큰 성장잠재력, 고성능의 GaN 기술

새로운 GaN 기술 스위치는 최강의 Rdson과 Qgd를 제공하지만, 신뢰성을 확보하고 오버스트레스와 고장을 피하려면 더욱 더 정밀한 드라이빙 기법이 필요하다. 여기서는 주요 기술 과제와 이러한 점들을 해결하기 위한 솔루션에 대해 설명한다.

Maurizio Granato, Roberto Massolini Texas Instruments

LED로 구동되는 와이드밴드갭 Ⅲ- 질화물 반도체 디바이스, RF 전력단, 레이더, 그리고 항공우주와 관련된 연구에 의해 GaN 전력 FET가 도입되었다. 이것은 표준 MOSFET에서 전력 밀도를 제공하며 열 특성을 개선할 수 있다.
최강의 Rdson과 Qgd를 가진 이 새로운 유형의 디바이스는 뛰어난 Figure Of Merit(FOM＝Rdson×Qgd), 높은 동작주 파수, 작은 패키지의 풋프린트로 효율과 전력밀도가 중요한 전력 컨버터에 최적이라는 것을 알 수 있다. 이 디바이스는 산업 전력 전자 애플리케이션에서 매우 유용하며 AC-DC 및 DC-DC 컨 버터의 효율도 개선할 수 있지만, 단점이 아예 없는 것은 아니다.
여기서는 전력 애플리케이션에서 GaN이 가진 주요 특성을 간략히 소개 하고, 새로운 기술의 장점과 문제점을 어떻게 균형 있게 조절할 것인지 생각 해 본다.
또한 GaN 게이트 드라이빙과 관련된 문제점을 중심으로 살펴본 후, GaN FET에 맞춰 특별히 설계된 최초의 드라이버 LM5113에 대해 소개한다.

GaN FET의 개요



1970년대 말에 소개된 전력 MOSFET은 단순히 바이폴라 전력 트랜지스터의 대안으로 연구되기 시작했지만, 고주파수 스위치 모드 전력 서플라이 (SMPS)의 확산을 고양시키며 전력 전자 시장에서 가장 광범위한 디바이스가 되었다 . FET의 진화 과정에서 TrenchFET, HEXFET, CoolMOS 등 다른 수 많은 기술들이 나왔고, MOSFET 스위치의 성능은 느리지만 지속적으로 개선되었다. 최근 몇 년 동안 대안 물질(GaN, SiC)은 그 비용 효과성으로 인해 최고의 규소 기반 디바이스에 도전하기 시작했으며 큰 기술 변화가 일어나고 있다.

GaN 디바이스의 고유 성능은 보다 원숙한 SiC 기술과 비교할 수 있다. 일단 GaN은 SiC에 가까운 항복전압을 갖고 있으며 두 배의 전자 모빌리티가 가능하다[사실, 이 디바이스는 HEMT(High Electron Mobility Transistors) 로 불리는 경우가 많다]. 또한 GaN 산업은 광전자공학이 발전함에 따라 성숙해 졌으며(광범위한 LED 응용), 이미 시장에 많은 공급자들이 있어 SiC에 필적하는 가격 삭감을 기대할 수 있게 되었다. 반면에 GaN의 열 전도는 SiC의 1/4 가량이다. 또한 전력 GaN 디바이스는 SiC 보다 10년 늦게 개발되기 시작했다. 즉, 원숙도와 신뢰성은 떨어진다는 뜻이다.

저가 GaN 디바이스는 프로세스 제조 기법 향상과 더욱 경제적인 기판 채택으로 이용성이 커져왔다. 2인치의 매우 값비싼 GaN 기판부터 4인치의 SiC 기판, 6인치의 사파이어 기판, 최근의 실리콘 기판 성장까지(최대 12인치) 그 비용 절감은 엄청났다. 반면에 격자와 열 팽창 부조화로 인한 문제 없이 디바이스의 신뢰성을 높이고 고성능을 유지하기 위해 엔지니어링에 상당한 노력을 기울여야 했다.

