수십kW의 거대 전력을 작은 회로로 매끄럽게 ! 

일본 가정에 있는 AC 콘센트에서는 100VRMS의 교류 전압이 나온다. 20A 계약인 경우 여기서 나오는 최대 전력은 2kW이지만, 전기자동차(이하, EV), 전철, 엘리베이터 등의 파워 일렉트로닉스 장치의 모터에 공급, 제어되는 것은 10kW 이상의 대전력이다. 필시 거대한 냉각기나 전자부품이 사용되어 덩치가 클 것이라고 상상한다. 그러나 오늘날의 파워 일렉트로닉스는 상상 이상으로 작고 스마트하다.

여기서는 소형 전자회로에서 수kW 이상의 거대 파워 출력을 제어할 수 있는 ON/OFF 스위칭 기술과, 이 기술을 이상적인 것으로 만들기 위해 필요한 파워 트랜지스터의 성능에 대해 해설한다.

핵심 기술 ① … ON/OFF 스위칭

1. 밥도 안 먹고 일해 주는 ON/OFF 스위칭 회로

그림 1은 파워 디바이스로 전력을 자유롭게 조절하는 파워 일렉트로닉스 기기이다. 이 회로는 배터리 등의 직류 전압원에서 부하(여기서는 히터)에 공급하는 전력을 조정하는 이미지이다. 

▲ 그림 1. 파워 디바이스에 의한 대전력 컨트롤 이미지

만일, 직류 전원의 전압이 VCC＝100V, 히터가 RL＝1Ω이었다고 하면, 여기서 스위치를 ON하면 히터에 주어지는 전력 P[W]는 다음 식에서 10kW이다.

P＝VCC/RL                                                                      (1)

스위치를 ON시킬 수만은 없다, 예를 들어 ON과 OFF를 절반씩 반복했다고 하면(듀티비 50%), 히터에 주어지는 전력은 평균적으로 봤을 때 10kW의 절반인 5kW이다. 이 스위치 ON과 OFF 시간의 비율을 컨트롤러로 조정해 파워 디바이스를 스위칭시킴으로써 0∼10kW까지 히터 전력을 마음대로 조정한다.

여기서 포인트는, ON/OFF하면서 출력 전력의 크기를 조정하고 있음에도 불구하고, 파워 트랜지스터는 거의 에너지를 필요로 하지 않는 셈이라는 것이다. ON일 때 ON 저항이 0Ω, OFF일 때 ON 저항이 ∞Ω인 이상적인 파워 트랜지스터는 ON일 때와 OFF일 때 모두 전체 동작에 대해 소비하는 전력이 0W이다.

2. 전력 제어 구조

필요한 경우, 히터에 온도 센서를 달아 온도 정보를 컨트롤러로 피드백하면 히터의 온도는 주위의 영향을 받지 않고 일정한 값으로 유지된다. 이것이 파워 일렉트로닉스 기기에 의한 전력 조정 원리이다.

스위치되는 파워 디바이스와 콘덴서, 리액터 등의 에너지 축적 요소 및 그러한 회로 요소의 구성을 용도와 목적에 따라 조합하여 ON/OFF를 조작함으로써 부하에 주어지는 전압이나 주파수 등을 조정할 수 있다.

3. 파워 트랜지스터는 필수

파워 일렉트로닉스 기기 중에서 중요한 역할의 스위치로 사용되는 것은 릴레이 등과 같은 기계 스위치가 아니라 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insurated Gate Bipolar Transistor) 등으로 불리는 파워 반도체 디바이스이다. 

파워 일렉트로닉스 기기에서는 전력을 세밀하게 조정하기 위해 스위치를 수k∼수백kHz로 고속 스위칭시키므로 기계 스위치로는 대응할 수 없다.

핵심 기술 ② … 직류의 고압화와 소전류화

1. 가늘고 가벼운 케이블로 대전력을 운반한다

그림 1의 예에서 히터와 스위치에 흐르는 전류 I를 계산해 보자. ON 듀티 100%인 경우, 이상적으로는 I＝VCC/RL에서 100A가 된다. 100A를 연속해서 흘리려고 하면 14~22mm2의 단면을 가진 두꺼운 케이블이 필요하다. 그래서 동일한 전력을 공급하기 위해 전원 전압을 2배로 올리면 스위치에 가해지는 전압은 2배가 된다. 그러나 필요한 전류는 절반이 되므로 케이블 단면적도 절반이면 된다.

