GaN 기반 소자를 사용한 전력전자의 최고의 혁신 가능성은 바로 통합 분야에 있다. GaN HEMT는 고유의 통합 역량을 갖추고 있기 때문에 높은 성능, 비용, 신뢰성을 제공하며, 새로운 기능을 구현하고 만족시키는 흥미진진하고 위대한 도약이 아닐 수 없다.

파나소닉이나 인터내셔널 랙티파이어(International Rectifier, IR) 등 몇몇 업체들이 전력전자 시장에 600 V급 질화갈륨(GaN) 소자가 곧 출시될 것임을 예고했다. 이는 모터 드라이브용 인버터가 실리콘(Si) 기반에서 GaN 기반으로 전환에 따른 결과에 상당한 관심을 불러일으켰다. 역회복 전하(reverse recovery charge, Qrr)의 크기 감소, 높은 전류 제어 역량, 주어진 소자의 활성화 구간에서의 낮은 저항과 같은 GaN 기반 HEMT의 고유 장점은 각종 기기와 전기차 구동과 같은 실제 사용 환경에서 전력 손실을 감소시켜 주는 역할을 하는 것으로 이미 잘 알려져 있다.

GaN 기반 HEMT의 선형 I-V 패턴은 가벼운 부하 조건에서 특히 유리하다. 반면 Si 기반 바이폴라 소자는 가벼운 부하 조건에서 상당한 오버헤드가 발생하면 큰 전력 손실을 초래한다. 이와 같은 애플리케이션에서 인버터 밀도가 전기차 시스템에서는 2~3배, 모터 드라이브 환경에서는 10배 이상 향상된다.

이러한 압도적인 장점에도 불구하고 실제 적용률은 전력전자 시스템 공급업체의 디자인 주기(보통 2~4년)에 의해 결정된다.
최근 출시되고 있는 전형적인 오프라인 모터 드라이브 회로 안에 있는 스위치 기능은 실리콘 기반의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구현된다. 실리콘 기반 단극 MOSFET과 비교해 높은 로드에서 낮은 저항을 구현하는 같은 바이폴라 효과는 스위칭 기기에서 현실적으로 사용되기에는 너무 높은 Qrr을 부여한다. 모터 드라이브 기기는 모터 권선과 같은 인덕티브 로드로부터 나오는 백(Back) EMF 유도 전류를 위한 재순환 경로를 필요로 하기 때문에 관련 스위치가 꺼져 있을 때 외부 다이오드는 보통 IGBT와 함께 패키징되어 있다.



다이오드는 보통 IGBT 스위치 다이 사이즈의 절반 정도 크기이며, 패키징된 솔루션의 크기에 확실히 기여한다. 또한 재순환 다이오드의 큰 역회복 전하 특성은 엄청난 노이즈를 야기하며, 스위칭 회로의 전력 손실에 기여하게 된다. 최근 실리콘카바이드(SiC) 기반 다이오드를 사용해 이러한 역회복 전하 특성을 제거해 보려 했으나, 솔루션의 비용 문제로 인해 실질적으로 불가능한 상황이다.

IGBT 기반 솔루션의 특성은 바로 바이폴라 트랜지스터가 스위치 전체에 큰 전압 강하(예를 들어 몇 백 밀리암페어의 가벼운 로드 전류에도 1 V 이상의 전압 강하)를 걸 수 있는 잠재적 가능성이 있다는 점이다. 냉장고 컴프레서와 같은 많은 모터 드라이브 기기는 대부분의 시간을 로드가 가벼운 상태로 보내기 때문에, 이러한 기기에서 에너지 효율성을 달성하는데 상당한 영향을 미친다.

또한 최첨단 IGBT는 수직 채널 소자이기 때문에 통합이 비현실적이다. 이로 인해 낮은 전력 모터 드라이브 기기를 위한 IGBT 기반 솔루션은 적용하기에 비교적 크기가 크고 비용이 많이 든다. 모든 단점은 비용적으로 실현 가능한 GaN 기반 전력 소자를 모터 드라이브 기기 스위치로 사용함으로써 쟁점으로 다루어진다.

인터내셔널 랙티파이어 GaNpowIR짋기술 기반의 캐스코드된 GaN HEMT와 같은 비용적으로 실현 가능한 GaN 기반 전력 소자는 최첨단 실리콘 기반 IGBT와 비교했을 때 성능 대비 우수한 비용 우위를 갖추고 있다. 재순환 기능은 고전압 GaN 기반 HEMT로 캐스코드된 저전압 실리콘 FET의 바디 다이오드에 의해 제공된다. 저전압 다이오드는 IGBT를 사용한 고전압 다이오드의 역회복 전하의 약 10% 정도만 보여준다.

