전력 전자의 기술 동향 - MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터) -

 

전력 전자 시장에서 가장 자주 사용하는 스위치 소자 중에 하나인 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)에 대한 소개와 기술동향에 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

 

 

IR사의 IRLZ24N MOSFET 소자

 

 - MOSFET 스위치 소자 개요 -

 

MOSFET 스위치 소자의 정의

 

전력 전자 시장에서 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)은 다양한 전력 애플리케이션에서 전자 신호를 스위칭하고 증폭하는 데 널리 사용되는 반도체 장치입니다. MOSFET은 전계 효과 트랜지스터의 일종으로, 소스 단자와 드레인 단자 사이의 반도체 채널을 통해 전류의 흐름을 제어하여 작동합니다. MOSFET의 구조는 일반적으로 이산화 규소로 만들어진 얇은 절연층으로 반도체 채널과 분리된 금속 게이트 전극으로 구성됩니다(따라서 금속-산화막-반도체라고 함). MOSFET에 인가되는 게이트 전압은 채널의 전도도를 제어하여 전류 흐름을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
전력 전자 시장의 MOSFET은 고전압과 전류를 처리하도록 설계되어 전원 공급 장치, 모터 제어, 인버터 및 기타 다양한 스위칭 회로와 같은 애플리케이션에 적합합니다. 빠른 스위칭 속도, 낮은 온 상태 저항(RDS(on)), 고효율, 높은 전력 밀도 등의 이점을 제공합니다.

 

MOSFET의 종류들 (일반 유형 별)

 

 

전력 전자 시장에는 다양한 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있는 다양한 유형의 MOSFET이 있습니다. 다음은 전력 전자 제품에 사용되는 몇 가지 일반적인 유형의 MOSFET입니다:

1. 강화 모드 MOSFET (Enhancement-Mode MOSFETs )

전력 전자 제품에서 가장 널리 사용되는 MOSFET입니다. 강화 모드 MOSFET은 채널을 켜고 전류가 흐르도록 하기 위해 양의 게이트 전압이 필요합니다. 일반적으로 MOSFET이 스위치 역할을 하여 전류 흐름을 켜고 꺼야 하는 애플리케이션에 사용됩니다.

2. 공핍 모드 MOSFET (Depletion-Mode MOSFETs )

공핍 모드 MOSFET은 일반적으로 켜져 있으며 전류 흐름을 끄려면 음의 게이트 전압이 필요합니다. 이 MOSFET은 전력 전자 애플리케이션에서는 덜 일반적이지만 게이트 전압이 인가될 때까지 정상적으로 전도되는 채널이 필요한 특정 특수 회로에서 유용할 수 있습니다.

3. 전력 MOSFET (Power MOSFETs)

전력 MOSFET은 고전력 레벨을 처리하도록 특별히 설계되었습니다. 전원 공급 장치, 모터 제어, 전력 컨버터와 같은 전력 애플리케이션에 최적화되어 있습니다. 파워 MOSFET은 낮은 온스테이트 저항(RDS(on))을 제공하여 전력 손실, 높은 정격 전압 및 빠른 스위칭 속도를 최소화합니다.

4. 슈퍼 정션 MOSFET (Super Junction MOSFET) 

슈퍼 정션 MOSFET은 기존 평면 MOSFET의 한계를 해결하도록 설계되었습니다. 이 제품은 전기장을 더 고르게 분배하여 온저항을 줄이고 전반적인 성능을 개선하는 데 도움이 되는 깊은 트렌치 그리드가 있는 특수 구조가 특징입니다. 슈퍼 정션 MOSFET은 일반적으로 낮은 전력 손실과 높은 효율이 중요한 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

 

5. 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET (Silicon Carbide (SiC)  MOSFETs)

SiC MOSFET은 기존 실리콘 대신 실리콘 카바이드를 반도체 재료로 사용합니다. SiC MOSFET은 낮은 온저항, 더 높은 작동 온도, 더 빠른 스위칭 속도, 더 나은 효율 등 실리콘 기반 MOSFET에 비해 우수한 성능을 제공합니다. 전기 자동차, 재생 에너지 시스템, 산업용 드라이브와 같은 고전력 애플리케이션에 자주 사용됩니다.

다음은 전력 전자 시장에서 흔히 볼 수 있는 몇 가지 유형의 MOSFET입니다. 각 유형에는 고유한 장점이 있으며 전압, 전류, 스위칭 속도 및 전력 처리 기능의 특정 요구 사항에 따라 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

 

MOSFET의 종류들 (제조 업체 별)

 

 

MOSFET을 제조하는 업체들은 다양하게 있습니다. 이 업체들 마다 각각 고유의 기술들을 연구하며 스스로 자생하는 노력들을 하고 있습니다.  제조 업체별로 전력 전자 장치에 자주 사용되는 MOSFET의 몇 가지 예입니다.

