죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

안전한 MOSFET 동작을 위한 설계 가이드라인

글/Susheel Badha, Applications Engineer, 인피니언 테크놀로지스

    Mahmoud Ismail, Senior Application Marketing Expert, 인피니언 테크놀로지스

머리말

전동 공구, 컨슈머 로보틱스, 경전기차량 같은 배터리 구동 애플리케이션의 시장 규모가 빠르게 성장하고 있다. 스위치드 모드 전원장치(SMPS) 토폴로지가 진화함으로써 디자이너들이 양방향 컨버터를 사용해서 동일 단자를 통해 배터리를 안전하게 충전하고 방전할 수 있게 되었다. 그런데 이러한 SMPS로 안전 요건을 충족하고 장비 손상이나 고장을 방지하기 위해서는 보호 스위치가 필요하다. 단방향 및 양방향 스위치를 사용해서 배터리를 충전/방전하고 쇄도 전류, 과전류, 단락 회로, 역 전압, 과전압/저전압 같은 다양한 결함을 차단할 수 있다.

이 글에서는 디자이너들이 단방향 또는 양방향 보호 스위치를 설계할 때 MOSFET이 자신의 안전 동작 구간 이내로 동작하도록 하기 위한 설계 가이드라인을 제시한다.

양방향 전력 스위치(BDPS)는 무엇이고 어떻게 구현하는가?

양방향 스위치는 전류를 양쪽 방향으로 차단할 수 있는 능동 스위치를 말한다. 이러한 스위치를 사용해서 단락 회로나 역 전압을 비롯해서 배터리/SMPS 단자로 우발적으로 혹은 사람의 실수로 인해서 발생되는 이상 조건을 효과적으로 차단할 수 있다.

BDPS는 2개 N-채널 또는 P-채널 FET을 사용해서 구현할 수 있다. N-채널 FET이 RDS(on)이 낮고 비용이 저렴하다는 점에서 P-채널 FET보다 선호된다. 바디 다이오드 때문에 어떠한 단일 MOSFET은 한 방향으로만 전류를 통과시키거나 차단할 수 있다. BDPS를 구현하기 위해서는 그림 1에서 보는 것과 같은 구성이 필요하다. 

보호 스위치 용으로 적합한 MOSFET 선택

효율, 배터리 백업 지속시간, 결함 차단을 향상시키고 열 솔루션 비용을 낮추기 위해서는 BDPS로 다음과 같은 조건을 충족하는 MOSFET을 선택해야 한다:

• 낮은 전력 소모

• 우수한 열 계면

• 애버랜치를 일으키지 않는 동작

• 병렬 MOSFET들 간에 균등한 전류 공유

• 적절하고 안전한 턴온/턴오프 동작

다양한 기생 효과를 고려해서 BDPS에 사용되는 MOSFET은 해당 애플리케이션에서 정상 조건과 이상 조건 모두에서 안전하게 동작할 수 있어야 한다. 아래 그림은 배터리, 부하, BDPS로 구성된 시스템의 고수준 스키매틱을 보여주는 것으로서, 다양한 배선과 기생성분을 모델링하고 있다. 단락 회로 시의 최악 상황 시나리오를 분석하고 그에 따라서 BDPS를 위한 MOSFET의 적합한 타입과 갯수를 선택할 수 있다.

[그림 2] 하측 BDPS의 MOSFET 토폴로지

[표 1] 이 글에서 설명하고 있는 예의 설계 파라미터

애버랜치를 일으키지 않는 동작

통상적으로 보호 스위치로 사용되는 MOSFET은 쇄도 전류를 제한하기 위해서 턴온은 느리게 하고 이상 조건(단락 회로, 과충전 등)을 방지하기 위해서 턴오프는 되도록 빠르게 하도록 프로그램한다. ‘MOSFET의 안전한 동작’ 부분에서 설명하고 있는 것과 같이 턴온/턴오프 시에 MOSFET이 안전 한계 이내로 동작해야 한다.

단락 회로 같은 조건이 발생되었을 때 MOSFET이 빠르게 오프로 스위칭하면서 루프 인덕턴스를 통해서 dI/dt가 높아지고 높은 전압이 발생될 수 있다(VL = L*dI/). 이 전압이 다시 MOSFET 드레인 전압으로 추가되고(그림 3), 그럼으로써 애버랜치 조건이 발생될 수 있다. 보호 스위치로 사용되는 MOSFET으로 최대 전압은 공식 1과 같이 계산할 수 있다. MOSFET으로 애버랜치가 발생되는 것을 방지하기 위해서는 선택하려고 하는 MOSFET의 항복 전압이 이 공식으로 계산된 최대 전압(Vmax)보다 높아야 한다. 이 글에서는 TOLL 패키지를 적용한 OptiMOS™ 5 100V 전력 MOSFET으로서 IPT020N10N5를 예로 들어서 설명한다.

