전기차(EV)는 주행 거리, 충전 시간, 가격대 같은 것들에 대한 소비자들의 염려 때문에 보급이 지체되어 왔다. 그러므로 전기차 보급을 가속화하기 위해서 자동차 회사들이 자동차 크기, 무게, 부품 비용은 거의 늘리지 않으면서 배터리 용량을 높이고 더 빠르게 충전할 수 있는 솔루션을 원하고 있다.

전기차 온보드 차저(OBC)는 소비자들이 집이나 공공 장소나 상업 시설의 AC 소켓으로 직접 배터리를 충전할 수 있도록 하는 시스템으로서, OBC를 둘러싼 다양한 변화들이 일어나고 있다. 빠른 충전 속도에 대한 수요가 높아지면서 전력 수준이 3.6kW에서 22kW로 높아진 동시에 무게가 늘어나면 주행 거리에 영향을 미치기 때문에 OBC의 크기는 줄어들고 있다. 최근에는 OBC의 전력 밀도를 현재 2kW/L 미만에서 4kW/L 이상으로 높이고자 하는 움직임이 일어나고 있다.

스위칭 주파수에 따른 영향

OBC는 기본적으로 스위치 모드 전원 컨버터이다. 트랜스포머, 인덕터, 필터, 커패시터 같은 수동 부품과 히트 싱크가 상당한 무게와 크기를 차지한다. 스위칭 주파수를 높임으로써 수동 부품의 크기를 줄일 수 있다. 하지만 스위칭 주파수를 높이면 MOSFET이나 IGBT 같은 스위칭 소자로 전력 손실이 증가한다.

크기를 줄이면서 부품 온도는 그대로 유지하기 위해서는 전력 손실을 추가적으로 더 낮춰야 한다. 크기가 줄어들면 열을 배출할 수 있는 표면적이 줄어들기 때문이다. 때문에 전력 밀도를 높이기 위해서는 스위칭 주파수와 효율을 동시에 높여야 한다. 바로 이 점이 실리콘 기반 전력 디바이스가 애를 먹어왔던 점이다.

스위칭 속도(디바이스 단자들 사이 전압과 전류의 변화 속도)를 높이면 스위칭 에너지 손실을 낮출 수 있다. 하지만 실제적으로 가능한 최대 주파수는 제한적이다. 이 문제를 해결하기 위해서는 단자들 사이에 기생 커패시턴스가 낮고, 회로의 인덕턴스를 낮추도록 설계된 전력 디바이스를 사용해야 한다.

실리콘과 비교한 이점

질화 갈륨(GaN)이나 실리콘 카바이드(SiC) 같은 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 전력 디바이스는 물리적 특성상 실리콘과 비교해서 비슷한 온(on) 저항과 항복 전압을 갖지만 커패시턴스가 훨씬 낮다. 또한, 항복이 발생되는 임계 전계가 더 높고(GaN은 실리콘과 비교해서 10배) 전자 이동도가 더 높으므로(GaN은 실리콘과 비교해서 33% 더 우수) 실제적으로 실리콘보다 온 저항과 커패시턴스가 모두 더 낮다. 그러므로 GaN 및 SiC FET은 실리콘보다 더 낮은 손실과 더 높은 스위칭 속도로 동작할 수 있다.

특히 GaN은 다음과 같은 점에서 훨씬 유리하다:

  • GaN은 게이트 커패시턴스가 낮으므로 하드 스위칭 시에 더 빠르게 턴온 및 턴오프가 가능하다. 그러므로 크로스오버 전력 손실을 낮춘다. GaN의 게이트 전하 FOM은 1nC-Ω이다.
  • GaN은 출력 커패시턴스가 낮으므로 소프트 스위칭 시에 드레인-대-소스 전이를 재빨리 할 수 있다. 특히 낮은 부하 (자화) 전류로 그렇다. 통상적인 GaN FET은 출력 전하 FOM이 5nC-Ω인데 비해서, 실리콘은 25nc-Ω이다. 그러므로 엔지니어는 짧은 데드 타임과 낮은 자화 전류를 사용할 수 있다. 이 점은 주파수를 높이고 순환 전력 손실을 낮추기 위해서 중요하다.
  • 실리콘이나 SiC 전력 MOSFET과 달리, GaN 트랜지스터는 구조적으로 바디 다이오드를 포함하지 않으며, 그러므로 역 복구 손실을 일으키지 않는다. 또한, 수 킬로와트에 이르는 토템폴 브리지리스 PFC 같은 새로운 고효율 아키텍처를 가능하게 한다. 이것은 이전에 실리콘 디바이스를 사용해서는 불가능했던 것이다.

따라서 그림 1에서 보듯이, GaN을 사용함으로써 더 높은 스위칭 주파수로 높은 효율을 달성할 수 있다. 650V 정격 GaN FET을 사용하면 서버 AC/DC 전원장치, EV 고전압 DC/DC 컨버터, OBC 같이 10kW까지 이르는 애플리케이션 구현이 가능하다(병렬로 적층하면 22kW까지 가능). SiC 디바이스는 1.2kV까지 가능하고 전류 전달 용량이 높으므로, 전기차 트랙션 인버터나 대형 3위상 그리드 컨버터 같은 애플리케이션에 적합하다.

