• GaN 통합은 스위칭 손실 감소, 혁신적인 회로 기술, 부품 통합 및 열 성능 향상을 주도합니다.
• 중간 전압 GaN 통합 벅 및 부스트 컨버터는 효율을 유지하면서도 실리콘 방식에 비해 최대 50% 더 작은 풋프린트를 달성합니다.

높은 전력 밀도에 대한 요구는 고전류 전원 공급 장치의 모든 주요 설계 결정에 계속해서 영향을 미치고 있습니다. 데이터 센터와 컴퓨팅 인프라는 기존의 전력 아키텍처에 부담을 줄 정도의 속도로 성장하고 있습니다. 로봇 공학에서 테스트 및 측정 장비에 이르기까지, 엔지니어들은 동일한 근본적인 과제에 직면해 있습니다. 바로 효율을 유지하면서 더 좁은 공간에서 더 많은 전력을 공급하는 것입니다.

수년 동안 실리콘 기반 스위칭 컨버터와 개별 전원 FET 설계는 중간 전압, 고전류 애플리케이션에서 가능한 한계를 넓혀왔습니다. 하지만 스위칭 주파수가 높아지고 풋프린트가 작아짐에 따라, 실리콘 FET의 근본적인 한계인 높은 온-상태 저항, 역복구 손실, 더 큰 기생 전하 등이 설계 목표 달성의 심각한 장벽이 되고 있습니다. 전력 전자 업계는 고전류 전원 공급 장치 설계를 위한 입증된 대안으로서 GaN(질화갈륨) 기술에 투자, 개발 및 검증하는 데 15년 이상을 보냈습니다.

GaN 전력 FET는 실리콘 제품보다 근본적으로 더 나은 전기적 특성을 가지고 있으며, 고도의 통합이 가능합니다. 전력 FET, 게이트 드라이버, 컨트롤러와 패시브 부품을 하나의 컴팩트한 패키지로 결합하면 실리콘 방식으로는 따라올 수 없는 정도로 효율과 전력 밀도를 극대화할 수 있습니다. TI의 중간 전압 GaN MCM(멀티칩 모듈) IC(집적 회로) 중 LMG708B0 80V 벅 컨버터와 LMG5126 42V 부스트 컨버터는 효율을 유지하면서도 실리콘 솔루션보다 풋프린트를 최대 50%까지 줄여, 일반적으로 20A 이상의 고전류 애플리케이션 설계 요구 사항을 충족합니다.

고전류 DC/DC 컨버터 설계의 요구 사항을 충족하려면 다음과 같은 4가지 주요 GaN 발전을 가능하게 하는 장단점과 기술을 이해해야 합니다.

1. 스위치 전력 손실 감소
2. 혁신적인 회로 기술 채택
3. 부품 통합 수용
4. 패키지 열 성능 향상

GaN을 통해 가능해진 이러한 각 발전 사항을 간략히 살펴보겠습니다.

1. 스위치 전력 손실 감소를 통한 고주파수 구현 및 패시브 부품 소형화

향상 모드 GaN 전력 FET의 WBG(넓은 밴드갭) 특성과 수평형 구조는 실리콘 전력 장치에 비해 더 낮은 드레인-to-소스 온-저항 R_DS(on)과 더 낮은 기생 전하(게이트 전하 [Q_G], 게이트-드레인 전하 [Q_GD], 출력 전하 [Q_OSS])를 제공합니다. 결과적으로 성능 지표인 R_DS(on) × Q_G 및 R_DS(on) × Q_OSS 또한 크게 향상됩니다.

GaN FET는 바디 다이오드와 그에 따른 역복구 전하[Q_RR]를 제거하여 주파수에 비례하는 역복구 손실을 없애는 동시에, 스위치 노드 전압 링잉과 관련 EMI(전자기 간섭)를 줄여줍니다. 예측 타이밍 기술이 적용된 GaN 전용 게이트 드라이버는 약 4ns의 데드타임을 구현하여 스위치 정류 시 전력 손실을 더욱 최소화합니다.

GaN 기반 컨버터는 낮은 전도 손실 외에도 향상된 스위칭 성능과 감소된 기생 성분 덕분에 전체 전력 소모를 줄여주며, 이를 통해 스위칭 주파수를 높이고, 자기 부품과 패시브 부품의 크기를 줄이고, 방열판을 줄이거나 없앨 수 있습니다. 따라서 효율성을 저하시키지 않으면서 전반적으로 시스템 풋프린트가 작아집니다. 그림 1에서 고전류 DC/DC 벅 및 부스트 컨버터 설계의 효율 성능을 확인할 수 있습니다.

2. 확장성 구현 및 경부하 효율 개선을 위한 혁신적 회로 기술 채택

다중 위상 적층형 토폴로지는 전류 용량을 수 배 더 높게 확장할 수 있는 능력을 제공하며, 위상 삭감 기능을 통해 경부하 효율을 높임으로써 고전류 애플리케이션의 설계 유연성을 강화합니다. 이를 위해 LMG708B0 GaN 벅 컨버터는 위상 간의 데이지 체인 연결을 사용하여 주파수와 위상 정보를 모두 전달하는 지능형 다중 위상 클록 SYNC 기능을 갖추고 있습니다. 결과적으로 발생하는 인터리빙 효과는 입력 리플 전류와 EMI 필터 크기를 줄여줍니다.

