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다양한 전력 반도체의 종류와 기능들

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글/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

오늘날의 전력 전자장치 설계에 사용되는 다양한 종류의 디스크리트 및 IC 디바이스들을 간략히 살펴보기로 한다. 이들 디바이스는 종류에 따라 복잡도가 크게 차이 난다. 이 글에서는 먼저 다이오드와 같은 간단한 2단자 디바이스부터 시작하여 다양한 유형의 3단자 트랜지스터 순으로 알아볼 것이다. 그 다음 DC/DC 컨버터를 살펴보고, 마지막으로 전력 관리 IC를 설명하고자 한다.
다이오드
다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 통과시키고 다른 방향으로는 전류를 흐르지 못하게 차단하는 디바이스를 말한다. 마치 배관 시스템의 ‘넌-리턴(non-return)’ 밸브와 같은 역할을 하는 것이다. 이러한 특성으로 인해 다이오드는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환해야 하는 정류에 매우 유용하다. 다이오드는 스위칭 기능을 수행하는 데에도 효과적이다. 다이오드를 지정할 때 고려해야 할 주요 특성은 디바이스의 전류 처리 성능과 디바이스가 견딜 수 있는 역 전압이다.
전류가 흐르는 정적 상황에서는 다이오드의 종류를 구분 짓는 차이가 전력 손실이 관찰되는 순방향 전압 강하에서 나온다. 전통적인 실리콘 기반 다이오드 유형은 쇼트키 유형(고속 스위칭에 사용)보다 전압 강하가 더 크지만, 쇼트키 다이오드는 보통 항복 전압(breakdown voltage)이 발생하기 전 실리콘 유형보다 역 전압 내성이 약하다.
다이오드가 전도에서 차단으로 스위칭하는 동적 상황에서는 속도가 차별화 요인이다. 쇼트키 다이오드는 항상 빠르지만, 실리콘 유형은 느리거나 빠를 수 있다(빠른 유형이 스위칭 과정에서 전력 손실이 적다). 새롭게 떠오르는 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 같은 새로운 반도체 소재를 사용하면 단위 가격이 높아지지만 속도, 온도 정격, 역 전압 내성, 순방향 전압 강하 등 모든 특성에서 향상된 다이오드를 만들 수 있다.
전력 애플리케이션에서 볼 수 있는 또 다른 일반적인 다이오드 종류는 제너 다이오드(Zener diode)이다. 제너 다이오드는 전압 레퍼런스나 과도 전압 클램프로 사용된다. 이 디바이스는 특정 전압 레벨까지 역 전류를 차단하다가 해당 레벨 이상이 되면 전류 흐름이 발생하도록 허용한다. 제너 다이오드를 지정할 때 핵심 요소는 역 항복 전압이다.

[그림 1] 주요 다이오드 종류

전력 트랜지스터

트랜지스터는 제어되는 스위치 역할을 한다. 일반적으로 트랜지스터는 3개의 단자를 갖는데, 한 개의 핀에 사용되는 작은 신호로 다른 두 핀 사이의 고전류를 제어한다. 가변 제어 신호로 전류를 조정하거나, 트랜지스터가 스위치처럼 동작할 수 있다(하드 OFF 또는 ON은 제어 핀의 로우 또는 하이 신호와 관련된다).

[그림 2] BJT 종류

바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)는 저전력 레벨에서는 일반적이지만, 오늘날에는 수 와트 이상에서는 거의 사용되지 않는다. 이 트랜지스터의 제어 핀은 ‘베이스’ 연결이며, 제어 신호는 전류이다. ‘컬렉터’와 ‘이미터’ 핀은 제어되는 전류를 통과시킨다. 기본적인 정격은 전류 처리, OFF일 때 전압 내성, 전력 처리, 동작 속도 및 전류 이득(제어하는 전류 대 제어되는 전류의 비율)이다. 고전류 레벨에서는 전류를 베이스에 공급함으로써 손실되는 전력이 상당할 수 있다. BJT는 제어하고 스위칭되는 전압 극성에 따라 두 가지 주요 형식인 NPN 형 또는 PNP 형이 있다.

