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강화모드 질화갈륨 파워 트랜지스터를 적합한 게이트 드라이버와 연결하는 방법


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글/용 앙(Yong Ang), 온세미컨덕터 전략 마케팅 디렉터


질화갈륨(GaN) 스위치는 이상적인 반도체 스위치에 가장 근접한 장치로서 매우 높은 효율과 그로 인한 높은 전력 밀도의 구현이 가능하다. 그러나 GaN 스위치는 어떤 면에서 기존 실리콘 기술만큼 견고하지 않기에 최상의 성능 및 신뢰성을 위해 반드시 올바른 게이트 드라이브를 사용하여 신중히 적용하여야 한다. 본 기고는 이러한 문제점을 살펴보고 설계 프로세스 상의 리스크를 없애기 위한 드라이버 솔루션을 제시한다.
GaN HEMT(고전자이동도트랜지스터)는 오늘날 실리콘 기반 솔루션보다 더 높은 엔드-투-엔드(end-to-end) 효율을 가진 전력 컨버터의 구현을 가능케 하여, 서버 및 클라우드 데이터 센터에 대한 가장 엄격한 80개 이상의 요구사항 및 USB PD 외부 어댑터에 대한 유럽연합 규격 티어 2 표준(EU Code of Conduct Tier 2 standard)을 어렵지 않게 충족한다. 구형 실리콘기반 스위치 기술은 고속의 저손실 스위칭을 통해 이상에 가까운 성능을 자랑하지만, GaN 스위치는 그 자체로 완벽하지 않아도 이를 거의 대체할 수 있다. 이 기술이 가진 잠재적 이점을 최대한 활용하기 위해서는 외부 드라이브 회로가 세심한 PCB 레이아웃 설계로 GaN 스위치와 연결되어야 한다.

GaN과 실리콘 스위치 비교

실리콘(Si) 스위치에 비해 GaN 스위치의 잠재적 이점은 높은 효율성의 구현이다. 디플리션 모드와 달리 GaN 스위치는 보통 오프(OFF) 장치여서 작동시키기 위해 양극 게이트 드라이브 전압(positive gate drive voltage)이 필요하다. GaN 스위치의 높은 효율은 하위 장치 정전용량(capacitance) 및 역방향 도통(제3 사분면)으로 수행되지만, 영-역회복 충전(zero reverse recovery charge)은 하드스위칭(Hard switching)에 강점을 가진다. 낮은 게이트-소스(Low gate-source) 및 게이트-드레인(gate-drain) 정전용량으로 인해 낮은 총 게이트 전하(total gate charge)를 가져서 빠른 게이트 스위칭이 가능하며, 게이트 드라이버의 적은 손실이 가능하다. 또한 출력 정전용량이 낮으므로 턴오프(turn-off) 손실도 낮다. 그리고 드레인-소스/게이트 애벌런치 전압정격(drain-source/gate avalanche voltage rating)이 없다는 점과 일반적으로 +/-20V 정도인 Si MOSFETs에 비해 +/-10V에 불과하다는 점은 GaN 스위치의 특징이다. 게다가, GaN 스위치의 턴온(turn-on) 임계전압(VGTH)이 대략 1.5V인 점은 3.5V 정도인 Si MOSFET보다 훨씬 낮다. 외부 드라이브와 부하회로(load circuit)를 통제하여 소스 및 게이트 전압을 안정적으로 제어하는 경우, 스위치 주파수(switching frequency)는 수 백 kHz 및 MHz로 확대될 수 있으며, 그 결과 자성 부품 및 커패시터 부품 크기를 줄여, 극적인 W/in3 전력 밀도를 산출할 수 있다.

성능의 핵심은 질화갈륨 게이트 드라이브

게이트 드라이브 전압을 절대 최대 한도(absolute maximum limit) 내로 유지하는 것만이 유일한 조건은 아니다. 가장 빠른 스위칭을 위해, GaN 스위치는 과도한 게이트 드라이브 전력 저하를 피하면서 +5.2V 정도의 최적 VG(ON) 값으로 작동될 필요가 있다. 드라이버 전원 PD는 다음과 같다.

