차량의 전동화와 공장의 자동화 등, 전기 에너지를 사용하는 사물들은 더 늘어나고 있으며, GaN 기반기술은 더 높은 전력 밀도, 더 높은 효율을 가진 시스템을 더 작은 크기로 구현할 수 있는 방법으로 주목받고 있다. 그리고 TI는 높은 전력 밀도와 효율, 더 작은 크기를 구현할 수 있는 GaN 기술에 지난 10년간 적극적으로 투자해 왔으며, 이를 통해 자체적인 GaN-on-Si 디바이스 생산 및 패키징 역량을 최적화된 Si 드라이버 기술과 결합해 GaN이 새로운 애플리케이션을 성공적으로 지원할 수 있게 했다. 또한, TI는 자사의 GaN 기술이 4천만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트, 5GWh의 전원 변환 애플리케이션 테스트를 거쳐, 모든 시장에서 엔지니어의 신뢰성 요구 수준을 충족한다고 덧붙였다.
TI가 새롭게 선보인 LMG3525R030-Q1 차량용 650V GaN FET, LMG3425R030 산업용 GaN FET는 2.2MHz의 고속 스위칭 게이트 드라이버와 보호 기능, 능동형 전원 관리를 통합 제공하는 것이 특징이다. TI는 이 신제품들이 제공하는 특징으로, 기존 디스크리트 솔루션 대비 자기소자 크기를 59% 줄이고 10개 이상의 부품을 줄여 전체 시스템 크기를 줄이면서, 전력 밀도는 두 배 향상시킬 수 있으며, TI의 아이디얼 다이오드 모드를 통해 제3사분면 손실을 66%까지 줄이고 최대의 PFC 효율을 달성할 수 있다는 점을 소개했다. 또한 경쟁 패키징 대비 23% 낮은 열 임피던스로 열설계 간소화와 패키징 소형화가 가능하며, 이미 시장에서 검증된 신뢰성을 제공한다고 덧붙였다.
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| ▲ TI는 이미 10년 이상 GaN의 가능성을 보고 적극적으로 투자해 온 바 있다 (자료제공: TI) |
스티브 톰(Steve Tom) TI 고전압 전력 사업부 GaN 제품군 매니저는 이 자리에서, 현재 전력 반도체 시장에의 주요 요구 사항으로 높은 전력 밀도와 낮은 EMI, 높은 정밀도와 낮은 노이즈, 절연 등을 꼽았다. 그리고, 이제 자동차의 전동화나 공장의 자동화에 이르기까지 전기의 사용이 더 많아지면서, 더 작은 부피로 더 높은 전력 밀도와 효율에 대한 요구를 충족시키고, 비용과 성능, 신뢰성과 크기 등에서의 비약적인 향상을 위해서는 반도체 패키징과 토폴로지의 혁신이 필요하고, GaN 기술은 이러한 시장의 요구를 충족시키고, 지금까지 양립하기 힘들었던 가치들을 모두 함께 가져갈 수 있게 지원할 것이라 기대했다.
특히 자동차의 전동화 여정에서, 소비자들은 갈수록 더 빠른 충전과 더 먼 거리를 주행할 수 있는 차량을 원하지만, 이를 위해 차량 내부의 공간이나 차량의 무게 등을 희생하는 것을 원하지는 않는다고 지적했다. 이에, 차량 성능에 영향을 미치지 않으면서 차량 시스템의 크기나 무게를 줄이는 것이 엔지니어들의 과제가 되었다. 또한 하이퍼스케일, 엔터프라이즈 컴퓨팅 플랫폼, 5G 통신 정류기와 같은 산업용 AC/DC 전원 공급 애플리케이션에서 전력 손실을 낮추고 보드의 공간을 줄이는 것도 매우 중요한 요구사항이라고 밝혔다. 그리고 이러한 자동차나 산업용 애플리케이션에서, GaN 기술은 더 작은 크기에서 더 높은 전력 밀도와 효율을 가진 시스템을 구현할 수 있게 지원한다고 덧붙였다.
TI는 이러한 GaN 기술에 대해, 산업이나 통신, 데이터센터, 일반 소비자용 가전 등에서 미래 방향을 보고, 2010년 개발을 시작해 지금까지 10년 이상 총체적이고 지속적인 투자와 연구개발을 계속해 왔다고 강조했다. 그리고, TI는 자사의 GaN 제품이 TI 내부에서 생산되고 있는 만큼, 모든 제품에 대해 높은 수준의 품질 관리를 통해 신뢰성 있는 솔루션을 제공하고 있으며, 이미 4천만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트와 5GWh의 전원 변환 애플리케이션 테스트를 거쳐, 모든 시장에서 엔지니어가 요구하는 신뢰성을 제공하고 있다고 밝혔다.
