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고효율 전원 공급 장치에 GaN 스위치를 사용하는 방법

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글/Jeff Shepard, Digi-Key 북미 편집자 제공

콤팩트 100W 전원 공급 장치의 응용 분야가 AC-DC 충전기 및 어댑터, USB 전력 공급(PD) 충전기, 고속 충전(QC) 어댑터, LED 조명, 백색 가전, 모터 구동기, 스마트 계측기, 산업 시스템 등으로 계속해서 증가하고 있다. 이러한 오프라인 플라이백 전원 공급 장치 설계자는 내구성과 신뢰성을 보장하는 동시에 계속해서 비용을 줄이고, 효율성을 개선하고, 폼 팩터를 줄여서 출력 밀도를 높여야 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 실리콘(Si) 전원 스위치를 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭(WBG) 기술을 기반으로 하는 장치로 대체할 수 있다. 그러면 즉시 전원 공급 장치의 효율성이 개선되고 방열 필요성이 감소되어 출력 밀도를 높일 수 있다. 하지만 Si에 비해 GaN 스위치는 구동하는 데 어려움이 있다.

설계자는 부유 유도 용량 및 정전 용량, 고주파 발진과 같은 빠른 스위칭 속도 관련 문제를 극복할 수 있지만, 그러면 개발 시간과 비용이 증가한다. 대신 설계자는 GaN 전력 소자가 내장된 고집적 오프라인 플라이백 스위처 IC로 전환할 수 있다.

이 기사에서는 GaN의 장점과 설계 관련 문제를 간략하게 설명한 다음, Power Integrations의 GaN 전원 스위치가 내장된 세 집적 오프라인 플라이백 스위처 IC 플랫폼을 소개하고 해당 플랫폼을 사용하여 고효율 전력 컨버터 설계를 생성하는 방법을 알아본다. 또한 보완적인 MinE-CAP 벌크 커패시터 소형화와 유입 관리 IC에 대해 살펴보고 유용한 온라인 설계 환경을 알아본다.

GaN이란 무엇이고 이점은 무엇인가?

GaN은 Si에 비해 '온스테이트' 저항이 낮고, 항복 강도가 높고, 스위칭 속도가 빠르며, 열 전도율이 우수한 WBG 반도체 소재이다. Si 대신 GaN을 사용하면 켜고 끄는 동안 스위칭 손실이 훨씬 낮은 스위치를 제조할 수 있다. 또한 동등한 온스테이트 저항을 가진 GaN 소자가 동급 Si 소자보다 훨씬 작다. 따라서 주어진 다이 크기에서 GaN 전원 스위치의 결합된 전도 손실과 스위칭 손실이 더 낮다(그림 1).

[그림 1] 주어진 다이 크기에서 GaN 소자는 Si MOSFET에 비해 온스테이트 저항이 낮아서 총 손실이 더 작다. (이미지 출처: Power Integrations)

GaN은 분명한 장점이 있지만 설계하는 데 까다로울 수 있다. 예를 들어 GaN 소자의 스위칭 속도가 매우 빠르기 때문에 구동 회로 레이아웃이 pc 기판 및 이산 소자 GaN 패키지의 부유 유도 용량 및 정전 용량에 매우 민감할 수 있다. GaN 소자를 구동할 때 발생할 수 있는 빠른 전압 스윙(dv/dt)과 고주파 발진으로 인해 더 많은 전자파 장해(EMI)가 발생하는 데, 컨버터 효율성이 저하되는 것을 방지하기 위해 EMI를 필터링해야 한다. 또한 GaN 소자는 빠른 스위칭 속도로 인해 보호 회로망이 반응하기 전에 소자가 손상될 수 있으므로 고장 상황에서 보호되기 어렵다.

성능 저하 없는 단순성

Power Integrations는 준공진형 InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP 및 InnoSwitch3-Pro PowiGaN 스위처 IC로 이러한 복잡성을 해결했다(그림 2). PowiGaN은 Power Integrations에서 내부적으로 개발한 GaN 전원 스위치 기술이며, InnoSwitch3 오프라인 플라이백 스위처 IC의 1차측에 있는 기존 실리콘 트랜지스터를 대체한다. 대신 PowiGaN은 1차 회로, 2차 회로, 피드백 회로를 단일 표면 실장 장치(SMD) InSOP-24D 패키지에 통합한다. 그러면 장치의 구동기 복잡성과 EMI 발생을 줄이면서, 전도 손실과 스위칭 손실을 줄이고 어댑터와 충전기의 효율성을 높이며 무게와 크기를 줄이고, 개방형 프레임 전원 공급 장치를 지원할 수 있다.

