[TechReport] GaN 통합드라이버로 80Plus 티타늄 PSU 달성하기

[온세미=용 앙(Yong Ang)] 드라이빙 효율을 높이는 것은 전원 공급 장치 제조업체의 장기적 목표다. 이는 운영 비용을 절감할 뿐만 아니라 열 형태의 에너지 낭비를 줄여 열 관리가 덜 필요하고, 전원 공급 장치의 크기와 비용을 감소시킬 수 있다. 또, 실내 냉각과 팬의 소음을 줄일 수 있다는 장점도 있다.

과거에는 PSU(Power Supply Unit)가 가능한 최고의 효율을 확인할 수 있는 단일 수치로 사용됐다. 그러나 많은 애플리케이션에서 PSU는 다른 부하 수준에서 작동됐으며, 헤드라인 효율성은 거의 달성되지 않았다. 특히 PSU가 낮은 전력 수준에서 동작할 때 문제가 발생했다.

80 Plus는 부하 범위 전반에 걸쳐 효율적인 성능 문제를 해결하기 위해 개발된 표준이다. '기본'에서부터 '티타늄' 레벨에 이르기까지 6단계로 구성되며 20%, 50% 및 100% 부하에서 최소 효율이 규정되어 있고 80%가 최저 허용 수준이다.

티타늄 레벨이 가장 높으며, 10% 부하에서 90%의 효율을 달성하기 위한 추가 요구 사항이 있어 이를 가장 단단하게 만들며, 더 높은 전력 PSU에서만 달성할 수 있다.

◆ 질화갈륨(GaN)은 이상적인 스위치인가

최근 몇 년 동안 실리콘 기반 반도체 디바이스가 빠른 속도로 개선됐지만 80 Plus 기준을 만족시키기 위해서는 새로운 소재가 필요하다는 것을 깨달았다. 탄화 규소(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)을 포함한 광대역 갭(Wide Band Gap, WBG)을 적용하면 99%에 달하는 높은 효율성을 가진 설계를 시연할 수 있다.

SiC가 더 적합할 수 있지만 GaN은 더 낮은 on 저항과 더 빠른 스위칭이 가능해 더 뛰어난 성능을 제공하며, 일부는 이를 '이상적인 스위치'라고 설명한다. GaN 기반 HEMT(High Electron Mobility Transistors)는 도전적인 고효율 응용 분야에서 분명히 많은 장점을 가지고 있다. 가장 단순한 GaN 스위치는 normally-on으로 구성되지만, 제로 게이트 소스 전압이 인가될 때 꺼지는 향상 또는 'e-모드' 유형이 이제 일반적으로 사용 가능하다. 이는 처음에는 실리콘 MOSFET과 유사한 방식으로 작동하게 하는 이점이 있다.

서버 PSU는 허용 손실이 4%에 불과한 가장 복잡한 애플리케이션 중 하나이며, 토템 폴 PFC(TPPFC) 단계는 일반적으로 LLC 또는 PSFB(phase-shift full-bridge)와 같은 동기식 DC-DC 컨버터와 동기 정류기가 결합한다는 것을 의미한다.

PSU 전체에서 손실을 공유하면 각 단계에서 2%의 손실이 허용되므로, GaN 스위치에서 스위칭 손실과 정적 손실 사이에서 적절한 균형을 유지해야 한다.

다이 사이즈를 늘리면 정적 손실이 감소하지만 디바이스 커패시턴스가 증가하여 모든 스위칭 사이클에 필요한 전하를 증가시킨다. 이는 정적 손실을 줄이면 스위칭(동적) 손실이 증가한다는 것을 의미하지만 그 효과는 GaN 디바이스에서 매우 작고, 실리콘 기반 디바이스보다 훨씬 우수하다.
 
