GaN 고효율 전원 공급 장치의 열 관련 이점의 중요성

새로운 응용 제품을 위한 기판 분리형 AC/DC 전원 공급 장치를 고려할 때, 설계자는 질화 갈륨(GaN) 기반 대체품의 우수한 전기적 특성과 효율성에도 불구하고 실리콘(Si) 기반 부품을 선택하는 경우가 많습니다. 이는 저렴한 옵션이라는 고정관념 때문일 수도 있고, 단순히 오랫동안 기본으로 선택되어 왔기 때문일 수도 있습니다. 그러나, 설계자들이 GaN 기반 옵션의 냉각 요구 사항이 줄어든다는 점을 간과하고 있을 수도 있습니다.

실리콘 반도체는 20세기 후반부터 전자 제품 산업의 주류가 되어 왔습니다. GaN은 1930년대에 합성되었지만 1990년대 초에 발광 다이오드에서 최초로 일반적으로 응용되었고, 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 대안으로 GaN 트랜지스터를 제조하는 것이 상업적으로 가능해지면서 널리 사용되기까지는 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다.

여전히 실리콘이 AC/DC 전원 공급 장치의 영역에서 지배적인 위치를 차지하고 있었습니다. 제조업체가 보다 잘 갖추어진 제조 공정을 활용한다면, 제품 설계자의 예산 범위 내에서 더 많은 실리콘 트랜지스터를 제공할 수도 있습니다. 그러나 실리콘 기반 부품이 성능 및 열적 한계에 봉착함에 따라, GaN 대체품을 폭넓게 고려할 수 있는 기회가 마련되고 있습니다.

전자 이동도가 높고 밴드갭이 넓으므로, GaN을 사용하는 전원 공급 장치는 더 작은 폼 팩터에서 더 높은 주파수에서 더 높은 효율로 작동할 수 있습니다.

전원 공급 장치에서 GaN의 이점

GaN 트랜지스터는 Si 트랜지스터보다 저항과 스위칭 손실이 낮아 스위칭 속도가 빠르고 전력 낭비가 적습니다. 실리콘 트랜지스터보다 열 전도성이 우수하며, 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 따라서 방열판, 프레임 또는 팬과 같은 부피가 크고 잡음이 심한 냉각 부품의 필요성이 줄어듭니다.

부품을 줄이면 안정성이 향상되며, 새로운 응용 제품을 설계할 때 귀중한 공간을 절약할 수 있는 더 콤팩트한 전원 장치를 구현할 수 있습니다. 더 작고 안정적인 전원 장치는 고성능 및 저잡음 전력 솔루션을 필요로 하는 다양한 응용 제품에 적합합니다.

기판 분리형 GaN 기반 AC/DC 전원 공급 장치는 다음과 같은 응용 제품에 사용할 수 있습니다.

• 전원 공급 장치가 효율적이고 안정적이며 잡음이 적어야 하는 의료용 장치
• 로봇, 센서 또는 컨트롤러에서 견고성, 강한 내구성 및 우수한 적응력을 제공하는 산업용 장비
• 빠르고 가벼운 휴대용 장치에 전원을 공급하는 소비자 가전
• 냉각 전원 공급 장치, 콘솔 및 VR 헤드셋을 갖춘 몰입감을 높은 게이밍 시스템

Bel 브랜드의 다양한 GaN 전원 공급 장치

Bel Fuse Inc. 산하의 Bel Power Solutions는 EOS Power 및 CUI Inc. 브랜드로 GaN 기반 AC/DC 전원 공급 장치 시장에서 제품을 확장하고 있으며, 모두 Bel 그룹에 소속되어 있습니다. 이들 브랜드는 실리콘 MOSFET에 비해 더 높은 전력 밀도와 향상된 효율을 달성하기 위해 GaN 기술을 활용하는 전원 공급 장치 포트폴리오를 제공합니다.