[그림 2] GaN 스위치가 있는 InnoSwitch3 오프라인 플라이백 스위처 IC는 공간 절약형 InSOP-24D 패키지로 제공된다. (이미지 출처: Power Integrations)

이 접근법을 이용하면 전원 공급 장치 설계자가 까다로운 GaN 기술에 의한 방해 없이 전력 공급, 열 성능, 폼 팩터 및 응용 분야의 기타 고려 사항에 집중할 수 있다.

PowiGaN 기술을 적용한 세 InnoSwitch3 제품군은 특정 응용 분야에 맞게 최적화되었다.

• InnoSwitch3-CP는 정전력 프로파일을 활용할 수 있는 배터리 충전과 같은 응용 분야에 적합하다.

• InnoSwitch3-EP는 다양한 소비자 응용 분야와 산업 응용 분야의 개방형 프레임 AC-DC 전원 공급 장치에 적합하다.

• InnoSwitch3-Pro 장치는 정전압(CV) 및 정전류(CC) 설정값, 안전 모드 옵션 및 예외 처리를 소프트웨어로 제어하기 위한 I²C 디지털 인터페이스가 포함되어 있다.

InnoSwitch3 IC는 준공진형 제어를 제공하고, 전체 부하 범위에서 최대 95% 효율성을 제공하며, 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 정확한 CV, CC 및 정전력(CP) 출력을 지원하며, 무손실 전류 감지 기술을 포함한다. 후자의 경우 효율성을 떨어뜨리고 이산 소자 설계에서 많은 GaN 스위치의 저항을 초과할 수 있는 외부 전류 감지 저항기가 필요하지 않다.

스위치의 기타 주요 특징으로는 2차측 감지, 동기식 정류 MOSFET 전용 구동기, 4,000V 교류(AC) 절연을 초과하는 1차측 컨트롤러와 2차측 컨트롤러 사이의 집적 FluxLink 유도성 결합 피드백 연결, 글로벌 에너지 효율성 요구 사항 준수, 낮은 EMI, 안전 및 규정 준수(UL1577 및 TUV(EN60950 및 EN62368) 안전 승인), 100% 부하 단계에 대한 즉각적인 과도 응답이 있다.

디지털 제어 가능 오프라인 CV/CC QR 플라이백 스위처 IC

다중 화학 물질 및 다중 프로토콜 배터리 충전기, 조정 가능한 CV 및 CC LED 밸러스트, 고효율 USB PD 3.0+ 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS), QC 어댑터 및 유사한 응용 제품의 설계자는 최대 90W를 제공하는 AC-DC 어댑터와 최대 100W의 개방형 프레임 AC-DC 전원 공급 장치에 사용 가능한 INN3378C, INN3379C, INN3370C를 비롯한 완전히 프로그래밍 가능한 InnoSwitch3-Pro IC를 사용할 수 있다(표 1). 이러한 장치는 출력 전류 및 전압 조정을 세부적으로 제어해야 하는 경우에도 유용하다(10mV 및 50mA 단계 지원).

[표 1] InnoSwitch3-Pro IC의 정격 작동 전압은 230VAC ±15% 입력 및 85VAC ~ 265VAC 입력이다. (표 출처: Power Integrations)

InnoSwitch3-Pro 장치의 I²C 인터페이스는 완전히 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치의 개발과 생산을 간소화하며(그림 3), 출력 전류 및 전압을 동적으로 제어할 수 있다. 또한 전원 공급 장치를 구성하고, CV, CC 및 CP 설정값 및 보호 설정(예: 과전압 및 부족 전압 임계값)을 제어하고, 장애 보고를 처리할 수 있다. 통합 3.6V 공급 장치를 사용하여 외부 마이크로 컨트롤러(MCU)를 구동할 수 있다. 또한 30mW 미만의 무부하 전력 소비(감지 라인 및 MCU 포함)는 모든 글로벌 에너지 효율성 요구 사항을 충족한다.

