질화 갈륨 집적 회로로 전원 공급 장치의 효율 향상

오늘날의 전자 세계에서, 전력 컨버터는 의료 장치부터 휴대폰, 랩톱 충전기부터 보조 전원 공급 장치에 이르는 모든 것에 필요합니다. 효율성에 대한 요구는 점점 더 증가되는 가운데 패키지 크기 감소, 열 관리, 가변 입력 전압, 스마트 충전 프로토콜은 모두 전원 공급 장치 설계를 복잡하게 만들고 있습니다.

지난 10년 동안, GaN(질화 갈륨) 칩을 기반으로 하는 IC(집적 회로)를 사용하는 새로운 스위치 기술이 등장했습니다. GaN 회로는 원자 레벨에서 다르게 작동하여, 전력 컨버터 설계자에게 과제와 해결책을 모두 제시합니다.

GaN 반도체는 3.4eV의 넓은 밴드갭을 가집니다. 이는 실리콘 반도체의 3배가 넘는 수준입니다. 다른 넓은 밴드갭 재료처럼 GaN 반도체는 더 높은 전압과 최대 +400°C의 온도에서 작동하여 고전력 응용 분야에서 사용이 가능하며, 고주파에서 작동하므로 RF(무선 주파수) 및 5G 응용 분야에도 유용합니다.

전력 컨버터 응용 분야에서, GaN 집적 회로는 실리콘 IC보다 작은 크기에서 직렬 임피던스(R_DS(ON)) 및 병렬 정전 용량(C_OSS)과 같은 트랜지스터 관련 손실을 최적화합니다. 실리콘 IC와 동일한 실장 면적에서, GaN IC는 더 높은 주파수를 처리하면서 열 발생은 최소화하므로 설계자가 부피가 큰 방열판의 크기를 줄이거나 방열판을 제거할 수 있도록 합니다.

그러나 GaN 트랜지스터는 제어하기가 까다로울 수 있습니다. 고주파를 견디는 특성은 지연을 없애고 트랜지스터의 스위칭 속도를 효과적으로 줄여 원치 않는 EMI(전자기 간섭)를 피할 수 있도록 제어 구동기를 트랜지스터에 물리적으로 가까이 배치해야 함을 의미합니다. GaN을 사용하는 전력 컨버터 설계자는 피드백 회로망과 함께, 1차측(입력)을 위한 고전압 전력 스위치와 2차측(출력)을 위한 제어 IC를 결합하는 단일 장치를 활용하여 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

스위칭 관련 사항

Power Integrations는 PowiGaN™ 기술이 탑재된 InnoSwitch3을 사용하는 이러한 패키지에 대한 다양한 제품군을 제작했습니다. 예를 들어, InnoSwitch3-CP 스위처 IC 제품군(그림 1)은 QR(준공진 컨버터) 플라이백 컨트롤러를 사용하여 정전력(CP) 프로파일에 맞는 CV(정전압)/CC(정전류) 출력을 공급합니다.

IC의 1차측과 2차측은 갈바닉 분리 구조로 설계되었지만 출력 전압 및 전류 정보는 유도 결합을 통해 2차측 컨트롤러에서 1차측 컨트롤러로 전송됩니다. 이 FluxLink 통신 기술은 빠른 부하 과도 응답 및 최대 70kHz의 스위칭 주파수를 실현하기 위해 정확한 정보를 신속하게 전달합니다.

그림 1: InnoSwitch3-CP 스위처 IC 제품군의 1차측 및 2차측 컨트롤러는 갈바닉 분리 구조이지만 자기 링크(점선)를 통해 피드백을 공유합니다(이미지 출처: Power Innovations).

InnoSwitch3-CP 제품군의 IC는 방열판 없이도 50W ~ 100W를 처리할 수 있어 전원 공급 장치의 전체 부피를 줄일 수 있습니다. 이러한 부품은 650V에서의 연속 작동에 대해 정격화되어 있지만, 최대 750V의 서지를 견딜 수 있습니다. 산업용 모델의 경우에는 900V 또는 1,700V를 견디도록 설계되었습니다.

