[기고] HEV와 EV의 높은 주파수와 견고성을 고려한 차량용 GaN FET

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 글로벌 자동차 기업들은 전기차(EV)를 시장에 더 빠르게 보급하기 위해 소비자들이 염려하는 짧은 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축하려고 한다. 이를 위해 차량 크기와 무게, 부품 비용을 줄이거나 유지하면서 배터리 용량을 높이고 더 빠르게 충전할 수 있는 기술을 개발하고 있다.

이에 소비자들이 집이나 공공 장소, 상업 시설에서 교류(AC) 전원으로 직접 배터리를 충전할 수 있는 전기차 온보드 충전기(OBC) 관련 기술도 급격하게 진화하고 있다. 소비자들이 점점 더 빠른 충전 속도를 원하면서 그 전력 수준은 초기 3.6㎾ 수준에서 최근 22㎾까지 높아졌다. 전력 밀도 또한 과거 2㎾/ℓ 미만에서 최근 4㎾/ℓ 이상으로 높아지는 추세다.

스위칭 주파수의 영향

OBC는 기본적으로 스위치 모드 전원 컨버터다. 그래서 대부분의 크기와 무게를 변압기와 인덕터, 필터, 커패시터 같은 수동 부품과 히트 싱크가 차지한다. 따라서 스위칭 주파수를 높이면 수동 부품 크기를 줄일 수 있다. 하지만 스위칭 주파수를 높일 경우 전원 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)과 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 같은 스위칭 소자에서 전력 손실이 늘어난다.

크기를 줄이면서 부품 온도를 그대로 유지하려면 전력 손실을 더 낮춰야 한다. 크기가 작아진 만큼 열을 배출할 수 있는 표면도 줄기 때문이다. 따라서 전력 밀도를 높이려면 스위칭 주파수와 효율성을 동시에 높여야 한다. 바로 이점이 개발자가 실리콘 기반 전력 장치를 개발할 때 어려움을 겪는 부분이다.

스위칭 속도(장치 단자 간 전압·전류 변화 속도)를 높이면 기본적으로 스위칭 에너지 손실을 낮출 수 있지만 실제로 가능한 최대 주파수는 제한적이다. 이 문제를 해결하기 위해서는 단자들 사이에 기생 용량(커패시턴스)이 낮고 회로 경로 배열에서 인덕턴스를 낮추도록 설계된 전력 장치를 사용해야 한다.

실리콘보다 더 낮은 손실과 더 높은 스위칭 속도

질화갈륨(GaN)과 실리콘카바이드(SiC) 같은 와이드 밴드갭(WBG) 반도체를 사용한 전력 변환 장치는 물리적인 특성으로 실리콘(Si) 대비 온 저항과 항복 전압은 비슷하지만 커패시턴스는 훨씬 낮다. 또한 항복이 발생하는 임계 전계가 더 높고(GaN이 Si보다 10배 높음) 전자 이동성이 더 높기 때문에(GaN이 Si보다 약 33% 높음) 실제로 온 저항과 커패시턴스가 모두 더 낮다. 그러므로 GaN과 SiC FET은 본질적으로 Si보다 더 낮은 손실과 높은 스위칭 속도로 동작할 수 있다.

특히 GaN은 다음과 같은 점에서 유리하다.

이 같은 장점 덕분에 설계자들은 [그림 1] 같이 GaN을 사용함으로써 높은 스위칭 주파수에서 높은 효율을 달성할 수 있다. 650V 정격의 GaN FET을 사용하면 서버 AC/DC 전원 장치, EV 고전압 DC/DC 컨버터, OBC 같이 최대 10㎾에 이르는 애플리케이션을 구현할 수 있다. 병렬로 적층하면 22㎾까지 가능하다. SiC는 최대 1.2㎸까지 제공되고 통전 용량이 높아 전기차 트랙션 인버터와 대형 3상 그리드 컨버터에 적합하다.

고주파수에서의 설계 과제

수백 볼트가 스위칭될 때 10나노초(㎱)의 상승·하강 시간은 기생 부유 인덕턴스의 영향을 피하기 위해 신중히 설계할 필요가 있다. FET과 드라이버 사이의 공통 소스 인덕턴스와 게이트 루프 인덕턴스는 다음과 같은 중요한 역할을 한다.

그 결과 엔지니어들은 페라이트 비드와 댐핑 저항을 사용해야 할 수 있다. 하지만 이 경우 스위칭 속도를 낮추므로 주파수를 높이기 어렵게 된다. GaN과 SiC는 근본적으로 높은 주파수로 동작하기 유리하지만 이점을 최대한 실현하기 위해서는 시스템 차원의 설계 과제를 해결해야 한다. 사용 편의성과 견고성, 설계 유연성을 고려해 영리하게 설계된 제품은 GaN과 SiC 기술 도입을 서두를 것이다.

드라이버와 보호, 보고, 전원 관리 기능을 통합한 GaN FET

텍사스 인스트루먼트(TI)의 통합 650V 차량용 GaN FET은 설계와 부품 선택 관련 어려움 없이 GaN이 갖는 고효율, 고주파 스위칭 이점을 제공한다. 인덕턴스가 낮은 QFN(Quad Flat No Lead) 패키지에 GaN FET과 드라이버를 인접하게 통합함으로써 기생 게이트 루프 인덕턴스를 낮춘다. 그 결과 게이트 스트레스와 기생 밀러 턴온에 대한 우려를 제거하는 한편 낮은 공통 소스 인덕턴스로 빠른 스위칭이 가능하고 손실을 낮출 수 있다.

LMG3522R030-Q1은 TMS320F2838x 또는 TMS320F28004x 같은 C2000 실시간 마이크로컨트롤러(MCU)의 제어 기능과 결합하면 1㎒보다 높은 스위칭 주파수를 실현할 수 있다. 따라서 기존 실리콘이나 SiC 솔루션 대비 자기 소자의 크기를 59%까지 줄일 수 있다.

100V/㎱ 미만으로 확인된 드레인-소스 슬루율은 개별 FET보다 스위칭 손실을 67%까지 줄일 수 있다. 30~150V/㎱ 사이로 조절 가능해 효율과 전자기 간섭(EMI) 사이의 절충이 가능하고 다운스트림 제품 설계의 위험을 낮출 수 있다. 또 통합된 전류 보호 기능이 견고함을 제공하고 디지털 펄스 폭 변조(PWM) 온도 보고 기능, 동적 전력 관리를 위한 건전성 모니터링, 아이디얼 다이오드 모드(LMG3525R030-Q1에서 제공) 같은 새로운 기능을 포함한다. 아이디얼 다이오드 모드는 적응형 데드 타임 제어가 필요 없으며 12×12㎟ 상단 냉각 QFN 패키지는 향상된 열 관리를 지원한다.

4000만 시간 이상의 신뢰성 테스트를 거치고 10년간 고장률(FIT)이 1 미만인 TI GaN는 자동차 기업들이 원하는 견고함을 제공한다. 또 널리 사용되는 실리콘 기판을 기반으로 하고 100% 내부 제조 시설에서 기존 프로세스 노드를 사용해 제조한다. 그러므로 SiC 또는 사파이어 기판을 기반으로 하는 다른 기술과 달리 공급과 비용 측면에서 안정적이고 저렴하다.

글: 라마난 나타라잔(Ramanan Natarajan) TI 마케팅·애플리케이션 매니저
자료제공: 텍사스인스트루먼트(www.ti.com)