이러한 성능은 더 깨끗한 스위칭 파형을 구현하며, 회로 노이즈를 감소시켜 주는 역할을 한다. 또한 캐스코드된 LV FET는 GaN 기반 HEMT 대비 약 10%나 작기 때문에 공간 활용도가 높으며 비용 절감 효과도 있다. 현 1세대 GaN 기반의 캐스코드된 스위치의 온-저항은 최첨단 6, 7세대 실리콘 기반 IGBT 보다 활성 영역별로 2~3배가 작다. 또한 캐스코드된 GaN 기반 스위치는 활성 영역( ＞ 900 A/cm-2)별로 현 밀도 대비 두 배 이상을 처리할 수 있다. 이로 인해 최대 전력의 특정 기기에 필요한 GaN 기반 스위치의 다이 크기는 상당히 줄어들 수 있다.

또한 특정 고유 다이 크기나 패키지 크기에 대해 처리 가능한 최대 전력은 GaN 기반 스위치를 사용할 때 더욱 극대화될 수 있다. 더욱 놀라운 것은, GaN 기반 소자의 단극성은 로드가 가벼운 상황 동안 출력 특성을 선형이 되도록 만든다(그림 1과 같이 바이폴라 소자의 잠재적 오버헤드 역량과는 반대의 경우).



낮은 온상태(on-state) 순방향 전압 강하와 동시에 큰 폭으로 줄어드는 스위칭 전하(switching charge)의 조합은 전력 처리 성능을 3~4배 개선시켜 준다(그림 2에서 보여주는 것과 같이 감소된 전도 손실*스위칭 손실의 형태). 소자의 이러한 향상된 성능은 모터 드라이브 인버터 사용 환경에서 높은 효율성을 보여준다. 그림 3이 보여주듯, 모터 드라이브 인버터와 관련 있는 전력 손실은 전형적인 기기 사용 환경에서는 공칭 400 W이며, 이는 IR의 600 V급 GaNpowIR짋 소자와 최첨단 실리콘 기반 트렌치 IGBT을 비교했을 때 3배 이상 전력 손실이 감소된 수치이다.

특히 소자의 물리적 예측을 통해 가벼운 로드 상황에서 효율성은 극대화된다. 또한 그림 4에 제시된 바와 같이, GaN 기반 솔루션의 밀도는 실리콘 솔루션 대비 10배나 높다. 가장 인상적인 사실은 GaN 기반 솔루션은 실리콘 기반 솔루션과는 다르게 히트싱크가 필요 없으므로 실제 밀도 장점을 100배까지 높여준다.

인상적인 사실은 실리콘 기반 IGBT 기술이 GaN 기반 전력 소자 기술보다 더욱 잘 구축되어 있고 성숙한 데 비해, 비교적 미성숙한 GaN 기반 전력 소자 기술이 우월한 결과를 보여주고 있다는 것이다. 미래 엔지니어링 기술은 GaN 기반 기술을 물리적으로 달성 가능한 성능까지 끌어 올려줄 것으로 예상되며, 10년 이내 약 10배 이상의 향상을 보여줄 것으로 내다보고 있다. 미래 전력전자 시스템에 이러한 결과가 미칠 수 있는 발전은 무궁하며, GaN 기반 전력전자가 갖고 있는 잠재력의 아주 작은 부분에 해당한다.

혁신의 큰 방향은 바로 GaN 기반 전력 소자와 관련 있는 고유 장점과 역량을 완벽히 활용하여 새로운 회로 토폴로지를 개발함에 있으며, 이전에 논의된 부분은 실리콘 기반 스위치만을 위해 디자인된 회로에 GaN 기반 소자를 단순히 적용하는 것이었다. 이러한 토폴로지 변경의 예는 하프 브리지와 페이즈 레그(phase leg)의 교체이며, 매트릭스 컨버터의 3 스위치 접근법을 통해 모터 드라이브에 IGBT를 사용하는 방식이다. 매트릭스 컨버터 토폴로지의 장점은 지난 20여 년간 아주 깊이 논의된 바 있으나, 적당한 양방향 전력 스위치의 부족으로 실제 적용은 난항을 겪고 있는 상황이다. GaN 기반 HEMT는 본래 양방향 역량을 갖고 있기 때문에 상용화 가능한 매트릭스 컨버터를 구현할 수 있다.

GaN 기반 소자를 사용한 전력전자의 최고의 혁신 가능성은 바로 통합 분야에 있다. 최첨단 실리콘 기반 전력 소자와는 달리, GaN HEMT는 고유의 통합 역량을 갖추고 있기 때문에 성능, 비용, 신뢰성, 그리고 새로운 기능을 구현하고 만족시키는 흥미진진하고 위대한 도약이 아닐 수 없다.
이러한 압도적인 장점에도 불구하고 실제 적용률은 전력전자 시스템 공급업체의 디자인 주기(보통 2~4년)에 의해 결정된다. 물론 가격 경쟁력이 점차 부각됨에 따라 강력하고 설득력 있는 장점은 디자인의 라이프사이클을 가속화시킬 수도 있다.