GaN이 KO로 승리할까요? 실리콘이 한 판 더 이길 수 있을까요?

글/Doug Bailey, Power Integrations 마케팅 담당 부사장

전기 모터의 통근 손실을 줄이거나 플라이백 컨버터의 전도 및 전환 손실을 개선할 때에 기존보다 더 나은 전원 스위치를 사용하면 전력 변환 효율성이 향상될 수 있다. 이 글에서는 비효율적인 전력 관리의 증상인 금속 방열판을 제거하는 지점으로 전력 변환 효율을 높일 수 있는 방법을 소개하고자 한다.

브러시리스 DC(BLDC) 모터의 효율성 향상을 위한 FREDFET의 역할

BLDC 모터는 긴 수명을 비롯한 여러 좋은 성능으로 인해 여러 기기의 애플리케이션에서 선호하는 기술로 채택되고 있다. 특히 최대 400W의 모터의 경우 이러한 기술을 사용하면 엔지니어는 모터 드라이버 회로의 전원 아키텍처를 다시 손볼 수 있게 된다.

Power Integrations의 Bridge-Switch™ 통합 하프 브리지(IHB) 모터 드라이버 제품군은 동기 모터(BLDC 또는 영구 자석 동기 모터, PMSM) 및 비동기 모터(예: AC 유도)를 구동하는 데에 적합하다. BridgeSwitch 소자들은 30W(일반적인 IRMS = 0.2A)에서 400W(일반적인 IRMS = 1.1A)에 이르는 인버터 설계의 경우 최대 98.5%의 효율을 낸다.

BridgeSwitch IC는 저층 및 하이사이드(LS 및 HS) 드라이버, 컨트롤러, 레벨 시프터 , 두 개의 N 채널 600V 고속 복구 에피택시 다이오드 FET(FREDFET)들에 무손실 전류 감지기능을 집적시킨다. 스위칭 소자는 높은 변환 효율성의 핵심이므로 FREDFET는 매우 빠른 회복 바디 다이오드를 가지고 있어 유도 부하를 운전하는 데 이상적이다. 이 소자는 스위칭 손실을 상당히 줄여줄 뿐 아니라 소프트 복구 특성도 제공한다. BridgeSwitch 소자의 회전속도 제어 LS 및 HS 드라이버로 구동되는 이 기능은 매우 낮은 EMI를 보장한다.

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<그림 1] 3상 BLDC 모터를 구동하는 3개의 BridgeSwitch IHB IC. LS 및 HS 통합 FREDFET를 보여주는 이 회로도에서 나타나듯이 낮은 바디 다이오드 QRR은 전력 변환 효율성을 높여주는 핵심이다.

[그림 2] LS 및 HS 통합 FREDFET의 역회수 특성. 다이오드 본체(빨간색)의 낮은 QRR은 작동 시 변환 효율을 높이는 열쇠이다. 슬루율 제어 및 1 미만의 di/dt 특성(역회수 부드러움 계수, RRSF)은 EMI를 감소시킨다.

GaN 전원 스위치로 전원 공급 장치 효율성 향상시키기

점점 더 많은 설계 디자이너들이 다양한 애플리케이션에서 GaN(질화 갈륨)기반 플라이백 AC/DC 전원 공급 장치를 사용하고 있다. GaN은 보다 효율적인 전력 트랜지스터를 활성화시켜서 전원 공급 장치를 더 작고 차갑게 해주므로 그 중요성이 커지고 있다.

트랜지스터는 실리콘으로 만들어졌든 GaN으로 만들어졌든 이상적이지 않은 소자인데 RDS(ON)라고 불리는 시리즈 임피던스 및 COSS로 알려진 병렬 정전 용량이라는 단순 모델의 비효율적인 소스로 이뤄졌다. 이 두 트랜지스터 매개 변수들은 전원 공급 장치 성능을 제한한다. GaN은 성능을 제한하는 트랜지스터의 이러한 특성으로 인한 영향을 줄여주는 새로운 소재이다. 모든 트랜지스터에서 RDS(ON) 가 감소함에 따라 다이 크기와 기생 COSS도 증가한다. GaN 트랜지스터에서 RDS(ON) 감소로 이어지는 COSS 증가비율은 크기가 낮은 순서로 된다.

