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엔지니어 인터뷰

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

전원의 변천과 메탈 인덕터

인덕터편 –제4장-

주목 키워드
  • 저전압 대전류
  • 높은 스위칭 주파수
  • 페라이트
  • 메탈
  • 투자율 (透磁率) μ
  • 포화 자속 밀도
  • 직류 중첩 허용 전류
  • 포화
  • 절연
  • 금속 자성 압분 재료
  • Q가 열화
  • 고온 방치 시험

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

지금까지는 인덕터의 기본 특성이 전원 특성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 알아보았습니다. 이번에는 전원의 변천과 관련하여 메탈 인덕터의 사용이 증가하고 있는 점과, 재료면을 포함한 메탈 인덕터의 특징에 대해 설명하도록 하겠습니다. 이는, 최근 소형화 요구에 대해 스위칭 주파수가 높은 전원의 수요가 증가한 것과 관계가 있습니다.

-말씀하신 대로 소형화를 위해 전원 회로의 스위칭 주파수를 높게 해서, 인덕턴스가 작은 인덕터, 즉, 사이즈도 작은 인덕터를 사용하는 케이스가 증가하고 있네요.

잘 아시겠지만, IC는 프로세스의 소형화가 진행됨에 따라 전원전압이 낮아진 반면, 전원전류는 커져, 「저전압 대전류화」라고도 표현되고 있습니다. 인덕터에 대전류를 흘리기 위해서는 인덕턴스는 작아야 하며, 전원 회로는 작은 인덕턴스로 동작하기 위해 높은 스위칭 주파수가 필요합니다. 이에 대해, 기존에 큰 인덕턴스로는 특성에 어려움이 있었던 메탈 인덕터가, 작은 인덕턴스의 조건이라면 특성과 사이즈에서 모두 우위를 차지합니다. 하기는 IC 전원전압의 변천 이미지와 스위칭 주파수 / 인덕턴스 / 전류에 대한 페라이트 인덕터와 메탈 인덕터의 범위를 나타낸 그래프입니다.

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-페라이트 인덕터에도 인덕턴스가 작은 것이 있으리라 생각되는데요. 메탈 인덕터의 우위성은 무엇인가요?

그럼 먼저, 페라이트 인덕터와 메탈 인덕터의 차이점에 대해 설명하겠습니다.

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먼저, 메탈은 투자율 μ가 낮으므로, 인덕턴스를 크게 하기 어려운 재료입니다. 그러나, 포화 자속 밀도 즉, 직류 중첩 허용 전류가 높아 포화도 매우 완만합니다. 이 때문에 직류 중첩 허용 전류가 동일하다면 페라이트보다 사이즈를 작게 할 수 있습니다. 또한, 인덕턴스는 온도에 따른 변화가 거의 없다는 특성이 있습니다. 절연에 대해서는 고려해야 할 점이 있으므로, 나중에 설명하겠습니다. 주파수 특성은 최근 상당히 개선되어, 높은 주파수에 대응합니다. 마지막으로 재료비가 △인 것은, 최근 수요가 높아짐에 따라 친숙하게 사용되고 있기 때문입니다.

큰 이점으로서, 메탈 재료는 포화 자속 밀도가 높으므로, 우수한 중첩 특성을 지닌 인덕터를 실현할 수 있습니다. 이것을 효과적으로 이용하기 위해서는, 투자율 μ가 낮아 인덕턴스를 크게 할 수 없는 점을 개선할 필요가 있습니다.

-실제로는 개선된 것이지요?

당사에서는 일반적인 메탈 합성 재료에 있어서, 「금속 자성 압분 재료」라고 하는 독자적인 재료를 개발하였습니다. 당사의 금속 자성 압분 재료는, 메탈 합성 재료에 비해 높은 투자율 μ와 높은 절연성을 지닌 재료입니다. MCOIL™는 금속 자성 압분 재료 외에 당사의 독자적인 기술을 응집시킨 실용적인 인덕턴스와 우수한 중첩 특성을 지닌 메탈 인덕터입니다. 

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-독자적인 재료의 우수한 절연성이, 앞서 말씀하신 「절연에 대해 고려해야 할 점이 있다」라는 부분과 관계가 있습니까?

그 역시 재료에 관련된 이야기이므로, 바로 설명드리겠습니다. 하기 그림은 메탈 합성 타입과 MCOIL™를 비교한 것으로, 개선점을 나타내고 있습니다.

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메탈 합성 타입의 철 성분은, 철 성분 간의 유기물 수지에 의해 절연되어 있습니다. 그에 비해 MCOIL™의 철 성분은, 각각이 무기 산화막으로 쌓여있어, 상호 절연합니다.

