TI, 드라이버, 보호 기능, 능동형 전원관리 통합 GaN FET 발표

텍사스 인스트루먼트(TI)가 고전압 전원관리 제품 포트폴리오에 차량용 및 산업용 애플리케이션에 적합한 650 V 및 600 V 질화갈륨(GaN) 전계효과트랜지스터(FET) 제품을 추가한다고 12일 밝혔다. 이번에 발표한 차량용 GaN FET는 전기차(EV)의 온보드 차저 시스템에 전원을 공급하는 자동차 인증(AEC-Q1) 제품이다. 

엔지니어들은 2.2 MHz 고속 스위칭 게이트 드라이버가 통합된 GaN FET 신제품군을 통해 ▲전력 밀도는 두 배로 높고, ▲99%의 효율성을 달성하며, ▲기존 솔루션 대비 자기 소자의 크기를 59%까지 축소할 수 있는 솔루션을 개발할 수 있다. TI는 특허 받은 GaN 소재와 GaN-on-silicon(Si) 물질 처리 기술을 통해 실리콘 카바이드(SiC) 소재에 비해 비용과 공급망 측면에서 유리한 FET을 개발했다. 
TI의 발표에 따르면, 새로운 차량용 GaN FET은 기존 Si나 SiC 솔루션에 비해 전기차(EV) 온보드 차저와 DC/DC 컨버터의 크기를 최대 50%까지 축소할 수 있다.  

TI 고전압 전원 사업부의 스티브 톰(Steve Tom) GaN 제품군 매니저는 "시스템 비용, 신뢰성, 풋프린트, 성능의 비약적인 향상을 위해서는 반도체 패키징과 토폴로지 혁신이 필요하다"면서 "2010년부터 GaN 개발을 시작한 TI는 지멘스와 공동으로 GaN을 사용한 10 kW 클라우드 지원 그리드 링크 최초 시연에 이어, 최근 900 V, 5 kW 양방향 AC/DC 플랫폼을 공개한 바 있으며 이번에 업계 최초로 게이트 드라이버와 보호 및 능동형 전원관리 기능을 통합한 차량용 GaN FET를 출시하게 됐다"고 말했다.  

TI 고전압 전원 부문의 스티브 램버스(Steve Lambouses) 부사장은 “TI의 GaN 기술은 4,000만 시간 이상의 디바이스 신뢰성 테스트와 5 GWh의 전원 변환 애플리케이션 테스트를 거쳐 모든 시장에서 엔지니어가 요구하는 수준의 신뢰성을 제공한다”고 전했다.

더 적은 수의 디바이스로 전력 밀도 2배 향상 

TI의 새로운 GaN FET 제품은 고속 스위칭 드라이버, 내부 보호 기능 및 온도 감지 기능까지 통합했기 때문에 엔지니어들은 전원관리 설계에 필요한 보드 공간은 줄일 수 있다. 이러한 통합과 TI GaN 기술의 높은 전력 밀도로 인해 엔지니어는 디스크리트 솔루션에 요구되는 부품수를 10개 이상 줄일 수 있다. 또한 새로운 30 mΩ FET은 하프 브리지 구성에 적용될 때 최대 4 kW의 전력 변환을 지원할 수 있다. 

높은 PFC 효율 달성

GaN은 고속 스위칭의 이점이 있어 보다 작고 가벼운 효율적인 전력 시스템 설계가 가능하다. 기존에는 고속 스위칭을 사용하려면 전력 손실이 증가했다. TI의 GaN FET는 전력손실을 줄이기 위한 TI의 아이디얼 다이오드  모드를 지원한다. 예를 들어 PFC에 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 디스크리트 GaN 및 SiC MOSFET에 비해 서드 쿼드런트(제3사분면) 손실을 66%까지 줄일 수 있다. 또한 아이디얼 다이오드 모드를 사용하면 적응형 데드 타임 제어가 필요 없어 펌웨어의 복잡성을 낮추고 개발시간을 단축할 수 있다. 

열 성능 극대화

TI의 GaN FET 패키징은 가장 비슷한 경쟁 패키징에 비해 열 임피던스가 23% 낮아 엔지니어들은 열 설계를 간소화하면서 더 작은 히트싱크를 사용할 수 있다. 또한, 애플리케이션에 관계없이 하단 또는 상단 냉각 패키지를 선택할 수 있어 최대 열설계 유연성을 제공한다. 통합된 디지털 온도 감지 기능은 전원관리를 가능하게 하여 엔지니어들이 다양한 부하 및 동작 조건에서 시스템 열 성능을 최적화할 수 있도록 한다.  

패키지, 공급, 가격

사전 생산된 산업용 600 V GaN FET 4종은 현재 구입 가능하다. 이 제품들은 12mm x 12mm QFN 패키지로 제공된다. TI는 2021년 1분기에 산업용 제품의 생산을 시작할 예정이다. 관련 평가 모듈도 구입 가능하며, 가격은 199달러부터 시작된다. 

사전 생산된 차량용 650 V 30 mΩ GaN FET LMG3522R030-Q1과 LMG3525R030-Q1을 비롯한 평가 모듈은 2021년 1분기부터 공급할 예정이다.



LMG3425EVM-043 평가 모듈

• 하프 브리지로 구성되고 드라이버와 보호 기능을 통합한 2개 600V 30mΩ GaN FET. 모든 필요한 바이어스 회로와 로직 전력 레벨 쉬프팅 기능도 포함
• 모든 필수 전원 스테이지 및 게이트 구동 고주파 전류 루프를 포함하기 때문에 성능은 향상시키면서 기생 인덕턴스를 최소화하고 전압 오버슈트를 감소
• 소켓 방식으로 외부 연결이 가능해 손쉽게 외부 전원 스테이지에 연결하여 다양한 애플리케이션에서 LMG3425R030 실행 가능

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