전원 공급장치 설계자들은 가급적 고속 전원 스위칭 기술을 사용해서 시스템의 W/mm3를 극대화하려고 한다. 최신 GaN 및 SiC 기반 스위치는 매우 빠른 기술이며, 이것을 사용하려면 잡음 내성(CMTI)이 상당히 높은 게이트 드라이버가 필요하다. 실리콘랩스의 최신 제품인 정전용량 커플 게이트 드라이버는 여유로운 마진으로(120kV/㎲ 요구 시 200kV/㎲ 제공) GaN 및 SiC의 잡음 내성 요건을 충족시킨다. 설계자는 새로운 Si827x 절연형 게이트 드라이버를 통해 시스템 효율과 W/mm3를 극대화할 수 있다.

절연형 전원 공급장치 시스템은 서버 시스템, 산업용 애플리케이션, 통신 및 네트워킹 장비에 널리 사용되고 있다. 오늘날 IoT 시대로 접어들면서 점점 더 높은 대역폭이 요구됨에 따라, 많은 수의 시스템에서는 계속해서 더 높은 전력 효율을 요구하고 있다. 이에 따라 전력 효율과 경제성이 뛰어난 솔루션이 필요해졌다.

전자기기들이 갈수록 소형화됨에 따라, 전원 공급장치 역시 이러한 추세를 따라가고 있다. 그러므로 설계자들에게 가장 우선적인 과제는 체적당 전력(W/mm3)을 극대화하는 것이다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 고성능 전력 스위치를 사용하는 것이다.

 

전력 스위치 부문의 경우 지금까지 상당한 혁신들이 이루어짐에 따라, 고속 스위칭을 갖추고 시스템 효율을 높이며 더 작은 부품 크기를 사용할 수 있는 새로운 제품들이 출시되고 있다.

이와 같이 새로운 전력 스위치 부문에서는 더 빠른 속도의 차세대 실리콘 기반 MOSFET뿐 아니라 GaN(Gallium-Nitride) 또는 SiC(Silicon-Carbide)와 같은 신기술이 적용된 제품들까지 등장하고 있다.

실리콘이 수직인 것에 비해, 이러한 신기술들은 측방형(Lateral) 구조를 사용함으로써 전하가 낮은 디바이스로 되어 나노초(ns)에 수백V를 스위칭할 수 있다. 그러므로 고속 스위칭 시스템에 사용하는 데 적합하다.

다른 이점은 전기장 강도와 전자 이동성이 더 우수하므로 특정한 항복 전압과 온-저항으로 스위치의 크기를 훨씬 더 작게 할 수 있다는 것이다. 또한 밴드 갭이 더 넓기 때문에 더 높은 주파수, 더 높은 전류로 안전하게 동작할 수 있다.

하지만 전원 장치가 빠르게 스위칭하는 데에는 대가가 필요하다. 높은 잡음 트랜션트를 발생시킴으로써 변조를 소실하거나 래치업으로 인해 전체적인 시스템을 영구적으로 손상시킬 수도 있다는 점이다. 그러므로 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 기술이 적용된 전력 스위치를 구동하기 위해 사용하는 소자 부품의 잡음 내성을 크게 향상시켜야 한다. 여기서는 이러한 신기술에 대해서 설명하고, 설계자들이 어떻게 미래의 전원 요구를 충족할 수 있을지 살펴본다.

전원 컨버터 시스템

먼저, 폭넓게 사용되고 있는 SMPS (Switched Mode Power Supply)에 대해 자세히 알아본다. SMPS에서는 전력 스위칭이 가장 깊이 관련돼 있다. SMPS는 입력 전력을 AC에서 DC로(AC-DC), 또는 DC에서 DC로(DC-DC)로 변환하고, 또 대부분의 경우 전압 레벨을 애플리케이션의 필요에 맞게 변화시킨다.

그림 1은 전형적인 AC-DC SMPS 블록 다이어그램이다. 먼저 AC 입력 전압을 DC 전압으로 정류한다. 이때 변조를 제어하기 위해 게이트 드라이버를 사용하는 전력 스위치단은 DC 전압을 변조시킨다. 컨트롤러는 신호를 발생시키고 게이트 드라이버가 이를 사용해서 전력 스위치를 변조한다. 이 스위치된 전압은 절연 트랜스포머를 거치면서 출력에서 적절한 전압 레벨을 달성하도록 원하는 권선 비율로 결합시킨다. 그런 다음 동기 FET에서 이 전압을 다시 DC로 정류한다. 이 동기 FET 역시 자신의 스위칭을 제어하기 위해 게이트 드라이버가 필요하다. 전류 및 전압 센서들이 출력을 모니터링하고 컨트롤러로 피드백을 제공함으로써 변조를 세밀하게 조절해 최대의 성능을 달성할 수 있다.

