데이비드 쿠델라섹(David Kudelasek) ST 전력 및 에너지 애플리케이션 연구소 기술지원 담당

개요

여러 고전력 애플리케이션을 분석해 보면, 전력 모듈과 디스크리트 MOSFET을 사용하는 트렌드가 뚜렷하게 나타난다는 점을 확인할 수 있다. 두 기술 사이에는 대략 10kW~50kW 범위에서 상당 부분 겹치는 구간이 존재한다. 모듈은 이 전력 범위에 적합하지만, 디스크리트 MOSFET은 설계 자유도와 훨씬 더 광범위한 포트폴리오라는 또 다른 이점이 있다. 단일 MOSFET으로 필요한 전력을 충족할 수 없을 때는 병렬 연결이 해결책이 될 수 있다.

 

하지만 전력만이 병렬 연결 MOSFET을 사용하는 유일한 이유는 아니다. 본 글에서 설명하겠지만, 스위칭 에너지는 더 낮아지고 열 전달이 훨씬 더 좋아질 수 있다. 병렬화는 전도성 손실에 대한 열적 효과와 함께 손실 감소, 냉각 성능 향상 및 전력 용량 증대를 위한 유용한 수단이다. 그럼에도 디바이스가 모두 병렬로 사용하기에 적합한 것은 아니며, 특히 다양한 파라미터와 그 편차가 동작에 영향을 줄 수 있다. 본 글에서는 이 문제를 상세히 살펴보고, ST의 SiC MOSFET(3세대)이 병렬 연결에 어떻게 적합한지 알아본다.

 

디스크리트 MOSFET 및 전력 모듈

 

디스크리트 부품에는 패키지당 하나의 디바이스(예 : MOSFET 또는 다이오드)만 들어있다. 패키지는 스루홀(THT) 또는 표면 실장(SMD) 등 다양한 형태로 취할 수 있다. 토폴로지나 하나의 디자인에 여러 패키지를 사용할 경우 설계에는 제한이 없다. 전력 모듈은 이와 정반대로, 내부 디바이스가 풀 브리지 등의 특정 토폴로지로 배열돼 있다. 모듈 제작이 완료되면 디바이스의 파라미터 또는 토폴로지는 수정할 수 없다. 따라서 프로토타입 단계에서 다양한 디스크리트 부품을 테스트하는 대신, 모듈을 사용하면 시뮬레이션에 훨씬 더 많은 노력을 기울이게 된다. 전력 모듈의 두 가지 주요 이점은 다음과 같다.

 

1. 전력 손실 : 모듈의 단면은 냉각 백플레이트, 세라믹 전기 절연체, 구리 평면 트레이스로 구성되며, 이 위에 별도 디바이스(예: MOSFET)의 실리콘 또는 실리콘 카바이드 칩이 직접 소결된다. 이는 냉각에 최적화된 구성으로, 백플레이트가 히트싱크에 직접 연결되므로 추가로 전기 절연이 필요하지 않다. 히트싱크와 백플레이트 사이에는 열 페이스트 등의 열 인터페이스 물질(TIM)만 있게 된다.

 

2. 모듈 사용의 두 번째 이점은 정류 루프의 감소다. 냉각보다 복잡하지만 그 효과는 상당하다. 즉, 기생 파라미터를 줄인다. 각 트레이스에는 저항과 인덕턴스가 있으며, 트레이스가 길수록 이 두 가지 특성 모두 악화된다. 저항은 트레이스를 통과하는 RMS 전류에 따라 전도성 손실을 유발하는데, 이 전력 범위에서는 무시할 수 없는 수준이다. 인덕턴스는 전류의 변화에 반응하여 전압 오버슈트를 생성한다. 과도 현상이 빠르게 일어날수록 전압 스파이크가 높아져 디바이스가 손상될 수 있다. 디스크리트 부품은 다음과 같은 측면에서 모듈보다 우수할 수 없다.

 

•냉각 : 일반적으로 패키지의 냉각 플레이트는 절연되지 않으며, MOSFET의 드레인에 연결된다. 따라서 TIM은 적절한 열 전달뿐 아니라 전기 절연도 보장해야 한다.

 

•트레이스 길이 : 칩에서 칩까지의 트레이스 길이는 디스크리트 부품에서 더 길어진다. 전류는 본딩 와이어를 거쳐 패키지의 리드로 흐른 뒤, PCB로 전달됐다가 다시 되돌아오는 경로를 따른다.

 

모듈에서 디바이스를 병렬로 연결하는 작업은 간단하다. 두 개의 칩을 나란히 소결하고 나머지 노드는 짧은 본딩 와이어로 연결하면 된다. 칩 간의 열적 결합은 우수하다. 디스크리트 부품에서는 열적 결합이 그다지 크지 않다. 칩에서 발생한 열은 패키지를 거쳐 TIM을 통해 히트싱크로 이동한 뒤, 다시 다른 MOSFET으로 전달된다. 각 매체와 매체 사이의 각 전환은 열 저항을 유발하여 열 흐름에 따라 온도를 떨어뜨린다.

