[기고] 차세대 산업용 전원 솔루션 구현, 왜 GaN FET인가
  • 2021-04-06
  • 글 / 아리아나 라자비(Arianna Rajabi)/ TI 제품 마케팅 매니저


GaN은 업계의 판도를 바꾸는 전력 전자 장치 기술이면서도 철저한 프로세스와 재료 공학 기술을 요구한다. 이를 위해서는 우수한 품질의 GaN 크리스탈을 늘리고, 유전체막을 최적화하며, 제조 프로세스에서 매우 깔끔한 인터페이스를 달성해야 한다.

물리학이 실리콘 디바이스 기술을 따라잡았다. 전통적인 전원 공급 장치인 금속 산화막 반도체 전계효과 트렌지스터(MOSFET)와 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)의 경우 전력 밀도를 높이려면 효율성, 폼 팩터 및 열 방출에 대한 절충이 필요하다.

그러나 질화 갈륨(GaN) 반도체는 전력 전자 장치를 보다 더 빠르게 처리하고, 점차 늘어나는 고전압 애플리케이션에 더 효율적으로 전력을 공급할 수 있다. GaN은 뛰어난 스위칭 능력을 갖추고 있어, 아래 그림 1과 같이 더 적은 수의 부품으로 더 많은 전력을 더 효율적으로 변환할 수 있다.



GaN 반도체는 5G 텔레콤 정류기와 서버 컴퓨팅 같은 AC/DC 전력 공급 애플리케이션에서 새로운 유형의 전력 공급 및 변환 시스템을 구현한다. GaN은 새로운 애플리케이션의 경계를 넓혀가고 있으며, 자동차, 산업 및 재생 가능 에너지 시장의 기존 실리콘 기반 전원 솔루션을 대체하기 시작하고 있다.

GaN FET: 새로운 통합의 장

대규모 데이터 센터, 엔터프라이즈 서버, 텔레콤 스위칭 센터는 많은 양의 전력을 소모한다. 이러한 전력 시스템에서 FET은 다른 처리 기술을 사용하여 기생 인덕턴스를 추가로 생성하기 때문에 일반적으로 게이트 드라이버와 별도로 패키징되어 있다.

여기에 대형 폼 팩터까지 가세하면 GaN 스위칭 성능을 높은 슬루율로 제한할 수 있다. 반면, LMG3425R030과 같이 통합 게이트 드라이버가 장착된 TI GaN FET은 개별 GaN FET에 비해 66% 더 낮은 손실 및 전자기 간섭(EMI)을 제공하면서도, 150V/ns의 슬루율로 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있다.

TI의 새로운 GaN FET은 데이터 센터와 서버팜에서 토템 폴 PFC(역률 보정)와 같이 더 간소화된 기술을 구현해 변환 손실을 줄이고, 열 설계가 간소화하며, 히트 싱크를 감소시킨다. 이 디바이스는 99%의 효율을 달성하면서도 동일 사이즈의 1U 랙 서버에서 실리콘 MOSFET보다 2배 높은 전력 밀도를 제공한다.

전력 밀도와 효율성에 따른 이러한 비용 절감은 특히 장기적 영향을 고려할 때 중요하다. 예를 들어 GaN 디바이스를 설치하여 서버 팜의 AC/DC 효율을 매달 3% 높인다고 가정해 보면, 이 서버 팜에서 매일 30kW의 전력을 변환할 경우 한 달에 27kW 이상 절약할 수 있으며 이는 어림잡아 매월 2,000달러, 연간 24,000달러의 절감에 해당한다.

GaN FET에 전류 제한 및 과열 감지 기능을 통합하면 슛스루(shoot-through) 및 열 폭주 현상을 방지할 수 있다. 또한 시스템 인터페이스 신호는 자체 모니터링 기능을 구현한다.

안정성은 전력 전자 장치에서 중요한 요소다. 따라서 기존의 캐스케이드 및 독립형 GaN FET과 비교할 때 고집적 GaN 디바이스는 기능 및 보호 장치를 통합하여 고전압 전원 공급 장치의 안정성을 더 효과적으로 높이고 성능을 최적화할 수 있다.

외장 드라이버를 사용하면 기생 인덕턴스가 높은 GaN 주파수에서 스위칭 손실은 물론 링잉 및 안정성 문제를 초래할 수 있다. 공통 소스 인덕턴스는 턴온 손실을 크게 증가시킨다. 또한, 견고한 과전류 보호 회로를 높은 슬루율로 설계하려면 어렵고 비용이 많이 든다. 하지만 GaN은 자연적으로 바디 다이오드가 부족하여 스위치 노드의 링잉을 줄이고 역복구 손실을 감소시킨다.



보호 기능을 갖춘 GaN 디바이스


GaN 디바이스는 실리콘 디바이스와 구조가 매우 상이하다. 더 빠르고 강하게 스위칭할 수 있지만 성능과 안정성 관점에서 해결해야 할 고유한 문제가 있다. 또한, 개별 GaN 디바이스를 사용할 경우 설계 간소화와 BOM 비용 같은 문제도 있다.

새로운 산업용 600V GaN 디바이스 제품군은 100W 미만부터 10kW에 이르는 애플리케이션에 단일 칩 솔루션을 제공하기 위해 30mΩ 및 50mΩ 전력단에서 GaN FET, 드라이버, 보호 기능을 통합했다. LMG3422R030, LMG3425R030, LMG3422R050 및 LMG3425R050 GaN 디바이스는 높은 전력 밀도와 높은 효율의 애플리케이션을 위해 만들어졌다.

실리콘 MOSFET과 달리 GaN은 제3 사분면에서 “다이오드와 비슷한” 방식으로 동작하고 전압 강하를 낮추어 데드 타임을 최소화한다. 따라서, TI의 이상적인 다이오드 모드는 전력 공급 애플리케이션에서 손실을 더욱 최소화한다. 애플리케이션 노트 “이상적인 다이오드 모드를 통해 GaN의 성능 극대화하기”에서 자세한 내용을 확인할 수 있다.

새로운 GaN 디바이스는 가속 테스트와 애플리케이션 내 하드 스위치 테스트를 비롯한 4,000만 시간의 디바이스 안정성 테스트를 통과했다. 안정성 테스트는 최대 전력, 전압 및 온도 환경에서 고가속 스위칭 조건으로 진행되었다.

마무리

스위칭 전원 공급 장치 설계자는 효율을 높이는 한편 전력 밀도를 끌어올리기 위해 끊임없이 노력한다. 실리콘 MOSFET과 IGBT는 낮은 전력 밀도와 효율을 제공하고, 실리콘 카바이드(SiC) 디바이스는 더 높은 전력 밀도와 효율을 제공하는데 더 많은 비용이 필요하다.

GaN 디바이스는 동급 최강의 슈퍼정션 FET보다 전력 밀도가 2배나 높은 솔루션을 구현한다. 또한, 서버와 텔레콤 애플리케이션의 전원 공급 장치에 대해 매우 높은 효율을 요구하는 80 Plus 티타늄과 같은 표준 요건까지 충족한다.

GaN은 업계의 판도를 바꾸는 전력 전자 장치 기술이면서도 철저한 프로세스와 재료 공학 기술을 요구한다. 이를 위해서는 우수한 품질의 GaN 크리스탈을 늘리고, 유전체막을 최적화하며, 제조 프로세스에서 매우 깔끔한 인터페이스를 달성해야 한다. 숙련된 테스트와 패키징도 필수 조건이다.
 

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