[헬로티]

GaN 트랜지스터는 이상적 스위치로의 발전을 위한 단계에 있으며 특히 일부 측면에서 볼 때 성능 면에서도 큰 도약을 이뤄냈다. 최근의 GaN 트랜지스터는 실리콘 MOSFET 보다 장점을 갖는다. 결론적으로 GaN은 실리콘 기반 소자에 대한 대체품이 아니라 아주 새로운 패러다임이다. 이 기고를 통해서 GaN에 대한 잘못된 오해를 바로 잡고자 한다.

GaN 트랜지스터의 탁월한 성능에 대해 들어본 당신은 조금 흥분했을 것이다. 그러나 샘플들이 드디어 도착하자 그것들을 보드에 장착한 뒤 전원을 켜고 부하를 연결했을 때 성능이 전보다 나은 것이 없음을 알게 되었다. 게다가, 기존에는 없었던 스위칭 문제도 생겼다.

 

‘이 트랜지스터는 전혀 좋지 않고 엉망이네. 도대체 무엇때문에 이렇게 떠들썩했던거야?’ 라고 생각하게 될 당신이 뭔가 놓치고 있는 것은 없을까?

20년 이상 동안 실리콘 기반의 파워 MOSFET은 스위칭 전력 공급 분야에서 시장을 주도했다. 기존의 바이폴라 트랜지스터 기술을 사용하는 이들 애플리케이션에서는 주파수에 대한 고속 및 저전력 손실을 실현할 수 없었다. 그러나 시간이 지남에 따라 파워 MOSFET은 진보를 거듭해 이상적인 스위치에 점점 더 가까워져 갔다.

그럼에도 불구하고 최종 애플리케이션에서 그 장점들을 최대한 활용하려면 여전히 트랜지스터 고유의 비이상적 특성들을 이해해야만 한다. 파워 MOSFET의 스위칭 속도가 실리콘 기술의 발전에 따라 증가함에 따라 회로 설계자들은 소자 및 인쇄 기판 회로 배치를 할 때 기생 소자들의 노이즈와 간섭을 통제하면서도 효율을 더욱 개선해야만 했다.

GaN 트랜지스터는 이상적 스위치로의 발전을 위한 단계에 있으며 특히 일부 측면에서 볼 때 성능 면에서도 큰 도약을 이뤄냈다. 소자 배치와 기생 소자 통제에 대한 방법은 예전과 같은 원칙들에 따르지만 이 같은 원칙은 최근 보다 더 두드러지는 추세다. 

이에 따라 보드 배치에 대한 기준 요건들이 변화하고 있으며 보다 느린 power MOSFET을 사용해야 했던 과거보다 드라이브와 전력 루프 설계가 더욱 엄격히 요구되고 있다. 이 같은 측면에서 볼 때 실리콘파워 MOSFETs 을 사용하도록 설계된 기존 회로에 GaN 파워 트랜지스터를 설치하려고 시도하는 고객들은 그 실행이 제대로 되지 않고 있으며 또한 예상하는 성능 개선도 볼 수 없어서 실망하는 경우가 종종 있다.

GaN 트랜지스터의 실행에 따른 이점을 완전히 얻기 위해서는 이 시스템 스위치를 결과론적으로 취급하는 대신 그 주변 시스템에 대한 설계를 할 필요가 있다. 그러나 이 방법은 설계자가 GaN 트랜지스터의 장점을 이해하는 회로 구조와 제어 방법을 선택했다는 가정을 토대로 한다.

표 1은 GaN power 트랜지스터와 실리콘 파워 MOSFET 간의 중요한 차이들이 일부 나타내고 있는데, 여기서는 1 세대 GaN 소자가 최신 세대의 실리콘 MOSFET과 함께 비교된다.

▲ 표 1. GaN power 트랜지스터와 실리콘 파워 MOSFET 차이

표 1에서 볼 수 있듯이 GaN 소자는 훨씬 적은 게이트 전하와 매우 낮은 역 회복 전하를 갖고 있다. 뿐만 아니라 출력 정전용량 특성이 드레인-소스 전압에 대해 평탄해서 실리콘 기반의 소자에 비해 우수한 출력 정전 용량 전하를 갖는다. 이러한 차이들은 GaN 소자에서 다양한 형태로 나타난다. 

