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TI, 통합 드라이버, 보호 및 활성 전력 관리 기능을 갖춘 차량용 GaN FET

TI는 자사의 고전압 전원 관리 제품 포트폴리오에 차량용 및 산업용 애플리케이션에 적합한 차세대 650V 및 600V 질화 갈륨(GaN) 전계 효과 트랜지스터(FET)[1] 제품을 추가한다고 밝혔다. 엔지니어들은 2.2MHz 고속 스위칭 게이트 드라이버가 통합된 GaN FET 신제품군을 통해 ▲전력 밀도는 두 배로 높고, ▲99%의 효율성을 달성하며, ▲기존 솔루션 대비 자기 소자의 크기를 59%까지 축소할 수 있는 솔루션을 개발할 수 있게 되었다. TI는 특허 받은 GaN 소재와 GaN-on-silicon(Si) 물질 처리 기술을 통해 실리콘 카바이드(SiC)[2] 소재에 비해 비용과 공급망 측면에서 더 유리한 새로운 FET을 개발했다.  

차량 전동화는 자동차 산업을 변화시키고 있으며, 소비자들은 갈수록 더 빠른 충전과 더 먼 거리를 주행할 수 있는 차량을 원한다. 차량 성능에 영향을 미치지 않으면서 차량 시스템의 크기와 무게를 줄이는 것은 엔지니어들의 과제가 되었다. TI의 새로운 차량용 GaN FET을 사용하면 기존 Si나 SiC 솔루션에 비해 전기차(EV) 온보드 차저[3] 와 DC/DC 컨버터[4]의 크기를 최대 50%까지 축소할 수 있다. 이 디바이스를 통해 엔지니어는 설계 시 ▲배터리 범위를 확장하고, ▲시스템 신뢰성을 향상시키며, ▲비용을 절감할 수 있다. 하이퍼스케일[5], 엔터프라이즈 컴퓨팅[6]  플랫폼, 5G 통신 정류기[7]와 같은 산업용 AC/DC 전원 공급 애플리케이션에서 전력 손실을 낮추고 보드 공간을 줄이는 것은 매우 중요한 요구사항이다. TI의 새로운 디바이스는 이와 같은 산업용 설계에서 높은 효율과 전력 밀도를 달성할 수 있도록 해준다.

시장조사기관인 스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)에서 파워트레인, 차체, 섀시 및 안전 서비스 부문을 담당하는 아시프 안와르(Asif Anwar) 이사는 “GaN 같은 광대역 간극 반도체 기술은 기본적으로 전력 전자 시스템, 특히 고전압 시스템에 확고한 이점을 제공한다.”고 말했다. 또 “10년 이상의 총체적이고 지속적인 투자와 연구개발을 통해서 텍사스 인스트루먼트는 자체적인 GaN-on-Si 디바이스 생산 및 패키징 역량을 최적화된 Si 드라이버 기술과 결합해 GaN이 새로운 애플리케이션에서 성공적으로 활용될 수 있도록 했다.”라고 덧붙였다.

TI 고전압 전원 부문의 스티브 램버스(Steve Lambouses) 부사장은 “산업용과 차량용 애플리케이션은 점점 더 작은 공간에서 더 높은 전력을 요구하고, 엔지니어들은 최종 애플리케이션이 긴 수명과 안정성을 갖추고 작동할 수 있도록 검증된 전원 관리 시스템을 필요로 한다. TI의 GaN 기술은 4천만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트와 5GWh의 전원 변환 애플리케이션 테스트를 거쳐 모든 시장에서 엔지니어가 요구하는 수준의 신뢰성을 제공한다.”라고 말했다.

더 적은 수의 디바이스로 전력 밀도 2배 향상 

고전압 고밀도 애플리케이션에서 보드 공간을 최소화하는 것은 설계 시에 중요하게 고려되어야 하는 사항이다. 전자 시스템의 크기가 축소되면 내부의 부품들 또한 크기가 소형화되고 더 촘촘하게 배치되어야 한다. TI의 새로운 GaN FET 제품은 고속 스위칭 드라이버, 내부 보호 기능 및 온도 감지 기능까지 통합했기 때문에 엔지니어들은 전원 관리 설계에 필요한 보드 공간은 줄이면서 높은 성능을 달성할 수 있다. 이러한 통합과 TI GaN 기술의 높은 전력 밀도 덕분에 엔지니어는 디스크리트 솔루션[8]에 요구되는 부품의 개수를 10개 이상 줄일 수 있다. 또한 새로운 30mW FET은 하프 브리지 구성에 적용될 때 최대 4kW의 전력 변환을 지원할 수 있다. 

