GaN HEMT로 전원 공급 장치 효율성을 향상하는 방법

한 가지 고백하자면, 전자 업계에서 수년간 실무 회로 설계자(Circuit Designer)와 회로 편집자로 일하면서, 저를 포함한 대부분의 엔지니어가 반도체 재료, 공정 및 제조 기술에 대한 심층적인 세부 내용에는 그다지 관심이 없다는 사실을 알게 되었습니다. 물론 공정에 대한 세부 사항과 혁신에 관심을 갖고 매년 열리는 IEEE ISSCC(국제 무접점 회로 컨퍼런스) 참석을 목표로 삼는 사람들도 있고, 또 이들이 하는 일은 중요하고 인상적이며 존경할 만합니다.

그러나 대부분의 설계 엔지니어들은 장치가 어떻게 만들어지는가 아니라 이러한 장치가 무엇을 할 수 있는지, 즉 장치의 강점, 약점, 장단점 및 기타 주요 속성에 더 관심이 많습니다. '당사의 공정이 다른 회사의 공정보다 더 소형이고, 더 우수하며, 저전력이고, 더 빠르며, 비용이 보다 저렴합니다.'라고 설명하는 것만으로는 관심을 끌지 못합니다. 대부분의 잠재적 사용자에게 정말 중요한 것은 결과물인 부품과 그 규격서의 수치 및 그래프입니다.

이러한 사실에도 불구하고, 현실은 공정 기술이 반도체 성능과 역량의 발전에 중요하고 핵심적인 역할을 한다는 점입니다. 특히 새로운 공정 또는 개선된 공정의 상용화로 인해 스위칭 회로와 그 시스템으로 구현할 수 있는 범위가 재정립되고 있는 현재의 전력 장치 분야에서는 더욱 그렇습니다. 이러한 전력 장치 응용 분야는 소형 스마트폰 충전기부터 EV 및 EV 충전소까지 다양합니다. 이 발전을 '혁명적'이라고 부를 수도 있지만, 이 단어는 남용되면서 진정한 의미를 잃어버렸습니다.

새로운 역량의 핵심이 되는 광대역갭 장치

이러한 변화의 핵심에는 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN) 소재와 공정을 사용하여 제조된 광대역갭(WBG) 전력 반도체 사용 가능성이 있습니다. WBG 장치는 기존의 실리콘(Si) 전용 장치에 비해 다양한 이점을 제공하며, 기존 실리콘 장치를 대체하거나 이전에는 불가능했던 새로운 설계를 가능하게 하는 경우가 많습니다(그림 1).

그림 1: GaN 및 SiC 기반 전력 장치의 상대적 속성을 살펴보면 이러한 최신 WBG 부품이 실리콘 전용 부품에 비해 우수한 점들이 있음을 알 수 있습니다. (이미지 출처: Scholarly Community Encyclopedia)

특히 GaN 기반 고전자 이동성 트랜지스터(HEMT)는 스위칭 주파수, 전력 등급, 열 성능 및 효율성 측면에서 기존 실리콘 기반 장치보다 우수하며, 이 모두는 첨단 전력 컨버터의 성능을 향상시키는 데 중요합니다. 이러한 이점은 WBG 전압, 높은 임계 항복 전기장, 높은 열전도율 및 빠른 전자 포화 속도를 갖는 GaN의 고유한 장점으로부터 비롯됩니다. GaN 기반 전력 스위칭 장치는 작은 'on' 저항, 높은 전류 용량, 높은 출력 밀도를 제공할 수 있습니다.

상업적으로 판매되는 GaN 기반 전력 스위칭 장치는 100V에서 거의 1000V에 이르는 작동 전압, 높은 스위칭 주파수, 고온 작동 및 감소된 스위칭 손실을 제공합니다. GaN은 SiC보다 장점이 더 많지만 결정화 및 가공이 더 어렵습니다.

HEMT는 GaN(질화갈륨) 결정 성장이 가능한 기판 표면에만 소자를 형성하는 GaN 기술입니다. 현재 주요 상업용 GaN FET는 측면 구조의 HEMT입니다.

GaN FET의 측면 구조에는 실리콘 기판, GaN 버퍼, 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 장벽, 3개의 연결 단자((소스, 게이트 및 드레인), 패시베이션 층(보호 유전체) 및 소스 단자에서 이어지는 필드 플레이트가 있습니다(그림 2). AlGaN 장벽과 GaN 버퍼의 이종 접합(두 개의 서로 다른 반도체 사이의 접합)은 2차원 전자 가스(2DEG) 채널을 형성합니다.

그림 2: GaN 전력 장치의 구조는 다중의 층과, 전류가 흐르거나 차단되는 2DEG 채널을 보여줍니다. (이미지 출처: ResearchGate)

이 채널은 전하 밀도와 이동성이 높습니다. 전류는 2DEG 채널에서 흐르고, 이는 전류가 소스와 드레인 사이의 공핍 영역의 채널에서 흐르는 Si MOSFET과 다른 점입니다.

표준 GaN HEMT는 기본적으로 'on' 상태이며, 이는 기본적으로 'off' 상태인 기존 MOSFET과 다릅니다. 사용하기가 쉬우며, 편의성과 안전성을 위해 대부분의 회로 설계에서 선호되는 GaN HEMT를 'off' 상태로 전환하려면 2DEG 레이어를 공핍시켜야 하며, 이로 인해 전류 흐름이 중단됩니다.

