전력 반도체용으로 갈륨 나이트라이드(GaN)의 이점
글/Andrea Bricconi, Head of Business Development Automotive GaN,
Wei Deng, Senior Product Marketing Manager, High Voltage GaN, 인피니언 테크놀로지스
- 효율과 전력 밀도 향상, 비용은 절감
전력 반도체로 와이드 밴드갭 소재의 필요성
전력 반도체가 사용되는 모든 분야들로 공통적으로 갈수록 더 높은 전력 밀도, 더 소형화된 크기, 더 가벼운 무게, 비용 절감이 요구된다. 에너지 비용이 상승한다는 것이 주된 요인이며, 규제 기관이나 표준 규격에서 점점 더 낮은 전력대로 갈수록 더 높은 효율을 요구하고 있다. 휴대기기부터 자동차에 이르기까지 점점 더 많은 애플리케이션이 배터리로 작동되고 있으며, 배터리로 한정된 전력을 더 오랫동안 사용하기 위해서 효율을 높이는 것이 요구된다.
수년 전부터 엔지니어들은 자신의 디자인으로 계속해서 더 높은 효율을 짜내기 위해서 기존의 실리콘 기반 반도체를 사용해서 회로 디자인을 향상시킬 수 있는 방법을 끊임 없이 모색해 왔다. 이렇게 해서 확실히 어느 정도 성과를 거두기는 했으나, 이러한 노력도 한계에 다다르고 있다. 이에 엔지니어들은 효율을 높일 수 있는 새로운 방법들을 찾아 왔다. 반도체 전력 소자가 시작된 이후로 실리콘(Si)은 전력용 반도체에 주로 사용되어온 소재이다. 그런데 이제 이 시장으로 실리콘 카바이드(SiC)나 갈륨 나이트라이드(GaN)처럼 전력 반도체 용으로 잠재력이 높은 새로운 세대의 와이드 밴드갭 소재가 등장하고 있다.
주요 반도체 회사들이 자사의 전력 반도체 제품 용으로 와이드 밴드갭 소재를 검토하고 있다. 그리고 이 방면에서 앞서 있는 회사가 인피니언 테크놀로지스이다. 인피니언은 현재로서 Si MOSFET 및 IGBT, SiC, GaN 제품을 모두 제공하는 유일한 회사이다.
인피니언은 10년도 전에 이미 GaN 기술을 선도하는 회사가 되겠다는 목표에 따라 움직여 왔으며, 2015년에 International Rectifier를 성공적으로 인수하면서 더 힘을 받게 되었다. 같은 해에 인피니언은 Panasonic의 ‘normally-off’ 방식 트랜지스터에 인피니언의 SMD 패키지를 적용한 GaN 디바이스를 공동으로 개발한다고 발표했다. 그리고 2019년 상반기에 자체 생산 400V 및 600V GaN 제품을 추가할 계획이다. 그럼으로써 시장 입지를 더욱 확고히 하게 되었다.
와이드 밴드갭 소재의 이점
실리콘 카바이드(SiC)는 밴드갭이 3eV이므로 파괴 전계 강도가 Si보다 훨씬 강하다. 또한 SiC는 열 전도율이 훨씬 우수하다. SiC는 높은 파괴 전계 강도로 고주파수로 동작하는 고전력 애플리케이션에 주로 사용된다. 실리콘과 비교해서 SiC는 온도에 따른 디바이스 파라미터 변화가 훨씬 덜하다. 그러므로 디자이너들이 자신의 디자인으로 더 낮은 마진을 사용할 수 있으며 추가적인 성능 향상을 이룰 수 있다.
인피니언의 CoolGaN™에 사용되는 것과 같은 GaN은 SiC보다도 밴드갭이 더 높고(3.4eV) 전자 이동도가 훨씬 더 높다. 실리콘과 비교해서는 파괴 전계 강도가 10배 더 높으며 전자 이동도는 두 배이다. 그러므로 Si 수퍼정션 트랜지스터보다 출력 전하와 게이트 전하가 10배 더 낮고 역 복구 전하는 거의 0인 전력 반도체가 가능해진다. 게이트 전하가 SiC 디바이스와 비교해서 10배까지 더 낮으므로 GaN은 고주파수 동작에 선호된다.
GaN은 거의 손실 0으로 스위칭할 수 있으므로 매 사이클 시에 발생되는 스위칭 손실을 낮춘다. 그러므로 온 저항(RDS(on))이 극히 낮은 부품들을 사용할 수 있으며, 디바이스 내에서 정적 손실과 열 발생을 줄인다. 이것은 특히 대략 10MHz에 이르기까지 높은 스위칭 주파수로 동작하는 전력시스템 용으로 중요한 점이다. 또한 GaN은 최신 공진 토폴로지 용으로 유리하며, 새로운 토폴로지와 전류 변조 방식을 가능하게 한다.
[그림 1] GaN 기술은 최대의 스위칭 속도를 필요로 하는 중전력대 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
최종 애플리케이션 관점에서는, GaN을 사용해서 정적 손실과 스위칭 손실을 낮춤으로써 디자인을 더 작고 가볍게 만들 수 있다. 스위칭 소자 자체를 더 작게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 부차적으로 히트싱크나 팬 같은 열 관리 부품을 훨씬 더 작은 것을 사용할 수 있기 때문이다. 그러므로 크기와 무게를 줄일 뿐만 아니라(전력 밀도 향상) BOM 비용을 줄임으로써 시스템 비용을 낮출 수 있다. 또한 데이터 센터처럼 전력 또는 프로세서 집중적인 애플리케이션에서는 에어 컨디셔닝에 필요한 조달 비용과 운영 비용을 절감할 수 있다. 궁극적으로 효율을 높임으로써 치솟는 에너지 비용에 직면한 최종 사용자들이 운영 비용(OPEX)을 절감할 수 있다.