▲ 그림 1. 전형적인 AC-DC SMPS 블록 다이어그램

시스템 효율을 높여라

앞에서도 설명했듯이 설계자에게 중요한 과제는 체적당 최대 전력을 달성하는 것이다. 가장 좋은 방법은 시스템 효율을 높이는 것이다.

스위칭 손실이나 전도 손실로 소실되는 전력은 열을 발생시키므로, 이 열을 히트 싱크로 안전하게 소모시켜야 한다. 히트 싱크의 크기는 총 체적을 증가시키므로, 전력 효율을 우수하게 설계할 경우 두 가지 이점을 갖게 된다. 먼저 가용 출력 전력을 높일 수 있고, 다음으로 총 체적을 줄일 수 있다.

안전성을 유지하면서 이를 달성할 수 있는 가장 좋은 방법은 스위칭 속도와 주파수를 높이는 것이다. 이렇게 하면 다음과 같은 이점을 가질 수 있다.

•‌ 스위칭 시간이 빠를수록 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 필요한 히트 싱크의 크기를 줄일 수 있다.

•‌ 변조 주파수가 높을수록 출력 커패시터와 인덕터의 크기 및 비용을 줄일 수 있다.

•‌ 변조 주파수가 높을수록 자기 소자(페라이트 등)로 인해 발생하는 해로운 영향을 줄일 수 있다.

•‌ 변조 주파수가 높을수록 트랜션트 응답을 향상시키고 전압 오버슈트/언더슈트를 방지할 수 있다.

하지만 이러한 이점들이 있는 반면, 위험성도 내재돼 있다. 스위칭이 빨라지면 그림 2와 같이, 더 높은 스위칭 트랜션트가 발생된다. 오늘날 GaN 전력 스위치를 사용해 설계하는 첨단 시스템은 스위칭 시간이 통상적으로 약 5ns이다. 이것은 기존 시스템에 비해 10배∼20배 더 빠른 것이다. 따라서 정격 600V 고전압 레일이라고 했을 때 120kV/㎲의 트랜션트를 일으킬 것이라고 볼 수 있다(600V/5ns＝120V/ns 다시 말해서 120kV/㎲).

▲ 그림 2. 전원 컨버터에서의 스위칭 트랜션트

중요한 성능 사양 : CMTI

이렇게 높은 잡음 트랜션트로 인해 게이트 드라이버가 신호 무결성을 잃을 수도 있다. 이것이 바로 ‘글리치(Glitch)’다. 그러면 시스템이 변조를 소실하거나 혹은 좀 더 심각한 경우 스퓨리어스 신호를 발생시켜 두 전력 MOSFET이 동시에 턴온 하도록 함으로써 위험한 전기 단락을 일으킬 수 있다. 또한 높은 트랜션트는 게이트 드라이버가 영구적인 래치업 조건이 되도록 함으로써 역시 위험을 초래할 수 있다.

그러므로 전력 스위치를 제어하는 게이트 드라이버의 경우 글리치나 래치업을 일으키지 않으면서 잡음 트랜션트를 견딜 수 있도록 설계해야 한다.

대부분의 업체들은 드라이버가 이러한 공통 모드 잡음 트랜션트를 견딜 수 있는 능력을 자사 제품의 데이터 시트에 CMTI(Common Mode Transient Immunity)라는 사양으로 표기하고 있다. 단위는 kV/㎲이다. 위에서 제시된 사례의 경우, 게이트 드라이버의 CMTI가 적어도 120kV/㎲는 되어야 한다.

절연형 게이트 드라이버 옵션

절연형 전원 컨버터 시스템에서는 일차 측에서 이차 측으로 절연 무결성을 달성하도록 게이트 드라이버를 절연해야 한다. 게이트 드라이버는 통상적으로 전력 FET의 게이트로 최대 4A의 스위칭 전류를 제공한다. 전류 구동 능력이 높을수록 특정한 FET 게이트 커패시턴스로 스위치 속도가 빨라진다.

