“GaN(갈륨 나이트라이드, 질화갈륨)은 단순히 차세대 소자가 아니라, 전력 시스템의 패러다임을 바꾸는 핵심 기술이다”

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, TI) 김승목 차장은 지난 9월9일 개최된 ‘2025 e4ds Tech Day’ 행사에서 ‘TI GaN FET으로 전력 밀도가 높고 효율적인 디지털 파워 시스템 구현하기’라는 주제로 발표하며, 전기차, 재생에너지, 고효율 전원장치 등 차세대 산업의 핵심은 전력 반도체라고 강조했다.

김승목 차장은 먼저 전력 반도체의 진화를 짚었다.

김승목 차장은 “20년 전까지만 해도 IGBT가 주류였지만, SiC가 등장하면서 1,200V 이상 고전압 시스템에 적용되기 시작했다. 그러나 스위칭 주파수 측면에서는 한계가 있었다. 반면에 GaN은 600∼650V급 전압에서 12㎒까지 스위칭이 가능해 전력 밀도를 획기적으로 높일 수 있다”고 언급했다.

실제로 GaN은 충전기, 태양광 인버터, 서버 전원장치 등 다양한 분야에서 빠르게 확산되고 있다.

특히 전기차의 온보드 차저(OBC)와 DC-DC 컨버터 영역에서 활용도가 높다.

김 차장은 “300kW급 트랙션 인버터에는 아직 한계가 있지만, 1∼2kW급 인버터나 충전기에서는 충분히 경쟁력이 있다”고 설명했다.

TI는 GaN 기술을 단순 소자 공급에 그치지 않고, 통합 모듈 형태로 발전시키고 있다.

GaN FET, 게이트 드라이버, 온도 센서, 보호 회로 등을 하나의 패키지에 담아 설계 편의성과 신뢰성을 높였다.

김 차장은 “통합 패키지는 기생 인덕턴스를 줄여 고주파 스위칭에서 발생하는 문제를 최소화한다”며 “결과적으로 더 작은 크기와 높은 효율을 구현할 수 있다”고 말했다.

또한 TI는 2018년부터 150㎜ 웨이퍼 기반 GaN 양산을 시작했으며, 최근에는 일본 아이즈 공장에서 200㎜ 웨이퍼 생산을 본격화했다.

생산능력이 4배 확대되면서 급증하는 시장 수요에 대응할 수 있는 기반을 마련했다.

발표에서는 GaN 설계 시 자주 발생하는 실수와 해결책도 언급됐다.

대표적인 것이 ‘바이어스 전원 설계’다.

김 차장은 “많은 엔지니어가 기존 플라이백 방식 전원을 그대로 적용하는데, 이는 고주파 스위칭 시 노이즈 문제를 일으킬 수 있다”며 “오픈루프 LLC 같은 새로운 토폴로지를 활용하면 안정성과 효율을 동시에 확보할 수 있다”고 조언했다.

비용에 대한 오해도 짚었다.

일반적으로 GaN은 비싸다는 인식이 강하지만, 실제 시스템 단위로 보면 오히려 비용 절감 효과가 있다는 것이다.

“예를 들어 토템폴 PFC 회로에서 GaN을 적용하면 인덕터 크기를 줄일 수 있고, 드라이버와 보호 기능이 내장돼 전체 BOM 비용이 낮아진다. 효율도 1% 이상 개선돼 열 관리 비용까지 줄어든다”고 말했다.

TI는 이미 66kW급 OBC 레퍼런스 보드를 공개하며 GaN의 가능성을 입증했다.

해당 보드는 96.5%의 효율과 38kW/L의 전력 밀도를 달성했다.

또한 400V를 12V로 변환하는 DC-DC 컨버터에서도 98%에 달하는 효율을 보여주며, 전기차 전원계의 핵심 솔루션으로 자리매김하고 있다.

향후 트렌드로는 ‘싱글 스테이지 OBC’가 제시됐다.

기존에는 PFC와 DC-DC 두 단계를 거쳤지만, 이를 하나로 통합해 전력 밀도를 극대화하려는 시도가 활발하다.

김승목 차장은 “테슬라가 이미 사이버트럭에 적용해 업계를 놀라게 했다”며 “TI도 바이디렉셔널 GaN을 개발해 스위칭 소자 수를 줄이고 비용을 절감하는 방향으로 연구를 이어가고 있다”고 밝혔다.

발표를 마무리하며 “GaN은 아직 초기 단계라 비싸고 불안정하다는 오해가 있지만, 이미 다양한 산업에서 빠르게 자리 잡고 있다”며 “400V급 전기차, 48V 전원계 차량 등에서는 충분히 상용화가 가능하다. 시간이 지나면 반드시 검토해야 할 전력 반도체가 될 것”이라고 전망했다.