중요도 높은 애플리케이션에서는 신뢰성이 무엇보다도 중요한 요구이며, 신뢰성이 떨어진다는 것은 새로운 기술을 도입하는 데 있어서 큰 걸림돌이 된다. 인피니언의 CoolGaN™은 현재 시중에서 신뢰성이 가장 우수하고 가장 높이 평가 받는 GaN 솔루션으로서, 1Fit 미만의 고장률로 예상 수명은 15년 이상이다.
정확한 수명 예측을 위해서 인피니언은 예상 프로파일, 애플리케이션의 품질 요구, 제품 개발 시에 수집된 신뢰성 데이터, 노후화 모델의 4가지 요소를 기반으로 한 체계적이며 정확한 검증 플랜을 개발했다.
검증된 모델, 제품별 인풋, 고객의 품질 목표와 애플리케이션 환경에 대한 깊이 있는 이해를 바탕으로 한 상세한 모델링을 사용해서 인피니언의 CoolGaN™ 제품은 다양한 산업용 및 컨슈머 애플리케이션 용으로 통상적인 반도체 디바이스 수명을 훨씬 뛰어넘는 제품 수명을 제공한다.
[그림 2] 인피니언의 상세한 모델링은 GaN 디바이스의 수명을 정확하게 예측할 수 있다.
GaN 애플리케이션
CoolGaN™은 전력 관리 또는 변환을 필요로 하는 다양한 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 특히 높은 수준의 성능을 필요로 하거나 기술적 및 비용적 이유에서 Si이나 SiC는 적합하지 않은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
예를 들어서 데이터 센터에서는 공간이 항상 중요한 문제이며 사업자들이 한정된 공간으로 되도록 높은 성능을 끌어내려고 함에 따라서 CoolGaN™이 낮은 손실로 최대한 높은 성능을 제공함으로써 진가를 발휘할 수 있다. 시스템 자체로나 빌딩 내에서나 냉각 요구를 줄일 수 있으므로 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다. 그러므로 GaN 기반 전원장치는 동일한 공간으로 더 높은 컴퓨팅 성능을 탑재할 수 있다. 텔레콤 분야에서는 원격 기지국 유지보수를 위해서 전원장치의 크기와 무게가 중요한 문제이기 때문에 이 분야 역시도 CoolGaN™을 사용하는 것이 유리하다.
GaN은 또 저전력 애플리케이션에도 사용될 것이다. 무선 충전이 그러한 한 애플리케이션이다. 높은 전력 밀도로 낮은 온도로 동작할 수 있어야 충전 트랜스미터를 좁은 공간에다 용이하게 집어넣을 수 있다. 랩탑 및 노트북 제조사들은 계속해서 더 작고 휴대하기 편리한 모델들을 개발하고 있는데, 그에 비해서 어댑터/충전기는 상대적으로 크기가 커 보인다. CoolGaN™을 사용함으로써 이와 같은 까다로운 애플리케이션의 요구를 충족할 수 있다.
앞으로 CoolGaN™은 점점 더 많은 애플리케이션에 사용될 것이다. 인피니언은 태양광 에너지, 산업용 전력, 컴퓨팅, 가전기기를 비롯해서 CoolGaN™을 사용해서 경쟁 우위를 높일 수 있는 다양한 분야들을 시험하고 있다. 빠르게 성장하는 자동차 시장에서도 전기차의 온보드 차저(OBC), HV 및 48V DCDC 같은 주요 기능들로 GaN의 사용이 점차적으로 늘어날 것이다. GaN은 자율 자동차의 주요 기능(라이다 등)에도 사용될 것이다. 인피니언은 특히 자동차 분야와 관련해서 자동차 등급 디바이스 및 솔루션 용으로 품질 요건을 충족하기 위해서 애쓰고 있다.
[그림 3] GaN 기술은 이점이 확실한 애플리케이션 분야들에 먼저 도입될 것이다.
CoolGaN™의 미래
앞으로 GaN을 기반으로 더 많은 디바이스들이 시장에 등장할 것이다. 인피니언은 이 시장에서의 지위를 확고히 하기 위해서 400V 및 600V e-mode CoolGaN™ HEMT 및 Si 기반 게이트 드라이버 IC를 출시할 예정이다. 첫 제품들로서 RDS(on)이 최저 70mΩ에 이르고 인피니언의 TO-리드리스(TOLL) 패키지와 상단면 및 하단면 냉각 방식의 DSO-20 패키지 같은 열 향상 패키지를 적용한 스위치 제품들을 포함한다.
맺음말
전력 시스템의 성능을 한 차원 향상시키기 위해서는 접근법에 있어서 근본적인 변화가 필요하게 되었다. 기존의 실리콘 기반 기술을 사용해서는 성능 향상을 이루기가 한계에 다다르고 있다. GaN 기술을 사용함으로써 합리적인 가격대로 시스템 비용을 낮추면서 높은 속도와 낮은 손실을 달성하고자 하는 상충적인 요구들을 충족할 수 있다.
인피니언은 전력 반도체 시장에서 확고한 위치를 차지하고 있으며 Si, SiC, GaN 기술을 모두 제공하는 유일한 회사이다. 또 조만간 400V 및 600V CoolGaN 제품을 추가함으로써 시장에서의 입지를 더욱 강화하게 되었다. 이들 제품을 사용함으로써 디자이너들이 컴팩트한 고성능 전력 시스템을 좀더 수월하게 설계할 수 있다.
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