그림 1: GaN 다른 기술들에 비해서 높은 스위칭 주파수로 동작할 있다.

높은 주파수로 동작할 설계 과제

수백 볼트가 스위칭 될 때10ns의 상승 시간 및 하강 시간은 기생 부유 인덕턴스의 영향을 피하기 위해서 신중하게 설계될 필요가 있다. FET과 드라이버 사이의 공통 소스 인덕턴스와 게이트 루프 인덕턴스는 다음과 같은 영향을 미친다:

  • 공통 소스 인덕턴스는 드레인-대-소스 과도 전압(dV/dt) 및 과도 전류(dI/dt)를 제한함으로써, 스위칭 속도를 늦추고 하드 스위칭 시에 오버랩 손실과 소프트 스위칭 시에 전이 시간을 증가시킨다.
  • 게이트 루프 인덕턴스는 게이트 전류 dI/dt를 제한함으로써, 하드 스위칭 시에 스위칭 속도를 낮추고 오버랩 손실을 증가시킨다. 또한, 다른 부정적 영향으로서 밀러 턴온에 대한 취약성을 높이므로, 추가적인 전력 손실을 야기하고 게이트 절연체 전압 스트레스를 최소화해야 하는 설계 문제를 야기한다. 이 문제를 적절히 처리하지 않으면 신뢰성을 저하시킬 수 있다.

이를 위해 엔지니어가 페라이트 비드와 댐핑 저항을 사용해야 할 수도 있다. 하지만 이 경우 스위칭 속도를 낮추므로 주파수를 높이고자 하는 취지에 위배된다. GaN과 SiC 디바이스가 근본적으로 높은 주파수로 동작하기에 유리한 것은 맞지만, 이러한 이점을 최대한 실현하기 위해서는 시스템 차원의 설계 과제들을 해결해야 한다. 사용 편의성, 견고성, 설계 유연성을 높이도록 잘 설계된 제품은 이 기술의 채택을 가속화 할 것이다.

드라이버, 보호, 보고, 전원 관리 기능을 통합한 GaN FET

텍사스 인스트루먼트의 고도로 통합된 650V 차량용 GaN FET 제품은 설계나 부품 선택과 관련한 어려움은 제거하면서 GaN의 고효율 고주파수 스위칭 이점을 제공한다. 인덕턴스가 낮은 QFN 패키지에 GaN FET과 드라이버를 인접하게 통합함으로써 기생 게이트 루프 인덕턴스를 크게 낮춘다. 이에 따라, 게이트 스트레스와 기생 밀러 턴온에 대한 문제를 제거할 수 있으며, 매우 낮은 공통 소스 인덕턴스로 빠른 스위칭이 가능하고 손실을 낮춘다.

LMG3522R030-Q1TMS320F2838xTMS320F28004x 같은 C2000Tm 실시간 마이크로컨트롤러의 첨단 제어 기능을 결합하면 전원 컨버터 내에서 1MHz 이상의 스위칭 주파수를 실현할 수 있다. 따라서, 기존 실리콘이나 SiC 솔루션보다 자기 소자의 크기를 59%까지 줄일 수 있다.

100V/ns 미만으로 확인된 드레인-소스 슬루율은 디스크리트 FET에 비해 스위칭 손실을 67%까지 줄인다. 30V/ns에서 150V/ns 사이로 조절 가능하다는 점은 효율과 EMI 사이 절충안을 제시하고, 설계 위험성을 낮춘다. 또한, 전류 보호 기능을 통합함으로써 견고성을 높이고, ▲동적 전력 관리를 위한 디지털 PWM 온도 보고 기능, ▲건전성 모니터링, ▲아이디얼 다이오드 모드(LMG3525R030-Q1) 같은 새로운 기능들을 포함한다. 아이디얼 다이오드 모드는 적응식 데드 타임 제어가 필요 없다. 12mm x 12mm 상단 냉각 QFN 패키지는 향상된 열 관리를 가능하게 한다.

4,000만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트를 거치고, FIT(고장률)이 10년에 1 미만인 TI의 GaN 디바이스는 자동차 회사들이 요구하는 견고성을 제공한다. 또한, TI의 GaN 디바이스는 널리 사용되는 실리콘 기판을 기반으로 하고 100% 자체 제조 설비에서 기존 프로세스 노드를 사용해 제조되므로, SiC나 사파이어 기판을 기반으로 하는 다른 기술들과 달리 공급 사슬과 비용 측면에서 확실한 우위를 제공한다. TI GaN 상세페이지를 방문하면 차량용 GaN FET에 관한 더 많은 정보를 확인할 수 있다.

라마난 나타라잔(Ramanan Natarajan)/ TI GaN 전력 제품 마케팅 매니저

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