[텍사스 인스트루먼트 시엠송] 안녕하세요. 

저는 텍사스 인스트루먼트의 Hal Edwards입니다. 

이 비디오에서 다루는 전력 밀도 주제를 통해 스위치 손실을 줄일 수 있습니다. 마이크로일렉트로닉스는 1948년 벨 연구소에서 게르마늄 트랜지스터를 발명하며 시작되었습니다. 

뒤이어 1954년에는 텍사스 인스트루먼트에서 첫 상업용 실리콘 트랜지스터를 도입했으며 1958년에는 TI의 Jack Kilby가 집적회로를 발명했습니다. 

Kilby는 이 발명으로 2020년에 노벨 물리학상을 수상했습니다. 

마이크로칩 기술에서 가장 잘 알려진 트렌드는 무어의 법칙입니다. 디지털 트렌지스터의 밀도가 매년 크게 증가한다는 법칙이죠. 

이 트렌드에 따라 복잡하고 고도로 통합된 마이크로칩이 300밀리미터 실리콘 웨이퍼에서 고급 제조 장비를 사용하여 제작됩니다. 

그러나 디지털 확장과 함께 아날로그와 전력 반도체 기술도 나름대로 진화했습니다. 

현대 전자 시스템이 더 작고 더 효율적이고 더 미용 효율적인 전원 관리 솔루션을 요구함에 따라 디지털에서 시작된 통합 트렌드가 파워 트랜지스터 기술에서 이어지고 있습니다. 

텍사스 인스트루먼트는 마이크로칩 기술 분야에서의 긴 역사와 효율적이고, 작고, 고성능인 전원 관리 솔루션에 필요한 전력 밀도 확장을 지원하는 개별 전원 트랜지스터에 대한 깊은 배경 지식을 기반으로 합니다. 

전력 반도체 마이크로칩은 디지털 마이크로칩과 근본적으로 다른 작업을 수행합니다. 

산업 혁명의 비유가 경쟁력 있는 전력 반도체 기술, 특히 주어진 전력 반도체 기술이 경쟁력 있는지 측정하는 데 사용되는 양인 성능 지수로 이어지는 고유한 관심을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 

초기 증기 엔진은 대기압에서 작동되었고 흡입력을 생성하여 광산에서 물을 제거했습니다. 

하지만 James Watt가 증기 엔진의 효율성을 크게 향상하기 전까지 이 엔진은 제한된 곳에만 사용되었습니다. 

사실 James Watt는 효율성이 무엇을 의미하며 왜 투자할 가치가 있는지를 고객에게 설명하기 위해 '마력'이라는 새로운 단어를 만들어 냈습니다. 

현재도 사용되고 있는 단위인 마력은 최초의 전력 기술 성능 지수입니다. 

전력 반도체 기술에는 자체적인 성능 지수가 있으며 이 비디오에서 설명할 것입니다. 

증기 엔진은 개선되었고 더 작은 크기로 더 높은 압력에서 작동할 수 있게 되었습니다. 

이를 통해 증기 기관차를 만들 수 있게 되었습니다. 

증기 기관 설계에서의 전력 밀도 향상을 통해 철도 수송이 가능해졌습니다. 

이와 유사하게, 전력 반도체 마이크로칩의 전력 밀도 향상은 기존 애플리케이션의 개선뿐 아니라 새로운 애플리케이션으로 이어집니다. 

증기 엔진의 개선으로 인한 산업 혁명의 학습 곡선과 마찬가지로 반도체 전자 기술의 진보는 파워 트랜지스터의 개선을 통해 이루어졌습니다. 

어떤 종류의 개선이 필요한지 이해하려면 회로에서 전원 트랜지스터가 어떻게 사용되는지 이해해야 합니다. 

DC-DC 컨버터의 역할은 배터리와 같은 소스의 전력을 효율적으로 처리하고 마이크로프로세서와 같은 부하에 전력을 공급하는 것입니다. 

손전등의 배터리를 생각해 보면 이러한 회로의 어려움을 상상할 수 있습니다. 

각각 1.5와트를 공급하는 AA 배터리 2개는 직렬로 연결되어 3V가 필요한 LED 램프에 전력을 공급합니다. 

어떻게 하면 회로에서 전압을 추가하는 대신 줄이도록 만들 수 있을까요? 

여기에서 DC-DC 컨버터가 사용됩니다. 

DC-DC 컨버터의 한 종류인 벅 컨버터에는 고압측과 저압측으로 알려진 두 파워 트랜지스터가 있습니다. 

벅 컨버터는 이러한 두 파워 트랜지스터 사이의 전류 흐름 경로를 차례로 전환하여 스위치 노드로 알려진 공유 단자를 스위치에서 전압 파형을 평균화하는 출력 저역 통과 LCR 필터에 연결합니다. 