그 결과, GaN 스위칭 장치는 인핸스먼트 모드(e-GaN)와 공핍 모드(d-GaN)의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 공핍 모드 트랜지스터는 평소에는 on 상태에 있으며, 이를 끄기 위해서는 게이트에 인가되는 음의 전압을 사용해야 합니다. 인핸스먼트 모드 트랜지스터는 평소에는 off 상태에 있다가 게이트에 인가되는 양의 전압에 의해 켜집니다.

SiC와 GaN 비교

GaN과 SiC의 가장 중요한 차이점은 전자 이동도에 있습니다. 이는 전자가 반도체 재료를 통해 얼마나 빨리 이동할 수 있는지를 나타냅니다. 표준 실리콘의 전자 이동도는 볼트-초당 1,500cm²(cm²/volt-s)입니다. 그러나 SiC의 전자 이동도는 650cm²/볼트-s이고 GaN의 전자 이동도는 2000cm²/볼트-s로, SiC의 전자가 GaN 및 실리콘보다 느리게 이동한다는 것을 알 수 있습니다.

질화갈륨(GaN)의 전자는 실리콘의 전자보다 30% 이상 빠르게 이동할 수 있습니다. 이렇게 향상된 전자 이동도 덕분에 GaN은 고주파 응용 분야에 거의 3배 더 적합합니다.

또한 GaN의 열 전도율은 1.3W/cm-K로 실리콘의 1.5W/cm-K보다 낮습니다. 하지만 SiC는 열 전도율이 5W/cm-K이므로 열 부하를 전달하는 데 거의 3배 더 효율적입니다. 이러한 특징 덕분에 SiC는 고전력, 고온 응용 분야에서 강력한 이점을 제공합니다.

GaN과 SiC는 시장에서 서로 다른 전력 수요에 대응합니다. SiC 장치는 높은 전류 전달 능력으로 1,200V의 높은 전압 레벨을 제공합니다. 따라서 자동차 및 기관차 견인 인버터, 고전력 태양광 발전소, 대형 3상 그리드 컨버터와 같은 응용 분야에 적합합니다.

반면, GaN HEMT 장치는 일반적으로 정격 전압이 650V이며 10kW(킬로와트) 이상의 범위에서 고밀도 컨버터를 구현할 수 있습니다. 해당 응용 분야에는 서보모터 드라이버, 그리드 변환기, EV 온보드 충전기 및 DC-DC 컨버터를 포함한 소비자, 서버, 통신 및 산업용 전원 공급 장치가 있습니다.

이러한 차이에도 불구하고, SiC와 GaN 기술은 10kW 미만의 일부 응용 분야에서 겹치는 부분이 있습니다.

탁월한 성능을 보여주는 GaN 장치

GaN 기반 장치의 개발에는 수년간의 실험실 연구 개발과 생산 노력이 필요했지만, GaN 장치는 이미 10년 넘게 상용화되어 생산되고 있습니다. 두 가지 예로 ROHM Semiconductor의 GNP1070TC-Z 및 GNP1150TCA-Z 650V GaN HEMT가 있으며, 두 제품 모두 광범위한 전원 공급 장치 시스템 응용 분야에 최적화되어 있습니다(그림 3). GNP1070TC-Z는 20A, 56W 인핸스먼트 모드 장치로, 드레인-소스 저항(R_DS(on))이 70mΩ이고 게이트 전하(Q_g)가 5.5nC에 불과합니다(모두 통상적으로). 11A, 62.5W 장치인 GNP1150TCA-Z의 경우 해당 수치는 각각 150mΩ 및 2.7nC입니다.

그림 3: 11A GNP1150TCA-Z와 유사한 20A GNP1070TC-Z GaN HEMT의 내부 회로를 보여 주며, 두 제품 모두 다양한 650V 전력 관련 응용 분야에 적합합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

이 두 부품은 GaN 장치를 개발하는 Delta Electronics, Inc.의 계열사인 Ancora Semiconductors, Inc.와 공동 개발되었습니다. 이 제품은 다양한 범위의 전원 공급 장치에서 더 높은 효율성과 더 작은 크기로 업계 최고의 성능을 제공합니다.

이 제품은 8mm x 8mm x 0.7mm 크기의 8리드 DFN8080K 패키지에 들어 있습니다(그림 4).

그림 4: 더 높은 전류 및 전압 정격에도 불구하고 GNP1070TC-Z 및 GNP1150TCA-Z GaN 장치는 각각 폭이 8mm에 불과한 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Rohm Semiconductor)

결론

GaN HEMT를 사용하는 WBG 전력 스위칭 장치는 설계자에게 기존 실리콘 전용 장치에 비해 뛰어난 성능상의 이점을 제공합니다. 또한 SiC 장치에 비해 작동 주파수 및 열 방출 측면에서 뚜렷한 이점이 있으며, 특히 후자는 현실적으로 중요한 고려 사항입니다. 설계자는 ROHM Semiconductor에서 제공하는 20A/650V GNP1070TC-Z 및 11A/650V GNP1150TCA-Z와 같은 GaN 부품을 사용하여, 다른 방법으로는 구현할 수 없거나 작동에 심각한 제한이 있는 전력 컨버터 및 전원 공급 장치를 구현할 수 있습니다.

관련 내용

1: 운송 업계를 재성형하는 와이드 밴드갭 반도체

https://www.digikey.com/en/articles/wide-bandgap-semiconductors-are-reshaping-the-transportation-world

2: SiC 및 GaN 전력 부품을 사용하여 EV 설계 요구 사항 해결

https://www.digikey.com/en/articles/use-sic-and-gan-power-components-ev-design-requirements