와이드 밴드갭 기술을 통한 고전압 LED 조명의 효율성 및 출력 밀도 최대화

고전압 LED 조명은 고휘도 방전(HID) 조명과 같은 기존 기술을 대체할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 고전압 LED 조명이 도입됨에 따라, 수많은 제조업체가 생산에 뛰어들어 다양한 응용 분야에 구현하고 있습니다. 조명 품질과 출력 밀도는 상당히 높아졌지만 효율성은 해결해야 할 중요한 측면이 되었습니다. 또한 초기 응용 분야에서의 고장률이 예상보다 훨씬 높았습니다. 향후 응용 분야의 고전압 LED 조명의 주요 당면과제는 출력 밀도와 효율성을 높임과 동시에 신뢰성과 비용 효율성을 응용 분야 향상하는 것입니다. 본 기사에서는 와이드 밴드갭(GaN) 기술, 그리고 이 기술을 통해 고전압 LED 조명의 효율성과 출력 밀도 당면 과제를 해결하는 방법을 알아봅니다. 와이드 밴드갭 기술을 사용하여 그림 1과 같이 LED 드라이버 아키텍처의 벅 부분에 중점을 두어 효율성 및 출력 밀도를 최대화하는 방법을 소개합니다.

와이드 밴드갭(GaN) 반도체는 실리콘과 같은 기존 반도체에 비해 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있습니다. 와이드 밴드갭 소재의 경우 전자가 활성화되어 가전자대 상단에서 전도대 하단에 도달함으로써 회로에 사용될 수 있도록 하려면 더 많은 에너지가 필요합니다. 따라서 밴드갭을 확대하면 소자에 큰 영향을 주고 더 작은 크기의 다이로도 동일한 작업을 수행할 수 있습니다. 질화갈륨(GaN)과 같이 밴드갭이 큰 소재일수록 더 강력한 전계를 수용할 수 있습니다. 밴드갭이 넓은 소재의 주요 특성은 빠른 자유 전자 속도와 높은 전자계 밀도입니다. 이러한 특성으로 인해 GaN 스위치의 속도가 10배 향상되고 크기가 상당히 축소됨과 동시에 저항과 항복 전압이 유사한 실리콘 부품과 동일해집니다. GaN은 이러한 주요 특성으로 인해 미래의 조명 응용 분야에 적합하므로, 고전압 LED 응용 분야에 적합합니다.

그림 1: 비절연 고출력 LED 드라이버의 시스템 아키텍처. (이미지 출처: STMicroelectronics)

그림 1은 GaN 와이드 밴드갭 기술 적용의 표준이 될 LED 조명 응용 분야의 대략적인 아키텍처를 보여줍니다. 이 응용 분야 전체에 걸쳐 밴드갭이 넓은 소재를 활용할 수 있지만, 녹색으로 표시된 고전압 전류 생성기 벅이 와이드 밴드갭 기술을 활용하여 효율성과 출력 밀도를 최대화하는 데에 중심적인 역할을 하게 될 것입니다. 대부분의 조명 응용 분야에서는 넓은 AC 입력 전압 범위 전체에 걸쳐 역률이 높고 고조파 왜곡이 낮아야 합니다. 이러한 경우, PFC 부스트를 구현하여 LED 드라이버에 깨끗한 400V_DC 입력을 제공하고 전력 품질 요구 사항을 충족하는 것이 좋습니다. 프런트 엔드 PFC 부스트 컨버터, 전이 모드(TM), 연속 전도 모드(CCM) 등을 위한 다양한 옵션이 있습니다. 전이 모드는 가변 주파수로 작동하며 전력 MOSFET을 켠 상태에서 전류 스위칭이 0이라는 특징이 있습니다. 다른 장점으로는 설계가 단순하고, 인덕터 크기가 작으며, 부스트 다이오드의 역회복이 없다는 점이 있습니다. 주요 당면과제는 높은 피크와 RMS 입력 전류로 인해 전력이 증가함에 따라 EMI 필터가 커진다는 점입니다. 대신 CCM이 고정 주파수 작동을 제공합니다. 부스트 인덕터 전류에는 항상 평균 부품이 있고, 크로싱 포인트가 제로에 가깝습니다. 인덕터는 20%~30% 리플을 위해 설계되어, TM 작동에 비해 EMI 필터가 작습니다. 따라서 더 큰 부스트 컨덕터와 작은 EMI 필터로 TM 작동과 동일한 출력 전력을 달성할 수 있습니다. 주요 당면과제는 제어가 복잡하고 초고속 소프트 복구 다이오드 또는 SiC 다이오드가 필요하다는 점입니다. 따라서 일반적으로 CCM PFC의 가격이 TM PFC보다 높습니다. 이상적으로는, CCM PFC의 다이오드를 정류하는 대신 제로 역회복 스위치를 사용할 수 있습니다. 따라서 GaN 트랜지스터가 이 응용 분야에 효과적으로 활용될 수 있습니다.