◆ 게이트 드라이브 문제

e-GaN HEMT 디바이스와 실리콘 기반 스위치의 가장 큰 차이점은 매우 특정한 게이트 드라이브에 대한 요구 사항이다. 입력 커패시턴스(CISS)는 낮은 게이트 소스 및 게이트 드레인 커패시턴스의 병렬 조합이므로 일반적으로 낮다. 그러나 피크 게이트 전류는 1A 정도일 수 있으므로 게이트 드라이브의 소스 임피던스가 낮아야 한다. 실제로 드레인의 dV/dt를 제어하기 위해 약간의 소스 저항이 추가되어 전압 오버슈트 및 또는 발진을 제거한다.

최적의 게이트 저항은 켜짐 및 꺼짐에서 동일하지 않으므로 다이오드가 있는 별도의 저항기를 사용하는 것이 일반적이다. 보다 정교한 회로에서는 게이트 전류를 능동적으로 전압 제한을 포함하여 제어할 수 있다. 그러나 GaN 속도의 이점을 최대한 활용하려면 전파 지연을 최소화하고 균형을 맞추는 것이 매우 중요하다.

e-모드 GaN HEMT는 임계 전압이 약 1.6V로, 스위칭 중 트랜션트로 인해 디바이스가 잘못된 전도로 인한 전력 손실을 일으킬 수 있으며 타이밍이 좋지 않은 '슛 스루'가 발생하여 장치가 손상될 수 있다. 이는 드레인에 높은 dV/dt가 있는 경우 게이트 드레인 또는 '밀러(Miller)' 커패시턴스를 통해 게이트에 전하를 주입할 때 발생할 수 있다. 마찬가지로, 게이트 구동 회로에 공통인 소스 인덕턴스는 높은 드레인 소스 턴오프 di/dt가 있을 때 게이트 턴오프 전압에 반대하는 역할을 하는 전압 과도 현상을 유발할 수 있다.

이러한 효과에 대응하기 위해 dV/dt 및 di/dt는 가능한 최대값보다 낮게 설계 내에서 제어된다. 이는 EMI 감소에 기여하고, 게이트 구동 루프를 분리하기 위해 소스에 '켈빈(Kelvin)' 연결이 제공될 수 있다.

◆ 규격품 통합 GaN 드라이브

GaN 디바이스를 구동하는 가장 간단하고 좋은 방법은 온세미의 NCP58920 또는 NCP58921과 같은 사전에 최적화된 통합 드라이버 솔루션을 사용하는 것이다. 이들은 150mΩ 및 50mΩ on 저항을 갖는 650V e-모드 GaN 장치이다. 그리고 GaN이 제공하는 이점인 '하드 스위치' 응용에서 특히 우수한 성능을 보이지만 TPPFC를 포함한 모든 일반적인 컨버터 토폴로지에 적합하다.

일반적인 저비용 TPPFC + LLC 컨버터에서 한 쌍의 NCP58921 디바이스는 95%에 가까운 효율로 250W DC 이상 출력이 가능하다. 그러나 최적화된 전도 모드 및 자성을 갖춘 서버 전원 공급 장치에서 80+ 티타늄 목표를 달성할 수 있다.

NCP5892x 디바이스는 0.4°C/W 접합 대 기판 열 저항을 위한 노출 패드가 있는 열 효율적인 PQFN 8x8 패키지로 제공된다. 드라이버 섹션에 대한 공급 전압은 최소 8.5V 분, 최대 20V로 중요하지 않다. 이 디바이스는 6V 클램프가 있는 GaN HEMT 드라이브용 LDO와 필요한 경우 외부 디지털 아이솔레이터 공급용 5V LDO를 통합하기 때문이다.

GaN 디바이스는 매우 낮은 정적 및 동적 손실을 제공하는 고성능 스위치다. 드라이버를 패키지화할 경우, 80 Plus 티타늄과 같은 엄격한 효율성 사양을 충족할 수 있는 고성능 전력 컨버터 설계를 통해 용이하게 구현할 수 있다.