RF 및 자동차 응용 분야에서 GaN FET 선택 방법

작성 날짜: 구월 13, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

모든 전자 장치는 일정 수준의 전력 변환, 조절 및 컨디셔닝이 필요하지만, 고급 기술에서 효율적인 전력에 대한 논의가 이전보다 더 중요한 주제로 부상하고 있습니다. 전력 전달 및 변환에 대한 고려 사항은 과거에는 노이즈와 열에 더 중점을 두었지만, 오늘날에는 고급 시스템을 위한 맞춤형 전략에 초점을 맞추고 있습니다. 전력 변환에 대한 요구가 있을 때마다 가능한 한 낮은 열 발산을 보장해야 하는데, 이는 장치의 신뢰성에 있어 매우 중요합니다.

무선 시스템은 전력 증폭기와 송신기 단계에서 최소한의 전력 소모로 매우 높은 전력 효율이 필요한 영역 중 하나입니다. 2019년 새로운 스마트폰의 5G 모뎀이 여름 날씨의 열을 견디지 못하고 종료되는 소식과 함께, 업계는 전력 관리와 RF 전력 전달 측면에서 RF 시스템의 열 관리 문제에 직면했습니다. 오늘날, 자동차 전력 관리 시스템은 유사한 도전을 안고 있으며, 전력 전달 및 조절을 위한 올바른 구성 요소와 혁신적인 솔루션을 요구합니다.

GaN FET는 매우 높은 전력 한계, 높은 주파수 한계, 그리고 SiC 또는 Si 기판으로의 높은 열 전도성 덕분에 두 영역 모두에서 솔루션을 제공합니다. GaN FET는 이제 주요 유통업체에서 접근할 수 있는 많은 모델로 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 문제는 GaN FET를 어떻게 선택해야 하며, 자동차 대 RF 시스템에서 고려해야 할 중요한 사양은 무엇인가 하는 것입니다. 이 가이드에서는 이러한 중요한 점들을 살펴보고 각 유형의 시스템에 이상적인 예제 구성 요소를 보여줄 것입니다.

GaN FET를 사용하는 이유는?

이 질문은 자동차 시스템과 RF 장치에 GaN FET를 선택하는 데 사용되는 중요한 기준에 관한 것입니다. GaN FET는 우수한 재료 및 장치 특성으로 인해 자동차 전력 시스템과 RF 장치에서 더 고급 응용 분야에 이상적인 고전자 이동성 트랜지스터(HEMT)입니다. 어떤 면에서, 이 두 영역은 일반적으로 전력 변환에서 고주파수 스위칭, 높은 출력 전류, 종종 높은 전압에서 작동하는 전력 시스템에서 합쳐집니다.

GaN FET의 다음과 같은 재료 특성은 RF 및 자동차 전력 전자 분야에서 중요한 이점을 제공합니다:

파괴 전계: GaN은 Si보다 더 높은 파괴 전기장을 가지고 있으므로 (Si의 약 15배), 동일한 크기의 Si MOSFET보다 더 높은 전압에서 GaN 장치를 운용할 수 있습니다.
전자 이동성: GaN의 전자 이동성은 Si보다 높으므로, 동일한 R_ON 저항을 가진 Si 트랜지스터보다 물리적으로 더 작은 GaN 트랜지스터를 만들 수 있습니다.
열 전도성: GaN은 Si보다 더 높은 열 전도성을 가지고 있습니다 (약 2배), 따라서 기판이나 방열판으로 열을 더 효율적으로 발산할 수 있습니다.
용량: 두 장치가 대략적으로 동일한 물리적 크기를 가질 때 GaN FET의 입력 간 용량은 Si MOSFET의 그것보다 작습니다.

GaN FET에는 Si 위에 성장한 것과 SiC 위에 성장한 두 가지 일반적인 종류가 있습니다. SiC의 열전도율은 GaN의 약 170%이므로, SiC 위에 GaN을 이종접합 성장시킨 GaN FET는 고전력 응용 분야에서 선호됩니다. 고전력 스위칭 레귤레이터와 같은 스위칭 응용 분야에서는 낮은 커패시턴스와 더 작은 R_ON 값이 가능하므로, 나노초 단위의 상승 시간으로 매우 빠른 전력 전달이 가능합니다.

GaN FET 출력 커패시턴스 및 스위칭 특성 예시. 이러한 구성요소로 빠른 스위칭을 할 때 기생 인덕턴스로 인해 저부하에 연결되었을 때 약간의 링잉이 관찰될 수 있습니다.