메탈 합성 타입의 절연 수지는, 특히 고온 시에 열화가 진행되어 절연도 열화됩니다. 그로 인해 Q가 열화되어 손실이 현저히 증가합니다. 철 성분 내에서 발생하는 과전류가 손실이 되며, 철 성분의 직경이 커지면 과전류도 커지게 되어 손실이 증가합니다. 이는 수지의 열화로 인해 철 성분 간에 절연이 열화됨에 따라, 몇 개의 철 성분이 하나로 합쳐져 큰 과전류가 흐르기 때문입니다.

MCOIL™의 철 성분을 둘러싼 산화막은 유기물 수지와는 달리, 고온 시에도 열화가 거의 발생하지 않는 재료입니다. 이에 따라, 메탈 인덕터의 과제 중 하나인 절연성의 열화, 결과적으로는 Q의 열화를 대폭 개선하였습니다. 또한, 이 산화막을 사용하는 방법은 투자율 μ의 향상과도 관계가 있습니다.

-구체적으로 특성의 차이는 어느 정도입니까?

하기의 시험 데이터는 MCOIL™와 타사의 메탈 합성 표준 타입 (STD), 그리고 High Q 타입에 대해, 125℃와 150℃의 고온 방치 시험을 실시한 결과입니다. 시험 시간에 대한 절연 저항, 인덕턴스, Q의 변화를 나타낸 그래프입니다.

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좌측 위의 그래프는, 절연 저항의 변화를 나타냅니다. 초기값 (0 시간)의 값은 각각의 편차로 생각해 주십시오. 이는, 다른 그래프도 마찬가지입니다. 500시간이 경과한 시점에서의 결과는 보시는 바와 같이, 메탈 합성 타입은 125℃의 시험에서 약 1/100, 150℃ 시험에서는 약 5/10000 이하로 감소하여, 열화가 뚜렷이 확인됩니다. 그에 비해 MCOIL™는 거의 열화가 발생하지 않습니다.

우측 위는 인덕턴스로, 메탈 합성 타입은 약간 열화의 경향이 보이지만, MCOIL™는 안정된 모습입니다.

좌측 아래는 Q의 변화입니다. 메탈 합성 타입은 125℃에서는 열화가 완만하지만, 150℃의 조건에서는 시간에 따라 점점 열화가 진행되는 것을 알 수 있습니다. 앞서 설명한 것처럼, 절연의 열화로 Q도 열화되는 결과를 나타냅니다.

어쨌든 온도가 높을수록 영향이 크다는 사실을 알 수 있습니다. 이는, 고온 방치 시험이므로 자기 발열은 없지만, 실제 회로 상에서는 주위 온도와 더불어 자기 발열도 열화의 큰 요인이 됩니다. 하기는 이러한 인덕터의 열화가 DC/DC 컨버터 특성에 미치는 영향에 대한 효율 비교 테이터입니다.

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상기 그래프는, 150℃ / 500시간의 고온 방치 시험을 실시하기 전의 시료와 실시 후의 시료를 실제 DC/DC 컨버터 회로에 적용하여 효율을 측정한 것입니다. 실선이 시험 전의 데이터로, 초기 값의 차이에 따라 효율의 차이는 있지만, 모든 타입이 나름대로 기능하고 있습니다. 주황색 선의 메탈 합성 타입은 Q가 높은 타입이므로, 손실이 적고 효율이 높은 것을 알 수 있습니다. 참고로, 입출력 조건은 강압비가 높아 다소 까다로운 조건입니다. 기타 확인 사항으로서, lout이 2A일 때 인덕터의 표면 온도가 기재되어 있습니다.

150℃ / 500시간의 고온 방치를 실시한 후의 인덕터를 사용한 결과는 점선으로 나타냈습니다. MCOIL™는 약간의 효율 저하가 보이지만, 큰 문제 없이 2A의 출력이 가능합니다. 메탈 합성 타입 두 가지 중, 청색 선의 STD는 1A 시점에서 시험 전의 2A 시와 동일한 표면 온도이며, 주황색 선의 Hi-Q 제품은 1A 시점에서 파손되었습니다. 두 가지 모두 앞서 설명한 Q의 열화로 인해 효율이 저하됨에 따라, 인덕터의 발열도 증가하여 Q 및 신뢰성의 열화를 초래하게 됩니다.

-이러한 개선으로, 메탈 인덕터의 우수한 특징이 전원 회로에 이용 가능하게 된 것이군요. 그렇다면, 페라이트와의 차이점에 대해 상세히 설명해 주십시오.