즉, 구리라는 자원으로 만들어진 케이블 사용량이 줄어들기 때문에 장치 경량화와 자원 절약이 가능해진다. 또한, 케이블이 가늘어지면 감기도 편해지고 배선용 공간도 줄일 수 있다.

(1) 고압화 예 ① … 하이브리드카의 파워 회로

고압화의 예로서 자동차 중 현재 가장 주목 받고 있는 하이브리드카의 파워 회로 예를 그림 2에 나타낸다. 200V 정도의 니켈수소 축전지나 리튬이온 축전지를 전원으로 하여 승강압 기능을 부여한 컨버터 회로로 직류 600V 이상의 고압을 만들어 낸다. 전압을 승압하면 같은 전류로도 더 큰 파워를 모터에 출력할 수 있다.

▲ 그림 2. 하이브리드 전기자동차는 고압화와 소전류화로 배전용 케이블을 소형 경량화한다

이 고압 직류 전압원을 3상 인버터로 교류로 변환하여 모터를 회전시킨다. 가속할 때 배터리의 전기 에너지는 인버터와 모터를 거쳐 자동차의 운동 에너지로 변환된다. 반대로 감속, 정지할 때의 자체 운동 에너지는 인버터나 승강압 초퍼 회로를 거쳐 배터리로 되돌아감으로써 회수된 에너지가 다음 가속에 재이용된다.

(2) 고압화 예 ② … 서버에 전력을 공급하는 전원 시스템

휴대전화를 비롯하여 통신 기술이 발전함에 따라 인터넷 데이터 센터(IDC, Internet Data Center) 시장이 급성장하고 있다. 이 분야에서도 고압화 움직임이 보인다. IDC 안에서는 많은 서버가 가동되는데, 서버에 전력을 공급하는 전원 시스템을 재검토함으로써 변환 효율을 향상시켜 쓸데없이 열로 소비되는 전력을 삭감하려는 경향이다.

(3) IDC 배선 계통 예

그림 3은 일반적인 IDC의 배선 계통 예이다. AC3.3kV 계통에서 공급되는 AC200V 전원은 일단 UPS(무정전전원장치)를 거치고, 실내 배선도 AC200V에서 서버 랙으로 공급된다. 서버 랙 안에서는 수전한 AC200V 전원을 프런트엔드 전원에 의해 DC48V로 변환하고, 서버 본체나 CPU 측에 놓인 VRM(Voltage Regulator Module) 등에 의해 CPU가 필요로 하는 1V 전후까지 전압을 떨어뜨린다. DC48V의 저압 대전류인 실내 배선을 구성해 기기에 전원을 공급하는 경우도 있다.

▲ 그림 3. 전력 소비가 큰 서버 센터의 전원 공급 시스템은 AC-DC 변환과 DC-AC 변환이 여러 차례 반복되어 손실이 크다

계통에서 최종적인 CPU 사이에 몇 개의 변환 회로가 존재하므로 그 변환 회로에서 발생하는 손실이 문제된다. 예를 들면 UPS, 프런트엔드 전원 효율을 각각 90%라고 가정하면, 이 부분의 효율은 80% 정도까지 떨어진다. 전원에서 발생하는 손실은 열이 되어 버리므로 이것을 냉각하기 위한 공조설비 규모도 커지게 된다.

(4) 고압 직류 배전 시스템(HV-DC)

이것을 개선하는 데 현재 고압 직류 배전 시스템(HV-DC : High Voltage Direct Current)이 주목받고 있으며 실용화도 연구되고 있다. 그림 4는 직류 배전 시스템의 구성 예를 나타낸 것이다.

▲ 그림 4. 서버 센터의 전원 시스템도 고압화, 소전류화되고 있다

계통에서 공급된 AC200V는 PWM 컨버터 등의 정류 장치에 의해 고압 DC400V로 변환된다. 이것을 그대로 실내 배선을 통해 서버에 공급하도록 구성했다. 이로써 기존에 몇 개의 AC-DC 컨버터나 DC-AC 컨버터를 통과하지만, 이들이 적어져 변환 로스가 그만큼 감소한다. 효율은 10% 이상 좋아진다.