게이트 전하가 낮다는 것은 동일한 드라이브 IC를 더 낮은 드라이브 손실로 사용할 수 있음을 의미한다. 그러나 이것이 진정으로 큰 혜택일까? 이 트랜지스터를 기존 상황에 설치하는 것보다 최선의 방법은 GaN으로 얻을 수 있는 시스템 혜택을 찾아보는 것이다.

드라이브 손실이 낮기 때문에, 스위칭 주파수는 전력 손실에 드라이브 부분을 더하지 않고도 증가하게 된다. 스위칭 주파수 증가는 보다 회로 내에 작은 자기 소자를 사용할 수 있게 해준다. 회로 종류와 시스템 요건에 따라 이는 콘덴서 크기를 줄일 기회도 제공할 수 있다. 이 같은 변화는 공간의 절약과 더 높은 전력 밀도를 가능하게 한다.

P드라이브 = Qg × Vgs × fsw

(여기서 : Qg = 게이트 전하, Vgs = 적용된 게이트-소스 전압, Fsw = 스위칭 주파수)

전력 밀도의 개선을 보장하기 위해서는 기타 측면들을 고려해야 한다. 각 스위칭 사이클 중에 에너지는 트랜지스터의 출력 컨덴서에 저장되는데 이는 스위치를 켰을 때 소자를 낮은 저항으로 작동하기 위해 제거해야 한다. 스위칭 전류가 이 에너지를 재활용하는 방식으로 작동한다면 이는 스위칭 주파수 개선에 나쁘지 않은 요소다. 그렇지 않은 경우 트랜지스터 출력에서 스위칭 손실을 용인하는 것이 중요한데 이 역시 주파수에 비례한다.

시스템의 크기가 작은 상태에서는 나머지 전력 손실을 적절하게 다뤄서 부품 및 시스템 온도 요건들이 작동 조건을 위배하지 않도록 열 전도 경로를 점검해야 한다. 동일한 전력 손실과 높은 전력 밀도 상태에서 시스템 열 저항 값은 소자 작동 온도를 보다 밀도가 적은 경우와 유사하게 유지하기 위해 같아야 한다. 보다 체적이 작은 상태에서 동일한 시스템 열 저항을 가지려면 다른 설계나 보다 우수한 열전도 재료를 사용할 필요도 있다.

GaN 트랜지스터에 대한 또 다른 오해는 파워 MOSFET을 계승한 것이라는 점이다. 파워 MOSFET의 초기 단계에서는 과전압 이벤트가 오프 상태에서 전체 시스템 전류가 장치를 통과하게 만들 때 에너지 용량이 매우 제한적이었다. 이 소자가 과전압 이벤트를 견뎌내도록 공학적으로 개선되기까지는 많은 세월이 필요했다.

설계자들은 시스템적 성능상의 장점을 지닌 파워 MOSFETs을 여전히 사용한다. 최근의 1세대 GaN 파워 트랜지스터들에서도 유사한 상황이 존재한다. 이들은 시스템의 고 에너지 편위에 영향을 받지 않는다. 실제로 실리콘 기반의 파워 M O S F E T을 사용하면 데이터시트 상에 avalanche 에너지가 있다고 해도 고객의 시스템 내 소자를 충분히 보호할 수 있다는 잘못된 보안 상의 오류를 초래한다.

현실에서는 정격 avalanche 에너지가 고객사 사용 조건 상의 소자 용량을 반영하지 않는 경우가 잦다. 이와 마찬가지로 GaN 트랜지스터를 사용할 때에는 라인 서지에 대한 노출과 시스템에 과도한 에너지가 흐르는 이벤트를 제한하기 위해 신경을 써야 한다. 그러나 이 같은 측면에서 본다면 최근의 GaN 트랜지스터는 실리콘 MOSFET 보다 장점을 갖는다.