GaN 기반 디바이스에서 가장 눈에 띄는 이점은 특정 항복전압의 onresistance가 크게 줄었다는 것, 즉 특정 on-resistance의 항복전압이 매우 높아졌다는 것이다. 장기간 실행했을 때 예상할 수 있는 점은, SiC 기반 디바이스의 경우 실리콘 디바이스와 관련하여 한 자릿수 더 나은 Rdson을 달성하게 되고, GaN 기반 디바이스는 추가로 2 ∼3배 더 향상될 것이라는 점이다. 이러한 on-resistance의 감소는 디바이스 전원을 켜는데 필요한 게이트 차지 (gate charge)의 감소와 함께 나타나므로 결국 이 새로운 컴포넌트의 초기 개발 단계에서조차 Rdson×Qg figure of merit는 크게 향상된다.

GaN 디바이스 제조사는 2009년의 실리콘 성능과 관련하여 2014년에는 디바이스의 FOM이 한 자릿수만큼 개선 될 것으로 예측하고 있으며, 하이 스위칭 주파수 컨버터에서 효율이 크게 향상되면서 전체적으로 더욱 더 소형화될 것으로 예상하고 있다.
GaN이 최근 헤드라인의 대부분을 차지하고 있고 FOM이 우수하기는 하지만(그림 2 참조), 이 새로운 기술이 현재의 디바이스들을 완전히 교체하지는 못 할 것이며 그보다는 현재의 디바이스들 을 보완하고 고주파수, 하이전력 SMPS 와 같은 특정 애플리케이션에서 높은 인기를 얻게 될 것이다. 이러한 이점을 그냥 얻을 수는 없으며, 대다수는 새로운 지식을 쌓아야 한다. 예를 들어 모든 전력 설계자는 MOSFET 게이트 드라이버의 본질적인 특성에 익숙하며, LM51XX 등과 같은 통합 IC를 표준 실리콘 스위치의 효과적인 구동에 사용할 수 있다고 인식하고 있다. 그러나 GaN FET가 갖고 있어야 할 기본 특성에 대해 아는 사람들은 많지 않다.


GaN 드라이버의 주요 특징

이 새로운 유형의 디바이스를 위한 게이트 드라이버는 원칙적으로 기존의 MOSFET 드라이버와 크게 다르다. 두 드라이버는 모두 본질적으로 저출력 전력 컨트롤러를 인터페이스하는 전력 증폭기이며, PWM 로직 시그널을 전력 스위치에 제공한다. 추가적인 특징으로 싱글 또는 더블 입력과 자동 데드타임 컨트롤이 있다.

게이트 드라이버는 두 가지 주요 작업을 완성해야 한다. 적절한 전압 수준을 제공하여 낮은 임피던스 출력과 높은 전류 기능으로 스위치를 구동해야 하고, 정확한 타이밍과 정밀성으로 로우사이드 및 하이사이드 버퍼에 시그널을 전달해야 한다. 이 두 가지 주요 요소에서 전용 GaN 드라이버는 오버스트레스를 피하고 스위치 수명을 늘리기 위해 특별한 기능을 제공해야 한다. 신뢰 성을 유지하기 위한 GaN 전기 요건들은 매우 구체적이며, 기존의 MOSFET 과는 큰 차이가 있다.

고전류 기능과 DC 바이어스

게이트 드라이버의 고전류 싱킹/드로잉 기능은 MOSFET 드라이버에서 가장 중요한 기능으로, 전력 스위치에서 밀러 커패시턴스의 빠른 충전과 방전을 허용하고 빠른 전이를 가능하게 하여 컨버터의 스위칭 손실을 최소화시킨다. 이와 같은 경우, GaN 드라이버에는 어떠한 차이도 없다. 하이피크 전류와 낮은 임피던스 출력은 여전히 본질적인 특성이다. 게이트 차지와 관련하여 전 력 손실이 크게 줄어든 경우에도 밀러 커패시턴스는 여전히 존재하며, 똑같이 조정되지 않고 높은 계산 속도로만 최소화될 수 있는 손실을 유도한다.

정확한 게이트 드라이버 공급 전압

HEMT eGaN 디바이스는 권장 게이트 소스 전압과 견딜 수 있는 최대 게이트 소스 전압 사이에 약간의 헤드룸만 허용하고 있다. 예를 들어, EPG GaN FET는 5V Vgs로 전원을 켰을 때 최고의 Rdson 성능을 발휘하지만, 6V의 최대 게이트 전압만 허용한다. 이러한 특성에는 매우 정밀한 게이트 전압이 필요한데, 이것은 하이사이드 플로팅 부트 스트랩 서플라이로 달성하기 어렵다.


