 배치하기 때문에, 설계가 잘 될 경우 듀얼 MOSFET은 인쇄 회로 기판(PCB)의 공간을 덜 차지하고 기생 유도 유량을 줄이며 열 성능을 개선하므로, 부피가 크고 비싼 방열판이 필요하지 않습니다. 또한 수백 킬로헤르츠(kHz)에서 간섭 없이 전환할 수 있고 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동하며 누설 전류가 낮습니다. 그러나 이러한 부품의 장점을 완전히 실현하려면 설계자가 이들 부품의 작동 특성을 이해해야 합니다.

이 기사에서는 Nexperia의 듀얼 MOSFET 사례를 소개하고, 설계자가 이를 사용하여 견고하고 효율이 높으며 공간이 제한된 설계의 어려움을 해결할 수 있는 방법을 보여줍니다. 또한 회로 및 PCB 설계를 최적화하는 방법을 논의하고 전기 열 시뮬레이션 및 손실 분석에 대한 팁을 제공합니다.

높은 스위칭 속도에서 효율성 향상

듀얼 MOSFET은 DC/DC 스위칭 컨버터, 모터 인버터, 솔레노이드 밸브 컨트롤러를 비롯한 많은 자동차(AEC-Q101) 및 산업용 응용 분야에 적합합니다. 이러한 응용 분야의 경우 스위치 쌍 및 하프 브리지 토폴로지 등 다양한 구성에서 듀얼 MOSFET을 사용할 수 있습니다.

Nexperia의 LFPAK56D 계열은 주목할 만한 듀얼 MOSFET 장치의 예입니다. 이 제품에는 뛰어난 전류 용량, 낮은 패키지 임피던스, 높은 신뢰성을 제공하는 Nexperia의 구리 클립 기술이 적용되어 있습니다(그림 1, 오른쪽). 견고한 구리 클립이 사용되어 반도체 기판에서 납땜된 접합부를 통해 PCB로 열 방출이 개선되므로, 제거된 총 열의 약 30%가 소스 핀을 통해 흐르게 됩니다. 또한 구리 단면적이 넓어 옴 전력 손실을 낮추고 기생 라인 유도 유량을 줄여 링잉을 완화합니다.

그림 1: LFPAK56D 패키지(오른쪽)는 두 개의 MOSFET을 통합하고 LFPAK56 단일 MOSFET 패키지(왼쪽)와 유사한 구리 클립 구조를 사용합니다. (이미지 출처: Nexperia)

대부분의 고전압 스위칭 컨버터용 부품과 마찬가지로 LFPAK56D는 슈퍼정션 기술을 사용합니다. 따라서 드레인 소스 'on' 저항(R_DS(on)) 및 게이트 드레인 전하(Q_GD) 파라미터가 줄어 전력 손실이 최소화됩니다. 동일한 기판에서 두 개의 MOSFET을 작동하면 드레인-소스 저항이 더욱 감소합니다.

LFPAK56D 계열은 초접합 MOSFET으로서 애벌런치 이벤트에 견고하며 넓은 안전 작동 영역(SOA)을 제공합니다. 예를 들어 PSMN029-100HLX TrenchMOS 장치 내 각 100볼트 MOSFET은 2900만(mΩ) R_DS(on)를 가지며 68와트를 처리하고 최대 30암페어(A)를 통과할 수 있습니다.

또한 LFPAK56D 계열은 NXP의 SchottkyPlus 기술을 사용하여 스파킹과 누설 전류를 줄여줍니다. 예를 들어 보통 R_DS(on)(PSMN014-40HLDX용)는 일반적으로 11.4mΩ이며, 드레인-소스 누설 전류는 10나노암페어(nA)로 매우 낮습니다.

MOSFET의 고전류를 최대한 활용하려면 PCB가 높은 열을 방출하고 안정적인 전기 연결을 보장하도록 설계되어야 합니다. 충분한 비아와 크고 두꺼운 구리 컨덕터 트랙을 갖춘 다층 PCB는 우수한 열 성능을 보장합니다.

열폭주 방지

완전히 스위치가 켜진 파워 MOSFET은 열적으로 안정적이지만, 드레인 전류(I_D)가 낮으면 열 폭주가 발생할 위험이 있습니다.이 작동 상태에서는 국부적인 발열로 인해 임계값 게이트-소스 전압(V_GS(th))이 낮아지는 경향이 있으므로 장치가 더 쉽게 켜집니다. 때문에 추가 전류로 인해 더 많은 가열이 발생하고 V_GS(th)가 더욱 낮아지는 포지티브 피드백 상황이 발생합니다.

그림 2는 일정한 드레인-소스 전압(V_DS)에 대한 이러한 효과를 보여줍니다. V_GS가 증가함에 따라 영점 온도 계수(ZTC)라고 하는 중요한 I_D가 존재합니다. 이 전류 위에는 네거티브 피드백과 열 안정성이 있고(파란색 부분), 그 아래에는 임계 전압 강하가 지배적이어서 열적으로 불안정한 작동 지점이 발생하여 열폭주로 이어질 수 있습니다(빨간색 부분).

그림 2: ZTC 지점 아래에서는 열에 의해 유도된 V_GS 강하(빨간색 부분)로 인해 MOSFET이 열폭주에 진입할 수 있습니다. (이미지 출처: Nexperia)

이 효과는 낮은 전류와 높은 드레인-소스 전압에서 SOA를 감소시킵니다. 이는 dV/dt 기울기가 가파른 고속 스위칭 작업에서는 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 전자파 장해를 줄이기 위해 스위칭 지속 시간이 길어지면 열 불안정성이 더 커지고 잠재적으로 위험해질 수 있습니다.

