설계 기회를 제공하는 ADI GaN 전력 부품 및 도구

질화 갈륨(GaN) 반도체는 1990년대 초에 고휘도 파란색 발광 다이오드(LED)로 처음 상용화된 이후 블루레이 광디스크 플레이어의 핵심 기술로 자리 잡은 이후 큰 진전을 보여 왔습니다. 이 기술이 높은 전력 효율을 가진 전계 효과 트랜지스터(FET)에 상용화되기까지는 거의 20년이 걸렸습니다.

GaN은 현재 반도체 산업에서 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나로, 지속 가능성 및 전기화 목표를 달성하기 위해 에너지 효율이 향상된 장치에 대한 수요로 인해 연 평균 성장률이 25% ~ 50%에 이르는 것으로 추정되고 있습니다.

GaN 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터보다 더 작고 효율이 더 높은 장치를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 처음에는 고전력 마이크로파 증폭기 시스템에 활용되었지만, GaN 제조의 규모의 경제와 더 작고 강력한 증폭기를 만들 수 있는 능력 덕분에 소비자, 산업 및 군사 응용 분야를 포괄하는 수십억 달러 규모의 장치 시장이 형성될 정도로 사용 범위가 확대되었습니다.

실리콘 MOSFET은 전력 전자 장치의 이론적 한계에 도달한 것으로 널리 알려져 있지만, GaN FET는 여전히 성능 향상에 많은 잠재력을 가지고 있습니다. GaN 반도체는 탄화 규소(SiC) 기판을 가장 흔히 사용하며, 좀 더 경제적인 실리콘이나 성능이 가장 우수하고 가장 비싼 다이아몬드를 그 다음으로 사용합니다. GaN 장치는 실리콘 기반 장치보다 높은 전자 이동도와 속도로 더 높은 온도에서 작동하며 역회복 전하가 낮거나 제로입니다.

GaN 전력 반도체는 갈륨 비소(GaAs) 전력 증폭기 반도체보다 전력 밀도가 약 5배 높습니다. 80% 이상의 전력 효율을 제공하는 GaN 반도체는 GaAs 및 측면 확산 금속 산화물 반도체(LDMOS)와 같은 대체 반도체보다 뛰어난 전력, 대역폭, 효율성을 지원합니다. 이 기술은 현재 고속 충전 전원 어댑터부터 자동차용 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에 통합된 빛 감지 및 거리 측정(LiDAR) 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에 활용되고 있습니다.

데이터 센터는 더 낮은 비용으로 증가하는 전력 소비와 냉각 요구 사항을 충족하고, 규제 및 정치 분야에서 사업자가 직면한 늘어나는 환경 분쟁을 해결하는 데 도움이 되는 GaN 기반 장치에 대한 또 다른 신흥 시장입니다.

반도체 제조업체와 시장 조사 회사는 또한 더 효율적인 배터리에서 배터리 견인 인버터에 이르기까지 전기 자동차의 저전압 및 고전압 응용 제품 시장이 성장할 것으로 예상하고 있습니다.

이 분야는 지금까지 GaN과 마찬가지로 '실리콘(Si) 기반 부품보다 작고, 빠르고, 안정적이고, 효율적인 전력 전자 부품을 만들 수 있는' 높은 전자 이동도를 가진 와이드밴드갭(WBG) 반도체로 분류되는 SiC 장치에 의해 주도되어 왔습니다.SiC의 2.2eV 및 SI의 1.12eV에 비해 GaN의 밴드갭은 3.4eV입니다.

GaN 및 SiC 전력 반도체는 실리콘보다 높은 주파수에서 작동하고 스위칭 속도가 빠르며 전도 저항이 낮습니다. SiC 장치는 더 높은 전압에서 작동할 수 있지만, GaN 장치는 더 낮은 에너지로 더 빠른 스위칭을 제공하므로 설계자는 크기와 무게를 줄일 수 있습니다. SiC는 최대 1,200V를 지원할 수 있는 반면, GaN은 일반적으로 최대 650V에 더 적합한 것으로 여겨져 왔지만 최근 더 높은 전압 장치가 도입되었습니다.