이러한 특성은 GaN FET를 일반적으로 고주파수와 동시에 더 높은 전력으로 운영할 수 있음을 의미하며, 이는 RF 및 자동차 응용 분야의 전력 전자에서 필요한 두 가지 요소입니다. 자동차에서의 주요 관심사는 전동 시스템(모터)에 대한 전력 조절 및 전달이며, RF 시스템에서의 관심사는 송수신기 및 전력 증폭기에 대한 고효율 전력 조절 및 전달입니다. 전력 변환에서 동일한 특성이 이점을 제공할 수 있다고 주장할 수 있는 다른 응용 분야도 있습니다. 예를 들어, 다가오는 청정 에너지 시스템은 RF 시스템에서 사용된 것과 동일한 토폴로지를 전력 변환 및 에너지 저장의 충전/방전에 적용할 수 있습니다.

이 시점에서, 고급 자동차 및 RF 전력 시스템에서 GaN FET의 주요 운영 요구 사항을 보기 위해 다상 전력 변환에 대해 더 깊이 파고들어 보겠습니다.

고주파 전력 변환

전력 변환과 관련하여 "고주파"라고 할 때, 우리는 스위칭 컨버터에서 일반적으로 사용되는 스위칭 주파수를 PWM 드라이버 또는 덜 일반적으로 PFM 드라이버에서 말합니다. 스위칭 컨버터에 익숙하다면, 구동 구성요소가 상태를 더 빠르게 전환할 수 있을 때(낮은 상승 시간) MOSFET의 스위칭 손실을 줄일 수 있다는 것을 알고 있을 것입니다. 또한, 더 높은 변조 주파수에서 운영할 수 있는 MOSFET은 출력 전압/전류의 리플을 줄일 수 있습니다. 이는 특정 리플 목표를 달성하기 위해 필요한 인덕터를 더 작게 만들 수 있어 시스템 크기를 줄일 수도 있습니다.

적절한 크기의 GaN FET는 주어진 스위칭 주파수에 대해 피크 과도 전압, 과도 전류 및 스위칭 시간 사양을 균형잡을 수 있다면 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이 세 가지 사양을 타협할 수 없는 경우, 컨버터가 병렬로 운영되지만 동일한 위상으로 분리된 여러 단계로 구성된 다상 구성에서 설계를 운영할 수 있습니다. 이 방식으로, 컨버터는 더 높은 주파수 컨버터를 모방합니다. 각 단계 내에서, 필요에 따라 매우 높은 전류를 전달하기 위해 여러 GaN FET의 병렬 배열을 사용할 수 있습니다.

다상 스위칭 컨버터 토폴로지 예시입니다. 이에 대해 더 알아보려면 최근에 작성한 글을 참조하세요.

이와 같이 다상 운영을 실행하는 것은 각 단계의 출력 부분에 대한 신중한 구성 요소 선택을 요구합니다. RF 시스템의 경우, 이러한 설계는 약 10MHz 또는 그 이상의 매우 높은 주파수까지 운영되어야 합니다. 이 선택은 출력 필터링 및 제어 단계와 함께 사용되어 출력 전력이 베이스밴드 신호에 의해 출력 전압/전류 파형에 부과된 엔벨로프를 따르도록 할 수 있습니다. 다른 단계 간에 원치 않는 링잉이나 진동을 방지하기 위해, MOSFET이 동시에 전류를 공급하는 인-페이즈 병렬 배열과 마찬가지로, 일반적으로 고전압 다이오드가 사용됩니다. 이 유형의 설계에서 컨트롤러와 드라이버 단계는 GaN FET을 충분히 변조할 수 있을 뿐만 아니라 운영 중 과전압이나 드롭아웃을 보상하기 위한 제어 루프 내에서 작동할 수 있도록 신중하게 선택되어야 합니다.

