스위칭 모드 파워 서플라이(Switched-mode power supplies, SMPS)는 PC나 서버와 같은 부하에 전력을 공급하기 위해 메인 AC 전력을 DC 출력으로 변환해 주는 전력 컨버터이다. 이들은 대개 고전압 측(그리드)과 저전압 측(부하)으로 이루어져 있다.
글/Cyril Borchard, ASD&IPAD, ST
스위칭 모드 파워 서플라이(Switched-mode power supplies, SMPS)는 PC나 서버와 같은 부하에 전력을 공급하기 위해 메인 AC 전력을 DC 출력으로 변환해주는 전력 컨버터이다. 이들은 대개 고전압 측(그리드)과 저전압 측(부하)으로 이루어져 있다.
일반적인 전력 패키지
다이오드와 같이 스위칭 모드 파워 서플라이에 사용되는 전력 부품용 패키지 중에 가장 널리 쓰이는 것은 TO-220 및 DO-220 패키지이다. 이들은 열 저항이 낮기 때문에 다이에서 나오는 열을 패키지 밖으로 잘 내보내 주며, 열 성능을 한층 더 향상시키기 위해 히트싱크 위에 탑재되도록 특별히 설계되어 있다.
그러나 이 패키지의 단점은 절연이 되어 있지 않다는 것이다. 즉, 다이가 패키지 뒷면의 메탈 프레임에 직접 연결되어 있다(그림 1참조). 예를 들어, 다이오드의 경우에는 음극(다이의 뒷면)을 메탈 프레임 상에서 접근할 수 있다는 뜻이다.
파워 서플라이에 사용되는 히트싱크는 안전 상의 이유로 대개 접지에 연결되어야 하는데, 이는 누군가가 보드를 조작해 높은 전위에 노출시키는 일을 피하기 위해서이다.
역률 보정기(PFC) 회로의 경우, 부스트 다이오드의 음극은 PFC의 DC 출력(대개 400V로 설정되어 있다)에 연결되어 있다. 다이오드가 DO-220 패키지에 들어 있고 히트싱크를 사용해야 한다면, 해당 패키지와 히트싱크는 서로 절연되어야만 한다.
일반적인 절연 솔루션
패키지를 히트싱크로부터 절연시키기 위해 가장 일반적으로 사용되는 솔루션은 둘 사이에 절연 호일을 삽입하고 나사에는 절연 링을 사용하는 것이다(그림 2참조).
이 호일들은 좋은 유전체 특성을 갖고 있지만 이를 조립하려면 손재주가 꽤 좋아야 한다. 쉽게 갈라지거나 찢어질 수 있어서 좋은 절연성이 보장되지 않기 때문이다. 이들은 히트싱크에서 벗겨져 나갈 수도 있고, 패키지를 탑재할 때 나사 축을 중심으로 돌아가는 경향이 있다. 수많은 파워 컨버터 제조업체들이 자사의 조립 라인에서 이러한 문제들과 연관하여 시간과 신뢰성 면의 손실을 입고 있다고 불평하고 있다. 운모 호일을 탑재하기 위해 추가적으로 필요한 시간은 패키지당 10~20초 범위인 것으로 추정된다. 게다가, 이들 고유의 열 저항은 시스템의 열 저항에 무시할 수 없는 영향을 미친다.
또 다른 전통적인 솔루션은 완전 몰딩된 TO-220FP 풀팩에 탑재된 전력 부품들을 사용하는 것이다. 그러나 이 패키지는 열 저항이 저하되어 열 발산이 제한되므로 처리할 수 있는 전류량도 제한된다.
솔루션: 내부절연 패키지
제조업체들이 이러한 문제를 해결하고 UPH(unit per hour)를 증대시키도록 돕기 위해 일부 반도체 업체들은 절연된 DO-220I이나 TO-220I과 같은 내부절연 패키지들을 개발했다. 이 솔루션들은 그림 3에서 보듯이 다이와 뒷면의 메탈 프레임 사이에 세라믹을 삽입함으로써 패키지를 내부로부터 절연시킨다. 세라믹은 대개 2,500 Vrms를 제공하는데, 이는 시중의 일반적인 표준 대부분과 일치하는 절연 성능이다.
DO-220I이나 TO-220I과 같은 절연 패키지들은 패키지를 히트싱크로부터 절연시키기 위해 흔히 사용되는 기존의 호일들을 없애기 위한 솔루션이다(그림 4참조). 또 다른 커다란 장점은 절연 패키지가 절연 호일을 사용하는 비절연 패키지에 비해 실제로 시스템의 열 성능을 향상시켜 준다는 것이다. 운모 호일(mica-foil)을 사용하지 않는 절연 패키지와 운모 호일을 사용하여 탑재한 비절연 패키지의 Rth(j-c)를 단순비교 해 보면 절연 패키지의 총 열 저항이 크게 향상됨을 알 수 있다:
요약
치열한 경쟁이 이루어지고 있는 시장이 전력 컨버터업체들의 세계다. 따라서 비용 상의 이득을 제공할 수 있는 솔루션이 항상 환영 받을 수 밖에 없다. 시간이 돈이라는 말처럼, 제조업체들이 조립라인 상의 모든 문제들을 해결할 수 있도록 도움으로써 UPH를 향상시키는 것도 비용절감 방법 중 한 가지이다.
그런 면에서 일부 반도체 벤더들은 고전압 정류기와 같은 전력 부품 전용의 절연 패키지들을 개발했다. 이러한 패키지들은 전통적으로 사용되던 외부 절연 호일들을 없앰으로써 탑재 시간 및 비용의 절감에 도움을 주는 한편으로 시스템의 열 성능을 향상시켜 준다. 이들은 또한 비절연 패키지를 히트싱크로부터 절연시키는 데 사용되는 호일이 갈라질 경우 신뢰성이 위협 받는 문제도 피할수 있도록 해준다. 이 모든 것이 파워 서플라이 제조업체들에게는 이점이 된다.
예를 들어, ST마이크로일렉트로닉스에서는 650V SiC(silicon-carbide) 파워 쇼트키 다이오드의 전 제품군 뿐만 아니라 절연된 DO-220I, TO-220I, DOP3I 또는 TOP3I600V에 탑재된 600V 초고속 탠덤 다이오드도 제시하고 있다. 이러한 종류의 정류기들은 하드 스위칭 조건을 갖는 고주파 전력 회로에 매우 널리 사용되고 있다.
내부절연 파워 패키지의 예시 목록:
<반도체네트워크 11월>