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GaN 대 실리콘 맞대결

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어떤 신기술이 티핑 포인트를 넘었는지 알 수 있는 한 가지 방법은 기존의 것을 고수하려는 목소리가 얼마나 큰가를 보는 것이다. 기술이 빠르게 변화하는 과도기적인 시점에 낡은 정보에 기댄 보수적인 목소리는 나중에 가서 잘못된 결정으로 판명될 수 있다.

글/Alex Lidow, CEO and Co-founder, Efficient Power Conversion

GaN 전력 디바이스가 지난 2년 사이에 티핑 포인트를 넘은 것으로 보인다. 이 기간에 GaN 기반 디자인은 전년 대비 두 배의 속도로 증가했으며, 기존 기술인 MOSFET 디자인은 용도에 따라서 세분화되기는 했으나 유연성이 떨어지는 공급 사슬 때문에 심각한 공급 부족 사태에 직면했다. 이에 비해서 GaN 디바이스는 기존 실리콘 파운드리를 활용한 비교적 유연한 공급 사슬 덕분에 대다수 주요 유통판매 업체들을 통해서 재고를 유지하고 있으며, 파운드리 업체들에게 새로운 활기를 불어넣고 있다. 이 글에서는 GaN과 실리콘의 맞대결에 있어서 몇 가지 잘못 알려진 점들을 바로잡고자 한다.

가격과 비용

지난 몇 년 사이에 낮은 전압대로 GaN 디바이스 가격이 실리콘 MOSFET에 맞먹는 수준으로 떨어졌다. 그림 1은 비슷한 온 저항 값으로 Efficient Power Conversion의 100V GaN 트랜지스터와 경쟁사 MOSFET의 가격을 비교해서 보여준다. 이 데이터는 2022년 2월 것으로서, 유통판매 업체들의 중간수량 가격 데이터를 사용했다. GaN 디바이스가 가격이 가장 싼 것도 아니지만 그렇다고 가장 비싼 것도 아니라는 것을 알 수 있다. 또 한 가지 짚고 넘어갈 점은, 이 비교는 GaN 트랜지스터가 실리콘 디바이스보다 10배 더 빠르고 크기가 10배 더 작으며 그러므로 가격 대비 훨씬 더 높은 가치를 제공한다는 점을 무시하고 있다는 것이다.

[그림 1] 비슷한 온 저항 값으로 100V GaN 트랜지스터와 Si MOSFET의 시장 가격 비교

열 효율

GaN 트랜지스터는 실리콘 MOSFET보다 크기가 훨씬 작다. 이 크기 차이는 제조 비용을 낮추도록 하고 더 빠른 스위칭을 가능하게 한다. 크기가 줄어들면 열을 빼내기가 어려워지지 않겠느냐고 질문할 수 있다. 이에 대한 대답은 두 측면에서 할 수 있다. (1) GaN 디바이스는 전도 손실과 스위칭 손실을 낮추므로 더 적은 열을 발생시키고, (2) GaN 디바이스는 열적으로 극히 효율적이도록 설계되었다. 이 두 번째 점에 대한 증거로서 그림 2에서는 널리 사용되는 대표적인 MOSFET과 Efficient Power Conversion의 eGaN® FET을 비교해서 보여준다. 맨 오른쪽 것을 포함해서 모든 eGaN 디바이스가 6배에서 10배까지 더 작은 크기로 접합부 대 히트싱크 열 저항이 훨씬 낮다는 것을 알 수 있다.

[그림 2] 비슷한 온 저항으로 80~100V GaN과 MOSFET 디바이스 비교. eGaN FET이 훨씬 더 작은 크기에도 불구하고 열적으로 훨씬 더 효율적이라는 것을 알 수 있다. 

높은 집적도

GaN-on-Si 기술의 장점 중의 하나는 단일 칩으로 다중의 고전압 전력 디바이스를 집적할 수 있다는 것이다. 그럼으로써 그림 3에서 보는 것과 같은 모노리딕 전원 스테이지 제품을 가능하게 한다. 이 디바이스는 기본적인 기능에 있어서 Si 기반 저전압 멀티칩 DrMOS와 동일한데, 더 높은 전류와 전압이 가능하고 열 특성이 더 우수하다. 모노리딕 집적의 이점을 보여주기 위해서 그림 4에서는 그림 3의 모노리딕 칩(녹색 선)과 동급의 디스크리트 GaN 트랜지스터(파란색 선)를 사용한 48V~12V 벅 컨버터의 효율을 비교해서 보여준다. PCB 상으로 다중의 디스크리트 부품을 조립할 때 불가피하게 발생되는 공통 소스, 게이트 루프, 전원 루프 기생 인덕턴스를 거의 제거함으로써 추가적인 효율 향상을 이루고 있다. 이 그래프에서 검정색 ‘X’로 표시된 것은 최신 MOSFET을 사용할 때의 효율이다.

