실리콘 MOSFET용으로 설계된 컨트롤러로 GaN FET 구동하기

질화갈륨(GaN) 장치는 전력 응용 제품에서 기존 실리콘 MOSFET 부품에 비해 뛰어난 성능과 효율성을 제공합니다. 다양한 산업 분야에서 요구되는 더 높은 전력 밀도, 더 빠른 스위칭 속도, 그리고 더 뛰어난 에너지 효율을 제공할 수 있습니다. 하지만 일부 응용 제품의 경우 상당한 설계상의 문제가 있습니다.

소형 USB-C 충전기 및 전자 차량 온보드 충전기부터 태양 에너지 및 데이터 센터 응용 제품에 이르기까지, 설계자들은 더 작고 가벼우며 매력적인 제품을 제작하기 위해 GaN 반도체 기술을 활용하고자 합니다.

GaN 부품의 빠른 스위칭 속도로 인해, 설계자는 기생 유도 용량, 보다 정밀한 게이트 제어의 필요성, 게이트 누설 전류, 역전도 전압 강하 등 여러 가지 문제에 직면하게 됩니다.

특수 제작된 GaN 컨트롤러는 특정 GaN 기반 응용 제품 설계에 이상적인 선택입니다. 예를 들어, Analog Devices, Inc.는 다양한 GaN 전력 컨트롤러를 제공합니다. 설계자는 스마트 통합 부트스트랩 스위치가 있는 LT8418 100V 하프브리지 GaN 구동기와 같은 간단한 전용 GaN FET 구동기를 활용할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: ADI의 특수 제작 LT8418 하프브리지 GaN 구동기. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

이 장치는 분할 게이트 구동기를 통합하여 턴온 및 턴오프 시 GaN FET의 슬루율을 정밀하게 제어함으로써, 링잉을 억제하고 EMI 성능을 향상시킵니다. 뿐만 아니라, 기생 유도 용량을 최소화하기 위해 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키징(WLCSP)을 활용합니다.

또한 GaN FET용 고성능, 이중 강압, DC/DC 스위칭 조정기 컨트롤러인 LTC7890 및 LTC7891(그림 2)과 같은 더 복잡한 컨트롤러도 제공됩니다.

그림 2: GaN FET를 위한 ADI의 고성능 LTC7891 DC/DC 스위칭 조정기 컨트롤러. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

실리콘 MOSFET 솔루션과 달리, LTC7890/LTC7891 장치에는 보호 다이오드 또는 별도의 외부 부품이 필요하지 않습니다. 게이트 구동기 전압을 4V에서 5.5V까지 정밀하게 조정하여 성능을 최적화하고 다른 GaN FET 또는 논리 레벨 MOSFET을 사용할 수 있습니다.

실리콘 컨트롤러가 유일한 옵션인 경우

4스위치 벅 부스트 컨트롤러와 같은 일부 핵심 부품에 사용할 수 있는 특수 제작된 GaN 컨트롤러는 아직 없습니다. 설계자가 주의를 기울여 작업한다면 MOSFET용으로 설계된 기존 컨트롤러를 GaN FET를 구동하도록 조정하여 전력 및 효율을 향상시킬 수 있습니다. GaN 응용 제품에 실리콘 타겟 컨트롤러를 활용하려면 부품 선택과 기판 레벨 설계에 주의를 기울여야 하며, 추가 회로가 필요할 수도 있습니다.

고전력 컨버터에서 기존 게이트 구동기는 5V 이상의 전압(일반적으로 7V ~ 10V 사이, 때로는 더 높은 전압)을 출력하는 경우가 많습니다. 이는 일반적으로 최대 게이트 전압 정격이 6V에 불과한 GaN FET를 구동할 때 문제를 일으킵니다. 전압 스파이크 또는 PCB의 부유 유도 용량으로 인한 링잉으로 인해 잠시라도 이 제한을 초과하면 GaN 장치가 영구적으로 손상될 수 있습니다.

설계자는 올바른 컨트롤러를 선택하고 특히 게이트 및 소스 리턴 경로 주변의 PCB 레이아웃에 주의를 기울여 유도 용량을 최대한 낮게 유지하고 원치 않는 전압 오버슈트를 줄임으로써 이러한 문제를 방지할 수 있습니다.

많은 MOSFET 구동기는 조정되지 않은 실리콘 게이트 구동기를 사용하며, 이는 GaN FET의 절대 최대 전압 이상으로 드리프트할 수 있습니다. 설계 고려 사항에는 게이트 구동 전압 관리, 부트스트랩 공급 조정, 데드 타임 최적화 등이 포함됩니다.

4스위치 벅-부스트 장치는 5V 게이트 구동기를 사용하여 GaN FET의 예기치 않은 과전압을 방지해야 합니다. 또한 클램핑 회로 또는 게이트 전압 제한기와 같은 보호 부품을 포함시켜 예기치 않은 과전압으로부터 게이트를 보호하는 것도 중요합니다.

ADI의 LT8390A는 부트스트랩 커패시터와 병렬로 배치된 5.1V 제너 다이오드를 활용하여 5V 게이트 컨트롤러로 작동할 수 있습니다(그림 3). 이렇게 하면 게이트 전압이 권장 구동 레벨로 고정되어 안전한 작동 범위 내에 유지됩니다. 추가 보호를 위해 부트스트랩에 10Ω 저항을 직렬로 추가하면 초고속 고전력 스위치 노드로 인해 발생할 수 있는 링잉을 줄일 수 있습니다.

그림 3: 이 간소화된 회로도는 GaN FET 구동 시 전압 보호를 위해 5.1V 제너 다이오드(D5 및 D6)와 10Ω 저항기를 사용하는 LT8390A 4스위치 벅 부스트 컨트롤러를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

결론

ADI의 LT8390A 벅-부스트 컨트롤러와 같은 실리콘 MOSFET 컨트롤러는 GaN FET를 안전하고 효과적으로 구동하도록 조정할 수 있으므로, 설계자는 특수 제작된 DC-DC GaN 컨트롤러를 사용할 수 없는 경우에도 GaN 응용 제품을 개발할 수 있습니다.

자세한 내용은 GaN을 활용한 설계: 전력 관련 문제 해결 웨비나를 시청하세요.