그림 3을 보면 부트스트랩 회로의 기본 작동 원리를 관찰할 수 있다. OUT(하 이사이드 FET 의 소스 전압)이 컨트롤 러 Vdc 밑으로 당겨지면, Cboot가 적색 부트스트랩 전류 경로를 따라 충전된다. OUT이 위로 당겨진 후 부트스트랩 회로 가 내놓는 최종 VBS는 VBS＝Vdc－Vfdboot＋ VfG1이다. Vfdboot는 부트스트랩 다이오드 포워드 드롭이고, VfG1은 GaN 디바이스 의 역방향 ‘다이오드’전압이다. 향상 모드의 본질적인 특성 덕분에, GaN FETs VfG1은 실리콘 부트스트랩 다이오드 포워드 전압보다 크며 따라서 부트스트랩 전압은 Vdc보다 커진다.
5V에서 스위치 Rdson을 완전히 활용하며 최대 게이트 등급을 초과하지 않고 신뢰성 있는 작동을 확보하려면, 추가 회로를 사용하여 부트스트랩 회로의 출력 전압을 조절해야 한다. 로우사이드 드라이버의 게이트-소스 전압에 대한 엄격한 요건들은, 오버슛을 피하기 위한 턴온 전압의 정밀한 컨트롤에 일부 문제를 일으키며 정밀한 레이아웃 설계를 요구한다.

높은 dV/dt로 인한 가짜 턴온

GaN FET와 훨씬 더 작은 출력 커패 시턴스 Cds를 사용하는 SMPS의 스위칭 주파수 증가는 일부 성능상 이점이 있긴 하지만, 몇 가지 제약도 있다. 빠른 dV/dt(30kV/㎲의 피크에 도달 가능)가 게이트 드레인 커패시턴스와 게이트 소스 커패시턴스(EPC60V는 거의 비슷한 Qgd와 Qgs을 갖고 있다.‘ Si vs Gan : 간 단한 수치 비교’부분 참고) 사이의 불리한 비율과 함께 존재한다는 사실은 밀러 턴온의 위험을 증가시키며, 하프 브릿지 레그의 전도를 위험한 수준에까지 이르게 한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 드라이버의 풀다운 저항기를 1Ω미만의 값으로 최대한 낮게 유지시켜야 한다. 반면 EMI 및 오버슈트 컨트롤을 개선 하는 데에는 풀업 레지스터를 조정하는 옵션도 가끔 필요하다. 전형적인 MOSFET 드라이버는 싱글 출력 드라이버를 갖고 있으며 풀업 및 풀다운 레지스터의 정확한 터닝은 안티패러럴 다이오드를 사용하여 얻을 수 있다. 풀다 운 저항과 전압 레벨의 엄격한 제약 때문에 GaN FET 드라이버는 턴온 경로 및 턴오프 경로로 게이트 드라이버 출력을 분할해야 한다.




하이사이드 드라이버 제약

GaN FET를 드라이빙할 때 데드타임이 컨버터의 전체 효율을 낮추는 경우가 많다. 그 이유는 GaN 디바이스가 표준 안티패러럴 다이오드를 갖고 있지 않아 (다수의 캐리어들만 GaN 디바이스 전도 에 관여) 회복시간이 제로이고, 실리콘 MOSFET의 리버스 다이오드에서보다 리버스 포워드 드롭이 높기 때문이다.
업계에서 다이오드 전도를 최소 수준으로 유지하기 위해 사용하는 방식은, GaN FET의 빠른 턴오프 시간(보통 10ns보다 낮음)을 고려했을 때 같은 레그에서 다른 디바이스를 턴온하기 전에 평소의 데드타임을 적용시키지 않고 드라이버를 5ns±2ns의 인터벌로 미세하게 조정하여 바디 다이오드 전도 손실을 최소화하고, 레그에서의 shootthrough 없이 안전한 작동을 확보하는 것이다.
이와 같이 정밀한 데드타임을 제공하려면 하이 사이드와 로우사이드의 전파 지연 매칭이 중요한 변수가 된다. 일반적으로 회로에서 shoot through 또는 크로스 컨덕션을 방지하는 데에는 2ns 이하의 범위를 유지하는 것으로도 충분하다.