이는 Vin보다 작은 출력 전압 Vout에서 부하에 전력을 공급할 수 있음을 의미합니다. 

스토리지 인덕터와 커패시터는 허용 가능한 범위에서 Vout를 유지하는 동시에 일시적으로 급증한 전류를 부하에 공급할 만큼 충분히 큽니다. 

Vin에 대한 Vout의 전압비는 고압측 전원 트랜지스터가 켜지는 짧은 시간에 주어집니다. 

벅 컨버터의 DC-DC 변환 효율성은 90%가 넘는 경우도 있습니다. 

전원 트랜지스터가 처리되는 전력 일부를 소비하기 때문에 100%는 될 수 없습니다. 전원 트랜지스터가 교대로 전도하면서 각 전원 트랜지스터의 온 상태 저항 RDS(on)가 전도 손실을 발생시키는데, 이는 높은 전류가 부하로 공급될 때의 주요 손실 매커니즘입니다. 

전원 트랜지스터가 전환되어 한 전류 흐름 경로가 다른 전류 흐름 경로로 바뀌면 각 트랜지스터의 게이트와 드레인이 충전되거나 방전되어야 합니다. 

이 충전 에너지는 모든 스위칭 사이클에 공급되어야 하지만 일반적으로 복구할 수 없기 때문에 스위칭 손실이 되고 스위칭 주파수에 비례한 양만큼 효율성이 줄어듭니다. 

결과적으로 전도 손실이 감소할 때 높은 스위칭 주파수 또는 낮은 전류의 벅 컨버터에서 스위칭 손실이 우세합니다. 

다른 스위칭 손실 용어는 다이오드와 인덕터의 물리학에서 옵니다. 

스위칭 사이클 중에 데드 타임이라는 기간이 있는데 전원 트랜지스터가 켜지지 않는 기간을 의미합니다. 

자석 배터리로 생각 될 수 있는 인덕터는 전류 흐름을 일정하게 유지하여 자기 에너지를 유지하고, 그렇게 해서 저압측 전원 트랜지스터에서 전류를 드레인에서 빼냅니다. 

이렇게 되면 전자와 홀이 전원 트랜지스터의 반도체 영역으로 주입됩니다. 

데드 타임이 끝나면 고압측 전원 트랜지스터가 켜지고, 저압측 트렌지스터의 드레인을 순바이어스와 저지 상태 밖으로 빼냅니다. 

이때 전자와 홀이 반도체의 중립 영역에서 삭제되어 QRR의 전체 전하를 갖고 있는 전류 펄스가 생겨야 합니다. 

게이트 및 드레인 전하 손실과 마찬가지로 이러한 역복구 손실은 각 스위칭 사이클에 반복됩니다. 

DC-DC 컨버터 애플리케이션을 사용하려면 전원 트랜지스터가 최대 전압을 견디고 최대 전류를 효율적으로 전도해야 합니다. 

따라서 해당 애플리케이션에 대한 온 저항 RDS(on)의 전원 트랜지스터의 선택으로 이어집니다. 

성능 지수인 RSP는 밀리앰프 단위의 RDS(on) 제품이며 평방밀리미터 단위의 전원 트랜지스터 영역입니다. 

결과적으로, RSP는 주어진 애플리케이션에 대한 전원 트랜지스터의 크기를 설정합니다. 

실리콘 통합 전원 트랜지스터에 대한 TI의 수십 년의 경험과 300밀리미터 아날로그 제조 역량을 통해 업계를 선도하는 낮은 RSP를 갖춘 전원 트랜지스터를 구현했습니다. 

전원 트랜지스터를 더 자세히 살펴보면 게이트 근처의 드레인 엔드 유형 영역 가장자리를 드리프트 영역이라고 합니다. 

드래프트 영역은 온 상태에서 전류를 전도하여 RDS(on)을 결정하고 동시에 저지 상태에서 전하를 감소시켜서 사용할 수 있는 최대 전압을 결정합니다. 

약 120V 미만에서 작동하는 통합 제품의 경우 표시된 것과 유사한 측면 전원 트랜지스터 구조가 주로 사용됩니다. 

더 높은 전압에서는 반도체 물질 자체가 기술을 제한합니다. 

질화 갈륨과 같은 고급 광대역 갭 반도체는 실리콘에서 걸리는 거리의 1/10에서 고전압을 낮출 수 있습니다. 

TI의 질화 갈륨 제품 라인은 이 기능을 활용합니다. 전원 트랜지스터에서 드레인과 소스 간의 전류 흐름은 게이트에 적용되는 전압에 의해 제어됩니다. 

드레인이 게이트나 소스가 견딜 수 있는 것보다 더 높은 전압에 연결되어야 하기 때문에 드레인 주변의 반드리프트 영역은 소스보다 큽니다. 

