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와이드 밴드갭 반도체, 최신 통신 SMPS의 설계 과제를 충족하는 방법

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글/Francesco Di Domenico, 수석 애프리케이션 엔지니어, 인피니언 테크놀로지스

5G 스펙트럼이 전 세계 여러 국가에서 발표되었으며 이미 상용화되어 활용되고 있다. 5G는 넓은 대역폭, 초연결성, 초저지연으로 발전을 가속화하고 우리 삶의 변화를 약속한다.

이러한 5G 네트워크 진화와 더불어 소위 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC) 영역의 발전도 고려해야 한다. MEC는 사물 인터넷(IoT) 서비스, 자율 주행 또는 스마트 제조와 같이 초저지연이 요구되는 애플리케이션 분야를 지원한다. 통신에서 최소 지연을 달성하기 위해 서버는 전통적인 데이터 센터와 클라우드에서 점점 더 무선 액세스 네트워크로 옮겨가고 있으며, 이는 전체 통신 전력 소비를 증가시키는 요인이 된다.

5G 네트워크의 중요성이 커지는 것은 불가피하지만, 당분간 서로 다른 스펙트럼이 공존할 것이다. 첫 번째 단계에서 기존 스펙트럼과 새로운 스펙트럼이 공존하려면 캐비닛의 최적화가 필요하다. 그러나 단순히 기존 캐비닛에 새 전원 공급장치를 추가하는 것은 해결책이 아니다. 이 방법은 새로운 캐비닛을 급증시킬 것이고, 공간 제약과 높은 부지 임대료로 인해 절대 좋은 방법이 될 수 없다.

따라서 통신 사이트는 전원 공급장치를 더 높은 출력 전력과 고효율 및 작은 폼팩터를 갖는 새로운 장치로 대체하는 것으로부터 시작하여 정확하게 다시 설계되어야 한다.

이 글에서는 5G 기술의 요구사항을 기반으로 통신 스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)에 적합한 설계 선택을 제시한다. 높은 효율과 높은 전력 밀도를 동시에 달성하기 위해 일반적인 SMPS 측면과 절충을 고려하여 통신 SMPS 시스템의 신뢰성과 성능에서 와이드 밴드갭 기술이 갖는 역할을 설명할 것이다.

최신 통신 5G 전력 아키텍처의 동향과 과제

5G 시대에 소형 및 초소형 사이트가 점점 더 중요해지면서 핵심적인 구조가 되고 있다. 일반적으로 사이트가 운영되는 열악한 환경은 특히 이러한 시스템을 전원 공급장치의 신뢰성에 민감하게 만든다. 특히 실외 환경에 놓이는 경우 유사한 요구사항이 MEC 시스템에도 영향을 미칠 수 있다.

일반적으로 새로운 사이트 구축 비용은 점점 높아지지만, 가장 중요한 비용은 사이트 유지보수 비용이다. 실제로 오늘날 사이트 유지보수 비용은 모든 모바일 네트워크 사업자(MNO) 총 수익의 2%에서 5%를 차지한다. 반면에 스몰, 마이크로 및 매크로셀의 확산으로 이러한 유지보수 비율이 곧바로 증가할 것으로 예상할 수 있다. 이 때문에 SMPS 신뢰성부터 시작하는 시스템 신뢰성이 MNO, 특히 가장 작은 사업자의 재정 건전성을 지켜주는 ‘필수 요소’임을 쉽게 예측할 수 있다.

위에서 언급한 동향과 과제로부터 5G 인프라에 대해 다음과 같은 세 가지 주요 일반적인 요구사항을 도출할 수 있다.

• 고효율: 높은 효율의 실현은 4G에 비해 높은 전력 소모로 인한 열 발산 및 운영 비용(OPEX)을 줄이는 가장 좋은 방법이다. 

• 기존 인프라의 재사용: 동일한 캐비닛, 케이블링, 연결, 전력 분배 및 시스템 풋프린트를 변경하지 않아야 한다. 이는 상당한 자본 비용(CAPEX) 절감으로 이어진다.

• 운영 유지보수(O/M) 비용 간소화 및 높은 신뢰성: 촘촘한 배치로 O/M 비용이 전체 운영비용에 크게 영향을 미친다.