PD = VSW · f · QGTOT

여기서 VSW는 총 게이트 전압 스윙(gate voltage swing)이며, f는 스위칭 주파수, 그리고 QGTOT는 총 게이트 전하이다. 질화갈륨 게이트에 효과적인 정전용량이 있지만, 게이트 유효 직렬저항(gate effective series resistance) 및 드라이버에서 전원이 소실될 수 있다. 따라서 주파수가 매우 높을 경우에, 전압 스윙을 최소한으로 유지하는 것이 중요하다. 일반적으로 GaN 스위치의 경우 QGTOT는 몇 nC이며, 유사한 등급의 Si MOSFET에 비해 대략 10분의 1수준이다. 이는 질화갈륨이 빨리 스위치할 수 있는 이유 중 하나이다. GaN 스위치는 충전이 제어되므로 나노쿨롬 게이트 전하(nanocoulomb gate charge)를 가진 나노세컨드 스위칭(nanosecond switching)의 경우 최대 피크 전류(peak current)는 정확한 전압을 유지하면서 드라이버가 제공해야 하는 암페어(amp)의 순서로 되어 있다.
이론상, GaN 스위치는 VGS = 0으로 안전하게 꺼지지만, 현실에서 최상의 게이트 드라이버도 게이트에 직접 0V를 적용하지 않을 수 있다. 게이트 드라이브 루프(gate drive loop)에 공통인 소스 리드(source lead)에서, 모든 직렬 인덕턴스 L(inductance L)는 게이트 드라이브에 대해 반대전압 VOPP를 생성하며, VOPP = -L di/dt(그림 1)에 따라 높은 소스 di/dt 로 인해 잘못된 작동(turn-on)이 일어날 수 있다. 이와 동일한 효과가 스위치의 ‘밀러’ 정전용량(device ‘Miller’ capacitance)을 통해 전류를 강제하는 오프상태의 dV/dt 때문에 발생될 수 있지만, GaN 스위치의 경우 이를 무시할 수 있다. 이에 대한 해결책은 -2나 ?3V의 음전압 게이트 오프 전압(negative gate off-voltage)의 제공이지만 이는 게이트 드라이브 회로를 복잡하게 한다. ‘켈빈 연결(Kelvin connections)’이 있는 장치와 세심한 보드배치, 또는 프로파일을 적게 하면서 무연 PQFN 유형과 같은 최소의 패키지 인덕턴스(minimal package inductance)를 사용하여 피할 수 있다.

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[그림 1] 소스 및 게이트 드라이브에 공통적인 인덕턴스로 인한 과도전압 발생