업계에서 가장 높은 수준의 PFC 효율 달성

GaN은 고속 스위칭의 이점이 있어 보다 작고 가벼운 효율적인 전력 시스템 설계가 가능하다. 기존에는 고속 스위칭을 사용하려면 전력 손실이 증가했다. 이러한 설계 문제를 해결하기 위해, 새로운 GaN FET는 전력손실을 줄이기 위한 TI의 아이디얼 다이오드[9] 모드가 특징이다. 예를 들어 PFC[10]에 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 디스크리트 GaN 및 SiC MOSFET[11]에 비해 서드 쿼드런트(제3사분면) 손실을 66%까지 줄일 수 있다. 또한 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 적응형 데드 타임 제어가 필요 없어 펌웨어의 복잡성을 낮추고 개발 시간을 줄일 수 있다. 

열 성능 극대화

TI의 GaN FET 패키징은 가장 비슷한 경쟁 패키징에 비해 열 임피던스[12]가 23% 낮아 엔지니어들은 열 설계를 간소화하면서 더 작은 히트 싱크[13]를 사용할 수 있다. 또한, 새로운 디바이스는 애플리케이션에 관계없이 하단 또는 상단 냉각 패키지를 선택할 수 있어 최대 열 설계 유연성을 제공한다. 또한 통합된 디지털 온도 감지 기능은 전원 관리를 가능하게 하여 엔지니어들이 다양한 부하 및 동작 조건에서 시스템 열 성능을 최적화할 수 있도록 한다.

패키지, 공급, 가격

사전 생산된 산업용 600V GaN FET 4종은 현재 TI.com에서 구입 가능하다. 이 제품들은 12mm x 12mm QFN 패키지로 제공되며, 가격은 아래 표와 같다. TI는 2021년 1분기에 산업용 제품의 생산을 시작할 예정이다. 관련 평가 모듈도 TI.com에서 구입 가능하며, 가격은 199달러부터 시작된다. 사전 생산된 차량용 650V GaN FET LMG3522R030-Q1과 LMG3525R030-Q1을 비롯한 평가 모듈은 2021년 1분기부터 TI.com에서 공급할 예정이다. 

주석 ==================================
[1] 전계 효과 트랜지스터(FET): 트랜지스터의 일종이지만 구조가 다르고 동작 원리도 다름. 일반 트랜지스터가 전류를 증폭시키는 데 비해 FET는 전압을 증폭시킴.
[2] 실리콘 카바이드(SiC): 탄화규소를 의미. 특수내화물·화학반응용기나 저항 발열체 등으로 사용됨.
[3] 온보드 차저: 자동차에 탑재되어 있으면서 외부에서 입력되는 교류(AC) 상용 전력을 직류(DC)로 변환하여 전기자동차의 내부 배터리 셀을 충전하는 장치. 
[4] DC/DC 컨버터: DC(직류)를 DC(직류)로 변환하는 장치. IC 등의 전자기기는 각각 동작 가능한 전압 범위가 다르므로, 각각에 적합한 전압을 생성할 필요가 있음. 보통 리니어 레귤레이터나 스위칭 레귤레이터라고 하는데, 이는 변환을 위한 방식의 명칭이다.
[5] 하이퍼스케일 컴퓨팅: 빅데이터 또는 클라우드 컴퓨팅 용도로 컴퓨팅에서 이루어지는 대규모 확장에 관한 모든 것. 즉, 분산된 컴퓨팅 환경을 최대 수천개 서버로 확장할 수 있는 안전한 하드웨어 및 소프트웨어의 조합을 의미.
[6] 엔터프라이즈 컴퓨팅: 단일 기관 또는 그룹이 아니라 하나의 조직 전체에 대한 운영과 지원 역할을 하는 컴퓨터 체계
[7] 정류기: 교류전력에서 직류전력을 얻기 위해 정류작용에 중점을 두고 만들어진 전기적인 회로소자 또는 장치이며 한 방향으로만 전류를 통과시키는 기능을 가짐
[8] 디스크리트 솔루션: 전자 회로에서 개별 부품으로서의 정해진 일부 단순 기능만 수행하는 전자 부품 소자. 주로 저항, 콘덴서, 인덕터 등 수동 소자를 의미하나, 경우에 따라서 단순 기능의 다이오드, 트랜지스터 등을 포함하기도 함
[9] 다이오드: 다이오드는 2개의 단자를 갖는 전자 부품으로써, 한쪽에 낮은 저항을 다른쪽에 높은 저항을 둬 전류가 한쪽으로만 흐를 수 있게 하는 물질
[10] PFC(Power Factor Correction): 역률을 개선하는 것을 의미. 역률각 (위상각)을 0°에 가깝게 함으로써 전압과 전류의 위상차를 작게 하여, 피상 전력을 유효 전력에 근접시킴.
[11] MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터로 디지털 회로와 아날로그 회로에서 가장 일반적인 전계효과 트랜지스터.
[12] 임피던스: 어떤 매질에서 파동의 전파을 방해하거나, 어떤 도선 및 회로에서 전기의 흐름을 방해하는 정도
[13] 히트싱크: 반도체 장치 등에서 온도 상승을 방지하기 위하여 부착하는 방열체.