GaN은 GaAs 및 다른 반도체에 비해 약 10배 에 달하는 주파수 범위 전력을 제공할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 마이크로파 주파수 범위 전력 전자 기기의 비교 (출처: Analog Devices, Inc.)

설계 고려 사항

전 세계적으로 소비되는 전기 에너지의 70% 이상이 전력 전자 기기에 의해 처리되는 것으로 추정됩니다. GaN의 WBG 특성을 통해 설계자는 더 높은 전력 밀도, 우수한 효율성 및 초고속 스위칭 속도를 활용하여 더 작은 전력 전자 시스템을 만들 수 있습니다.

이 기술은 전력 전자 기기, 자동차, 태양 에너지 스토리지, 데이터 센터 등 다양한 시장에서 혁신을 가능하게 합니다. 방사선에 대한 내성이 뛰어난 GaN 장치는 새로운 군사 및 항공우주 응용 분야에 매우 적합합니다.

일부 전자 설계자는 재료 비용에 대한 잘못된 오해로 인해 GaN 전력 장치를 피했을 수 있습니다. 처음에는 Si보다 GaN 기판을 훨씬 많이 제조했지만 그 차이는 상당히 감소되었으며 설계자는 다양한 기판을 활용하여 비용과 성능 간에 최상의 균형점을 찾을 수 있습니다.

GaN-on-SiC는 비용과 성능 간 최상의 균형점을 통해 설계자에게 가장 광범위한 시장 잠재력을 제공합니다. 그러나 GaN-on-Si 및 GaN-on-diamond 옵션은 제품 설계자에게 조직과 고객의 가격/성능 요구 사항을 충족하는 가장 적절한 기판을 선택할 수 있도록 합니다.

GaN는 스위칭 속도가 매우 높으므로 설계자는 전자기 간섭(EMI)과 전력 루프 레이아웃에서 EMI를 완화할 수 있는 방법에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 전압 오버슈트를 방지하는 데 필수적인 능동 게이트 구동기는 파형 전환으로 인한 EMI를 줄일 수 있습니다.

또 다른 주요 설계 문제는 잘못된 트리거링을 초래할 수 있는 기생 유도 용량 및 정전 용량입니다. 성능 이점을 극대화하려면 측면 및 수직 전력 루프에 대한 최적의 레이아웃이 필요하며 구동기 속도를 장치 속도에 일치시켜야 합니다.

또한 설계자는 성능과 신뢰성을 손상시킬 수 있는 과도한 가열을 방지하기 위해 열 관리를 최적화해야 합니다. 패키징은 유도 용량을 줄이고 열을 발산하는 성능에 대해 평가되어야 합니다.

Analog Devices의 GaN 전력 증폭기

전자 시스템에서는 에너지 공급 전압과 전력을 공급해야 하는 회로망 전압 간의 변환이 필요합니다. 오랫동안 선도업체의 자리를 지켜온 반도체 회사인 Analog Devices, Inc.(ADI)는 지원과 함께 업계 최고의 GaN 전력 증폭기 성능을 제공하여 설계자가 최고의 성능 목표를 달성하고 솔루션을 더 빨리 시장에 출시할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.

GaN 전력 장치의 이점을 극대화하려면 게이트 구동기와 강압(또는 벅) 컨트롤러가 필수적입니다. 하프 브리지 GaN 구동기는 전력 시스템의 스위칭 성능과 전반적인 효율성을 향상시킵니다. DC-DC 강압 컨버터는 더 높은 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 변환합니다.

ADI는 상단 및 하단 구동기 단계, 구동기 논리 제어, 보호, 부트 스트랩 스위치를 통합하는 100V 하프 브리지 GaN 구동기인 LT8418을 제공합니다(그림 2). 이 구동기는 동기식 하프 브리지 벅 또는 부스트 토폴로지로 구성할 수 있습니다. 분할 게이트 구동기는 GaN FET의 켜기 및 끄기 슬루율을 조정하여 EMI 성능을 최적화합니다.

