효율성과 전력 밀도를 높인 Toshiba의 차세대 트렌치 게이트 MOSFET

더 높은 효율성, 더 콤팩트한 설계, 안정적인 스위칭을 갖춘 응용 제품에 전력을 공급하기 위해 MOSFET을 선택할 때 실제 성능과 데이터시트 사양이 항상 일치하는 것은 아닙니다. MOSFET이 설계 계산을 충족하는 것처럼 보이지만, 스위칭 손실, 다이오드 복구 동작, 열 제약 등의 요인으로 인해 설계가 완료된 후에는 성능이 저하될 수도 있습니다.

올바른 MOSFET을 선택해야, 과열 또는 에너지 낭비의 문제를 방지하고 열 문제가 없고 효율적인 제품을 만들 수 있습니다. 성공적인 응용 제품을 만들기 위해 파악해야 하는 중요한 지표는 다음과 같습니다.

• 온 스테이트 저항(R_DS(on))은 MOSFET이 완전히 켜져 있을 때 나타나는 저항을 말합니다. R_DS(on)이 낮을수록 열로 낭비되는 에너지가 줄어들어 장치의 전류 전도 효율에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 총 게이트 전하(Q_g)는 MOSFET을 켜고 끄는 데 필요한 전하의 양을 정의합니다. Q_g가 낮을수록 더 빠르고 에너지 효율적인 스위칭이 가능하므로 게이트 드라이브 회로의 부하가 줄어듭니다.
• 역회복 전하(Q_rr)는 MOSFET의 내부 다이오드가 전도성에서 비전도성으로 전환될 때 방출되는 전하의 양을 설명합니다. Q_rr이 낮을수록 고속 스위칭 중 전압 스파이크를 억제하여 더 조용하고 안정적인 작동으로 이어집니다.
• 바디 다이오드 회복은 MOSFET의 내장 다이오드가 얼마나 효율적으로 전도를 중지하고 다음 사이클을 위해 리셋할 수 있는지를 결정합니다. 빠르고 깨끗한 회복으로 전기적 소음과 발열을 줄입니다.

효율성 요구 사항은 기존의 많은 전력 단계의 기능을 능가하는 속도로 증가하고 있습니다. 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS), 산업 자동화, 데이터 센터 인프라, 자동차 전자 장치와 같은 응용 분야에서 더 높은 효율과 향상된 전력 밀도는 기존 MOSFET 기술의 한계를 극복하고 있습니다.

트렌치 게이트 MOSFET의 장점

Toshiba의 U-MOS11-H MOSFET은 트렌치 게이트 설계로 현저히 낮은 R_DS(on), 게이트 전하 최소화 및 향상된 다이오드 복구 특성을 제공해야 문제를 해결합니다.

수십 년 동안 MOSFET은 수평 레이아웃을 사용하여 제작되었으며, 성능을 개선하려면 일반적으로 더 큰 부품을 선택해야 했습니다. 트렌치 게이트 MOSFET은 평평한 표면이 아닌 실리콘의 수직 '트렌치'를 사용하여 게이트 전극을 형성합니다. 이 기술을 사용하면 전류가 실리콘을 가로지르는 것이 아니라 수직으로 흐릅니다. 게이트가 채널을 더 효과적으로 둘러싸고 있어 전류를 전달하는 데 필요한 실리콘의 양을 줄이고 주어진 다이 크기에 대해 R_DS(on)을 낮춥니다.

트렌치 게이트 MOSFET은 고속 스위칭 중에 발생할 수 있는 큰 전압 스파이크를 억제하기 위해 Q_rr을 크게 줄여 고효율 전원 공급 장치, DC-DC 컨버터, 자동차 또는 산업용 전력 스테이지에 이상적입니다.

새로운 U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ(그림 1)는 2.7mΩ(10V_GS)에 불과한 초저 R_DS(on)의 100V 정격 N채널 MOSFET입니다. 이는 이전 세대 U-MOSX-H 제품군에 비해 약 8% 낮은 R_DS(on)으로, 과부하 시 발열이 적고 전도 효율이 높습니다.

그림 1: Toshiba의 TPH2R70AR5,LQ는 낮은 RDS(on), 최소화된 게이트 전하, 향상된 다이오드 복구 특성을 갖춘 차세대 트렌치 게이트 MOSFET입니다(이미지 출처: Toshiba).

새로운 세대의 Q_rr은 이전 세대에 비해 약 38% 낮기 때문에 스위칭 중 전압 스파이크와 EMI가 감소합니다. 총 게이트 전하가 약 37% 감소하여 게이트 드라이버에서 더 적은 에너지로 더 빠르고 깔끔하게 전환할 수 있습니다.

또한 이 MOSFET은 효율적인 전력 설계에 중요한 다른 주요 지표도 개선합니다. R_DS(on) × Q_g는 온 저항과 게이트 전하를 결합하여 전도 손실과 스위칭 손실 간의 전반적인 균형을 보여줍니다. 다이오드 복구 중에 발생하는 스트레스, 발열 및 전압 스파이크의 양을 반영하는 R_DS(on) × Q_rr은 MOSFET의 바디 다이오드에 대해서도 동일하게 작동합니다. 두 가지 측면에서 U-MOS11-H는 이전 세대보다 40% 이상 개선되어 엔지니어에게 패키지 설치 공간을 늘리지 않고도 더 많은 열 헤드룸과 더 깨끗한 작동을 제공합니다.

더 작고 가벼운 설계 구현

서버 및 5G 인프라와 같은 응용 분야에서 작고 효율적인 DC/DC 컨버터와 SMPS에 대한 수요가 증가함에 따라, U-MOS-11-H와 같은 MOSFET은 높은 전력 밀도의 더 작고 가벼운 설계를 구현하는 데 필수적입니다. 전도 및 스위칭 손실이 적어 에너지 효율이 향상되고 냉각 요구 사항이 줄어들며 전체 시스템 비용과 설계 복잡성을 낮출 수 있습니다.

U-MOS-11H는 표준 전력 프로젝트를 위한 신뢰할 수 있고 잘 문서화된 MOSFET 빌딩 블록으로, 복잡한 게이트 드라이버나 특별한 요구 사항 없이도 쉽게 사용할 수 있습니다. 효율성, 신뢰성, 간단한 구현 사이에서 효과적인 균형을 이룹니다.

고급 응용 분야의 경우, 업데이트된 Toshiba MOSFET은 전력 밀도와 열 효율의 한계를 뛰어넘는 기회를 제공하며, 잘 확립된 실리콘 MOSFET 프레임워크 내에서 소형 SMPS, 고밀도 서버 또는 워크스테이션 전원 공급 장치, 효율적인 배터리 또는 모터 구동 시스템과 같은 설계를 모두 지원할 수 있습니다.

전략적 관점에서 볼 때, U-MOS11-H는 신뢰할 수 있는 실리콘 MOSFET 기술의 입증된 강점과 최신 효율성 및 스위칭 개선 사항을 결합하여 엔지니어에게 고성능 솔루션을 제공하므로 최첨단 전력계 솔루션과 함께 탁월한 선택이 될 수 있습니다.

결론

신뢰성, 넓은 가용성, 예측 가능한 성능, 최신 성능 향상과 같은 실리콘 MOSFET의 성숙하고 비용 효율적인 이점을 활용하여 설계자는 오늘날의 까다로운 응용 분야에 필요한 더 작고 효율적이며 안정적인 전력 전자 장치를 만들 수 있습니다.