게이트와 드레인에는 각각 스위칭 사이클 동안 충전되고 방전되어야 하는 정전 용량이 있습니다. 

RDS(on)가 애플리케이션용으로 선택되었으므로 RDS(on)의 제품과 게이트 또는 드레인에 포함된 전하는 기술 성능 지수를 나타냅니다. 

TI의 300밀리미터 아날로그 제조 역량은 매우 작고 세밀하게 제어할 수 있는 기능을 갖춘 전원 트랜지스터를 구축하는 능력을 통해 업계를 선도하는 QR 성능 지수를 구현합니다. 

스위칭 데드 타임 중에 드레인과 트랜지스터 본체에 의해 형성된 다이오드가 벅 컨버터의 전류를 옮깁니다. 

이 상태에서 반도체는 소수 담체 전하와 홀로 가득 차게 됩니다. 

데드 타임이 지나면 드레인 전압이 상승하고 이러한 담채가 접속 지점으로 분산되어 사라지면서 역복구 펄스를 생성합니다. 

전류. 

이 역복구 전하인 QRR은 에너지 손실 메커니즘을 나타내며 전원 트랜지스터 모델링과 DC-DC 컨버터 회로 설계에서 반드시 고려되어야 합니다. 

질화 갈륨은 실리콘과는 다른 반도체 종류입니다. 

따라서 질화 갈륨 제품은 역복구 손실이 없습니다. 중첩 손실은 전류가 트랜지스터를 통해 흐르며, 이와 동시에 드레인 전압이 높은 상황을 말하며, 그런 경우에는 전압과 전류를 곱하여 계산되는 소비 젼력이 꽤 클 수 있습니다. 

DC-DC 컨버터 설계에 있어 한 가지 어려움은 흐름 경로 간에 대량의 전류가 빠르게 전환되어 기생 인덕터가 저장된 자기 에너지를 빠르게 충전 또는 방전시킴으로써 다양한 전압 터미널에 링잉이 발생하는 것입니다. 

이 링잉 에너지는 소모되어 중첩 손실이 생깁니다. 

링잉은 전원 트랜지스터의 전압 응력을 높여 손상 또는 마모를 일으킬 수도 있습니다. 

트랜지스터를 허용된 작동 조건 이상에서 작동하여 고장을 일으키는 것은 권장되지 않지만 일반적으로 전원 트랜지스터가 고장을 일으키는 상황을 잠깐 견딜 수 있기를 바랍니다. 

이를 견고성 또는 강건성이라고 합니다. 

개별 실리콘 전원 트랜지스터에 대한 텍사스 인스트루먼트의 깊은 배경 지식은 낮은 RSP, 낮은 QR 성과 지수, 업계를 선도하는 다이 크기, 효율성 및 견고성을 갖춘 제품을 생산하는 강건성의 최적화된 조합을 갖는 업계를 선도하는 통합 실리콘 전원 트랜지스터에 영향을 미쳤습니다. 실리콘 전원 트랜지스터의 개선이 전력 밀도에 미치는 영향은 이전 처리 노드의 DC-DC 컨버터를 현재 처리 노드에서 설계된 것과 비교하여 설명할 수 있습니다. 

두 DC-DC 컨버터 모두 최소 93.5%의 효율성을 달성합니다. 

최신 전원 트랜지스터의 더 낮은 RSP는 훨씬 더 작은 실리콘 다이 크기를 가능하게 하여 훨씬 더 작은 패키지 크기를 구현합니다. 

최신 전원 트랜지스터의 더 낮은 QR 성과 지표는 매우 유사한 효율성 대 부하 동작을 유지하면서도 두 배 및 스위칭 주파수를 구현합니다. 

더 높은 스위칭 주파수는 또한 더 작고 비용 효율적인 에너지 스토리지 인덕터를 사용할 수 있게 해서 시스템 크기를 크게 줄이고 솔루션 전반의 전력 밀도를 높이는 결과를 가져옵니다. 이 비디오에서는 DC-DC 컨버터의 맥락에서 전원 트랜지스터를 소개하여 전력 반도체 기술을 다뤘습니다. 

전원 트랜지스터 온 상태 저항으로 인한 전도 손실을 정의한 후 게이트와 드레인의 충전 및 방전과 드레인 다이오드 역복구로 인한 스위칭 손실을 정의했습니다. 

전력 반도체 기술 성능 지수를 정의했습니다. 

낮은 RSP는 더 작은 다이 크기를 지원합니다. 

더 낮은 QR 재퓸은 더 낮은 스위칭 손실을 통해 더 빠른 스위칭 주파수를 사용할 수 있게 합니다. 

저와 함께 해 주셔서 감사드리며 여러분의 전력 공학 여정에 행운을 빕니다.