1) 이번에 출시된 차량용 GaN FET의 주요 장점은?

TI의 새로운 차량용 GaN FET은 다음과 같은 장점을 제공한다.

• 전기차 온보드 차저의 사이즈를 기존의 Si 및 SiC 솔루션 대비 50% 감소   

• 통합 고속 스위칭 2.2-MHz 게이트 드라이버로 전기차 차저 내부의 자기 소자 사이즈를 59% 축소

• 충전시간 단축 및 장기적인 시스템 신뢰성 향상

2) GaN FET가 Si이나 SiC보다 어떤 특성이 좋은가?

GaN과 SiC FET 모두 차량용 애플리케이션에 사용할 수 있는 동등한 전압과 저항 등급을 제공한다. GaN은 효율성과 전력 밀도를 증가시키는 초고속 스위칭의 장점을 가진다. 또한, TI의 GaN은 비용을 절감할 수 있는 실리콘 기판을 기반으로 설계되었다. TI는 광대역 갭(wide-bandgap) 기술에 초점을 두고 있다.

3) BOM에서 GaN FET의 어느 부분이 줄어들었나?

드라이버가 통합된 TI의 GaN FET은 스위칭 주파수를 높이고 전력 손실을 최소화한다. 이러한 특징들은 자기 소자의 크기를 줄이고, 열 관리를 더 단순화할 뿐만 아니라, 더 작고 저렴한 솔루션을 가능하게 한다.

4) 향후 GaN FET의 전망은?

GaN은 효율은 향상시키고, 전력 밀도는 두배로 높이며, 시스템 BOM 비용은 절감한다. 이는 차량용 및 산업용 애플리케이션에 매력적인 이점이다. 또한, TI는 고급 실리콘 드라이버와 GaN FET를 통합하여 고성능과 능동적 전원 관리와 같은 차별화된 기능을 제공한다. 또한, 이러한 통합은 과열 및 과전류 상황에 대한 시스템 모니터링 및 내장 보호 기능을 제공한다.

5) 한국 시장에서 타겟하는 애플리케이션은?

한국 시장에는 차량용 파워트레인, 통신장비용 장비를 위한 산업용 전원 공급 장치 등 중요한 GaN 응용분야가 많다. 뿐만 아니라, GaN은 TV, 모바일 장비를 위한 벽면 어댑터 등의 개인용 전자기기 시장에서도 가치가 높아지고 있다.

6) 기술지원 사이트나 URL을 소개해달라.

애플리케이션 노트

Ÿ아이딜 다이오드 모드로 GaN의 성능 극대화

Ÿ600V GaN 전력단을 위한 QFN 12x12 패키지의 열성능

기술 기고문

ŸGaN으로 전기차 혁신 주도

Ÿ자체 보호기능을 제공하는 드라이버 통합 GaN FET으로 차세대 산업용 전원 설계를 구현하는 방법

ŸHEV/EV의 고주파와 견고함을 위해 설계된 차량용 GaN FET 

Texas Instruments 소개
세계적인 반도체 업체 텍사스 인스트루먼트(나스닥: TXN)는 산업용, 차량용, 개인용 전자기기, 통신 장비 및 엔터프라이즈 부문의 아날로그 IC 및 임베디드 프로세서를 설계∙제조∙시험∙판매하고 있다. 수십년 동안 TI는 반도체를 통해 더 합리적인 가격의 전자 제품을 만들어서 더 나은 세상을 만들고자 하는 기술적 진보 정신에 준해 모든 전자기기에 반도체가 적용될 수 있도록 보다 높은 신뢰성과 효율성을 제공하는 기술 혁신을 거듭해왔다. TI에 대한 보다 자세한 내용은 공식 홈페이지 www.ti.com에서 확인할 수 있다.