5G 통신 기지국의 전원 공급장치 요구사항

위에서 언급한 5G 인프라에 대한 요구사항은 최신 세대의 통신 애플리케이션에서 AC-DC SMPS에 요구되는 몇 가지 주요 특징으로 바꾸어 볼 수 있다. 아래의 그림 1은 이러한 특징을 요약한 것이다.

[그림 1] 최신 세대 통신 애플리케이션에서 AC-DC SMPS에 요구되는 주요 특징

전력 밀도는 이전 SMPS와 동일한 폼팩터에서 더 높은 전력을 요구하기 때문이므로 기존 캐비닛을 재사용할 수 있다. 또한 스몰셀 애플리케이션에서와 같이 PSU를 무선 장비에 가깝게 조립할 경우 더 낮은 높이가 필요하다. 모듈화는 일반적으로 전력 밀도, 규모의 경제에 도움이 되며 시장 출시 기간을 단축한다.

실외 설치의 증가하는 사용은 특히 새로운 능동 안테나 시스템(AAS) BTS(base transceiver station)에 유효하다. 실외 설치는 타워 위나 옥상에 전원과 장비를 설치함으로써 타워 바닥의 캐비닛을 제거하므로 부지 임대 비용을 줄여준다. 특히 5G mmWave 시스템에서 무선 장비가 통합된 AC-DC PSU의 요구사항이 증가하기 때문에 이는 스몰셀 애플리케이션에도 적용할 수 있다.

SMPS 효율 곡선에 요구되는 평탄도는 5G 데이터 트래픽이 3G/4G 통신보다 더 고르지 않기 때문이다. 이는 또한 PSU의 더 높은 활용률을 나타내는 신호이므로 전체 부하 효율이 중간 부하 효율만큼 중요하다. 더욱이 전체 부하에서 발생하는 열을 최소화하는 것은 열 관점에서 최악의 동작 조건에서 더 작은 크기의 히트싱크가 필요하다는 것을 의미하므로 높은 전력 밀도를 달성하는 것이기도 하다. 결론적으로 최신 5G 정류기 중심에서 30-100%가 부하 범위이다. 물론 높은 피크 효율(최대 98.5%)은 특히 MEC에서와 같이 kWh 비용이 높은 장소에 설치하는 경우 OPEX를 줄이는 데 핵심이다.

O/M 비용 절감은 요구 수명이 10년 이상이고 MTBF가 1000000시간 이상(Telcordia SR-332 표준)인 SMPS 신뢰성에 명백한 영향을 미친다.

통신 5G SMPS에서 와이드 밴드갭 (WBG) 기술의 역할: 성능 및 신뢰성 측면

위에서 언급한 모든 동향과 요구사항은 전통적으로 ‘통신 정류기’라고도 하는, 통신 5G 애플리케이션을 위한 전원 공급장치의 설계에 많은 영향을 미친다. 다음에서는 CoolSiC™ MOSFET 및 중전압(MV) 및 고전압(HV) CoolGaN™ e-모드 HEMT와 같은 WBG 기술이 어떻게 핵심적인 5G SMPS 요구사항을 충족하는 데 기여하는지 설명한다.

통신 정류기의 성능

이를 위해 첫 번째 중요한 목표는 고효율과 높은 전력 밀도를 동시에 달성하는 것이다. 이 분석은 매크로 기지국을 위한 통신 정류기의 일반 규격을 참조한다(표 1).

[표 1] 매크로 기지국을 위한 통신 정류기의 일반적인 규격

우리의 분석은 SMPS의 일반적인 설계 고려사항을 따라 PFC 디바이스 선택부터 시작하여, 다음으로 고전압(HV) 절연 DC-DC 컨버터 선택, 그리고 마지막으로 2차측 동기 정류를 다룬다.

첨단 통신 정류기에서 고효율과 높은 전력 밀도를 결합하는 가장 좋은 방법은 토템폴과 같은 브리지리스 PFC 스테이지와 2차측에는 FB 또는 센터탭 동기 정류 방식의 LLC 컨버터와 같은 공진 HV DC-DC 스테이지를 사용하는 것이다.

PFC 스테이지

연속 전도 모드(CCM) 토템폴은 브리지리스 PFC 스테이지에서 가장 많이 사용되는 토폴로지이다(그림 2 참조).

[그림 2 HV SiC / GaN 기술에 기반한 CCM 토템폴

이는 다음과 같이 구성된다.

