[테크월드=선연수 기자] 셀룰러 네트워크 사업자들이 마침내 5G 서비스를 제공하기 시작했다. 전 세계는 여러 가지 면에서 유리하고 새로운 모바일 네트워크 기술을 손꼽아 기다려왔다. 5G는 더 높은 대역폭, 더 낮은 지연시간, 더 향상된 서비스를 제공할 수 있으나 비용이 늘어나게 된다. 사용자들의 서비스 요금은 점차적으로 오르겠으나, 통신 회사와 네트워크 사업자는 당장 큰 규모의 비용 증가를 겪게 된다.
신규 장비 구입을 위한 비용뿐만 아니라 운영 비용도 늘어난다. 5G는 4G보다 훨씬 많은 전력을 요구하며, 업계는 전력 요구량이 약 70% 증가할 것으로 예측하고 있다[그림 1]. 예로, 4G 기지국이 약 7kW의 전력을 소비한다면 5G 기지국은 11kW 이상을 소비한다. 다중 채널을 운영하는 사이트는 20kW까지 소비할 수도 있다.
5G로 인해 늘어난 전력 소비
5G는 효율이 우수해 비트당 와트(W)를 낮춰주지만, 네트워크 용량이 커져 총 전력 소비는 증가한다. 전력 소비가 늘어나는 이유 중 하나는 네트워크 토폴로지다. 수많은 다중채널 MIMO(Massive Multiple-Input multiple-output) 안테나를 사용해 트랜시버 수가 많아지기 때문이다.
5G는 64T64R, 즉 트랜스미터 64개와 리시버 64개를 사용한다. 통상적으로 4G 기지국이 4T4R을 사용하는 것과 비교하면 5G가 전력을 얼마나 더 많이 쓰는지 이해할 수 있다.
늘어나는 전력 요구량을 완화하기 위해, 트랜시버 수를 32T32R이나 16T16R까지 줄이는 것을 검토하는 사업자도 있다. 이를 줄일수록 네트워크 용량도 감소하게 된다. 전력을 많이 공급하는 것은 그만큼 까다로운 일이다.
5G는 이전 네트워크 방식보다 더 많은 기지국이 필요하다. 높은 대역폭으로 더 많은 용량을 제공하기 위할 뿐 아니라, 5G에 사용되는 파장의 전달 거리가 짧기 때문이다. 그래서 넓은 커버리지를 확보하기 위해서는 새로운 장소와 인구가 밀집된 도심 지역은 물론, 시골이나 벽지에도 기지국을 설치해야 한다. 시골과 같은 곳은 물리적으로 전원에 접근하기 위한 비용이 만만치 않을 것이며 이로 인해 운영 비용도 높아질 것이다.
업계는 3kW 48VDC 전원 장치로 표준화를 진행하고 있다. 이는 일을 더 복잡하게 만든다. 총 전력 요구량이 거의 2배로 늘어나기 때문에, 사업자는 케이블과 같은 기존 인프라를 이용해 동일한 풋프린트 내에 더 많은 전력을 제공하기 위해서 전력 밀도를 끌어올리길 원한다.
전력 공급에 대한 사업자의 입장
5G 네트워크는 기지국의 모든 지점에서 더 높은 용량을 제공하도록 요구된다. 특히, 엣지 컴퓨팅에서 그런 점이 두드러질 것이다[그림 2]. 기존 네트워크는 전력이 제한적이라 4G 기지국 가동을 위한 전력도 가까스로 제공하고 있다. 이런 상황에서 기지국에 2배의 전력을 제공하는 것은 어려운 일이다. 사업자의 인프라 측면에서 볼 때, 늘어나는 전력을 지원하지 못할 뿐만 아니라 이에 드는 비용도 만만치 않기 때문이다.
5G가 더 많은 전력을 요구하는 것은 하드웨어 문제만이 아니라, 기지국의 기능이 늘어나는 이유도 있다. 5G가 제공할 수 있는 서비스는 모든 면에서 기존 네트워크를 능가하기 때문에 이를 위한 추가적인 처리 성능이 필요하다.