[그림 3] EPC2152는 모노리딕 전원 스테이지 디바이스이다. 왼쪽은 블록 다이어그램이고, 오른쪽은 10mm2 GaN 칩 모습을 볼 수 있다.

[그림 4] 48V - 12V 벅 컨버터로 모노리딕 EPC2152를 사용할 때와 GaN 디스크리트 디바이스에 실리콘 드라이버 IC를 사용할 때의 효율 비교. EPC2152를 사용한 솔루션이 크기가 35% 더 작고 효율이 더 높다. MOSFET 기반 벅 컨버터는 효율이 훨씬 더 낮다.

효율과 전력 밀도

효율이 높은 것은 시스템 전력 밀도를 높이는 것으로 이어진다. 48V 컨버터로 GaN 전력 디바이스를 사용해서 최대의 전력 밀도를 달성하게 되었다. 그림 5는 지난 7년에 걸쳐서 48V~12V 컨버터로 전력 밀도가 어떻게 향상되었는지 보여준다. 최신 GaN을 사용해서 5,000W/in3을 넘는 전력 밀도를 달성하게 되었다. GaN을 도입하기 전에 MOSFET 기반 컨버터는 350W/in3에 불과했다.

[그림 5] 2015년 이후로 48V - 12V DC-DC 컨버터의 벤치마크 전력 밀도가 8배 가까이 향상되었다.

브러쉬리스 DC(BLDC) 모터 드라이브가 GaN의 우수한 특성을 활용해서 전력 밀도를 높일 수 있는 또 다른 예이다. 이 애플리케이션의 경우에는 향상 모드 GaN 트랜지스터로 역 복구 전하(QRR)를 제거함으로써 모터 드라이브로 데드타임을 크게 줄이고 훨씬 더 높은 동작 주파수를 가능하게 한다. 그림 6은 20kHz 500ns 데드타임 BLDC 드라이브와 100kHz 14ns 데드타임 드라이브를 비교해서 보여준다. 두 모터 드라이브 모두 5ARMS와 400 RPM으로 동작하는데, GaN 기반 드라이브는 그림 3에서 본 IC 3개와 간단한 마이크로컨트롤러만을 사용해서 부품 수를 최소화한 모터 드라이브를 달성한다. 놀랍게도 100kHz 드라이브가 거의 비슷한 인버터 효율로 모터 샤프트로 10% 더 높은 토크를 제공한다. 그러므로 전기자전거로 10% 더 긴 주행 거리를 가능하게 한다. 이것은 MOSFET 다이오드 회복을 위해서 필요로 하는 긴 데드타임으로 인한 6차 고조파 신호를 제거하기 때문이다. 이 고조파 성분은 상당한 음향적 소음을 일으키고 모터로 상쇄적인 힘을 발생시킨다. 뿐만 아니라 더 높은 주파수로 동작함으로써 EMI를 줄이고 디자이너가 전해 커패시터 대신에 세라믹 커패시터를 사용할 수 있도록 한다. 시스템 크기를 소형화함으로써 전체적인 드라이브를 모터 하우징으로 더 손쉽게 통합할 수 있다. 이 점이 비용과 EMI를 더 줄이도록 한다.

[그림 6] 3개 EPC2152 GaN 전원 스테이지 IC를 사용한 100kHz BLDC 모터 드라이브는 20kHz로 동작하는 MOSFET 기반 인버터에 비해서 시스템 효율을 10% 향상시키고 크기는 절반으로 줄인다.

계속되는 진보

GaN 전력 디바이스가 양산에 들어간 지는 12년이 넘는데, 이 기술이 이론적 한계까지 도달하려면 아직도 한참 남았다. 최신 세대의 GaN 트랜지스터 기술은 결정이 물리적으로 가능한 한계에 비해서 여전히 300배나 더 크다. 이것은 다시 말해서 GaN 기술이 성능과 비용 측면에서 향상의 여지가 많이 남았다는 뜻이다. 이에 비해서 성숙한 기술인 실리콘 MOSFET은 몇 년 전에 벌써 실리콘 결정의 한계에 도달하고 있다. GaN 디바이스가 스마트폰 급속 충전기, 전기자전거 모터 드라이브, 차량과 로봇 라이다 시스템 같은 대량 애플리케이션에 점점 더 많이 사용되고 있다. GaN 기반 전원 변환은 앞으로도 계속해서 진보를 이어갈 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
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