[그림 3] 단락 회로 시의 파형

MOSFET의 최대 전류

공식 2는 특정 애플리케이션으로 허용된 최대 동작 온도로 MOSFET으로 가능한 최대 전류(IAllowed)를 계산하는 것을 보여준다.

공식 2를 보면, 열 저항이 낮은 MOSFET일수록 더 높은 전류가 가능하다는 것을 알 수 있다.

인피니언의 MOSFET 포트폴리오는 다양한 패키지와 열 저항으로 다양한 구성의 제품을 제공한다(그림 4).

[그림 4] 인피니언은 다양한 패키지 면적과 열 저항과 전류로 다양한 구성의 제품을 제공한다.

병렬로 필요한 MOSFET 수

고전류 애플리케이션으로 MOSFET을 병렬로 사용함으로써 손실을 낮추고 PCB 상으로 온도를 골고루 분산시킬 수 있다.

공식 3은 원하는 동작 온도를 달성하기 위해서 병렬로 필요한 MOSFET 수를 계산하는 것을 보여준다.

MOSFET은 온도 계수가 양이다. 다시 말해서 디바이스 온도에 따라서 RDS(on)이 증가한다.

I2R 다시 말해서 전도 손실로 인해서 MOSFET의 다이 온도가 상승한다. 그런데 RDS(on)이 낮은 MOSFET이 더 높은 전류를 떠맡고 더 높은 I2R 손실로 인해서 RDS(on)이 증가한다. 그러다가 특정한 지속시간 후에 안정적인 열 상태가 된다.

RDS(on)이 가장 낮은 MOSFET이 가장 뜨거워지며, 이 MOSFET으로 온도가 데이터 시트 상에서 지정하고 있는 동작 온도보다 낮도록 해야 한다.

전력 소모

MOFSET의 전도 손실 다시 말해서 I2R 손실(Pcond)이 BDPS로 주된 손실 요인이다. BDPS에 적합한 MOSFET은 동급으로 온 저항(RDS(on))이 낮은 것이다. 앞서 언급했듯이 MOSFET의 RDS(on)은 온도가 상승함에 따라서 증가한다. 안전한 동작을 위해서 MOSFET은 대체로 100℃ 아래로 동작한다. 100℃일 때 MOSFET의 RDS(on)을 바탕으로 공식 4와 같이 MOSFET의 전도 손실을 계산할 수 있다.

Infineon은 MOSFET으로 40년 넘게 경험과 전문성을 쌓아오고 기술 혁신을 거듭함으로써 OptiMOS™ 3에서 OptiMOS™ 5로 넘어오면서 동일한 패키지로 RDS(on) 수치를 크게 낮추게 되었다. 그럼으로써 BDPS 같이 낮은 RDS(on)을 중요하게 요구하는 애플리케이션으로 향상된 성능을 달성하도록 한다.

[그림 5] 인피니언의 MOSFET이 기술 세대를 거듭하면서 RDS(on)이 향상되고 있다.

온도 상승

디바이스로 허용 가능한 최대 온도는 애플리케이션에 따라서 다를 수 있다. MOSFET의 케이스 온도는 공식 5와 같이 계산할 수 있다.

계산된 MOSFET 온도가 허용 가능한 최대 온도(Tmax, 예를 들어서 95°)보다 낮으므로 설계 요구를 충족하는 것으로 볼 수 있다. 

MOSFET의 안전한 동작

결함을 감지하고 보호 스위치를 제어하기 위해서 하우스키핑 IC(배터리 모니터링 IC, 비교기 IC 등)나 컨트롤러를 사용한다. 이러한 컨트롤러로 결함을 감지하고 응답하기 위해서 시간이 필요하다. 단락 회로 같은 조건이 발생되었을 때 MOSFET이 이와 같은 응답 시간(Tsc)을 견디고 무사히 넘길 수 있어야 한다.

보호 스위치를 쇄도 전류를 제한하기 위해서 턴온은 서서히 하고 결함을 방지하기 위해서 턴오프는 빠르게 하는 것이 바람직하다. 이러한 턴온/턴오프 시간에 MOSFET이 선형적 동작 모드를 나타낸다(그림 3에서 노란색 구간으로 표시). 그러므로 보호 스위치에 사용하기 위한 MOSFET을 선택할 때는 다음을 고려해야 한다:

• 전이 시에 접합부 온도 상승

• 선형적 턴온/턴오프 동작

전이 시에 접합부 온도

단락 회로 시에(Tsc)에 순간적인 고전류 펄스나 쇄도 전류 시에 순간적으로 높은 전력 소모로 인해서 MOSFET 다이 상으로 핫스팟이 발생될 수 있다. 안전한 동작을 위해서는 전이 시에 MOSFET의 접합부 온도가 데이터 시트에서 표기하고 있는 실리콘 동작 온도보다 낮아야 한다.