• 고주파 경로(S1 및 S2 디바이스): 여기에는 WBG 디바이스만 사용할 수 있는데, 이 토폴로지에 일반적인 하드 정류의 연속 동작을 견딜 수 있기 때문이다[1],[2]. 

• 저주파 브리지 레그(S3 및 S4 디바이스): 여기에는 매우 낮은 RDS(on)을 갖는 CoolMOS™ 디바이스가 이상적인 선택이다.

삼각 전류 모드(TCM) 제어를 가변 스위칭 주파수와 함께 적용하는 경우에는 CoolMOS™와 같은 Si 초접합(SJ) 디바이스를 토템폴 PFC의 높은 스위칭 주파수 섹션에 사용할 수 있다(그림 3 참조). 이 토폴로지는 부품 수가 많고 제어 복잡성으로 인해 WBG 기반 CCM에 비해 덜 편리하다.

[그림 3] Si / SiC / GaN 기술에 기반한 TCM 토템폴

아래의 그림 4는 동일한 범위의 RDS(on)에서 Cool-GaN™, CoolSiC™(둘 다 CCM) 및 CoolMOS™ SJ(TCM)를 사용하고 유사한 스위칭 주파수에서 실행하여 통신 정류기의 3kW 토템폴 PFC 스테이지의 계산된 효율을 보여준다. 정류기는 공칭 조건(VIN = 230VAC 및 TAMB = 40℃)에서 작동하도록 되어 있다.

[그림 4] 동일한 범위의 RDS(on)에서 CoolGaN™, CoolSiC™ (둘 다 CCM) 및 CoolMOS™ SJ (TCM)를 사용하고 유사한 주파수에서 실행한 통신 정류기의 3kW 토템폴 PFC 스테이지의 계산된 효율

이 그래프는 세 가지 기술 모두 50% 부하에서 99% 이상 효율이 가능하다는 것을 보여준다. CoolGaN™ 기술은 30% 부하 미만에서 SiC 및 Si SJ에 비해 상당한 이점이 있음을 알 수 있다. 이는 [1,3]에서 설명하고 있듯이 GaN 디바이스가 보여주는 최고 성능 지수(FOM) RDS(on)*Qrr, RDS(on)*EOSS, RDS(on)*Qg, 및 RDS(on)*QOSS 때문이다. 5G 통신 정류기에서 더 중점을 두는 부하 범위(30-100%)에서 GaN 및 SiC가 상당히 유사한 효율을 보여주고 있음이 관찰된다. SiC 기반 솔루션에서는 100%에서 더 우수한 평탄도와 일부 이점을 보여준다. 이러한 특성은 최신 통신 정류기에 요구되는 평탄한 효율 곡선에 더 잘 맞는다(그림 1 참조). 이는 주로 그림 5에서 볼 수 있듯이 CoolSiC™ MOSFET 650 V 디바이스가 온도 대비 가장 낮은 증가의 RDS(on)을 보여주기 때문이다.

[그림 5] 다양한 반도체 기술에 대한 온-상태 저항의 온도 의존성 비교

이 특징은 매크로 기지국을 위한 통신 정류기의 TAMB, max가 통상 +75℃임을 고려하면 정류기가 더 높은 TAMB에서 동작할 때 CoolSiC™ 디바이스에 유리하게 더 높은 Δ(효율)을 제공할 수 있다. 실외 애플리케이션(능동 안테나 장치 또는 스몰셀 등)에서는 이 값이 +85℃까지 올라갈 수 있다.

동일한 특징이 CoolSiC™ 디바이스의 일반적인 동작 온도를 최소화하는 데 도움을 준다. 이는 자연 냉각되는 PSU의 동작에 또 다른 이점이며, 열악한 실외 환경에서 장점이 더욱 분명하게 드러난다. 탁월한 열 특성은 일반적인 신뢰성 관점에서 CoolSiC™ MOSFET 650V 기술의 핵심적인 이점이다. 앞에서 언급했듯이(그림 1 참조) 신뢰성은 5G 시대의 통신 정류기에 필수적인 요구사항이다.

결합 효율 대비 전력 밀도와 관련하여 그림 6의 파레토 전면 분석 결과[1, 4, 5]는 CCM 토템폴 PFC에서 GaN 및 SiC가 실질적으로 같다는 것을 보여준다. GaN만 최대 160W/in3 전력 밀도를 제공할 수 있지만, 효율은 99%보다 상당히 낮다.

