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GaN 전력 디바이스의 가능성, 이점, 성공적인 활용을 위한 비결


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글/Bill Schweber, Mouser Electronics, electronics engineer


10년도 전부터 업계 전문가들과 애널리스트들은 갈륨 나이트라이드(GaN) 기술을 기반으로 한 현실적인 전력 스위칭 디바이스가 ‘조만간 등장’할 것이라고 전망해 왔다. GaN 기술을 기반으로 한 이러한 스위치는, 확고한 기반을 구축하고 널리 사용되고 있는 실리콘 MOSFET 전력 디바이스에 비해서 더 우수한 효율, 더 우수한 전력 처리 능력, 그 밖의 성능 특성들을 제공할 것이라고 하면서 말이다. 이러한 모든 특성들은 오늘날 시스템, 서버, 컴퓨터의 고전력 고밀도 요구를 충족하기 위해서 중요한 것들이다. 기쁜 소식은, 그 ‘조만간’이라고 하는 시간이 지금으로 다가왔다는 것이다. 오늘날 십여 곳 이상의 업체들에서 다양한 유형의 GaN 디바이스를 양산 공급하고 있다. 이러한 GaN 디바이스의 확산과 신뢰성을 입증하는 점으로서, 산업용, 상업용, 더 나아가서 엄격한 자동차 애플리케이션으로까지 전원장치와 모터 제어 등에 이러한 GaN 디바이스가 채택되고 있다. (GaN 기반 RF 전력 증폭기(PA) 역시도 다양한 분야에 성공적으로 채택되고 있는데, 이것은 전혀 다른 애플리케이션으로서 이 글의 범위를 벗어나므로 이 글에서는 다루지 않는다.) 이 글에서는 GaN 디바이스의 가능성을 살펴보고, GaN과 MOSFET 디바이스를 비교하고, 성공적인 활용을 위해서 중요한 요소로서 GaN 드라이버에 대해서 살펴보고, 전원장치에서 게이트 구동 루프로 잡음 결합을 최소화하기 위한 기법들을 살펴본다.

왜 GaN인가?

실리콘 기반 MOSFET 디바이스는 지금까지 엄청난 성공을 거두었으며, AC/DC 전원, DC/DC 전원, 모터 제어를 비롯해서 수십 와트에서부터 수백 혹은 수천 와트까지 이르는 전원 애플리케이션의 전력 스위치 용으로 현재의 표준으로 자리잡고 있다. 실리콘 기반 MOSFET은 온 저항 RDS(ON), 전압 정격, 스위칭 속도, 패키징, 여타 특성을 비롯한 주요 파라미터들이 계속적으로 향상되어 왔다. 하지만 이제는 이들 MOSFET으로 더 이상의 향상이 어려운 지점에 다다르고 있다. 이들 소재 및 프로세스의 기본적인 물리적 특성에 따른 이론적 한계선 가까이에 접근하고 있기 때문이다.
바로 이 점에서 갈륨 나이트라이드를 기반으로 한 전력 디바이스가 매력적이다. 그림 1에서 보는 것과 같이, GaN은 실리콘보다 더 높은 임계 전기장 강도를 활용해서 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 만들 수 있다. 다시 말해서 GaN이 실리콘보다 임계 전기장 강도가 더 높으므로 특정한 온 저항 및 항복 전압으로 실리콘 반도체보다 크기를 더 작게 할 수 있다. 또한 GaN은 극히 빠른 스위칭 속도와 뛰어난 역 복구 특성을 제공한다. 이 점은 저손실 고효율 성능을 달성하기 위해서 중요하다. 1세대 GaN 디바이스가 100V 정격이었던 것에 비해서, 이제는 600/650V 정격의 GaN 트랜지스터가 다양하게 출시되고 있으며 더 다양한 유형의 애플리케이션에 사용할 수 있게 되었다.
GaN 디바이스는 크게 다음의 두 가지 유형으로 구분된다:
• 공핍 모드로 동작하는 것: 공핍 모드 GaN 트랜지스터는 ‘normally-on’이다. 그러므로 턴오프를 할려면 드레인 및 소스 전극에 대해서 음의 전압을 필요로 한다.
• 향상 모드(e-mode)로 동작하는 것: 향상 모드 트랜지스터는 반대로 ‘normally-off’로서, 게이트로 양의 전압을 인가함으로써 턴온한다.
하지만 차이는 비단 상보적인 동작 모드 문제에서만 그치지 않는다. 공핍 모드 디바이스는 전력이 인가되었을 때 스타트업 문제가 있을 수 있다. 턴오프하기 위해서 전력 디바이스로 음의 바이어스를 먼저 인가해야 한다. 그래야 스타트업 단락 회로를 피할 수 있다. 반면에 향상 모드 디바이스는 게이트로 제로 바이어스일 때 오프이고 전류를 전도하지 않는다. 공핍 모드 GaN 디바이스는 단점으로 보이는 이 문제를 해결하고 ‘normally off’ 구성으로 만들기 위해서 흔히 이 상황을 역전시키는 저전압 실리콘 MOSFET을 사용한 캐스케이드 구성으로 패키지화한다.

GaN 대 MOSFET

MOSFET과 GaN 디바이스는 많은 차이점이 있으나 먼저 공통점부터 살펴보자. 다행스러운 점은, GaN 디바이스가 파라미터 값은 MOSFET과 다르다 하더라도, 용어와 중요한 파라미터들은 같다는 것이다. (바로 이 점에서 GaN이 매력적이다.) MOSFET과 마찬가지로 GaN 트랜지스터는 소스, 드레인, 게이트로 이루어지며, 주요 성능 지표가 온 저항과 항복 전압이다.
유사성은 이러한 표면적 문제들에서만 그치지 않는다. MOSFET과 향상 모드 GaN 디바이스 모두 ‘normally off’이고, 입력 커패시턴스를 사용한 전압 구동(전류 구동이 아니고) 디바이스이다. 이 입력 커패시턴스를 드라이버를 사용해서 적절하게 충전/방전해야 한다. 이 충전/방전 구동 파형의 슬루율과 형태가 성능에 있어서 중요한 요소이다.
하지만 반도체 소재와 프로세스 상의 확연한 차이와 함께 중요한 차이점들 또한 존재한다. 첫째, GaN은 일차적으로 중요한 사양인 온 저항 RDS(ON)이 매우 낮다...(중략)

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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