그림 2는 30mm x 25mm 크기의 단면 레이아웃에 구현된 48V_IN~5V_OUT, 40A, 500kHz 사양의 2상 설계를 보여줍니다. 이는 기존 실리콘 기반 설계와 비교했을 때 구현 크기를 절반으로 줄인 것입니다.

3. 액티브 부품과 패시브 부품 모두의 통합 수용

기존의 중간 전압(12V~80V) 고전류(> 20A) 벅 및 부스트 레귤레이터에는 일반적으로 고압측 및 저압측 FET, 게이트 드라이버, 부트스트랩 회로 및 컨트롤러를 포함한 4개 이상의 개별 전력 부품이 필요합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, TI의 MCM 통합 방식은 FCRLF(Flip-Chip Routable Leadframe) 패키징 기술을 사용하여 4개의 다이(GaN FET 2개, 컨트롤러 및 부트 트렌치 커패시터)를 4.5mm x 6mm x 0.8mm 크기의 22핀 패키지 하나로 통합합니다. 이러한 FCRLF 패키징 구조는 FET 전력 단자와 하부 PCB 솔더 패드 사이의 기생 인덕턴스를 최소화하여 스위칭 성능을 직접적으로 향상시킵니다.

통합 기술은 전력 루프와 게이트 루프의 스위칭 영역을 좁혀 더 낮은 EMI 특성을 만들어냅니다. 그 결과 유도성 기생 성분이 감소하여 링잉이 없는 더 깨끗한 스위칭 파형을 얻을 수 있습니다. 이는 GaN 스위칭 성능의 핵심인 높은 회전율 전압과 전류에 필수적입니다. 이러한 통합의 이점들이 결합되어 효율 및 크기와 직결된 성능 지표에 맞게 설계를 최적화할 수 있습니다.

4. 패키지 열 성능 향상

LMG708B0 및 LMG5126 GaN 컨버터에 적용된 FCRLF 패키징 기술은 이중 열 흐름 경로를 갖춘 열 강화 패키지를 지원합니다. 두 GaN FET 다이의 뒷면이 패키지 상단에 노출되어 있어, 상단과 하단 모두에 열 안착 패드가 형성됩니다. 따라서 소자 상단에 방열판을 장착하여 선택적으로 양면 냉각을 구현할 수 있습니다(그림 4 참조).

방열판이 없으면 대부분의 열이 하단 열 패드(PGND)와 퓨즈 열 바(VIN 또는 VOUT, SW)를 통해 다층 보드와 주변 환경으로 방출됩니다. 반면 방열판을 장착하면 열이 IC에서 보드 쪽으로 전달됨과 동시에 패키지 케이스 상단에 노출된 열 패드(SW, PGND)를 통해 반대 방향인 장착된 방열판으로도 흘러가 상단 냉각이 이루어집니다.

그림 5에서 볼 수 있듯이, 이는 접합부와 주변 환경 사이에 병렬 열 저항 경로를 형성하여 유효 열 저항을 낮춰줍니다. 그 결과 동일한 IC 전력 손실에서도 작동 온도를 낮추고, 정해진 케이스 온도 설정값 내에서 더 높은 전류 처리 능력을 확보할 수 있게 됩니다.

결론

스위치 손실 감소, 혁신적 회로 기술 채택, 부품 통합의 발전, 그리고 패키지 열 성능 개선을 통해 통합 GaN 컨버터는 실리콘 기반 설계로는 더 이상 해결할 수 없는 전력 밀도의 장벽을 극복하도록 도와줍니다. 12V에서 80V 사이의 DC/DC 변환 영역에서 더 높은 주파수와 더 큰 전력 밀도로 작동하는 통합 GaN 컨버터는 실리콘 기반 방식보다 최대 50% 더 작은 풋프린트로 탁월한 효율을 발휘합니다.

추가 리소스

• LMG708B0 벅 컨버터 EVM(평가 모듈): 20A 단상 및 40A 2상 구성과 LMG5126 15A 부스트 컨버터 EVM으로 GaN 성능을 평가해 보십시오.
• 레퍼런스 설계 살펴보기: 통합 GaN이 적용된 48V_IN, 960W, 4상 벅 컨버터 레퍼런스 설계와 3V~42V 동기 GaN 부스트 컨버터 레퍼런스 설계를 살펴보십시오.
• 계산기 툴 다운로드: LMG708B0 및 LMG5126 컨버터용 빠른 시작 계산기 툴을 다운로드하십시오.

작성자 소개

Timothy Hegarty는 텍사스 인스트루먼트 스위칭 레귤레이터 사업부의 선임 기술 직원입니다. Timothy는 25년 이상의 전력 관리 엔지니어링 경험을 바탕으로 다양한 컨퍼런스 논문, 기사, 세미나, 백서 및 애플리케이션 노트를 집필했습니다. 현재 그는 차량용, 산업용 및 데이터 센터 애플리케이션을 위한 넓은 입력 전압 범위를 가진 고밀도, 저 EMI 스위칭 레귤레이터를 위한 기술을 구현하는 데 주력하고 있습니다.