GaN보다 쉬운 구동 방식 덕분에 SiC가 통신 SMPS의 CCM 토템폴 PFC 스테이지에 선호되는 반도체 선택이라고 결론 내릴 수 있다.

[그림 6] EMI 필터를 포함하여 GaN, SiC 및 Si 기반 전력 소자에 대해 각각 시스템 효율 대비 밀도를 비교한 토템폴 PFC 스테이지의 최적화 결과

LLC 스테이지 

높은 효율과 전력 밀도의 결합은 LLC 스테이지에도 중요하다. LLC와 같은 공진 토폴로지에서는 주로 ZVS 특성 덕분에 자기 크기를 최소화하기 위해 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있는 옵션이 더 많으며, 이는 본질적으로 전력 소자의 손실을 줄여준다.

50% 부하에서 98% 이상 효율을 목표로 하는 정류기에서 LLC 토폴로지에 대한 연구는 [3]에 나와 있다. 인피니언의 CoolGaN™ e-모드 HEMT 600V 기술은 최대 500kHz 공진 주파수에서 인터리브 FB LLC 토폴로지에서 99% 이상 효율을 유지할 수 있는 유일한 기술임이 입증되었다. 그림 7은 이 결과를 간략하게 보여준다. 2차측에 동기 정류로 MV CoolGaN™ 기술을 사용하는 것은 이러한 성과를 이루는 데 필수적인 역할을 한다.

[그림 7] 50% 부하 조건에서 CoolGaN™, CoolSiC™ 및 CoolMOS™ 효율 수준 비교

LLC 스테이지에 적용된 파레토 효율 대비 전력 밀도 최적화 방법은 이 결과를 확인해준다[4]. 이러한 최적화를 위해 1차측은 Si, SiC, GaN의 서로 다른 기술로 다양화하고 2차측은 동기 정류(SR) 스테이지에 항상 Si 디바이스를 사용한다. 이 밖에 SR 스테이지에 곧 출시될 100V CoolGaN™ 디바이스를 사용하고 1차측과 2차측에 모두 GaN을 사용하여 네 번째 최적화를 수행할 수 있다(그림 8 참조).

[그림 8] Si, SiC 및 GaN 기반 전력 소자에 대한 효율 대비 전력 밀도를 보여주는 LLC 스테이지의 최적화 결과 

그림 8에서 GaN은 스위칭 주파수가 더 높은 최고 전력 밀도에서 SiC보다 높은 효율을 구현한다는 것을 명확히 알 수 있다. 전체 GaN 솔루션은 1차측에만 GaN을 사용한 솔루션과 비교하여 0.2...0.3%의 효율로 추가적인 이득을 달성한다. 뿐만 아니라 전체 GaN의 최대 전력 밀도는 다음으로 우수한 SR 스테이지에 Si와 함께 GaN을 사용하는 솔루션보다 약 10% 더 높다. 그 주된 이유는 100V CoolGaN™ 디바이스의 입력 및 출력 정전 용량 전하가 MV Si 디바이스에 비해 더 낮기 때문이다. 이러한 특성은 2차측의 극성을 변경하는 데 필요한 전류가 더 적어 순환 전류가 감소한다는 것을 의미하므로 공진 탱크 설계에 이점을 제공한다.

성능 지수(FOM) 효율 대비 전력 밀도와 관련하여 통신 정류기의 LLC 스테이지에 대한 최고의 솔루션은 1차(HV) 및 2차 정류 스테이지(MV)에 모두 CoolGaN™ 기술을 사용하는 것이라고 결론 내릴 수 있다.

5G 시대의 통신 정류기 신뢰성

신뢰성은 5G 시대 통신 정류기의 두 번째 기본적인 요구사항이다. 인피니언의 백서[6]에는 HV 및 MV CoolGaN™ 기술이 통신 정류기의 미션 프로파일을 포함하여 목표 수명과 품질 요구사항을 만족하도록 보장하기 위해 인피니언이 수행하는 포괄적 및 애플리케이션에 따른 적격성 검증 과정이 설명되어 있다. GaN 디바이스의 구조는 Si 디바이스와 비교하여 상당히 다르기 때문에 다른 적격성 검증 계획이 필요하다. 그림 9는 CoolGaN™ 기술에 대해 인피니언이 특별히 구현한 새로운 신뢰성 테스트를 간략하게 보여준다.

