산업용·차량용 디바이스 전력 밀도, 증가 추세
TI, SiC 대비 저렴한 GaN FET 솔루션 4종 공개
고속 스위칭 장점인 GaN으로 PFC 효율 높였다


차량 전동화는 자동차 산업을 바꾸고 있다. 이제 소비자들은 고속 충전과 장거리 주행이 가능한 전기차(EV)를 원한다. 성능에 영향을 미치지 않으면서 시스템의 크기와 무게를 줄이는 것은 차량 설계자의 최근 과제다.

또한, 오늘날 하이퍼스케일 및 엔터프라이즈 컴퓨팅 플랫폼, 5G 통신용 정류기와 같은 산업용 AC/DC 전원 공급 애플리케이션에서 전력 손실을 낮추고 보드 공간을 줄이는 것은 매우 중요한 요구사항이 되었다.

텍사스 인스트루먼트(TI)는 12일, 온라인 기자 간담회를 열고 자사의 고전압 전원 관리 제품 포트폴리오에 차량용 및 산업용 애플리케이션에 적합한 갈륨나이트라이드(GaN) 장효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 제품군을 추가한다고 밝혔다.

설계자는 TI 2.2MHz 고속 스위칭 게이트 드라이버가 통합된 LMG3422R050, LMG3425R050, LMG3422R030, LMG3425R030 GaN FET 제품들로 전력 밀도는 2배 높고, 효율성은 99%이며, 기존 솔루션 대비 자기 소자의 크기를 59%까지 축소하는 솔루션을 개발할 수 있다.

간담회를 진행한 TI의 고전압 전원 사업부 GaN 제품군 매니저인 스티브 톰(Steve Tom)은 “TI는 특허받은 GaN 소재와 갈륨나이트라이트온실리콘(GaN-on-Si) 물질 처리 기술로 실리콘카바이드(SiC) 소재와 비교해 비용과 공급망 측면에서 유리한 FET을 개발했다”라고 말했다.

TI 고전압 전원 사업부 부사장인 스티브 램버스(Steve Lambouses)는 “설계자는 산업용 및 차량용 애플리케이션의 수명을 늘리고 안정적인 작동을 보장하기 위해 검증된 전원 관리 시스템을 사용해야 한다”라며, “TI GaN 기술은 4천만 시간 이상의 신뢰성 테스트와 5GWh의 전원 변환 테스트를 거쳐 모든 시장의 설계자가 요구하는 신뢰성을 제공한다”라고 밝혔다.

전자 시스템의 크기가 작아지면 내부의 부품들 또한 크기는 작아지고 배치는 더욱 촘촘해져야 한다. 새로운 TI GaN FET 제품군은 고속 스위칭 드라이버, 내부 보호 및 온도 감지 기능을 통합하여 전원 관리에 필요한 보드 공간을 줄인다. 이를 통해 설계자는 디스크리트 솔루션에 요구되는 부품의 개수를 10개 이상 줄일 수 있다.

◇ GaN 고속 스위칭 이점 통해 PFC 효율 높여

GaN은 고속 스위칭이 가능하여 보다 작고 가벼운 효율적인 전력 시스템 설계가 가능하다. 다만 고속 스위칭을 사용하면 전력 손실이 컸다. 이를 해결하기 위해, TI GaN FET은 TI의 아이디얼 다이오드 모드를 탑재했다.

예를 들어 역률 개선(Power Factor Correction; PFC) 시 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 디스크리트 GaN 및 SiC MOSFET에 비해 삼사분면 손실을 66%까지 줄일 수 있다. 또한, 적응형 데드 타임 제어가 필요 없어 펌웨어의 복잡성을 낮추고 개발 시간을 줄인다.

톰 매니저는 “TI GaN FET 패키징은 경쟁 패키징과 비교해 열 임피던스가 23% 낮아 열 설계를 간소화한다”라며, “애플리케이션과 관계없이 하단 또는 상단 냉각 패키지를 선택할 수 있어 열 설계 유연성을 제공한다”라고 설명했다.

이어 “디지털 온도 감지 기능으로 전원 관리가 가능해 설계자는 다양한 부하 및 동작 조건에서 시스템 열 성능을 최적화할 수 있다”라고 덧붙였다.

사전 생산된 600V GaN FET 4종은 현재 TI.com에서 구매할 수 있다. 뒤에 Q1이 붙은 제품은 AEC-Q100을 준수하는 차량용 제품이다. 모두 12×12mm QFN 패키지로 제공되며, 가격은 1천 개 기준으로 미화 8.34달러부터 시작한다. 관련 평가 모듈도 TI.com에서 구매할 수 있고 가격은 미화 199달러부터 시작한다.

본격적인 양산은 2021년 1분기에 시작할 예정이다.