절연은 선택 사항이며, 입력 스테이지와 전력 변환의 두 번째 스테이지 사이에 적용될 수 있습니다. 본 예시에서는 절연이 사용되지 않으며 입력 PFC 스테이지 다음에 CC/CV 제어를 갖춘 비절연 역방향 벅 스테이지가 옵니다. 절연이 필요한 경우에는, 응용 분야의 전력 요구 사항에 따라 공진 전력 컨버터(LLC, LCC) 또는 플라이백 컨버터를 사용할 수 있습니다.

PFC 부스트 컨버터는 출력(입력 AC 전압 피크보다 높음)에서 정격 DC 버스 전압을 생성하며 이러한 높은 DC 버스 전압을 역방향 벅 컨버터 스테이지로 전달합니다. 감압 과정은 매우 간단합니다. 벅의 스위치가 켜지면, 인덕터 전압이 입력 전압과 출력 전압의 차이와 같게 됩니다(V_IN – V_OUT). 스위치가 꺼지면, 캐치 다이오드가 전류를 정류하고 인덕터 전압이 출력 전압과 동일해집니다.

LED 드라이버를 위한 MasterGaN 시스템 인 패키지(SiP)

출력 밀도 및 효율성과 함께, 고전압 조명 응용 분야의 주요 당면과제는 복잡한 설계입니다. GaN과 같이 밴드갭이 넓은 반도체를 사용하면 회로의 출력 밀도와 효율성이 높아질 수 있습니다. ST의 MasterGaN 제품군은 하나의 패키지에 고전압 GaN 트랜지스터와 고전압 스마트 전력 BCD 프로세스 게이트 드라이버를 결합하여 이러한 당면과제를 해결합니다. MasterGaN을 통해 그림 1과 같은 토폴로지를 손쉽게 구현할 수 있습니다. 하프 브리지 구성에 2개의 650V GaN HEMT 트랜지스터와 게이트 드라이버가 내장되어 있습니다. 본 예시에서는, 벅 전력 스테이지 전체가 하나의 QFN 9x9mm 패키지에 결합되어 최소한의 외장 부품만이 필요합니다. 보통 듀얼 하이사이드/로우사이드 하프 브리지 게이트 드라이버의 절연된 고전압 섹션에 전류를 공급하는 데 필요한 부트스트랩 다이오드도 SiP에 내장되어 있습니다. 따라서 MasterGAN 소자를 사용하는 응용 분야의 출력 밀도는 표준 실리콘 솔루션에 비해 크게 증가할 수 있으며 스위칭 주파수 또는 전력 출력이 증가합니다. 구체적으로 이 LED 드라이버 응용 제품의 경우, PCB 면적이 30% 축소되고 방열판이 사용되지 않았습니다.

고전력 LED 전력 응용 제품에 가장 효과적인 작동 모드는 CCM입니다. GaN 소자가 있는 CCM을 구현하면, 앞서 언급한 일반적인 이점뿐 아니라 비용 절감이라는 장점도 있습니다. 스위칭 손실이 감소하여 전체적인 전력 손실 또한 감소함에 따라, R_DSON이 그리 낮지 않아도 고전력 응용 제품에 필요한 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 GaN에는 역회복이 발생하지 않기 때문에 회복 손실이 발생하지 않아 CCM 사용의 가장 큰 단점을 완화하고 EMI를 줄입니다. 고정 오프타임 제어를 갖춘 CCM 작동으로 인해 V_OUT에 대한 출력 전류 리플 의존성을 쉽게 보정할 수 있습니다. CCM을 사용한 GaN 스위치 구현은 고전압 LED 조명 응용 분야뿐 아니라 다양한 응용 분야에 적합합니다.