 

디스크리트 MOSFET 병렬화를 고려해야 하는 이유

 

아직은 병렬 연결된 디스크리트 MOSFET을 배제할 필요가 없다. 앞서 언급하듯 훨씬 더 높은 설계 자유도, 엄청난 세분성, 세컨드 소싱, 보다 수월한 프로토타입 등 여러 가지 이점이 있다. 병렬 결합에는 다음과 같이 더 많은 이점이 있다. 열 저항은 패키지의 냉각 면적에 비례한다. 패키지가 동일하고 두 개의 동일한 디바이스로 손실을 나눈다면 전체 냉각 면적이 두 배로 늘어나거나 패키지당 전력 손실이 절반으로 감소한다. 즉, 접합부와 히트싱크 사이의 열 저항이 절반으로 줄어들어 MOSFET의 실제 온도가 히트싱크 온도에 더 가까워지는 것이다.

 

MOSFET에서 손실되는 전력으로는 전도성 손실과 스위칭 손실, 두 가지가 있다. 전도성 손실은 채널을 통해 흐르는 전류로 발생하며, 채널에는 온 상태(on-state) 저항(RDSon)이 존재한다. 이로 인해 전압 강하가 발생하고, 여기에 전류를 곱한 만큼의 전력 손실이 발생한다. 동일한 MOSFET을 N개 병렬 조합으로 구성하면 전체 온 상태 저항은 N배 더 낮아진다. 

 

 

스위칭 손실은 전원을 켜고 끄면서 전압과 전류가 중첩돼 발생한다(그림 1). 높은 전압과 전류로 인해 과도 전류는 빠르지만, 피크 전력은 상당히 높다. 시간(트레이스 아래 영역)에 따른 전력을 통합하면 주어진 조건에서 전원을 켜고 끄는 에너지를 얻을 수 있다. 여기에 스위칭 주파수를 곱하면(또는 조건이 다른 경우 1초 동안의 값을 모두 더하면) 스위칭 손실을 계산할 수 있다. 이 제시된 조건에 주목할 필요가 있는데, 이러한 에너지는 과도 시간, 전압, 전류, 온도 등 여러 측면에 따라 크게 달라지기 때문이다. 병렬 연결의 경우, 이러한 에너지의 전류 특성에는 숨겨진 이점이 있다(그림 2).

 

 

에너지의 트레이스는 선형적이지 않고 다소 기하급수적인 추세를 보인다. 따라서 전류가 두 배가 되면 에너지는 두 배 넘게 증가한다. 병렬 연결에서는 접근 방식이 반대다. 동일한 두 디바이스에 전류를 분배하면, 하나의 디바이스를 통해 스위칭할 때보다 전체 스위칭 에너지가 더 낮아진다. 전력 모듈에 하나의 MOSFET을 사용하는 경우와 두 개를 개별적으로 사용하는 경우를 비교하면, 다음과 같은 점에서 모듈이 불리하다.

 

•냉각 경로 : 모듈의 구조가 다르기 때문에 냉각 경로를 직접 비교하기는 어렵지만, 디스크리트의 면적이 넓을수록 모든 단점을 보완하며 잠재적으로 모듈보다 더 뛰어날 수도 있다.

 

•전도성 및 스위칭 손실 : 전도 손실이 2배 낮고 스위칭 에너지가 감소하는 점은 병렬 연결된 디스크리트 MOSFET의 중요한 이점이다.

 

이는 앞서 언급했듯 병렬 연결된 디스크리트 MOSFET과 모듈이 전력 범위에서 겹치는 이유를 설명한다. 동일한 디바이스를 더 많이 사용하면 전력이 증가하며, 병렬 연결 시 더 높은 RDSon의 (따라서 더 저렴한) 제품을 선택하면 동일 전력에서 모듈과 경쟁할 수 있다.

 

열 폭주 - 장점 속에 숨겨진 위협

 

MOSFET의 온 상태 저항(RDSon)은 단순한 정적 값이 아니라 전류에 따라 달라지며, 특히 온도에 따라 크게 달라진다. 고려되는 전력 범위에서 최근 추세는 거의 전적으로 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET을 사용하는 것이며, 이는 실리콘 MOSFET에 비해 온도 변화가 적다. 이러한 동작의 예는 그림 3에 나와 있는데, 최첨단 상단 냉각 패키지 HU3PAK에 포함된 ST의 최신 3세대 SiC MOSFET인 SCT011HU75G3AG를 보여준다. 이 제품은 RDSon이 가장 낮기 때문에 병렬 연결에 적합한 선택지다.

