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엔지니어 칼럼

미들 파워 디바이스 신제품 개발 엔지니어 칼럼

제2회
ON 저항을 대폭 저감한
제5세대 -40V / -60V 내압 Pch 파워 MOSFET

안녕하세요. 로옴의 시라이시입니다. 이번에는 제가 담당하고 있는 저내압 MOSFET의 신제품 중에서 로옴의 제5세대 미세 프로세스를 사용하여 새롭게 개발한 「-40 / -60V 내압 Pch 파워 MOSFET 시리즈」에 대해 소개하겠습니다.

먼저 새롭게 Pch 파워 MOSFET를 개발하게 된 배경에 대해 설명하겠습니다. 일반적으로 Nch MOSFET가 많이 사용되고 있지만, Pch MOSFET에는 특유의 특징으로 인한 수요가 있어, 시장 요구의 변화에 대응하기 위한 개발이 요구되고 있습니다.

Nch MOSFET가 많이 사용되는 것은, 일반적으로 동일 사이즈의 Pch MOSFET에 비해 ON 저항이 낮기 때문입니다. 이는 손실 저감으로 연결되므로, 특히 최근에는 중요시되는 포인트입니다. Nch MOSFET는 이동도가 높은 전자를 캐리어로 하는 반면, Pch MOSFET는 정공을 캐리어로 하기 때문에 이동도가 전자보다 약 3배 크므로 전류가 흐르기 어려워, 소자 사이즈가 동일한 경우 ON 저항이 높아지게 됩니다.

그러나, Nch MOSFET에도 검토 과제가 있습니다. High-side 측에 Nch MOSFET를 사용하는 경우, 게이트 전압이 입력 (드레인) 전압보다 낮으면 ON되지 않습니다. 따라서, 게이트 전압용으로 별도 승압 회로를 배치하는 등, 회로 구성이 복잡해지게 됩니다. 반면에 Pch MOSFET는 게이트 전압을 입력전압 (소스)보다 낮게 하면 구동 가능하므로 특별한 구동 회로가 필요하지 않아 회로 구성이 간소해진다는 메리트가 있습니다.

이러한 메리트를 바탕으로 Pch MOSFET는, 공작 기계, 로봇용 모터, 산업기기 FAN, 전원 회로용 스위칭 용도로 폭넓게 사용되고 있습니다. 또한, DC 모터, 스테핑 모터 구동용 H 브릿지 회로 및 스위칭 전원 회로의 High-side 스위치로서 사용되는 경우가 많아, Nch Low-side 스위치와 조합하여 사용되고 있습니다 (그림 1 참조).


그림 1 : Pch MOSFET가 사용되는 대표적인 회로와 용도 예

이러한 시장과 용도로 사용되는 Pch MOSFET의 경우, 최근 산업기기나 민생기기에서는 전원의 입력전압보다 높은 전압, 예를 들어 24V 등을 사용하는 케이스가 증가하고 있어, 한층 더 높은 드레인 – 소스 내압을 지닌 제품에 대한 수요가 높아지고 있습니다.

그러나, 요구되는 높은 내압을 실현하면, ON 저항이 상승한다는 문제가 발생합니다.

일반적으로 산업기기나 민생기기용 전원의 스위칭 주파수는 비교적 낮기 때문에, MOSFET에 관한 손실은 도통 손실이 지배적이 되어, MOSFET의 ON 저항이 직접적으로 영향을 미치게 됩니다. 이는 간단히 허용할 수 없는 포인트입니다. 내압을 높이면서 ON 저항도 저감하기 위한 방법 중 하나로, 소자 면적을 크게 하는 방법이 있지만, 결과적으로 패키지를 포함한 MOSFET의 사이즈도 커지게 됩니다.

이러한 상황에서, 로옴은 높은 입력전압에 대응하면서 낮은 ON 저항을 실현하기 위해, 제5세대 미세 프로세스를 사용하여 내압 -40V / -60V의 Pch MOSFET 시리즈를 새롭게 개발하였습니다.

제5세대 미세 프로세스를 사용함으로써, 게이트 트렌치 구조를 기존 대비 75% 미세화할 수 있어, 전류 밀도를 높이는데 성공했습니다. 이에 따라, A · Ron (단위 면적 당 ON 저항)은 업계 최고 레벨을 실현했습니다. ON 저항은 기존품 대비 -40V 내압품 62%, -60V 내압품 52% 삭감을 실현했습니다 (그림 2 참조).


그림 2 : 제5세대 -40V / -60V 내압 Pch MOSFET 기존품과 신제품의 A · Ron 개선 결과

예를 들어 제5세대 신 시리즈 RD3L07BAT (TO252 / -60V / -70A / 12.1mΩ)는 소자 사이즈의 최적화를 통해, 이전 시리즈 대비 드레인 전류 (전류 용량)는 5배, ON 저항 (VGS=10V Max)은 85% 저감을 실현하였습니다.
※동일 내압 기존품 RD3L140SP (TO-252 / -60V / -14A / 84mΩ)와의 비교

어플리케이션은 산업기기를 비롯하여, 한층 더 확대될 것으로 예상되어 패키지의 라인업을 확충하였습니다. 기존에 산업기기용으로 사용되고 있었던 TO-252, SOP8, TSMT8 (3028 size), TSMT6 (2928 size), 방열성이 한층 더 높은 시리즈인 이면 방열 패키지 HSOP8 (5060 size), HSMT8 (3333 size), HUML2020L8 (2020 size)을 구비하여 폭넓은 기기, 용도, 실장 조건에 대응 가능한 패키지를 구비하였습니다 (그림 3 참조. 표 안의 제품명을 클릭하면, 해당 제품 페이지로 이동).

※본 라인업은 2020년 시점의 내용입니다. 현재 라인업은 로옴 홈페이지를 참조하여 주십시오.
https://www.rohm.co.kr/products/mosfets#productGF


그림 3 : 확충된 패키지 라인업

향후 새로운 저내압 MOSFET 시리즈의 발표를 예정하고 있습니다.

산업기기용 FAN 모터 용도, 통신 기지국 · 서버 전원용 DC/DC, 동기정류 / ORing 회로용 36V / 48V / 54V 입력에 대응하는, 차세대 미세 프로세스를 사용한 40V / 60V / 100V / 150V 내압 Nch 파워 MOSFET 시리즈를 발표할 예정입니다.

또한, 한층 더 높은 입력전압에 대응하는 로드 스위치용 100V Pch Dual 파워 MOSFET 시리즈 및 H 브릿지 회로용으로 ±40 / ±60 / ±100V / Nch+Pch Dual 파워 MOSFET 시리즈도 발표 예정입니다.

이러한 소자가 탑재되는 패키지에 대해서도, 기존의 패키지와 더불어 와이어레스 구조를 사용한 대전류 패키지, 한층 더 소형의 패키지 전개도 예정하고 있습니다.

많은 관심 부탁드립니다.

※본 기사는 2020년 12월 시점의 내용입니다.
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