그림 2: ADI의 LT8418 GAN 기반 스위칭 DC/DC 컨버터 회로도 (출처: Analog Devices, Inc.)

ADI GaN 구동기 입력 및 출력은 GaN FET의 잘못된 켜짐을 방지하기 위해 기본적으로 Low 상태를 제공합니다. 10ns의 빠른 전파 지연과 상단 및 하단 채널 간 1.5ns의 지연 정합을 갖춘 LT8418은 고주파 DC/DC 컨버터, 모터 구동기, 클래스 D 오디오 증폭기, 데이터 센터 전원 공급 장치와 소비자, 산업, 자동차 시장 전반에 걸친 광범위한 전력 응용 제품에 적합합니다.

LTC7890 및 LTC7891(그림 3)은 각각 최대 100V의 입력 전압에서 N 채널 동기식 GaN FET 전력 스테이지를 구동하기 위한 고성능 이중 및 단일 강압 DC-DC 스위칭 조정기 컨트롤러입니다. GaN FET를 사용할 때 설계자가 직면하는 많은 문제를 해결하는 것을 목표로 하는 이 컨트롤러는 실리콘 MOSFET 솔루션에 일반적으로 사용되는 보호 다이오드 또는 기타 추가 외부 부품이 필요하지 않아 응용 제품 설계를 단순화합니다.

그림 3: ADI의 LTC7891 강압 컨트롤러. (출처: Analog Devices, Inc.)

각 컨트롤러는 설계자에게 게이트 구동기 전압을 4V에서 5.5V까지 정밀하게 조정하여 성능을 최적화하고 다양한 GaN FET 및 논리 레벨 MOSFET을 사용할 수 있는 기능을 제공합니다. 내부 스마트 부트스트랩 스위치는 부동 시간 동안 BOOSTx 핀이 SWx 핀 하이사이드 구동기 공급 장치에 과충전되는 것을 방지하여 상단 GaN FET의 게이트를 보호합니다.

두 부품 모두 거의 0에 가까운 부동 시간을 위해 두 스위칭 에지의 게이트 구동기 타이밍을 내부적으로 최적화하여 효율성을 향상시키고 고주파 작동을 허용합니다. 설계자는 외부 저항기를 통해 부동 시간을 조정할 수도 있습니다. 이 장치는 QFN(Quad Flat No-Lead) 패키지의 사이드 습식 플랭크와 함께 제공됩니다. 회로도에서는 40리드, 6mm x 6mm LTC7890(그림 4) 및 28리드, 4mm x 5mm LTC7891(그림 5) 구성의 일반적인 응용 회로를 보여줍니다.

그림 4: ADI의 LTC7890을 사용하는 일반적 응용 회로의 회로도 (출처: Analog Devices, Inc.)

그림 5: ADI의 28리드 LTC7891을 사용하는 강압 조정기의 회로도 (출처: Analog Devices, Inc.)

설계자는 ADI 전력 관리 도구 포트폴리오를 활용하여 전원 공급 장치 성능 목표를 달성하고 기판을 최적화할 수도 있습니다. 도구 세트에는 가변 벅 저항기 계산기, 신호 체인 전력 구성기, Windows 기반 개발 환경이 포함되어 있습니다.

결론

GaN은 높은 전력 밀도, 초고속 스위칭 속도, 우수한 전력 효율성을 갖춘 부품을 생산하는 데 사용되는 변형 반도체 재료입니다. 제품 설계자는 ADI의 GaN FET 게이트 구동기 제품을 활용하여 더 적은 수의 부품으로 보다 안정적이고 효율적인 시스템을 제작할 수 있으며, 결과적으로 실장 면적과 무게가 감소된 더 작은 시스템을 만들 수 있습니다.