[그림 3] MOSFET 종류

MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)은 BJT와 마찬가지로 보통 3단자 디바이스지만, 제어 핀은 ‘게이트’로서, 게이트의 전압이 ‘드레인’과 ‘소스’ 단자를 통과하는 전류를 제어한다. 기본적인 정격은 전류 처리, OFF일 때 전압 내성 및 전력 처리 성능이다. 핵심적인 특성이자 MOSFET 소싱 시 종종 우선시되는 특성은 동작하는 동안 드레인과 소스 사이의 저항이다. 이 저항을 온-저항이라고 하며, RDS(on)로 표시한다. 온-저항은 어떤 동작 조건에서도 피할 수 없는 디바이스 내의 본질적인 전력 손실을 나타낸다. 또 다른 주요 파라미터는 총 게이트 차지 Qg(total)이다. 이 파라미터는 고주파수 스위칭 시 게이트 드라이브 회로 손실을 정량화하기 때문이다. MOSFET의 손실은 등가 BJT보다 훨씬 낮기 때문에 고전력 레벨에서 MOSFET이 선호된다. 또한 MOSFET은 일반적으로 높은 주파수에서 동작할 수 있다. 주요 MOSFET 종류로는 N-채널과 P-채널, 증가형(enhancement mode)과 공핍형(depletion mode)이 있다. 이들 유형은 디바이스 주위의 전압 극성을 정의하고, 스위치로 ON 또는 OFF를 정의한다. BJT와 달리 MOSFET는 ON일 때 소스와 드레인 사이 어느 방향으로나 전도할 수 있다.
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 BJT와 MOSFET의 특성을 결합한 것으로, 게이트 핀이 이미터와 컬렉터 핀을 통과하는 전류를 제어한다(BJT와 매우 유사). 상당히 오래된 기술인 IGBT는 ‘선형’ 디바이스가 아닌 스위치로만 사용되며, 동작이 꽤 느린 편이어서 사용은 최대 약 50kHz의 스위칭 주파수로 제한된다. 하지만 전력 처리 능력은 매우 우수하다(400A 이상 전류 및 5kV 이상 전압 지원). 따라서 트랙션, 그리드와 연결되는 인버터, 고전력 모터 제어와 같은 애플리케이션에 광범위하게 사용된다.

[그림 4] IGBT, TRIAC 및 SCR

사이리스터(Thyristor)는 종종 실리콘 제어 정류기(SCR) 또는 트라이악(TRIAC)이라 불리기도 하는데, 역시 고전력 회로 설계에 사용된다. 이 디바이스는 게이트 핀에 의해 제어되는 반도체 스위치를 래칭한다. SCR은 한 방향으로만 전도하지만, TRIAC은 두 방향 모두 전도가 가능하다.
와이드 밴드갭(WBG) 기술
엄밀히 말해, SiC와 GaN은 다이오드나 트랜지스터(MOSFET 등) 같은 모든 반도체 소자에 적용할 수 있는 제조 기술이다. 대부분의 산업 분석가들은 MOSFET과 관련해 미래에는 이 기술이 가장 많이 사용될 것으로 전망한다. 이러한 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 기술을 적용할 경우, 이들 소자는 기존 실리콘 기반 디바이스보다 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 동작 온도, 그리고 상당히 낮은 전력 손실을 구현할 수 있으며, 이러한 특성으로 인해 더 전력 효율적일 뿐 아니라 성능도 더 향상될 수 있다. 그러나 이러한 소자와 관련된 제조 공정의 비용은 이미 앞에서도 언급했듯이 더 높은 단위 비용으로 이어진다. 시간이 지나면서 가격이 하락한다 하더라도, 그 시점에서 비용에 민감한 애플리케이션 분야에 적용하기는 쉽지 않을 것이다.

전력 관리 IC

전력 전자장치에서 범용 IC는 많은 다양한 기능을 위해 사용되지만, 주요 부류는 AC/DC, DC/DC, AC/AC 또는 DC/AC 변환 등 전력 변환 스테이지를 제어하는 것과 관련된다. 다양한 전력 변환 방법이 활용되고 있으며, 그 중에서 선형, 벅 및 부스트가 가장 많이 이용된다. 이들 방법은 모두 서로 다른 제어 방법을 필요로하며, 다양한 제조사들이 제공하는 각각의 방법마다 적합한 특정 IC들이 있다.
선형 제어 IC는 단순한 컨트롤러이거나 MOSFET과 같은 제어 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 때문에 이들 IC를 종종 3단자 레귤레이터라고 부르기도 한다. 스위치 모드 전력 변환에서, 제어 IC는 IC에 포함되는 전력 트랜지스터를 구동하는 데 사용된다. 때로는 출력의 여러 채널을 동시에 제어할 수도 있다. 이 밖에 동기식 정류기 또는 전류 공유 컨트롤러와 같은 전력에 특정한 보조 기능을 수행하는 많은 IC들이 나와 있다.
전력 제어 IC는 전기적 정격이 아닌 애플리케이션에 따라 분류된다. 예컨대 AC/DC 역률보정(power factor correction, PFC) 제어를 위한 IC나, 또는 PoL(point-of-load) 컨버터 제어를 위한 IC 같은 유형이다. 종종 서로 다른 제조회사에서 등가 제품을 내놓기도 하지만, 공유되는 제조 라이선스가 없다면 이들 제품은 세부적인 차이 때문에 실제로는 호환되지 않을 가능성이 높다. 따라서 이들 제품을 잠재적인 대안으로 고려할 경우에는 세심한 주의가 필요하다.

전력 부품을 위한 다양한 패키지 종류들

전력 부품은 표면 실장 패키징이 일반적이지만, 이들 부품은 소모 전력 수준이 매우 높아서 PCB와 반대로 히트싱크에 장착되기 때문에 여전히 스루홀 터미네이션 구성을 볼 수 있다. 하지만, 기술이 발전하고 효율이 높아지면서 더 많은 전력 부품들이 걸윙(gull-wing), 볼 그리드 어레이(BGA), 랜드 그리드 어레이(LGA), 그 밖에 다른 독자적인 패키지로 제공되고 있다. 더 낮은 전력 부품들은 칩 스케일 크기로 출하되며, 종종 과도한 발열을 PCB 트랙킹으로 유도하는 구리 패드(copper land) 같은 패키지로 제공되는 제품도 있다.