고압 직류 급전에 의해, 앞에서 설명한 바와 같이 고압화에 따라 같은 전력인 경우 전류를 줄일 수 있으므로 실내 배선이 가늘어지고 배전용 공간 삭감, 작업성 향상, 자원 절약이 가능해진다.

앞으로는 직류 급전 시스템에 최적화된 파워 일렉트로닉스 기기의 연구개발도 활발해지고 직류 급전 실용화를 위해 안전성과 표준화 같은 과제에 대한 적극적인 연구가 이루어질 것으로 기대된다.

핵심 기술 ③ … 고속 스위칭이 가능해 잘 발열하지 않는 파워 트랜지스터

1. 발열 요소는 스위칭 손실과 도통 손실 2가지

그림 5와 같이 파워 디바이스가 ON에서 OFF, OFF에서 ON으로 전환되는 순간을 확대해 보면 디바이스에 전압과 전류가 동시에 가해진다. 이것은 전환되는 순간 (전류)×(전압) 만큼의 손실이 발생한다는 것을 의미한다. 이 손실을 ‘스위칭 손실’이라고 한다.

▲ 그림 5. 실제 파워 트랜지스터는 ON/OFF 스위칭하지 않으므로

2개의 손실을 내고 발열한다

ON하여 전류를 흘리는 기간에도 디바이스 양 끝에는 흐르는 전류에 대응하는 ON 전압이 발생하고 ‘도통 손실’이라는 손실도 발생한다.

2. 스위칭 주파수를 높이면 주변 부품을 소형화할 수 있다

장치 변환 효율을 개선하거나 소형 경량화하기 위해서는 앞에서 설명한 손실을 가능한 한 줄여야 한다. 또한, 고속으로 스위칭할 수 있으면 동작주파수를 높일 수 있으므로 트랜스와 리액터도 소형화할 수 있다.

예를 들면, 절연형 DC-DC 컨버터에는 내부에 절연 트랜스가 있으므로 기기의 스위칭 주파수를 높일수록 트랜스의 크기를 작게 할 수 있다.

3. 이상적인 파워 트랜지스터의 스위칭 성능

(1) ON 저항이 0Ω이고 도통 손실이 0W

파워 디바이스를 ON시켜 전류를 흘리면 디바이스가 갖고 있는 저항분에 의해 ON 전압이 발생하며, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

‌컬렉터에 흐르는 전류×(ON 전압)＝도통 손실(정상 손실이나 ON 손실이라고도 한다)  (2)

즉, ON 전압이 낮고 도통 손실이 작을수록 성능이 좋은 디바이스이다. 이 성능은 MOSFET에서 ‘ON 저항(RDS(on))’, IGBT에서 ‘ON 전압(VCE(sat))’이라는 항목으로 표기된다.

(2) 스위칭 시간이 0초이고 손실이 0W

스위치로서 파워 디바이스를 작동시켰을 때, 0초에 ON/OFF할 수 있는 것이 이상적이다. 그러나 실제로는 신호를 부여한 후 디바이스가 동작을 시작할 때까지 전압 강하나 전류 상승에는 일정한 시간이 필요하다. 이 시간은 수십ns~100ns이다. 이 전압과 전류가 교차하는 단기간의 스위칭에서도 도통 손실과 마찬가지로 (전류)×(전압) 만큼의 손실이 발생한다. 이 손실은 스위칭 기간으로 손실을 적분한 에너지(줄)값을 1회당 스위칭 손실이라고 한다.

스위칭 횟수(스위칭 주파수)에 비례해 스위칭 손실이 증가하므로 고주파에서 스위칭시키고자 할 경우에는 고속 스위칭 특성을 가진 디바이스가 필요하다.

스위칭 주파수가 낮을(일반적으로는 5kHz 이하) 때에는 스위칭 손실보다 도통 손실이 더 커지므로 가급적 ON 전압이 낮은 디바이스가 좋다.