공식 6은 데이터 시트 상의 트랜션트 열 임피던스를 사용해서 FET 접합부 온도를 계산하는 것을 보여준다.

이 계산을 보면 MOSFET으로 100μs 동안에 100A의 단락 회로 전류가 온도를 0.3℃ 상승시킨다는 것을 알 수 있다. 그러므로 단락 회로 이벤트가 끝났을 때 FET 온도는 85.3℃이다.

[그림 6] IPT020N10N5의 트랜션트 열 임피던스

선형적 턴온/턴오프 동작

턴온/턴오프 시에 보호 스위치에 사용되는 MOSFET이 선형적 동작 모드를 나타낸다. 단락 회로 같은 비정상적 조건으로 MOSFET이 자신의 안전 동작 구간(SOA) 이내로 동작하도록 설계해야 한다.

MOSFET 데이터 시트에서는 SOA 경계가 특정한 사각 펄스 지속시간으로 표기된다. 참고문헌 [1]에서 설명하고 있듯이, 보호 스위치는 특정한 dV/dt 및 dI/dt로 동작한다. 다시 말해서 턴온/턴오프 시에 인가되는 전력 펄스가 사각형이 아니다. 

그러므로 MOSFET 데이터 시트 상의 SOA 차트를 곧바로 사용할 수 없다. 경계 조건이나 이상 조건으로는 다음과 같은 단계의 계산이 필요하다:

• 1단계: 전이 시의 전력 소모를 계산한다.

[그림 7] VDS(t), ID(t), PD(t) 파형

• 2단계: 턴온/턴오프 시에 전력 소모를 적분해서 소모되는 에너지를 계산한다.

[그림 8] 에너지 소모

• 3단계: 공식 8로 계산된 에너지를 시간 Δt = t1 - t0으로 나누어서 사각 전력을 계산한다.

[그림 9] 사각 전력 소모

• 4단계: SOA를 TJ_FET으로 디레이팅하고(SOA 디레이팅에 관해서는 참고문헌 [1] 참조), SOA 차트 상으로 계산된 사각 전력 라인을 그린다(예를 들어서 tpulse = Δt = 10μs). 

[그림 10] IPT020N10N5의 SOA 차트 디레이팅

이 차트를 보면 계산된 사각 전력 라인(10μs로 1500W)이 tpulse = 10μs로 SOA 한계보다 훨씬 아래이므로 이 디자인이 안전하게 동작할 것으로 판단할 수 있다.

• 5단계: 단락 회로가 발생되면 MOSFET 온도가 TJSC로 상승한다. 이어서 느린 턴오프로 인해서 MOSFET 온도가 다시 TJSC보다 높게 상승할 수 있다. 이 턴오프 동안에 MOSFET이 짧게 선형적 구간을 지난다. 이때 MOSFET으로 전력 소모가 증가하고, 그에 따라서 온도가 상승한다. 이 온도 상승은 공식 10을 사용해서 계산할 수 있다. 이 공식은 공식 6으로부터 도출된 것이다.

스위치 오프 시에 MOSFET 온도가 100.3℃로 상승하는 것으로 계산된다. 이것은 150℃의 최대 동작 온도보다 낮은 것이다.

맺음말

보호 스위치 애플리케이션으로 MOSFET이 안전하고 신뢰하게 동작하도록 하기 위해서는 여러 가지 것들을 고려해야 한다. 이러한 애플리케이션으로는 낮은 전력 소모, 우수한 열 계면, 애버랜치를 일으키지 않는 동작, 병렬 MOSFET들 간에 균등한 전류 공유, 적절하고 안전한 턴온/턴오프 동작 같은 조건을 충족하는 MOSFET을 선택해야 한다.

이 글에서는 단방향 및 양방향 보호 스위치로 MOSFET이 어떻게 자신의 안전 동작 구간 이내로 동작하도록 설계할 수 있는지 설명했다.

인피니언의 배터리 관리 시스템 웹페이지와 전력 MOSFET 웹페이지에서는 보호 스위치 애플리케이션 용으로 인피니언의 다양한 구성의 MOSFET 제품 및 솔루션에 관한 더 자세한 정보를 볼 수 있다. 

[참고문헌]

[1] Application Note v1.1, Infineon Technologies AG, “Linear Mode Operation and Safe Operating Diagram of Power-MOSFETs,” May 2017

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>