역방향 벅 토폴로지의 기본적인 체계는 MASTERGAN4를 사용하는 구현과 함께 그림 2에서 확인할 수 있습니다.

그림 2: MASTERGAN4로 구현된 역방향 벅 토폴로지 (이미지 출처: STMicroelectronics)

MASTERGAN4에는 하프 브리지 구성 내 225mΩ(보통 25°C) 650V GaN 트랜지스터, 전용 하프 브리지 게이트 드라이버, 부트스트랩 다이오드가 내장되어 있습니다. 고도의 통합으로 설계가 간소화되고 작은 9x9mm QFN 패키지 안에서 PCB 면적이 최소화됩니다. 그림 3의 평가 기판은 역방향 벅 토폴로지의 MASTERGAN4로 설계되었습니다. 최대 450V 입력을 수용하며, LED 스트링의 출력 전압을 100V~370V로 설정할 수 있습니다. 스위칭 주파수가 70kHz인 고정 오프타임(FOT) CCM으로 작동합니다. 최대 출력 전류는 1A입니다.

그림 3: MASTERGaN4의 역방향 벅 데모 예 (이미지 출처: STMicroelectronics)

이 솔루션의 컨트롤러인 HVLED002는 단일 PWM 제어 신호를 생성하는 데 사용됩니다. 그리고 나서 단순한 슈미트 트리거에 기반한 외부 회로를 통해 2개의 보완적인 신호를 생성하여 부동 시간이 적합한 로우사이드 및 하이사이드 GaN 트랜지스터를 구동합니다. 2개의 선형 조정기도 포함되어 있어 MASTERGAN4에 필요한 공급 전압을 생성합니다. MASTERGAN4로 구현된 역방향 벅 토폴로지는 더 높은 출력 밀도 및 효율성을 위한 솔루션입니다. 아래 결과에서 직접 확인할 수 있습니다.

실험 결과:

그림 4의 효율성 플롯은 기존 실리콘 솔루션에 비해 제안 솔루션이 0.5A, 1A 출력 전류를 위한 LED 스트링 전압 기능으로서 가진 장점을 보여줍니다.

그림 4: MasterGaN과 실리콘 MOSFET의 효율성 대 LED 전압 그래프 (이미지 출처: STMicroelectronics)

MASTERGAN4의 효율성은 LED 스트링 전압 범위 전체에 걸쳐 96.8% 이상으로 유지됩니다. 모든 전력 레벨에 걸쳐 GaN 솔루션의 전도 손실이 낮고 구동 및 스위칭 손실이 최소화되어 효율성 이득이 최대화되는 것을 확인할 수 있습니다.

표 1: GaN과 실리콘 MOSFET 크기 비교

표 1은 MASTERGAN4 기반 솔루션과 실리콘 솔루션을 비교합니다. GaN 설계 구현에서 전체 PCB 면적이 30% 넘게 축소되는 것을 확인할 수 있습니다. 역방향 벅 토폴로지에서 GaN에 어떤 옵션을 택해야 할지 보여줍니다. 스위칭 주파수가 70kHz를 초과하면 출력 인덕터와 커패시터 크기가 작아지지만 구동 및 스위칭 손실이 증가합니다. 높은 주파수와 작은 필터 크기에서는, 전해 커패시터 대신 신뢰성이 높고 크기가 큰 세라믹 커패시터를 사용할 수 있습니다. 필터 커패시터와 벅 인덕터 크기 간 트레이드 오프는 해당 응용 분야에 필요한 스위칭 주파수에 따라 최적화할 수 있습니다.

결론

본 기사에서는 MASTERGAN4에 기반한 LED 조명 응용 분야를 위한 역방향 벅 토폴로지의 구현에 대해 알아보았습니다. 시스템 인 패키지 구성에는 하프 브리지 구성의 650V, 225mΩ GaN 트랜지스터와 전용 게이트 드라이브가 있습니다. GaN 솔루션은 실리콘에 비해 효율성이 높고 PCB 면적이 축소됩니다. MasterGaN은 조명 응용 분야를 위한 소형 고효율 고전력 역방향 벅 구현에 적합한 솔루션입니다.