그림 3은 절연형 게이트 드라이버를 400V 전력 FET의 게이트로 연결한 간단한 회로도를 나타낸 것이다. 최근에는 다양한 형태의 절연형 게이트 드라이버 솔루션들이 나오고 있다.

▲ 그림 3. 절연형 게이트 드라이버 예

1. 정션 절연형 드라이버

정션 절연형 드라이버(Junction-Isolated Drivers)는 고전압 레일을 수용할 수 있도록 부동 하이사이드 드라이버를 사용한다. 이러한 디바이스의 최대 정격은 약 600V이다. 이러한 제품 대부분은 경제성이 있지만, 트랜션트에 대한 허용오차가 낮고 쉽게 래치업을 일으킬 수 있어 영구적인 손상이나 안전성 문제를 일으킬 수 있다. 정격 CMTI 사양은 신호 무결성용일 경우 10kV/㎲대이고 래치업 내성용일 경우 50kV/㎲대이다.

2. 옵토 커플 드라이버

옵토 커플 게이트 드라이버(Opto-Coupled Gate Drivers)는 진정한 절연을 실행하고 있으며(부동 하이사이드 드라이버와 반대로) 꽤 오래 전부터 사용되고 있다. 통상적인 옵토 커플 드라이버는 CMTI 사양이 10∼20kV/㎲대이며, 최신 제품들은 CMTI가 50kV/㎲(최소)대로 훨씬 더 우수한 성능을 제공한다.

3. ‌정전용량 커플 및 트랜스포머 커플 드라이버

정션 절연이나 옵토 커플이 아닌 정전용량 커플(Capacitive-Coupled) 또는 트랜스포머 커플(Transformer-Coupled) 기법을 사용함으로써 한 차원 향상된 성능을 달성할 수 있다.

▲ 그림 4. 높은 잡음 내성을 달성하는 정전용량 커플 절연형 게이트 드라이버

최종적으로 달성하고자 하는 목표를 염두에 두었을 때, 다시 말해 안전성을 유지하면서도 빠른 스위칭 속도를 달성하고자 할 때, 이 기법의 가장 큰 이점은 데이터 소실이나 래치업을 일으키지 않으며 극히 높은 잡음 트랜션트를 견딜 수 있다는 것이다.

최근에 나오는 일부 트랜스포머 결합 게이트 드라이버는 CMTI 사양이 50kV/㎲(최소)에 이르고 있다. 하지만 이 정도는 여전히 극히 높은 효율을 요구하는 시스템에 사용하기에 충분하지 않다.

가장 최신의 정전용량 커플 솔루션은 CMTI가 신호 무결성용으로 200kV/㎲(최소) 및 래치업 내성용으로 400kV/㎲(최대)에 이르고 있다. 이것은 매우 우수한 성능이며 오늘날 설계되고 있는 첨단 고주파 시스템에 적합하다.

정전용량 커플 절연형 드라이버를 사용할 경우 또 다른 이점들이 있다. 빠르고(낮은 지연시간), 채널 대 채널 및 소자 대 소자 매칭이 다른 솔루션들에 비해 뛰어나다는 것이다. 전달 지연(지연시간)은 보급화된 옵토 커플러 게이트 드라이버에 비해 최고 10배까지 더 빠르고, 소자 대 소자 매칭은 10배 이상 뛰어나다. 이러한 일관성은 설계자에게 또 다른 중요한 이점을 제공한다. 최대의 효율과 안전성을 달성하도록 시스템의 전반적인 변조 체계를 세밀하게 조절할 수 있다는 것이다.

이러한 드라이버는 또한 저전압 동작을 실행할 수 있으며(5V가 아닌 2.5V), 더 넓은 동작 온도 범위를 지원한다(－40℃∼125℃. 옵토 커플 드라이버 경우 －40℃∼105℃에 불과). 그리고 입력 잡음 필터나 비동기 셧다운 기능과 같은 첨단 기능들을 제공할 뿐 아니라 단일 패키지로 하프 브리지나 독립적 듀얼 드라이버와 같은 다중 구성을 지원한다.

제품의 안전성과 장기적 신뢰성 또한 이러한 애플리케이션에서 중요하게 요구되는 특성들이다. 새로운 드라이버는 고전압 조건에서 동작 수명이 60년으로 설정되어 있다. 표 1은 정전용량 커플 드라이버와 경쟁 드라이버의 주요 특성들을 비교한 것이다. 

Ashish Gokhale _ 실리콘 랩스