 

 

하지만 온 상태 저항은 25°C에서 최대 175°C까지 약 50% 상승한다. 표준 실리콘 MOSFET과 비교하면 상당히 낮은 수치다. 실리콘 MOSFET은 약 200%까지 상승할 수 있으며, 이 수치는 175°C가 아닌 150°C에서 발생하고 이는 절대 최대 정격온도다. RDSon 곡선이 평탄한 것이 설계에 이상적인데, 이는 전도 손실이 온도 변화에 대해 안정적이기 때문이다. 그러나 손실이 증가하면 열 폭주의 위험이 있다. 손실이 증가하면 더 많은 열이 발생해 온도가 더 높아진다. 이러한 양성 피드백은 실리콘 MOSFET의 경우 문제가 되지만, 실리콘 카바이드(SiC)의 경우 MOSFET이 병렬로 연결돼 있지 않는 한 일반적으로 무시해도 되는 수준이다.

 

왜 이런 차이가 발생할까? 해답은 파라미터 분산, 특히 RDSon에 있다. 데이터시트에 따르면 SCT011HU75G3AG의 저항은 11.4mΩ이어야 하지만, 최대 15mΩ에 달할 수 있다. 이 현상이 광범위하게 동시에 나타날 가능성은 낮지만 가정해 본다. 15mΩ은 11.4mΩ보다 32% 더 높기 때문에 서로 동일한 전압이 흐르므로 훨씬 더 적은 전류를 소모한다. 따라서 11.4mΩ MOSFET은 손실이 약 32% 더 높고 발열이 더 심하다. 온도에 따른 RDSon의 상승이 더 크면 손실이 더 늘어나지만, 더 뜨거운 MOSFET은 자체적으로 이를 보정하고 더 차가운 MOSFET이 더 많은 손실을 떠안게 된다. 

 

실제 애플리케이션 분석

 

실제 애플리케이션에서 이러한 요소는 얼마나 중요할까? MOSFET은 동일한 히트싱크를 사용하므로 열적인 측면에서는 결합돼 있지만, 이는 심각한 위협이 된다. 이에 대한 해답을 찾기 위해 시뮬레이션을 통해 심층적으로 조사했다. 두 개의 MOSFET, 즉 저항이 각각 11.4mΩ, 15mΩ인 HU3PAK의 SCT011xx75를 고려해 본다(TO247의 경우 상황이 더 유리할 수 있으므로 더 열악한 상황 상정). 히트싱크 온도는 90°C, 열 인터페이스 물질(TIM)은 대부분 갭 필러로 구성됐고, 열 전도성은 7W/(m∙K), 두께는 0.4mm다. 전도성 손실에 초점을 맞추면 총 RMS 전류는 140A이다. HU3PAK의 냉각 면적은 120mm²로, 선택한 TIM에서 케이스-히트싱크 Rth 값은 0.476K/W이다.

 

시뮬레이션 결과

 

•15mΩ MOSFET은 케이스 온도 123.7°C, 접합부 온도 139.9°C로, 140A 중 63A를 사용한다.
•11.4mΩ MOSFET은 케이스 온도 131.8°C, 접합부 온도 151.8°C로, 77A를 사용한다.

 

전류 불일치는 초기의 32%에 비해 22%로 감소했으며, 두 MOSFET 모두 절대 최대 온도에 대해서는 충분히 여유가 있다. 중요한 요인은 TIM의 열 경사다. 15mΩ MOSFET은 케이스에서 히트싱크까지 무려 33.7°C가 떨어지고 다른 하나는 41.8°C의 온도 강하가 발생한다. 이 경우 실질적 한계점은 MOSFET 간의 불균형이 아닌 TIM에 있다. 열 전도성은 7W/(m∙K)으로 선택되었는데, 이는 양호하지만 최상은 아니다. 다행히도 최근 이러한 물질에 대한 수요가 증가하면서 연구가 진전되어 현재는 20W/(m∙K)를 초과하는 전기적으로 절연된 갭 필러가 있다.

 

결론

 

전력 모듈은 고전력 애플리케이션에 적합하지만, 디스크리트 MOSFET은 모듈과 동일한 전력 범위에서 사용할 수 있는 많은 이점을 제공한다. 적합한 MOSFET을 선택하는 핵심 요소는 무엇일까? 바로 우수한 스위칭 및 열 처리다. 다행히도 ST의 3세대 SiC MOSFET은 이러한 목적에 부합한다. 병렬 연결 시에도 적절하게 스위칭할 수 있을 뿐 아니라, RDSon의 열 변화 덕분에 손실을 최대한 줄이면서도 불균형 발생 시 열 폭주를 방지하는 최상의 절충안을 제공한다.

 

헬로티 서재창 기자 |