기술기고문

AC/DC 설계 시 GaN 트랜지스터에 iCoupler 기술이 제공하는 이점

2021-11-22
글: 로빈스 렌(Robbins Ren)  FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
텔레콤 및 데이터 통신 인프라의 진화를 위해서는 고도로 효율적인 AC/DC 전원장치가 중요하다. 하이퍼스케일 데이터센터, 엔터프라이즈 서버, 텔레콤 스위칭 장비 등의 전력 소모가 빠르게 늘어나고 있기 때문이다. 전력 반도체 업계는 실리콘 MOSFET의 이론적 한계에 거의 다다랐다. 실리콘 기반 MOSFET을 대체할 고성능 스위치로서 질화갈륨(GaN) 트랜지스터가 부상하고 있다. GaN 트랜지스터는 에너지 변환 효율과 밀도를 높일 수 있다. GaN 트랜지스터의 이점을 최대한 활용하기 위해서는 절연 기법 상에 변화가 필요하다.
 
GaN 트랜지스터는 다음과 같은 특징 덕분에 실리콘 MOSFET보다 훨씬 빠르게 스위칭이 가능하며 스위칭 손실도 낮출 수 있다:
▶ 더 낮은 게이트 커패시턴스와 출력 커패시턴스
▶ 드레인-소스 온 저항(RDS(ON))이 더 낮아 보다 높은 전류 동작 시 전도 손실 감소
▶ 보디 다이오드(body diode)가 필요 없어, 역 복구 전하(QRR)를 낮추거나 아예 제거 가능 

GaN 트랜지스터는 PFC와 DC-DCc 컨버터로 이루어진 대부분의 AC/DC 전원장치에 사용할 수 있다. 예를 들어서 프런트엔드, 브리지리스 PFC, 그 뒤에 LLC 공진 컨버터(2개의 인덕터와 1개의 커패시터)로 이루어진 것을 들 수 있다. 이 토폴로지는 그림 1에서 보듯이 하프 브리지와 풀 브리지 회로들로 이루어진다.
 
메인 컨트롤러로서 디지털 신호 프로세서(DSP)와 실리콘 MOSFET 대신에 GaN 트랜지스터를 사용하며, 더 높은 스위칭 주파수를 지원하기 위해서 새로운 절연 기법을 필요로 한다. 주로 절연형 GaN 드라이버를 사용한다.
 
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그림 1: 텔레콤 서버 애플리케이션용 AC/DC 전원장치

 

절연 솔루션 요구사항

UART 통신 절연

이전의 아날로그 제어 시스템에서 DSP 제어 시스템으로 전환하기 위해서는 PWM 신호와 부가적인 제어 신호를 절연할 필요가 있다. 듀얼 채널 ADuM121은 DSP들 사이의 UART 통신에 사용하기에 적합하다. 절연에 요구되는 총 시스템 크기를 최소화하기 위해 보드 어셈블리로 에폭시 레진 실런트를 사용한다. AC/DC 전원장치를 향상시키기 위해서는 크기를 작게 하고 전력 밀도를 높이는 것이 중요하다. 따라서 패키지 크기가 작은 아이솔레이터를 사용해야 한다.
 

PFC 절연

MOS와 달리, GaN은 전달 지연/스큐, 네거티브 바이어스/클램프, ISO 게이트 드라이버의 크기가 중요하다. GaN을 사용해서 하프 브리지 또는 풀 브리지 트랜지스터를 구동하기 위해, PFC 부분에는 ADuM3123 단일 채널 드라이버를 사용하고 LLC 부분에는 ADuM4223 듀얼 채널 드라이버를 사용할 수 있다.
 

절연 장벽 너머의 디바이스 구동

ADI의 isoPower® 기술은 절연 장벽 너머로 전력을 전달하기 위한 용도로 설계된 것으로서, 이 기술을 기반으로 한 ADuM5020은 GaN 트랜지스터의 보조 전원과 게이트의 보조 전원을 일치시킬 수 있는 콤팩트한 칩 솔루션을 제공한다.
 

절연 요구사항

GaN 트랜지스터를 최대한 활용할 수 있도록, 절연형 게이트 드라이버에 우선적으로 요구되는 사항들은 다음과 같다:
▶ 최대 허용 게이트 전압 7V 미만
▶ 스위칭 노드에서 100kV/ms 이상의 dv/dt, 100kV/ms ~ 200kV/ms의 CMTI
▶ 650V 애플리케이션에 상측-하측 스위치 지연을 50ns 이내로 매칭
▶ 턴오프 시, 네거티브 전압 클램프(-3V) 

