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EPC의 5세대 eGaN® 기술 “새로운 차원의 성능으로 비약적 도약”

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글/Alex Lidow, CEO, Efficient Power Conversion

Efficient Power Conversion(EPC)은 세계적인 향상 모드 GaN-on-Si(eGaN®) 전력 FET 및 IC 회사로서, 제품의 크기는 절반으로 줄이면서 훨씬 더 높은 성능을 제공하는 새로운 세대의 eGaN 기술을 개발했다. EPC의 5세대 GaN 기술은 GaN-on-Si가 어떻게 빠르게 진보하고 있는지 잘 보여준다. GaN 기술은 실리콘 MOSFET과 비교해서 더 낮은 제조 비용으로 10배 더 높은 성능을 제공할 만큼 진보했다[1].

eGaN 제품의 개발 선순환

GaN 기술의 근본적인 장점은 실리콘 디바이스보다 커패시턴스가 훨씬 낮다는 것이다. 그러므로 동일한 온(on) 저항 및 전압 정격으로 더 높은 주파수로 게이트 구동 손실과 디바이스 스위칭 손실을 낮춘다. 예를 들어서 5세대 100V 7mΩ EPC2045는 500kHz 스위칭 주파수로 동작하는 48V 대 5V 회로로 동급 최상의 MOSFET과 비교해서 2.5퍼센트포인트 더 높은 효율을 달성하고 전력 손실을 30퍼센트 낮추도록 한다.

실리콘 MOSFET과 달리, eGaN FET은 크기를 훨씬 줄이면서도 스위칭 성능은 높이고 있다. 이러한 속성은 eGaN 제품 개발에 있어서 “선순환”을 가능하게 한다. 다시 말해서 갈수록 더 디바이스 크기를 줄이면서도 갈수록 더 높은 성능과 더 낮은 비용을 가능하게 하는 것이다.

새로운 세대의 제품들로 성능, 크기, 비용 상의 이러한 향상을 이룰 수 있게 된 비결은, 항복 시에 드레인 영역으로 전계를 낮추면서 전자들이 활동하지 못하게 만드는 포획 수를 크게 줄이는 혁신을 통해서다.

5세대 eGaN 기술의 개요

그림 1은 5세대 제품군의 첫 세 제품으로서 EPC2045, EPC2046, EPC2047을 보여준다. 그림 2에서는 동일한 온 저항 및 전압 정격으로 다이 크기 측면에서 최신 실리콘, EPC의 4세대, EPC의 5세대 기술을 비교한 것이다. 이 비교는 실리콘 MOSFET과 eGaN FET의 칩 크기 비교이다(플라스틱 패키지 MOSFET과 비교한 것이 아니고). 그러므로 MOSFET 다이를 패키징하면 완성된 디바이스의 풋프린트는 두 배가 되고 제조 비용 또한 증가한다는 점을 고려해야 한다. eGaN FET 및 IC는 칩 스케일 디바이스로 설계됨으로써 추가적인 패키징을 필요로 하지 않는다. 패키징은 크기, 비용, 인덕턴스, 저항을 늘리고 신뢰성 문제를 야기할 수 있다[2].

온 저항을 늘리지 않으면서 디바이스를 더 작게 만들 수 있다는 것은 제조 배치(batch)당 더 많은 디바이스를 생산할 수 있다는 뜻이고, 그러므로 제조 비용을 훨씬 낮출 수 있다. 그렇다면 이렇게 더 작아진 디바이스의 성능을 이전 세대 GaN 기술과 비교하면 어떨까?

일반적으로는 다이 크기가 줄어들면 열 저항이 나빠짐으로써 전반적인 성능이 감소되는 것으로 알려져 있다. 하지만 5세대 GaN 디바이스들은 극히 효율적인 칩 스케일 형식을 채택함으로써 다이 크기 축소에 따른 성능 감소가 그렇게 크지 않다.

뿐만 아니라, 실리콘 MOSFET과 다르게, 디바이스 크기는 작아짐에도 불구하고 스위칭 성능은 향상되었다. 그러므로 디바이스 크기는 줄이고 비용은 낮추고 더 높은 성능을 달성하는 “선순환”을 이루도록 한다. 이러한 미덕을 확인할 수 있는 것으로서, 그림 3은 48VIN ~ 5VOUT 벅 컨버터로 (a) 최신 실리콘 전력 MOSFET, (b) 4세대 eGaN FET, (c) 크기가 4세대 디바이스와 비교해서는 절반이고 동급 MOSFET과 비교해서는 1/5인 5세대 eGaN FET을 사용할 때의 효율을 보여준다. EPC2045 5세대 FET이 4세대 eGaN FET 및 최신 전력 MOSFET보다 크기가 훨씬 작음에도 불구하고 훨씬 더 높은 성능을 달성한다는 것을 알 수 있다. 