고주파수에서 스위칭 손실 감소

고속 스위칭 응용 분야를 위해 초접합 MOSFET을 선택할 때는 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있는 낮은 Q_GD가 필수적입니다.

스위칭 중에 드레인, 게이트, 소스 간에 상당한 전압 및 전류 변화가 동시에 나타나면 높은 전력 손실이 발생합니다. Q_GD가 낮으면 밀러 플래토가 짧아져(그림 3, 왼쪽) 스위칭 기울기(dV_ds/dt)가 가파르게 되고 결국 스위칭 중 동적 에너지 손실이 낮아집니다(그림 3, 오른쪽의 파란색 부분).

그림 3: 짧은 밀러 플래토(왼쪽)는 스위칭 기울기가 가파르므로 동적 손실이 낮습니다(오른쪽의 파란색 부분). V_gp는 밀러 플래토의 게이트 소스 전압, V_TH는 게이트 임계값 전압, I_DS는 드레인-소스 전류입니다. (이미지 출처: Vishay)

애벌런치 에너지 제한 및 MOSFET 보호

모터 구동 응용 제품에서 고정자 코일의 스위치 오프 순간에 붕괴 자기장은 전류 흐름을 유지하여 공급 전압(V_DD)에 중첩되는 높은 유도 전압을 MOSFET에 생성합니다. 그러나 MOSFET 본체 다이오드의 역 항복 전압(V_BR)이 이 높은 유도 전압을 제한합니다. 애벌런치 효과로 알려진 이 현상에서 MOSFET은 코일 전류가 0으로 떨어질 때까지 유출되는 자기 에너지를 애벌런치 에너지(E_DS)로 변환하며 이로 인해 반도체 결정이 빠르게 과열될 수 있습니다.

그림 4는 MOSFET 스위치를 사용한 간단한 코일 제어와 단일 애벌런치 이벤트 전, 도중(시간 창 t_AL)및 후의 타이밍 신호를 보여줍니다. 애벌런치 에너지 소실량(E_DS(AL)S)이 너무 높으면 열로 인해 반도체 구조가 손상됩니다.

그림 4: 단일 애벌런치 이벤트 전, 도중(t_AL)및 후의 MOSFET 타이밍 신호. (이미지 출처: Nexperia)

Nexperia 실험실 테스트에 따르면 LFPAK56D MOSFET은 매우 견고하게 설계되어 수십억 번의 애벌런치 이벤트를 손상 없이 견딜 수 있습니다. 최대 애벌런치 에너지를 고려할 때 코일 드라이버 스테이지에는 추가적인 프리휠링 또는 클램핑 다이오드를 사용하지 않고 이 MOSFET의 애벌런치 동작만 사용할 수 있습니다.

전기 열 온라인 시뮬레이션

시스템 효율을 개선하기 위해서는 R_DS x Q_GD 제품과 같은 단순한 성능 지수(FOM)에 의존하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 대신 설계자는 다음과 같은 이유로 발생하는 MOSFET 손실을 설명하는 보다 정밀한 손실 분석을 수행해야 합니다.

• 스위치 온 전도율
• 스위치 온 및 스위치 오프 손실
• 출력 정전 용량의 충전 및 방전
• 바디 다이오드의 연속성 및 스위칭 손실
• 게이트 정전 용량의 충전 및 방전 손실

전체 손실을 최소화하기 위해 설계자는 MOSFET 파라미터와 작동 환경 간의 관계를 이해해야 합니다. 이를 위해 Nexperia는 전기적 성능과 열 성능을 결합하고 모든 중요한 MOSFET 동작을 나타내는 MOSFET용 정밀 전열 모델을 제공합니다. 개발자는 PartQuest Explore 온라인 시뮬레이터를 사용하거나 SPICE 및 VHDL-AMS 형식의 모델을 원하는 시뮬레이션 플랫폼으로 가져올 수 있습니다.

이 기사를 작성하는 시점에서는 LFPAK56D MOSFET에 대해 전기 모델만 사용할 수 있습니다. 따라서 다음 열 시뮬레이션 예제에서는 다른 MOSFET 유형인 BUK7S1R0-40H를 다룹니다.

대화용 실험 전력 MOSFET용 IAN50012 전기 열 모델에서는 36.25A의 부하 전류가 켜진 후 BUK7S1R0-40H MOSFET에 대한 세 가지 가열 시나리오를 시뮬레이션합니다. 그림 5의 왼쪽에는 세 가지 시뮬레이션 설정이 소개되어 있습니다.

그림 5: PartQuest Explore 온라인 시뮬레이터를 사용한 MOSFET의 전기 열 시뮬레이션을 보여줍니다. (이미지 출처: Nexperia)

위쪽 't_j_no_self_heating'의 경우, 접합부와 실장 베이스가 열 저항(T_amb) 없이 0°C의 주변 온도(R_th)에 직접 결합됩니다. 가운데 't_j_self_heating'의 경우, 칩이 R_th-j를 통해 결합되며 T_j는 약 0.4°C 상승합니다. 아래쪽의 경우, 방열판이 있는 6층 FR4 기판의 R_{th_mb}를 통해 주변 온도에 결합된 실장 베이스(mb)를 보여줍니다. T_mb(녹색)은 3.9°C로 상승하고, T_j(빨간색)는 4.3°C로 상승합니다.

결론

초저손실 LFPAK56D MOSFET은 고속 스위칭 컨버터 또는 모터 드라이버에서 뛰어난 효율과 전력 밀도를 제공합니다. 여기에서 설명한 회로 및 열 PCB 설계 고려 사항과 전기 열 시뮬레이션은 설계자가 견고하고 효율적이며 공간 제약적인 설계의 과제를 극복할 수 있는 방법을 보여줍니다.