RDS(ON) 는 켜진 스위치의 저항으로서 전도 손실을 초래한다. COSS 전력 손실은 CV2/2와 동일하다(그림 3). 턴온 손실은 트랜지스터가 켜져 있는 동안 RDS(ON) 을 통한COSS 방전으로 인해 초래된다. 턴온 손실은 (CV2/2) x f와 같은데 여기서 f는 스위칭 주파수이다. 실리콘 스위치를 GaN 소자로 교체하면 RDS(ON) 와 COSS 모두에 대한 값이 낮아져서 성능 저하 없이 더 높은 주파수에서 보다 효율적인 전원 공급 장치 또는 작동을 설계할 수 있게 되므로 변압기 자체의 크기가 작아진다.

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[그림 3] 주 전원 스위치의 기생 커패시턴스

전도 및 전환 손실을 줄여주는 GaN

트랜지스터의 크기를 늘린 결과는 주목할 만하다. 트랜지스터가 커지면 RDS(ON)가 줄어드는 효과가 있다. 그러나 트랜지스터가 커짐에 따라 (분명히) 더 많은 영역이 있게 되므로 기생 COSS가 늘어나 결국은 좋지 않게 된다. 최적의 트랜지스터 크기는 RDS(ON) 및 COSS의 조합을 최소화해야 한다. 이 점은 일반적으로 RDS(ON) 손실을 줄이기 위한 곡선이 COSS 손실 감소 곡선을 가로지르는 곳에서 발생한다. 커브가 교차하면 저항과 정전 용량 손실의 조합이 가장 낮게 된다(그림 4).

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[그림 4] 소자 크기와 비교해 단순화된 실리콘 MOSFET의 전력 손실 곡선

총 RDS(ON)외에도 다이 유닛 영역에 대한 총 내성과 관련된 ‘특정 RDS(ON)’라는 매개 변수가 있다. 실리콘과 비교할 때 GaN은 매우 낮은 특정 RDS(ON)를 가지는데 이로 인해 스위치가 작아지고 결과적으로 COSS도 낮아진다. 즉, 더 작은 GaN 소자는 더 큰 실리콘 소자와 동일한 전력 수준을 처리할 수 있다.

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[그림 5] 실리콘 MOSFE에 비해 총 손실이 낮은 GaN 소자

낮은 RDS(ON)와 COSS 손실 감소를 조합하면 GaN을 사용해 더 높은 효율의 전원 공급 장치 설계가 가능해지므로 열 방출을 줄일 수 있다. 이로 인해 열 부하가 감소하면 전원 공급 장치의 크기를 줄일 수 있게 된다. 주파수는 설계자가 GaN을 사용해 크기를 줄이고 전원 공급 장치 성능을 최적화하기 위해 사용할 수 있는 또 다른 도구이다.

GaN은 본질적으로 실리콘보다 효율적이기 때문에 GaN 기반 전원 공급 장치의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 이로 인해 손실이 늘어난다고 해도 여전히 실리콘 MOSFET에서의 손실 보다는 훨씬 낮은 것이서 전원 공급 장치 내의 자기 크기가 작아지게 된다.

회로 장소에서 변압기 구조 및 기생 요소에 대한 실질적인 제한은 스위칭 주파수가 얼마나 멀리 증가할 수 있는지를 규정짓는다. 실용적인 설계라면 ≤100W 등급의 GaN 기반 플라이백 어댑터에 효율성, 크기 및 저비용 의 최상의 조합을 제공하는 스위칭 주파수는 100kHz 미만일 수 있다. GaN 소자의 경우 제한 계수는 변환 속도가 아니다. COSS가 급격하게 감소하면 설계자는 손실에 대한 스위칭 주파수를 최적화해 우수한 솔루션을 만들어 낼 유연성을 많이 갖게 된다.

GaN 소자로 전원 공급 장치 효율성 개선하기

그렇다면 전원 공급 장치 효율성이 어떻게 향상될까? 실리콘 MOSFET를 사용하는 65W 플라이백 어댑터는 10% 부하에서 낮은 85% 범위로 시작해 전체 부하에서 90% 이상에 도달하는 효율 곡선을 갖는다(그림 6). Power Integrations의 GaN 기반 InnoSwitch™ 제품을 사용하는 65W 플라이백 어댑터는 10% 부하에서 약 88% 효율을 낸다. 전체 부하의 경우 GaN 소자의 효율은 약 94%에 도달한다. 실리콘 MOSFET를 GaN 소자로 교체하면 부하 전반에 걸쳐 약 3%의 효율성 향상을 기대할 수 있다.