하프 브리지의 상측 및 하측 트랜지스터를 구동하기 위해서는 다양한 방법을 사용할 수 있다. 기존의 레벨 시프트 고전압 드라이버에 대한 통념 하나는, 매우 간단한 단일 칩 구현은 실리콘 기반 MOSFET에만 널리 사용된다는 것이다. 서버용 전원장치 같은 몇몇 하이엔드 제품에서는 ADuM4223 듀얼 절연형 드라이버를 사용해서 MOS를 구동함으로써 콤팩트한 설계를 구현할 수 있다. 하지만 GaN의 경우, 레벨 시프트 솔루션은 몇 가지 단점이 있다. 예컨대 전달 지연이 매우 크고, 공통 모드 과도 내성(CMTI)이 제한적이며, 높은 스위칭 주파수에 적합하지 않다는 점 등이다. 듀얼 절연형 드라이버는 단일 채널 드라이버에 비해 레이아웃 유연성이 떨어진다. 또한 네거티브 바이어스 구성이 어렵다. 표 1은 이러한 여러 기법들을 비교한 것이다.
 

표 1: GaN 하프 브리지 트랜지스터를 구동하기 위한 여러 기법 비교

솔루션 기술 장점 단점 ADI 제품
상측 및 하측 통합 드라이버 레벨 시프트 가장 간단한 단일 칩 솔루션 커다란 지연 시간, 제한적인 CMTI, 외부 부트스트랩 회로 필요  
듀얼 절연형 통합 드라이버 마그네틱 단일 칩 솔루션 레이아웃 유연성 미흡, 부트스트랩 커패시터 충전 시간 필요 ADuM4223
단일 채널 절연형 드라이버 마그네틱 레이아웃 용이, 높은 CMTI, 낮은 전달 지연/스큐 외부 보조 전원 필요 ADuM3123, ADuM4121
아이솔레이터와 ISO 전원 마그네틱 레이아웃 유연성, 네거티브 바이어스에 용이, 부트스트랩 회로 불필요 높은 비용, EMI 문제 ADuM110+ ADuM5020
 
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그림 2: isoPower 디바이스들을 사용한 UART 절연 PFC 절연
 
GaN 트랜지스터용 단일 채널 드라이버 제품들은 다양하게 출시되어 있다. 대표적인 단일 채널 드라이버는 ADuM3123으로서, 그림 3처럼 제너 다이오드와 디스크리트 회로들에 의해 제공되는 외부 전원을 네거티브 바이어스용으로 사용(선택적)한다.

새로운 동향: 맞춤화한 절연형 GaN 모듈

현재 GaN 디바이스는 대부분이 드라이버와 별도로 패키징된다. 이것은 GaN 스위치와 절연 드라이버의 제조 공정이 다르기 때문이다. 하지만 앞으로는 GaN 트랜지스터와 절연 드라이버를 단일 패키지에 통합함으로써 스위칭 성능을 한층 더 향상할 수 있게 될 것이다. 통합을 통해 인덕터 기생성분을 낮출 수 있기 때문이다. 자사의 GaN 시스템을 맞춤형 모듈에 패키징할 계획인 제조사도 있다. 장기적으로는, GaN 시스템용 드라이버를 더 작은 크기의 아이솔레이터 모듈에 통합하게 될 것이다. 예컨대 그림 4처럼, 극히 소형화한 크기의 단일 채널 제품인 ADuM110N(짧은 전달 지연, 높은 주파수)과 isoPower ADuM5020을 사용해서 설계를 크게 간소화할 수 있다.
 
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그림 3: GaN 트랜지스터를 위한 단일 채널 절연형 isoCoupler 드라이버 애플리케이션 사례
 
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그림 4: iCoupler ADuM110N isoPower ADuM5020 Navitas GaN 모듈과 좋은 조화를 이룬다

맺음말

GaN 트랜지스터는 더 작은 디바이스 크기, 더 낮은 온 저항, 더 높은 동작 주파수로 기존의 실리콘 기반 MOSFET에 비해서 여러 면에서 유리한 이점들을 제공한다. GaN 기술을 사용함으로써 효율을 떨어뜨리지 않으면서 전체 솔루션 크기를 줄일 수 있다. GaN 디바이스는 중간 전압대 및 고전압대 전원장치용으로 특히 적합하다. ADI의 iCoupler® 기술은 새롭게 부상하는 GaN 스위치 및 트랜지스터와 함께 사용하기에 매우 뛰어난 이점들을 제공한다.

저자 소개

로빈스 렌(Robbins Ren)은 ADI 중국 센젠 지사의 FAE이다. 2010년에 ADI에 입사했으며 중국에서 통신 고객들을 위한 전원 및 iCoupler 제품 지원을 맡고 있다. 화난 이공대학에서 전력 반도체로 석사학위를 취득했다. 문의: robbins.ren@analog.com
 
태그 :
ADuM3123, ADuM4223, ADuM5020