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eGaNⓇ FET 기반 300W, 48V 입력 디지털 제어식 1/16 브릭 DC-DC컨버터


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글/Yuanzhe Zhang, Director, Applications Engineering, Efficient Power Conversion
     Andreas Reiter, Director, Applications Engineering,Digital Power Supplies, Microchip Technology
     Michael de Rooij, Vice President of Applications Engineering, Efficient Power Conversion


소개

브릭 DC-DC 컨버터는 공칭 48V를 5V, 9V, 12V와 같은 다양한 출력 공칭 전압으로 변환하므로 데이터 센터, 통신 및 자동차 애플리케이션에 광범위하게 사용된다. 업계의 주요 경향은 고정된 폼팩터에서 전력 밀도를 높이는 방향으로 나아가고 있다.
이 글은 최대 25A 출력 전류, 300W 출력 전력, 95% 피크 효율, 730W/in3 최대 전력 밀도로 48V에서 12V, 9V 및 5V 애플리케이션을 구현하는 eGaNⓇ FET를 이용한 디지털 제어식 1/16 브릭 컨버터의 설계를 살펴본다.
1/16 브릭 컨버터의 표준 크기는 33 x 22.9mm(1.3 x 0.9인치)이다. 이 설계의 높이 제한은 10mm(0.4인치)로 설정된다.

설계 과제

고전력 밀도 1/16 브릭 컨버터의 핵심 과제는 자기부품이다. 공간과 용적 제약으로 인해 자기부품은 크기와 형태가 제한된다. 또한 높은 출력 전류(최대 25A)는 높은 포화 전류 정격을 필요로 하지만, 통상 높은 포화 전류를 갖는 인덕터는 부피가 크다. 2상 동기식 벅 토폴로지를 사용하면 2개의 인덕터가 출력 전류를 공유할 수 있어 피크 전류 요구사항을 낮출 수 있다. 간단한 회로도를 그림 1에서 볼 수 있다.

TT(eGaN)-1.jpg

[그림 1] 1/16 브릭 컨버터의 간단한 회로도 다이어그램

두 번째 과제는 스위칭 트랜지스터의 선택에 있다. 자기부품이 보드 공간의 상당한 부분을 차지하기 때문에 트랜지스터는 매우 우수한 하드 스위칭 성능 지수[2]와 소형 풋프린트를 가져야 한다. 이러한 요구사항을 만족하기 위해 칩 스케일 패키지의 100V GaN FET(EPC2053)를 사용한다.
다음 과제는 GaN 호환 컨트롤러가 부족하다는 점이다. 상용 MOSFET 컨트롤러는 보통 긴 데드타임(> 20ns)과 느린 감쇠 게이트 드라이버를 가지며, 스위치 노드에서 -2 ~ -3V의 음 전압을 처리할 수 없다. 그 결과 적절한 동작을 보장하기 위해 MOSFET 컨트롤러 회로를 조정할 필요가 있으며, 이는 효율 희생이 따른다. 이러한 설계에서 dsPIC33 마이크로컨트롤러를 사용하면 GaN FET의 높은 성능을 완전하게 이용할 수 있다.
  
전력단 설계


동기식 벅 컨버터는 기본 토폴로지로 선택된다. 최대 출력 전류가 25A인 것을 고려하면 단일 인덕터를 사용할 경우 30% 피크-평균 전류 리플을 가정할 때 전류 정격은 최소 33A가 되어야 한다. 이러한 요구사항을 만족하는 인덕터는 높이 제한에 맞지 않는다. 2상 동기식 벅 컨버터에서 각 인덕터는 12.5A DC 전류만 전도한다. 30% 리플에서 피크 전류는 16.25A이다.
컨버터 크기와 전도 손실을 줄이기 위해 3.2mΩ RON을 갖는 eGaN FET를 사용한다. 또 GaN 전용 게이트 드라이버인 uPI 세미컨덕터사(uPI semiconductor)의 uP1966A를 선택한다. 이렇게 하면 역병렬 다이오드(그림 1의 D2)가 필요 없고 손실이 감소된다.
eGaN FET의 빠른 스위칭을 이용하려면 전력 루프 인덕턴스를 최소화할 필요가 있다. 최적의 레이아웃[1,2] 기법에 따라 인쇄회로기판(PCB)의 두 번째 층은 접지면이다. 향상된 히트싱킹을 위해 접지면의 또 다른 2층이 이 6층 PCB에 포함된다.
TDK B82559 시리즈 인덕터[3]는 13 x 10.7mm(0.51 x 0.42인치) 크기와 5mm 또는 6mm 높이를 갖는 우수한 옵션이다. 이들 인덕터는 또한 높은 포화 전류 정격과 낮은 DCR을 갖는다. 2.4μH 인덕터는 16.5A의 포화 전류 정격을 갖는다. 500kHz 스위칭 주파수를 선택하여 포화 전류 요구사항을 만족하는 공칭 동작 조건에서 16.25A 피크 전류를 생성한다.

