~Manufacturer Interview~

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중고내압 파워 MOSFET의 구색을 강화, 디바이스 구조의 최적화로 성능 향상

Tsuji:正敬氏 Masataka Tsuji

 AC-DC 컨버터(스위칭 전원)와 DC-DC 컨버터 등의 전원은 대부분의 전자기기에 탑재되어 있다. 그 전원에서 매우 중요한 역할을 하고 있는 것이 파워 MOSFET이다. 채용하는 파워 MOSFET에 따라 전원의 출력 전압 정밀도나 변환효율, 발열량, EMI 노이즈 등의 특성이 크게 변화해 버리기 때문이다. 어떤 파워 MOSFET을 선택할 것인가? 이것이 전원설계의 행방을 크게 좌우한다고 해도 과언이 아닐 것이다.

 더구나 파워 MOSFET은 수많은 전자기기에 탑재되어 있기 때문에 시장규모가 매우 크다. 그만큼 전 세계에 다양한 반도체 메이커가 파워 MOSFET을 출시하고 있기 때문에 제품의 선택지는 대단히 넓다.

 이번에는 파워 MOSFET 시장에서 일본 국내 메이커의 「거목」인 Toshiba Electronic Devices & Storage의 디스크리트 반도체 사업부 디스크리트 응용기술센터 파워 매니지먼트 응용기술부의 Masataka Tsuji 씨에게 중고내압 파워 MOSFET 최신 제품의 특징과 주의해야 할 파워 MOSFET의 특성, 최적인 애플리케이션 등에 대해 물어보았다.
(질문자: Katsumi Yamashita, 기술 저널리스트)

중고내압은 어느 정도의 전압 범위가 대상이 되는가?

중고내압 파워 MOSFET을 사용하는 애플리케이션

그림1: 중고내압 파워 MOSFET을 사용하는 애플리케이션
통신기기나 데이터 센터 기기 등의 AC-DC 컨버터(스위칭 전원)에 사용되고 있다. 여기에서 상용의 AC 전원 전압을 48V나 24V의 DC 버스로 변환한다.

Tsuji: 중고내압이란 당사에서는 400~900V의 범위이다. 주로 유니버설 입력(AC85V~264V)에 대응한 AC-DC 컨버터(스위칭 전원)나 역률 개선(PFC: Power Factor Correction) 회로 등이 대상이다. 애플리케이션은 다방면에 걸쳐 있으며, 작은 출력용량이라면 휴대용 전자기기의 충전기나 AC 어댑터 등이며, 비교적 큰 출력전력이라면 서버나 무선통신 기지국의 AC-DC 컨버터(스위칭 전원) 등에 사용되고 있다. (그림1)

현재 Toshiba Electronic Devices & Storage는 중고내압 파워 MOSFET 시장을 대상으로 어떤 제품을 투입하고 있는가?

이중확산형(플레이너형) MOSFET과 초접합(Super-Junction)형 MOSFET을 제공

그림2: 이중확산형(플레이너형) MOSFET과 초접합(Super-Junction)형 MOSFET을 제공
중고내압 파워 MOSFET으로 이중확산형(플레이너형) MOSFET와 초접합형 MOSFET을 준비했다. 이번에는 플레이너형 MOSFET의 「π-MOSIX 시리즈」와 초접합형 MOSFET의 「DTMOSVI 시리즈」를 소개한다.

Tsuji: 당사에서는 중고내압 파워 MOSFET 시장을 대상으로 2개의 제품 시리즈를 투입하고 있다. (그림2) 하나는 「DTMOS 시리즈」 다른 하나는 「π-MOS 시리즈」이다.

각각의 제품 시리즈에는 어떤 특징이 있는가?

Tsuji: π-MOS 시리즈의 성능에서는 스위칭 속도는 그다지 빠르지 않으나 DTMOS 시리즈와 비교하면 온저항 라인업은 비싼 제품이 많다. 단, 스위칭 속도가 빠르지 않은 것은 결코 단점은 아니다. EMI 노이즈가 발생하기 어렵기 때문에 기술자에게는 사용하기 쉽고 다루기 쉬운 파워 MOSFET이라고 할 수 있을 것이다.

