[기고] 왜 자동차 분야에 GaN이 필요할까

  • 2019-09-19
  • 알렉스 리도우(Alex Lidow) EPC의 CEO이자 공동 창업자



알렉스 리도우(Alex Lidow)
EPC의 CEO이자 공동 창업자
epc-co.com


자동차 기술은 자율주행 차량의 등장과 전기추진 시스템이 등장하면서 르네상스 시대를 맞이하고 있다. IHS Markit은 2035년까지 1천2백만 대의 차량이 자율주행이 가능할 것으로 전망했으며, 블룸버그 뉴에너지 파이낸스(Bloomberg New Energy Finance), 마크라인즈(Marklines)는 3천2백만 대의 자동차가 전기 추진력을 갖추게 될 것으로 예상했다.

이 두 분석에 따르면 전력 반도체 수요가 크게 증가할 것임을 알 수 있다. 또한 전력변환 부문에서 실리콘이 성능 한계에 도달하게 됨에 따라 실리콘 기판(GaN-on-Si)에서 성장된 질화 갈륨(Gallium Nitride)을 기반으로 한 전력 디바이스의 새로운 시장이 열릴 것으로 기대되고 있다. 

자동차에 도입되고 있는 eGaN 기술

GaN 전력 디바이스가 대량생산되어 온 지난 8년 동안, LiDAR(Light Detection and Ranging) 및 레이더를 비롯해 48V~12V DC-DC 변환 및 고휘도 헤드램프, 온-보드 전기차량 충전을 비롯한 여러 애플리케이션에서 GaN이 오래된 실리콘 MOSFET에 비해 상당한 이점을 제공하는 것으로 확인되었다. 

GaN 트랜지스터 및 IC의 첫 번째 애플리케이션 중 하나는 벨로다인(Velodyne)의 데이브 홀(Dave Hall)이 창안한 LiDAR이다. 이 아이디어는 레이저 펄스를 매우 빠르게 트리거하여 방출된 광자의 빛의 비행 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 이를 통해 수백 미터의 거리에서 몇 센티미터 이내의 거리를 빠르게 측정하는 것이 가능하게 되었다.

벨로다인은 회전축과 병렬로 적층된 여러 개의 솔리드-스테이트 레이저를 가진 회전 디스크를 사용하여 그림 1과 같이 빠르고 정확한 디지털 포인트 클라우드를 만들 수 있었다. 많은 사람들에게 놀라움을 안겨준 이 센싱 기술은 카메라 및 레이더 센서와 결합해 프로토타입 자율차량을 구현하는데 사용되었다. 
 
그림 1. GaN FET를 이용한 LiDAR 센서는 주변 구조물과 장애물을 식별하기 위해 자율차량에 사용되는 빠르고 정확한 디지털 포인트 클라우드를 만든다.


EPC의 eGaN FET 및 IC는 매우 짧은 펄스 폭으로 고전류 펄스를 생성하도록 트리거할 수 있기 때문에 레이저 발사에 채택되었다(그림 2 참조). 펄스 폭이 짧으면, 해상도가 높아지고, 펄스 전류가 높을수록 LiDAR 시스템은 더 멀리 볼 수 있다. 매우 작은 크기와 함께 이러한 두 가지 특성을 가진 eGaN FET는 LiDAR 외에도 레이더 및 초음파 센서에 이상적이다.
 
 
그림 2. EPC2202 AEC-Q101 인증 FET는 피크 전류 26A에서 1.8나노초의 펄스(노란색 트레이스)를 생성하는데 사용된다. 광 수신기 펄스 신호는 파란색 트레이스로 표시되어 있다.


LiDAR는 변화의 시작에 불과하다. 차량 내비게이션 및 제어를 위한 입력을 제공하는데 사용되는 센서 어레이와 함께 이러한 센서 입력을 통합하고, 의미를 이해하고, 자체 구동 액추에이터에 보낼 명령을 결정하기 위해 새로운 마켓을 위한 고성능 그래픽 프로세서가 개발되었다.

빠른 처리 속도에 중점을 두고 있는 모빌아이(Mobileye, 현재 인텔의 자회사) 및 엔비디아(NVIDIA)와 같은 회사들은 초고속 멀티코어 프로세서를 출시하고 있다. 이러한 프로세서는 여러 레이더, LiDAR, 카메라, 초음파 센서의 모든 입력을 빠르게 감지하여 도로나 고속도로를 안전하게 내비게이션할 수 있다. 

48V~12V 전력 분배 시스템의 필요성

이러한 고성능 프로세서는 전력소모가 매우 크고, 전통적인 자동차용 12V 전기 분산 버스에 부담을 가중시킨다. 자동차 LiDAR 시스템에서 요구되는 이러한 프로세서에 높은 전력 레벨을 제공할 수 있는 솔루션은 고성능 게이밍 시스템, 고성능 서버 및 AI(Artificial Intelligence) 시스템과 심지어 암호화폐 채굴을 가동하는데 적용되는 것과 동일한 솔루션, 즉 전류 레벨과 와이어 크기는 4분의 1로 줄인 48V 분산 버스가 적합한 것으로 판명되었다.

또한 오버슈트 및 다양한 오류 조건에서 버스 전압이 60V 미만으로 유지되어 부가적인(비용이 소모되는) 안전 조치가 필요하지 않기 때문에 48V는 이러한 애플리케이션에서 가장 실용적인 전압이다. 