실리콘 기반 스위치의 약 90%와 비교하여, InnoSwitch3-CP 제품군의 IC를 사용하는 전원 공급 장치는 허용 가능한 부하 범위에서 94% 효율을 나타냅니다. 이 높은 효율은 최소한의 전력 소모(30mW 미만)와 함께 InnoSwitch3-CP 제품군이 글로벌 에너지 효율 규정을 충족하는 데 도움을 줍니다.

안전성 및 긴 부품 수명을 보장하기 위해 InnoSwitch3-CP 제품군 IC는 UL(Underwriters Laboratories) 1577에 따라 1차측과 2차측 사이에 4,000V_AC의 강화된 갈바닉 분리를 제공하며 각 장치는 HIPOT 테스트를 거쳤습니다. 기타 안전 기능에는 SR FET(동기식 정류기 전계 효과 트랜지스터)의 개방 게이트, 입력 라인 부족 전압 또는 과전압, 출력 과전압에 대한 감지 및 대응이 포함됩니다. 이 IC 컨트롤러는 또한 과전류를 제한하고, 과열이 발생하기 전에 차단할 수도 있습니다.

InnoSwitch3-EP 제품군의 IC(그림 2)는 InnoSwitch3-CP 제품군의 IC와 유사합니다. 하지만 단일 정전력 출력에 최적화하는 대신 가중 SSR(2차측 조정)을 통해 여러 출력 전압의 평균을 단일 제어 신호로 사용합니다.

그림 2: InnoSwitch3-EP 스위처 IC 제품군은 입력 전압에 따라 다양한 출력 전력을 가집니다. 구조적으로 InnoSwitch3-CP IC와 유사하며 선택적으로 2차측에 전류 감지 저항기를 사용할 수 있습니다(이미지 출처: Power Innovations).

InnoSwitch3-EP 계열 IC는 전압 종속적 출력을 제공합니다. InnoSwitch3-EP IC는 750V에서 50W ~ 100W를 출력하고, 1,250V에서는 최대 85W를 출력합니다. 또한 고전압 스위치 작동을 위해 설계되었으며 1,700V의 항복 전압을 제공합니다.

2차측에서는 InnoSwitch3-EP 제품군에 대해 선택적으로 전류 감지 저항기를 사용할 수 있습니다. 이 감지 기능이 활성화된 경우, 일정 시간 동안 부하 전류가 설정된 임계값보다 높으면 자동 재시작하도록 장치를 구성할 수 있습니다.

InnoSwitch3-CP IC는 USB PD(전력 전달) 프로토콜, QC(QuickCharge) 프로토콜 또는 기타 독점적 프로토콜 등을 기반으로 설계된 소비자용 전력 컨버터에 선택되는 경우가 많습니다. 높은 전압 성능과 유연성을 갖춘 InnoSwitch3-EP IC는 산업 환경의 전원 공급 장치와 유틸리티 미터 및 스마트 그리드에 매우 적합합니다. 또한 가전의 보조, 대기, 바이어스 전원 공급 장치에도 사용됩니다.

전력 프로그래밍 가능

InnoSwitch3-Pro IC(그림 3)를 사용하면 I²C(Inter-Integrated Circuit) 디지털 인터페이스를 통해 입력, 출력, 고장을 보다 동적으로 관리할 수 있습니다. 사용자는 또한 25kHz ~ 95kHz 사이의 사용자 지정 값으로 최대 부하 스위칭 주파수를 설정할 수 있으므로, 대규모 변압기에서의 열 축적을 최소화하기 위해 값을 낮추거나 소규모 변압기의 경우 더 높은 주파수를 선택할 수 있습니다.

그림 3: InnoSwitch3-Pro 스위처 IC 제품군은 원격 상태 모니터링, 전압 및 전류 조정, 맞춤화된 스위칭 주파수를 활성화하는 I²C 인터페이스를 통해 디지털 방식으로 제어되도록 구성할 수 있습니다(이미지 출처: Power Innovations).