[그림 3] InnoSwitch3-Pro IC에는 완전한 디지털 제어 및 모니터링을 위한 I2C 인터페이스와 외부 MCU 구동을 위한 통합 3.6V 공급 장치(uVCC)가 포함되어 있다. (이미지 출처: Power Integrations)

하드웨어 구성 가능 솔루션

디지털 프로그래밍 또는 모니터링이 필요하지 않은 응용 분야를 위해 Power Integrations는 InnoSwitch3-CP(그림 4) 및 InnoSwitch3-EP 하드웨어 구성 가능 솔루션 제품군을 제공한다. InnoSwitch3-Pro와 마찬가지로 InnoSwitch3-CP 및 InnoSwitch-EP 장치에는 1차 및 2차 컨트롤러와 4000 VAC를 초과하는 강화된 분리 등급이 단일 IC에 포함되어 있다. 보호 기능으로는 출력 과전압 및 과전류 제한, AC 라인 과전압 및 부족 전압 보호, 과온 차단 기능이 있다. 이 장치는 높은 잡음 내성을 제공하여 EN61000-4 클래스 “A” 성능 수준을 충족하는 설계를 지원한다.

[그림 4] 1차측 컨트롤러와 2차측 컨트롤러 간에 FluxLink 유도성 결합 피드백 연결(점선)을 사용하는 일반 응용 분야의 InnoSwitch3-CP를 보여준다. (이미지 출처: Power Integrations)

최대 100W 고효율 플라이백 컨버터 설계자는 USB PD, QC 어댑터 등과 같은 응용 분야에서 INN3278C, INN-3279C, INN3270C와 같은 InnoSwitch3-CP 장치를 사용할 수 있다(표 2). 이러한 QR 스위처 IC는 정전력 프로파일로 CV 및 CC 모드를 제공하고, 래칭 및 자동 재시작 표준 조합을 지원한다. 케이블 강하 보정은 선택적 기능이다.

[표 2] InnoSwitch3-CP 제품군의 어댑터 및 개방형 프레임 설계 전력 등급 (표 출처: Power Integrations)

정전력 작동을 사용하지 않는 백색 가전, 소비자 제품, 컴퓨터 등을 위한 전기 계측기, 산업 및 스마트 그리드 전원 공급 장치, 대기 전력, 바이어스 전력과 같은 응용 분야의 경우 설계자는 INN3678C, INN3679C, INN-3670C과 같은 InnoSwitch3-EP 장치를 선택할 수 있다(표 3).

[표 3] InnoSwitch3-EP IC는 최대 전력 등급은 230VAC ±15%이며, 85VAC ~ 265VAC의 폭넓은 입력 범위에서 출력을 낮출 수 있다. (표 출처: Power Integrations)

InnoSwitch3-EP 장치는 우수한 다중 출력 교차 규정을 지원한다. 외부 저항기로 출력 전류 감지를 조정할 수 있으며, CV/CC 성능이 외부 부품에 상관없이 매우 정확한다. QR 플라이백 스위처 IC는 자동 재시작 출력 부족 전압 보호 기능을 선택 사양으로 제공하며, 표준 또는 피크 전력 공급 옵션으로 주문할 수 있다.

벌크 커패시터 최소화 및 유입 관리

AC-DC 전원 공급 장치의 부품 수를 줄이고 성능을 개선하기 위해 InnoSwitch3 PowiGaN IC를 사용하는 설계자는 보완적인 MinE-CAP 벌크 커패시터 최소화 및 유입 관리 IC를 활용하여 매우 높은 출력 밀도로 설계할 수 있다(그림 5). MinE-CAP은 입력 벌크 커패시터의 부피를 최대 50% 줄일 수 있으며, 유입 전류 제한 반비례 온도 계수(NTC) 서미스터가 필요하지 않다. 또한 MinE-CAP을 사용하면 입력 브리지 정류기 및 퓨즈의 응력을 줄여서 전원 공급 장치의 신뢰성을 개선할 수 있다.