48V의 장점은 최신 자동차에 탑재되는 전력소모가 큰 모든 새로운 전자식 기능과 특징들을 고려할 때 더욱 분명해진다. 최신 기능의 예:

-전자식 스타트-스톱
-전자식 스티어링
-전자식 서스펜션
-전자식 터보-슈퍼차징(Turbo-Supercharging)
-변속 에어 컨디셔닝


이러한 새로운 기능과 특징은 48V~12V DC-DC 컨버터에 대한 새로운 시장을 열었다. 전력은 48V에서 생성되고, 기존 시스템과 배터리 팩을 구동하기 위해 12V로 변환된다. 

탁월한 성능의 GaN FET 및 IC

GaN FET 및 IC는 그림 3에서 보는 것처럼 48V에서 12V로 변환하는 가장 효율적인 방법이다. GaN 디바이스는 실리콘 파워 MOSFET에 비해 몇 배 더 작고, 몇 배 더 빠르기 때문에[1] 더 작고, 더 저렴한 주변장치 부품을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 보다 높은 효율을 달성할 수 있다. EPC의 eGaN FET의 가격은 대량 제품의 경우 실리콘과 동등하다[2]. 또한 이 기술은 AEC-Q101 인증 테스트를 통과함으로써 자동차 분야에 폭넓게 적용될 수 있는 새로운 단계로 나아가고 있다.
 
 
그림 3. EPC9130은 EPC2045 eGaN FET 기반의 700W 48V~12V DC-DC 컨버터이다. 이는 최상의 실리콘 기반 컨버터에 비해 더 높은 전력밀도와 더 높은 효율을 제공한다. 또한 이 eGaN FET 기반 컨버터는 최저 비용의 BoM을 가지고 있다.


eGaN 기술은 8년 이상 대량생산이 이뤄지면서 자동차 애플리케이션에서 수십억 시간에 이르는 성공적인 현장 경험을 축적하였다. 

AEC-Q101 인증 eGaN FET 

EPC는 AEC-Q101 인증 테스트를 통과한 최초의 2개의 제품을 공급하고 있다. 이들 제품은 EPC2202(그림 4)와 EPC2203(그림 5)으로 WLCS(Wafer Level Chip-Scale) 패키지 기반의 디스크리트 트랜지스터이다. 이 최초의 AEC-Q101 인증 제품과 함께 혹독한 자동차 환경을 위해 설계된 몇 종의 디스크리트 트랜지스터와 IC가 조만간 출시될 예정이다. 

 
그림 4. 80V EPC2202 디바이스는 AEC-Q101 테스트를 통과했다. 크기는 2.1×1.6mm이며, 정격 펄스 전류는 75A이다. 

 
그림 5. 80V EPC2203 디바이스는 AEC-Q101 테스트를 통과했다. 크기는 0.9×0.9mm이고 정격 펄스 전류는 18A이다.


EPC2202는 2.1mm×1.6mm 칩 스케일 패키지 기반의 정격 펄스 전류가 75A인 80V, 16mΩ 인핸스먼트 모드(Enhancement Mode) FET이다. EPC2203은 0.9mm×0.9mm 칩-스케일 패키지 기반의 정격 펄스 전류가 18A인 80V, 73mΩ 부품이다. 이러한 eGaN FET는 동급 실리콘 MOSFET 제품에 비해 크기는 수배 더 작고, 10~100배 더 빠른 스위칭 속도를 제공한다. 두 제품 모두 다음과 같은 광범위한 최신 자동차 애플리케이션을 위해 설계되었다. 

-LiDAR
-48V~12V DC-DC 컨버터
- 고휘도 헤드램프
-초고 충실도의 인포테인먼트 시스템


AEC-Q101 테스트를 통과하기 위해 이러한 eGaN FET는 H3TRB(Humidity Testing with Bias), HTRB(High Temperature Reverse Bias), HTGB(High Temperature Gate Bias), TC(Temperature Cycling) 등을 비롯한 엄격한 환경 및 바이어스 스트레스 테스트뿐만 아니라 몇 가지 다른 테스트를 거쳐야 했다.

이러한 WLCS(Wafer Level Chip-Scale) 디바이스가 기존의 패키지 부품에 적용되는 모든 동일한 테스트 표준을 통과함에 따라 칩 스케일 패키징의 우수한 성능이 견고성이나 신뢰성을 저하시키지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 부품은 자동차 품질관리 시스템 표준(Automotive Quality Management System Standard) IATF 16949 인증을 받은 설비에서 생산된다. 

결론: 자동차에 도입되고 있는 eGaN 기술

자동차 전자장치는 이제 EPC2202 및 EPC2203이 AEC-Q101 인증 테스트를 통과함에 따라 eGaN 디바이스의 뛰어난 효율과 속도, 소형 및 낮은 비용의 이점을 최대한 활용할 수 있게 되었다. 2018년까지 여러 80V 부품들의 인증 절차가 진행되어 왔기 문에 성능 범위는 더 높은 전류 영역으로 확대될 것이다. 


이 글은 지난 2018년 5월 Bodo's Power Systems 웹사이트에 게재된 것이다. eGaN 기술 및 자동차용 EPC GaN 솔루션에 대한 추가 정보는 해당 링크(https://www.bodospower.com/default.aspx)를 통해 확인할 수 있다.


참고문헌:
1. A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Second Edition, Wiley, 2014.
2. R. Cortland, “Gallium Nitride Power Transistors Priced Cheaper Than Silicon,” IEEE Spectrum, 8 May 2015




 

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