가로등 시스템에 LED 기술을 적용하는 근본적인 이유 중의 하나는 긴 수명에 있다. 이와 같은 적용 분야에서는 전원 장치도 LED 만큼의 높은 효율과 긴 수명이 필요하며, 공진형 컨버터가 효율을 높이고 EMI를 낮추기 위해 널리 쓰이고 있다. 새로운 공진형 컨버터 제어 IC와 향상된 전력용 트랜지스터를 소개한다.

글 | 강원석*, 선임연구원, 산업용 파워 시스템팀
양성모**, 수석연구원, PCK 애플리케이션 엔지니어링
     페어차일드코리아반도체

LED는 기존 광원에 비해 효율과 수명이 우수하여 에너지 절약을 위한 차세대 조명으로 각광받고 있다. 고효율과 장수명은 가로등에도 아주 중요한 요소이며 LED의 적용이 기대되는 분야 중 하나다. LED 가로등을 위한 스위칭 전원 장치도 LED 만큼의 높은 효율과 긴 수명이 필요하며 공진형 컨버터가 효율을 높이고 EMI를 낮추기 위해 널리 쓰이고 있다. 소프트 스위칭 기법은 공진형 컨버터의 핵심 기능이지만 소프트 스위칭 조건을 만들기 위한 바디 다이오드(body diode)의 활용은 간혹 컨버터의 고장을 유발하기도 한다.
공진형 회로에서 전압과 전류 스파이크를 최소화하기 위해서는 도통 구간 동안 바디 다이오드 접합면에 축적된 전하량이 완전히 제거되어야만 한다. 따라서 공진형 회로에 적용되는 전력용 전계효과 트랜지스터(FET)는 작은 역회복 전하량과 우수한 역회복 dv/dt 내량을 가져야만 한다.

고효율을 위한 공진형 컨버터
손실과 전력 소자의 스트레스 및 전자파 간섭을 줄이고 전력 밀도를 높이기 위해 여러 회로가 제안됐다. 그 중 전계효과 트랜지스터의 바디 다이오드를 활용하여 영전압 스위칭을 만드는 공진형 컨버터가 효율 향상에 상당한 효과가 있음이 입증됐다. 특히, LLC 공진형 컨버터는 2차측 인덕터가 없어 정류기의 전압 스트레스가 낮고 높은 입력 전압에서 고효율이 가능하다. 무부하에서도 영전압 스위칭이 보장되므로 스위칭 손실을 상당 부분 없앨 수 있고 스위칭 노이즈가 작아 EMI 필터의 크기도 줄일 수 있다. 이러한 특성으로 LLC 공진형 컨버터는 LED 가로등을 포함하여 많은 분야에 적용되고 있다.
FAN7621S는 신뢰성 있는 LLC 공진형 컨버터 설계를 위한 모든 기능을 제공하는 전용 제어 IC이다. 하프브리지 컨버터 동작을 위한 상하 측 게이트 구동회로를 내장하고 있으며 고정밀 발진기, 주파수 제한회로, 소프트 스타트 및 다양한 내장 보호회로를 갖추고 있다. 모든 보호 기능은 LED 가로등에 적합하도록 오토 리스타트를 기본으로 한다.



최신의 공진형 컨버터 제어 IC를 사용하더라도 출력이 단락되는 경우 컨버터가 영전류 스위칭 영역으로 진입하는 것을 피할 수 없다. 그림 1은 조건에 따라 LLC 공진형 컨버터의 동작점이 어떻게 변화하는지 보여주고 있다. 출력이 단락되면, 영전압 스위칭 조건을 만족하지 못하고 전계효과 트랜지스터에는 엄청난 전류가 흐르게 된다.
영전압 스위칭을 벗어나 영전류 스위칭으로 동작하는 경우 가장 심각한 부작용 중 하나는 트랜지스터가 켜질 때의 하드 스위칭이다. 이는 바디 다이오드 역회복으로 인한 큰 전압 및 전류 스트레스를 유발하게 된다. 예를 들어, 트랜지스터 전류는 정상 상태보다 10배 이상 커질 수도 있다. 이렇게 큰 전류는 더 많은 손실을 의미하며, 이로 인해 트랜지스터 내부의 온도가 빠르게 올라가게 된다. 높은 온도는 바디 다이오드 역회복 dv/dt 내량을 감소시키며 극단적인 경우 트랜지스터의 파괴 및 컨버터의 고장까지도 초래할 수 있다.