1. Infineon CoolMOS

Infineon의 CoolMOS MOSFET은 전원 공급 장치 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 이 제품은 낮은 전도 및 스위칭 손실, 고효율 및 높은 전력 밀도를 제공합니다. CoolMOS MOSFET은 고주파 스위칭 애플리케이션에서 뛰어난 성능으로 잘 알려져 있습니다.

2. STMicroelectronics 전력 MOSFET

STMicroelectronics는 다양한 전력 응용 분야에 적합한 다양한 전력 MOSFET을 제공합니다. 이 회사의 전력 MOSFET은 낮은 온스테이트 저항, 빠른 스위칭 속도 및 견고성으로 잘 알려져 있습니다. 이 제품은 모터 제어, 전력 컨버터 및 조명 시스템과 같은 애플리케이션에 사용됩니다.

3. Vishay Siliconix SiC MOSFET

Vishay Siliconix는 기존 실리콘 기반 MOSFET에 비해 우수한 성능을 제공하는 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET을 생산합니다. SiC MOSFET은 스위칭 손실이 낮고 작동 온도가 높으며 효율이 더 좋습니다. 일반적으로 전기 자동차, 태양광 인버터, 산업용 드라이브와 같은 고전력 및 고온 애플리케이션에 사용됩니다.

4. ON Semiconductor 전력 MOSFET

ON Semiconductor는 다양한 전력 응용 분야에 적합한 광범위한 전력 MOSFET을 제공합니다. 이 MOSFET은 낮은 온스테이트 저항, 빠른 스위칭 속도, 높은 신뢰성을 특징으로 합니다. 이 제품은 전원 공급 장치, 모터 제어, 자동차 전자 장치와 같은 응용 분야에 활용됩니다.

5. Toshiba DTMOS 계열

Toshiba의 DTMOS(이중 확산 MOS) 계열 MOSFET은 고전압 및 고전류 응용 제품을 위해 설계되었습니다. 이 제품은 낮은 온스테이트 저항, 고속 스위칭 및 낮은 게이트 전하를 제공합니다. DTMOS MOSFET은 일반적으로 전원 공급 장치, 인버터 및 산업용 애플리케이션에 사용됩니다.

 

 - MOSFET 스위치 소자의 현재 기술 동향 -

 

 

현재 전력 전자 시장에서 MOSFET의 기술 동향에는 MOSFET 설계 및 성능의 다양한 측면에서의 발전이 이뤄지고 있습니다. 아래는 최근 주력해서 개발하는 기술 동향들입니다.

1. 와이드 밴드갭 반도체

실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭 소재가 전력 전자 제품에서 인기를 얻고 있습니다. 이러한 소재를 기반으로 하는 MOSFET은 기존 실리콘 기반 MOSFET에 비해 더 높은 항복 전압, 더 낮은 온저항, 더 빠른 스위칭 속도, 향상된 효율을 제공합니다. 전기 자동차, 재생 에너지 시스템, 고주파 전력 컨버터와 같은 애플리케이션에서 SiC 및 GaN MOSFET의 채택이 증가하고 있습니다.

2. 더 높은 정격 전압

고전력 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 더 높은 정격 전압을 가진 MOSFET에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 제조업체들은 그리드 인프라, 산업용 드라이브, 고전압 전원 공급 장치와 같은 분야에서 사용할 수 있도록 전압 정격이 더 높은 MOSFET을 개발하고 있습니다.

3. 온-저항 감소

MOSFET의 온스테이트 저항(RDS(on))을 줄이는 것은 업계에서 지속적인 관심사입니다. 온저항이 낮을수록 전력 손실이 줄어들고 효율이 향상됩니다. 제조업체들은 더 낮은 온저항을 달성하기 위해 첨단 디바이스 구조와 소재를 구현하고 있으며, 이를 통해 더 높은 전력 밀도와 더 나은 열 성능을 구현할 수 있습니다.

4. 스위칭 성능 향상

스위칭 속도를 높이고, 스위칭 손실을 최소화하며, 전자파 간섭(EMI)을 줄이려면 MOSFET의 스위칭 성능을 향상하는 것이 중요합니다. 게이트 드라이버 기술, 최적화된 게이트 커패시턴스, 개선된 디바이스 아키텍처의 발전은 MOSFET의 스위칭 성능 향상에 기여합니다.

5. 통합 및 패키징

단일 패키지에 여러 개의 MOSFET 및 기타 전력 부품을 통합하는 것이 주목을 받고 있습니다. 이러한 추세는 더 높은 전력 밀도, 향상된 열 관리, 기생 인덕턴스 및 저항 감소를 가능하게 합니다. 전력 전자 설계를 최적화하기 위해 통합 전력 모듈과 시스템 인 패키지(SiP) 및 멀티칩 모듈(MCM)과 같은 고급 패키징 기술이 채택되고 있습니다.

6. 인텔리전트 MOSFET

인텔리전스 및 고급 제어 기능이 내장된 MOSFET이 등장하고 있습니다. 이러한 지능형 MOSFET에는 과전류 보호, 온도 감지, 고장 진단 및 통신 인터페이스와 같은 기능이 통합되어 있습니다. 이러한 기능을 통해 시스템 신뢰성, 진단 및 보호 기능이 향상됩니다.