GaN을 더욱 단순하게 만들어 주는 LM5113

몇 달 전만 해도 GaN FET를 정밀하고 안전하게 사용할 수 있는 유일한 해결책은 지금까지 설명한 문제들에 대한 지식을 쌓아 궁극적으로 분리 컴포넌트 게이트 드라이버를 구축하는 것이었다. 그러나 지금은 TI에서 GaN 디바이스용으로 전용 게이트 드라이버를 내놓았다.
LM5113은 개선 모드 GaN FET용 100V 브릿지 드라이버로, 안전하고 믿을 수 있는 작도에 필요한 모든 기법들을 구현하고 있다. 이것은 완전히 통합된 하이 사이드 부트스트랩 다이오드를 갖고 있어 애플리케이션 개발을 더욱 단순하게 만들어주며 PCB 면적 차지를 최소화 해준다. 또한 이 디바이스는 약 5.25V에서 하이사이드 플로팅 부트스트 랩 커패시터를 조절하여 최대 게이트- 소스 전압 등급을 초과하지 않고도 GaN 전력FET를 최적으로 구동할 수 있다.
LM5113은 하이사이드 및 로우사이드 드라이버에 독립적인 로직 입력을 제공하므로 고립형 전원 공급장치 토폴 로지와 비고립형 전원 공급장치 토폴로지 모두 다양하게 사용될 수 있다. 빠른 전파 지연과 탁월한 지연 매칭 덕분에 고속 애플리케이션에 적합하며 리버스 다이오드 손실을 최소화 해준다.
또한 LM5113은 독립적인 싱크 및 소스 출력을 갖고 있으므로 턴오프 세기에 관해 턴온 세기를 자유롭게 할 수 있다. 0.5Ω이라는 낮은 임피던스 풀다운 경로는 GaN 전력 FET의 낮은 스레숄드 전압을 위해 빠르고 믿을 수 있는 턴오프 메커니즘을 제공하며, 고주파수 전원 공급장치 설계의 효율을 극대화 시켜준다.

수 년간 전자공학용 솔리드 스테이트 스위치에서 누락된 효율 퍼센트 포인트에 대한 끊임 없는 연구로 이루어진 전력 기술 향상을 짧게 살펴본 결과, GaN 기술은 다양한 애플리케이션에서 매력적으로 보일 수 있는 여러 가지 장점들을 갖고 있어 성장 잠재력이 매우 크다는 점을 알게 되었다. 이 잠재력 중 가장 눈에 띄는 결과는, 이제 전용 드라이빙 솔루션을 내놓기 시작한 반도체 산업의 반응이라고 할 수 있다.
NSC LM5113은 GaN 디바이스의 놀라운 잠재력을 꼼꼼히 분석하여 나온 결과물이며, 이 디바이스를 구동할 때 생기는 문제들은 성능 개선과 위험한 오버 스트레스 회피라는 가장 합당한 방식으로 인정하고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, TI의 전용 드라이버는 전력 애플리케이션 설계자들에게 정확한 게이트- 소스 전압 컨트롤과 데드타임 관리, 가짜 턴온 컨트롤, 드라이버 비대칭 등에서 안전성을 제공하고 있다. 여러 가지 추가 기능들로 인해 이 새로운 GaN 디바이스용 통합 드라이버에서는 중요한 기능 목록을 찾을 수 있으며 가장 작은 풋프린트로 구현되어 있다.

참 고 문 헌
[Naik] H. Naik, “4H-SiC Lateral MOSFETs on (0001), (000-1) and (11- 20) oriented SiC substrates”Master's Thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 2009.
[LM5113] NSC datasheets “5A, 100V Half-Bridge Gate Driver for Enhancement Mode GaN FETs”
[Briere] “GaN-based power devices offer game-changing potential in power-conversion electronics” Michael A. Briere, ACOO Enterprises LLC
[Strydom] “How2 Get The Most Out Of GaN Power Transistors”by Johan Strydom, Efficient Power Conversion, El Segundo, Calif
[Microsemi] “Gallium Nitride (GaN) versus Silicon Carbide (SiC) In The High Frequency (RF) and Power Switching Applications”Microsemi application note.