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더 작게, 더 스마트하게, 더 강력하게 - 플라이백 토폴로지용의 800V CoolMOS™ P7

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글/Stefan Preimel, 인피니언 테크놀로지스

더 작게, 더 스마트하게, 더 강력하게 만드는 것이 저전력 스위치드 모드 전원장치(SMPS) 애플리케이션의 시장 추세이다. 더 작게 만들기 위해서는 SMPS가 폼팩터(Form factor)를 더 줄여야 하고, 그러기 위해서는 전력 밀도를 높여야 한다. 더 스마트하게 만들기 위해서는 시스템이 환경 친화적이고 사용자 친화적이게 만들기 위해서 스마트한 시스템-대-시스템/시스템-대-인간 통신을 필요로 한다. 더 강력하게 만들기 위해서는 SMPS가 더 높은 전력을 출력하고 다수 장치들로 에너지를 공급하면서도 소비자들을 위해서는 비용을 절약할 수 있어야 한다.
이러한 요구를 충족하기 위해서는 엔지니어들이 SMPS를 설계할 때 새로운 과제들에 직면한다. 더 높은 출력 전력과 더 소형화된 폼팩터(Form factor)를 달성하기 위해서는 더 높은 전력 밀도를 달성해야 하므로, 엔지니어들이 효율을 향상시키고 전반적인 시스템 발열을 관리하기 위해서 더 많은 노력을 기울여야 한다. 또 한편으로 제품 수명을 길게 하기 위해서는 신뢰성을 높이도록 시스템 차원에서 SMPS 디자인을 최적화해야 한다.
이러한 요구들을 충족했을 때는 확실한 이점들을 가질 수 있다. 크기를 소형화하는 것은 공간을 절약하고 시스템의 이동성이나 휴대성을 높일 수 있다. 더 높은 효율과 더 스마트한 디자인은 에너지를 절약함으로써 소비자들이 전기 요금으로 지불해야 하는 비용을 줄일 수 있으며 환경 보호에도 기여할 수 있다. 가정에서 전력 수요가 줄어들면 그만큼 전력을 덜 생산해도 되고 그에 따른 오염을 줄일 수 있기 때문이다. 또한 제품 수명이 다한후의 폐기물을 줄일 수 있다.
어댑터와 충전기, LED 조명, 오디오 SMPS, 보조 전원, 산업용 전원은 대표적인 저전력 SMPS 분야들로서, 이들 분야에서는 플라이백(Flyback) 토폴로지가 가장 일반적으로 사용된다. 이 토폴로지에서는 고전압(HV) MOSFET이 중요한 역할을 한다. 그러므로 이들 시장의 요구를 충족하기 위해서는 적합한 MOSFET을 선택하는 것이 중요하다.

플라이백(Flyback) 토폴로지용의 HV MOSFET을 선택할 때의 고려사항

플라이백 토폴로지 용으로 적합한 MOSFET을 선택하기 위해서는 시스템 전반에 대한 이해가 필요하며 해당 애플리케이션으로 MOSFET을 어떻게 사용하는지 알아야 한다. 첨단 플라이백 디자인은 EMC 최적화의 필요성을 줄이고자 HV MOSFET을 40kHz~100kHz로 스위칭한다. 또 어떤 디자인들은 더 작은 자기(Magnetic) 소자를 사용함으로써 크기를 줄이기 위해서 높은 주파수로 스위칭한다. 우수한 경부하 효율을 달성하기 위해서는 스위칭 손실을 줄여야 하고, 높은 풀부하 효율을 달성하기 위해서는 전도 손실을 낮추어 야 한다.
스위칭 손실과 관련해서는 Qg와 Eoss가 중요한 MOSFET 파라미터이다. Qg는 MOSFET을 구동하는 것과 밀접하게 연관되며, 이 값이 작을수록 구동 손실을 낮출 수 있다. Eoss는 MOSFET이 온으로-->온(On)으로 스위칭할 때 소모하는 에너지이다. RDS(on) 역시 중요한 파라미터로서 전도 손실을 결정한다. 이 손실은 풀부하조건과 관련해서 중요하다.
MOSFET ESD 내구성 또한 MOSFET 선택 시에 갈수록 더 중요해지고 있다. ESD 내구성이 좋으면 생산 수율을 높이고 제품 반품을 줄일 수 있기 때문이다. 또한 촉박한 일정 안에 제품을 출시해야 하는 압박을 받는 엔지니어들에게는 견고성, 구동 용이성, 설계 용이성 또한 고려해야 할 사항이다. 그러기 위해서는 VGS(th) 변동성을 고려해야 한다. VGS(th)가 낮으면 MOSFET을 구동하기가 더 수월하며, VGS(th) 변동성이 낮으면 디자이너가 좀더 유연하게 SMPS를 설계할 수 있다...(중략)