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[그림 6] 전체 부하에서 SiC과 GaN 어댑터의 효율 비교

3%의 효율성 향상은 최소한 35% 손실 감소와 동일하다. GaN 소자로 설계를 하면 에너지를 적게 소비해 35% 적은 열을 생성시킨다. 이는 주전원 스위치가 일반적으로 기존의 전원 공급 장치에서 가장 필요한 제품이므로 아주 중요하다. GaN 전원 공급 장치는 방열 장치를 덜 필요로 한다. 무게가 훨씬 작고 가벼워서 운반이 더 쉬울 뿐 아니라 부품 온도가 낮아서 더 차갑게 가동되므로 수명 역시 길어진다.

GaN 트랜지스터로 설계하는 방법

이산 GaN 트랜지스터는 전력 변환기 설계에서 실리콘 소자의 직접 대체품으로 사용할 수 없다. GaN 트랜지스터는 기기내의 다른 구동 소자가 그 근처에 가까이 있지 않은 경우 작동하기가 더 어렵다. GaN 소자는 매우 빠르게 켜지지만 아주 잘 최적화된 구동 회로가 없으면 전자기 간섭과 파괴적인 진동에 심각한 문제를 발생할 수 있다. GaN 소자는 일반적으로 전원 스위치에 적합하지 않으므로 이산 GaN 스위치는 종종 캐스코드 배열의 저전압 실리콘 트랜지스터와 페어링된다.

Power Integrations는 견고한 설계와 출시 시간 단축을 지원하기 위해 InnoSwitch3 제품군을 제공한다. 완전히 집적된 이 플라이백 스위처 IC는 GaN소자용 주측 및 보조측 동기 정류기의 컨트롤러를 포함한다. InnoSwitch3 IC는 무부하의 낮은 전력 소비를 특징으로 하면서도 FluxLink™라는 고대역폭 통신 기술을 갖추고 있어 국제 안전 표준을 준수하는 절연 장벽에 걸쳐서도 피드백 정보를 전달한다.

InnoSwitch3 제품군에 최근 추가된 InnoSwitch3-PD는 기본 및 보조 컨트롤러와 GaN 주 스위치를 갖추고 있다. 이 소자는 완전한 USB PD 및 PPS 인터페이스 기능을 제공하므로 일반적으로 USB PD + PPS 전원 공급 장치에 필요한 마이크로 컨트롤러를 없애 준다.

Power Integrations는 다음과 같은 GaN소자들을 내놓고 있다.

• 디지털 제어를 사용하고 전원 공급 전압 및 전류의 동적 조정을 지원하는 InnoSwitch3-Pro

• 다양한 출력값을 가진InnoSwitch3-MX계열 제품들

• LED 드라이버 IC

• LYTSwitch™-6

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[그림 7] GaN 기술을 활용해 고성능 플라이백 전원 공급 장치를 제공하고 개발 시간을 줄여주는 InnoSwitch3 통합 솔루션

요약

점점 새로워지는 스위치 기술로 인해 전력 변환이 효율성을 극대화함에 따라 방열판의 필요가 점점 더 없어지고 있다. 효율성이 크게 향상되면 충전기, 산업용 및 기타 전원 관련 제품의 전원 애플리케이션에 더 친환경적이고 쉽게 더 작고 가벼운 전원 공급 장치를 장착할 수 있게 된다. FREDFET는 모터 드라이브 애플리케이션에 본질적인 이점을 제공할 뿐 아니라 역회복을 잘 조절함으로써 EMI에 대한 특별한 우려를 제거해주는 효과도 제공한다.

GaN소자는 다양한 제품으로 출시되고 있다. USB PD 어댑터, TV, 백색 가전 제품 및 LED 조명 등 60 개 이상의 응용 분야의 제품들이 이미 GaN소자가 제공하는 이점을 누리고 있다. 200W 이하의 플라이백 AC/DC 전원 공급 장치 설계의 경우 점점 더 많은 설계자들이 더 작고 가볍고 더 가벼우면서도 열 발생이 줄어들어 제품 신뢰도를 향상시켜주는 GaN소자를 선택하는 추세이다.

신제품 발표

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