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리드 삭제와 열특성을 강화한 고전력 솔루션

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글/닐 매시(Neil Massey), 인피니언 테크놀로지스

컴퓨터 서버나 통신 시스템의 PFC(power factor correction), UPS나 태양광 인버터 디자인의 하드 스위칭 PWM 스테이지 같은 애플리케이션은 공간은 늘리지 않으면서 갈수록 더 높은 전력 출력을 요구하고 있다. 그러므로 전력 밀도를 높이기 위해서는 디자이너가 고속 성능에 대한 요구를 충족하면서 효율을 높이고 열은 최소화하는 방안을 찾아내야 한다.
MOSFET 같은 전력 스위칭 디바이스는 열 측면의 한계 때문에 전통적인 리드형(leaded) MOSFET에서 SMD(표면실장)타입으로 전환하는 것이 어려웠다. 하지만 이제는 향상된 Superjunction 반도체 프로세스와 발전된 SMD 패키지 디자인이 결합함으로써 GaN과 같은 수준의 성능을 달성하게 되었고 오늘날 중전력 및 대전력 디자인의 요구를 충족하는 최초의 SMD MOSFET 기술이 등장하게 되었다.
오늘날과 같은 데이터 집중적 시대에는 전력과 공간에 따른 비용이 갈수록 상승하고 있다. 이 두 요소가 오늘날 연결된 세상의 중추를 이루고 있는 인프라에 중대한 영향을 미치고 있다. 또한 매 기술 세대를 거듭할 때마다 이전보다 더욱 소형화된 풋프린트로 더 높은 전력을 제공하기를 원함으로써, 전력 밀도가 갈수록 중요한 문제가 되고 있다.
예를 들어서 첨단 서버는 갈수록 더 낮은 전압으로 더 높은 전력을 원한다. 그러려면 전류가 급격히 상승해야 하기 때문에 디자인이 까다로워지며, 전력을 효율적으로 전송하기 위해서 더 많은 구리를(CU) 필요로 한다. 오늘날 데이터 센터를 보면 랙(Rack)당 전력 밀도 가 높아지고 있다는 것을 알 수 있는데, 이것은 당연히 그럴 수밖에 없다. 공간의 가치가 갈수록 높아지고 있고, 기업들은 어떻게든 단위 면적당 더 많은 이윤을 거두려고 하기 때문이다. 2006년에는 랙(Rack)당 6kW 대였다. 하지만 2020년대 말이면 이 수치가 거의 3배가 될 것으로 보인다. 그렇다면 전원 시스템 디자이너들의 작업 부담은 갈수록 더 높아질 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해서는 효율이 중요한 역할을 한다. 전력에 관한 한 가지 진리는‘열을 발생시키지 않으면 열을 처리해야 할 일도 없다’는 것이다. 효율이 높다는 것은, 그것이 컴퓨팅이 되었든 통신이 되었든 태양광이 되었든 해당 작업으로 더 많은 가용 전력을 전달할 수 있다는 것이다. 그러므로 에너지 비용을 절약할 수 있다. 그럼으로써 또한 서버를 더 고밀하게 배치할 수 있다. 그러면 공간에 따른 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 폐열(waste heat)을 더 적게 발생시키므로 냉각 요구량 또한 줄일 수 있으며, 이렇게 하는 것 또한 공간을 절약하고 에너지 비용을 줄일 수 있다.
극히 효율적이고 고밀한 전원 시스템을 설계하는 것은 토폴로지 선택에서부터 시작된다. 특히 메인 전력 소자의 성능에서부터 시작된다고 할 수 있다. 그렇기 때문에 반도체 회사들은 계속해서 반도체공정을 개선하고 주요 FoM(figures of merit, 성능 지수)을 향상시키는 새로운 기술을 개발하고 있다. 그럼으로써 더 높은 효율을 달성할 수 있는 것이다. 향상을 이루려는 노력은 이뿐만 아니다. 모든 분야들이 수년 전부터 표면실장(SMD) 타입으로 전환했는데, 전력 스위치만은 이 흐름에서 뒤쳐져 있었다. 그래서 여전히 많은 최신 세대 제품들이 ‘pin-in-hole(쓰루홀)’패키지로 제공되고 있는 것이다(TO-220과 TO-247이 대표적). 이러한 패키지는 열관리 측면에서는 이점이 있으나 이차적인 제조 공정을 필요로 함으로써 비용을 상승시킨다. 뿐만 아니라 이들 패키지의 리드(Lead) 자체가 성능 상의 장애물이 될 수 있다...(중략)