SMD와 GaN 기술 활용하기
이를 해결하기 위한 유일한 방법은 전력 변환 스테이지의 효율을 높이는 것이다. 동일한 풋프린트에서 입력 전력을 70%까지 높이지 않아도 더 높은 전력 출력을 제공할 수 있다. 이는 GaN과 SMD 패키징을 활용해 구현할 수 있다.
표면 실장 디바이스 패키징을 의미하는 SMD(Surface Mount Device)는 집적 소자의 풋프린트를 줄여주며 PCB 표면 위에 탑재된다. 이와 달리, THD(Through Hole Device)는 도금 쓰루홀과 레그를 사용해 PCB를 관통해서 탑재된다. SMD는 기능 밀도를 즉각적으로 높일 수 있지만, THD에 비해 크기는 작다. 전력 반도체의 경우 디바이스 효율 문제를 해결하지 않고서 THD에서 SMD로 전환하면 열 밀도가 높아지게 될 것이다.
열 밀도와 전력 밀도는 동전의 양면과 같은 것이다. 전력 밀도를 높이는 것이 중요하나, 열 밀도를 그대로 유지하거나 낮출 수 있어야 전력 밀도를 높이는 것이 가능해진다.
SMD 패키징을 사용해 PCB 디자인을 단순하게 할 수 있다. 패키징을 사용하면 상단 냉각을 사용할 수 있어 전력 소자의 상단을 (일반적으로) 알루미늄으로 된 인클로저와 직접 접촉하게 하며, 이는 트랜지스터 접합부에서 주변 공기로 열 경로를 훨씬 단축해줄 수 있다.
기존 실리콘 기반 전력 반도체에 SMD를 적용하면 전력 밀도를 높이면서 열 밀도도 같이 높아진다. 이 패키징이 열 전도가 더 우수하더라도 스위칭 효율을 같이 높이지 않는다면, 디바이스가 동작할 수 있는 온도가 제한될 것이다. MOSFET에 기반한 전력 변환 토폴로지는 98% 대의 효율 수준에 도달하고 있어 더 향상시킬 여지가 별로 없다. 그러나 실리콘 카바이드(SiC)나 갈륨나이트라이드(GaN)와 같은 와이드 밴드갭 기술에 기반한 전력 트랜지스터는 근본적으로 MOSFET보다 더 효율적이기 때문에 SMD 패키징과 완벽한 짝이 될 수 있다.
GaN은 실리콘보다 물리적 특성이 우수하기 때문에 높은 주파수로 높은 전력을 스위칭하는 데 적합하다. 온 저항이 낮고 스위칭 손실은 더 낮아서 전력 컨버터가 더 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있다. 이는 다시 스위칭 전원 장치에 요구되는 자기 소자 크기에 영향을 준다. GaN은 전반적으로 솔루션을 소형화하고 전력 밀도를 높여준다. 근본적으로 효율이 더 우수해 대부분의 경우 열 밀도도 감소한다.
[그림 3]은 2차원 플롯으로 파레토 분석을 적용한 것이다. 3kW/48V PSU, 50% 부하로 가능한 전력 밀도와 효율의 모든 조합을 보여준다. 전력 변환을 위해 CoolGaN을 사용하면 최신 실리콘 MOSFET 솔루션 대비 더 높은 효율이나 더 높은 전력 밀도, 혹은 두 가지 모두를 달성할 수 있다.
결론
4G에 비해 전력 요구량이 늘어난 5G는 기존 인프라에 부담을 준다. 부품 제조업체는 전력 밀도는 높이고 열 밀도는 낮추기 위해 전력 효율을 높여야 하는 과제에 직면해 있다. GaN은 5G 네트워크 인프라 전력 변환에 사용하기 적합하다. 애플리케이션의 요구를 충족하는 적합한 특성을 제공하면서도 전력을 절약해주기 때문이다.
<글: 프란체스코 디 도메니코(Francesco Di Domenico) 인피니언 주요 애플리케이션 엔지니어링부>
<자료제공: 인피니언 테크놀로지스>
- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2021년 1월 호에 게재된 기사입니다.
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