전원공급장치 설계에서 성능과 효율을 한번에 잡는 와이드밴드갭(WBG) 솔루션
산업용 애플리케이션에서는 디바이스의 효율과 성능이 뛰어날수록 좋습니다. 이를 달성할 수 있는 방법 중 하나는 와이드 밴드갭(Wide Bandgap, WBG) 기술을 사용하는 것입니다. WBG 기술은 지속적으로 개선되고 있으며, 불과 몇 년 전과 비교해 보더라도 지금은 사용할 수 있는 제품 수가 더 많아졌고 가격도 더 저렴해졌습니다.
-이번 포스트에서는 리틀휴즈(Littelfuse)의 실리콘 카바이드(SiC) 제품이 효율, 신뢰성, 열 관리 개선이 필요한 애플리케이션에 적합한 솔루션인 이유를 알아보겠습니다.
(출처: 리틀휴즈(Littelfuse))
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리틀휴즈의 SiC MOSFET
모든 리틀휴즈 SiC MOSFET은 고주파, 고효율 애플리케이션 제품에 최적화되어 있습니다(그림 1). 이 SiC MOSFET은 고주파 스위칭을 위해 낮은 게이트 전하, 낮은 출력 정전 용량 및 낮은 게이트 저항을 제공하며, 낮은 드레인 소스 온 상태 저항이 특징입니다. 이러한 특성은 또한 낮은 전도 및 스위칭 손실로 이어집니다. 리틀휴즈는 낮은 게이트 전하 및 출력 정전 용량, 업계 최고의 성능, 그리고 모든 온도에서의 견고성을 갖춘 자체 설계, 개발 및 제조된 SiC MOSFET을 제공합니다. Littelfuse SiC MOSFET은 다양한 패키지, 구성, 전압, 전류 등급으로 제공됩니다. 이 SiC-MOSFET의 산업용 애플리케이션에는 모터 드라이브, 광전지(PV) 태양광 인버터, 무정전 전원공급장치(UPS) 시스템, 그리고 모듈형 멀티레벨 컨버터가 포함됩니다.
그림 1: SiC-MOSFET의 효율 향상이 이점을 제공할 수 있는 애플리케이션에는 모터 드라이브, PV 태양광 인버터, UPS 시스템, 모듈형 멀티레벨 컨버터가 포함됩니다. (출처: romaset - stock.adobe.com)
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구체적인 사례를 한 가지 더 살펴보기 위해 60W 보조 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 저비용 설계 및 고성능과 관련된 활용 사례를 소개해 보겠습니다. 이 SMPS 장치는 리틀휴즈의 SiC MOSFET, 특히 리틀휴즈 LSIC1MO170E0750 N-채널 SiC MOSFET 제품(그림 2)과 같은 1700V급 디바이스를 사용함으로써 300V ~ 1kV의 폭 넓은 입력 전압을 수용할 수 있었습니다.
그림 2: LSIC1MO170E0750 N채널 SiC MOSFET은 고주파 스위칭 애플리케이션을 위해 낮은 게이트 전하 저항과 매우 낮은 온 저항(on-resistance)을 제공합니다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
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-산업용 보조 전원공급장치 설계 고려 사항
보조 전원장치가 시스템의 신뢰성을 저해하지 않으려면 매우 안정적이면서 복잡하지 않은 설계가 필요합니다. 단일 스위치 플라이백 토폴로지는 구조가 단순하고 부품 수가 적으며 비용이 저렴하기 때문에 저전력 DC-DC 전력 변환에 가장 많이 선택됩니다. 그러나 보조 전원장치 애플리케이션용 단일 스위치 플라이백 토폴로지에 실리콘 MOSFET을 선택하는 데는 몇 가지 문제가 있습니다. 플라이백 토폴로지에서 전원 스위칭 디바이스는 가장 높은 입력 공급, 변압기 유도 효과, 2차 반사 전압, 그리고 회로 배열/레이아웃 효과를 대응하는 전체 시스템 전압을 견딜 수 있어야 합니다.
-1000V 입력에서, 전원 스위칭 디바이스의 피크 전압은 1200V를 쉽게 넘을 수 있으므로 적절한 차단 전압을 가진 실리콘(Si) MOSFET을 선택하기가 어렵습니다. 1500V Si MOSFET은 마진이 낮고 신뢰성 문제를 야기합니다. 2000V 이상의 Si MOSFET은 충분한 마진을 제공할 수 있지만, 특정 온 상태 저항이 저전압 MOSFET보다 훨씬 높기 때문에 컨버터 효율이 떨어지고 열 관리가 저하됩니다. 이러한 결과는 낮은 전력 변환 애플리케이션의 경우에도 보다 광범위한 냉각 솔루션이 필요할 수 있습니다. 또한 2000V 이상의 정격 Si MOSFET은 가격이 훨씬 높습니다. 1500V 이하 등급의 Si MOSFET을 사용하려면 2-스위치 플라이백 또는 기타 토폴로지를 사용해야 합니다. 그러나 2스위치 플라이백 토폴로지에서는 설계 복잡성과 컨버터 부품 수가 크게 증가합니다.
-솔루션: 1700VDS, 750mΩ SiC MOSFET
1700V SiC MOSFET은 간단한 단일 스위치 플라이백 토폴로지를 통해 폭 넓은 입력 전압 범위를 달성함으로써 이러한 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공합니다. 1700V 항복 전압(breakdown voltage)은 1000V 입력 전압에도 충분한 전압 마진을 제공합니다. 1700V SiC MOSFET의 특정 온 저항은 2000V 장치 및 그 이상의 정격 Si MOSFET보다 훨씬 낮습니다. 또한 SiC MOSFET은 Si MOSFET에 비해 스위칭 손실이 적습니다. 스위칭 손실이 적으면 보조 전원 공급 장치의 스위칭 주파수를 높임으로써 변압기 크기와 무게를 줄이는 효과도 제공합니다. 이 제품의 TO-247 패키지는 넓은 표면적과 우수한 열 전도성을 제공하여 저전압 디바이스를 위한 소형 아웃라인 패키지보다 열 관리가 수월합니다.
-산업용 전원 공급 장치 솔루션을 위한 WBG
리틀휴즈의 와이드 밴드갭 SiC MOSFET을 사용하면 설계자는 전원공급장치의 효율과 성능을 훨씬 더욱 높일 수 있습니다.