 한편 DTMOS 시리즈는 온저항이 매우 낮다는 특징이 있다. 온저항이 낮으면 AC-DC 컨버터의 전력 손실을 낮출 수 있다. 즉 변환효율을 높이기 쉽다. 변환효율의 높이를 중시하는 용도로 적합하다. 스위칭 속도는 빠르다. 따라서 고주파 스위칭이 가능하다는 메리트가 있는 반면에 EMI 노이즈가 발생하기 쉽다는 단점이 있다.

디바이스 구조가 다르다

DTMOS 시리즈와 π-MOS 시리즈의 특성이 크게 다른 이유는 무엇인가?

Tsuji: 파워 MOSFET의 디바이스 구조가 전혀 다르다는 것이다. DTMOS 시리즈는 초접합(Super Junction) 구조를 채용하고 있으며, π-MOS 시리즈는 플레이너 구조를 채용하고 있다. 플레이너 구조는 이른바 이중확산구조이며, 종래의 파워 MOSFET의 기본적인 디바이스 구조이다. 초접합 구조는 비교적 새로운 디바이스 구조이다.

 또한, 파워 MOSFET은 트렌치 구조도 널리 알려져 있지만, 이 디바이스 구조에서는 겨우 200V 정도의 내압까지만 트렌치 구조의 메리트를 살릴 수 있다. 따라서 400~900V의 내압 범위는 초접합 구조와 플레이너 구조 중 하나를 선택하게 된다.

왜 초접합 구조를 채용하면 온저항을 대폭 줄일 수 있는가?

디바이스 구조

그림3: 디바이스 구조
Toshiba Electronic Devices & Storage의 이중확산형(플레이너형) MOSFET과 초접합형 MOSFET의 디바이스 구조도이다.
Toshiba Electronic Devices & Storage 제품 소개 페이지
https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/hv-mosfet.html

Tsuji: 디바이스 구조에 이유가 있다. 그림3을 보십시오. 초접합 구조에서는 디바이스의 수직 방향으로 p형 Si층이 들어가 있어 전자가 이동하는 드리프트 층이 n형 Si층에서 형성되어 있다. 한편, 플레이너는 드리프트 층이 n-형 Si층이다. 일반적으로 n형 Si층과 n-형 Si층을 비교하면, 캐리어 농도는 n형 Si층 쪽이 높다. 그만큼 드리프트 층의 저항 성분이 줄어든다. 이것이 초접합 구조를 채용함으로써 온저항을 대폭 줄일 수 있는 이유이다.

초접합 구조의 파워 MOSFET은 경쟁사도 이미 제품화하고 있다.
그러한 경쟁사 제품과의 차이는 무엇인가?

DTMOSVIシリーズのオン抵抗とゲート電荷量

그림4: DTMOSVI 시리즈의 온저항과 게이트 전하량
DTMOSVI 시리즈는 온저항(Ron)과 게이트-드레인 간의 전하량(Qgd)이 모두 작다. 따라서 양자의 곱으로 구하는 성능지수(FOM)도 낮다. 「업계 톱 클래스」를 실현하고 있다.

変換効率の向上貢献

그림5: 변환효율의 향상에 기여
DTMOSVI 시리즈는 성능지수(FOM)가 낮다. 따라서 변환효율을 높일 수 있다. 2.5kW 출력의 PFC(역률 개선) 회로에 적용한 결과, 0.36%의 효율 향상을 얻을 수 있었다. 전력손실로 환산하면 약 9.6W 삭감되는 것이다.

Tsuji: 당사 제품도 경쟁사의 제품도 초접합 구조 자체에는 큰 차이가 없다. 단, 당사 제품 쪽이 성능면에서 웃돌고 있다. 구체적으로는 온저항(Ron)과 게이트-드레인 간의 전하량(Qgd)의 곱셈으로 구하는 성능지수 「FOM(Figure of Merit)」에서 뛰어나다.

 DTMOS 시리즈의 최신 제품인 「DTMOSVI 시리즈」는 종래 제품인 「DTMOSIV-H」와 비교하면 FOM을 약 40%나 감소했다. (그림4) 경쟁사 제품과 비교하면 FOM은 30% 정도 낮다. FOM이 낮으면 그만큼 AC-DC 컨버터(스위칭 전원)의 변환효율을 높일 수 있다. (그림5)

초접합 구조 자체에는 차이가 없음에도 불구하고 FOM을 줄일 수 있었던 이유는 무엇인가?

