[편집자 주]차량용 전력 시스템이 빠르게 진화하면서 저전압에서 실리콘(Si) 반도체와 고전압 영역에서 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 반도체가 활용되던 지금까지의 추세에서 벗어나 새롭게 GaN(Gallium Nitride) 솔루션이 차세대 차량용 전력반도체로 주목받고 있다. GaN은 200∼500V 전원계에서 최적의 효율을 제공하며, 50W부터 25kW까지 폭넓은 전력 스케일링을 가능하게 해 전력밀도와 함께 시스템 소형화를 동시에 실현할 수 있다. 최근에는 200V 이하의 저전압 시스템에서도 GaN 적용이 확대되고 있어 설계 요구에 따라 최적의 디바이스 선택이 가능해졌다. 이런 가운데 차량용 GaN 전력반도체와 관련해 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)가 오는 9월9일 ‘2025 e4ds Tech Day’ 행사에 참여해 ‘TI GaN FET으로 전력 밀도가 높고 효율적인 디지털 파워 시스템 구현하기’라는 주제로 발표를 진행할 예정이다. 이에 발표를 맡은 김승목 TI 차장과의 인터뷰를 통해 TI의 GaN 디바이스에 대해 알아보는 자리를 마련했다.


■ TI가 제시한 GaN과 Si, SiC 솔루션별 적용 분야에 대해 알고 싶다. 특히 200∼500V 시스템에서 GaN이 최적인 이유와 50W부터 25kW까지의 스케일링 장점에 대해 궁금하다

Si의 경우 상대적으로 저렴한 가격을 가지고 있으며 저전압 기반의 대부분의 산업전반에 활용될 수 있다.

SiC는 800V 이상의 높은 정격전압을 고주파수 스위칭을 많이 하는 인버터, 충전기, DC/DC 컨버터에서 많이 활용된다.

GaN의 경우 공정상의 이유로 인해 200∼500V 전원계에서 효율적으로 시스템을 구성할 수 있다.

스위칭 주파수가 SiC 대비 더 올라갈 수 있으므로 충전기, DC/DC 컨버터 시스템에서 높은 전력밀도의 구현이 가능하다.

최근에는 200V 이하에서도 GaN이 활발히 적용되고 있어 달성하고자 하는 시스템의 파워 요구사양에 따라 최적의 GaN을 선정해 저렴하고 높은 효율을 가지는 시스템 구성이 가능하다.

■ TI GaN 디바이스에 통합된 게이트 드라이버와 보호 기능들은 기존 디스크리트 설계 대비 어떤 설계 편의성과 신뢰성을 보장하는지 궁금하다. 또한 설계자들이 가장 크게 체감하는 변화는

설계자는 통합된 솔루션을 채택함으로서 설계에 요구되는 시간을 줄일 수 있고 PCB 면적을 최소화 할 수 있다.

통합된 모듈로 인해 발생할 수 있는 기생 인덕턴스 성분을 최소화하여 좀 더 높은 주파수에서 GaN을 사용하기 쉽다는 이점이 있다.

추가로 기존 디스크리트에서는 일반적으로 제공하지 않는 과전류 및 쇼트 감지를 추가하여 좀 더 신뢰성 있는 이상 현상 진단과 GaN 모듈의 보호가 가능하다.

또한 내부에 레귤레이터가 내장되어 있어 음전원 및 외부 5V 전원을 생성하는 회로를 별도로 구현하지 않아도 되는 이점이 있다.

■ GaN 디바이스 채택 시 시스템 설계자가 자주 겪는 오해나 도전 과제는 무엇이며, 이를 해결하기 위해 TI는 어떤 기술 지원과 자료(화이트페이퍼, 평가 보드 등)를 제공하고 있는지 궁금하다

GaN은 아직 고전압에 활용되기 어렵고 시스템 비용이 늘어난다는 오해가 있다.

최대 전압 측면에서는 SiC 대비 낮다는 것은 사실이지만 400V 이하의 차량에서는 GaN을 활용한다면 오히려 가격 절감과 더 높은 전력밀도를 구현할 수 있다.

주된 도전 과제는 스위칭 주파수를 올리거나 bi-directional GaN을 활용하여 시스템 전력 밀도를 올리면서 제조 비용을 줄이는 것에 있다.

TI는 홈페이지에 다양한 기술자료를 제공하고 있으며, TI GaN 기반으로 제작한 OBC 및 DC/DC 등 여러 레퍼런스 보드의 설계자료 및 테스트 결과를 오픈소스로 공유하고 있다.

■ 통합 게이트 드라이버·전력 모듈·절연 공급원 등의 결합으로, 미래 고주파·고밀도 전원 시스템에서 TI GaN이 어떤 차별화된 경쟁력을 가지게 될지 궁금하다

현재 전기차는 빠르게 발전하고 있으며 여러 차량 제조사에서 더욱 높은 전력밀도와 안정성을 요구하고 있다.

GaN은 향후 잠재적인 전기차 수요자들이 기대하는 차량 성능을 지원하기 위해 필수적으로 고려해야 하는 전력반도체다.

TI GaN의 경우 전력밀도를 올리는 동시에 더 낮은 제조 비용을 달성할 수 있으며 특히 기존 산업에서 제공하지 않던 여러 진단기능을 내장하여 추가적인 비용 없이 SiC 대비 더욱 안전하게 전력반도체를 사용할 수 있다.

특히 최근 화두가 되고 있는 single stage OBC 컨셉에서는 SiC와 달리 bi-directional GaN을 활용한다면 더 낮은 모듈 개수를 기반으로 single stage OBC 구현이 가능하다.

■ 2025 e4ds Tech Day에서 어떠한 내용을 중심으로 발표할 예정인지 궁금하다

GaN이 Si 및 SiC 대비 가지는 장점을 설명하고 어떤 분야에 활용될 수 있는지 설명할 예정이다.

TI GaN의 통합된 모듈 형태로 인해 다른 업체와의 차별되는 부분이 무엇인지 설명하고 GaN을 올바르게 활용하기 위해 어떤 형태의 바이어스 전원 토폴로지가 활용되어야 하는지 공유 할 예정이다.

추가로 TI에서 오픈소스로 제공하고 있는 GaN 기반의 차량용 레퍼런스 보드들과 향후 modular 기반의 OBC, single-stage OBC에서 GaN 소자가 가지는 장점을 말씀드리겠다.

■ 2025 e4ds Tech Day와 관련해 독자들에게 한 말씀

누구나 익숙하고 편안한 것을 선호한다. 반면에 새로운 것을 이해하고 적용해보려는 노력이 없다면 남들과의 경쟁에서 뒤처지게 된다.

지금까지 차량용 시장에서는 Si 및 SiC 중심으로 사용됐지만 시장은 빠르게 변하고 있고 GaN을 적재적소에 활용한다면 또 다른 혁신을 달성할 수 있을 것이다.

올해 2025 e4ds Tech Day에서 TI GaN 관련 정보를 세미나를 통해 직접 확인해 보시길 바란다.

한편 TI는 오는 9월9일 ST센터에서 개최되는 ‘2025 e4ds Tech Day’에 참가해 ‘TI GaN FET으로 전력 밀도가 높고 효율적인 디지털 파워 시스템 구현하기’이라는 주제로 발표할 예정이다. ‘2025 e4ds Tech Day’ 접수는 공식 홈페이지(https://www.e4ds.com/conference/techday/)에서 할 수 있다.