하이-사이드 게이트 드라이브의 과제

GaN 스위치가 모든 토폴로지(topologies)에 최적인 것은 아니다. 예를 들면, 대부분의 ‘단일접지(single-ended)’ 플라이백(Flyback), 또는 순방향 유형(Forward type), 즉 역전도가 발생하지 않지만 Si MOSFETs의 추가비용이 과도해서, 증가한 효율의 이득이 적은 경우가 그것이다. 그러나 ‘토템-폴 브리지스(Totem-Pole Bridgeless) PFC‘, LLC 컨버터 및 액티브 클램프 플라이백(Active Clamp Flyback)과 같은 ’하프 브리지(half-bridge)‘ 토폴로지는 하드 스위치든 소프트 스위치이든 GaN 스위치의 사용이 자연스러울 것이다. 이러한 토폴로지들은 소스가 스위칭 노드(switching node)인 ‘하이사이드’ 스위치를 가지고 있으므로, 게이트 드라이브는 나노세컨드-규모 에지(nanosecond-scale edge)를 가진 고전압 및 고주파 파형에 의해 접지로부터 옵셋(offset)된다. 게이트 드라이브 시그널은 계통접지(system ground)와 관련하여 컨트롤러에서 발생하기 때문에, 하이사이드 드라이버는 일반적으로 450V 이상의 적절한 내전압 등급(voltage-withstand rating)으로 레벨변화(level shifting)를 통합해야 한다. 또한 스위칭 노드와 관련하여, 부트스트랩 다이오드 및 캐패시터(축전기)의 네트워크를 이용하여, 하이사이드 드라이브를 위한 저전압 전원레일을 생성하는 수단이 필요하다. 스위칭 파형은 dV/dt로 드라이버에 응력을 가하며, GaN 스위치의 경우 이 수치는 100V/ns 이상이 될 수 있다. 이는 드라이버를 통해 접지로 변위 전류를 유도하는데, 어쩌면 직렬저항 및 연결 인덕턴스(유도용량) 간에 과도전압을 발생시켜 민감한 차등 게이트 드라이브 전압(differential gate drive voltage)을 손상시킬 수도 있다. 따라서 드라이버는 강한 dV/dt 내성을 가져야 한다.
치명적인 ‘슛쓰루(shoot-through)’에 대한 내성을 강화하고 효율을 극대화하기 위해, 하프브리지(half-bridge) 하이-로우 장치는 데드타임(Dead time)을 최소로 유지하면서 중복되지 않게 작동되어야 한다.  하이-로우 드라이버는 전달지연을 잘 제어하고 매치시켜야 한다.
로우 사이드의 경우 드라이버 접지(driver ground)는 공통 인덕턴스를 회피하기 위해, 켈빈 연결을 위한 스위치 소스에 직접 연결해야 한다. 이 점은 드라이버도 신호접지(signal ground)를 가지므로, 이 시점에서 잘 연결되지 않을 수 있기에 문제가 될 수 있다. 이 때문에, 로우 사이드 드라이버는 절연 또는 공통모드 전압 허용오차(voltage tolerance) 정도의 전력 및 신호 접지를 분할하는 방법을 사용할 수 있다.

GaN 드라이버는 안전절연이 필요할 수 있다

오늘날 저전압 어플리케이션이 점차 보편화되고 있다. 그러나 장치와 드라이버 모두 최소 600V의 고전압 정격이 필요한 오프라인 애플리케이션에서 질화갈륨 장치가 현재 가장 큰 주목을 받고 있다. 사람이 접근할 수 있는 연결부를 가진 컨트롤러가 드라이버 입력신호를 생성하는 경우, 통신인터페이스를 통해 드라이버는 관련코드를 준수하는 안전 절연이 요구될 것이다. 이는 적절한 절연 전압을 가진 고속 신호 전류 절연기(high speed signal galvanic isolator)를 통해 가능하다. 대부분의 AC-DC에서 통제회로를 ‘기본 기준(primary-referenced)’으로 지정할 수는 있지만, 드라이버 신호 에지 비율(driver signal edge rate)과 하이-로우 사이드 매칭을 유지하는 것은 이러한 배치에 문제가 된다.

응용사례: ‘액티브 클램프 플라이백(active clamp flyback)’

이는 변환 변압기(converter transformer)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)에서 전원으로 에너지를 재순환하기 위해, 하이사이드 스위치를 사용하는 액티브 클램프 플라이백 토폴로지(그림 2)의 사례이다. 45W에서 150W 사이의 저전력으로 작동되는 회로 때문에 ‘스너버(snubber)’나 하드 제너 클램프 접근방식(hard zener clamp approach)에 비해 효율은 더 좋고, EMI는 더 우수하며, 드레인(drain) 파형은 더 명확하다. 대표적인 어플리케이션으로는 내장 전원장치와 USB PD가 사용가능한 휴대폰 및 노트북을 위한 트래블 어뎁터(travel adapter)가 있다.