EOS는 초소형 전원 공급 장치로 잘 알려져 있습니다. EPG300/MEPG300(그림 1) 및 EPG500/MPEG500은 RF 응용 제품, 5G 시스템, 산업 공정 제어 등 전력 손실이 최소화되고 열 관리가 간편해야 하는 응용 제품을 위해 출시되었습니다.

그림 1: EPG300 및 MEPG300 전원 공급 장치 폼 팩터. (출처: EOS Power)

EPG300 및 MEPG300 AC/DC 전원 공급 장치는 모두 12V ~ 58V 범위의 6가지 단일 출력 전압으로 제공되며 최대 94%의 효율을 제공합니다. 예를 들어 EPG300-1312는 12V 출력, 오픈 프레임 전원 공급 장치로, 크기는 4.00" x 2.00" x 1.47"(101.6mm x 50.8mm x 37.3mm)입니다.

MEPG300-1312 및 해당 라인의 다른 모델은 병원 침대, 영상 장비, 모니터링 장치, 수술 장치 및 진단 장비를 포함한 의료 응용 제품을 위해 특별히 설계되었습니다. 최신 의료 표준(EN/IEC 60601-1)에 따라 제작되었으며 클래스 I 응용 제품을 위한 2개의 MOPP 절연 옵션이 있습니다.

EPG500 및 MEPG500 AC-DC 전원 공급 장치(그림 2)는 90VAC ~ 264VAC의 넓은 입력 범위에서 최대 500W의 조정된 출력 전력을 제공합니다. 두 제품 모두 12V ~ 58V 범위의 6가지 단일 출력 전압으로 제공되며, 크기는 5.00" x 3.00" x 1.58"(127.0mm x 76.2mm x 40.0mm)입니다.

그림 2: EPG500/MEPG 500 전원 공급 장치 폼 팩터. (이미지 출처: EOS Power)

CUI의 SDI120-U, SDI300G-U, and SDI300G-UR 계열 120W 및 300W GaN 데스크톱 AC/DC 전원 공급 장치는 다양한 휴대용 소비자 및 산업용 응용 제품을 위해 설계되었습니다.

24V 출력 GaN 데스크톱 전원 공급 장치인 CUI SDI120G-24-U-P51(그림 3)의 크기는 5.20" x 2.01" x 1.26"(132.0mm x 51.0mm x 32.0mm)입니다. 최대 120W의 연속 전력을 공급할 수 있으며, 미국 에너지부 레벨 VI 효율 표준을 충족합니다.

그림 3: SDI120G-24-U-P51 데스크톱 전원 공급 장치. (출처: CUI, Inc.)

SDI300G-48-U2-P219는 고전력의 효율적이고 콤팩트한 AC/DC 전력 솔루션이 필요한 다양한 응용 제품에 적합합니다. 7.20" x 3.35" x 1.38"(183.0mm x 85.0mm x 35.0mm) 크기의 이 제품은 6.25A(최대)에서 48V의 출력을 제공합니다.

CUI SDI300G-UR 계열은 IEC 클래스 II 등급으로 3프롱(C18) 인렛이 있으며, SDI300G-U(그림 4) 및 SDI120G-U 계열은 2프롱(C14) 인렛이 있습니다.

그림 4: CUI의 2프롱 SDI300G-UR 계열 AC/DC 데스크톱 전원 공급 장치 폼 팩터. (출처: CUI, Inc.)

결론

제품 제조업체들이 보다 작고 효율적인 전력 솔루션을 지속적으로 요구함에 따라, GaN은 소비자 가전, 통신, 자동차 분야의 새로운 전자 응용 제품에 점점 더 적합한 옵션으로 주목받고 있습니다. Bel 브랜드는 제품 설계자에게 안정적이고 효율적이며 콤팩트한 AC/DC 전력 변환이 필요한 응용 제품을 위한 다양한 옵션 및 냉각 관련 이점을 제공합니다.

참고 자료:

1 – https://www.edn.com/a-brief-history-of-gallium-nitride-gan-semiconductors/(영문)