7. 신뢰성 및 견고성

MOSFET의 신뢰성과 견고성을 향상하는 것은 업계에서 지속적인 초점입니다. 제조업체는 고온, 고전류, 과도 전압과 같은 열악한 작동 조건에서 장기적인 신뢰성을 보장하기 위해 설계 개선, 고급 재료 및 제조 공정을 구현하고 있습니다.

전력 전자 애플리케이션용 MOSFET의 성능, 효율성 및 신뢰성을 높이기 위한 업계에서 많은 노력이 이뤄지고 있습니다.

 - MOSFET 스위치 소자의 한계점들 -

 

MOSFET은 널리 사용되고 있으며 전력 전자 시장에서 상당한 발전을 이루었지만 몇 가지 문제들은 여전히 유효합니다. 전력 전자 제품에서 MOSFET과 관련된 몇 가지 문제점들을 정리하면 아래와 같습니다.

1. 열 방출

MOSFET은 작동 중, 특히 고전류를 전환하거나 고주파에서 작동할 때 상당한 열을 발생시킬 수 있습니다. 열 문제를 방지하고 디바이스의 안정성을 보장하려면 효율적인 열 방출이 중요합니다. 방열판 또는 열 관리 기술과 같은 효과적인 냉각 설루션을 설계하는 것은 최적의 MOSFET 성능을 유지하는 데 매우 중요합니다.

2. 스위칭 손실

MOSFET은 온 상태와 오프 상태로 전환하는 동안 스위칭 손실을 경험합니다. 전도 손실과 게이트 드라이브 손실을 포함한 이러한 손실은 효율성 저하와 에너지 낭비의 원인이 될 수 있습니다. 스위칭 손실을 최소화하는 것은 지속적인 과제이며, 더 빠른 스위칭 속도와 더 낮은 손실을 달성하기 위해 디바이스 설계, 게이트 드라이브 기술 및 재료의 발전을 추구하고 있습니다.

3. 고전압 애플리케이션

고전압 애플리케이션용으로 설계된 MOSFET은 고유한 과제에 직면해 있습니다. 정격 전압이 증가함에 따라 낮은 온스테이트 저항(RDS(on))을 유지하기가 더욱 어려워지고, 전력 손실과 발열이 증가합니다. 또한 고전압 MOSFET은 고전압 레벨을 견디고 안정적인 스위칭 성능을 보장하기 위해 견고한 게이트 드라이브 회로가 필요합니다.

4. 기생 효과

MOSFET은 성능에 영향을 줄 수 있는 다양한 기생 효과의 영향을 받습니다. 기생 커패시턴스, 인덕턴스 및 저항은 원치 않는 전압 스파이크, 링잉 및 EMI를 유발할 수 있습니다. 적절한 디바이스 레이아웃, 최적화된 패키징, 회로 설계 기법을 통해 이러한 기생 효과를 관리해야 MOSFET 성능에 미치는 영향을 완화할 수 있습니다.

5. 신뢰성 및 내구성

고온, 과도 전압, 전류 서지 등 까다로운 조건에서도 MOSFET이 안정적으로 작동해야 합니다. 특히 열악한 환경이나 장시간 작동하는 애플리케이션에서 장기적인 신뢰성과 내구성을 보장하는 것은 어려운 과제입니다. 신뢰성 문제를 해결하려면 견고한 디바이스 구조, 재료 및 제조 공정을 개발하는 것이 필수적입니다.

6. 비용 고려 사항

MOSFET은 비용 고려 사항이 중요한 시장에서 경쟁합니다. 기술 및 제조의 발전으로 MOSFET의 비용이 낮아졌지만, 고성능 변형 또는 와이드 밴드갭 재료(예: SiC 또는 GaN)를 기반으로 하는 제품은 여전히 상대적으로 비쌀 수 있습니다. 비용, 성능, 애플리케이션 요구 사항 간의 균형을 맞추는 것은 전력 전자 시장에서 여전히 어려운 과제입니다.

7. 크기 및 전력 밀도

전력 전자 시스템이 더욱 소형화되고 전력 밀도가 높아짐에 따라 MOSFET에 대한 크기 및 전력 밀도 요구 사항도 계속 증가하고 있습니다. 열 관리, 신뢰성, 전기적 성능을 보장하면서 이러한 요구 사항을 충족하는 것은 MOSFET 설계자에게 어려운 과제입니다.

이러한 과제를 해결하려면 지속적인 연구 개발 노력, 혁신적인 설계 접근 방식, 재료, 패키징 및 제조 기술의 발전이 필요합니다. 이러한 과제를 극복하면 전력 전자 시장에서 MOSFET의 성능, 효율성, 신뢰성을 더욱 향상할 수 있습니다.

이상, MOSFET 스위치 소자에 대한 소개와 기술동향에 대하여 포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 감사드립니다.