중요 사양

여기에 개요된 중요한 응용 분야를 위해, 설계 및 구성 요소 선택 중 주의를 기울여야 할 네 가지 주요 사양이 있습니다:

피크 드레인-소스 전압 (DC 및 순간): 여기서의 값은 부드러운 켜짐을 위한 DC 전력 전달 또는 빠른 켜짐으로 스위칭 요소로서의 조절에 필요합니다. 순간 피크 전압은 특정 펄스 시간에 대해 지정될 것입니다.
피크 전류 (DC 및 순간): 피크 전압 값과 마찬가지로, 순간 값은 출력 펄스의 길이에 해당하는 특정 펄스 시간으로 지정될 것입니다.
게이트 전압: 전형적인 게이트 전압은 구성 요소 데이터시트에 나열될 것이므로, 적절한 게이트 드라이버로 GaN FET을 구동할 수 있도록 이를 확인해야 합니다. 전형적인 게이트 전압은 약 500-600V DC 피크 GaN FET에 대해 10에서 20V 범위일 수 있습니다.
동적 스위칭 시간: 이 사양에는 켜짐 지연, 상승 시간, 그리고 바디 다이오드의 역회복 시간이 포함됩니다. GaN FET의 경우, 이러한 값은 이 시스템의 낮은 부하 커패시턴스 덕분에 10-100 ns 정도입니다.
입력/출력 커패시턴스: 장치의 입력 및 출력 포트에 있는 기생 커패시턴스도 중요합니다. 이는 유도부하와의 상호작용을 결정하며, 부하의 저항이 낮은 경우에는 과도하게 감쇠되지 않은 링잉으로 이어질 수 있습니다. 일반적으로 작은 저항을 추가하여 스위칭 노드의 전환을 비판적으로 감쇠하는 것으로 충분합니다.

유도 부하를 구동할 때 파워 MOSFET은 물론 GaN FET의 입력 및 출력 커패시턴스에 주의하세요. 특히, 스위칭 노드에서의 링잉을 피드백 루프와 제어 알고리즘을 통해 단순히 조절할 수 있다고 생각하지 마세요. 게이트 드라이버 IC는 이러한 링잉을 보상할 수 없을 것입니다, 빠른 MCU나 FPGA에서 제어를 구현하지 않는 한, 이는 과도하게 비용이 많이 듭니다. 대신, 이러한 장치들을 더 높은 주파수에서 운영하고 더 작은 인덕터를 사용할 수 있습니다, 이는 여전히 리플 목표를 달성하는 데 도움이 될 것입니다.

GaN FET 및 게이트 드라이버 예시

Nexperia, GAN063-650WSAQ

Nexperia의 GAN063-650WSAQ은 일반적인 용도의 GaN FET의 훌륭한 예입니다. 이 구성 요소는 최대 20 V의 게이트 전압으로 스위칭하며 57 ns의 빠른 켜짐 시간(10 ns 출력 상승 시간)을 가집니다. 단지 10 V 게이트 전압에서, 이 FET은 DC에서 34.5 A를 제공하며, 10 마이크로초 미만의 빠른 펄싱으로 150 A의 피크 순간 전류를 제공합니다. 상온에서의 ON 상태 저항은 단지 50 mOhms이며, 175 °C에서 최대 120 mOhms까지 상승합니다. 이 구성 요소에서의 피크 DC 드레인-소스 전압은 650 V에 도달합니다. 출력 드레인 전류 특성은 아래에 나와 있습니다.

GAN063-650WSAQ GaN FET의 드레인 전류. [출처: GAN063-650WSAQ 데이터시트]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

Infineon의 2EDN7524FXTMA1은 GaN FET와 함께 사용할 수 있는 게이트 드라이버 IC입니다. 이 구성 요소는 빠른 GaN 스위칭을 위해 5 ns의 빠른 슬루율과 17 ns의 전파 지연을 제공하여 RF 시스템의 스위칭 레귤레이터에 유용합니다. 이 구성 요소는 디지털 컨트롤러 ASIC과 인터페이스할 수 있는 듀얼 채널 드라이버입니다. 출력 전압은 최대 20 V에 이르며, 전형적인 상승 시간은 5.3 ns입니다(최대 10 ns, 1.8 nF 부하 커패시턴스, 12 V 드레인 전압).

2EDN7524FXTMA1 GaN FET 드라이버 IC의 예시 응용 회로. [출처: 2EDN7524FXTMA1 데이터시트]

GaN FET이 있는 시스템을 위한 기타 구성 요소들

GaN FET은 RF 전력 시스템 및 자동차 전력 시스템에서 전력 조절 및 전달을 위한 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 그러나, 시스템을 구축하고 신뢰할 수 있는 전력 조절을 보장하기 위해 다른 구성 요소들이 필요합니다. 이러한 시스템에 필요한 기타 구성 요소들은 다음과 같습니다:

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