[그림 9] 표준 JEDEC 테스트와 함께 인피니언이 CoolGaN™ 기술에 대해 특별히 구현한 새로운 신뢰성 테스트

인피니언은 통신 환경을 포함하여 실제 동작 조건 및 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 성능을 보장하기 위해 CoolSiC™ 디바이스에 대한 포괄적인 적격성 검증 체계를 따른다[7]. 예를 들어 수직 디바이스 구조는 Si 디바이스와 유사하지만 새로운 전력 소자의 재료 특성과 동작 모드에서 여전히 상당한 차이가 있다. 이러한 차이가 상당하므로 최종 애플리케이션의 동작과 신뢰성 적격성 검증 과정에 미치는 영향을 신중하게 고려하였다.

고품질을 향한 헌신과 노력으로 인피니언은 WBG 디바이스에 관한 적격성 검증 지침과 표준을 도입하기 위해 JEDEC 내 GaN 및 SiC 소위원회(각각 JC-70.1 및 JC-70.2) 설립을 추진하고 이에 기여한 회사 중 하나이다.

통신 정류기에서 HV 디바이스에 대한 필수적인 신뢰성 요구사항은 이른바 우주선 견고성이다. 반도체 디바이스는 전체 수명 동안 핵 입자 조사에 노출된다. 조사는 고도에 따라 기하 급수적으로 증가하는 중성자 선속의 영향을 받는다. HV 디바이스의 우주 방사선 고장률을 계산하려면 특정 애플리케이션의 미션 프로파일, 즉 각각의 동작 시간에 대한 인가 전압, 접합 온도 및 고도를 고려해야 한다. 일부 설치에서 통신 정류기는 해발고도 최대 4000m(13000 ft)에서 지속적으로 동작해야 한다.

CoolGaN™ 및 CoolSiC™ 디바이스는 모두, 요구되는 우주선 견고성을 보장하도록 개발 및 인증되었다. HV CoolGaN™의 항복 전압은 정격 600V보다 훨씬 높으며, 이는 이러한 관점에서 그 자체로 중요한 특징을 나타낸다. CoolSiC™ MOSFET 650V의 우주선 견고성은 모든 수직 전력 소자에 대해 드리프트 또는 베이스 층의 두께와 도핑의 적절한 균형을 통해 조정되었다. 이러한 방식으로 디바이스는 방사선 견고성과 온-상태 손실 간의 최상의 균형을 달성한다.

요약

지금까지 5G 시스템의 주요 동향으로부터 직접 도출한 최신 통신 SMPS의 주요 요구사항의 개요를 알아보았다.

이 글에서 우리는 최신 세대 통신 정류기의 성능과 신뢰성 측면을 모두 다루면서 인피니언의 MV 및 HV CoolGaN™ e-모드 HEMT 및 CoolSiC™ MOSFET 650V 기술이 어떻게 이 분야의 모든 주요 요구사항을 효과적으로 만족하는지 살펴보았다. 

최신 통신 정류기 애플리케이션의 요구사항을 충족하도록 설계된 인피니언의 와이드 밴드갭 제품 및 솔루션에 대한 광범위한 포트폴리오에 대한 자세한 내용은 www.infineon.com/wbg 사이트에서 확인할 수 있다.

[References]

[1] G. Deboy, “Design guidelines for high power server and telecom power supplies use-cases,” PSD Magazine, May 2021 

[2] G. Deboy, O. Haeberlen, and M. Treu, “Perspective of loss mechanisms for silicon and wide bandgap power devices,” CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 2, no. 2, pp. 89-100, 2017.

[3] F. Di Domenico “All Semiconductor Switch Technologies Lead to Rome”, PSD Cover Story, March 2020 

[4] Matthias Kasper, Sam Abdel-Rahman, and Juan Sanchez, “How to reap the benefits of wide-bandgap semiconductors in server applications”, PSD magazine, May 2021.

[5] J. W. Kolar, J. Biela, and J. Miniboeck, “Exploring the Pareto Front of Multi-Objective Single-Phase PFC Rectifier Design Optimization - 99.2 percent Efficiency vs. 7kW/dm3 Power Density,” in Proc. of the 6th Int. IEEE Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC), pp. 1-21, 2009.

[6] T. McDonald “Reliability and qualification of CoolGaN™”, Infineon Technologies White Paper 10-2018

[7] “How Infineon controls and assures the reliability of SiC based power semiconductors”, Infineon Technologies White Paper, 07-2020

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