우선, 하기 그래프를 통해 직류 중첩 특성에 대해 설명하겠습니다.

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좌측의 그래프는 당사의 페라이트 재료의 인덕터입니다. 앞에서 자성 수지를 사용한 슬리브리스 인덕터로, 포화 특성이 비교적 완만한 타입이라고 설명드린 것입니다. 우측은 메탈 재료의 MCOIL™입니다. 양쪽 모두 5A를 초과하는 직류 중첩 전류를 흘릴 수 있으며, 페라이트 쪽이 완만하게 인덕턴스가 감소하고, 메탈 쪽은 더욱 완만한 인덕터 감소를 나타냅니다. 특성은 거의 동일하다고 할 수 있습니다.

여기에서 말씀드리고자 하는 것은, 상기 그래프에 따르면 동등한 직류 중첩 특성을 얻기 위해 페라이트의 6×6mm 사이즈를 메탈의 4×4mm 사이즈로 대응할 수 있다는 점입니다. 면적비는 44%로, 절반 이하이며, 두께도 물론 줄어듭니다. 즉, 이번 내용의 키워드 중 하나인 소형화에도 기여하는 것입니다.

이어서, 하기 데이터는 직류 중첩의 온도 특성을 나타냅니다. 페라이트는 온도가 높아짐에 따라 인덕턴스 저하의 경사가 급격해집니다. 이에 비해 메탈의 경우에는 온도에 관계없이 직류 중첩 특성에 큰 차이가 없어, 온도가 안정적이라고 할 수 있습니다.

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페라이트는 고온이 되면 포화되기 쉬우므로, 실제 사용 시에는 온도 조건을 고려하여 설계할 필요가 있습니다. 반면에 메탈은, 물론 DC 바이어스 전류의 증가에 따라 인덕턴스는 감소하지만, 설계 시 포화에 있어서 온도의 영향을 크게 고려하지 않아도 된다는 것은 중요한 포인트일 것입니다.

마지막으로, 하기는 공칭 인덕턴스, 직류 중첩 포화 전류, 온도 상승 허용 전류의 관계를 나타낸 그래프입니다.

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상기 그림은, 거의 동일한 직류 중첩 특성을 얻을 수 있는 사이즈의 인덕터 비교 예입니다. 공칭 인덕턴스가 5µH 부근까지는 페라이트와 메탈이 거의 동일하지만, 적색 점선으로 나타낸 것처럼 메탈 타입은 인덕턴스가 높아지면 페라이트보다 직류 중첩 포화 전류가 작아집니다. 즉, 인덕턴스가 높은 경우에는, 페라이트 쪽의 특성이 우수하다는 것입니다. 이는, 우측의 온도 상승 허용 전류에서도 마찬가지입니다.

참고로, 메탈 타입의 5µH 이상을 점이 아니라 점선으로 나타낸 이유를 설명하겠습니다. 당사가 보유하고 있는 메탈 타입은 4.7µH까지로, 그 이상의 인덕턴스의 메탈 타입은 제조하지 않습니다. 현재, 그 이상의 인덕턴스로는 페라이트 쪽이 더 우수하기 때문입니다.

앞에서 메탈 타입은 μ를 작게하고 동시에 인덕턴스를 크게 하기 어렵다고 설명했습니다. MCOIL™은 재료의 개선을 통해 메탈 합성 타입보다 높은 투자율을 달성하지만, 페라이트에는 미치지 못합니다. 메탈 타입도 권선을 늘려 인덕턴스를 늘릴 수 있지만, 그로 인해 Rdc가 커지게 되어 발열이 증가하므로 현실적이지 않습니다. 현재로서는 4.7µH가 메탈 타입의 이점을 활용할 수 있는 경계선이라고 생각됩니다.

-그럼, 처음에 설명했던 부하의 저전압 대전류화와 소형화 요구에 대해 전원 측은 인덕턴스가 작은 소형 인덕터 사용을 희망하고, 이를 위해 스위칭 주파수의 고속화를 도모하는 상황에서 메탈 인덕터가 안성맞춤이라는 것이군요.

정리하자면 그렇습니다. 메탈 인덕터가 지니는 좋은 특성을 활용할 수 있도록 개선하여 고속 스위칭 전원 시장에 대응하고 있다는 것입니다. 현재 메탈 인덕터는 고속 스위칭 전원에 대한 우수한 솔루션이라는 점을 널리 알리고자 설명드린 것입니다.

※본 기사는 2016년 7월 시점의 내용입니다.

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