질화갈륨(GaN) 전계 효과 트랜지스터(FET)는 실리콘 카바이드 및 실리콘 기반 FET에 비해 스위칭 손실을 줄이고 전력 밀도를 높인다. 이러한 특징은 자기 크기를 줄이는 데 도움이 되는 디지털 파워 컨버터와 같이 스위칭 주파수가 높은 애플리케이션에서 특히 유용할 수 있다.
전력 전자 산업의 설계자에게는 GaN 시스템의 성능을 증대할 새로운 기술과 방법이 필요하다. C2000
실시간 제어 마이크로컨트롤러(MCU)는 GaN 기술을 사용하는 최신 전력 변환 시스템을 개발할 때 발생하는 설계 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
C2000 실시간 제어 MCU의 이점
C2000 MCU와 같은 디지털 컨트롤러의 확장성은 제로 전압 스위칭, 제로 전류 스위칭 또는 하이브리드 히스테리시스 제어 기능이 있는 IIC(인덕터-인덕터-커패시터) 공진 DC/DC 전원 공급 장치 와 같이 복잡한 토폴로지와 제어 알고리즘에 도움이 된다.
C2000 MCU는 다음과 같은 이점을 제공한다.
- 시간 단축이 중요한 복잡한 계산 처리: C2000 MCU는 고급 명령 집합이 있어서 복잡한 수학 계산에 필요한 사이클 수를 대폭 줄여준다. 계산 시간이 줄어든다는 것은 MCU의 동작 주파수를 늘리지 않고도 제어 루프 주파수를 증가시킬 수 있음을 의미한다.
- 정밀 제어: C2000MCU 고해상도 펄스 폭 변조기(PWM)는 150ps 해상도를 지원하고, 내장된 아날로그 비교기와 구성 가능한 로직 블록은 오류 조건을 처리하는 데 도움이 된다.
- 소프트웨어 및 주변 디바이스 확장성: 시스템 요구사항의 변화에 따라 C2000 플랫폼은 실시간 제어 MCU 기능을 확장하거나 축소하는 동시에 소프트웨어 단의 투자를 유지하면서 출시 기간을 단축할 수 있다. 예를 들어 TMS320F280029C와 같은 저비용 C2000 MCU는 소형 서버 전원 공급 디바이스의 실시간 처리와 제어를 가능하게 하며, 고주파 다중 위상 시스템에서 자주 쓰이는 디바이스인 TMS320F28379D와 코드 호환성을 유지한다.
기술백서 읽기
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C2000 MCU를 통한 GaN 스위칭 문제 해결
앞서 밝힌 바와 같이 더 높은 스위칭 주파수를 구현하면 스위칭 컨버터의 자기 크기를 줄일 수는 있지만 이러한 축소는 제어 측면에서 많은 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어 토템 폴 전력 역률 보정 토폴로지에서 인덕터의 크기를 줄이면 제로 크로싱 지점에서 전류 스파이크가 증가할 수 있으며, 데드 밴드로 인한 3사분면 손실도 증가할 수 있다. 결과적으로 총 고조파 왜곡(THD)이 증가하고 효율이 감소한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 C2000 실시간 제어 MCU는 다기능 PWM을 통해 스파이크를 제거하고 THD를 개선하는 소프트 스타트 알고리즘을 지원한다. C2000 MCU에는 PWM의 온타임과 같은 파라미터를 계산하는 데 필요한 시간을 대폭 줄여줄 수 있는 확장된 명령어 집합, 부동 소수점 단위, 삼각 수학 단위가 있다. 이러한 시간 절약은 또한 제어 루프 주파수를 늘리고, PWM의 150ps 해상도로 3사분면 손실을 줄여준다.
C2000 MCU와 TI GaN 기술의 인터페이싱
C2000 MCU, 디지털 절연 디바이스, GaN FET는 그림 1과 같이 모두 장치 인터페이싱에 필요하다.
그림 1: C2000 MCU, 디지털 아이솔레이터, 600V GaN FET 인터페이싱
강화 디지털 아이솔레이터는 돌발 잡음을 억제하는 데 도움이 되며 C2000 MCU를 보호한다. C2000 MCU는 고해상도 PWM과 구성 가능한 논리 블록 및 향상된 캡쳐 모듈을 사용하여 외부 글루 로직을 사용하지 않고도 GaN FET의 안전성, 온도 및 오류 보고 기능을 모두 파악하는 정밀한 제어 출력을 제공한다. 600V GaN FET의 통합 드라이버는 유도성 링잉 현상으로 인한 시스템 설계 문제를 줄여준다. 이런 디바이스를 결합하면 외부 구성 요소를 필요로 하지 않기에 전체 비용을 절감할 수 있다.
기술 기고문: “통합 드라이버와 자가 보호 기능이 장착된 GaN FET를 통해 차세대 산업용 전원 설계를 지원하는 방법”에서 TI GaN FET의 최신 기능에 대해 자세히 알아보기
마무리
TI C2000 실시간 제어 MCU와 GaN FET는 함께 작동하여 최신 디지털 파워 시스템에 유연성과 간단한 솔루션을 제공하는 동시에 전력 밀도와 효율성이 뛰어난 디지털 파워 시스템을 지원하는 최첨단 기능 역시 제공한다. TI의 철저한 테스트를 거쳐 문서화된 레퍼런스 디자인은 고효율, 고밀도 디지털 파워 시스템의 개발을 가속화하는 데 도움을 줄 수 있다.
기타 참고 자료
- 기술백서 “TI GaN FET와 C2000 실시간 제어 MCU를 결합하여 높은 전력밀도와 효율적인 전원 시스템 달성” 읽어 보기
- 레퍼런스 디자인 “C2000 MCU를 사용하는 양방향 고밀도 GaN CCM 토템 폴 PFC” 확인하기
- 애플리케이션 보고서 “GaN에 바디 다이오드가 있습니까? –3사분면에서 GaN의 작동 이해” 읽어 보기
- TI 교육자료 “C2000 구성 가능한 논리 블록(CLB) 소개”에서 구성 가능한 논리 블록에 대해 자세히 알아보기
코디 왓킨스(Cody Watkins), C2000 실시간 제어 MCU 애플리케이션 엔지니어