최신 전계효과 트랜지스터 기술
전계효과 트랜지스터의 바디 다이오드는 대개 매우 긴 역회복 시간과 큰 역회복 전하량을 갖는다. 다이오드로서의 특성이 좋지 않음에도 불구하고 추가 비용 없이 회로를 간단하게 구성할 수 있어 공진형을 비롯하여 많은 회로들이 환류용 다이오드로 사용되고 있다.



바디 다이오드를 보다 적극적으로 활용하는 회로가 증가함에 따라 페어차일드에서는 공진형 컨버터에 적합한 새로운 전력용 전계효과 트랜지스터 제품군을 설계했다. 새로운 UniFET™II 제품군은 향상된 바디 다이오드 역회복 dv/dt 내량을 가지며 보다 작은 에너지가 출력 커패시터에 저장되도록 했다. 표 1에 나타나 있듯이 경쟁 제품 대비 매우 작은 역회복 전하량을 갖고 있다.
전계효과 트랜지스터의 기생 커패시턴스는 비선형적이며 드레인-소스 전압에 따라 변화하는데, 소프트 스위칭 회로에서 트랜지스터의 출력 커패시턴스는 공진회로를 구성하는 요소 중 하나이다. 트랜지스터가 켜질 때 트랜스포머의 자화 에너지를 이용하여 출력 커패시턴스를 방전시키며 방전에 따라 드레인-소스 전압이 감소하여 영전압 스위칭 조건을 만들게 된다.



따라서, 출력 커패시턴스에 저장되는 에너지(Eoss)가 작을수록 적은 에너지로도 영전압 스위칭 조건을 만들 수 있다. 그림 2와 같이 새로운 UniFET™II 제품군은 주로 사용되는 전압 범위에서 동급 경쟁 제품보다 약 35% 작은 에너지를 갖는다.

공진형 컨버터에의 이점
다이오드가 도통 상태에서 역저지 상태로 전환되는 과정을 역회복이라고 한다. 역저지 상태로 전환되기 위해서는 도통 상태 동안 접합면에 축적됐던 전하량이 제거되어야만 하는데, 이는 큰 역방향 전류와 재결합에 의해 진행된다. 이러한 역방향 전류를 역회복 전류라고 부르며 전계효과 트랜지스터 바디 다이오드의 경우 역회복 전류의 일부가 고농도 소스 영역 바로 밑으로 흐르게 된다.



그림 3은 단품 시험 도중 측정된 파형이며, 그림 3(a)는 역회복 도중 전계효과 트랜지스터가 파괴되는 순간을 보여주고 있다. 제품 A는 역회복 전류가 최고점을 지난 직후 기생 양극성 트랜지스터가 동작함에 따라 파괴됐으며, 그 순간의 dv/dt는 6.87 V/ns이다. 반면에 새로운 UniFET™II 제품은 더 높은 dv/dt인 14.32 V/ns에서도 파괴되지 않았다.
그림 4는 이렇게 강인한 UniFET™II 제품의 바디 다이오드가 공진형 컨버터의 신뢰성 향상에 어떻게 도움이 되는지 보여준다. 출력이 단락되면, 컨버터가 영전류 스위칭으로 동작하게 되고 바디 다이오드는 큰 전류를 흘리는 도중 역회복된다. 이는 그림 3과 기본적으로 동일한 과정이며 내량이 약한 제품은 그림 4(a)와 같이 파괴될 수 있다. UniFET™II 제품의 작은 역회복 전하량은 역회복 전류의 크기를 감소시켜 극한 상황에서도 제품의 파괴를 막고 컨버터가 정상 동작할 수 있게 한다.



추가로 기동 시 공진 커패시터를 충전하면서 발생하는 큰 역회복 전류 때문에도 공진형 컨버터의 오동작이 발생할 수 있다. 그림 5(a)는 27 A가 넘는 역회복 전류로 인해 제어 IC의 보호회로가 동작하여 정상적인 기동이 안 된 경우이다. 새로운 UniFET™II 제품을 적용하면, 그림 5(b)와 같이 역회복 전류의 크기가 작아 정상 동작한다.



효율 비교를 위해 150 W급 LLC 공진형 컨버터를 제작했다. 그림 6의 효율 측정 결과와 같이 UniFET™II 제품은 경쟁 제품 대비 전 입력 범위에서 높은 효율을 제공한다. 효율 향상의 주 요인은 작은 Eoss와 게이트 전하량으로 인한 손실의 저감이다. ES