루프 내에 마이크로 컨트롤러를 두면 InnoSwitch3-Pro 제품군의 IC에 추가적인 보호 옵션이 제공됩니다. 사용자는 출력 과전압 및 부족전압 결함에 대한 원하는 대응을 독립적으로 구성할 수 있습니다. 입력 전압을 모니터링하고 브라운인/브라운아웃 상태 및 과전압으로부터의 보호를 보장할 수도 있습니다. 마이크로 컨트롤러는 또한 개방된 SR FET 게이트를 감지하고 히스테리시스 열 차단을 관리하여 IC를 더 효율적으로 보호합니다.

고도로 구성 가능한 InnoSwitch3-Pro IC는 낮은 발열과 높은 효율로 USB PD 3.0, QC, AFC(적응형 고속 충전), FCP(고속 충전 프로토콜), SCP(초고속 충전 프로토콜) 등의 프로토콜을 지원하는 충전 어댑터용으로 이상적입니다. 많은 설계자들이 콤팩트한 설계와 열 축적 최소화가 필요한 배터리 충전기 및 조정 가능한 LED 밸러스트에도 이 IC를 선택합니다.

콤팩트한 커패시터

InnoSwitch3 라인의 스위칭 IC와 같은 소자는 전력 컨버터 및 전원 공급 장치의 아키텍처 중 일부만 차지합니다. 예를 들어, 에너지 저장 부품으로서 전원 공급 장치에 유입되는 AC 전력의 변동을 평활화하는 데 사용되는 벌크 커패시터는 해당 전원 공급 장치 내 공간의 최대 25%를 차지할 수 있습니다.

Power Integrations는 PowiGaN IC 스위칭 기술을 사용하여 MinE-CAP을 개발했습니다. IC 스위치이자 컨트롤러인 이 제품은 두 개의 작은 커패시터와 작동하여 지정된 공급 전압에 적절한 정전 용량을 제공합니다(그림 4). 최대 400V를 처리할 수 있고 1µF ~ 5µ에 대해 정격화된 세라믹 또는 전해 커패시터는 항상 활성 상태입니다. MinE-CAP은 160V에 정격화된(낮은 전압이 감지될 경우 더 높은 정전 용량 지원) 추가 전해 커패시터를 활성화합니다.

MinE-CAP은 벌크 커패시터를 두 개의 더 작은 커패시터로 나누어 필요한 공간을 최대 40%까지 줄여 줄 뿐만 아니라, 돌입 NTC(반비례 온도 계수) 서미스터의 사용도 필요 없도록 합니다. 그 대신, MinE-CAP으로 제어되는 커패시터는 전원 공급 장치를 켤 때 돌입 전류를 처리할 수 있는 크기로 결정됩니다.

그림 4: MinE-CAP은 GaN 기반의 Ic 컨트롤러로서, 전원 공급 장치의 벌크 커패시터를 두 개의 더 작은 커패시터로 나눌 수 있도록 하여 필요한 부피를 최대 40%까지 줄여 줍니다. 또한 MinE-CAP은 InnoSwitch3 DC/DC 변환 제품과 함께 작동하도록 설계되었습니다(Image source: Power Innovations).

결론

GaN 반도체를 사용하여 트랜지스터, 제어 IC, 피드백 회로망을 결합하는 스위칭 IC는 높은 온도, 전압, 주파수에 대한 이 재료의 내성을 활용합니다. 이러한 IC를 사용하면 인쇄 회로 기판의 크기를 축소하고, 방열판 사용의 필요성을 제거하며, 독창적인 방식으로 커패시터를 배치하여, 다기능 전원 공급 장치를 더 콤팩트한 장치에 구현할 수 있습니다. Power Integration의 PowiGaN 라인 InnoSwitch3과 같은 GaN 제품은 전력 밀도 향상 및 소형화를 추구하는 설계자들에게 계속적으로 주목받는 솔루션이 될 것입니다.