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전기차(EV) 도입을 가속화하고자 전 세계 자동차업체들이 소비자들이 가장 염려하는 주행 거리, 충전 시간, 가격대 등의 과제를 해결하면서 차량 크기와 무게, 부품 비용은 거의 또는 아예 늘리지 않으면서 배터리 용량을 높이고 더 빠르게 충전할 수 있는 솔루션을 개발하고자 노력하고 있다.

이에 따라 소비자들이 집이나 공공 장소 또는 상업 시설의 AC 전원에서 직접 배터리를 충전할 수 있는 전기차 온보드 충전기(OBC) 역시 급격하게 변화하고 있다. 빠른 충전 속도에 대한 요구가 높아지면서 전력 수준이 3.6kW에서 22kW로 높아졌고, 동시에 OBC는 기존의 기계식 엔벨로프에 들어맞으면서 항상 가지고 다닐 수 있지만 주행 거리에 영향을 주지 않아야 하는 요건을 충족해야 한다. 최근에는 OBC의 전력 밀도를 현재 2kW/L 미만에서 4kW/L 이상으로 높이고 있는 추세다.

스위칭 주파수의 영향

OBC는 기본적으로 스위치 모드 전원 컨버터다. 변압기, 인덕터, 필터, 커패시터 같은 수동 부품과 히트 싱크가 OBC의 무게와 크기 대부분을 차지한다. 스위칭 주파수를 높임으로써 수동 부품의 크기를 줄일 수 있다는 뜻이다. 하지만 스위칭 주파수를 높이면 전원 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터) 및 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 같은 스위칭 소자에서 전력 손실이 증가한다.

크기를 줄이면서 부품 온도를 그대로 유지하기 위해서는 전력 손실을 추가로 낮춰야 한다. 크기가 줄어들면 열을 배출할 수 있는 표면적이 줄어들기 때문이다. 그렇기 때문에 전력 밀도를 높이려면 스위칭 주파수와 효율성을 동시에 높여야 한다. 바로 이 점이 실리콘 기반 전력 디바이스가 애를 먹어왔던 부분이다.

스위칭 속도(디바이스 단자들 사이 전압과 전류의 변화 속도)를 높이면 기본적으로 스위칭 에너지 손실을 낮출 수 있지만 실제로 가능한 최대 주파수는 제한적이다. 이 문제를 해결하기 위해서는 단자들 사이에 기생 커패시턴스가 낮고 회로 경로 배열에서 인덕턴스를 낮추도록 설계된 전력 디바이스를 사용해야 한다.

실리콘보다 낮은 손실과 높은 스위칭 속도

질화 갈륨(GaN)과 실리콘 카바이드(SiC) 같은 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 전력 디바이스는 물리적 특성상 실리콘과 비교하여 ON 저항과 항복 전압은 비슷하지만 커패시턴스는 훨씬 낮다. 또한 항복이 발생하는 임계 전계가 더 높고(GaN이 실리콘과 비교해서 10배 높음) 전자 이동성이 더 높기 때문에(GaN이 실리콘과 비교해서 33%가량 높음) 실제로 ON 저항과 커패시턴스가 모두 더 낮다. 그러므로 GaN 및 SiC FET은 본질적으로 실리콘보다 더 낮은 손실과 더 높은 스위칭 속도로 동작할 수 있다.

특히 GaN 다음과 같은 점에서 훨씬 유리하다.

  • GaN은 게이트 커패시턴스가 낮으므로 하드 스위칭 시에 더 빠르게 턴온 및 턴오프가 가능하기 때문에 크로스오버 전력 손실을 낮출 수 있다. GaN의 게이트 전하 FOM(성능 지수) 1nCΩ이다.
  • GaN은 출력 커패시턴스가 낮으므로 소프트 스위칭 시에 드레인-소스 전이를 재빨리 할 수 있다특히 낮은 부하(자화전류에서는 더욱 그런데예를 들어 일반적인 GaN FET은 출력 전하 FOM 5nCΩ 인 데 반해 실리콘은 25nCΩ이다그렇기 때문에 설계자들은 짧은 데드 타임과 낮은 자화 전류를 사용할 수 있으며이는 주파수를 높이고 순환 전력 손실을 줄이는 데 필요한 요소다.
  • 실리콘 및 SiC 전원 MOSFET과 달리 GaN 트랜지스터는 본래 구조에 바디 다이오드가 없으므로 역복구 손실이 없다또한 수킬로와트에 이르는 토템 폴 브리지리스 PFC(역률 보정같은 새로운 고효율 아키텍처를 가능하게 하는데이는 이전에 실리콘 디바이스를 사용해서는 불가능했던 부분이다.

이 모든 장점 덕분에 설계자들은 그림 1과 같이 GaN을 사용함으로써 훨씬 높은 스위칭 주파수에서 높은 효율을 달성할 수 있게 되었다. 650V 정격의 GaN FET을 사용하면 서버 AC/DC 전원 장치, EV 고전압 DC/DC 컨버터, OBC 같이 최대 10kW에 이르는 애플리케이션 구현이 가능하다(병렬로 적층하면 22kW까지 가능). SiC 디바이스는 최대 1.2kV까지 제공되고 통전 용량이 높으므로, 전기차 트랙션 인버터와 대형 3상 그리드 컨버터에 적합하다.

