텍사스 인스트루먼트(TI)는 자사의 고전압 전원 관리 제품 포트폴리오에 차세대 650V 및 600V 질화 갈륨(GaN) 전계 효과 트랜지스터(FET) 제품군 'GaN FET'을 추가한다고 25일 밝혔다. 2.2MHz 고속 스위칭 게이트 드라이버가 통합된 GaN FET은 차량용과 산업용 애플리케이션에 최적화된 제품이다. TI는 특허 받은 'GaN' 소재와 'GaN-on-silicon(Si)' 물질 처리 기술을 통해 실리콘 카바이드(SiC) 소재에 비해 비용과 공급망 측면에서 더 유리한 새로운 FET을 개발했다.
엔지니어들은 이 같은 신제품 군을 통해 △전력 밀도는 두 배로 높고 △99% 효율성을 달성하며 △기존 솔루션 대비 자기 소자 크기를 59%까지 축소할 수 있는 솔루션을 개발할 수 있게 됐다.
차량 전동화는 자동차 산업을 근본에서부터 변화시키고 있다. 소비자들은 더 빠른 충전과 더 먼 거리를 주행할 수 있는 차량을 원한다. 이에 따라 차량 성능에 영향을 주지 않으면서 차량 시스템의 크기와 무게를 줄이는 것이 엔지니어의 핵심과제로 떠올랐다.
GaN FET을 사용하면 기존 Si나 SiC 솔루션에 비해 전기차(EV) 온보드 차저와 DC/DC 컨버터 크기를 최대 50%까지 축소할 수 있다. 이 디바이스를 통해 엔지니어는 설계 시 배터리 범위를 확장하는 동시에 비용을 절감할 수 있다.
한 전문가는 “하이퍼스케일, 엔터프라이즈 컴퓨팅 플랫폼, 5G 통신 정류기와 같은 산업용 AC/DC 전원 공급 애플리케이션에서 전력 손실을 낮추고 보드 공간을 줄이는 것은 매우 중요한 요구사항”이라며 “새로운 디바이스를 통해 산업용 설계에서 높은 효율과 전력 밀도를 달성할 수 있다”고 말했다.
아시프 안와르 스트래티지 애널리틱스 이사는 “GaN 같은 광대역 간극 반도체 기술은 전력 전자 시스템, 특히 고전압 시스템에 확고한 이점을 제공한다”고 말했다. 또 “10년 이상 지속적 투자와 연구개발을 통해 TI는 자체적인 GaN-on-Si 디바이스 생산·패키징 역량을 Si 드라이버 기술과 결합했다”고 덧붙였다.
스티브 램버스 TI 고전압 전원 부문 부사장은 “산업용과 차량용 애플리케이션은 점점 더 작은 공간에서 더 높은 전력을 요구 한다”며 “엔지니어들은 최종 애플리케이션이 긴 수명과 안정성을 갖추고 작동하도록 검증된 전원 관리 시스템을 필요로 한다”고 설명했다. 그는 “TI의 GaN 기술은 4000만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트와 5GWh의 전원 변환 애플리케이션 테스트를 거쳐 엔지니어가 요구하는 수준의 신뢰성을 확보했다”고 강조했다.
<'GaN FET'이 가져올 변화>
차량용 온보드 차저와 산업용 전원장치의 전력 밀도 2배 향상 및 효율 극대화
▲더 적은 수의 디바이스로 전력 밀도 2배 향상
고전압 고밀도 애플리케이션에서 보드 공간을 최소화하는 것은 설계 시 주요 고려 사항이다. 전자 시스템의 크기가 축소되면 내부 부품 또한 크기가 소형화되고 촘촘하게 배치돼야 한다. GaN FET 제품은 고속 스위칭 드라이버, 내부 보호 기능 및 온도 감지 기능까지 통합했다. 이를 통해 엔지니어들은 전원 관리 설계에 필요한 보드 공간은 줄이면서 높은 성능을 달성할 수 있다. 구체적으로 엔지니어는 디스크리트 솔루션에 요구되는 부품의 개수를 10개 이상 줄일 수 있다. 또 새로운 30mΩ FET은 하프 브리지 구성에 적용될 때 최대 4kW의 전력 변환을 지원할 수 있다.
▲업계에서 가장 높은 수준의 PFC 효율 달성
GaN이 가진 고속 스위칭 기능을 통해 작고 가벼운 전력 시스템 설계가 가능하다. 기존에는 고속 스위칭을 사용하려면 전력 손실이 증가했다. GaN FET는 전력손실을 줄이기 위한 TI의 아이디얼 다이오드 모드를 적용, 이 같은 문제를 해결했다. 예로 PFC에 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 디스크리트 GaN 및 SiC MOSFET에 비해 서드 쿼드런트(제3사분면) 손실을 66%까지 줄일 수 있다. 또 적응형 데드 타임 제어가 필요 없어 펌웨어 복잡성을 낮추고 개발 시간을 줄일 수 있다.
▲열 성능 극대화
GaN FET 패키징은 가장 비슷한 경쟁 패키징에 비해 열 임피던스가 23% 낮다. 이를 통해 엔지니어들은 열 설계를 간소화하면서 더 작은 히트 싱크를 사용할 수 있다. 또 애플리케이션에 관계없이 하단 또는 상단 냉각 패키지를 선택할 수 있어 열 설계 유연성을 제공한다. 통합된 디지털 온도 감지 기능은 전원 관리를 가능하게 한다. 엔지니어들은 다양한 부하동작 조건에서 시스템 열 성능을 최적화할 수 있다.
▲패키지 공급
사전 생산된 산업용 600V GaN FET 4종은 현재 구입이 가능하다. 이 제품들은 12mmx12mm QFN 패키지로 제공된다. TI는 1분기에 산업용 제품 생산을 시작할 예정이다. 관련 평가 모듈도 구입 가능하다. 고객들은 TI의 온라인 사이트에서 양산 수량과 시제품을 비롯한 55,000종 이상의 TI 제품을 온라인 최저가로 구입하고 원화(KRW)로 결제할 수 있다.
윤대원기자 yun1972@etnews.com