[그림 5] MinE-CAP 벌크 커패시터 최소화 및 유입 관리 IC는 고밀도 AC-DC 전원 공급 장치에서 InnoSwitch3 오프라인 플라이백 스위처 IC를 자연스럽게 보완한다. (이미지 출처: Power Integrations)

InnoSwitch3 IC와 마찬가지로 MinE-CAP은 PowiGaN 장치의 작은 크기와 낮은 온스테이트 저항을 활용하여 향상된 시스템 성능을 제공한다. MinE-CAP은 AC 선간 전압 상태에 따라 벌크 커패시터 네트워크의 세그먼트를 자동으로 연결하고 분리한다. 따라서 설계자는 가장 작은 벌크 커패시터(그림 5의 CHV)를 사용하여 높은 AC 선간 전압을 작동하고, 대부분의 에너지 저장 장치를 낮은 라인 조건에서 사용하기 위해 저전압 커패시터(CLV)에 배치할 수 있다. 저전압 커패시터는 고전압 커패시터보다 훨씬 작으므로, MinE-CAP을 사용하면 효율성 저하와 출력 리플 증가 없이 전력 변압기를 다시 설계할 필요 없이 벌크 입력 커패시터의 전체 크기를 줄일 수 있다.

MinE-CAP을 사용하면 전원 공급 장치의 크기를 줄일 수 있다. 이는 스위칭 주파수를 높여서 변압기 크기를 줄이는 것만큼 효과적이다. MinE-CAP 솔루션은 더 적은 수의 부품을 사용하며 변압기/클램프 방출 증가, 높은 EMI 발생과 같은 고주파 설계 문제가 발생하지 않는다.

온라인 설계 도구

또한 Power Integrations는 InnoSwitch3 라인 PowiGaN 집적 오프라인 플라이백 스위처 IC를 사용하여 오프라인 플라이백 AC-DC 전원 공급 장치 설계를 가속화하기 위해 PI Expert를 제공한다. 자동화된 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 기반으로 구축된 PI Expert는 전원 공급 장치 사양을 사용하여 전력 변환 솔루션을 자동으로 생성한다. 또한 설계자가 프로토타입 전력 컨버터를 구축하여 테스트하는 데 필요한 모든 세부 사항을 제공한다. PI Expert를 사용하는 설계자는 몇 분 이내에 전체 설계를 나타낼 수 있다.

PowiGaN 기반 InnoSwitch3 IC를 사용하여 설계하는 것은 Si 기반 InnoSwitch3 장치를 사용하는 것과 같다. PI Expert는 PowiGaN 및 Si 장치에 대한 스위칭 주파수, EMI 필터링, 변압기 설계, 바이어싱, 동기식 정류를 최적화할 때 동일하게 작동한다. 이 도구는 PowiGaN 기반 설계의 높은 전압을 수용하는 데 필요한 모든 변경을 자동으로 구현한다. 또한 pc 기판 레이아웃에 대한 대화식 회로도, 전체 BOM, 세부 전기 파라미터 및 권장 사항을 생성한다. 결과에는 코어 크기, 전선 두께, 병렬 전선 수, 각 배선의 회전 수, 기계적 조립품에 대한 권선 지침을 포함하는 완벽한 자기 설계가 포함된다.

결론

설계자는 AC-DC 충전기 및 어댑터, 산업 시스템 등 다양한 응용 분야를 위한 오프라인 100W 전원 공급 장치의 출력 밀도를 높이고, 비용을 절감하고, 개발 시간을 줄여야 한다. GaN WGB 기술을 사용하면 도움이 되지만 GaN으로 설계하려면 기판 레이아웃 및 고속 스위칭과 관련한 기타 문제에 주의해야 한다.

위에서 살펴본 바와 같이 InnoSwitch3 QR 플라이백 스위처 IC를 기반으로 하는 통합된 접근 방식을 사용하면 설계자가 신기술 채택과 관련한 일반적인 위험을 줄이면서 GaN 스위치의 성능 장점을 제공하는 세련된 고효율 전력 컨버터를 개발할 수 있다.

InnoSwitch3를 Power Integrations의 MinE-CAP 유입 전류 관리 및 벌크 커패시터 최소화 IC 및 PI Expert 온라인 설계 도구와 함께 사용하여 설계자는 글로벌 효율성 표준을 충족하는 적은 수의 부품으로 강력하고 비용 효율적인 콤팩트 전원 공급 장치를 빠르게 구현할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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