디지털 제어

컨트롤러 호환 문제를 해결하기 위해 마이크로칩(Micro-chip)의 dsPIC33CK 디지털 컨트롤러[4]를 사용한다. 이 제품은 최대 CPU 속도가 100MIPS인 16비트 프로세서이다. 펄스폭 변조(PWM) 모듈을 고분해능 모드로 구성하여 듀티 사이클과 데드 타임에서 0.25ns 분해능을 달성할 수 있어 데드타임의 정확한 조정이 가능하므로 GaN FET의 높은 성능을 완전하게 이용할 수 있다.
디지털 제어 루프에는 두 가지 옵션으로 a) 멀티 루프 컨트롤러 또는 b) 위상 전류 밸런싱 기능이 있는 단일 전압 루프가 있다. 두 옵션은 모두 감지 저항과 차동 증폭기로 구성되는 전류 감지 회로를 필요로 한다. 이 설계에서는 1mΩ 감지 저항과 저잡음 증폭기 MCP6C02가 사용된다. 멀티 루프 컨트롤러 a)는 2개의 독립적인 내부 전류 루프에 동일한 전류 레퍼런스 IREF를 제공하는 단일 전압 루프를 사용한다. 그 결과 두 인덕터의 전류가 동일한 값으로 조절된다. 2개의 내부 전류 루프의 대역폭은 10kHz로 설정되고, 외부 전압 루프 대역폭은 2kHz로 설정된다.
단일 전압 모드 컨트롤러 b)는 강제 방식의 주기별 PWM 스티어링을 채택하여 자동적으로 잘 균형잡힌 위상 전류를 생성한다. 두 위상의 고도로 대칭적인 설계 덕분에 추가적인 전류 밸런싱만 사용하여도 구성요소 허용오차가 보상되기 때문에 더 낮은 주파수에서 동작할 수 있다. 따라서 전류 피드백 대역폭 요구사항을 낮출 수 있으며, 그 결과 설계를 더 비용 효율적으로 구현할 수 있다. 향상된 순방향 제어 방식을 사용하여 변화하는 입력 및 출력 전압에서 루프 이득을 안정화함으로써 컨버터의 출력 임피던스를 안정화하고 출력 임피던스를 튜닝하여 PDN 디커플링을 최적화할 수 있다. 이 설계에서 제어 대역폭을 30kHz로 증가시키기 위해 디지털 방식 IV 전압 모드 컨트롤러를 선택했으며, 결과적으로 기존 멀티 루프 방식보다 15배 빠른 속도를 달성함으로써 과도 상태에서 전압 차이를 줄이고 전력 분배 네트워크(PDN) 디커플링 용량을 최소화하도록 도와준다.

실험 구성

그림 2는 EPC9531 테스트 픽스처에 장착된 1/16 브릭 컨버터(EPC9143)의 사진을 보여준다. 전력단 구성요소(게이트 드라이버, GaN FET, 인덕터)는 윗면에 있고, 제어 구성요소(전류 감지 증폭기, 디지털 컨트롤러)는 아랫면에 있다(그림 2 참조).

TT(eGaN)-2.jpg

[그림 2] EPC9531 테스트 픽스처에 장착된 1/16 브릭 컨버터 EPC9143과 1/16 브릭 컨버터의 아랫면

설계의 전체 수직 높이는 9.1mm로, 여기에는 인덕터 6mm, PCB 두께 1.6mm, 하단 구성요소(0805 크기 커패시터) 1.5mm가 포함된다.
EPC9531 테스트 픽스처는 47μF의 추가 입력 커패시턴스와 200μF의 추가 출력 커패시턴스를 갖는다. 이러한 추가된 커패시턴스는 컨트롤러 안정성을 유지하는 데 도움을 준다. 픽스처는 또한 프로그래밍 포트와 USB 통신을 제공한다.

설계 결과

800LFM 공기 흐름으로 최대 25A 출력 전류 범위와 5V, 9V 및 12V의 다양한 출력 전압에서 측정된 열 안정 상태 효율과 손실은 그림 3에서 볼 수 있다. 피크 효율은 12V 출력에서 전류가 20A~25A일 때 95%이다. 그림 4의 열 이미지에서 보듯이 최대 디바이스 온도는 100℃에 도달했다.
공간 제한으로 인해 브릭 컨버터는 총 8.2uF 입력 커패시터만 맞출 수 있다. 별도의 2uF 커패시턴스가 추가될 때 피크 효율이 95.8%로 향상되고 손실이 2.7W(15%) 감소된다.

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[그림 3] 1/16 브릭 컨버터에서 측정된 효율 및 손실

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[그림 4] 열 안정 상태에서 동작하는 1/16 브릭 컨버터의 열 이미지. Vin = 48V, Vo = 12V, 25A 출력 전류, 공기 흐름 800LFM

결론

지금까지 GaN FET를 사용하여 첨단 MOSFET 설계에 비해 최대 부하 전류를 증가시킬 수 있다는 것을 보여준 고전력 1/16 브릭 컨버터의 설계 과제를 살펴보았다. 48V 입력에서 12V 최대 출력, 최대 25A의 출력 전류 성능을 갖는 300W 컨버터 설계에서 95%의 컨버터 피크 효율을 달성하는 것을 확인했다. 별도의 2uF 입력 커패시턴스가 추가될 경우 피크 효율이 95.8%에 도달할 수 있다.


참고 문헌
[1] A. Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, and J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd ed. John Wiley & Sons, 2019. ISBN: 978-1119594147.
[2] D. Reusch and J. Glaser, “DC-DC Converter Handbook - A Supplement to GaN Transistors for Efficient Power Conversion,” 1st ed. Power Conversion Publications, 2015, ISBN 978-0-9966492-0-9.
[3] TDK. (2012). SMT power inductors, [Online]. Available: https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/30/db/ind 2008/b82559 a013.pdf.
[4] Microchip Technology Inc. Intelligent Power Design Center, [Online]. Available: https://www.microchip.com/SMPS
[5] Microchip Technology Inc. (2019). 16-bit PIC Microcontrollers Family, [Online]. Available: https://www.microchip.com/design-centers/16-bit/products/dspic33c.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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