(3) 게이트 입력 용량이 작고 구동 전압이 0W

파워 디바이스를 구동하기 위해 필요한 파워도 무시할 수 없는 경우가 있다. MOSFET 등 전압 구동형 디바이스가 일반화됨에 따라 바이폴라 트랜지스터 등 전류 구동형 디바이스에 비해 구동 전력은 훨씬 작아졌다. 그러나 전압 구동형 디바이스도 스위칭시키기 위해서는 게이트의 입력 용량을 충방전시킬 필요가 있다. 이 입력 용량 충방전이 손실로 되어 스위칭 주파수에 비례하고 구동 전력이 증가한다.

특히, 구동 전력은 부하의 대소에 관계없이 스위칭 주파수가 정해지면 일정값이므로 경부하 효율에 영향을 미친다. 스위칭 전원 용도 등 수십k~100kHz 이상에서 사용되는 경우가 많은 MOSFET의 경우, 입력 용량의 크기(용량이 작을수록 구동 손실도 작다)도 중요한 검토 항목 중 하나이다.

(4) 고온에서 계속 사용할 수 있다

파워 디바이스에는 사용할 수 있는 전압과 전류에 제한이 있다. 이것은 각 파워 디바이스의 정격 전압, 정격 전류라는 형태로 카탈로그에 표기되어 있다. 이것은 스위치를 껐을 때 그 양 끝에 몇 V까지 가해도 되는지, 스위치를 켰을 때 몇 A까지 흘릴 수 있는지를 나타낸다.

사용할 수 있는 온도에도 제약이 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 디바이스에는 손실이 발생하므로 동작 중에는 자기 발열에 의해 디바이스의 온도가 상승한다. 일반적으로 사용되는 반도체 재료는 실리콘인데, 이 실리콘이 물성적으로 사용할 수 있는 최고 허용 온도는 150~175℃이다. 따라서 파워 디바이스를 사용할 때에는 발생 손실을 예상한 후 그것을 냉각하기 위한 열 설계가 필요하다.

4. 요구되는 그 밖의 성능

(1) 많이 만들어도 설계대로 안정적인 성능을 얻을 수 있다

일반적으로 반도체 제품에는 특성 편차가 있다. 디바이스 메이커는 설계 시의 배려, 제조 프로세스 관리 등 다양한 방법으로 특성 편차를 줄이려고 노력하고 있지만 편차가 잘 없어지지는 않는다.

설계 면에서 보면 표준(Typical) 특성이 아무리 좋아도 특성 편차의 폭이 커서 최대 또는 최소값(max 또는 min)의 특성이 나쁜 디바이스는 사용하기 어려워진다. 이것은 최대 또는 최소 특성의 디바이스에서도 확실하게 장치 사양을 만족할 수 있도록 설계해야 하기 때문이다. 즉, 사용하는 데 있어서 디바이스의 편차도 충분히 검토해야 한다.

(2) 대체품이 없을 때에도 안심

전기적인 성능이나 패키지 외형, 단자 배열 등에 호환성이 있으면 디바이스 선택의 폭이 넓어 간단히 대체할 수 있다.

디스크리트 반도체 제품은 역사가 길며 외형 치수는 대부분 ‘TO-247’이나 ‘TO-220’이라는 JEDEC, JEITA 규격에 맞는 것이므로 같은 특성을 가진 호환품을 쉽게 찾을 수 있다. 단자 배치도 3단자 MOSFET인 경우, 패키지를 정면에서 봤을 때 오른쪽부터 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 되어 있는 경우가 대부분이므로, 디바이스를 변경하기 위해 프린트 기판을 다시 설계하는 일은 없다.

모듈 제품에는 명확한 외형, 단자 배열에 관한 규격이라는 것이 없다. 각 메이커의 모듈을 비교했을 때 어떤 정격 전압, 전류 모듈에서 패키지 전체 크기는 같아도 자세히 보면 단자 위치가 달라 메이커 각각의 독자성을 주장하고 있는 것 같다. 그러나 제품이 폐쇄형인 경우, 다른 메이커의 제품으로 대체하려고 해도 호환성이 없으므로 프린트판이나 배선 지그를 설계 변경해야 한다. 카탈로그를 비교해 다른 메이커와 호환성 있는 제품을 선택하는 것도 고려하는 편이 안전하다. 사용자 입장에서는 패키지의 규격화가 바람직하다.

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.