1: 매우 높은 주파수의 애플리케이션 구현 GaN 모든 기술을 능가함

고주파수에서의 설계 과제

수백 볼트가 스위칭될 때 통상 10ns의 상승 및 하강 시간은 기생 부유 인덕턴스의 영향을 피하기 위해서 신중하게 설계할 필요가 있다. FET과 드라이버 사이의 공통 소스 인덕턴스와 게이트 루프 인덕턴스는 다음과 같은 중요한 역할을 한다.

  • 공통 소스 인덕턴스는 드레인-소스 과도 전압(dV/dt) 및 과도 전류(dl/dt)를 제한하여 스위칭 속도를 저하시키고 하드 스위칭 시에는 중첩 손실을, 소프트 스위칭 시에는 전이 시간을 증가시킨다.
  • 게이트 루프 인덕턴스는 게이트 전류 dl/dt를 제한하여 스위칭 속도를 감소시키고 하드 스위칭 시에 중첩 손실을 증가시킨다. 또 다른 부정적 영향으로는 밀러 턴온에 대한 취약성을 높이므로 추가 전력 손실 위험을 일으키고 게이트 절연체 전압 오버스트레스를 최소화해야 하는 설계 과제를 제기한다. 이를 적절히 줄이지 않으면 신뢰성이 떨어진다.

그 결과 엔지니어들은 페라이트 비드와 댐핑 저항을 사용해야 할 수도 있다. 하지만 이 경우 스위칭 속도를 낮추므로 주파수를 높이기 어렵게 된다. GaN 및 SiC 디바이스가 근본적으로 높은 주파수로 동작하기에 유리하지만, 이러한 이점을 최대한 실현하기 위해서는 시스템 차원의 설계 과제를 해결해야 한다. 사용 편의성, 견고성, 설계 유연성을 고려하여 영리하게 설계된 제품은 이 기술의 도입을 가속화할 것이다.

드라이버, 보호, 보고 전원 관리 기능을 통합한 GaN FET

텍사스 인스트루먼트의 완전 통합된 650V 차량용 GaN FET은 설계와 부품 선택과 관련된 어려움 없이 GaN의 고효율, 고주파 스위칭의 이점을 제공한다. 인덕턴스가 낮은 QFN(Quad Flat No Lead) 패키지에 GaN FET과 드라이버를 인접하게 통합함으로써 기생 게이트 루프 인덕턴스를 크게 낮춰준다. 그 결과 게이트 스트레스와 기생 밀러 턴온에 대한 우려를 제거하는 한편 매우 낮은 공통 소스 인덕턴스로 빠른 스위칭이 가능하고 손실을 낮출 수 있다.

LMG3522R030-Q1은 TMS320F2838x 또는 TMS320F28004x 같은 C2000Tm 실시간 마이크로 컨트롤러의 첨단 제어 기능과 결합하면 1MHz보다 높은 스위칭 주파수를 실현할 수 있다. 따라서 기존 실리콘이나 SiC 솔루션과 비교하여 자기 소자의 크기를 59%까지 줄일 수 있다.

100V/ns 미만으로 확인된 드레인-소스 슬루율은 개별 FET보다 스위칭 손실을 67%까지 줄일 수 있다. 30V/ns~150V/ns 사이로 조절 가능해서 효율과 EMI(전자기 간섭) 사이의 절충이 가능하고 다운스트림 제품 설계의 위험을 낮출 수 있다. 또한 통합된 전류 보호 기능이 견고성을 제공하고, 디지털 PWM(펄스폭 변조) 온도 보고 기능, 동적 전력 관리를 위한 건전성 모니터링, 아이디얼 다이오드 모드(LMG3525R030-Q1에서 제공) 같은 새로운 기능을 포함한다. 아이디얼 다이오드 모드는 적응형 데드 타임 제어가  필요 없으며, 12mm x 12mm 상단 냉각 QFN 패키지는 향상된 열 관리를 지원한다.

4,000만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트를 거치고 10년간의 FIT(고장률)이 1 미만인 TI GaN 디바이스는 자동차업체들이 기대하는 견고성을 제공한다. 또한 TI의 GaN 디바이스는 널리 사용되는 실리콘 기판을 기반으로 하고 100% 내부 제조 시설에서 기존 프로세스 노드를 사용하여 제조된다. 그렇기 때문에, SiC 또는 사파이어 기판을 기반으로 하는 다른 기술과 달리 공급망과 비용 측면에서 확실한 우위를 제공한다. 차량용 GaN FET에 대한 자세한 내용은 TI GaN 링크에서 확인할 수 있다.

라마난 나타라잔 (Ramanan Natarajan), TI 마케팅 & 애플리케이션 매니저

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