이들 새로운 eGaN FET은 시작에 불과한 것이다. EPC는 2017년에 5세대 플랫폼을 사용해서 다수의 디스크리트 및 IC 제품을 출시할 계획이다. 더 나아가서 6세대를 개발하기 위한 준비를 하고 있다. 이 놀라운 선순환 구조는 훨씬 더 높은 성능을 달성하는 기회들을 가져올 것이다.

5세대의 특징 - 4세대와 상세히 비교

5세대는 4세대와 비교해서 두 가지 중요한 향상을 들 수 있다: 

① 표 1에서 보는 것과 같은 FOM 향상: 5세대 디바이스는 커패시턴스가 훨씬 낮다. 그러므로 (동일한 온 저항 및 전압 정격으로) 더 높은 주파수로 게이트 구동 손실과 디바이스 스위칭 손실을 낮춘다.

그림 3과 그림 4에서 보듯이, RDS(on)과 VBdss 사양이 동일한 디바이스들이 동일한 회로로 각기 다른 성능을 나타낸다. 5세대 디바이스를 사용해서 이와 같이 향상된 성능을 달성할 수 있는 것은 5세대 디바이스가 더 작은 다이 크기와 결과적으로 더 높은 열 저항에도 불구하고 스위칭 손실은 더 낮기 때문이다.

②  다른 중요한 차이는 다이 크기가 더 작다는 것이다(그림 2): 흥미롭게도 더 작은 다이 크기는 고객에게 장점일 수도 있고 단점일 수도 있다. 더 작은 크기의 다이는 PCB 상으로 더 적은 공간을 필요로 한다는 점에서 장점이다. 뿐만 아니라 더 작은 크기의 다이는 더 많은 횟수의 온도 사이클을 견딜 수 있다(그림 5)[2]. 예를 들어서 5세대 200V 25mΩ EPC2046은 4세대 제품인 EPC2010C와 비교해서 100℃온도 변화로 3배 더 많은 횟수의 전원 사이클을 견딜 수 있다(4세대 EPC2034와 5세대 EPC2047 사이의 전원 사이클링 성능 차이는 30%이다. 이것은 다이 중앙에서 대각선 모서리까지의 거리에 있어서 약간의 차이로 인한 것이다. 이 치수가 디바이스의 온도 및 전원 사이클링 능력에 중대하게 영향을 미친다[2]). 텔레콤, 자동차, 산업용 같은 까다로운 애플리케이션으로는 온도 및 전원 사이클을 견디는 능력이 고객 선택에 중요하게 영향을 미치는 요소일 수 있다. 

100V 이하로 또 다른 중요한 향상으로서, 5세대 제품군은 전기 단자들 사이의 간격을 늘렸다. 4세대 제품은 100V 이하 정격으로 단자들 사이의 간격이 400μm 피치이다. 이와 같이 조밀한 피치는 저가형 PCB 제조사와 두꺼운 구리 트레이스를 사용할 때 일을 까다롭게 할 수 있다. 5세대 제품은 100V 이하로 450μm 피치로 넓혔다. 200V 5세대 제품은 4세대와 마찬가지로 600μm 간격이다(그림 6 및 그림 7). 

[그림 6] 4세대 디바이스와 비교해서 100V 5세대 트랜지스터는 단자 피치를 450μm로 늘렸다.

[그림 7] 200V 5세대 트랜지스터의 단자 피치는 4세대 200V와 마찬가지로 600μm이다.

5세대의 더 작은 다이 크기의 단점은, 4세대 제품보다 열 저항이 높을 수 있다는 것이다. 표 2는 동일한 RDS(on) 및 VB 정격으로 4세대와 5세대 디바이스의 열 저항을 비교해서 보여준다. EPC의 모든 eGaN FET 및 IC는 칩 스케일 패키지이기 때문에 두 가지 점에서 다이 크기가 열 저항에 미치는 영향을 완화한다. (1) 패키징된 디바이스와 비교해서 칩 스케일 패키지와 주변 환경 사이의 열 임피던스가 감소하고, (2) 다이 후면으로 히트싱크를 사용하지 않으면 PCB 디자인이 열 저항에 가장 크게 영향을 미친다는 것이다. 