Tsuji: 그림2에 나타낸 디바이스의 단면 구조에서 최상부에 있는 MOS 구조를 최적화함으로써 게이트 - 드레인 전하를 줄임으로써 FOM을 절감했다.

효율을 유지하면서 노이즈를 삭감

π-MOS 시리즈 '의 최신 제품의 특징은 무엇인가?

변환효율을 유지하면서 노이즈를 삭감

그림6: 변환효율을 유지하면서 노이즈를 삭감
π-MOSIX 시리즈는 종래 제품에 비해 거의 동등한 변환효율을 유지하면서 EMI 노이즈를 줄일 수 있다는 점이 특징이다.

Tsuji: π-MOS 시리즈의 최신 제품은 「π-MOSIX 시리즈」이다. 이 최신 시리즈는 변환효율에서는 종래 제품과 동등한 성능을 유지하면서도 EMI 노이즈를 줄일 수 있다는 점에 특징이 있다. (그림6)

변환효율은 어느 정도 얻을 수 있는가?

π-MOSIX 시리즈 채용의 효과

그림7: π-MOSIX 시리즈 채용의 효과
변환효율과 EMI 노이즈에서 π-MOSIX 시리즈 채용의 효과를 평가했다. 종래 제품인 π-MOSIVII 시리즈와 π-MOSIX 시리즈를 사용하여 65W 출력의 노트북용 AC 어댑터를 생성하여 변환효율과 EMI 노이즈를 측정했다. 변환효율은 거의 동등하다는 결과를 얻었다. 한편, EMI 노이즈에서는 π-MOSIX 시리즈 쪽이 넓은 주파수 대역에 걸쳐 최대 5dB 정도 줄일 수 있다는 측정 결과가 되었다.

Tsuji: 최신 제품인 π-MOSIX 시리즈 「TK750A60F」를 65W 출력의 노트북용 AC 어댑터에 적용한 결과, 15~60W의 출력전력 범위에서 87.5~89.5% 정도의 변환효율을 얻을 수 있다. ( 그림7) 이것은 종래 제품인 「π-MOSVII 시리즈」의 「TK10A60D」를 사용한 경우와 거의 다르지 않다.

65W 출력의 AC 어댑터는 그 정도의 변환효율이 업계의 트렌드인가?

Tsuji: 피크 효율로 90%라면 좋은 편이다. 따라서 π-MOSIX 시리즈를 사용하면 업계 트렌드와 거의 같은 수준의 변환효율을 얻을 수 있게 된다. 또한, 노트북용 AC 어댑터에서는 변환효율을 더 이상 높이는 것보다도 코스트를 삭감하는 것이 중시되는 경향이 있다.

 한편, 초접합형 파워 MOSFET을 채용하는 산업기기용 스위칭 전원이면 변환효율은 95% 이상이 대상이다. 원래 출력용량이 크기 때문에 1%의 손실이라도 러닝 코스트(전기요금)가 무시할 수 없을 정도로 높아지고 발열량도 증대하여 열 대책이 힘들어지기 때문이다.

π-MOSIX 시리즈에서는 종래 제품에 대해 어떤 변경하여 EMI 노이즈를 삭감했는가?

π-MOSIX 시리즈 채용의 효과

그림7: π-MOSIX 시리즈 채용의 효과
변환효율과 EMI 노이즈에서 π-MOSIX 시리즈 채용의 효과를 평가했다. 종래 제품인 π-MOSIVII 시리즈와 π-MOSIX 시리즈를 사용하여 65W 출력의 노트북용 AC 어댑터를 생성하여 변환효율과 EMI 노이즈를 측정했다. 변환효율은 거의 동등하다는 결과를 얻었다. 한편, EMI 노이즈에서는 π-MOSIX 시리즈 쪽이 넓은 주파수 대역에 걸쳐 최대 5dB 정도 줄일 수 있다는 측정 결과가 되었다.

Tsuji: 기본적인 구조는 종래 제품인 π-MOSVII 시리즈와 동일하다. 단, 앞서 말한 DTMOSVI 시리즈와 마찬가지로 디바이스의 최상부에 있는 MOS 구조를 개량했다. 이 결과, 귀환용량 등의 특성을 최적화할 수 있고, 변환효율을 유지하면서 노이즈를 줄일 수 있게 되었다. 실제로 65W 출력의 노트북용 AC 어댑터의 방사 노이즈(EMI)를 측정한 결과, 최신 제품을 사용하는 것이 EMI 레벨을 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 5dB 정도 억제되어 있다. (그림7)

EMI 노이즈 이외에 개량된 특성은 없는가?

