오늘날의 전자 세계에서는 의료 기기, 휴대폰 및 노트북 충전기부터 보조 전원 공급 장치에 이르기까지 모든 장치에 전력 변환기가 필요합니다. 지속적으로 작아지는 패키징 크기, 열 관리, 가변 입력 전압 및 지능형 충전 프로토콜로 인해 전원 공급 장치 및 변환기의 설계가 점점 더 복잡해지고 에너지 효율성에 대한 요구도 높아졌습니다.
지난 10년 동안 질화갈륨(GaN) 온칩 집적 회로(IC)를 활용하는 새로운 스위치 기술이 등장했습니다. 질화갈륨 회로의 특성은 원자 수준에서 다양하므로 전력 변환기 설계자는 과제와 솔루션에 모두 직면합니다.
GaN 반도체는 넓은 밴드갭을 가지고 있습니다. 3.4eV에서 밴드갭은 실리콘 반도체의 3배 이상이다. 다른 넓은 밴드갭 소재와 마찬가지로 GaN 반도체는 더 높은 전압과 최대 +400°C의 온도에서 작동할 수 있어 더 높은 전력 애플리케이션에 적합할 뿐만 아니라 더 높은 주파수에서도 작동하므로 무선 주파수(RF) 및 5G 애플리케이션에 적합합니다.
실리콘 IC와 비교하여 GaN 집적 회로는 전력 변환기 애플리케이션에서 더 작은 외부 치수로 직렬 임피던스(RDS(ON)) 및 병렬 정전 용량(COSS)과 같은 트랜지스터 관련 손실을 최적화합니다. 실리콘 IC와 동일한 설치 공간 내에서 GaN IC는 더 높은 주파수를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 더 적은 열을 발생시킬 수 있습니다. 이 기능을 통해 설계자는 부피가 큰 방열판을 축소하거나 제거할 수 있습니다.
그러나 GaN 트랜지스터를 제어하는 것은 어려울 수 있습니다. 이러한 유형의 트랜지스터는 고주파수를 견딜 수 있습니다. 즉, 지연을 제거하고 트랜지스터의 스위칭 속도를 효과적으로 줄여 불필요한 전자기 간섭(EMI)을 방지하려면 제어 드라이버를 트랜지스터에 물리적으로 가깝게 위치해야 합니다. GaN을 사용하는 전력 변환기 설계자는 1차측(입력)용 고전압 전원 스위치와 2차측(출력)용 제어 IC 및 피드백 회로를 결합한 단일 장치를 사용하여 이러한 문제를 해결합니다.
스위치 동작의 세부 특성
Power Integrations는 PowiGaN ™ InnoSwitch 3 기술을 활용하여 이러한 패키지 장치의 여러 시리즈를 개발했습니다. 예를 들어 InnoSwitch 3-CP 시리즈 변환 스위치 IC(그림 1)는 유사 공진(QR) 플라이백 컨트롤러를 사용하여 정전압(CV)/정전류(CC) 출력을 제공하여 정전력(CP) 곡선을 달성합니다.
IC의 1차측과 2차측은 전기적으로 절연되어 있지만 출력 전압 및 전류 정보는 유도 결합을 통해 2차측 컨트롤러에서 1차측 컨트롤러로 전송됩니다. FluxLink 통신 기술은 정확한 정보를 신속하게 제공하여 빠른 부하 과도 응답과 최대 70kHz의 스위치 주파수를 달성할 수 있습니다.