[논문]전력전자분야에서 GaN 전력반도체를 위한 회로기술 연구동향

이일운; 김종우

전력전자분야에서 GaN 전력반도체를 위한 회로기술 연구동향 원문보기

전기의 세계 = The proceedings of KIEE, v.65 no.2, 2016년, pp.34 - 43

이일운 (계명대학교) , 김종우 (한국과학기술원)

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문제 정의

GaN FET 응용회로기술동향에 대한 설명 전, GaN과 Si 전력반도체의 성능 비교를 간단히 기술하고자 한다.
따라서, 하드 스위칭을 하는 경우와 영 전압 스위칭을 하는 경우의 스위치 소자의 FOM을 따로 도출할 필요가 있다. 본 장에서는 [21]에서 자세히 다룬 GaN과 Si 전력반도체의 성능을 FOM으로 비교한 내용을 소개하고자 한다.
이러한 배경으로 본 원고에서는 GaN 전력반도체 응용을 위해 필요한 앞에서 언급된 여러 기술 중에서 최적 구동 드라이버 설계와 관련된 기술과 GaN 전력반도체 응용에 적합한 토폴로지들에 대한 최근 기술 연구 동향을 소개하고자 한다.
또한, 기생 다이오드의 역회복 특성이 매우 우수하기 때문에 동기 정류기로 사용하는 데 있어서도 매우 유리하다. 이러한 특징이 어떻게 하드 스위칭 토폴로지에 고효율화 및 고전력밀도화에 긍정적 영향을 미치는지에 대해 토폴로지 별로 고찰하도록 한다.

대상 데이터

[22]에서는 GaN FET을 사용한 synchronous buck 컨버터의 스위칭 파형을 분석함으로써 GaN이 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 입력전압 380V, 출력 200V/6A, 스위칭 주파수 500kHz의 prototype을 설계하고 실험하였다. 그림 11은 synchronous buck 컨버터의 회로도, Si MOSFET을 사용 하였을 때와 GaN FET을 사용하였을 때의 스위칭 동작 파형을 나타낸다.

성능/효과

[22]에서는 1MHz 스위칭 주파수, 400V 입력, 12V/300W 출력의 LLC 컨버터에 대해 설계하고 실험을 진행하였다. 결과적으로 GaN FET을 사용한 LLC 컨버터는 dead time이 작을 뿐만 아니라, 게이트 드라이빙 손실까지 훨씬 작기 때문에 전체적으로 1% 이상의 효율 향상을 가져온다는 것을 확인할 수 있다.
그림 11은 synchronous buck 컨버터의 회로도, Si MOSFET을 사용 하였을 때와 GaN FET을 사용하였을 때의 스위칭 동작 파형을 나타낸다. 그림에서 확인할 수 있듯이, GaN FET을 사용하였을 때 훨씬 짧은 스위칭 시간을 보인다는 것을 확인할 수 있고, 보고된 바에 의하면 GaN FET을 사용한 컨버터가 전체 구간에서 10% 이상 높은 효율을 보인다는 것을 확인할 수 있으며, GaN FET을 사용한 synchronous buck 컨버터의 최고 효율은 약 92% 였다.
마지막으로, 고주파 동작에 의한 자성체 크기의 감소는 converter-on-chip 기술까지 가능하게 할 수 있다. 동작 주파수가 극도로 높아지게 되면, 자성체 코어를 사용하지 않고도 동작하는데 충분한 인덕턴스를 PCB 권선을 이용하여 낼 수있게 된다.
그림에서 확인할 수 있듯이, GaN FET은 SiC MOSFET에 비하여 비슷한 수준의 드레인-소스 턴-온 저항 값을 가질 때 월등히 적은 기생소자의 전하량을 가진다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, GaN FET에서 발생하는 손실은 하드 스위칭을 하는 전력변환 회로뿐만 아니라, 영 전압 스위칭을 하는 전력변환 회로에서도 높은 효율을 보일 수 있다는 것을 알 수 있다. 영 전류 스위칭을 하는 전력변환 회로에서의 스위칭 특성은 하드 스위칭을 하는 전력변환 회로와 비슷하게 나타난다.

후속연구

이처럼 파워 디바이스 패키지 내부에 게이트 드라이버를 넣기 위해서는 WBG 파워 디비이스와 동일한 환경을 견딜 수 있도록 게이트 드라이버를 개발해야 한다. 따라서 GaN과 동일한 환경 동작 조건을 만족하는 게이트 드라이버, 보호회로, 심지어 단순한 제어회로 등에 대한 연구와 이를 파워 디바이스와 직접화하는 연구가 지속적으로 진행될 필요가 있다. 또한, 기생 인덕턴스 성분들을 보다 줄이기 위한 방법으로 그림 6과 같은 와이어 본딩이 요구되지 않는 직접화 연구가 최근에 보고되고 있다.
앞에서 언급한 layout 최적화 기술들로 기생 인덕턴스에 의한 영향을 최소화 할 수 있을 것이다. 하지만 Vgs에 Vds 급변에 의한 약간의 전압 스파이크가 나타날 수 있고, 그 결과 GaN FET가 오동작 할 가능성이 충분히 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GaN FET의 특징은 무엇인가?	GaN FET은 비슷한 수준의 온 저항, 전압 내압, 그리고 최대 드레인-소스 전류를 갖는 기존 Si MOSFET와 비교하였을때 훨씬 작은 기생 캐패시턴스를 가지며, 기생 다이오드의 역 회복 특성은 비교할 수 없을 정도로 작다. 이러한 특성은 Si MOSFET과 비교할 때뿐만 아니라, SiC MOSFET과 견주어 보았을 때도 월등히 우수하기 때문에, 현재 전력변환 회로에서 추구하는 고효율, 고전력밀도화에 GaN MOSFET이 매우 적합한 소자이다.
	전력 전자시스템의 소형화는 왜 중요한가?	혹자는 왜 전력 전자시스템의 소형화가 그렇게 중요한가 대한 질문을 던지곤 한다. 가장 분명한 답변은 많은 응용 분야에서 전력전자 시스템의 크기와 무게가 소형화 될 수 밖에 없도록, 산업 전반에 걸쳐 전체 시스템의 부피, 크기, 무게에 대한 제한이 점점 강화되고 있다는 사실에서 온다. 특히 IT기술의 발전은 소형화에 대한 요구가 산업 전반으로 퍼지도록 하고 있고, 그 결과 혁신적인 디자인, 새로운 시스템 구조 등에 대한 연구, 개발이 전력전자 엔지니어에게 도전적으로 주어졌다.
	WBG 전력반도체의 기생 인덕턴스를 줄이기 위한 방법은 무엇인가?	WBG 전력반도체의 고속 스위칭 구동을 위해 기생 인덕턴스 성분을 줄이기 위한 방법으로 파워 디바이스 패키지 안에 게이트 드라이버를 집적화하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그림 5은 게이트 드라이버를 패캐지 안에 직접화한 SiC WBG 디바이스를 보여준다.

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