[표 2]4세대와 5세대 eGaN FET의 열 특성 비교

애플리케이션

Efficient Power Conversion이 2010년 3월에 1세대 eGaN FET을 출시했을 때, 기대하지 않았던 새로운 애플리케이션들이 이 기술의 얼리 어돕터가 되었다. 이것은 실리콘을 훨씬 능가하는 갈륨 나이트라이드의 뛰어난 성능 때문이었다. 자율 자동차의 라이다(Light Distancing and Ranging), 무선 충전, 첨단 차량용 LED 헤드램프, RF 신호 포락선 추적 같은 애플리케이션으로부터 주문이 늘어났으며, DC-DC 전원장치를 제조하는 전통적인 MOSFET 사용자들이 자신들의 경쟁력을 높이는 것에 있어서 이 기술의 장점을 알아보기 시작했다. 5세대로도 이 사이클은 반복되고 있다. 

예상치 않았던 애플리케이션들이, GaN 기술의 진보로 성능 상의 비약적인 도약을 이루고 있는 이들 제품을 앞다퉈 채택할 것으로 기대된다. 그런데 몇몇 애플리케이션들은 eGaN 기술을 도입하는 것을 주저해 왔다. MOSFET과 비교했을 때 상대적인 가격대 성능비가 새로운 기술을 도입할 때의 위험성을 상쇄하기에 충분히 매력적이지 않았기 때문이다. 그런데 이제 이러한 애플리케이션 및 고객들까지도 오래되고 침체된 실리콘 플랫폼에서 활력이 넘치는 GaN 기반 제품으로 넘어갈 이유가 충분해졌다.

이러한 범주에 들어 가는 애플리케이션 중의 하나가 확고하게 자리잡고 있는 48VIN 절연형 및 비절연형 전원장치이다. 이 분야는 가격 경쟁이 치열한 시장으로서, 전력 밀도와 효율을 중요하게 요구한다. eGaN FET 및 IC는 언제나 더 높은 효율과 전력 밀도를 제공했으나[3] 그 차이가 기술적 투자를 정당화하기에 충분하지 않았다. 그런데 이제 5세대가 등장함으로써 이 차이는 두 배 이상이 되었으며, 서버, 랩톱, 태블릿, 게이밍 시스템의 DC-DC 변환에 eGaN 디바이스를 사용하는 것이 논란의 여지없이 확실히 매력적이게 되었다.

멀티 레벨 AC-DC 전원장치는 노트북 용의 초소형 AC 어댑터에 널리 사용되고 있다. 이러한 전원장치의 입력과 출력 모두로 5세대 제품을 사용함으로써 상당한 효율 향상을 이루고 폼팩터를 더욱 더 소형화할 수 있다.

드론이나 치과용 드릴 같은 애플리케이션에 사용되는 저 인덕턴스 고속 모터 드라이브에도 더 작은 크기로 높은 주파수로 스위칭 손실을 낮추는 eGaN 제품을 활용하기에 적합하다.

GaN 디바이스를 사용하는 것에 관심을 나타내고 있는 그 밖의 애플리케이션들로는 태양광 마이크로 인버터, 로보틱스, 클래스-D 오디오 증폭기, LED 조명, 차량용 센서 및 자율 주행차에 사용되는 저가격대 라이다 시스템을 들 수 있다.

맺음말 - 혁신의 가속화!

EPC의 5세대 기술은 GaN이 전통적인 실리콘 MOSFET을 대체하는 것을 가속화하기 위해서 필요한 모든 측면을 충족한다. 스위칭 속도, 작은 크기, 경쟁력 있는 가격대, 높은 신뢰성이 eGaN FET을 경쟁에서 앞서가도록 한다. 고성능 GaN FET과 함께, 5세대 기술을 채택해서 조만간 출시 예정인 IC 제품들은 한층 더 유리한 가격대 성능비를 제공할 것이다. GaN과 실리콘 기술의 격차는 벌어지고, GaN은 무시하기에 너무나 매력적인 기술이 되었다. 

[참고문헌]

[1] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Second Edition, Wiley, 2014.

[2] C. Jakubiec, R. Strittmatter, and C. Zhou “EPC eGaN® FETs Reliability Testing: Phase 9,” epc-co.com

[3] D. Reusch and J. Glaser, DC-DC Converter Handbook - A Supplement to GaN Transistors for Efficient Power Conversion, First Edition, Power Conversion Publications, 2015.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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