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실리콘을 대체해 고효율·고주파 전력 설계를 지원하는 질화갈륨(GaN)

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글/용 앙(Yong Ang), 온세미컨덕터 전략 마케팅 디렉터

전력 밀도는 효율성과 스위치 주파수가 높아짐에 따라, 모든 전력 전자 기술 애플리케이션에서 주요 측정 기준들 중 하나로 평가받는다. 실리콘 기반 기술은 진화의 한계에 봉착하였고, 설계 엔지니어들은 현재 솔루션을 제공할 때 질화갈륨(GaN)과 같은 와이드밴드갭 기술을 고려하는 중이다.
새로운 기술로서는 드물게 GaN은 기존의 기술인 실리콘보다 기본적으로 비용이 더 저렴하다. GaN 디바이스들은 실리콘 디바이스들과 동일한 공장에서 같은 제조 공정으로 생산된다. 따라서 GaN 디바이스는 같은 실리콘 디바이스보다 작기 때문에, 웨이퍼 당 더 많이 생산될 수 있어 개당 비용을 감소시킨다.
GaN은 성능상의 장점들이 많다. 그 중 하나로는 전자 이동도가(3.4eV vs. 1.1eV) 실리콘보다 훨씬 높아 1,000배 더 효율적으로 전자를 전도할 수 있는 가능성이 있다. 특히, 게이트 전하량(QG)은 GaN를 사용할 때 더 낮게 나타난다. 이것은 매 스위칭 사이클 동안 charging되어야 하는데, GaN는 스위칭에 의한 효율 감소를 크게 하지 않고도 1MHz까지의 주파수에서 작동될 수 있다. 반면, 실리콘은 주파수가 100 kHz을 초과하면 효율 감소를 더 고려해야한다. 실리콘과는 달리 GaN은 바디 다이오드가 없고, 알루미늄질화갈륨(AlGaN)/GaN 경계면의 2DEG가 전류를 역방향으로 전도할 수 있다(‘제3사분면’ 작동이라고 알려짐). 결과적으로, GaN에서는 역방향 회복 전하량(QRR)이 없어 하드 스위칭 애플리케이션에 이상적이다.

[그림 1.]GaN은 고속 스위칭에 최적화 돼있다.

GaN은 한정된 수준의 애벌런치(avalanche) 능력을 가지고 있으며 실리콘보다 과전압에 더욱 민감하다. 따라서 드레인에서 소스간의 전압(VDS)이 레일 전압(입력전압)에 클램프되는 하프 브릿지 토폴로지에 적합하다. GaN에 바디 다이오드가 없다는 특징은 하드 스위칭 토템폴 PFC(power factor controller) 사용에 적합하며, 공진형 LLC 및 액티브 클램프 플라이백과 같은 ZVS(Zero-Voltage Switching) 애플리케이션에 사용될 때도 아주 적합하다.
약 45W에서 65W의 전력 수준으로 고속 충전하는 어댑터들은 GaN 기반의 액티브 클램프 플라이백에서 혜택을 받게 된다. GaN을 적용한 LLC 토폴로지도 게임 용도 등으로 사용되는 고급 노트북의 150W에서 300W 전력 어댑터에 도입된다. 이러한 애플리케이션에서 GaN 기술은 전력 밀도를 두 배로 키워주며, 어댑터를 작고 가볍게 만들어준다. 특히 관련 자성부품들의 크기를 축소시킬 수 있다. 예컨대, 전력 변압기 코어를 RM10에서 RM8까지의 로우 프로파일 및 평면 설계로 할 수 있다. 따라서, 많은 애플리케이션에서 전력 밀도는 두 배 혹은 세 배까지도 향상되며, 전력 밀도 수치로는 30 W/in3까지 도달할 수 있게 되었다.
GaN이 사용될 수 있는 고전력 애플리케이션으로는 전력 서버를 위한 전력 공급, 클라우드, 통신 시스템 등이 있으며, 특히 토템폴 PFC에 기반한 애플리케이션 등이 있다. 이러한 애플리케이션에서 GaN은 99%이상 효율성을 높일 수 있다. 결과적으로 이러한 시스템들이 80+ 티타늄 기준 등의 지극히 중요하고 엄격한 효율 기준을 충족할 수 있도록 해준다.
GaN 디바이스의 작동 방법은 상대적으로 민감도가 높은 게이트 산화물을 보호하는데 대단히 중요하다. 디바이스가 켜져 있는 시간 동안 아주 정확하게 조절된 게이트 드라이브 진폭을 제공하는 것이 특히 중요하다. 이것을 달성하는 한 방법으로는 기존의 실리콘 MOSFET 게이트 드라이버에 LDO를 추가하는 것이다. 그러나 이 방법으로는 게이트 드라이브의 성능을 감소시킬 수 있는 단점이 있으므로, GaN을 작동시키기 위해 특별히 설계된 하프브릿지 드라이버를 사용하는 방법이 선호된다.
구체적으로, 실리콘 MOSFET 드라이버의 일반적인 전달 지연시간은 약 100ns이며 이 수치는 500kHz에서 1MHz 사이의 속도로 GaN 디바이스를 작동시키기에는 적합하지 않다. 이러한 속도에서는 이상적으로 전달 지연시간이 50ns을 초과해서는 안된다.
낮은 커패시턴스 때문에 GaN 디바이스에서는 드레인에서 소스까지 고압의 슬루레이트(Slew rate)가 나타난다. 이는 특히 고전력 애플리케이션에서 조기에 혹은 치명적인 장치 오류가 발생할 수 있다. 해당 현상을 방지하려면, 높은 수준의 dv/dt 면역성(100V/ns 정도)이 요구된다.
PCB는 GaN 설계 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 RF-타입 레이아웃에서 활용되는 기술이 활용된다. 또한 게이트 드라이버에 낮은 인덕턴스 패키지(PQFN 등)를 사용하는 것이 좋다.

온세미컨덕터의 NCP51820 제품은 GaN 기술과 함께 사용하도록 특별히 설계된 업계 최초의 하프브릿지 게이트 드라이버다. 이 제품은 5.2V 게이트 드라이버로서 통상 전달 지연시간은 25ns 정도밖에 되지 않는다. dv/dt 면역성을 최대 200V/ns까지 가지며 낮은 인덕턴스의 PQFN 패키지이다.
GaN 기술의 발전과 도입이 처음에는 저전력 고속충전 USB PD 어댑터 및 게임용 노트북의 고전력 어댑터와 같은 애플리케이션으로부터 시작될 것이다. 이는 높은 스위칭 주파수가 필수적인 이러한 애플리케이션을 지원하는 컨트롤러와 드라이버의 가용성 때문이며, 그 결과 설계 주기 시간이 단축된다. 서버, 클라우드 및 통신과 같은 고전력 애플리케이션을 위한 적합한 드라이버, 컨트롤러와 모듈 솔루션이 공급됨에 따라 GaN은 해당 분야에도 도입될 것이다.