TI, 전기차 지원 '2세대 GaN FET' 솔루션 출격

전기차·충전소 타깃으로 전력 밀도 성능 강조

[테크월드=선연수 기자] 반도체에도 한계가 찾아오고 있다. 기계에서 소비되는 전력을 더 줄이고 줄이기 위해 업계는 실리콘(Si)을 넘어 실리콘카바이드(SiC)나 갈륨나이트라이드(GaN)와 같은 새로운 소재 기술의 전력 반도체를 요구하고 있다.

어제 12일 TI가 오토모티브 GaN FET 솔루션을 온라인 미디어 브리핑을 통해 발표했다

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, 이하 TI)는 지난 10년간 GaN 기술에 투자해왔다. 인프라를 구축하고 프로젝트를 세우고 처음으로 산업용 GaN 제품을 내놓는데 6년이란 시간이 걸렸고, 이제 2세대 GaN 제품을 선보이려 한다.

GaN을 이용한 주요 개선 기능들

TI는 GaN FET(전계 효과 트랜지스터)을 이용해 기존 대비 전력 밀도를 2배 높였다. GaN 기술뿐 아니라 고성능의 실리콘 드라이버도 패키지 하나에 통합함으로써 솔루션 효율을 전체적으로 높여준다. 스위칭 속도를 비교해보면 실리콘 솔루션의 경우 30볼트/나노초(V/ns) 수준이나 TI의 GaN 솔루션은 150V/ns, 2.2MHz의 고속 스위칭 속도를 지원한다. TI 고전압 전원 사업부 스티브 톰(Steve Tom) GaN 제품군 매니저는 “통합된 솔루션으로 디스크리트 솔루션 대비 자기 소자 크기를 59% 줄이고 부품도 10개 이상 덜어낼 수 있다”고 설명했다.

PFC(Power Factor Correction) 손실을 최소화하는 아이디얼 다이오드(Ideal diode) 모드도 제공하고 있다. 일반적으로 하프브릿지(Half bridge) 구성으로 제품 구현 시 전류가 정방향으로 흐르다가 역방향으로 움직이는 순간이 발생하는데, 이때 손실이 크게 일어난다. 아이디얼 다이오드 모드는 전류가 역방향으로 흐르는 것을 포착(센싱)해 FET을 즉시 작동시킴으로써 이로 인한 손실을 66%까지 줄여낸다.

열 성능 또한 우수하다. 이에는 패키지의 역할이 중요한데, 과거에는 패키지 크기가 커 속도가 느릴 수밖에 없었다. 패키지 크기뿐만 아니라 전력 관리 성능도 중요하다. TI는 경쟁 패키지 대비 열 임피던스를 23% 줄이는 패키지 기술을 구현했으며, 상하단의 냉각 패키지를 선택할 수 있도록 지원해 엔지니어의 설계를 돕는다.

4000시간이 넘는 신뢰성 테스트를 거친 TI의 솔루션은 전원 변환 애플리케이션 테스트에서 5GWh 이상도 가능한 것으로 검증돼, 신뢰성을 보장한다. 스티브 톰 매니저는 “TI는 내부적으로 GaN 팹을 가지고 있어, 제품에 대한 품질 통제가 원활히 이뤄지는 것 또한 강점”이라고 말했다.

EV용 LMG3525R030-Q1과 충전소용 LMG3425R030

LMG3525R030-Q1를 지원하는 도터 카드 LMG3525EVM 042

EV나 HEV 충전 장비로 사용할 수 있는 ‘LMG3525R030-Q1’는 레퍼런스 디자인만 본다면 실리콘이나 SiC 솔루션 대비 EV 온보드(On-board) 충전기(Charge)의 크기를 50%가량 절감해준다. 고속 스위칭 2.2MHz 게이트 드라이버를 통합해 자기 소자의 크기를 59%까지 줄일 수 있는 것도 특징이다. 또 하나의 특징은 충전 속도를 높였다는 점이다.

스티브 톰 매니저는 “전기차는 3, 7, 11, 22kW 등 점점 더 많은 양의 전기를 충전하길 요구할 것이다. 그렇다고 제한적인 차량 내부에 충전 관련 부품이 더 늘어나면 안된다. GaN을 이용한 솔루션은 지금과 같은 크기이거나 더 작은 크기만으로도 보다 많은 전기를 충전할 수 있도록 한다”고 설명했다.

LMG3425R030를 지원하는 도터 카드 LMG3425EVM 043 EVM

두 번째 제품은 ‘LMG3425R030’으로 산업용 제품이다. 차량을 충전하는 충전 스테이션과 같은 곳에 적용할 수 있는 제품으로 전력 밀도가 높고 집적되는 부품 수를 줄여준다. 하이퍼스케일, 엔터프라이즈 부문의 컴퓨팅 플랫폼 5G 텔레콤 정류기와 같은 전원 공급 애플리케이션에서 AC/DC 변환 용도로 활용할 수 있으며, 효율성은 99%에 달한다.

스티브 톰 매니저는 “4G 기지국은 크기가 커서 공간이 많이 때문에 발생한 열을 내보내는 등의 관리에 큰 어려움이 없었다. 그러나 기지국의 크기가 작은 5G 기지국은 건물이나 가로등 위 등에 설치되는 방식으로 공간이 여유롭지 않아, 열 관리 효율성이 굉장히 중요하다”며, “LMG3425R030는 보호 기능과 디지털 온도 보고 기능을 통합해 능동 전원 관리와 열 모니터링을 지원하는 전원장치(PSU)를 구현하고 있어 전력 공급이 효과적”이라고 말했다.

도터 카드 지원

두 제품 모두 도터 카드가 지원된다. LMG3525R030-Q1의 도터 카드인 ‘LMG3525EVM 042’는 하프 브리지로 구성된 드라이버와 보호 기능을 통합한 650V, 30Ω의 GaN FET 2개를 탑재하고 있다. 이는 레이아웃이 최적화돼 높은 주파수에서도 작동된다. 기생 인덕턴스를 최소화하고 전압 오버슈트를 줄이는 등 제품 효율성을 최적화한 것으로, 소켓 방식의 연결을 제공해 엔지니어가 쉽게 연결·테스트할 수 있다.

LMG3425R030를 지원하는 도터카드 ‘LMG3425EVM 043 EVM’ 역시 2개의 600V, 30Ω GaN FET이 탑재돼 있다. 효율성을 높여 엔지니어가 보다 빠르게 성능 평가를 진행할 수 있도록 돕는다.

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