[논문]GaN HEMT를 적용한 고전력밀도의 부스트 컨버터 개발

정회정; 김예린

GaN HEMT를 적용한 고전력밀도의 부스트 컨버터 개발
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정회정 (울산과학기술원) , 김예린 (울산과학기술원)

본 논문에서는 WBG소자인 GaN HEMT를 적용한 고전력밀도의 부스트 컨버터개발을 제안하였다. GaN HEMT는 문턱전압이 낮아 인덕턴스에 민감하므로 인덕턴스를 최소화시키는 PCB 레이아웃을 설계하였다. 입력단에 60V의 직류전원을 연결한 후, 출력 전압을 120V, 출력 전력을 100W와 200W로 고정하여 주파수에 따른 소자의 온도와 효율을 측정하였다. 주파수를 100kHz에서 1MHz까지 100kHz간격으로 변화시켜 실험하였고, 부하전력과 주파수가 커질수록 GaN HEMT의 온도가 상승하였다. 컨버터 효율은 부하전력이 100W이고, 주파수가 100kHz일 때 91.7%로 가장 낮은 효율이 나타났고, 부하전력이 200W, 주파수가 600kHz일 때 97.4%로 가장 높은 효율이 나타났다.

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문제 정의

본 논문에서는 GaN HEMT 소자를 적용한 고전력밀도의 부스트 컨버터 회로를 설계하고, PCB 레이아웃 설계 시 고려사항을 제시한다. 또한 GaN의 고속스위칭에 따른 부스트 컨버터의 동작을 실험하였다.
본 논문에서는 WBG 반도체인 GaN HEMT를 적용한 고전력밀도의 전력변환 회로를 설계하였다. 설계된 회로는 PCB 레이아웃 설계 시 발생하는 인덕턴스를 최소화하여 제작되었고 GaN HEMT 레이아웃 설계 시 고려해야 할 사항에 대해 제안했다.

제안 방법

본 논문에서는 GaN HEMT 소자를 적용한 고전력밀도의 부스트 컨버터 회로를 설계하고, PCB 레이아웃 설계 시 고려사항을 제시한다. 또한 GaN의 고속스위칭에 따른 부스트 컨버터의 동작을 실험하였다.
설계된 회로는 PCB 레이아웃 설계 시 발생하는 인덕턴스를 최소화하여 제작되었고 GaN HEMT 레이아웃 설계 시 고려해야 할 사항에 대해 제안했다. 또한, 스위치에 가해지는 주파수와 부하전력에 따른 소자의 온도와 효율을 측정하기 위해 1MHz까지 스위칭 주파수를 높여 실험했다. 저주파에서는 인덕터가, 고주파에서는 GaN의 온도가 더 높음을 확인했고, 높은 온도는 해당 소자의 손실을 나타낸다.
본 논문에서는 WBG 반도체인 GaN HEMT를 적용한 고전력밀도의 전력변환 회로를 설계하였다. 설계된 회로는 PCB 레이아웃 설계 시 발생하는 인덕턴스를 최소화하여 제작되었고 GaN HEMT 레이아웃 설계 시 고려해야 할 사항에 대해 제안했다. 또한, 스위치에 가해지는 주파수와 부하전력에 따른 소자의 온도와 효율을 측정하기 위해 1MHz까지 스위칭 주파수를 높여 실험했다.

대상 데이터

아이솔레이터는 드라이버의 입력과 출력단의 전기적인 절연(galvanic isolation)을 하여 입력받은 펄스파 시그널과 전력단을 분리한다. 아이솔레이터와 게이트 드라이버에 일정한 정격 전원을 주기 위해 LDO를 사용했다. 인가된 게이트 전압은 게이트 드라이버를 통해 부스트 컨버터의 스위치를 동작시킨다.

성능/효과

이러한 문제점은 시스템의 효율을 저해할 수 있으므로, 그림 2에 표현된 파워 루프와 게이트 드라이버 루프를 최소화시켜 불필요한 인덕턴스를 줄이는 것이 중요하다.^[2] PCB 레이아웃 설계 시 인덕터의 패드를 불필요하게 크게 할 경우 오실레이션이 증가하고, 인덕터 소자 아래로 그라운드 배선이 지나갈 경우 손실이 늘어나므로 인덕터 배치 또한 중요하다. 또한, 고주파에서 상단 레이어에 전력 라인을 배선하고 같은 위치의 하단 레이어에 그라운드를 배선할 경우, 레이어 사이에 캐패시턴스가 생길 수 있어 피해야 한다.
온도가 가장 높은 소자를 측정했을 때, 100W일 때는 200kHz까지, 200W일 때는 400kHz까지 인덕터의 온도가 더 높다. 낮은 주파수에서 온도가 가장 높은 소자는 인덕터지만, 주파수가 높아질수록 인덕터 온도는 줄어들고 스위치의 온도가 점점 높아짐을 확인할 수 있다. 이는 낮은 주파수에서는 인덕터의 손실이 크지만, 주파수가 높아짐에 따라 인덕터의 손실 작아지고, 높은 주파수로 인한 GaN의 스위칭 전력손실이 더 커지게 되기 때문이다.
이는 낮은 주파수에서는 인덕터의 손실이 크지만, 주파수가 높아짐에 따라 인덕터의 손실 작아지고, 높은 주파수로 인한 GaN의 스위칭 전력손실이 더 커지게 되기 때문이다. 또한, 부하전력이 100W일 때 보다 200W일 때 소자의 온도가 높은 것을 확인할 수 있다. 컨버터 효율은 스위칭 주파수가 100kHz일 때 91.
7%로 가장 낮은 효율을 가진다. 또한, 부하전력이 200W이고 스위칭 주파수가 600kHz일 때 97.4%로 가장 높은 효율이 나타났다. 그림 4는 부하전력이 200W, 스위칭 주파수가 1MHz일 때의 동작 특성 파형을 나타낸다.
또한, 스위치에 가해지는 주파수와 부하전력에 따른 소자의 온도와 효율을 측정하기 위해 1MHz까지 스위칭 주파수를 높여 실험했다. 저주파에서는 인덕터가, 고주파에서는 GaN의 온도가 더 높음을 확인했고, 높은 온도는 해당 소자의 손실을 나타낸다. 고속스위칭이 가능한 GaN HEMT 스위치를 사용한다면 고주파에서의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 인덕터의 크기를 줄일 수 있어 컨버터 시스템의 크기 또한 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

저주파에서는 인덕터가, 고주파에서는 GaN의 온도가 더 높음을 확인했고, 높은 온도는 해당 소자의 손실을 나타낸다. 고속스위칭이 가능한 GaN HEMT 스위치를 사용한다면 고주파에서의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 인덕터의 크기를 줄일 수 있어 컨버터 시스템의 크기 또한 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

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