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[그림 2] GaN 기반의 액티브 클램프 플라이백 컨버터 개요

그림 2에서 온세미컨덕터의 NCP51820 전용 GaN 게이트 드라이버 [1]가 NCP1568 [2] 액티브 클램프 플라이백 컨트롤러(상세 생략)와 함께 표시되어 있다. 이 드라이버는 강화모드 질화갈륨에 최적화된 하이사이드 및 로우사이드를 위해 조절된 +5.2V 진폭을 가진 게이트 드라이버를 갖추고 있다. 또한 ?3.5V에서 +650V에 이르는 하이사이드 공통모드 전압범위를 비롯하여 ?3.5에서 +3.5V에 이르는 로우사이드, 그리고 200V/ns dv/dt 내성을 가지며, 고급 접합-절연 기술로 활성화된다. 로우사이드 드라이브에 레벨 변화가 있다면, 로우사이드 장치 소스에 전류감지저항기가 있을 경우 켈빈 연결을 더 쉽게 할 수 있다. 드라이버 파형의 상승 및 하강 시간은 1ns이며, 최대 전달지연(PD)는 50ns이다. 그리고 게이트 드라이브 에지의 프로세스 조정(tailoring)이 최적의 EMI/효율적인 트레이드 오프(trade-off)를 가능할 수 있도록, 하이 및 로우사이드에 별도의 소스 및 싱크 출력(sink output)이 제공된다. 이 기술에서, 하이 및 로우 사이드 드라이브는 중첩되지 않는다. 그러나 NCP1568 장치가 제어하는 드레인 클램핑(drain clamping) 및 제로 전압 스위칭(zero-voltage switching)으로 전력 전환/제어하기 위해 다른 펄스폭을 갖는다.

응용사례: LLC 컨버터

150W 이상의 고출력에서 공진 LLC 컨버터가 스위치의 효율과 제한된 전압 스트레스(voltage stress)을 위해 종종 사용된다. 이 컨버터의 특징은 드라이브 파형이 주파수의 변화에 따라 조절되는 50% 듀티 사이클(duty cycle)이라는 점이다. 따라서 중첩되지 않도록 데드타임(Dead time)을 제어하는 것이 중요하다. 그림 3은 NCP13992 고성능 LLC 컨트롤러와의 배치를 보여준다. 이러한 설계는 500 kHz 전환주파수로 작동할 수 있으며, OLED TV 및 올인원 PC용 고출력 게임 어댑터와 내장 전원장치에 주로 사용된다.

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[그림 3] GaN 기반 LLC 컨버터 개요

그림에 표시된 온세미컨덕터의 NCP51820 드라이버는 게이트 드라이브의 중복(Overlap)방지를 보장한다. 단, 게이트 드라이브가 필요한 위상(예를 들면, 전류공급 컨버터)에서는 비활성화 될 수 있다. 또한 이 장치는 저전압 공급 및 과온에 대한 입력 보호 또는 포괄적 보호를 포함한다. PQFN 및 PQFN, 4 x 4mm 15-리드 패키지로 제공되므로, GaN 스위치의 게이트에 낮은 인덕턴스 연결을 가능하게 할 수 있다.

보드 레이아웃(Board layout) 고려사항
모든 애플리케이션에서, 보드 레이아웃은 매우 필수적이다. 그림 4는 게이트 드라이버 루프를 최소화하면서 매치시키는 온세미컨덕터 NCP51820의 예시 레이아웃을 보여준다. 적절한 접지층/반환판(ground/return plane)을 사용하여 바이어스(vias)를 통해 고전류를 방지하기 위해 동일한 PCB 옆에 GaN 스위치와 드라이버를 배치한다.

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[그림 4] 질화갈륨 게이트 드라이브 회로에 대한 올바른 배치방법

요약

실제 애플리케이션에서 예측 가능한 효율성 및 전력밀도 증대를 얻기 위해 GaN 스위치는 게이트 드라이브 회로의 세심한 설계가 필요하다. 신중한 레이아웃과 더불어, 하이-로우 사이드 드라이브를 위한 다양한 기능을 갖춘 온세미컨덕터 NCP51820과 같은 전용드라이버를 사용하면 질화갈륨 장치가 최상의 성능을 발휘하도록 보장할 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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