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| ▲ TI는 높은 전력 밀도와 고효율, 통합을 통한 솔루션 효율성을 GaN FET의 강점으로 제시했다 (자료제공: TI) |
TI의 GaN FET 는 GaN 소재와 GaN-on-Si 물질 처리 기술을 통해, 기존 SiC 대비 비용과 공급망 측면에서 더 유리한 특성을 제공하며, 높은 전력 밀도와 고효율, 최적화된 Si 드라이버 기술과 결합해 극대화된 솔루션 효율성을 제공한다고 밝혔다. 특히, 전력 밀도의 두 배 향상에서는, 150V/ns 이상, 2.2MHz 이상의 높은 스위칭 속도를 제공하며, 기능 통합을 통해 디스크리트 솔루션 대비 자기 소자 크기를 59% 감소시키고, 고속 스위칭 드라이버와 내부 보호 기능 및 온도 감지 기능까지 통합해 시스템 구성에 필요한 부품 개수도 10개 이상 줄여, 필요한 보드 공간을 줄이면서 높은 성능을 달성할 수 있게 한다고 설명했다.
효율성 측면에서는, ‘아이디얼 다이오드 모드’를 통해, 고속 스위칭 사용에서 오는 전력 손실을 최소화했으며, PFC에 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 디스크리트 GaN 및 SiC MOSFET에 비해 제3사분면 손실을 66%까지 줄일 수 있다고 소개했다. 이와 함께, 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 적응형 데드 타임 제어가 필요 없이 펌웨어의 복잡성을 낮추고 개발 시간을 줄일 수 있다고 밝혔다. 패키지 측면에서도, TI의 GaN FET 패키징은 경쟁 제품 대비 열 임피던스가 23% 낮아, 열 설계를 간소화하면서 더 작은 히트싱크를 사용할 수 있고, 상단 혹은 하단 냉각 패키지로 열 설계 유연성을 극대화했으며, 통합된 디지털 온도 감지 기능을 통한 전원 관리로 시스템 열 성능을 최적화할 수 있게 했다고 덧붙였다.
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| ▲ LMG3525R030-Q1 자동차용 650V GaN FET의 주요 특징 (자료제공: TI) |
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| ▲ LMG3425R030 산업용 600V GaN FET의 주요 특징 (자료제공: TI) |
TI의 LMG3525R030-Q1 차량용 650V GaN FET는 드라이버와 보호 기능을 통합하고 있으며, 작은 크기로 EV/HEV 차량이나 충전기에서 더 빠른 충전과 주행 거리 연장이 가능한 시스템 구현을 지원한다. 특히 기존 Si 및 SiC 솔루션에 비해, 전기차의 온보드 충전 시스템 크기를 50% 줄일 수 있게 하며, 2.2MHz의 고속 스위칭 게이트 드라이버를 통합해 EV 충전기의 자기 소자 크기를 59% 줄일 수 있고, 시스템이 차지하는 공간을 최소화하면서도 더 빠른 충전 및 장기적 시스템 신뢰성을 높일 수 있게 한다고 소개했다.
LMG3425R030 600V 산업용 GaN FET는 차량의 충전 스테이션 등에 효과적으로 활용할 수 있는 솔루션으로, 높은 전력 밀도를 제공하면서도 부품 수를 줄여 시스템 크기를 최소화할 수 있고, 최대 99%의 효율을 제공하는 점이 특징으로 꼽혔다. 이 제품 또한 2.2MHz의 고속 스위칭 드라이버와 내부 보호 기능, 온도 감지 기능 등을 포함하고 있으며, Si MOSFET보다 두 배 향상된 전력 밀도와 함께 낮은 손실률을 통해 하이퍼스케일 및 엔터프라이즈 부문의 컴퓨팅 플랫폼, 5G 통신 정류기 같은 AC/DC 전원 공급 애플리케이션에서 99% 효율을 달성한다. 이와 함께, 보호 기능과 디지털 온도 보고 기능을 통합해, 능동 전원 관리 및 열 모니터링이 가능한 전원장치를 구현할 수 있게 한다.
제품의 평가를 위한 EVM은 보드와 도터 카드 형태로 구성되어 있으며, 소켓 방식으로 외부 연결이 가능해 손쉽게 외부 전원 스테이지에 연결해 빠른 평가가 가능하도록 했다. 여기에는 두 개의 30Ω GaN FET가 하프 브릿지로 구성되어 있고, 모든 필요한 바이어스 회로와 로직/전력 레벨 쉬프팅 기능도 포함되어 있다. 또한 모든 필수 전원 스테이지 및 게이트 구동 고주파 전류 루프를 포함하고 있어서, 성능은 향상시키면서 기생 인덕턴스를 최소화하고 전압 오버슈트를 감소시킨다고 설명했다.