Tsuji: π-MOS 시리즈 전체에 해당하는 것이지만, 애벌란시 내량이 높다는 메리트가 있다. 일반적으로 파워 MOSFET는 세대가 바뀌면 프로세스 기술의 미세화가 진행되어, 그 결과로 애벌란시 내량이 줄어들게 된다는 과제가 있다. 그러나 π-MOSIX 시리즈에서는 디바이스 구조를 개선함으로써 종래 제품인 π-MOSVII 시리즈와 동일한 애벌란시 내량을 보증하고 있다. 이 점도 특징으로 들 수 있을 것이다.

중고내압 시장에서는 톱 셰어를 경쟁

중고내압 파워 MOSFET 시장에서 Toshiba의 시장점유율은 어느 정도인가.

Tsuji: 플레이너 구조, 초접합형 구조 모두 세계 전체로 봐도 상위 그룹에 들어가는 시장점유율을 차지하고 있으며, 국내외를 불문하고 다양한 전원 메이커에서 Toshiba의 MOSFET을 채용하고 있다.

왜 이 타이밍에 π-MOSIX 시리즈를 출시한 것인가.

Tsuji: Toshiba로서는 600V 내압의 플레이너형 MOSFET은 종래 제품의 π-MOSVII 시리즈를 약 11년 전인 2008년에 출시한 이후, 차세대 제품의 출시는 하지 않았었다. 그러나 민생 용의 범용 전원에서는 전원의 저용량화, 저비용 요구에 따라 여전히 플레이너형의 파워 MOSFET을 찾는 고객이 많고 시장 규모도 크다. 따라서 당사로서도 한층 더 디바이스 특성을 개선한 π-MOSIX 시리즈를 출시하기에 이르렀다.

DTMOSVI 시리즈와 π-MOSIX 시리즈에서는 어떤 제품을 시장에 투입하고 있는가? 구체적으로 말해주면 좋겠다.

DTMOSVI 시리즈와 π-MOSIX 시리즈의 제품 포트폴리오

그림8: DTMOSVI 시리즈와 π-MOSIX 시리즈의 제품 포트폴리오

Tsuji: 이번에 소개하는 것은 DTMOSVI 시리즈 7개 제품, π-MOSIX 시리즈에서는 10개 제품이다. (2019년 5월 현재 양산품)(그림8) 또한, DTMOSVI 시리즈는 650V 내압이며 π-MOSIX 시리즈는 600V 내압으로 모두 n 채널 제품이다.

 DTMOSVI 시리즈는 TO-247 패키지 3가지 제품, TO-247-4L 패키지 3가지 제품, TO-220SIS 1가지 제품을 준비했다. 예를 들면, 가장 온저항이 낮은 것은 TO-247 패키지의 「TK040N65Z」와 TO-247-4L 패키지의「TK040Z65Z」이다. 모두 온저항은 0.04Ω(최대치)으로 낮고 드레인 전류는 57A이다.

 π-MOSIX 시리즈 10가지 제품은 모두 패키지는 TO-220SIS(풀 몰드 타입) 이다. 10가지 제품은 모두 온저항과 드레인 전류가 다르다. 온저항 범위는 0.37~4.1Ω, 드레인 전류 범위는 2~15A이다.

■ 제품 링크(Toshiba Electronic Devices & Storage의 Web 페이지로 연결됩니다.)

TK099V65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK099V65Z.html
TK090A65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK090A65Z.html
TK090N65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK090N65Z.html
TK065N65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK065N65Z.html
TK040N65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK040N65Z.html
TK090Z65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK090Z65Z.html
TK065Z65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK065Z65Z.html
TK040Z65Z https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK040Z65Z.html
TK4K1A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK4K1A60F.html
TK2K2A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK2K2A60F.html
TK1K9A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK1K9A60F.html
TK1K7A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK1K7A60F.html
TK1K2A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK1K2A60F.html
TK1K0A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK1K0A60F.html
TK750A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK750A60F.html
TK650A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK650A60F.html
TK430A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK430A60F.html
TK370A60F https://toshiba.semicon-storage.com/kr/product/mosfet/detail.TK370A60F.html