실제 파괴 전압은 정격 정상 상태 전압에 비해 훨씬 높은데 이는 과도 전압이 소자가 파괴되기 전에 훨씬 높게 올라 갈 수 있다는 것을 의미한다. 신중한 설계에서는 과도 전압 서지 억제기를 포함할 뿐만 아니라 접지에 대한 시스템 정전용량을 반영함으로써 GaN 트랜지스터의 drain-source 전압을 증가시키는데 필요한 에너지도 고려한다.

GaN, 실리콘 기반 소자의 대체품 아닌 새로운 패러다임

GaN 트랜지스터의 주요 장점들 중 하나는 스위칭 속도다. 그러나 이 성능을 이용하기 위한 시스템적 측면을 고려하지 않으면 GaN의 장점은 실현하지 못할 수 있다. 시스템 설계자들은 GaN 트랜지스터에 의한 빠른 에지 변화율을 이용해서 스위칭 주파수를 크게 증가시킬 수 있다. 기생 인덕터스는 항상 스위칭 회로에 영향을 주기 때문에 에지 변화율과 스위칭 주파수 상승보다 훨씬 중요해진다.

빠른 에지 변화율은 보다 높은 주파수 고주파 콘텐츠를 포함하므로 전도 또는 복사 전자파 장애(EMI)로 전파될 위험이 증가한다. 전도된 EMI를 위한 필터는 기존 설계가 더 적합하다는 잘못된 신념에 의존하지 말고 파워 트랜지스터와 주변 회로의 조합을 통해 적절하게 조절해야 한다. 복사 EMI를 완화하려면 스위칭 노드를 가능한 짧고 넓게 유지해야 한다.

신속 스위칭 트랜지스터 패키지 내의 기생 인덕턴스가 전력 변환 효율에 상당한 영향을 주는 것으로 기록되지만[주], PCB 배치 역시 그에 못지 않게 중요하다. 소자 스위칭 성능을 최적으로 제어하기 위해 전력 및 드라이브 루프 내 전체 인덕턴스를 최소화해야 한다. 그림 1에는 이들 인덕턴스에 대한 예시가 나타나 있다.

▲ 그림1. 전력 및 드라이브 전류 루프 내 기생 인덕턴스 표시

기생 인덕턴스를 최소화하면 보다 빠른 스위칭 주파수를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 기타 소자들도 변경을 검토할 수 있다. 보다 높은 스위칭 주파수에서는 변압기나 인덕터 내자기 코어의 크기를 줄이는 것이 대체로 가능한데 이는 시스템의 전력 밀도를 증가시키는데 도움을 준다. 

보다 큰 버전에서와 같이 동일한 재료 및 제조 방법을 사용하는 경우, 자기 소자들이 비용이 절감된다. 시스템 내 정전 용량 요건도 시스템 요건이 충족된다면 줄어들 수 있다는 것은 기정 사실이다. 예를 들어, 지연 시간 요건이 존재하기도 한데 이는 다시 최소 정전 용량을 필요로 한다.

기생 인덕턴스를 최소화시키고 그 주변을 설계하면 보다 짧고 통제된 스위칭 이벤트를 실현할 수 있다. 이로 인해 최종 애플리케이션 효율에서 GaN 트랜지스터의 신속 스위칭 혜택을 누릴 수 있는 것이다.

GaN 파워 트랜지스터는 고객들이 자신들의 설계를 실리콘의 한계 이상으로 확장할 수 있다는 가능성을 제공한다. 시스템 스위치는 더 이상 전력 변화의 제약 요인이 아니므로 보다 효과적이고 간결한 설계를 위해 다른 회로 고려사항들을 만들어야 한다. 시스템 성능을 최신 기술의 한계 이상으로 추구하기 위해서는 전류 배치와 소자 선택을 고려해야 한다. 결론적으로 말해 GaN은 실리콘 기반 소자에 대한 대체품이 아니라 아주 새로운 패러다임이다.

아담 바시켁(Adam Vasicek) _ 온세미컨덕터

알렉산더 제임스 영(Alexander James Young) _ 온세미컨덕터